（电机与电器专业论文）水轮发电机cad优化设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 o p t i m u md e s i g n o f h y d r a u l i c g e n e r a t o r a b s t r a g t w i t ht h ec h a n g ei n q u a n l i t yd e m a n d e do fh y d r o e l e c t r i c i t ye q u i p m e n ti nt h ew o r l di n r e c e n t y e a r s ，ar a p i dd e v e l o p m e n ta p p e a r e d i nt h e h y d r o e l e c t r i c i t yi n d u s t r y i nc h i n a h y d r a u l i cg e n e r a t o ri s t h ek e ye q u i p m e n ti n h y d r o e l e c t r i c i t yi n d u s t r y , s oi t sd e s i g na n d m a n u f a c t u r ei sv e r yi m p o r t a n tp a r t i c u l a r l yi nl a r g e s c a l ea n d u l t r a - l a r g et y p e i ti sp e r f e c t i n g t h ed e s i g na n dm c m a s m go f d e s i g ne f f i c i e n c yt h a ti st h ec f i f i c a lf a c t o rw h e t h e rt h ee n t e r p r i s e w i l lw i ni nt h ec u t - t h r o a tc o m p e t i t i o n h o w e v e r , t h ec a d s o f t w a r ei nm a n y d e s i g nu n i t si s d e s i g n e di nd o s ，s oi t c a n tp r o v i d ef r i e n d l yi n t e r f a c e ，g o o dm a n m a c h i n er e a c t i v e a b i l i t y a n d h i g he f f i c i e n c y a sa r e s u l t ，a n a n l y s ee l e c t r o m a g n e t i s md e s i g nm e t h o da b o u td o m e s t i ca n d f u j i a tt h es a m e t i m e ，am o d i f i e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( v s o ) 一p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o nw i t h a d a p t i v em u t a t i o n ( a m p s o ) i sa p p l i e dt oh y d r a u l i cg e n e r a t o rd e s i g n b a s e do nt h ed a m b a s e t h e a p p r o p r i a t ec a dd e s i g ns o f t w a r ei s d e s i g n e d t h es o f t w a r ei s c o m p o s e do fd e s i g n m o d u l e ，a s s i s t a n t d e s i g n m o d u l ea n d d b m s o r g a n i z e db yd a t a b a s e ，d a t as t r e 锄 t r a n s m i s s i o nc a nf e t c h d a t a a u t o m a t i c a l l y b e s i d e sd e s i g n i n gs c h e m e ，t h es o f t w a r ec a n i m p l e m e n tp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n ds oo n k e yw o r d s ：h y d r a u l i cg e n e r a t o rc a d o p t i m u md e s i g n p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n a d a p t i v em u t a t i o nd a t a b a s e i i 浙汀大学硕士学位论文 1 1 电机c a d 技术的发展 第一章绪论 电机c a d 技术最初起源于飞机和汽车制造，然而其诱人前景使得它很快就出现在 电机设计领域里。早在五十年代后期，美国西屋等大的电机制造，一商便以开发并应用电 机c a d 软件进行电机设计了，而且取得了巨大的经济效益。在计算机技术迅猛发展的 今天，电机c a d 技术正受到越来越多电机工程师们的重视。 纵观电机发展的历史，大致经历了下面几个阶段： ( 一) 起步阶段( 五十年代中期至六十年代初) 1 9 5 4 年r m s a u n d e r 首次提出来用计算机进行电机设计，随后c q v e i n o t t 于1 9 5 6 年最早将计算机实际应用到电机设计领城，宣告了电机c a d 技术的产生。至六 十年代初，人们在此方面己取得了一定的成果。但是受计算机水平的限制，此时的电 机c a d 只是协助设计者完成设计过程中的性能分析过程，即设计者事先估计好若干设 计参量，计算机根据一定的程序步骤计算产品的性能，而对计算结果的评价和设计方案 的调整仍需由设计者决定。故此阶段段又可成为“设计分析”阶段。尽管如此，电机c a d 的出现将设计者从繁琐的性能计算分析过程中解脱出来，缩短了设计时间，具有较大的 意义。 ( 二) 发展阶段 六十年代期间，计算机科学进一步发展使得计算机的存储能力和计算速度均有较大 的提高，高级编程语言的出现也使得计算机的使用进一步普及，反映到电机设计领域， 则是电机c a d 由“设计分析“阶段向”“设计综合”和“设计优化”阶段的跨越。此阶 段的电机c a d 软件不仅能完成设计方案校核计算功能，并且能够对主要设计变量进行 调整，自动完成传统的尝试设计过程，计算机不仅被当作快速运算的工具，它的决策能 力也开始引起人们的重视。 ( 三) 成熟阶段( 八十年代至今) 进入八十年代后，计算机科学的发展日新月异，硬件的不断升级和软件工程理论、 数据库技术及其计算方法的成熟使得电机c a d 的研究在内容、方法方面均发生了重大 变化，除了电磁设计外，电机c a d 的适用范围还涉及电机的稳态和暂态热计算、电机 瞬变过程分析、电磁场计算和计算机辅助制图等各个领域，功能更加齐全，说明了电机 c a d 技术正日趋成熟，并在实际生产中发挥越来越重要的作用。近年来，随着工程数 据库的发展，采用工程数据库技术，把电机设计的各部分集成在一起，形成一个c a d 系统已经称为可能。电机c a d 的最终发展方向是以工程数据库为中心，把性能分析、 方安设计、计算机绘图集成在起，形成包括整个电机设计过程的系统，同时，随着计 算机技术和网络技术的发展，电机c a d 会朝着更加开放、网络化的方向发展。 】 浙汀大学硕士学位论文 电机c a d 技术是电机设计技术与c a d 技术、计算枫技术的结合，因此它的发展也 包含三方面的内容： 1 电机设计本身的发展 电机设计本身的发展包括c a d 技术应用范围的扩大以及各种新算法、新模型的发 现。电机c a d 技术最早在异步电机和变压器上应用，后来才扩大到同步电机和一些微 特电机。计算程序也由单一的电磁计算扩大到稳态计算、电磁场分析计算及谐波分析计 算等等。传统的设计方法多以半经验公式为依据，c a d 的可靠性、准确性都不是很高， 一些新模型、新算法的出现使得电机c a d 的设计更为精确。设计方法也由人机交互的 分析设计，然后到自动的综合设计以及优化设计。 2 c a d 技术的发展 作为c a d 技术应用的一个特例，电机c a d 技术同样经历了由众多单功能c a d 系 统，例如磁路计算系统、电路计算系统等等，到基于文件管理的多功能c a d 系统，到 基于工程数据库的集成c a d 系统这一过程。同时，它的发展方向也与其他c a d 系统一 样，最终走向系统化、可视化、智能化、网络化和标准化。目前炙手可热的电机设计专 家系统、模糊设计以及神经原网络在电机c a d 中应用正说明电机c a d 开始向智能化进 军。电机c a d 技术的发展还包括了计算机领域的一些新思想、新概念、新技术在电机 c a d 系统中的应用。 与国外相比，我国电c a d 技术起步较晚，电机c a d 技术的水平也比较低。但近几 十年发展较快，国内的一些高校和研究、机构也陆续开发出了一批电机c a d 软件，其 中也包括二、三维交互绘图、有限元分析、特性计算等功能，也有一些引入专家系统等 智能化概念，同时也建立了一些较好算法模型，获得了较好的结果。然而从整体看，我 国电机c a d 的研究仍处于起步阶段，尤其在实际应用方面，欠缺较多。 i 2 课题的提出 2 0 世纪9 0 年代后，由于函方发达国家经济开发水电资源的日益桔竭和前苏联的鳃 体，西方发达国家和俄罗斯的水电开发规模锐减。目前，全球每年新增水电装机容量在 2 3 0 0 0 m w 左右，大致相当于】9 7 01 9 9 0 年间的全球平均值。由于全球每年新增水电装 机容量长期徘徊不前，使全球水电设备市场低迷，造成全球水电设备制造能力巨大放空 和制造厂之间的严酷竞争。水电设备行业的残酷竞争除将一些厂商淘汰出局外，还促使 众多厂商进行联合重组，导致了2 0 世纪9 0 年代末在全球掀起又一场水电设备行业问的 并购重组风潮，新的a l s t o m 电力公司( a l s t o m p o w e rl n c ) 、新的g eh y d r o g 公司和伏 依特一西门子水电公司( v o i t hs i e m e n sh y d r op o w e rg e n e r a t i o ng m b h c o k g ) 的重 组成功，使西方水电设备行业已由群雄争霸进入“三足鼎立”的时代。水电设备市场需 求的主流已从工业发达国家转向发展中国家，由欧洲、北美、日本转向日本以外的亚洲 2 浙江大学硕士学位论文 和中南美洲，其中，中国、巴西、印度、土耳其四国每年新增水电装机容量约占全世界 的1 2 。中国、巴西、印度、土耳其等发展中国家，水电开发步入高速发展期，中国、 巴茜成为设计水电开发的中心。中国水电设备制造业进入了合资合作和股份制改造的过 程，如富春江水电设备总厂与日本富士电机株式会社成立“富春江富士电机有限公司” ( 简称“双富公司”) ；天津发电设备厂和g e c a 1 s t o m 公司组建了“天津通用电气阿 尔斯通水电设备有限公司”；上海电机厂、德国v o i t h 公司和德国西门子公司各占1 3 股份的合资公司在上海成立了“上海水电设备公司”( s h a n g h a ih y d r op o w e r e q u i p m e n t c o ) ，简称希科公司( s h e c ) ，东方电机电机厂和哈尔滨电机厂也先后成立了“东方电 机股份有限公司”和“哈尔滨电机有限责任公司”。同时，鉴于世界水电开发中心已转 移到发展中国家，世界许多大公司纷纷通过在一些水电资源丰富的发展中国家建立独资 或者合资企业，把生产基地转移或扩展到这些地区，例如a l s t o m 、g eh y d r o 、富士、 v o i m 、s i e m e n s 等公司讲入了中国。在此期间，c f d 技术取得突破，水轮机水力性能 得到很大改善；p o w e r f o r m e r 的诞生引发了电机结构的重大革新；一大批新型转轮和机 型的出现为新世纪水电设备技术的发展带来了希望。同时，世界水电设备在2 0 世纪7 0 8 0 年代出现的单机容量不断攀升的势头得到遏制，而水电机组开发重点转向提高产品质 量，提高机组可用性、可靠性和产品的技术经济性能。 面对新的形势，对大型和超大型水轮发电机的设计、制造的研究显得及其重要， 它的设计质量和设计效率倍加关注。目前国内对大型和超大型水轮发电机设计理论和方 法不是非常完善，也无成熟的设计经验参考，在设计过程中对于基于理论的设计与设计 的设计结果之间还存在某种矛盾；虽然在近几年，我国在c a d 技术开发和应用方面已 经取得了较大的进展，但与国外工业发达国家相比还存在很大差距。在电机设计领域， c a d 技术的发展也比较落后，大大制约了我国电机制造行业的总体设计水平。在某些 水轮发电机设计单位实际应用的c a d 软件，尚存在一些欠缺之处： 1 仅仅停留在计算机代替简单手工计算的水平上，而没有为设计人员创造出一个充分 发挥其设计意识的环境。 2 界面较差，有些仅仅停留在d o s 环境下，参数化程度低，使用不方便，设计效率 低。 3 能适用的范围狭窄，通用性不强，不能满足新产品开发和生产发展的需要。 4 结构松散凌乱，集成度较差，接口功能不强，进行系统维护较为困难。 因此有必要对国内水轮发电机设计方法和日本水轮发电机设计方法进行深入研 究，进一步完善设计；在此基础上开发一个具有高度菜单集成界面，具有图文并茂的参 数化、可视化、实用化的水轮发电机c a d 系统，方便自如地体现设计者的思想，最大 限度地提高其设计效率和设计质量，具有重要的应用价值和现实意义。 3 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 以开发基于图形用户界面的实用性电机c a d 系统为设计目的，在前人的基础上， 本论文对水轮发电c a d 软件结构以及相应的实现技术进行了研究，开发了面向生产实 际的水轮发电机c a d 优化系统。主要研究工作包括以下几方面： 对水轮发电机设计过程进行了全面了解，对于目前国内水轮发电机设计方 法和富士电机电磁设计进行研究的基础上，编制了电机设计程序。 研究了水轮发电机c a d 软件的实现方法，详细探讨了水轮发电机系统中数 据库管理系统的设计、方案设计系统中的数据库支撑的按照类比法设计相 近规格电机的方法。 在水轮发电机电磁设计的基础上，对水轮发电机的特性以及次谐波引起的 电磁振动进行了分析研究。同时在c a d 软件中设置辅助功能来实现特性及 电磁振动分析计算等等。 研究了一种新的全局优化算法一粒子群优化算法( p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ) ，在对p s o 深入分析研究的基础上，针对基本的p s o 算法存 在的缺陷，引入了自适应变异机制进行改进，称改进后的p s o 算法为 a m p s o 算法，并把a m p s o 算法引入了水轮发电机优化设计之中。在本软 件中，主要实现了成本的优化，效果较为明显。 4 ， 2 3 4 浙汀大学硕士学位论文 第二章水轮发电机的电磁设计 2 1 基本技术数据及要求 一额定容量s n 它是综合考虑电站水能的有效利用、保证系统正常供电、机组制造的可能性和经济 性、机组在电力系统运行调度的灵活性以及检修和电站布置等条件确定的。 二额定电压u n 发电机的额定电压是一个综合性的参数。它的选取应考虑发电机的技术经济指标， 对发电机断路器遮断容量，对母线、变压器低压线圈，对近区负荷的供电电压及输配 电设备的投资运行费等因素的影响。对发电机电磁负荷取值合适的条件下，额定电压选 得低，电机消耗得绝缘材料和有效材料相应减少；但降低电压将使发电机的铜环引线和 发电机与变压器间的连接母线用铜量有所增加，故应综合考虑经济性。另外额定电压的 选择还要和电站的变压器、断路器、电压及电流互感器等配套设备的容量、规格选择相 适应。 三额定功率因数c o s m n 在输出有功功率一定的条件下，提高功率因数，可以提高发电机有效材料利用率， 减轻发电机的总重量，并提高发电机的效率；但将使发电机的视在输出功率和稳定性降 低。近年来由于装设同步调相机和电力电容器来改善系统功率因数以及远距离超高压输 电系统使线路对地电容增大和采用快速励磁系统可提高稳定性，使发电机的额定功率因 数有可能提高。 四额定转速n n 额定转速是根据水轮机的转轮型式、工作水头、流量以及效率等因数确定的。 表2 1 容量和转速划分 r 额定功率p n ( k w )额定转速r 1 ( r m i n ) 低速中速高速 l 小容量水轮发电机 5 0 0 3 7 5 k 4 7 5 1 4 9 5 3 5 1 5 5 由式( 2 - 1 ) 和式( 2 3 ) 可以导出主要尺寸 的计算方法： ，r = 告笔生n c z 叫 d ，2 门 、17 。器) ( - 1 2 8 ) ( 2 5 ) 富士电机水轮发电机飞轮转矩g d ： 的估算方法： 根据日本同步电机的设计，飞轮转矩 援镟 图2 - - 1 飞轮转矩系数k g d 2 的取值 8 浙汀大学硕士学位论文 一- _ _ 一 g d2 的确定 g d 2 = k g d 2 d i 4x ( f f + 0 15 ) ( 2 - - 6 ) 其中k g d z 为飞轮转矩系数，如图所示，为k g d 2 与极数和飞逸周速v r 的关系。 式( 2 - - 1 ) 和式( 2 6 ) 可以导出主要尺寸的确定方法： g d2c h ” kgd 2 xs 一 ，：! ! ：兰! di 。 ” ( 2 - 7 ) 初步确定的d f 和，f 还须满足下面要求： 根据转子机械强度要求，通过发生飞逸时转子最大允许周速来确定发电机转子最大 允许直径，即近似于发电机最大允许定子内径。因为以厘米计算的极矩t 值，在数值上 等于额定转速时( 频率为5 0 赫兹) 以每秒米计算的转子凰周速度v w ，所以当飞逸转速 时，有下列关系： 飞逸系数：七，= 暑，f2 詈( c m ) 当频率不等于5 。赫兹时：彳= 詈竺f ( c m 测：d d = 去等( 。m ) ( 2 - - 9 ) 当频率不等于5 0 赫兹时：彳5i 了( c m ) 则：。盖等( c m ) 表2 3 转子磁轭允许选用的最大周速值 磁轭结构型式磁极固定方式材料屈服点最大圆周速度 盯。( k g f m m 2 1v m a x ( m s 1 叠片磁轭t 尾或鸽尾 3 5 4 81 3 0 1 6 0 l 整锻或钢环磁轭t 尾或鸽尾 3 0 3 61 4 0 1 6 0 梳齿结构1 4 0 1 7 0 9 浙汀大学硕士学位论文 从水轮发电机要求良好的通风冷却考虑，铁心长度和极矩之比通常不能过大，以免引起 通风冷却困难。 i t f 4 5 r 2 1 0 ) 根据以上论述的方法，可以从水轮发电机的技术指标出发，初步计算出水轮发电机的主 要尺寸，其计算程序的框图如图2 - - 2 所示： 丌始 输入数据& 、m 、g d ：、m 垂眵疆擘) 式瑟纂。j i i i i l 式( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 鹄蠛( 6 b ( 蛩、8 ) 初步确定d i ， 计算发电机最大牟许定予直径d d 一 d n ；i - ， 、 i 、k s 计算f l ! ! ：! 哆一一 0 y e s 结束 图2 2 主要尺寸确定 l o 浙江大学硕士学位论文 表2 4 计苒结果与实际讥组最终比较 r 卜迥娑 定乎t 毒内径皇子蕞蓐妊廑 电m 前 生平糟量 并曩 簟帆奠、： 恤， 【c i )c ，亡m ，支诗簟 白山 阡尊螭果 1 1 幅z h 7 】l 2卸 4 l 5 f 釉”5 ，1 2 0 鼻宴胥 1 1 瓤 2 眄住l明 捆皇镰 睁算螬晕l 啪 姊d f 0 也te b i 匀2 5 0 - u i s # 0 壤骞库 l l 彳sl o ，7蛐 薯删瓤 坤羹蛐蔫 l l ， i 姒 s a , p ，啪 s l f 1 籼0 1 1 ，酾、 鞫黉弼 t 鲁。瑚雠 o5 丹糕，i = 1 1 嗣蝴 l 雕-一l 睇5 柏ii 5 9 4a 一窝强 o - - - g 0 z s 孵 纛囊精疆；赙 ； 。l 瓣 j i t s。i 峭a j。 一 曩。i 誊 曹董i i 蠢 婚竭蠹嗡蔫 1 躺j l _ i 酗叠 ：誓m ? 轴e i 攀 割臣薯 摹 醒l 静静躺巍i 曲 - 瓣襄瓣1 嘲睡 jt p ii v j 。n卿 睫i 赣一 l i 柚1 期董i 鳟i 捌 f 翟 l 娴_ 釉内潮秘 黪辫蓐一姗 1 f 略秘i摹矗l 羹 雕。j 嗣嘲隅 叠鳓葶1 4 t秘k l郴 2 ， 衄q _ 柙f 酚一 黛舞i 濑 i l 摹i | 簟 蠢s 睢。黜2 毒鞭 嘲镉蟮l 弧l l ，l b = _ 戳舯_ _ 1 科鞭i 瞄馨素常腿di 嗣【dl ，9 4 32 奉旺 i _ i 憎豪 t 毗| p 5柠0 f i 2 g n 5 一h ，嘞 薅豢礴馏il 蛐h i d0 粤，e 奠 垮舞堵曩哪牡彻i铀4 l 口 a f 1 1 0 - - 油舶 t 囊赛碌“枷1 0囊o 从表中对比的数据可以看出，用上述方法计算水轮发电机的主要尺寸与最终的设计结果 相比较，除个别机组外均比较接近。由于此方法有较好的理论依据，又通过实际的验证， 因此能够较快速、可靠地确定水轮发电机的主要尺寸，同时此方法适合于较大容量的空 冷式水轮发电机，对分数槽和整数槽、低水头大转动惯量和普通要求转动惯量、以及低 速和较高转速的水轮发电机都有一定的适用性。从计算出的初步方案可以看出，该方法 为综合设计的可靠性和快速性提供了可靠的依据，因此，有一定的实用性和推广价值。 浙汀大学硕士学位论文 2 3 2 电负荷a 的选择 电负荷a 是水轮发电机的主要技术、经济参数之一，它对电机的主要尺j j 、电抗 和绕组温度等有直接影响。a 的大小决定了定子内圆单位表面积所产生的绕组铜损的大 小，因而直接影响了温升和效率的提高。a 的取值与每极容量、绝缘等级及冷却方式有 关。随着冷却技术的改进，a 的取值可以大大提高。 2 3 3 绕组型式的选择 水轮发电机的定子绕组有多匝圈式叠绕组和单匝条式波绕组。大中型水轮发电机 的定子绕组一般采用双层圈式叠绕组，大型低速水轮发电机则采用双层条式波绕组，而 大型水内冷水轮发电机为了减少水接头数也有采用单层条式波绕组的。 多匝圈式叠绕组：j = 4 ，6 ，8 ，1 0 等 单匝条式波绕组： n s = 2 ，其中n s 为每槽有效导体数。 圈式叠绕组的优点：( 1 ) 匝数易于根据合适的电负荷和槽电流进行调节；( 2 ) n 常采 用短节矩，能节省用铜量；( 3 ) 焊接容易，省工时。缺点是：( 1 ) 线圈间和极相组间的连 接线较多，特别是多极数绕组，接线的总长度有时可能超过定子周长的三倍；f 2 ) 可能引 起匝问绝缘事故；( 3 ) 采用多股并绕导线时，槽内直线部分很难换位，股线间环流损耗只 能依靠端部扭转换位，效果较差。 条式波绕组的优点：( 1 ) 匝间绝缘较可靠；( 2 ) 多股并绕时直线部分易于采用编织换 位，可大大降低环流损耗；( 3 ) 下线和检修更换线圈方便。缺点是：( 1 ) 不能在任何情况 下都得到满意的电负荷a 和槽电流i s ：( 2 ) 线棒连接线用的并头套多且截面大，焊接工 时多，成本高。 2 3 4 定子槽数z 的选择 首先通过选择合适的槽电流i s 值来确定并联支路数a 值。 在一定的绝缘等级下，槽电流与发电机的容量、电压、并联支路数以及绕组型式等 有关。槽电流太小，表明发电机有效材料的利用率较差，不经济：槽电流太大，将导致 铜损耗和附加损耗增加，从而使槽绝缘温差增大，在工艺上由于线圈截面增大，使制造 比较复杂。 槽电流与每极容量的近似关系，可以用下式表示： 如= ( 3 6 8 4 8 0 ) ( 尝) ( 2 _ 1 1 ) z 口 。 1 2 浙江大学硕士学位论文 ns in 则水轮发电机的并联支路数a ： 日2 瓦一( 2 - - 1 2 ) 为使绕组分布对称，则2 p 口= 整数( 2 - 1 3 ) 则定子槽数可得：z ：互孚塑( 2 - - 1 4 ) 1 s ( 一) 分数槽绕组 水轮发电机定子绕组往往采用每极每相槽数q 为分数的所谓分数槽绕组，一般 1 1 口5 三，其主要理由是这种绕组可以改善空载电势波形，此外，水轮发电机一般级 2 2 数较多，采用分数槽绕组可使电机的电磁负荷选择比较合理，因而所设计电机可能比整 数槽绕组具有较好的电磁性能和经济指标。分数槽绕组虽然可以改善水轮发电机的电势 波形，但在某些情况下，与基波次数接近的次谐波磁场与基波磁场相互作用，有可能使 水轮发电机的定子铁心产生显著振动及噪声。 zcb d + c c 对于分数槽绕组，每极每楣槽数q 5 i 赢2 6 + i 2 丁，式中，万为不可约 的分数。分母d 不允许为相数m 的倍数，也就是兰整数。对于三相绕组# i t = 3 ，d 不 ，卵 允许为3 的倍数，否则绕组不对称。因此如果三相绕组的极对数p 为3 ”的倍数，则必 须选择槽数z 是3 “1 ( n 为整数) 的倍数才行。 正规酊相带绕组中，每极下q 个线圈串联成一组称为极相组，按对称多相绕组进 行连接。现在q 为分数，槽不能分割，但按6 仃相带概念分配的结果，实际上是每d 个 极相组内有( d - - c ) 个组为b 个槽，c 个组为( b + 1 ) 个槽，他们按一定方式排列( 成为循环 数序或轮换数) 。这样每m d 个极相组，或即m 砌= m ( b d + c ) 个槽将构成d 个极，为一循 环，成为单元电机，它的绕组是对称的，而整个电机由挈个单元电机组成。如果定子 日 绕组采用a 条并联支路，则兰尝必须为整数，才能使每相中的各支路对称，可见选择分 “ 数槽绕组并联支路时受到更多的限制。 综上所述，分数槽绕组槽数选择务必满足以下条件： 旦整数 ( 2 1 5 ) 竺：整数( 2 - 1 6 ) “ 1 弓 浙汀大学硕士学位论文 在不影响发电机性能的条件下，应选择一个极间连接线数量最少、长度最短的分数槽。 与较短的连接线对应的分数槽的分数三为： d 2325 3 537 4749595l16 1 16 亍、i 、了、了、i 、虿、而、而、五、百、万、西、百、百、而、而、万、万、而。 f - - ) 整数槽绕组 为了避免分数槽绕组可能出现的振动和噪声，有些水轮发电机采用了整数槽。通常 取q = 3 ，4 ，5 。 整数槽绕组在接线和避免振动方面均优于分数槽，其主要缺点是可能出现较大的波 形畸变。分析表明，对于无阻尼绕组的水轮发电机，其电势波形中存在高次谐波( 包括 齿谐波) 的根源在于主极磁场中含有高次空间谐波。如果主极磁场为正弦分布，即使定 子采用开口槽，也不会引起电势波形畸变。定子开槽引起气隙磁导周期性变化而产生的 附加磁场，有可能在定子绕组中产生较大的谐波电势，使原有畸变增大。对于具有阻尼 绕组的水轮发电机，将会由于定子槽开口引起的气隙磁导周期性变化，产生磁通的脉动， 从而在阻尼条中感应高频电流。该高频电流产生的附加磁场将在定子绕组中感应谐波 电势，引起定子电势波形畸变。 在进行电磁设计时，应该采取改善电压波形的措施： 定子铁心采用斜槽，通常选择斜过的距离恰好等于k 次谐波磁场的波长，即 ， b c = 二 ( c m ) ，一般多斜个定予齿矩。 a 选择合适的阻尼绕组节矩。 择较大的q 值，q 值愈大，齿谐波的次数( v = 2 m q + 1 ) 愈高，谐波磁场的含量愈 小，因而选择较大的q 可以减小电压波形的畸变。 l a ) 减小定子槽宽b s 与气隙6 的比值，通常娑 9 的分数槽绕组，其低阶齿谐波( 低于d 阶) 的次数为分数或偶数，而 主极磁场中只含有奇次齿谐波，从而避免了这些低阶齿谐波电动势出现在电动势 波形中。此时，虽然d 阶齿谐波6 由1 = 奇数，但因其次数很高，谐波磁密幅值 很小，从而谐波电势极小，电势波形则很好，因而可选择 2 t l ，以减小阻尼 绕组的附加损耗。 ( 2 ) 阻尼条直径( 扬 幽可按下式计算： 从= k 3 q m 珊a c ( 衄) ( 2 2 5 ) d b = 1 1 3 爿d c “( m i n 2 ) ( 2 2 6 ) ( 3 ) 阻尼环尺寸 阻尼环的截面积加约等于一个极上阻尼条总截面积的一般，即a r2 j r 了 露d b n b ( m m 2 ) ( 2 - - 2 7 ) 阻尼环的厚度不小于幽，而其高度要比极靴高度至少小5 r a m ，以适应结构上的 需要，此外，在结构尺寸许可条件下，应尽量选取标准线规的扁铜线，以减小阻尼 环的加工。 2 4 富士水轮发电机电磁设计分析 在对国内水轮发电机电磁设计分析的基础上，对富士电机水轮发电机电磁设计壮1 进 行了分析研究。富士电机电磁设计主要包括5 0 小部分。本文主要就以下几个方面进行 探讨： 2 4 1 磁极及气隙 传统的磁极极靴设计为变气隙单圆弧结构，如图2 - - 3 ，最大气隙与最小气隙之比 即占“= 1 5 ，且极靴中部圆弧半径r p 与定于铁心内圆半径r i 不同心。而国外许多大 型水轮发电机的磁极极靴，几乎均采用三段圆弧设计结构。近年来，我国与国外一些著 1 7 浙汀大学硕士学位论文 名电机制造厂家合作设计、合作生产的大型水轮发电机以及从国外引进的水轮发电机， 其磁极设计也是这种三段圆弧结构。这种结构与我国常规设计的单圆弧磁极极靴有所不 同。水轮发电机磁极两种典型的三段圆弧结构见图2 一一4 和图2 - - 5 ，图2 - - 4 为均匀气 隙结构( 即占m a 么= 1 ) ，图2 5 为非均匀气隙结构( 即j m a 么= 1 5 ) ，其特点是极靴中 部为一段半径为r p 的大圆弧，两边各为一段半径为r 2 的小圆弧。 在富士电机的设计中，磁极极靴采用图2 6 的型式。磁极形状主要分两种考虑： 平行和不平行。由于磁性极身形状的差异，在求取磁极极间距离时针对两种不同情况采 用不同的计算方法。 最大气隙6 。的确定方法：如图2 - - 6 所示 当形时，占m a x = 艿( 2 - 2 8 ) 当 时，扎。： 其中c 为均匀气隙段长度，旦一为等气隙长系数。 磁极极靴宽度b p 的确定 当 ；时易= 等咖。1 ( _ 妥加( 2 - - 3 0 2 0 ) f ，r“一 当吼b 州肛南，s i n ( 警，( 2 _ 3 1 ) r p = ( d ，一_ = 2 1 7 ) 王) s i n ( 三一。与) 2 4 2 损耗计算 图2 5 非均匀气隙结构 铜损计算 图2 - - 6 富士电机磁极 铜损主要包括定子铜损p 乙- 和转子铜损改“2 两部分。 儿一兰! 兰：! 2 旦r ，几z ( 2 - - 3 2 ) 2 5 45 n 。：! ! 兰：! 旦堡月：。：。：( 2 - - 3 3 ) 2 5 45- 1 8 浙汀大学硕士学位论文 其中d t 、d t ：分别为定转子温度；r ，、r 2 分别为定转子电阻；h n 、1 2 ”分别 为定转子额定电流。 铁耗的计算 铁耗y 如由五部分组成，即轭部铁耗y g ，、齿部铁耗y o ：、磁极表面损耗y = d 、 端部损耗y 斥：0 和通风槽钢铁耗v s t e g 五部分组成。 ：立 。 50 k f e = t 0 7f n + 0 3f n “1 km k 丘= ( 0 7 + 0 3 t 2 ) k y e o y1 = 2 nv t d “c f r： =兰：竺： l00u y3 = ( 1 9 y 1 ) k 如+ y1 k 扣 y 4 = ( 1 9 y2 ) k f e + y2 3 6 ( o 7 + 0 3 办2 ) a 七：旦 y4 定子齿、定子轭部损耗： v o j = b j l n 2 g ，l k 一a 七( 2 - - 3 4 ) 矿g ：= b ：l 一2 g ：l kf e 1 7xa ( 2 3 5 ) 其中，办为额定频率；，l g 为定子铁心有效长度；，z ，为通风槽数；。，为定子冲片叠 厚；g ，、g ：1 分别为定子轭、定子齿重量；岛。、b z i 。分别为定予轭、定子齿磁密 端部损耗： 儿一一= 5 9 ( 砉) l 5 。 磁极表面损耗： 1g y 7 2 瓦 t ，y s 2 ( ( ai n + 爿= 一) f ) 2 10( 2 3 6 ) 丝j ，：! ! ! ! ! ! y7y 7 1 9 浙汀大学硕士学位论文 d fys ，d z = y 9 一d ，h = 毒毛， l l = l p l l v ll u l ，1 2 = l p m l v x jll u l 0 ，一d i 2 9 8 4 5 l - r o p m = 彳d f 2 9845 12 1 h = 等) 2 ，卢。= 莩h 一瓜 b 。= 。耳z 曰，n ，y 1 4 = ( f t b 。) 2 ，j ，s = ( ；嘉) 1 5 a 2 三( 卜鼢脏1 一咖抛2 南 = 等，“： 了i 艿音者覆亍旷) 2 棚 “娟斛嘣c 舅+ 茜石， 玢；：。，= o p l y 1 6 k 啦2 1 0 3 ( 2 - 3 7 ) p 知一= o p , x y t 6 x 2 3 3 x 1 0 3 f 2 3 8 ) 一= v ：e z o i + v ：e ：o m f 2 3 9 ) v s ，e g =2 3 l v nd ，订v hs 7 8 a p d ( 2 4 0 ) n d p 、名硝请参阅文献 其中d 订、l v t 、l p m 、，v 、6 、b s 、h ：分别为定子内径磁极冲片靴部长、端板等气 隙长、通风槽宽、气隙长、定子槽宽、定子槽高。b i n 为气隙平均磁密，肼为额定转速。 漂游损耗 漂游损耗v z u 主要是上下层线圈漂游损、环流漂游损v z s c h 、定子齿谐波损耗 v z f e i 、磁极表面附加损耗v z # 2 、端部漂游损k 咖。 l ：! 尘! ! 1 2 2 0 浙汀大学硕士学位论文 交流电阻系数( 上层) ：k w u = 1 + 7 h 。，4 丽z n l 一昙等- ) 2 1 。2 交流电阻系数( 下层) ：k w b = 1 + h 一4 ( 焉一尝兰 ) 2 l 。2 k w = ! ! ! ! 旦：! ! 1 2 k wt = l + 娶( k w “一1 ) = 2v c u l x ( k w 。- 1 ) 。百l ( 2 - - 4 1 ) 儿”一号y 一( k w b - - 1 ) 百l ( 2 - - 4 2 ) 上下层线圈漂游损：v z n = v = _ v ”+ v z n b 环流漂游损：矿= s c h = kjc h vc “1 r 2 - - 4 3 ) f 2 - - 4 4 ) 其中h 。、，l b 、h c u l 、6 。1 、n c 。- 、z n l 分别为定子上层线圈展开长、定子下上 层线圈展开长、定子股线厚度、定子股线宽度、单匝单排股线数、匝数。 齿