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全国第6届转子动力学学术讨论台ROTDYN‘200l论文集
水轮发电机轴向电磁力与轴向振动’
邱家俊,段文会
(天津大学机械工程学院,天津300072)
摘要当水轮发电机转子存在轴向位移时.会产生作用于转子端部的轴向电磁力。这个轴
向电磁力激发转子系统轴向振动。本文用保角交换分析转子端部的轴向磁场.得到了作用于转
子端部的轴向电磁力的解析表达式,并应用多尺度法,得到了转子系统轴向非线性振动的一次
近似解。
O.引言
水轮发电机稳态运行时,转子系统存在垂直振动。垂直振动引起的轴向位移使转子受到轴
向电磁力,影响推力轴承的稳定运行,所以转子系统垂直振动问题一直受到人们的关注。但由
于垂直振动的激励来源于水流、机械、电磁等多方面,激励参数难以定量确定,垂直振动问题
至今尚未得到圆满解决。
目前.人们对水轮发电机转子系统的垂直振动的研究主要集中在水流激发与机械激发方面,富
田盛孝【:】与董毓新p】全面总结了水流激发引起的机组垂直振动及机械原因引起的机组垂直振动。
对于电磁激发引起的垂直振动,主要的问题是求解伸出端磁场与转子受到的轴向电磁力.
国际上的相关研究主要集中在异步电机上。很多学者研究了电机的伸出端磁场与异步电机转子
所受的轴向电磁力:D.Howe和P_Hamor—‘悃保角变换求解定子与转子的伸出端电磁场,并
分析了定子与转子端部不同结构形式对伸出端磁场的影响.c.E.BⅢ攮棚和R.G.R11udyI”系统
地归纳了异步电机中轴向电磁力产生的原因,并从磁导变化出发,粗略地研究了轴向电磁力的
数值.得到了不甚精确的结果。瓦J.Binm嗍研究了定子与转子间的通风槽内的电磁场-用保
角变换方法得到了电磁场的解析表达式,并在此基础上研究了定子与转子有相对位移时,转子
受到的轴向电磁力。vs曲m1∞anyam【7】田研究了异步电动机转子存在斜槽时.转子受到的轴向
电磁力。并进行了实验。本文作者对上述学者的有关成果进行了综合分析与推广,得到了水轮
发电机转子系统轴向电磁力的解析式,并研究了由轴向电磁力激发的转子系统垂直振动.
。箴淞,
图tG平面
1.转子伸出端磁场
首先考虑复平面的上半平面G,由k、m、n、q、f围成,n点是坐标原点.实轴为铁磁边
界,其磁导为无穷大。见图1。在G平面上任一点g.其复磁势函数为w,这里g为复变量坐
标。若巾为磁通量函数.V为标量磁位函数,则w=十+Ⅳ(1)。假设单位电流在鼎点垂直
国家自然科学基
·91·
G平面中的铁磁边界成为两个等位面,以坐标原点为分界线,v=O位于0_+∞之间,v=1
位于0哼m之阃。通量线十=‰是以原点为圆心的半圆,等位线v=c0是通过圆一0的射线.其
复磁势图见图l。图l所描述的G平面是研究转子伸出端磁场的基础。
现在考虑转子有轴向位移时.转予伸出端的磁场.当转子有轴向位移△=时,转子与定子的
相对位置图见图2.根据保角变换中的许.克变换,可将图2所示的z平面变换至图l的G平面,
因为G平面的磁场解答已经清楚.根据两个平面的变换关系,就可反求z平面的磁场。两平面
的对应点为:
z=扣一g=Ⅻ;z=j6斗g=一1:z=Ⅻ斗g=O;
z=△z—j∞—+g=∞
2=△z—+g=a:
z平面中,由于在点z=芦,z=Ⅲ,z=血处,其顶角分别为三丁【,o,詈7c·于是联系两个平面
的许.克方程为:粤=s.』焦二旦螋(3)。其中6为气隙宽度。
dg g
若Z平面上转子与定子之间的磁位差为v。则可得平面z.G的交换关系:
w=詈lng(4¨一【篱+(1刊划州风黜】(5).
其中R= ,6 石:生+
S=一—2=-
6
兀、『4
z.性功蚀厦
得到G,z平面之间的变换关系.就可以求Z平面上的磁场强度H。设z平面上场的解答
为w=++Ⅳ.x方向的磁场强度为日,=一尝,y
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