屏蔽電機結構設計的優化和現代化

張 祺

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

核能動力設備的核反應堆循環冷卻劑主泵電機機組的性能和質量，直接影響到核電設備的運行安全可靠性。當它用于可移動的海洋核動力裝置(如遠洋科學考察船艦等)上時，對運行安全可靠性的要求就更加嚴格了。最近幾年，我國在這種產品的更新換代和結構設計等方面，又自行開發和應用了多項重大科研成果，實現了結構設計的優化和現代化，使產品的性能和質量都達到了世界先進水平。

1 消除焊縫應力

用于可移動的核動力裝置核反應堆的循環冷卻劑主泵電機機組，通常采用定、轉子帶有屏蔽套的高轉速鼠籠式異步電動機，稱為屏蔽電機，這屬于特種電機類別。由于電機轉子端部護環與轉軸之間采用了異種金屬焊接，這種結構工藝的缺點就是容易導致其焊縫在運行過程中出現穿透性裂紋，從而使核反應堆的冷卻劑進入轉子的屏蔽套內并使其變形，進而導致屏蔽套與定子接觸并被擦破、冷卻劑泄漏的事故。

在攻克這項關鍵課題過程中，曾進行了焊縫模擬焊接研究，并采用了以下幾種計算分析系統:(1)瞬間熱態分析、熱態結構耦合分析功能;(2)單元死-活功能;(3)面對面接觸分析功能;(4)結構和材料的非線性求解;(5)APDL 參數化語言程序等。

在分析研究過程中還采用了以下關鍵技術:(1)焊縫關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)焊縫過程的模擬等。

從理論上對此類焊縫的殘余應力進行比較準確的計算，是一項難度很大的世界性課題，其中包括轉子端部護環與轉軸之間“熱套”配合的非線性接觸問題、接觸應力對焊縫的影響等。這項關鍵科研課題的最終解決，也使我國在這方面達到了世界先進水平。

2 實心轉子結構

近年來，用戶不斷地提出更新換代和實現現代化的要求，即采用實心轉子和“主泵-電機”一體化。其中包括:將主泵轉輪與電機轉子直接連接而無須設置中間軸承;轉子帶有疊片式鐵心和細長的轉軸，兩者之間采用“鍵-槽”連接為一整體，受力比較復雜。還要求將疊片式轉子鐵心改為實心結構，并與轉軸融為一體，采用同一種材料。具有這種被稱為“實心轉子結構”的屏蔽電機，其突出優點是:(1)剛度較大，可靠性較高，適宜于高速運行;(2)起動轉矩較大，而起動電流卻很小，起動特性較好。然而，對這種實心結構轉子的材料的要求卻很特殊，而且相當嚴格，成為一項難度很大的關鍵課題。在電磁性能方面，要求它的導磁性能不低于電機專用的電工硅鋼片鐵心;在機械性能方面，要求它具有較大的剛度，能夠承受高轉速運行的考驗，具有穩定的力學性能;在化學性能方面，要求它具有較高的抗腐蝕性能，不易生銹;在運行性能方面，要求它具有較高的運行可靠性和較長的運行壽命;在制造工藝性能方面，要求它具有良好的可焊性。此外，還要同時滿足核反應堆系統對電機性能的所有其它要求(如承受核輻射的能力等)。

在攻克這項關鍵課題過程中，開發、應用了一種特殊的不銹鋼高導磁材料，以及與其相匹配的實心轉子結構的電機相似模型，并在高溫、高壓、高速、重載等嚴酷條件下進行了高可靠性、長壽命的考驗。此外，還通過熱處理模擬技術實驗研究，確定了這種特殊材料的冶煉工藝和熱處理工藝。通過化學成分、力學性能、物理性能、應力腐蝕和晶間腐蝕等方面的深入研究，對這種特殊材料進行了全面的綜合評定，確認其已達到設計要求，完全能夠適用于核動力裝置的循環冷卻劑主電泵和輔助電泵機組，并為這類特種電機機組的機電一體化和現代化創造了有利條件。

3 定子結構改造

3.1 換位方案選擇

電機采用屏蔽式結構時，定子繞組絕緣的耐熱等級可提升為F 級，電壓升到6kV。曾經根據電磁場理論并采用渦流方程，對定子槽內由于電流“集膚”效應而引起的導體阻抗變化進行了分析計算。還根據屏蔽電機定子繞組元件的特點和阻抗變化規律，對于不同截面高度的定子“線棒”是否采用換位也進行了計算分析，優選出了合理的換位方案。當定子槽內導體高度小于8mm 時，電阻增大系數接近于1 就無需換位;導體高度大于8mm 時，電阻增大系數迅速增加，就應采用換位。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，應力不高。如果電機的定子鐵心采用開口槽，槽楔剛度會小于鐵心剛度，位于槽楔部位的屏蔽套變形就會增大，局部應力增高。經過研究分析，決定采用有限元(平面應變單元)法對定子槽的支撐強度進行計算。計算模型包括屏蔽套、槽楔和鐵心。計算結果表明，采用常規的環氧玻璃絲布層壓板時，屏蔽套的應力超過了美國ASME 標準。經過改進，在結構上增設了不銹鋼墊條后，即可達到要求。

4 新型絕緣系統

4.1 填充粉末絕緣

現代屏蔽電機普遍采用變頻調速。此時，電機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，會使繞組匝間發生電暈放電、導致絕緣擊穿。傳統的絕緣材料已經不能滿足變頻調速交流電機的特殊要求，即使在耐熱性能和耐輻射性能兩方面都被公認為是最優的聚酰亞胺或聚酰胺-酰亞胺絕緣材料，也會很快地被破壞。工頻擊穿電壓達到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。

近年來的多種探索性試驗研究證明，采用無機化合物(通常為金屬氧化物的細微粉末)對絕緣材料進行填充、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到5 ～100 倍。這種經過填充粉末、改性的新型絕緣，發揮了三種作用:(1)使電場強度的分布均勻化;(2)可以作為準固體發揮屏蔽作用;(3)提高熱穩定性和導熱性能。

根據電磁場理論，相對介電常數較高的微粒，在不均勻的電場中會受電動力的作用而向電場強度較高的部位遷移，從而使電場強度的分布均勻化。在絕緣材料的間隙中填充無機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合介質材料，其介電常數約為7.6，比空氣的大很多。所以它能改善匝間電場分布特性，降低最大電場強度，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。試驗證明，定子繞組匝間浸漬后留有氣隙時，該氣隙中的電場強度比沒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。

為了確保絕緣系統的整體性、兼顧性，必須經過浸漬工藝。含有溶劑的漆通常含有50%的溶劑，在烘焙過程中溶劑大量揮發，剩余的填充量約有45%，并形成氣隙，在運行中就會引起局部放電，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部，對漆包線有很強的腐蝕作用。而無溶劑樹脂在烘焙固化過程中，揮發量少，不宜形成氣隙，減少了局部放電現象。通過多種樹脂的對比試驗，決定選用不飽和聚酰亞胺H 級無溶劑樹脂。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、熱穩定性、浸透性、可真空浸漬性、固化速度、固化溫度、粘著強度、耐腐蝕、耐溶劑、耐輻照、機電性能、儲存期等方面，它都具有較優越的性能。

為了向這種耐輻射的特種電動機提供成套的H 級無溶劑整體浸漬聚酰亞胺絕緣體系，采用國產的“非硅”型H 級絕緣材料取代了以前的有機硅體系，機械性能提高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℃，烘焙時間縮短一倍，大幅度節省了能源。采用快速熱老化評定法進行的試驗結果表明，其耐溫指數高達107℃，耐熱壽命高達27 年以上。因為用于核能反應堆，還要求絕緣具有一定的耐輻照性能，從而對絕緣提出更高要求。經過研究和篩選，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、導熱性能、耐輻照性能等方面都具有較高的指數。曾對10 大類、43 種該H 級絕緣材料進行數百次輻照(累積劑量為2 ×105Gy)試驗，取得了大量數據。重點解決了在輻照的累積劑量和變頻調速時的沖擊電壓及高次諧波的同時作用下，對繞組絕緣的影響。

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 級無溶劑高壓真空整體浸漬工藝以及對定子整體旋轉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、定子絕緣系統的連續性、相容性和魯棒性等。

5 結語

半個多世紀以來，在保密的氛圍中，我國屏蔽電機工業的發展，不斷更新換代。在產品性能的改進和結構的優化以及運行可靠性的提高等方面，已經達到世界先進水平，完全滿足了用戶需求。