Статор электрической машины переменного тока Советский патент 1982 года по МПК H02K3/42 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам переменного тока, в частности к мощным турбогенераторгш, хад актериэующимся значительными электромагнитными и тепловыми нагрузками торцовых элементов сердечника статораг, и может быть использовано в шхпных Турбо- и гидрогенераторах, электрических машинах автономного назначения ,

Известны конструкции статора электрической машины переменного тока, например турбогенератора, содержание шихтованный сердечник (магнитопро- . вод) с обмоткой, массивную нажимную плитуи электромагнитный экран. Электромагнитный экран представляет собой медное кольцо, располагаемое на поверхности плиты, обращенной к лобовой части обмотки или к сердечнику, и устанавливается для защиты крайних пакетов статора от переменных потоков рассеяния лобовых частей обмоток машин 1},

Однако токи в экране, концентрируясь на внутренней кромке его, приводят к большой неравномерности потерь и нагрева и усложняю его охлаждение, в особенности трудно решаемое.

для турбогенераторов предельных мощностей ( : 1000 МВт). Кроме того, токи, проходящие в тангенциальном направлении по внутренней кромке экрана и достигающие в мощных ту богенераторах больших значений (20-30 кА и более), являются мощными вторичными источниками поля, которое неблагоприятно влияет на крайние пакеты сер10дечника, вызывая в них дополнительшае местные потери, усложняя охлаждение и ограничивая допустимую нагрузку турбогенераторов.

Наиболее близкой по технической

15 сущности к изобретению является конструкция статора электрической машины переменного тока, содержащая шихтованный сердечник с обмоткой и массивную нажимную плиту, изготовленную

20 из стальной поковки с высокими механическими и слабыми экранирующими свойствами. Экранирование крайних пакетов статора и плиты от переменных магнитных потоков рассеяния йбмотки

25 статора осуществляет замкнутая многофазная экранирующая обмотка, покрывакицая внутреннюю плиты и ее боковую поверхность, обращенную к лобовой части обмотки. Выполнение

30 -такого экрана в конструкции статора

обеспечивает более равномерное экранирование концевой зоны C2J.

Однако магнитные потоки лобовой части обмотки статора и экранирующей обмотки в различных режимах эксплуатации, например в режимах недо озСуждения и перевозбуждения, HMeroiTiодинаковый характер взаимодействия в области зубцов крайних пакетов с сильjHfcOM магнитным потоком, вытесненным из воздушного зазора (поток выпучивания). Поэтому,если намотка экранирующей обмотки имеет одно направление, то в режиме потребления реактивной мощности (режим недовозбуждения) магнитные потоки выпучивания лобовой части обмотки и экранирующей обмотки в области зубцовой зоны крайних пакетов суммируются. Вследствие этого увеличиваются потери на вихревые токи и нагрев зубцов крайних пакетов, ограничивается диапазон нагру зок электрический машин и вырабатываемая ими в этих режимах активная мощность, уменьшается надежность работа машин. Кроме того, при переходе от одного, режима к другому наблюдается существенный температурный перепад в крайних пакетах вследствие одинакового характера.экранирования одной замкнутой обмоткой.

Целью изобретения является увеличение нагрузочной способности и повь4шение надежности работы в маневренны режимах. , .

I

Поставленная цель достигается тем что в статоре электрической машины переменного тока, содержащем шихтованный магнитопровод с обмоткой, нажимную плиту и расположенный на боковой поверхности плиты, обращенной к лобовой части обмотки, и на ее внутренней цилиндрической поверхности экран в виде многофазной обмотки, статор снабжен блоком регулирования с переключателем, каждая фаза экранирующей обмотки на ее полюсном делении выпсхлнена в виде двух отдельных катушечных групп, размещенных одна внутри другой так, что нижние стороны внешних катушек укладываются на внутренней цилиндрической поверхности нажимной плиты, между катушечными группами включен переключатель, соединенный с блоком регулирования.

На фиг. 1 изображена концевая зона статора турбогенератора (при соединении катушечных групп одной фазы обмотки встречно), продольный разрез; на фиг. 2 - схема соединения катушечных групп экранирующей обмотки; на фиг. 3 - концевая зона статора турбогенератора (при соединении катушечных групп одной фазы обмотки согласно), продольный разрез; на фиг. 4 - сечение Д-Д на фиг. 3,на фиг. 5 - форма внешних катушек обмотки; на фиг. б и 7 - пример выполнения трехфазной экранирующей обмотки/ на фиг, 8 - экранирующая обмотка с переменным в радиальном направлении шагом намотки; на фиг.9 расчетно-эксперимёнтальные данные. Статор электрической машины со-. держит шихтованный магнитопровод 1 с обмоткой 2, на,жимную плиту 3 и экранирующую обмотку 4. Шихтованные листы магнитопровода стягиваются нажимными плитс1ми 3 посредством стяжных призм 5,Призмы 5 ребрами 6 жесткости соединяются с корпусом 7 машины,Каждая фаза

5 экранирующей обмотки 4 состоит из двух катушечных групп 8 и 9, между которыми включен переключатель 10, управляемый блоком регулирования электромагнитным экранированием 11,

0 Для примера намотки одной фазы однослойной двухполюсной обмотки .(фиг, 4J при соединении концов катушечных групп Ag с Адн и XgifC f

включаются встречно, а при соедине5 НИИ концов Аек с Адк и X&j( с Хд согласно. При этом фаза обмотки на полюсном делении соединяется обычным способом.

Многофазная обмотка состоит из неQ скольких указанных обмоток и может укладываться для простоты технологии изготовления в несколько слоев, равных числу фаз обмоток (фиг. б). Фазы обмотки укладываются в тангенциальс ном направлении на поверхностях плиты соответственно месторасположению И следованию I фаз обмотки 2 статора, т.е. проекщЛи осей фаз друг на друга экранирующей обмотки 4 и обмотки 2 статора совмещаются, Экранирующая обмотка может иметь переменный радиальный шаг намотки, увеличивающийся с увеличением радиуса (фиг, 8)

Устройство работает следующим образом.

В режимах недовозбуждения катушечные группы 8 и 9 включены встречно. В этих режимах поток выпучивания и поток Фэ лобовой части обмотка

статора суммирутотйя в области зубцо вой зоны крайних пакетов. При указан-ном включении поток катушечной группы 9 направлен обратно потокам ФрИ Ф(фиг. 1), Так как катушечная

группа 9 расположена вблизи зубцовой зоны, то суммарный магнитный поток, пронизывшо1 й зубцы-крайних пакетов, существенно уменьшится. Уменьшатся в последних потери и нагрев, В режимах перевозбуждения катушечные группы 8

и 9 включены согласно; поток Ф у зубцовой зоны вычитается из преобладающего здесь магнитного потока выпучивания Фо , и поток Ф обмотки вычитается из потока ф, вследствие

чего, суммарный магнитный поток, прониэываииций зубцовую зону крайних пакетов статора, умейьшится.

Таким образом, в различных режимах эксплуатации экранирующее действие обмотки в зубцовой зоне крайних пакетов.имеет практически олинаковый характер, что обеспечивает как снижение нагрева крайних пакетов в режимах потребления реактивной мощности, так и термостабилизацшо магнитопровода статора при переходе от одного режима к другому.в маневренных режимах работы, что увеличивает нагрузочную способность и повышает надежность машин.

Приведены (фиг. 9) эксперименталь ные данные аксиальной составляющей индукции магнитного поля Iсплошная кривая) и перегрева крайних пакетов сердечника статора (штриховая кривая 1) в зоне коронок зубцов турбогенера тора 300 МВт приразличных соз Ч . Увеличение перегрева крайних пакетов при изменении cos Ч турбогенератора от - 0,85 (перевозбуждение) до 0,85 (недовозбуждение) составляет около 45, что соответствует удлинению только крайних пакетов.сердечника статора на 0,5 мм. При работе тур богенератора в маневренйых режимах . удлинения сердечника статора является одним из факторов распрессовки железа сердечника статора и приводит в дальнейшем к значительному уменьшению ресурса элементов конструкции статора и надежности работы машины.

Как показывают опыты на физической модели с различными типами экранов, даже удаление концентрированных токов одного направления с направлением токов обмотки статора уменьшает аксиальную составляющую поля у зубцовой зоны на 25-30%. При этом уменынается нагрев крайних пакетов (кривая 2). Уменыоится и перепад температуры при работе турбогенератора в режимах недовозбуждения и перевозбуждения.Удлинение сердечника при нагреве уменьшится до 0,3 мм. Уменьшение перепада температуры только концевых зон при изменении cos Ч, если не столь существенно снизит термомеханические напряжения во всем сердечнике ввиду их малого относительного вклада, то значительно уве-г личит прочность крайних зубцов и изо ляцию в этих местахj что повысит эксплуатационную надежность всего генератора. Для предлагаемой конструкции изменение длины сердечника статора в маневренных режимах можно свести до минимума.

Так как напряженность магнитного поля лобовой части обмотки 2 уменьшается с увеличением радиуса, то намотка витков с переменным, радиальным

шагом увеличивает эффективность экранирования.

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемой конструкции в отечественных генераторах переменного тока мощностью 500 МВт и выше достигается за счет увеличения нагрузочной способности (расширение диаграммы нагрузок, повышение мощности) и повышения надежности электрических машин переменного тока. Так как применение регулируемой экранирующей :обмотки в предлагаемой конструкции статора электрической машины переменного тока при ее работе в маневренных режимах уменьшает аксиальную составляющую магнитной индукции в зубцовой зоне крайних пакетов сердечника в различных режимах эксплуатации, то тем самым уменьшится нагрев указанных элементов и значительно выравняется температура в крайних пакетах в радиальном направлении. Как извест но, нагрев зоны дна пазы крайних пакетах ограничивает допустимую нагрузку турбогенератора в режимах недовозбуждения и при асинхронном ходе. Поэтому применение предлагаемой конструкции в электромашиностроении за счет повышения эффективности экранирования зубцовой зоны крайних пакетов статора, а также за счет равномерного распределения поля в концевой зоне .машины, существенно улучшит эксплуатационные характеристики элементов концевой зоны машины, повыситнагрузочную способность и надежность работы машин переменного тока.

Формула изобретения

Статор электрической машины переменного тока, например турбогенератора, содержащий шихтованный магнитопровод с обмоткой, нажимную плиту и установленньлй на боковой поверхности нажимной плиты, обращенной к лобовой части обмотки, и на ее внутренней цилиндрической поверхности экран в виде многофазной обмотки, отличающийся тем, что, с целью увеличения нагрузочной,способности и повышения надежности работы в маневренных режимах, статор снабжен блоком регулирования с переключателем, каждая фаза экранирующей обмотки на ее полюсном делении вьлтолнена в виде двух отдельных катушечных групп, размещенных одна-внутри другой так, что нижние стороны внешних катушек уйладываются на внутренней цилиндрической поверхности нажимной плиты, между катушечными группами включен переключатель, соединенный с блоком регулирования . Источники информадии, принятые во внимание при экспертизе 1. Постников И.М.,Станиславский Л.Я,, Счастливый Г.Г. и др. Электромагнитные и тепловые процессы в конце- 5 вых частях мощных турбогенераторов. Киев, Наукова думка, 1971, с. 23, фиг, 12,- с. 24, фиг. 13; с. 256, фиг. 105; С. 261-,, фиг. 110/ с. 2;75, фиг. 119; с. 298, фиг. 134. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке 2897837/:24-07,кл.Н 02 К 3/42, 1980.

SS 44444444 4 44444V44444444 4N