水轮发电机质量控制设计方法
【专利摘要】本发明的目的是公开一种水轮发电机质量控制设计方法。本发明的技术方案是：针对水轮发电机，在除额定功率点外，多个不同功率点运行的工况，以及电机性能指标对设计参数变化的敏感性，结合水轮发电机加工装配工艺、运行工作环境、部件劣化磨损等实际情况，选取对水轮发电机电磁设计影响较大的变量作为待优化设计变量，利用田口法对水轮发电机额定运行效率、加权平均效率及生产成本等设计目标以及短路比、电抗保证值等性能约束构建多指标质量控制设计模型，经系统设计、参数设计、容差设计，最终获得性能稳定、运行可靠、成本低的水轮发电机，从而实现了在整个功率区间范围内水轮发电机高效运行，达到质量与成本的最佳平衡。
【专利说明】水轮发电机质量控制设计方法
[0001]【技术领域】:本发明涉及水轮发电机设计领域。特别是涉及一种水轮发电机质量控制设计方法。
[0002]【背景技术】:目前，水力发电是人类社会应用最广泛的可再生能源。面对温室气体过度排放的威胁以及“节能减排”等政策的实施，水利发电，与火力发电相比，具有绿色、可再生的优势；与核能、太阳能、风能等发电方式相比，具有低成本、技术成熟的优势，其已成为各国优先考虑、且大规模开发的发电方式。
[0003]水轮发电机作为水力发电系统的重要部件之一，其性能优劣直接关系整个水力发电系统运行的成败，因此水轮发电机设计及其优化研究具有重要的意义。目前，常规水轮发电机设计已具有相对成熟的技术，但随着巨型水轮发电机组、大型抽水蓄能机组需求的增力口，以及高水头应用场合的开发，水轮发电机设计技术需要不断的更新发展，并逐步形成成熟的设计理念与方法。
[0004]电机是一个复杂的耦合系统，其各项性能之间相互影响，彼此制约，同时设计电机不仅要综合考虑运行效率、制造成本等多种因素，还需兼顾电磁负荷、过载能力、转矩特性、机械结构、通风发热等复杂约束条件。另外，电机性能指标对设计参数的变化非常敏感，受企业工序控制、生产流程等质量管理水平的影响，电机性能出现不同程度地下降，存在一定的离散度，无法保证产品生产的一致性。因此，提出满足国家标准、用户要求以及特定约束条件的质量控制设计方案，使电机综合性能最优，对解决电机性能指标之间彼此冲突，保证电机优质高效运行具有重要意义。
[0005]传统的质量控制方法注重产品后期检验，具有很强的事后性，造成时间和资源的很大浪费，对预防不合格产品的发现缺乏有效控制。田口法是由日本著名学家TaguchiGenichi博士于上世纪70年代创立的一种科学有效的质量控制设计方法和质量管理技术。通过合理安排试验方案，确定最佳参数组合，增强产品质量特性对各种干扰的鲁棒性，并最终实现产品质量和成本的最佳平衡。田口法将整个设计过程分为三个阶段，即系统设计、参数设计及容差设计，因此，其亦称为三次设计法。该方法在科研与生产中已取得显著的实际成效。
[0006]
【发明内容】
:本发明旨在提高水轮发电机产品设计质量，以提供一种提高水轮发电机额定运行效率与加权平均效率，降低电机生产成本，且满足各项电气与机械性能指标的水轮发电机质量控制设计方法。
[0007]本发明所采用的技术方案是:
[0008]1.一种水轮发电机质量控制设计方法，包括如下步骤:
[0009](I)以凸极同步电机作为水轮发电机进行质量控制设计；
[0010](2)利用田口法作为水轮发电机质量控制设计的方法；
[0011](3)选择水轮发电机主要尺寸、定子槽数、并联支路数、定子线圈股线尺寸、气隙长度、转子极靴尺寸和转子极身尺寸中的各变量中的部分变量或全部变量作为水轮发电机待优化设计变量；
[0012](4)选择水轮发电机额定运行效率、加权平均效率及生产成本作为水轮发电机设计目标，选择短路比、电抗保证值作为水轮发电机性能约束，将上述设计目标与性能约束共同作为水轮发电机输出特性，构成多指标质量控制设计模型；
[0013](5)确定步骤(3)中各待优化设计变量的状态个数及相应取值，建立可控因素水平表，根据优化变量个数及各变量状态数选择适当的正交表，构造内正交表进行内设计；
[0014](6)考虑实际生产加工与装配工艺水平、工作条件与运行环境、内部劣化与运行磨损等因素影响，以这些因素造成的参数误差作为噪音因素，确定各噪音因素的状态个数及相应取值，建立噪音因素水平表，根据噪音因素个数及各因素状态数选择适当的正交表，构造外正交表进行外设计；
[0015](7)将步骤(4)中各输出特性分别处理为望小特性，对应于内正交表的每一个组合，把误差因素配列于外正交表，计算由内、外正交表确定试验方案的输出特性值及信噪比；
[0016](8)对步骤(7)获得的结果数据进行方差分析，检验设计参数显著性程度，确定最佳参数组合；
[0017](9)以步骤(8)确定的最佳参数作为各优化参数取值，进一步确定各参数波动范围，进行容差设计；
[0018](10)按照最优设计方案绘制水轮发电机定子、转子、轴承、机架等各部套图纸，线切割模具，冲模、叠压、绕线、嵌线、浸漆及装配，检验发电机实际运行指标并与设计方案给出的指标比较，如果实际运行的指标超出运行指标要求范围，调整性能设计方案，重新进行优化设计。
[0019]所述的电机为凸极同步电机，电机由定子、转子、轴承、机架等结构组成，定子采用对称三相短距、分布、条式波绕组，转子上除励磁绕组外，还装有阻尼绕组，且阻尼绕组由阻尼条与阻尼环构成闭合结构。
[0020]步骤(5)所述的设计目标的数学模型是:
[0021]
【权利要求】
1.一种水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，包括如下设计步骤: (1)以凸极同步电机作为水轮发电机进行质量控制设计； (2)利用田口法作为水轮发电机质量控制设计的方法； (3)选择水轮发电机主要尺寸、定子槽数、并联支路数、定子线圈股线尺寸、气隙长度、转子极靴尺寸和转子极身尺寸中的各变量中的部分变量或全部变量作为水轮发电机待优化设计变量； (4)选择水轮发电机额定运行效率、加权平均效率及生产成本作为水轮发电机设计目标，选择短路比、电抗保证值作为水轮发电机性能约束，将上述设计目标与性能约束共同作为水轮发电机输出特性，构成多指标质量控制设计模型； (5)确定步骤(3)中各待优化设计变量 的状态个数及相应取值，建立可控因素水平表，根据优化变量个数及各变量状态数选择适当的正交表，构造内正交表进行内设计； (6)考虑实际生产加工与装配工艺水平、工作条件与运行环境、内部劣化与运行磨损等因素影响，以这些因素造成的参数误差作为噪音因素，确定各噪音因素的状态个数及相应取值，建立噪音因素水平表，根据噪音因素个数及各因素状态数选择适当的正交表，构造外正交表进行外设计； (7)将步骤(4)中各输出特性分别处理为望小特性，对应于内正交表的每一个组合，把误差因素配列于外正交表，计算由内、外正交表确定试验方案的输出特性值及信噪比； (8)对步骤(7)获得的结果数据进行方差分析，检验设计参数显著性程度，确定最佳参数组合； (9)以步骤(8)确定的最佳参数作为各优化参数取值，进一步确定各参数波动范围，进行容差设计； (10)按照最优设计方案绘制水轮发电机定子、转子、轴承、机架等各部套图纸，线切割模具，冲模、叠压、绕线、嵌线、浸漆及装配，检验发电机实际运行指标并与设计方案给出的指标比较，如果实际运行的指标超出运行指标要求范围，调整性能设计方案，重新进行优化设计。
2.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，所述的电机为凸极同步电机，电机由定子、转子、轴承、机架等结构组成，定子采用对称三相短距、分布、条式波绕组，转子上除励磁绕组外，还装有阻尼绕组，且阻尼绕组由阻尼条与阻尼环构成闭合结构。
3.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，步骤(5)所述的设计目标的数学模型是:./;="、=1-4 fi = Tk,η,(公式 i)
i=l
f 3 ^l^Mater."^~^2^Manuf.式中:f\为水轮发电机额定运行效率数学模型，为最大化问题， nN-7jc轮发电机额定运行效率； PLs—水轮发电机总损耗标么值，总损耗包括铁损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、励磁系统损耗、通风损耗、摩擦损耗和杂散损耗，其中，摩擦损耗为导轴承损耗和发电机部分承担的推力轴承损耗； f2为水轮发电机加权平均效率数学模型，为最小化问题， Jlpki—分别为不同功率工况时，水轮发电机运行效率和相应的权重； f3为水轮发电机生产成本数学模型，为最小化问题， WpW2—分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本加权系数，可根据实际生产经验确定不同的成本策略； cMater.、cManuf.——分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本，有效材料成本主要包括硅钢片、铜、绝缘材料、板材等成本，制造成本为发电机生产过程中，除有效材料成本外的其它成本。
4.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，步骤(5)至步骤(8)参数设计过程可进行多轮设计，每进行新一轮参数设计，都根据上一轮参数设计分析结果构造新的可控因素水平表与内正交表。
5.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，步骤(7)和步骤(8)分析多指标设计结果是采用下述两种方法中的一种: 第一种方法:首先以水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本分别作为单性能指标进行独立设计分析，在该分析过程中，当以其中的一个指标进行设计分析时，其它指标作为约束条件，最后对设计结果进行综合比较，基于博弈理论，权衡利弊，确定最佳的设计方案； 第二种方法:根据实际情况，依靠专业知识或现场经验将水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本三个设计指标转化为单性能指标确定最佳设计方案。
【文档编号】G06F17/50GK103927408SQ201410077535
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】乔照威, 周波, 林雪成, 明野, 杨磊, 罗建华, 张兴旺, 陈爽, 宋洪占, 魏玉国 申请人:哈尔滨电机厂有限责任公司