螺旋桨驱动用低速大扭矩电机扁线绕组应用探索

针对低空航空器螺旋桨用低速大扭矩推进电机的使用需求,从绕组形式选取方面着手开展圆线方案与扁线方案综合对比分析。结果显示,扁线方案的散热性能更佳,但在设计加工、电磁性能、整机质量和效率方面不及圆线方案。分析结果可为低速大扭矩电机设计者在绕组选型、极槽组合等方面的选取提供参考。

车用驱动电机扁线绕组关键问题研究综述

扁线绕组具有槽满率高、导热性能好和振动噪声低等优点,目前已成为电动汽车驱动电机主流绕组形式之一。然而,随着电动汽车用电驱动系统高频高压化发展,扁线绕组也面临诸多挑战。该文从扁线绕组结构、交流损耗、热和冷却、绝缘和制造工艺等方面,综述电动汽车驱动电机扁线绕组的国内外研究现状。首先,介绍现有扁线绕组拓扑结构及其设计原则,阐明扁线绕组交流损耗产生机理,在此基础上,综述交流损耗计算模型和抑制方法;其次,给出扁线绕组电机的热分布特点,并对不同冷却方案进行对比;然后,基于扁线绕组绝缘问题的研究现状,提出考虑电热应力耦合作用下的扁线绕组高可靠设计方法;最后,结合绕组3D打印制造工艺研究现状,对下一代扁线绕组制造技术进行展望,并指出未来发展方向。

齿谐波绕组系数之基波特征的直观理解及其物理本质

给出了齿谐波绕组系数基波特征的直观理解和物理本质。

变压器长圆形绕组振动仿真与机械故障诊断研究

针对目前配电变压器长圆形绕组的故障诊断研究较少的问题,本文提出一种基于灰狼优化(GWO)算法的变压器长圆形绕组机械故障诊断的方法。首先,建立长圆形绕组的辐向和轴向振动数学模型;其次,建立变压器电磁—机械耦合有限元模型,计算长圆形绕组在正常、松动以及翘曲状态下的振动分布,选取R点作为特征值提取点;最后,对变压器样机进行正常、松动以及翘曲3种状态试验,获取R点的小波包能量特征,采用GWO算法优化支持向量机(SVM)参数对变压器长圆形绕组机械故障诊断,最终优化后的诊断综合准确率达到90%。

基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法研究

动车组变压器是保障高速铁路稳定运行的核心设备,频率响应法是目前检测变压器绕组状态的有效方法。为提升车载变压器绕组状态诊断的准确性,结合暂态信号与频率响应法提出基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法。搭建试验车载变压器绕组故障模拟平台,获取不同故障类型和故障位置的频响曲线,利用类Gram矩阵结合幅频和相频曲线信息,再利用密度分层法转换为伪彩色图,提取对应的灰度共生矩阵和灰度差分矩阵特征值,根据鹈鹕优化支持向量机方法对绕组故障进行诊断。试验结果表明:车载变压器绕组故障发生时,伪彩色图能够反映出故障信息,有利于图像分析和特征提取,采用基于频率响应与图像特征提取的动车组变压器绕组状态诊断方法能够识别车载变压器绕组的典型故障类型和位置。

永磁同步发电机匝间短路故障对绕组绝缘温升特性的影响

本文分析了永磁同步发电机匝间短路故障前后的绕组绝缘温升特性。首先推导了正常情况和匝间短路故障下的气隙磁通密度,相电流、铁心损耗和绕组铜耗解析表达式;然后建立了发电机三维有限元仿真模型,将电磁场中计算得到的各类损耗作为热源导入温度场计算绕组绝缘温度分布;最后实测了LR-5型故障模拟永磁同步发电机组在不同短路程度下的绕组绝缘温度,理论分析、仿真计算与实验结果相互吻合。结果表明:匝间短路故障后在故障绕组电流的作用下,绕组绝缘温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧,由绕组绝缘热载荷分布不均而引起的变形、应变和应力也将增加;绕组鼻端处绝缘易因高温而受损,可通过改进冷却散热结构,或在鼻端绝缘局部涂覆耐热涂层提高鼻端绝缘的可靠性。

大型发电机端部绕组电磁力物理数字孪生建模

为了在“智慧汽轮机”中更好地结合物理信息模型先验知识与数据驱动模型,并向真实机组模型迁移试验模型,进一步实现可靠的实验室数值仿真数据和真实运行数据互相印证与混和建模驱动,以600 MW大型汽轮发电机为研究对象,建立融合演进因素的汽轮发电机定子绕组本体模型,提出集成数字孪生智能绕组研究框架,并提出智能绕组内涵的形式化定义。基于镜像法、气隙回转电流应用叠加法、毕奥-萨伐尔定律和安培力定律建立定子端部绕组电磁力的数学机理物理信息模型。对有限元电磁力和数字化电磁力进行了分析对比,验证了所建立电磁力数字化物理信息模型的合理性。对比分析振动响应结果,进一步验证了数字化电磁力物理信息建模的正确性以及有限元电磁力对比验证的正确性。研究将对“智慧汽轮机”运维的振动动态基于物理机理与数据驱动混和建模的数字孪生故障诊断与预测提供有力的支撑。

基于能量流向的变压器饼式绕组散热分析及试验研究

变压器热点温度作为运行经济性、安全性的关键指标,是设备在线监测及状态评估中的重点。该文对变压器内部散热进行研究,着眼于饼式绕组及其油道结构,基于能量流向建立绕组温度变化的物理模型。基于这一模型,在一台内置分布式传感光纤的110kV三相ONAN变压器上开展试验研究,使用分布式光纤测温(distributed temperature sensing,DTS)技术对运行状况下的绕组整体温度分布进行实时监测,分析绕组在ONAN冷却方式下的散热状况。在变压器启动初期,绕组各处散热量较低,温升速率较快。约2 h后,各饼散热量基本与损耗相一致,散热率可达98%以上,因此将这一阶段称为准稳态。准稳态阶段,绕组整体散热率基本一致。负载变化前期不同位置散热量的差异是温度梯度形成的主要原因。基于DTS手段及散热器进出口处油温,提出绕组每饼平均对流换热系数的计算方法,基于无量纲数建立绕组内外表面局部对流换热系数的计算方法,对不同位置、负载率下两种对流换热系数的变化规律进行分析获得了绕组运行过程中对流换热系数分布规律及变化趋势。

基于布里渊光时域峰值边沿分析的变压器绕组局部热点检测

变压器绕组的温度分布一直是电网运行人员重点关注的对象。与传统传感器相比,分布式光纤传感具有抗电磁干扰能力强、可实现分布式测量等优势,其中布里渊光时域分析技术(BOTDA)的性能稳定,适用于大多数场景,但BOTDA的空间分辨率为m级,难以分辨绕组运行中的局部热点。该文从布里渊散射增益谱的机理入手,利用双峰拟合算法,并结合对异常峰值曲线的边沿分析,提出了一种在不增加系统硬件复杂度的基础上提升BOTDA空间分辨率的方法,以满足局部热点检测要求。通过对光纤沿线不同位置、不同热点长度及不同热点温度下的模拟试验验证了该方法的有效性,在实验室条件下可将准确传感的热点长度提升至原空间分辨率的一半以内。基于变压器实际绕组的局部升温试验,实现了绕组异常热点的精确定位和长度感知,并准确解调了绕组局部热点的温度,进一步验证了该方法的实际可行性和检测优越性,温度相对误差控制在5%以内,为提高变压器绕组温度在线监测的经济性和可行性提供新的思考,同时也为变压器绕组局部故障的提前感知和预警提供了新的思路。

核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗研究

为研究核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗特性,推导了核电半速汽轮发电机空载运行时励磁绕组匝间短路故障下,定子分数次谐波环流产生的合成磁动势表达式,分析合成磁动势相对于转子的转速,揭示了转子表面产生涡流的原因以及涡流的频率特性。结合涡流损耗计算方法,以一台核电半速汽轮发电机为例进行了仿真验证。在此基础上,对核电半速汽轮发电机励磁绕组不同位置发生相同程度匝间短路,以及励磁绕组发生不同程度匝间短路过程进行了仿真,计算了转子各阻尼条及槽楔中的涡流及涡流损耗,揭示了励磁绕组匝间短路时影响转子阻尼条及槽楔中涡流和涡流损耗的因素。为核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障时,分析转子发热的影响因素提供了理论基础。

油浸式变压器绕组瞬态温升降阶快速计算方法

油浸式电力变压器绕组温升监测是保证其安全稳定运行的重要手段。为了改善采用有限元方法计算油浸式电力变压器绕组瞬态温升时存在效率不高的问题,提出一种结构保留的本征正交分解(SPOD)与离散经验插值方法(DEIM)相结合的计算策略。首先,该文采用最小二乘有限元法(LSFEM)与迎风有限元法(UFEM)构建变压器绕组瞬态温升计算控制方程;其次,针对控制方程的特点,引入SPOD方法,通过将采样时间内的计算结果构成快照矩阵,建立降阶模型,降低有限元刚度矩阵的计算阶数,提高求解有限元方程的效率;然后,为了改善本征正交分解方法对于非线性问题效率提升不高的缺陷,结合DEIM算法,对有限元方程中的非线性项进行插值处理,从而减少每一时步形成总体刚度矩阵的时间,进一步提高总体计算效率。为了验证文章所提算法的精确性及高效性,根据油浸式电力变压器绕组的基本特点,建立了单分区分匝绕组传热模型,对其瞬态传热过程进行计算,结果表明:基于SPOD-DEIM的有限元降阶计算能够在保证精度的前提下有效提高计算效率,与全阶计算结果相比,流场与温度场的计算误差均不超过1.5%,且计算效率提升5.1倍。同时,为了充分说明SPOD-DEIM算法在工程应用中的价值,该文基于110 kV变压器绕组搭建了温升实验平台,建立了八分区分匝绕组数值计算模型,对算法的精度、效率及工程应用价值进行了验证及讨论,计算及实验结果表明:精度方面,降阶计算较全阶计算的瞬态全过程计算误差小于2.5%,且与实验结果相比,误差不超过5.41K;效率方面,降阶计算的全过程计算时间为54.28 h,与全阶计算相比,计算效率提升至10.57倍,与商业仿真软件Fluent相比,效率提升至6.37倍,充分说明所提算法的高效性及工程应用价值,为大型电力设备快速仿真提供新思路。

基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法

为了提升定子励磁无刷电机的冷却能力,提出了一种基于端部绕组模块的定子励磁无刷电机冷却方法.在电机端部绕组和定子铁芯叠片端部的间隙中插入端部绕组冷却(EWC)模块,以减小定子绕组热点区域和冷却介质之间的间隙,从而提高端部绕组的冷却能力.对非重叠式集中绕组长度计算模型进行改进,评估采用EWC模块前后电机定子电枢绕组长度的变化,分析EWC模块的电导率对电机定子损耗的影响.采用计算流体动力学(CFD)模型,对比EWC模块在不同铜耗和励磁源损耗密度下的冷却性能.结果表明,采用EWC模块可以使端部绕组的稳态温升降低约50%,热态时的绕组电阻降低7.51%,从而改善了定子的冷却条件.

基于开口变压器法的交流电机定子非激励相绕组匝间短路检测研究

为了解决交流电机定子绕组中线圈绝缘损伤引起匝间短路故障无法准确、快速定位的问题,提出将检测转子绕组匝间短路的开口变压器法移植到检测交流电机定子绕组匝间短路,定子单相添加激励源,非激励相绕组设置故障点,开口变压器检测故障点所在槽,分析故障前后开口变压器绕组感应电动势的变化。首先阐述开口变压器检测定子非激励相的工作原理,分析正常和故障状态下通过开口变压器铁心漏磁通的表达式,进一步得到开口变压器绕组感应电动势表达式,获取故障变化规律。随后建立交流电机电磁仿真模型,进行仿真分析,最后用一台定子样机进行实验验证。结果表明:故障状态下,随着故障程度的加深,故障点所在槽的开口变压器感应电动势随之减小,证明了开口变压器可以作为离线检测交流电机定子非激励相绕组匝间短路故障的有效手段。

集中绕组模块组合式定子结构对低速大功率永磁电机性能影响

针对集中绕组模块组合式定子结构对低速大功率直驱永磁同步电机性能的影响进行研究。首先介绍了模块化定子的分块规则和分块数。基于绕组函数法推导了单个定子单元模块在不同拆分方式下的绕组函数和电感表达式。基于有限元仿真先分析了仅绕组分块对电机性能影响;然后分析了冲片和绕组都分块对电机性能影响。通过对比空载和负载性能,总结出各种定子模块化拆分方案的优缺点,为大功率低速直驱永磁同步电机的模块化设计与制造建立了基础。

气隙静偏心故障对永磁风力发电机定子绕组振动的影响

端部绕组振动是导致绝缘磨损和退化的关键因素之一,综合分析永磁风力发电机气隙静偏心故障前后定子端部绕组的振动特性。首先,推导正常情况和气隙静偏心故障下的气隙磁通密度,得到端部绕组的电磁力表达式;然后,基于电磁-结构耦合模型,得出绕组电磁力、应力应变等力学响应特性;最后,实测3 kW故障模拟发电机在正常和气隙静偏心故障情况下的定子绕组振动响应。实验结果与理论分析、有限元计算结果基本吻合。结果表明:气隙磁通密度随偏心程度的增加而增大(气隙减小处),随偏心故障加剧端部绕组电磁力/振动增大,绕组电磁力/振动以偶倍频为主。另外,直线段绕组和端部绕组的连接处为振动磨损危险位置。

基于等效复数磁导率的利兹线绕组损耗计算模型

绕组损耗是高频变压器总体损耗的重要组成部分,是影响磁性元件体积、效率和温升的关键性参数。由于利兹线的高频损耗小而广泛应用于高频变压器绕组,但其复杂的三维扭转结构导致准确、快速地计算绕组损耗十分困难。解析方法需要进行简化和近似处理,难以准确地表征绕组的高频涡流特性,有限元数值方法需要对每匝绕组精细化建模,导致计算资源耗费严重。采用具有等效复值材料特性的区域替代绕组区域的均匀化技术,能够实现二维磁场对涡流效应的表征,降低了精细化建模的计算成本。但等效区域的材料特性需要利用数值方法获得,增加了计算的复杂性。因此该文通过分析利兹线损耗机理,考虑利兹线截面形状对等效区域材料特性的影响,实现了圆形利兹线绕组等效复数磁导率的明确解析描述。建立了圆形利兹线绕组损耗计算模型,验证了等效复数磁导率计算邻近效应的准确性,实现了较宽频率范围内绕组损耗的准确预测。

变压器典型绕组缺陷的漏磁分布规律及编码辨识方法研究

针对目前变压器绕组缺陷时漏磁规律分析不全面、基于漏磁特征的绕组故障辨识研究不足的问题,该文以一台110kV变压器为原型,开展不同程度、不同位置、不同形式的绕组变形和匝间短路漏磁分布规律的有限元仿真研究,结果发现,无论是径向变形还是轴向变形,漏磁通分布规律受变形饼数影响较小,相同程度变形发生在高压绕组,绕组区域的漏磁通变化受形变位置影响较小,但低、中压绕组漏磁分布易受形变位置影响。端部绕组的变形更易引起漏磁变化。匝间短路引起的漏磁变化远大于绕组变形,并会额外影响油箱壁附近漏磁分布,同一位置匝间短路引起的漏磁变化分布情况受短路程度影响较小。此外,发生在低、中压绕组的匝间短路较高压绕组对漏磁分布的破坏程度更大。进一步地,该文提出一种基于漏磁变化量的绕组缺陷编码辨识方法,借助支持向量机法对不同程度同一缺陷下绕组附近5个漏磁监测点数据进行分类以确定阈值,将各处漏磁变化量根据阈值转化为对应的三进制数,最终形成一个十进制编码以实现对绕组变形和匝间短路缺陷的定位辨识。该方法的提出为变压器绕组故障提供了一种基于漏磁变化量的监测辨识手段,通过增加监测点、采用更高进制编码以细分阈值,该方法具备辨识不同程度缺陷的可能。相关成果已在110kV变压器上开展应用。

感应电动机中三相不对称绕组

对具有三相不对称交流绕组的感应电动机进行研究,对已有的研究成果进行分析与对比。在对称分量变换下建立了采用序阻抗表达的对称绕组相电压方程,得到了相绕组的自漏阻抗和互漏阻抗与等效阻抗和零序阻抗之间的关系。根据不对称绕组的实际情况,将等效阻抗和零序阻抗分别乘上不同的系数,建立了新的电压方程。采用磁动势分量进行了坐标变换,实现了电压方程的解耦,使计算得到简化。最后,通过实验对计算数据进行了验证。

发电机定子环形励磁绕组寄生电容解析模型与容值降低方法

励磁控制器是调节发电机励磁电流,控制发电机电压的核心部件。采用宽禁带功率器件(例如碳化硅、氮化镓器件)的励磁控制器具有损耗低、开关频率高的优点,而电路中的寄生电容会影响功率管的开关性能,增加开关损耗,带来震荡和电磁干扰问题等。励磁绕组寄生电容是励磁控制电路的重要组成部分,降低其容值可有效提升控制器性能。为了探寻有效的容值降低方法,建立考虑匝间距离、匝到铁心距离和层间距离的多层绕组寄生电容解析模型;通过田口法计算参数灵敏度得到影响寄生电容的关键参数,研究寄生电容的变化规律;在考虑槽空间约束情况下得到降低多层定子环形励磁绕组寄生电容的有效方法;通过实验验证解析模型的准确性和降低寄生电容方法的有效性。

U型线圈检测发电机励磁绕组匝间短路性能分析

励磁绕组匝间短路故障在汽轮发电机中具有较高的发生率,对该故障进行灵敏、快速和可靠诊断可以防止故障恶化、降低故障查找成本。本文分析了励磁绕组匝间短路的磁场特征,介绍了U型检测线圈法检测励磁绕组匝间短路的基本原理,通过有限元仿真模拟汽轮发电机额定负载工况,在转子各槽设置不同程度匝间短路故障,获取安装于不同位置的U型线圈的感应电压,进一步提取电压谐波特征以及时域脉冲波形变化规律,比较了U型线圈处于不同位置的检测效果,为U型线圈的安装提供了可靠的数据支持。