兆瓦级双屏蔽感应电动机屏蔽套电磁与热问题研究

摘要

兆瓦级双屏蔽感应电动机是核电系统内的关键动力设备。屏蔽套是双屏蔽感应电动机的特有结构件，由于屏蔽套的加入，使得该类电机设计有别于常规电机，屏蔽套磁热力问题的准确分析成为此类电机电磁设计的关键。本文以双屏蔽感应电动机为研究对象，结合屏蔽套电磁与热问题研究现状，对屏蔽套损耗计算方法问题、温度场计算问题、动态性能计算问题和电磁力计算问题进行了研究。
　　针对目前屏蔽套损耗计算方法无法考虑磁场透入深度且端部屏蔽套涡流损耗和屏蔽套与端部结构件间环流损耗难以计算的问题，研究了屏蔽套损耗的分布规律，提出了一种可以计及磁场透入深度和涡流端部效应的直线段屏蔽套涡流损耗计算方法，利用叠加法分离了端部屏蔽套涡流损耗、屏蔽套与端部结构件间环流损耗。给出了直线段屏蔽套涡流损耗在整个转速范围内的变化规律，得到了端部屏蔽套电流密度的幅值和分布规律，掌握了屏蔽套与端部结构件间环流对屏蔽套电流幅值和路径上的影响。在此基础上，揭示了屏蔽套涡流损耗、屏蔽套和端部结构件间环流损耗与屏蔽套材料、锥形环材料、支撑筒材料、压板材料之间的关系，得到了屏蔽套厚度的变化对屏蔽套损耗变化规律的影响。根据上述研究结果，提出了屏蔽套损耗的减小方法，给出了新方法对降低屏蔽套损耗的贡献程度。
　　研究了屏蔽套对电机热源的影响，通过对核主泵冷却系统的研究，得到了双屏蔽感应电动机温度场的入口边界条件，采用有限体积法对双屏蔽感应电动机温度场进行计算，得到了屏蔽套温度场的分布情况，给出了计及屏蔽套和不计及屏蔽套时温度变化规律，得到了屏蔽套损耗对电机温度场的影响，掌握了双屏蔽感应电动机各部件的温度场图以及最大温度变化曲线和冷却条件上的联系，在此基础上，给出了双屏蔽感应电动机最佳冷却条件。
　　提出了能够计及定转子屏蔽套的双屏蔽感应电动机的数学模型，建立了电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和机械特性方程，给出了双屏蔽感应电动机数学模型中各个参数的计算方法，分析了双屏蔽感应电动机动态过程，明确了双屏蔽感应电动机电源电压暂降对电机性能的影响，给出了双屏蔽感应电动机电源电压暂降的敏感度阈值，通过与有限元联合仿真计算结果和计算时长进行对比，验证了所提数学模型的合理性和高效性。
　　根据洛伦兹力法计算了定转子屏蔽套和定转子绕组的电磁力密度，揭示了定子屏蔽套和转子屏蔽套电磁力密度空间分布的区别和原因，找到了屏蔽套局部受力严重的危险位置，明确了屏蔽套对端部绕组电磁力的影响程度，分析了屏蔽套材料、锥形环材料、支撑筒材料和环流对屏蔽套电磁力的影响，定量给出了本文提出的新方法对屏蔽套电磁力的减小程度，为双屏蔽感应电动机密封性能提供理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 屏蔽套损耗计算方法研究现状

1．2．2 温度场计算研究现状

1．2．3 起动性能研究现状

1．2．4 电磁力计算研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 双屏蔽感应电动机屏蔽套损耗计算方法及其相关因素分析

2．1 屏蔽套及其支撑结构

2．2 屏蔽套损耗的计算方法

2．2．1 直线段屏蔽套涡流损耗计算方法

2．2．2 端部屏蔽套涡流损耗和屏蔽套环流损耗计算方法

2．3 屏蔽套损耗计算结果与影响因素分析

2．3．1 屏蔽套损耗计算结果与分析

2．3．2 屏蔽套材料对屏蔽套损耗的影响

2．3．3 锥形环和支撑筒材料对屏蔽套损耗的影响

2．3．4 压板材料对屏蔽套损耗的影响

2．3．5 屏蔽套厚度对屏蔽套损耗的影响

2．4 屏蔽套损耗减小方法

2．5 实验验证与算法优势

2．5．1 实验验证

2．5．2 算法优势

2．6 本章小结

第3章 双屏蔽感应电动机屏蔽套温度场问题分析

3．1 屏蔽套对电机热源的影响

3．1．1 热源的计算方法

3．1．2 计算结果

3．2 温度场计算模型和计算条件

3．2．1 温度场计算模型

3．2．2 边界条件

3．3 计算结果与影响因素分析

3．3．1 屏蔽套温度场分布

3．3．2 屏蔽套对其他结构件温度场的影响

3．3．3 一次冷却水流速对屏蔽套温度场的影响

3．3．4 二次冷却水流速对屏蔽套温度场的影响

3．4 实验验证

3．5 本章小结

第4章 具有屏蔽套双屏蔽感应电动机起动性能研究

4．1 双屏蔽感应电动机起动性能的特点

4．2 双屏蔽感应电动机的数学模型

4．2．1 状态方程

4．2．2 等效电路

4．3 电磁参数的计算方法

4．3．1 定转子屏蔽套漏抗

4．3．2 端部漏抗

4．3．3 定转子绕组电阻

4．3．4 激磁电抗

4．3．5 定转子屏蔽套电阻和转子屏蔽套与转子绕组的互漏抗

4．3．6 定转子直线段区域漏抗

4．4 双屏蔽感应电动机动态性能分析

4．4．1 起动过程分析

4．4．2 稳态运行中电源电压暂降80％

4．4．3 电源电压暂降的敏感度阈值

4．5 数学模型的验证和计算时长的对比

4．6 本章小结

第5章 双屏蔽感应电动机屏蔽套电磁力研究

5．1 电磁力计算方法

5．2 屏蔽套电磁力计算结果

5．2．1 定子屏蔽套和转子屏蔽套电磁力的区别

5．2．2 直线段区域和端部区域电磁力的区别

5．3 屏蔽套对端部绕组电磁力的影响

5．4 屏蔽套电磁力的影响因素分析

5．4．1 屏蔽套材料对电磁力的影响

5．4．2 锥形环和支撑筒材料对电磁力的影响

5．4．3 环流对电磁力的影响

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及获得成果

致谢