屏蔽電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和現(xiàn)代化

張 祺

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

核能動(dòng)力設(shè)備的核反應(yīng)堆循環(huán)冷卻劑主泵電機(jī)機(jī)組的性能和質(zhì)量，直接影響到核電設(shè)備的運(yùn)行安全可靠性。當(dāng)它用于可移動(dòng)的海洋核動(dòng)力裝置(如遠(yuǎn)洋科學(xué)考察船艦等)上時(shí)，對(duì)運(yùn)行安全可靠性的要求就更加嚴(yán)格了。最近幾年，我國(guó)在這種產(chǎn)品的更新?lián)Q代和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，又自行開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了多項(xiàng)重大科研成果，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和現(xiàn)代化，使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量都達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

1 消除焊縫應(yīng)力

用于可移動(dòng)的核動(dòng)力裝置核反應(yīng)堆的循環(huán)冷卻劑主泵電機(jī)機(jī)組，通常采用定、轉(zhuǎn)子帶有屏蔽套的高轉(zhuǎn)速鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，稱為屏蔽電機(jī)，這屬于特種電機(jī)類別。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子端部護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間采用了異種金屬焊接，這種結(jié)構(gòu)工藝的缺點(diǎn)就是容易導(dǎo)致其焊縫在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)穿透性裂紋，從而使核反應(yīng)堆的冷卻劑進(jìn)入轉(zhuǎn)子的屏蔽套內(nèi)并使其變形，進(jìn)而導(dǎo)致屏蔽套與定子接觸并被擦破、冷卻劑泄漏的事故。

在攻克這項(xiàng)關(guān)鍵課題過(guò)程中，曾進(jìn)行了焊縫模擬焊接研究，并采用了以下幾種計(jì)算分析系統(tǒng):(1)瞬間熱態(tài)分析、熱態(tài)結(jié)構(gòu)耦合分析功能;(2)單元死-活功能;(3)面對(duì)面接觸分析功能;(4)結(jié)構(gòu)和材料的非線性求解;(5)APDL 參數(shù)化語(yǔ)言程序等。

在分析研究過(guò)程中還采用了以下關(guān)鍵技術(shù):(1)焊縫關(guān)鍵部件有限元模型的建立;(2)焊縫部位單元的模擬和排序;(3)邊界條件的建立;(4)焊縫過(guò)程的模擬等。

從理論上對(duì)此類焊縫的殘余應(yīng)力進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計(jì)算，是一項(xiàng)難度很大的世界性課題，其中包括轉(zhuǎn)子端部護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間“熱套”配合的非線性接觸問(wèn)題、接觸應(yīng)力對(duì)焊縫的影響等。這項(xiàng)關(guān)鍵科研課題的最終解決，也使我國(guó)在這方面達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

2 實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，用戶不斷地提出更新?lián)Q代和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的要求，即采用實(shí)心轉(zhuǎn)子和“主泵-電機(jī)”一體化。其中包括:將主泵轉(zhuǎn)輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接而無(wú)須設(shè)置中間軸承;轉(zhuǎn)子帶有疊片式鐵心和細(xì)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)軸，兩者之間采用“鍵-槽”連接為一整體，受力比較復(fù)雜。還要求將疊片式轉(zhuǎn)子鐵心改為實(shí)心結(jié)構(gòu)，并與轉(zhuǎn)軸融為一體，采用同一種材料。具有這種被稱為“實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)”的屏蔽電機(jī)，其突出優(yōu)點(diǎn)是:(1)剛度較大，可靠性較高，適宜于高速運(yùn)行;(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，而起動(dòng)電流卻很小，起動(dòng)特性較好。然而，對(duì)這種實(shí)心結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的材料的要求卻很特殊，而且相當(dāng)嚴(yán)格，成為一項(xiàng)難度很大的關(guān)鍵課題。在電磁性能方面，要求它的導(dǎo)磁性能不低于電機(jī)專用的電工硅鋼片鐵心;在機(jī)械性能方面，要求它具有較大的剛度，能夠承受高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的考驗(yàn)，具有穩(wěn)定的力學(xué)性能;在化學(xué)性能方面，要求它具有較高的抗腐蝕性能，不易生銹;在運(yùn)行性能方面，要求它具有較高的運(yùn)行可靠性和較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命;在制造工藝性能方面，要求它具有良好的可焊性。此外，還要同時(shí)滿足核反應(yīng)堆系統(tǒng)對(duì)電機(jī)性能的所有其它要求(如承受核輻射的能力等)。

在攻克這項(xiàng)關(guān)鍵課題過(guò)程中，開(kāi)發(fā)、應(yīng)用了一種特殊的不銹鋼高導(dǎo)磁材料，以及與其相匹配的實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)相似模型，并在高溫、高壓、高速、重載等嚴(yán)酷條件下進(jìn)行了高可靠性、長(zhǎng)壽命的考驗(yàn)。此外，還通過(guò)熱處理模擬技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，確定了這種特殊材料的冶煉工藝和熱處理工藝。通過(guò)化學(xué)成分、力學(xué)性能、物理性能、應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕等方面的深入研究，對(duì)這種特殊材料進(jìn)行了全面的綜合評(píng)定，確認(rèn)其已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全能夠適用于核動(dòng)力裝置的循環(huán)冷卻劑主電泵和輔助電泵機(jī)組，并為這類特種電機(jī)機(jī)組的機(jī)電一體化和現(xiàn)代化創(chuàng)造了有利條件。

3 定子結(jié)構(gòu)改造

3.1 換位方案選擇

電機(jī)采用屏蔽式結(jié)構(gòu)時(shí)，定子繞組絕緣的耐熱等級(jí)可提升為F 級(jí)，電壓升到6kV。曾經(jīng)根據(jù)電磁場(chǎng)理論并采用渦流方程，對(duì)定子槽內(nèi)由于電流“集膚”效應(yīng)而引起的導(dǎo)體阻抗變化進(jìn)行了分析計(jì)算。還根據(jù)屏蔽電機(jī)定子繞組元件的特點(diǎn)和阻抗變化規(guī)律，對(duì)于不同截面高度的定子“線棒”是否采用換位也進(jìn)行了計(jì)算分析，優(yōu)選出了合理的換位方案。當(dāng)定子槽內(nèi)導(dǎo)體高度小于8mm 時(shí)，電阻增大系數(shù)接近于1 就無(wú)需換位;導(dǎo)體高度大于8mm 時(shí)，電阻增大系數(shù)迅速增加，就應(yīng)采用換位。最好采用空換位段為120mm 的空換位方案。這樣可使“線棒”損耗和溫升以及各股線之間的溫差都大為減小，

3.2 槽形槽楔改造

由于定子采用了半閉口槽，槽口很窄，在冷卻劑壓力作用下屏蔽套受力均勻，應(yīng)力不高。如果電機(jī)的定子鐵心采用開(kāi)口槽，槽楔剛度會(huì)小于鐵心剛度，位于槽楔部位的屏蔽套變形就會(huì)增大，局部應(yīng)力增高。經(jīng)過(guò)研究分析，決定采用有限元(平面應(yīng)變單元)法對(duì)定子槽的支撐強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型包括屏蔽套、槽楔和鐵心。計(jì)算結(jié)果表明，采用常規(guī)的環(huán)氧玻璃絲布層壓板時(shí)，屏蔽套的應(yīng)力超過(guò)了美國(guó)ASME 標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，在結(jié)構(gòu)上增設(shè)了不銹鋼墊條后，即可達(dá)到要求。

4 新型絕緣系統(tǒng)

4.1 填充粉末絕緣

現(xiàn)代屏蔽電機(jī)普遍采用變頻調(diào)速。此時(shí)，電機(jī)的輸入電壓不再是具有額定頻率的正弦波。電壓中除了基波電壓外，還有許多諧波分量和“旁頻”分量，使絕緣承受沖擊電壓作用。由于脈沖電壓的作用，會(huì)使繞組匝間發(fā)生電暈放電、導(dǎo)致絕緣擊穿。傳統(tǒng)的絕緣材料已經(jīng)不能滿足變頻調(diào)速交流電機(jī)的特殊要求，即使在耐熱性能和耐輻射性能兩方面都被公認(rèn)為是最優(yōu)的聚酰亞胺或聚酰胺-酰亞胺絕緣材料，也會(huì)很快地被破壞。工頻擊穿電壓達(dá)到1 000kV 的絕緣材料，卻在1kV 的高頻脈沖電壓下使其壽命減少到1h 以下。

近年來(lái)的多種探索性試驗(yàn)研究證明，采用無(wú)機(jī)化合物(通常為金屬氧化物的細(xì)微粉末)對(duì)絕緣材料進(jìn)行填充、改性，可以大幅度提高承受高頻脈沖電壓的能力，并使電暈老化壽命延長(zhǎng)到5 ～100 倍。這種經(jīng)過(guò)填充粉末、改性的新型絕緣，發(fā)揮了三種作用:(1)使電場(chǎng)強(qiáng)度的分布均勻化;(2)可以作為準(zhǔn)固體發(fā)揮屏蔽作用;(3)提高熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，相對(duì)介電常數(shù)較高的微粒，在不均勻的電場(chǎng)中會(huì)受電動(dòng)力的作用而向電場(chǎng)強(qiáng)度較高的部位遷移，從而使電場(chǎng)強(qiáng)度的分布均勻化。在絕緣材料的間隙中填充無(wú)機(jī)粉末而形成的粉末絕緣層，是一種由固體粉末與空氣組成的兩相復(fù)合介質(zhì)材料，其介電常數(shù)約為7.6，比空氣的大很多。所以它能改善匝間電場(chǎng)分布特性，降低最大電場(chǎng)強(qiáng)度，減緩了電暈破壞速度。

4.2 真空整體浸漬

防止電暈破壞的另一項(xiàng)措施是定子采用高壓真空整體浸漬新工藝，但是必須是完全浸透，不得留有任何氣隙，否則適得其反。試驗(yàn)證明，定子繞組匝間浸漬后留有氣隙時(shí)，該氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度比沒(méi)有浸漬的反而要高出37%～42%，更具有危害性。而且，承受脈沖電暈的壽命也大為縮短。

為了確保絕緣系統(tǒng)的整體性、兼顧性，必須經(jīng)過(guò)浸漬工藝。含有溶劑的漆通常含有50%的溶劑，在烘焙過(guò)程中溶劑大量揮發(fā)，剩余的填充量約有45%，并形成氣隙，在運(yùn)行中就會(huì)引起局部放電，并使繞組電氣性能降低。此外，殘留溶劑還滯留在繞組表面及其內(nèi)部，對(duì)漆包線有很強(qiáng)的腐蝕作用。而無(wú)溶劑樹(shù)脂在烘焙固化過(guò)程中，揮發(fā)量少，不宜形成氣隙，減少了局部放電現(xiàn)象。通過(guò)多種樹(shù)脂的對(duì)比試驗(yàn)，決定選用不飽和聚酰亞胺H 級(jí)無(wú)溶劑樹(shù)脂。它是熱固性的、單組分的，其活性單體為改性苯乙烯。在耐高溫、熱穩(wěn)定性、浸透性、可真空浸漬性、固化速度、固化溫度、粘著強(qiáng)度、耐腐蝕、耐溶劑、耐輻照、機(jī)電性能、儲(chǔ)存期等方面，它都具有較優(yōu)越的性能。

為了向這種耐輻射的特種電動(dòng)機(jī)提供成套的H 級(jí)無(wú)溶劑整體浸漬聚酰亞胺絕緣體系，采用國(guó)產(chǎn)的“非硅”型H 級(jí)絕緣材料取代了以前的有機(jī)硅體系，機(jī)械性能提高2 倍以上，電氣性能提高1.3 倍，浸漬烘焙溫度由200℃降低到160℃，烘焙時(shí)間縮短一倍，大幅度節(jié)省了能源。采用快速熱老化評(píng)定法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，其耐溫指數(shù)高達(dá)107℃，耐熱壽命高達(dá)27 年以上。因?yàn)橛糜诤四芊磻?yīng)堆，還要求絕緣具有一定的耐輻照性能，從而對(duì)絕緣提出更高要求。經(jīng)過(guò)研究和篩選，最后采用了耐電暈的單玻璃絲包的特殊漆包圓銅線，它是3 層復(fù)合漆包線再外加1 層單玻璃絲。它在耐電暈性能、擊穿電壓值、耐熱指標(biāo)、導(dǎo)熱性能、耐輻照性能等方面都具有較高的指數(shù)。曾對(duì)10 大類、43 種該H 級(jí)絕緣材料進(jìn)行數(shù)百次輻照(累積劑量為2 ×105Gy)試驗(yàn)，取得了大量數(shù)據(jù)。重點(diǎn)解決了在輻照的累積劑量和變頻調(diào)速時(shí)的沖擊電壓及高次諧波的同時(shí)作用下，對(duì)繞組絕緣的影響。

此外，還在定子鐵心硅鋼片絕緣處理工藝、定子繞組線圈的繞制、嵌線工藝、定子的H 級(jí)無(wú)溶劑高壓真空整體浸漬工藝以及對(duì)定子整體旋轉(zhuǎn)烘焙工藝等方面取得了許多重大科研成果，能夠確保定子端部的可靠固定、定子絕緣系統(tǒng)的連續(xù)性、相容性和魯棒性等。

5 結(jié)語(yǔ)

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，在保密的氛圍中，我國(guó)屏蔽電機(jī)工業(yè)的發(fā)展，不斷更新?lián)Q代。在產(chǎn)品性能的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及運(yùn)行可靠性的提高等方面，已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，完全滿足了用戶需求。