大型汽轮发电机定子绕组编织结构的虚拟样机研究 83页

＇＇？＾’；．．．Ｋ．．：；、ｉａ．巧轉謀括？＇■黎ｉ錢＇巧，■＇￣一＇、、１；縣事；；＇攝＇．Ｖ＞ｖ然跨／．１錢諸如踩护．八、＾：Ｗｈ｝＾■＇ｙ’’．．，‘＇‘．．．．＇－．－、’、＇＇．节巧＇；：，０＇＇ＡＳ、｝ｒ．＇：、Ｖ如＾ｉ批；＇’’‘Ｉ‘．．＇‘’＇＇．：．、－．＇＇．＾．．＇；＇、争‘ｒ片ｖ一．；八心巧省，：六常合Ｖ声．＾；－－■．．．，：写縷如Ｖ巧京Ｖ．叫知诛皆：；ａ軒＆＊？—‘’－，＇，＇、．＇－：中＜曲於尸■：？：一．切＇－、■■与把．拽陋巧：鴻茲：／ｔｖ．、．■＇■：＾、Ｌ三．．．．龙产：＇＇（、：中文题名）大型汽轮发电化定子绕组编织结巧，訂Ｖ、＇构的虚拟样机研究—讀與。确ｉｋ：＇．心、：ｖ、；＾ｐ（英文题名）ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｅｏｆｙｐ、墙線為■—＇＇川印＞＾：第Ｓ化化ｒｗｉｎｄｉｎｗｏｖｅｎｓｔｒｕｃｔ－ｕｒｅｏｆＬａｒｅＴｕｒｂｎｅＧｅ扭ｅｒａｔｏｇｇｉｒ公始知、’一、．一、．、■：．＇＇？．Ｖ；：．；村．一；■＾”一：。‘＂＇■女如记．山．＾：亦；：：一＇“＇＇？ｆ＇■：一？．皆．巧您矿冷，诏策驳嘴Ｉ■．＇、‘、．－户：巧：；Ｃ沁Ｖ．：二：軒综訂０皆兴＞研九生．＇—￣￣＾－．—．，钓；：嫉蓬：為占端，，＇＇王益巧．‘＾：‘公导师：：人．了，；（职碌）：怒，．；．禱餐；Ｘ呵护秦’又．记Ｗ：点（职称）；．．，，，識證，山諭編蒜沪、１’—’’’＇．‘’＂。．｜－．．一：－、、：了．：．７：，／＾，柄：＼学院机电；：，若稽学晓卓；＇於一纖￣￣＇＇、、、－＾心＞｜－＾，＜＾＾、．＇：．／诘真说：．＼；＇妒、唉兴，響：ｒ：＾ｖａ＾ｖ；Ｉ＇｜．？’？｜一‘＇＂、：＇＇＇’．ｖｔ．而哪矿诚：／Ｖ叫讀皆；作学位类型学术学位ｖ識．．－’．、＇．．－－＇．２０１５、占ｒ产＂Ｖ：年＂＇．ｔ．．－二７＾‘巧Ｉ说学｛乂授予年麼义含ｋ■’、．、－、柄＇１、‘一．；＂、、、一＂－－，＇：，Ｉ、，Ｙ、、Ｖ‘！皆一穀扭齊诗舆■．．一，’‘，．，‘．Ａ＇’？、，＇一＇心，：．’Ｖ’Ｖ如咬片．－？．ＴｖＡＶＡ成‘批严＞Ｈ．ｉ：Ｖ占：．巧巧絳皆＊，的．：去、＂’＇？’＂．、｜．’．＾．祇，一’．掉许叫’、驚辩＞乾，：，一话，道彰拌Ｖ接句戒ｆ沁１：：＼解矿 西安工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，本论文不包含任何其他个人或集体。除文中已经注明引用的内容外已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：曰期：年＾月＞１曰西安工程大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论支的规定，同意学校保留。并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权西安工程大学教学目的使用本学位论文，将全部或部分内容编入有关数据库、进行检索，可采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。□，在。保密＾年解密后适用本授权书本学位论文属于□不保密，〇立即或在〇１年年后开放使用。学位论文作者签名：指导教师签名曰期；年令月刮曰曰期；＞瓜年月＞曰＾ 学校代码10709中图分类号TM311UDC621密级：□公开□保密论文题名:大型汽轮发电机定子绕组编织结构的虚拟样机研究研究生：陈荣荣学号：2012210导师：王益轩（教授）学院：机电工程学院学科专业：机械设计及理论申请学位：学术学位答辩委员会主任委员：张欣答辩日期：2015年3月21日 大型汽轮发电机定子绕组编织结构的虚拟样机研究摘要：定子绕组是汽轮发电机的核心部件，主要作用是进行能量的转换和电能的输出。汽轮发电机运行时，定子绕组长期受到100Hz倍频电磁力和50Hz工作频率的影响，当定子绕组的固有频率接近或等于100Hz或50Hz时，定子绕组将产生共振，振动过大会引起导线绝缘磨损、线圈短路等故障，导致汽轮发电机的严重损坏。因此定子绕组的结构设计、振动特性以及电磁力作用下力学特性的研究成为汽轮发电机设计和制造工作的重中之重。本课题采用虚拟样机技术对定子绕组的结构、振动特性与电磁特性进行了深入的研究，主要工作如下：首先，在Pro/E软件中建立发电机定子绕组的三维模型，实现了定子绕组的参数化、系列化建模；同时较为深入的研究了三相定子绕组的接线方式。其次，在ANSYS中使用梁单元建立了较为准确的定子绕组单根线棒的三维模型，对其有限元模型进行了模态分析，并与在Workbench中建立的单根线棒简化模型的模态分析结果进行了对比。此外，还对定子绕组的上下层线棒进行了二维电磁特性有限元分析。然后，在Pro/E中建立了四种端部固定结构的定子绕组，并将其三维模型导入到Workbench中，进行模态分析，并比较不同结构的模态分析结果。最后，应用AnsoftMaxwell16.0软件中的相关模块进行1000MW三相隐极同步发电机的设计与分析。本课题利用虚拟样机技术对大型汽轮发电机定子绕组编织结构进行了较为系统、全面和深入的研究，从中获得了许多具有参考价值的重要结论，为定子绕组的设计、制造与分析提供了重要的参考依据。本文共有图80幅，表13个，参考文献58篇。关键词：大型汽轮发电机；定子绕组；ANSYS/Workbench；模态分析；Ansoft/Maxwell中图分类号：TM311I TheResearchonVirtualPrototypeofStatorwindingwovenstructureofLargeTurbine-GeneratorAbstract:Thestatorwindingisthekeycomponentofgenerator,themainfunctionisenergyconversionandelectricenergyoutput.Thestatorwindingschronicallywithstandtheeffectofmagneticforcesofdouble-frequency100Hzandtheoperatingfrequencyof50Hzwhentheturbo-generatorisrunning,ifthenaturalfrequencyofstatorwindingsiscloseto100HZor50Hz,thestatorwindingswillresonate,excessivevibrationwillleadthefaultofinsulationabrasionandcoilshortcircuit,causeseriousdamagetotheturbinegenerator.Therefore,theresearchonstructuraldesignofthestatorwindings,vibrationcharacteristicsandmechanicalpropertiesundertheactionofelectromagneticforces,becomethetoppriorityofturbo-generatordesignandmanufacturing.Thestructureofstatorwindings,vibrationcharacteristicsandelectromagneticpropertiesarethoroughresearchedinthispaperusingthevirtualprototypingtechnology.Themainworkisasfollows:First,thethree-dimensionalmodelsofturbo-generatorstatorwindingsareestablishedinPro/Esoftware,toachievetheparameterizationandserializationofmodelingthestatorwinding;meanwhiletheelectricalconnectionofthestatorendswindingsarerelativelythoroughresearched.Second,thebeamelementsisusedtoestablishamoreaccuratethree-dimensionalmodelofstatorwindingsinglebaranddoitsmodalanalysisinANSYS,andthemodalanalysisresultsofthesinglebararecomparedwithwhichdoneinWorkbench.Inaddition,thetwo-dimensionalfiniteelementanalysisofelectromagneticpropertiesfortheupperandlowerbarsofstatorwindingsisalsodone.Then，thefourtypeoffixedstructureofstatorendwindingsaremodelledinPro/E,andinputtedthe3DmodelsintotheANSYS/Workbench,themodalanalysisisdoingandthemodalanalysisresultsofdifferentstructuresarecompared.Finally,the1000MWthree-phasenon-salientpolesynchronousgeneratorisdesignedandanalyzedintherelatedmodulesofAnsoftMaxwell16.0software.Inthispaper,amoresystematicandcomprehensiveresearchforthestatorwindingswovenstructureoflargeturbo-generatoriscarriedoutbyvirtualprototypingtechnology,andalotofimportantconclusionswithreferencevalueisgained;theseprovideanIII importantreferenceforthedesign,manufacturingandanalysisofstatorwindings.Thereare80figures,13tablesand58referencestotallyinthispaper.ChenRong-rong(Mechanicaldesignandtheory)DirectedbyProfessorWangYi-xuanKeywords:largeturbine-generator,statorwinding,ANSYS/Workbench,modalanalysis,Ansoft/MaxwellClassification：TM311IV 目次1绪论.....................................................................................................................................11.1课题的研究背景和意义.................................................................................................11.1.1课题的研究背景..........................................................................................................11.1.2课题的研究意义..........................................................................................................21.2国内外研究现状及动态.................................................................................................21.2.1国外研究现状及发展动态..........................................................................................21.2.2国内研究现状及发展动态..........................................................................................41.3论文的主要研究内容......................................................................................................52定子绕组的三维建模.........................................................................................................72.1大型汽轮发电机的结构..................................................................................................72.2定子绕组简介..................................................................................................................82.2.1定子绕组的结构...........................................................................................................82.2.2定子绕组的换位...........................................................................................................92.2.3定子绕组的固定...........................................................................................................92.3定子绕组参数化模型的建立..........................................................................................92.3.1Pro/E二次开发工具的简介.........................................................................................92.3.2定子绕组参数的确定.................................................................................................112.3.3定子绕组模型的建立.................................................................................................142.4定子绕组的端部连接....................................................................................................172.4.1三相同步发电机定子绕组的连接............................................................................172.4.2绘制汽轮发电机三相定子绕组的展开图................................................................182.5本章小结........................................................................................................................203汽轮发电机定子线棒的有限元分析...............................................................................213.1概述................................................................................................................................213.2ANSYS中单根定子线棒的有限元分析......................................................................213.2.1单根定子线棒有限元模型的建立............................................................................213.2.2定子线棒的模态分析................................................................................................243.3Workbench中单根定子线棒的有限元分析.................................................................253.3.1单根定子线棒有限元模型的建立.............................................................................253.3.2定子线棒的模态分析................................................................................................25V 3.4定子线棒的2D电磁特性有限元分析........................................................................313.4.1定子绕组内的集肤效应............................................................................................313.4.2定子线棒的2D电磁分析.........................................................................................323.5本章小结........................................................................................................................364定子绕组的有限元分析..................................................................................................374.1ANSYS中定子绕组的模态分析..................................................................................384.1.1在ANSYS中建立定子绕组的有限元模型..............................................................384.1.2ANSYS中定子绕组的模态分析...............................................................................384.2Workbench中定子绕组的模态分析.............................................................................404.2.1支撑环式固定结构的模态分析................................................................................404.2.2绑扎式固定结构的模态分析....................................................................................424.2.3压板式固定结构的模态分析....................................................................................444.2.4灌注式固定结构的模态分析....................................................................................464.3本章小结........................................................................................................................485Ansoft中发电机的设计与仿真.......................................................................................495.1AnsoftMaxwell软件介绍.............................................................................................495.21000MW汽轮发电机的设计与分析...........................................................................495.2.1发电机基本参数........................................................................................................495.2.2发电机的二维几何模型............................................................................................515.2.3发电机的性能曲线....................................................................................................535.2.4发电机的二维瞬态特性分析....................................................................................555.3Ansoft中发电机定子绕组的设计与分析....................................................................605.3.1使用Ansoft自带的快速建模工具建立定子绕组三维实体模型............................605.3.2圆柱形定子绕组的模态分析....................................................................................615.3.3利用三维建模软件建立发电机的三维模型............................................................635.4本章小结........................................................................................................................656结论...................................................................................................................................67参考文献..............................................................................................................................69作者攻读学位期间发表论文清单......................................................................................73致谢......................................................................................................................................75VI 1绪论1绪论21世纪以来，由于人类社会对电力需求量的不断增大，各种大容量的汽轮发电机组相继问世。随着单机容量的增大，汽轮发电机在运行时产生的各种电磁力、机械力也不断增大，出现的问题越来越多，尤其是由于定子系统的振动引起的各种事故，影响着汽轮发电机能否保持安全、稳定的运行。本文对大型汽轮发电机定子绕组编织结构的虚拟样机研究，将分别从定子绕组的建模、结构的动力学特性以及电磁特性分析三个方面着重展开。1.1课题的研究背景和意义1.1.1课题的研究背景电能是现代社会最主要的能源之一，它是一种清洁、高效的二次能源，可以方便、高效地转换成其他能源形式，不仅便于输送和分配，而且还可以实现自动化的控制、管理和调度。目前，电能已广泛应用于全球的经济发展、社会需求以及人民生活当中。在19世纪60年代中期，德国工程师西门子发明制造了世界上首台发电机，可以将各种形式的能量通过转换，输出成电能。汽轮发电机是通过汽轮机将气流转化成机械能传递给发电机，然后发电机进行电能的转换并输出。目前，汽轮发电机是现代化国家中供应电力的主要发电设备，在电力、机械等行业领域中处于极其重要的地位，全球约80%左右的电能需求量都是由汽轮发电机组供给的，所以汽轮发电机的发展与国民经济的发展和社会的进步息息相关。但是，由于对电能的迫切需求，导致电力供应出现了结构性的短缺，汽轮发电机开始向更为经济、安全的大容量、高效率和自动化的方向发展，以满足不断发展的需要。随着世界能源政策、国民经济和科学技术突飞猛进的发展，电力市场需求量的持续扩大，电力工业和电网的迅速发展，以及国家倡导的节能减排和环保的需要，对发电设备提出了更高的要求，针对国家电力的发展状况，我们要采用新的设计制造技术、高性能的材料、可靠性更高的结构，开发研制新品种的发电机，以实现从量变到质变的飞跃。因此，提高我国大型汽轮发电机的设计制造水平，生产出大容量的大型汽轮发电机，逐步实现设计自主化、设备国产化的工作显得非常必要和紧迫[1]。大型汽轮发电机安全、稳定的运行关乎着整个电力系统经济、安全、可靠的运行。国内外许多实践表明，汽轮发电机的故障大多数都是由定子系统的振动引起的，定子绕组是定子系统的主要组成部分，绕组端部的振动问题也尤为重要，所以定子绕组的结构设计、各种工况下的研究对发电机长期安全、稳定的运行起着至关重要的作用。近年来，在机械产品设计方面，出现了一种新兴的设计方法，即虚拟样机技术，它结合了先进的设计技术和仿真技术，集CAD/CAE/CAM为一体，形成了1 西安工程大学硕士学位论文设计、建立虚拟样机模型、试验仿真、再设计的过程，实现了在短的研发周期内，以相对低的成本，完成高质量产品的设计。目前，虚拟样机技术已经在一些工业领域内取得了显著成效，随着汽轮发电机向数字化、智能化方向不断发展，虚拟样机技术已经广泛的应用于大型汽轮发电机各个部件的研究领域[2,3,4]。1.1.2课题的研究意义当今社会，大容量汽轮发电机组的设计与制造，已成为评定一个国家是否具有研究制造大型发电设备能力的标志。大型汽轮发电机具有容量大、技术要求高、运行可靠性高、零部件结构繁杂、污染小、产品规格多等特点。因此，制造出高转速、单机容量大的发电机，不仅可以降低成本，提高发电效率，还可以减少能源损耗，减小环境污染，现已成为国内外的重点研究和发电设备发展的主力机组。因此，提高我国发电设备的设计制造技术水平、大力发展我国的电力行业，使之安全、稳定的运行，为发展电力设备制造业提供强有力的技术支持。目前，致力于开发研制发电设备对推动我国工业和经济社会的发展具有极其重要的战略意义。本课题采用虚拟样机技术，针对大型汽轮发电机的定子绕组编织结构，利用先进的有限元方法建立了定子绕组的三维几何模型及有限元模型，着重研究了定子绕组的模态振动特性和电磁特性。通过本课题的研究可以为大型汽轮发电机定子绕组编织结构的设计及制造工艺提供重要的参考和依据，其有限元仿真分析结果也具有一定的工程指导意义。1.2国内外研究现状及动态定子绕组的端部及其固定结构都非常复杂，建模和计算分析存在一定的难度，而且定子绕组端部的振动特性和电磁特性直接影响着发电机组的安全稳定的运行。因此大型汽轮发电机定子绕组的研究一直是国内外电机制造业科研人员关注的重点。目前，国内外的汽轮发电机制造业已将虚拟样机技术应用于汽轮发电机的研究制造。许多专业领域的研究学者都对汽轮发电机定子绕组的结构进行了许多可行性的研究，得出了很多具有参考价值的理论依据。1.2.1国外研究现状及发展动态1884年，英国工程师Parsons制成世界上第一台汽轮发电机，推动了电力工业的发展，电力应用日益广泛，汽轮发电机也开始迅速发展起来，成为供应电力的最主要设备。1898年BBC公司设计出第一台100千伏安6极汽轮发电机后，美国和西欧的发电机单机容量一直不断增加。20世纪初，日本的第一台汽轮发电机由东芝公司成功研制，并不断进行材料和设计技术的改良，又成功开发研制出700MW、1000MW、1400MW等大容量的汽轮发电机[5]。20世纪80年代初期，俄罗斯设计生产的百万千瓦级汽轮发电机投入运行。由此可以看出，经历了长期的发展过程，2 1绪论国外发达国家的汽轮发电机的设计、制造技术已经相当成熟，随着科学的进步，技术的发展，发电机不断向高旋转速度、大容量发展，同时对定子绕组的绝缘强度、机械结构性能、抗振能力、以及短路时的运行可靠性要求也越来越高，主要表现在以下方面[6,7,8]：（1）冷却技术的进步：空气冷却方式——氢气冷却方式——定子水冷、转子氢冷的冷却方式。（2）定子绕组材料的改善：绝缘材料的性能不断提高，耐热等级有A、E、B、F、H级，现在定子绕组普遍采用的是F级绝缘材料；定子线棒中导线的材料为无氧铜，外包玻璃纤维绝缘层。（3）定子绕组制造技术的发展：真空压力浸渍（VPI）技术的产生，西屋公司、ABB公司以及三菱公司都采用少胶真空压力浸渍技术完成定子线棒的制造。（4）定子线棒换位方式的不同：自1912年发明罗贝尔线棒以来，由于这种线棒便于制造，运行可靠，涡流损耗小等优点，已普遍用于电机的制造行业中。大型汽轮发电机定子线棒的换位方式已经从360°换位发展到540°换位或端部90°、180°换位，目前大多数大型发电机定子线棒均采用540°换位加空换位的方式排列而成。（5）定子绕组端部固定结构的完善：主要包括：内外支撑环式固定、绑扎式固定、压板式固定、灌注式固定等方式。美国GE公司、WH公司采用绑扎式端部固定结构，而瑞士BBC公司和德国的KWU等公司采用压板式端部固定结构，西屋公司采用撑环式端部固定结构。（6）在线诊断装置的产生：大型汽轮发电机在正常时，由于定子绕组的振动问题，导致众多安全故障的发生，引起了企业及工作人员的重视，为了尽量避免此现象的发生，许多国外的大容量汽轮发电机开始使用定子绕组端部振动在线监测和诊断装置，以便做到随时监测、及时诊断，减少安全隐患。目前，西门子公司、西屋公司、GE公司和ABB公司等知名发电机制造企业生产的大容量汽轮发电机已普遍使用在线监测系统。（7）计算机技术和有限元分析法的使用：主要用于发电机的结构力学性能分析、振动特性分析、电磁场分析、温度场分析、及流体分析等。例如在20世纪80年代，西屋公司将计算机技术与有限元方法相结合，进行了发电机的电磁特性及发热计算，并得出相对精确的结果。国外的一些科研学者如KHANGK[9]，SENSKE[10]等采用有限元计算法对定子绕组端部的振动特性进行了分析研究；在GRADIACM[11]，DEOBALDLR[12]等就定子绕组的端部结构进行了动态仿真分析；Calvert[13]、Scott[14]、Williams[15]、Chang[16]等对定子绕组的振动问题进行了电磁力的分析与计算。3 西安工程大学硕士学位论文1.2.2国内研究现状及发展动态我国汽轮发电机的发展历程：（1）20世纪50年代：我国引进捷克、苏联等东欧的火电设备制造技术，完成仿制空气冷却汽轮发电机；（2）20世纪70年代：我国科研工作者将计算机辅助技术应用于汽轮发电机的设计研究中，实现了双水内冷汽轮发电机的自主研发设计制造；（3）20世纪80年代：我国引进西屋公司等西方发达国家的汽轮发电机制造技术及其计算机辅助技术进行研究；（4）20世纪90年代：我国科研工作者在西方国家先进的制造技术基础上，进行优化设计，并开发研制出我国自己的计算机技术。目前我国汽轮发电机的制造技术已经相对成熟，生产投入也具有一定的规模，在汽轮发电机的设计、制造和投入运行过程中，科研人员提出了很多新的思路和工艺。随着科技的飞速发展，先进的有限元技术应用于发电机研制的各个方面，不仅使计算过程越来越趋向于简便，计算结果也越来越精确。上海汽轮发电机、东方电机等电机制造公司已将计算机辅助设计技术应用于汽轮发电机的设计研制过程中。东方电机股份有限公司引进日立公司的制造技术，并通过消化和吸收，进行优化设计，研发出了新的技术和结构，采用新材料以及新的制造工艺，设计制造出具有先进水平的汽轮发电机。我国的科研学者对大型汽轮发电机定子绕组的各个方面作了深入的研究：周华翔[17]通过对定子绕组端部结构的分析与计算，研究出了两种建立定子绕组的方法：渐伸线精确计算法和渐伸线无基圆作法。孙景文[18]通过对美国西屋公司提供的线圈工艺图中定子线圈端部展开图的曲线坐标及其他数值进行转化计算，使哈尔滨电机厂采用模压工艺制造出了高质量、高标准的定子绕组。金丽萍、何圣熙[19]在Pro/E中建立了较为准确的汽轮发电机定子绕组的三维几何模型，并使用二次开发工具Pro/Toolkit，实现了定子绕组的参数化建模。刘瑞丽、魏燕飞[20]根据定子线圈端部渐开线的计算方法，推导出了渐开线曲线的数学方程，在Matlab中使用二分法计算出了某型号大型汽轮发电机定子线圈端部曲线，并在计算机3D辅助设计软件中建立了定子绕组的三维实体模型。张干、张丽[21]在三维建模软件UG中实现了汽轮发电机定子绕组的三维参数化建模。胡建波、徐福娣[22]使用新的定子线圈端部渐伸线的设计方法，在MathCAD程序中求解出定子线圈端部的渐伸线，并根据求解结果，在Pro/E中建立了定子线圈4 1绪论端部的三维几何模型。欧阳鹏[23]等根据汽轮发电机定子绕组的形状及成型原理，在ElecNet软件中建立了非常准确的定子绕组端部三维几何模型，并利用软件的电场分析模块，计算出绕组端部模型的电场分布情况。刘晓芳等[24]根据定子绕组的形成原理，通过对定子绕组的建模参数进行编程控制，在I-DEAS软件中自动建立定子绕组的三维参数化模型。王益轩、朱继梅等[25,26,27,28,29,30]将定子绕组端部及其固定支撑结构简化为连续的锥壳—板组合结构，并在ANSYS软件中对简化模型进行动态仿真和优化设计；浙江大学的陈梁伟在此基础上采用摄动法对定子绕组端部的模态进行了相关研究。胡宇达等[31]将定子绕组端部简化为由正交各向异性复合材料叠压而成的筋板-锥壳模型，针对定子端部绕组固有的振动问题，进行了结构动力学及电磁场分析。王豫川[32]，吴文健[33]等都对发电机定子绕组端部结构进行了有限元仿真计算，计算出了定子绕组端部的模态固有频率，为定子绕组避开振动频率提供有效的参考。还有许多科研学者对定子绕组的振动问题进行了电磁力分析与计算，例如：王益轩[34]、裴远航等[35]采用有限元分析法计算出了汽轮发电机定子绕组端部的磁场分布情况和损耗；万书亭等[36]研究了汽轮发电机定子绕组端部的径向及切向电磁力的分布特性；张甲，梁旭彪等[37]通过对不同运行工况下，定子绕组端部电磁力进行分析，得出了定子绕组端部的磁通密度和电动力；蔡蔚，史乃[38]研究了定子槽内线棒在各种工况下电磁力的分布情况；夏海霞[39]等针对发电机定子绕组端部结构的温升问题，深入研究了定子绕组端部的涡流场与温度场分布。这些研究结果对定子绕组结构的优化设计具有重要的指导意义。虽然国内外许多研究学者、专家关于大型汽轮发电机的定子绕组结构的建模、固有的振动问题、电磁分布特性以及涡流场与温度场分布等方面进行了大量的研究并取得了一定的成果，但是由于定子绕组端部结构十分复杂，现有文献只是在不同的简化条件下对端部绕组结构的固有振动问题进行过理论研究。本文在此基础上，使用梁单元近似模拟了定子绕组的三维实体结构，在确保计算精度的前提下，也极大地节省了计算时间，充分利用现有的计算机资源。此外，本文还建立了不同的绕组端部固定结构，进一步研究了绕组端部固定结构对定子绕组振动问题的重要性。1.3论文的主要研究内容定子绕组是汽轮发电机进行能量转换和电能输出的关键部件，同时也是引起汽轮发电机故障的最主要的问题之一，因此对定子绕组进行设计改进一直是国内外科研学者与发电机制造业的研究课题。本课题的学术思想就是采用虚拟样机技术，对5 西安工程大学硕士学位论文定子绕组进行设计与分析，具体工作如下：（1）在Pro/E软件中建立发电机定子绕组的三维几何模型，深入了解定子绕组端部复杂的空间渐开线的形成，实现了定子绕组的参数化、系列化建模，同时对定子绕组端部的电气连接进行了较为深入的了解，并绘制出了600MW和1000MW发电机三相定子绕组端部的电气连接示意图；（2）利用在Pro/E中建立的定子绕组模型的相关参数，在ANSYS中建立定子绕组单根线棒的几何模型，使用梁单元并建立等效截面，更准确的模拟定子绕组的三维模型，对其有限元模型进行了模态分析，并与在Workbench中建立的单根线棒的模态固有频率作了分析比较。同时，在ANSYS中进行定子绕组上下层线棒的2D电磁特性有限元分析；（3）在Pro/E中建立了定子绕组不同端部固定结构的三维模型，主要包括内外支撑环式固定、绑扎式固定、压板式固定及灌注式固定四种结构，并将模型通过与ANSYS的数据接口导入到Workbench中，建立了不同端部固定结构的定子绕组的有限元模型，进行模态分析后，对计算结果进行分析和比较，得出更为合理、可靠性更高、实用性更强的定子绕组端部固定结构；（4）使用AnsoftMaxwell16.0软件中的RMxprt模块进行1000MW三相隐极同步发电机的设计，查看其性能曲线；使用一键求解功能在Maxwell2D模块中自动生成瞬态计算模型，进行瞬态特性分析；使用Maxwell3D模块中的定子绕组参数化设计功能，建立了圆柱形定子绕组的三维实体模型，并对其进行分析比较。6 2定子绕组的三维建模2定子绕组的三维建模2.1大型汽轮发电机的结构本文参考的大型汽轮发电机为三相隐极同步发电机，发电机的本体结构包括静止和转动两大部分。静止部分为定子系统，主要包括定子机座、定子铁心、定子绕组、端盖和轴承等结构。转动部分为转子系统，主要由转子励磁绕组、转轴、转子铁心、转子引线、风扇、集电环、电刷装置等部件组成。汽轮发电机的工作原理简单来说就是将汽轮机产生机械能通过发电机转换成为电能。发电机的两端分别连接有汽轮机和励磁机，发电机的定子系统和转子系统通过端盖和轴承连接组装在一起。励磁机给转子励磁绕组提供直流电，转子产生轴向磁场，同时，汽轮机带动转轴做旋转运动，产生旋转磁场。由于转子位于定子绕组内部，定子绕组做切割磁力线运动，从而产生感应电动势，输出三相交流电。汽轮发电机的本体结构总装配简图如图2-1所示。图2-1汽轮发电机结构简图2.2定子绕组简介2.2.1定子绕组的结构定子绕组是汽轮发电机的核心部件，主要作用是将机械能转化成电能并输出。发电机定子绕组的端部渐伸线是非线性极强的空间曲线，其几何形状和材料都非常7 西安工程大学硕士学位论文复杂，所以如何建立定子绕组准确的三维模型和确定材料的力学性能是一个很大的难题[40]。一般大型汽轮发电机的定子绕组采用叠式绕组，定子绕组端部伸出定子铁心后向外侧倾斜，沿着小于或等于30°的锥角在圆锥面上以渐开线的形式弯曲编织形成双层篮式结构，故又称篮型绕组。随着发电机容量、电压等级的不断增加，作为发电机的主要发热部件，定子绕组所产生的温升也相应的增大。由于定子绕组过热而引发的事故也不断发生，因此必须采取高效的冷却措施，以降低定子绕组产生的热量，确保发电机的安全运行。我国多数大型汽轮发电机都采用定子绕组水内冷的冷却方式，即定子线棒由许多根实心扁铜线和空心扁铜线换位编织而成，在空心导线中通入冷却水，这样可以通过水流带走绕组产生的热量，避免了由于温度过高而导致绕组绝缘磨损引发的事故。大型汽轮发电机定子绕组是由不同铁心槽内的上下层两根条形线棒连接而成的，每根定子线棒由矩形的空心和实心导线混合编织换位后模压制成。一般国内的600MW汽轮发电机定子绕组是由4排组合比例为1:2的空心导线与实心绝缘导线混合编织而成的。上层线棒的导线数多于下层线棒，为不等截面设计，这样可以减小上下层线棒的温差，避免由于机组运行时上、下层线棒温度过高对线圈绝缘造成损害，同时还可以降低定子线棒产生的附加涡流损耗，有利于发电机的正常运行。图2-2是型号为QFSN-600-2的汽轮发电机定子绕组上下层线棒的截面示意图。上层绕组下层绕组图2-2600MW定子绕组截面2.2.2定子绕组的换位随着对大型发电机研究工作的不断深入，人们发现大型汽轮发电机在负载运行时，定子线棒中导线的温度很不均匀，温度差距甚至高达35度左右，会导致导线绝缘材料使用寿命的减少。人们对这种现象产生的原因进行了检查分析，发现引起导线间温差过大的关键因素有两个：定子线棒中各导线电流分布的不均匀和定子线棒产生自感应涡流损耗的不同。因此，为了平衡各导线的感应电势，尽可能的降低线棒中各导线的环流损耗，抑制集肤效应，定子线棒采用罗贝尔（Roebel）换位形8 2定子绕组的三维建模式，线棒内实心、空心导线要在槽部直线段进行编织换位。即多根导线在线棒直线段进行交叉换位时，要使每根导线在轴向长度上，位于定子铁心槽内的不同高度，这样可以保证每根导线产生基本相等的感应电势，保持导线内电流分布的均匀性，从而消除线棒中各股导体内产生的内部环流，降低线棒的损耗。同时，人们也采用“空换位”和“不完全换位”的方法来平衡线棒中各股线的电势，从而消除各股线间的环流损耗。对于大型汽轮发电机而言，由于定子线棒较长，一般采用导线槽内直线段540°换位或是在绕组端部进行换位等措施[41]。图2-3为定子线棒的槽内换位示意图。图2-3定子线棒的槽内换位2.2.3定子绕组的固定发电机单机容量的不断增大，造成定子绕组承受到的电磁力成线性的增大，使定子线捧的振动加剧。而且定子线棒的振动贯穿于发电机运行的全过程，振动过大，不仅会使线棒产生绝缘磨损和电腐蚀，而且会造成定子绕组固定支撑结构的松动和磨损，甚至会导致股线断裂、漏水、相间短路等许多严重安全故障的发生，因此定子绕组固定结构的设计研究是提高大容量发电机运行可靠性的重要课题之一。2.3定子绕组参数化模型的建立2.3.1Pro/E二次开发工具的简介Pro/E具有很强的设计、分析、制造功能，还拥有多种二次开发工具，常用的有族表、用户定义特征（UDF库）、程序、J-link、Pro/toolkit等。（1）族表（FamilyTable）：族表是用于类似零件或特征的管理，尤其是标准零件的管理。用户可以将标准零件视作父零件，通过对其中相关尺寸的参数进行修改来生成新的零件。（2）用户定义特征（UDF）：UDF(user-definedfeature)特征是将若干个系统特征融合组成为一个自定义组特征，需要时成组调出使用。UDF库中的特定的零件结构具有特定的特征，用户可以根据零件的特征快速建立新的几何模型。（3）程序（Pro/Program）：在Pro/E软件中设计建立的任意模型都有一个对9 西安工程大学硕士学位论文应的程序，主要列出了模型的设计步骤和相关参数。它主要起到辅助自动化设计的功能，用户只需要输入一些非常简单的程序语言，就可以改变零件的尺寸、特征等，同时还可以编辑设计自己所需要的零件模型，通过修改相关参数，生成新的零件。（4）J-link：J-link是Pro/E中基于JAVA语言二次开发工具。用户可以通过JAVA语言编程来实现在软件Pro/E中添加功能，通过它可以访问一个Pro/E会话的内部组建并定制Pro/E模型。（5）Pro/Toolkit：在Pro/Toolkit中，PTC拥有大型的C语言函数库，通过调用函数，用户可以直接有效地访问Pro/E的数据库及相关程序，并可以添加所需的特定功能。本文主要使用程序（Pro/Program）工具来完成600MW和1000MW汽轮发电机定子绕组的参数化建模。通过程序（Pro/Program）工具使用，用户可以实现零部件的参数化设计以及控制零部件特征的生成，还可以实现装配体中纵向模块的传递和横向模块的替换。程序（Pro/Program）的格式如下所示：（1）抬头——软件自带的版本号以及零件名称等。（2）INPUT……ENDINPUT——用于定义变量及变量类型，可以输入参数并设定及提示行，提示行的作用是当用户再生新零件或组件模型时，可以提示用户输入数值，以便控制相关关系式、改变零件尺寸或名称等。INPUT叙述的语法如下所示：INPUT参数名+参数值的类型提示行ENDINPUT参数值的类型包括三种：1）Number（数值型）：参数值为阿拉伯数字，主要用于零件尺寸的参数化；2）String（字符型）：参数值为字符串，用于对字符型数据进行处理，比如零件名，特征名等；3）Yes_No（布尔型）：参数值为Yes或No，用于控制零件特征的生成与装配。（3）RELATIONS……ENDRELATIONS——用于定义数学关系式（4）ADDFEATURE……ENDFEATURE——显示创建模型特征的过程（5）MASSPROP……ENDMASSPROP——定义模型的质量属性2.3.2定子绕组参数的确定定子绕组的端部结构为圆锥形的双层篮式绕组，端部曲线的设计采用在圆锥面上展开渐开线，然后弯曲成型。绕组端部渐伸线由初始过渡圆弧、渐开线、结束过渡圆弧和鼻端连接线这4个部分组成，其中相邻两曲线或线段之间相切。本文建立10 2定子绕组的三维建模定子绕组三维模型的方法是参照文献[19]中定子绕组的建模过程，定子绕组端部的二维示意图如图2-4所示。上下层定子线棒端部连接如图2-5所示。渐开线采用极坐标法计算，主要参数如图2-6所示。图2-4绕组端部示意图Yρ（x，y）ttφθoXRj=1图2-5上下层线圈端部连接2-6极坐标渐开线其中β表示定子绕组端部的圆锥角度，L1为定子线棒伸出定子槽后的直线段长度，L2为初始过渡圆弧的投影长度，L3为绕组端部的渐开线的长度，L4是结束过度圆弧的投影长度，L5为鼻端连接线的长度，点A、点B分别为渐开线投影L3的起点和终点，投影平面为过发电机轴线、L1和L2的平面，绕组直线段与端部曲线（即L1与L2）间的过渡圆弧为r1，定子槽数为Z1，定子线棒中a为截面高，b为截面宽。参考文献[19]，可以得出定子绕组端部曲线的相关计算公式，如下所示：（1）绕组端部相邻渐开线的间距H11 西安工程大学硕士学位论文（2-1）其中b为定子线棒截面的宽度，Δ是相邻线棒间绝缘后的距离。（2）绕组端部渐开线基圆半径（2-2）其中N表示绕组端部同一渐开线上的线棒数，通常，Z表示定子槽数。1（3）Rj´表示Rj对应于圆锥体上的基圆半径（2-3）（4）R主要决定点A的位置2RR(ra)*(1cos)Lsin（2-4）2111（5）点A在圆锥体上的及为11R/sin12（2-5）221arctan1111（6）线圈对应于圆锥体上的跨角α′*sin（2-6）其中α为绕组端部单层线圈的跨角。（7）点B在圆锥体上的θ2为21（2-7）（8）绕组端部空间渐开线方程由以上公式计算得出汽轮发电机定子绕组的主要参数如下：（1）600MW发电机定子绕组的参数：12 2定子绕组的三维建模H＝100mm，Z＝42，β=30°，α=72°，L＝35mm，L＝250mm，L＝150mm，1125R＝670mm，R=1340mmjj上层线棒：a=60.6mm，b=40mm；导出R=775mm；2下层线棒：a=51.42mm，b=40mm；导出R=823mm；2定子铁心长：L0=6300mm；过渡圆弧：r=87.32mm，r=41.85，r=41.85mm；123（2）1000MW发电机定子绕组参数：H＝120mm，Z＝36，β=30°，α=72°，L＝35mm，L＝250mm，L＝150mm，1125R＝688mm，R=1376mmjj上层线棒：a=71.74mm，b=48.3mm；导出R=865mm；2下层线棒：a=62.62mm，b=48.3mm；导出R=936mm；2定子铁心长：L0=8100mm；过渡圆弧：r=87.32mm，r=41.85，r=41.85mm；1232.3.3定子绕组模型的建立（1）建立600MW汽轮发电机定子绕组的三维模型参考文献[19]中定子线棒三维模型的作图步骤，根据600MW定子绕组的参数，首先在Pro/E中建立600MW上层定子线棒的三维模型，如图2-7所示。图2-7600MW上层线棒的三维模型通过Pro/E工具中的程序对600MW的上层线棒设计步骤中的相关参数进行更改，快速建立600MW下层线棒的三维模型。1）打开建立的600MW上层线棒模型，点击工具——程序——编辑设计命令，显示出600MW上层线棒的设计步骤及参数列表。2）在INPUT和ENDINPUT中输入需要更改的参数变量，如下所示：13 西安工程大学硕士学位论文INPUTD1NUMBER“请输入圆锥斜边长”R2NUMBER“请输入R2大小”αNUMBER“请输入跨角α大小”L1NUMBER“请输入L1大小”r1NUMBER“请输入r1大小”L2NUMBER“请输入L2大小”LNUMBER“请输入定子铁心长的一半”r2NUMBER“请输入初始过渡圆弧r2的大小”L5NUMBER“请输入L5大小”r3NUMBER“请输入结束过渡圆弧r3的大小”ANUMBER“请输入线棒截面高度A的尺寸”BNUMBER“请输入线棒截面宽度B的尺寸”Z1NUMBER“请输入定子线棒的阵列数”ENDINPUT3）在RELATIONS和ENDRELATIONS中输入设计步骤中的数学关系式：RELATIONSA1=AB1=BD196=360/Z114 2定子绕组的三维建模P199=Z1D201=D196P204=P199D283=D196P286=P199ENDRELATIONSINPUT4）点击保存，关闭记事本，软件自动弹出提示句：“要将所做的修改体现到模型中？”，点击“是”，再点击“输入”，选择600MW下层线棒中不同于上层线棒的相关参数R2=823mm和线棒截面的高度a=51.42mm进行输入。重新生成模型后得到600MW下层线棒的三维模型，如图2-8所示。图2-8600MW下层线棒的三维模型5）通过Pro/E中的合并命令，将600MW上下层线棒的三维模型合并在一起，得到600MW定子绕组的三维模型，如图2-9所示。图2-9600MW定子绕组模型（2）建立1000MW汽轮发电机定子绕组三维模型同样使用程序（Pro/Program）工具，分别对1000MW上、下层线棒中不同于600MW线棒的参数进行更改输入，包括线棒的阵列数Z1=36、上、下层线棒R2的15 西安工程大学硕士学位论文大小、线棒截面高度a和宽度b以及定子铁心长的一半L=4050mm。同时将空间渐开线方程中的基圆半径更改为Rj’=1376mm，将生成的上、下层线棒合并后得到1000MW定子绕组的三维模型。如图2-10所示。另外也可以对圆锥角β的大小进行更改，从而可以得到一系列不同锥度角的定子绕组模型。通过Pro/E的二次开发工具程序（Pro/Program）实现了定子绕组的系列化、参数化建模，能够更加快速方便的建立各个规格的定子绕组模型。图2-101000MW定子绕组模型2.4定子绕组的端部连接定子绕组是发电机结构中的复杂部件，而定子绕组的连接方式各有不同且极易出现错接，因此发电机定子绕组容易发生故障。定子绕组是由独立线棒组成的槽绕组，三相绕组分别布置在定子铁心内圆的定子槽中的对称位置，三相两两之间的电角度为120°，不同定子槽中的上层线棒和下层线棒之间隔一定的跨距相互换位连接，跨距为一个绕组节距，上下层线棒在端部通过水电连接头连接成一个线圈，线圈再通过相间连接线连接在一起。大容量汽轮发电机的定子绕组的连接方式一般为三相双层短节距分布绕组星型连接，其目的是为了抑制高次谐波电流，降低绕组电压降，以获得近似于正弦波的感应电动势。2.4.1三相同步发电机定子绕组的连接三相交流隐极式同步发电机定子绕组一般采用星型连接，即双Y连接方式，双Y是指每相由两组线圈并联而成，总共有6组线圈，每组线圈有两个引线端子，共有12个引线端子，双Y原理图如图2-11所示。图2-12所示为三相同步发电机定子绕组的空间分布图。16 2定子绕组的三维建模图2-11双Y原理图图2-12定子绕组空间分布图2.4.2绘制汽轮发电机三相定子绕组的展开图（1）计算每极每相的槽数q、极距、节距y1参考相关文献得到相关计算公式如下：（2-9）（2-10）其中Z1表示定子槽数，m表示相数，P表示极对数极距表示一个磁极在定子圆周上的跨距，节距y1表示组成一个线圈所需的不同定子槽内的上下层线棒之间跨过得定子槽数，当时，线圈为短距线圈；时，线圈为整距线圈；时，线圈为长距线圈。本文参考的600MW和1000MW汽轮发电机的定子绕组均采用短距绕组，即，一般取（2-11）（2）600MW汽轮发电机定子绕组的端部连接600MW汽轮发电机的相关参数：定子槽数：42；极对数：1；相数：3；通过公式（2-9）（2-10）（2-11）计算得出：每极每相槽数：；极距：；节距：，取。根据双Y原理绘制定子绕组端部的三相接线图，假设将定子铁心从1槽和4217 西安工程大学硕士学位论文槽的中间沿轴向剖开并展成平面，用42根长度相等、间隔距离相等的实线与虚线分别表示槽内的上层线棒和下层线棒，绘制出绕组连接图，其平面展开图如图2-13所示，其中红色线圈表示A相绕组，绿色线圈表示B相绕组，蓝色线圈表示C相绕组。图2-13600MW汽轮发电机定子绕组端部连接平面图根据上述定子绕组的连接方式，在Pro/E中绘制出600MW定子绕组三维模型的连接示意图，如图2-14所示。图2-14600MW定子绕组连接的三维模型（2）1000MW汽轮发电机定子绕组的端部连接1000MW汽轮发电机的相关参数：定子槽数：36；极对数：1；相数：3；通过计算得出：每极每相槽数：；极距：；节距：。18 2定子绕组的三维建模假设将定子铁心沿着1槽和36槽的中间轴向剖开，展开成平面，用36根长度相等、间隔距离相等的实线与虚线分别表示槽内的上层线棒和下层线棒，绘制出绕组连接图如图2-15所示。其中红色线圈表示A相绕组，绿色线圈表示B相绕组，蓝色线圈表示C相绕组。图2-151000MW发电机定子绕组端部连接平面图根据上述定子绕组的连接方式，在Pro/E中绘制出1000MW定子绕组三维模型的连接示意图，如图2-15所示。图2-161000MW定子绕组端部连接三维模型2.5本章小结本章节主要介绍了汽轮发电机定子绕组的结构，着重研究了600MW、1000MW汽轮发电机定子绕组的参数化建模过程，极大地缩短了建模时间，提高了效率，为19 西安工程大学硕士学位论文不同容量、不同尺寸的定子绕组提供了参数化、系列化的建模方法；其次，对定子绕组端部三相连接方法作了简单说明，并绘制出600MW和1000MW汽轮发电机定子绕组端部连接的二维平面图和三维模型。20 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析3汽轮发电机定子线棒的有限元分析3.1概述汽轮发电机在正常运行过程中，定子绕组主要受到两个振动源的影响，一是由于转子磁场的影响，定子绕组将受到100Hz电磁力的作用。当定子绕组端部的固有频率等于或接近100Hz时，绕组端部会因为共振振幅过大继而发生倍频振动，而且如果绕组端部的模态振型为椭圆时，振动最严重；二是由于转子旋转时的各种不平衡，会使转子产生振动，进而使定子绕组产生振动，其振动频率为转子的机械旋转频率50Hz。所以当定子绕组的固有频率等于或接近100Hz或50Hz时，定子绕组就会发生振动，从而引起定子绕组产生绝缘磨损、松动、短路等故障，影响汽轮发电机的正常运作，甚至导致严重安全事故的发生。因此必须对定子绕组进行动态特性研究，分析它的固有振动频率，从而能够合理的设计定子绕组，使其固有频率有效的避开100Hz的倍频电磁力和50Hz的工作频率[42,43,44,45,46]。模态是结构固有的一种特性，与结构的形状、材料特性、约束状态等有关，任何物体都有自身的固有频率，我们可以通过模态分析来确定结构的振动特性，分析结果包括固有频率和模态振型，从结果可以看出结构在受影响的频率范围内，各阶的模态特性，从而预测出在各种振源的影响下，结构在此频率范围内产生的实际的振动响应。因此，模态分析方法常用于进行结构的优化设计和机器故障的检测及诊断。3.2ANSYS中单根定子线棒的有限元分析当三维结构构件一个方向的尺寸远大于其它两个方向的尺寸时，就能把三维结构构件理想化成一维构件来计算，这样可以大大提高计算效率。在机械领域中，有两种单元可以将三维结构构件转化成一维构件，一是杆单元，主要承受轴向的拉压作用；二是梁单元，主要承受弯曲作用。由于大型汽轮发电机定子绕组线棒本身是具有截面的细长型曲梁，因此使用梁单元并设置等效截面来代替实体单元建立定子绕组的有限元模型，这样可以在确保计算精确性的前提下，既能极大地节省计算时间，又能充分利用现有的计算机资源，简化计算。3.2.1单根定子线棒有限元模型的建立本章节内容以大型汽轮发电机定子绕组的单根线棒为研究对象，主要研究单根定子线棒对整体绕组的影响。在ANSYS中建立定子线棒的空间曲线，使用Beam188梁单元，合理地设置截面形状及相关材料属性，模拟定子绕组线棒的三维模型。建立定子绕组线棒有限元模型的主要步骤如下：（1）建立定子线棒的几何模型，如图3-1所示。21 西安工程大学硕士学位论文图3-1定子线棒的几何模型（2）定义单元类型本文采用Beam188梁单元，Beam188是三维线性有限应变梁单元，是以铁木辛哥梁结构为基本理论，充分考虑了剪切变形的影响，比较适合于分析细长型的梁结构。Beam188梁单元可以采用相关命令流SECTYPE、SECTDATE、SECOFFSET、SECTWRITE及SECTREAD来定义梁的横截面，截面可以是由多种不同材料组成的复合截面。因此使用Beam188单元可以精确的设置定子线棒的等效截面，更好的模拟定子绕组的实际模型。（3）设置上下层线棒的等效横截面并定义材料特性定子绕组的线棒是由许多根空心铜导线和实心铜导线混合排列组成的，空、实心比例为1:2。实心和空心铜导线外包有聚酯玻璃丝绝缘层，导线整体包有F级环氧粉云母带绝缘层，换位后的空位可以填充环氧预浸云母纸等绝缘材料。定子线棒通过一次模压制成，其绝缘性能和机械性能都比较好。由于定子绕组上层线棒的附加损耗大于下层线棒，所以上下层线棒采用不等截面设计，截面比约为1:0.8，上层线棒截面大于下层线棒截面，这样上层线棒中空心导线多，通过的水流量就大，水流流动时可以带走导线产生的大量热损耗，冷却作用更好，可以使定子绕组发热均匀。由于定子线棒是由多种材料组成的，其横截面比较复杂，为了能有效的模拟定子绕组的实际结构，需要自定义等效截面，并设置4种材料特性，根据搜集的相关资料，得出定子线棒中各材料的性能属性，如表3-1所示。本章参考QFSN-600-2型号汽轮发电机的相关尺寸，绘制出定子绕组上、下层线棒的横截面，如图3-2所示。定子绕组相关尺寸如下：上层：空心导线：4×5—4.7mm×7.5mm，壁厚Δ=1.35mm；实心导线：4×10—2.24mm×7.5mm；下层：空心导线：4×4—4.7mm×7.5mm，壁厚Δ=1.35mm；实心导线：4×8—2.24mm×7.5mm；铜导线的绝缘层厚度：1mm；定子线棒整体的主绝缘层厚度：5.5mm。22 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析表3-1材料属性名称空、实心铜导线聚酯玻璃丝绝缘环氧预浸云母纸环氧粉云母带属性密度（Kg/m3）8900254028001800弹性模量(pa)1.27e115.5e101.7e104.12e9泊松比0.3260.250.350.3相对磁导率1111（MURX）相对介电常数/576（PERX）电阻率（Ω*m）1.75e-810e1110e1310e13（RSVX）12345图a上层绕组图b下层绕组1—换位填充材料；2—实心铜导线；3—空心铜导线；4—空、实心导线绝缘层；5—线棒整体主绝缘层图3-2绕组横截面（4）网格划分利用ANSYS相关命令将自定义的上、下层线棒的横截面分别赋给梁单元，指定单元属性，对定子单根线棒的几何模型执行网格划分，图3-3为单根定子线棒的有限元模型。图3-3单根定子线棒的有限元模型23 西安工程大学硕士学位论文3.2.2定子线棒的模态分析通过对定子线棒进行模态分析，研究定子绕组单根线棒的动力特性，得到其固有的振动特性，查看模态分析结果，获取其固有频率和模态振型，为定子绕组单根线棒的优化设计提供依据。由于定子绕组嵌放在定子铁心内圆的定子槽中，故给定子绕组的直线段部分的全部节点施加全位移约束。对于低频响应来说，高阶模态的影响比较小，因此只提取定子绕组端部的前20阶固有频率。进行模态分析后，查看计算结果，表3-2表示的是定子绕组上、下层线棒前20阶的固有频率，图3-4和图3-5分别为上、下层线棒的模态振型。表3-2定子线棒的固有频率（Hz）阶数上层线棒下层线棒第1阶5.43115.0303第2阶5.52515.1113第3阶7.99806.9403第4阶8.07697.0128第5阶28.81325.504第6阶29.61226.110第7阶36.81231.340第8阶37.65832.097第9阶81.39867.677第10阶83.84769.635第11阶108.2489.324第12阶110.9891.655第13阶126.06130.24第14阶127.10131.07第15阶157.77141.61第16阶160.69143.40第17阶227.36193.95第18阶232.51197.06第19阶258.73244.72第20阶260.91246.1524 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析1阶振型图5阶振型图9阶振型图13阶振型图15阶振型图19阶振型图图3-4上层线棒模态振型1阶振型图5阶振型图9阶振型图13阶振型图15阶振型图19阶振型图图3-5下层线棒模态振型从定子绕组上、下层线棒直线段全约束下的模态分析结果的可以看出，单根定子线棒的固有频率避开了50Hz工频和100Hz的电磁倍频，而且避开的幅度均在10%左右，有效的避免了汽轮发电机定子绕组发生共振，因此，在该约束下，上下层定子线棒的结构基本满足设计要求。从振型图中可以看出定子线棒端部渐伸线部分的振动变形较大，仅就单根线棒来说，端部绕组结构中线棒松动对振动的影响还是非常大的。因此，为了防止定子绕组端部受到各种机械力、电磁力的破坏，定子绕组的端部必须设计强有力的支撑固定结构，以满足定子绕组端部固定的需要。3.3Workbench中单根定子线棒的有限元分析3.3.1单根定子线棒有限元模型的建立在Workbench中建立定子绕组单根线棒的简化三维实体几何模型，由于本文中只对定子绕组进行了动力学分析，所以空心和实心导线外包的聚酯玻璃丝绝缘层没25 西安工程大学硕士学位论文有实际的计算意义，因此将空心导线和实心导线合并成一个整体，导线整体外包有主绝缘层，上、下层线棒简化模型的横截面如图3-6所示，定子线棒的几何模型如图3-7所示。指定定子线棒的材料特性，导线的材料选择workbench中generalMaterials材料库中的copperalloy，主绝缘层的材料选择compositeMaterials复合材料库中的Epoxy_EGlass_UD。然后对定子线棒的三维模型进行网格划分，得到定子线棒的有限元模型，如图3-8所示。图3-6上下层定子线棒的横截面图3-7定子线棒三维模型图3-8定子线棒有限元模型26 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析3.3.2定子线棒的模态分析对在Workbench中建立的定子线棒的有限元模型施加约束，模拟定子绕组线棒在定子铁心槽内的实际约束状态，用Fixed约束方式将定子线棒的直线段部分表面全部约束，进行模态分析，提取其前20阶固有频率，查看计算结果，表3-3所示的是定子绕组上、下层线棒的前20阶固有频率，图3-9中a~e为定子绕组上层线棒的各阶模态振型，图3-10中a~e为定子绕组下层线棒的各阶模态振型。表3-3定子线棒的固有频率（Hz）阶数上层线棒下层线棒第1阶4.54354.594第2阶4.54875.6668第3阶6.19156.846第4阶6.19528.0792第5阶22.83322.822第6阶22.84330.249第7阶34.12633.39第8阶34.13542.547第9阶65.60663.724第10阶65.64287.301第11阶98.99991.426第12阶99.021121.75第13阶135.84135.49第14阶135.91157.86第15阶183.02180.59第16阶183.04195.36第17阶185.95216.13第18阶185.98243.27第19阶246.19256.44第20阶246.29291.8227 西安工程大学硕士学位论文（a）1阶振型（b）5阶振型（c）9阶振型28 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析（d）13阶振型（e）19阶振型图3-9定子绕组上层线棒直线段全约束模态振型图（a）1阶振型29 西安工程大学硕士学位论文（b）5阶振型（c）9阶振型（d）13阶振型30 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析（e）20阶振型图3-10定子绕组下层线棒直线段全约束模态振型图从上述定子绕组上、下层线棒直线段全约束的模态分析结果看出，上层线棒的固有频率有效的避开了50Hz工频的10%以上，但是第11阶和12阶的固有频率分别为98.999Hz和99.021Hz，基本等于100Hz的电磁倍频，容易发生振动，因此上层线棒的结构需要进一步改进。下层线棒的固有频率避开50Hz的工频和100Hz的电磁倍频的幅度均在10%左右，所以下层线棒的结构设计基本合理。由ANSYS/Workbench中定子绕组上下层线棒的有限元分析结果可以看出，获取的固有频率结果差距不大，进一步证明使用ANSYS梁单元并设置等效截面完全可以正确的模拟定子绕组的三维实体模型，而且极大地减少了计算时间。3.4定子线棒的2D电磁特性有限元分析3.4.1定子绕组内的集肤效应大型汽轮发电机在正常工作时，当定子线棒中有交流电通过时，在交变磁场的作用下，嵌放在定子铁心槽内的定子线棒会产生槽磁通势和槽漏磁通，从而导致线棒中导线各部位的电流分布不均匀。这是由于线棒各部位的漏磁通的匝链数在不同槽高处是不相同的，所以线棒内各个部位的漏磁感应电势也不一样，导致线棒内部或并联的导线之间产生涡流，使电流在线棒截面上分布不均匀，而且导线中的电流密度是从槽底部分到槽口部分越来越大，靠近线棒表面的地方电流密度最大，这种电流分布不均匀的现象就是集肤效应[47]。假如定子铁心槽内放置的线棒是由整块实心导体组成的，如图3-11（a）所示。当导体中通入交流电时，电流沿着槽高方向变化的电流密度分布如图3-11（b）所示。由于受集肤效应的影响，导致导体的有效截面减少，如图3-11（c）所示。31 西安工程大学硕士学位论文（a）槽内实心导体（b）电流密度分布（c）等效导体图3-11导体内的集肤效应3.4.2定子线棒的2D电磁分析由定子绕组内的集肤效应可知，实心导体中形成的涡流很大，会引起导体温度升高，增加涡流损耗，降低效率，同时也会减短发电机的使用寿命。因此，大型汽轮发电机定子绕组一般不采用实心导体，是由许多根实心和空心的铜导线经过换位混合编织而成，这样可以减少集肤效应的影响，降低涡流损耗。参考文献[48]，对定子绕组中上、下层线棒进行ANSYS2D电磁有限元分析，假设上、下层定子线棒中实心铜导线和空心铜导线通过的总电流都是固定值。根据ANSYS时变场分析方法，考虑线棒中导线在槽内直线部分完全换位，将每根导线横截面上的电压自由度耦合，给横截面上添加电流激励，边界区域加通量平行条件。600MW汽轮发电机的额定电压为20KV，定子绕组的额定电流为19245A，功率因数为0.9，上、下层线棒数均为42，两路并联。根据计算得出：上层线棒的导电面积，下层线棒的导电面积，上层线棒中实心导线通过的电流值，空心导线通过的电流值，下层线棒组实心导线通过的电流值，空心导线通过的电流值，计算出的电流值作为定子绕组电磁分析时的激励源。首先分别对上、下层定子线棒的2D模型进行网格划分，得到其有限元模型。然后设置激励和边界条件，输入上述计算出的电流值作为上、下层线棒中空心、实心导线的激励，对模型边界施加通量平行条件约束。进行计算，得出分析结果：上、下层定子绕组的磁力线分布、总电流密度分布和总涡流密度分布，分别如图3-12、图3-13、图3-14所示。32 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析（a）上层绕组(b)下层绕组图3-12磁力线分布(c)总电流密度（JT）分布图(d)总涡流密度（JE）分布图图3-13上层绕组(e)总电流密度（JT）分布图(f)总涡流密度（JE）分布图图3-14下层绕组33 西安工程大学硕士学位论文因为在工程实践中，定子线棒的涡流分析对单独的线棒模型来说是没有意义的，只有把线棒放置于槽内模型中计算才可以充分考虑槽漏磁场的影响，也正是因为槽漏磁场所以导致上层线棒的集肤效应更显著，因此将定子绕组上、下层定子线棒嵌放在定子铁心槽内，然后对其模型进行二维电磁分析。图3-15为上下层定子线棒嵌放在定子铁心槽内的平面示意图。图3-15上下层定子线棒安装在定子铁心槽内示意图定义空气、铁心的材料属性，定子铁心的材料参数如表3-4所示。添加激励和边界条件，同样使用上述计算出的电流值作为激励，绿色区域为空气，对空气边界施加通量平行条件约束，这样可以更加准确的模拟实际模型，得出更为精确的结果，分析结果如图3-16、图3-17、图3-18所示，分别为磁力线分布图、总电流密度分布图和总涡流密度分布图。表3-4定子铁心材料参数密度/Kg/m3弹性模量/Pa泊松比相对磁导率MURX电阻率RSVX（Ω*m）76501.95e50.2570000.0434从图3-16、图3-17和图3-18定子绕组的2D电磁分析图中可以看出，集肤效应导致了线棒中每根导线的电流密度分布都不均匀，而且越靠近导线表面电流密度越大，导线中心通过的电流较小。而且由于定子铁心槽漏磁场的影响导致了上层线棒中的电流不均匀程度大于下层线棒，而且在同一线棒中，随着导线在定子铁心槽中高度的逐渐增加，受集肤效应的影响越大。通过对定子绕组的2D电磁分析得到了集肤效应作用下定子线棒内电流的分布，分析了集肤效应对导线内部电流的影响，了解了绕组内部局部区域的电流分布特性，为定子绕组的设计与制造提供了可靠依据。34 3汽轮发电机定子线棒的有限元分析图3-16磁力线分布图图3-17总电流密度（JT）分布图35 西安工程大学硕士学位论文图3-18总涡流密度（JE）分布图3.5本章小结本章节对QFSN-600-2型号汽轮发电机的定子绕组单根线棒进行了有限元分析，首先运用ANSYS有限元软件建立定子绕组单根线棒的空间曲线几何模型，使用梁单元并设置等效截面，经过网格划分得到定子线棒的有限元模型，更准确的模拟定子绕组的三维模型，并进行有限元分析；然后运用ANSYS/Workbench建立定子线棒的简化三维实体有限元模型，分别对上、下层定子绕组线棒进行模态分析，分析结果合理，基本满足设计要求，为大型汽轮发电机定子绕组的设计、制造提供了参考依据；最后对定子绕组上下层线棒进行2D电磁特性有限元分析，计算了线棒内局部区域的电流分布特性，这对定子绕组的温度场分析奠定了必要的基础。36 4定子绕组的有限元分析4定子绕组的有限元分析汽轮发电机稳态运行时，各种交变力、机械力对定子绕组端部产生的影响越来越大[49,50,51,52,53]。其中主要包括：一是定子绕组槽漏磁场与线棒中的交流电之间相互影响而产生电磁力；二是转子磁拉力产生二倍频振动对定子绕组端部的影响；三是发电机运行时产生的电动力引起绕组线棒间机械力的作用，使定子线棒发生位移或变形；四是发生短路时，定子绕组端部会受到巨大的瞬态电磁力的作用。这些都会造成定子绕组的严重损坏，影响汽轮发电机组的安全运行，因此定子绕组端部必须要良好固定，提高定子绕组的使用寿命。所以定子绕组端部支撑固定结构的设计也是提高发电机安全运行的重要研究课题之一。本章主要使用ANSYS/Workbench软件对定子绕组的有限元模型进行模态分析。首先在ANSYS中建立定子绕组整体模型的空间曲线，使用梁单元并设置截面来建立定子绕组的有限元模型，近似模拟定子绕组的三维实体模型，并进行模态分析；其次将在Pro/E中建立的四种定子绕组端部不同支撑固定结构的三维模型通过数据转换接口导入到Workbench中，在ANSYSworkbench中运用模态分析方法（modal）对定子绕组结构进行有限元仿真分析，主要包括支撑环式固定、绑扎式固定、压板式固定以及灌注式固定结构，通过查看计算结果，研究其振动模态、固有频率，并比较结果，得出机械强度高、可靠性更好的端部支撑固定结构，为合理的设计定子绕组提供有效的参考[54,55]。为了模拟定子绕组在定子铁心槽内固定的实际状态，要将定子绕组的直线段部分完全约束。为了简化模型，本文将定子绕组的汽端与励端的几何模型设计成一样的，属于对称结构。所以在这种约束条件下，定子绕组模型的汽端与励端被ANSYS软件自动划分为两个部分，分别进行计算，其计算结果基本接近，因此本文只要对定子绕组的一半模型进行模态计算，就可以得到整个绕组模型的模态分析结果。模态计算过程中所需的材料参数如表4-1，4-2所示。表4-1材料参数材料名称无碱玻璃纤维铜导线材料属性密度/Kg/m325508900弹性模量/Pa7.2e101.27e11泊松比0.220.326表4-2玻璃纤维与环氧树脂组成的复合材料参数弹性模量剪切模量主泊松比密度53.7417.9517.958.635.985.980.250.490.25212737 西安工程大学硕士学位论文4.1ANSYS中定子绕组的模态分析4.1.1在ANSYS中建立定子绕组的有限元模型（1）定子绕组的几何模型将在3.2.1建立的单根定子线棒的几何模型经过镜像、圆周阵列得到定子绕组整体的几何模型，将定子绕组端部用鼻端连接线连接在一起，绕组的端部采用三圈无碱玻璃纤维绑环绑扎固定，使之成为一个整体，绑环分别绑扎在定子绕组端部的开始、中间与结束位置，定子绕组的一半几何模型如图4-1所示。（2）定子绕组的有限元模型由于定子绕组整体的实际结构非常复杂，模型尺寸比较大，计算量也非常大，因此在本章节中为了便于建模与计算，将由空、实心导线混合编织而成的定子线棒直接简化成由一根实心导体组成，上、下层线棒采用相等截面，定义单元类型为梁单元Beam188，并设置截面、定义材料属性，进行网格划分。材料参数如表4-1所示，定子绕组的有限元模型如图4-2所示。图4-1定子绕组的几何模型图4-2定子绕组的有限元模型4.1.2ANSYS中定子绕组的模态分析在ANSYS中设置求解类型为Modal（模态），求解方法选择迭代求解器：PCGLanczos（预条件共轭梯度兰索斯法），这种求解器属于间接迭代法，比较适用于静态、稳态和瞬态等分析，尤其是结构分析，而且PCG求解器计算时所需的内存较小，对于中等或大尺寸结构，求解速度也比较快，适合于大型汽轮发电机定子绕组的求解。定子绕组进行模态计算时，模拟定子绕组在定子铁心槽内的实际固定状态，对定子绕组的直线段部分施加全位移约束，设置提取其前20阶固有频率，求解后得到固有频率的结果如表4-3所示，图4-3中a~e为其中几阶比较典型的模态振型图。38 4定子绕组的有限元分析表4-3定子绕组的固有频率（Hz）阶数固有频率阶数固有频率第1阶17.995第11阶54.631第2阶18.059第12阶55.327第3阶19.703第13阶56.285第4阶21.407第14阶59.335第5阶33.307第15阶64.948第6阶33.518第16阶66.289第7阶34.837第17阶71.310第8阶46.878第18阶72.087第9阶49.407第19阶72.897第10阶50.306第20阶76.761（a）1阶模态振型（b）5阶模态振型（c）10阶模态振型（d）12阶模态振型39 西安工程大学硕士学位论文（e）16阶模态振型（f）20阶模态振型图4-3ANSYS中定子绕组的模态振型图由表4-3中可知，利用梁单元建立的定子绕组有限元模型的初始固有频率较小，而且在第10阶左右，其固有频率基本接近50Hz，这样会引起定子绕组端部发生振动，导致定子线棒绝缘损坏、松动等故障。因此要加强定子绕组端部结构的固定，使定子绕组结构的可靠性更高。由于在ANSYS经典版中建模比较困难，因此在Pro/E中建立定子绕组端部支撑固定结构，然后导入到Workbench中进行模态分析。4.2Workbench中定子绕组的模态分析4.2.1支撑环式固定结构的模态分析定子绕组端部采用三道内外支撑环固定，分别位于定子绕组的两头与中间，支撑环与定子线棒之间添加适形材料后用无碱玻璃绳绑扎起来，简化的三维模型如图4-4所示。图4-4支撑环式固定的三维模型图4-5定子绕组的有限元模型对定子绕组设置材料属性，铜导线材料参数如表4-1所示，支撑环材料选择复合材料参数如表4-2所示。图4-5所示为支撑环式固定结构的有限元模型。模拟定子绕组在铁心槽内的实际固定状态，对定子绕组的直线段部分施加全表面固定约束，模态分析后，得到其前20阶的固有频率，如表4-4所示，其中几阶比较典型的40 4定子绕组的有限元分析模态振型图，如图4-6中a~f所示。表4-4定子绕组的固有频率（Hz）阶数固有频率阶数固有频率第1阶50.202第11阶142.88第2阶50.207第12阶171.14第3阶57.069第13阶171.15第4阶57.097第14阶173.5第5阶77.825第15阶177.62第6阶99.61第16阶177.64第7阶99.618第17阶189.16第8阶130.37第18阶209.42第9阶130.38第19阶209.45第10阶142.79第20阶241.6（a）支撑环式1阶振型（椭圆）（b）支撑环式4阶振型（c）支撑环式7阶振型（三瓣）（d）支撑环式12阶振型41 西安工程大学硕士学位论文（e）支撑环式16阶振型（四瓣）（f）支撑环式20阶振型图4-6定子绕组支撑环式固定的模态振型图由表4-4可知，定子绕组的第1阶和第2阶的固有频率分别为50.202Hz和50.207Hz，基本接近于50Hz的工作频率，第6阶和第7阶的固有频率分别为99.61Hz和99.618Hz，基本接近于100Hz的电磁倍频，所以在50Hz和100Hz左右的频率范围内，定子绕组会发生振动的可能性很大，从而会产生绝缘磨损、线棒松动等故障，甚至会产生严重的事故。所以定子绕组三道支撑环式的支撑固定结构设计不合理，要进行加固和改造，设计出更强有力的绕组端部支撑固定结构。4.2.2绑扎式固定结构的模态分析定子绕组端部的绑扎式固定结构，是在三道支撑环的基础上，用斜绑扎的方法使端部结构更加牢固。定子绕组端部上下层线棒间先用环氧玻璃布层压板压紧再用浸胶固化后的适形垫块塞紧固定，最后用无碱玻璃丝绳进行绑扎固定在支架上，简化后得到的三维模型如图4-7所示。图4-7绑扎式固定的三维模型图4-8定子绕组的有限元模型设置材料属性，铜导线和绑环材料参数如表4-1所示。网格划分后有限元模型如图4-8所示。定子绕组直线段部分施加全表面固定约束，进行模态分析，其前20阶固有频率如表4-5所示，图4-9中a~f表示绑扎式固定结构的模态振型。42 4定子绕组的有限元分析表4-5定子绕组的固有频率（Hz）阶数固有频率阶数固有频率第1阶126.61第11阶348.68第2阶126.64第12阶348.7第3阶154.9第13阶448.5第4阶162.08第14阶448.56第5阶168.87第15阶455.83第6阶168.89第16阶455.92第7阶241.02第17阶463.17第8阶241.04第18阶469.2第9阶268.18第19阶472.23第10阶338.07第20阶476.55（a）绑扎式固定1阶振型（椭圆）（b）绑扎式固定4阶振型（三瓣）（c）绑扎式固定7阶振型（四瓣）（d）绑扎式固定12阶振型（五瓣）43 西安工程大学硕士学位论文（e）绑扎式固定17阶振型（六瓣）（f）绑扎式固定20阶振型图4-9定子绕组绑扎式固定的模态振型图由表4-5可知，绑扎式固定结构的定子绕组明显比支撑环固定结构的固有频率提高了很多，其各阶固有频率均在126.61Hz及以上，同时避开了50Hz工频和100Hz的电磁倍频两个外部干扰频率，而且避开的幅度至少在25%以上，有效的避免了汽轮发电机定子绕组发生共振，因此，定子绕组端部绑扎式固定结构完全满足设计要求，而且这种结构散热性好、制造工艺简单、操作性强，比较适合200MW等小容量的汽轮发电机组。4.2.3压板式固定结构的模态分析定子绕组端部压板式固定结构，是在三道支撑环的基础上，使用刚性压板式结构固定，压板是由无气隙的环氧玻璃毡层压成型，环氧玻璃层压板是用环氧树脂将玻璃毡粘合在一起压制成型的复合材料，机械强度高。压板共分为上压板、中压板和下压板三层。通过许多学者的大量仿真实验研究，压板数采用17或18，结构为最优设计，本文上、中、下压板数均采用18块，三层压板之间通过反磁绝缘螺栓连接后固定在支撑环上，螺栓是由玻璃纤维增强材料制作而成的。为了简化计算，在Pro/E中建模时直接将上、中、下三块压板简化成一体，其三维模型如图4-10所示，导入Workbench中得到的有限元模型如图4-11所示。定义材料属性，铜导线材料参数如表4-1所示，压板复合材料参数如表4-2所示。对定子绕组进行模态分析得到压板式固定的定子绕组的前20阶的固有频率及其模态振型，如表4-6和图4-12中a~f所示。44 4定子绕组的有限元分析图4-10压板式固定定子绕组的三维模型图4-11定子绕组的有限元模型表4-6定子绕组的固有频率（Hz）阶数固有频率阶数固有频率第1阶141.59第11阶374.36第2阶141.6第12阶374.38第3阶171.77第13阶505.33第4阶173.65第14阶508.35第5阶185.4第15阶526.77第6阶185.42第16阶526.78第7阶258.88第17阶541.84第8阶258.9第18阶541.86第9阶287.85第19阶567.48第10阶361.64第20阶569.03（a）压板式固定1阶振型（椭圆）（b）压板式固定4阶振型（三瓣）45 西安工程大学硕士学位论文（c）压板式固定8阶振型（四瓣）（d）压板式固定12阶振型（五瓣）（e）压板式固定17阶振型图（f）压板式固定20阶振型图图4-12定子绕组压板式固定的模态振型图由表4-6可知，压板式固定的定子绕组的各阶固有频率均在141.59Hz及以上，避开了50Hz和100Hz的振动频率，而且避开的幅度比绑扎式固定结构更高，至少在40%以上，有效的避免了汽轮发电机定子绕组发生共振。因此，定子绕组端部压板式固定结构完全满足设计要求，这种结构工艺稍有复杂，但操作也比较简单可行，而且强度比绑扎式固定结构有所提高。目前大多数大型汽轮发电机的定子绕组端部都采用的是压板式支撑固定结构。4.2.4灌注式固定结构的模态分析汽轮发电机容量的提高，使电压等级也逐渐增大。在特定的运行环境下，需要定子绕组必须具有能够承受非常强大的电磁力作用的能力，所以定子绕组端部结构要具有非常可靠的机械强度，因此，研制出了一种新型的端部绕组固定结构，即灌注式固定结构。这种固定方法是将端部绕组的位置固定好后，在绕组端部装上内外压圈，使用带有绝缘的螺栓将内外压圈把合固定，定子线棒间使用环氧玻璃层压板和浸胶的适形垫块塞紧固定，然后在定子线棒的间隙中灌注固化胶，使定子绕组端部固化为整体，如图4-13所示。定义材料属性，固化后定子绕组端部的材料成为复合材料，参数如表4-2所示。有限元模型如图4-14所示。进行有限元分析后得到灌46 4定子绕组的有限元分析注式固定结构的固有频率及其振动模态，如表4-7和图4-15中a~f所示。图4-13灌注式固定的三维模型图4-14定子绕组的有限元模型表4-7定子绕组的前20阶固有频率（Hz）阶数固有频率阶数固有频率第1阶177.02第11阶543.01第2阶177.05第12阶543.02第3阶209.44第13阶561.91第4阶209.54第14阶562.05第5阶234.02第15阶600.25第6阶234.03第16阶600.38第7阶293.29第17阶680.21第8阶366.77第18阶680.23第9阶366.77第19阶697.82第10阶417.53第20阶733.94（a）灌注式固定1阶振型（b）灌注式固定5阶振型47 西安工程大学硕士学位论文（c）灌注式固定9阶振型（d）灌注式固定12阶振型（e）灌注式固定16阶振型（f）灌注式固定20阶振型图4-15定子绕组灌注式固定结构的模态振型图由表4-7可以看出灌注式固定的定子绕组的固有频率各阶频率均在177Hz以上，比前几种固定方式都提高了不少，避开了50Hz和100Hz的振动频率，而且避开幅度更高至少在70%以上，端部固定结构设计合理。这种固定结构的机械强度比较高，能够承受的电磁力也非常大，比较适合于冲击式的汽轮发电机，但是不足之处是散热性不好，不便于维修。4.3本章小结本章节在ANSYS/Workbench软件中对定子绕组的一半三维模型进行了模态分析，并针对定子绕组端部不同的支撑固定结构进行模态分析，通过比较分析结果，得出了绑扎式、压板式以及灌注式定子绕组端部固定结构的机械强度高，可以满足实际需要，其中综合比较来说，压板式固定的定子绕组结构可靠性高、实用性更强、使用范围更广。48 5Ansoft中发电机的设计与仿真5Ansoft中发电机的设计与仿真5.1AnsoftMaxwell软件介绍AnsoftMaxwell软件是国内外通用的大型有限元软件包，主要适用于低频二维或三维电磁场的有限元分析，具有功能模块多、计算结果精确、操作性强的优点。目前已广泛应用于各个工程电磁领域，可以对电机、变压器等电磁装置进行电场、磁场、瞬态场、涡流场及温度场等各种工况下的计算与分析。AnsoftMaxwell软件具有其它有限元分析软件所无法比拟的优势，其强大的数据处理功能、易于操作的绘图功能、便于其他软件中模型导入的模型输入端口、更加灵活多样的网格剖分功能以及可以进行各类线性及非线性分析等优势，使软件使用起来更加直观、简捷、方便，易于操作性，保证了计算的准确性和快捷性。AnsoftMaxwell主要包括三个模块：RMxprt、Maxwell2D和Maxwell3D，其中RMxprt是以磁路法为基础、专业设计旋转电机的模块，能够评估多种设计方案，并对其进行优化设计。而且RMxprt还具有一键自动生成Maxwell2D/3D有限元模型的功能，极大简化了设计过程。Maxwell2D和Maxwell3D模块是主要是用于有限元分析的交互式软件包，可分别进行二维和三维电磁场的仿真与分析。为了保证电机的最优设计，可以在RMxprt模块中建立好电机模型后，通过一键自动生成功能，将模型直接导入到Maxwell2D/3D模块中进行计算分析[56]。本章使用RMxprt模块对三相隐极同步发电机进行结构及电磁设计，并对发电机的参数和性能进行了计算与分析，后将其导入到Maxwell2D模块中，建立发电机的二维有限元仿真模型，对发电机的基本特性及启动过程进行了瞬态特性仿真分析。5.21000MW汽轮发电机的设计与分析5.2.1发电机基本参数本文研究的是三相交流隐极式同步发电机，关于发电机的建模主要包括以下方法：一是直接在Maxwell2D模块中绘制；二是将发电机的基本参数输入到RMxprt模块中生成发电机的设计模型，然后将此模型直接导入到Maxwell2D模块中，生成发电机的二维计算模型；三是二维绘图软件AutoCAD中绘制好发电机模型，再导入到Maxwell2D模块中进行计算分析。本章采用第二种方法，更加方便、快速、准确，发电机设计、建模与仿真分析的流程如图5-1所示。首先，插入RMxprt模块，进入电机设计模块，选择电机类型为三相隐极同步发电机，输入表5-1中所列发电机的基本参数和定子、转子的几何尺寸等，得到发电机的二维几何模型，查看计算结果并输出特性曲线；其次，将模型导入Maxwell2D模块中，建立发电机的二维有限元计算模型；最后使用Transient求解器进行有限元仿真分析，查看发电机49 西安工程大学硕士学位论文的动态特性及磁场分布特性。参考文献[57]中三相交流隐极式同步发电机的相关设计参数，如表5-1所示。表5-1发电机设计参数参数数值参数数值额定视在功率（KVA）1120000定子槽数36额定功率因数0.9定子外径(mm)2945额定功率（MW）1000定子内经(mm)1471额定电压（kV）27铁心长度(mm)8100额定频率（Hz）50转子槽数32转速（rpm）3000转子外径(mm)1270极数2转子内径(mm)500工作温度(℃)115气隙长度(mm)100.5效率（%）90励磁电流（A）5272摩擦损耗（W）1366000风阻损耗（W）3360000进入Maxwell控制板插入RMxprt模块，输入设计参数，建立发电机二维几何模型查看绕组分布图，分析计算结果，输出特性曲线导入Maxwell2D模块，建立发电机的二维有限元分析模型进行瞬态仿真分析，输出动态性能曲线，查看磁场分布图5-1发电机瞬态特性分析流程图5.2.2发电机的二维几何模型在Ansoft软件中建立三相交流隐极式同步发电机二维几何模型，发电机设计树如图5-2所示，设计步骤如下：（1）Machine（发电机）基本参数设置如图5-3所示50 5Ansoft中发电机的设计与仿真图5-2发电机设计树图5-3发电机基本参数（2）Stator（定子）基本参数设置如图5-4所示，定子的参数主要包括Slot（定子槽）和Winding（定子绕组）参数设置，定子铁心硅钢片材料选择DW540_50，定子槽类型选择6号槽，具体尺寸和槽型如图5-5所示。定子绕组的参数设置如图5-6所示，定子绕组的材料选择Copper，图5-7为定子绕组的连接图。图5-4定子基本参数图5-5定子槽型数据51 西安工程大学硕士学位论文图5-6定子绕组参数设置图5-7定子绕组连接图（3）Rotor（转子）基本参数设置如图5-8所示。转子的设计包括Slot（转子槽）和Winding（转子绕组）两部分，转子材料选择M19_29G，转子槽的类型选择6号槽，槽的尺寸如图5-9所示。（4）参数设置完成后，自动生成发电机二维有限元几何模型，如图5-11所示。图5-8转子基本参数设置图5-9转子槽型数据图5-10转子绕组参数图5-11发电机二维几何模型52 5Ansoft中发电机的设计与仿真5.2.3发电机的性能曲线使用RMxprt模块对发电机进行求解，求解设置如图5-12所示。输出计算结果，在PerformanceCurve中查看发电机的各项性能特性曲线如图5-13所示。图5-12求解设置（a）输出功率和转矩角的关系曲线（b）效率和转矩角的关系曲线53 西安工程大学硕士学位论文（c）电枢电流与励磁电流关系曲线（d）气隙磁密（e）空载感应线圈电压图5-131000MW三相交流隐极同步发电机的性能曲线54 5Ansoft中发电机的设计与仿真5.2.4发电机的二维瞬态特性分析在汽轮发电机的实际应用中，由于转子是运动的，在Ansoft中进行有限元分析时，发电机模型中的物体处于各种运动状态，所以磁场、速度、功率损耗等物理量会随着时间变化，同时一些相关的参数会随着运行过程中的非线性特性而产生变化，因此，我们需要对发电机的瞬态特性进行仿真分析，以获取精确的参数情况。Maxwell2D软件可以对静电场、磁场、涡流场、温度场和线性及非线性瞬态电磁场等进行仿真分析计算。同时，不用重新剖分模型，就可以精确的计算物体移动到任何角度和位置时电磁场、电路和运动相耦合的二维时变问题，从而能够精确的预测发电机的性能特性[58]。通过RMxprt的一键求解功能，可以将在RMxprt中完成发电机设计模型，自动生成一个Maxwell2D的瞬态计算模型，与此同时，软件会自动完成绘制发电机几何模型、定义材料特性、添加激励源、设置边界条件、进行网格划分和设置求解参数等过程，然后在Maxwell2D中采用瞬态模块进行二维有限元分析，查看发电机的瞬态特性。Maxwell中二维电磁场的边界条件的设置是对边界线进行操作的，由于发电机模型只建立了1/2实际发电机，因此在发电机模型分界处，即外层区域平行于X轴的直线段施加主从边界条件；在定子铁心与空气的分界处，即外层区域圆弧线段施加磁通平行边界条件，发电机二维物理模型及边界条件设置如图5-14所示。红色代表A相绕组，绿色代表B相绕组，蓝色代表C相绕组。图5-15为三相隐极同步发电机的二维有限元模型。磁通平行边界条件定子绕组定子铁心转子绕组从边界主边界转子铁心转轴图5-14发电机二维物理模型及其边界条件55 西安工程大学硕士学位论文图5-15三相隐极同步发电机的二维有限元模型求解设定，转子的额定转速为3000rpm，转子转动一圈所需的时间为0.02秒，设置求解终止时间为0.2秒，求解时间步长为0.001秒。求解后通过查看仿真计算结果，可以直观地表示出任何时刻内发电机的磁场分布情况以及各项参数曲线。由于发电机在正常运行过程中，转子是以恒定转速运行的，所以在Maxwell2D软件中模拟的工况是在开始时刻转子就被拖至额定转速，然后在0秒时电源突然接通，三相绕组产生电流。输出特性曲线如图5-16~5-19所示，分别表示发电机在额定转速下转子的转矩波形、三相绕组电流、三相绕组空载反电势以及三相绕组磁链曲线。TorqueMaxwell2DDesign11.75CurveInfoMoving1.TorqueSetup1:Transient1.501.251.000.750.50Moving1.Torque[megNewtonMeter]0.250.000.0025.0050.0075.00100.00125.00150.00175.00200.00Time[ms]图5-16转子转矩波形56 5Ansoft中发电机的设计与仿真WindingCurrentsMaxwell2DDesign120000.00CurveInfoCurrent(PhaseA)Setup1:Transient15000.00Current(PhaseB)Setup1:Transient10000.00Current(PhaseC)Setup1:Transient5000.000.00Y1[A]-5000.00-10000.00-15000.00-20000.000.0025.0050.0075.00100.00125.00150.00175.00200.00Time[ms]图5-17三相绕组电流XYPlot1Maxwell2DDesign125.00CurveInfoInducedVoltage(PhaseA)Setup1:TransientInducedVoltage(PhaseB)Setup1:Transient12.50InducedVoltage(PhaseC)Setup1:Transient0.00Y1[kV]-12.50-25.000.0025.0050.0075.00100.00125.00150.00175.00200.00Time[ms]图5-18同步发电机三相相绕组反电势曲线XYPlot2Maxwell2DDesign180.00CurveInfoFluxLinkage(PhaseA)60.00Setup1:TransientFluxLinkage(PhaseB)Setup1:Transient40.00FluxLinkage(PhaseC)Setup1:Transient20.000.00Y1[Wb]-20.00-40.00-60.00-80.000.0025.0050.0075.00100.00125.00150.00175.00200.00Time[ms]图5-19同步发电机三相绕组磁链曲线同时，为了能够清楚的表示发电机的磁场分布，一般采用等势线图和磁通密度图来表示场分布的性质和状况，我们对发电机在不同时刻的磁力线和磁通密度分布分别做了绘制，以便能够进一步分析同步发电机在运行过程中磁场发生的变化。把磁场中矢量磁势相等的点连接起来，构成等势线图。等势线也可以当作是磁力线，57 西安工程大学硕士学位论文磁力线的疏密代表着磁感应强度的强弱。磁力线越密集的地方，说明其磁感应强度越强，磁力线越稀疏的地方，说明其磁感应强度越弱。磁通量密度表示垂直穿过单位面积的磁力线的多少，简称磁通密度，是表征磁场的矢量，又称为磁感应强度。发电机在运动初始时刻和运动0.015秒时磁力线分布如图5-20所示，发电机在运动初始时刻和运动0.015秒时磁通密度的分布如图5-21所示。（a）运动初始时刻（b）运动0.015秒图5-20发电机不同时刻的磁力线分布图图中显示了在额定转速下，某计算时刻转子的旋转角度及发电机磁力线的分布。红色磁力线表示正向极值，蓝色磁力线表示负向极值，从图5-20（a）（b）中可以看出发电机运动初始时刻的转子位置处于95°，运动0.015秒时转子的位置处于5°，而且从其磁力线分布可以看出发电机定子铁心槽内及转子铁心槽处磁力线较密。58 5Ansoft中发电机的设计与仿真（a）运动初始时刻（b）运动0.015秒图5-21发电机不同时刻的磁通密度B分布图从图5-21中可以看出，发电机的转子铁心部位颜色较深，磁通密度较高。从图5-20和5-21的磁力线分布图和磁通密度分布图可以看出，磁力线密集的区域为高导磁材料，如定子铁心和转子铁心，其磁感应强度大；磁力线稀疏的区域为低导磁材料，如空气、铜导线，其磁感应强度小。此外，RMxprt中设计建立的发电机模型还可以一键导入到Maxwell3D中，自动生成三维模型如图5-22所示，图中显示的是发电机的二分之一模型。59 西安工程大学硕士学位论文图5-22发电机三维模型5.3Ansoft中发电机定子绕组的设计与分析在Ansoft中建立发电机三维模型的方法：一是直接在Maxwell3D中建立发电机的三维实体模型，过程比较繁琐，一般不采用；二是调用Ansoft16.0软件中的电机快速建模工具，直接输入相关参数，自动生成发电机的三维实体模型，此方法比较简捷，但有一定的局限性；三是直接将在Pro/E等三维建模软件中建立好的发电机模型导入到AnsoftMaxwell16.0软件中。5.3.1使用Ansoft自带的快速建模工具建立定子绕组三维实体模型Maxwell3D模块中有自带的电机模型库，其中有很多不同类型电机的铁心和绕组，用户可以通过直接调用快速建立电机的三维实体模型。三维电机的快速建模项基本涵盖了常用电机的快速建模，主要包括定子铁心和定子绕组、转子铁心和转子绕组，此外，还有Band运动区域。本章节采用第二种方法，通过Maxwell3D中发电机定子绕组的参数化设计功能，可以快速建立1000MW定子绕组的三维实体模型。进入Maxwell3D界面，执行命令：Draw→UserDefinedPrimitive→RMxprt→LapCoil弹出定子绕组参数化设置界面，输入1000MW定子绕组结构尺寸设计参数，如图5-23所示，参数输入完毕后，得到的定子绕组的三维实体模型，如图5-24所示，从图中可以看出Maxwell3D中建立的定子绕组端部是定子线棒出槽后编织成双层圆柱形状，与第二章在Pro/E中建立的定子绕组圆锥形状的端部有所不同。这是AnsoftMaxwell软件应该改进的一个方向。60 5Ansoft中发电机的设计与仿真图5-23定子绕组的参数化设置界面图5-24定子绕组的三维模型5.3.2圆柱形定子绕组的模态分析将建立的定子绕组三维模型输出保存为IGS格式，导入到三维建模软件Pro/E中，通过与ANSYS14.5无缝数据接口进入Workbench中，定义绕组材料属性：铜材料的参数，见表4-1。图5-23为圆柱形定子绕组的有限元模型。图5-25定子绕组的有限元模型61 西安工程大学硕士学位论文对定子绕组的直线段部分施加全表面固定约束，进行模态计算，提取前20阶固有频率，查看分析结果。表5-2为定子绕组的前20阶固有频率，图5-26中a~d为定子绕组的其中几阶模态振型图。表5-2定子绕组的固有频率（Hz）阶数固有频率阶数固有频率第1阶305.56第11阶378.68第2阶305.58第12阶378.69第3阶305.62第13阶388.6第4阶305.66第14阶388.62第5阶306.59第15阶388.65第6阶306.62第16阶388.7第7阶306.65第17阶417.78第8阶306.74第18阶417.92第9阶378.57第19阶512.57第10阶378.61第20阶512.69（a）定子绕组1阶振型（b）定子绕组5阶振型（c）定子绕组13阶振型（d）定子绕组19阶振型图5-26定子绕组的模态振型图62 5Ansoft中发电机的设计与仿真从表5-2中可以看出圆柱形定子绕组的固有频率与圆锥形定子绕组固有频率相比要提高很多，而且避开共振频率的范围也比较大，说明圆柱形定子绕组的结构机械性能较好，但是由于定子绕组端部为圆柱形，结构比较紧凑，散热不好，而且端部距离转子较近，所受磁拉力的影响较大，所以这种圆柱形定子绕组结构在实际发电机结构中不适用。5.3.3利用三维建模软件建立发电机的三维模型首先在Pro/E中建立发电机的主体结构的模型，主要包括定子铁心、定子绕组、转轴和转子励磁绕组，并将它们组装到一起，得到三维装配模型。图5-27和图5-28分别表示转轴与转子励磁绕组的装配图及其端部局部图，图5-29表示定子铁心与定子绕组装配图，图5-30为定子与转子的总装配图。图5-27转轴与转子励磁绕组的装配图图5-28转子绕组端部局部图63 西安工程大学硕士学位论文图5-29定子铁心与定子绕组的装配图图5-30定子与转子的总装配图然后将定子与转子的总装配模型保存成后缀为.sat的CAD文件格式，直接导入到Maxwell3D模块中，软件会自动将CAD格式文件识别为Maxwell3D的几何模型文件。Maxwell中发电机的三维模型如图5-31所示。64 5Ansoft中发电机的设计与仿真图5-31Maxwell中发电机的三维模型5.4本章小结本章主要应用AnsoftMaxwell16.0软件中的相关模块进行三相隐极发电机的设计与分析。首先使用RMxprt模块，参考相关设计参数，建立了一个三相交流隐极式同步发电机模型，获得了发电机的性能曲线；其次在RMxprt中直接导出可以一键求解的发电机Maxwell2D有限元模型，对其瞬态特性进行了仿真分析，根据计算的结果评估发电机的设计是否合理；然后使用Maxwell3D模块中的定子绕组参数化设计功能，建立了定子绕组的三维实体模型，并对其进行了有限元模态分析；最后将在Pro/E中建立的发电机定子与转子的装配体模型导入Maxwell3D模块中，对其进行电磁仿真分析，虽然由于模型尺寸较大，计算机资源有限，没有得出结果，但是这种电磁仿真分析对发电机的设计是有很大意义。65 西安工程大学硕士学位论文66 6结论6结论1．总结本文使用虚拟样机技术完成了对大型汽轮发电机定子绕组编织结构的建模与有限元仿真分析，研究内容主要体现在以下八个方面：（1）在Pro/E中建立了定子绕组的三维模型，实现了600MW、1000MW汽轮发电机定子绕组的参数化、系列化建模，为定子绕组的快速建模提供了有效的方法。（2）研究了600MW和1000MW汽轮发电机三相定子绕组的电气连接原理，绘制出了定子绕组连接的平面展开图及其三维模型。（3）在ANSYS中建立定子线棒的几何模型，使用梁单元并设置等效截面，得到近似模拟定子绕组三维实体模型的有限元模型，并对其进行有模态分析；同时，在Workbench中建立了单根定子线棒的简化三维实体有限元模型，对其模态分析结果进行比较，以便研究分析单根线棒的性能对整个定子绕组的影响。（4）在ANSYS中对定子绕组上、下层线棒进行了2D电磁特性有限元分析，分析了集肤效应对导体内部电流的影响，掌握了绕组内部局部区域的电流分布特性。（5）在Pro/E中建立了4种定子绕组端部固定结构的三维模型，并将其导入到Workbench中进行模态计算，比较分析结果，得出了更为实用、有效、可靠性更高的端部固定结构。（6）在Ansoft16.0软件的RMxprt模块中，设计建立了1000MW汽轮发电机的模型，得到其各项性能曲线；然后将其采用一键式导成Maxwell2D的瞬态计算模型，进行瞬态特性仿真分析，得到各项性能曲线、磁力线与磁通密度分布特性。（7）使用Maxwell3D模块中的定子绕组参数化设计功能，建立了定子绕组的三维实体模型，并对其进行了有限元模态分析。（8）在Pro/E中建立了发电机定子与转子的装配体模型，形成了更加接近实际的整机电磁计算仿真模型，并将其成功导入Maxwell3D模块中，为进一步精确的电磁设计计算奠定了基础。2．展望作为发电机的关键部件，定子绕组的振动问题一直是国内外广大学者和大型发电机制造者不断深入研究、试验的重要课题。本文采用虚拟样机技术对定子绕组的建模以及仿真分析进行了较为深入的研究，并且也获得了许多具有参考价值的研究成果，但是在此基础上还可以从以下四个方面进行更深层次的研究：67 西安工程大学硕士学位论文（1）本文只在ANSYS中使用梁单元等效建立了较为精确的定子绕组有限元模型，还可以在Pro/E等三维制图软件中建立更为准确的三维实体模型，实现定子线棒的直线段部分空心导线与实心导线的排列以及换位，进而对定子绕组进行有限元分析，可以获得更接近实际的计算结果。（2）定子绕组是主要的发热部件，因此，可以对定子绕组的三维实体有限元模型进行电磁分析、热分析以及流体分析等。（3）在计算机资源许可的条件下，可以在Ansoft软件Maxwell3D模块中对定子绕组的三维模型进行电磁分析、热固与流固耦合分析。（4）建立完整的汽轮发电机模型，并对其进行电磁、动力学、热固和流固等多物理场仿真分析，模拟发电机的运行及发电过程。68 参考文献参考文献[1]汪耕,李希明.大型汽轮发电机设计制造与运行[M].上海:上海科学技术出版社,2000.[2]李瑞涛,方湄.虚拟样机技术的概念及应用[J].机电一体化,2000(5):17-19.[3]赵志平.虚拟样机技术及其应用和发展[J].机械研究与应用,2006(1):6-7.[4]RonmcC.VirtualPrototypingThePracticalSolution[J].InventorDigest,1998,5(6).[5]蔡千华.东芝公司1000MW汽轮发电机的设计与制造[J].东方电机,2002(30)[6]陈伟梁.大型汽轮发电机定子绕组端部振动分析[D].浙江:浙江大学,2008.[7]于永积.大型汽轮发电机定子绕组的虚拟样机研究[D].陕西:西安工程大学,2010.[8]李端.大型汽轮发电机定子结构系统的虚拟样机研究[D].陕西:西安工程大学,2012.[9]KHANGK.Forcecomputationofstatorwindingendofturbo-generator[J].ForeignLargeGenerator,1992(l).[10]SENSKE.Vibrationformofstatorendwindingwhenelectricfaultoccursinturbo-generator[J].ForeignLargeGenerator,1998(2):25-33.[11]GREDIACM,VAUTRINA.Anewmethodfordeterminationofbendingrigiditiesofthinanisotropicplates[J].JournalofAppliedMechanics,1990(57):964-968.[12]DEOBALDLR,GIBSONRF.Determinationofelasticconstantoforthotropicplatesbyamodalanalysis/Rayleigh-Ritztechnique[J].JournalofSoundandVibration,1988,124(2):269-283.[13]CalvertJ.F.ForcesinTurbineGeneratorStatorWindings.AIEETrans,Vol.50,pp.178-196,March1931.[14]ScottD.J.SalonS.J.KusikG.L.ElectromagneticForcesontheArmatureEndWindingsofLargeTurbineGeneratorsI-SteadyStateCondition.IEEETrans,1981.[15]WilliamsFC,MamakRS.ElectromagneticForcesinSlottedStructures,PIEE-C,Vol:109,pp,11-17,March1962.[16]ChangKH,TangPS.Integrationofdesignandmanufacturingforstructuralshapeoptimization[M].AdvancesinEngineeringSoftware,2001.[17]周华翔.定子线圈渐伸线无基圆作图法[J].大电机技术,1992(2).[18]孙景文.600MW汽轮发电机定子线圈端部曲线的转化计算[J].大电机技术,1993.[19]金丽萍,何圣熙.Pro/ENGINEER中的汽轮发电机定子绕组三维建模及参数系列化设计[J].工程图学学报,2007,(2):31-35.69 西安工程大学硕士学位论文[20]刘瑞丽,魏燕飞.汽轮发电机定子线圈端部设计的精确计算[J].上海大中型电机,2011(4).[21]张干,张丽.汽轮发电机定子线圈模型的建立[J].东方电机,2006(3).[22]胡建波,徐福娣.定子端部线圈的设计计算方法与三维建模研究[J].上海大中型电机,2006.[23]欧阳鹏,王建辉,范成西等.基于ElecNet的汽轮发电机定子绕组端部结构建模及电场计算[J].2009.[24]刘晓芳,杨世彦,刘大鹏等.基于I-DEAS的汽轮发电机定子绕组自动三维建模[J].中国机械工程,2011,(3).[25]王益轩,朱继梅.大型汽轮发电机定子端部绕组的动态仿真模型[J].机械工程学报,2005,41(9):217-222.[26]王益轩,朱继梅.大型汽轮发电机定子端部绕组的动态优化设计[J].机械科学与技术,2008,27(2):205-208.[27]王益轩,朱继梅.大型汽轮发电机定子端部绕组的虚拟样机研究[C].中国科协年会论文集(下册).北京:中国科学技术出版社,2006.[28]张雷,王益轩,邵亚声.大型汽轮发电机定子端部绕组的动力特性研究[J].机械强度,1991,(3):21-25.[29]王益轩.大型汽轮发电机定子端部绕组的动力学建模[J].西北纺织工学院学报,1999,13(4),339-343.[30]ZhuJ,WangY.Dynamicmodelingofstatorwindingendbasketsoflargeturbo-generator.Proceedingsof8thInternationalModalAnalysisConference,Orlando,Florida,1990,pp.1266-1269.[31]胡宇达.大型汽轮发电机定子端部绕组整体结构的电磁振动[J].中国电机工程学报,2003,23(7):93-98,116.[32]王豫川.基于ANSYS的汽轮发电机定子绕组端部动态特性有限元计算[J].东方电机.2011(4).[33]吴文健,童小忠,张浩权.大型汽轮发电机定子端部绕组的模态测试[J].浙江电力,2001(3):l-3.[34]YixuanWANG,YingWang,XinLiu,etal.Electromagneticdesignanddynamicanalysisoflargeturbo-generator[J].JournalofEnergyandPowerEngineering,2009,3(12):19-28.[35]裴远航,繆一心,颜威利.汽轮发电机端部磁场的有限元分析与计算[M].河北:河北工学院学报,1987,(4).70 参考文献[36]万书亭,姚肖方,朱建斌等.发电机定子绕组端部径向和切向电磁力分析[J].振动、测试与诊断,2013，33(3).[37]张甲,梁旭彪,杨仕友等.大型汽轮发电机端部绕组电动力三维有限元分析[J].机电工程,2008,25(10).[38]蔡蔚,史乃.大型汽轮发电机定子槽内线棒电磁力的分析与计算[M].黑龙江:哈尔滨电工学院学报,1986,(9).[39]夏海霞.汽轮发电机端部电磁-温度耦合场的研究及其数值分析[D].浙江:浙江大学,2007.[40]袁昌健,衣然,兰波.大型汽轮发电机定子端部结构分析[J].大电机技术,2005:1.[41]许善椿,吴祚潭.大型发电机定子线棒的新型换位技术(I)[J].大电机技术,1992.[42]RamSewak,RajeshRanjan,A.K.L.Rao.IntricateAspectsofTurbogeneratorEndwindingVibrationMonitoringBasedonDataAnalysis[A].InternationalConferenceonConditionMonitoringandDiagnosis[C].China,2008:1-6[43]岳国良,贾伯岩,张建忠等.大型发电机定子绕组端部模态分析[J].河北电力技术,2004.[44]LiaoWei,GAOYongge,ZhangHaijun.AnalyticalInvestigationofDynamicCharacteristicforStatorEnd-windingofTurbo-generatorof600MW[A].2009InternationalConferenceonMeasuringTechnologyandMechatronicsAutomation[C].Hunan,2009:19-21.[45]陈光辉,吴和静.汽轮发电机定子端部绕组模态分析[J].上海大中型电机,2012(4).[46]YujingLiu,StigHjarne.AnalysisofForcesonCoilEndsofFormedStatorWindings[A].ProceedingsofInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems[C].SeoulKorea,2007:1019-1024[47]陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社,1982.[48]咸哲龙,梁旭彪.汽轮发电机定子绕组附加损耗有限元计算研究[J].上海大中型电机,2007.[49]Ki-ChanKim,Hyung-WooLee,Yon-DoChun,etal.AnalysisofElectromagneticForceDistributiononEndWindingforMotorReliance[J].IEEETransactionsonMagnetics,2005,V41(10):4072-4074.[50]AkemiFutakawa,ShinjiYamasaki.DynamicDeformationandStrengthofStatorEndWindingsduringSuddenShortCircuits[J].IEEETransactionsonElectricalInsulation,1981,V16(1):31-39.[51]M.Ohtaguro,K.Yagiuchi,H.Yamaguchi.MechanicalBehaviorofStatorEndwindings[J].IEEETransactionsonPowerApparatusandSystems,1980,V99(3):1181-1185.71 西安工程大学硕士学位论文[52]M.R.Patel,J.M.Butler.End-WindingVibrationsinLargeSynchronousGenerators[J].IEEETransactionsonPowerApparatusandSystems,1983,V102(5):1371-1377.[53]J.A.TEGOPOULOS.ForcesontheEndWindingofTurbine-GeneratorsⅡ-DeterminationofForces[J].IEEETransactionsonPowerApparatusandSystems,1966,V85(2):114-122[54]王玉田,袁晓红.大型汽轮发电机端部固定方法[J].大电机技术,2011,(2).[55]邢超.大型汽轮发电机定子绕组端部振动的研究[D].北京:华北电力大学,2011.[56]刘国强.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2005.[57]YixuanWANG,YingWANG,HaifeiQIU,etal.DynamicDesignandSimulationAnalysisof1000MWLargeTurbo-Generator[C].IEEEInternationalConferenceonMechatronicsandAutomation,Changchun,2009.[58]郭慧浩,范瑜.Maxwell2D在直线感应电动机瞬态仿真中的应用[J].防爆电机,2006,41(128).72 作者攻读学位期间发表论文清单作者攻读学位期间发表论文清单第一作者，大型汽轮发电机定子绕组线棒的有限元分析，上海大中型电机，2015年第1期。73 西安工程大学硕士学位论文74 致谢致谢近三年的研究生学习生涯即将结束，期间我收获了很多，掌握了基本的基础专业知识，也学到了很多为人处世的道理。首先要感谢我的导师王益轩教授，本论文从最初的选题到最终的定稿都是在王老师的认真指点引导下进行的，期间王老师投入了大量的时间为我答疑解惑，而且在论文写作中遇到的各种难题，王老师都不厌其烦地给我讲解，并以丰富的学识和严谨的治学态度为我提供了很多研究方向与建议，使我可以一步步攻克论文写作中遇到的难题，顺利的完成毕业论文。不仅如此，王老师对我们的学习和生活也是无微不至的关怀与照顾。在此，我向王老师致以最真挚的感谢！感谢王老师从大学期间到研究生期间对我的关心与教导！其次感谢师兄朱公栋、同窗高丹、赵梅、路超、梁渝洋和韩斌斌以及我的室友和同学！感谢你们给予我生活和学习上的帮助与支持，以及为本论文的撰写提供的宝贵意见和建议。最后，向在百忙之中抽出宝贵时间评阅我论文的各位老师和专家致以深深的谢意！陈荣荣2014年12月于西安工程大学75