双馈异步风力发电机转子半开口槽应用分析

彭朝霞，郭宇轩，严世洪，程秀杰，杨 柳

双馈异步风力发电机转子半开口槽应用分析

彭朝霞1, 2，郭宇轩1, 2，严世洪1, 2，程秀杰1, 2，杨 柳1, 2

（1. 海上风力发电装备与风能高效利用全国重点实验室-湘潭电机股份有限公司，湖南湘潭 411101；2. 湖南湘电动力有限公司，湖南湘潭 411101）

针对双馈异步风力发电机转子嵌线效率较低的问题，提出了将转子槽型更换为半开口槽的方案。选取了某双馈异步风力发电机在制机型，设计了其半开口槽方案，对其进行了电磁仿真计算、转子强度仿真计算及制造成本分析，结果表明：双馈异步风力发电机转子使用半开口槽能满足使用性能要求，转子每槽导体数为4时其制造成本几乎无增加，且能有效提升转子嵌线效率，具有较好的应用价值。

双馈风力发电机转子半开口槽

0 引言

双馈异步风力发电机因具有制造成本低、运行可靠、功率因数可控、变频器容量小等优点，成为了目前国内风力发电市场的主流机型[1-5]。

双馈异步风力发电机转子主要有半开口槽与半闭口槽两种[6-8]，由于采用半开口槽的电机谐波畸变率较高，该槽型较少被采用于早期小功率双馈异步风力发电机，而主要采用谐波与附加损耗较小的半闭口槽，并一直沿用至今[9-10]，但半闭口槽槽口较小，转子线圈需从铁芯端面插入，因此线圈只能一端机械折弯，另一端需人工弯形。随着双馈异步风力发电机功率的不断增大，转子线规相应提升，人工弯形费时费力，严重影响生产进度，因此将双馈异步风力发电机转子槽型更换为一种槽口更大的槽型，对于提高生产效率就有十分重要的意义。

本文提出将双馈异步风力发电机转子槽型更换为半开口槽，更换后转子线圈两端均可机械折弯成型，并从槽口处分半嵌线，能有效提高生产效率。文中以某双馈异步风力发电机在制机型为例，进行了电磁仿真计算、转子强度仿真计算及制造成本分析，结果说明了双馈异步风力发电机转子采用半开口槽的可行性。

1 有限元仿真计算

以某双馈异步风力发电机在制机型为例，其转子采用半闭口槽，该方案主要电磁参数如表1方案一所示，槽内嵌线及槽型示意如图1所示。将该方案转子槽型改为半开口槽作为对照组，其余参数与原方案一致，该方案主要电磁参数如表1方案二所示，槽内嵌线及槽型示意如图2所示。

图1 半闭口槽槽内嵌线及槽型示意图

图2 半开口槽槽内嵌线及槽型示意图

表1 某型号双馈异步风力发电机主要电磁参数

使用半开口槽主要影响电机谐波畸变率、机械强度及制造成本[9]，因此本文将对上述方面展开对比研究。

1.1 谐波畸变率仿真计算

在AnsysMaxwell2D软件中分别建立表1中两方案的单极有限元分析模型，对电机额定工况进行了有限元分析，得到两个方案额定工况相电压、相电流某个周期的波形分别如图3～图6所示。

图3 方案一相电压波形

图4 方案一相电流波形

图5 方案二相电压波形

图6 方案二相电流波形

对图3～图6所得波形分别进行傅立叶分解，得到各次谐波幅值，其中前10谐波幅值如表2-3所示。

表2 方案一前10次谐波幅值

表3 方案二前10次谐波幅值

根据表2-3中结果，结合式（1），对三相电压进行谐波畸变率计算，计算结果如表4所示。

式中：THD为谐波畸变率，u1为基波幅值，un为n次谐波幅值，n=2,3…。

表4 两方案谐波畸变率计算结果

根据表4结果，方案二的相电压、相电流畸变率均略高于方案一，但仍能满足谐波畸变率小于5%的设计要求。

1.2 转子强度仿真计算

更换转子槽型需保证其机械强度符合要求，由于方案一已试制成功，此处仅进行方案二的转子强度仿真计算。

在ANSYS Workbench软件中建立方案二仿真模型，分别对额定工况1700 r/min及超速工况2460r/min进行转子强度仿真，为了提高计算效率，圆周方向取1/48，轴向厚度取10 mm。仿真所得应力分布如图7～图10所示，仿真结果见表5。

图7 方案二转子铁芯额定工况应力分布云图

图8 方案二转子铁芯超速工况应力分布云图

图9 方案二槽楔额定工况应力分布云图

图10 方案二槽楔超速工况应力分布云图

表5 转子强度仿真结果

根据图7～图10及表5结果，方案二的转子铁芯和槽楔的最大应力均小于其许用应力，说明转子强度满足使用需求。

2 制造成本分析

两方案的成本分析对比如表6所示。

表6 制造成本分析对比

根据表6结果，方案二可节约工时约5 h，但增加成本约3000元/台，成本增加的原因是方案一同一绕组的两根铜排为整体绕包，而方案二则需分开绕包后并头，造成了云母、并头楔及焊料的用量大幅提升。

但对于每槽导体数为4的双馈异步风力发电机，其半闭口槽的槽内嵌线意图如图11所示，半开口槽的槽内嵌线意图与图2（a）一致。将图11与图2（a）对比可知，两槽型对应的绝缘方案与并头方式一致，因此表6中线圈绝缘、并头楔及焊料3项成本一致，其余4项成本相加可得方案二相比方案一制造成本仅增加约100元/台，同时能节约工时约5 h。

图11 每槽导体数4时半闭口槽槽内嵌线示意图

3 结论

针对双馈异步风力发电机转子嵌线效率较低的问题，提出了将转子槽型更换为半开口槽的方案。文中选取了某双馈异步风力发电机在制机型，设计了其半开口槽方案，对其进行了电磁仿真计算、转子强度仿真计算及制造成本分析，结果表明：

1）双馈异步风力发电机转子由半闭口槽改为半开口槽对于其谐波畸变率、机械强度影响较小，能够满足电机使用需求；

2）转子每槽导体数为2时，转子采用半开口槽电机制造成本增加较多，不适合采用此槽型；

3）转子每槽导体数为4时，转子采用半开口槽材料成本几乎无增加且节约较多工时，能有效提高双馈异步风力发电机的生产效率，适合采用此槽型。

[1] 邢法财, 徐政, 等. 双馈感应风力发电机的负电阻效应研究[J].太阳能学报, 2022, 43(4):324-332.

[2] 赖启平, 肖谭南, 等. 基于微分神经网络的风电机群低电压穿越特性建模[J].系统仿真学报,2022,34(12): 2546-2556.

[3] 严世洪, 程秀杰, 等. 双馈风力发电机槽配合对散热影响分析[J].大电机技术, 2021, 5(1): 49-53.

[4] 刘瑞芳, 任雪娇, 等. 双馈异步风力发电机的轴电流分析[J].电工技术学报, 2018, 33(19): 4517-4525.

[5] 李晓峰.大型双馈风力发电机设计和制造工艺[D].湘潭: 湘潭大学, 2014.

[6] 汤惠明, 顾卫东, 等. 转子闭口槽在高效电机中的应用[J].电机与控制应用, 2017, 44(5): 77-79.

[7] 班东坡, 李红梅, 等. 高效异步电机设计综述[J].微电机, 2018, 51(4): 62-68.

[8] 欧阳永峰, 张俊, 等. 某型号兆瓦级双馈风力发电机结构优化分析[J]. 船电技术, 2017, 37(10): 35-40.

[9] 杨强. MW级双馈风力发电机槽型设计研究[J].微电机, 2016, 49(1): 16-22.

[10] 张胜男. 浅谈1.5 MW双馈风力发电机定、转子槽型的选择[J]. 防爆电机, 2009, 4(44): 5-14.

Double-fed asynchronous wind turbine rotorSemi-open slot application analysis

Peng Zhaoxia1, 2, Guo Yuxuan1, 2, Yan Shihong1, 2, Cheng Xiujie1, 2,Yang Liu1, 2

(1. National Key Laboratory of Offshore Wind Power Equipment and Efficient Utilization of Wind Energy-XEMC, Xiangtan 411101, Hunan, China; 2. Xiangtan Electric Power Co., Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM614

B

1003-4862（2023）08-0034-04

2023-02-07

彭朝霞（1983-），女，工程师。研究方向：大功率风力发电机。E-mail: 104689583@qq.com