水轮发电机磁轭、磁极冲片的材料和制造工艺选择

水轮发电机磁轭、磁极冲片的材料和制造工艺选择


2024年5月7日发(作者:神舟14号)

东方电机))2013年第5期 l7 

水轮发电机磁轭、磁极冲片的材料和制造 

工艺选择 

张天德 

摘要本文分析了水轮发电机磁极、磁轭钢板材料的性能要求和相关标准,阐述了冲压技术 

和激光切割技术的特点,就合理选择水轮发电机磁轭和磁极冲片材料及制造工艺方案提出了 

建议。 

关键词水轮发电机磁轭磁极冲压激光切割 

1 引 言 

2.3高的磁通密度(磁感应强度) 

磁轭、磁极是发电机磁路的一部分,电机设计 

磁轭、磁极是水轮发电机的关键部件,火型水 

般要求磁路材料最大工作磁感应强度Bm不小 

轮发电机的磁轭和磁极常常采用钢板冲片叠装而 

于1.50T,这与冷轧无取向硅钢片的磁感应强度保 

成,其磁轭、磁极冲片的重量约占水轮发电机转子 

证值B50相当。 

总重量的5O~65%,合理的选择磁轭和磁极冲片 

材料和制造工艺,对于确保水轮发电机的安装质量 

3磁轭(极)材料的历史与现状 

和运行性能,以及有效控制水轮发电机制造成本 

具,均有十分重要的现实意义。 

3.1 向采用高强度等级钢板方向发展 

在1950年代以前,水电机组的磁轭和磁极一 

2水电机组对磁轭(极)钢板的性能要求 

般采用普通碳素俐钢板制造;1960年代以后,逐步 

采用普通低合金钢制造,如屈服强度≥345MPa的 

2.1高的机械强度 

16Mn(St.52)。到了1970~1980年代以后,随着大 

磁极、磁轭要承受巨大的离心力和电磁力(在 

型水电机组对磁轭强度要求的提高,低合金高强度 

最大飞逸转速时,磁极、磁轭的线速度可以高达130 

调质磁轭钢板得到大量使用。 

170m/s,磁极、磁轭在磁轭断面上产生的平均拉 

些大型水电机组的磁轭钢板的屈服强度已 

应力,应不大于材料屈服点的74%),所以现代水轮 

经用到650~750MPa,如此之高的屈服强度和比 

发电机选用的磁轭钢板屈服强度达300~ 

过去更厚的磁轭板(3~6mm),要通过调质(淬火+ 

750MPa,抗拉强度达400~1 000MPa。 

蛔火)处理才能达到其综合机械性能指标,而调质处 

2.2严格的尺寸精度 

理过程的温度筹造成磁轭钢板内部高的残余应力, 

磁轭(极)钢板应表面光滑、平整、厚度均匀,以 

势必导致磁轭铡板几何尺寸的不稳定(如钢板的翘 

保证能获得高的转子磁轭(极)叠压系数和小的波 

曲变形),磁轭铡板几何尺寸的变化又会对磁轭的制 

浪度。叠压系数是衡量铁芯实际紧密程度的尺度 

造精度产生不利影响。 

(一般要求不小于0.98),叠压系数高铁芯紧密程度 

3.2磁导率是磁轭(极)钢板的重要特性 

就高,允许通过的磁通密度就愈多。 

磁极磁轭材料磁感应强度高,磁路上的损耗就 

来稿时间:20I3—03 

l8 《东方电. ̄2013年第5期 

少,可以用比较小的励磁功率获得比较高的磁通密 

材生产工艺也高度保密的原因之一。 

度,现代水轮发电机设计过程中,已经把磁轭(极)钢 

3.3关于磁轭、磁极钢板标准讨论 

板看成具有特定机械性能和特定磁导性能的功能 3.3.1 欧洲的磁轭磁极钢板标准 

性材料。 欧洲制定了BS EN10265:1996标准(Magnetic 

由于铁素体组织具有高的磁通密度,通过降低 

materials・・--Speciifcation for steel sheet and strip with 

C.Mn系列钢中C的含量来获得铁素体组织,加入 

speciifcation mechanical properties and magnetic 

Mn元素来强化铁素体,随Mn含量不同而形成不 permeability),从分类上把磁极磁轭板材视为有机 

同的强度级别,再加入微量元素V、Ti、Nb、及Al形 械性能和磁性要求的磁性材料。对可用作磁极磁 

成析出相,这是世界各大钢铁公司均不对外公布大 

轭材料性能规定见表1。 

型水轮发电机磁轭(极)板的化学成分、磁轭(极)板 

表1 热轧板材的机械和磁导性能 

牌磁通密度(T) 

号 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(%) 

B5O B15O 

250-TG 180 250 350 22 1.6O 1.80 

300-TG 180 300 400 2O 1.60 1.8O 

350一TG 179 350 450 l8 1.55 1.79 

400-TG 179 400 500 l6 1.55 1.79 

450-TG 179 450 550 l4 1.54 1.79 

500.TG 179 500 600 l2 1.53 1.78 

550一TG 178 550 650 l2 1.52 1.78 

600・TG l78 600 700 lO 1.50 1.78 

650-TG 178 650 750 1O 1.48 1.78 

700-TG 178 700 800 10 1.56 I.78 

表2冷轧板材的机械和磁导性能 

牌号 屈服强度(磁通密度(T) 

MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(%) 

B5O Bl5O 

250.TF l83 250 325 l6 1.60 1.83 

300.TF 182 300 375 l5 1.55 l-82 

350.TG 181 350 425 l3 1.52 1.8l 

400-TG 180 400 450 l0 1.50 1.8O 

表3 屈服强度在300—400MPa之间的热轧钢板的同板差 

板材厚度e(mm) 

板材宽度L(arm) 

1.5<e≤2 2<e≤2.5 2.5<e≤3 3<e≤4 4<e≤5 

L≤600 ±0.18 ±0.19 ±O.19 ±O.19 ±0.20 

600<e≤1200 ±O.23 ±0.25 ±0.26 ±O.29 ±0.34 

东方电机))2013年第5期 l9 

表4屈服强度在400MPa以上的热轧钢板的同板差 

板材厚度e【mm) 

板材宽度L(mm) 

I.5<e≤2 2<e≤2.5 2.5<e≤3 3<e≤4 4<e≤5 

L≤600 ±0.18 ±0.19 ±0.19 ±0.19 ±0.2O 

600<e≤1200 ±0.23 ±0.25 ±0.26 ±0.29 ±0.34 

表5 冷轧钢板的同板差(适用于所有强度等级) 

板材厚度e(mm) 

板材宽度L(mm) 

1.2<e≤1.5 1.5<e≤2 2<e≤2.5 2.5<e≤3 

L≤600 ±0.07 ±O.O8 ±O.08 ±0.10 

600<e≤1200 ±0.14 ±O.16 ±O.18 ±O.2O 

表6 JIS C.2555.1992标准规定的冷轧磁轭、磁极钢板的性能 

延伸率(%) 

牌号 屈服强度 抗拉强度 磁通密度T 

(冷轧) (MP

a) (MPa】 

板材厚度(mm) 

1.6≤t<2.0 2.0≤t<2.5 2.5≤t B50 B100 

250 250 350 22 23 24 1.6O 1.69 

300 300 400 2O 2l 22 1.55 1.68 

350 350 450 16 l7 l8 1.52 1.66 

400 400 500 l3 14 l5 1.50 1.66 

450 450 550 l1 l2 13 1.48 1.65 

500 500 600 9 10 l1 1.46 1.64 

注:冷轧磁轭(极)钢板强度等级只做到500MPa 

表7 JIS C.2555.1992标准规定的热轧磁轭、磁极钢板的性能 

牌号 屈服强度 抗拉强度 板材

延伸率【%) 

磁通密度T 

(冷轧) (MPa) (MP

a) 

厚度(arm) 

1.6≤t<2.0 2.0≤t<2.5 2.5≤t B50 B100 

350 350 450 l9 2O 20 1.55 1.66 

400 400 500 l7 l8 l9 1.55 1.66 

450 450 550 l5 16 17 1.54 1.65 

500 500 600 l3 l4 l5 1.53 1.64 

550 550 650 l2 l3 l4 1.52 1.63 

600 600 700 l1 12 13 1.5O 1.62 

650 650 750 ¨ l2 l3 1.48 1.60 

700 700 800 l1 l2 l3 1.46 1.6O 

注: 依靠调质【淬火+回火)处理,热轧的磁轭(极)板强度等级可以做到700 MPa甚至750 MPa 

20 

在中国一一些大型水轮发电机上,采用过日本生 

产的一些磁极、磁轭钢板,如日本NKK公司生产 

的NKHA590、NKHA690等。 

3.3.2 中国的磁轭(极)钢板标准 

近年来,中国的磁轭和磁极钢板供应r一商制定 

了各自的企业标准和供货技术条件,但相 之问不 

尽相同。武钢制定的磁轭(极)钢板供货技术条件, 

其机械性能和磁导性能指标与欧洲H本标准大体 

相当,磁导性能验收方法也参照JIS标准规定;中 

国的宝钢制定的磁极磁轭钢板的企业标准表明,其 

横向厚度差不大于5%公称厚度、厚度公差为±5% 

公称厚度,以及磁感应强度测试采川GB/T13789 

和GB/T3655标准。 

中国尚无现行国家和行业层面的磁轭(极)钢 

板标准。鉴于中国近十年来水电机组供货总量占 

世界2/3左右,是t}l=界使用水电机组磁轭(极)钢板 

的数量最大的国家。为便于水轮发电机磁轭(极) 

设计、订货、验收等工程技术环节的实施,制定统一一 

的中国国家或行业层面的磁轭(极)钢板标准已经 

势在必行。 

2.3.4分析欧洲及日本的磁轭(极)钢板标准 

结合中国水电机组设计制造工程实践,有以下 

几点值得注意: 

(1)冷轧钢板的屈服强度等级欧洲标准只做到 

400MPa,日本标准上限为500MPa。 

(2)欧洲和日本的热轧(调质)钢板标准都涵盖 

屈服强度700MPa等级,我国也具备700MPa以下 

强度等级磁轭钢板的供货能力,武钢已经在为乌东 

德、白鹤滩研制750MPa的磁轭钢板。 

(3)不箭是对冷轧板还是热轧板, 板差随厚 

度增大而增加。 

(4)对同样厚度的板材而言,冷轧钢板的同板 

差要显著小于热轧钢板(如对于厚度在1.5~2mm 

范围的钢板,冷轧同板差为±0.08~0.16ram,而 

热轧板为±0.22~0.29mm)。 

(5)对于不同强度等级的热轧板,强度高的热 

轧板的同板差要显著大于强度低的热轧板 板差 

(如对于厚度在2.5~3mm范围的热轧钢板,艋服 

强度400MPa以上钢板的同板差为±0.24~ 

0.32mm;而屈服强度在300MPa以下钢板的川板 

差只有±0.17~0.2lmm)。 

《东方电机))2013年第5期 

(6)冷轧钢板同板差与钢板厚度有关,而与冷 

轧钢板的强度等级关系不大。 

(7)不同强度级别、不同厚度的冷轧、热轧磁极 

和磁轭钢板的磁通密度都能够达到电机设计不小 

于1.50T的一般要求,与冷轧无取向硅钢片保证值 

B50相当。 

4磁极、磁轭冲片材料的选择 

4.1磁极冲片的选择 

强度计算表明,水电机组磁极冲片平均应力一 

般都不高,即便在鸽尾处应力最高部位,应力也不 

过75~160MPa。所以屈服强度级别在235~ 

490MPa之间的A3D、C3D、16MnD等1.5mm厚冷 

轧钢板的机械性能已经满足要求。大型水电机组 

要关注磁极钢板的磁导率,选用1.5厚的国产 

DJL300、DJL350、DJL400 和 B350TF18l、 

B400TF 1 80、B450TF 1 79等牌号冷轧钢板作为磁极 

冲片材料,已经满足绝大多数项目需要。 

4.2磁轭冲片材料选择 

大型水轮发电机组磁轭平均拉应力一般在150 

500MPa之问,磁轭冲片的径向宽度是根据磁轭 

承受的机械应力和发电机惯性时间常数(GD2)要 

求确定的,增加了径向宽度可以降低磁轭拉应力,但 

当磁轭宽度超过800mm时,磁极离心力在磁轭总 

应力所占比例已经不大,而磁轭径向宽度的加宽导 

致的重量增加也增大了离心力,所以设计工作者宁 

愿选择采用高强度磁轭钢板而不是加宽磁轭宽度 

的方式来处理磁轭的许用应力问题,这就是高强度 

磁轭钢板用得比较多的原因。 

由于冷轧方式制造的磁轭钢板其屈服强度只 

能达到500MPa以下,而大型水轮发电机组常常要 

采用删服强度达500~750MPa的磁轭钢板制造 

磁轭冲片,磁轭钢板供应厂商就通过调质处理来提 

高普通低合金钢板的强度,对调质处理后的钢板进 

行机械校平后向发电机制造厂家供货。属于这类 

调质状态供货的有WDER550、WDER650、 

WDER70 0、B 45 0 TG l 79、B 5 0 0 TG l 7 9、 

B550TGl78、NKHA690、A593.A70、M5937一A90 

等牌号钢板。 

由1:在最大过速情况下,磁轭冲片可能相互滑 

东方电机 2013年第5期 

移,所以强度计算就把磁轭片问摩擦力视为安全余 

量,主要考虑磁轭拉紧螺杆承受磁轭冲片滑移所导 

2l 

0.15ram,冲压断面粗糙度一般为6.3~l2.5 1,由 

于磁轭(极)冲片用一副模具冲出,冲片钢板是在被 

模具“压平”状态下冲制出来的,冲片被冲制时的状 

态与冲片被叠压时的状态是一致的,其冲片一致性 

好;激光切割时,中心孔定位误差可达±0.20mm,其 

孔对外缘轮廓的公差可达±0.25ram,切口粗糙度可 

达:12.5~25pm,但磁轭钢板是在没有被压平的自 

由状态下被切割成磁轭,带着一定翘曲变形的磁轭 

致的剪力。强度计算公式表明,最大剪应力与单张 

磁轭冲片的重量(也是厚度)成正比,所以就磁轭拉 

紧螺杆的受力条件而言,选择厚度小的磁轭钢板较 

为有利。 

对于用冲压方式制造的磁轭冲片,为了其冲裁 

力不超过模具和冲压设备能力,也倾向于采用厚度 

较小的磁轭钢板(一般在1.5~3mm之间选择)。 

为了增加激光切割时间、减少吊装钢板的辅助 

作业时间,激光切割磁轭冲片其钢板厚度一般选4 

5mm,激光切割5mm厚以上钢板时,其割缝宽 

度在钢板厚度方向差别导致切割尺寸精度降低。 

高强度的磁轭钢板多以调质状态供货,由于在 

其内部存在比较高的残余应力,在运输、保管、制造 

过程中总会发生一些翘曲变形,而且这种翘曲变形 

随着板厚的增加、钢板的刚性增加而增大,对于激 

光切割方式制造的磁轭冲片,这种在自由状态下呈 

现明显翘曲的钢板激光切割后形成的磁轭冲片,会 

明显影响转子磁轭的装压精度。 

5冲压和激光切割两种制造技术冲片的优 

缺点比较 

5.1 转子铁心冲片制造技术的选择 

1980年代,激光切割机问世以前,世界水电机 

组定转子磁轭、磁极冲片一般采用模具冲压加工制 

造而成。近20年多年来,随着激光切割技术的普 

及,大型水电机组的磁轭、磁极冲片用激光切割工 

艺制造已经比较常见,有时甚至在一个电站项目上, 

些机组采用模具冲压冲片,另一些机组采用激光 

切割冲片。 

冲压技术和激光切割技术作为在水轮发电机 

组制造行业中应用的两种完全不同的实用工程技 

术,各有其固有的优缺点,而采取何种工艺对于制造 

具有特定技术特征磁轭、磁极冲片是合理的,就需 

要对两种工艺方法的技术适用性和经济合理性进 

行分析。 

5.2制造精度和一致性要求 

用模具冲压出来磁轭冲片,其中心孔公差一般 

可达±0.05mm,其孔对外缘轮廓的公差可达± 

冲片到被装压成磁轭时被压平,其拉紧螺栓孔之间 

的公差和孔对外缘轮廓线的公差会发生一些变化。 

所以就制造精度和冲片一致性而言,模具冲压 

出来冲片更易于满足磁轭(极)装压的尺寸要求,激 

光切割磁轭受激光头的定位误差和钢板翘曲变形 

误差的双重影响,本身偏差就比较大,还受重复定 

位精度的制约,片与片之间有一定的偏差,制造精 

度上常常难以达到设计值。在电站现场装压激光 

切割的磁轭冲片时,最常碰到的问题就是磁轭拉紧 

螺杆难以穿过叠压后的磁轭。 

5.3经济合理性判断 

通常情况下磁极冲片尺寸比较小,模具的成本 

不高,而磁极冲片数量一般都在数千片以上,分摊 

到单片磁极冲压的成本就不高。所以从技术和成 

本分析,用冲压模具冲压方式制造磁极冲片都是合 

理的,叠片磁极对降低磁极表面的齿脉振损耗也有 

利。 

由于磁轭冲片尺寸较大,制作一套磁轭冲压模 

具的成本往往是比较高的(可能超过50万元,如果 

采取分段冲制磁轭,可降低模具成本,并减小对冲 

压设备吨位要求),在磁轭钢板厚度在1.5~3mm 

之间的情况下,而每张磁轭冲片的冲压成本仅在 

l5~30元之间;在磁轭钢板厚度为4~5mm情 

况下,采用激光切割磁轭冲片,每张磁轭冲片的切 

割成本约在150~300元之问。 

逻辑上分析,单个项目激光切割磁轭冲片数在 

3000片以下时,可以考虑采用激光切割磁轭冲片; 

单个项目激光切割磁轭片数在3000~4000片之 

间时,就应当比较采用激光切割或冲模冲压制造磁 

轭冲片何种加 【方案经济上更合理;当冲压制造的 

磁轭冲片在5000片以上(激光切割在4000片以上 

时),每张冲片分担的模具费用就可以接受(100元/ 

张以下),采用模具冲压制造磁轭冲片就顺理成章。 

22 东方电机))2013年第5期 

5.4对转子磁轭装压的影响 

求,由过去转子设计半径公差为定转子之间气隙的 

±5%,逐步发展到为转子设计半径公差±lmm(甚 

至更小)。水轮发电机磁轭螺孔直径一般只比螺杆 

直径大0.30ram以下,螺杆预紧后除了压紧磁轭成 

工地装压转子磁轭时,当冲压磁轭冲片叠装后 

穿入拉紧螺杆有困难时,可以用拉刀修整拉紧螺杆 

TL;对于激光切割的磁轭冲片,当屈服强度大于 

500MPa的高强度调质钢激光切割后,其切割面存 

在0.O8~0.10mm厚的淬硬层,磁轭叠压时出现拉 

为整体以外,螺杆自身还要承受磁轭片滑移加在螺 

杆上的剪力;磁轭销孔直径一般比销子直径大 

紧螺杆穿不进的情况,拉刀拉不动,只好采用磨小 

磁轭拉紧螺杆直径的方式来解决,这种处理方式会 

对发电机磁轭和磁极的尺寸稳定性有负面影响。 

近年来,水电站建设行业对大型水轮发电机转 

子外径尺寸、磁轭圆度和转子圆度提出了更高的要 

0.10mm,销孔在磁轭叠装过程中起导向作用。在 

磁轭装压和发电机过速期问,磁轭上激光切割出的 

用于穿过拉紧螺杆孔的淬硬表面,易于划伤拉紧 

螺杆表面。 

表8冲压和激光切割的技术特性比较 

项目内容 冲压工艺 

中心孔误差:±0.05mm 

制造精度 

切口粗糙度:6.3~12.5urn 

对板材、卷材存在应力和变形的敏感性 

热影响区 

激光切割工艺 

中心孔误差:±O.20mm 

切口粗糙度:12.5~25um 

对冲片尺寸精度有明显影响 

O.O8~0.10mm 

其孔对外缘轮廓的公差为±0.15mm 其孔对外缘轮廓的公差为±0.25mm 

不敏感 

低碳钢孔壁淬硬不明显,可以拉刀扩 

叠片后拉紧螺杆孔可否拉刀扩孔 可以 孔;对屈服强度≥500MPa时的调质钢板 

孔壁淬硬明显,不能拉刀扩孔 

冲片尺寸的一致性 

加工厚度 

加工效率 

对板材变形的敏感性 

局 一 

≤5 

高 

不敏感 

低 

≤25 

低 

十分敏感 

冲片批量小时,模具分摊成本高;在 没有模具费用,但每片冲片的切割费用 

加工成本 机组台数多,冲片批量大,模具分摊成 高,大约是每片冲压加工费用的5~l0 

本低,每片平均制造成本低。 倍 

6小结 

(1)磁轭(极)钢板是既有机械性能要求、又有磁 

导性要求的水轮发电机专用钢板材料,在水轮发电 

利用冲压工艺制造磁极冲片,是一种高效合理的叠 

片磁极制造方案。 

(3)对于磁轭冲片数量在5000片以上的水轮 

发电机制造项目,选用1.5~3.0mm厚磁轭钢板、 

机设计阶段就需正确地地选择磁轭(极)钢板材料 

的强度、厚度、交货状态和冲片制造方式,这对于提 

高水电机组制造质量,有效降低制造成本具有重要 

意义。 

采用冲压模具冲制磁轭冲片,在经济技术上具有显 

而易见的合理性。 

(4)激光切割方式制造的磁轭,适宜于磁轭冲 

片在总量3000片以下的水轮发电机项目,考虑到 

激光切割的误差,以及拉紧螺栓孔淬硬后难以通过 

拉拔方式扩孔,磁轭冲片上拉紧螺栓孔径比拉紧螺 

(2)由于冷轧钢板表面光亮平整、同板差小,易 

于得到比较高的磁轭叠压系数,在强度要求不高的 

条件下应优先选用。如采用1.5mm冷轧磁极钢板、 

杆大0.35~0.4mm较为可行。 


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