大型抽水蓄能發電電動機環形磁軛結構分析

李鐵軍，管亞軍

[東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

大型抽水蓄能發電電動機環形磁軛結構分析

李鐵軍，管亞軍

[東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

抽水蓄能用發電電動機基本特征是高轉速、大容量、雙轉向，轉子結構設計難度大，因此GM的技術體現在轉子的設計制造中。作為轉子一部分的磁軛，既是磁路的組成部分，也是固定磁極的結構部件，受力情況復雜，對其機械強度、穩定性以及可靠性要求較高。從基本組成來分，通常磁軛有扇形和環形兩種結構。清遠發電電動機磁軛設計采用環形磁軛，本文主要介紹清遠發電電動機環形磁軛設計、制造以及安裝技術。

發電電動機；環形磁軛 ；高轉速

0 引言

清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市清新縣太平鎮境內，安裝有4臺發電電動機/水泵水輪機組，發電電動機額定容量356MVA/331MW，額定轉速428.6r/min，飛逸轉速690r/min。轉子外徑φ5225mm，飛逸轉速下，轉子周速達到189m/s。

磁軛既是發電電動機磁路的組成部分，也是固定磁極的結構部件。運行過程中，磁軛受力情況復雜，需承受自身離心力、磁極離心力、磁拉力以及扭矩作用，有的還要承受熱套帶來的配合力作用。根據技術參數、設計理念不同，磁軛有多種結構形式。通常，磁軛按基本組成形式分為扇形磁軛（見圖1）和環形磁軛（見圖2）；按磁軛與轉子支架（有時為主軸）配合形式，通常分為熱套磁軛以及浮動磁軛[1]。清遠發電電動機考慮高轉速的剛強度要求，磁軛采用環形浮動磁軛，本文介紹此類磁軛的設計、制造以及安裝技術。

圖1 扇形磁軛Fig. 1 Sector Rim

圖2 環形磁軛Fig. 2 Ring Rim

1 磁軛設計結構

清遠為大容量、高轉速發電電動機，磁極尺寸大、質量重，運行時，單個磁極所受離心力達到萬噸級。這些力全部要通過磁軛來承受。另外，機組不但高速旋轉、正反轉，還要頻繁啟停機，因此疲勞問題也需要檢討考慮。綜合各個方面，清遠磁軛設計采用環形磁軛：磁軛內外徑φ2600/φ4363mm，高3570mm，總重約有200多噸，材料選用Q690D。為方便制造、安裝，將整個磁軛軸向設計成9段，從水輪機側往上依次為第1段、第2段…第9段，各段高度設計為300mm或350mm，段間設計有高度為65mm的通風道，段與段之間定位采取通過通風葉片上的止口進行定位的方式。各段磁軛設計為由t50mm或t75mm的環形磁軛鋼板堆疊而成，環形磁軛鋼板之間通過拉緊螺桿把合為一體[2]。圖3為磁軛斷面圖，圖4為單段磁軛圖。

圖3 磁軛斷面Fig. 3 Rim Section

圖4 單段磁軛Fig. 4 Rim Block

為滿足組裝制動環板的需要及軸向剛度，增加第一段剛度，把緊螺栓設計成鉸制螺栓，以此可提高整體性。

為保證磁軛與轉子支架同心，減少現場調心工作量，段與段之間設計采用定位止口，止口布置在通風葉片上，方便現場疊裝時定位。

為防止頂轉子時磁軛與轉子支架錯位，在第8段上設計有磁軛止浮板（見圖5），以此將磁軛與轉子支架軸向關聯起來。

為方便安裝制動環，在第一段磁軛下表面加工出一個安裝平面。

圖5 磁軛止浮板Fig. 5 Sector rim

磁軛與轉子支架配合采用切向磁軛鍵結構（見圖6），磁軛內徑設計有7處鍵槽。該結構為浮動結構，徑向無配合緊量，周向用切向鍵楔緊。其中T形鍵設計在廠內裝在轉子支架上，現場只需安裝切向鍵。高速旋轉時磁軛仍可與旋轉中心保持同心。

圖6 磁軛鍵Fig. 6 Rim Key

磁軛與磁極配合形式為3T尾結構（見圖7）。磁極徑向通過磁極鍵徑向打緊，牢固固定在磁軛上。軸向在第一段磁軛T尾槽內設計有可調整止落塊，以便現場調整磁極中心高度。

圖7 3T尾Fig. 7 Three T-shape Tail

清遠發電電動機轉速較高，飛逸轉速為690r/min，此時轉子周速約189m/s。為抵擋離心力，磁極間設計需要有極間支撐、極間拉桿、阻尼環拉桿等，通過在磁軛上設計徑向螺紋孔，實現上述結構的固定。

2 加工制造

環形磁軛制作對制造廠加工制造水平要求較高，在廠內加工制造的磁軛內外徑中心度、磁軛鍵、磁極鍵及尺寸形位公差要求較高，特別是尺寸大、質量重的，尤其困難?？紤]機床、工序等相關因素，過程中可能還需要轉換工位，使得整個加工過程工藝復雜，控制困難，難度大。

清遠磁軛內外徑為φ2600/φ4363mm，高3570mm，總重200多噸。需要加工的地方有內外徑、磁軛鍵槽、磁極鍵槽、單段磁軛上下端面、極間連接用的各種徑向螺紋孔等。特別是磁軛鍵槽以及磁極鍵槽，加工精度要求高，制作工藝復雜。概括來說，整個制作工程包括鋼板下料、通風葉片及導磁塊焊接、單段堆疊、單段粗加工、整體精加工等大的工序，這里面每道工序都有不小的難度。其中，對于鋼板下料，我們要求單板不平度小于3mm（這一點需對鋼板原材料提出嚴格要求）。因高強度鋼板不宜進行火焰調型，必要時可以使用大型龍門油壓機調型；通風葉片及導磁塊焊接，過程中容易使磁軛鋼板外周發生變形，焊接必須考慮焊接時機及方法，不能使得鋼板有影響使用的變形；單段堆疊，需考慮合理的面壓，控制壓緊螺桿伸長量，均勻緊固，使每段圓周高度均勻；精加工，為保證磁軛鍵槽以及磁極鍵槽精度，防止錯牙，滿足現場裝配精度，應盡量減少分段加工次數。

綜合考慮磁軛尺寸、質量、精度等因素，清遠磁軛加工采用的方案是分段加工、轉移工位的方式，先加工9/8/7/6/5段，整體加工完畢后，再將已加工好的第5段作為基準，整體加工第5/4/3/2/1段。精加工時先加工內外圓和磁軛鍵槽，再以磁軛鍵槽為基準，加工出各磁極鍵槽換工位校正用基準。工位轉移時，為防止基準跑位，要采取必要的工藝措施。

3 現場疊裝

環形磁軛疊裝時與疊片磁軛不同，各磁軛段需從轉子支架頂端往下套裝，廠房高度往往不能做到一次吊裝到位，因此設計階段應事先考慮吊裝方式，以便給現場安裝提供合適的吊具以及吊繩[3]。一般有兩種方法，設計環形吊具或者采用長短繩。清遠采用的是長、短繩替換的方法吊裝磁軛段（見圖8）。前3段需要更換繩子，后6段均可一次到位。通過對疊裝過程的跟蹤控制，以下幾個關鍵點應特別注意：

第一段掛裝，該段是疊裝基準，需要盡最大努力調到最好，調整時可在內圈與轉子支架間使用千斤頂進行調整。

外周T尾槽內磁極鍵配合面的錯牙控制，過程中需監測段間的錯牙，并關注每一段疊裝上去后，底下幾段的變化趨勢。

磁軛偏心值控制，清遠轉子偏心允許值為0.15mm。建議每疊1段，均進行圓度測量并計算偏心，偏心滿足要求后方可進行下一段疊裝。

測點的選擇可以跟磁極數一致，清遠14個磁極，在磁軛周向相應位置選擇14個測點。

圖8 磁軛段掛裝方法Fig. 8 Rim Block Assembly Method

清遠發電電動機1號磁軛疊裝完成后，對磁軛外圓、內徑間隙值、段與段之間的錯牙情況都進行了測量，數據優良，其中磁軛最大偏心0.1mm，滿足國標以及設計要求。

4 結構優點

清遠發電電動機磁軛采用浮動環形磁軛，相對于扇形疊片結構，該結構整體剛度較好，能夠承擔更大的磁極離心力，提高了轉子的穩定性。另外，由于采用浮動結構，磁軛無需熱套，靜止時磁軛對轉子支架沒有徑向箍緊力，轉子支架受力情況簡單。同時，環形磁軛在廠內分段制作完成，現場只需要掛裝磁軛段，可以減少現場疊片的工作量。運行時，發電電動機高速旋轉，單位時間內應力交變次數多、交變應力幅值大，環形磁軛結構可以較好地解決疲勞問題。

5 結束語

清遠發電電動機磁軛采用環形磁軛，目前4臺機均完成了機械過速試驗、水泵甩入力試驗、發電機單甩負荷及雙機同甩負荷試驗，以及三機同甩負荷試驗，并已投入商業運行，現運行情況良好。由于環形磁軛與扇形疊片磁軛在設計、制造、安裝上有很大不同，本文通過對清遠環形磁軛結構的分析介紹，希望可以給類似結構的設計、制造以及安裝提供一定的借鑒。

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2017-02-15

2017-04-20

李鐵軍（1982—），男，工程師，主要研究方向：常規發電機設計，抽水蓄能電站發電電動機設計等。E-mail：li.tiejun@toshiba-thpc.com

管亞軍（1982—），女，助理工程師，主要研究方向：發電機設計等。E-mail：guan.yajun@toshiba-thpc.com

Introduction for Ring Rim of Qingyuan Generator Motor

LI Tiejun，GUAN Yajun
[Toshiba Hydro power （Hangzhou）Co.，Ltd.，Hangzhou 310020，China]

The basic characteristic of generator is high speed，double steering and large capacity. So GM technology should be reflected in the design and manufacture of rotor .The difficulty of design for the rotor has been increased. Rotor rim as a part of the magnetic circuit and a part of the structure of pole fixed has complex stress conditions. The mechanical strength，stability and reliability requirements are also getting higher and higher. All things considered，Qingyuan generator motor rim use ring rim.This paper introduce the design，manufacture and installation of ring rim.

generator motor；ring rim；high speed

TM31

A學科代碼：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.018