核三代核級(jí)電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化分析

王險(xiǎn)峰

（奧特彼電機(jī)（上海）有限公司，上海 201800）

在核能發(fā)電技術(shù)我國(guó)起步較晚，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，特別是核電站的核級(jí)設(shè)備更是依靠進(jìn)口，但我國(guó)從未停止創(chuàng)新研發(fā)的腳步，在核三代核電技術(shù)我國(guó)提出國(guó)際最高標(biāo)準(zhǔn)的核安全技術(shù)，也是在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)由核大國(guó)向核強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的重要一步，該技術(shù)對(duì)于提升核電機(jī)組的安全可靠具有積極作用。核三代核級(jí)電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的成功實(shí)施，是我國(guó)核級(jí)設(shè)備項(xiàng)目上的又一次實(shí)質(zhì)性突破，為國(guó)家重大裝備制造水平提升做出了突出貢獻(xiàn)。此次創(chuàng)新研發(fā)中，重點(diǎn)是進(jìn)行電機(jī)長(zhǎng)壽命絕緣體系、耐輻射、耐高溫等關(guān)鍵技術(shù)的研究并實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，從而保證核電站的長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。

1 核級(jí)電動(dòng)機(jī)概述

1.1 定義

核級(jí)電動(dòng)機(jī)與常規(guī)電動(dòng)機(jī)類似，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、機(jī)座、軸承等。其中定子部分由機(jī)座、定子鐵芯、繞組等組成。轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵芯、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸等。不同點(diǎn)在于，核級(jí)電動(dòng)機(jī)要具備較高的綜合性能，要具備耐輻照、耐高溫、耐抗震等核環(huán)境下運(yùn)行能力，進(jìn)而保障核電系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。一般情況下，為了確保核電電機(jī)的安全，都會(huì)將其設(shè)置在保護(hù)殼體之內(nèi)，整機(jī)需采用全封閉設(shè)計(jì)，定子機(jī)座焊接密封外殼，前后端蓋與機(jī)座等并在結(jié)合處設(shè)置密封圈或墊。密封件同樣要采用耐高溫、抗輻照的材料，通常為氟橡膠[1]。

1.2 用途分析

核級(jí)電動(dòng)機(jī)是一種綜合性能較強(qiáng)的設(shè)備，可以用于多個(gè)核電運(yùn)行程序的自動(dòng)控制環(huán)節(jié)。核級(jí)電動(dòng)機(jī)通常是以配套主機(jī)的形式應(yīng)用到核電廠的設(shè)備單元中。核電機(jī)組的設(shè)計(jì)規(guī)劃往往會(huì)直接影響到實(shí)際的運(yùn)行效果?？茖W(xué)合理的組裝設(shè)計(jì)，會(huì)使電廠發(fā)電效率提升，增加電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

電動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)：?jiǎn)?dòng)電流倍數(shù)在100%額定電壓下≤6.5 倍額定電流，在80%額定電壓下≤5 倍額定電流、帶載啟動(dòng)時(shí)間在100%額定電壓下≤3s，在80%額定電壓下≤5s、在70%額定電壓下能夠帶載啟動(dòng)、最大轉(zhuǎn)矩不低于2.0（100%額定電壓），最大轉(zhuǎn)矩不低于1.0（70%額定電壓）、聲壓級(jí)噪聲≤82dB（A）(核二代≤85dB（A）)、電流倍數(shù)、啟動(dòng)時(shí)間即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、噪聲同時(shí)符合要求前提下效率執(zhí)行國(guó)家二級(jí)能效（核二代無要求）[2]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)由前、后端蓋，定子，轉(zhuǎn)子，電刷部件等部分組成，另外，設(shè)置疏水排液口。具體如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1.1 定子鐵芯

定子鐵芯是電機(jī)組成中的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)電機(jī)的功能性具有重要影響。本次設(shè)計(jì)中，定子鐵芯采用球墨鑄鐵材料添加特定化學(xué)成分和改進(jìn)鑄造工藝使鑄件抗拉強(qiáng)度和機(jī)械特性達(dá)到要求，鋼板焊接件采用感應(yīng)釬焊技術(shù)研究，通過分析感應(yīng)器的直徑、匝數(shù)、長(zhǎng)度與工件負(fù)載的耦合關(guān)系，開發(fā)了導(dǎo)磁體驅(qū)流/脈沖加熱釬焊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)釬焊區(qū)域的集中快速加熱，降低了釬焊過程中的熱耗散，有效減少釬縫缺欠。

2.1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)前端是齒輪，為主要的傳動(dòng)裝置，涉及齒輪嚙，為了有效運(yùn)作為一種潤(rùn)滑油浸潤(rùn)形式，為了避免潤(rùn)滑油進(jìn)入到電機(jī)結(jié)構(gòu)中，設(shè)置了密封結(jié)構(gòu)[3]。轉(zhuǎn)子外徑使用高精度磨床精磨后，酸洗兩遍處理，兩遍酸洗間隔不小于6 小時(shí)，提高了轉(zhuǎn)子表面整齊度，減小了雜散損耗中的轉(zhuǎn)子表面損耗，同時(shí)改進(jìn)槽型設(shè)計(jì)和選用高性能導(dǎo)條和端環(huán)材料，具有更大的功率密度，在同等尺寸的前提下可以增加電機(jī)的輸出功率，有效降低電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗，降低發(fā)熱，增加電機(jī)的使用壽命和電氣安全性。

2.1.3 外殼

電機(jī)外殼是最外層的保護(hù)結(jié)構(gòu)，為全封閉形式，定子與機(jī)座焊接密封，前后端設(shè)有密封圈、密封墊。為了滿足實(shí)際安全需求，密封元件均為耐高溫、抗輻射的氟橡膠材料。外殼結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 外殼防護(hù)結(jié)構(gòu)

2.2 電磁設(shè)計(jì)

2.2.1 勵(lì)磁方式選擇

從電機(jī)勵(lì)磁方式來看，主要有串勵(lì)、并勵(lì)、復(fù)勵(lì)三種。串勵(lì)起動(dòng)時(shí)需要較大的轉(zhuǎn)矩且空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速較高；并勵(lì)轉(zhuǎn)速變化率相對(duì)較小，但機(jī)械特性偏硬；復(fù)勵(lì)是串勵(lì)與并勵(lì)的混合，具有較強(qiáng)的綜合性能，因此研發(fā)設(shè)計(jì)中選擇了該勵(lì)磁方式。與此同時(shí)，復(fù)勵(lì)中，串勵(lì)繞組與電樞繞組串聯(lián)，這增加了電樞回路的電阻，有利于電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)。

2.2.2 串勵(lì)占總勵(lì)磁比例

研發(fā)設(shè)計(jì)選擇了復(fù)勵(lì)方式，之后對(duì)串勵(lì)占總勵(lì)磁的比例進(jìn)行了試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)串勵(lì)為總勵(lì)磁比例的20%～40%時(shí)，勵(lì)磁效果良好；空載階段以并勵(lì)為主，這樣可以解決轉(zhuǎn)速過快的問題；載荷增加時(shí)，由串勵(lì)勵(lì)磁，過載時(shí)以混合勵(lì)磁。

2.2.3 電磁負(fù)荷

電磁負(fù)荷對(duì)電機(jī)的體積、溫度等具有直接影響，當(dāng)電機(jī)體積較小時(shí)，熱量難以快速排除，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行溫度會(huì)快速提升；當(dāng)電機(jī)體積較大時(shí)，升溫會(huì)相對(duì)較慢，但溫度過高同樣會(huì)影響運(yùn)行效率。因此，針對(duì)電磁負(fù)荷的影響，冷卻方式的合理尤為重要。由于電機(jī)裝置是全封閉狀態(tài)，因此冷卻效果主要是受到自然因素、殼體情況的影響。綜合對(duì)多種原因的分析，以電磁負(fù)荷為連續(xù)工作、有通風(fēng)電機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的功率計(jì)算出電機(jī)的電磁負(fù)荷及結(jié)構(gòu)大小參數(shù)。

2.3 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于發(fā)電機(jī)的使用環(huán)境，受到高溫、輻射的影響，因此給予可靠的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤具有必要性。設(shè)計(jì)過程中，以H 級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。電樞槽絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。該槽楔材料為聚酰亞胺玻璃布板，絕緣材料為聚酰亞胺芳酰胺纖維復(fù)合NHN+聚酰亞胺薄膜，在層間的絕緣設(shè)計(jì)中，以聚酰亞胺芳酰胺纖維復(fù)合NHN 為主。

圖3 電樞槽絕緣

定子繞組絕緣設(shè)計(jì)中，對(duì)定子勵(lì)磁線圈中的絕緣進(jìn)行了分析，針對(duì)并勵(lì)與串勵(lì)在層間有機(jī)結(jié)合了聚酰亞胺芳酰胺纖維復(fù)合NHN；對(duì)于線圈與磁極之間的絕緣，采用聚酰亞胺玻璃布板；所有電磁線均采用QY2－220 耐220℃的聚酰亞胺漆包線。定子磁極絕緣如圖4 所示。

圖4 定子磁極絕緣

對(duì)絕緣整體采用綁扎緊固及整體VPI 浸烘兩次及以上的工藝方案，保證了絕緣整體的耐熱、耐輻照能力及特殊強(qiáng)度。

2.4 控制設(shè)計(jì)

電機(jī)勵(lì)磁以復(fù)合方式為主，具體為串勵(lì)、并勵(lì)、電樞繞組。電機(jī)啟動(dòng)方式為先并勵(lì)、再結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整勵(lì)磁方式。電機(jī)運(yùn)行控制以實(shí)際需求為參考，當(dāng)不需要頻繁運(yùn)行時(shí)，其控制方式為直接勵(lì)磁、啟動(dòng)、運(yùn)行，這種控制方式簡(jiǎn)化了控制回路。同時(shí)在復(fù)合勵(lì)磁優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以減少啟動(dòng)電流?？刂崎_關(guān)主要包括2 個(gè)接觸器，通過選擇接觸器開關(guān)便能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的指定勵(lì)磁啟動(dòng)。

3 檢測(cè)驗(yàn)證

3.1 60 年可靠壽命試驗(yàn)

電機(jī)的繞組的可靠性壽命由定子繞組的絕緣壽命決定，因此對(duì)定子繞組絕緣系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過分析及驗(yàn)證方法使其能夠達(dá)到可靠性指標(biāo)要求。一般而言，電機(jī)的定子繞組絕緣系統(tǒng)是由匝間絕緣、對(duì)地絕緣、相間絕緣三個(gè)單元組合起來，是完成繞組功能的綜合體。定子繞組絕緣系統(tǒng)三部分的可靠性模型屬于串聯(lián)模型，因此，欲提高定子繞組絕緣壽命，關(guān)鍵是提高匝間絕緣、對(duì)地絕緣、相間絕緣的安全可靠度，以便達(dá)到提高整個(gè)繞組絕緣系統(tǒng)可靠性的目的。參考上海電氣設(shè)備檢測(cè)所對(duì)我公司F 級(jí)10kV 電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的熱老化加速試驗(yàn)數(shù)驗(yàn)證該過程中，線圈正常使用溫度下的可靠性較高，壽命較長(zhǎng)。

3.2 高溫環(huán)境試驗(yàn)

進(jìn)行了三種環(huán)境條件下的試驗(yàn)：a.10kV 電動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境試驗(yàn)，電機(jī)在主機(jī)廠直聯(lián)驅(qū)動(dòng)低壓安注泵，進(jìn)行了聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，電機(jī)在特殊環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合用戶要求，且運(yùn)轉(zhuǎn)良好。b.堆腔電機(jī)高溫環(huán)境試驗(yàn)，堆腔電機(jī)NHD326T-2 45kW 在上海電器設(shè)備檢測(cè)所有限公司進(jìn)行一定環(huán)境溫度下的負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)表明根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1032-2012、NB/T20212-2013 及相應(yīng)的試驗(yàn)大綱的規(guī)定，電機(jī)滿足運(yùn)行要求。c.我公司生產(chǎn)的艦用耐高溫電機(jī)在國(guó)家防爆電氣質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了耐高溫性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)可以滿足一定環(huán)境溫度下帶載運(yùn)行要求，且長(zhǎng)時(shí)間帶載運(yùn)行后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)各項(xiàng)性能正常，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 耐輻照性能檢測(cè)

耐輻射照能檢測(cè)中主要是對(duì)電機(jī)的老化情況進(jìn)行測(cè)定，看試樣在預(yù)計(jì)正常的壽期內(nèi)及可能的事故條件下，由γ 和β 輻照引起的材料性能退化對(duì)功能的影響。測(cè)試過程中，輻射應(yīng)代表使用條件的環(huán)境的一部分，輻射的強(qiáng)度應(yīng)相當(dāng)于或大于在使用中的預(yù)期輻射[4]。在長(zhǎng)時(shí)間輻射后，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)各項(xiàng)性能正常，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 產(chǎn)業(yè)化分析

4.1 整機(jī)制造工藝開發(fā)

該項(xiàng)目通過對(duì)外合作和自主研究，完成了環(huán)境條件下的高可靠性絕緣結(jié)構(gòu)的研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)整機(jī)通過了基準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證，加速熱老化、振動(dòng)老化、高溫環(huán)境、γ和β 輻照老化等試驗(yàn)鑒定。研發(fā)的核級(jí)電機(jī)能夠滿足核三代技術(shù)要求的60 年壽命、高可靠性、耐高溫及抗震加速度要求。經(jīng)驗(yàn)證，整機(jī)制造工藝開發(fā)成熟，具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)條件。

4.2 生產(chǎn)規(guī)范

本項(xiàng)目在河南省重大專項(xiàng)資金的支持下，歷時(shí)3 年協(xié)同攻關(guān)，攻克設(shè)計(jì)、制造等技術(shù)難關(guān)，在核二代核級(jí)電動(dòng)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)核三代核級(jí)電動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析和對(duì)比，重點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)壽命絕緣體系、耐輻射、耐高溫、高效率等關(guān)鍵技術(shù)研究并實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，保證三代核電站的長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行；通過對(duì)工藝、工裝、生產(chǎn)設(shè)備及試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)，形成年產(chǎn)2500 臺(tái)的生產(chǎn)能力。生產(chǎn)具有規(guī)范性、安全性，符合國(guó)家有關(guān)要求[5]。

4.3 智能監(jiān)控管理

基于時(shí)代的快速發(fā)展，智能技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，在核三代核級(jí)電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)中，不僅結(jié)合了多方經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也借助了現(xiàn)代化智能設(shè)備進(jìn)行了監(jiān)控、管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)參數(shù)的持續(xù)監(jiān)控，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，大為提升了安全生產(chǎn)效率。在核級(jí)電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，借助該設(shè)備可以大為保障順利性，從而推動(dòng)我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)論

本次項(xiàng)目研發(fā)重點(diǎn)進(jìn)行了核電機(jī)的長(zhǎng)壽命絕緣體系、耐輻射、耐高溫、高效率等關(guān)鍵技術(shù)研究，最終實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。該項(xiàng)目的成功，是電驅(qū)技術(shù)在核電設(shè)備項(xiàng)目上的又一次實(shí)質(zhì)性突破，對(duì)我國(guó)核電設(shè)備生產(chǎn)向高端、智能化制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了助力，希望能夠促進(jìn)我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展。