特殊磁极偏移结构对灯泡贯流式水轮发电机运行安全影响研究
捅要 灯泡贯流式机组做为一种典型的卧式水轮发电机，由于转速低、
气隙小、每极每相槽数少，加之受限于其灯泡体形状，导致了机组在运行过程中，
不仅面临空载电压波形质量的恶化，还屡次出现阻尼条过热熔断等现象。然而目
前针对空载电压波形畸变与阻尼绕组损耗发热的研究主要集中在槽距比、定子斜
槽等方面，针对特殊磁极结构的研究尚不多见。鉴于此，本文开展了特殊磁极结
构对空载电压波形质量及阻尼绕组损耗发热的影响研究。
首先，选取灯泡贯流式机组中具有代表性的SFWG34-44／6020(q=2)整数槽
机组与SFWG36．72／7360(q=11／2)分数槽机组作为研究对象，基于旋转电磁场和
电路理论，结合边值条件，建立了准三维分层非线性电磁场一电路耦合模型，并
验证了模型的正确性。在此基础上，选取一个磁极作为热源，充分考虑其散热与
通风特点，建立了磁极系统三维稳态温度场模型，用于阻尼绕组发热计算。
其次，应用上述模型计算了118种转子斜极、极靴构件偏移以及两者配合结
构方案，全面揭示了特殊磁极偏移结构对波形畸变率及阻尼绕组损耗发热方面的
影响，讨论了优化措施，得出了一些有益结论。取得结论如下：(1)对分数槽机
组和整数槽机组而言，转子斜极结构既能优化其空载电压波形。但不能压制两台
机组的阻尼绕组损耗，阻止阻尼绕组过热。从分数槽机组斜极结构下的大量电磁
场计算结果来看，斜1极处其波形质量优化效果最好，但考虑斜0．5极优化效果与
其相差不大，制造工艺更为简单，成本更为经济，故在实际生产中可采用斜0．5极
方案。以整数槽机组斜极结构下的大量电磁场计算结果为基础，综合考虑各项波
形质量参数，发现斜1级优化效果最好，为最佳方案。(2)对分数槽机组而言，
极靴构件偏移结构不仅会恶化分数槽机组的波形质量，还会加剧其阻尼绕组损耗
发热。对于整数槽机组而言，这种结构对波形质量起到较好优化作用，相较于转
子斜极结构优化效果更好，制造工艺更为简单。在同等情况下，可优先考虑此类摘要
方案。从大量计算来看，，0．22tl为最优方案，此时质量参数综合最优。与此同时，
我们发现此类方案对阻尼绕组损耗既无加剧也无抑制作用。(3)极靴构件偏移和
转子斜极配合结构能优化整数槽机组的空载电压波形质量，其效果比单一的转子
斜极或极靴偏移方案好，与此同时，也会加剧阻尼绕组损耗发热，且其恶化能力
较斜极结构更强。这些结论可为保障电能质量优化以及机组安全稳定运行，提供
较为全面的工程设计参考。
关键词：贯流式机组特殊磁极空载电压波形 阻尼绕组损耗发热安全稳定
目录
摘要……………………………………………………………………………………………………………………I
1绪论………………………………………………………………………………………………………………．1
1．1研究背景及意义………………………………………………………………．1
1．1．1研究背景………………………………………………………………．．1
1．1．2研究意义………………………………………………………………．．1
1．2国内外研究现状………………………………………………………………．3
1．2．1空载电压波形研究……………………………………………………．．3
1．2．2阻尼绕组研究…………………………………………………………．．4
1．2．3国内外研究现状总结…………………………………………………．．5
1．3研究的主要内容………………………………………………………………．5
1．4本文技术路线及章节安排……………………………………………………．6
1．4．1技术路线………………………………………………………………．．6
1．4．2本文章节安排…………………………………………………………．．7
1．5本章小结………………………………………………………………………．．8
2准三维分层非线性时变运动电磁场一电路耦合模型………………………………9
2．2旋转电机电磁场控制方程……………………………………………………．9
2．2．1 Maxwell方程组…………………………………………………………9
2．2．2矢量磁位微分方程……………………………………………………10
2．2．3电流密度的计算………………………………………………………11
2．2．4发电机时变电磁场控制方程…………………………………………12
2．3发电机电磁场边值问题的确定………………………………………………12
2．3．1求解区域的选择…………………：……………………………………12
2．3．2边值问题………………………………………………………………13
， 2．4定转子电路……………………………………………………………………13
2．4．、1发电机转子阻尼绕组电路……………………………………………13
2．4．2发电机定子负载电路…………………………………………………14
2．5发电机场一路耦合方程………………………………………………………15
2．5．1定转子铁芯、气隙、励磁绕组区域方程……………………………．15
2．5．2定子绕组区域方程……………………………………………………15
2．5．3转子绕组区域方程……………………………………………………16
2．5．4发电机场．路耦合总方程………………………………………………17
2．6基于FLUX软件的时步有限元模型…………………………………………．18
2．6．1求解区域的剖分………………………………………………………18
2．6．2材料设定与分配………………………………………………………18
2．6．3各种参数的设定………………………………………………………19
2．6．4计算步数及步长的确定………………………………………………20
2．7发电机空载电压波形的计算…………………………………………………20
2．7．1空载电压波形齿谐波…………………………………………………21
2．7．2波形畸变率……………………………．………………………………21
2．7．3空载电压波形的电话谐波因数………………………………………22
2．8水轮发电机阻尼涡流损耗计算模型…………………………………………22
2．9模型验证………………………………………………………………………23
2．10本章小结………………………………………………………………………．25
3磁极系统温度场模型研究…………………………………………………………．26
3．1常用三维稳态温度场定解计算模型…………………………………………26
3．1．1热传导方程……………………………………………………………26
3．1．2边界条件………………………………………………………………27
3．2三维稳态温度场模型有限元模型分析研究…………………………………28
3．2．1求解区域………………………………………………………………28
3．2．2热源分析………………………………………………………………29
3．2．3基本假设………………………………………………………………31
3．2．4三维稳态温度场的条件变分问题……………………………………31
3．2．5磁极系统三维温度场的边界条件……………………………………32
3．2．6导热系数和散热系数的确定…………………………………………33
3．3基于FLUX软件的磁极系统三维稳态温度场模型…………………………．35
3．4本章小结………………………………………………………………………36
4空载电压波形分析和优化研究……………………………………………………．．37
4．1斜极对空载电压波形的影响…………………………………………………．37
-4．1．1斜极对分数槽机组的影响……………………………………………37
4．1．2斜极对整数槽机组的影响……………………………………………41
4．2极靴构件偏移对电压波形的影响……………………………………………44
4．2．1分数槽机组……………………………………………………………44
4．2．2整数槽机组……………………………………………………………48
4．3斜极与极靴偏移配合结构对空载电压波形的影响…………………………53
4．4本章小结………………………………………………………………………55
5．阻尼绕组损耗发热研究……………………………………………………………．．57
5．1斜极对阻尼绕组损耗发热的影响……………………………………………57
5．1．1分数槽机组……………………………………………………………57
S．1．2整数槽机组……………………………………………………………59
5．2极靴构件偏移对阻尼绕组损耗发热的影响…………………………………61
5．2．1分数槽机组……………………………………………………………61
5．2．2整数槽机组……………………………………………………………67
5．3斜极与极靴构件偏移配合结构对阻尼绕组损耗发热的影响………………73
5．4本章小结………………………………………………………………………75
6．结论与不足…………………………………………………………………………．．76
6．1结论……………………………………………………………………………………………………．76
6．2不足……………………………。……………………………………………76
参考文献………………………………………………………………………………．78
致 谢……………………………………………………………………………………………………………．．83
