抽水蓄能发电机转子结构的电磁力分析与结构优化

朱南龙 齐琳 祁安博

摘 要：励磁系统是电机的重要部分，影响抽水蓄能发电机组运行的可靠性和稳定运行。为探讨抽水蓄能发电机转子结构的优化策略，本文采用仿真模型分析的方法，对额定运行情况下抽水蓄能发电机转子磁场与不同磁极结构下转子磁场有限元进行计算分析，然后结合仿真模拟结构提出针对性建议。

关键词：抽水蓄能;发电机;电磁分析;结构优化

1 发电电动机仿真模型构建

以一台250MW的12极凸极同步抽水蓄能发电电动机为例，选择其中一个极进行仿真模拟计算分析，电机主要参数：额定视在功率286380kVA、额定输出功率277150kVA、额定功率因素0.98、空载励磁电流1008.4A、额定励磁电流1600A、额定频率50Hz、额定转速250r/min、飞逸转速375r/min、转子外径7430mm、定子内径7500mm。根据参数，用有限元法求发电机内部磁场分布，算式为：

式中，Js表示电流密度，μ表示磁导率。之后根据抽水蓄能发电机运行工况，完成外电路搭建，进而实现不同工况下同一求解区域的仿真计算。

2 额定运行下发电机转子磁场分析

2.1 矩形磁极结构下发电机内部磁场计算

考虑到抽水蓄能发电站发电机组日常工况下，其运转为稳定的额定运行状态，对常态下磁场进行研究，有利于研究发电机转子运行性能优化。通过有限元建模分析可知，转子磁极结构在磁场中受力复杂，磁极极身与极靴形状是影响磁场强度和分布的重要因素，其不同形状导致转子磁极的线圈和阻尼绕组所受电磁力发生变化。在正常工况下，转子运行的稳定性与可靠性，依赖于磁极线圈与阻尼绕组的性能，因此对磁极结构优化是确保其安全、稳定运行的关键。

2.2 塔形向心磁极结构下发电机内部磁场计算

除矩形磁极结构外，抽水蓄能发电机磁极还有塔形结构，即塔形向心磁极。结合本文抽水蓄能发电机转子结构优化的要求，通过改变矩形磁极极身和极靴结构，将矩形磁极优化为塔形向心磁极，进而使转子结构获得优化。在磁极结构优化时，定义以圆心为焦点的左右极身夹角为β角，并结合模型分别计算β=3°、β=3.5°、β=4°时的模型求解域，并通过有限元计算获得对应磁力线分布即磁感应强度云图。

通过观察分析不同结构下磁力线分布即磁感应强度云图可知，相对于普通的矩形磁极，塔形向心刺激磁通密度上升，磁位最大值下降。此外，当β角取不通值时，穿过磁极线圈的磁力线数量不同，位置也不同。由此可知，磁极形状对磁极线圈有明显影响。

2.3 三种极靴类型结构下发电机内部磁场计算

极靴是抽水蓄能发电机磁极的一个独特结构，其作用于主磁极，减小气隙磁阻，使主磁极磁场分布改善，易于固定励磁组。运用有限元软件仿真计算不同类型极靴结构下，抽水蓄能发电机内部磁场分布情况，即一段弧、三段弧、五段弧下，磁场分布与磁场强度云图。通过计算获得不同极靴类型下的磁场参数如下表所示：

3 不同磁极结构下转子磁极电磁力分析

3.1 磁极线圈电磁力有限元计算与分析

抽水蓄能发电机在正常运行时，气隙中存在的基波磁场和谐波磁场相互作用，会产生径向电磁力和切向电磁力，如果二者过大，则会对发电机励磁绕组造成损坏，那么运用计算公式对二者进行计算，得到每个点上的电磁力值。在具体计算中，考虑到转子槽内磁场分布不均匀，因此在有限元软件中，根据各三角的磁密和面积，建立电磁力模型，通过模型仿真计算得到左右两个磁极线圈电磁力结果，算式为：

式中，f为电磁力，Sk为单元面积，k为单元编号，J为励磁绕组电流密度，L为励磁绕组长度，B为磁场大小。由计算可知，磁极受力很大，且双侧磁极受径向力大小不一致，这对于发电机运行时的危险系数会增加，不利于经济运行，因此结合实际与模拟计算，对发电机结构进行优化。

3.2 优化后磁极线圈受力对比

分別计算β=0°、β=3°、β=3.5°、β=4°时磁极线圈受力，以寻找最优结构形状参数。当β=4°时，线圈电磁力数值呈现下降趋势，左侧下降约2.1%，右侧下降约3.3%;当β=3.5°时，磁极线圈所受电磁力最大值的变化幅度更加明显，相对于β=0°时，磁极线圈左侧下降约17%，右侧下降约15.1%;当β=3°时，现对于其他三种结构，切向电磁力的变化较为明显，尤其是左侧方向，下降约34%，右侧下降约11.8%。总体来看，在不同形状下，β=3°时切向力最小，切向力作用于线圈上会造成线圈断裂，所以越小越好。当磁极线圈设有挡块时，电磁力减小有利于线圈安全运行。相对于电磁力的最大值，电磁力的径向与切向分量更值得关注。

3.3 优化后阻尼绕组电磁力对比

在塔形向心磁极中，随着β角度减小，径向向下的电磁力增加。由分析可知，一段弧、三段弧、五段弧结构下，径向电磁力变化比较平缓。在抽水蓄能发电机中，阻尼绕组作用显著，其能够抑制磁场突变，减轻转子震荡，进而稳定系统运行状态。因为阻尼绕组结构特点，径向电磁力大小更值得关注。由模拟计算结果分析可知，当β=3°时，沿Y轴负方向的电磁力最大，阻尼绕组结构对离心力起低效作用。

通过极身四种结构、极靴三种结构的模拟计算分析，比较极身结构时β=4°时数值最大，β=3°时数值最小;比较极靴结构时，一段弧最大，三段弧最小。由此可见，结合抽水蓄能发电机运行实际，对转子结构进行优化时，本文分析可提供参考。

参考文献：

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[2]梁艳萍，燕秀龙.抽水蓄能电站发电电动机端部磁场及结构件损耗分析计算[J].电工技术学报，2016.6.

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