吳 冰，王建良

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001；2.中國(guó)中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，株洲 412001)

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展以及其在電力需求中所占比例的提升，風(fēng)力發(fā)電也遭遇到了風(fēng)電制造技術(shù)、電力輸出、市場(chǎng)等瓶頸，其中風(fēng)電制造技術(shù)中亟需解決的重大技術(shù)問(wèn)題之一就是風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越問(wèn)題。

低電壓穿越是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓降低到一定程度的情況下，不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)維持并網(wǎng)運(yùn)行，甚至還可為電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，以幫助系統(tǒng)恢復(fù)電壓，從而度過(guò)這個(gè)低電壓故障時(shí)段。

根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低壓穿越技術(shù)研究報(bào)告[1]，其中一種低電壓的原因是電網(wǎng)突發(fā)兩相或三相短路而引起網(wǎng)壓陡降。此時(shí)，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的電流約為額定電流的10倍，這可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)某些機(jī)械部件的損壞或機(jī)械壽命的縮短[2]。因此，有必要對(duì)發(fā)電機(jī)在低電壓穿越時(shí)的本體機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行研究。

對(duì)于發(fā)電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子槽楔與轉(zhuǎn)子沖片配合處是機(jī)械強(qiáng)度較薄弱的環(huán)節(jié)。同時(shí)，該處應(yīng)力分布復(fù)雜，需要借助專(zhuān)用軟件才能進(jìn)行較準(zhǔn)確的機(jī)械強(qiáng)度分析，從而找出潛在的危險(xiǎn)部位。

本文以某型號(hào)1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，利用Workbench軟件，對(duì)其轉(zhuǎn)子槽楔機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)子槽楔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足發(fā)電機(jī)低電壓穿越的要求。

1 理論分析

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子鐵心沖片、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及外包絕緣、槽楔、墊條等。發(fā)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，槽楔的受力來(lái)自兩個(gè)方面：一是由槽內(nèi)載流導(dǎo)體所受電磁力傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的一部分力，上層為F1，下層為F2，如圖1所示；二是槽內(nèi)導(dǎo)體(包括層件墊條及絕緣等)及槽楔本身由于發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用在槽楔上的離心力。本文對(duì)安培電磁力及離心力分別進(jìn)行了分析。

圖1 槽楔及導(dǎo)條受安培電磁力示意圖

1)安培電磁力

在不同的工況下，電磁力的作用是不同的。如發(fā)電機(jī)在低電壓穿越(三相對(duì)稱(chēng)跌落)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組三相電流約為額定電流的2倍；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生兩相、三相短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生約額定電流10倍大小的沖擊電流。

下面以某型號(hào)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其額定轉(zhuǎn)子電流I=782 A，則Ip=7 820 A，槽寬bN=0.013 5 m，則電磁力Fsm=1 138 N/m=11.38 N/cm。

2)槽內(nèi)導(dǎo)體等離心力

轉(zhuǎn)子槽形及槽楔尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)子槽形(單位：mm)

圖3 轉(zhuǎn)子槽楔尺寸圖(單位：mm)

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的規(guī)格為4.7 mm×40 mm，每槽為4根，則槽內(nèi)導(dǎo)條截面積A1=752 mm2=7.52 cm2。

槽內(nèi)(不包括槽楔及槽口部位)其余的部分統(tǒng)一視為絕緣材料，其所占面積為A2，則A2=456.25 mm2=4.56 cm2。

每厘米軸向長(zhǎng)度導(dǎo)條質(zhì)量：

G1=ρ1·A1=66.9 g=66.9×10-3kg/cm

每厘米軸向長(zhǎng)度絕緣材料(包括層間墊條、楔下墊條及槽絕緣等)質(zhì)量：

G2=ρ2·A2=11.4 g=11.4×10-3kg/cm

每厘米軸向長(zhǎng)度槽楔的質(zhì)量(槽楔截面積A3=0.642 cm2)

G3=ρ3·A3=1.28 g=1.28×10-3kg/cm

將G1、G2和G3合計(jì)在一起，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，過(guò)速取1 440 r/min(1.2倍額定轉(zhuǎn)速)，則每厘米轉(zhuǎn)子線圈離心力[4]：

Fsm+G≈657 N/cm

綜合以上分析，作用到轉(zhuǎn)子槽楔上的最大力約為657 N/cm。

2 模型的選取及簡(jiǎn)化

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片共81槽，每槽分布1根槽楔。分析槽楔強(qiáng)度，只需對(duì)其中一個(gè)槽內(nèi)的槽楔進(jìn)行分析即可。在沖片的每個(gè)槽內(nèi)，導(dǎo)條外包絕緣后與槽楔接觸，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)條及絕緣等將受離心力而朝槽楔一側(cè)擠緊，在這一過(guò)程中，導(dǎo)條也會(huì)受到槽內(nèi)兩側(cè)的摩擦力，絕緣材料近似于非線性彈性材料，所以外包絕緣的導(dǎo)條與沖片的摩擦關(guān)系非常復(fù)雜。此外，槽楔本身也是一種非線性材料，其與槽口部位沖片的接觸也是一種非線性接觸。

綜上所述，槽楔實(shí)際的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在槽內(nèi)的受力情況也非常復(fù)雜。為了便于研究，我們對(duì)槽楔及與槽楔相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略影響較小的因素，只研究電機(jī)在低電壓穿越時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條影響比較大的槽楔結(jié)構(gòu)。

模型簡(jiǎn)化后，將槽楔視作線性材料，轉(zhuǎn)子鐵心視作一個(gè)整體，不再是由一塊塊厚0.5 mm的硅鋼片疊壓而成，同時(shí)將導(dǎo)條及絕緣等的離心力直接施加到轉(zhuǎn)子槽楔上，分析槽楔的受力情況。簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示，模型中沖片厚度取10 mm。

圖4 轉(zhuǎn)子槽楔受力分析簡(jiǎn)化模型

3 分析需求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

項(xiàng)目的整個(gè)輸入需求包括：

(1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片、槽楔、導(dǎo)條的幾何模型；

(2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；

(3)材料屬性(包括楊氏模量，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度等)；

(4)槽楔及導(dǎo)條在發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的受力情況，即所有工況邊界條件和載荷情況。

主要部件的材料性能如表1所示。

表1 主要部件的材料性能

4 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

在Workbench下，完成建模后，以帶中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元為主，局部輔以中間節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子槽楔簡(jiǎn)化模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分后，進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。

(1)槽楔與沖片的接觸設(shè)置

槽楔嵌入到?jīng)_片槽內(nèi)后，它與沖片是緊密接觸的，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，槽楔與沖片是沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)的。因此，可以用Rough來(lái)表示槽楔與沖片的接觸類(lèi)型，相當(dāng)于槽楔與沖片的摩擦系數(shù)為無(wú)窮大。在簡(jiǎn)化計(jì)算的情況下，可以將槽楔與沖片的接觸關(guān)系設(shè)為Bonded。

(2)邊界條件和載荷設(shè)置

模型簡(jiǎn)化后，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力將直接加載到槽楔上，因此在邊界條件和載荷設(shè)置時(shí)，將不需要對(duì)模型施加旋轉(zhuǎn)速度，如圖6所示。

圖6 邊界條件和載荷的施加

5 結(jié)果分析

圖7為槽楔與沖片分別設(shè)置為Bonded和Rough兩種不同的接觸類(lèi)型下的分析結(jié)果。由圖7可知，兩種情況的應(yīng)力分析結(jié)果比較接近。

圖7 轉(zhuǎn)子槽楔應(yīng)力分布云圖

由圖7可知，最大應(yīng)力發(fā)生在槽楔與沖片槽的軛部，最大應(yīng)力約52 MPa(接觸類(lèi)型Bonded)或45.76 MPa(接觸類(lèi)型Rough)，遠(yuǎn)小于沖片的彎曲強(qiáng)度275 MPa。

可見(jiàn)，無(wú)論理論計(jì)算，還是有限元分析，槽楔的應(yīng)力都遠(yuǎn)小于槽楔材料的彎曲強(qiáng)度，槽楔強(qiáng)度滿足發(fā)電機(jī)運(yùn)行要求。

在實(shí)際模型中，導(dǎo)條是嵌入到槽內(nèi)的，導(dǎo)條的兩側(cè)與槽壁存在一定的脹緊量，且隨著轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的發(fā)熱，該脹緊量會(huì)變大。此外導(dǎo)條兩端有無(wú)緯帶的綁扎固定及上下層導(dǎo)條的連接作用，所以實(shí)際施加到轉(zhuǎn)子槽楔的作用力要比模型中的力小，槽楔及沖片所受應(yīng)力也將小于分析中的應(yīng)力。

6 結(jié) 語(yǔ)

從以上有限元分析結(jié)果來(lái)看，該型號(hào)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低電壓穿越情況下，槽楔雖然局部應(yīng)力較大，但均小于槽楔材料的彎曲強(qiáng)度。該槽楔強(qiáng)度可以滿足發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行及低電壓穿越時(shí)的運(yùn)行要求。