基于ANSYS的超導調(diào)相機定子線圈支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

王櫟寧，李 光

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著我國特高壓直流輸電網(wǎng)絡建設規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)復雜度、電能質(zhì)量控制問題日益突出。在直流輸電網(wǎng)和交流配電網(wǎng)之間進行的“交直轉(zhuǎn)換”過程中，無功功率缺乏的問題日益凸顯。嚴重的無功功率缺乏會導致“交直轉(zhuǎn)換”的換相失敗，使直流輸電系統(tǒng)發(fā)生閉鎖，功率無法傳輸，從而嚴重影響整體電網(wǎng)的安全性。因此亟需高效可靠的無功功率補償裝置來提高電網(wǎng)的安全性。

相比于其他類型無功補償裝置，同步調(diào)相機具有電壓支撐能力強、無功補償特性好、短時過載能力強等特點，是優(yōu)質(zhì)的無功補償裝置。國家電網(wǎng)公司已經(jīng)開始大規(guī)模部署300 Mvar等級的常規(guī)同步調(diào)相機。但常規(guī)同步調(diào)相機也存在一些固有缺點，如轉(zhuǎn)子繞組銅損耗大、轉(zhuǎn)子維護頻繁、弱輸出時效率低、定子同步電抗大等，這些缺點相應限制了常規(guī)同步調(diào)相機的發(fā)展。

采用超導材料的超導同步調(diào)相機可以克服上述缺點。由于超導材料沒有電阻，所以超導同步調(diào)相機的轉(zhuǎn)子幾乎沒有熱損耗，大幅度提高了弱輸出時的效率，因此也減少了維護需求。同時，超導材料電流密度高，可產(chǎn)生強磁場，因此定子可采用無磁性齒結(jié)構(gòu)，大幅度降低了定子同步電抗，可以較小的轉(zhuǎn)子電流調(diào)整率實現(xiàn)較大的定子無功輸出能力。超導同步調(diào)相機在無功補償裝置中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。調(diào)相機外形圖如圖1所示。

圖1 調(diào)相機外形圖

無磁性齒水冷定子技術(shù)在國內(nèi)尚屬空白，沒有先例可以參照，技術(shù)難度大。在結(jié)構(gòu)方面，定子線圈支撐結(jié)構(gòu)是從未有過的新結(jié)構(gòu)，靠三塊不銹鋼板開槽來支撐著所有線圈。不銹鋼板槽底是結(jié)構(gòu)受力的關鍵部位，但現(xiàn)行設計規(guī)范又沒有該關鍵部位的校核方法。有限元仿真可以對關鍵部位的受力進行精確計算，分析結(jié)果可以指導結(jié)構(gòu)設計，可以避免因零部件設計考慮不周而造成的損失，也能為結(jié)構(gòu)后續(xù)的優(yōu)化設計提供很好的參考作用。

1 三維模型

調(diào)相機定子采用的沖片為無磁性齒結(jié)構(gòu)，區(qū)別于常規(guī)電機，硅鋼片對定子線圈無任何約束作用，只能額外使用三塊不銹鋼板切割出對應的槽型對定子線圈以及絕緣部件進行固定。

考慮到結(jié)構(gòu)的復雜性、硬件的配置及計算效率，根據(jù)分析的目的性對部分結(jié)構(gòu)進行了合理簡化處理。除了不銹鋼板進行詳細建模外，線圈、絕緣板與槽楔分別進行簡化建模，它們的質(zhì)量等效到對應的部件上。分析采用的三維裝配模型如圖2所示。

圖2 裝配體模型

2 有限元模型

2.1 接觸設置

有限元模型的接觸設置會影響最后結(jié)果的精確度，原則上應該按照實際接觸進行設置，但是在不影響分析結(jié)果精確度的前提下，可以進行一定程度的簡化。該分析中，不銹鋼板與其他各個部件之間均采用摩擦接觸，線圈與槽楔之間采用摩擦接觸，線圈與絕緣板之間采用綁定接觸。

2.2 網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格質(zhì)量也對分析結(jié)果有很大影響，所以在保證網(wǎng)格數(shù)目的前提下，盡量提高網(wǎng)格的質(zhì)量。ANSYS網(wǎng)格劃分中可得到的網(wǎng)格度量有：單元質(zhì)量、縱橫比、雅可比、扭曲因子、平行誤差、最大拐角、偏斜。因模型并不復雜，全部部件采用掃掠功能進行網(wǎng)格剖分，得到高質(zhì)量網(wǎng)格。

網(wǎng)格均采用了六面體高階單元SOLID186，以保證計算結(jié)果的精度。SOLID186可以具有任意的空間各向異性、單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力鋼化、大變形和大應變能力。還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。分析采用的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

3 材料屬性

因線圈為簡化部件，通過修改線圈的密度，將線圈實際的重量等效到線圈簡化模型中，絕緣板與槽楔主要對線圈提供約束作用，他們的材料屬性根據(jù)經(jīng)驗進行等效設置。分析中所使用的各材料屬性如表1所示。

表1 各材料屬性

4 載荷和約束

考慮到調(diào)相機運行時不銹鋼板的受力情況，整個有限元分析模型的載荷與約束如下。

重力：-Y方向(如圖4所示)；

圖4 載荷和約束 圖5 總等效應力 圖6 總變形

單邊磁拉力：-Y方向，4 400 N作用于所有線圈的外圓面；

最大轉(zhuǎn)矩：4 300 N·m，作用于所有線圈的外圓面；

約束：固定三塊不銹鋼板外圓面。

5 計算結(jié)果

5.1 總應力與變形結(jié)果

在自重、單邊磁拉力、最大轉(zhuǎn)矩工況下，整體等效應力分布云圖如圖5所示。從計算結(jié)果可以看出，整體受到的最大等效應力為59 MPa，位于端部不銹鋼板槽內(nèi)倒角R1處，整體平均等效應力在7 MPa以內(nèi)。總變形云圖如圖6所示。最大變形為0.07 mm，位于線圈端部。實際上線圈的端部還有其他綁扎約束，本文分析中的變形僅作參考，不考慮線圈端部變形，整體中部變形在0.007 mm以內(nèi)。

5.2 不銹鋼板等效應力

提取關鍵部件不銹鋼板的等效應力，不銹鋼板的等效應力分布云圖如圖7所示。因兩端對稱，此處僅列出一個端部不銹鋼板的等效應力云圖。從計算結(jié)果可以看出，兩端不銹鋼板受力較大，最大等效應力為59 MPa，中間不銹鋼板最大等效應力為13 MPa，等效應力最大處均位于槽內(nèi)倒角R1處。

圖7 兩端不銹鋼板等效應力

6 結(jié)論

通過有限元分析，在自重、單邊磁拉力、最大轉(zhuǎn)矩工況下，結(jié)論如下：

(1) 整體平均等效應力在7 MPa以內(nèi)，整體中部變形在0.007 mm以內(nèi)，整體的應力與變形都極小，調(diào)相機運行時不會因線圈支撐結(jié)構(gòu)剛強度不足產(chǎn)生不穩(wěn)定情況。

(2) 兩端不銹鋼板最大等效應力為59 MPa，中間不銹鋼板最大等效應力為13 MPa，均位于不銹鋼板倒角R1處。不銹鋼板的最大等效應力遠小于其材料的屈服強度210 MPa，強度足夠。