大型发电机定子线棒槽部换位结构电场仿真APP算法

大型发电机定子线棒槽部换位结构电场仿真 APP算法

李婷婷 赵梦捷 李婉菲

哈尔滨理工大学荣成校区 山东省荣成市 264300

摘要：随着对发电机产生电晕问题的深入研究，发现进行电机定子线棒主绝缘结构优化、改善定子线棒槽部电场的分布意义重大。因此可以通过对定子线棒槽部进行参数化建模，利用有限元分析的方法对槽部进行电场分析，进而实现定子线棒结构的优化，然而手动建模耗时耗力。因此，为实现企业利益最大化，本项目通过COMSOL自带的软件开发器研发出了具有输出结果准确和操作界面简单等特点的槽部换位结构电场智能仿真系统App。

关键词：发电机 定子线棒槽部 仿真APP

一.引言

随着现代化建设步伐的加快，目前企业使用的电机型号越来越多，对于电机的性能提出了更高的要求。而电机在长期的运行中，在电机槽部位置，发电机的定子线棒由许多股线制成。由于发电机定子线棒中各股线在磁场中所处的位置不同，各股线的感应电势不同，股线间会形成电势差从而导致环流，由此产生的环流损耗会导致线棒的平均温度升高，从而严重影响发电机的使用寿命，。因此，对于发电机定子线棒槽部换位的电场计算和结构设计对于大型发电机的研究至关重要^[1]。

二.开发过程如下

1.电子线棒的参数化建模：首先进行参数的设定，包括股线长度Gl，股线宽度Gw，股线根数N，换位角度PHI，股线排间距QL，股线纵间距QW，节距T，换位抬高高度TG，绝缘厚度JH。

第一步，构建两排股线直线部分模型1.在草绘中的front平面构建一个矩形1，矩形的约束公为:
sd3=(N/2-1)*(GW＋QW)
sd2=2*N*T

2.然后以矩形1的右边和下边为基准构建一条线段1，该线段的约束条件为:
sd3=T
sd4=GW+QW

在此基础上构建平面1，以TOP:F2为基准平面方向向上进行草绘，该平面满足的条件是:
sd2=GL
sd3=GW

以线段1作为扫描线1，矩形1作为扫描截面进行扫描操作，得到“扫描1”，由于此时阵列没有

尺寸，所以我们对扫描1进行拉伸，以命令的形式做一个平行于扫描体的平行四边形，平行四

边形宽一半的约束条件是:
sd5=GW

法向距离： sd8=GW＋QW

得到一个平行于扫描体的实体，以此为基准进行阵列，在外部添加间距个数的约束条件:

d19=GW＋QW
p20=N/2-2
d11=GW＋QW
d10=GWd28=T
p30=3*(N/2)

然后重新生成，选草绘平面，在front平面构建新的线段3，其长度的约束公式为：

sd3=T

sd4=GW+QW
然后复制选择性粘贴到高级参考配置，然后对线段3进行草绘，选取F2作为基准平面进行替换，使线段3平行于其他线棒，从而进行扫描，扫描时垂直于投影，封闭成环进行扫描，生成一根线棒。选择拉伸指令，以矩形的左边上边为基准构建平行四边形，使该平行四边形各个边符合约束，

进行拉伸，成为一根新的线棒，对新线棒进行尺寸阵列，关系式为:

d45=GW+QW

d46=GW+QW

p47=N/2-2

重新生成，得到单排直线部分模型，如图1所示：

图1单排直线部分模型

构建第二排股线直线部分模型：由于第二排模型与之前做法相同，所以我们直接选择复制实体面，选择面组，隐藏原始模型，进行镜像，这样可以不包含任何参数的复制，然后将创建好的模型平移出来，粘贴时选择性粘贴，将模型进行实体化，平移的距离公式为：

d49=GL+QL

构建图形如图2所示：

图2第二排股线直线部分模型

第二步，构建跨排换位模型
过线段1的右顶点构建平面12，在刚才的平面进行草绘，构建四个矩形平面，将原来的实体模型隐藏，要想使构建的模型跟着关系式进行变化，就要将四个矩形平面对称到最开始的基础线框

约束公式为：

sd18=GW
sd15=((N/2-1)*QW+(N/2)*GW)/2-GW

将四个矩形平面进行方向阵列，关系式为：

d54=T

做平面13平行于平面12关系式为：

d58=T/4
在此平面上绘制大小与矩形7相同的四个矩形，以这四个矩形为基关系式为基准沿着x轴方向做

阵列，关系式为：

d60=T/2
使用混合功能，将矩形8.16.19.11依次连接，形成混合体，同样的，创建第二组混合2，注意

起点一定要一致，以混合1混合2为基准，沿着x轴做方向阵列，关系式为：

d84=T

p86=2*N

重新生成模型，下面一排和之前一样进行阵列。
第三步，定子线棒换位角度的控制，构建一个平面14平行于平面13，关系式为：

d92=（2*N*T/720）*PHI

以平面14为基准，采用实体化切除功能，保留平面12与平面13的位置。
综上电子线棒槽部模型构建完毕，如图3所示：

图3电子线棒槽部模型

因为当下多数电机定子线棒采用的屏蔽形势为全屏蔽结构，所以我们以全屏蔽结构为例进行构建模型。
首先添加新的参数。

构建四排带漏铜点换位结构模型
将双排模型选择复制实体面，选择面组，隐藏原始模型，进行镜像，然后将创建好的模型平移出来，粘贴时选择性粘贴，将模型进行实体化，选择拉伸指令，在第一根股线上绘制一个小矩形作为露铜点，然后进行镜像，在下排第一根股线上绘制同样的露铜点，进行拉伸，满足公式为：
d392=LTD
d389=LTD
d391=LTG
d390=T*0.75
d388=（D+GL)/2

重新生成模型，对拉伸3沿着x轴进行阵列，满足公式为：
d394=T
p395=N

此时露铜点已经全部构建完成，如图4所示

图4定子线棒露铜点建成模型

导入COMSOL进行二次建模

将模型livelink到COMSOL中，将数据同步到COMSOL中^[2]。

对该模型进行二次建模：

第一步构建绝缘层，创建一个工作平面，构建平面几何，绘制矩形，该矩形满足公式：

宽度：

(LL_N/2)*LL_GW+2*LL_LTG+4*LL_JH

高度：

4*LL_GL+2*LL_QL+4*LL_JH+LL_D

绘制一个圆角，满足公式：

半径：

LL_PBCR

对该平面进行拉伸，拉伸距离公式为：

4*LL_N*LL_T*(LL_PHI/720)

第二步构建半导电层，创建一个工作平面，构建平面几何，绘制矩形1，满足公式：

宽度：

(LL_N/2)*LL_GW+2*LL_LTG+LL_JH

高度：

4*LL_GL+2*LL_QL+LL_JH+LL_D

绘制矩形2，满足公式：

宽度：

(LL_N/2)*LL_GW+2*LL_LTG

高度：

4*LL_GL+2*LL_QL+LL_D+LL_JH/2

构建一个差集：

r1-r2

构建一个圆角，满足公式；

半径：

LL_PBCR/4

对该平面进行拉伸，拉伸距离公式为：

4*LL_N*LL_T*(LL_PHI/720)

形成联合体，相对容差是1E-6。

添加材料：铜，空材料，云母。注意空材料的电导率为：1S/m，相对介电常数：100，将股线添加铜材料，将半导电层添加空材料，绝缘层添加为云母材料。

添加物理场为电流：

将材料外层设置边界接地，股线设置添加电势U。

添加网格：

绘制一个自由三角形网络，将半导体层和绝缘层的四个角进行剖分，绘制一个自由四面体网络，将股线进行剖分，网格大小设置为超细化，

绘制一个自由四面体网络，将最外侧的绝缘层进行剖分，网格大小设置为较细化，绘制一个自由四面体网络，将剩余进行剖分，网格大小设置为常规。

剖分网格结果如图5所示：

图5网格剖分结果

添加一个频域研究，进行计算，计算结果如图6、图7所示：

图6仿真电势结果

图7仿真电场模结果

APP构建

通过COMSOL中的APP开发模块，对上述参数化建模的定子线棒进行电场计算APP的构建，APP主要由输入部分、按键部分、输出部分组成，输入部分与输出部分主要是表单功能生成，输入部分主要是模型参数的输入，输出主要包括几何图形、网格剖分、电势分布以及电势的最大最小值。

操作功能主要通过主窗口的菜单栏完成，功能主要包括文件、图形、模型、研究，文件主要完成的操作是APP的保存与另存为、文件的打开以及另存为，图形主要完成的操作是重置当前视图、打印、全选、清除选择，模型完成的操作是清除所有解与清除所有网格，研究完成的操作主要是绘制几何、绘制网格、计算。

以文件这个操作功能的建立为例，首先右击主窗口，添加菜单栏，右击菜单栏，添加菜单，将右侧菜单设置里的名称改为文件，然后右击菜单添加项，将右侧项设置里的名称改为保存，点击设置里的选择要运行的命令里的GUI命令里的文件命令里的保存APP命令，文件里的保存APP设置完毕，其余的操作同上。

最后通过APP测试后的效果如下图8所示：

图8仿真效果图

结语：本项目通过COMSOL自带的软件开发器研发出具有输出结果准确和操作界面简单等特点的槽部换位结构电场智能仿真系统App。

参考文献：

[1]杨立超. 大型水轮发电机定子线棒换位与环流损耗分析计算[D]. 黑龙江: 哈尔滨理工大学, 2014: 3-7.

[2]曹铁男. 大电机定子线棒的参数化建模及数值仿真系统的开发[D].哈尔滨理工大学,2018.