彭朝霞，郭宇軒，嚴(yán)世洪，程秀杰，楊 柳

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子半開口槽應(yīng)用分析

彭朝霞1, 2，郭宇軒1, 2，嚴(yán)世洪1, 2，程秀杰1, 2，楊 柳1, 2

（1. 海上風(fēng)力發(fā)電裝備與風(fēng)能高效利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南湘潭 411101；2. 湖南湘電動(dòng)力有限公司，湖南湘潭 411101）

針對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子嵌線效率較低的問題，提出了將轉(zhuǎn)子槽型更換為半開口槽的方案。選取了某雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在制機(jī)型，設(shè)計(jì)了其半開口槽方案，對其進(jìn)行了電磁仿真計(jì)算、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真計(jì)算及制造成本分析，結(jié)果表明：雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子使用半開口槽能滿足使用性能要求，轉(zhuǎn)子每槽導(dǎo)體數(shù)為4時(shí)其制造成本幾乎無增加，且能有效提升轉(zhuǎn)子嵌線效率，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子半開口槽

0 引言

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)因具有制造成本低、運(yùn)行可靠、功率因數(shù)可控、變頻器容量小等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電市場的主流機(jī)型[1-5]。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主要有半開口槽與半閉口槽兩種[6-8]，由于采用半開口槽的電機(jī)諧波畸變率較高，該槽型較少被采用于早期小功率雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而主要采用諧波與附加損耗較小的半閉口槽，并一直沿用至今[9-10]，但半閉口槽槽口較小，轉(zhuǎn)子線圈需從鐵芯端面插入，因此線圈只能一端機(jī)械折彎，另一端需人工彎形。隨著雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷增大，轉(zhuǎn)子線規(guī)相應(yīng)提升，人工彎形費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，因此將雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽型更換為一種槽口更大的槽型，對于提高生產(chǎn)效率就有十分重要的意義。

本文提出將雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽型更換為半開口槽，更換后轉(zhuǎn)子線圈兩端均可機(jī)械折彎成型，并從槽口處分半嵌線，能有效提高生產(chǎn)效率。文中以某雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在制機(jī)型為例，進(jìn)行了電磁仿真計(jì)算、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真計(jì)算及制造成本分析，結(jié)果說明了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用半開口槽的可行性。

1 有限元仿真計(jì)算

以某雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在制機(jī)型為例，其轉(zhuǎn)子采用半閉口槽，該方案主要電磁參數(shù)如表1方案一所示，槽內(nèi)嵌線及槽型示意如圖1所示。將該方案轉(zhuǎn)子槽型改為半開口槽作為對照組，其余參數(shù)與原方案一致，該方案主要電磁參數(shù)如表1方案二所示，槽內(nèi)嵌線及槽型示意如圖2所示。

圖1 半閉口槽槽內(nèi)嵌線及槽型示意圖

圖2 半開口槽槽內(nèi)嵌線及槽型示意圖

表1 某型號(hào)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要電磁參數(shù)

使用半開口槽主要影響電機(jī)諧波畸變率、機(jī)械強(qiáng)度及制造成本[9]，因此本文將對上述方面展開對比研究。

1.1 諧波畸變率仿真計(jì)算

在AnsysMaxwell2D軟件中分別建立表1中兩方案的單極有限元分析模型，對電機(jī)額定工況進(jìn)行了有限元分析，得到兩個(gè)方案額定工況相電壓、相電流某個(gè)周期的波形分別如圖3～圖6所示。

圖3 方案一相電壓波形

圖4 方案一相電流波形

圖5 方案二相電壓波形

圖6 方案二相電流波形

對圖3～圖6所得波形分別進(jìn)行傅立葉分解，得到各次諧波幅值，其中前10諧波幅值如表2-3所示。

表2 方案一前10次諧波幅值

表3 方案二前10次諧波幅值

根據(jù)表2-3中結(jié)果，結(jié)合式（1），對三相電壓進(jìn)行諧波畸變率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

式中：THD為諧波畸變率，u1為基波幅值，un為n次諧波幅值，n=2,3…。

表4 兩方案諧波畸變率計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4結(jié)果，方案二的相電壓、相電流畸變率均略高于方案一，但仍能滿足諧波畸變率小于5%的設(shè)計(jì)要求。

1.2 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真計(jì)算

更換轉(zhuǎn)子槽型需保證其機(jī)械強(qiáng)度符合要求，由于方案一已試制成功，此處僅進(jìn)行方案二的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真計(jì)算。

在ANSYS Workbench軟件中建立方案二仿真模型，分別對額定工況1700 r/min及超速工況2460r/min進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真，為了提高計(jì)算效率，圓周方向取1/48，軸向厚度取10 mm。仿真所得應(yīng)力分布如圖7～圖10所示，仿真結(jié)果見表5。

圖7 方案二轉(zhuǎn)子鐵芯額定工況應(yīng)力分布云圖

圖8 方案二轉(zhuǎn)子鐵芯超速工況應(yīng)力分布云圖

圖9 方案二槽楔額定工況應(yīng)力分布云圖

圖10 方案二槽楔超速工況應(yīng)力分布云圖

表5 轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真結(jié)果

根據(jù)圖7～圖10及表5結(jié)果，方案二的轉(zhuǎn)子鐵芯和槽楔的最大應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，說明轉(zhuǎn)子強(qiáng)度滿足使用需求。

2 制造成本分析

兩方案的成本分析對比如表6所示。

表6 制造成本分析對比

根據(jù)表6結(jié)果，方案二可節(jié)約工時(shí)約5 h，但增加成本約3000元/臺(tái)，成本增加的原因是方案一同一繞組的兩根銅排為整體繞包，而方案二則需分開繞包后并頭，造成了云母、并頭楔及焊料的用量大幅提升。

但對于每槽導(dǎo)體數(shù)為4的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其半閉口槽的槽內(nèi)嵌線意圖如圖11所示，半開口槽的槽內(nèi)嵌線意圖與圖2（a）一致。將圖11與圖2（a）對比可知，兩槽型對應(yīng)的絕緣方案與并頭方式一致，因此表6中線圈絕緣、并頭楔及焊料3項(xiàng)成本一致，其余4項(xiàng)成本相加可得方案二相比方案一制造成本僅增加約100元/臺(tái)，同時(shí)能節(jié)約工時(shí)約5 h。

圖11 每槽導(dǎo)體數(shù)4時(shí)半閉口槽槽內(nèi)嵌線示意圖

3 結(jié)論

針對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子嵌線效率較低的問題，提出了將轉(zhuǎn)子槽型更換為半開口槽的方案。文中選取了某雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在制機(jī)型，設(shè)計(jì)了其半開口槽方案，對其進(jìn)行了電磁仿真計(jì)算、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度仿真計(jì)算及制造成本分析，結(jié)果表明：

1）雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由半閉口槽改為半開口槽對于其諧波畸變率、機(jī)械強(qiáng)度影響較小，能夠滿足電機(jī)使用需求；

2）轉(zhuǎn)子每槽導(dǎo)體數(shù)為2時(shí)，轉(zhuǎn)子采用半開口槽電機(jī)制造成本增加較多，不適合采用此槽型；

3）轉(zhuǎn)子每槽導(dǎo)體數(shù)為4時(shí)，轉(zhuǎn)子采用半開口槽材料成本幾乎無增加且節(jié)約較多工時(shí)，能有效提高雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)效率，適合采用此槽型。

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Double-fed asynchronous wind turbine rotorSemi-open slot application analysis

Peng Zhaoxia1, 2, Guo Yuxuan1, 2, Yan Shihong1, 2, Cheng Xiujie1, 2,Yang Liu1, 2

(1. National Key Laboratory of Offshore Wind Power Equipment and Efficient Utilization of Wind Energy-XEMC, Xiangtan 411101, Hunan, China; 2. Xiangtan Electric Power Co., Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM614

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1003-4862（2023）08-0034-04

2023-02-07

彭朝霞（1983-），女，工程師。研究方向：大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)。E-mail: 104689583@qq.com