汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心的設(shè)計(jì)

1電磁計(jì)算中的定子磁路汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心是電機(jī)中磁路的主要部分。與轉(zhuǎn)子不同的是，它是處于交變磁場(chǎng)中工作。在交變磁場(chǎng)中，鐵心將出現(xiàn)能量損失，即磁滯和渦流，總稱為鐵損。一臺(tái)發(fā)電機(jī)中，鐵損約占電機(jī)能量損耗的15?25%。我為某公司設(shè)計(jì)的五個(gè)系列數(shù)十個(gè)電磁方案中，一般約在17?21%。方案算得理想時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)自然在這個(gè)范圍。如果磁路設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)偏高。當(dāng)超過(guò)30%，建議你要調(diào)整方案了。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)細(xì)心比較各個(gè)方案的空載勵(lì)磁電流值，在整機(jī)成本核實(shí)的情況下，將其調(diào)節(jié)到合理范圍。齒磁密當(dāng)然是取在鐵磁材料特性曲線的開始飽和段，接近1.5T，但不是像有些工程師問(wèn)我的：“取1.5（T）還是1.8,取2行不行呢？”，因?yàn)檫@個(gè)值不是絕對(duì)的，前面講了，空載勵(lì)磁電流和空載損耗才是我們要控制的指標(biāo)。。在發(fā)電機(jī)的軛部磁密通常取得不高，但是積分路線長(zhǎng)。有時(shí)可以試著減小外圓尺寸，雖說(shuō)磁密在增

高，卻因磁路長(zhǎng)整個(gè)軛磁勢(shì)還下降了。設(shè)計(jì)時(shí)，額部的修正系數(shù)要用到二元插值，可在我的其它計(jì)算機(jī)論

文中查到程序編制方法。氣隙磁壓降占了整個(gè)磁勢(shì)中主要部分，我所舉的以上例子中，常占到80?90%。氣隙磁密的選取和氣隙長(zhǎng)度的選取不是本文討論范圍，其本質(zhì)是要滿足機(jī)電能量轉(zhuǎn)換需要，需要說(shuō)明的是，它的大小也不是絕對(duì)的，反而是受鐵心設(shè)計(jì)要求左右的。特別是空載時(shí)鐵芯中的附加損耗和氣隙的長(zhǎng)短有直接的關(guān)系。2降低鐵損的措施發(fā)電機(jī)一般選用導(dǎo)磁性能優(yōu)越、單位鐵耗小的各向同性優(yōu)質(zhì)硅鋼片。前面說(shuō)過(guò)，鐵損包括磁滯和渦流兩個(gè)分量，損耗表示為：QFE=a1+a2At2 （1-1）其中al——磁滯損耗a2At2——渦流損耗系數(shù)a1、a2與頻率、材料及磁密有關(guān)。在采用特定磁密（如1.5T）和固定頻率（如50HZ）分析時(shí)，可以認(rèn)為都是只與材料有關(guān)的常數(shù)。在熱軋硅鋼片中，磁滯損耗是主要部分，而在冷軋硅鋼片中，主要損耗是渦流。硅鋼片沖剪的邊緣多，磁滯增高；硅鋼片沖剪邊沿的毛刺多，則渦流必定增高?！鱰表示與鐵片（硅鋼片）厚度有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)厚度由0.1增加到0.5mm時(shí)，損耗增加1.4倍，厚度為1mm時(shí)增加到2.3倍。磁滯損耗與頻率成正比，渦流損耗與頻率的平方成正比，在電指公式中，軛部綜合簡(jiǎn)化為1.3次方，齒部簡(jiǎn)化為1.5次方計(jì)算。并且規(guī)定用冷軋硅鋼片時(shí)再乘以系數(shù)1.15。這種計(jì)算方法是我國(guó)計(jì)算的理論值比國(guó)外大了。3沖片設(shè)計(jì):由前面的敘述可知，定子鐵心中的渦流與導(dǎo)磁材料的厚度有關(guān)，因此可以把鐵心沿軸向分成彼此絕緣的薄片來(lái)減小渦流。在我國(guó)和國(guó)外大多數(shù)電機(jī)廠，都將沖片厚度取為0.5mm，少數(shù)產(chǎn)品也有用0.35mm的。0.5mm厚的硅鋼片的剛度（E）是0.35mm厚硅鋼片的1.5倍，損耗僅比后者高10%，而價(jià)格較后者低，因此一般選用0.5mm厚的硅鋼片。實(shí)驗(yàn)證明，如果繼續(xù)將厚度減小到0.1mm時(shí)，損耗變化并不大。目前我國(guó)質(zhì)量最優(yōu)秀的無(wú)取向硅鋼片（各向同性）是武鋼生產(chǎn)的。電機(jī)的沖片設(shè)計(jì)常反映出設(shè)計(jì)師的總體設(shè)計(jì)思想和綜合素質(zhì)，在設(shè)計(jì)時(shí)，除電機(jī)效率、性能指標(biāo)外，

還要綜合考慮到?jīng)_裁利用率等成本和工藝因素，考慮同種沖片制造鐵心時(shí)的派生容量范圍、零件通用化率、

工裝通用化率和標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)等。我推薦阿爾斯通公司的模塊化設(shè)計(jì)思想。即將產(chǎn)品分為幾個(gè)功率等級(jí)，轉(zhuǎn)

子采用軸向通風(fēng)，在一定容量范圍內(nèi)，不同的發(fā)電機(jī)具有相同的橫截面和端部結(jié)構(gòu)。近十五年來(lái)，我在任

何電機(jī)廠設(shè)計(jì)都沿用了這一思想。而沖片的合理設(shè)計(jì)則是實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)。為了減少鐵心振動(dòng)，在汽發(fā)設(shè)計(jì)常有意加大鐵心外徑和軛部尺寸，并往標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸'上靠”，通常都

取相對(duì)低些的軛部磁密，并在制造時(shí)增大壓裝力。沖片沖成后，應(yīng)嚴(yán)格去毛°30MW以下電機(jī)毛刺高度應(yīng)控制在20pm以下，6MW、6KV及以下電機(jī)可控制在30pm，（同電壓異步電機(jī)可控制在50pm以下）50MW電機(jī)毛刺應(yīng)控制在10pm以下。BBC公司毛刺高度用光學(xué)毛刺測(cè)量?jī)x測(cè)量。4沖片絕緣為了防止沖片之間有渦流回路，沖片必須雙面涂覆高電阻的F級(jí)絕緣漆，單邊厚度約為4?8pm，按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量時(shí)，片間電阻2106Q/cm2，擊穿電壓＞10Vo汽輪發(fā)電機(jī)對(duì)沖片的絕緣要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的水輪發(fā)電機(jī)，更不要說(shuō)一般高壓異步電機(jī)了。這不是盲目制定的規(guī)則，我們從下面理論上加以闡述。（1） 正常運(yùn)行時(shí)、沖片絕緣損壞的后果鐵心沖片間絕緣損壞后，將造成片間的局部短路，短路點(diǎn)的溫度會(huì)升高，引起局部發(fā)熱，而發(fā)電機(jī)

與其它類型電機(jī)不同的是，這很可能將造成主絕緣損壞，甚至引起嚴(yán)重故障。已有過(guò)因鐵心短路引起機(jī)毀

人亡的教訓(xùn)，所以不得不拆卸整個(gè)電機(jī)。當(dāng)沖片或槽口某兩片間出現(xiàn)短路點(diǎn)B時(shí)，根據(jù)右手螺旋法則，磁通中將在鐵心中感應(yīng)電勢(shì)，經(jīng)槽鋼

焊縫、鋼片和短路B處形成回路。B點(diǎn)位置所在處的直徑越小，穿過(guò)回路得磁通越大，短路電流也逾大。

短路處溫度將局部升高，破壞片間絕緣，甚至逐漸擴(kuò)展至整個(gè)疊片組(一般40?50mm)，但不會(huì)漫延到

被通風(fēng)槽隔開的相鄰疊片組。盡管如此，也足夠破壞被他灼燒的定子繞組的絕緣了。嚴(yán)重時(shí)，還出現(xiàn)過(guò)鐵

心局部融化的現(xiàn)象，直接造成事故。后果是不是會(huì)那么嚴(yán)重，有人認(rèn)為我危言聳聽。我們不妨進(jìn)一下行定量的分析。損壞了片間絕緣的短路處，相當(dāng)于只有一匝的變壓器次級(jí)繞組，這個(gè)'變壓器”的初級(jí)繞組就是汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子激磁磁勢(shì)AW0。與一般變壓器不同的是，激磁磁勢(shì)的大小與次級(jí)電流無(wú)關(guān)。在極端情況下，即所有磁通都通過(guò)了這一閉合回路，形成一個(gè)短路匝，這個(gè)短路匝每匝感應(yīng)電勢(shì)為:Eh0=4.44fBjhjbpx10-8V(2-1)短路造成回流Ih后：Eh=Eh0(AW0-Fh)/AW0)=Eh0(1-Fh/AW0) (2-2)Fh是受損硅鋼片回流Ih的去磁作用磁勢(shì)，短路電流造成的損耗為：Qh=EhIh=Eh0Ih(1-Fh/AW0) (2-3)求極值得：Ihmax=AW0/2TOC\o"1-5"\h\zEhm=0.5Eh0 (2-4)即在最壞情況下，片間短路處要流過(guò)轉(zhuǎn)子磁勢(shì)一半的電流，損耗的最大值為：Qhm=IhmEhm=0.25k0FjEh0\o"CurrentDocument"=kdefbp?BOBj?Ohjxl0人-11 (2-5)現(xiàn)舉一組典型數(shù)據(jù)：當(dāng) kde=1.27；f=50赫茲；bp=5cm；Bj=15000高斯；BK7800高斯\o"CurrentDocument"時(shí)Qhm=0.346hj千瓦 (2-6)請(qǐng)注意看：當(dāng)其他條件相同時(shí)，片間絕緣損壞處所能產(chǎn)生的最大損失與空氣隙及鐵心軛高成正比。如果kde、f、bp、Bj、B6有變化，也只是前面的系數(shù)0.34改變罷了。與異步電機(jī)不同的是，為了減小附加損耗和達(dá)到要求的短路比，汽輪發(fā)電機(jī)都有很大的空氣隙和很大的軛部徑向尺寸，汽發(fā)的極數(shù)很少，容量增加時(shí)hj值顯然會(huì)增長(zhǎng)。對(duì)于2MW左右的大型異步電動(dòng)機(jī)，空氣隙的數(shù)值近似6=0.2cm和hj=10cm，得到Qhm=0.34x0.2x10=0.68kW而對(duì)于某四極型汽輪發(fā)電機(jī)，6=1.9cm和hj=17.5cm代入后得到最大損失時(shí)為：Qhm=0.34x1.9x17.5=11.3kW雖然我們帶入的都是給定的數(shù)據(jù)，但卻都是很具代表意義的。前面說(shuō)過(guò)，代入量的改變只引起系數(shù)的變化，其規(guī)律并不會(huì)改變。我們完全應(yīng)該由此認(rèn)識(shí)到：汽發(fā)的片間絕緣比異步電機(jī)重要得多。在汽輪發(fā)電機(jī)中，當(dāng)片間絕緣損壞時(shí)，損失要比其它的電機(jī)中大數(shù)十倍。電機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及制造過(guò)程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)都指出，只有在汽輪發(fā)電機(jī)中才有可能發(fā)生和片間絕緣損壞有關(guān)的嚴(yán)重故障。在我國(guó)類似事故發(fā)生過(guò)多起重大事故的例子。例如1980年寧夏石嘴山50MW氫冷機(jī)組因測(cè)溫元件引線對(duì)地套管不完整引起的片間短路。凡遇到鐵心短路排除不了，制造廠家通常不敢怠慢，總是要求發(fā)電機(jī)全部拆開。必須指出，在工廠和電站中的鐵損試驗(yàn)，所得到的數(shù)值是和真實(shí)的情況不相同的。因?yàn)榇磐ㄖ煌ㄟ^(guò)鐵心軛閉合，而沒有一個(gè)地方是通過(guò)齒部和空氣隙的。相反，電機(jī)運(yùn)行時(shí)磁通要兩次通過(guò)空氣隙。以往經(jīng)驗(yàn)表明，這種狀況測(cè)出的鐵損比運(yùn)行時(shí)測(cè)得的鐵損要小得多。（2）非對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)的汽發(fā)鐵心前面我們說(shuō)過(guò)，即使在正常工況下，汽發(fā)鐵心短路引起的后果，也要比異步電機(jī)嚴(yán)重的多。盡管他們從表面結(jié)構(gòu)上看來(lái)那么相似。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)條件遠(yuǎn)比異步電機(jī)要惡劣得多。異步電機(jī)通常是在三相基本平衡的狀態(tài)下運(yùn)行的。發(fā)電機(jī)卻經(jīng)常要面對(duì)不平衡狀況和事故狀況。運(yùn)行時(shí)，不僅必須要考慮當(dāng)近端發(fā)生短路（包括兩相短路、單相對(duì)地短路和三相對(duì)稱短路，其中兩相短路最惡劣）是的保護(hù)動(dòng)作和對(duì)電機(jī)的損壞，還要面對(duì)合閘時(shí)的誤同期、大電感性負(fù)荷跳閘又自動(dòng)重合閘時(shí)的沖擊等，這些均會(huì)引起很大的過(guò)電流和轉(zhuǎn)矩，對(duì)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度都是很嚴(yán)峻的考驗(yàn)。5端部設(shè)計(jì)：汽輪發(fā)電機(jī)采用高線負(fù)荷、高磁通設(shè)計(jì)，而且極數(shù)少，線圈跨距大，端部很長(zhǎng)，這樣定子線圈端部形成一個(gè)較大的旋轉(zhuǎn)漏磁場(chǎng)。所以靠近端部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，往往不是光想到安全距離，而必須考慮防止漏磁和在結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的渦流，為此，靠近定子端部的結(jié)構(gòu)件經(jīng)常會(huì)采用非導(dǎo)磁材料。另一方面，隱極式轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁線圈通常采用同心式繞組，端部很長(zhǎng)，于是就有了一個(gè)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的漏磁場(chǎng)。和定子的端部旋轉(zhuǎn)漏磁場(chǎng)一起，在發(fā)電機(jī)端部形成了一個(gè)合成的旋轉(zhuǎn)漏磁場(chǎng)。這其中，定子端部漏磁場(chǎng)為主要成分，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子端部繞組畢竟距定子鐵心較遠(yuǎn)一些，其漏磁通只占合成磁通的30%?40%。從位場(chǎng)最小路徑原理出發(fā)，可知端部漏磁通會(huì)沿著磁阻最小的路徑通過(guò)。定子鐵心壓圈（內(nèi)園）、壓指、端部鐵心邊段的渦流損耗最高。短路比小的發(fā)電機(jī)，端部漏磁就越大。在超前COSe運(yùn)行時(shí)，即發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，定轉(zhuǎn)子合成磁通相加，端部漏磁增大很快。這種情況下，附加損耗可占總損耗的20%。為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到：（1） 盡可能縮短定子端部繞組的尺寸，如盡量減少線棒出槽口后的傾斜角，增大端部繞組與壓圈、鐵心間的距離，以加大磁路的磁阻，減少定子端部漏磁通。定子線棒槽口附近的齒壓板、支架、綁環(huán)、壓圈、部分螺栓及轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)等部件，都采用反磁性材料，以增大磁阻，減少漏磁。（2） 為了減少?gòu)妮S向進(jìn)入定子鐵心的漏磁通，防止磁通在邊緣鐵心齒部過(guò)分集中，導(dǎo)致局部出現(xiàn)高溫點(diǎn)，端部鐵心段一般做成階梯形，以增加氣隙，使漏磁通依磁阻分散在各階梯段上。同時(shí)也加強(qiáng)了端部鐵心的通風(fēng)和冷卻。但這樣一來(lái)，壓圈處的漏磁會(huì)有所增大，因此15MW以上電機(jī)的壓圈、壓指或壓板采用電阻系數(shù)低的反磁性鋼。為進(jìn)一步減少階梯段的渦流,6MW以上發(fā)電機(jī)在階梯段鐵心上開有徑向峽槽。并且在片間墊以絕緣紙（一般為較薄的電纜紙），以增大軸向磁阻和電阻。與定子端部接近的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)保證有足夠大的距離，并盡可能采用非磁性材料，以減少感應(yīng)渦流。另外，任何處在強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)件，都要牢記圓滑過(guò)度，防止尖端的出現(xiàn)，以減少場(chǎng)線集中。6定子鐵心的防振蕩措施電網(wǎng)是一個(gè)振蕩系統(tǒng)，當(dāng)它的振蕩頻率與定子的自振頻率合拍時(shí)，就產(chǎn)生耦合振蕩（共振）。定子鐵心的振動(dòng)原因是多方面的，但首要考慮的應(yīng)該是基頻振動(dòng)和倍頻振動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)還要防止產(chǎn)生頻率高于倍頻的振動(dòng)。簡(jiǎn)單講述如下：（1） 定子鐵心的基頻振動(dòng)定子鐵心內(nèi)有交變磁場(chǎng)通過(guò)，就產(chǎn)生交變的電動(dòng)力，如果鐵心剛度不夠，或未壓緊，或片間壓力松緊不均，這種基頻振動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。如果鐵心端部設(shè)計(jì)有沒有能防止局部受熱不均勻而產(chǎn)生熱變形，就會(huì)導(dǎo)致該段沖片松動(dòng)。在電機(jī)投入大電網(wǎng)后，當(dāng)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，端部溫度場(chǎng)不均勻分布更加明顯，損害也嚴(yán)重。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)端部的考慮是基于進(jìn)相狀態(tài)的。6MW以上的電機(jī)，會(huì)在端部片間增多絕緣墊片，以補(bǔ)償鐵心沖片的“同板差”、局部松動(dòng)的情況。雖然對(duì)有效疊壓長(zhǎng)度有所降低，但微小到可以忽略，卻能幫助我們保證鐵心緊度和增強(qiáng)片間絕緣。特別指出的是，這一措施對(duì)減小端部軸向漏磁引起的局部過(guò)熱有很好的作用。（2） 定子鐵心的倍頻振動(dòng)①定子鐵心的倍頻振動(dòng)的原因定子鐵心的倍頻振動(dòng)是定子鐵心振動(dòng)主要的部分。汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是個(gè)電磁鐵，其磁極產(chǎn)生了使定子鐵心變形的磁拉力。這個(gè)磁拉力在磁極中心達(dá)到最大值，而在極間為最小值，因而使兩極汽輪發(fā)電機(jī)鐵心受到振幅周期變化的變形力，2極電機(jī)呈現(xiàn)出橢圓變形，四極汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心成四瓣變形，氣隙內(nèi)各點(diǎn)磁通密度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一次，鐵心的變形重復(fù)兩次，因而形成了定子鐵心的雙倍頻率振動(dòng)。這是定子鐵心振動(dòng)的主要來(lái)源。轉(zhuǎn)子磁拉力所引起的鐵心雙頻振動(dòng)值，與發(fā)電機(jī)容量的大小沒有直接的關(guān)系，它只決定于氣隙的磁通密度和定子鐵心的剛度、彈性模數(shù)等。鐵心的剛度和定子鐵心軛高有關(guān)。而彈性模數(shù)則決定于定子沖片的材質(zhì)、沖片間的粘合情況、每圈沖片數(shù)、壓裝的壓力及鐵心固緊的方式（程度）。振動(dòng)還是產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因。雖然電磁力作用在齒和磁極上，但磁噪音主要還是磁軛的徑向振動(dòng)所引起。③當(dāng)定子繞組內(nèi)有電流時(shí)，槽內(nèi)有橫向于槽高的漏磁通，它使定子齒一側(cè)的磁通增加，另一側(cè)的磁通減少，既定子和轉(zhuǎn)子電流的作用，沿整個(gè)圓周積分得到一個(gè)與總氣隙電磁轉(zhuǎn)矩成正比的恒定分力F0=F0mcos20還有個(gè)振蕩分量（峰對(duì)峰的幅值遠(yuǎn)超過(guò)平均值）趨向于將定