屏蔽电机结构设计的优化和现代化

张 祺

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

核能动力设备的核反应堆循环冷却剂主泵电机机组的性能和质量，直接影响到核电设备的运行安全可靠性。当它用于可移动的海洋核动力装置(如远洋科学考察船舰等)上时，对运行安全可靠性的要求就更加严格了。最近几年，我国在这种产品的更新换代和结构设计等方面，又自行开发和应用了多项重大科研成果，实现了结构设计的优化和现代化，使产品的性能和质量都达到了世界先进水平。

1 消除焊缝应力

用于可移动的核动力装置核反应堆的循环冷却剂主泵电机机组，通常采用定、转子带有屏蔽套的高转速鼠笼式异步电动机，称为屏蔽电机，这属于特种电机类别。由于电机转子端部护环与转轴之间采用了异种金属焊接，这种结构工艺的缺点就是容易导致其焊缝在运行过程中出现穿透性裂纹，从而使核反应堆的冷却剂进入转子的屏蔽套内并使其变形，进而导致屏蔽套与定子接触并被擦破、冷却剂泄漏的事故。

在攻克这项关键课题过程中，曾进行了焊缝模拟焊接研究，并采用了以下几种计算分析系统:(1)瞬间热态分析、热态结构耦合分析功能;(2)单元死-活功能;(3)面对面接触分析功能;(4)结构和材料的非线性求解;(5)APDL 参数化语言程序等。

在分析研究过程中还采用了以下关键技术:(1)焊缝关键部件有限元模型的建立;(2)焊缝部位单元的模拟和排序;(3)边界条件的建立;(4)焊缝过程的模拟等。

从理论上对此类焊缝的残余应力进行比较准确的计算，是一项难度很大的世界性课题，其中包括转子端部护环与转轴之间“热套”配合的非线性接触问题、接触应力对焊缝的影响等。这项关键科研课题的最终解决，也使我国在这方面达到了世界先进水平。

2 实心转子结构

近年来，用户不断地提出更新换代和实现现代化的要求，即采用实心转子和“主泵-电机”一体化。其中包括:将主泵转轮与电机转子直接连接而无须设置中间轴承;转子带有叠片式铁心和细长的转轴，两者之间采用“键-槽”连接为一整体，受力比较复杂。还要求将叠片式转子铁心改为实心结构，并与转轴融为一体，采用同一种材料。具有这种被称为“实心转子结构”的屏蔽电机，其突出优点是:(1)刚度较大，可靠性较高，适宜于高速运行;(2)起动转矩较大，而起动电流却很小，起动特性较好。然而，对这种实心结构转子的材料的要求却很特殊，而且相当严格，成为一项难度很大的关键课题。在电磁性能方面，要求它的导磁性能不低于电机专用的电工硅钢片铁心;在机械性能方面，要求它具有较大的刚度，能够承受高转速运行的考验，具有稳定的力学性能;在化学性能方面，要求它具有较高的抗腐蚀性能，不易生锈;在运行性能方面，要求它具有较高的运行可靠性和较长的运行寿命;在制造工艺性能方面，要求它具有良好的可焊性。此外，还要同时满足核反应堆系统对电机性能的所有其它要求(如承受核辐射的能力等)。

在攻克这项关键课题过程中，开发、应用了一种特殊的不锈钢高导磁材料，以及与其相匹配的实心转子结构的电机相似模型，并在高温、高压、高速、重载等严酷条件下进行了高可靠性、长寿命的考验。此外，还通过热处理模拟技术实验研究，确定了这种特殊材料的冶炼工艺和热处理工艺。通过化学成分、力学性能、物理性能、应力腐蚀和晶间腐蚀等方面的深入研究，对这种特殊材料进行了全面的综合评定，确认其已达到设计要求，完全能够适用于核动力装置的循环冷却剂主电泵和辅助电泵机组，并为这类特种电机机组的机电一体化和现代化创造了有利条件。

3 定子结构改造

3.1 换位方案选择

电机采用屏蔽式结构时，定子绕组绝缘的耐热等级可提升为F 级，电压升到6kV。曾经根据电磁场理论并采用涡流方程，对定子槽内由于电流“集肤”效应而引起的导体阻抗变化进行了分析计算。还根据屏蔽电机定子绕组元件的特点和阻抗变化规律，对于不同截面高度的定子“线棒”是否采用换位也进行了计算分析，优选出了合理的换位方案。当定子槽内导体高度小于8mm 时，电阻增大系数接近于1 就无需换位;导体高度大于8mm 时，电阻增大系数迅速增加，就应采用换位。最好采用空换位段为120mm 的空换位方案。这样可使“线棒”损耗和温升以及各股线之间的温差都大为减小，

3.2 槽形槽楔改造

由于定子采用了半闭口槽，槽口很窄，在冷却剂压力作用下屏蔽套受力均匀，应力不高。如果电机的定子铁心采用开口槽，槽楔刚度会小于铁心刚度，位于槽楔部位的屏蔽套变形就会增大，局部应力增高。经过研究分析，决定采用有限元(平面应变单元)法对定子槽的支撑强度进行计算。计算模型包括屏蔽套、槽楔和铁心。计算结果表明，采用常规的环氧玻璃丝布层压板时，屏蔽套的应力超过了美国ASME 标准。经过改进，在结构上增设了不锈钢垫条后，即可达到要求。

4 新型绝缘系统

4.1 填充粉末绝缘

现代屏蔽电机普遍采用变频调速。此时，电机的输入电压不再是具有额定频率的正弦波。电压中除了基波电压外，还有许多谐波分量和“旁频”分量，使绝缘承受冲击电压作用。由于脉冲电压的作用，会使绕组匝间发生电晕放电、导致绝缘击穿。传统的绝缘材料已经不能满足变频调速交流电机的特殊要求，即使在耐热性能和耐辐射性能两方面都被公认为是最优的聚酰亚胺或聚酰胺-酰亚胺绝缘材料，也会很快地被破坏。工频击穿电压达到1 000kV 的绝缘材料，却在1kV 的高频脉冲电压下使其寿命减少到1h 以下。

近年来的多种探索性试验研究证明，采用无机化合物(通常为金属氧化物的细微粉末)对绝缘材料进行填充、改性，可以大幅度提高承受高频脉冲电压的能力，并使电晕老化寿命延长到5 ～100 倍。这种经过填充粉末、改性的新型绝缘，发挥了三种作用:(1)使电场强度的分布均匀化;(2)可以作为准固体发挥屏蔽作用;(3)提高热稳定性和导热性能。

根据电磁场理论，相对介电常数较高的微粒，在不均匀的电场中会受电动力的作用而向电场强度较高的部位迁移，从而使电场强度的分布均匀化。在绝缘材料的间隙中填充无机粉末而形成的粉末绝缘层，是一种由固体粉末与空气组成的两相复合介质材料，其介电常数约为7.6，比空气的大很多。所以它能改善匝间电场分布特性，降低最大电场强度，减缓了电晕破坏速度。

4.2 真空整体浸渍

防止电晕破坏的另一项措施是定子采用高压真空整体浸渍新工艺，但是必须是完全浸透，不得留有任何气隙，否则适得其反。试验证明，定子绕组匝间浸渍后留有气隙时，该气隙中的电场强度比没有浸渍的反而要高出37%～42%，更具有危害性。而且，承受脉冲电晕的寿命也大为缩短。

为了确保绝缘系统的整体性、兼顾性，必须经过浸渍工艺。含有溶剂的漆通常含有50%的溶剂，在烘焙过程中溶剂大量挥发，剩余的填充量约有45%，并形成气隙，在运行中就会引起局部放电，并使绕组电气性能降低。此外，残留溶剂还滞留在绕组表面及其内部，对漆包线有很强的腐蚀作用。而无溶剂树脂在烘焙固化过程中，挥发量少，不宜形成气隙，减少了局部放电现象。通过多种树脂的对比试验，决定选用不饱和聚酰亚胺H 级无溶剂树脂。它是热固性的、单组分的，其活性单体为改性苯乙烯。在耐高温、热稳定性、浸透性、可真空浸渍性、固化速度、固化温度、粘着强度、耐腐蚀、耐溶剂、耐辐照、机电性能、储存期等方面，它都具有较优越的性能。

为了向这种耐辐射的特种电动机提供成套的H 级无溶剂整体浸渍聚酰亚胺绝缘体系，采用国产的“非硅”型H 级绝缘材料取代了以前的有机硅体系，机械性能提高2 倍以上，电气性能提高1.3 倍，浸渍烘焙温度由200℃降低到160℃，烘焙时间缩短一倍，大幅度节省了能源。采用快速热老化评定法进行的试验结果表明，其耐温指数高达107℃，耐热寿命高达27 年以上。因为用于核能反应堆，还要求绝缘具有一定的耐辐照性能，从而对绝缘提出更高要求。经过研究和筛选，最后采用了耐电晕的单玻璃丝包的特殊漆包圆铜线，它是3 层复合漆包线再外加1 层单玻璃丝。它在耐电晕性能、击穿电压值、耐热指标、导热性能、耐辐照性能等方面都具有较高的指数。曾对10 大类、43 种该H 级绝缘材料进行数百次辐照(累积剂量为2 ×105Gy)试验，取得了大量数据。重点解决了在辐照的累积剂量和变频调速时的冲击电压及高次谐波的同时作用下，对绕组绝缘的影响。

此外，还在定子铁心硅钢片绝缘处理工艺、定子绕组线圈的绕制、嵌线工艺、定子的H 级无溶剂高压真空整体浸渍工艺以及对定子整体旋转烘焙工艺等方面取得了许多重大科研成果，能够确保定子端部的可靠固定、定子绝缘系统的连续性、相容性和鲁棒性等。

5 结语

半个多世纪以来，在保密的氛围中，我国屏蔽电机工业的发展，不断更新换代。在产品性能的改进和结构的优化以及运行可靠性的提高等方面，已经达到世界先进水平，完全满足了用户需求。