张子方

摘 要：随着社会的不断发展，在大型水轮发电机的电场计算中，需要将ANSYS的软件编程技术作为主要的平台，实现对大型水轮发电机的电机偏心磁场的有效计算。在该方法中，可以有效计算大型水轮机中偏心转子的一系列参数。简要分析了物理模型，阐述了水轮机的电机转子偏心磁场的计算情况，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：ANSYS前处理器；水轮机发电机；电磁场计算；电子转子

中图分类号：TM312 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.154

1 物理模型

在物理模型方面，需要对大型的水轮发电机的二维电磁场求解。在大多数水轮发电机中，所存在的磁极结构是处于相同状态中的，也就是在利用不均匀气隙的情况下，保持极身和极靴的宽度不变，并且每极上的阻尼条根数不尽相同。因此，在计算水轮发电机的横截面积时候，需要对1个或1/2单元电机进行剖分。也就是说，至少剖分1个磁极或1个以上甚至更多的磁极，并且大型水轮发电机中的齿槽结构也是相当类似的，所以，可以利用编程软件来实现。

在目前的电磁场软件中，需要对其拓扑结构进行相关计算。在计算时，要遵循以下几个原则；①求解的周期和半周期的边界中的节点数和位置都要处于一一对应的状态；②一类边界上的节点都要按照连续的逆时针排列方式来排列；③边界中的节点编号必须是根据半径之间存在的递增关系排列的，边界上的节点编号也必须按半径递增的关系依次排序；④节点需要按照预先的数量来实现均匀分布，并且在编号也要按照逆时针的顺序排列。总而言之，在排列的过程中，要根据其实际情况排列拓扑信息结构。

2 水轮发电机的电机转子偏心磁场的计算

2.1 转子偏心的定义

本文以1台转子发生静态偏心的四极电机为主要研究对象，该电机的结构如图1所示。在电机运行的过程中，如果转子中心从O点沿OT轴向右偏移到了O′点的位置，并且在运行过程中，转子绕O′点旋转。在这种情况下，需要计算大型水轮发电机的磁场。图1中，γ代表转子位置角，为转子第1极的磁极中心线d轴领先定子参考轴OT的电角度。

2.2 模型的建立

根据实际情况建立对模型，在建立的过程中，需要考虑以下2个方面的内容：①在忽略位移电流的情况下，如果对电机直线部分采取二维磁场分析，端部中所产生的端部漏感如何体现；②忽略定子叠片铁心和有源电流区的涡流区域，并且在水轮发电机中的二维全场域的平面磁场中，要有效计算矢量磁位和发电机的边值，从而实现对电机的科学计算。

2.3 转子偏心磁场的计算

本文应用ANSYS软件对求解场域进行有限元数值分析时，需要处理3个方面的内容，即前处理、求解过程和后处理。

在前处理阶段，需要创建出分析模型，根据各部分的定义进行材料性质以及其求解区域的划分，最终实现对单元类型的定义。本文选用PLANE53号单元进行静态磁场分析，而文中的電机求解域包含的材料有包括定、转子铁心、空气和线圈，并且分析时需要利用到六节点三角形单元。

在求解阶段，需要计算设定电枢、加边界条件、施加激励和运行等相关方面内容。在本文的计算中，要充分利用加电流面密度载荷的方式来求解域内外边界附一类边界条件。在整个求解计算过程中，需要利用波前算法对模型进行求解，利用气隙区域中剖分节点中体现出的耦合设置，从而了解和计算转子不同偏心量，最终了解到不同旋转位置下电机中不同的电磁场的分布状况。

在后处理阶段，主要是利用每个模型中的节点自由度来计算，其中，需要对磁链、磁感应强度、磁场强度、磁力线和涡流电流等相关物理量进行计算。本文主要用ANSYS软件的APDL参数化编程语言计算转子偏心磁场的程序。在计算过程中，可以自动加载计算偏心转子的自动旋转、转子不同位置下偏心磁场，最终输出线圈磁链结果数据。在计算过程中，要全面计算转子转动所发生的效应。在此过程中，就需要仿照气隙运动带的思想，引入气隙运动线的原理，将发电机气隙模型从中间分成2部分计算，分别是定子侧气隙和转子侧气隙，这2部分气隙边界在中间重合。采用耦合2条重合线上的剖分节点来模拟转子转动后造成的电机结构变化。

2.4 结算结果分析

由上述计算方式可知，需要进行计算结果的实验。本文将1台42极550 MW的水轮发电机作为主要研究对象，对该电机中的转子偏心磁场进行有限元计算，得到了发电机在转子静态偏心下的磁场分布和支路电感。

该电机模型建立，并且对其计算后，可以得出该电机模型中的剖分单元数为14万，节点数为28万。当该电机中的转子处于静态偏心20%的情况下，同时，转子位置角γ为0时，对于该电机中的定子绕组支路，采取了施加额定电流载荷的措施。在此过程中，可利用有限元软件计算该电机中的磁力线，并且

绘制磁力线分布图。

通过计算可知，在该系统电机中，支路的自感系数的常数项中的转子偏心处于朝向处的状态，其中的气隙会在一定程度上变小，使得磁密增加，从而出现该位置定子绕组的支路自感系数变大的情况；反之，偏心反向处的定子绕组支路自感系数则变小。这充分说明，定子绕组的系数与各支路沿电机周向的分布位置有关。

3 结束语

综上所述，本文利用ANSYS软件在电磁场实验中实现了对偏心转子的自动计算等，同时，利用编写的APDL语言有限元分析程序的自完成性，最大限度地实现在电机运行过程中、无需人工干预的情况下，对线圈磁链值的输出。在水轮机的电机中，转子偏心造成水轮发电机定子支路间、定转子支路间的电感不再对称，偏心朝向处的定子支路自感和定转子支路互感变大，反向处变小。

参考文献

[1]王旭，李金香.ANSYS前处理器在大型水轮发电机电磁场计算中的应用[J].大电机技术，2003（3）：21-23.

[2]由美雁.基于ANSYS软件的减速器建模与有限元分析[D].沈阳：东北大学，2003.

[3]王生武，石秀华，王永虎，等.基于ANSYS/LS-DYNA的加筋板入水冲击仿真[J].计算机测量与控制，2010，18（6）：1401-1403，1406.

〔编辑：白洁〕