雙饋異步風力發電機轉子半開口槽應用分析

彭朝霞，郭宇軒，嚴世洪，程秀杰，楊 柳

雙饋異步風力發電機轉子半開口槽應用分析

彭朝霞1, 2，郭宇軒1, 2，嚴世洪1, 2，程秀杰1, 2，楊 柳1, 2

（1. 海上風力發電裝備與風能高效利用全國重點實驗室-湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭 411101；2. 湖南湘電動力有限公司，湖南湘潭 411101）

針對雙饋異步風力發電機轉子嵌線效率較低的問題，提出了將轉子槽型更換為半開口槽的方案。選取了某雙饋異步風力發電機在制機型，設計了其半開口槽方案，對其進行了電磁仿真計算、轉子強度仿真計算及制造成本分析，結果表明：雙饋異步風力發電機轉子使用半開口槽能滿足使用性能要求，轉子每槽導體數為4時其制造成本幾乎無增加，且能有效提升轉子嵌線效率，具有較好的應用價值。

雙饋風力發電機轉子半開口槽

0 引言

雙饋異步風力發電機因具有制造成本低、運行可靠、功率因數可控、變頻器容量小等優點，成為了目前國內風力發電市場的主流機型[1-5]。

雙饋異步風力發電機轉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力發電機，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，轉子線圈需從鐵芯端面插入，因此線圈只能一端機械折彎，另一端需人工彎形。隨著雙饋異步風力發電機功率的不斷增大，轉子線規相應提升，人工彎形費時費力，嚴重影響生產進度，因此將雙饋異步風力發電機轉子槽型更換為一種槽口更大的槽型，對于提高生產效率就有十分重要的意義。

本文提出將雙饋異步風力發電機轉子槽型更換為半開口槽，更換后轉子線圈兩端均可機械折彎成型，并從槽口處分半嵌線，能有效提高生產效率。文中以某雙饋異步風力發電機在制機型為例，進行了電磁仿真計算、轉子強度仿真計算及制造成本分析，結果說明了雙饋異步風力發電機轉子采用半開口槽的可行性。

1 有限元仿真計算

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

圖1 半閉口槽槽內嵌線及槽型示意圖

圖2 半開口槽槽內嵌線及槽型示意圖

表1 某型號雙饋異步風力發電機主要電磁參數

使用半開口槽主要影響電機諧波畸變率、機械強度及制造成本[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，對電機額定工況進行了有限元分析，得到兩個方案額定工況相電壓、相電流某個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

根據表2-3中結果，結合式（1），對三相電壓進行諧波畸變率計算，計算結果如表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算結果

根據表4結果，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%的設計要求。

1.2 轉子強度仿真計算

更換轉子槽型需保證其機械強度符合要求，由于方案一已試制成功，此處僅進行方案二的轉子強度仿真計算。

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進行轉子強度仿真，為了提高計算效率，圓周方向取1/48，軸向厚度取10 mm。仿真所得應力分布如圖7～圖10所示，仿真結果見表5。

圖7 方案二轉子鐵芯額定工況應力分布云圖

圖8 方案二轉子鐵芯超速工況應力分布云圖

圖9 方案二槽楔額定工況應力分布云圖

圖10 方案二槽楔超速工況應力分布云圖

表5 轉子強度仿真結果

根據圖7～圖10及表5結果，方案二的轉子鐵芯和槽楔的最大應力均小于其許用應力，說明轉子強度滿足使用需求。

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

根據表6結果，方案二可節約工時約5 h，但增加成本約3000元/臺，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。

但對于每槽導體數為4的雙饋異步風力發電機，其半閉口槽的槽內嵌線意圖如圖11所示，半開口槽的槽內嵌線意圖與圖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項成本一致，其余4項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，同時能節約工時約5 h。

圖11 每槽導體數4時半閉口槽槽內嵌線示意圖

3 結論

針對雙饋異步風力發電機轉子嵌線效率較低的問題，提出了將轉子槽型更換為半開口槽的方案。文中選取了某雙饋異步風力發電機在制機型，設計了其半開口槽方案，對其進行了電磁仿真計算、轉子強度仿真計算及制造成本分析，結果表明：

1）雙饋異步風力發電機轉子由半閉口槽改為半開口槽對于其諧波畸變率、機械強度影響較小，能夠滿足電機使用需求；

2）轉子每槽導體數為2時，轉子采用半開口槽電機制造成本增加較多，不適合采用此槽型；

3）轉子每槽導體數為4時，轉子采用半開口槽材料成本幾乎無增加且節約較多工時，能有效提高雙饋異步風力發電機的生產效率，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

B

1003-4862（2023）08-0034-04

2023-02-07

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