水轮发电机磁极极靴五段弧结构设计

乔照威，李洪超

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)



水轮发电机磁极极靴五段弧结构设计

乔照威，李洪超

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

摘要为满足高转速机组的水电形势需求，提高水轮发电机性能，针对现有技术存在的不足，从降低水轮发电机电压谐波畸变率、电话谐波含量，改善水轮发电机运行稳定性，提高水轮发电机运行效率等指标要求出发，介绍了一种水轮发电机磁极极靴五段弧结构，着重分析该结构设计特点与方法，通过参数分析研究了各参数间的关联性以及各段弧之间的连接关系，最后通过实际案例分析了磁极极靴五段弧结构的有效性。

关键词水轮发电机；转子磁极；五段弧极靴；极靴设计

0引言

传统的水轮发电机转子磁极极靴设计为变气隙单圆弧结构，其最大气隙与最小气隙之比常取为1.35～1.5，虽然在一定程度上能够减少气隙磁密谐波含量，满足电机基本性能要求，但随着对水轮发电机电压谐波畸变率、电话谐波含量(THF)等性能要求的提高，传统的转子磁极极靴结构已难以满足水轮发电机电气性能和机械性能等方面的技术指标。诸如，在发电机风洞规模、水轮机运行转速等客观条件无法变更的前提下，发电机极槽选择可能无法达到最佳匹配值，从而造成气隙磁密中谐波含量增加，使得水轮发电机定子绕组中谐波电流增大，定子绕组铜耗及铁心损耗增加，甚至在转子励磁绕组、阻尼绕组以及铁心中也产生大量谐波损耗，进一步降低了水轮发电机实际运行效率。另外，谐波磁场和谐波电流还会产生额外的转矩脉动，致使发电机产生振动与噪声，影响发电机安全稳定运行。对于采用高速水轮发电机的水电机组，由于电机转速的提高，上述问题造成的负面影响将更加突显，其对水轮发电机的各项技术指标要求也更加严格，因此，高指标的要求以及新产品的开发都亟需各种有效措施的实施。

针对上述可能存在的问题，通过合理设计转子磁极极靴结构是一种有效的解决措施。现有解决方法中已有采用转子磁极极靴三段弧设计结构，包括均匀气隙设计和非均匀气隙设计两种结构形式[1]～[3]。相较于传统磁极极靴结构，三段弧极靴结构中，每个转子磁极极靴表面由三段圆弧构成，即中部圆弧和磁极两端圆弧，该结构能够减少极间漏磁，减轻极靴重量，减少极靴部位的风摩损耗，但该结构得到的气隙磁场中谐波含量以及极间漏磁相对较高，谐波磁场与漏磁场对水轮发电机性能的影响较大，在高转速水轮发电机应用中仍受到限制。

1磁极极靴五段弧结构设计

水轮发电机转子磁极极靴五段弧结构基于水轮发电机电气性能与机械性能相结合的设计理念，借鉴转子磁极极靴三段弧设计思想，将传统变气隙单圆弧极靴结构设计为五段弧极靴结构，如图1、图2、图3所示。其中图1与图2分别为向心磁极与常规磁极界面形状示意图；图3为五段弧极靴结构设计原理图，由A、B、C、D、E、F六点构成的五段圆弧为五段弧极靴表面形状示意。

由图1、图2、图3可知，水轮发电机转子磁极极靴五段弧表面由中部圆弧AB、其左右两侧圆弧AC和BD、磁极最外两侧圆弧CE和DF，共五段圆弧平滑过渡连接而成。其具有如下特点

(1)圆弧AB的对称中心线与转子磁极中心线重合；圆弧AC和BD关于磁极中心线镜像对称；圆弧CE和DF关于磁极中心线镜像对称。

(2)圆弧AB的圆心O1与定子铁心内圆圆心同心，其半径r1与转子外圆半径相等；圆弧AC和BD的圆心O2L和O2R分别位于圆弧AB圆心O1与端点A、B的连接线AO1和BO1上，其具体位置取决于圆弧AB的张角大小2α1以及圆弧AC和BD的半径大小r2。

(3)圆弧CE和DF的圆心O3L和O3R分别位于端点C与圆弧AC圆心O2L的连接线CO2L上及端点D与圆弧BD圆心O2R的连接线DO2R上，其具体位置取决于极靴的最大高度大小Hps以及圆弧CE和DF的张角大小α3。

(4)五段圆弧AB、AC、BD、CE和DF的张角大小α1、α2、α3满足关系式

2α1+2α2+2α3=180°

(1)

或

α1+α2+α3=90°

(2)

(5)通过调整中部圆弧AB的张角大小2α1、极靴最大高度Hps的大小以及圆弧CE与DF的张角大小α3，可以构成不同的五段圆弧组合方式，从而得到不同形式的五段弧极靴结构。

2设计参数分析

为研究各参数间的关联性，将图3所示的磁极极靴五段弧结构设计原理图简化，如图4所示。

由图可知，各参数间存在下述关系

(3)

根据关系式(2)，式(1)可表示为

(4)

进一步，由图4得下述关系式

(5)

式中，

a=r1-Hps-(r1-r1)cos(α1)

(6)

(7)

将式(6)与式(7)代入式(5)，得

r2=

(8)

在实际工程设计中，取

(9)

由于

(10)

故

(11)

将其代入式(8)，有

r2=

(12)

进一步，可以确定其它设计参数，如以下关系式所示

(13)

式中，

(14)

(15)

(16)

3案例分析

目前，五段弧极靴结构已经在蒲石河、响水涧、溧阳、深蓄等抽水蓄能发电机中应用。以某抽水蓄能发电电动机为例，机组设计容量为300MW，额定电压为15.75kV，额定功率因数为0.9，额定转速为428.6r/min，额定频率为50Hz。经电磁设计后，按照五段弧极靴进行设计，设计参数如表1所示。

电磁场计算相关系数如表2所示。

采用常规极靴设计，取最大气隙与最小气隙之比为1.35，电磁场计算相关系数如表3所示。

比较表2与表3中数据可知，采用五段弧极靴结构设计，电压波形系数与主磁场波形系数均具有较大值，表明该结构具有改善磁场、电压波形等优点。

图5、图6、图7、图8分别为两种极靴结构对应的空载气隙磁密波形及其FFT图。

由图可知，采用五段弧结构时，气隙磁密基波幅值较大，且谐波含量较少，相比于常规极靴结构，能够有效改善气隙磁密波形。

综上可知，磁极极靴采用五段弧设计能够改善气隙磁场波形及电压波形，具有降低谐波损耗，提高水轮发电机运行效率的优点。

4结语

本文详细介绍了水轮发电机转子磁极极靴结构。该结构中，每一个转子磁极极靴表面由五段圆弧平滑过渡连接而成，其中，中部圆弧的对称中心线与转子磁极中心线重合；与中部圆弧相邻的左右两侧圆弧关于磁极中心线镜像对称；磁极最外两侧圆弧关于磁极中心线镜像对称。水轮发电机转子磁极极靴采用五段弧结构，能够取得更好的气隙磁场波形及电压波形布，有助于改善电能质量，降低转矩脉动，减少谐波损耗，提高发电机运行效率。

参考文献

[1]姜茂雄．水轮发电机磁极极靴三段圆弧设计.东方电机，1998(4)，13-17.

[2]戈宝军，于涌源，张淑森．具有三段圆弧极靴结构的大型凸极同步电机气隙磁场的分析与计算.大电机技术，1998(1)，21-26．

[3]曲凤波，项欢，杨仕友．多段圆弧水轮发电机电磁设计特点.大电机技术，1998(2)，9-11．

[4]夏保国.水轮发电机转子接地处理方法.防爆电机，2015.4.

[5]魏玉国.水轮发电机甩油及油雾问题分析及处理.防爆电机，2015.1.

Structural Design of 5-Arc Magnetic Pole Shoe of Hydro-Generator

QiaoZhaoweiandLiHongchao

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

AbstractIn order to meet the development requirements of hydroelectric power of high-speed unit and improve the performance of hydro-generator, this paper introduces a 5-arc structure of hydro- generator magnetic pole shoe from aspects of reducing voltage waveform distortion and telephone harmonic content, improving operational stability and increasing operational efficiency to overcome the shortcomings of existing technology, emphatically analyzes characteristics and method of structural design, researches correlations among the parameters and connection relationships among the arcs through analyzing parameters and finally proves effectiveness of 5-arc structure of magnetic pole shoe based on actual examples.

Key wordsHydro-generator；magnetic pole of rotor；5-arc magnetic pole shoe；design of pole shoe

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.03.03

中图分类号：TM312

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)03-0008-004

作者简介：乔照威男1984年生；毕业于天津大学，现从事水轮发电机设计工作.

收稿日期：2016-02-23