三相异步发电机电磁场分析计算开题报告

青岛大学硕士研究生学位论文开题报告学校代码：11065编 号： 青 岛 大 学 硕士学位论文开题报告论文题目: 三相异步发电机电磁场分析计算 姓 名: 刘涛 专业名称: 电气工程 研究方向: 电机电磁场计算 指导教师: 吴新振 日 期: 2015年12月31日1专 业电气工程论文起止日期2015.3-2017.4课题来源导师指导，题目自拟选题报告会日期 2015.12.31论文题目三相异步发电机电磁场分析计算研究方向电机电磁场计算一、选题的背景和意义 1831年法拉第发现电磁感应原理，1834年亚哥比制成了第一台旋转电机（直流、船用），1884年，在英国由派生斯（C.A.Parsons）首先制造出第一台7.5kW、100V，6000r/min的直流汽轮发电机及另一台75kW、100V、4800r/min、单相80Hz的交流汽轮发电机1，随着工业的发展，电力很快为全世界广泛应用，尽管我国电力工业保持了良好的增长率，但大面积缺电的现象仍然存在。在石油资源形势日益严峻的情况下，各国均将眼光投向了风力资源巨大的海域，欧洲多个国家已建立了多个海上风力发电厂而且规模巨大。海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点，近几年欧美国家均把风电开发的重点转向海上，许多大型风电开发企业、设备制造企业正积极探索海上风电发展之路。海上风电投资前景仍然被看好，目前中国的风电发电量已经超过了核电，成为第三大电源，不少专家认为，未来能源结构调整主要应靠风电，在陆上风电开发进入成熟期之后，海上风电空间仍十分广阔。目前主要的发电机一般分为鼠笼型异步发电机、绕线式双馈异步发电机、永磁同步发电机、电励磁同步发电机。其中鼠笼型异步发电机、绕线式双馈异步发电机带有变速齿轮箱，而永磁同步发电机、电励磁同步发电机则是直驱方式。为了承受海上的强风载荷、海水腐蚀和波浪冲击等，海上风电机组的基础远比陆上的结构复杂、技术难度大、建设成本高。基础选型要综合考虑各项因素的影响，主要是水深、海床条件、载荷、施工难度、建设成本几个方面。因此，鼠笼型异步发电机成了目前海上风电的首选发电机。异步发电机结构简单牢固，造价低廉，维修方便等特点使其不但能够作为风力发电和水力发电原件并网独立已解决我国电力紧张现状，而且对于输电线路无法达到的偏远地区，独立运行异步发电机能够充分利用当地的风能、水能丰富的特点搭建独立运行电力系统为用户供电，这不但可以满足片与地区无点人口用电需求，也可大大提高我国风能和水能的利用率，意义重大。异步发电机需求量的不断增加，必然对电机设计提出了更高的要求。电机设计的任务是根据用户提出的产品规格（如功率、电压、转速等）、技术要求（如效率、参数、温升限制、机械可靠性要求等），结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况，运用有关的理论和计算方法，正确处理设计时遇到的各种矛盾，从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品2。 对于电机行业，电机的设计与制造水平具有非常重要的意义。良好的设计可以大幅提高电机的运行性能。电机设计任务的来源有两个，一个是国家指令性计划下达的任务，另一个是厂方与用户签订的合同，都会明确地确定两方面的问题：首先是主要的技术指标。对异步电动机而言主要指标也就是该产品的国家标准，内容包括效率、功率因数、起动力矩倍数、启动电流倍数、最大转矩倍数和温升等。其次是经济指标，也就是产品的销售价格。设计的任务就是在保证产品技术性能指标的前提下尽可能降低成本，以获得较大的经济效益。 电机设计主要包括电磁设计和结构设计，这两者之间有紧密的联系。电磁计算的任务是根据电机额定数据与性能指标决定其主要尺寸和绕组数据，并校核其性能，然后写出电磁计算单，作为结构设计的基础。结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和温升计算；本课题主要涉及电磁设计，异步发电机电磁设计主要是以磁路（场）设计计算为基础，通过多方案的磁路计算、损耗和效率计算、电抗、时间常数及短路电流计算等，在满足用户对发电机性能要求和最优经济情况下，选定发电机的定子和转子铁心有效部分的尺寸以及定子、转子线圈和铜线尺寸，并计算出发电机的参数和性能特性曲线。在异步发电机设计中，通常是采用“路”的方法，利用解析公式、经验系数及多次实验获得的曲线进行电机参数和性能的计算分析，它的优点是计算简便快捷，物理概念明确，缺点是某些参数计算精度不够，有些数据全凭经验公式、系数给出。有限元法采用数值计算原理，依据电机具体的物理模型，可以考虑铁心饱和等非线性问题，提高了计算精度。在电机设计的初始阶段，由于没有实验样机，无法用实验验证“路”的方法计算结果是否正确，而有限元法就是一个较好的补充，可以与解析法的计算结果互相比较验证。“异步发电机电磁场分析计算”以电磁场计算为基础，结合磁路法和有限元法，对异步发电机的稳态和瞬态参数进行计算，并分析电机的损耗及突然短路时的冲击电流等瞬态特性。二、国内外研究现状1 、国外研究现状自1888年第一台旋转电枢型高速（4800rpm）交流发电机问世以来，发电机的设计工作便逐渐纳入轨道。第一次世界大战后，工业发展加速，对发电机的需求量剧增，尤其是交流输电的实用化，用电的高度商业化和火力发电速见成效的特点使汽轮发电机生产的发展更加迅速3。伴随着发电机机制造业的发展，电机设计方法也是在不断进步的。通过理论分析、模型试验和真机实践而确立的各种电磁概念已经解决了大部分计算问题，如以场论为基础的磁路计算，尤其是饱和电机的磁路有限元计算、损耗及热计算和动态参数计算等，在某些方面以简化物理模型模拟，但在工程实践中已证明其有效性是令人满意的4。近二十年来国外电机设计方法有了很大进步，如计算机与有限元等技术的应用，使得发电机的电磁、温升等计算得以从“路”的形式发展到用“场”来做必要的详细计算5。在电磁场方面的研究结果，使得大型发电机的附加损耗显著减小，冷却技术的进步加上转子锻件护环材料的改进，使得异步发电机单机容量越来越大。在转子损耗的计算中，一般普遍采用的方法有解析法和有限元法。对于解析法，文献6将实心转子透入深度内的部分等效为若干阻尼条，再计算阻尼条产生的损耗，这种方法需要准确地计算出转子各处的透入深度，比较困难，同时误差也较大。较准确的计算方法是有限元方法，在电机端部效应影响不大时，通常采用二维场进行计算。其中较简单的方法是用二维谐波场进行计算7-10，但在谐波场下不易考虑转子旋转，无法考虑气隙磁导变化引起的损耗。更准确的计算方法是二维时间步瞬态场有限元法11,12，该法可以考虑转子转动，能够准确全面地计算转子内的总损耗，包括齿谐波磁场和齿谐波磁导变化在转子引起的损耗，不过一般计算过程比较麻烦费时。场路耦合时步有限元法也常用于电机电磁场的计算13-15。文献16采用时步有限元法对一台三相感应电机单相运行进行计算，利用场路耦合来考虑补偿电容的作用，分析了各相电压电流及输出功率与转速的关系。文献17利用场路耦合方法分析了一台凸极同步电机，计算了磁密和铁心损耗。而英国的S. Williamson博士在有限元法计算电机参数方面做了较多工作18,19，他主要是研究感应电机的规律。2、国内研究现状由于风能水能利用方面的条件限制以及偏远地区和舰船独立用电领域的用电需求似的异步发电技术称为目前研究的热点，国内在双绕组恒速运行异步发电机，双绕组变速运行异步发电机，双馈运行风力发电机等课题的研究方面取得了很大进展，推动了异步发电机研究的深入和应用的多样化。 上海是中国电机制造业的发源地，最早的制造厂是华生电器制造厂（1916年创办）。建国以前，中国电机制造工业极端落后，中国电机工业只是在上海、天津等几个大城市有电机制造厂，这些厂主要作装配，修造工作，规模小，设备差，产品规格混乱，生产成本高，产品质量低。矿山、钢厂和电厂用的大型电机和发电机均由国外进口，完全不具备生产中大型交、直流电机的能力。解放以后，我国的电机制造工业得到了很大发展，产品的品种、数量不断增加，技术水平逐步提高，逐步建立起比较完整的电机制造工业体系。近年来，在引进、吸收和消化国外先进技术的基础上，对原有电机进行了改型和优化设计，并相继开发和研制出多种新系列电机，不仅基本满足了国内生产的需求，尚有部分产品出口。中国许多类电机产品的性能和制造技术已经达到当代国际水平，但总体来讲，我国与国外电机制造水平仍存在相当大的差距。主要表现在品种、质量、工艺设备和工厂自动化、电子计算机辅助设计制造、配套和服务等方面。我国目前的发展状况是产品品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高；积极采用新技术、新材料、新结构和手工艺；标准化、系列化和通用化程度不断提高；积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究。1981年我国引进美国西屋公司技术，了解到西屋公司用了20年时间，在数值近似分析的基础上用网络模拟方法以场的形式来进行电磁和发热计算，该分析方法比较系统和概括，涉及整个电磁计算分析，实用有效。国内学者也开始了有限元法进行电机电磁场分析计算的研究21-23。磁场计算中用有限差分法或有限元法可得到更精确的结果，但在确定选择方案之前，必须重复计算电机稳态工况的磁场，每一次计算都需要占用大量的计算时间。所以一般在电磁设计多方案设计过程中采用较简单的程序计算，至方案初步选定后，再用有限元详细计算磁场，这样可得到比较准确的激磁电流等。三、 主要研究内容和研究方法 1、 研究的主要内容以电磁场计算为基础，通过有限元法对异步电动机的部分变量和参数进行计算，包括激磁电流，稳态参数和瞬态参数；然后以此为基础对电机性能进行分析，如突然短路时的冲击电流等。 1.1 空载性能计算计算异步电动机空载激磁电流是电机设计中的重要部分，可以用得到的激磁电流继而求得异步电动机的激磁电抗。1.2 电机参数计算在电机设计中，通常是先算出等效电路中的参数，再通过等效电路计算出各性能指标。电机参数决定着电机的性能，在异步发电机设计中，计算的参数包括漏磁系数，波形系数，气隙系数，气隙磁密，感应电动势，定子转子槽漏抗等。1.3 三相突然短路时的冲击电流及转矩变化异步电动机稳态短路电流并不很大，有时比额定电流大不了多少。但是，突然短路就不一样了，它是一种暂态过程。它的电磁过程和稳态短路不同，增加了自由分量，由于这些自由分量的存在，突然短路电流的冲击可能大到额定电流的十几到二十倍之多。因此，它对电机有较大的影响。由于电流冲击时间较短，绕组发热问题不算严重，严重的是冲击电流所产生的机械力，如果设计制造的异步发电机没有很好的考虑这个问题，这个机械力常常就能把定子绕组端部破坏。所以，端部的固定就是从防止突然短路时受到的机械力损坏绕组这个角度来考虑的。因此，需要准确计算三相突然短路时定子绕组冲击电流大小，这包括空载时的三相突然短路和负载时的三相突然短路。2、研究方法2.1 迭代法计算激磁电流在定、转子磁势无相对运动的稳态下，不考虑转子旋转时齿槽引起的气隙磁导变化，可以采用静态场求解。施加一个估算的激磁电流进行求解。在后处理中沿气隙中心线定义一条路径，如图1所示，A为路径的起点，B为路径的终点，反时针方向为路径的正方向。将分析计算的结果映射到定义的路径上，可得到路径上的气隙磁密。对气隙磁密进行Fourier分解，可以求得气隙磁密的基波值。每相感应电势E0是一个重要的物理量，求出了基波气隙磁密幅值B，由下式可计算出每极磁通的最大值m (1)其中S为每极磁通面积。则定子绕组每相电势E0 (2)其中W1为定子每相串联总匝数，kdp1为定子线圈基波绕组系数。 求出感应电势，与端电压进行比较，如不满足误差要求则改变激磁电流大小进行迭代，直至满足下式 (3)其中为容许误差，即可得出要求的激磁电流。2.2 能量法计算模拟出定子绕组漏磁场或转子绕组漏磁场的分布情况，求出定子槽漏感或转子槽漏感对应的磁场能量。在不计铁心中磁场能量的情况下，每相槽漏感（考虑了各相漏磁场的共同作用）Ls与漏磁场能量Ws的关系为 (4)毎相槽漏抗Xs1=2fLs1 (5)即可分别得到定子槽漏抗和转子槽漏抗。2.3 瞬态场计算为考虑定、转子间的相对运动引起的齿谐波磁导变化，采用瞬态场进行分析。计算的主要思想是通过气隙节点的耦合来模拟电机转子的转动，无需每步计算重新划分网格。在瞬态场计算中，耦合关系的建立可通过以下步骤：在气隙中间建立两条重合的线，分属气隙上下两层，气隙上层和定子相连，下层和转子相连；在此二线上划分数目相同的等间距节点，这样每个位置都有两重合节点；将每两个重合的节点耦合起来，就可进行静态运算。如果要模拟电机转动，只需改变节点的耦合关系，将气隙下层线节点和上层线节点改变位置进行耦合，也就相当于转子进行相应的转动。例如如果将上层节点2和下层节点1耦合，就意味着将下层节点1的位置移到上层节点2的正下方，这样也可清楚地判断转子的转向。瞬态场计算原理示意图如图2所示。 图1 气隙路径每相感应电势E0是一个重要的物理量，求出了基波气隙磁密幅值B，由下式可计算出每极磁通的最大值m (1)其中S为每极磁通面积。则定子绕组每相电势E0 (2)其中W1为定子每相串联总匝数，kdp1为定子线圈基波绕组系数。 求出感应电势，与端电压进行比较，如不满足误差要求则改变激磁电流大小进行迭代，直至满足下式 (3)其中为容许误差，即可得出要求的激磁电流。2.2 能量法计算模拟出定子绕组漏磁场或转子绕组漏磁场的分布情况，求出定子槽漏感或转子槽漏感对应的磁场能量。在不计铁心中磁场能量的情况下，每相槽漏感（考虑了各相漏磁场的共同作用）Ls与漏磁场能量Ws的关系为 (4)毎相槽漏抗Xs1=2fLs1 (5)即可分别得到定子槽漏抗和转子槽漏抗。2.3 瞬态场计算为考虑定、转子间的相对运动引起的齿谐波磁导变化，采用瞬态场进行分析。计算的主要思想是通过气隙节点的耦合来模拟电机转子的转动，无需每步计算重新划分网格。在瞬态场计算中，耦合关系的建立可通过以下步骤：在气隙中间建立两条重合的线，分属气隙上下两层，气隙上层和定子相连，下层和转子相连；在此二线上划分数目相同的等间距节点，这样每个位置都有两重合节点；将每两个重合的节点耦合起来，就可进行静态运算。如果要模拟电机转动，只需改变节点的耦合关系，将气隙下层线节点和上层线节点改变位置进行耦合，也就相当于转子进行相应的转动。例如如果将上层节点2和下层节点1耦合，就意味着将下层节点1的位置移到上层节点2的正下方，这样也可清楚地判断转子的转向。瞬态场计算原理示意图如图2所示。图2 瞬态场计算原理示意图2.4 场路耦合与时步有限元法时域暂态有限元法又称为时步有限元法，其优点是可以通过瞬态场分步进行计算，以考虑电机突然短路、突加突卸负载等暂态行为，并与外部电路进行耦合，可以计算定子冲击电流。麦克斯韦方程组是支配所有宏观电磁现象的一组基本方程，电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。对于一般的时变场，麦克斯韦方程组可以写成： (高斯定理) (6) (磁场高斯定理) (7) (麦克斯韦安培定律) (8) (法拉第定律) (9)式中：D通量密度(C/m2，库仑/米2)H磁场强度(A/m，安培/米)B磁通量密度(Wb/m2，韦伯/米2)E电场强度(V/m，伏特/米)J电流密度(A/m2，安培/米2) 从麦克斯韦方程出发，以矢量磁位Az为求解量，可得二维瞬态电磁场方程 (10)式中，Js为外加的源电流密度，矢量磁位Az与源电流密度Js只有z轴分量且沿电机轴向不发生变化，为磁导率。对于电机的整圆模型，满足以下边界条件 (11)式中T1和T2分别为定子铁心外径和转子铁心内径。3、软件介绍 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, SolidWorks,NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。它可以对如下的电磁场类型进行分析：二维静态、谐性和瞬态磁场分析；基于边界的三维静态、谐性和瞬态磁场的分析以及基于节点的三维磁场分析，电场分析，另外还有用于分析和计算电磁场或波辐射性能的高频电磁场分析。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。4、结果验证用电磁场有限元法分析计算的结果首先可以与“路的方法”计算求得的结果对比验证。对于本课题所研究的异步电动机，今后如有机会可以利用合作单位的资源进行实验，与理论分析进行对比验证，使理论方法更加完善。5、拟解决的关键问题 1绕组端部等效问题。为简化模型减少运算量，把电机轴向设为无限长，利用二模型进行运算，即忽略端部效应。但在有些情况下端部效应是需要考虑的，在这种情况下如何计及绕组端部及阻尼笼端部的影响是待解决的问题。可以考虑修正绕组直线部分的电阻率和磁导率，相当于把端部折算到电机的直线部分进行计算；而在场路耦合模型中，可以考虑在外电路中加入绕组的端部电阻和端部漏抗。2. 时步有限元法计算时间过长。可以考虑建模只建一对极模型以减轻计算负担，但是对于一对极模型如何处理周期性边界条件以及气隙耦合问题，需要进一步研究。3对应不同的短路时刻，短路电流的最大值不同。应分别在不同时刻下短路，求得各自的最大电流值，并找到所有情况下的最大电流值。四、论文工作计划与方案第一阶段（2015年03月-2015年05月）：查询相关文献资料，研究相关电路拓扑。第二阶段（2015年06月-2015年09月）：初步制定研究方案，对部分电路进行仿真实验。第三阶段（2015年10月-2015年01月）：分析课题中遇到的问题，寻找解决方法，继续实验验证。第四阶段（2015年02月-2015年05月）：制作PCB板，连接光伏板，进行实物实验。第五阶段（2015年06月-2015年12月）：进一步完善电路参数，进行效率分析。第六阶段（2017年01月-2017年04月）：整理实验数据，整理毕业论文。 参考文献1李发海、朱东起，电机学(第三版)，北京：科学出版社，20012陈世元，电机学，中国电力出版社，20043冯慈璋，工程电磁场导论，高等教育出版社，20004程福秀、林今铭，现代电机设计，机械工业出版社，19925陈世坤，电机设计，机械工业出版社，19826美S.A.萨德尔，电机与机电学，科学出版社，20027汤蕴璆，电机内的电磁场(第二版)，北京：科学出版社，19818陈培章、严烈通、姚若平，电机电磁场理论与计算，科学出版社，19869马信山、张济世、王平，电磁场基础，北京：清华大学出版社，199510胡之光，电机电磁场的分析与计算，北京：机械工业出版社，198911盛剑霓，电磁场数值分析，科学出版社，198412刘坤，ANSYS 有限元方法精解，国防工业出版社，200513李皓月、周田鹏、刘相新，ANSYS工程计算应用教程，北京：中国铁道出版社，200314邢静忠、王永岗，有限元基础和ANSYS入门，机械工业出版社，200415唐兴伦、范群波、张朝辉、李春阳，ANSYS 工程应用教程热与电磁学篇，中国铁道出版社，200316孙明礼、胡仁喜、崔海荣，ANSYS 10.0 电磁学有限元分析实例指导教程，机械工业出版社，200717邱关源，电路(第4版)，北京：高等教育出版社，200218Stephen Williamson,Lian Hoon Lim,and 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