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1前言
关口电站用的是东风电机厂较早时期生产的高转速大容量卧式水轮发电机机组。随着近年来类似机组订购合同的增多，以及设计制造经验的日益丰富，东风电机厂已掌握并完善了同类机组的设计与制造技术。该类机组设计及制造的特点主要表现在：
(1)实心磁极的结构设计及制造方法；
(2)实心磁极电磁计算方法的特殊性；
(3)负荷较大轴承轴瓦温度的控制；
(4)高转速机组振动和噪音的抑制等。
2发电机的基本数据
型号 SFW5000－6／1730
额定功率／kW 5000
额定电压／V 6300
额定电流／A 572.8
额定功率因数 0.8(滞后)
额定频率／Hz 50
额定转速／r·min－11000
飞逸转速／r·min－11790
3设计特点
3.1电磁设计
在电磁计算时，针对该机组的特殊性，经过多方案比较，得出了一个较佳的电磁方案。在电磁方案选择时，着重考虑了以下几方面。
(1)由于飞逸转速较高，转子须采用实心磁极结构。实心磁极本身具有较强的阻尼作用，因此不再增设阻尼绕组，从而简化了转子结构，增强了承受较高机械应力的能力。
(2)定子每极每相槽数q采用“整数＋1／2”。由于无常规阻尼结构，可有效地降低一次齿谐波，亦可避免因采用整数槽后可能出现的较大电压波形畸变，从而保证发电机的发电质量。
(3)转子采用实心磁极结构后，对磁极表面损耗和一些时间参数的计算应作相应的修正。
(4)为降低极靴表面损耗，定子槽宽bs与气隙δ之比宜小于1.5。气隙δ宜取偏大值，以降低电磁振动和噪音，使机组的整体性能较好。这样即便短路比大些，多用一些铜材也是有益的。
(5)采用较低的极身磁密和散热较好的分离式极靴块。分离式极靴块与极身之间，在磁极外表面沿轴向形成一定尺寸的沟槽，以增大等效气隙和散热表面，可有效地防止极靴表面局部过热。
(6)该发电机采用轴向鼓风作用强、效率高、工艺简便的平板旋桨式风扇，形成以轴向通风为主的径、轴向双路径通风系统。采取密闭自循环空气冷却器冷却方式。
3.2结构设计
发电机采用卧轴两支点结构型式。该结构是近年发展起来的一种较好的结构型式，由于水轮机转轮直接与发电机主轴相联，其结构紧凑，占地少，安装调试方便，能很好地满足地下厂房对机组占地的限制。但是，由于机组飞逸转速为1790r／min，一般要求临界转速不小于1.2倍的飞逸转速。采用两支点后，轴系受力发生了很大变化：一是少了一个支点，二是轴的外伸端增加了载荷，临界转速大为降低。通过调整支点间的距离及轴颈直径，满足了机组对临界转速的要求。
为满足机组在飞逸工况下的安全可靠性，转动部件的应力须严格控制。由于该机组飞逸工况时的离心力系数高达36倍，常规的磁极结构很难满足要求，而有些设计资料上介绍的梳齿结构其相关零部件的应力值亦很高，须采用具有较高抗拉强度的合金钢，且结构不理想，不能直接套用。为解决这一问题，提出了一种更为合理的梳齿式实心磁极结构，不仅降低了相关零部件的应力，对材质的要求不高，且加工量亦有所下降。具体的结构见图2。
该实心磁极由轴、磁轭、极身整锻而成，固定励磁绕组的极靴则作成分离式极靴块，分段嵌入极身相应的槽中，形成梳齿状，并通过钢销将其紧固于极身上，这样可最大限度地减轻分离件的质量，
降低分离件的离心力，从而控制相关部件在飞逸工况下所承受的应力。同时，危险断面的应力得到了合理分配，与传统的几种实心磁极相比，结构更趋合理。下面是相关部件飞逸工况下危险断面的应力值(单位：MPa)：
钢销剪应力 61
极靴块弯曲应力 220
端部剪应力 65
端部弯曲应力 268
由于发电机容量较大，使用于较高水头和较大流量的配套水轮机，使得发电机轴承需要承受较大的水推力和径向力，这样，轴承负荷系数K＝(PV3)1／2很大，达265，其发热量及所需冷却循环油量较大。在径向推力轴承设计时，首次采用了与内外循环并列的复合循环结构，而该结构与传统的复合循环亦有很大区别。
4工艺措施
根据该机组结构特点及零件精度，设计并制造了24副工装模具(注：仅指产品零件金属切削加工和电加工过程用工装，不包括焊接、冲压、铸锻等专业工艺模具)来保证推力瓦、定子线圈、转子等上的重要零件的加工。
4.1精铣夹具控制推力瓦厚度
设计图纸要求每块推力瓦厚度差控制在0.04mm以内，工艺上采用了瓦坯整圆加工并浇铸合金，于精车之后铣切成块，然后在铣床上由铣夹具同时固定10块推力瓦块精铣10块瓦合金面，以保证各推力瓦厚度差在图纸要求范围内。
4.2人工辅助拉形制作定子线圈
定子线圈轴向长度超过1600mm，跨距超过560mm，已超出拉形机最大拉形跨距。在具体操作中，采用了人工辅助拉形并最终复形至图纸要求。
4.3转子主要零件加工难点
由于机组容量大、转速高，使得转子采用了磁极极身与转轴锻为一体、极靴块与极身由销钉固定的梳齿结构。该结构强度大，能承受较高的工作应力，但其零件加工精度、转子装配精度高，相应加工周期长,机组制造成本亦高。加工难点主要体现在转轴轴身处6个磁极的刨削、极靴块组合车削18×ø30mm深销孔钻削、大小推力转环热套于轴后的磨削、磁极线圈在轴上模拟飞速运行离心力下的绝缘耐压试验以及转子在厂内总装配后的超速试验。
4.3.1粗、精刨转轴极身及精车极靴槽
转轴极身轴向长约1200mm，仅加工极身就需要刨3t铁屑下来，故在机床上加工周期较长。由于切削量大，为避免精加工后的残余应力超标，采取了在龙门刨床上粗刨→人工时效→半精车→人工时效再精刨极身及精车极靴圆弧槽的工序间除应力方式加工6个磁极。
4.3.2极靴块组合车削
每个磁极有极靴16块，嵌合在转轴极身圆弧槽并由销钉固定，6个磁极共96块。为保证所有极靴块的装配紧度和极靴块外圆一致,增加机组运行可靠性并减少因制造所致电压畸变,采取了由车夹具一次性装夹48件，与转轴上相应圆弧配车的方式加工各极靴块。
4.3.3极靴块和极身同钻销孔
每个磁极3个销孔，6个磁极共18个，孔轴向净深超过1000mm。考虑到主轴卧放于镗床上加工18个销孔找正麻烦和需添加细长镗杆的挠度将致使孔中心线偏斜过大,且孔的椭圆度不易保证。在实际生产时，首先用钻夹具将一个磁极的一组极靴块全部固定在轴身磁极上，然后吊主轴立放于摇臂钻床处地坑内找垂直，并用压板压紧轴端法兰，用粗、精钻分多次钻削各孔达到图纸要求。钻孔过程中采用了专门的装置，有效地解决了深孔加工的刀具冷却和除铁屑难题。通过对各组孔的复查，孔的椭圆度、直线度及进出孔处的位置度均达到了设计值，有利于线圈试验时工艺销钉的装拆及转子装配时产品销钉的可靠打紧。
4.3.4磁极线圈的制作和匝间耐压试验
基于高转速机组，为了将磁极线圈净重互差控制在2kg以内，采取落片式扁绕模绕制线圈。绕制时铜排由夹板装置适当压紧，并用重锤测力器控制铜排内张力，边绕边敲击铜排使其紧贴模芯，可靠地控制了线圈的高度和内框尺寸，有效地保证了线圈的总量在许差内。
因磁极极身与转轴锻为一体，磁极线圈匝间耐压试验不能按照常规机组在油压机上直接模拟机组运行时的离心力施压，而是将磁极线圈对应套在极身上，在穿入试验用销钉后，由压紧工具压紧，作匝间绝缘耐压试验。
4.3.5转子装配及动平衡和过速试验
为进一步减少磁极线圈因装配引起圆周质量分布不均，线圈在装配前应严格配重后套在转轴极身上，用极靴块穿入产品销钉固定，极靴块与磁极线圈间压力由专门的测量工具测量，并通过适当增减绝缘垫圈来调整压力。转子装配完后，上动平衡机作试验，合乎要求再吊于超速机上按1.8倍额定转速作试验，并经过严格检查，合格后，重新拧紧所有装配螺钉。
5结语
SFW5000－6／1730是东风电机厂生产的首台转子磁极为梳齿结构机组，无论是设计、工艺，还是生产难度，均是该厂已生产的各类水轮发电机组之首，在行业中也是较少见的。因此，该厂从开始投产起就在人力、物力、技术及生产等方面作了充分的安排，使电站一次性运行成功。该机组的成功运行，为提升该厂实力奠定了坚实的基础。
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