清远抽水蓄能电站发电电动机环形磁轭结构分析

李铁军，管亚军

[东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

0 引言

清远抽水蓄能电站位于广东省清远市清新县太平镇境内，安装有4台发电电动机/水泵水轮机组，发电电动机额定容量356MVA/331MW，额定转速428.6r/min，飞逸转速690r/min。转子外径Φ5225mm，飞逸转速下，转子周速达到189m/s。

磁轭既是发电电动机磁路的组成部分，也是固定磁极的结构部件。运行过程中，磁轭受力情况复杂，需承受自身离心力、磁极离心力、磁拉力以及扭矩作用，有的还要承受热套带来的配合力的作用。根据技术参数，设计理念不同，磁轭有多种结构形式。通常，磁轭按基本组成形式分为扇形磁轭（见图1）和环形磁轭（见图2）；按磁轭与转子支架（有时为主轴）配合形式，通常分为热套磁轭以及浮动磁轭[1]。清远抽水蓄能电站发电电动机考虑高转速的刚强度要求，磁轭采用环形浮动磁轭，本文介绍此类磁轭的设计、制造以及安装技术。

图1 扇形磁轭Fig.1 Sector rim

图2 环形磁轭Fig.2 Ring rim

1 磁轭设计结构

清远抽水蓄能电站为大容量、高转速发电电动机，磁极尺寸大、重量重，运行时，单个磁极所受离心力达到万吨级，这些力全部要通过磁轭来承受。另外，机组不但高速旋转、正反转，还要频繁启停机，因此疲劳问题也需要检讨考虑。综合各个方面，清远抽水蓄能电站磁轭设计采用环形磁轭：磁轭内外径Φ2600/Φ4363mm，高3570mm，总重有200多吨，材料选用Q690D。为方便制造、安装，将整个磁轭轴向设计成9段，从水轮机侧往上依次为第1段、第2段、……、第9段，各段高度设计为300mm或350mm，段间设计有高度为65mm通风道，段与段之间定位采取通过通风叶片上的止口进行定位的方式。各段磁轭设计为由t50mm或t75mm的环形磁轭钢板堆叠而成，环形磁轭钢板之间通过拉紧螺杆把合为一体[2]。图3为磁轭断面图，图4为单段磁轭图。

图3 磁轭断面Fig.3 Rim section

图4 单段磁轭Fig.4 Rim block

为满足组装制动环板的需要及轴向刚度，增加第一段刚度，将第一段部分把紧螺栓设计成铰制螺栓，以此可提高整体性。

为保证磁轭与转子支架同心，减少现场调心工作量，段与段之间设计采用定位止口，止口布置在通风叶片上，方便现场叠装时定位。

为防止顶转子时磁轭与转子支架错位，在第8段上设计有磁轭止浮板（见图5），以此将磁轭与转子支架轴向关联起来。

图5 磁轭止浮板Fig.5 Sector rim

为方便安装制动环，在第一段磁轭下表面加工出一个安装平面。

磁轭与转子支架配合采用切向磁轭键结构（见图6），磁轭内径设计有7处键槽。该结构为浮动结构，径向无配合紧量，周向用切向键楔紧。其中T形键设计在厂内装在转子支架上，现场只需安装切向键。高速旋转时磁轭仍可与旋转中心保持同心。

图6 磁轭键Fig.6 Rim key

磁轭与磁极配合形式为3T尾结构（见图7）。 磁极径向通过磁极键径向打紧，牢固固定在磁轭上。轴向在第一段磁轭T尾槽内设计有可调整止落块，以便现场调整磁极中心高度。

图7 3T尾Fig.7 Three T-shape tail

清远抽水蓄能电站发电电动机转速较高，飞逸转速为690r/min，此时转子周速约189m/s。为抵挡离心力，磁极间设计需要有极间支撑、极间拉杆、阻尼环拉杆等，通过在磁轭上设计径向螺纹孔，实现上述结构的固定。

2 加工制造

环形磁轭制作对制造厂加工制造水平要求较高，在厂内加工制造的磁轭内外径中心度、磁轭键、磁极键及尺寸形位公差要求较高，特别是尺寸大、重量重的，尤其困难。考虑机床、工序等相关因素，过程中可能还需要转换工位，使得整个加工过程工艺复杂，控制困难，难度大。

清远抽水蓄能电站磁轭内外径为Φ2600/Φ4363mm，高3570mm，总重200多吨。需要加工的地方有内外径、磁轭键槽、磁极键槽、单段磁轭上下端面、极间连接用的各种径向螺纹孔等。特别是磁轭键槽以及磁极键槽，加工精度要求高。制作工艺复杂，概括来说，整个制作工程包括钢板下料、通风叶片及导磁块焊接、单段堆叠、单段粗加工、整体精加工等大的工序，这里面每道工序都有不小的难度。其中，对于钢板下料，要求单板不平度小于3mm（这一点需对钢板原材料提出严格要求）。因高强度钢板不宜进行火焰调型，必要时可以使用大型龙门油压机调型；通风叶片及导磁块焊接，过程中容易使磁轭钢板外周发生变形，焊接必须考虑焊接时机及方法，不能使得钢板有影响使用的变形；单段堆叠，需考虑合理的面压，控制压紧螺杆伸长量，均匀紧固，使每段圆周高度均匀；精加工，为保证磁轭键槽以及磁极键槽精度，防止错牙，满足现场装配精度，应尽量减少分段加工次数。

综合考虑磁轭尺寸、重量、精度等因素，清远抽水蓄能电站磁轭加工采用的方案是分段加工、转移工位的方式，先加工9/8/7/6/5段，整体加工完毕后，再将已加工好的第5段作为基准，整体加工第5/4/3/2/1段。精加工时先加工内外圆和磁轭键槽，再以磁轭键槽为基准，加工出各磁极键槽换工位校正用基准。工位转移时，为防止基准跑位，要采取必要的工艺措施。

3 现场叠装

环形磁轭叠装时与叠片磁轭不同，各磁轭段需从转子支架顶端往下套装，厂房高度往往不能做到一次吊装到位，因此设计阶段应事先考虑吊装方式，以便给现场安装提供合适的吊具以及吊绳[3]。一般有两种方法，设计环形吊具或者采用长短绳。清远抽水蓄能电站采用的是长、短绳替换的方法吊装磁轭段（见图8）。前3段需要更换绳子，后6段均可一次到位。通过对叠装过程的跟踪控制，以下几个关键点应特别注意：

第一段挂装，该段是叠装基准，需要尽最大努力调到最好，调整时可在内圈与转子支架间使用千斤顶进行调整。

外周T尾槽内磁极键配合面的错牙控制，过程中需监测段间的错牙，并关注每一段叠装上去后，底下几段的变化趋势。

磁轭偏心值控制，清远抽水蓄能电站转子偏心允许值为0.15mm。建议每叠1段，均进行圆度测量并计算偏心，偏心满足要求后方可进行下一段叠装。

测点的选择可以跟磁极数一致，清远抽水蓄能电站14个磁极，在磁轭周向相应位置选择14个测点。

清远抽水蓄能电站发电电动机1号磁轭叠装完成后，对磁轭外圆、内径间隙值、段与段之间的错牙情况都进行了测量，数据优良，其中磁轭最大偏心0.1mm，满足国标以及设计要求。

图8 磁轭段挂装方法Fig.8 Rim Block Assembly Method

4 结构优点

清远抽水蓄能电站发电电动机磁轭采用浮动环形磁轭，相对于扇形叠片结构，该结构整体刚度较好，能够承担更大的磁极离心力，提高了转子的稳定性。另外，由于采用浮动结构，磁轭无需热套，静止时磁轭对转子支架没有径向箍紧力，转子支架受力情况简单。同时，环形磁轭在厂内分段制作完成，现场只需要挂装磁轭段，可以减少现场叠片的工作量。运行时，发电电动机高速旋转，单位时间内应力交变次数多、交变应力幅值大，环形磁轭结构可以较好地解决疲劳问题。

5 结束语

清远抽水蓄能电站发电电动机磁轭采用环形磁轭，目前4台机均完成了机械过速试验、水泵甩入力试验、发电机单甩负荷及双机同甩负荷试验，以及三机同甩负荷试验，并已投入商业运行，现运行情况良好。由于环形磁轭与扇形叠片磁轭在设计、制造、安装上有很大不同，本文通过对清远环形磁轭结构的分析介绍，希望可以给类似结构的设计、制造以及安装提供一定的借鉴。

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李铁军（1982—），男，工程师，主要研究方向：常规发电机设计，抽水蓄能电站发电电动机设计等。E-mail：li.tiejun@toshiba-thpc.com

管亚军（1982—），女，助理工程师，主要研究方向：发电机设计等。E-mail：guan.yajun@toshiba-thpc.com