ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ОДНИМ РОТОРОМ И ОДНИМ СТАТОРОМ И УСТРОЙСТВОМ КОНТРОЛЯ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА МЕЖДУ РОТОРОМ И СТАТОРОМ Российский патент 2015 года по МПК H02K11/00 

Изобретение относится к области электрических машин. Изобретение относится к электрической машине в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения.

Асинхронные электрические машины двойного питания в диапазоне мощности от 20 МВА до 500 МВА могут применяться для выработки энергии с переменной частотой вращения ротора. Данные машины отличаются распределенной трехфазной обмоткой на роторе. Обмотка ротора состоит из отдельных стержней, которые уложены в пакете листов ротора в пазы. В лобовой части обмотки отдельные стержни соединяются в обмотку. Стержневые соединения равномерно распределены по окружности. В результате вращения ротора лобовые части обмоток подвержены воздействию центробежных сил, от которых они должны быть механически защищены посредством систем укладки лобовой части обмотки. Принципиально сегодня известны три вида систем укладки лобовой части обмоток:

1. Соединение посредством стального стакана, как это выполнено в турбогенераторах.

2. Закрепление, при котором вся лобовая часть обмотки обматывается стальным кабелем, проволокой или пластиковой пленкой.

3. Фиксация посредством болтов, винтов или U-образных скоб.

На фиг.1 в разрезе в упрощенном виде представлена подобная асинхронная электрическая машина 10. Она содержит вращающийся вокруг оси 18 ротор 19, который концентрично окружен статором с пакетом листов статора 14 с соответствующей обмоткой статора и лобовой частью обмотки статора 17. Ротор 19 содержит центральный пакет 11, который на концах переходит в вал 11'. Центральный пакет 11 окружен пакетом листов ротора 12, в котором проходит обмотка ротора 13. На одном из валов 11' расположены контактные кольца 15, которые обеспечивают подачу электричества на обмотку ротора 13. Между пакетом листов ротора 12 и пакетом листов статора 14 предусмотрен цилиндрический воздушный зазор 21, который проходит в осевом направлении сквозь машину.

Воздушный зазор может иметь на разных этапах работы в зависимости от температуры, числа оборотов и других изменяющихся параметров разную геометрию. Эти изменения не существенно влияют на работу машины. Однако может случиться, что недопустимым способом необратимо меняется геометрия ротора или что в воздушный зазор попадают примеси. Для предотвращения вытекающих отсюда неполадок в работе и для проведения заблаговременного осмотра машины существует необходимость своевременно обнаруживать такие изменения в воздушном зазоре.

Поэтому задачей изобретения является усовершенствование упомянутого вначале вида электрической машины таким образом, чтобы своевременно обнаруживать критические изменения геометрии воздушного зазора.

Задача решена посредством технического решения, охарактеризованного признаками п.1 формулы изобретения. Характерным для решения в соответствии с изобретением является то, что предусмотрены проходящие в осевом направлении сквозь воздушный зазор средства контроля воздушного зазора, с помощью которых можно обнаружить изменение геометрии ротора и/или проникновение примесей в воздушный зазор.

Предпочтительным является то, что средства контроля содержат проходящую в осевом направлении сквозь воздушный зазор линию контроля.

Предпочтительно линия контроля проходит параллельно осям.

Линия контроля сформирована, по меньшей мере, посредством одной натянутой проволоки.

В частности, в данном случае предусмотрены средства контроля механического напряжения проволоки.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом выполнения изобретения линия контроля сформирована, по меньшей мере, посредством одного светового луча.

В частности, в данном случае предусмотрены средства для контроля непрерывности светового луча.

Для достижения лучшего разрешения предпочтительно, если несколько параллельных световых лучей через толщину воздушного зазора отдельно образуют линию контроля.

По меньшей мере, одна проволока может быть закреплена посредством подвесов на роторе.

Однако, по меньшей мере, одна проволока может быть закреплена и посредством подвесов на статоре.

Соответствующим способом, по меньшей мере, один световой луч может быть соединен с ротором без возможности поворота.

Однако, по меньшей мере, один световой луч может быть выполнен неподвижным.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:

фиг.1 - разрез асинхронной электрической машины с обмоткой статора и ротора и воздушным зазором между ротором и статором в соответствии с уровнем техники;

фиг.2 - асинхронная машина по фиг.1 с закрепленной на стороне ротора линией контроля в соответствии с первым примером выполнения изобретения;

фиг.3 - аналогичная фиг.2 компоновка синхронной машины с закрепленной на стороне ротора линией контроля в соответствии со вторым предпочтительным вариантом выполнения изобретения;

фиг.4 - асинхронная машина по фиг.1 с закрепленной на стороне статора линией контроля в соответствии с третьим предпочтительным вариантом выполнения изобретения;

фиг.5 - аналогичная фиг.4 компоновка синхронной машины с закрепленной на стороне статора линией контроля в соответствии с четвертым предпочтительным вариантом выполнения изобретения; и

фиг.6 - аналогичная фиг.4 компоновка асинхронной машины с образованной несколькими световыми лучами, закрепленной на стороне статора оптической линией контроля с более высоким пространственным разрешением.

Основная идея настоящего изобретения заключается в том, чтобы с помощью линии контроля в виде натянутой проволоки или оптических средств (лазера) заблаговременно обнаруживать проникновение примесей в воздушный зазор или изменение геометрии ротора. Генерируемый соответствующим устройством контроля сигнал может использоваться с целью защиты или только контроля. При этом различают установленную на роторе без возможности поворота систему, которая служит для контроля статора, и закрепляемую на статоре систему, которая служит для контроля ротора. Однако подобная система может применяться предпочтительно не только в асинхронных машинах, но и в обычных синхронных машинах.

На фиг.2 и 3 показан первый предпочтительный вариант выполнения системы контроля в соответствии с изобретением для асинхронной машины согласно фиг.1 (фиг.2) и для синхронной машины (фиг.3), причем ось машины в отличие от фиг.1 представлена здесь в вертикальном положении. В обоих случаях линия контроля 23 проведена параллельно оси сквозь воздушный зазор 21 между пакетом листов ротора 12 и пакетом листов статора 14. Как уже было упомянуто, линия контроля 23 может образовываться находящейся под механическим напряжением проволокой или световым лучом, который проходит между соответствующим оптическим передатчиком и приемником и который ослабляется или полностью прерывается, если в воздушном зазоре на световой луч влияют примеси или изменения геометрии.

Пример выполнения изобретения по фиг.2 исходит из линии контроля в виде проволоки 23. Состоящая из подходящего материала (перлон, кевлар, алюминий и т.д.) проволока монтируется с помощью подвесов 22 таким образом на роторе 12, что в воздушном зазоре 21 она проходит параллельно оси машины 18. При этом опоры могут быть закреплены на ободе ротора или размещаться непосредственно на торцевых полюсных пластинах. Механическое напряжение в проволоке контролируется. К тому же на подвесе 22 или на самой проволоке (представлено пунктирной линией) расположен датчик механического напряжения 26, который измеряет механическое напряжение в проволоке и передает соответствующие сигналы в блок предварительной обработки данных 27.

На фиг.3 показано аналогичное расположение для синхронной машины 20 с пакетом листов статора 12' и подвесом 22'. Для упрощения представления средства контроля 26, 27 здесь опущены.

Вместо проволоки здесь также может использоваться оптическая система, например лазер и соответствующий приемник. Оптика работает как фотоячейка.

Если на статоре расшатываются детали (например, распорные перемычки вентиляционных панелей) или существенно изменяется геометрия статора, то вращающаяся с ротором проволока соприкасается и соответственно разламывается вращающаяся с ротором фотоячейка.

Два других варианта выполнения изобретения, которые соответствуют фиг.2 и 3, представлены на фиг.4 и 5. В данном случае проволока или фотоячейка (линия контроля 23) закрепляется на статоре. При этом необходимые для этого подвесы 24 или 24' могут размещаться непосредственно на нажимных пальцах, на воздушной обшивке или же (не показан) в корпусе статора. Принцип действия соответствует принципу работы установленной на роторе системы контроля на фиг.2 или 3. Если на роторе расшатываются детали или значительно изменяется геометрия ротора, то проволока соприкасается и соответственно разламывается фотоячейка.

У синхронных машин 20 (фиг.5) описанная система контроля может фиксировать изменение геометрии ротора, например изменение радиального положения полюса, неодинаковое удлинение обода ротора, а также и деформации межполюсных соединений возбудителей и демпферной обмотки.

У асинхронной электрической машины двойного питания (фиг.4) помимо круглости пакета листов ротора, в частности, может контролироваться устройство укладки лобовой части обмотки.

Во всех описанных случаях согласно фиг.6 фотоячейку в форме луча можно заменить на несколько параллельно проходящих световых лучей 23а, 23b и 23с с соответствующим оптическим передатчиком/приемником 25. В данном случае изменение геометрии воздушного зазора и/или нежелательное проникновение примесей может фиксироваться ступенчато. Это может использоваться, например, на первом этапе только для включения сигнализации, и если ситуация обостряется - для остановки машины в соответствии с аварийным случаем. Если сигналы установленной в соответствии с фиг.6 на статоре системы синхронизируются с сигналом датчика вращения, то обработка данных допускает учет радиального положения каждого отдельного полюса. Дополнительно может контролироваться удлинение ротора при разных режимах работы (холостой ход, полная нагрузка, …).

Изобретение относится к области электротехники, в частности к асинхронным или синхронным электрическим машинам (10) с диапазоном мощности в несколько МВА, и предназначено для обнаружения критических изменений геометрии воздушного зазора. Электрическая машина содержит выполненный с возможностью вращения вокруг оси (18) ротор (19) с пакетом листов ротора (12), который концентрично окружен пакетом листов статора (14) и отделен от него посредством кольцевого воздушного зазора (21). Для обеспечения безаварийной работы предусмотрены проходящие в осевом направлении сквозь воздушный зазор средства (23) контроля воздушного зазора (21), с помощью которых обнаруживают изменение геометрии ротора и/или проникновение примесей в воздушный зазор (21). 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электрическая машина (10, 20) с диапазоном мощности в несколько МВА, в частности асинхронная или синхронная машина, содержащая выполненный с возможностью вращения вокруг оси (18) ротор (19) с пакетом листов ротора (12, 12'), который концентрично окружен пакетом листов статора (14) и отделен от него посредством кольцевого воздушного зазора (21), отличающаяся тем, что содержит проходящие в осевом направлении сквозь воздушный зазор средства (23; 23 a, b, c) контроля воздушного зазора (21), предназначенные для обнаружения изменения геометрии ротора и/или проникновения примесей в воздушный зазор (21), причем линия (23) контроля сформирована, по меньшей мере, посредством одной натянутой проволоки.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что средства контроля содержат проходящую в осевом направлении сквозь воздушный зазор (21) линию (23) контроля.

3. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что линия (23) контроля проходит параллельно осям.

4. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что она содержит средства (26, 27) контроля механического напряжения проволоки.

5. Электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что линия (23) контроля сформирована, по меньшей мере, посредством одного светового луча (23 a, b, с).

6. Электрическая машина по п.5, отличающаяся тем, что она содержит средства (25) контроля непрерывности светового луча (23 a, b, c).

7. Электрическая машина по п.5 или 6, отличающаяся тем, что множество параллельных световых лучей через толщину воздушного зазора (21) отдельно образуют линию (23) контроля.

8. Электрическая машина по п.1 или 4, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна проволока закреплена посредством подвесов (22, 22') на роторе (19).

9. Электрическая машина по п.1 или 4, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна проволока закреплена посредством подвесов (24, 24') на статоре.

10. Электрическая машина по п.5 или 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере один световой луч (23 a, b, c) соединен с ротором (19) с фиксацией от поворота.

11. Электрическая машина по п.5 или 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере один световой луч (23 a, b, c) сформирован неподвижным.