水轮发电机条式叠绕组线圈的设计与开发
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【摘 要】本文阐述了大容量水轮发电机定子采用条式线圈的弊端。对昭化电站发电机定子设计中，开发了半线圈条式叠绕组思想。其结果的良好性，为今后水轮发电机的结构设计与电磁方案的槽数选择时，提供一种新的设计思路。
【Abstract】The paper mentioned the malpractices of coil for water turbine generator.So faced the stator design of Zhaohua powerstation，the paper proposed a new method-Half coil way.And the result is reasonable.It is a great way to deal with the configuration design of electric generator.
【Key words】Turbine generator；Half coil；Electromagnetic design
目前，在水轮发电机的定子设计中，普遍采用的线圈形式为条式 。一般情况下，该类型的线圈基本能够满足发电机的性能参数。然而，该方案在某些大容量机组中却存在一定的不足：（1）在电磁方案计算时，由于条式线圈采用槽数常会受到极数的限制，从而无法得到理想的电负荷A、槽电流Is等电磁参数；（2）对于一些特殊转速的机组，容易出现选槽困难，甚至导致无法选取电磁方案。基于上述特点，在发电机型号的选择中，常会受到局限。因此，开发新的定子线圈类型，弥补条式线圈的不足，对于提高机组性能，提升发电效率等方面具有举足轻重的作用。
1 发电机基本概况
本文拟以四川广元昭化电站发电机型为例，探讨新型号线圈的设计过程。该电站中，发电机拟选择类型为灯泡贯流式，具体型号为：SFWG20-68/6600。已知该机组为68极，定子铁芯内径为6150mm（定子与绕组的嵌线方式如图1、图2所示）。
2 条式线圈方案的缺点分析
结合发电机基本参数，在设计中若采用小分母的q，其槽数只有306槽，这样线负荷很低；若采用整数408槽，q=2，通过计算会产生较大的波形畸变，这两种槽数电磁计算时方案均不能采用，除了以上两种方案，其余槽数均是大分母的q值。给定子绕组接线存在巨大的难题，若采用常规的定子接线均存在极间连接线（上层与上层或下层与下层）会出现相互交叉现象，且无法避开等问题。换句话说，该机组如果不采取先进的结构和思路是难于实现的。
3 半条式叠绕组设计
3.1 电磁方案的选择
根据已知条件，结合文献[1]中的方法，确定了发电机的基本参数为：额定功率PN=20MW，额定电压UN=10500V、额定功率因数COSф=0.92（滞后）、频率=50Hz、极数P=68、气隙δ=8mm、定子外径Da=6600mm，内径Di=6150mm，槽数Z=384、支路数a=1，每槽导体数Sn=2、q=1+15/17。再根据基本参数，用matlab编辑程序进行电磁计算，部分程序编译如下：
EbsCO=0.005
3.2 线圈结构设计
线圈设计采用半线圈，换位方式在直线部分进行，端部平直，绕组节距全部采用短节距。接线时在接线端取消了传统斜并头套，采用连接线的方式；在非接线端采用和传统的条式线圈结构一样，采用并头套将上下层线圈直接连接，这种线圈具备了条式线圈的特点，同时也具备了圈式线圈的特点，故称为条式叠绕组线圈。
3.2.1 端部极间连接线的实现
在端部极间的接线部分，通常处理的方式是采取轴向与径向同时避开，同一层线圈两根极间连接线出现交叉时，其中一根极间连接线占用轴向空间，线圈采取端部加长方式；另一根极间连接线占用径向空间，连接线采取从机座外径方向径向连接，这样充分利用机座内的轴向和径向空间。具体设计如图3所示：
定子绕组接线采用叠绕组连接方式，根据循环数将每相下的串联组依次连接起来，其基本原则为：头接头，尾接尾。根据引出线的所在方位，相应断开其中的一根连接线，其连接方式如图4。
从极间连接线展开图中，可以看出上层极间连接线1与上层极间连接线3，上层极间连接线3与上层极间连接线5均存在相互交叉的现象，在设计上层极间连接线3时按径向方向连接，让开上层极间连接线3和5所需的轴向空间，以避免上层连接线1、5与3干涉问题。同时将上层极间连接线3与下层极间连接线4在轴向上设计需要一定的高度差，以避免在同一位置上、下层连接线出现干涉问题。
3.2.2 工艺的可行性分析
线圈的制作由线圈磨具一次热压成型[2]，工艺与传统的条式线圈一致，具有良好的工艺性。克服圈式线圈由于端部成型不规则，存在下线时线端部相互挤压或干涉问题，同时也克服了圈式线圈拆线困难等难题。结构设计合理具有良好的经济性和制造工艺可行性。
4 结论
本文针对昭化电站的发电机设计中，采用条式叠绕组线圈嵌放定子，解决了电磁计算中，受槽数限制的问题，使得发电机参数均满足要求。目前，电站已投入使用，并且效率高、性能稳定。该方案的成功实施，有利于更深发电机层次的研发，并且为大容量低转速的灯泡贯机组的设计奠定了良好的基础。
【参考文献】
[1]傅丰礼，唐孝镐，主编.异步电动机设计手册.2版[M].北京：机械工业出版社，2006，10.
[2]刘建超，张宝忠，主编.冲压模具设计与制造[M].北京：高等教育出版社，2008.
[3]王淑芳，主编.电机驱动技术[M].北京：科学出版社，2010.
[4]顾绳谷，主编.电机及驱动基础（上下册）.3版[M].北京：机械工业出版社，2004.