Статор электрической машины Советский патент 1982 года по МПК H02K1/20 

(5) СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

1

Изобретение относится к эле стро ашиностроению, а более конкретно к конструкции статора турбогенератора большой мощности. В турбогенераторостроении одной из узловых проблем является снижение нагрева торцовой зоны сердечника статора. Это связано с повышением интенсивности магнитных полей рассеяний в зоне лобовых частей обмоток в создаваемых машинах мощностью 1 млн кВт и выше. Для машин меньшей мощности - 200000, 300000, 500000 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 устанавливается 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 пересекаю1цимися в соседних слоях сегментов 1J.

Недостатком такой конструкции является во-первых, то, что охлаж10даемый канал в зубце образуется только в месте взаимного пересечения прорезей, а не по всей их длине, он закрыт со стороны расточки для входа охлаждающего газа; во-вторых,

15 даже при равномерном магнитном аксиальном потоке, проникающем с торца 8 сердечник, при такой конструкции прорезей имеют место повышенные потери в зубцах.

20

В действительности, как показали проведенные исследования 2}, аксиальное магнитное поле распределяется неравномерно не только в радиальном, но и в тангенциальном направлении, что приводит к еще более выс кому уровню потерь в зубцах l . Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является статор электрической машины со скво ными прорезями в зубцах торцовой зо ны сердечника. Эти прорези открыты со стороны расточки для входа охлаж дающего воздуха, что приводит к улу шению вентиляции этой нагруженной в тепловом отношении зоны . Однако указанная конструкция не лишена серьезных недостатков. В условиях воздействия неравномерного по ширине зубца аксиального магнитного потока рассеяния потери в двух половинах зубца, разделенных рассеч ками, симметричными относительно зу цов, распределены также неравномер но 2, Более высокие потери и тем пература имеют место на сбегающей по отношению к вращающемуся электро магнитному полюи, соответственно, вращению ротора части зубца. Это oi- ранимивает нагрузочную способность турбогенератора и приводит к снижению его надежности.при работе с высокими нагрузками. Цель изобретения - повышение надежности машины и расширение диапаз на допустимых нагрузок путем перераспределения добавочных потерь и снижения пиковых температур в зубца торцовой зоны сердечника статора. Поставленная цель достигается тем,-что в статоре электрической ма шины, содержащем размещенную в паза обмотку и нашихтованный из сегментов электротехнической стали и удер живаемый 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 сторон внутренней расточки сердечника смещены от середины зубца в направлении вращения ротора. В соседних слоях сегментов или групп сегментов упомякутые прорези со стороны внутренней расточки сердечника смещены на разное расстояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаления от торца. 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 зубПо 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 прорези, 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 расточКОИ статора, стенкой паза и другой прорезью на набегающем крае. Прорези в нажимных элементах, например нажимных пальцах, выполнены с конфигурацией, повторяющей конфигурацию прорези в зубцах торцовой зоны 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 стали и удерживаемый в запрессованном состоянии установленными с торцов нажимными элемента5ми - фланцами 3 и нажимными пальца ми 4. В зубцёх торцовой зоны серде ника 2, начиная от его торца, в со седних слоях сегментов указанные п рези, 5 со стороны внутренней расточ ки сердечника смещены от середины зубца в направлении вращения ротора Таким образом, в одной из наибол нагруженных в электромагнитном отношении зоне зубцов торцовой части статора - коронке зубца прорееью пл щадь зубца разделена на неравные участки. Другими словами площади контуров, сцепленных с проникающим со стороны торца сердечника аксиаль ным магнитным потоком рассеяния, в зоне коронки зубца выполнены неодинаковыми. На сбегающем по отношению к вращающемуся магнитному полю, а следовательно по направлению вращения ротора, крае зубца, где аксиаль ный магнитный поток практически во всех режимах больше за счет влияния выпучивания потока пазового рассеяния, площадь участка зубца уменьшена, а на набегающем крае зубца увеличена.. Этим достигается общее уменьшение добавочных потерь, снижение их интенсивности и уменьшение уровня местных температур в коронке зубца торцовой зоны сердечника статора. В соседних слоях сегментов упомя нутые 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 сердечника 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 какдом 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. 2 а не плавно изменяющуюся в аксиальном направлении (фиг. 2). В соседних слоях сег ментов упомянутые 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 участка зубца, ограниченного внутренней расточкой сердечника, сЧенкой 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 распределения потерь и нагрева в зоне основания зубца прорезь 5 расположена посередине. По высоте зубца в сегментах, становленных в торцовой зоне серечника, прорезь 5 смещена на разное расстояние от середины зубца прием смацение уменьшается по мере удаения от внутренней расточки. Такое конструктивное решение в наибольшей тепени соответствует характеру изенейия неравномерности распределения 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 раз ное расстояние от середины зубца так, что площадь любого участка зубца, ограниченного внутренней расточкой статора, стенкой паза и прорезью на сбегающем крае зубца заведомо мен 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 сцепле.ния по отношению к аксиальному магнитному потоку, а также увеличения расхода охлаждающего газа в этом участке вентиляционного канала, образованного прорезью 5. Изменяя ширину- прорези по высоте зубца, можно во всех сечениях зубца получить примерно одинаковый уровень насыщения по отношению к основному полю, что целесообразно для oi- раничения проникновения аксиального магнитного потока в зону основания зубца, где уровень насыщения от основного поля обычно намного ниже, чем вблизи коронки зубца. При проектировании ряда турбогенераторов зубцы сердечника статора получаются сравнительно более широкими, что требует выполнения в cei- ментах установленных в торцовой 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 вентиля28ционный канал в зубце, образованный прорезью 5 в нажимном элементе, например нажимном пальце k, 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 -5 Вт/кг. Технико-экономическая эффективность разработанной 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, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения диапазона допустимых нагрузок, 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. 2.Статор по п. 1, отличающийся тем, что в соседних сегментов или групп cei- ментов упомянутые прорези со стороны внутренней .расточки сердечника смещены на разное расстояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаления от торца, 3.Статор по пп. 1 и 2, отли чающийся тем, что 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. k. Статор по пп. 1-3 о т .л и чающийся тем, что по высоте зубца каждого из упомянутых сегментов указанные прорези смещены от аксиальной плоскости, проходящей через середину зубца, в направлении вращения ротора, причем площадь любого участка зубца., ограниченного- внутрен ней расточкой сердечника, стенкой па за и прорезью, на сбегающем крае зуб ца меньше, чем площадь равного ему п высоте участка на набегающем крае. 5. Статор по пп. 1-, о т л ичающийся тем. что в зонеоснования зубца упомянутая прорезьрас положена посередине зубца. 6. Статор по пп. 1-5, отличающийся тем, что по высоте зубца в упомянутых сегментах указанная прорезь смещена на разное рас стояние от середины зубца, причем смещение уменьшается по мере удаления от внутренней расточки к основанию зубца. 7.Статор по пп. 1-6, о т л и чающийся тем, что в упомянутых сегментах указанные прорези по высоте зубца выполнены расширяющимися к основанию зубца. 8.Статор по п. 1,- о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в зубцах торцовой зоны сердечника выполнены по две сквозные прюрези, смещенные на разное расстояние от середины зубца так, что в каждом из упомянутых сегментов площадь у 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 и чающийся 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 1.Патент ФРГ If П 8317; кл. 21 d kS, 1962. 2.Постников И.М., Счастливый Г.Г. Смородин В.И. и др. Экспериментальное исследование добавочных потерь в зубцах крайних пакетов сердечника статора турбогенератора мощностью 500 МВт. Известия АН СССР. Энергетранспорт, 1977, № Ц, с. 103. Беднарчук Ю.В. и др. Исследование режимов и усовершенствование конструкции мощных турбогенераторов. Киев, Наукова думка, 1972, с. 5 100 (прототип).

I

U-Z, 1

e

Фиг.2

Направление вращение ротора puz.Z