一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法及系统

摘要

本发明公开了一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法及系统，由于电机端部结构复杂，端部直线部位、端部渐开线部位以及焊接端等不同位置所受的电磁力的大小方向各不相同，本发明通过对电机端部绕组进行三维建模，并对所得端部模型中的定子绕组端部进行分段，对分段模型进行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形，与现有方法相比，可以得到电机端部绕组不同位置的电磁力波形，所得电机的电磁力波形更加精确，有利于对定子端部不同位置固定方式的选取，进一步指导电机的结构设计。

权利要求

1.一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对电机端部绕组进行三维建模，得到电机端部模型；

S2、对所述电机端部模型中的定子绕组端部进行分段，得到定子绕组端部的分段模型；

其中，对所述电机端部模型中的定子绕组端部进行分段的方法包括方式一或方式二；所述方式一为：对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段和端部渐开线段分别沿着电机轴线方向进行等距分割；对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部焊接段沿着端部焊接段端面的法线方向进行等距分割；所述方式二为：对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段沿着电机轴线方向进行等距分割；对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部渐开线段沿着电机端部模型的渐开线扫描路径进行分割，且分割线与该扫描路径垂直；

对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部焊接段沿着端部焊接段端面的法线方向进行等距分割；

S3、对所述定子绕组端部的分段模型进行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形。

2.根据权利要求1所述的电机端部绕组电磁力波形的获取方法，其特征在于，所述方式一中，所述端部直线段、端部渐开线段以及端部焊接段的各分割段的长度相等。

3.根据权利要求1所述的电机端部绕组电磁力波形的获取方法，其特征在于，所述方式二中，所述端部直线段、端部渐开线段以及端部焊接段的各分割段的体积相等。

4.一种电机端部绕组电磁力波形的获取系统，包括：建模模块、分段模块和计算模块；

所述建模模块用于对电机端部绕组进行三维建模，得到电机端部模型，并输出到所述分段模块中；

所述分段模块用于对建模模块输入的电机端部模型中的定子绕组端部进行分段，得到定子绕组端部的分段模型，并输出到所述计算模块中；其中，对所述电机端部模型中的定子绕组端部进行分段的方法包括方式一或方式二；所述方式一为：对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段和端部渐开线段分别沿着电机轴线方向进行等距分割；对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部焊接段沿着端部焊接段端面的法线方向进行等距分割；

所述方式二为：对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段沿着电机轴线方向进行等距分割；对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部渐开线段沿着电机端部模型的渐开线扫描路径进行分割，且分割线与该扫描路径垂直；对所述电机端部模型中定子绕组端部的端部焊接段沿着端部焊接段端面的法线方向进行等距分割；

所述计算模块用于对分段模块输入的定子绕组端部的分段模型进行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形。

5.一种存储介质，其特征在于，当计算机读取指令时，使所述计算机执行本发明权利要求1‑3任意一项所述的电机端部绕组电磁力波形的获取方法。

说明书

一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法及系统。

背景技术

[0002] 中国火力发电占总发电量的75％左右，其中大部分都由大型发电机来完成，随着科学技术和社会的发展，发电机单机容量不断增加，对电网稳定运行的要求也不断提高，因
此大型发电机的安全运行与整个电网的安全、稳定密切相关。汽轮发电机定子绕组多为成
型绕组，端部伸出端很长，因此其固定比较薄弱，成为发电机安全稳定运行的重要因素，随
着发电机单机容量的增大，作用在定子绕组端部的电磁力也随之增加，由此引发的振动问
题也日益受到重视。通过获取电机端部绕组电磁力波形，定量分析电机端部绕组电磁力特
性，当电机端部绕组上某些部位电磁力较大且方向突变时，加固此位置的机械强度，可以避
免绕组过大的变形和振动，从而对电机结构的设计起指导作用；进一步地，电磁力曲线也可
以作为结构的激励源，便于后续振动特性的计算，从而准确掌握发电机端部的振动情况。因
此，研究一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法存在重要的意义。

[0003] 现有的电机端部绕组电磁力波形的获取方法，将绕组作为一个整体，得到整个绕组受到的电磁力波形，但是，电机端部结构复杂，端部直线部位、端部渐开线部位以及焊接
端等不同位置所受的电磁力的大小方向各不相同，故现有方法所得的电磁力波形的精确度
不高。采用该方法得到的电磁力波形无法为后续确定绕组需要加固的位置以及掌握发电机
端部振动的情况提供正确的指导。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法及系统，其目的在于解决现有技术由于未考虑绕组各部分所受电磁力的大小
和方向均不相同，将绕组作为一个整体来获取电磁力波形而导致的获取到的电磁力波形精
确度不高的问题。

[0005] 为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法，包括以下步骤：

[0006] S1、对电机端部绕组进行三维建模，得到电机端部模型；

[0007] S2、对所得电机端部模型中的定子绕组端部进行分段，得到定子绕组端部的分段模型；

[0008] S3、对所得定子绕组端部的分段模型进行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形。

[0009] 本发明的有益效果是：由于电机端部结构复杂，端部直线部位、端部渐开线部位以及焊接端等不同位置所受的电磁力的大小方向各不相同，本发明提供了一种电机端部绕组
电磁力波形的获取方法，通过对所得端部模型中的定子绕组端部进行分段，对分段模型进
行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波
形，从而将电机端部绕组不同位置的电磁力特征表示出来，与现有方法相比，可以得到电机
端部绕组不同位置的电磁力波形，所得电机的电磁力波形更加精确。

[0010] 本发明进一步的有益效果是：本发明提供的电机端部绕组电磁力波形的获取方法，在做电磁分析时，可以定量分析端部绕组每一位置处的电磁力大小与方向，有利于对定
子端部不同位置固定方式的选取，进一步指导电机的结构设计。

[0011] 本发明进一步的有益效果是：本发明所提供的电机端部绕组电磁力波形的获取方法，可以将获取的包含方向和大小的电磁力波形作为后续应力与振动分析的激励，用于计
算电机振动以及噪音，方便对电机特性进行分析。

[0012] 上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

[0013] 进一步优选地，上述步骤S2，包括：对电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段和端部渐开线段分别沿着电机轴线方向进行等距分割，对所得电机端部模型中定子绕组端
部的端部焊接段沿着端部焊接段端面的法线方向进行等距分割。

[0014] 进一步优选地，端部直线段、端部渐开线段以及端部焊接段的各分割段的长度相等。

[0015] 本发明进一步的有益效果是：以电机轴线方向作为参考，由于电机轴线方向是线性变化的，该方法能够可以快速对电机端部模型进行分割，从而将电机端部绕组不同位置
的电磁力特征表示出来，将其作为后续应力与振动分析的激励，可以用于计算电机振动以
及噪音，方便对电机特性进行分析。

[0016] 进一步优选地，上述步骤S2，包括：对所得电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段沿着电机轴线方向进行等距分割；对所得电机端部模型中定子绕组端部的端部渐开线
段沿着电机端部模型的渐开线扫描路径进行分割，且分割线与扫描路径垂直；对所得电机
端部模型中定子绕组端部的端部焊接段沿着端部焊接段端面的法线方向进行等距分割。

[0017] 进一步优选地，端部直线段、端部渐开线段以及端部焊接段的各分割段的体积相等。

[0018] 本发明进一步的有益效果是：避免了不同体积大小对电磁力的影响，可以直接观察电机端部绕组不同位置处的电磁力的大小和方向，比较直观，通过对所得电磁力曲线进
行分析，将其作为后续应力与振动分析的激励，可以用于计算电机振动以及噪音，方便对电
机特性进行分析。

[0019] 第二方面，本发明提供了一种电机端部绕组电磁力波形的获取系统，包括：建模模块、分段模块和计算模块；

[0020] 建模模块用于对电机端部绕组进行三维建模，得到电机端部模型，并输出到分段模块中；

[0021] 分段模块用于对建模模块输入的电机端部模型中的定子绕组端部进行分段，得到定子绕组端部的分段模型，并输出到计算模块中；

[0022] 计算模块用于对分段模块输入的定子绕组端部的分段模型进行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形。

[0023] 本发明的有益效果是：通过对端部模型中的定子绕组端部进行分段，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形，从而将电机端部绕组不同
位置的电磁力特征表示出来，所得电机的电磁力波形更加精确。

[0024] 第三方面，本发明提供了一种存储介质，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行本发明第一方面所提供的电机端部绕组电磁力波形的获取方法。

附图说明

[0025] 图1是本发明所提供的一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法流程图；

[0026] 图2是本发明实施例1所提供的电机端部模型；

[0027] 图3是本发明实施例2所提供的电机端部模型中定子绕组端部的分段示意图；其中，图(a)为对电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段和端部渐开线段的分段示意图；
图(b)为电机端部模型中定子绕组端部的端部焊接段的分段示意图；

[0028] 图4是本发明实施例2所提供的电机端部模型中定子绕组端部的上、下层端部绕组的分段示意图；

[0029] 图5是本发明实施例3所提供的电机端部模型中定子绕组端部的分段示意图；

[0030] 图6是本发明实施例所提供的定子绕组端部的下层端部绕组中第3、5、13、14段的径向电磁力波形。

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0032] 为实现上述目的，本发明提供了一种电机端部绕组电磁力波形的获取方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0033] S1、对电机端部绕组进行三维建模，得到电机端部模型；

[0034] 具体的，在一个可选实施例1中，采用UG和solidworks建模软件对电机端部绕组建立三维有限元模型，其中，定子绕组端部的结构如图2所示，该结构包括上层端部绕组和下
层端部绕组，其中，上层绕组端部和下层绕组端部均包括端部直线段、端部渐开线段和端部
焊接段；上、下层端部绕组的端部焊接段连接在一起。

[0035] S2、对所得电机端部模型中的定子绕组端部进行分段，得到定子绕组端部的分段模型；

[0036] 具体的，在一个可选实施例2中，分别对电机端部模型中定子绕组端部的上层端部绕组和下层端部绕组进行同样的分段操作，以下层端部绕组为例，对其端部直线段和端部
渐开线段分别沿着电机轴线方向进行等距分割，如图3中的(a)图所示；对其端部焊接段沿
着端部焊接段端面的法线方向进行等距分割，如图3中的(b)图所示。具体的，如图4所示，其
中，在下层端部绕组中，1和2为下层端部绕组的端部直线段，3‑14为下层端部绕组的端部渐
开线段；在上层端部绕组中，1和2为上层端部绕组的端部直线段，3‑15为上层端部绕组的端
部渐开线段，且上、下层端部绕组的端部焊接段连接在一起。优选地，上、下层端部绕组的端
部直线段、端部渐开线段和端部焊接段均在电机轴线上均等矩分割，端部直线段、端部渐开
线段以及端部焊接段的各分割段的长度相等。

[0037] 上述分段方法以电机轴线方向作为参考，由于电机轴线方向是线性变化的，该方法能够可以快速对电机端部模型进行分割，从而将电机端部绕组不同位置的电磁力特征表
示出来；此时，计算所得电磁力波形所对应的电磁力密度波形，其中，各分割段的电磁力密
度为该分割段的电磁力大小与该分割段的体积的比值，通过对电磁力密度曲线进行分析，
可以避免各分割段体积的不同对电磁力波形的影响，将其作为后续应力与振动分析的激
励，可以用于计算电机振动以及噪音，方便对电机特性进行分析。

[0038] 在另一个可选实施例3中，如图5所示，对所得电机端部模型中定子绕组端部的端部直线段沿着电机轴线方向进行等距分割；对所得电机端部模型中定子绕组端部的端部渐
开线段沿着电机端部模型的渐开线扫描路径进行分割，且分割线与扫描路径垂直；对所得
电机端部模型中定子绕组端部的端部焊接段沿着端部焊接段端面的法线方向进行等距分
割。优选地，端部直线段、端部渐开线段以及端部焊接段的各分割段的体积相等。

[0039] 采用上述分段方法后定子绕组端部各经切割后各段体积大小相同，避免了不同体积大小对电磁力的影响，可以直接观察电机端部绕组不同位置处的电磁力的大小和方向，
比较直观，通过对所得电磁力曲线进行分析，将其作为后续应力与振动分析的激励，可以用
于计算电机振动以及噪音，方便对电机特性进行分析。

[0040] S3、对所得定子绕组端部的各分段模型进行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形。

[0041] 具体的，对于上述上述实施例2所得的定子绕组端部的分段模型，通过对定子绕组端部进行分段分析，得到不同方向上的电磁力，可以知道电机端部绕组每一段的电磁力波
形。如图6所示为定子绕组端部的下层端部绕组中第3、5、13、14段的径向电磁力波形，其中，
横坐标表示时间，纵坐标表示电磁力密度；从图中可以看出下层端部绕组第3和4段沿着时
间轴方向，大小在不断变化，电磁力波形数值由正数变为负数，表示电磁力方向从指向外侧
变为指向内侧；从下层端部绕组第13和14段径向电磁力波形可以看出，电磁力密度数值虽
然有变化，但是未过零点，均为负数，表示只是大小发生了变化，方向没有变化。总体来看电
磁力在每一段上的大小与变化方向都不相同，有的方向不变，只是大小变化，有的在径向上
电磁力正负交变。通过对定子绕组端部进行细化分析，得到精确的电磁力曲线；对所得电磁
力曲线进行分析，得到端部绕组各段的电磁力特性，从而用于指导电机端部的设计，也为研
究电机的振动提供了依据。

[0042] 进一步优选地，端部直线段、端部渐开线段以及端部焊接段的各分割段的体积相等。

[0043] 第二方面，本发明提供了一种电机端部绕组电磁力波形的获取系统，包括：建模模块、分段模块和计算模块；

[0044] 建模模块用于对电机端部绕组进行三维建模，得到电机端部模型，并输出到分段模块中；

[0045] 分段模块用于对建模模块输入的电机端部模型中的定子绕组端部进行分段，得到定子绕组端部的分段模型，并输出到计算模块中；

[0046] 计算模块用于对分段模块输入的定子绕组端部的分段模型进行有限元计算，得到电机在一个运行周期内的定子绕组端部各段不同方向上的电磁力波形。

[0047] 第三方面，本发明提供了一种存储介质，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行本发明第一方面所提供的电机端部绕组电磁力波形的获取方法。

[0048] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。