大型抽水蓄能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]

大型抽水蓄能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]

抽水蓄能用发电电动机基本特征是高转速、大容量、双转向，转子结构设计难度大，因此GM的技术体现在转子的设计制造中。作为转子一部分的磁轭，既是磁路的组成部分，也是固定磁极的结构部件，受力情况复杂，对其机械强度、稳定性以及可靠性要求较高。从基本组成来分，通常磁轭有扇形和环形两种结构。清远发电电动机磁轭设计采用环形磁轭，本文主要介绍清远发电电动机环形磁轭设计、制造以及安装技术。

发电电动机；环形磁轭 ；高转速

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

清远为大容量、高转速发电电动机，磁极尺寸大、质量重，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，清远磁轭设计采用环形磁轭：磁轭内外径φ2600/φ4363mm，高3570mm，总重约有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的通风道，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，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。

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。

图5 磁轭止浮板Fig. 5 Sector rim

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、质量重的，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，我们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、质量、精度等因素，清远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14个磁极，在磁轭周向相应位置选择14个测点。

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

清远发电电动机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。

4 结构优点

清远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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[3] 李铁军等.清远抽水蓄能电站厚板环形磁轭叠装过程控制与分析[C].第20次中国水电设备学术讨论论文集，2015年10月10月15-17日，成都，中国.LI Tiejun，et al. Process Control and Analysis for Ring Rim Lamination of Qingyuan Pumped Storage Power Station[C].Proceedings of the 20th Chinese Conference on Hydropower Equipment，Oct 15-17，2015，Cheng Du，China.

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2017-02-15

2017-04-20

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

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学科代码：470.40

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