发电电动机平铺磁轭型磁极连接线的应力分析

常玉红，卢伟甫，霍献东，王 勇，王 涛，詹 阳

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；3.华北电力大学，北京市 102206）

0 引言

抽水蓄能是目前和今后相当一段时期内世界上唯一成熟的超大规模储能方式，对保障电网安全以及消纳新能源有不可替代的作用[1]。与一般的水轮发电机相比，抽水蓄能电站使用的发电电动机存在频繁的启停机和发电电动工况的转换，另外，转子部件装配过程中的一些不当操作，都会造成部件所受的机械应力过大，引发发电电动机转子结构故障。近年来，国内抽水蓄能发电电动机中，位于转子励磁回路中的磁极间连接线频繁发生断裂，严重威胁发电电动机的安全运行。这说明，在发电电动机磁极连接线的结构设计中，应充分考虑工况转换和极端工况下应力的变化，明确结构中的薄弱部位，有针对性地改进结构设计，并在装配工艺方面提出合理的建议，避免降低薄弱部位强度的不当操作。

目前，针对发电电动机磁极连接线故障已展开了相当多的研究工作。例如，文献[2]分析了蒲石河机组靠近磁极线圈引出线附近出现线圈开匝的原因，通过计算明确了磁极线圈引出线不当把紧操作产生的机械应力是造成线圈开匝的主要原因。文献[3]针对刚性、柔性与直接连接、组合连接的极间连接结构，通过对比不同工况下的应力、疲劳寿命和寿命期内的损耗，得到了几种结构的应力和寿命特点。文献[4]分析了一台发电电动机不同磁极线圈引出线和连接线结构所受的机械应力和疲劳损耗，给出了对磁极连接线结构设计的建议。文献[5]针对黑麋峰抽水蓄能发电电动机磁极线圈引出线断裂故障，综合应力有限元计算、金相分析和结构尺寸检查，确定了故障的主要原因。

本文针对一台18极334MW抽水蓄能发电电动机的平铺磁轭型磁极连接线结构，利用有限元模型计算了不同结构参数和不同运行条件下的应力分布，并根据计算结果给出了结构参数的改进建议。

1 发电电动机的基本参数和磁极连接线结构

本文研究的发电电动机基本参数由表1给出。其磁极连接线采用平铺磁轭结构，如图1所示。本台电机中，根据磁极线圈引出线的不同位置，磁极连接线有上连接与下连接两种类型，如图2所示。

表1 发电电动机基本参数Table 1 Basic parameters of pump storage generator

图1 平铺磁轭型磁极连接线Figure 1 Parallel-to-yoke inter-pole connection

图2 磁极上、下连接线结构Figure 2 Structures of upper and lower inter-pole connection

2 磁极连接线的应力计算

2.1 磁极连接线的机械有限元模型

在发电电动机运行过程中，磁极连接线随转子旋转，受到离心力的作用。为计算旋转形成的应力，本文采用Ansys Workbench分别建立了平铺磁轭型磁极上、下连接线的三维机械力有限元模型，如图3所示。其中，用扇形圆盘代替了发电电动机转子，带动磁极连接线旋转。

2.2 磁极连接线额定转速下的应力计算

在约束条件的设置中，考虑到转子结构的对称性，在模型对称面上施加轴向位移约束，设置边界条件为极身侧面的位移等于零。在载荷的添加中，则通过整体施加相应的旋转载荷Rotational Velocity来模拟离心力，螺栓上下面设置预紧力。磁极连接线模型的约束和载荷的设置效果如图4所示。

由有限元模型计算得到额定转速条件下上磁极连接线的机械应力分布如图5所示。可以发现，磁极连接线所受的最大应力集中在线圈引出线内侧和连接件压板处，分别为139.20MPa和64.78MPa。

额定转速时下磁极连接线的机械应力分布如图6所示，最大应力同样在线圈引出线内侧和连接件压板处，分别为66.29MPa和29.49MPa。

图4 模型的约束和载荷的设置Figure 4 Boundary condition and load settings

图5 额定转速时上磁极连接线的应力分布Figure 5 Boundary condition and load settings

图6 额定转速时下磁极连接线的应力分布Figure 6 Stress distribution of inter-pole connection with the rated speed

3 不同结构参数和工作状态下磁极连接线的应力

为分析结构设计和工作状态对磁极连接线应力分布的影响，本章选取磁极连接线弯角半径、引出线长度和引出线与铜板连接位置（如图7所示）三个关键结构参数，计算不同结构参数的磁极连接线在额定转速、甩负荷和飞逸转速状态下的应力分布。磁极上、下连接线原型设计的弯角半径均为10mm，引出线长度均为10mm，引出线与铜板的连接螺栓中心距铜板边缘均为25mm。

3.1 磁极连接线不同弯角半径的应力分布

分别将磁极间上、下连接的引出线弯角半径设置为8mm、10mm、12mm和14mm，并将其他结构保持为原型设计参数，计算额定转速、甩负荷和飞逸转速三种状态下磁极连接线的应力分布，并且统计不同条件下引出线弯角处与压板处的最大应力。上、下连接线应力最大值计算结果分别如表2、表3所示。

从计算结果上看，平铺磁轭型磁极连接线压板区域的应力相对于磁极线圈引出线弯角处的应力比较小。而实际中，平铺磁轭型磁极连接线最常见的断裂就发生在引出线弯角处。对磁极线圈引出线不同弯角半径的应力评估表明，在一定范围内，随着弯角半径的增加，上连接引出线的最大应力明显减小。从降低引出线弯角的故障概率出发，宜选取较大的引出线弯角半径。随着引出线弯角半径的增加，下连接引出线的最大应力变化并不明显。

图7 磁极连接线关键结构参数Figure 7 Key structural parameters of inter-pole connection

表2 上连接引出线不同弯角半径下的应力最大值Table 2 Maximum stress with different radii of upper lead

表3 下连接引出线不同弯角半径下的应力最大值Table 3 Maximum stress with different radii of lower lead

3.2 磁极引出线不同长度的应力分布

分别将磁极间上、下连接的引出线长度设置为5mm、10mm、15mm和20mm，并相应地调整压板处的基座的高度，使铜板保持与磁轭平行，而其他结构保持为原型设计参数。计算额定转速、甩负荷和飞逸转速三种状态下磁极连接线的应力分布，并且统计不同条件下引出线弯角处与压板处的最大应力。上、下连接线应力最大值计算结果分别如表4、表5所示。

表4 上连接引出线不同长度下的应力最大值Table 4 Maximum stress with different lengths of upper lead

表5 下连接引出线不同长度下的应力最大值Table 5 Maximum stress with different lengths of lower lead

对磁极线圈引出线不同长度条件下的应力评估表明，随着引出线长度增加，上、下连接件压板处的最大应力有所增加，但磁极线圈引出线的最大应力明显降低（尤其在甩负荷和飞逸转速情况下）。所以，从降低引出线弯角的故障概率出发，上、下连接都宜选取较长的磁极线圈引出线。

3.3 磁极线圈引出线与铜板不同连接位置下的应力分布

因为上连接线结构的质量和旋转半径更大，改变其磁极线圈引出线与铜板的连接位置对应力的影响更加明显，所以只讨论上连接线不同连接位置条件下的应力分布。在保证铜板与引出线接触面积不变的前提下，铜板沿径向相对于原型设计分别位移是-5mm、-2mm、0mm（原型设计）、2mm和5mm（如图8所示），其他结构参数不变。上述结构的应力最大值计算结果如表6所示。

对比不同连接位置下的最大应力值，可以发现，连接位置在合理范围内的变化对最大应力值的影响很小。

图8 磁极线圈引出线与铜板的不同连接位置Figure 8 Different lead positions of inter-pole connection

表6 上连接线不同连接位置下的应力最大值Table 6 Maximum stress with different positions of upper lead

4 结论

本文计算并对比了一台抽水蓄能发电电动机的平铺磁轭型磁极连接线不同结构参数条件下的机械应力，得到如下结论：

（1）平铺磁轭型磁极连接线受到的机械应力主要集中在磁极线圈引出线和磁极连接线下方的压板处。

（2）平铺磁轭型磁极连接线中的上连接，宜在一定范围内选用较大的磁极线圈引出线弯角半径。

（3）平铺磁轭型磁极连接线中的上、下连接，宜在合理范围内选用较大的磁极线圈引出线长度，从而降低引出线的最大应力。