基于ANSYS的超导调相机定子线圈支撑结构有限元分析

王栎宁，李 光

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着我国特高压直流输电网络建设规模的不断扩大，电网复杂度、电能质量控制问题日益突出。在直流输电网和交流配电网之间进行的“交直转换”过程中，无功功率缺乏的问题日益凸显。严重的无功功率缺乏会导致“交直转换”的换相失败，使直流输电系统发生闭锁，功率无法传输，从而严重影响整体电网的安全性。因此亟需高效可靠的无功功率补偿装置来提高电网的安全性。

相比于其他类型无功补偿装置，同步调相机具有电压支撑能力强、无功补偿特性好、短时过载能力强等特点，是优质的无功补偿装置。国家电网公司已经开始大规模部署300 Mvar等级的常规同步调相机。但常规同步调相机也存在一些固有缺点，如转子绕组铜损耗大、转子维护频繁、弱输出时效率低、定子同步电抗大等，这些缺点相应限制了常规同步调相机的发展。

采用超导材料的超导同步调相机可以克服上述缺点。由于超导材料没有电阻，所以超导同步调相机的转子几乎没有热损耗，大幅度提高了弱输出时的效率，因此也减少了维护需求。同时，超导材料电流密度高，可产生强磁场，因此定子可采用无磁性齿结构，大幅度降低了定子同步电抗，可以较小的转子电流调整率实现较大的定子无功输出能力。超导同步调相机在无功补偿装置中具有明显的技术优势。调相机外形图如图1所示。

图1 调相机外形图

无磁性齿水冷定子技术在国内尚属空白，没有先例可以参照，技术难度大。在结构方面，定子线圈支撑结构是从未有过的新结构，靠三块不锈钢板开槽来支撑着所有线圈。不锈钢板槽底是结构受力的关键部位，但现行设计规范又没有该关键部位的校核方法。有限元仿真可以对关键部位的受力进行精确计算，分析结果可以指导结构设计，可以避免因零部件设计考虑不周而造成的损失，也能为结构后续的优化设计提供很好的参考作用。

1 三维模型

调相机定子采用的冲片为无磁性齿结构，区别于常规电机，硅钢片对定子线圈无任何约束作用，只能额外使用三块不锈钢板切割出对应的槽型对定子线圈以及绝缘部件进行固定。

考虑到结构的复杂性、硬件的配置及计算效率，根据分析的目的性对部分结构进行了合理简化处理。除了不锈钢板进行详细建模外，线圈、绝缘板与槽楔分别进行简化建模，它们的质量等效到对应的部件上。分析采用的三维装配模型如图2所示。

图2 装配体模型

2 有限元模型

2.1 接触设置

有限元模型的接触设置会影响最后结果的精确度，原则上应该按照实际接触进行设置，但是在不影响分析结果精确度的前提下，可以进行一定程度的简化。该分析中，不锈钢板与其他各个部件之间均采用摩擦接触，线圈与槽楔之间采用摩擦接触，线圈与绝缘板之间采用绑定接触。

2.2 网格剖分

网格质量也对分析结果有很大影响，所以在保证网格数目的前提下，尽量提高网格的质量。ANSYS网格划分中可得到的网格度量有：单元质量、纵横比、雅可比、扭曲因子、平行误差、最大拐角、偏斜。因模型并不复杂，全部部件采用扫掠功能进行网格剖分，得到高质量网格。

网格均采用了六面体高阶单元SOLID186，以保证计算结果的精度。SOLID186可以具有任意的空间各向异性、单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力钢化、大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。分析采用的有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

3 材料属性

因线圈为简化部件，通过修改线圈的密度，将线圈实际的重量等效到线圈简化模型中，绝缘板与槽楔主要对线圈提供约束作用，他们的材料属性根据经验进行等效设置。分析中所使用的各材料属性如表1所示。

表1 各材料属性

4 载荷和约束

考虑到调相机运行时不锈钢板的受力情况，整个有限元分析模型的载荷与约束如下。

重力：-Y方向(如图4所示)；

图4 载荷和约束 图5 总等效应力 图6 总变形

单边磁拉力：-Y方向，4 400 N作用于所有线圈的外圆面；

最大转矩：4 300 N·m，作用于所有线圈的外圆面；

约束：固定三块不锈钢板外圆面。

5 计算结果

5.1 总应力与变形结果

在自重、单边磁拉力、最大转矩工况下，整体等效应力分布云图如图5所示。从计算结果可以看出，整体受到的最大等效应力为59 MPa，位于端部不锈钢板槽内倒角R1处，整体平均等效应力在7 MPa以内。总变形云图如图6所示。最大变形为0.07 mm，位于线圈端部。实际上线圈的端部还有其他绑扎约束，本文分析中的变形仅作参考，不考虑线圈端部变形，整体中部变形在0.007 mm以内。

5.2 不锈钢板等效应力

提取关键部件不锈钢板的等效应力，不锈钢板的等效应力分布云图如图7所示。因两端对称，此处仅列出一个端部不锈钢板的等效应力云图。从计算结果可以看出，两端不锈钢板受力较大，最大等效应力为59 MPa，中间不锈钢板最大等效应力为13 MPa，等效应力最大处均位于槽内倒角R1处。

图7 两端不锈钢板等效应力

6 结论

通过有限元分析，在自重、单边磁拉力、最大转矩工况下，结论如下：

(1) 整体平均等效应力在7 MPa以内，整体中部变形在0.007 mm以内，整体的应力与变形都极小，调相机运行时不会因线圈支撑结构刚强度不足产生不稳定情况。

(2) 两端不锈钢板最大等效应力为59 MPa，中间不锈钢板最大等效应力为13 MPa，均位于不锈钢板倒角R1处。不锈钢板的最大等效应力远小于其材料的屈服强度210 MPa，强度足够。