彭朝霞，郭宇軒，嚴世洪，程秀杰，楊 柳

雙饋異步風力發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)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(fā)電機轉子半開口槽

0 引言

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

雙饋異步風力發(fā)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(fā)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(fā)電機功率的不斷增大，轉子線規(guī)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)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(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(fā)電機主要電磁參數(shù)

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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)表6結果，方案二可節(jié)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(shù)為4的雙饋異步風力發(fā)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(jié)約工時約5 h。

圖11 每槽導體數(shù)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)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(shù)為4時，轉子采用半開口槽材料成本幾乎無增加且節(jié)約較多工時，能有效提高雙饋異步風力發(fā)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(fā)電機。E-mail: 104689583@qq.com