Load and performance analysis of generator winding insulation under variable power conditions

HE Yuling; YANG Jiawen; WU Xuewei; SUN Kai; AN Jiajun; ZHU Xiaoguang; WANG Xiaodan

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.008

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Load and performance analysis of generator winding insulation under variable power conditions

·Vibration·Noise·Monitoring·Diagnosis· | 更新时间：2026-06-16

- Load and performance analysis of generator winding insulation under variable power conditions
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 6, Pages: 70-77(2026)
- 作者机构：
  
  1.华北电力大学机械工程系，保定 071003
  2.国能联合动力技术（保定）有限公司，保定 071003
- 作者简介：
  
  WU Xuewei, E-mail: 120242102038@ncepu.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52177042);Natural Science Foundation of Hebei Province(E2022502003;E2021502038);The Third Batch of Youth Top Talent Support Plan Program of Hebei Province (〔2018〕-27)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.008
  CLC： TM31
- Received：28 June 2025，
  
  Published：15 June 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
何玉灵，杨佳文，吴学伟，等. 不同功率下发电机绕组绝缘受载及性能分析［J］. 机械强度，2026，48（6）：70-77.

HE Yuling，YANG Jiawen，WU Xuewei，et al. Load and performance analysis of generator winding insulation under variable power conditions［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：70-77.
何玉灵，杨佳文，吴学伟，等. 不同功率下发电机绕组绝缘受载及性能分析［J］. 机械强度，2026，48（6）：70-77. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.008.

HE Yuling，YANG Jiawen，WU Xuewei，et al. Load and performance analysis of generator winding insulation under variable power conditions［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（6）：70-77. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.06.008.

摘要

目的

风力发电机定子绕组绝缘在波动功率复合载荷下易发生热-机械老化损伤，严重危害运行安全。为此，针对定子绕组在变功率工况下的多物理场受载特征及绝缘性能退化规律开展系统研究。

方法

首先，以250 kW永磁同步风力发电机为对象，建立了端部绕组等效动力学与三维常温/瞬态热传导解析模型；其次，利用Ansys软件平台搭建了高保真电磁-热-结构多物理场耦合仿真流，计算了满载、半载、空载下的温度分布与振动频谱；最后，基于仿真边界，设计并搭建了热-机械多场联合的绝缘加速老化试验平台，对历经180 d变功率模拟老化后的绝缘试样进行了宏、微观机械、导热及介电性能测试。

结果

仿真与试验结果表明，随功率增加，铜耗及电磁激励激增，定子最高温度显著上升，且呈中间高、两端低及下层高于上层的非均匀分布。端部绕组振动受低阶电磁力主导，频谱以100 Hz的2倍频等偶数次谐波为主，且幅值随功率单调递增。经历加速老化后，绝缘带基体产生链断裂损伤；随功率增加，微观开裂加剧，弹性模量、导热系数及体积电阻率显著单调下降，而极性游离基滋生导致相对介电常数单调增加。

Abstract

Objective

Winding insulation of wind generators suffers severe electro-thermal-mechanical degradation under fluctuating power profiles

endangering system reliability. This study systematically investigates the non-uniform load distributions and multi-property insulation evolution under variable operations.

Methods

Firstly

taking a 250 kW permanent magnet synchronous wind generator as the prototype

the electromechanical transient and three-dimensional heat transfer mathematical models were established. Secondly

high-fidelity electromagnetic-thermal-structural coupled finite element workflows were constructed via Ansys software platform to extract the spatiotemporal temperature matrices and vibration spectrums under full-power

half-power

and no-power conditions. Finally

guided by numerical boundaries

an test aging rig applying a 100 Hz sinusoidal mechanical preload (30 N for full-power

9.4 N for half-power) paired with prioritized gradient thermal units was customized to execute an accelerated electro-mechanical coupling aging process lasting 180 d. Microstructural

thermal

and dielectric characterizations were implemented to quantify the property degradation.

Results

Numerical diagnostics indicate that structural temperature fields display a highly non-uniform pattern (parabolic axially and hotter at lower layers)

with the peak equivalent temperature climbing steeply at full power due to intensified copper thermal dissipation. The end-winding vibration profiles are strictly governed by even-order harmonics dominated by the 2-fold frequency component (100 Hz)

where the peak amplitude scales up proportionally with output power. Empirical data verify that the accelerated aging breaks epoxy macromolecular chains; as the modeled power increases

microstructural fracturing accelerates

triggering monotonic reductions in the elastic modulus

thermal conductivity

and volume resistivity

whereas the multiplication of polar free radicals promotes the orientation polarization

thereby inducing a steady inflation in the relative dielectric constant.

关键词

Keywords

references

康重庆，杜尔顺，郭鸿业，等 . 新型电力系统的六要素分析［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1741 - 1750 .

KANG Chongqing ， DU Ershun ， GUO Hongye ， et al . Primary exploration of six essential factors in new power system ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1741 - 1750 . （In Chinese）

高俊国，孟睿潇，胡海涛，等 . 电机定子绝缘老化寿命预测研究进展［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 14 ）： 3065 - 3074 .

GAO Junguo ， MENG Ruixiao ， HU Haitao ， et al . Research progress on prediction of aging life of motor stator insulation ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 14 ）： 3065 - 3074 . （In Chinese）

PARK C H ， ORVIZ ZAPICO M ， SALCEDO BOLANOS A ， et al . Inverter-embedded DFIG rotor winding insulation testing for wind energy applications ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2024 ， 60 （ 6 ）： 9195 - 9205 .

LETAL J ， SATMOKO B ， MANIK N ， et al . Stator end-winding vibration in two-pole machines：avoiding generator failure ［J］. IEEE Industry Applications Magazine ， 2020 ， 26 （ 6 ）： 29 - 39 .

TANG G J ， JIANG H C ， HE Y L ， et al . Electromagnetic forces and mechanical responses of stator windings before and after rotor interturn short circuit in synchronous generators ［J］. Mathematical Problems in Engineering ， 2020 ， 2020 ： 5892312 .

XU M X ， HE Y L ， ZHANG W ， et al . Impact of radial air-gap eccentricity on stator end winding vibration characteristics in DFIG ［J］. Energies ， 2022 ， 15 （ 17 ）： 6426 .

HAN J C ， DONG J C ， WANG Y ， et al . Coupled electromagnetic-fluid-thermal analysis for end zone with electric screen in large water-hydrogen-hydrogen cooled turbine generator under different end winding extensions ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 2703 - 2713 .

王尔东 . 干式变压器的应力分析及绕组故障研究［D］. 济南：山东大学， 2021 ： 7 - 34

WANG Erdong . Stress analysis and research on winding faults of dry-type transformer ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2021 ： 7 - 34 . （In Chinese）

冯钜 . 发电机定子线棒主绝缘机械冲击损伤失效诊断研究［D］. 成都：西华大学， 2022 ： 11 - 49 .

FENG Ju . Research on failure diagnosis of mechanical impact damage of generator stator bar main insulation ［D］. Chengdu ： Xihua University ， 2022 ： 11 - 49 . （In Chinese）

李育林，刘向东，韩佳轩，等 . 基于电学性能的发电机线棒主绝缘热老化特性研究［J］. 绝缘材料， 2023 ， 56 （ 8 ）： 45 - 50 .

LI Yulin ， LIU Xiangdong ， HAN Jiaxuan ， et al . Thermal ageing characteristics of main insulation for generator bar based on electrical properties ［J］. Insulating Materials ， 2023 ， 56 （ 8 ）： 45 - 50 . （In Chinese）

杨敏，王新，童小忠，等 . 热老化对发电机定子线棒用环氧-云母绝缘频域介电特性的影响［J］. 高压电器， 2021 ， 57 （ 1 ）： 94 - 99 .

YANG Min ， WANG Xin ， TONG Xiaozhong ， et al . Effect of thermal aging on frequency domain dielectric properties of epoxy-mica insulation for generator stator bars ［J］. High Voltage Apparatus ， 2021 ， 57 （ 1 ）： 94 - 99 . （In Chinese）

SUMISLAWSKA M ， GYFTAKIS K N ， KAVANAGH D F ， et al . The impact of thermal degradation on properties of electrical machine winding insulation material ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2016 ， 52 （ 4 ）： 2951 - 2960 .

陈庆国，赵寒，付强 . 电老化对大型电机定子线棒主绝缘频域介电谱特性的影响［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 11 ）： 4255 - 4263 .

CHEN Qingguo ， ZHAO Han ， FU Qiang . Effect of electric aging on frequency domain dielectric properties of main insulation of generator stator ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 11 ）： 4255 - 4263 . （In Chinese）

ZHANG H J ， ZHANG B W ， WANG J S ， et al . Propagation characteristics of end-winding insulation fatigue damage in variable frequency motor under multi-field coupling ［J］. IEEE Transactions on Magnetics ， 2025 ， 61 （ 1 ）： 8200104 .

薛敬业，陈志辉 . 基于分步迭代法的无刷同步发电机电枢绕组瞬态温度分析［J］. 电气工程学报， 2026 ， 21 （ 1 ）： 170 - 178 .

XUE Jingye ， CHEN Zhihui . Transient temperature analysis of brushless synchronous generator armature winding based on step-by-step iterative method ［J］. Journal of Electrical Engineering ， 2026 ， 21 （ 1 ）： 170 - 178 . （In Chinese）

吴胜男，李文杰，安忠良，等 . 变速恒压混合励磁风力发电机的热分析［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 9 ）： 1857 - 1864 .

WU Shengnan ， LI Wenjie ， AN Zhongliang ， et al . Thermal analysis of variable-speed constant-voltage hybrid excited wind generators ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 9 ）： 1857 - 1864 . （In Chinese）

ALBANESE R ， CALVANO F ， DAL MUT G ， et al . Coupled three dimensional numerical calculation of forces and stresses on the end windings of large turbo generators via integral formulation ［J］. IEEE Transactions on Magnetics ， 2012 ， 48 （ 2 ）： 875 - 878 .

徐明星，何玉灵，张文，等 . 考虑气隙偏心时短路因素对发电机端部绕组振动的影响［J］. 振动与冲击， 2024 ， 43 （ 14 ）： 112 - 121 .

XU Mingxing ， HE Yuling ， ZHANG Wen ， et al . Impact of short circuit factors on end winding vibrations in generators considering air-gap eccentricity ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2024 ， 43 （ 14 ）： 112 - 121 . （In Chinese）

黄杨森，刘云平，王勇，等 . 汽轮发电机组转子振动预警方法研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 3 ）： 541 - 547 .

HUANG Yangsen ， LIU Yunping ， WANG Yong ， et al . Research on early warning method of rotor vibration of turbogenerator unit ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 541 - 547 . （In Chinese）

SUN K ， HE Y L ， CHEN H C ， et al . Comprehensive investigation of thermal and mechanical loads on stator winding insulation in nonsalient synchronous generator under RISC fault ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2025 ， 74：1502017 ： 13 - 15 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Analysis and suppression of vibration characteristics of interior-type fractional-slot direct-drive permanent magnet motors

Reliability analysis of high-temperature structure based on damage-threshold interference principle

STUDY ON COMPILING LOAD SPECTRUM OF ACCELERATION LIFE TEST FOR HIGH SPEED PANTOGRAPH FRAME

RESEARCH ON THE EFFECT OF TEMPERATURE RISE ON BACKLASH AND DIVIDING ACCURACY OF WORM GEAR

ACQUISITION OF ROAD SPECTRUM BASED ON FEMFAT LAB-ADAMS

Related Author

WANG Jing

QIAO Zhanquan

ZHANG Liyong

WANG Guanbo

YU Feipeng

FAN Ruili

LIU Yang

WANG Changlu

Related Institution

Anhui Zhongxin S&T Co., Ltd.

China Academy of Machinery Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co., Ltd.

Jiangsu Zhonggong High-end Equipment Research Institute Co., Ltd.

College of Intelligent Manufacturing, Anhui Science and Technology University

Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, Ministry of Education, East China University of Science and Technology

⁰