ANSYS前處理器在大型水輪發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用

張子方

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，在大型水輪發(fā)電機(jī)的電場(chǎng)計(jì)算中，需要將ANSYS的軟件編程技術(shù)作為主要的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)的電機(jī)偏心磁場(chǎng)的有效計(jì)算。在該方法中，可以有效計(jì)算大型水輪機(jī)中偏心轉(zhuǎn)子的一系列參數(shù)。簡(jiǎn)要分析了物理模型，闡述了水輪機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心磁場(chǎng)的計(jì)算情況，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：ANSYS前處理器；水輪機(jī)發(fā)電機(jī)；電磁場(chǎng)計(jì)算；電子轉(zhuǎn)子

中圖分類號(hào)：TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.154

1 物理模型

在物理模型方面，需要對(duì)大型的水輪發(fā)電機(jī)的二維電磁場(chǎng)求解。在大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)中，所存在的磁極結(jié)構(gòu)是處于相同狀態(tài)中的，也就是在利用不均勻氣隙的情況下，保持極身和極靴的寬度不變，并且每極上的阻尼條根數(shù)不盡相同。因此，在計(jì)算水輪發(fā)電機(jī)的橫截面積時(shí)候，需要對(duì)1個(gè)或1/2單元電機(jī)進(jìn)行剖分。也就是說(shuō)，至少剖分1個(gè)磁極或1個(gè)以上甚至更多的磁極，并且大型水輪發(fā)電機(jī)中的齒槽結(jié)構(gòu)也是相當(dāng)類似的，所以，可以利用編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在目前的電磁場(chǎng)軟件中，需要對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，要遵循以下幾個(gè)原則；①求解的周期和半周期的邊界中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和位置都要處于一一對(duì)應(yīng)的狀態(tài)；②一類邊界上的節(jié)點(diǎn)都要按照連續(xù)的逆時(shí)針排列方式來(lái)排列；③邊界中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)必須是根據(jù)半徑之間存在的遞增關(guān)系排列的，邊界上的節(jié)點(diǎn)編號(hào)也必須按半徑遞增的關(guān)系依次排序；④節(jié)點(diǎn)需要按照預(yù)先的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻分布，并且在編號(hào)也要按照逆時(shí)針的順序排列?？偠灾?，在排列的過(guò)程中，要根據(jù)其實(shí)際情況排列拓?fù)湫畔⒔Y(jié)構(gòu)。

2 水輪發(fā)電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心磁場(chǎng)的計(jì)算

2.1 轉(zhuǎn)子偏心的定義

本文以1臺(tái)轉(zhuǎn)子發(fā)生靜態(tài)偏心的四極電機(jī)為主要研究對(duì)象，該電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，如果轉(zhuǎn)子中心從O點(diǎn)沿OT軸向右偏移到了O′點(diǎn)的位置，并且在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子繞O′點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，需要計(jì)算大型水輪發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)。圖1中，γ代表轉(zhuǎn)子位置角，為轉(zhuǎn)子第1極的磁極中心線d軸領(lǐng)先定子參考軸OT的電角度。

2.2 模型的建立

根據(jù)實(shí)際情況建立對(duì)模型，在建立的過(guò)程中，需要考慮以下2個(gè)方面的內(nèi)容：①在忽略位移電流的情況下，如果對(duì)電機(jī)直線部分采取二維磁場(chǎng)分析，端部中所產(chǎn)生的端部漏感如何體現(xiàn)；②忽略定子疊片鐵心和有源電流區(qū)的渦流區(qū)域，并且在水輪發(fā)電機(jī)中的二維全場(chǎng)域的平面磁場(chǎng)中，要有效計(jì)算矢量磁位和發(fā)電機(jī)的邊值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的科學(xué)計(jì)算。

2.3 轉(zhuǎn)子偏心磁場(chǎng)的計(jì)算

本文應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)求解場(chǎng)域進(jìn)行有限元數(shù)值分析時(shí)，需要處理3個(gè)方面的內(nèi)容，即前處理、求解過(guò)程和后處理。

在前處理階段，需要?jiǎng)?chuàng)建出分析模型，根據(jù)各部分的定義進(jìn)行材料性質(zhì)以及其求解區(qū)域的劃分，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)單元類型的定義。本文選用PLANE53號(hào)單元進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)分析，而文中的電機(jī)求解域包含的材料有包括定、轉(zhuǎn)子鐵心、空氣和線圈，并且分析時(shí)需要利用到六節(jié)點(diǎn)三角形單元。

在求解階段，需要計(jì)算設(shè)定電樞、加邊界條件、施加激勵(lì)和運(yùn)行等相關(guān)方面內(nèi)容。在本文的計(jì)算中，要充分利用加電流面密度載荷的方式來(lái)求解域內(nèi)外邊界附一類邊界條件。在整個(gè)求解計(jì)算過(guò)程中，需要利用波前算法對(duì)模型進(jìn)行求解，利用氣隙區(qū)域中剖分節(jié)點(diǎn)中體現(xiàn)出的耦合設(shè)置，從而了解和計(jì)算轉(zhuǎn)子不同偏心量，最終了解到不同旋轉(zhuǎn)位置下電機(jī)中不同的電磁場(chǎng)的分布狀況。

在后處理階段，主要是利用每個(gè)模型中的節(jié)點(diǎn)自由度來(lái)計(jì)算，其中，需要對(duì)磁鏈、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁力線和渦流電流等相關(guān)物理量進(jìn)行計(jì)算。本文主要用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化編程語(yǔ)言計(jì)算轉(zhuǎn)子偏心磁場(chǎng)的程序。在計(jì)算過(guò)程中，可以自動(dòng)加載計(jì)算偏心轉(zhuǎn)子的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)子不同位置下偏心磁場(chǎng)，最終輸出線圈磁鏈結(jié)果數(shù)據(jù)。在計(jì)算過(guò)程中，要全面計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所發(fā)生的效應(yīng)。在此過(guò)程中，就需要仿照氣隙運(yùn)動(dòng)帶的思想，引入氣隙運(yùn)動(dòng)線的原理，將發(fā)電機(jī)氣隙模型從中間分成2部分計(jì)算，分別是定子側(cè)氣隙和轉(zhuǎn)子側(cè)氣隙，這2部分氣隙邊界在中間重合。采用耦合2條重合線上的剖分節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后造成的電機(jī)結(jié)構(gòu)變化。

2.4 結(jié)算結(jié)果分析

由上述計(jì)算方式可知，需要進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的實(shí)驗(yàn)。本文將1臺(tái)42極550 MW的水輪發(fā)電機(jī)作為主要研究對(duì)象，對(duì)該電機(jī)中的轉(zhuǎn)子偏心磁場(chǎng)進(jìn)行有限元計(jì)算，得到了發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子靜態(tài)偏心下的磁場(chǎng)分布和支路電感。

該電機(jī)模型建立，并且對(duì)其計(jì)算后，可以得出該電機(jī)模型中的剖分單元數(shù)為14萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為28萬(wàn)。當(dāng)該電機(jī)中的轉(zhuǎn)子處于靜態(tài)偏心20%的情況下，同時(shí)，轉(zhuǎn)子位置角γ為0時(shí)，對(duì)于該電機(jī)中的定子繞組支路，采取了施加額定電流載荷的措施。在此過(guò)程中，可利用有限元軟件計(jì)算該電機(jī)中的磁力線，并且

繪制磁力線分布圖。

通過(guò)計(jì)算可知，在該系統(tǒng)電機(jī)中，支路的自感系數(shù)的常數(shù)項(xiàng)中的轉(zhuǎn)子偏心處于朝向處的狀態(tài)，其中的氣隙會(huì)在一定程度上變小，使得磁密增加，從而出現(xiàn)該位置定子繞組的支路自感系數(shù)變大的情況；反之，偏心反向處的定子繞組支路自感系數(shù)則變小。這充分說(shuō)明，定子繞組的系數(shù)與各支路沿電機(jī)周向的分布位置有關(guān)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文利用ANSYS軟件在電磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏心轉(zhuǎn)子的自動(dòng)計(jì)算等，同時(shí)，利用編寫的APDL語(yǔ)言有限元分析程序的自完成性，最大限度地實(shí)現(xiàn)在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中、無(wú)需人工干預(yù)的情況下，對(duì)線圈磁鏈值的輸出。在水輪機(jī)的電機(jī)中，轉(zhuǎn)子偏心造成水輪發(fā)電機(jī)定子支路間、定轉(zhuǎn)子支路間的電感不再對(duì)稱，偏心朝向處的定子支路自感和定轉(zhuǎn)子支路互感變大，反向處變小。

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〔編輯：白潔〕