ANSYS前處理器在大型水輪發電機電磁場計算中的應用

張子方

摘 要：隨著社會的不斷發展，在大型水輪發電機的電場計算中，需要將ANSYS的軟件編程技術作為主要的平臺，實現對大型水輪發電機的電機偏心磁場的有效計算。在該方法中，可以有效計算大型水輪機中偏心轉子的一系列參數。簡要分析了物理模型，闡述了水輪機的電機轉子偏心磁場的計算情況，以期為日后的相關工作提供參考。

關鍵詞：ANSYS前處理器；水輪機發電機；電磁場計算；電子轉子

中圖分類號：TM312 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.154

1 物理模型

在物理模型方面，需要對大型的水輪發電機的二維電磁場求解。在大多數水輪發電機中，所存在的磁極結構是處于相同狀態中的，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不盡相同。因此，在計算水輪發電機的橫截面積時候，需要對1個或1/2單元電機進行剖分。也就是說，至少剖分1個磁極或1個以上甚至更多的磁極，并且大型水輪發電機中的齒槽結構也是相當類似的，所以，可以利用編程軟件來實現。

在目前的電磁場軟件中，需要對其拓撲結構進行相關計算。在計算時，要遵循以下幾個原則；①求解的周期和半周期的邊界中的節點數和位置都要處于一一對應的狀態；②一類邊界上的節點都要按照連續的逆時針排列方式來排列；③邊界中的節點編號必須是根據半徑之間存在的遞增關系排列的，邊界上的節點編號也必須按半徑遞增的關系依次排序；④節點需要按照預先的數量來實現均勻分布，并且在編號也要按照逆時針的順序排列。總而言之，在排列的過程中，要根據其實際情況排列拓撲信息結構。

2 水輪發電機的電機轉子偏心磁場的計算

2.1 轉子偏心的定義

本文以1臺轉子發生靜態偏心的四極電機為主要研究對象，該電機的結構如圖1所示。在電機運行的過程中，如果轉子中心從O點沿OT軸向右偏移到了O′點的位置，并且在運行過程中，轉子繞O′點旋轉。在這種情況下，需要計算大型水輪發電機的磁場。圖1中，γ代表轉子位置角，為轉子第1極的磁極中心線d軸領先定子參考軸OT的電角度。

2.2 模型的建立

根據實際情況建立對模型，在建立的過程中，需要考慮以下2個方面的內容：①在忽略位移電流的情況下，如果對電機直線部分采取二維磁場分析，端部中所產生的端部漏感如何體現；②忽略定子疊片鐵心和有源電流區的渦流區域，并且在水輪發電機中的二維全場域的平面磁場中，要有效計算矢量磁位和發電機的邊值，從而實現對電機的科學計算。

2.3 轉子偏心磁場的計算

本文應用ANSYS軟件對求解場域進行有限元數值分析時，需要處理3個方面的內容，即前處理、求解過程和后處理。

在前處理階段，需要創建出分析模型，根據各部分的定義進行材料性質以及其求解區域的劃分，最終實現對單元類型的定義。本文選用PLANE53號單元進行靜態磁場分析，而文中的電機求解域包含的材料有包括定、轉子鐵心、空氣和線圈，并且分析時需要利用到六節點三角形單元。

在求解階段，需要計算設定電樞、加邊界條件、施加激勵和運行等相關方面內容。在本文的計算中，要充分利用加電流面密度載荷的方式來求解域內外邊界附一類邊界條件。在整個求解計算過程中，需要利用波前算法對模型進行求解，利用氣隙區域中剖分節點中體現出的耦合設置，從而了解和計算轉子不同偏心量，最終了解到不同旋轉位置下電機中不同的電磁場的分布狀況。

在后處理階段，主要是利用每個模型中的節點自由度來計算，其中，需要對磁鏈、磁感應強度、磁場強度、磁力線和渦流電流等相關物理量進行計算。本文主要用ANSYS軟件的APDL參數化編程語言計算轉子偏心磁場的程序。在計算過程中，可以自動加載計算偏心轉子的自動旋轉、轉子不同位置下偏心磁場，最終輸出線圈磁鏈結果數據。在計算過程中，要全面計算轉子轉動所發生的效應。在此過程中，就需要仿照氣隙運動帶的思想，引入氣隙運動線的原理，將發電機氣隙模型從中間分成2部分計算，分別是定子側氣隙和轉子側氣隙，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點來模擬轉子轉動后造成的電機結構變化。

2.4 結算結果分析

由上述計算方式可知，需要進行計算結果的實驗。本文將1臺42極550 MW的水輪發電機作為主要研究對象，對該電機中的轉子偏心磁場進行有限元計算，得到了發電機在轉子靜態偏心下的磁場分布和支路電感。

該電機模型建立，并且對其計算后，可以得出該電機模型中的剖分單元數為14萬，節點數為28萬。當該電機中的轉子處于靜態偏心20%的情況下，同時，轉子位置角γ為0時，對于該電機中的定子繞組支路，采取了施加額定電流載荷的措施。在此過程中，可利用有限元軟件計算該電機中的磁力線，并且

繪制磁力線分布圖。

通過計算可知，在該系統電機中，支路的自感系數的常數項中的轉子偏心處于朝向處的狀態，其中的氣隙會在一定程度上變小，使得磁密增加，從而出現該位置定子繞組的支路自感系數變大的情況；反之，偏心反向處的定子繞組支路自感系數則變小。這充分說明，定子繞組的系數與各支路沿電機周向的分布位置有關。

3 結束語

綜上所述，本文利用ANSYS軟件在電磁場實驗中實現了對偏心轉子的自動計算等，同時，利用編寫的APDL語言有限元分析程序的自完成性，最大限度地實現在電機運行過程中、無需人工干預的情況下，對線圈磁鏈值的輸出。在水輪機的電機中，轉子偏心造成水輪發電機定子支路間、定轉子支路間的電感不再對稱，偏心朝向處的定子支路自感和定轉子支路互感變大，反向處變小。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕