冲击负荷下发电机端部磁场及绕组振动分析
刘明丹，许丽佳，康志亮
(四川农业大学信息与工程技术学院，四川雅安625014)
摘要：给出了端部绕组电动力的计算方法，根据大型电机的结构特点，建立了定子绕组固有振动频率和强迫振动方程。通过对大型发电机端部绕组电动力计算及振动分析表明，影响定子端部绕组振动的主要因素为该段绕组所受到的电动力密度和绕组绑定的位置与牢固程度，呵通过合理分布绑定的位置或增加绑定的数目来改善绕组的振动问题，并通过试验数据证明丁该方法的有效性。
关键词：汽轮发电机；端部磁场；冲击负荷；绕组绑定
中图分类号：TM 31I文献标志码：A文章编号：16734-540(2010)06410144-04
0 引言
汽轮发电机受到冲击负荷时，端部磁场密度大大高于正常负载运行时的磁密，由电动力引起的端部绕组振动也随之增大。当这种振动超过一定限幅时，就会造成绕组的机械损伤或者造成绕组的机械疲劳，成为事故的诱因。单纯依靠加大汽轮发电机组端部绕组的支撑结构强度和数目，虽然可以解决端部绕组电动力所引起的绕组机械损伤问题，提高发电机运行的可靠性，但同时也带来了材料利用率低、电机造价偏高、制造难度增加等不利因素。准确计算汽轮发电机在不同工况下(包括最严重的事故状态下)端部绕组所受到电动力，以及由此产生的振动，对合理选择端部材料、优化端部结构设计、降低发电机制造成本等具有重要意义。对已经投入运行的发电机组，端部绕组电动力和振动分析也可起到改进端部结构、估测端部绕组振动情况、避免事故发生等作用。
1 端部绕组电动力的计算
1．1 电动力计算的基本公式
在对端部定子绕组的振动进行分析计算之前，必须准确地求出端部绕组受到的电动力。由
洛仑磁力的公式，可以推导出：
所以，流过电流I的导线元d1在电磁场中受到的力密度可以表示为
式中：f一导线元d1受到的力密度；
I——导体中流过的电流，用导线元的方向作为I的方向；
B——导线元d1处的磁通密度。
在圆柱坐标系中，式(1)可以表示为[1]
1.2绕组电动力的计算
一般情况下，绕组由于受到电动力而产生的振动形变非常微小，可以忽略不计。因此，计算端部绕组电动力时，不考虑绕组的变形，将端部绕组的渐开线部分近似简化成直线段。
当求出￡时刻发电机端部子午面上的磁场分布后，整个端部磁场的空间分布也随之确定。先将定子端部绕组分成若干直线段，求出每段绕组导体中点处的磁通密度，导体所在的相带决定了t时刻绕组中电流的大小，这样就利用式(2)求出了端部绕组上的力密度分布，再应用数值积分的方法求出端部绕组在￡时刻受到的电动力大小。
2发电机定子绕组端部振动的分析
2 1基本假设
对发电机定子绕组端部进行振动分析时，要对其作如下假设：(1)假设端部定子绕组由线性弹性和连续分布的材料构成；(2)假设定子绕组构成材料具有均质性和各向同性；(3)假设振动时定子绕组的变形量比绕组的尺寸小很多，可以忽略振动时外力位置的改变；(4)假设材料符合广义虎克定律，即变形与外力呈线性关系。
由以上假设，可以将发电机定子绕组端部看作线性系统。线性系统一般服从叠加原理，即作用于结构上若干个荷载的综合效应等于各个荷载单独作用效应的总和。这样就可以运用叠加原理分别求出绕组各段上电动力所引起的振动，再合成出总的结果。
2 2定子绕组振动的固有频率
发电机定子端部绕组是用若干绑定固定在端部支撑结构上的，相邻绑定之间的绕组可等效成一个具有两端简支边界条件的等截面梁，粱的简支端上挠度y与弯矩甜等于零，即[7]：
|
