适用于大型汽轮发电机定子线圈的全参数化建模设计

2024年4月15日发(作者：)

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)ed^/i

理论与设计

适用于大型汽轮发电机定子线圈的全参数化建模设计

彭勃

上海电气电站设备有限公司发电机厂（200240 )

A Full Parameterized Modeling Design for Stator Coil

of Large-size Turbine Generators

PENG Bo

Shanghai

Electric

Power

Generation

Equipment

Co

.,

Ltd

.

Generator

Plant

摘要：基于

NX

三维设计软件构建自定义参数和表

不能满足现在柔性设汁对于产品周期和质量的

达式，采用模块化设计思路，绘制出全参数化驱动、全自

需求，具体体现在以下几个方面：

动更新模型

.

以达到定子线圈三维设计标准化、模块化

(1) 总体设计阶段进行可行性评估时，

的要求，最终形成了一种适用于大型汽轮发电机定子线

圈的全参数化建模设计方法，大幅提高了定子线圈的设

工程图不利于快速、直观地判断设计方案的可

计效率。

行性，评估过程中不能进行快速调整和多方案比

关键词：定子线圈全参数化

NX

三维软件

较，优化周期较长；

中图分类号：

TM302

文献标识码：

A

(2) 基于二维工程图的设计方法是将二维

DOI

编码

：

10.3969/.l006-2807.2021.02.001

图纸上的关键尺寸处理后再传递到后续线圈模

Abstract: Based on NX 3D design software to build

具和工装的设计，定子线圈产品与线圈模具、工

up the custom parameters and expression, thinking way by

adopting modular design is applied, the full parameterized

装等衍生设计数据之间实质上是相互割裂的，

drive is drawn, the model is updated fully automatically,

因而在迭代设计时无法实现快速自动关联和同

thus the standardization and modularity requirement of the

步；

stator coil design is reached, finally to form a full parame­

(3) 描点法仅离散地标示了一部分尺寸，

terized modeling design method for stator coil of large-size

turbine generators, increasing the design efficiency greatly

此只能近似表示定子线圈端部渐开线形状，无法

in the field of stator coil design.

完整、精准地表达整段定子线圈端部形状和尺

Keywords

：

stator coil full parametric NX 3D de­

寸，线圈模具设计、制造时的尺寸控制也是离散

sign software

的，无法做到质量100%受控；

(4) 二维工程图无法作为

CAE

有限元分析

定子线圈是汽轮发电机运行的核心部件，也 等现代仿真设计方法的直接输入，需对数据先行

是定子结构设计的关键要素，与定子相关的各部 重建模和大幅录入才能利用；

套设计工作多数以定子线圈作为设计输入，因此

(5) 各厂家、各机型的定子线圈结构不同，

定子线圈的快速柔性设计是提升整个发电机设 且不同的设计人员对于定子线圈建模的方法也

计效率的关键。传统的定子线圈设计主要基于二

不一致，缺少一套标准化的建模设计方法，不利

维工程图传递结构尺寸信息，通过描点法表示定 于历史数据重用，进而导致设计周期较长。

子线圈端部渐开线形状，制造时通过描点尺寸来

针对上述问题，本文基于

NX

三维设计软件

实现模具、工装的尺寸控制。此传统设计方法已

构建自定义参数和表达式，采用模块化设计思

《电机技本》2021年第2期.1.

二维

因

理论与设计

路，绘制出全参数化驱动、全自动更新模型，达

到定子线圈三维设计标准化、模块化的要求，最

终形成了一种适用于大型汽轮发电机定子线圈全

参数化建模的设丨十方法，大幅提升了定子线圈设

计效率。

1 定子线圈结构模块

定子线圈可按照多种维度进行模块划分：

(1 )按所处的发电机轴向位置，可分为直线

部分、端部和鼻端；

(2) 按线圈各组件的功能划分，可分为导电

模块、冷却模块、绝缘模块和鼻端连接模块，对

应于线圈截面中的各个组成部分；

(3) 按线圈制造工序划分，可分为胶化线圈

和外部绝缘层；

(4) 按绝缘体系划分，可分为多胶模压

胶

SVPI

和少胶

GVPI

等绝缘体系线

上述多种划分方式间存在一定关联性，它们

之间按结构组成的关联关系如表1所示。

表1各种定子线圈模块划分方式的关系

造工序

轴向位

胶化线圈

外部绝缘层

电磁线

冷却管

屏蔽层

直线换位区

罗贝尔换位

换位绝缘

主绝缘

换位填充

直线防晕层

排间绝缘

电磁线

冷却管

屏蔽层

直线非换位区

换位填充

主绝缘

排间绝缘

防晕层过渡

电磁线

脒蔽层

锥角圆弧和过渡区

冷却管

主绝缘

排问绝缘

防晕层过渡

电磁线

屏蔽层

端部渐开线

冷却管

防晕层过渡

排间绝缘

保护层

电磁线裸线

鼻端

冷却管 手包绝缘或绝缘盒

连接接头

不论以何种方式进行划分，仅依据某一种方

式都很难完整且详尽地描述定子线圈结构。当

单个维度无法完整描述线圈结构时，定子线圈结

• 2021年第2期《电机技术》

&⑭吻此

构模块的划分就应按照应用场景的需要选择相

对合适的方式。例如：当需要快速在线圈上定位

时，宜按照所处位置划分模块；当需要描述绝缘

细节时，宜按照截面构成要素划分模块；当需要

回溯制造过程的某一时刻时，宜按照制造工序来

划分模块；当需要快速定性描述线圈绝缘结构特

点时，宜按照绝缘体系来划分。

从三维设计角度看，关注的重点是不同位置

的尺寸特征该如何表达，而定子线圈截面尺寸随

位置的变化主要是胶化部分的差异和绝缘结构

的差异共同引起的。因此以三维实现的场景来

看，线圈结构模块应将轴向位置与制造工序相结

合：定子线圈形状为典型的扫略件，构成其形状

的两个最核心的儿何特征为扫略截面和引导线。

其屮，扫略截面对应定子线圈截面，引导线对应

定子线圈轴向各段，扫略得到的实体对应胶化线

少

圈和外部绝缘层。

关于扫略截面，考虑到不同冷却方式、不同

换位方式的定子线圈截面结构形式完全不同，为

实现标准化设计，可以不逐一表达线圈内部截面

的细节，仅体现胶化线圈整体轮廓和外部绝缘层

整体轮廓即可满足工装、模具的设汁和装配仿

真；关于引导线，由于定子线圈直线换位区与非

换位区存在换位高度差，不同机型对此高度差采

用的退拔（即过渡）方式不同，会导致建模时引

导线形状和定位尺寸不同，无法在一个模型屮同

时表达多种退拔方式。按照上述做法，三维模型

屮对扫略截面和引导线这两者能够产生根本性

影响的只有线圈直线非换位区的退拔方式，因此

定子线圈全参数化设计按退拔方式，分为双侧退

拔和无退拔两个模块（见图1和图2)，分别搭建

模型。

图1双侧退拔结构

、

图2无退拔结构

2 建模总体要求、简化及结构分析

2.1建模总体要求

本文所述的定子线圈全参数化设计模型的

主要目标是通过标准化、模块化的三维建模设计

方法，达到提高定子线圈模型重用水平、缩短定

子线圈研发设计周期和满足装配制造的进度要

求。基于上述目标，该全参数化模型须具备以下

几个特点：

(1) 建模过程步骤应完全标准化且固化；

(2) 模型的形状及尺寸完全由自定义的几

何参数和表达式来驱动；

(3) 自定义参数通过统一的界面

M

示，

进入具体步骤逐个修改；

(4) 参数修改完毕后，模型可自动更新，

需再人工干预；

(5) 该模型的尺寸应具备符合三维装配所

需的精度。

2.2模型简化

综合考虑模型的复杂程度、使用场景和通用

性要求，本文对全参数化定子线圈三维模型进行

了部分简化处理，具体为：

(1) 模型包括胶化线圈和外部绝缘层，

括鼻端连接接头和鼻端绝缘结构；

(2) 模型的胶化线圈和绝缘层输出实体为

轮廓实体，不含内部细节（如拼编换、绝缘内部

的各种材料分层等），但输入参数按照截面组成

的各项逐个进行录入，通过自定义表达式自动计

算相应位置的轮廓尺寸；

(3) 为便于后续测量取点，线圈截面均按矩

形处理，不作圆角；

(4) 因不同机型防晕结构不同，且防晕层厚

理论与设计

度相对于线圈整体外形尺寸来说很小，不影响整

体装配效果，故线圈端部截面尺寸以端部非防晕

区为基准，模型不体现端部防晕截面尺寸。

2.3定子线圈模型结构分析

定子线圈的直线换位区、直线非换位区、锥

角圆弧区、端部和鼻端各段的截面构成、尺寸和

引导线本身的结构特点存在显著差异，因此线圈

建模时上述各段应按其结构特点分别进行差异

化处理。

(1) 直线换位区

直线换位区轮廓形状为简单长方体，其特点

为截面尺寸中包含换位高度、换位绝缘和换位填

充等因罗贝尔换位而产生的额外尺寸。

(2) 直线非换位区

直线非换位区形状特点是：存在因换位区与

非换位区之间的高度差而产生的退拔结构，不同

模块的退拔结构形式也不相同，可能涉及到变截

面扫略。

(3) 锥角圆弧区

锥角圆弧区的轮廓形状基本为扇形体，由于

需要与直线非换位区的退拔形状平滑过渡，因此

锥角圆弧的外圆面可能不是严格的圆形。

(4) 端部

端部线圈的结构特点是：引导线为渐开线，

即将其沿端部扫略引导线所在锥面展开后为一

段渐开线和圆弧构成的平滑曲线。

(5) 鼻端

线圈鼻端的结构特点是：为实现电连接，鼻

端的电磁线表面绝缘均被去除，因此其截面尺寸

较其它段更小。

3 建模思路和步骤

定子线圈全参数化建模设计总体思路为：

(1) 定义设计输入参数；

(2) 构造引导线：直线部分引导线绘制

部渐开线绘制；

(3) 绘制截面和扫略成形：胶化线圈直线部

分截面绘制及扫略、胶化线圈两端部截面绘制

《电机R术》2021年第2期-3-

无需

无

不包

、端

理论与设计

及扫略、线圈绝缘直线部分截面绘制及扫略、线

圈绝缘两端部截面绘制及扫略；

(4)各段求和：胶化线圈各段实体求和、绝

缘层各段实体求和。

3.1定义设计输入参数

本文所述模型中的设计儿何参数主要分为

股线尺寸、胶化线圈截面尺寸、绝缘层尺寸、主

视图尺寸、端部渐开线尺寸和鼻端相关尺寸等几

类，共计70余项。为了便于识别，参数名称由若干

段特征码组成，各段特征码间通过”隔开。首

位特征码表示参数描述的物理量类型，如角度、

高度、宽度等；第二位特征码表示该参数描述

线圈沿长度方向的具体部位，如出线端、非出线

端、端部、直线部分等；最后一段特征码表示描

述的具体内容，通常为英文单词。表2为部分自定

义设计输入参数。

表2部分自定义设计输入参数

参数名称

参数含义

ALEconeangle

出线端锥角

L

core

铁心长度

L

LE

Invprojection

出线端渐开线投影长

LLEoutcore

出线端出槽

U

长度

LLEtransition

出线端过渡区长度

L

_

LE

_

transition_plus

出线端过渡区附加长度

Lstrbar

线圈直线部分长度

N

一

slot

定子槽数

图3是在三维软件中输入自定义参数后的界

面。

a*

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JTiBS

«

fSI»liaw

图3参数编辑界面

3.2构造引导线

定子线圈扫略成形所需的引导线主要由直

线部分引导线、锥角处引导线和端部渐开线组

成。先在主视图草图中绘制好直线部分和锥角处

的引导线（图4),然后在渐开线所在锥面的展开

• 4_ 202丨年第2期《电机技本》

面中绘制好渐开线（图5 )，输入线圈端部跨角等

参数，以从整根渐开线中截取相应的段，并将截

取的段旋转至与锥角圆弧相接，最后将展开面中

绘制的渐开线段缠绕至所对应的锥面即可形成

完整的引导线。

图5绘制渐开线

3.3绘制截面和扫略成形

基于路径分别绘制胶化线圈和绝缘层的截

面轮廓形状（图6和图7),直线换位区、直线非换

位区、端部和鼻端的截面尺寸不同。直线非换位

区退拔方式不同也会使得直线非换位区的截面

所在径向位置不同，需根据不同的退拔结构分别

计算截面所在位置。

扫略时，除直线非换位区因存在退拔结构而

图7外部绝缘

fei

截面绘制和成形

需多截面扫略外，其它各段均沿引导线简单扫略

即可。沿渐开线扫略时，端部线圈截面方向须设

置为始终垂直于渐开线所在锥面。

3.4各段实体求和

成形后，分别将胶化线圈各段和绝缘层各段

进行实体求和，得到完整的胶化线圈和绝缘层共

两个实体。

需要指出的是，本模型在使用时有以下适用

范围：

(1) 仅适用于端部渐开线为不变基圆的定

子线圈；

(2) 仅适用于锥角处圆弧与渐开线起始圆

弧之间的过渡区为0过渡或正过渡结构（即渐开

线开始位置在锥角圆弧区域外）的定子线圈；不

能用于负过渡结构（即渐开线开始位置在锥角圆

弧区域内）的定子线圈。

4 模型验证

通过比对相关定子线圈图纸，对采用本文所

述的定子线圈全参数化模型均进行了测试验证，

见图8。验证方式为：在全参数化标准模型中测

量胶化线圈底部中心线的鼻端末端（即胶化线圈

鼻端端面刮头后的底部棱边中点）到发电机铁心

中心面的轴向距离，将该测量值与定子线圈图纸

尺寸值进行对比，计算两者的差值大小，进而判

断模型的准确性和精度。

图8三维模型测量验证

验证比对结果见表3和表4。由表3和表4可

知，各机型的模型测量值与图纸尺寸的差值基本

都在零点几毫米的范围内，精度达到了 0.1

mm

,

完全满足三维装配和工装模具设计所需的精度

要求。

5 结语

理论与设计

表3无退拔线圈标准模型验证结果

胶化线棒鼻端至发电机

胶化线棒鼻端至发电机

序

中心面(出线端）中心面(非出线端）

号

模型

图纸

模型

图纸

测量值

计算值

差值

测量值

计算值

差值

14 532.084 531.98

0.14 527.384 527.290.09

2

4 490.07

4 489.990.08

4 485.38

4 485.29

0.09

3

4 182.084 181.980.14 177.384 177.290.09

4

4 140.074 139.980.094 135.38

4 135.29

0.09

54 200.114 200.100.014 204.894 204.90-0.01

64 175.294 175.270.024 180.074 180.07

0

73 570.413 570.42

-0.013 589.73

3 589.74

-0.01

83 538.913 538.92

-0.013 558.23

3 558.24

-0.01

93 899.573 899.5703 899.573 899.57

0

10

3 874.113 874.070.043 874.11

3 874.070.04

113 662.703 662.600.13 662.703 662.60

0.1

123 629.603 629.6003 629.603 629.600

表4双侧退拔线圈标准模型验证结果

胶化线棒鼻端至发电机 胶化线棒鼻端至发电机

序

中心面（出线端）中心面(非出线端）

号

模型

图纸

模型

图纸

测量值计算值

差值

测量值计算值

差值

13 992.193 992.180.013 992.193 992.18

0.01

23 959.833 959.84-0.013 959.833 959.84

-0.01

3

4 457.204 457.20

04 444.254 444.250

4

4 434.964 434.950.014418.334 418.330

本文通过分析定子线圈结构模块的划分方

法和适用场景，确定了以胶化线圈外轮廓和绝缘

层内外轮廓作为建模实体的定子线圈全参数化

标准模型方案。以线圈长度方向引导线和各段截

面线为核心建模特征，通过构建一系列自定义参

数和驱动表达式，创建了无退拔结构和双侧退拔

结构的两套定子线圈标准三维模型。开发的定子

线圈全参数化标准三维模型符合开发目标规定

的过程标准化、驱动参数化、界面统一化和更新

自动化的要求。通过多机型数据验证，证明了模

型的准确性、可靠性和高精度=为下游研发和制

造部门提供了可靠的数字化标准模型，并形成了

相应的数字化设计方法。

本文所述的全参数化建模设计方法，除可以

提供标准的定子线圈三维模型供后续装配、工

《电机技术》2021年第2期-5-

理论与设计

0.4 kV配电网下的小功率光伏并网装置研究

温景茂

1

吴小欢

2

胡翔

2

徐寅飞

2

1浙江大学（310007 )

2杭州电力设备制造有限公司（310018 )

Study on Low-power Photovoltaic Grid-connected Device

under 0.4 kV Class Distribution Network

WEN Jingmao' WU Xiaohuan2 HU Xiang2 XU Yinfei1

1

Zhejiang

University

2

Hangzhou

Electric

Equipment

Manufacturing

Co

.,

Ltd

.

摘要：为了满足小微企业用户

0.4 kV

以下的光伏发

电与电力生产调度等需求，设计了一种集成化的光伏能

源并网装置（包括硬件设计与各功能模块设计）。并将此

装置包含在一个由

2

个光伏发电站与

1

个储能站组成的电

力系统中，进行实验测试与检验考核。通过数据整合与

比较，发现该装置能满足

0.4 kV

以下配电网的工程精度

需求，对未来的发展方向有参考作用。

关键词：电能路由器光伏并网装置微电网

found that the device is able to meet with the engineering

precision requirements under 0.4 kV class distribution net­

work, providing reference for future development direction

in this field.

Keywords

：

power router photovoltaic grid-connect­

ed device micro-size power network

中图分类号：TM306文献标识码：A

由于光伏发电具有无限的太阳能源和清洁

的产能过程等特点，越来越为人们所青睐大力

发展光伏发电产业得到了世界各国的重视，并相

继成为各国能源发展战略的重点方向。美国1997

年的“百万屋顶”计划[1]、日本1992年的新阳光

计划[2]、德国颁布新可再生能源法，规定光伏发

电上网电价等举措无疑加速了光伏发电的发展。

我国也在通过政府补贴等手段推进光伏产业发

展。在我国内蒙古、甘肃、四川、新疆等地建造了

DOI

编码

：

10.3969/.l006-2807.2021.02.002

Abstract

：

In order to meet with requirements of the

PV and electricity production dispatch under 0.4 kV class

distribution network raised by the small and micro-size

enterprise, a type of integrated photovoltaic grid-connected

device is designed, including hardware design and various

modules design. Experiment and verification tests are con­

ducted onto the device under a power system connected

with 2 photovoltaic sets and 1 energy storage station. It is

o

暴 〇♦〇 籲 〇 鲁

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籲 〇 拳

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鲁 〇_〇_〇 拳

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;)»〇»〇»〇 籲 〇 ⑩ 〇 籲 〇_〇«〇 參 〇 籲 〇 春 〇

艺设计和仿真使用外，过程中定义的定子线圈参

数还可同时作为如物料用量计算等其它用途的

设计输入，提高设计过程中其它步骤的标准化程

度，有效提高了开发效率。

参 考文献

科学技术出版社，2012.

[2] 刘瑞丽，魏燕飞.汽轮发电机定子线圈端部设汁的精确汁算[

J

].

上海大中型电机，2011 (4) : 23-26.

[3] 索文旭.渐开线条式线圈的汁算与设电机技术，2004

(1) ： 4-6.

(收稿日期：2021-03-06)

作者简介：彭勃，男，1989年2月生，本科，电气工程及其自动化专

业，工程师，现从事汽轮发电机定子电工结构设计工作,

[1]汪耕，李希明，等.大型汽轮发电机设汁、制造与运行[

M

].上海

•6. 2021年第2期《电机技术》