电气工程学报, 2019, 14(2): 71-78 doi: 10.11985/2019.02.013

核电站循泵电机铁心设计及其通风分布研究

王伟光1,2, 付嵩1,2, 王泽宇1,2, 李洋1,2, 秦光宇3,4, 梁艳萍5

1. 黑龙江省核主泵工程技术研究中心 哈尔滨 150060

2. 哈尔滨电气动力装备有限公司 哈尔滨 150060

3. 国家水力发电设备工程技术研究中心 哈尔滨 150040

4. 哈尔滨大电机研究所 哈尔滨 150040

5. 哈尔滨理工大学 哈尔滨 150080

Study of Core Design and Ventilation Distribution of Circulating Pump Motor in Nuclear Power Plant

WANG Weiguang1,2, FU Song1,2, WANG Zeyu1,2, LI Yang1,2, QIN Guangyu3,4, LIANG Yanping5

1. Engineering Research Center of RCP Heilongjiang Province, Harbin 150060 China

2. Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150060 China

3. National Engineering Research Center Hydropower Equipment, Harbin 150040 China

4. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040 China

5. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080 China

收稿日期: 2019-03-23   网络出版日期: 2019-06-25

Received: 2019-03-23   Online: 2019-06-25

作者简介 About authors

王伟光,男,1981年生,高级工程师。主要从事核泵电机设计与核主泵轴承研究工作。E-mail：cn_xiaoguang@163.com。

付嵩,男,1987年生,工程师。主要从事核泵电机设计与核主泵轴承研究工作。

摘要

核电站海水循环水泵电机铁心负责为磁通的建立提供路径,铁心设计需要考虑磁通密度、热负荷、通风等因素,在确保各铁心不发生磁饱和的情况下,铁心设计温升应低于限定值。介绍了铁心磁路计算、通风计算和铁心研制,并对定子铁心开展了铁损试验,为核电站大型循泵电机铁心设计、制造及试验积累了经验。

关键词： 循泵电机 ; 铁心设计 ; 等效网络 ; 通风沟 ; 铁损试验

Abstract

The core of seawater circulating pump motor in the nuclear power plant is responsible for providing the path for the establishment magnetic flux, core design needs to consider magnetic density, heat load, ventilation and other factors. The core temperature rise is lower than the limit under the condition that the magnetic saturation of each core part does not occur. The magnetic circuit calculation, ventilation calculation and core development are introduced, and the iron loss test of stator core is carried out, It accumulates experience for nuclear power plant large cycle pump motor core design manufacture and test.

Keywords： Circulating pump motor ; core design ; equivalent network ; ventilation vent ; iron loss test

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本文引用格式

王伟光, 付嵩, 王泽宇, 李洋, 秦光宇, 梁艳萍. 核电站循泵电机铁心设计及其通风分布研究. 电气工程学报[J], 2019, 14(2): 71-78 doi:10.11985/2019.02.013

WANG Weiguang. Study of Core Design and Ventilation Distribution of Circulating Pump Motor in Nuclear Power Plant. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(2): 71-78 doi:10.11985/2019.02.013

1 引言

海水循环水泵为压水堆核电站的三回路关键设备,是核电站的用水来源。海水循环水泵从进水池抽取冷却水输送至冷凝器,用于冷却二回路[1]。某型三代核电循泵电机为立式笼型异步电机,循泵机组采用立式混流且叶片角度可调式泵,电机功率为7 700 kW,极数36极,电压10 kV,转速164 r/min[2]。循泵电机的支撑结构为悬式,每个反应堆配备两个循泵机组,上下机架为嵌入式结构,电机采用八风区、四侧换热的新型通风冷却结构,减少了冷却换热“死区”的范围[3]。

本文通过电磁计算获得循泵电机铁心部分磁通密度、热负荷等参数,进一步通过等效网络的方法进行通风计算,获得定子铁心径向通风沟和转子铁心径向通风沟的风速分布,并对定子铁心开展了铁损试验,对核电站海水循环水泵电机研制提供了一定支撑。

工程研制阶段,可选择的通风方案较多,一般采用三维物理场耦合计算,需要较多的计算资源,增加了研制周期[4]。等效网络是结合传热学和电路理论形成的等效风路处理方法,基于一定的通风试验数据,可以获得定转子铁心径向通风沟的风速分布[5]。

2 计算模型

2.1 通风结构

循泵电机采用双路径径向无风扇端部回风的通风结构,冷却空气由转子支架、磁轭、磁极旋转产生的风扇作用进入转子支架入口,流经磁轭风沟、磁极极间、气隙、定子径向风沟,冷却气体携带电机损耗热量,经定子铁心背部汇集到冷却器与冷却水热交换散去热量后,重新分上、下两路流经定子线圈端部进入转子支架,构成密闭的自循环通风系统[2]。循泵电机通风系统如图1所示。

图1

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图1   循泵电机通风结构示意图


循泵电机定转子铁心通风结构相关参数见表1。

表1   通风结构相关参数

序号项目设计值
1定子外径/mmϕ4050
2定子内径/mmϕ3650
3定子铁心长/mm1200
4定子通风沟数23
5定子通风沟宽/mm10
6定子槽数324
7定子槽宽/mm15.2
8定子槽深/mm96
9定子线规(绝缘后)/(mm×mm)3.55×9.00
4.25×9.70
10转子外径/mmϕ3641
11转子内径/mmϕ3180
12转子铁心长/mm1200
13转子通风沟数23
14转子通风沟宽/mm10
15转子槽数264
16转子槽宽/mm14.3
17转子槽深/mm76

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可以利用压力元件及转子入口、转子出口、定子入口、定子出口、冷却器等风阻元件,以及模拟转动的旋转元件来建立等效网络计算模型[6],较温度场与流场耦合计算方法具有较快的速度,且满足工程的精度[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。

循泵电机定子绕组铁心装配由定子线圈、定子扇形片、铁心拉杆、定子齿压板、定子机座和4个冷却器座构成,如图2所示。定子机座四周可与4个冷却器配合,四侧换热结构,减少了冷却换热“死区”的范围。

图2

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图2   循泵电机定子绕组铁心装配


2.2 电磁性能

通过感应电机二维瞬态场的数学模型,求解循泵电机动态性能,即启动过程和稳态运行两个工况。

感应电机二维瞬态场的数学模型为

$\left\{ \begin{align} & \frac{\partial }{\partial x}\left( v\frac{\partial A}{\partial x} \right)+\frac{\partial }{\partial y}\left( v\frac{\partial A}{\partial y} \right)=\sigma \frac{dA}{dt}-{{J}_{s}} \\ & A{{|}_{AB}}=A{{|}_{CD}} \\ & A{{|}_{AC}}=A{{|}_{BD}}=0 \\ \end{align} \right.$

式中,$v$为磁阻率;$\sigma $为电导率。边界条件如图3所示。

图3

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图3   电磁计算模型


对空载启动工况进行分析,启动过程开始1 ms时,铁心磁通如图4所示;稳态时,铁心磁通如图5所示。

图4

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图4   循泵电机空载启动时铁心磁通图


图5

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图5   循泵电机空载稳态时铁心磁通图


循泵电机外部负载随转速变化,如图6所示。循泵电机将负载曲线加载进行仿真,负载工况下启动曲线如图7、图8所示,启动过程较平稳。

图6

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图6   循泵电机负载转矩曲线


图7

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图7   循泵电机负载启动转速曲线


图8

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图8   循泵电机负载启动转矩曲线


由图7、图8可知,电机启动时间约为1 s,启动过程的通风阶段较短,本文仅研究稳态下通风状态。

电磁分析表明,铁心磁路的磁通密度及热负荷见表2。磁通密度水平较低,气隙磁通密度仅为0.71 T,有利于抑制谐波;热负荷仅为1 747.6 A2/(cm·mm2),有利于通风冷却降低铁心温升。

表2   循泵电机铁心磁路参数

序号项目计算值
1定子齿磁通密度/T1.43
2定子轭磁通密度/T0.83
3转子齿磁通密度/T1.31
4转子轭磁通密度/T0.56
5气隙磁通密度/T0.71
6定子电流磁通密度/(A/mm2)3.31
7线负荷/(A/cm)528.3
8热负荷/(0.1×A2/mm3)1 747.6
9总磁位降/A6 655.68
10硅钢片牌号DW315-50

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2.3 通风等效网络

循泵电机通风路径示意图如图9所示。根据循泵电机的结构确定了计算网络,将各通风沟沿圆周同一位置的风路考虑成一个元件,其中包括转子阻力及压力元件,以及定子、冷却器等的阻力元件等,计算元件参数。将23段通风沟分别考虑,再沿轴向建立成机组的通风等效网络。定子铁心背部由于存在较多立筋,考虑了立筋对应出风面积及进入冷却器的路径。

图9

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图9   循泵电机通风路


3 通风及温升计算

冷却器风阻压降公式为：10.274×风速2.15×排数/6,根据风速和水管排数计算冷却器风阻压降和阻力系数。

3.1 通风风量计算

循泵电机计算网络风量如图10所示,风速分布如图11所示。

图10

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图10   循泵电机通风网络风量计算结果


图11

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图11   循泵电机通风网络风速计算结果


循泵电机总风量为11.69 m3/s。经过定子线圈端部的冷风,有利于定子线圈端部的冷却。经通风与电磁计算,额定运行时循泵电机主要损耗参数见表3。

表3   循泵电机的相关损耗数据

序号项目计算值
1定子铜耗/kW81.91
2转子铜耗/kW80.96
3铁耗/kW70.47
4杂散损耗/kW38.5
5通风损耗/kW47.5

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3.2 通风沟风速分布

定子铁心径向通风沟的风速分布如图12所示,23个通风沟风速分配比较均匀,左右两侧的通风沟风速稍低。

图12

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图12   定子铁心径向通风沟风速分布图


转子铁心径向通风沟的风速分布如图13所示,23个通风沟风速分配比较均匀,转子铁心中间部分风速较低。

图13

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图13   转子铁心径向通风沟风速分布图


由图12、13可知,转子从两侧进风,转子铁心中间段风量较低,因此转子铁心径向通风沟风速分布为两端高、中间低;由于转子径向通风槽板具有一定压头,因此出风口风速高于进风口风速。而定子铁心进风基本均由转子铁心径向通过气隙进入定子径向通风沟,由于定子两侧存在一定泄漏量,所以定子铁心径向通风沟风速分布为中间高、两端低;定子通风槽板仅存在通风损耗,因此进风口风速高于出风口风速。

3.3 温升计算

结合表3损耗值,采用流体一维网路进行温升计算,热网路求解考虑了电机轴向、径向的热量传递。定子温升计算网路如图14所示,转子温升计算网路如图15所示。

图14

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图14   定子温升计算网路图


图15

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图15   转子温升计算网路图


冷风温度按40 ℃考虑,风量11.69 m3/s。通过计算得出定子绕组平均温升为74.5 K,定子铁心齿部平均温升为57.3 K,定子铁心轭部平均温升为48.9 K。转子铜条平均温升为49.5 K,转子铁心齿部平均温升为27.3 K,转子铁心轭部平均温升为14.7 K,满足温升限值80 K的要求。

4 样机制造及铁损试验

4.1 样机铁心制造

转子冲片为扇形片,整圆一共分为12片,冲片最大宽度为942.57 mm,采用1/2叠片。转子铁心采用拉杆压紧后,装入转子铜条后,采用工装冲头对转子铁心槽口下方的铜条进行胀铜条工艺确保稳定,如图16所示。

图16

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图16   样机转子铁心装配实物图


定子冲片为扇形片,整圆一共分为18片,冲片最大宽度为694.6 mm,采用1/2叠片,冲片接缝数与极对数和接缝数的最大公约数比值为偶数,可以避免产生轴电流,较高的叠压系数确保铁心压紧[21],如图17所示。

图17

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图17   样机定子铁心装配实物图


4.2 样机铁损试验

循泵电机铁心制造完成,开展半成品阶段的铁损试验。电机额定工况下转差率仅为1.02%,转子中的铁损可以忽略不计,因此仅对定子铁心开展铁损试验。

参考图18[22]开展定子铁心铁损试验,共计90 min,循泵电机铁损试验如图19所示,定子铁损测试数据见表4。

图18

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图18   定子铁心铁损试验接线图[20]


图19

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图19   样机定子铁心铁损现场试验


表4   样机铁心损耗测试数据结果

时间低温度/
℃		高温度/
℃		平均温度/
℃		环境温度/
℃		铁损/
(W/kg)
14:1530.232.331.729.21.228
14:3031.332.631.729.51.244
14:4532.634.133.129.51.260
15:0033.935.234.429.51.260
15:1535.137.435.929.71.323
15:3036.538.937.729.81.323
15:4537.139.738.429.81.354

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根据技术要求,定子铁损试验中,试验前后最高温度差为7.4 ℃,小于25 ℃;试验结束时高低点温度差为2.6 ℃,小于15 ℃;试验铁损值为1.354 W/kg,小于1.56 W/kg,铁损试验合格,满足技术要求。

通过Fluke热成像仪观察定子铁心无局部过热,说明冲片间绝缘有效,定子铁心叠装质量较好,如图20所示。

图20

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图20   某台产品定子铁损试验红外测试温度场图


相比制造厂半成品铁损试验,运行现场较难进行大型电机的铁损试验;现场可以采用EL-CID试验方案,EL-CID试验使用4%额定励磁电压的环形线圈对铁心励磁并产生环路磁场,通过铁心表面的Chattock感应探头来检测因故障电流产生的磁场[23]。

当驱动电源为变频器时,谐波将增加铁损,所以当工作频率处于50~100 Hz变频电源时,应根据试验修正电磁计算中的杂散损耗,适当增加杂散损耗数值[24]。

5 结论

本文以某型三代核电站36极7 700 kW循泵电机铁心为例,通过二维瞬态场对循泵电机铁心的电磁性能进行分析,并进一步通过等效网络完成了通风温升计算,经样机制造和铁损试验总结了规律,得出以下结论。

(1) 循泵电机负载启动过程约为1 s,稳态气隙磁通密度为0.71 T,利于抑制谐波;热负荷仅为1 747.6 A2/cm·mm2,铁心温升最大处定子绕组温升为74.5 K,小于限值80 K。

(2) 通过等效网络通风计算,铁心径向通风沟风速分布均匀;转子铁心径向通风沟风速两端高、中间低,定子铁心径向通风沟风速两端低、中间高。

(3) 经过定子铁心铁损试验,试验前后温差、试验结束时高低点温差和试验铁损值均小于给定限值,铁损试验合格,满足技术要求。

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