1 200 MW汽轮发电机定子端部线圈3D建模方法的研究

徐子开，徐余法，杨楠，纪海燕

（1.上海电机学院电气学院，上海200240；2上海第二工业大学，上海201209）

1 200 MW汽轮发电机定子端部线圈3D建模方法的研究

徐子开1，徐余法2，杨楠1，纪海燕1

（1.上海电机学院电气学院，上海200240；2上海第二工业大学，上海201209）

大型汽轮发电机端部磁场和结构件的损耗已成为其设计和运行中的重要问题之一。但由于定子线圈端部复杂，二维分析难以满足工程的精度要求，因此，提出了采用Siemens NX软件对1200 MW汽轮发电机定子线圈端部进行三维建模的方法，得到了更加符合工程实际的结构模型，能精确地进行计算和仿真，为端部电磁场、涡流场的分析和计算奠定了良好的基础。

汽轮发电机；定子端部线圈；Siemens NX；3D建模

随着发电机单机容量的不断增加，其定子线负荷增高，导致发电机端部区域的磁密增加，定子绕组电流密度增大，出现了涡流损耗的上升，使发电机端部局部温升过高，影响发电机的正常运行。汽轮发电机的定子绕组放在铁心内圆的定子槽内，它处于旋转变化的磁场中，感应出高电压、大电流，并输出到电网，因此，它是发电机能量转换、输出电能的关键部位，也是发电机损耗发热最大部件之一，不仅造成了发电机效率降低，还会影响发电机运行的稳定性。

1 200 MW汽轮发电机的定子绕组为双层绕组，上、下层线棒的直线部分埋于槽内，由槽楔、波纹板等固定；线棒端部结构为篮式。为了增大上、下层鼻端接头的空间，常采用不同的锥度。带锥度篮式端部的线圈与铁心端部压圈等结构件的距离比较远，这样附加的损耗也较小。每个线棒在端部锥面上以渐开线形式展开弯曲成形。

由于定子绕组端部结构复杂，早期大部分都是用近似的二维作图法或平面渐伸线计算来确定尺寸的，得到的近似值精度较低，计算步骤过多，二维分析难以达到实际工程要求，无法对发电机端部电磁场、温度场、涡流场进行分析和精确计算。因此，本文基于Siemens NX软件对1 200 MW汽轮发电机定子绕组端部进行三维建模和参数化设计，NX是一个交互式CAD/CAM系统，可以实现各种实体及造型的构建，它具有强大的参数化设计功能，能准确地反映设计意图，参数化模型易于修改和重用。

1 线棒结构分析

如图1所示，线棒主要由三部分组成，分别为励端端部、汽端端部和直线部分。其中，汽端与励端结构相似，它们都包含了端部过渡部分、过渡圆弧、渐伸线段、过渡圆弧和端部的直线段，如图2所示。1 200 MW汽轮发电机定子36槽、采用双层绕组结构，节距为14，其上、下线棒虽然在诸如渐伸线开始位置、过渡圆弧等数据上有所不同，但上层线棒与下层线棒之间仅有些许的尺寸差别，建模时可按模块化进行设计。1200 MW线棒上层线棒励端折弯方向与下层线棒汽端折弯方向相同，上层线棒汽端的折弯方向与下层线棒励端的折弯方向相同。因此，在建模的时候为了便于快速建立线棒模型，上、下层线棒的模型设计顺序应该相反。

图1 线棒完整图

图2 线棒端部结构图

在3D建模过程中，通过工程图纸的尺寸参数分别对渐伸线部、端部过渡端及直线部分进行三维建模，首先利用Siemens NX软件渐伸线重用库功能及虚拟锥环的搭建完成渐伸线的建模，并根据图纸对各过渡圆弧和过渡段作出了精确处理，再通过扫描命令完成定子线棒端部的实体建模。

2 线圈三维模型的建立

2.1 渐伸线部的建模

启动NX软件，进入三维建模环境，从重用库中调用渐伸线方程（involute），并输入基圆半径r，将其放置到XY平面；进入草图创建界面，选取XY平面为草图1放置平面，创建草图，如图3所示。在图3中，基圆圆心与渐伸线开始圆圆心重合，参数如表1所示。在表1中，p0为实际线圈渐伸线开始处距圆心的距离；p1为线圈结束部分距圆心距离；φp2为渐伸线开始过渡圆弧直径；φp3为渐伸线结束过渡圆弧直径；A为线圈渐伸线所跨角度。

图3 草图1

表1 定子绕组参数

2.2 虚拟锥环的建立

锥环的建立目的是为了真实模拟线棒的端部形状。本文针对的电机其线棒端部采用了篮式结构，上层的所有线棒之间以及下层的所有线棒之间的锥角相同，因此，可以构造锥环来为线棒端部定型。锥环的构造过程为：过渐近线跨角的起始边作一个垂直于草图1的基准面，并在此基准面上作草图2，如图4所示。在图4中，B为锥面转轴跨角，为20°，虚线为锥环转轴，p13=1 000 mm，为锥面长度。最终回转草图，锥环模型搭建完成如图5所示。

锥环完成后，将线棒渐开线部分所需的曲线用“缠绕曲线”命令投影到锥环上，缠绕曲线的目的是给端部渐伸线段建模时提供一条引导线，缠绕曲线的选取如图6所示。

过缠绕曲线的起点作一个垂直于缠绕曲线的基准平面，并在此基准平面制作草图3，如图7所示。将草图3作为扫掠截面，缠绕曲线为引导线，面为回转得到的锥面，执行扫掠命令最后得到扫掠体如图8所示。

图4 草图2

图5 锥环模型

图6 缠绕曲线

图7 草图3

图8 扫掠体

2.3 端部过渡段及直线部分的建模

利用草图1的基准平面制作草图4，如图9所示。在图9中，虚线是发电机的中心轴，作一条虚线且与虚线距离为D的直线p44，然后在与水平线相交处作一半径为Pr的倒圆角。倒圆角与直线相切的切点，即为直线部分的结束点。倒圆角如图10所示。利用垂直于缠绕曲线的基准平面制作草图5，扫掠截面的尺寸如图11所示。将端部过渡段及直线部分作为引导体进行扫掠，如图12所示，最后通过“求和”命令得到完整的单根定子线棒三维模型，如图13所示。

图9 草图4

图10 倒圆角

图11 草图5

图12 过渡段及直线扫掠体

图13 单根定子线棒三维模型

图14 定子线圈端部三维模型

以上是根据上层线圈数据建立的上层线圈端部的三维模型，同理再根据以上过程建立下层线圈端部的三维模型，两者组合在一起形成完整的端部三维线圈模型如图14所示。

2.4 定子线棒三维建模注意事项

基于本次线棒建模使用的是“一体化”设计理念，因此，在模型搭建过程中，需要注意如下几点：①我们所建立的模型应该是要与图纸精确匹配的，而不只是画个大概，因此，对于模型的精度，必须注意图纸与模型的尺寸关系。②画线棒渐伸线段时，必须注意“扫略”里的定位方法，并非默认的“fixed”，应是改为“面的法向”。如果若不修改，仍然使用默认的设置，则在装配时上、下层线棒无法对齐，装配后的模型会与预期的有不小的差距。因此，在扫略端部时，一定注意定位方法是否换成了“面的法向”。③所建立的线棒截面须确保与引导线之间是垂直关系。如果扫略时目标曲线与引导线间非平行，则会造成扫略出的实体形状与我们所期望的形状有出入。因此，在建模型时，应确保每一步都是正确的。

3 结束语

本文通过应用Siemens NX软件将非常复杂的汽轮发电机定子端部线圈的三维模型直观、准确地表达出来，并在此基础上，实现了与Ansys等有限元软件的对接，建立了有限元模型，为三维电磁场、三维涡流场、三维温度场等精确仿真和计算提供了基础。

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〔编辑：张思楠〕

TM311

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.023

2095－6835（2017）18－0023－03

徐子开（1991—），上海电机学院在读研究生，主要研究方向为电机与电器。