СТЕРЖЕНЬ ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H02K3/14 H02K3/04 H02K15/04 

Изобретение относится к короткозамкнутому на концах стержню обмотки машин переменного тока с расширенным уравниванием полей согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

В изобретении приведена ссылка на уровень техники, описанный, например, в патенте ФРГ N 1488769.

Стержни статорной обмотки машин переменного тока большой мощности состоят, как правило, из множества изолированных друг от друга и скрученных между собой по принципу Ребеля частичных проводников, замкнутых накоротко на обоих концах (см. Herstelling der Wicklungen elektrischer Maschinen", Springer-Verlag Wien, New York, 1973, стр. 69-83, в частности рис. 19 на стр. 79).

Классический стержень Ребеля имеет скрутку на 360^o в пазовой части. В торцовых хомутах частичные проводники проходят параллельно, т.е. не скручены. Однако очень скоро было обнаружено, что также за пределами паза стержни подвержены воздействию переменных полей, проходящих через торцовые хомуты с широкой стороны (поперечные составляющие) и с узкой стороны (радиальные составляющие).

Для предотвращения дополнительных потерь за счет торцового поля статора торцовые хомуты разделены на изолированные друг от друга частичные проводники. Однако при этом все еще возникают потери за счет так называемых петлевых токов, замыкающихся через соединительную гильзу на концах стержня. По этой причине был предложен ряд специальных скруток, относящихся как к пазовой или активной части стержня, так и к его части с торцовыми хомутами. Г. Найдхефер дает в названной книге в разделе 3.3 "Roebelstabe mit erweiteryem Feldausgleich" почти полный обзор различных возможностей достижения расширенного уравнивания полей и устранения тем самым крупных разностей температур, а также локальных перегревов внутри стержня. Особенно экономичным решением является при этом скрутка на 90^o/360^o/90^o, т.е. частичные проводники в обоих торцовых хомутах скручены соответственно на 90^o, частичные проводники активной части - на 360^o (см. там же, рис 24 на стр. 74 или патент ФРГ, N 1488769).

Поскольку у машин с короткой длиной активной части, например гидрогенераторов, общая длина машины увеличивается за счет скрутки в торцовых хомутах и опирание далеко выступающих торцовых хомутов является очень сложным, в отчете о конференции ISSM-93 "Proceedings of the International Symposium on Salient-Pole-Machines, 10-12.10.93, WUHAN, China, стр. 384-389, в докладе Су Шаньчуня и др. "A new transposition technique of stator bars of the hydrogenerator" предложен совершенно новый путь для расширенного уравнивания полей, а именно так называемая недокрутка ("non-360^o transposition" или "incomplete transposition") или так называемая пустая длина ("transposition with a void") в активной части в комбинации с нескрученными частями торцовых хомутов. За счет каждой из обеих "специальных скруток" достигается заметное уменьшение петлевых токов, и они, согласно выводам отчета о конференции, должны резко уменьшить разности температур внутри стержня.

Исходя из описанного уровня техники, в основе изобретения лежит задача создания скрученного стержня статорной обмотки с расширенным уравниванием полей, который обеспечивает еще большее подавление петлевых токов и тем самым сглаживание температурного профиля в проводящем стержне.

Эта задача решается согласно изобретению за счет того, что частичные проводники на обоих отрезках торцовых хомутов имеют скрутку 60-120^o, а на отрезке активной части предусмотрена недокрутка, т.е. скрутка на отрезке активной части выполнена равномерной и менее чем на 360^o, или при полной скрутке на 360^o на отрезке активной части в середине активной части предусмотрена пустая длина, т.е. нескрученный отрезок, тогда как скрутка на отрезке активной части вне этого нескрученного отрезка выполнена в виде равномерной скрутки на 180^o.

Общее использование частичных технических решений согласно патенту ФРГ N 1488769 (специальная скрутка на 90^o/360^o/90^o) и недокрутки/пустой длине на отрезке активной части согласно докладу Су Шаньчуня и др. в упомянутой публикации приводит к созданию проводящего стержня, который обеспечивает вполне предсказуемое, практически полное подавление петлевых токов, чем достигается повторное сглаживание температурного профиля в проводящем стержне.

Изобретение может применяться во всех машинах средней и большой мощности, например турбо- или гидрогенераторах.

Сущность изобретения более подробно поясняется ниже с помощью чертежа и примеров осуществления.

На чертеже изображено:
фиг. 1 - схематичный вид сверху на известный стержень Ребеля с расширенным уравниванием полей и со скруткой на 90^o/360^o/90^o;
фиг. 2 - диаграммы стержней Ребеля с различной скруткой для пояснения действия собственного поля, а именно для стержня Ребеля с известной скруткой на 90^o/360^o /90^o (фиг. 2а), с пустой длиной (фиг. 2b) и с недокруткой (фиг. 2с);
фиг. 3 - диаграмма стержней Ребеля с различной скруткой для пояснения действия постороннего поля, а именно для стержня Ребеля с известной скруткой на 90^o/360^o/90^o (фиг. 3a), с пустой длиной (фиг. 3b) и с недокруткой (фиг. 3c);
фиг. 4 - схематично половина недокрученного стержня с пятью частичными проводниками на столбик со скруткой на 324^o.

Стержень Ребеля на фиг. 1 состоит из электрически изолированных друг от друга частичных проводников 1, электрически и механически соединенных на концах кольцами 2, 3. Он состоит из двух отрезков 4, 5 торцовых хомутов в левой и правой лобовых частях обмотки и отрезка 6 активной части. Последний полностью находится в пазах (не показаны) в пакете 7 железа статора (активная часть) электрической машины. Оба отрезка 4, 5 торцовых хомутов скручены каждый на 90^o, а отрезок 6 активной части - на 360^o.

Схематичная диаграмма на фиг. 2a и 3а для стержня Ребеля со скруткой на 90^o/360^o/90^o на фиг. 1 показывает расположение пяти в данном примере частичных проводников a-f и g-l на каждый столбик частичных проводников на левом отрезке 4 торцового хомута, на отрезке 6 активной части и на правом отрезке 5 торцового хомута. Хорошо видно, как отдельные проводники на отрезке 6 активной части в пазу занимают каждый свое положение (скрутка на 360^o), тогда как на отрезках торцовых хомутов они скручены на 90^o. Частичный проводник d на обоих отрезках 4, 5 торцовых хомутов в целом позиционирован длиннее всего в направлении ротора R. Другие частичные проводники позиционированы с меньшей длиной в направлении ротора R. Как следует из известного действия электромагнитного поля на отрезок торцовых хомутов нескрученного стержня, частичный проводник d нагружен наибольшим током, а остальное соответственно меньшим. Для понимания изобретения достаточно констатировать, что при скручивании на 90^o/360^o/90^o собственное поле лобовой части обмотки полностью компенсировано, тогда как ее постороннее поле уравнивается лишь частично (см. упомянутую публикацию, в частности, стр. 74, рис. 24 и соответствующий текст на стр. 75).

Здесь может помочь изобретение. Если на скрученных отрезках 4, 5 торцовых хомутов на 90^o проводящего стержня образовать отрезок 6 активной части с недокруткой, т.е. со скруткой менее чем на 360^o, или в середине активной части предусмотреть пустую длину (нескрученный отрезок) со скруткой на 360^o вне пустой длины, то те частичные проводники, которые пропускают высокие токи, оставляют на дне паза более длинными. Тогда они отдают ток частичным проводникам, более близким к отверстию паза, т.е. расположенным ближе к ротору R. Это, однако, именно те проводники, которые пропускают меньший ток. Таким образом достигается почти полностью равномерное распределение тока в проводящем стержне.

Оба варианта - пустая длина и недокрутка - схематично изображены на обоих диаграммах на фиг. 2b, 3b и на фиг. 2c, 3c в сравнении с известным стержнем Ребеля со скруткой на 90^o/360^o/90^o на фиг. 2a, 3а, причем фиг. 2a, 2b, 2c относятся к случаю собственного поля, а фиг. 3а, 3b, 3с - к случаю постороннего поля. Диаграммы опираются при этом на принятое в литературе изображение стержней Ребеля, используемое, например, также в приведенном выше патенте ФРГ N 1488769. Так, сплошные линии, проходящие слева вверх и вправо вниз, обозначают дорожки частичных проводников, находящиеся при виде сбоку двухплоскостного стержня (фиг. 1) на его передней стороне. Прерывистые линии обозначают дорожки на задней стороне, т.е. во второй плоскости частичных проводников. Далее на фиг. 2a-2c изображены соответствующая характеристика B_E собственного поля B_FE на отрезке в активной части и собственного поля В_WK в лобовой части обмотки по высоте стержня. Минус и плюс в кружочке обозначают знак индуктированных в частичных поверхностях элементарных петель напряжений с учетом направления вращения поверхностных контуров, а также направление проходящего через них потока. Поверхности, обозначенные на фиг. 2a, 3a знаком вопроса в кружке, символизируют некомпенсированную часть на нескрученном переходе от отрезка 6 активной части к отрезкам 4, 5 торцовых хомутов. На фиг. 3a-3c показано положение двенадцати частичных проводников а-1 на концах стержня.

Прежде чем более подробно изложить изобретение, следует пояснить следующие случаи полей.

Как видно у стержня со скруткой на 90^o/360^o/90^o на фиг. 3a, в случае постороннего поля остается некомпенсированной петлевая часть (знак вопроса в двойном кружке). Эта некомпенсированная часть создает петлевые токи, распределенные по высоте стержня синусообразно (асимметрично). Целью пустой длины/недокрутки на отрезке активной части является уравнивание этого остатка. Как поясняется ниже, это уравнивание удается тогда, когда на отрезке 6 активной части создается неуравненная часть (обозначенная знаком "+" в двойном кружке), противодействующая неуравненной части на отрезках 4, 5 торцового хомута (обозначена знаком "-" в двойном кружке). Здесь следует заметить, что этот механизм функционирует только тогда, когда поле лобовой части обмотки на месте стрежня и поле паза на отрезке активной части приблизительно равнофазны. Это тот случай, когда, как известно, на отрезке активной части и на отрезках d торцовых хомутов вытеснение тока происходит в одном направлении (радиально внутрь), что объясняется равнофазными полями. Относительно большие неуравненные петлевые части в лобовой части обмотки могут быть компенсированы относительно малыми ответными петлями на отрезке активной части, поскольку поперечное поле паза значительно сильнее.

В случае собственного поля на фиг. 2a-2c видно, что у стержня со скруткой на 90^o/360^o/90^o петли полностью компенсированы. Лишь нескрученные части стержня, например, на отрезке активной части создают остаточные напряжения для петлевых токов. Пустая длина 8 на отрезке в активной части создает петлевые напряжения, образующие петлевые токи, распределенные относительно высоты стержня косинусообразно (симметрично). Эффект нескрученных частей стержня лобовой части обмотки непосредственно на выходе активной части был усилен. В противоположность этому недокрутка на отрезке активной части вызывает обратное. Некомпенсированные части в лобовой части обмотки противолежат некомпенсированной части на отрезке активной части и взаимно компенсируют друг друга, причем эта компенсация происходит не на 100%, и недокрутка на отрезке активной части ориентирована на компенсацию постороннего поля лобовой части обмотки. Может возникнуть впечатление, что благодаря изобретению в одном месте достигается улучшение (постороннее поле), а в другом - ухудшение (собственное поле). В действительности это так и есть. Если же рассматривать оба этих факта вместе, то в целом происходит улучшение, в частности, при недокрутке.

Проводящий стержень на фиг. 2b и 3b имеет в середине М активной части пустую длину 8, т.е. нескрученный отрезок. На этом отрезке частичные проводники а-1 проведены параллельно. Вне этой зоны 8 слева и справа от пустой длины скрутка составляет соответственно 180^o. Осевая длина l_V этой пустой длины 8 зависит в первом приближении от величины вылета l_WK лобовой части обмотки. С помощью современных методов расчета можно у конкретной машины сравнительно точно определить эту пустую длину, однако в качестве ориентировочного значения можно, однако, указать, что величина l_V пустой длины 8 должна составлять 5-10%, максимум 15% величины l_WK для достижения практически полного (расширенного) уравнивания полей в лобовой части обмотки. В качестве второго ориентировочного значения для расчета пустой длины 8 у турбогенераторов можно указать, что она может составлять до 10% длины l_FE активной части.

Проводящий стержень на фиг. 2c и 3c имеет на отрезке 6 активной части недокрутку, т. е. скрутку, отклоняющуюся вниз от обычной скрутки на 360^o. У изображенного на фиг. 4 проводящего стержня с соответственно пятью частичными проводниками скрутка составляет 9/10 от 360^o, т.е. 324^o, а недокрутка соответственно 36^o, что у такого стержня представляет собой в то же время минимальную недокрутку.

Реальные стержни Ребеля имеют гораздо большее число частичных проводников, которое обычно составляет 80-120 на стержень. Таким образом, у стержня с n-ным числом частичных проводников и скруткой на 360^o на отрезке активной части минимальная недокрутка U = 360^o/n составляет порядка 4,5^o при 80 частичных проводниках и 3^o при 120 частичных проводниках на стержень.

Аналогично расчету пустой длины степень недокрутки в первом приближении также зависит от вылета лобовой части обмотки. Чем больше этот вылет, тем сильнее влияние торцового поля в лобовой части обмотки и соответственно тем выше должна быть степень недокрутки на отрезке активной части. Как и при расчете пустой длины, здесь с помощью современных методов расчета у конкретной машины можно сравнительно точно определить степень недокрутки, однако в качестве ориентировочного значения она должна составлять в угловых градусах 10-15^o для достижения практически полного (расширенного) уравнивания полей в лобовой части обмотки.

Вышеприведенные рассуждения всегда исходили из скрутки на отрезках торцовых хомутов на 90^o. Обширные расчеты показали, что даже при отклонениях ± 30^o, т.е. скрутках 60-120^o на отрезках 4,5 торцовых хомутов, в комбинации с пустыми длинами или недокруткой на отрезке 6 активной части достигается практически полное уравнивание полей в лобовой части обмотки.

В принципе можно изготовлять стержни, которые при указанной скрутке на отрезке торцовых хомутов имеют помимо пустой длины также недокрутку. Изготовлять подобные проводящие стержни сложно, однако для особых случаев это вполне приемлемо.

Список обозначений
1 - частичный проводник
2, 3 - кольца
4 - левый отрезок торцового хомута
5 - правый отрезок торцового хомута
6 - отрезок активной части
7 - активная часть (пакет железа статора)
8 - пустая длина
l_FE - длина активной части
L_WK -вылет лобовой части обмотки
L_V - пустая длина
М - середина активной части
n - количество частичных проводников на столбик
R - ротор
a-l - обозначения частичных проводников в диаграммах
U - недокрутка, измеренная в угловых градусахм

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения стержней обмоток машин переменного тока с расширенным уравниванием полей и может быть использовано в машинах средней и большой мощности, например турбо- и гидрогенераторах. Сущность изобретения состоит в следующем. Стержни обмоток машин переменного тока состоят из множества электрически изолированных друг от друга частичных проводников, скрученных по принципу Ребеля. Частичные проводники на обоих отрезках торцевых хомутов и на отрезке активной части скручены между собой. Согласно данному изобретению частичные проводники на обоих отрезках торцевых хомутов имеют скрутку 60 - 120^oC, а на отрезке активной части предусмотрена недокрутка, то есть скрутка на отрезке активной части выполнена равномерной и менее чем на 360^o, или на отрезке активной части в середине (М) активной части предусмотрена пустая длина, то есть нескрученный отрезок, тогда как скрутка на отрезке активной части вне этого нескрученного отрезка выполнена в виде равномерной скрутки на 180^o. Технический результат использования данного изобретения состоит в практически полном уравнении полей в лобовой части обмотки машины переменного тока, что обеспечивает подавление петлевых токов и тем самым сглаживание температурного профиля в проводниках стержня. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Стержень обмотки машин переменного тока, короткозамкнутый на концах, с расширенным уравниванием полей, выполненный из множества электрически изолированных друг от друга частичных проводников (1), скрученных по принципу Ребеля, причем частичные проводники как на обоих отрезках (4, 5) торцевых хомутов, так и на отрезке (6) активной части скручены между собой, отличающийся тем, что частичные проводники (1) на обоих отрезках торцевых хомутов имеют скрутку 60 - 120^o, а на отрезке (6) активной части предусмотрена недокрутка, то есть скрутка на отрезке (6) активной части выполнена равномерной и менее чем на 360^o, или на отрезке (6) активной части в середине (М) активной части предусмотрена пустая длина (8), то есть нескрученный отрезок, тогда как скрутка на отрезке (6) активной части вне этого нескрученного отрезка (8) выполнена в виде равномерной скрутки на 180^o. 2. Стержень по п.1, отличающийся тем, что осевая длина (l_v) пустой длины (8) составляет порядка 10% величины (l_wk) вылета лобовой части обмотки. 3. Стержень по п.1, отличающийся тем, что на отрезке (6) активной части недокрутка, измеренная в угловых градусах, составляет 10 - 15^o. 4. Стержень по п.1, отличающийся тем, что частичные проводники (1) на обоих отрезках (4, 5) торцевых хомутов имеют скрутку 90^o.