風力發電機定子線圈設計

王春彥，馬賢好

（北京三一電機系統有限責任公司，北京 102202）

風力發電機定子線圈設計

王春彥，馬賢好

（北京三一電機系統有限責任公司，北京 102202）

定子線圈是電機中最核心的部件，定子線圈設計的合理性。直接影響到電機的性能、制造工藝及產品成本。傳統的線圈設計一般采用“長端部、大升高”的方案，導致電機存在效率低、成本高的問題。為提升電機效率、降低成本，本文提出了一種創新線圈設計方法，通過引入“等角度”設計理念，有針對性的調整相關參數，在保證嵌線工藝性的同時，大幅降低端部漏抗、銅耗并減少用銅量，從而電機效率提升2%，成本降低6%，達到了節能消耗的目的。

定子線圈；等角度設計；效率提升

0 引言

定子線圈是電機中最核心的部件，負責電與磁的轉化。因其受到電磁作用、熱作用、機械作用以及環境等多個因素的影響，導致定子線圈成為電機中比較容易損壞的薄弱部分，關系到電機的可靠性和和使用壽命。定子線圈設計的合理性，直接影響電機的性能、制造工藝及產品成本。

定子線圈結構復雜，為滿足其電氣性能和制造工藝性，線圈設計主要需考慮以下幾個方面：槽配合、松漲量、鼻部升高、直線伸出鐵心長、斜邊間隙、引出線等。定子線圈端部圖如圖1所示。

1 傳統線圈設計方法

傳統線圈設計采用的是“等弦長”設計理念，該方法使得線圈在空間裕度上較為寬松，可有效避免嵌線緊張、端部干涉等問題，但同時線圈的的用銅量亦會增加，導致電機銅耗增大、效率降低[1,2]。

圖1 定子線圈端部圖

2 等角度線圈設計方法

通過對線圈結構的分析以及制造工藝性的研究，提出了“等角度”設計的理念，設計過程中對關鍵參數進行調整和優化，能有效地縮短線圈長度、降低用銅量、降低銅耗和減少端部漏抗，從而提升電機的效率，降低產品成本。

2.1 線圈引線彎曲系數hx

一般情況下，縮短端部會導致嵌線工藝性變差，如何實現對線圈的優化且保持較好的嵌線工藝性，是待解決的難題。

在采用“等角度”設計理念設計線圈時，引入線圈引線彎曲系數，通過對該系數的合理選取，可有效地避免鼻部嵌線緊張，保證嵌線工藝性。

引線彎曲系數與引出線方式、電磁線線規和并繞股數有關[3]。通過反復試驗，將其取值范圍確定在

1.5～2.8的區間內。通常小截面時，該系數選取不宜大于2.3；而線圈大截面時，該系數宜選取2.3以上。該系數的選取也可通過對嵌線鼻端間隙的三維仿真來確定。

2.2j值的選取

j值為線圈鼻端到定子內圓的最短距離。其值選取越小，線圈用銅量越低，但同時導致鼻部空間變小，嵌線工藝性變差，因此選取合適的j值在優化線圈結構上有著極為重要的意義[4]。

通常j值的調整是通過現場試驗的方法來確定的，但該方法往往需要制造至少2個節距的線圈嵌線后方能檢驗出j值選取是否合理，若取值不合理，則會導致后續嵌線緊張、嵌線關門困難，輕則導致線圈絕緣破損，重則導致無法進行嵌線、所有線圈報廢的情況[5,6]。

為從源頭解決該問題，在線圈設計時增加了對j值的校驗，具體校驗方法如下：

（1）鼻部寬度Wb：

式中：Ws——線圈斜邊截面寬度；

（2）定義初值j0（一般取j0為10）

式中：Di1——鐵心內圓；

Q1——定子槽數。

（3）校驗

3 對比分析

采用兩種方法設計同款定子線圈，對計算結果進行對比分析。

3.1 設計結果對比

對兩款風力發電機定子線圈設計的輸入參數和輸出結果進行對比，見表1和表2。

表1 定子線圈設計參數對比（某2MW發電機）

表中：r1——直線部分彎曲半徑；

r2——鼻部彎曲半徑；

d1——伸出鐵心長；

H1——端部絕緣前升高；

H2——端部絕緣后升高；

Ext——端部長；

L'——為梭形長；

gz——單臺重量。

表2 定子線圈設計參數對比（某1.5MW發電機）

3.2 成本對比分析

通過Ext、L'和gz的對比，新線圈設計方案具有明顯的優勢，單臺可節約用銅量6%以上，大大降低了材料成本，見表3和表4。

表3 成本對比分析（某2MW發電機）

表4 成本對比分析（某1.5MW發電機）

3.3 電機性能對比

3.3.1 定子銅耗

電機定子銅耗和定子相電阻成正比，相電阻和線圈所用導線長度成正比，故線圈的長短直接影響著銅耗的高低。

（1）定子相電阻：

a——并聯支路數；

Nc1——并繞股數；

Ac1——每根導線截面積；

Lm——平均匝長。

（2）標么值：

式中：Ikw——電流基值，即每相功電流；

（3）定子銅耗：

可得，采用新設計方法較傳統設計方法定子線圈縮短了6%以上，即銅耗降低了6%以上。

3.3.2 定子端部漏抗

（1）定子端部漏磁導系數：

式中：Kdp——繞組系數，一般為0.95左右；

D——斜邊全長及其兩端彎曲部分的一半的有效伸出長。

（2）定子端部漏抗：

式中：q1——定子每極每相槽數；

lef——無徑向通風道鐵心長度；

Cx——漏抗系數。

4 結論

綜上分析，等角度設計方法不論是在降低銅耗上，還是在降低端部漏抗方面都明顯優于傳統設計方法。經過實際生產驗證，該方法在保證嵌線工藝性的同時，大幅降低了端部漏抗和銅耗、減少用銅量，從而提升電機效率、降低產品成本，實現了節能降耗的目的。

[1] 傅豐禮, 馬贏. 異步電動機設計手冊[M]. 北京:機械工業出版社, 2001.

[2] 李有魁, 邱達侖. 交流電機設計手冊[M]. 湖南:湖南人民出版社, 1977.

[3] 黃浩, 馮晉光, 梁艷萍, 等. 大型空冷汽輪發電機定子端部漏抗數值計算[J]. 大電機技術, 2006, 06.

[4] 黃濤, 阮江軍, 張宇嬌, 等. 多相異步電機端部繞組電磁與結構耦合場分析[J]. 大電機技術, 2011, 03.

[5] 黃國治, 傅豐禮. 中小旋轉電機設計手冊[M].北京: 中國電力出版社, 2007.

[6] 黃國治, 高晟陽. 中小型異步電機計算機輔助設計研究[M]. 北京: 中小型電機, 1991.

審稿人：滿宇光

Stator Coil Design o f Wind Generator

WANG Chunyan, MA Xianhao
(Beijing Sany Electrical machinery & System Co.,Ltd, Beijing 102202,China)

The stator coil is the most important part of the generator, the design level of the design level of the coil directly affects the performance,manufacturing process and prodcut cost of the generator. The traditional design of the coil can be summarized into long end, high rise, which leads to low efficiency and high cost.in order to make the efficiency and product cost more reasonable, a new method clled equal angle is proposed in this paper. By adjusting the relevant parameters, the end leakage resistance and copper consumption were signficantl reduced,and also made a reduction in the amount of copper, meanwhile, the good manufacturablity of inserting winding was perfectly preserved. As a result.the generator efficiency increaes by 2%,product cost decreases by 6%, achieved the purpose of saving energy and reducing consumption.

stator coil;equal angle design;efficiency increases

TM312<[文獻標識碼]A class="emphasis_bold">[文獻標識碼]A [文章編號]10[文獻標識碼]A

10

A [文章編號]1000-3983(2016)-0015-03

2015-08-17

王春彥（1982-），2008年畢業于西南科技大學機械設計專業，碩士，從事電機設計工作，工程師。