一种小型电励磁隐极的同步模拟电机的制作方法

本发明属于同步模拟电机领域，更具体地，涉及一种小型电励磁隐极的同步模拟电机。

背景技术：

随着我国电力系统的快速发展，对电力系统及其重要设备的研究与试验，如电力系统静态稳定性、暂态稳定性研究，电力系统继电保护技术研究和电力系统二次设备可靠性试验都得到了学术界与工业界的高度重视。由于在真实电网进行试验非常困难，电力系统动态模拟试验系统(以下简称动模系统)被公认为是代替真实电网试验进行电力系统研究与试验验证的有效并重要的试验工具。

大型汽轮发电机组是电力系统中重要的电气设备，为准确模拟大型汽轮发电机(即原型电机)的机电与电磁特性，尤其是电磁暂态与次暂态特性，动模系统采用小型电励磁同步发电机来用于准确模拟原型电机的机电和电磁特性，即实现模拟电机与原型电机主要电磁参数标幺值、时间常数等分别相等，并且两者具有相似的非线性特性。在电机设计当中，需要满足同步模拟电机的参数标幺值与原型电机相同的参数主要包括：(1)直轴电抗X_d与交轴电抗X_q，可以细分为直交轴电枢反应电抗X_ad、X_aq以及定子绕组漏抗X_s；(2)励磁绕组漏抗X_fl与阻尼绕组直交轴漏抗X_Dd、X_Dq；(3)定子绕组电阻R_s、励磁绕组电阻R_f、阻尼绕组直交轴电阻R_Dd、R_Dq；(4)转子机械惯性时间常数T_j。

模拟电机尺寸通常为原型电机的1/100以下，容量为原型电机1/30000以下。现有技术的同步模拟电机的结构存在以下缺陷：1、模拟电机通常对原型电机的结构进行缩小设计，由于采用与原型电机相同的实心转子，其涡流阻尼效应很难通过调整与原型电机达到一致，从而影响超瞬态电抗标幺值的一致性。2、由于模拟电机容量与尺寸远小于原型电机，因此模拟电机的电阻值相对较大、电抗值相对较小，从而导致时间常数相对减小。现有模拟电机中的定子绕组槽与励磁槽，由于槽口采用开口或半开口的设计，槽的宽度较宽、深度较浅，从而无法增大漏电抗；同时，由于采用平行槽的槽身结构，从而限制了绕组并绕根数的增加，使得电阻值相对较大。从而难以实现对原型电机的准确模拟。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种小型电励磁隐极的同步模拟电机，其目的在于改进了同步模拟电机的定子和转子的结构，使得模拟电机能够有效的模拟原型电机的电磁与机电特性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同步模拟电机，包括叠片式定子以及叠片式转子，所述叠片式定子设置于所述叠片式转子的周向；

所述叠片式定子在周向上均匀设置有定子槽，相邻的所述定子槽形成平行齿；

所述叠片式转子在轴向上依次包括第一压板、第二压板以及叠片式转子铁芯；所述同步模拟电机的磁极中心线将所述叠片式转子划分为多个扇形区域，所述每个扇形区域上间隔设置有多个阻尼绕组槽以及励磁绕组槽，励磁绕组槽及与其相邻的阻尼绕组槽之间形成平行齿；

每个阻尼绕组槽内设置有与所述阻尼绕组槽相配合的阻尼条，所述阻尼条的两端分别与第一压板以及第二压板连接，且与第一压板以及第二压板共同形成阻尼绕组。

优选地，在径向切面上，所述定子槽为半闭口梨形的深槽，所述励磁绕组槽为半闭口斜角圆底的深槽，所述阻尼绕组槽为梯形的深槽；

其中，所述半闭口型表示该槽的槽口的宽度与该槽顶部的槽宽之比小于1:2.5，梨形表示该槽在顶部的宽度大于底部的宽度，且顶部为弧形，深槽表示该槽在径向上的高度与径向上1/2高度处槽宽的比例大于3:1；斜角表示槽的槽口与槽身之间采用直线过渡，圆底表示槽的底部为弧形，梯形表示该槽为顶部宽于底部的倒梯形。

优选地，所述阻尼绕组槽在叠片式转子的周向上均匀设置，与磁极中心线相邻的阻尼绕组槽以所述磁极中心线为轴对称设置。

作为进一步优选地，在所述扇形区域上，励磁绕组槽设置于相邻的阻尼绕组槽的对称轴上。

优选地，所述定子槽在轴向上为斜槽；用于削弱气隙磁场齿谐波，降低附加损耗；同时能够减小定子绕组与励磁绕组的谐波漏抗，提高漏电抗模拟的精确度；斜槽表示所述叠片式定子的定子叠片在叠压时呈一定角度错落放置，使得叠压形成的叠片式定子的定子槽在轴向上相对于叠片式定子的中心轴的倾斜角为4°～8°，其倾斜的方向沿所述叠片式定子的周向的切面。

优选地，所述叠片式转子铁芯的直径大于所述第一压板，所述第一压板与第二压板的直径相同，所述阻尼条的两端分别与第一压板以及第二压板在轴向上的外侧连接。

优选地，所述第一压板、第二压板以及阻尼条的材料为相同的金属导电材料，所述金属导电材料在20℃的电阻率小于0.02μΩ·m。

作为进一步优选地，所述金属导电材料为紫铜，既高导电性要求，同时机械性能也满足易于加工成型、易于敲装入转子铁芯、刚度与延展性又满足工艺要求。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于改进了同步模拟电机的定子和转子的结构，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用叠片式转子，从而无需利用实心转子铁芯产生涡流阻尼效应；而通过叠片式转子的阻尼绕组中感生的涡流产生阻尼效应，更容易通过阻尼绕组的设计使得涡流阻尼效应与原型电机达到一致，能够准确的模拟原型电机的超瞬态电抗标幺值；

2、本发明中的定子槽为半闭口梨型的深槽，由于增大了槽深与槽宽的比例，扩大了槽面积，增大了槽口深度与槽口宽度的比例，从而增大了定子槽漏抗标幺值；励磁绕组槽为半闭口型斜角圆底的深槽，由于增大了槽深与槽宽的比例，扩大了槽面积，增大了槽口深度与槽口宽度的比例，从而增大了励磁绕组槽漏抗标幺值。阻尼绕组槽为梯形的深槽，由于增大了槽深与槽宽的比例，扩大了槽面积，增大了槽口深度与槽口宽度的比例，从而增大了阻尼绕组槽漏抗标幺值，减小了阻尼条的电阻值；

3、第一压板以及第二压板与阻尼条共同组成阻尼绕组，从而简化了转子结构，缩短了转子在轴向上的长度，同时还对叠片式转子铁芯起到了牢固的固定效果，起到了转子压板的作用；

4、本发明能够实现同步模拟电机对原型电机的主要电磁参数的标幺值与机电时间常数的模拟；经验证，本发明的同步模拟电机的电阻与电抗参数标幺值的模拟误差低于5％，时间常数的模拟误差低于9％，使得同步模拟电机能够有效的模拟作为大型汽轮发电机组的电磁与机电特性；从而对于动模系统的开发建设与电力系统动态模拟实验研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1的同步模拟电机的定子铁芯的径向剖视图；

图2为本发明实施例1的同步模拟电机的转子铁芯的径向剖视图；

图3为本发明实施例1的同步模拟电机的转子压板结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-定子轭，2-定子槽，3-定子槽槽口，4-定子齿；5-转子大齿，6-转子小齿，7-转子励磁绕组槽，8-转子阻尼绕组槽，9-转子励磁绕组槽槽口，10-转子阻尼绕组槽槽口；11-压板励磁绕组槽，12-压板阻尼绕组槽，13-压板励磁绕组槽槽口，14-压板阻尼绕组槽槽口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种小型电励磁隐极的同步模拟电机，包括叠片式定子以及叠片式转子，所述叠片式定子设置于所述叠片式转子的周向；

所述叠片式定子由定子叠片叠压组成，其在周向上均匀设置有定子槽2，相邻的所述定子槽2形成平行齿4，在径向切面上，所述定子槽2为半闭口梨形的深槽(即槽口3的宽度与槽顶部的槽宽之比小于1:2.5，顶部的宽度大于底部的宽度，且顶部为弧形，径向上的高度与径向上1/2高度处槽宽的比例大于3:1)；

增大槽口3在径向上的高度或者减小槽口宽度会增加定子槽2的槽漏抗，减小槽口3高度或增加槽口3宽度会减小定子槽2的槽漏抗；通过定子槽2的槽口3尺寸可最终调节同步模拟电机的定子槽2的漏抗标幺值与原型电机的定子槽2的漏抗标幺值相等；

叠片式定子的定子叠片在叠压时呈一定角度错落放置，使得叠压形成的叠片式定子的定子槽2在轴向上形成斜槽，该斜槽相对于叠片式定子的中心轴的倾斜角为4°～8°，其倾斜的方向沿所述叠片式定子的周向的切面；定子槽2在轴向上的斜槽结构，可用于削弱气隙磁场齿谐波，降低附加损耗；同时能够减小定子绕组与励磁绕组的谐波漏抗，提高漏电抗模拟的精确度；

定子绕组通过定子槽2穿过叠片式定子，并与叠片式定子轴向上的端部分别闭合；定子绕组的设计需匹配每相串联匝数、并绕根数与定子线规。定子绕组每相串联匝数决定于原型电机同步电抗标幺值，每相串联匝数的增加会导致模拟电机同步电抗标幺值的增加，反之则会减小同步电抗标幺值。并绕根数与线规决定于每相串联匝数与原型电机定子绕组电阻标幺值；在每相串联匝数确定后，增加并绕根数与选择半径大的线规使得模拟电机定子绕组电阻标幺值减小，减少并绕根数与选择半径小的线规使得模拟电机定子绕组电阻标幺值增大，直至与原型电机的参数一致；

所述叠片式转子在轴向上依次包括第一压板、第二压板以及叠片式转子铁芯；所述同步模拟电机的磁极中心线将所述叠片式转子划分为多个扇形区域，所述每个扇形区域上间隔设置有多个阻尼绕组槽8以及励磁绕组槽7；例如，当磁极中心线均匀设置时，则将所述叠片式转子划分为多个角度相等的扇形区域，所述阻尼绕组槽8可在叠片式转子的周向上均匀设置，与磁极中心线相邻的阻尼绕组槽8以所述磁极中心线为轴对称设置；除磁极中心线所在部位外，励磁绕组槽7设置于相邻的阻尼绕组槽8的对称轴上；励磁绕组槽7及与其相邻的阻尼绕组槽8之间形成平行齿；平行齿结构形成了磁场在励磁绕组槽与阻尼绕组槽之间的均匀分布，避免了因局部饱和削弱电抗参数模拟的精度；

励磁绕组槽7为半闭口斜角圆底的深槽(即槽口9的宽度与槽顶部的槽宽之比小于1:2.5，槽口9与槽身之间采用直线过渡，槽的底部为弧形，径向上的高度与径向上1/2高度处槽宽的比例大于3:1)；所述阻尼绕组槽8的宽度取切割工艺允许最小值，使得所述阻尼绕组槽8为梯形的深槽(即顶部宽于底部的倒梯形，径向上的高度与径向上1/2高度处槽宽的比例大于3:1)；

增大励磁绕组槽7的槽口9高度或者减小槽口9宽度会增加励磁绕组槽7的槽漏抗，反之则会减小励磁绕组槽7的槽漏抗，因此，通过槽口9尺寸可最终调节励磁绕组槽7的槽漏抗标幺值与原型电机的励磁绕组槽7的槽漏抗的标幺值相等；

励磁绕组通过励磁绕组槽7穿过叠片式转子，并与第一压板以及第二压板分别闭合；励磁绕组设计需匹配串联匝数、并绕根数、线规，由空载反电动势、励磁绕组电密、原型电机励磁绕组电阻标幺值共同决定；其中励磁绕组电密根据转子冷却条件决定；

增大阻尼绕组槽8的槽口10高度或者减小槽口10宽度会增加阻尼绕组槽8漏抗，减小槽口10高度或增加槽口10宽度会减小阻尼绕组槽8的槽漏抗，因此，通过槽口10尺寸最终调节阻尼绕组槽8的槽漏抗的标幺值与原型电机的等效阻尼绕组的槽漏抗的标幺值相等；

每个阻尼绕组槽8内设置有与所述阻尼绕组槽8相配合的阻尼条，所述阻尼条的两端分别与第一压板以及第二压板连接，且与第一压板以及第二压板共同形成阻尼绕组，第一压板以及第二压板为阻尼绕组的端环；由于叠片式转子也是由转子叠片叠压组成，可将第一压板以及第二压板的直径设计得比叠片式转子略小，在制造过程中可将阻尼条穿越阻尼绕组槽，并从叠片式定子的两端伸出第一压板以及第二压板，与第一压板以及第二压板在轴向上的外侧焊接，从而起到拉紧转子铁芯、提高转子叠压系数的效果；

所述第一压板、第二压板以及阻尼条的材料为相同的金属导电材料，该金属导电材料在20℃的电阻率需小于0.02μΩ·m，且机械性能满足易于加工成型、易于敲装入转子铁芯、并达到工艺要求上的刚度与延展性，例如可采用紫铜。

实施例1

根据本发明的同步模拟电机如图1-3所示，其与原型电机的容量比为1:120000。

图1为本发明实施例1的同步模拟电机的定子铁芯的径向剖视图。如图1所示，该同步模拟电机的叠片式定子的定子铁芯采用斜槽结构，叠压时每个定子叠片向转子旋转方向斜1个定子槽距；所述叠片式定子在周向上设置有等分布的36个定子槽2，相邻定子槽2形成了平行结构、宽度为7毫米的定子齿；

定子槽2采用半闭口梨型的深槽，槽口深1.3毫米，宽3.5毫米，既满足了槽口宽符合下线工艺需要的要求，也满足了定子漏抗标幺值对原型电机参数模拟的要求，槽口与定子槽2的顶部宽度之比为1:2.35，在径向上，槽深与槽深1/2处的槽宽之比为6.2:1；定子槽2的底部与叠片式定子的外周形成的定子轭1宽为25毫米，由于定子齿4、定子轭1中的峰值磁密为1.63T，避免了定子齿4、定子轭1的饱和；定子绕组的三相中每相串联匝数为144匝，并绕根数为35根，定子槽满率为65％，符合工艺要求，同时满足了同步电抗标幺值与定子绕组电阻标幺值与原型电机相同。

该同步模拟电机的叠片式转子在轴向上依次包括第一压板、第二压板以及叠片式转子铁芯；该叠片式转子具有两条磁极中心线，将该叠片式转子划分为四个相等的直角扇形区域；20个阻尼绕组槽在叠片式转子的周向上均匀设置，且与磁极中心线相邻的阻尼绕组槽以所述磁极中心线为轴对称设置；在每个直角扇形区域上，相邻的阻尼绕组槽之间设置有励磁绕组槽，叠片式转子共设置有16个励磁绕组槽。磁极中心线左右相邻的阻尼绕组槽之间形成大齿，励磁绕组槽及与其相邻的阻尼绕组槽形成小齿，小齿为平行齿；

图2为本发明实施例1的同步模拟电机的转子铁芯的径向剖视图，图3为本发明实施例1的同步模拟电机的转子压板(第一压板、第二压板)结构示意图；如图2-3所示，励磁绕组槽7为半闭口斜角圆底的深槽，顶部斜角角度为30度，槽口与外侧槽宽比为1:2.8，槽深43毫米，每槽串联匝数为155匝，转子槽满率为65％符合工艺要求；阻尼绕组槽8为梯形的深槽，槽口深4毫米，槽口宽3毫米，阻尼绕组槽槽口10深3.1毫米，宽0.6毫米。转子大齿5底部宽度9.8毫米，小齿6底部宽度3.6毫米，转子大齿5与小齿6的峰值磁密1.85T，避免了转子齿区域的过度饱和。上述设计参数均能满足模拟电机电抗参数标幺值对原型电机的模拟的要求。

图3所示的转子压板比转子铁芯的外径小5毫米，励磁绕组槽在压板上的宽度与励磁绕组槽在转子铁芯上的宽度平均大1毫米；转子压板上的阻尼绕组槽12相比于转子铁芯的阻尼绕组槽8在径向切面上的两侧的宽度各增宽0.25毫米以预留焊缝，转子压板上的阻尼绕组槽的槽口14为开口槽。阻尼绕组槽8中设置有与阻尼绕组槽8相配合的阻尼条。焊接时，阻尼条的两端分别伸出第一压板与第二压板，并在外力压紧转子铁芯和压板的情况下，与转子压板焊接在一起，转子压板同时作为阻尼绕组端板。本实施例中，阻尼条与转子压板均采用紫铜材料。

根据本实施例设计出的模拟电机的部分参数及其与原型电机参数对照见表1所示。

表1 实施例1的模拟电机与原型电机的部分参数对比

从上表1可以看出，本发明的同步模拟电机的电阻与电抗参数标幺值的模拟误差低于5％，时间常数的模拟误差低于9％；说明本发明的同步模拟电机能够有效的模拟作为大型汽轮发电机组的电磁与机电特性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。