ОПОРНЫЙ КРОНШТЕЙН ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2015 года по МПК H02K3/51 H02K3/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к опорному кронштейну лобовых частей обмотки ротора электрической машины, причем ротор включает пакет сердечника, в котором стержни обмотки распределены по его периферии, причем эти стержни для образования лобовых частей обмотки выступают за осевой конец пакета сердечника, и к способу монтажа обмотки ротора с таким опорным кронштейном.

Уровень техники

Если роторы электрических машин выполнены со стержневыми обмотками, то временами на них действуют большие центробежные силы, в особенности, при высоких оборотах. К примеру, обмотки роторов машин с переменной скоростью часто выполнены в виде стержневых обмоток. В особенности машины переменной скорости гидроаккумулирующих электростанций эксплуатируются на высоких оборотах, и поэтому на их стержневые обмотки действуют высокие центростремительные ускорения. В зоне корпуса ротора в осевых пазах, как хорошо известно, обычно укладываются по два стержня обмотки, распложенные друг над другом, и удерживаются в радиальном направлении противодействующими центробежным силам пазовыми клиньями. Чтобы получить необходимую схему соединений и выдержать требуемые расстояния между стержнями обмотки, в зоне лобовых частей обмотки стержни обмотки должны укладываться косо относительно осевого направления, причем стержни обмотки верхнего слоя и нижнего слоя идут косо в противоположных направлениях, так что стержни перекрещиваются. Вследствие сложности расположения и геометрии стержней в зоне лобовых частей обмотки, укладка стержней в пазах и закрепление клиньями, как в зоне корпуса ротора, здесь невозможны. Поэтому лобовые части обмотки подвергаются воздействию преобладающих центробежных сил, что делает необходимой радиальную опору лобовых частей обмотки.

Кроме того, лобовые части обмотки или стержни обмотки в зоне лобовых частей обмотки, как столь же хорошо известно, должны охлаждаться. Как правило, охлаждение осуществляется с помощью газообразного хладагента, направляемого на лобовые части обмотки.

Из уровня техники известны разнообразные крепления опоры лобовых частей обмотки. Широко распространены так называемые бандажные кольца ротора, которые в большинстве случаев подвергаются термоусадке на корпусе ротора и поэтому опираются на корпус ротора. Соответствующий пример представлен в документе GB 378920 А: сквозь пазы ротора на корпус ротора надвигается наружное кольцо с зубцами и затем поворачивается так, что зубцы оказываются между двух пазов, благодаря чему блокируются осевые смещения наружного кольца. Это наружное кольцо создает опору лобовых частей обмотки в радиальном направлении, воспринимая нагрузку от центробежных сил. Аналогичная конструкция представлена в документе GB 1474439 А: два кольца подвергаются термоусадке вокруг лобовых частей обмотки, но, в свою очередь, опираются в радиальном направлении на корпус ротора. Проблема, возникающая при таких конфигурациях, в особенности, для класса электрических машин высокой мощности, заключается в том, что из-за термоусадки бандажного кольца на корпусе ротора закрываются распложенные между частями пакета сердечника вентиляционные щели для охлаждения ротора, вследствие чего охлаждение корпуса ротора в этой зоне нарушается.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить опорный кронштейн лобовых частей обмотки, который устраняет вышеуказанные недостатки и, несмотря на это, может обеспечить достаточную радиальную опору и достаточное охлаждение лобовых частей обмотки.

Эта задача согласно настоящему изобретению решается тем, что опорный кронштейн лобовых частей обмотки в зоне лобовых частей обмотки включает наружное кольцо и внутреннее кольцо, между которыми в зоне лобовых частей обмотки расположены стержни обмотки, причем наружное кольцо подвержено термоусадке и образует с внутренним кольцом и стержнями обмотки в зоне лобовых частей обмотки единый узел, при этом как наружное кольцо, так и внутреннее кольцо расположены на расстоянии от пакета сердечника, так что единый узел может, по существу, свободно двигаться (расширяться) в радиальном направлении.

Благодаря такому расположению этих двух колец, при котором оба они находятся на расстоянии от пакета сердечника, влияние на охлаждение пакета сердечника или стержней обмотки в пакете сердечника отсутствует.

Соответствующим выбором размеров и материала единого узла, включающего наружное кольцо, стержни обмотки и внутреннее кольцо, можно добиться того, что радиальные относительные смещения между корпусом ротора и лобовыми частями обмотки в простое и во всех рабочих режимах остаются малыми, и создаются очень малые напряжения изгиба или среза стержней обмотки.

Если в зоне лобовых частей обмотки в направлении вдоль периферии между двумя соседними стержнями обмотки помещать прокладку, высота которой, по меньшей мере, равна высоте стержней обмотки, но предпочтительно немного превышает ее, можно достичь того, что в радиальном направлении на стержни обмотки не будут передаваться усадочные напряжения.

Охлаждение лобовых частей обмотки можно очень просто и эффективно изменять, если прокладка выполнена в виде детали полого профиля. Сквозь деталь полого профиля можно в осевом направлении продувать охлаждающий воздух, благодаря чему обеспечивается охлаждение лобовых частей обмотки.

Предпочтительно, в радиальном направлении между внутренним кольцом и стержнями обмотки и/или между наружным кольцом и стержнями обмотки помещается изолирующая прокладка. Возможно также помещение изолирующей прокладки между нижним и верхним стержнями. Таким образом можно достичь лучшей электроизоляции между нижними и верхними стержнями.

Опорный кронштейн лобовых частей обмотки согласно настоящему изобретению может применяться также, когда нижний стержень и верхний стержень расположены в радиальном направлении друг над другом, причем в направлении вдоль периферии между двумя соседними нижними стержнями и/или верхними стержнями может быть помещена прокладка, высота которой, по меньшей мере, равна высоте нижнего стержня или, соответственно, верхнего стержня, но предпочтительно немного превышает ее.

Осевое смещение внутреннего кольца можно очень просто заблокировать, предусмотрев в зоне внутреннего кольца блокирующее устройство, например пластинчатое, которое взаимодействует с внутренним кольцом и предотвращает осевое смещение внутреннего кольца или лобовых частей обмотки, не мешая при этом смещению лобовых частей обмотки в радиальном направлении.

Кроме того, блокировочные пластины позволяют благодаря зацеплению в нескольких находящихся на внутренней поверхности внутреннего кольца радиальных пазах осуществить центровку лобовых частей обмотки.

Целесообразно, чтобы в зоне лобовых частей обмотки охлаждающий воздух можно было вывести наружу в осевом направлении между стержнями обмотки и/или сквозь прокладки, это обеспечит улучшенное охлаждение лобовых частей обмотки.

Изобретение относится также к способу монтажа обмотки ротора с опорным кронштейном лобовых частей обмотки, причем способ включает следующие шаги:

a) размещают внутреннее кольцо на расстоянии от пакета сердечника корпуса ротора,

b) вкладывают в пакет сердечника распределенные по периферии стержни обмотки, которые для образования лобовых частей обмотки выступают за осевой конец пакета сердечника, и

c) на расстоянии от пакета сердечника в зоне лобовых частей обмотки подвергают термоусадке наружное кольцо на стержни обмотки и внутреннее кольцо, с образованием единого узла, включающего наружное кольцо, стержни обмотки в зоне лобовых частей обмотки и внутреннее кольцо, таким образом, что единый узел, по существу, сохраняет свободу смещения в радиальном направлении.

Таким образом, лобовые части обмотки благодаря противонаправленным напряжениям получают опору в радиальном направлении и в процессе эксплуатации оказываются защищены от механических нагрузок, создаваемых возникающими центробежными силами.

Предпочтительно перед термоусадкой наружного кольца в зоне лобовых частей обмотки между двумя соседними в направлении вдоль периферии стержнями обмотки помещают прокладку, которая предпочтительно выше, чем стержни обмотки.

Благодаря этому на стержни обмотки не будут передаваться радиальные усадочные напряжения.

В способе согласно настоящему изобретению стержни обмотки и прокладки могут также располагаться в два слоя.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение описывается на основе приводимых для примера схематических и не ограничивающих Фиг.1-3. На них представлены:

Фиг.1 - продольный разрез ротора электрической машины,

Фиг.2 - поперечный разрез лобовых частей обмотки ротора, и

Фиг.3 - вид лобовых частей обмотки ротора в радиальном направлении.

Осуществление изобретения

Показанный на Фиг.1 ротор 1 электрической машины, например гидрогенератора, включает крестовину втулки 2, на которой известным образом помещен пакет сердечника 3 ротора 1. При этом пакет сердечника 3 скреплен хорошо известными нажимными болтами 4. Крестовина втулки 2 и пакет сердечника 3 образуют при этом корпус 11 ротора 1. В радиально наружной зоне пакета сердечника 3 расположены не показанные на Фиг. пазы, в которые вкладывают заизолированные стержни обмотки, в данном случае верхний стержень 5 и нижний стержень 6, и закрепляют в радиальном направлении пазовыми клиньями. Такая конструкция хорошо известна, поэтому подробнее здесь не объясняется. Стержни 5, 6 обмотки выступают в осевом направлении с обеих сторон из пакета сердечника 3 и образуют снаружи пакета сердечника 3 так называемые лобовые части обмотки 7. Стержни 5, 6 обмотки, как хорошо известно, в зоне лобовых частей обмотки 7 располагаются косо относительно осевого направления, причем верхний стержень 5 и нижний стержень 6 скошены встречно, так что они перекрещиваются, как схематически показано на Фиг.3. Для образования обмоток верхние стержни 5 и нижние стержни 6, предпочтительно на их осевых концах, соединяются друг с другом штыревыми межкатушечными соединителями 8.

Стержни 5, 6 обмотки согласно настоящему изобретению располагаются в зоне лобовых частей обмотки 7 между внутренним кольцом 12 и наружным кольцом 10 и образуют вместе с ними единый узел. Оба кольца 10, 12 располагаются на расстоянии от корпуса 11 ротора или от пакета сердечника 3, предпочтительно на расстоянии в осевом направлении, не касаются их и, соответственно, не соединены с ними. Таким образом, оба кольца 10, 12 не опираются, по меньшей мере, в радиальном направлении на корпус 11 ротора, или на пакет сердечника 3, или еще на что-то, а могут беспрепятственно расширяться в радиальном направлении. Блокирующее устройство 9, например блокировочная пластина, которая закрепляется на несущей консоли 16, служит, по существу, для того, чтобы предотвратить осевое смещение лобовых частей обмотки 7 с кольцами 10, 12 и отцентровать внутреннее кольцо 12. Но это блокирующее устройство 9, по существу, не мешает свободному расширению единого узла в радиальном направлении. Блокирующее устройство 9 может, к примеру, быть выполнено в виде пластины с выступом (как показано на Фиг.1), причем выступ в осевом направлении входит как ключ в паз внутреннего кольца 12, но в радиальном направлении пластина расположена на расстоянии от внутреннего кольца 12, и, таким образом, смещение в радиальном направлении не ограничено.

Наружное кольцо 10 подвергается термоусадке на лобовых частях обмотки 7 и, благодаря противонаправленным напряжениям, образует с внутренним кольцом 12 единый узел. При этом для предотвращения силового воздействия на стержни 5, 6 обмотки, которое может, к примеру, повредить изоляцию стержней 5, 6 обмотки, между стержнями 5, 6 обмотки (в направлении вдоль периферии) может быть предусмотрено размещение прокладок 14, высота которых, по меньшей мере, равна высоте стержней 5, 6 обмотки, но предпочтительно несколько превышает высоту стержней, - по меньшей мере, настолько, чтобы усадочные напряжения не передавались на стержни 5, 6 обмотки (например, на 0,5-1 мм выше стержней 5, 6 обмотки). Это сугубо схематически и в увеличенном виде представлено на Фиг.2. Кроме того, как и стержни 5, 6 обмотки, прокладки 14 расположены встречно косо и перекрещиваются (см. выше). Благодаря этому усадочные напряжения от наружного кольца 10 через прокладки 14 отводятся на внутреннее кольцо (по существу, через места пересечения прокладок 14), стержни 5, 6 обмотки остаются в радиальном направлении, по существу, свободными от воздействия усадочных напряжений и в некоторых пределах могут даже смещаться в радиальном направлении. Благодаря этому возникает единый узел, включающий наружное кольцо 10, прокладки 14 и внутреннее кольцо 12, причем стержни 5, 6 обмотки вставлены в этот единый узел и, по существу, остаются свободными от силовых воздействий. И если при этом соответствующим образом, с учетом модулей упругости, выбраны материалы этих частей, их геометрия и/или усадочные температуры, то стержни 5, 6 обмотки под воздействием центробежных сил на лобовые части обмотки 7 получат в зоне лобовых частей обмотки примерно такое же смещение в радиальном направлении, как и в зоне корпуса 11 ротора, вследствие чего механическая нагрузка на стержни 5, 6 обмотки будет минимальной. Радиальные относительные смещения между корпусом 11 ротора и лобовыми частями обмотки 7 могут во всех рабочих режимах сохраняться столь малыми, что почти не создаются напряжения изгиба или среза стержней 5, 6 обмотки.

Разумеется, прокладки 14 не обязательно должны помещаться между всеми стержнями 5, 6 обмотки, но могут быть предусмотрены и просветы, сквозь которые может, например, продуваться охлаждающий воздух.

Если прокладки 14 выполнены в виде деталей полого профиля, как показано на Фиг.2, то их можно также использовать для подачи охлаждающего воздуха. Предпочтительно такая деталь полого профиля выполняется с ребрами, ориентированными в продольном направлении, то есть параллельно стержням обмотки. Для этого, например, располагают в радиальном направлении внутри лобовых частей обмотки 7 радиальный вентилятор 13 (показан на Фиг.1), который всасывает холодный охлаждающий воздух, например из не показанного теплообменника, и подает в радиальном направлении наружу к лобовым частям обмотки 7. Там охлаждающий воздух отклоняется от радиального направления к осевому направлению, например, соответствующим дефлектором и течет затем сквозь каналы полых профилей прокладок 14 в осевом направлении наружу, вследствие чего охлаждаются лобовые части обмотки. Эта подача охлаждающего воздуха показана на Фиг.1 и Фиг.3 стрелками.

Кроме того, для достижения лучшей электроизоляции верхних и нижних стержней 5, 6 возможно размещение изолирующих прокладок 15, например из грубоволокнистой ткани, между верхним стержнем 5 и нижним стержнем 6, и/или между верхним стержнем 5 и наружным кольцом 10, и/или между нижними стержнями 6 и внутренним кольцом 12. В этом случае изолирующие прокладки 15, разумеется, также являются частью единого узла.

Монтаж опорного кронштейна лобовых частей обмотки согласно настоящему изобретению может при этом производиться следующим образом: вначале в зоне лобовых частей обмотки 7 располагают внутреннее кольцо 12, затем вкладывают и закрепляют в пазах нижние стержни 6. После этого в зоне лобовых частей обмотки между нижними стержнями 6 вкладывают прокладки 14. Затем можно поместить изолирующую прокладку 15 вокруг прокладок 14. После этого верхние стержни 5 могут быть вложены в пазы. Затем эти пазы уже могут быть и закрыты пазовыми клиньями. Когда верхние стержни 5 вложены, между ними в зоне лобовых частей обмотки возможно размещение дополнительных прокладок 14. На этой стадии монтажа могут также осуществляться коммутационные соединения, размещение межкатушечных соединителей 8 и изолирующих крышек. При необходимости может также размещаться дополнительная изолирующая прокладка 15 вокруг верхних стержней 5 или вокруг прокладок 14. Затем надевают нагретое до определенной температуры, например 160-200°С, наружное кольцо 10 и охлаждают его. Таким образом подвергают усадке наружное кольцо 10, причем усадке на внутреннее кольцо 12 (через прокладки 14), вследствие чего образуется единый узел. Тем самым лобовые части обмотки 7 благодаря противонаправленным напряжениям получают опору в радиальном направлении и в процессе эксплуатации оказываются защищены от механических нагрузок, создаваемых возникающими центробежными силами.

Единый узел, включающий внутреннее кольцо 12, стержни 5, 6 обмотки, прокладки 14 и, при необходимости, изолирующие слои 15, может при этом быть сформирован так, что радиальные относительные смещения корпуса 11 ротора и лобовых частей обмотки 7 во всех рабочих режимах остаются малыми, и почти не создаются напряжения изгиба или среза стержней 5, 6 обмотки.

Изобретение относится к области электрических машин. Опорный кронштейн лобовых частей обмотки включает внутреннее кольцо (12) и наружное кольцо (10), между которыми в зоне лобовых частей обмотки (7) расположены стержни (5, 6) обмотки, наружное кольцо (10) подвержено термоусадке на внутреннем кольце (12), наружное кольцо (10) и внутреннее кольцо (12) расположены на расстоянии от пакета сердечника (3). Способ монтажа обмотки ротора с опорным кронштейном лобовых частей обмотки включает размещение внутреннего кольца на расстоянии от пакета сердечника (3) корпуса ротора, вкладывание в пакет сердечника стержней обмотки, термоусадку наружного кольца на стержни обмотки и на внутреннее кольцо с образованием единого узла. Техническим результатом является предотвращение относительных смещений между лобовыми частями обмотки и корпусом ротора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Опорный кронштейн лобовых частей обмотки ротора (1) электрической машины, включающего пакет сердечника (3), в котором стержни (5, 6) обмотки распределены по его периферии, причем стержни (5, 6) обмотки выступают за осевой конец пакета сердечника (3) с образованием лобовых частей обмотки (7), отличающийся тем, что опорный кронштейн в зоне лобовых частей обмотки (7) включает наружное кольцо (10) и внутреннее кольцо (12), между которыми в зоне лобовых частей обмотки (7) расположены стержни (5, 6) обмотки, причем наружное кольцо (10) подвержено термоусадке и в зоне лобовых частей обмотки (7) образует с внутренним кольцом (12) и стержнями (5, 6) обмотки единый узел, при этом как наружное кольцо (10), так и внутреннее кольцо (12) расположены на расстоянии от пакета сердечника (3), так что единый узел может, по существу, свободно смещаться в радиальном направлении.

2. Опорный кронштейн по п.1, отличающийся тем, что в зоне лобовых частей обмотки (7) между двумя соседними в направлении вдоль периферии стержнями (5, 6) обмотки помещена в направлении вдоль периферии прокладка (14), высота которой, по меньшей мере, равна высоте стержней (5, 6) обмотки, но предпочтительно несколько превышает высоту стержней.

3. Опорный кронштейн по п.2, отличающийся тем, что прокладка (14) выполнена в виде детали полого профиля.

4. Опорный кронштейн по п.1, отличающийся тем, что в радиальном направлении между внутренним кольцом (12) и стержнями (5, 6) обмотки и/или между наружным кольцом (10) и стержнями (5, 6) обмотки помещена изолирующая прокладка (15).

5. Опорный кронштейн по п.1, отличающийся тем, что в радиальном направлении нижний стержень (6) и верхний стержень (5) расположены друг над другом, а в направлении вдоль периферии между двумя соседними нижними стержнями (6) и/или верхними стержнями (5) помещена прокладка (14), высота которой, по меньшей мере, равна высоте нижнего стержня (6) или, соответственно, верхнего стержня (5), но предпочтительно несколько превышает ее.

6. Опорный кронштейн по п.5, отличающийся тем, что в радиальном направлении между нижними стержнями (6) и верхними стержнями (5) помещена изолирующая прокладка (15).

7. Опорный кронштейн по п.1, отличающийся тем, что в зоне внутреннего кольца (12) предусмотрено блокирующее устройство (9), которое взаимодействует с внутренним кольцом (12) и предотвращает осевое смещение лобовых частей обмотки (7).

8. Опорный кронштейн по одному из пп.2-7, отличающийся тем, что в зоне лобовых частей обмотки (7) выполнен с возможностью вывода охлаждающего воздуха наружу в осевом направлении между стержнями (5, 6) обмотки и/или сквозь прокладки (14).

9. Способ монтажа обмотки ротора с опорным кронштейном лобовых частей обмотки, отличающийся тем, что
a) размещают внутреннее кольцо (12) на расстоянии от пакета сердечника (3) корпуса ротора,
b) вкладывают в пакет сердечника (3) распределенные по периферии стержни (6) обмотки, с обеспечением их выступа за осевой конец пакета сердечника (3) для образования лобовых частей обмотки (7), и
c) подвергают термоусадке, на расстоянии от пакета сердечника (3) в зоне лобовых частей обмотки (7), наружное кольцо (10) на стержни (6) обмотки и на внутреннее кольцо (12) с образованием единого узла, включающего наружное кольцо (10), стержни (6) обмотки в зоне лобовых частей обмотки (7) и внутреннее кольцо (12), таким образом, что единый узел, по существу, сохраняет свободу смещения в радиальном направлении.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что перед термоусадкой наружного кольца (10) в зоне лобовых частей обмотки (7) между двумя соседними в направлении вдоль периферии стержнями (6) обмотки помещают прокладку (14), которая предпочтительно выше, чем стержни (6) обмотки.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что между внутренним кольцом (12) и стержнями (6) обмотки и/или между стержнями (6) обмотки и наружным кольцом (10) помещают изолирующую прокладку (15).

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что перед термоусадкой наружного кольца (10) в пакет сердечника (3) на первый слой стержней (6) обмотки вкладывают второй слой распределенных по периферии стержней (5) обмотки.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что перед термоусадкой наружного кольца (10) в зоне лобовых частей обмотки (7) между двумя соседними стержнями (5) обмотки второго слоя помещают прокладку (14), которая предпочтительно выше, чем стержни (5) обмотки.

14. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что между внутренним кольцом (12) и стержнями (6) обмотки первого слоя, и/или между стержнями (5, 6) обмотки первого и второго слоя, и/или между стержнями (5) обмотки второго слоя и наружным кольцом (10) помещают изолирующую прокладку (15).

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что в зоне внутреннего кольца (12) помещают блокирующее устройство (9), которое взаимодействует с внутренним кольцом (12) и предотвращает осевое смещение лобовых частей обмотки (7), а также обеспечивает их центровку.