1.东方电气集团东风电机有限公司四川乐山614000
摘要：本文介绍了40MW无刷励磁汽轮发电机的电磁方案、结构设计；无刷励磁机的电磁方案、结构设计等主要特点。
关键词：40MW；汽轮发电机；无刷励磁技术开发；空冷
1、前言
为进一步开拓市场，实现产品系列化，满足用户多样化的要求，参考空内冷发电机结构，按照通用化原则，对多组方案进行对比分析后，确定将主发电机定子选用54槽，定子绕组支路为1。根据主发电机的励磁参数，计算得到励磁机的容量需求为340kVA。
2、主要技术数据
2.1发电机基本技术参数
额定容量：50MVA
额定功率：40MW
额定电压：10500V
额定电流：2749.3A
功率因数：0.8（滞后）
额定转速：3000r/min
频率：50Hz
效率：98%
相数：3
极数：2
短路比：0.609
瞬变电抗：26.81%
超瞬变电抗：20.73%
额定励磁电流：1145A
额定励磁电压：170V
冷却方式：密闭自循环空气冷却
2.2励磁机主要技术参数
型号：WLQ340-3000
额定容量：340kVA
额定功率：303kW
频率：200Hz
额定励磁电压：85V
额定励磁电流：16.2A
整流盘输出电压：213V
整流盘输出电流：1390A
3、结构设计
本汽轮发电机主要由定子、转子、轴承、空气冷却器、端盖、底板、励磁机等组成。该机型为双层布置、单轴承支撑、密闭自循环空气冷却结构，发电机总装配见图2，各主要部套分述如下：
图2
1、转子2、小端盖3、大端盖4、定子5、发电机轴承6、励磁机
7、励磁机轴承8、空气冷却器
3.1发电机结构设计
3.1.1发电机定子
发电机定子主要由机座、铁芯、线圈、槽楔等组成。
发电机定子机座采用优质钢板焊接，结构轻巧牢固。为了便于下线和检修，机座长度伸至铁芯两端压板处；根据定子通风要求将机座沿轴向隔成三个风区，一进两出，风区隔板间装有通风管道；定子吊攀焊接在机座两侧，以便吊装。
定子铁芯由优质硅钢扇形片经绝缘后叠压而成，靠定位筋固定到定子机座上，按径向通风的要求选用型钢将铁芯沿轴向分成多段，构成沿轴向分布的径向通风道。为减少涡流损耗和附加损耗，边段铁芯齿部采用阶梯结构，铁芯两端用非磁性钢压指和压圈夹紧，在铁芯出风段适当位置的齿部和轭部装了Pt100型电阻测温元件用于监测铁芯温度。
定子半线圈采用不完全换位技术，端部结构为篮型；在励端端部有六根向下的引出线。线圈绝缘等级为F级，并在指定槽内的上、下层线棒之间装有Pt100型电阻测温元件用于监测三相绕组的温度。
3.1.2发电机转子
发电机转子为两极，隐极式结构，由转轴、绕组、护环、风扇和导电杆等部件组成。
转轴由高强度高导磁合金钢锻制而成。转轴两端分别加工有轴颈作为轴承的支撑部分，两轴颈之间的主体部分即为转子铁芯。转子本体段加工有对称的两个大齿和两组小齿，大齿作为转子磁极，小齿之间的轴向阶梯槽，用以嵌装转子线圈和副槽通风用。两个大齿上分别开有平衡螺钉孔，供转子平衡时配重。
转子线圈由冷拉含银铜排制成，其槽内部分冲有两排径向通风孔，端部铣有凹形槽，凹形槽与槽内径向孔联通，槽衬和匝间垫条及槽底垫条与线圈对应冲有通风孔与加工有径向圆形通风孔的硬铝槽楔和加工有特殊形状通风孔的楔下垫条一起构成槽部的副槽通风系统。端部绕组利用两股铣有凹形槽的铜排组合构成矩形通道，进行通风冷却，从端部绕组极心处导体风孔进风，从槽部的径向通风孔出风。绕组端部由高强度非磁性钢护环支撑，护环一端热套在转子本体端部且用环键固定，防止轴向位移。护环的另一端与悬挂式中心环热套配合，以控制转子绕组轴向位移和径向变形，为了提高转子抗负序电流能力，转子本体两端采用铜槽楔
转子本体两端分别装有单级桨式风扇，以对机内空气进行强制循环，风扇叶片由高强度铝合金模锻而成，所有风扇叶均用螺母把合固定在风扇座环上（风扇座环热套固定在转轴上）。
3.1.3轴承
选用座式圆柱轴承，由钢板焊成的轴承座和铸钢浇轴承合金水平分半的轴瓦组成，轴瓦可自动调心，并在下半轴瓦上装有高压油顶轴装置和测温装置。轴承的高压油和润滑油均由汽轮机强制循环油系统供给。
3.1.4空气冷却器
冷却器是通过冷却管中的循环水和空气的热交换带走发电机内的损耗。本型发电机有四组冷却器，横放于发电机底部的封闭小间内。
3.1.5端盖和下端罩
大小端盖全部采用高强度玻璃钢材料压制而成，有阻燃和抗电腐蚀能力，大小端盖垂直左右分半，与机座端面把合后，护住露在基础上的大半部分的绕组端面，基础面以下的部分由把合在基座上的下端罩保护。大端盖上开有视察窗，并装备有灭火水管和铸造铝的带静风叶的上下分半的导风环，小端盖上装备有高压气封环，下端罩上开有人孔，供安装和检修用。
3.1.6底板
底板用来将发电机、励磁机底脚和基础联接，保持发电机对准中心的重要部件，二次灌浆时，调整好位置与基础浇灌在一起。
3.2励磁机设计
励磁机主要由定子、电枢、旋转整流装置、轴承、端盖、空气过滤器、空冷器、测量滑环及举刷装置等部件组成。
3.2.1励磁机容量选取
励磁机相电压：==83V
励磁机相电流：==881.4A
功率因数：COS===0.89
励磁机功率：PN=3×1.25×1.22×83×881.4×0.89=3×83×881.4=297.9kW（1.25为电压设计裕度，1.22为电流设计裕度），故励磁机容量选取340kVA
Uf-发电机励磁电压-旋转二极管压降-整流器换向角
3.2.2励磁机定子
励磁机定子主要由机座、定子线圈、定子铁芯等部件组成。
定子机座由钢板及铸钢机壳焊接而成。为了便于吊装，定子机座设有吊攀。
定子磁极铁芯由1mm钢板叠压而成，并用磁极铆钉轴向锁紧为一整体，径向用螺栓均分固定在机壳上。
线圈由聚酯漆包扁铜线绕制并经匝间绝缘处理后固化为牢固的整体。
3.2.3励磁机电枢
电枢铁芯是由冲制的高导磁低损耗冷轧硅钢片迭压而成，冲片两面涂有绝缘漆。
电枢线圈采用波绕组半线圈。线圈由双玻璃丝包扁铜线叠成。线圈绝缘是采用少胶云母带并真空浸漆结构。
为了加强电机冷却，电枢右端套有旋桨式风扇。
3.2.4旋转整流盘
旋转整流盘主要由整流环、旋转二极管、熔断器、连接铜排等组成。这些元器件均布置在整流环上，组成整流电路。
每桥臂串联一只熔断器组成保护电路，以防止汽轮发电机转子失步（或定子机端短路）在转子励磁绕组内产生过电流。
为了防止旋转时由于离心力作用引起的破坏，二极管选用旋转型二极管并且径向安装在整流环上。
4、结论
本产品各项技术指标均达到或超过国家标准要求。
该产品的成功实施，标示着我公司已完全掌握了无刷励磁汽发机开发设计的技术。
参考文献：
[1]陈世坤.电机设计.北京：机械工业出版社，2004.
[2]上海电气科学研究所.中小型电机设计手册.北京：机械工业出版社，1994.
作者简介：陈长利（1982—），男，工程师，主要从事汽轮发电机的设计。