大型交流发电机定子线棒换位方式及其相关磁热问题分析方法的理论研究

Weaving transposition and parallel strand structure has been widely used in stator bar of large AC generator for reducing additional losses generated by eddy current and circulating current. The appropriate design of transposition mode will be significant in preventing local overheating, increasing insulation life and ensuring the safe operation of generator. Currently, the determination of transposition mode mainly depends on the circulating current losses calculated by simplified analytic algorithm, which can not satisfy the high precision design demands of large generator. The purpose of this project is exploring the analysis method for electromagnetic-thermal problem related to stator bar in different transposition modes, which combines the numerical analysis of physical field with equivalent network method. In this project, equivalent circuit network method and 3D nonlinear field-circuit coupled BE-FE method for analyzing electromagnetism problem of transposition bar will be proposed based on the interaction mechanism research of leakage magnetic field, eddy current and circulating current, and the accurate calculation of leakage magnetic field distribution, additional losses and electromagnetic force will be realized. The equivalent thermal network method and segmented fluid-temperature coupled method for analyzing thermal problem of transposition bar will be proposed based on the interaction mechanism research of heating and cooling, and the accurate calculation of temperature rise for transposition bar will be realized. Then, the changing rules of leakage magnetic field, electromagnetic force and temperature rise generated by transposition will be revealed and the novel transposition design technique and analysis method will be established, which will provide theoretical basis for the development of stator bar transposition technique.

大型交流发电机的定子线棒广泛采用编织换位的并绕股线结构以减小环流和涡流附加损耗，换位方式的合理设计对防止局部过热、提高绝缘寿命、保障发电机安全运行具有重要意义。目前，线棒换位方式的选择主要依据采用简化解析解法求得的环流损耗，无法满足大容量发电机高精度设计要求。本项目旨在探索不同换位方式下定子线棒磁热问题的分析方法，将电机物理场数值分析与等效网络法相结合，在研究换位线棒漏磁场、环流、涡流相互影响的基础上提出分析换位线棒电磁问题的等效电路网络法以及三维非线性电磁场-电路耦合边界有限元法，实现换位线棒漏磁分布、附加损耗、电磁应力的准确计算；研究换位线棒发热、冷却相互影响机理，提出分析换位线棒热问题的等效热路网络法和分段流体-传热耦合法，实现换位线棒温升的准确求解；揭示换位所引发的定子线棒漏磁场、电磁力、温升变化规律，形成新的线棒换位设计技术和分析方法，为发电机定子线棒换位技术的发展提供理论基础。

定子线棒换位方式的合理设计是保障大型交流发电机安全运行的关键，目前对于换位方式的设计主要依据简化解析解法求得的环流损耗，无法满足大容量发电机高精度的设计要求。本课题围绕定子换位线棒磁热问题的分析方法展开了研究。.提出了适用于不同换位方式的定子线棒环流和涡流附加损耗的快速计算方法—等效电路网络法。建立了仅包括电阻和漏电抗参数的等效电路网络模型，提出了基于离散积分思想和坐标变换原理的等效电路网络模型中的漏电抗参数的计算方法。.提出了求解定子复杂换位线棒电磁问题的三维电磁场—电路耦合比例边界有限元法。在边界处采用有限元的单元离散方法，在没有离散的区域通过解析算法进行求解，采用相似性原理解决了股线换位弯的剖分问题，大大降低了剖分数量。.提出了多路并绕股线电流的实时测试方法，开发了基于多层PCB板的线阵式霍尔传感器，搭建了定子换位线棒股线电流测试平台，实现了在不破坏定子换位线棒端部结构的情况下并绕股线电流的实验测试。.提出了一种可以考虑股线实际换位结构以及热源分布的定子线棒温升的快速计算方法—等效热网络法。通过改变不同轴向截面股线节点之间的传热路径实现了定子股线实际换位结构的模拟。.提出了适用于复杂编织换位股线的剖分方法，实现了定子复杂编织换位线棒温升的三维有限元计算，解决了传统剖分方法在复杂换位股线以及股线绝缘的网格离散过程中产生的网格畸变问题。.揭示了不同换位结构定子线棒全域漏磁、环流、涡流、电磁力以及温升的分布规律，为在线监测位置的选取提供理论依据。.提出了基于混合蚁群、NSGA-II的定子线棒换位结构的多变量、多目标优化算法，开发了定子换位线棒的可视化优化设计软件，提出了多种定子线棒换位结构优化方案。.通过本课题研究，建立了定子线棒换位相关电磁问题与热问题的精确分析方法，为电磁装置中复杂结构件综合物理场数值模拟提供了新途径，形成了新的大型交流发电机定子线棒换位设计技术，为定子线棒换位的工程设计提供了设计准则。