闭口槽潜水电机卡特系数计算及定子端部绕组电磁振动研究

摘要

近年来，潜水电机在农业灌溉、原油开采、抢险防涝等重要场合中受到了越来越广泛的关注，随着国民经济的发展和市场需求的刺激，我国已经研制出世界上最大功率的4000kW潜水电机。大功率潜水电机有两个重要的特点，一是采用闭口槽定子冲片，二是采用多平面端部绕组。由于潜水电机的独特运行环境，采用闭口槽潜水电机可很大程度地削弱水摩擦损耗，而采用多平面端部绕组可有效降低端部绕组温升。由于闭口槽潜水电机的槽磁桥处高度磁饱和，卡特系数不再是1，因此寻求有效的计算闭口槽潜水电机的卡特系数的方法意义重大。潜水电机的定子绕组在稳态运行过程中受到交变电磁力作用发生振动，由于潜水电机向高功率方向发展，定子端部绕组所受电磁力越来越大，长时间运行可能导致绝缘层磨损和疲劳，甚至会引发停机。因此，研究大功率闭口槽潜水电机端部绕组电磁振动，对于潜水电机的设计及优化具有很重要的理论指导意义，且具备一定的工程实用价值。　　本文结合闭口槽潜水电机槽磁桥处高度磁饱和的特点，提出磁导等效法和几何等效法用以计算闭口槽电机的卡特系数，并与有限元法计算结果进行比较。磁导等效法可考虑槽磁桥处的磁饱和特性，几何等效法适用于工程中快速计算卡特系数。基于槽磁桥处高度磁饱和的特点，计算分析了不同槽型电机起动过程中槽漏抗及转子空载表面损耗。　　建立闭口槽潜水电机的三维端部模型，采用时步有限元和时谐有限元法求解端部漏磁场。分别采用改进解析法和有限元法计算了闭口槽潜水电机的端部绕组漏感，采用有限元法分析了闭口槽潜水电机端部涡流损耗并提出削弱措施，进一步研究了闭口槽潜水电机端部磁-热耦合问题。最后，采用三维有限元法对2800kW，10kV闭口槽潜水电机进行了稳态运行和起动过程中的端部绕组电磁力分布研究，基于此，分析了端部绕组的应力分布及变形，并对端部绕组进行了模态分析和谐响应分析。所得结论，可为解决实际工程问题提供一定的参考，并为潜水电机端部绕组结构优化设计和提高电机运行可靠性等方面提供指导意义。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及其意义

1．1．1 电机卡特系数及相关性能研究背景

1．1．2 端部绕组电磁振动研究背景

1．2 潜水电机的应用及研究现状

1．3 充水式潜水电机的结构特性

1．4 本课题的主要研究内容

第二章 闭口槽潜水电机卡特系数计算及性能分析

2．1 开口槽电机卡特系数计算

2．1．1 传统公式方法计算卡特系数

2．1．2 改进公式方法计算卡特系数

2．1．3 有限元方法计算卡特系数

2．2 闭口槽电机卡特系数计算

2．2．1 磁导等效法计算闭口槽卡特系数

2．2．2 几何等效法计算闭口槽卡特系数

2．2．3 有限元法计算闭口槽卡特系数

2．3 闭口槽电机槽漏抗及空载转子表面损耗计算

2．3．1 闭口槽电机起动过程中槽漏抗计算

2．3．2 闭口槽潜水电机空载时转子表面损耗计算

2．4 本章小结

第三章 闭口槽潜水电机端部绕组有限元模型建立及其电磁场分析

3．1 三维有限元基本理论及端部绕组建模

3．2 闭口槽潜水电机端部漏磁场分析

3．3 闭口槽潜水电机端部绕组漏感计算

3．4 闭口槽潜水电机端部涡流损耗研究

3．5 端部绕组磁-热耦合分析

3．6 本章小结

第四章 闭口槽潜水电机端部绕组电磁力研究

4．1 起动过程中端部绕组电磁力研究

4．2 稳态运行时端部绕组电磁力研究

4．3 端部绕组应力分布研究

4．4 本章小结

第五章 闭口槽潜水电机端部绕组电磁振动研究

5．1 固有频率计算及强迫振动方程分析

5．2 端部模态分析

5．2．1 定子铁芯及压圈模态分析

5．2．2 端部绕组模态分析

5．3 定子端部绕组谐响应分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况