抽水蓄能發電機轉子結構的電磁力分析與結構優化

朱南龍 齊琳 祁安博

摘 要：勵磁系統是電機的重要部分，影響抽水蓄能發電機組運行的可靠性和穩定運行。為探討抽水蓄能發電機轉子結構的優化策略，本文采用仿真模型分析的方法，對額定運行情況下抽水蓄能發電機轉子磁場與不同磁極結構下轉子磁場有限元進行計算分析，然后結合仿真模擬結構提出針對性建議。

關鍵詞：抽水蓄能;發電機;電磁分析;結構優化

1 發電電動機仿真模型構建

以一臺250MW的12極凸極同步抽水蓄能發電電動機為例，選擇其中一個極進行仿真模擬計算分析，電機主要參數：額定視在功率286380kVA、額定輸出功率277150kVA、額定功率因素0.98、空載勵磁電流1008.4A、額定勵磁電流1600A、額定頻率50Hz、額定轉速250r/min、飛逸轉速375r/min、轉子外徑7430mm、定子內徑7500mm。根據參數，用有限元法求發電機內部磁場分布，算式為：

式中，Js表示電流密度，μ表示磁導率。之后根據抽水蓄能發電機運行工況，完成外電路搭建，進而實現不同工況下同一求解區域的仿真計算。

2 額定運行下發電機轉子磁場分析

2.1 矩形磁極結構下發電機內部磁場計算

考慮到抽水蓄能發電站發電機組日常工況下，其運轉為穩定的額定運行狀態，對常態下磁場進行研究，有利于研究發電機轉子運行性能優化。通過有限元建模分析可知，轉子磁極結構在磁場中受力復雜，磁極極身與極靴形狀是影響磁場強度和分布的重要因素，其不同形狀導致轉子磁極的線圈和阻尼繞組所受電磁力發生變化。在正常工況下，轉子運行的穩定性與可靠性，依賴于磁極線圈與阻尼繞組的性能，因此對磁極結構優化是確保其安全、穩定運行的關鍵。

2.2 塔形向心磁極結構下發電機內部磁場計算

除矩形磁極結構外，抽水蓄能發電機磁極還有塔形結構，即塔形向心磁極。結合本文抽水蓄能發電機轉子結構優化的要求，通過改變矩形磁極極身和極靴結構，將矩形磁極優化為塔形向心磁極，進而使轉子結構獲得優化。在磁極結構優化時，定義以圓心為焦點的左右極身夾角為β角，并結合模型分別計算β=3°、β=3.5°、β=4°時的模型求解域，并通過有限元計算獲得對應磁力線分布即磁感應強度云圖。

通過觀察分析不同結構下磁力線分布即磁感應強度云圖可知，相對于普通的矩形磁極，塔形向心刺激磁通密度上升，磁位最大值下降。此外，當β角取不通值時，穿過磁極線圈的磁力線數量不同，位置也不同。由此可知，磁極形狀對磁極線圈有明顯影響。

2.3 三種極靴類型結構下發電機內部磁場計算

極靴是抽水蓄能發電機磁極的一個獨特結構，其作用于主磁極，減小氣隙磁阻，使主磁極磁場分布改善，易于固定勵磁組。運用有限元軟件仿真計算不同類型極靴結構下，抽水蓄能發電機內部磁場分布情況，即一段弧、三段弧、五段弧下，磁場分布與磁場強度云圖。通過計算獲得不同極靴類型下的磁場參數如下表所示：

3 不同磁極結構下轉子磁極電磁力分析

3.1 磁極線圈電磁力有限元計算與分析

抽水蓄能發電機在正常運行時，氣隙中存在的基波磁場和諧波磁場相互作用，會產生徑向電磁力和切向電磁力，如果二者過大，則會對發電機勵磁繞組造成損壞，那么運用計算公式對二者進行計算，得到每個點上的電磁力值。在具體計算中，考慮到轉子槽內磁場分布不均勻，因此在有限元軟件中，根據各三角的磁密和面積，建立電磁力模型，通過模型仿真計算得到左右兩個磁極線圈電磁力結果，算式為：

式中，f為電磁力，Sk為單元面積，k為單元編號，J為勵磁繞組電流密度，L為勵磁繞組長度，B為磁場大小。由計算可知，磁極受力很大，且雙側磁極受徑向力大小不一致，這對于發電機運行時的危險系數會增加，不利于經濟運行，因此結合實際與模擬計算，對發電機結構進行優化。

3.2 優化后磁極線圈受力對比

分別計算β=0°、β=3°、β=3.5°、β=4°時磁極線圈受力，以尋找最優結構形狀參數。當β=4°時，線圈電磁力數值呈現下降趨勢，左側下降約2.1%，右側下降約3.3%;當β=3.5°時，磁極線圈所受電磁力最大值的變化幅度更加明顯，相對于β=0°時，磁極線圈左側下降約17%，右側下降約15.1%;當β=3°時，現對于其他三種結構，切向電磁力的變化較為明顯，尤其是左側方向，下降約34%，右側下降約11.8%。總體來看，在不同形狀下，β=3°時切向力最小，切向力作用于線圈上會造成線圈斷裂，所以越小越好。當磁極線圈設有擋塊時，電磁力減小有利于線圈安全運行。相對于電磁力的最大值，電磁力的徑向與切向分量更值得關注。

3.3 優化后阻尼繞組電磁力對比

在塔形向心磁極中，隨著β角度減小，徑向向下的電磁力增加。由分析可知，一段弧、三段弧、五段弧結構下，徑向電磁力變化比較平緩。在抽水蓄能發電機中，阻尼繞組作用顯著，其能夠抑制磁場突變，減輕轉子震蕩，進而穩定系統運行狀態。因為阻尼繞組結構特點，徑向電磁力大小更值得關注。由模擬計算結果分析可知，當β=3°時，沿Y軸負方向的電磁力最大，阻尼繞組結構對離心力起低效作用。

通過極身四種結構、極靴三種結構的模擬計算分析，比較極身結構時β=4°時數值最大，β=3°時數值最小;比較極靴結構時，一段弧最大，三段弧最小。由此可見，結合抽水蓄能發電機運行實際，對轉子結構進行優化時，本文分析可提供參考。

參考文獻：

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