Numerical simulation of the end-winding deformations in the synchronous machine under symmetrical short-circuit conditions using FEM

摘要

In this paper the numerical simulation of the end-winding deformations in a synchronous machine under symmetrical short circuit conditions is presented. A sequentially coupled numerical simulation between an electromagnetic and a structural mechanical problem has been carried out. Owing to the short-circuit conditions, both problems are to be computed in the time-domain. Analysis of the time-variant magnetic field has been performed using the T,Φ-Φ formulation for the finite element method (FEM). This way, the influence of the induced eddy currents in the clamping-plates and in the housing of the machine on the magnetic field in the end-region of the generator has been taken into the account. In order to reduce the computational time, the non-conforming finite element (FE) mesh approach has been used to solve the electromagnetic problem. In each time-step the Lorentz forces in the end-winding have been calculated and carried over to the structural-mechanical model. These forces have been applied in the centre of the end-winding bars in order to provoke the transient excitation for the mechanical structure. A time-stepping scheme has been applied to calculate end-winding deformations in each time-step.%In der Arbeit wird eine neuartige Methode zur Berechnung der Wickelkopfschwingungen unter Berücksichtigung von symmetrischen Kurzschlussbedingungen vorgestellt. Zur Lösung der elektromagnetischen und strukturmechanischen Problemstellung wird ein sequentiell gekoppeltes Simulationsverfahren im Zeitbereich verwendet. Zur Berechnung des zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feldes wird eine T, Φ-Φ- Formulierung der Finiten Elemente herangezogen. Dies ermöglicht die Berücksichtigung von induzierten Wirbelströmen in der Pressplatte, den Zahnfingern und allen relevanten Gehäuseteilen. Die Verwendung von nicht konformen Netzen führt dabei zu einer erheblichen Reduktion des Berechnungsaufwands. In der vorgestellten Simulationsmethode werden in jedem Zeitschritt die berechneten Lorentzkräfte der strukturmechanischen Simulation bereitgestellt. Diese Kräfte werden dann im Zentrum der Wickelkopfspulen als äußere Lasten vorgeschrieben. Zur Berechnung der räumlichen Deformationen dient ein übliches Zeitschrittintegrationsverfahren.