YLKS1120-8大型立式核电循泵异步电动机的研制

李占宁

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

循环水泵广泛用于各种需要循环提供冷却介质的场合。循环水泵的作用是向汽轮机凝汽器不间断地提供冷却水，用以冷凝汽轮机的排汽，使之凝结成凝结水。汽轮机排汽的高度真空主要是由于排汽凝结所形成的，因此循环水泵的运转状况、提供的循环水是否充足，严重地影响着机组的安全、经济运行。此外，循环水泵还要向冷油器、冷水器、发电机的空气冷却器提供冷却水。循环水泵广泛用于各种需要循环提供冷却介质的场合。循环水泵的驱动电机一般为三相立式异步结构，以保证电机处于较高的位置。立式水泵的轴向力一般由电机的推力轴承承担，而核电循泵电机轴向推力则由齿轮箱承受，电机推力轴承只需要承担电机转子自重。

巴基斯坦卡拉奇核电站K2、K3号机组的循环水泵异步电动机是我国目前制造的功率最大的立式核电循泵异步电动机。该电机型号YLKS1120-8，额定功率9 000 kW，额定电压6.6 kV，频率50 Hz。电机使用于核电站常规岛中，故此电机在电磁设计、结构设计和绝缘要求等方面都有比一般电机更高的要求。

1 电磁设计

1.1 电磁设计考虑因素

电磁设计不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数均满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求[1]。标准为IEC60034-1。

1.2 电机的主要参数

电机定子热负荷：A1△1=1 972×108A2/m3

定子外径、内径：Φ1 900 mm和Φ1 390 mm

转子外径、内径：Φ1 382 mm和Φ1 000 mm

定子、转子槽数：96和115 拼数：6和5

定子、转子气隙：4 铁心长：1 000 mm

型号：YLKS1120-8

额定电压：6 600 V

额定功率：9 000 kW

额定转速：745 r/min

额定电流：914 A

额定频率：50 Hz

旋转方向：顺时针(从主轴伸端看)

转轴：单轴伸

防护等级：IP555

安装方式：立式

绝缘等级：F级绝缘(B级考核)

电气参数满足用户要求[2]。

1.3 绝缘结构的确定

鉴于电机大容量、高效率的特点，兼顾循泵电机起动的严苛要求，该电机采用了公司最新开发的少胶绝缘系统，极大提高了电机性能。电机采用F级少胶绝缘，对绕组绝缘处理要求很高，绝缘设计时考虑绝缘冲击电压的能力。本电机采用6.6 kV电机少胶绝缘规范，加强了对地绝缘和线匝间绝缘强度，并采用VPI整浸技术，进一步保证了电机的绝缘性能。

2 电机的结构设计

2.1 电机的整体结构

电机为鼠笼结构立式异步电动机(见图1)。冷却方式为IC81W，电机包括定子(由机座、定子铁心和绕组组成)、转子(由转子铁心、导条、端环、风扇和轴组成)，上轴承采用组合式推力滑动轴承，下轴承采用国产滑动轴承，两个侧面为电机的出线侧，安装主出线盒、中性点出线盒、加热器出线盒和测温元件出线盒；另外两个侧面为冷却器。电机采用底座安装方式IM4011。

图1 电机结构图

2.2 电机推力轴承及轴承支架的选择

电动机与水泵之间有齿轮箱，电机推力轴承只需承受转子自重9.6 t。上轴承采用自主开发的9号推力轴承(SMZHP09)，电动机不承受水泵向下的推力，下轴承采用自主开发的14号滑动轴承(SMDHP14S)。下轴承高度增加，将密封圈位置抬高，以避免润滑油溢出。推力轴承采用巴氏合金轴瓦，导轴承采用可调的弹性止推瓦(见图2)，可以精确和方便地单独调节每一块导瓦的径向位置，从而调节导瓦与转轴的轴线对中，提高泵组轴线的同心度，减小水导轴承的摆度。考虑电机转速在745 r/min以下，轴承润滑油选用46号汽轮机油。

图2 推力轴承

轴承支架设计采用撑筋结构，并利用Solidworks软件建模，采用Ansys进行了受力分析和仿真分析[3]。机架推力轴承座在承受转子自重时如图3所示，图中没有明显的塑性变形出现，轴向刚度也得到明显改善，满足设计要求。

2.3 定子结构设计

定子为外压装结构，整个铁心叠装嵌线完成后经VPI整浸再压入机座。定子冲片材料采用具有高导磁性能的冷轧硅钢板50W400。定子线圈下线后，绕组的端部采取可靠的固定绑扎措施，再经真空压力无溶剂(VPI)浸渍处理，使整个定子具有良好的绝缘性能和可靠的机械强度。

2.3.1 定子机座

机座为钢板焊接结构，外形为不对称八边形，利用Solidworks软件进行受力分析，确保机座的安全可靠。定子铁心中间等分焊12块弧形板，机座铁心部分两机壁之间再加一道中壁，与铁心中12块弧形板焊接，增加了刚性。机座采用立式新系列减重机座结构，机座撑板调整至冷却器安装螺栓位置，使得电机刚性更好(见图4)。该结构在充分利用空间的同时降低了电机重心，能有效减小振动、降低噪声。考虑到铁心内圆很大，又是核电产品，机座采用了二次加工工艺，确保机座尺寸误差。机座采用钢板焊接结构，机座焊接后需要消除应力处理。

图3 轴承支架受力分析图

图4 机座

2.3.2 定子嵌线

由于新系列电机采用了少胶系统，故绑扎材料也都选用适用于少胶绝缘规范的材料。线圈支架全部采用环氧材料，用于固定并联环。端箍支架采用L型扁钢，外包绝缘。为防止端部漏风，我们把线圈端部间隙严格密封。在线圈与线圈之间塞上绦纶毡，再辅以挡风圈，见图5。

图5 端部绑扎及定子嵌线

2.4 转子结构设计

2.5 电机风路设计

电机按客户要求采用IC81W，二次冷却介质为冷却水。转子转动形成内风路，电机热风向上进入冷却器，热量传递给冷却器内部冷却管，与冷却水热交换并由冷却水带走电机热量。降温后的冷却空气从两侧冷却器流进电机，从线圈两侧流过，带走线圈两端产生的热量，经过转子铁心部分，冷却电机转子、定子铁心，实现周而复始的进行内部循环。

3 试验

(1) 电机所有关键材料的规格、性能入厂时均按相关的国家、行业标准进行检测。

(2) 按GB/T 2521.1国家标准对硅钢板的磁化特性、单位损耗进行检测。

(3) 按企业标准0A500.077《交直流电机轴锻件技术条件》对锻件进行超声波探伤检测，并对其机械性能取样试验。

(4) 按IEC60034国际标准和GB/T 1032国家标准对本电机进行检查试验和型式试验，并增加三项特殊试验：电机局部放电测量、介质损耗测量、泄露电流测量。

试验结果显示电机效率、功率因数、转矩、温升和噪声均达到或高于设计要求。

总体性能指标优良，温升振动等指标远优于国标。

4 结语

以上总结了YLKS1120-8立式异步核电循泵电机设计要求、设计过程和试验结果，该电机技术要求高，设计难度较大。为满足产品符合用户要求，设计时多次打破常规，采用非标设计。在电磁方案计算、转子支架设计和机座结构设计上都有创新，并经试验验证合理，为后续电机设计提供了参考依据。同时设计过程中应用Solidworks和Ansys等建模和仿真分析工具对关键部件进行了校核，也为今后设计提供了理论验证手段。

此次立式核电循泵电机的试制成功，是我厂在新领域的又一次尝试，已成为我厂又一个利润增长点，这是我厂以后能够迅速占领核电市场、提升企业形象和企业竞争力的重要契机。

[1] 王正茂，阎治安.电机学[M].西安：西安交通大学出版社，2000.

[2] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.