配核电百万千瓦级发电机5800kW无刷励磁机研制

史德利，王庭山，胡建波

（上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240）

0 前言

无刷励磁有较长的历史，是比较普遍而且成熟可靠的励磁技术。无刷励磁在国外发电机组上广泛使用，尤其是大容量核电机组，都采用无刷励磁技术。上海发电机厂制造无刷励磁机有悠久的历史，目前各容量发电机均配套有无刷励磁机产品，现出口国外机组大都采用无刷励磁。随着大电流整流二极管元件可靠性日益提高，无刷励磁机在大容量机组上，以其同轴励磁且无电刷的结构特点几乎无须维护，运行安全可靠，被越来越多用户所接受。

1 5800kW无刷励磁机主要技术参数

5800kW无刷励磁系统的主要技术参数见表1。

2 5800kW无刷励磁机的设计

2.1 设计原则

（1）性能参数满足IEC-60034、国家标准和用户的要求。

（2）吸取国外的先进经验，同时结合国内制造经验进行自主开发设计。

表1 5800kW无刷励磁系统主要参数

（3）将可靠性放在首位，在满足产品性能和结构要求的前提下，尽量采用成熟可靠的结构及国产化材料，以提高综合经济指标。

（4）充分考虑了产品系列化、标准化和通用性。

（5）采用成熟电磁计算程序和可靠计算分析软件。

2.2 电磁设计

2.2.1 降低损耗，减少发热，提高效率

（1）优化磁路，使各部分磁通密度和电流密度合理，励磁机温升低。

（2）电枢冲片采用无取向、高导磁率、低损耗的硅钢片，严格控制冲片涂层，提高叠装系数，以降低损耗。

（3）定子磁极采用高导磁、低损耗硅钢片，降低励磁损耗。

（4）电枢线圈采用 16路接法，增加散热面积，降低温升并减小了槽电流，减小发热及电动力。

2.2.2 提高强励倍数

（1）选用大功率二极管，提高二极管的平均电流和反向电压。

（2）采用330kW大永磁机。

可满足1.8倍强励倍数和高起始响应的需求。

2.2.3 优化通风结构

（1）采用风扇驱动、主励和整流盘单独风路的通风冷却结构，合理分配了风量，提高冷却效率。

（2）通过优化外罩结构设计实现整个风路设计需求。

（3）转子电枢铁心通风槽片采用独特的风道片结构，有利于转子电枢绕组通风冷却；电枢端部压圈上设有径向通风孔，对端部线圈具有冷却作用。

2.3 机械设计

针对核电半速机直径大的特点，设计时关键旋转部件严格选材、核算强度，以提高产品的运行可靠性。

（1）采用高机械性能的电枢冲片，满足铁心热套和超速时的强度要求。

（2）优化主励磁机与永磁机连接的转子结构设计，满足轴系计算需要。

（3）合理选择风扇材料、焊接结构，提高焊接工艺参数，满足风扇超速时强度要求。

（4）各种电器元件如整流组件、熔断器等经过严格的单独超速，考核并验证了其机械强度和电气参数。

2.4 结构设计

5800kW 无刷励磁机由安装在同一根轴上的交流主流励磁机、永磁副励磁机、整流装置组成。

整流盘为单盘结构，永磁发电机为外转子结构，通过支撑环与励磁机轴相连。

整流装置电路是每相每桥臂由 16个二极管并联连接的三相桥式整流电路，每个整流组件有两个并联的二极管。转子实物图如图1所示。

图1 5800kW无刷励磁机实物照片

励磁机外罩上部装有两个冷却器，两组冷却器出来冷风汇合后借助于在轴上安装的风扇，一路通往整流盘，再借助于整流盘的自身鼓风作用冷却整流盘；另一路通往交流励磁机，冷却交流励磁机；两路热风汇合后再回到主励冷却器和整流盘冷却器，这样一方面有效降低各部分温升，另一方面即使退出一组冷却器后仍有冷风冷却电枢和整流盘，提高了机组运行可靠性。励磁机冷却风路图如图2所示。

图2 励磁机冷却风路图

该励磁机设有励磁电流检测及接地检测功能。并配有空间加热器，用于停机时防止励磁机内部结露。

所有绝缘采用F级绝缘，按B级温升考核。

励磁机工作原理如图3所示。永磁副励磁机产生三相交流电，通过自动电压调节器（AVR）整流和控制提供一可变的直流电流给主励磁机励磁。在主励磁机转子感应的三相交流电经过旋转整流桥整流后，通过转轴内的直流引线提供给发电机转子绕组。

2.4.1 主励定子

（1）主励定子16个磁极，磁极铁心及线圈细长，铁心采取特殊压装工艺，减少变形；控制磁极线圈制造精度，保证了定子最终装配质量。

图3 5800kW无刷励磁机系统示意图

（2）定子励磁绕组采用特殊的冷却线匝，提高散热面积，加强冷却。

（3）在磁极间布置两个测量励磁电流用的交轴线圈，解决了无刷励磁机不能检测励磁电流的不足。

2.4.2 转子电枢结构特点

（1）电枢冲片采用耐高温的水溶性漆，该漆绝缘性能更好，且高温时漆膜热收缩变形小。

（2）压装好的励磁机电枢铁心热套于转轴上，保证铁心轴向良好的收紧力。

（3）电枢采用旋转浇浸，增加了电枢绝缘的机械与电气强度，消除了线圈与铁心之间的间隙，避免了小间隙引起的局部放电，提高整机寿命与可靠性。

（4）电枢两端采用可靠成熟的无纬带绑扎技术，形成绝缘性能良好且机械性能可靠的端部“护环”。

2.4.3 旋转整流装置

（1）旋转整流装置为单盘结构，三相六桥臂全波整流，每桥臂有16个并联支路，共16个二极管，有足够的裕量，能保证额定励磁和强励要求。

（2）整流元件采用大功率防爆型二极管，反向击穿电压提高一个等级。

（3）整流盘装配采用自通风冷却设计，整流盘侧面开有通风口，靠自身离心作用冷却每个整流元件，有效降低整流元件温升。

（4）旋转整流元件配有手持式的频闪仪，可以随时观测熔断器和各支路的状态。

（5）每个交流引线单独连接一个整流组件，从结构上提高了整流的均流性。

2.4.4 永磁机

永磁机采用大体积、大重量磁钢，增大了永磁机容量，满足了强励需求，提高机组运行可靠性等。

3 5800kW无刷励磁机的关键工艺

（1）电枢铁心采用冷热压技术，有效防止铁心松动。

（2）电枢采用整体浇浸、旋转烘焙技术，对烘焙温度、时间和工艺有特殊要求，确保线圈与电枢铁心、电枢端部及整个电枢浸渍成一个整体。

（3）采用可靠的电枢铁心热套技术，将转轴冷却、电枢铁心加热、转轴吊起穿入电枢铁心的热套方式，提高了热套的可靠性。

（4）先进的无纬带绑扎技术；采用进口拉力设备和加热器，控制打箍加热温度和拉力，消除打箍裂纹，提高打箍表观质量。

（5）采用特定工艺组装整流盘及元件，确保在高速旋转工况下电气性能与机械性能完好。

（6）由于磁钢体积大、加工难度高，通过采用分块设计，控制浇注、热处理工艺参数，采用线切割加工方法，保证了磁钢制造质量。

（7）通过反复研究充磁方案和试验充磁参数，采用电容脉冲快速充磁技术，使副励磁机充磁取得圆满成功，副励磁机输出电压满足设计要求。

4 5800kW无刷励磁机试验结果

5800kW 无刷励磁机与西门子同等容量无刷励磁机试验结果比较，见表2。

表2 5800kW无刷励磁机试验结果比较

从型式试验结果表明：

该励磁机各项性能指标优良，具有出力裕度大，温升低、轴系动力特性优良等特点。

永磁机输出电压调整特性优良，能有效提高励磁机响应速度，满足励磁机强励要求。

5 与当前国内外同类研究、技术的综合比较

与当前国内外同类研究、同类技术的无刷励磁机相比，5800kW无刷励磁机具有以下创新点：

（1）高参数、高强励倍数、大容量。

（2）采用新技术、新材料和新工艺，较以前国内生产制造的励磁机有很大改进。

采用先进的无纬带绑扎技术，能更好地控制产品质量；整流组件装配、电枢整浸、电枢热套和永磁机充磁等关键技术在国内外同类技术中居于领先。

（3）应用了先进的交轴线圈测量技术，解决了无刷励磁机无法测量励磁电流的问题。

（4）选用了大功率的整流二极管，提高了励磁机的强励能力。

（5）攻克了大体积磁钢的制造技术，使外转子优势得到充分发挥；采用了自主研制的充磁技术，使永磁机电压调整特性得到大大提高。

（6）优化通风结构，采用高效穿片冷却器，使励磁机通风冷却得到了加强。

6 应用情况

目前，上海电气已承接百万级核电机组订单共16台，其中全部为无刷励磁。大容量机组励磁需要更大的励磁电流，对维护简单、运行安全可靠的无刷励磁方式将有更广阔的市场前景，特别是日益扩大的核电市场。

7 结论

综上所述，5800kW无刷励磁机已成功完成设计制造，各项性能指标优异，技术成熟可靠，可以满足匹配1100MW级核电发电机无刷励磁的需求。

5800kW 无刷励磁机设计制造在国内居于领先水平，在国际上达到先进水平。该型无刷励磁机研制成功，不仅填补了国内该领域国产无刷励磁机的空白，而且为我国发展配核电更大等级发电机的无刷励磁机研制打下坚实基础。

[1] 汪耕, 李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上海: 上海科学技术出版社, 2000.

[2] 汤蕴璆.电机学--机电能量转换[M].北京: 机械工业出版社, 1981.