ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, В ЧАСТНОСТИ АСИНХРОННАЯ МАШИНА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ С ДИАПАЗОНОМ МОЩНОСТИ ОТ 20 МВА ДО 500 МВА Российский патент 2016 года по МПК H02K3/51 H02K17/22 H02K13/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области производства электрической энергии. В частности, изобретение относится к вращающейся электрической машине, а именно асинхронной машине двойного питания, имеющей диапазон мощности от 20 МВА до 500 МВА, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Асинхронные машины двойного питания с диапазоном мощности от 20 МВА до 500 МВА могут использоваться для производства электроэнергии с переменной скоростью вращения машины. Эти машины отличаются наличием распределенной трехфазной обмотки на роторе. Обмотка ротора содержит отдельные стержни, которые вложены в пазы в пакете пластин сердечника ротора. Эти стержни соединены между собой в лобовой части обмотки, образуя обмотку. Ток подается по меньшей мере через три контактных кольца, которые смонтированы на валу ротора на конце машины. Часть машины показана на фиг. 1 в очень упрощенном виде. Асинхронная машина 10, показанная на фиг. 1, имеет ось 19. Центральный сердечник 11, содержащий вал 11а, на котором скомпонованы контактные кольца 17, может вращаться относительно оси 19. Вокруг центрального сердечника 11 выполнен шихтованный сердечник 12 ротора с вспомогательным ободом 13, примыкающим к шихтованному сердечнику ротора под лобовой частью 14 обмотки ротора. Шихтованный сердечник 12 ротора концентрически окружен шихтованным сердечником 15 статора, в котором размещена обмотка статора, выступающая наружу на конце сердечника 15 с лобовой частью 16 обмотки статора.

Три фазы обмотки ротора должны быть подсоединены к контактным кольцам 17 на конце вала 11а. С этой целью на валу 11а предусмотрены проводники (не показаны), которые подсоединены, во-первых, к контактным кольцам 17, а во-вторых, к лобовым частям 14 обмотки на уровне концов лобовых частей обмоток. Соединители 18 (показанные пунктирными линиями на фиг. 1), установленные под прямыми углами к валу, должны быть изолированы, чтобы была возможность подвести испытательное напряжение ротора. По соединителям 18 протекает номинальный ток ротора, и в этом случае не должно быть превышения требуемого предельного значения температуры. Система соединителей 18 должна быть достаточно гибкой в осевом направлении (в точке соединения с обмоткой) и в радиальном направлении, чтобы компенсировать тепловое расширение обмотки в осевом направлении, и расширение сердечника ротора в радиальном направлении. Наконец, соединители 18 должны быть защищены от больших центробежных усилий.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, задача изобретения состоит в обеспечении вращающейся электрической машины вышеупомянутого типа, которая удовлетворяет сформулированным выше требованиям.

Эта задача решается вращающейся электрической машиной типа, упомянутого в п. 1 формулы изобретения.

Согласно настоящему изобретению вращающаяся электрическая машина, в частности асинхронная машина двойного питания с диапазоном мощности от 20 МВА до 500 МВА содержит ротор, который вращается относительно оси машины, причем ротор концентрически окружен статором и содержит шихтованный сердечник ротора, и вал, где шихтованный сердечник ротора несет на себе роторную обмотку, которая расположена снаружи и соединена через соединители с контактными кольцами, расположенными на конце вала. Изобретение отличается тем, что указанные соединители содержат механические соединители, идущие под прямыми углами к валу, для поглощения сил, возникающих в результате центробежного ускорения, причем они подсоединены, во-первых, к лобовой части обмотки ротора, а во-вторых, опираются на вспомогательный обод на шихтованном сердечнике ротора.

Одна из конфигураций машины согласно настоящему изобретению отличается тем, что механические соединители соединены с лобовой частью обмотки ротора через соединения лобовой части обмотки, и тем, что соединители опираются на вспомогательный обод через расширенный вспомогательный обод, который выступает в осевом направлении, предпочтительно состоит из наслоенных друг на друга пластин и образует замкнутое кольцо.

Другая конфигурация отличается тем, что механические соединители расположены на той же высоте относительно оси, что и соединения лобовых частей обмоток. В результате удается надежно избежать изгибающих механических напряжений в соединителях.

Еще одна конфигурация изобретения отличается тем, что механические соединители проходят через расширенный вспомогательный обод в радиальном направлении, причем расширенный вспомогательный обод соединен с вспомогательным ободом болтами, чтобы избежать изгибающих механических напряжений в механических соединителях.

Согласно следующей конфигурации механические соединители состоят из электропроводного материала, который выдерживает высокую механическую нагрузку, в частности из стали.

В частности, механические соединители также могут быть электрически соединены с лобовой частью обмотки ротора или соединениями лобовой части обмотки ротора.

Особенно выгодно, если механические соединители электрически изолированы окружающей их изоляцией, и если центробежные силы, которые поглощаются механическими соединителями, передаются через концы (скомпонованные под прямыми углами) соединителей и через блоки изоляции, скомпонованные на внутренней стороне вспомогательного обода или расширенного вспомогательного обода, на вспомогательный обод или расширенный вспомогательный обод.

Другая конфигурация настоящего изобретения отличается тем, что обеспечены дополнительные электрические соединители для фактической передачи тока, которые электрически соединены параллельно с механическими соединителями.

Предпочтительно, чтобы электрические соединители проходили снаружи вспомогательного обода или расширенного вспомогательного обода для улучшения охлаждения.

В частности, электрические соединители могут состоять из материалов, которые можно подвергать небольшой механической нагрузке, но которые имеют хорошую электропроводность, в частности из меди.

Еще одна конфигурация отличается тем, что электрические соединители изогнуты назад под прямыми углами на внутренней стороне для передачи возникающих центробежных усилий через блоки изоляции к внутренней стороне вспомогательного обода или расширенного вспомогательного обода, и отличается тем, что электрические соединители защищены в осевом направлении внешними концевыми пластинами.

Следующий вариант воплощения изобретения отличается тем, что электрические и механические соединители электрически соединены соединениями соединителей, и тем, что соединения соединителей электрически соединены с гибкими переходниками, создающими контакт с питающими шинами, расположенными на валу.

Предпочтительно, чтобы гибкие переходники имели U-образную форму.

Однако также возможна конструкция гибких переходников, состоящая из отдельных пластин.

Переходники также могут состоять из материала, который нельзя подвергать большой механической нагрузке, но который имеет хорошую электропроводность, в частности из меди.

Согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения во избежание разбалансировки ротора соединители размещены по окружности, причем эти соединители не выполняют ни механическую, ни электрическую функцию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее следует более подробное описание примерных вариантов изобретения со ссылками на чертежи, на которых:

Фиг. 1 - часть асинхронной машины в очень упрощенном виде;

фиг. 2 - показанная в продольном разрезе параллельная компоновка механических и электрических соединителей согласно примерному варианту настоящего изобретения; и

фиг. 3 - вид в плане в осевом направлении на компоновку, показанную на фиг. 2.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основные составные части питающих шин ротора или соединителей 18 согласно примерному варианту настоящего изобретения показаны на фиг. 2 и 3. Ток проходит от контактных колец 17 через вал 11а, через питающие шины 28 на валу на соединения 26 соединителей. Действующие соединители 18а, 18b создают электрический контакт между соединениями 26 соединителей и соединениями 20 лобовой части обмотки, которые соединены с обмоткой ротора (лобовой частью 14 обмотки ротора). Далее описываются подробности функционирования отдельных частей.

Соединения 20 лобовой части обмотки создают контакт между соединителями 18а, 18b и соответствующими соединительными стержнями обмотки ротора; в этом случае они могут быть соединены с множеством соединителей 18а, 18b, распределенных по окружности. Они должны быть сконфигурированы (вместе с соединителями 18а, 18) достаточно гибкими с тем, чтобы дать возможность воспринимать осевое тепловое расширение (в направлении x по фиг. 2) обмотки.

Соединители 18а, 18b являются ключевым моментом настоящего изобретения. На фиг. 2 показано базовое разделение на электрические соединители 18а и механические соединители 18b. Задачей механических соединителей 18b является поглощение усилий соединений 20 лобовой части обмотки, которые возникают в результате центробежного ускорения, и передача этих усилий на вспомогательный обод 13. С этой целью вспомогательный обод 13 расширен в осевом направлении расширенным вспомогательным ободом 22. Механические соединители 18b проходят в радиальном направлении (направление r на фиг. 2) через расширенный вспомогательный обод 22, который содержит сложенные друг с другом пластины и образует замкнутое кольцо, соединенное с вспомогательным ободом 13 болтами 23. Чтобы избежать появления изгибающих механических напряжений в соединителях 18а, 18b, механические соединители 18b предпочтительно располагать на той же осевой высоте, что и соединения 20 лобовой части обмотки.

Механические соединители 18b состоят из материала, который может выдерживать высокую механическую нагрузку, а также может быть использован в качестве электрического проводника, если это потребуется, например, из стали. Механические соединители 18b также электрически соединены с соединениями 20 лобовой части обмотки, и участвуют в передаче тока, причем эта функция не является обязательной. Если механические соединители 18b находятся в прямом контакте с электрическим соединителями 18а, они должны быть изолированы соответствующим образом. С этой целью, как показано на фиг. 2, используется сначала изоляция 29, которая непосредственно окружает соединители 18а, 18b, а затем блок 25 изоляции, расположенный на внутренней окружности расширенного вспомогательного обода 22. Центробежные силы, которые поглощаются механическими соединителями 18b, передаются указанными механическими соединителями на расширенный вспомогательный обод 22. Передача усилий имеет место через концы соединителей 18а, 18b, которые скомпонованы в виде прямоугольника, на блоки 25 изоляции, то есть на внутреннюю сторону расширенного вспомогательного обода 22.

Благодаря этой процедуре удается избежать больших дополнительных радиальных усилий на соединительных болтах 23, причем эти дополнительные радиальные усилия возникают, если соединители 18а, 18b были соединены непосредственно с болтами 23 в результате сдвига. В соответствии с требуемой тангенциальной длиной соединений лобовой части обмотки, соединения обмотки ограничены одним или несколькими механическими соединителями 18b. Во избежание разбалансировки ротора в результате воздействия массы соединителей 18а, 18b могут быть предусмотрены «фиктивные соединители», распределенные по окружности, причем эти фиктивные соединители не выполняют ни механическую, ни электрическую функцию.

Если необходимо передавать только малые токи, это можно просто реализовать через вышеописанные механические соединители 18b. Однако в случае больших токов и связанных с ними больших потерь механические соединители будут перегреваться. По этой причине предпочтительно обеспечить электрические соединители 18а для фактической передачи тока. Указанные электрические соединители электрически соединены параллельно с механическими соединителями 18b, если механические соединители также участвуют в передаче тока. Электрические соединители 18а проходят вне расширенного вспомогательного обода 22 (фиг. 2) и, следовательно, эффективно охлаждаются. В результате вращения также появляются механические усилия на этих соединителях 18а. Однако в отличие от механических соединителей 18b электрические соединители 18а не должны амортизировать какие-либо дополнительные усилия, и поэтому они могут быть выполнены из материалов, таких как, например, медь, которые в состоянии выдержать низкую механическую нагрузку, но имеют хорошую проводимость по сравнению с механическими соединителями 18b. Электрические соединители 18а изогнуты назад под прямым углом на внутренней стороне, чтобы передавать центробежные усилия, поступающие через блоки 25 изоляции, на внутреннюю сторону расширенного вспомогательного обода 22. Электрические соединители 18а защищены в осевом направлении наружными концевыми пластинами 24.

Соединители 18а, 18b электрически соединены с помощью соединений 26 соединителей (фиг. 3) на внутренней стороне расширенного вспомогательного обода 22. Центробежные силы, возникающие в соединениях 26 соединителей, амортизируются расширенным вспомогательным ободом 22. С этой целью они поддерживаются в радиальном направлении посредством дополнительных блоков изоляции. Соединения 26 соединителей электрически соединены с гибкими переходниками 27, которые создают контакт со специальными питающими шинами 28 вала.

Питающие шины 28 вала соединены с проводниками (не показаны) в валу 11а и жестко смонтированы на плечах соединенного звездой ротора асинхронной машины. Поскольку многослойный шихтованный сердечник 12 может расширяться в процессе эксплуатации между питающими шинами 28 вала и соединителями 18а, 18b, необходимо иметь гибкое соединение в радиальном направлении. Эта задача решается путем использования гибких переходников 27. С этой целью указанные переходники могут иметь конструкцию U-образной формы, как показано на фиг. 3. Если необходимо, то гибкие переходники 27 также могут быть сконструированы из отдельных пластин, чтобы обеспечить дополнительную гибкость. Указанные переходники 27 не подвергаются высоким механическим нагрузкам, поскольку питающие шины 28 вала ограничены плечами соединенного звездой ротора, а соединители 26 соединений ограничены расширенным вспомогательным ободом 32. Следовательно, они могут быть выполнены из материала, например, такого как медь, который нельзя подвергать большим механическим нагрузкам, но которые имеют хорошую проводимость.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10 - асинхронная машина

11 - центральный сердечник

11а - вал

12 - шихтованный сердечник ротора

13 - вспомогательный обод

14 - лобовая часть обмотки ротора

15 - шихтованный сердечник статора

16 - лобовая часть обмотки статора

17 - контактное кольцо

18 - питающая шина (соединитель) ротора

18а - электрический соединитель

18b - механический соединитель

19 - ось машины

20 - соединение лобовой части обмотки

21 - отходящая шина (к контактным кольцам)

22 - расширенный вспомогательный обод

23 - болт

24 - концевая пластина

25 - блок изоляции

26 - соединение соединителя

27 - переходник (гибкий)

28 - питающая шина вала

29 - изоляция

Изобретение относится к области производства электрической энергии, в частности к асинхронной машине двойного питания с диапазоном мощности от 20 МВА до 500 МВА. Технический результат - повышение надёжности. Вращающаяся электрическая машина, в частности асинхронная машина двойного питания с диапазоном мощности от 20 МВА до 500 МВА, содержит ротор, вращающийся относительно оси машины, статор, концентрически окружающий ротор. Ротор содержит вал и шихтованный сердечник, несущий на себе роторную обмотку, которая соединена через соединители с контактными кольцами, расположенными изнутри на конце вала. При этом соединители включают механические соединители, идущие под прямыми углами к валу, для поглощения сил, возникающих в результате центробежного ускорения, которые подсоединены к лобовой части обмотки ротора и опираются на вспомогательный обод на шихтованном сердечнике ротора. Электрическая машина содержит также дополнительно электрические соединители для действительной передачи тока, причем электрические соединители электрически соединены параллельно с механическими соединителями. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вращающаяся электрическая машина, в частности асинхронная машина (10) двойного питания с диапазоном мощности от 20 МВА до 500 МВА, содержащая ротор (11, 11а, 12, 14), который вращается относительно оси (19) машины, причем ротор концентрически окружен статором (15, 16) и содержит шихтованный сердечник (12) ротора, и вал (11а), где шихтованный сердечник (12) ротора несет на себе роторную обмотку, которая расположена далее снаружи и соединена через соединители (18) с контактными кольцами (17), расположенными далее изнутри на конце вала (11а), при этом соединители (18) содержат механические соединители (18b), идущие под прямыми углами к валу (11а), для поглощения сил, возникающих в результате центробежного ускорения, и подсоединены, во первых, к лобовой части (14) обмотки ротора, а во вторых, опираются на вспомогательный обод (13, 22) на шихтованном сердечнике (12) ротора, отличающаяся тем, что обеспечены дополнительные электрические соединители (18а) для действительной передачи тока, причем электрические соединители электрически соединены параллельно с механическими соединителями (18b).

2. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что механические соединители (18b) соединены с лобовой частью (14) обмотки ротора через соединения (20) лобовой части обмотки, и тем, что они опираются на вспомогательный обод (13) через расширенный вспомогательный обод (22), который расширяет вспомогательный обод (13) в осевом направлении и предпочтительно состоит из наслоенных друг на друга пластин и образует замкнутое кольцо.

3. Вращающаяся электрическая машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что механические соединители (18b) расположены на той же осевой высоте, что и соединения (20) лобовых частей обмоток.

4. Вращающаяся электрическая машина по п. 2, отличающаяся тем, что механические соединители (18b) проходят через расширенный вспомогательный обод (22) в радиальном направлении, причем расширенный вспомогательный обод соединен с вспомогательным ободом (13) болтами (23), чтобы избежать изгибающих механических напряжений в механических соединителях (18b).

5. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что механические соединители (18b) состоят из электропроводного материала, который может подвергаться высоким механическим нагрузкам, в частности из стали.

6. Вращающаяся электрическая машина по п. 5, отличающаяся тем, что механические соединители (18b) также электрически соединены с лобовой частью (14) обмотки ротора или соединениями (20) лобовой части обмотки.

7. Вращающаяся электрическая машина по п. 6, отличающаяся тем, что механические соединители (18b) электрически изолированы окружающей их изоляцией (29), и тем, что центробежные силы, которые поглощаются механическими соединителями (18b), передаются через концы, расположенные под прямыми углами, соединителей (18b) и через блоки (25) изоляции, расположенные на внутренней стороне вспомогательного обода (13) или расширенного вспомогательного обода (22), на вспомогательный обод (13) или расширенный вспомогательный обод (22).

8. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что электрические соединители (18а) проходят снаружи вспомогательного обода (13) или расширенного вспомогательного обода (22) для улучшения охлаждения.

9. Вращающаяся электрическая машина по п. 8, отличающаяся тем, что электрические соединители (18а) состоят из материалов, которые можно подвергать небольшой механической нагрузке, но которые имеют хорошую электропроводность, в частности из меди.

10. Вращающаяся электрическая машина по п. 8, отличающаяся тем, что электрические соединители (18а) изогнуты назад под прямыми углами на внутренней стороне для передачи возникающих центробежных сил через блоки (25) изоляции к внутренней стороне вспомогательного обода (13) или расширенного вспомогательного обода (22), и тем, что электрические соединители (18а) защищены в осевом направлении внешними концевыми пластинами (24).

11. Вращающаяся электрическая машина по п. 9 или 10, отличающаяся тем, что электрические и механические соединители (18а, 18b) электрически соединены соединениями (26) соединителей, и тем, что соединения (26) соединителей электрически соединены с гибкими переходниками (27), создающими контакт с питающими шинами (28), расположенными на валу (11а).

12. Вращающаяся электрическая машина по п. 11, отличающаяся тем, что гибкие переходники (27) имеют U-образную форму.

13. Вращающаяся электрическая машина по п. 11, отличающаяся тем, что гибкие переходники (27) сконструированы из отдельных пластин.

14. Вращающаяся электрическая машина по п. 11, отличающаяся тем, что переходники (27) состоят из материала, который нельзя подвергать большой механической нагрузке, но который имеет хорошую электропроводность, в частности из меди.