发电电动机磁极连接线选型设计_卢伟甫.pdf

发电电动机磁极连接线选型设计2023.3发电电动机磁极连接线选型设计卢伟甫，刘殿海，桂中华，孙晓霞，季晓林(国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京 100761)摘要发电电动机转子磁极连接线同类化故障频发，选型设计成为关键问题。本文通过三维有限元参数化建模，分析五种典型结构磁极连接线在不同容量和转速下的应力特点，结果表明各典型结构局部最大应力与转速的关联度较大，提出高速发电电动机的磁极连接线建议采用切向连接结构，中速发电电动机的磁极连接线建议采用垂直磁轭 U 型连接，低速发电电动机的磁极连接线建议采用分体铜板 U 型连接。同时对U 型连接引出头的弯角和高度、引出段与引出头的连接位置、连接线的厚度、以及连接线固定螺栓规格、个数等关键设计参数的选型进了分析，提出增大引出头弯角和高度，增加引出段长度、增加连接线厚度、选用较大规格和较多数量的螺栓固定有助于减小磁极连接线受力。分析结果可为发电电动机磁极连接线设计提供可靠的选型依据。关键词发电电动机;磁极连接线;参数化建模;应力分布;选型设计 中图分类号TM32 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0028-08Selection Design of Magnetic Pole Connection Line in Generator MotorsLU Weifu，LIU Dianhai，GUI Zhonghua，SUN Xiaoxia，JI Xiaolin(Pumped-storage Technological Economic esearch Institute，State Grid XinyuanCompany Ltd，Beijing 100761，China)Abstract:The similar faults of magnetic pole connection line in generator motors occur frequently，and its selection design becomes a key problem The three-dimensional finite element parametricmodels were built to analyze the stress characteristics of five typical magnetic pole connection linesunder different capacities and speeds esults show that the correlation between the local maximumstress of each typical structure and the rotational speed is large The tangential connection structure issuggested for the magnetic pole connection line of high-speed generator motors，the vertical yokeU-type connection structure is suggested for the magnetic pole connection line of medium-speedgenerator motors，and the U-type split copper plate connection structure is suggested for the magneticpole connection line of low-speed generator motors Meanwhile，the selection of key design parameterssuch as the bending angle and height of the U-shaped connection lead head，the connection positionof the lead segment and the lead，the thickness of the connection line，and the specification and thenumber of bolts fixed on the connection line were analyzed It is proposed that the increasement of thebending angle and the height of the lead head，the length of the lead segment，the thickness of theconnection line，and the selection of larger specification and larger number of bolts are helpful toreduce the force of the magnetic pole connection line The analysis results can provide reliableselection basis for the design of magnetic pole connection line in generator motorKey words:generator motor;magnetic pole connection line;parametric modeling;stress distribution;selection design基金项目:国家电网公司科技项目(52573017000D，52573021N00E)0前言抽水蓄能发电电动机转子双向旋转且启停频繁，磁极极间连接线在运行中通过电流达到数千安培，它不仅承受高速转动时离心力所产生的静应力及温度变化和振动等形成的动应力，还要承受外部电磁力作用1-6。若磁极连接线本身设计不合理，极易在电、热、机复合应力的作用下产生裂纹或疲劳失效，进而822023.3大 电 机 技 术发生断裂事故7-10。因此，磁极连接线的可靠设计对提高抽水蓄能发电电动机的安全运行水平具有重要意义。磁极连接线有多种结构型式11-12，如按材质分有单层铜排(硬连接)和多层铜片方式(柔性连接)，按固定形式分有整体铜排固定(直接连接)和分体铜排(组合连接)固定形式。结构型式的优劣主要通过应力水平和疲劳寿命计算评估，应力越小或疲劳寿命越长代表结构型式具有较高的适用性13-14。文献 13对比了单层和多层铜排引线的应力和形变，表明单层铜排优于多层铜排。文献 14表明极间连接结构疲劳寿命最小的位置均为应力水平较高的部位。上述文献缺乏对磁极连接线在不同转速和容量下的适用性研究，对关键参数的选型设计也未见研究。本文针对国内外制造厂家的发电电动机磁极连接线的五种典型结构型式进行有限元建模，利用三维有限元参数化建模方法研究了典型结构在 16 种容量和转速下的适用性，并分析了关键参数不同取值下的典型结构的应力分布特点，研究如直角弯半径、螺栓数目和规格、软硬连接等关键参数的选取原则，分析结果可为机组磁极连接线设计提供可靠的选型依据。1典型结构选型研究1.1典型结构应力分布特点分析磁极连接线选用 Cu-ETP 300 材料，其许用应力为 300MPa。飞逸转速下的局部最大离心力应小于许用应力15-18。作者前期已研究得出考虑机热耦合比考虑单一机械应力下磁极连接线应力明显增加19，但两种条件下应力分布特点基本一致。在简化计算且不影响选型结论前提下，本文主要基于机械应力进行不同容量和转速机组磁极连接线选型研究。本文利用Ansys workbench 建立五种典型磁极连接线结构的三维机械有限元模型，五种典型磁极连接线结构包括直角铜排引出分体铜排平铺磁轭的 U 型结构(简称典型结构一)、直角铜排引出整体铜排垂直磁轭的 U 型结构(简称典型结构二)、多匝铜片引出分体铜排平铺磁轭的 U 型结构(简称典型结构三)、直角铜排引出整体铜排平铺磁轭的 U 型结构(简称典型结构四)、多匝铜片引出的切向结构(简称典型结构五)。这五种典型结构已分别在五家电站应用，机组参数及磁极连接线三维局部最大应力值见表 1。计算得到飞逸转速下的应力分布特点如图 1 所示。表 1已应用典型结构的机组参数及磁极连接线局部应力统计典型结构(应用机组容量/MVA)/(转子直径/m)/(飞逸转速/(r/min)/极数局部最大应力值/MPa典型结构一300/6.43/465/20157典型结构二336/6.43/465/20138典型结构三268/5.54/535/18289典型结构四322/6.12/485/18138典型结构五336/4.47/720/127092发电电动机磁极连接线选型设计2023.3图 1典型结构动应力分布特点由表 1 和图 1 可知，对于典型结构一，磁极连接线的应力和变形最大区域集中在磁极线圈引出线和 连接处。对于典型结构二，最大应力区域集中在磁极线圈引出线和连接线弯角处。对于典型结构三，最大应力区域集中在磁极线圈引出线和螺栓连接处，最大应力值接近强度极限 300MPa，比较危险。对于典型结构四，最大应力区域集中在磁极线圈引出线和连接线压板处。对于典型结构五，最大应力区域集中在连接线与磁极线圈引出线的焊点处。1.2采用参数建模和缩放比例法分析典型结构转速和容量的适用性转动部件离心力计算公式为:C=m(n/30)2(1)式中，m 为 转 动 部 件 质 量，kg;n 为 转 速，r/min，这里为飞逸转速;为旋转半径，m，这里为磁极连接线安装位置。安装位置与磁极外径 Dr有关，Dr与定子内径 Dsi有关，定子内径 Dsi与额定容量 SN、额定转速 nN的关系式为20:D2silt=SN/(KAnN)(2)式中，Dsi单位为 m;SN单位为 kVA;lt为铁芯长度，m;KA为利用系数，kVA/(m3 r/min)。由式(1)和(2)可知，磁极连接线离心力大小与机组容量和转速有关。统计已经生产运行的 16 家电站的机组参数，按容量和转速将机组分类，机组容量在 60 336MVA 范围内，定义小于 200MVA 的机组为小容量机组，大于300MVA 容量的机组为大容量机组，处于中间范围的是中容量机组，飞逸转速在 300 1050r/min 范围内，定义低于 400r/min 的转速是低速，高于 600r/min 的转速是高速，处于中间范围的是中速。032023.3大 电 机 技 术利用三维有限元参数建模和缩放比例法分析各典型结构在高、中、低转速和大、中、小容量组合下的应力分布，具体为:(1)在建模时将所有几何尺寸及位置用变量表示。(2)变量初始值设置为表 1 五种典型结构已应用机组磁极连接线实际尺寸。(3)在计算某典型结构在某种容量和飞逸转速下机组的适用性时，将该容量和转速下对应的转子直径与表 1 该典型结构转子直径初始值的比值作为转子直径的缩放比例。考虑到不同转子半径和极数造成的极间尺寸不同，将表 1 该典型结构的极数与该容量和转速下对应的极数的比值作为极间尺寸的缩放比例。将表 1 该典型结构转子铁芯直径按照转子直径缩放比例缩放，将磁极连接线尺寸按照转子直径的缩放比例与极间尺寸的缩放比例的乘积进行缩放，即可得到该容量和转速下的模型。将该飞逸转速作为速度载荷施加。(4)进行五种典型结构在 16 家电站不同容量和飞逸转速参数条件下的应力和变形分析。采用参数化建模和缩放比例法分析同一典型结构在不同电站机组应用的适用性，以典型结构一在四个电站应用为例，四个电站机组分别代表小容量小转速、小容量高转速、中容量高转速、大容量中转速机组，机组容量(MVA)/转子直径(m)/飞逸转速(r/min)参数分别为:40/6.8/335、60/2.64/1050、218/4.27/725、32