1000MW级核能发电机定子机座及铁心固有频率三维有限元分析

1000MW汽轮发电机机座加工过程引进外国技术，利用我厂现有设备状况，克服困难，成功生产出1000MW 汽轮发电机机座。

标签：1000MW汽轮发电机；机座加工1 前言泰州1000MW汽轮发电机是目前我公司目前生产单机容量最大的机组，引进日本东芝公司技术，定子机座加工由于两公司加工设备不同，所以加工工艺方法也不一样，现有设备无法满足机座加工的需要。

依据我厂现有设备情况、设备精度和参数制定加工工艺方案，我与非标设计一起研究非标设备提制和设备参数的选择。

依据百万机座加工的要点、难点逐项分解。

在大家的共同努力下顺利完成泰州百万三段机座加工、三段组焊、组焊后加工，并顺利完成机座水压试验。

机座水压试验的完成，标志着我厂已具备百万机座制造的能力和水平。

为进一步开拓火电市场，提高市场竞争力起积极推动作用。

2 机座加工工艺方案的确定针对现有设备加工能力瓶颈（行程不足），重点解决内孔和定位槽的加工，经论证提出两种加工方案；方案一，用车镗床分两次在两端镗加工内孔和加装动力铣头铣槽；方案二，将机座轴向分三段数控立车加工，加装动力铣头铣槽，之后焊接成整体；经分析、比较和评审，两方案都需要加装动力铣头，考虑动力铣头重量的影响，选择立式加工更合理，精度易于保证；最终选定方案二。

步骤1）将机座轴向分成三段焊接（汽端段、中间端、励端段），分三次立车加工，用数控立车加工内孔和在立车垂直刀架上装卡动力铣头，利用立车卡盘数控分度铣加工定位槽。

步骤2）完成内部加工后，三段被加工后的机座组装并焊接成整体。

步骤3）镗床以内孔为基准加工侧面等配合面及钻孔攻螺纹；完成机座的全部加工。

3 加工设备的选择百万机座由于受设备限制而设计成三段，最长一段为4410mm，故要选择立车横梁高度在4.5米以上的立车，同时要求机床分度要准确，一周累计误差要在0.20mm以内。

因此选择在水电数控16米进行加工，经考虑综合制造成本和水电一些大型工件必须在数控16米立车加工，因此将百万机座加工临时调整到数控8.5米立车，由于该设备刀杆伸出长度仅为2.5米，无法满足机座底部环板的加工，调整机座加工工艺方案，重新提制加长刀架和铣头（见图1）。

百万千瓦级汽轮发电机内电磁场的有限元计算分析摘要：本文首先介绍了有限元的基本原理，然后以上海发电机厂QFSN 型1000 MW级隐极式汽轮发电机作为分析模型，应用有限元分析软件ANSYS对其进行了磁场分析，其结果与设计值比较吻合。

关键词：汽轮发电机；电磁场；有限元引言电机是机械能转换为电能或电能转换为机械能的主要设备。

为了进行能量转换，电机内必须要有磁场或电场作为耦合场。

当转子旋转时，耦合场受到扰动，磁场及其贮能发生变化，电枢绕组内就会产生感应电势，转子上则将受到电磁力的作用，于是机械能就转换为电能或电能转换为机械能。

要研究电机内的能量转换机制，必须清楚电机内的磁场分布。

因此，研究电机中的电磁场对电机的分析和设计非常重要。

随着科学技术的发展，发电设备的容量不断增加，设备不断大型化。

目前，国内二极汽轮发电机最大单机容量已经达到1000MW。

为进一步提高发电机设计的可靠性，要求对电机中电磁场进行更深入的分析和计算。

目前，随着电子计算机发展，以有限元方法为代表的数值分析方法有了很大的进步，其使用范围超过了以往其他各种方法。

1 有限元法有限元法是近似求解数理边值问题的一种数值技术。

这种方法大约有40年的历史。

它首先在上世纪40年代被提出，在50年代开始用于飞机设计。

目前，作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法，有限元方法已相当著名[1]。

有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。

应用变分原理把要求解的边值问题转化为相应的变分问题，利用对区域D 的剖分、插值，将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题。

进一步得到一组多元的代数方程组，求解得到所求边值问题的数值解。

2 模型与分析计算2.1 有限元法的基本理论电机电磁场涉及到静磁学，这种磁场变化率较小，服从麦克斯韦方程组：⎪⎩⎪⎨⎧==⨯∇=⨯∇H B B J H μ0其中B 为磁通密度，H 为磁场强度，J 为电流密度，为材料的磁导率。

因为B=0，因此有矢量磁位A ：J A A B =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯∇⨯∇⨯∇=μ1, 由于分析二维空间,则假设电流的流向和z 轴平行的，因此只有A 的z 轴分量存即：()()J J A A ,0,0,,0,0==因此上述方程可以化简成为一个标量椭圆偏微分方程：J A =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∇∙∇-μ1 这里()y x J J ,=。

电机设计及有限元分析详细介绍：随着电⽓化和产品智能化⽔平的提⾼，电机、变压器以及⾼低压电器在各种装备和⽣活中的应⽤越来越多，电机和电器朝着容量⼤型化、体积⼩型化以及智能化的⽅向发展。

现今的电机电器设计⾯临着更复杂的技术挑战，只有充分运⽤现代⼯程仿真技术才能应对这些挑战。

典型应⽤领域1）电磁仿真。

电磁仿真在电机电器设计中扮演⾮常重要的⾓⾊，电磁仿真可以预测电磁转换的效率、各个部件的损耗和发热量、电磁⼒/⼒矩等参数，是进⼀步进⾏热仿真和结构仿真的基础；2）电场仿真。

随着电器设备容量和⼯作电压的提⾼，电场仿真的必要性性更加迫切，电场仿真能够预测设备的绝缘性、放电和击穿的可能性等性能指标；3）热仿真。

过热会使电机的可靠性降低，甚⾄于烧毁，因此热分析与热设计在电机电器设计中⾮常重要，热分析可以优化冷却⽅案，改善冷却效果。

4）结构强度、疲劳仿真。

利⽤结构分析软件研究电机电器在机械载荷和热载荷作⽤下的强度、刚度、振动和疲劳寿命，可提⾼设备的可靠性。

5）噪声分析。

模拟结构振动噪声和电磁噪声。

电磁仿真稳态磁场分析: 激励不随时间变化,如永磁体的磁场、稳恒电流产⽣的磁场等谐性磁场分析: 激励按正余弦规律变化,如感应式电机瞬态磁场分析: 激励随时间⽆规律变化混合励磁车⽤发电机三维电磁场有限元⽹格发电机永磁励磁的磁密分布转⼦磁感应强度⽮量右视图定⼦磁感应强度⽮量值定⼦磁场强度标量值定⼦磁场强度⽮量值转⼦磁场强度⽮量通过温度场计算,得到电机整机或部件的温度分布、热量的获取和损失、热梯度、热流密度等.稳态温度场分析:热源不随时间变化瞬态温度场分析:热源随时间变化定⼦铁⼼与机座温度分布上机架和定⼦温度分布电机流场分析电机结构分析部件刚强度计算接触应⼒计算固有频率计算动态响应计算临界转速计算⾼速发电机转⼦轴应⼒计算发电机转⼦轴应⼒计算定⼦和上机架联合计算序号⼯况载荷1起吊运输⼯况⾃重额定扭矩，正常运⾏⼯况2正常运⾏⼯况磁拉⼒，⾃重，温升半数磁极短路磁拉⼒3半数磁极短路⾃重，温升4地震⼯况地震加速度正常运⾏⼯况结构综合应⼒正常运⾏⼯况结构径向变形半数磁极短路⼯况结构综合应⼒半数磁极短路⼯况结构径向变形下机架有限元模型图结构应⼒分布云图载荷:⽔推⼒、机组转动、部分总重量定⼦铜环引线结构强度计算循环对称模型定⼦铜环引线结构整体应⼒分布短路⼯况,铜环引线发热定⼦铜环引线⽀架应⼒分布定⼦铜环引线结构变形分布主轴法兰强度分析发电机最⼤容量时主轴法兰应⼒强度发电机半数磁极短路⼯况时主轴法兰应⼒强度联轴器应⼒和紧量计算汽轮发电机转⼦齿头和槽楔应⼒计算计算模型应⼒分布发电机端部振动模态分析俄制500MW汽轮发电机定⼦端部振动模态分析电磁⼲扰⼒下的定⼦振动定⼦铁⼼的各个部位响应值曲线临界转速计算传递矩阵法计算有限元法计算⽂章来源：伺服与运动控制。

基于ANSYS WORKBENCH油田电机机座结构的有限元分析作者：唐博张卫华陈振国段伟飞来源：《商品与质量·学术观察》2013年第09期摘要：机座是油田电机中重要零件之一，文章介绍ANSYS WORKBENCH有限元方法对油田电机机座进行强度、刚度、模态分析，分析结果表明电机结构满足设计要求，为同类产品设计、开发、改进提供了参考依据关键词：机座模态 ANSYS 强度刚度有限元机座是油田电机中重要零件之一。

由于机座的结构复杂，用简单的材料力学公式很难精确分析和计算其受力和变形情况。

在以往的设计中，往往是根据经验或参考有关样机来进行设计，处于经验类比设计阶段。

这种设计方法，势必导致设计结果趋于保守。

本文应用CATIA进行产品的参数化实体建模，利用有限元方法，从静力学和模态进行电机机座力学分析，得到机座在静力作用下的强度、刚度；模态的固有振动频率，可以达到校核机械结构的强度和刚度、分析出主要失效形式和危险点的目的，从而为产品的设计和优化提供理论依据；模态是机械结构的固有振动特性，利用有限元软件对转子进行模态分析，可以得到的模态频率及振型，预测转子与其他部件发生动态干扰的可能性，从而对机座结构进行合理设计，避开共振的发生。

ANSYS WORKBENCH的前处理模块、分析计算模块和后处理模块能够较好地完成此部分工作。

1、分析理论1.1有限元计算是建立在位移法基础上的刚度矩阵法，其通式可写成：[S]{D}={F}式中 [S] 刚度矩阵{D} 位移向量{F} 载荷项1.2软件中的动力学分析中的模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型问题：其中[K]-刚度矩阵{ }--第i阶模态的振型向量--第i 阶模态的固有频率[M]--质量矩阵2、建立模型利用CATIA软件建立机座三维模型，将机座、定子铁心、端盖分为三个部件，然后再装配为组件，并对定子线圈进行等效简化，计算出等效密度，得出三维模型后另存为“.CATPart”文件，并导人ANSYS WORKBENCH，如图1所示。