[摘 要] 本文首先分析了核电半速汽轮发电机的转子磁路设计原理及特点，然后给出了转子槽分度比取推荐取值范围。最后以自主化1720MVA核电半速汽轮发电机为研究对象，建立了其二维场有限元模型，对其空载和负载磁场以及励磁电流进行了精确数值计算，为后续转子的结构设计提供了理论基础。
[关键词] 半速汽轮发电机；转子槽分度比；励磁电流；数值计算
1 引言
一般，核电站汽轮发电机按汽轮机转速的选择可分成二极机和四极机，即如采用转速为3000rpm或3600rpm的透平汽轮机，发电机为二极（全速），这就与常规火电站用汽轮发电机完全一样，如汽轮机转速采用1500rpm或1800rpm，则发电机为四极（半速）。至20世纪90年代末，世界范围内1000MW级核电汽轮发电机大多采用半速，但也有少数几台采用全速机组，我国有6台全速机组在运行[1-2]。
我国自21世纪初期开始进行核电半速汽轮发电机产品制造技术的引进，受各种因素的限制，产品设计技术未能最终引进，这就需要我们对其进行更深入的研究。理论上讲，全速和半速汽轮发电机没有本质区别，但极数、转速、转子横截面比例（磁通通路）、转子磁路设计以及机械特性等还是存在差异的。通常，半
速汽轮发电机转子常采用小槽分度比、不对称槽偏置的设计来改善磁场饱和以及畸变的问题。文献[3]研究了转子槽分度数的不同对全速汽轮发电机气隙磁场波形的影响。文献[4]研究了转子不同的槽偏置结构对半速汽轮发电机磁场分布的影响。文献[5]研究了转子槽分度数、转子槽型对半速汽轮发电机励磁电流和磁场谐波的影响。但鲜有文献将全速与半速汽轮发电机转子磁路设计特点从设计原理上进行阐述。
本文首先分析了半速汽轮发电机的转子磁路设计特点，给出了其转子槽分度比推荐的取值范围（不对称槽偏置以及大、小槽设计结构不在此进行讨论）。然后以自主化1720MVA核电半速汽轮发电机为对象，建立了其二维场有限元模型，利用该有限元模型对其空载和负载磁场以及励磁电流进行了精确计算，为后续转子的结构设计提供了理论基础。
2 转子磁路设计
半速汽轮发电机转子为四极结构，其转子磁路与全速汽轮发电机转子磁路结构对比如图1所示。
图1 转子磁路结构
众所周知，任何圆筒电机，其电枢产生的功率可表达为[6]：
（1）
式中： 为材料利用系数； 为电枢电负荷； 为气隙磁密基波幅值； 为电枢内径（可等效为转子本体外径）； 为电枢有效长度（可等效为转子本体长度）； 为转子旋转速度。
每极气隙计算面积 为：
（2）
式中： 为转子槽数； 为转子槽分度数； 为定子铁芯内径； 为定子铁芯长度； 为单边气隙长度； 为发电机极对数。
由式（1）可知：在保持发电机相同的电枢电负荷和材料利用系数，相同的电枢有效长度和气隙磁密的理想条件下，由于半速汽轮发电机转速降低为全速汽轮发电机的1/2，要保证发电机出力相同，则四极机转子外径需增大为二极机的 倍，转子本体重量将增加为原来的2倍。
由式（2）可知：若保证全速和半速汽轮发电机有相同的定子铁芯总长度，相同的转子槽数和槽分度数（ 相同），则半速汽轮发电机的每极气隙面积将减小为全速汽轮发电机的1/ ，相应的其大齿极面的宽度减小为全速汽轮发电机的1/ ，空载每极磁通也将减小为原来的1/ 。实际上，由于端电压和每相串联匝数（仅指并联支路数为2，若并联支路数为4，则主要尺寸无法相同）变化不大，为维持每极磁通基本保持不变，此时需将转子直径增大为全速机的2倍，才能保证半速汽轮发电机转子大齿极面磁密与全速汽轮发电机相同。而受各种因素的制约，转子直径增大两倍是不可能也是不经济的。简言之，因半速汽轮发电机极数的增加，每极供磁通流过的面积减小了，大齿极面成为磁通拥挤地段，在相同气隙磁密的情况下，半速汽轮发电机的转子磁路饱和因素比机械强度更早地成为设计限制因素。
通常可增加大齿极面的面积，降低其磁路饱和程度，而增加大齿极面面积最有效的方法是降低转子槽分度比，一般取 =0.5-0.6甚或更低，最终需结合转子通风与机械强度等统筹考虑。因较低的转子槽分度比带来的电势波形畸变率，电话谐波因数的问题，则需要对转子齿区几何尺寸（是否有大、小槽，是否采用槽偏置等）、气隙以及绕组数据进行优化分析，使其控制在允许的范围内。
3 励磁电流数值计算
本文所研究的自主化核电半速汽轮发电机的基本参数如表1所示，转子40槽，无槽偏置结构。