基于3D-FEM的低速永磁同步电机起动过程分析

减速式低速永磁同步电机(Ls-A-Pmsm)的特殊结构导致其与普通永磁同步电机起动过程的2D-FEM计算不同.以3D-FEM磁场及转矩计算得出的转矩随转速或时间变化特性曲线为基础,再以它作为其转矩仿真的依据,采用简化的时步有限元方法,从而实现对实际起动过程的仿真模拟分析.重点研究的过程包括:最大转矩时磁场转过的电角度以及反向转动的临界时刻;完成自起动并牵入同步能够最终起动的时刻;采用简化的时步有限元法分析该低速电机的起动过程;负载转动惯量的大小对起动过程和时间的影响.

运动方程自适应步长求解的一个新进展--基于EEP超收敛计算的线性有限元法

该文采用最简单的Galerkin型线性单元,对运动方程构建了简捷高效的单步法递推公式;进而基于EEP超收敛计算技术,开发了单元步长自动优化和结点位移精度修正两项关键技术,可在整个时域上得到误差分布均匀且逐点满足给定的误差限的解答——堪称数值解析解。该文给出了单自由度和多自由度的数值算例以验证本法的有效性。

基于时步有限元分析的超高效电机定子槽形优化设计

在我国,中小型电机的定子槽形通常为梨形槽,且不同机座号的槽形尺寸已沿用了数十年。为研究有利于降低电机损耗的定子槽形尺寸,建立了基于时步有限元法的损耗计算模型,以一台5.5 kW异步电机为例,分析了槽口宽度、槽口高度、槽肩角、槽宽、槽高及槽半径等6个槽形尺寸对损耗的影响程度。结果表明,槽口宽度、槽宽和槽底半径对损耗影响较大。在槽满率基本不变,且确保电机原有起动性能的前提下,提出了基于时步有限元法的定子槽形优化设计方法,利用该方法对上述5.5 kW电机定子槽进行改进设计。经改进后,电机空载损耗降低了约7%,满载损耗降低了约2%。

基于时步有限元的永磁同步电机稳态参数改进计算方法

永磁电机的稳态电抗是其重要参数之一。针对永磁电机相对于异步电机结构复杂、饱和严重不均匀,局部饱和严重,难以使用磁路分析的方法准确地求得电抗参数的问题,本文以22kW样机为例,研究了负载运行时交叉饱和效应以及该效应对永磁感应电动势的影响,揭示了使用常规矢量图法测试电抗参数的不足。采用时步有限元方法计算了在负载饱和条件下由永磁体激励感应的有直、交轴分量的永磁电动势,得到改进的矢量图,提出了电抗参数的改进算法。结合使用常规矢量图法的实测数据,对比常规矢量图法和改进矢量图法的计算结果,说明改进矢量图法可以克服常规矢量图不足,提高计算的准确性。

用时步有限元法计算汽轮发电机直轴瞬态参数

本文采用时步有限元法计算了汽轮发电机定子在空载情况下三相突然短路时的瞬态电磁场，得到了定子电流随时间的变化曲线，分析了短路后定子电流的谐波分量；讨论了转子阻尼系统用不同的回路数模拟时瞬态参数的变化；并以一台600MW汽轮发电机为例，阐述了瞬态电抗和时间常数的计算方法。

地下洞室群的弹粘塑性有限元分析

针对岩石类介质 ,基于Perzyna的弹粘塑性理论 ,采用弹粘塑性本构模型 ,建立了相应的有限元列式 ,并从理论和经验两方面讨论了迭代过程中时间步长的限制问题 .对某洞室围岩稳定性所进行的分析 ,考虑了洞室开挖过程中的粘性效应 ,得到了洞周围岩的位移、应力随时间变化的规律 ,为地下洞室施工的适时支护提供了依据 .

基于时步有限元的抽水蓄能电机瞬态参数计算方法的对比

为准确计算抽水蓄能电机分别运行于发电及电动工况时的瞬态参数,本文基于单元电机建立了抽水蓄能电机的场路耦合时步有限元模型。采用包络线法得到空载突然三相短路时电机的瞬态参数(简称包络线法),同时用冻结磁导率法得到空载突然三相短路时定转子绕组漏抗及电枢反应电抗,由各瞬态参数定义式得到瞬态参数(简称冻结磁导率法)。将冻结磁导率法计算值与设计值分别代入短路电流解析式中得到短路电流波形,与时步有限元仿真波形相比,冻结磁导率法计算波形与之更为接近。将这两种瞬态参数计算方法应用于实验室6极反装水轮发电机,与实验结果对比验证了两种计算方法的有效性和可行性。

直流电机换向火花的数值分析

本文根据直流电机换向理论 ,给出了一种分析直流电机换向火花的方法。这种方法的基础是电机换向过程暂态电磁场的时步有限元法计算 ,其重点是采用磁场迭代法计算出实际的附加换向电流。通过直流电机火花因数的计算 。

与△/Y_0变压器相联的同步发电机暂态运行时步有限元仿真

结合时步有限元方法,设计了一个通过△/Y0变压器与无穷大系统及负荷相连接的同步发电机暂态运行过程的仿真程序。在该仿真程序中的发电机模型中考虑了铁心的饱和、转速的变化以及自动电压调节系统(AVR)的调节等对仿真结果的影响,并应用了麦克斯韦应力法计算电磁力矩。在仿真计算中,通过改变仿真程序中相应的参数来模拟不同线路上开关的断开、闭合过程,能方便地对同步发电机受到多种三相对称干扰后的运行过程进行有限元数字仿真。算例计算结果表明了该仿真程序的正确性。

400Hz高速磁力泵永磁联轴器磁场特性分析

鉴于包含运动边界磁场难处理的问题,为精确获得内外磁转子同步旋转隔离套静止其中时的磁场特性,应用Maxwell软件基于时步有限元法对400Hz高速磁力泵永磁联轴器进行了二维有限元瞬态计算。分析了稳态转速下的磁场分布特性,得到了不同转速及磁转角下的磁力线和涡流密度分布,给出了转矩和涡流损耗随转速、磁转角变化的关系。结果表明,内外轴式永磁联轴器输出转矩基本恒定,当转速为7800r/min,磁转角为7.5°时的波动幅值仅为平均值的0.81%;转矩不随转速变化,而随磁转角基本呈正弦变化。涡流损耗随转速增大而增大,随磁转角增大而减小;磁转角7.5°时,n=7800r/min涡流损耗为n=750r/min涡流损耗的108倍。由于隔离套涡流损耗产生的附加磁场的作用,内外磁转子气隙不同半径处的磁感应强度有所差别;相同磁转角下,R=38.1mm处周向磁密幅值均大于R=36.55mm处,且其周向磁密向磁转子转动方向偏移,而R=37.4mm处的周向磁密向磁转子转动的反向偏移。

基于田口法的永磁发电机气隙磁通密度优化

为了减小气隙磁场中谐波含量过高对永磁发电机性能造成的不利影响,结合Taguchi方法和时步有限元法对内置"V"型转子磁路结构的永磁电机进行优化设计。首先,以永磁电机的4个结构参数为优化变量,2种电机特性为约束条件,对采用非均匀气隙结构的永磁电机的转子结构进行多目标多变量优化,得到了最优空载下非均匀气隙磁通密度波形时的转子结构;然后通过对比优化前后的气隙磁通密度谐波含量,验证Taguchi方法优化结果的优越性和正确性;最后,运用时步有限元方法计算得到了考虑定子斜槽的电动势波形,进一步验证了该文气隙磁通密度优化的有效性。

刚塑性有限元求解板带轧制过程的初速度场

用可压缩刚塑性有限元法,通过自行开发的计算程序对板带轧制过程进行了二维非线性求解.在保证计算精度的情况下,以缩短计算时间为目标,研究了初等方法、G函数法和改进细化网格法设定初速度场对计算时间和计算结果的影响.结果表明:轧制力计算结果和实测值吻合良好,满足精度要求;初等方法、G函数法和改进细化网格法的计算结果相对误差不超过3%,初速度场设定对轧制力求解影响较小;G函数法和改进细化网格法相对初等方法迭代步数较少,由于需要求解方程组,G函数法设定初速度场计算时间最长;改进细化网格法在保证计算精度情况下,减少了迭代步数,缩短了计算时间,提高了计算效率和求解稳定性.

汽轮发电机小扰动特性及静态稳定性的时步有限元分析

为了研究阻尼绕组和磁场饱和对汽轮发电机小扰动特性及静态稳定性的影响,分别采用经典派克(Park)方程模型与时步有限元(time-stepping finite element method,T-SFEM)模型,对发电机不同工况下发生的小扰动进行仿真计算。在此基础上,结合小信号分析法与普罗尼(Prony)方法,对比分析了不同模型下发电机小扰动过程的动态特性以及系统静态稳定性等相关问题。结果表明,在不考虑阻尼绕组与磁场饱和的情况下,2种模型所得的小扰动特性基本一致,而当计及阻尼绕组或磁场饱和作用时则差别显著;采用派克方程模型计算所得的静态稳定极限功角比时步有限元模型的计算结果偏大。研究结果为系统仿真分析提供了合理参考。

利用不均匀气隙优化自起动永磁电机的气隙磁密波形

为了减小空载气隙磁场中谐波磁场对电机性能的影响,对内置"V"型转子磁路结构自起动永磁同步电动机的转子磁极形状进行了优化。采用不均匀气隙结构,以有限元为工具并利用遗传算法对空载气隙磁密波形进行了优化,使其中的谐波含量较小,得出了转子磁极的最优偏心距。在此基础上采用时步有限元方法,在考虑定子开槽、斜槽结构并计及饱和的情况下,对优化前后电机的电动势波形进行了分析对比,并通过试验验证了所采用的时步有限元计算程序的有效性。有限元计算结果表明,通过优化偏心的不均匀气隙设计,电机的空载气隙磁密和电动势波形得到了明显改善。

确定自起动永磁电机最小转矩的时步有限元仿真实验方法

自起动永磁电机的最小转矩是评价其启动能力的一个重要指标,根据解析方法所得的光滑转矩–转速(T-s)曲线虽然可得到其具体数值,但其计算条件与实际起动过程差别很大;能够准确反映诸多实际影响因素的时步有限元计算得到的T-s曲线是急剧波动的曲线,据此难以获得最小转矩的具体数值。该文研究工作的目的在于,不对该转矩曲线进行人为处理而获得最小转矩。首先研究在什么计算条件下能得到反映出最小转矩影响的转矩曲线,揭示了在某些计算条件下可能出现的最小转矩被"淹没"的现象;进而提出用以确定最小转矩的优化加载时步有限元仿真实验方法。通过将实例计算所得转矩曲线与实测曲线对比,表明计算结果可信。

考虑阻尼绕组约束能量变换器空载电动势波形的分析

电机的阻尼绕组端部联结方式的不同,使得阻尼条中感应涡流的约束不同,引起阻尼绕组电流的分布不同,从而对气隙磁场和空载电动势产生影响。本文提出了场路耦合时步有限元法来计算凸极同步电机空载电动势波形,针对能量变换器样机,进行了考虑不同阻尼绕组约束条件下的空载电动势波形的计算,并对计算结果和实验值进行了比较。结果表明,阻尼绕组约束不同,能量变换器空载电动势谐波含量不同,电动势波形的正弦畸变率也发生一定的变化,精确计算时需要考虑这种变化。

汽轮发电机转子阻尼系统对小扰动特性的影响

电力系统中的各种小扰动通常会导致系统发生低频振荡,而汽轮发电机转子阻尼系统对于抑制低频振荡具有重要作用。为了研究转子大齿导条、转子导电槽楔构成阻尼绕组和转子铁心对系统小扰动特性的影响,建立了能够反映实际转子阻尼结构影响的时步有限元模型。首先研究了忽略转子阻尼作用对小扰动仿真结果的影响;然后对比研究了阻尼绕组和转子铁心分别对小扰动特性的影响,分析了不同阻尼结构中阻尼电流的大小及其所产生的阻尼作用强弱;最后对比了转子槽楔采用铝合金和不锈钢时,材料电导率的大小对小扰动特性的影响。结果表明:小扰动过程中阻尼绕组中的阻尼电流大于转子铁心中的电流,因此其对小扰动特性的影响较大;转子槽楔采用铝合金时的阻尼作用要强于不锈钢槽楔的阻尼作用。研究结果可为电力系统仿真中如何合理准确地分析系统小扰动特性提供必要的理论基础。

不同模型的同步发电机失磁异步运行分析

建立了可以考虑磁场饱和、磁场畸变、谐波磁场以及集肤效应导致的实心转子涡流分布不均匀等因素的场路耦合时步有限元(T-S FEM)模型,并进行了试验验证。采用该模型对300 MW发电机稳态运行、励磁绕组开路及短路等失磁异步运行时的角速度、电磁转矩以及定子电流动态变化特征进行仿真,并与电力系统仿真软件PSD-BPA的仿真结果进行对比,结果表明:稳定运行时,2种模型计算的电磁转矩相差13.8%;失磁异步运行时,2种模型仿真得到的结果存在明显差别且有限元模型计算结果更接近实际情况,这主要是由于时步有限元模型能有效计及发电机内部多种非线性因素,故计算结果更为精确。本文研究成果为发电机设计及运行分析提供了理论支撑。

变频凸极同步电动机阻尼条断裂故障分析

凸极同步电机的阻尼条断裂故障时有发生,而变频凸极同步电动机常用于轧钢等恶劣情况,阻尼条频繁受到起、停和突加负载的冲击,其阻尼系统故障更加频繁。本文以本钢变频凸极同步电动机为例,采用场路耦合时变电磁场有限元方法,分析转子静态偏心时阻尼条的电流和电磁力。计算结果表明,转子偏心使阻尼条的电流和电磁力剧增,这可能是导致阻尼条断裂的一个原因。

抽水蓄能电机稳态电抗的有限元计算及影响因素分析

为研究抽水蓄能电机稳态电抗受铁心饱和的影响,本文基于单元电机建立了抽水蓄能电机的场路耦合时步有限元模型。采用时域法计算得到电机在发电及电动稳态工况时,转子转动一周时电抗的变化曲线及场图,进而得到相应的稳态电抗。同时采用频域法计算得到了稳态电抗。时域法计算值、频域法计算值、设计值在额定工况基本一致;然后采用时域法和频域法计算比较不同负载和不同功率因数时两种工况下的饱和同步电抗,分析其变化规律,为电磁设计提供了理论依据。