同步發(fā)電機(jī)定子-繞組系統(tǒng)耦合振動(dòng)特性

摘 要：針對同步發(fā)電機(jī)定子-繞組系統(tǒng)耦合振動(dòng)問題，重點(diǎn)研究了發(fā)電機(jī)定子-繞組系統(tǒng)的一、二次強(qiáng)迫耦合振動(dòng)特性。首先建立了發(fā)電機(jī)鐵心和繞組系統(tǒng)的力學(xué)解析模型，推導(dǎo)得到了定子鐵心所受的磁拉力解析表達(dá)式、定子繞組所受的電磁力解析表達(dá)式，分析兩種載荷各自的激勵(lì)特性和相互間的耦合特性、定子鐵心和定子繞組的振動(dòng)響應(yīng)特性。然后，在有限元仿真軟件中建立了發(fā)電機(jī)三維全局模型并進(jìn)行了機(jī)-電-磁多場耦合仿真計(jì)算，得到了鐵心與繞組的載荷激勵(lì)數(shù)據(jù)和力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。最后，利用YC-3型一、二次強(qiáng)迫振動(dòng)耦合實(shí)驗(yàn)機(jī)組，對繞組所受到的一次強(qiáng)迫振動(dòng)、二次強(qiáng)迫振動(dòng)和一、二次強(qiáng)迫耦合振動(dòng)特性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子-繞組系統(tǒng)激勵(lì)及其一、二次強(qiáng)迫振動(dòng)均為耦合加成關(guān)系，端部繞組耦合激勵(lì)/耦合振動(dòng)主要包括直流分量和二倍頻成分，且直流分量和二倍頻成分的幅值大于僅受單一激勵(lì)下的幅值。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)；定子-繞組系統(tǒng)；定子磁拉力；繞組電磁力；耦合振動(dòng)

DOI：10.15938/j.emc.2024.11.002

中圖分類號：TM311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）11-0012-13

Coupling vibration characteristics of stator-winding system in synchronous generators

XU Mingxing^1，2， HE Yuling¹， ZHANG Wen¹， DAI Derui¹， FU Zixiang¹， WAN Shuting¹

（1.Hebei Engineering Research Center for Advanced Manufacturing and Intelligent Operation and Maintenance of Electric Power Machinery， North China Electric Power University， Baoding 071000，China; 2.Baoding Key Laboratory of Intelligent Measurement and Control and Industrial Interconnection， Hebei Software Institute， Baoding 071000， China）

Abstract：Regarding the issues of synchronous generator stator-winding system coupling vibration， the research focuses on the first and second forced coupling vibration characteristics of the generator stator-winding system. Firstly， the mechanical analytical model of the generator core and winding system was established， and the stator core magnetic pull force analytical expression and stator winding electromagnetic force analytical expression were derived to analyze the excitation characteristics of the two kinds of loads and their mutual coupling characteristics， as well as the vibration response characteristics of the stator core and stator winding. Then， a three-dimensional global model of the generator was established in finite element simulation software and the mechanical-electrical-magnetic multi-field coupling simulation was carried out， and the load excitation data and mechanical response data of the stator core and the winding were obtained. Finally， the first forced vibration， second forced vibration and first and second forced coupled vibration characteristics of the windings subjected to in the YC-3 type first and second forced vibration coupling experimental set were verified. It is shown that the stator-winding system excitation and its first and second forced vibrations during generator operation are both coupled and additive. The coupled excitation/coupled vibration of the end winding mainly consists of DC component and 2nd frequency component， and the amplitude of DC component and 2nd frequency component is larger than that of the single excitation only.

Keywords：synchronous generator; stator-winding system; stator magnetic pull; winding electromagnetic force; coupling vibration

0 引 言

發(fā)電機(jī)組作為電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在電網(wǎng)運(yùn)行過程中發(fā)揮著重要作用。通常發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)振動(dòng)幅度和繞組溫度的閾值控制來執(zhí)行保護(hù)操作，且電樞繞組的劇烈振動(dòng)將嚴(yán)重影響能量轉(zhuǎn)換效率并降低發(fā)電機(jī)的使用壽命，然而，發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中許多因素都將加劇繞組的振動(dòng)。因此，對發(fā)電機(jī)繞組振動(dòng)的監(jiān)測和抑制受到越來越多的關(guān)注^[1]。

以定子端部繞組為例，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的重要作用，其劇烈的振動(dòng)已成為發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的主要原因之一^[2-]。到目前為止，已有許多學(xué)者對定子端部繞組的振動(dòng)特性做出了出色的研究工作。例如在正常工況中，文獻(xiàn)[4-6]基于有限元分析計(jì)算了端部繞組的磁場分布與端部繞組電磁力的分布，并通過結(jié)合集成方法得到了轉(zhuǎn)子端部的漏磁場和繞組電磁力，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，以此來評估端部繞組的振動(dòng)特性。隨后，研究人員進(jìn)一步研究了發(fā)電機(jī)在偏心、短路以及偏心和短路復(fù)合故障下的端部繞組受力及振動(dòng)特性^[7-8]。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元軟件不斷得到改進(jìn)，具備了更高的計(jì)算精度和效率。因此，在更先進(jìn)的有限元軟件的輔助下，繞組電磁力在端部繞組上的詳細(xì)分布^[9]、繞組電磁力引起的端部繞組的振動(dòng)響應(yīng)^[10]及其特性^[11]得到了更深入的研究。更重要的是，如何在有限元軟件中建立更適合振動(dòng)分析的端部繞組新模型^[12]、優(yōu)化端部繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案^[1]以及確定端部繞組振動(dòng)特性^[8，10-11]已成為新的研究課題。

現(xiàn)有研究已經(jīng)針對端部繞組受力及振動(dòng)做了大量的工作，但以往的研究工作主要集中在單一的端部繞組電磁場特性以及由其引起的繞組振動(dòng)。顯然對于發(fā)電機(jī)中各部件相互聯(lián)系的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，其端部繞組的振動(dòng)不可能僅由電磁力作用引起。Patel和Butler于二十世紀(jì)八十年代就已提出定子鐵心-繞組系統(tǒng)可以等同于2個(gè)自由度系統(tǒng)的論點(diǎn)^[14]。不僅繞組電磁力會(huì)引起端部繞組振動(dòng)，而且鐵心振動(dòng)也會(huì)通過定子繞組的直線段傳遞到端部繞組。因此，端部繞組的振動(dòng)在發(fā)電機(jī)中應(yīng)為耦合振動(dòng)。

基于上述分析，在研究定子端部繞組的振動(dòng)特性時(shí)，也應(yīng)考慮定子鐵心的振動(dòng)特性。對于定子鐵心的振動(dòng)特性，也有很多學(xué)者進(jìn)行了非常詳細(xì)的研究。例如，文獻(xiàn)[15]為克服解析法和有限元法在電磁力波計(jì)算中的缺點(diǎn)，提出一種電磁力波的快速準(zhǔn)確計(jì)算方法。文獻(xiàn)[16]提出一種解析方法用于計(jì)算定子鐵心的振動(dòng)特性，克服了當(dāng)前有限元計(jì)算耗時(shí)太長等缺點(diǎn)，并驗(yàn)證得到了兩者分析結(jié)果誤差小于5%。以上研究為定子振動(dòng)特性的分析提供了重要參考，但未提及定子振動(dòng)對端部繞組的影響。尤其是未考慮定子-繞組的激勵(lì)耦合特性與振動(dòng)響應(yīng)特性。

本文以定子鐵心-繞組系統(tǒng)的耦合振動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，通過理論解析、有限元計(jì)算和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探索直線段繞組二次強(qiáng)迫振動(dòng)（定子鐵心傳遞）與端部繞組一次強(qiáng)迫振動(dòng)（電磁力激發(fā)）的耦合作用機(jī)制，為電機(jī)設(shè)計(jì)者對耦合振動(dòng)下絕緣磨損退化風(fēng)險(xiǎn)位置進(jìn)行定位、針對性地進(jìn)行特殊的工藝處理及相關(guān)繞組制造、安裝工藝的改進(jìn)提供理論參考。

1 理論分析

1.1 物理模型

簡化后的鐵心-繞組力學(xué)激勵(lì)的耦合物理模型如圖1所示，端部繞組為類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，直線段繞組為類似多支撐彈性簡支梁結(jié)構(gòu)。

由于與端部繞組相連的直線段繞組嵌裝在鐵心中，不同運(yùn)行狀態(tài)將引發(fā)定子鐵心產(chǎn)生不同程度、不同規(guī)律的振動(dòng)，并通過直線段繞組將振動(dòng)傳遞至端部繞組。相當(dāng)于整個(gè)定子繞組在端部承受電磁力激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)的同時(shí)，還將承受直線段部分傳遞的來自于定子鐵心所施加的強(qiáng)迫振動(dòng)（其本質(zhì)激勵(lì)源為定子鐵心在不同運(yùn)行狀態(tài)下所受的磁拉力）。因此，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及所受約束的特點(diǎn)得到二力學(xué)自由度的定子-繞組精簡結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2中：Fw為端部繞組電磁力；K1表示剛度；D1表示阻尼；yw（t）為端部繞組振動(dòng)的位移矩陣，用來反映繞組總體變形量；m1表示定子鐵心質(zhì)量；Fs為定子鐵心所受磁拉力；K2為剛度；D2為阻尼；ys（t）為定子鐵心振動(dòng)的位移矩陣，用來反映振幅即總體變形量；m2表示繞組質(zhì)量。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)Fw和Fs總是同時(shí)存在，即yw（t）和ys（t）之間存在一定的耦合關(guān)系。系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

F′（t）=Ma;

F′（t）=F（t）－FK（t）－FD（t）；

F（t）=Fw（t）Fs（t）；

FK（t）=Ky（t）=k1+k2－k2－k2k2yw（t）ys（t）；

FD（t）=Dy·（t）=D1+D2－D2－D2D2y·w（t）y·s（t）；

M=m100m2；

a=y··（t）=y··w（t）y··s（t）。（1）

式中：K為剛度矩陣；D為拉線作用的阻尼矩陣；M為質(zhì)量矩陣；FK（t）和FD（t）分別是由彈性彈簧和阻尼提供的抵抗力矩陣；F（t）為激勵(lì)載荷矩陣；y（t）為位移矩陣。

雖然已將實(shí)際系統(tǒng)化簡為多自由度系統(tǒng)，但研究其振動(dòng)的幅值波動(dòng)仍具有一定難度。因此對分析過程進(jìn)行了簡化，意圖通過激勵(lì)特性來映射振動(dòng)特性。即從系統(tǒng)的受力入手進(jìn)行分析。實(shí)際上，由于技術(shù)條件的限制，這種力很難測量，因此常通過測量加速度來反應(yīng)力的振動(dòng)，這是因?yàn)榱εc繞組的加速度成比例，具體參考式（1）。

1.2 電磁力與鐵心磁拉力

對定子鐵心所受磁拉力與定子繞組所受電磁力這兩種激勵(lì)關(guān)聯(lián)耦合效應(yīng)進(jìn)行分析與求解。其中：定子鐵心的材料為硅鋼片，是一種典型的導(dǎo)磁體，定子鐵心所受的磁拉力屬于磁場力的一種（典型特征為受力體不通電）；而定子繞組材料一般為銅，是典型的導(dǎo)電體，他受到的電磁力（安培力）為另一種形式的磁場力（典型特征為受力體通電）。其中，氣隙磁通密度作為計(jì)算電磁力和鐵心磁拉力的關(guān)鍵參量，可由氣隙磁動(dòng)勢^[17]與磁導(dǎo)^[18]相乘獲得。即氣隙磁通密度為

B（αm，t）=f（αm，t）Λ（αm，t）=

Fccos（ωt－pαm－β）Λ0。（2）

式中：Fc為氣隙合成磁動(dòng)勢；Λ0為單位面積氣隙磁導(dǎo)。

由圖3可知，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為實(shí)心圓柱體結(jié)構(gòu)，而定子為對稱空心殼體結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)合力相互抵消，故定子振動(dòng)只能用其鐵心磁拉力來反映^[19]，因此，定子振動(dòng)借由內(nèi)圓面所受鐵心磁拉力表達(dá)，可表示為

q（αm，t）=B（t）22μ0=［Λ0Fccos（ωt－pαm－β）］22μ0=

F2cΛ204μ0［1+cos（2ωt－2pαm－2β）］。（3）

對于定子鐵心磁拉力，可以將其理解為磁體對于導(dǎo)磁體的引力。再根據(jù)定子鐵心結(jié)構(gòu)，可以得到定子鐵心在磁場中的受力與變形，如圖3所示。

根據(jù)圖1與圖4所示的繞組結(jié)構(gòu)及其受載示意圖，端部繞組電磁力^[20]為

Fs（αm，t）=∫l0Bl（αm，t）i（αm，t）cosαlsinβldl=

∫l0Bl（αm，t）［B（αm，t）Lv/Z］cosαlsinβldl=

ηB2（αm，t）Llv/Z=

12F2cΛ20ηLlv［cos（2ωt－2pαm－2β）+1］/Z。（4）

式中：Bl（αm，t）為發(fā)電機(jī)端部磁通密度，數(shù)值上為B（αm，t）與削弱系數(shù)η的乘積，其中0lt;ηlt;1；i為電流；L為繞組直線部分的長度；l為繞組漸開線部分軸向長度；αl為端部繞組某點(diǎn)磁通密度與該點(diǎn)法線的夾角；βl為端部繞組某點(diǎn)法線與轉(zhuǎn)子軸線的夾角；v為直線段繞組切割磁感線的速度；Z為阻抗。

發(fā)電機(jī)在無故障時(shí)磁場呈對稱分布，如圖5所示。在1個(gè)周期內(nèi)發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場變化可以分解為4種特殊時(shí)刻的狀態(tài)，如圖6所示。

由圖6可得，1對極同步發(fā)電機(jī)直線段繞組電磁力方向總是在切向和徑向之間來回切換。具體來說，發(fā)電機(jī)從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)3時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了180°，同時(shí)繞組電流方向也發(fā)生了改變。根據(jù)左手定則可得出直線段繞組電磁力方向?yàn)榍邢颍鐖D6（a）和圖6（c）所示；同理，發(fā)電機(jī)從狀態(tài)2變?yōu)闋顟B(tài)4時(shí)，直線段繞組電磁力方向?yàn)閺较颍ù怪庇趫A心向外）。根據(jù)電磁力方向的變換次數(shù)，可直觀地得出繞組電磁力的頻率為發(fā)電機(jī)工頻（50 Hz）的兩倍（100 Hz）。

1.3 耦合特性

所研究的發(fā)電機(jī)以系統(tǒng)工頻旋轉(zhuǎn)。由式（3）和式（4）可知，忽略高次諧波后，電磁力和磁拉力存在同頻成分（直流分量和二倍頻成分）。鐵心磁拉力與繞組電磁力為同頻關(guān)系，將其看作2個(gè)同頻的周期信號。但因?yàn)榇爬εc電磁力作用對象不同，不能直接耦合，在實(shí)際的發(fā)電機(jī)中，定子鐵心將受到磁拉力而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)將通過繞組直線段傳遞到端部，而端部也會(huì)受到電磁力的作用而產(chǎn)生與傳遞的振動(dòng)同頻的振動(dòng)，故實(shí)際發(fā)電機(jī)繞組與鐵心的關(guān)系為振動(dòng)（位移）耦合。為簡化計(jì)算，將定子鐵心傳遞至端部繞組的振動(dòng)簡化為一個(gè)力作用在端部繞組上而產(chǎn)生的振動(dòng)，此力為傳遞力q1，如圖7所示。故繞組的振動(dòng)可看作傳遞力與電磁力耦合作用后的結(jié)果。另外，近似認(rèn)為傳遞力與定子鐵心磁拉力一致。

首先，通過對傳遞力與繞組電磁力的互相關(guān)分析獲取兩種激勵(lì)的相位差確定兩者的關(guān)系。設(shè)兩信號分別為x（t）和y（t），且其表達(dá)式為：

x（t）=A1sin（ωt+θ）;y（t）=A2sin（ωt+θ+φ）。（5）

由于x（t）、y（t）具有相同的周期，故兩者符合同頻相關(guān)，其互相關(guān)函數(shù)為

Rxy（τ）=limT→∞1T∫T0x（t）y（t+τ）dt=

1T0∫^T00A1sin（ωt+θ）A2sin［ω（t+τ）+θ+φ］dt=12A1A2cos（ωτ+φ）。（6）

式中T0為兩列信號的周期。

在互相關(guān)函數(shù)Rxy（τ）中，不僅保留了相位差φ的信息，而且完整保留了兩信號的ω及A的信息。利用該方法，將式（6）中的x（t）和y（t）用端部繞組電磁力和傳遞力代入發(fā)現(xiàn)兩者時(shí)間上的相位差為0。

根據(jù)力的合成原理，得到發(fā)電機(jī)繞組受載情況示意圖，如圖7所示。進(jìn)而得到繞組的合力表達(dá)式為

|F|=|q1+Fs|=

|q1|2+|Fs|2－2|q1‖F(xiàn)s|cos（π－φ）=

Z2+4η2L2l2v2μ20+4ηLlvμ0Zcosφ=

F2cΛ20［1+cos（2ωt－2pαm－2β）］4μ0Z×

Z2+4η2L2l2v2μ20+4ηLlvμ0Zcosφ。（7）

其中：

|q1|=F2cΛ204μ0［1+cos（2ωt－2pαm－2β）］；

|Fs|=ηF2cΛ20Llv2Z［1+cos（2ωt－2pαm－2β）］。（8）

式中φ為傳遞力與繞組端部電磁力夾角。

由圖8可得，傳遞力與繞組端部電磁力夾角φ與發(fā)電機(jī)繞組節(jié)距有關(guān)，由發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)可得

φ≤y2360°z≤τ2360°z=z2p2360°z=90°p。（9）

式中：p為極對數(shù)；z為定子槽數(shù)；τ為極距，2個(gè)磁極之間的距離，通常采用定子槽數(shù)來表示；y為繞組節(jié)距，繞組線圈兩條直線邊間隔的距離，可用定子槽數(shù)來表示。

所以當(dāng)發(fā)電機(jī)確定后，傳遞力與繞組端部電磁力夾角也就隨之確定了，且其一般小于90°。傳遞力與繞組端部電磁力矢量圖如圖9所示，結(jié)合時(shí)域相位差與分析的空間關(guān)系可以推斷出系統(tǒng)的激勵(lì)為加成耦合關(guān)系，故振動(dòng)也應(yīng)為加成關(guān)系。

2 有限元仿真

2.1 研究對象及設(shè)置

根據(jù)河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的CS-5型故障模擬發(fā)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了三維有限元建模，如圖10（a）所示。為了與實(shí)驗(yàn)機(jī)組保持一致，有限元仿真通過設(shè)置外接電路使發(fā)電機(jī)在額定工況下運(yùn)行，如圖10（b）所示。發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

經(jīng)過有限元仿真分析后，將得到的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入另一個(gè)模塊中，計(jì)算繞組機(jī)械響應(yīng)，數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程如圖10（c）所示。

2.2 仿真分析

從圖11中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°從圖11（a）狀態(tài)1變?yōu)閳D11（c）狀態(tài)3時(shí)，直線段繞組電磁力與端部繞組電磁力大小和方向均未發(fā)生巨大改變。另外，直線段繞組電磁力方向雖然未能嚴(yán)格指向轉(zhuǎn)子切向方向，但大部分電磁力方向仍保持一致，始終朝向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向。端部繞組電磁力方向與直線段繞組電磁力方向相比有些許變化，其與繞組切線垂直且遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)端部，并與端部呈銳角。此外，從圖11（b）狀態(tài)2變?yōu)閳D11（d）狀態(tài)4時(shí)，轉(zhuǎn)子依然轉(zhuǎn)動(dòng)了180°，并且從圖中可以看出直線段繞組電磁力的方向始終沿徑向方向（垂直于圓心向外），端部繞組電磁力與繞組切線垂直且指向遠(yuǎn)離軸線方向。

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，從狀態(tài)1到狀態(tài)4實(shí)際上就是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期。在這個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，繞組電磁力的方向跟隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)變化了2次，由此可得繞組電磁力的頻率為100 Hz。圖11與圖6基本保持一致，說明對定子繞組電磁力的仿真較好地驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。

同樣在圖12中，定子鐵心所受磁拉力隨著轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，在狀態(tài)1和狀態(tài)3中，定子鐵心各部位所受磁拉力大小幾乎一致，方向皆沿徑向并指向圓心；同理，狀態(tài)2和狀態(tài)4亦是如此。從狀態(tài)1到狀態(tài)4定子鐵心磁拉力在發(fā)電機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)變換了2次。可以得出定子鐵心磁拉力與繞組電磁力頻率一致，即都為100 Hz。顯然，圖12所得結(jié)果與圖3理論分析結(jié)果一致。

為了更加直觀地表示繞組變化趨勢，利用仿真軟件中的“probe”探針工具，并在繞組中選擇了5個(gè)測點(diǎn)對繞組變形量進(jìn)行分析。具體位置如圖10（d）所示，其中，測點(diǎn)1和測點(diǎn)5位于直線部分與漸開線部分的連接處，測點(diǎn)2和測點(diǎn)4位于漸開線部分的中間位置，測點(diǎn)3位于繞組鼻端。不同激勵(lì)導(dǎo)致的繞組變形量如圖13、圖14和圖15所示。將圖13、圖14和圖15中的變形值進(jìn)行總結(jié)整理，如圖16所示。圖16中圖例“電磁力”為定子繞組電磁力導(dǎo)致的變形量幅值，簡稱一次強(qiáng)迫振動(dòng)。“磁拉力”為定子鐵心磁拉力導(dǎo)致的定子端部繞組變形量幅值，簡稱二次強(qiáng)迫振動(dòng)。“耦合”則是定子繞組電磁力和定子鐵心磁拉力同時(shí)施加，即傳遞力與電磁力耦合激勵(lì)下的繞組變形量幅值，簡稱一、二次強(qiáng)迫耦合振動(dòng)。

從圖16中可以看出無論在何種狀態(tài)下，“耦合”激勵(lì)下的形變量幅值總是最大。且在4種狀態(tài)下，“耦合”作用下5個(gè)測點(diǎn)的變形量也為最大值。仿真分析結(jié)果可以得出一次強(qiáng)迫振動(dòng)與二次強(qiáng)迫振動(dòng)為耦合加成關(guān)系，與理論結(jié)果基本一致。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)對一次強(qiáng)迫振動(dòng)和二次強(qiáng)迫振動(dòng)的單獨(dú)模擬，作者設(shè)計(jì)并制作了YC-3型一、二次強(qiáng)迫振動(dòng)耦合實(shí)驗(yàn)機(jī)組。該機(jī)組能夠?qū)⒗@組電磁力和定子鐵心磁拉力進(jìn)行分離。由于端部繞組的受力情況復(fù)雜、模擬難度大，而定子鐵心上某處的振動(dòng)變化近似于正弦，模擬定子鐵心磁拉力將更為容易，所以從定子鐵心所受磁拉力沿徑向的特點(diǎn)入手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)了一個(gè)樹脂材料“鐵心”（近似空氣磁路），利用激振器徑向激振“鐵心”來模擬定子鐵心磁拉力，如圖17（a）所示。

在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置四對極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為750 r/min，系統(tǒng)工頻為50 Hz。發(fā)電機(jī)繞組作為一個(gè)閉合回路，在旋轉(zhuǎn)磁場中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)，繞組回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而在繞組中產(chǎn)生電流。最后通電導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生力的作用，即繞組電磁力。

具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法為：

1）機(jī)組運(yùn)行，激振器不工作，獲取繞組在電磁力激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)。由于定子鐵心為樹脂材料不導(dǎo)磁，不會(huì)因鐵心受磁拉力而引發(fā)電磁振動(dòng)，此時(shí)測得的繞組振動(dòng)即為電磁力所激發(fā)的振動(dòng)，見圖17（b）。

2）機(jī)組不運(yùn)行，將不同方案下的定子磁拉力波形作為輸入，使激振器對樹脂材料定子鐵心進(jìn)行激勵(lì)，獲得繞組二次強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，見圖17（c）。

3）機(jī)組運(yùn)行，激振器也運(yùn)行（樹脂定子），見圖17（f），此時(shí)測得的繞組振動(dòng)即為一、二次強(qiáng)迫耦合振動(dòng)。

4）機(jī)組運(yùn)行，激振器不運(yùn)行（硅鋼片定子），見圖17（e），此時(shí)測得的繞組振動(dòng)即為天然耦合振動(dòng)（一、二次強(qiáng)迫耦合振動(dòng)），見圖17（d）。

5）對比前面4種情況下測得的振動(dòng)響應(yīng)，驗(yàn)證其是否符合合成規(guī)律，具體實(shí)驗(yàn)方案見表2。

在實(shí)驗(yàn)過程中激振器頻率設(shè)置為系統(tǒng)工頻的2倍，100 Hz，即可模擬由磁拉力引起的定子鐵心振動(dòng)，并將振動(dòng)傳遞到繞組。YC-3型機(jī)組實(shí)驗(yàn)中發(fā)電機(jī)繞組的振動(dòng)數(shù)據(jù)由壓電陶瓷雙屈曲梁（piezoelectric ceramic bimorph，PCB）加速度傳感器測取，且傳感器布置位置與有限元仿真中測點(diǎn)3（見圖10（d））位置相同，都位于端部繞組鼻端。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

通過表2中實(shí)驗(yàn)方案4得到的硅鋼片材料定子（常規(guī)發(fā)電機(jī)）的端部繞組振動(dòng)加速度如圖18所示。通過調(diào)節(jié)激振力的大小，直至方案3中的端部繞組振動(dòng)加速度具體數(shù)值與方案4相同，如圖19（c）和圖19（f）所示（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換幅值存在微小差異，可忽略不計(jì)），此時(shí)激振力的大小為5 N。類似的在方案2中設(shè)置激振力大小為5 N，以模擬作用在定子繞組上的傳遞力（忽略定子為樹脂材料自身物理、機(jī)械性能在二次強(qiáng)迫振動(dòng)和一、二強(qiáng)迫耦合振動(dòng)的影響）。

如圖19所示，端部繞組振動(dòng)的主要頻率成分為二倍頻，與仿真和理論得到的特征頻率成分一致；此外，由圖19可知一、二次強(qiáng)迫耦合振動(dòng)在徑向方向的幅值總是大于單獨(dú)的強(qiáng)迫振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)的一、二次強(qiáng)迫振動(dòng)為加成耦合關(guān)系。

取狀態(tài)1中的端部繞組測點(diǎn)3在不同激勵(lì)下的變形幅值與測試的振動(dòng)進(jìn)行對比，如圖20所示，可以發(fā)現(xiàn)在耦合情況下端部繞組的變形量和加速度為最大。與理論推導(dǎo)結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

本文通過理論推導(dǎo)、有限元仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對同步發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行工況下定子-繞組系統(tǒng)的一、二次強(qiáng)迫耦合振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1）定子-繞組系統(tǒng)的一次強(qiáng)迫振動(dòng)的激勵(lì)源為繞組電磁力，二次強(qiáng)迫振動(dòng)的激勵(lì)源為定子鐵心磁拉力，其二者的主要頻率成分均為二倍頻。

2）發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，直線段繞組電磁力方向總是在徑向和切向間來回切換。

3）定子-繞組系統(tǒng)合力振動(dòng)的耦合關(guān)系為加成關(guān)系。合力振動(dòng)主要包含直流分量和二倍頻成分，且頻率成分幅值都大于僅受單一激勵(lì)下的幅值。

4）無論轉(zhuǎn)子在何種狀態(tài)，5個(gè)測點(diǎn)變形量在耦合激勵(lì)情況下總是最大。

本研究將有助于更全面地了解發(fā)電機(jī)的性能和振動(dòng)特性，尤其是定子鐵心磁拉力與電樞繞組電磁力之間的相互作用。研究內(nèi)容能夠給發(fā)電機(jī)繞組振動(dòng)磨損和絕緣保護(hù)提供寶貴的參考依據(jù)。

下一步工作將進(jìn)一步分析繞組在電磁力激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)導(dǎo)致的絕緣磨損規(guī)律，找出絕緣破壞的危險(xiǎn)位置點(diǎn)，以期在制造裝配過程中有針對性地對危險(xiǎn)位置進(jìn)行特殊工藝處理，實(shí)現(xiàn)絕緣磨損的主動(dòng)預(yù)防。

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（編輯：劉琳琳）