Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к роторам крупных электрических машин, например турбогенераторов. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины содержит массивный сердечник 1 с полыми продольными пазами в большом зубе 3 и продольные пазы 5 с катушечной обмоткой 6, разделенные малыми зубцами 4. Обмотка закреплена в пазах через подклиновую изоляцию с помощью пазовых клиньев, а ее лобовые части - через покровную подбандажную изоляцию с помощью бандажных колец 11. В торцовой части бандажного кольца 11, соприкасающейся с торцовой частью пазовых клиньев и зубцов, концентрично цилиндрической поверхности бандажного кольца размещен тангенциальный канал 12. С одной стороны он соединен с пространством под бандажным кольцом между лобовыми частями катушек продольным каналом 13, выполненным в покровной подбандажной изоляции, с другой стороны - с пространством вне ротора радиально-тангенциальным каналом 15 в клиньях полых пазов, расположенных в концевых частях большого зуба бочки. Также тангенциальный канал 12 может быть размещен в зоне посадки бандажного кольца 11 на бочку ротора, а продольный канал 14 - в малых зубцах бочки ротора. В верхних и нижних частях пазовых клиньев, установленных в срединной и концевых частях сердечника ротора, выполнены поперечные прорези, а в клиньях полых пазов - наклонные вентиляционные каналы. Технический результат заключается в повышении надежности ротора синхронной неявнополюсной электрической машины за счет повышения эффективности охлаждения его составных частей. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

Реферат

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к роторам крупных электрических машин, например, к турбогенераторам.

Известен ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, у которой для снижения нагрева сердечника поверхностными токами, протекающими при несимметричных режимах ее эксплуатации, в верхней части пазов укладывается демпферная обмотка [1]. Демпферную обмотку не всегда удается удачно скомпоновать с другими составными частями ротора. Кроме того, она усложняет и удорожает электрическую машину.

Наиболее близким аналогом-прототипом изобретения является известная конструкция ротора синхронной неявнополюсной электрической машины [2], в которой снижение перегрева поверхности сердечника в торцовых зонах ротора достигается за счет улучшения охлаждения. Однако использование этого изобретения приводит, главным образом, к снижению перегрева концевых пазовых клиньев с продольными каналами, которые по условиям механической прочности клина, выполняются с небольшим поперечным сечением, что ограничивает расход охлаждающего газа.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является обеспечение повышения надежности ротора синхронной неявнополюсной электрической машины за счет повышения эффективности охлаждения его составных частей.

На Фиг.1 изображен ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник (1) с полыми продольными пазами (2) в большом зубе (3), разделенные малыми зубцами (4) продольные пазы (5) с катушечной обмоткой (6), закрепленной в этих пазах, через подклиновую изоляцию (7) с помощью пазовых клиньев (8), с охлаждающей газом лобовой частью обмотки (9), закрепленной в радиальном направлении через покровную подбандажную изоляцию (10) с помощью массивных бандажных колец (11), посаженных на сердечник, (υ - обозначен статический прогиб в срединной части ротора; стрелками здесь, а также на Фиг.2-4 показано направление движения охлаждающего газа).

На Фиг.2 приведен поперечный разрез (А-А) ротора в зоне посадки бандажного кольца на сердечник, с тангенциальным каналом (12), выполненным концентрично цилиндрической поверхности бандажного кольца, соединенный с одной стороны с продольными входными каналами (13) в подпазовой изоляции и каналами (14) в концевых частях малых зубцов, а с другой стороны - с радиально-тангенциальными каналами (15), выполненными в клиньях вентиляционных пазов.

На Фиг.3 (узел I) изображен продольный разрез ротора в зоне расположения бандажного кольца и выполнением тангенциального канала (12) в торцевой части бандажного кольца или канала (16) в месте посадки бандажного кольца на бочку ротора и продольного входного канала (13).

На Фиг.4 приведен продольный разрез ротора с вариантом посадки бандажного кольца на сердечник с осевым зазором (17) между торцами бандажного кольца и малых зубцов сердечника и продольным входным каналом (18) в подбандажной изоляции.

На Фиг.5 приведен поперечный разрез (Б-Б) ротора в его срединной и концевых частях.

На Фиг.6 изображен узел II с продольным разрезом по пазу и катушкам в срединной части ротора с вариантом выполнения пазовых клиньев с прорезями (19). (Принятые обозначения: прогиб пазового клина - (fкл); длина пазового клина - L).

На Фиг.7 и 8 изображен вариант пазового клина с прорезями, выполненными в шахматном порядке.

На Фиг.9 и 10 приведены поперечные разрезы клиньев продольных пазов сердечника в варианте их исполнения с наклонными каналами (20) соответственно в наиболее и наименее нагретых зонах ротора. (Стрелкой указано направление вращения ротора).

Известно, что при эксплуатации синхронных неявнополюсных электрических машин, особенно при работе с несимметричной нагрузкой, в поверхностном слое массивного сердечника ротора, его зубцов и пазовых клиньев протекают большие токи высокой частоты. Эти токи замыкаются по контуру: вдоль продольной оси двумя параллельными путями (малые зубцы - пазовые клинья и большой зуб - пазовые клинья), а в торцовых частях сердечника также двумя параллельными путями (боковые поверхности малого зубца - пазовый клин - соседний малый зубец - пазовый клин - большой зуб ротора) и вторым параллельным путем (посадочная поверхность малых зубцов и пазовых клиньев - посадочная поверхность бандажного кольца - посадочная поверхность большого зуба и т.д.).

Для предотвращения опасности недопустимых местных перегревов поверхностного слоя бандажных колец, сердечника, пазовых клиньев и зубцов необходима гарантия их плотного контакта при различных режимах эксплуатации электрической машины. С этой целью пазовые клинья с натягом устанавливаются в пазы ротора, а бандажные кольца - на сердечник. Однако в ряде режимов эксплуатации, например, при недостаточности охлаждения бандажных колец, эти натяги могут ослабевать. Вместо натяга образуются зазор, что увеличивает переходное сопротивление мест контакта и приводит к их чрезмерным перегревам. Наиболее важно обеспечить сохранность пониженного нагрева бандажных колец по отношению к сердечнику в месте их сочленения с тем, чтобы за счет пониженной температуры бандажного кольца увеличить его посадочный натяг на сердечник в номинальном либо другом наиболее напряженном режиме эксплуатации электрической машины.

Это достигается путем повышения эффективности охлаждения в зоне торцовой части бандажного кольца, соприкасающегося с торцовой частью пазовых клиньев и зубцов за счет направления части поступающего в подбандажное пространство охлаждающего газа в тангенциальный канал, размещенный концентрично цилиндрической поверхности бандажного кольца и соединенный с одной стороны продольным каналом, выполненным в покровной подбандажной изоляции с пространством под бандажным кольцом между лобовыми частями катушек, расположенных вблизи плоскости разделения катушек различных полюсов, с другой стороны - радиально-тангенциальным каналом в клиньях полых пазов, расположенных в концевых частях большого зуба бочки с пространством вне ротора. (Фиг.1 и 2).

Для увеличения охлаждающей поверхности бандажного кольца упомянутый тангенциальный канал размещается в зоне посадки бандажного кольца на бочку ротора (Фиг.3), а в случае недостаточности проходного сечения каналов, подводящих охлаждающий газ, выполненных в покровной подбандажной изоляции, упомянутый тангенциальный канал соединяется с пространством под бандажным кольцом между лобовыми частями катушек продольным каналом, выполненным в малых зубцах бочки ротора, расположенных вблизи плоскости разделения катушек разных полюсов.

В качестве вариантного решения (Фиг.4) поставленной выше задачи, для ротора синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник с полыми продольными пазами в большом зубе, разделенные малыми зубцами продольные пазы с катушечной обмоткой, закрепленной в этих пазах, через подклиновую изоляцию с помощью пазовых клиньев, с охлаждающей газом лобовой частью обмотки, закрепленной в радиальном направлении через покровную подбандажную изоляцию с помощью массивных бандажных колец, посаженных на сердечник с зазором по отношению к торцу сердечника, в месте посадки бандажных колец в покровной подбандажной изоляции выполнены продольные каналы (18), сообщающиеся с одной стороны с пространством между лобовыми частями катушек и зазором - с другой стороны. Для этого варианта интенсификация охлаждения торцовой части бандажного кольца осуществляется за счет увеличения расхода охлаждающего газа, поступающего через зазор (17) в пространство над ротором.

В качестве другого вариантного решения (Фиг.5 и 6) для предотвращения ослабления посадки пазовых клиньев в роторе синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник с полыми продольными пазами в большом зубе, разделенные малыми зубцами продольные пазы с катушечной обмоткой, закрепленной в этих пазах с помощью пазовых клиньев, в них, по крайней мере, в срединной части ротора, выполнены поперечные прорези, увеличивающие гибкость пазовых клиньев. Наибольшее значение для сохранения плотного контакта между пазовыми клиньями и зубцами ротора имеет выполнение поперечных прорезей в пазовых клиньях, установленных в срединной части ротора, имеющей максимальный статический прогиб, а также в концевых пазовых клиньях, которые могут перемещаться в радиальном направлении при ослаблении посадочного натяга бандажного кольца во время вращения ротора.

Указанные прорези могут быть выполнены на нижней или верхней стороне пазового клина, на обеих сторонах пазового клина в шахматном порядке (Фиг.7 и 8), а также сквозными, т.е. пазовые клинья становятся относительно более короткими для установки в срединной части ротора с максимальным прогибом. Выполнение прорезей в пазовых клиньях имеет целью обеспечение соответствия прогиба пазовых клиньев форме прогиба вала ротора при его вращении (Фиг.6). Для максимального совпадения формы прогиба пазовых клиньев и сердечника ротора и обеспечения гарантированного плотного контакта пазового клина с клиновой поверхностью малых зубцов сердечника ротора синхронной неявнополюсной электрической машины поперечные прорези выполняются такой глубины, чтобы прогиб пазового клина (fкл) от действия центробежных сил массы катушек на длине (L), вычисленный из соотношения:

,

где Р - центробежная сила от массы катушки на длине 1 клина, I - момент инерции поперечного сечения клина с прорезями, Е - модуль упругости материала клина, превышал разницу статического прогиба ротора в его поперечных сечениях, проходящих через концевые части пазового клина, вычисленную по приближенному соотношению Δυ=υст.макс./nкл, где υст.макс. - максимальный статический прогиб ротора, nкл. - число пазовых клиньев в пазу ротора.

Также существенное значение имеет сохранение плотного контакта пазовых клиньев, установленных в полых продольных пазах большого зуба сердечника. Здесь важно сохранение стабильной (одинаковой) температуры в каждом поперечном сечении сердечника ротора электрической машины, с полыми продольными пазами в большом зубе с пазовыми клиньями, разделенными малыми зубцами, продольными пазами с катушечной обмоткой, закрепленной в этих пазах и охлаждаемой газом, поступающим с торцевых частей обмотки и выходящим через пазовые клинья обмотки. Для выравнивания нагрева сердечника в поперечных сечениях ротора и по его длине, в клиньях полых пазов, расположенных в большом зубе ротора, выполнены наклонные каналы, соединяющие пространство полого продольного паза с пространством над клиньями (Фиг.9, 10). При этом необходимо, чтобы газ из наиболее нагретой зоны ротора, например, зоны выхода из катушек обмотки, поступал в полые продольные пазы, а выходил в наименее нагретой зоне входа охлаждающего газа. Указанное достигается тем, что упомянутые каналы выполнены с наклоном от центра к периферии против направления вращения ротора (Фиг.9) в зоне его наибольшего нагрева и по направлению вращения ротора (Фиг.10) в зоне наименьшего нагрева. При этом в первом случае наклонные каналы в продольных полых пазах будут выполнять роль заборников нагретого газа, а во втором случае - роль дефлекторов.

Источники информации

1. В.Ю.Аврух, Ю.И.Азбукин, А.Г.Воинов, “Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины”, А.С. СССР №1257753 от 27.12.84.

2. В.Ю.Аврух, А.Е.Бирюк, Л.А.Дугинов, “Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины”, А.С. СССР №1584035 от 16.06.88.

1. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник с полыми продольными пазами в большом зубе, разделенные малыми зубцами продольные пазы с катушечной обмоткой, закрепленной в этих пазах, через подклиновую изоляцию с помощью пазовых клиньев, с охлаждающей газом лобовой частью обмотки, закрепленной в радиальном направлении через покровную подбандажную изоляцию с помощью массивных бандажных колец, посаженных на сердечник, отличающийся тем, что с целью повышения надежности ротора синхронной неявнополюсной электрической машины за счет повышения эффективности охлаждения его составных частей в зоне торцовой части бандажного кольца, соприкасающегося с торцовой частью пазовых клиньев и зубцов, размещен тангенциальный канал, концентричный цилиндрической поверхности бандажного кольца и соединенный с одной стороны продольным каналом, выполненным в покровной подбандажной изоляции, с пространством под бандажным кольцом между лобовыми частями катушек, расположенных вблизи плоскости разделения катушек различных полюсов, с другой стороны радиально-тангенциальным каналом в клиньях полых пазов, расположенных в концевых частях большого зуба бочки, с пространством вне ротора.

2. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.1, отличающийся тем, что упомянутый тангенциальный канал размещен в зоне посадки бандажного кольца на бочку ротора.

3. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.1 или 2, отличающийся тем, что упомянутый тангенциальный канал соединяется с пространством под бандажным кольцом между лобовыми частями катушек продольным каналом, выполненным в малых зубцах бочки ротора, расположенных вблизи плоскости разделения катушек разных полюсов.

4. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник с полыми продольными пазами в большом зубе, разделенные малыми зубцами продольные пазы с катушечной обмоткой, закрепленной в этих пазах, через подклиновую изоляцию с помощью пазовых клиньев, с охлаждающей газом лобовой частью обмотки, закрепленной в радиальном направлении через покровную подбандажную изоляцию с помощью массивных бандажных колец, посаженных на сердечник с зазором по отношению к торцу сердечника, отличающийся тем, что в месте посадки бандажных колец в покровной подбандажной изоляции выполнены продольные каналы, сообщающиеся с одной стороны с пространством между лобовыми частями катушек и зазором с другой стороны.

5. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник с полыми продольными пазами в большом зубе, разделенные малыми зубцами продольные пазы с катушечной обмоткой, закрепленной в этих пазах, через подклиновую изоляцию с помощью пазовых клиньев, лобовой частью обмотки, закрепленной в радиальном направлении через покровную подбандажную изоляцию с помощью массивных бандажных колец, посаженных на сердечник, отличающийся тем, что в пазовых клиньях, установленных, по крайней мере, в срединной и концевых частях сердечника ротора, выполнены поперечные прорези.

6. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.5, отличающийся тем, что поперечные прорези выполняются на нижней стороне пазовых клиньев.

7. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.5, отличающийся тем, что поперечные прорези выполняются на верхней стороне пазовых клиньев на глубину, включающую клиновую часть.

8. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.5, отличающийся тем, что поперечные прорези выполняются на нижней и верхней сторонах пазовых клиньев.

9. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.5 или 8, отличающийся тем, что поперечные прорези в пазовых клиньях выполняются в шахматном порядке.

10.Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.5, отличающийся тем, что поперечные прорези выполняются такой глубины, чтобы прогиб каждого пазового клина (fкл) под действием центробежных сил массы катушек на длине (L) пазового клина с поперечными прорезями, вычисленный из соотношения:

где P - центробежная сила от массы катушки на длине L клина,

I - момент инерции поперечного сечения клина с прорезями,

Е - модуль упругости материала клина,

превышал разницу статического прогиба ротора в его поперечных сечениях, проходящих через концевые части пазового клина, вычисленную по приближенному соотношению Δυ=υст.макс./nкл, где υст.макс.- максимальный статический прогиб ротора, nкл - число пазовых клиньев в пазу ротора.

11. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины по п.5, отличающийся тем, что, по крайней мере, в срединной части ротора поперечные прорези в пазовых клиньях выполняются сквозными.

12. Ротор синхронной неявнополюсной электрической машины, содержащей массивный сердечник с полыми продольными пазами в большом зубе с пазовыми клиньями, разделенные малыми зубцами продольные пазы с катушечной обмоткой, закрепленной в этих пазах, через подклиновую изоляцию с помощью пазовых клиньев и охлаждаемой газом, поступающим с торцевых частей обмотки и выходящим через пазовые клинья обмотки, отличающийся тем, что в клиньях полых пазов, расположенных в большом зубе ротора, выполнены наклонные каналы, соединяющие пространство полого продольного паза с пространством над клиньями.