Статор электрической машины

Статор электрической машины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

А.С. Карацуба, В.И. Смородин, Г.Г. Счастливый

Е.Х. Глидер, Б.В. Спивак, В.Б. Каплунов и И.fj".. Черемисов (72) Авторы кзобретення

Научно-исследовательский, проектно-конструкт вский..., и технологический институт завода "Электротяжмаш и Институт электродинамики AH Украинской ССР (7!) Заявители (54) СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Изобретение относится к эле тролашиностроению, а более конкретнок конструкции статора турбогенератора большой мощности.

В турбогенераторостроении одной йз узловых проблем является снижение нагрева торцовой зоны сердечника статора. Это связано с повышением интенсивности магнитных полей рассеяния в зоне лобовых частей обмоток всоздаваемых машинах мощностью 1 млн кВт и выше. Для машин меньшей мощности - 2OOOOO, ЗООВОО, gOOOOO кВт и др. эта проблема стоит не менее остро, что обусловлено требованиями эксплуатации расширить диапазон допустимых нагрузок при недовозбуждении (потреблении реактивной мощности из системы), а также при работе с коэффициентом мощности близким к единице. Как правило, допустимая нагрузка турбогенератора в указанных и в ряде других режимов устанав ливается исходя из уровня местных температур в зубцах торцовой зоны сердечника статора. С целью снижения температур в зубцах выполняют-ся прорези.

Известна конструкция прорези в сегментах сердечника, где прорези выполнены в зубцах пересека имися в соседних слоях сегментов (1(.

Недостатком такой конструкции о является во-первых то что охлаж° У даемый канал в зубце образуется только в месте взаимного пересечения прорезей, а не по всей их длине, он закрыт со стороны расточки для

1j входа охлаждающего газа; во-вторых, даже при равномерном магнитном аксиальном потоке, проникающем с торца в сердечник, при такой конструкции прорезей имеют место повышенные потери в зубцах.

В действительности, как показали проведенные исследования (2), аксиальное магнитное поле распределяется неравномерно не только в радиаль924792

45. гурацию прорези в зубцах торцовой

55 ном, но и в тангенциальном направлении, что приводит к еще более высокому уровню потерь в зубцах (1), Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является статор электрической машины со сквозными прорезями в зубцах торцовой зоны сердечника. Эти прорези открыты со стороны расточки для входа охлаждающего воздуха, что приводит к улучшению вентиляции этой нагруженной в тепловом отношении зоны j3) .

Однако указанная конструкция не лишена серьезных недостатков. В условиях воздействия неравномерного по ширине зубца аксиального магнитного потока рассеяния потери в двух половинах зубца, разделенных рассечками, симметричными относительно зубцов, распределены также неравномерно (2j. Более высокие потери и температура имеют место на сбегающей по отношению к вращающемуся электромагнитному полю и, соответственно, вращению ротора части зубца. Это ограничивает нагрузочную способность турбогенератора и приводит к снижению его надежности.при работе с высокими нагрузками.

Цель изобретения - повышение надежности машины и расширение диапазона допустимых нагрузок путем перераспределения добавочных потерь и снижения пиковых температур в зубцах торцовой эоны сердечника статора.

Поставленная цель достигается тем, что в статоре электрической машины, содержащем размещенную в пазах обмотку и нашихтованный из сегментов электротехнической стали и удерживаемый в запрессованном состоянии установленными с торцов нажимными элементами сердечник, в зубцах торцовой зоны которого выполнены сквозные прорези, по крайней мере на части длины сердечника, начиная от его торца, в соседних слоях сегментов упомянутые прорези со стороны внутренней расточки сердечника смещены от середины зубца в направлении вращения ротора.

В соседних слоях сегментов или групп сегментов упомянутые прорези со стороны внутренней расточки сердечника смещены на разное расстояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаление (от торца.

15 го г5 зо

4

В соседних слоях сегментов или групп сегментов упомянутые прорези со стороны внутренней расточки сердечника выполнены неодинаковой ширины, причем ширина прорези уменьшается по мере удаления от торца.

По высоте зубца каждого из упомянутых сегментов указанные прорези смещены от аксиальной плоскости, проходящей через середину зубца, в направлении вращения ротора так, что площадь любого участка зубца, ограниченного внутренней расточкой сердечника, стенкой паза и прорезью, на сбегающем крае зубца меньше, чем площадь равного ему по высоте участка на набегающем крае.

В зоне основания зубца упомянутая прорезь расположена посередине зуб— ца °

По высоте зубца в упомянутых сегментах указанная прорезь смещена на разное расстояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаления от внутренней расточки к основанию зубца.

В упомянутых сегментах указанные прорези по высоте зубца выполнены расширяющимися к основанию зубца.

В зубцах торцовой зоны сердечника выполнены по две сквозные про. рези, смещенные на разное расстояние от середины зубца так, что в каждом из упомянутых сегментов площадь любого участка, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и прорезью, на сбегающем крае зубца заведомо меньше, чем площадь равного ему по высоте участка, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и другой прорезью на набегающем крае.

Прорези в нажимных элементах, например нажимных пальцах, выполнены с конфигурацией, повторяющей конфизоны сердечника статора.

На фиг. 1 схематично изображена торцовая часть статора, продольный разрез; на фиг. 2 — вид А на фиг. 1 (развертка); на фиг. 3 - зубцы сегментов торцовой зоны сердечника (варианты).

Статор содержит обмотку 1, размещенную в пазах, и сердечник 2, наштихтованный из сегментов электротехнической стал 1 и удерживаемый в запрессованном состоянии установленными с торцов нажимными элемента5 9247 ми - фланцами 3 и нажимными пальцами 4. В зубцах торцовой эоны сердечника 2, начиная от его торца, в соседних слоях сегментов укаэанные прорези, 5 со стороны внутренней расточ- 5 ки сердечника смещены от середины зубца в направлении вращения ротора. . Таким образом, в одной из наиболее нагруженных в электромагнитном отношении зоне зубцов торцовой части статора - коронке зубца прорез ью площадь зубца разделена на неравные, участки. Другими словами площади контуров, сцепленных с проникающим со стороны торца сердечника аксиальным магнитным потоком рассеяния, в зоне коронки зубца выполнены неодинаковыми. На сбегающем по отношению к вращающемуся магнитному полю, а следовательно по направлению враще- 20 ния ротора, крае зубца, где аксиаль ный магнитный поток практически во всех режимах больше эа счет влияния выпучивания потока пазового рассеяния, площадь участка зубца умень- 25 шена, а на набегающем крае зубца увеличена. Этим достигается общее уменьшение добавочных потерь, сни1 жение их интенсивности и уменьшение уровня местных температур в коронке Зо зубца торцовой зоны сердечника статора.

35

50

По высоте зубца в сегментах, установленных в торцовой зоне сердечника, прорезь 5 смещена на разное расстояние от середины зубца при чем смещение уменьшается по мере уда,ления от внутренней расточки. Такое конструктивное решение в наибольшей степени соответствует характеру из менения неравномерности распределеВ соседних слоях сегментов упомянутые прорези со стороны внутренней ,расточки сердечника смещены на разное расстояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаления от торца. Это обусловлено тем, что по мере удаления от торца сердечнйка не только ослабевает общая интенсивность аксиального магнитного потока, но и снижается неравномерность этого потока на сбегающем и набегающем краях зубцов.

Поэтому для получения наилучшего распределения потерь по мере удаления от торца смещение прорези от середины зубца изменяется в сторону уменьшения. На фиг. 2 это изменение смещения показано в кахдом слое. С целью упрощения технологии упомянутые прорези могут быть смещены на одинаковое расстояние от середины зубца в соседних группах сегментов, а не в каждом их слое.

В этом случае мы получили бы ступенчатую конфигурацию прорези, если смотреть со стороны расточки, а не плавно изменяющуюся в аксиальном направлении (фиг. 2).

В соседних слоях сегментов yno" мянутые прорези со стороны внутренней расточки сердечника выполнены неодинаковой ширины, причем ширина прорези уменьшается по мере удаления от торца. Этим достигается то, что гидравлическое сопротивление в вентиляционном канале в зубце, образованном сквозной прорезью, вблизи расточки меньше,а следовательно, расход охлаждающего газа в зоне наибольших тепловыделений выше. С целью упрощения технологии изменение ширины прорези может быть предусмотрено не в каждом слое сегментов, как показано на фиг. 2, а по группам.

Неравномерность аксиального магнитного поля на сбегающем и набегающем краях зубца сердечника наиболее резко выражена в зоне коронки и постепенно снижается по мере удаления от внутренней расточки статора к основанию зубца. Тем не менее эта неравномерность сохраняется практически по всей высоте зубца. Поэтому для снижения максимального уровня потерь и нагрева по высоте зубца каждого из упомянутых выше сегментов прорези. смещены от аксиальной . плоскости, проходящей через середину зубца, в направлении вращения ротора так, что площадь любого участ.ка зубца, ограниченного внутренней расточкой сердечника, стенкой паза и прорезью, на сбегающем крае зубца заведомо меньше, чем.площадь равного ему по высоте участка на набегающем крае.

В зоне основания зубца распределение аксиального магнитного поля по ширине зубца практически симметрично относительно его середины.

Поэтому для улучшения распределе ния потерь и нагрева s зоне основания зубца прорезь 5 расположена посередине.

924792

35 о

55 ния аксиального магнитного поля на сбегающем и набегающем краях зубца.

Все это относится и к конструктивному варианту, когда в зубце выполняют две рассечки. Их смещают на разное расстояние от середины зубца так, что площадь любого участка зубца, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и прорезью, на сбегающем крае зубца заведомо мень ше,,чем площадь равного ему по высоте участка, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и другой прорезью на набегающем крае.

Прорези 5 по высоте зубца выполнены неодинаковой ширины, причем ширина прорези увеличивается по мере удаления от внутренней расточки. увеличение ширины прорези в зоне основания зубца благоприятно с точки зрения уменьшения площади контура потока сцепления по отношению к аксиальному магнитному потоку, а также увеличения расхода охлаждающего газа в этом участке вентиляционного канала, образованного прорезью

Изменяя ширину прорези по высоте зубца, можно во всех сечениях зубца получить примерно одинаковый уровень насыщения по отношению к основному полю, что целесообразно для ограничения проникновения аксиального магнитного потока в зону основания зубца, где уровень насыщения от ос-, новного поля обычно. намного ниже, чем вблизи коронки зубца.

При проектировании ряда турбогенераторов зубцы сердечника статора получаются сравнительно более широкими, что требует выполнения в сегментах установленных в торцово" зоне сердечника, по две прорези в зубце вместо одной. В этом случае для уменьшения местных потерь и нагрева прорези могут быть смещены на разное расстояние от середины зубца так, что в каждом из упомянутых сегментов площадь любого участка, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и прорезью, на сбегающем крае зубца заведомо меньше, чем площадь равного ему по высоте участка, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и другой прорезью на набегающем крае.

Для подачи охлаждающего газа со стороны торца сердечника в вентиля5 о

15 ло

25 ционный канал в зубце, образованный прорезью 5 в нажимном элементе, например нажимном пальце 4, конфигурация прорези выполнена такой же, как и в зубце.

В предлагаемом статоре достигнуто равномерное распределение добавочных потерь от аксиального магнитного поля рассеяния, что обеспечивает снижение максимальных температур при работе машины в режимах с коэффициентом мощности, близким к единице, при недовозбуждении и пр. Снижение температуры обеспечивается также за счет изменения формы вентиляционного канала, образованного прорезью в радиальном и аксиальном направлениях.

Значимость предложенных конструктивных мероприятий становится особенно ощутимой, если напомнить, что уровень местных добавочных потерь от аксиального потока в зубцовой зоне торцовой части сердечника мощного турбогенератора достигает 1000 Вт/кг, в то время как средний уровень потерь в зубцах сердечников статора от рабочего магнитного потока составляет 4-5 Вт/кг.

Технико-экономическая эффективнос т ь раз рабо1 анной конструкции обусловлена повышением надежности и расширением диапазона допустимых нагрузок турбогенераторов большой мощности.

Конструкция может быть реализована как при создании новых машин, например турбогенератора мощностью

1 млн кВт на 1500 и 3000 об/мин, а также при модернизации выпускаемых турбогенераторов мощностью 200000, 300000 и 500000 кВт, Формула изобретения

1. Статор электрической машины, например турбогенератора, содержащий размещенную в пазах обмотку, нашихтованный из сегментов электротехнической стали и удерживаемый в запрессованном состоянии установленными с торцов нажимными элементами сердечник, в зубцах торцовой зоны которого выполнены сквозные прорези, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения диапазона допустимых нагрузок, по крайней мере на части длины сердеч9

924792

10 ника, начиная от его торца, в соседних слоях сегментов упомянутые прорези со стороны внутренней расточки сердечника смещены от середины зубца в направлении вращения 5 ротора.

2. Статор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что в соседних сроях сегментов или групп сегментов упомянутые прорези со сто- 10 роны внутренней ..расточки сердечника смещены на разное расстояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаления от торца. 15

3. Статор по пп. 1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что в соседних слоях сегментов или групп сегментов упомянутые прорези со стороны внутренней расточки сердечника выполнены. 3О неодинаковой ширины, причем ширина прорези уменьшается по мере удаления от торца.

4. Статор по пп. 1-3, о т .л и4 а ю шийся тем, что по высоте 15 зубца каждого из упомянутых сегментов указанные прорези смещены от аксиальной плоскости, проходящей через середину зубца, в направлении вращения ротора, причем площадь любого 3В участка зубца., ограниченного внутренней расточкой сердечника, стенкой паза и прорезью, на сбегающем крае зубца меньше, чем площадь равного ему по высоте участка на набегающем крае.

5. Статор по пп. 1-4, о т л и ч а ю шийся тем что в зоне осУ нования зубца упомянутая прорезь расположена посередине зубца.

6. Статор по пп. 1-g, о т л и— ч а ю шийся тем, что по высоте зубца в упомянутых сегментах указанная прорезь смещена на разное рас- 45 стояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаления от внутренней расточки к основанию зубца.

Статор по пп. 1-6, о т л ич в ю шийся тем, что в упомянутых сегментах указанные прорези по высоте зубца выполнены расширяющимися к основанию зубца.

8. Статор по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в зубцах торцовой зоны сердечника выполнены по две сквозные прорези, смещенные на разное расстояние от середины зубца так, что в каждом из упомянутых сегментов площадь. у любого участка, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и прорезью, на сбегающем крае зубца заведомо меньше, чем площадь равного ему по высоте участка, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и другой прорезью на набегающем крае.

9. Статор по пп. 1-8, о т л ич а ю щ и " c я тем, что в нажимных элементах выполнены прорези с конфигурацией, повторяющей конфигурацию прорези в зубцах торцовой зоны сердечника статора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Патент ФРГ N 1148317, кл. 21 d 45, 1962.

2. Постников И.M., Счастливый Г.Г.

Смородин В.И. и др. Экспериментальное исследование добавочных потерь в зубцах крайних пакетов сердечника статора турбогенератора мощностью

500 МВт. Известия AH СССР. "Энергетика и транспорт", 1977, М 4. с. 1013 °

3. Беднарчук Ю.В. и др. Исследование режимов и усовершенствование конструкции мощных турбогенераторов.

Киев, "Наукова думка", 1972, с. 5I00 (прототип).

924792

НапраВление Вращения ротора

1ьигЗ

Подписное

Заказ 2 33/71 Тираж 719

8НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, Сост а ви тель А. Кеца рис

Редактор Е. Лушникова Техред М. Гергель Корректор 8. Синицкая