大型同步调相机定子压圈涡流损耗计算及降损方法

朱二夯 黄浩 边旭 梁艳萍

摘要：针对工作在特高压大直流环境下的大型同步调相机运行时压圈中引起的渦流损耗大，易导致局部过热问题，提出了一种新型铜屏蔽结构。首先，以一台300Mvar同步调相机为例，建立了调相机端部区域三维暂态电磁场计算模型。然后，采用数值模拟方法计算了同步调相机端部磁场及性能参数，得到了调相机端部及结构件的磁密、涡流电密、损耗的分布规律。对比分析了同步调相机额定运行工况下采用传统铜屏蔽和新型铜屏蔽结构时电机端部结构件的电磁性能。结果表明，新型铜屏蔽结构有效阻挡了与压圈交链的端部漏磁场，压圈申的磁密最大值减小了11.1%，压圈中的涡流损耗减小了19.8%，充分验证了新型铜屏蔽结构的有效性，为大型电机定子端部结构件的设计提供了理论依据。

关键词：同步调相机;压圈;铜屏蔽;数值模拟;涡流损耗

DOI：10.15938/j.emc.2019.10.004

中图分类号：TM 342文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2019）10-0033-08

0引言

为了应对高压直流输电和新能源接人电网带来的无功调节问题，同步调相机再一次被重视起来。大型同步调相机中的压圈能够很好的压紧定子铁心，防止定子铁心因松动引起片间绝缘损坏。大型同步调相机容量大，端部漏磁场强，压圈中存在很大的涡流和涡流损耗，容易引起压圈局部过热并导致故障产生。因此，准确计算压圈涡流损耗和减小压圈涡流损耗方法尤为重要。

由于大型电机端部结构的复杂性和重要性，端部磁场、涡流损耗和减小端部结构件涡流损耗的方法一直是国内外研究的热点。文献采用2维有限元法计算了水轮发电机端部磁场。文献采用准三维有限元法计算了汽轮发电机端部结构件的涡流损耗。采用2维或准3维的计算方法不能准确反映真实的3维实体模型。文献采用三维有限元法求解了端盖和机壳的涡流损耗，提出了一种三维有限元网格剖分方法，但并未考虑定子压圈和铜屏蔽等结构件的涡流损耗。文献采用三维有限元法分析了大型充水式潜水电机端部压圈涡流损耗分布和压圈结构参数变化对涡流损耗的影响，讨论了端部结构件参数变化对涡流损耗的影响，也未考虑转子护环等结构件的涡流损耗。文献采用二维和三维有限元混合方式计算了永磁同步电机永磁体的涡流损耗，分析了网格密度对计算结果的影响。文献采用有限元法计算了大型电机压板的磁通密度和涡流损耗密度，并分析了大型电机模型仿真计算准确性的影响因素。文献采用三维有限元法分析了大型水轮电机定子端部结构件涡流损耗，并通过对压板结构进行径向切割来减小总压板的涡流损耗。文献采用三维有限元法分析了压板结构对大型发电机端部磁场和涡流损耗的影响，详细讨论了压板的材料和尺寸对压板涡流损耗的影响。文献通过对双屏蔽感应电机端部结构件进行轴向切割和添加绝缘来减小压板涡流损耗。文献通过改变大型水轮发电机压板形状来减小端部结构件涡流损耗。所述文献为电机端部压圈或压板涡流损耗减小提供了相应的方法和理论依据，但这些设计方法中压圈或压板外圆区域的涡流损耗仍然较大。

本文通过提出一种新型铜屏蔽结构来减小同步调相机定子端部压圈涡流损耗。以一台300Mvar同步调相机为例，采用数值模拟方法计算了同步调相机端部磁场。在额定运行工况下，对同步调相机端部分别采用传统铜屏蔽和新型铜屏蔽两种结构时端部结构件的磁场和涡流损耗进行了详细的分析比较。为大型电机定子端部结构件的设计提供了理论依据。

1端部计算模型

1.1物理模型

300Mvar同步调相机如图1所示。大型同步调相机端部结构件主要包含定子压圈、铜屏蔽、定子绕组、定子铁心、磁屏蔽、阻尼环、转子铁心、槽楔、阻尼绕组、转子绕组、护环等多种结构件。同步调相机端部区域示意图如图2所示。同步调相机额定参数见表1。

在额定运行工况下，同步调相机转子阻尼绕组和槽楔电流都非常小，可忽略不计。同步调相机模型中将每段定子铁心作为一个整体，避免了对每个铁心叠片进行细致刦分时引起的计算困难。经以上简化，同步调相机端部磁场数值计算的物理模型如图3所示，S₁-S₂为同步调相机的物理模型边界。调相机端部模型使用仿真软件进行三维有限元计算，采用一阶四面体单元对求解区域进行网格剖分，网格剖分总数为1504192。牛顿迭代精确度为O.1%，共轭梯度迭代精确度为0.0001%。端部求解区域网络如图3所示。

1.2数学模型

在满足工程设计要求的前提下，给出了如下假设：

1）忽略位移电流和各高次谐波;

2）忽略温度对材料电阻率的影响;

3）所有材料的电导率、磁导率均为各向同性。

4）不同金属部件之间的接触表面被认为是完整的电接触。

通过数值模拟方法对同步调相机端部磁场进行仿真计算。将定子铁心、定子端部绕组、磁屏蔽、转子铁心、转子励磁绕组和空气作为非涡流区，其他区域作为涡流区进行计算。图3所示的端部网格求解域中，采用矢量电位T和标量磁位ψ作为端部磁场的未知量。大型同步调相机端部磁场的控制方程、边界条件、初始条件和涡流损耗可以用下面方程来表示：

在涡流区中：

2端部磁场分析

在同步调相机中定子铁心是由带有绝缘的薄硅钢片叠压而成的，同步调相机在运行时产生的涡流非常小，可忽略不计。压圈和压指的电导率为1.4×10⁶S/m，铜屏蔽的电导率为4.77×10⁷S/m。以额定运行工况为例研究同步调相机定子端部磁场和涡流损耗。

同步调相机端部区域磁场分布如图4所示。从图4中可以看出端部漏磁场围绕定子绕组形成闭合回路，部分磁力线穿过铜屏蔽与定子端部结构件交链。铜屏蔽延长了端部漏磁场进入定子端部区域的路径，削弱了定子铁心、端部压圈和压指中的漏磁场。在区域1中，端部漏磁场直接穿过压圈并在压圈中产生了涡流和涡流损耗。