日立发电电动机的技术动向

水利水电技术 名仓 理 ! 日立发电电动机的技术动向 第 !" 卷 "##$ 年第 % 期
日立发电电动机的技术动向
名仓 理
（株式会社 日立制作所）
【 摘
要】 自 +3+- 年日立公司创立以来， 日立的水轮发电机技术依靠其先进独立的技术开发， 不断地
满足了不同时代的需求! 日立发电电动机技术， 也同样伴随着水泵水轮机的开发， 在各项性能方面屡创 （葛野川电站， 纪录 ! 日立公司最近制造并交货了当今世界最大容量的发电电动机 +333 年） ! 而在可变 速抽水发电系统的开发中， 结合电子学技术， 创造出迄今世界上最大容量的可变速抽水发电系统 （大河 内电站， （+） 设计制造业绩与近期技术 +331 年） ! 本文从以下三个方面对日立发电电动机技术作一介绍： 高性能化解析技术； （1 ） 高速大容量化技术! 动向； （, ） 空气冷却机； 电磁场解析； 推力轴承； 技术动向； 日立公司 【 关键词】 发电电动机；
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高性能化解析技术
磁特性解析 三维有限元法磁特性解析技术已被应用于发电电
动机的设计之中 ! 磁回路铁心中存在着磁饱和现象这 一非线性特性， 一旦出现饱和现象， 磁力线就会在三维 方向上泄漏， 因此就需要三维解析 ! 发电电动机的磁 回路在定子和转子的相对位置上时时刻刻发生着变 化， 因此， 为了进行高精度的解析， 就需要着眼于时间 通过同时解析材料所拥 性的变化而实施解析 ! 这样， 有的非线性特性与旋转机器特有的时间变化，使精度 更高的磁特性设计成为可能，进而依靠模拟定子线圈 负荷电流的解析，使考虑运行中电枢反作用在内的磁 特性解析成为可能! 传统的方法是从静态上解析发电 电动机的磁特性 ! 近来通过考虑三维饱和特性、 旋转 引起的时间变化及负荷电流，使极其逼近实际运行条 件的解析成为可能 ! 其结果， 相对于传统的设计而言， 发电机的 使磁通密度提高 "#$ 以上的设计成为现实， 体积小型化也得以实现! 图 " 为磁场解析示意!
中图分类号： 4#012 文献标识码： 5 文章编号： +---%-.6-7,--+8-6%--61%-1
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设计制造业绩与近期技术动向
高速大容量化趋势 抽水蓄能电站具有可以调节电力供给与需求的特
・ 2-- & ’()*+ 级的发电电动机被制造出来，其制造难易 度 超 过 +/- --- "#$%&・ 由于高速大容 ’() *+! 近 年 来 ， 量化的需求，以及借助于计算机手段的解析技术的飞 跃进步， /-- "#$%/-- &・ ’()*+ 级的发电电动机被制造 出来，达到了空冷立轴凸极型同步机的理论极限， 参 见图 +!
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图!
迈向高速大容量化的技术开发
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设计技术 发电电动机的设计需要针对电磁性能、 冷却能力、
需要 机械强度等诸多要素进行研究 ! 关于电磁性能， 考虑磁回路的铁心饱和现象这一非线性特性 ! 要素的解析变得容易进行 ! 近年 来， 由于计算机解析技术的飞跃进步， 使得考虑非线性 依赖于这样的解析技术， 实现了高磁通密度化发电电动机体积的缩小! 在冷却特性、 温升及机械强度的研究方面， 也应用 了有限元解析， 进而实现了经济性设计!
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技术动向 抽水蓄能发电设备单机容量的大型化虽然关系着
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经济性的提高，而另一方面在运用上也产生了制约 ! 特别是抽水工况运行时， 如果发生系统解列， 单机容量 越大则解列时的负荷变化也就越大，有可能给电网造 成巨大的波动 ! 从发电电动机的制造难易度已经接近 极限区域这一观点考虑，今后进一步大容量化的需要 似乎是不多的 ! 因解析技术的进步， 使发电电动机设 计精度更高成为可能，当前正在谋求高磁通密度化与 高电流密度化 ! 另一方面， 用于制造发电电动机的主 要材料的性能与解析技术的发展相比，其改进的速度 相对缓慢 ! 因此， 构成高速大容量发电电动机的材料 及部件所承担的角色比起传统发电电动机就变得更加 重要了 ! 所谓角色重要， 是指其在长期运行中与可靠 性和寿命有着密切的关系，可见今后应该把重点放在 高速大容量发电电动机的长期可靠性上!
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大容量化技术 在设计发电电动机时，转子直径承受着相对于离
在增加发电电动机的 心力的机械强度的制约 # 因此， 容量时， 需要延伸轴的长度 # 近来轴长达 $ """ %% 的 发电电动机已被制造出来# 图 & 示出转子吊装情况# 另一方面， 将水轮机、 风车、 蒸汽轮机及燃气轮机 用作发电电动机的原动机 # 与其他原动机相比， 水轮 机易于启动和停机，具有易于负荷变化这一特征 # 因 此， 要求水电站能够追踪急剧负荷变化， 而抽水蓄能电 站可适应特有的频繁启停运行# 尽管发电电动机的容量已达 &"" ’() 级， 拥有与
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结
语
随着经济的发展和电力需求的增加，电网的经济 性日益受到重视 # 抽水蓄能电站是对电网的经济性作 出巨大贡献的设备，其重要性必会日益显现出来 # 另 一方面，近期已经制造出来 ." 世纪 >" 年代在理论上 被 称 为 制 造 极 限 的 .&" """ ’()?6・ %*+ @! 级 发 电 电 动 机 # 在这样的形势下， 日立公司站在提高性能、 确保可 靠性、 易于检修的高度， 从用户的角度出发， 继续进行 着开发 # 本文介绍了用于抽水蓄能电站的发电电动机的技 术动向， 如果此文在认识抽水蓄能电站重要性、 实施新 的开发方面有可供参考之处， 将不胜荣幸#
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因启动和停机的缘故反复出现伸缩 # 在设计 ! """ 倍， 上需要正确地把握这些情况 # 转子应力解析如图 $ 所 示#
图$
转子应力解析 图% 转子吊入状况
此外， 对于抽水蓄能电站的发电电动机， 需要将轴 系 ! 次临界速度设置到水泵水轮机的飞逸 速 度 之 上 # 轴系临界速度不仅依存于轴本身的刚性，还依赖于轴 的支撑结构，即导轴承及支撑导轴承的支架刚性 # 因 而， 也就需要研究固定部分的结构# 近期建造的抽水蓄能电站，为了不破坏与自然环 境间的协调性和不破坏自然景观，电站的厂房往往会 布置在地下 # 地下电站厂房本身因周围地压的作用而 产生变形， 众所周知这样的变形随温度变化而变化， 每 年会周期性地发生变化 # 为了增加导轴承支撑结构的 刚性，发电电动机采取由电站厂房直接支撑的结构 # 厂房本身的变形量不超过数毫米，因此与达数十米的 与仅有 "#$ %% 左 厂房相比， 其值是微乎其微的# 但是， 右的轴承间隙比起来， 这是相当大的变形量， 故厂房的 变形也需要加以考虑 # 基于这样的理由， 从可以提高 刚性并且吸收较大变形的角度出发，导轴承支撑采用 板弹簧结构# 大型火电站及中小型核电站同等规模的容量 # 但是， 以及 !" %*+ 之内从完全 停 机 状 态 到 !"", 负 荷 运 行 ， 停机这样的运行条件是相当苛 ! - 之内 ./0 次的启动、 刻的 # 就机械强度而言， 随着材料的改进， 高强度材料 被不断地开发利用，但绝缘材料因仍然使用着云母这 样的天然矿物材料， 故性能的提高受到了限制 # 随着 发电电动机容量的增加，特别是使用了绝缘物的定子 线圈的工作条件变得更加苛刻，要确保与传统发电电 动机同等的可靠性则成为一大难题# 鉴于这种情况， 作为把定子线圈固定在定子铁心 （1*456 25*+78695- 3:;<=*9 ） 材质 槽内的方法， 采用了 123 的滑环结构#
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高速大容量化技术
高速化技术 在设计高速发电电动机时，随着转速的增加对振
动的敏感度也相应增加， 所以， 不仅需要研究转子的强 度也需要研究其振动! 特别是水轮发电机的转子是由 转子支架、 转子磁轭和磁极等诸多部件构成的， 需要考 虑因离心力的作用而发生在各部件之间变形及位移的 差异 ! 特别是对于旋转速度超过 ."4 5 6 7&) 的高速机 而言， 转子上的离心力甚至可以达到重力加速度的
图! 磁场解析
的作用下， 轴承应具有倾斜结构 ! 在倾斜型滑动轴承 特性的解析中，不仅仅单纯是润滑油的流动与压力的 变化，还需要作包括推力轴承倾斜现象在内的油膜解 析 ! 特别是在启动时， 随着速度变化， 停机时转动部与 呈平衡状态的固定部随油膜压力的变化而开始倾斜 ! 为了掌握这一倾斜现象， 不仅作了油膜压力解析， 还作 了油膜厚度过渡现象的解析， 见图 +!
水利水电技术 第 !" 卷
（收稿日期： .""!?"&?.!
责任编辑
林雁庆）
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点， 又与常规水电站一样， 能够跟踪负荷变化并且其性 能是最优的! 建设抽水蓄能电站既不需要大流量的河 川也不需要大落差的河流，只要能够确保上下游水库 的容量，就可以很容易地建设大型抽水蓄能电站 ! 因 此， 为了经济地运用电网， 抽水蓄能电站正在被广泛利 用， 在日本已有许多座抽水蓄能电站投入运行 ! 另一 方面， 适合于建设抽水蓄能电站的站址正在不断减少， 因而呈现出高落差化趋势! 从水泵水轮机的特点来看， 随着高落差化的推进，势必会出现高速化的趋势 ! 同 时， 为了降低抽水蓄能电站的建设费用， 又出现了通过 大容量化来减少机组台数这一倾向! 基于上述理由， 高 速大容量发电电动机正在不断地投入制造! 通常是把容量与转速的乘积值作为表示发电电动 机制造难易度的参数! 容量代表冷却性能难易度， 转速 则代表包括转子强度在内的机械结构方面的难易度， 单位为 "#$%& ・ ’() ! 以空冷立轴凸极型同步电动机为
例， 由于受到冷却特性及机械强度方面的限制， ,-世纪
.- 年 代 在 理 论 上 曾 流 传 ,/- --- "#$%&・ ’() 是 制 造 极限的说法! 在 ,- 世纪 0- 年代后半期， 具备了制造 1-- "#$% *+ ・ 2-- & ’() 级发电电动机的能力，其制造难易度超过 了 +-- --- "#$%& ・ ’()*+! 在 ,- 世纪 .- 年代， 2-- "#$%
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推力轴承油膜厚度分布
推力轴承的作用受到滑动面衬垫材料的限制 ! 采 用白合金材质并作可逆旋转的推力轴承，当今的业绩 是过渡时最大推力负荷为 ,-!. /0、 恒定时推力轴承面 压达 . 123 ， 该推力轴承目前仍在正常运行中!
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推力轴承特性解析 推力轴承是发电电动机的重要部件之一，在发电
电动机这样高负荷推力轴承中采用了倾斜 （%&’(&)* ） 型 滑动轴承 ! 对应于可逆旋转的水泵水轮机， 推力轴承 也需要适应可逆旋转 ! 就推力轴承而言， 需要在旋转 部与固定部之间稳定地形成润滑油膜， 特别是在启动、 停机那些旋转速度发生变化的过渡过程中，要求其具 有稳定地形成润滑油膜的特性! 在推力轴承的特性解 析中， 应用了流态解析技术， 可满足可逆旋转的推力轴 承无论在哪一个旋转方向上都能稳定地形成润滑油膜 的要求 ! 为了实现这种机能， 在运行过程中油膜压力