汽轮发电机定子铁心的设计

1电磁计算中的定子磁路汽轮发电机定子铁心是电机中磁路的主要部分。与转子不同的是，它是处于交变磁场中工作。在交变磁场中，铁心将出现能量损失，即磁滞和涡流，总称为铁损。一台发电机中，铁损约占电机能量损耗的15〜25%。我为某公司设计的五个系列数十个电磁方案中，一般约在17〜21%。方案算得理想时，会发现自然在这个范围。如果磁路设计不合理，可能会偏高。当超过30%，建议你要调整方案了。在设计时，应细心比较各个方案的空载励磁电流值，在整机成本核实的情况下，将其调节到合理范围。齿磁密当然是取在铁磁材料特性曲线的开始饱和段，接近1.5T，但不是像有些工程师问我的：“取1.5（T）还是1.8,取2行不行呢？”，因为这个值不是绝对的，前面讲了，空载励磁电流和空载损耗才是我们要控制的指标。。在发电机的轭部磁密通常取得不高，但是积分路线长。有时可以试着减小外圆尺寸，虽说磁密在增

高，却因磁路长整个轭磁势还下降了。设计时，额部的修正系数要用到二元插值，可在我的其它计算机论

文中查到程序编制方法。气隙磁压降占了整个磁势中主要部分，我所举的以上例子中，常占到80〜90%。气隙磁密的选取和气隙长度的选取不是本文讨论范围，其本质是要满足机电能量转换需要，需要说明的是，它的大小也不是绝对的，反而是受铁心设计要求左右的。特别是空载时铁芯中的附加损耗和气隙的长短有直接的关系。2降低铁损的措施发电机一般选用导磁性能优越、单位铁耗小的各向同性优质硅钢片。前面说过，铁损包括磁滞和涡流两个分量，损耗表示为：QFE=a1+a2At2 （1-1）其中al——磁滞损耗a2At2——涡流损耗系数a1、a2与频率、材料及磁密有关。在采用特定磁密（如1.5T）和固定频率（如50HZ）分析时，可以认为都是只与材料有关的常数。在热轧硅钢片中，磁滞损耗是主要部分，而在冷轧硅钢片中，主要损耗是涡流。硅钢片冲剪的边缘多，磁滞增高；硅钢片冲剪边沿的毛刺多，则涡流必定增高。△t表示与铁片（硅钢片）厚度有关的系数，当厚度由0.1增加到0.5mm时，损耗增加1.4倍，厚度为1mm时增加到2.3倍。磁滞损耗与频率成正比，涡流损耗与频率的平方成正比，在电指公式中，轭部综合简化为1.3次方，齿部简化为1.5次方计算。并且规定用冷轧硅钢片时再乘以系数1.15。这种计算方法是我国计算的理论值比国外大了。3冲片设计:由前面的叙述可知，定子铁心中的涡流与导磁材料的厚度有关，因此可以把铁心沿轴向分成彼此绝缘的薄片来减小涡流。在我国和国外大多数电机厂，都将冲片厚度取为0.5mm，少数产品也有用0.35mm的。0.5mm厚的硅钢片的刚度（E）是0.35mm厚硅钢片的1.5倍，损耗仅比后者高10%，而价格较后者低，因此一般选用0.5mm厚的硅钢片。实验证明，如果继续将厚度减小到0.1mm时，损耗变化并不大。目前我国质量最优秀的无取向硅钢片（各向同性）是武钢生产的。电机的冲片设计常反映出设计师的总体设计思想和综合素质，在设计时，除电机效率、性能指标外，

还要综合考虑到冲裁利用率等成本和工艺因素，考虑同种冲片制造铁心时的派生容量范围、零件通用化率、

工装通用化率和标准化系数等。我推荐阿尔斯通公司的模块化设计思想。即将产品分为几个功率等级，转

子采用轴向通风，在一定容量范围内，不同的发电机具有相同的横截面和端部结构。近十五年来，我在任

何电机厂设计都沿用了这一思想。而冲片的合理设计则是实现模块化设计思想的基础。为了减少铁心振动，在汽发设计常有意加大铁心外径和轭部尺寸，并往标准系列尺寸'上靠”，通常都

取相对低些的轭部磁密，并在制造时增大压装力。冲片冲成后，应严格去毛°30MW以下电机毛刺高度应控制在20pm以下，6MW、6KV及以下电机可控制在30pm，（同电压异步电机可控制在50pm以下）50MW电机毛刺应控制在10pm以下。BBC公司毛刺高度用光学毛刺测量仪测量。4冲片绝缘为了防止冲片之间有涡流回路，冲片必须双面涂覆高电阻的F级绝缘漆，单边厚度约为4〜8pm，按标准方法测量时，片间电阻2106Q/cm2，击穿电压＞10Vo汽轮发电机对冲片的绝缘要求远远高于一般的水轮发电机，更不要说一般高压异步电机了。这不是盲目制定的规则，我们从下面理论上加以阐述。（1） 正常运行时、冲片绝缘损坏的后果铁心冲片间绝缘损坏后，将造成片间的局部短路，短路点的温度会升高，引起局部发热，而发电机

与其它类型电机不同的是，这很可能将造成主绝缘损坏，甚至引起严重故障。已有过因铁心短路引起机毁

人亡的教训，所以不得不拆卸整个电机。当冲片或槽口某两片间出现短路点B时，根据右手螺旋法则，磁通中将在铁心中感应电势，经槽钢

焊缝、钢片和短路B处形成回路。B点位置所在处的直径越小，穿过回路得磁通越大，短路电流也逾大。

短路处温度将局部升高，破坏片间绝缘，甚至逐渐扩展至整个叠片组(一般40〜50mm)，但不会漫延到

被通风槽隔开的相邻叠片组。尽管如此，也足够破坏被他灼烧的定子绕组的绝缘了。严重时，还出现过铁

心局部融化的现象，直接造成事故。后果是不是会那么严重，有人认为我危言耸听。我们不妨进一下行定量的分析。损坏了片间绝缘的短路处，相当于只有一匝的变压器次级绕组，这个'变压器”的初级绕组就是汽轮发电机的转子激磁磁势AW0。与一般变压器不同的是，激磁磁势的大小与次级电流无关。在极端情况下，即所有磁通都通过了这一闭合回路，形成一个短路匝，这个短路匝每匝感应电势为: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是受损硅钢片回流Ih的去磁作用磁势，短路电流造成的损耗为：Qh=EhIh=Eh0Ih(1-Fh/AW0) (2-3)求极值得：Ihmax=AW0/2TOC\o"1-5"\h\zEhm=0.5Eh0 (2-4)即在最坏情况下，片间短路处要流过转子磁势一半的电流，损耗的最大值为：Qhm=IhmEhm=0.25k0FjEh0\o"CurrentDocument"=kdefbp・BOBj・Ohjxl0人-11 (2-5)现举一组典型数据：当 kde=1.27；f=50赫兹；bp=5cm；Bj=15000高斯；BK7800高斯\o"CurrentDocument"时Qhm=0.346hj千瓦 (2-6)请注意看：当其他条件相同时，片间绝缘损坏处所能产生的最大损失与空气隙及铁心轭高成正比。如果kde、f、bp、Bj、B6有变化，也只是前面的系数0.34改变罢了。与异步电机不同的是，为了减小附加损耗和达到要求的短路比，汽轮发电机都有很大的空气隙和很大的轭部径向尺寸，汽发的极数很少，容量增加时hj值显然会增长。对于2MW左右的大型异步电动机，空气隙的数值近似6=0.2cm和hj=10cm，得到Qhm=0.34x0.2x10=0.68kW而对于某四极型汽轮发电机，6=1.9cm和hj=17.5cm代入后得到最大损失时为：Qhm=0.34x1.9x17.5=11.3kW虽然我们带入的都是给定的数据，但却都是很具代表意义的。前面说过，代入量的改变只引起系数的变化，其规律并不会改变。我们完全应该由此认识到：汽发的片间绝缘比异步电机重要得多。在汽轮发电机中，当片间绝缘损坏时，损失要比其它的电机中大数十倍。电机的运行经验及制造过程中试验数据都指出，只有在汽轮发电机中才有可能发生和片间绝缘损坏有关的严重故障。在我国类似事故发生过多起重大事故的例子。例如1980年宁夏石嘴山50MW氢冷机组因测温元件引线对地套管不完整引起的片间短路。凡遇到铁心短路排除不了，制造厂家通常不敢怠慢，总是要求发电机全部拆开。必须指出，在工厂和电站中的铁损试验，所得到的数值是和真实的情况不相同的。因为磁通只通过铁心轭闭合，而没有一个地方是通过齿部和空气隙的。相反，电机运行时磁通要两次通过空气隙。以往经验表明，这种状况测出的铁损比运行时测得的铁损要小得多。（2）非对称负载运行时的汽发铁心前面我们说过，即使在正常工况下，汽发铁心短路引起的后果，也要比异步电机严重的多。尽管他们从表面结构上看来那么相似。发电机运行时条件远比异步电机要恶劣得多。异步电机通常是在三相基本平衡的状态下运行的。发电机却经常要面对不平衡状况和事故状况。运行时，不仅必须要考虑当近端发生短路（包括两相短路、单相对地短路和三相对称短路，其中两相短路最恶劣）是的保护动作和对电机的损坏，还要面对合闸时的误同期、大电感性负荷跳闸又自动重合闸时的冲击等，这些均会引起很大的过电流和转矩，对电机的机械强度和电气强度都是很严峻的考验。5端部设计：汽轮发电机采用高线负荷、高磁通设计，而且极数少，线圈跨距大，端部很长，这样定子线圈端部形成一个较大的旋转漏磁场。所以靠近端部的结构简设计时，往往不是光想到安全距离，而必须考虑防止漏磁和在结构件中产生的涡流，为此，靠近定子端部的结构件经常会采用非导磁材料。另一方面，隐极式转子的励磁线圈通常采用同心式绕组，端部很长，于是就有了一个随转子旋转的漏磁场。和定子的端部旋转漏磁场一起，在发电机端部形成了一个合成的旋转漏磁场。这其中，定子端部漏磁场为主要成分，这是因为转子端部绕组毕竟距定子铁心较远一些，其漏磁通只占合成磁通的30%〜40%。从位场最小路径原理出发，可知端部漏磁通会沿着磁阻最小的路径通过。定子铁心压圈（内园）、压指、端部铁心边段的涡流损耗最高。短路比小的发电机，端部漏磁就越大。在超前COSe运行时，即发电机在进相运行时，定转子合成磁通相加，端部漏磁增大很快。这种情况下，附加损耗可占总损耗的20%。为此，设计时应尽量做到：（1） 尽可能缩短定子端部绕组的尺寸，如尽量减少线棒出槽口后的倾斜角，增大端部绕组与压圈、铁心间的距离，以加大磁路的磁阻，减少定子端部漏磁通。定子线棒槽口附近的齿压板、支架、绑环、压圈、部分螺栓及转子护环等部件，都采用反磁性材料，以增大磁阻，减少漏磁。（2） 为了减少从轴向进入定子铁心的漏磁通，防止磁通在边缘铁心齿部过分集中，导致局部出现高温点，端部铁心段一般做成阶梯形，以增加气隙，使漏磁通依磁阻分散在各阶梯段上。同时也加强了端部铁心的通风和冷却。但这样一来，压圈处的漏磁会有所增大，因此15MW以上电机的压圈、压指或压板采用电阻系数低的反磁性钢。为进一步减少阶梯段的涡流,6MW以上发电机在阶梯段铁心上开有径向峡槽。并且在片间垫以绝缘纸（一般为较薄的电缆纸），以增大轴向磁阻和电阻。与定子端部接近的结构件，应保证有足够大的距离，并尽可能采用非磁性材料，以减少感应涡流。另外，任何处在强磁场和强电场中的结构件，都要牢记圆滑过度，防止尖端的出现，以减少场线集中。6定子铁心的防振荡措施电网是一个振荡系统，当它的振荡频率与定子的自振频率合拍时，就产生耦合振荡（共振）。定子铁心的振动原因是多方面的，但首要考虑的应该是基频振动和倍频振动，设计时还要防止产生频率高于倍频的振动。简单讲述如下：（1） 定子铁心的基频振动定子铁心内有交变磁场通过，就产生交变的电动力，如果铁心刚度不够，或未压紧，或片间压力松紧不均，这种基频振动就会产生强烈的振动和噪声。如果铁心端部设计有没有能防止局部受热不均匀而产生热变形，就会导致该段冲片松动。在电机投入大电网后，当进相运行时，端部温度场不均匀分布更加明显，损害也严重。设计时对端部的考虑是基于进相状态的。6MW以上的电机，会在端部片间增多绝缘垫片，以补偿铁心冲片的“同板差”、局部松动的情况。虽然对有效叠压长度有所降低，但微小到可以忽略，却能帮助我们保证铁心紧度和增强片间绝缘。特别指出的是，这一措施对减小端部轴向漏磁引起的局部过热有很好的作用。（2） 定子铁心的倍频振动①定子铁心的倍频振动的原因定子铁心的倍频振动是定子铁心振动主要的部分。汽轮发电机的转子是个电磁铁，其磁极产生了使定子铁心变形的磁拉力。这个磁拉力在磁极中心达到最大值，而在极间为最小值，因而使两极汽轮发电机铁心受到振幅周期变化的变形力，2极电机呈现出椭圆变形，四极汽轮发电机定子铁心成四瓣变形，气隙内各点磁通密度随转子旋转而改变。转子每转一次，铁心的变形重复两次，因而形成了定子铁心的双倍频率振动。这是定子铁心振动的主要来源。转子磁拉力所引起的铁心双频振动值，与发电机容量的大小没有直接的关系，它只决定于气隙的磁通密度和定子铁心的刚度、弹性模数等。铁心的刚度和定子铁心轭高有关。而弹性模数则决定于定子冲片的材质、冲片间的粘合情况、每圈冲片数、压装的压力及铁心固紧的方式（程度）。振动还是产生电磁噪声的主要原因。虽然电磁力作用在齿和磁极上，但磁噪音主要还是磁轭的径向振动所引起。③当定子绕组内有电流时，槽内有横向于槽高的漏磁通，它使定子齿一侧的磁通增加，另一侧的磁通减少，既定子和转子电流的作用，沿整个圆周积分得到一个与总气隙电磁转矩成正比的恒定分力F0=F0mcos20还有个振荡分量（峰对峰的幅值远超过平均值）趋向于将定