A Tool for the Assessment of the Electromagnetic Forces in Power Distribution Transformers

This paper compares the estimated electromagnetic forces due to short circuits in power transformers using two computational models. The first model is based on approximate analytical expressions of the electromagnetic lbrces as they have been compiled in earlier versions of the IEC standard 60076-5. The second model is based on a finite element model of the transformer using the software FEMM （Finite Element Method Magnetics）. The paper shows how valid the analytical model is for design purposes. Results have been obtained and compared from both models in a number of actual power distribution transformers. It is possible to conclude that the analytical formulation provides satisfactory results for the design of power transformers compared to detailed finite element models. A tool has been designed for this purpose and the main features of it will be described in the paper.

轴向磁通轮毂电机电磁力波灵敏度分析和优化

对于轴向磁通电机,轴向电磁力波是其主要的噪声源。以轴向磁通轮毂电机为研究对象,建立有限元参数化模型,应用该模型,采用永磁体厚度、气隙长度、永磁体倒角长度、槽口宽度、定子齿开孔半径5个结构参数设计正交试验,并进行轴向电磁力波的结构参数灵敏度分析。基于正交试验的结果,通过BP神经网络分别建立了5个结构参数与主要轴向电磁力波幅值和平均转矩之间的数学模型,进而以降低主要轴向电磁力波幅值和提高平均转矩为优化目标,采用多目标遗传算法对电机的结构参数进行优化。有限元计算结果显示,优化后的结构参数组合不仅可以有效降低电机的电磁噪声,而且改善了电机的输出性能。

双线圈轴向压缩式管件电磁胀形电磁力分布规律与管件成形性能研究

三线圈轴向压缩式管件电磁胀形能够实现工件的轴向流动,解决传统管件电磁胀形存在的壁厚减薄问题,但其工装结构复杂、线圈配合困难,导致其实际成形效果并不理想。为了更加简单有效地实现轴向电磁力与径向电磁力双向加载,本文首次提出双线圈轴向压缩式管件电磁胀形方法。该方法仅在管件顶部与底部对称设置驱动线圈,通过分析优化驱动线圈的几何参数及线圈与管件的相对位置,为管件提供合理的电磁力分布。此外,建立管件电磁胀形过程的电磁-结构耦合有限元模型,对比分析单线圈、三线圈和双线圈管件电磁胀形电磁力分布规律与管件成形性能,进一步研究驱动线圈几何参数对电磁力分布和管件壁厚的影响规律。分析结果显示,管件内壁胀形量相同时,因双线圈加载能够产生更大的轴向电磁力,壁厚减薄量较单线圈减小28.2%。显然,双线圈轴向压缩式管件电磁胀形亦能解决管件壁厚减薄的问题,且其工装结构简单、线圈配合容易,具有更加明显的技术优势与应用前景。

外磁场对金属射流的作用机理

为探索轴向脉冲磁场对金属射流的作用机理,结合Maxwell方程组,提出了均匀线圈脉冲电流作用下不均匀粗细金属射流磁感应强度、感应电流密度及箍缩电磁力分布的理论模型,建立了线圈与金属射流作用的有限元模型,分析了轴向脉冲磁场对金属射流的作用规律,最后通过模拟试验验证了理论分析和仿真模拟的正确性。结果表明:金属射流表面的感应电流方向与流经线圈的电流方向相反,所受电磁力沿金属射流半径由表面指向中心;由于趋肤效应作用,金属射流磁感应强度、感应电流密度及电磁力均呈现表面大于轴心的趋势;金属射流凸起部分的磁感应强度、感应电流密度及所受电磁力均大于凹陷部分;当电磁力足够大时,能够使得不均匀粗细金属射流的直径差缩小,从而有效延缓金属射流断裂的发展趋势,增加金属射流的有效穿深。上述研究成果对提升金属射流对目标的侵彻穿深能力具有重要指导意义。

气隙轴向静偏心对发电机定子-绕组受载及振动的影响

通过理论推导、有限元计算和实验验证,研究了气隙轴向静偏心前后同步发电机定子及绕组的受载与振动特性变化。与其他大部分气隙径向偏心的研究不同,本文重点关注气隙轴向静偏心下定子-绕组的受载及振动特性。在分析气隙磁密变化的基础上,推导得到了正常和气隙轴向静偏心下定子径向及轴向不平衡磁拉力、绕组电磁力的表达式。以CS-5型发电机为分析对象,进行了有限元仿真计算和实验验证。结果表明,气隙轴向静偏心会在减小定子径向磁拉力和转子抽空端定子绕组电磁力的同时增加定子轴向不平衡磁拉力和转子伸出端定子绕组电磁力,对应地,定子径向振动和转子抽空端定子绕组振动将减小,但定子轴向振动和转子伸出端定子绕组振动将增大;定子轴、径向磁拉力和绕组电磁力及振动均以二倍频为主,夹杂其他各偶次倍频。在定子磁拉力作用下,定子铁芯齿槽端部为最大变形位置;在定子齿槽变形挤压和电磁力共同作用下绕组直线段与端部的连接处易发生磨损,在制造及运行中需给予特别注意。

大型变压器螺旋绕组扭转电磁力的研究

大型电力变压器螺旋线圈的扭转变形主要是由于轴向电流分量和辐向漏磁场共同作用所产生的.针对DEP-240000 kVA/500 kV型大型电力变压器低压螺旋绕组在轴向电流分量作用下产生的扭转电磁力问题进行了研究,对变压器结构及材料特性等对轴向电流引起的扭转电磁力的影响进行了分析计算,给出了变压器低压螺旋绕组单位长度扭转电磁力沿绕组高度的分布规律及相应抑制大型变压器螺旋绕组扭转变形的措施,为大型变压器的优化设计提供了参考依据.

水轮发电机转子轴向位移与轴向电磁力

水轮发电机稳态运行时 ,定、转子磁场中心的轴向错位使定、转子间产生轴向磁拉力 ,影响推力轴承的稳定运行。文中用保角变换分析三峡水轮发电机转子的伸出端磁场 ,得到伸出端磁场的解析表达式 ,并由此导出转子端部的轴向电磁力的解析表达式 ,并应用多尺度法 ,得到转子系统轴向非线性振动的一次近似解。最后 ,使用某发电机组的电磁参数 。

水轮发电机组横/轴有限元振动分析

针对机械和电磁故障引起的水轮发电机组轴系振动问题,基于单节点4自由度Euler梁,将轴向位移纳入整体结构建立了单节点5自由度机组转子-轴承系统有限元模型。利用Newmark-β和Newton-Raphson相结合方法对系统进行求解,借助轴心轨迹图分别讨论了是否考虑轴向自由度和轴向电磁力下质量偏心、静偏心对系统横向振动特性的影响。结果表明:轴向自由度的加入对系统运动轨迹形态及大小起到了积极改变作用。轴向电磁力与动、静偏心下不平衡磁拉力形成电磁激励耦联效应,二者共同作用使系统横向运动振幅明显增大。因此,在水轮发电机组轴系建模及分析过程中应充分考虑轴向自由度及相关荷载作用影响。

电力变压器绕组轴向短路力的研究

针对一台带独立调压绕组的电力变压器,用ANSYS软件建立了该变压器漏磁场的磁路耦合模型,得出了绕组漏磁场和电动力分布,应用有限元法对其漏磁场和轴向短路电动力进行了计算分析,计算结果符合电力变压器的基本特性。

基于Maxwell的比例电磁铁有效工作特性研究

为了获得比例电磁铁在不同位置的电磁力特性,以带隔磁环的比例电磁铁为例,采用有限元的方法,研究了不同安匝数对比例电磁铁静态特性的影响,并阐述了电磁铁衔铁在不同位置时的静磁场分布规律。结果表明,当安匝数从200A增加到800A时,电磁铁的有效电磁力和有效工作行程均有所提升;当安匝数超过800A后,增加输入安匝数,能够提高电磁铁的有效电磁力,但其有效工作行程变得越来越短;衔铁的附加轴向力与衔铁在y方向的磁感应强度分布有关;电磁铁在正常工作时,衔铁会受到径向力,其大小随着衔铁和极靴的距离的减小而迅速增大。

调速型鼠笼式异步磁力联轴器的轴向力研究

调速型鼠笼式异步磁力联轴器即永磁调速器,它的力学参数、磁场分布对其传递能力及整个系统的稳定性与可靠性具有很大的影响,因此有必要对其工作时的轴向力进行深入研究.基于等效面电流法,推导出联轴器在低转差率下的螺旋进给/退出轴向力计算表达式;同时采用电磁场分析软件Magnet对其进行模拟分析,得到了不同啮合长度、不同转差率下的螺旋进给/退出轴向力值,并进行了对比分析.调速型鼠笼式异步磁力联轴器轴向力由完全啮合状态至脱离状态呈现先增大后减小的趋势;在相同输入转速情况下,转差率越大,轴向力越小,在脱离状态时趋于稳定值.这对于调速型鼠笼式异步磁力联轴器以及其它类型磁力联轴器的理论研究、参数设计与优化及其应用都有着一定的理论意义及实际应用价值.

含辅助槽轴向永磁电机的电磁力波分析及抑制

为了有效抑制轴向永磁电机的主要电磁力波,针对2类主要电磁力波来源不同的轴向永磁电机,通过解析的方法推导出可以有效削弱其主要电磁力波的定子齿辅助槽位置规律;将该辅助槽位置规律应用到16极24槽和30极27槽2款主要电磁力波来源不同的轴向永磁电机,分别分析了定子齿辅助槽宽度和深度对主要电磁力波的影响;通过有限元法计算了这2款轴向永磁电机在定子齿添加辅助槽前后的电磁噪声及转矩特性,结果表明,2款轴向永磁电机的主要电磁力波幅值分别下降了38%和76%,电磁噪声均降低了3dB以上,同时,电机输出性能的降幅在3%以内。

基于匀压力驱动管加载的管件电磁胀形电磁力与成形特性分析

为了削弱端部效应,提高管件轴向变形均匀度,提出一种基于匀压力驱动管加载的管件电磁胀形方法。介绍了管件电磁胀形和集磁器基本工作原理,利用COMSOL商用软件建立了电磁-结构耦合有限元模型,研究了不同驱动管高度、驱动管和管件高度比下管件的电磁力分布和变形行为。结果表明,采用匀压力驱动管加载时,轴向变形最大均匀区域由8.9 mm增加至34 mm,增加了近3倍。通过仿真分析,验证了匀压力驱动管的引入可以有效解决管件电磁胀形轴向变形不均匀的问题,对管件和驱动管高度进行了合理设计,有效抑制了管件成形过程中的壁厚减薄问题。

气隙比对轴向磁悬浮轴承电磁力的影响

利用有限元法分析了轴向磁悬浮轴承的气隙比对磁力线分布、内外环磁极的磁感应强度和轴向电磁力的影响,并实际测量了不同气隙比轴向磁悬浮轴承的轴向电磁力。对比发现,两种方法得到的轴向电磁力变化规律相同,轴向电磁力随着气隙比的增大而减小,最后利用等效磁路分析方法也得出了同样的结论。

涡旋压缩机轴向平衡电磁力的自适应提前跟踪研究

针对涡旋压缩机动静涡盘间轴向气体分离力的平衡需求问题,对涡旋压缩机轴向气体分离力变化规律进行了研究,提出了采用电磁线圈产生电磁力动态平衡的方案。分析了带铁芯电磁力机构动态跟踪控制时的滞后现象及其原因,在总结传统PID控制与传统的滞后系统控制方法基础上,研究了提前跟踪PID动态电磁力控制方法,给出了控制框图,分析了其稳定性,推导了时域实现方法;分析了不同参数值对控制性能的影响,根据跟踪的评价方法,给出了寻找提前跟踪步数量最优值的自适应提前跟踪PID算法;搭建了电磁机构和控制系统实验平台,对该控制方法进行了实验验证。研究结果表明:采用提前跟踪PID动态电磁力控制方法可以较好地动态跟踪目标曲线;所需的最优提前步数量随着频率的变化而变化,不同频率所需的最优提前跟踪量可由提出的自适应算法确定。

电磁冲击加载平板线圈的有限元分析

电磁冲击加载中,成形线圈是电能转化为磁场能的载体,使毛坯产生塑性变形的关键部件。介绍了平板线圈电磁驱动基本原理,通过ANSYS多物理场模拟平板线圈的简化模型,系统研究了线圈几何参数对轴向电磁力的影响;探讨了线圈驱动下驱动片上所受轴向电磁力分布规律及线圈参数对成形设备能量利用率的影响。仿真结果显示:随线圈匝数增加电磁力呈指数增加,随匝间距的增加呈指数减少,随起点距呈近似指数减小;轴向电磁力在线圈距中心轴2/3区域达到最大值;减小电感值有利于提高成形效率。

涡旋式空气压缩机轴向力电磁动态平衡控制研究

针对涡旋式空气压缩机在变工况条件下,电磁力动态跟踪轴向气体分离力效果不佳的问题,提出了一种全转速范围自适应参数电磁动态跟踪方法。在离线时提前建立了一个最优提前步数与速度或者转速频率相关的数据库;在线时通过旋转变压器实时反馈转速信号,自适应选取了数据库中与转速相对应的最优提前量,进而对电磁力跟踪滞后问题进行了提前补偿,实现了快速、动态平衡轴向气体力;搭建电磁控制模拟实验平台进行了实验测试。实验及研究结果表明:该方法能有效地平衡涡旋式空气压缩机不同转速工况下的轴向气体力,可以为涡旋机(特别是高排气压力的涡旋机)轴向气体分离力动态平衡控制提供有益的参考。

涡旋压缩机轴向动态密封双提前量跟踪方法研究

为改善涡旋压缩机的轴向力动态平衡状况,进而改善涡旋压缩机的动态密封状况,针对其中的电磁力机构,对涡旋压缩机轴向动态密封双提前量跟踪方法进行了研究。首先,在提前跟踪PID动态电磁力控制方法基础上,对单提前参数PID最优提前量平衡效果的不足及其原因进行了分析;其次,对原误差方差指标的缺陷,以及用累积误差评价来平衡误差的特点进行了分析,提出了累积误差结合误差方差的协同评价指标;然后,分析了系统所需的最优平衡效果,并根据跟踪的评价方法,给出了基于双提前量跟踪的自适应轴向动态密封算法;最后,搭建了电磁机构和控制系统实验平台,对该控制方法进行了实验验证。研究结果表明:最优提前步数量随着跟踪频率的变化而变化;不同跟踪频率所需的最优提前跟踪量由双提前量步数搜索算法来确定;采用双提前参数的动态电磁力控制方法可使涡旋压缩机获得更好的轴向动态密封效果。

基于模式转换的电磁超声螺栓轴力测量

针对传统的螺栓轴向应力测量的不足和压电超声在无损检测的缺陷,提出一种利用电磁超声换能器(EMAT)测量紧固螺栓轴向应力的方法,通过EMAT在螺栓趋肤层产生横波,由于波形转换在螺栓端面的反射而产生纵波,分析纵波和横波的射线路径,得出螺栓轴向应力与两种模态波飞行时间的比值关系。实验结果表明:所提方法可以成功地接收模态转换纵波,并且得出横波与模态转换纵波的声速比与螺栓的轴力变化成线性关系,从而以此关系测量螺栓的轴力。

电磁力互动柱塞泵电磁铁轴向位置优化研究

在电磁力互动柱塞泵的电磁力输出特性曲线中,有效输出的电磁力只占电磁力曲线中最小的一段,电磁力利用率低。针对这一问题,进行电磁铁线圈在轴向配置空间内的电磁特性仿真,得到仿真结果。建立优化模型,优化后的结果,将电磁铁线圈的轴向位置重新配置,使得电磁力有效输出提高。在电磁泵输出功率不变的前提下,提高了电磁铁的有效输出,使通电时间大幅度下降,提高能量转换效率。