李鐵軍，管亞軍

[東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

大型抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)環(huán)形磁軛結(jié)構(gòu)分析

李鐵軍，管亞軍

[東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江省杭州市 310020]

抽水蓄能用發(fā)電電動(dòng)機(jī)基本特征是高轉(zhuǎn)速、大容量、雙轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，因此GM的技術(shù)體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)制造中。作為轉(zhuǎn)子一部分的磁軛，既是磁路的組成部分，也是固定磁極的結(jié)構(gòu)部件，受力情況復(fù)雜，對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)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(huán)形兩種結(jié)構(gòu)。清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁軛設(shè)計(jì)采用環(huán)形磁軛，本文主要介紹清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)環(huán)形磁軛設(shè)計(jì)、制造以及安裝技術(shù)。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)；環(huán)形磁軛 ；高轉(zhuǎn)速

0 引言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，安裝有4臺(tái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)/水泵水輪機(jī)組，發(fā)電電動(dòng)機(jī)額定容量356MVA/331MW，額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，飛逸轉(zhuǎn)速690r/min。轉(zhuǎn)子外徑φ5225mm，飛逸轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子周速達(dá)到189m/s。

磁軛既是發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁路的組成部分，也是固定磁極的結(jié)構(gòu)部件。運(yùn)行過程中，磁軛受力情況復(fù)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(jù)技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)理念不同，磁軛有多種結(jié)構(gòu)形式。通常，磁軛按基本組成形式分為扇形磁軛（見圖1）和環(huán)形磁軛（見圖2）；按磁軛與轉(zhuǎn)子支架（有時(shí)為主軸）配合形式，通常分為熱套磁軛以及浮動(dòng)磁軛[1]。清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)考慮高轉(zhuǎn)速的剛強(qiáng)度要求，磁軛采用環(huán)形浮動(dòng)磁軛，本文介紹此類磁軛的設(shè)計(jì)、制造以及安裝技術(shù)。

圖1 扇形磁軛Fig. 1 Sector Rim

圖2 環(huán)形磁軛Fig. 2 Ring Rim

1 磁軛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

清遠(yuǎn)為大容量、高轉(zhuǎn)速發(fā)電電動(dòng)機(jī)，磁極尺寸大、質(zhì)量重，運(yùn)行時(shí)，單個(gè)磁極所受離心力達(dá)到萬噸級(jí)。這些力全部要通過磁軛來承受。另外，機(jī)組不但高速旋轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)，還要頻繁啟停機(jī)，因此疲勞問題也需要檢討考慮。綜合各個(gè)方面，清遠(yuǎn)磁軛設(shè)計(jì)采用環(huán)形磁軛：磁軛內(nèi)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(gè)磁軛軸向設(shè)計(jì)成9段，從水輪機(jī)側(cè)往上依次為第1段、第2段…第9段，各段高度設(shè)計(jì)為300mm或350mm，段間設(shè)計(jì)有高度為65mm的通風(fēng)道，段與段之間定位采取通過通風(fēng)葉片上的止口進(jìn)行定位的方式。各段磁軛設(shè)計(jì)為由t50mm或t75mm的環(huán)形磁軛鋼板堆疊而成，環(huán)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(dòng)環(huán)板的需要及軸向剛度，增加第一段剛度，把緊螺栓設(shè)計(jì)成鉸制螺栓，以此可提高整體性。

為保證磁軛與轉(zhuǎn)子支架同心，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)心工作量，段與段之間設(shè)計(jì)采用定位止口，止口布置在通風(fēng)葉片上，方便現(xiàn)場(chǎng)疊裝時(shí)定位。

為防止頂轉(zhuǎn)子時(shí)磁軛與轉(zhuǎn)子支架錯(cuò)位，在第8段上設(shè)計(jì)有磁軛止浮板（見圖5），以此將磁軛與轉(zhuǎn)子支架軸向關(guān)聯(lián)起來。

為方便安裝制動(dòng)環(huán)，在第一段磁軛下表面加工出一個(gè)安裝平面。

圖5 磁軛止浮板Fig. 5 Sector rim

磁軛與轉(zhuǎn)子支架配合采用切向磁軛鍵結(jié)構(gòu)（見圖6），磁軛內(nèi)徑設(shè)計(jì)有7處鍵槽。該結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，徑向無配合緊量，周向用切向鍵楔緊。其中T形鍵設(shè)計(jì)在廠內(nèi)裝在轉(zhuǎn)子支架上，現(xiàn)場(chǎng)只需安裝切向鍵。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁軛仍可與旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（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(nèi)設(shè)計(jì)有可調(diào)整止落塊，以便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整磁極中心高度。

圖7 3T尾Fig. 7 Three T-shape Tail

清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，飛逸轉(zhuǎn)速為690r/min，此時(shí)轉(zhuǎn)子周速約189m/s。為抵擋離心力，磁極間設(shè)計(jì)需要有極間支撐、極間拉桿、阻尼環(huán)拉桿等，通過在磁軛上設(shè)計(jì)徑向螺紋孔，實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的固定。

2 加工制造

環(huán)形磁軛制作對(duì)制造廠加工制造水平要求較高，在廠內(nèi)加工制造的磁軛內(nèi)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(zhì)量重的，尤其困難。考慮機(jī)床、工序等相關(guān)因素，過程中可能還需要轉(zhuǎn)換工位，使得整個(gè)加工過程工藝復(fù)雜，控制困難，難度大。

清遠(yuǎn)磁軛內(nèi)外徑為φ2600/φ4363mm，高3570mm，總重200多噸。需要加工的地方有內(nèi)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(fù)雜。概括來說，整個(gè)制作工程包括鋼板下料、通風(fēng)葉片及導(dǎo)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(duì)于鋼板下料，我們要求單板不平度小于3mm（這一點(diǎn)需對(duì)鋼板原材料提出嚴(yán)格要求）。因高強(qiáng)度鋼板不宜進(jìn)行火焰調(diào)型，必要時(shí)可以使用大型龍門油壓機(jī)調(diào)型；通風(fēng)葉片及導(dǎo)磁塊焊接，過程中容易使磁軛鋼板外周發(fā)生變形，焊接必須考慮焊接時(shí)機(jī)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(cuò)牙，滿足現(xiàn)場(chǎng)裝配精度，應(yīng)盡量減少分段加工次數(shù)。

綜合考慮磁軛尺寸、質(zhì)量、精度等因素，清遠(yuǎn)磁軛加工采用的方案是分段加工、轉(zhuǎn)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(zhǔn)，整體加工第5/4/3/2/1段。精加工時(shí)先加工內(nèi)外圓和磁軛鍵槽，再以磁軛鍵槽為基準(zhǔn)，加工出各磁極鍵槽換工位校正用基準(zhǔn)。工位轉(zhuǎn)移時(shí)，為防止基準(zhǔn)跑位，要采取必要的工藝措施。

3 現(xiàn)場(chǎng)疊裝

環(huán)形磁軛疊裝時(shí)與疊片磁軛不同，各磁軛段需從轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)階段應(yīng)事先考慮吊裝方式，以便給現(xiàn)場(chǎng)安裝提供合適的吊具以及吊繩[3]。一般有兩種方法，設(shè)計(jì)環(huán)形吊具或者采用長短繩。清遠(yuǎn)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(duì)疊裝過程的跟蹤控制，以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)特別注意：

第一段掛裝，該段是疊裝基準(zhǔn)，需要盡最大努力調(diào)到最好，調(diào)整時(shí)可在內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子支架間使用千斤頂進(jìn)行調(diào)整。

外周T尾槽內(nèi)磁極鍵配合面的錯(cuò)牙控制，過程中需監(jiān)測(cè)段間的錯(cuò)牙，并關(guān)注每一段疊裝上去后，底下幾段的變化趨勢(shì)。

磁軛偏心值控制，清遠(yuǎn)轉(zhuǎn)子偏心允許值為0.15mm。建議每疊1段，均進(jìn)行圓度測(cè)量并計(jì)算偏心，偏心滿足要求后方可進(jìn)行下一段疊裝。

測(cè)點(diǎn)的選擇可以跟磁極數(shù)一致，清遠(yuǎn)14個(gè)磁極，在磁軛周向相應(yīng)位置選擇14個(gè)測(cè)點(diǎn)。

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

清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)1號(hào)磁軛疊裝完成后，對(duì)磁軛外圓、內(nèi)徑間隙值、段與段之間的錯(cuò)牙情況都進(jìn)行了測(cè)量，數(shù)據(jù)優(yōu)良，其中磁軛最大偏心0.1mm，滿足國標(biāo)以及設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁軛采用浮動(dòng)環(huán)形磁軛，相對(duì)于扇形疊片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)整體剛度較好，能夠承擔(dān)更大的磁極離心力，提高了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。另外，由于采用浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，磁軛無需熱套，靜止時(shí)磁軛對(duì)轉(zhuǎn)子支架沒有徑向箍緊力，轉(zhuǎn)子支架受力情況簡單。同時(shí)，環(huán)形磁軛在廠內(nèi)分段制作完成，現(xiàn)場(chǎng)只需要掛裝磁軛段，可以減少現(xiàn)場(chǎng)疊片的工作量。運(yùn)行時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力交變次數(shù)多、交變應(yīng)力幅值大，環(huán)形磁軛結(jié)構(gòu)可以較好地解決疲勞問題。

5 結(jié)束語

清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)磁軛采用環(huán)形磁軛，目前4臺(tái)機(jī)均完成了機(jī)械過速試驗(yàn)、水泵甩入力試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)單甩負(fù)荷及雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)，以及三機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)，并已投入商業(yè)運(yùn)行，現(xiàn)運(yùn)行情況良好。由于環(huán)形磁軛與扇形疊片磁軛在設(shè)計(jì)、制造、安裝上有很大不同，本文通過對(duì)清遠(yuǎn)環(huán)形磁軛結(jié)構(gòu)的分析介紹，希望可以給類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造以及安裝提供一定的借鑒。

[1] 李文棟等.立式水輪發(fā)電機(jī)浮動(dòng)磁軛設(shè)計(jì)及應(yīng)用[C].第19次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論論文集，2013年11月21-23日大連，中國.LI Wendong，et al. Design and Application of Float Type Rotor Rim for Vertical Generator [C]. Proceedings of the 19th Chinese Conference on Hydropower Equipment，Nov 21-23，2013，Da Lian，China.

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[4] 何少潤，陳泓宇.清遠(yuǎn)抽水蓄能電站主機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝修改意見綜述[J]，水電與抽水蓄能，2016年第5期HE Shaorun CHEN Hongyu. Review on Amendments of the Main Equipment Structure Design and Manufacturing Process of Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]，Hydro and Pumped Storage，2016（5）.

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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(guī)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)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(xué)科代碼：470.40

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