Machine dynamoélectrique. La présente invention se rapporte à une machine dynamoélectrique, notamment de grandes dimensions., avec dispositif élastique pour empêcher la transmission :des vibrations qui se manifestent dans le noyau au bâti extérieur :de .la machine.
On sait que les forces magnétiques exer cées, par lie rotor sur le noyau du stator d'une machine dynamo-électrique, donnent lieu à des vibrations dans ledit noyau, ces vibrations ayant une amplitude assez grande dans le cas, de machines à grande vitesse ayant un petit nombre: de pôles. Ainsi dans: une machine à deux pôles -de grandie dimension, tel qu'un turbo-générateur; le champ ma gnétique très puissant :du rotor oblige le noyau du stator à assumer une forme ap proximativement elliptique, et cette .déforma tion elliptique tourne pendant le fonctionne ment de la machine à la même vitesse que le rotor.
Comme la distribution du :champ ma- gnètique est approximativement sinusoïdale, le mouvement de chaque point :dans le noyau du stator sera également sinusoïdal. Le même effet se produit avec un nombre de pôles, plus, grand bien qu'il soit au maximum dans des machines :ayant seulement peu de pôles et de façon correspondante des vitesses :de rotation élevées.
Cette déformation du noyau, qui tourne avec le rotor, a pour effet que le noyau vibre à une fréquence correspondant à la vitesse de rotation :et cette vibration peut, dans quelques cas, atteindre une amplitude assez grande.
Dans lia construct:ion habituelle de grandis générateurs: et d'autres machines dynamo- électriques, :dans lesquelles, le noyau du stator est supporté directement par lie bâti ou boite enve'l:oppe, les vibrations se manifmtant dans le noyau sont transmises au bâti et à lia fon dation sur laquelle repose lia machine.
Ceci est évidemment très désagréable, mais: on n'a jusqu'à présent trouvé aucun moyen pour em pêcher la production :de pareilles vibrations on pour diminuer sensiblement. leur ampli tude, attendu qu'elles sont occasionnées par le champ magnétique du rotor dont la puis sance est déterminée par la capacité désirée de la machine.
La machine dynamo-électrique, objet de l'invention, comprend donc, en combinaison avec un stator constitué par un élément, de bâti extérieur, un élément de bâti intérieur, un noyau de stator fixé dans l'élément de bâti intérieur, des moyens de montage élas tiques liant l'élément de bâti intérieur à l'élé ment de bâti extérieur, lesdits moyens élas tiques ayant une élasticité telle radialement par rapport. au stator qu'ils peuvent absor ber les vibrations se manifestant dans le noyau du stator, mais sont rigides de façon telle dans le sens tangentiel par rapport au stator qu'ils peuvent.
"le supporter dans sa po sition correcte par rapport au bâti extérieur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de t'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en bout de la ma chine dynamoélectrique, mais sans .rotor, une partie étant représentée en :section sui vant la ligne I-I de la fig. 2; La fig. 2 est une vue de côté de la ma chine, partie en section suivant 'la ligne II-II de la fig. 1.
Les fig. 3 et 4 donnent des détails expli catifs d'ordre théorique.
La machine représentée aux fig. 1 et. 2 est un générateur de dimensions relativement grandes ayant un élément de bâti extérieur qui comprend une boîte-enveloppe 1 et une pluralité d'anneaux espacés axialement 2. La dit élément de bâti comporte des pieds de support 3 de chaque côté pour supporter la machine sur une fondation 4, ,des trous 5 étant prévus dans la boîte-enveloppe 1 en des endroits appropriés, 'lesquels peuvent être, si on le désire, fermés par des couvercles. La machine possède un noyau de stator lamellé 6,
qui est pourvu de fentes 7 pour recevoir des enroulements d'induit. Le noyau de stator est rigidement monté dans un, élément de bâti intérieur qui comprend une série de bandes d'acier longitudinales 8 et de bagues d'acier annulaires 9 formant ainsi un cadre qui est complètement séparé de l'élément de bâti extérieur. Un rotor est fixé sur un arbre 10 qui est. rotativement supporté dans des paliers extérieurs (non montrés) et est dis posé pour être mis en action par un moteur tel que, par exemple, une turbine à vapeur.
L'élément, de bâti intérieur est supporté dans l'élément de bâti extérieur par des membres faisant ressort 11. Ces membres- ressorts ont la. forme de plaques plates en acier qui sont relativement larges et minces, rigides dans 'la direction de leur longueur, mais élastiques dans la direction transver sale.
Il y a .deux de cxes plaques de chaque côté du noyau et à chaque extrémité de la machine, comme il est clairement montré sur le dessin. Chaque paire de plaques-ressorts est montée en une position verticale sur un support 12, qui est. fixé à une patte 13 de l'élément de bâti extérieur à, l'aide de bou lons 14.
Les supports<B>12</B> sont assujettis en position à l'aide de boulons 15 qui sont vissés dans les supports par une extrémité et reliés à des pattes 16 de l'élément de bâti extérieur par l'autre extrémité, de manière que les sup ports 12 forment des pièces rigides pour por ter le poids de l'élément de bâti .intérieur et du noyau.
L'élément de bâti intérieur com- prend une barre longitudinale 17 de chaque côté, qui constitue une des bandes de l'élé ment de bâti intérieur et qui possède des trous verticaux destinés à recevoir des bou lons 18 à l'aide desquels chaque barre est fixée à un élément-chapeau 19 qui est fixé aux extrémités supérieures des plaques-
ressorts <B>11.</B> Les plaques-ressorts 11 étant relativement 'longues et minces en direction verticales possèdent une élasticité considé- rable dans le sens horizontal., c'est-à-dire radialement par rapport à l'élément de bâti intérieur. Elles sont. cependant relativement solides et rigides dans:
la direction verticale, grâce à leur largeur et grâce au fait que chaque paire de plaques-ressorts est solide ment assemblée aux deux extrémités. Pour cette raison, le poids de l'élément de bâti intérieur et du noyau est supporté de façon adéquate dans: l'élément de bâti extérieur.
Comme les plaques-ressorts 11 ont une élasticité considérable dans la direction hori- zoutale, on comprend: que l'élément -de bâti intérieur pourraient exécuter des. mouvements dans le sens horizontal. s'il n'était supporté que par les plaques-ressorts 11. Toutefois, pour réprimer de pareils. mouvements: en sens horizontal, l'élément de bâti intérieur est aussi supporté, au fond, par des :éléments ressorts 20.
Ces: éléments-ressorts peuvent être moins grau & en dimension que les plaques-ressorts 11, attendu qu'ils ne sont pas appelés à supporter le poids. de l'élément de bâti intérieur et ,du noyau, mais -doivent être seuilement suffisamment rigides dans la di rection de lieur longueur pour réprimer tout mouvement horizontal de l'élément de bâti intérieur, tout en :
étant suffisamment élas tiques radialement par rapport à l'élément de tiques radialement par rapport à l'élément de bâti pour absorber des vibrations ra diales. Des: barres: 2:1 sont fixées entre les parties extérieures 2 :de l'élément :de bâti extérieur et chacun des éléments-ressorts 20 est figé par son extrémité extérieure dans une des barres 21 à, l'aide d'écrou s: et de ron- délles de serrage 22.
Les extrémités inté rieures: des éléments-ressorts, 20 sont fixées à des bandes longitudinales 2,3, s'étendant entre le bagues 9 de l'élément de bâti inté rieur, par des écrous et des: rondelles. de ser rage 24. Deux éléments-ressorts 20 sont pré vus à chaque extrémité de la machine, un desdits éléments-ressorts étant fixé à la barre 21 sur un côté de la machine et Vautre été- ment-ressort :étant fixé à la barre 21 sur le côté opposé de la machine, comme montré en fig. 1.
111 est ainsi apparent que l'élément de bâti intérieur est supporté en bonne position dans l'élément de bâti extérieur à l'aide d'éléments- ressorts en -des points :espacés autour de celui- ci, ces éléments étant figés par une extrémité à l'élément de bâti extérieur et par l'autre extrémité à l'élément de bâti intérieur.
Ces éléments-ressorts sont tous suffisamment rigides tangentiellement par rapport à l'élé ment -de bâti intérieur pour le supporter en position :dans: l'élément de bâti extérieur, mais ils sont suffisamment élastiques. radia lement par rapport à l'élément le bâti inté rieur pour absorber les composantes: radiales des vibrations ,se manifestant .dans le noyau de stator comme résultat des forces:
magné- tiques exercées: par le rotor, -et pour empêcher ainsi leur transmission à l'élément de bâti extérieur et à la fondation.
Toutefois, comme les ressorts de support :sont rigides dans, la direction tangentielle, toutes composantes tangentielles des vibrations se manifestant aux endroits où les ressorts sont attachés à l'élément de bâti intérieur seront transmises par deux à l'élément de bâti extérieur. Cepen dant, les,composantes tangentielles -de vibra tion sont, en général, bien plus petites que les composantes radiales, mais: néanmoins assez grandes pour être préjudiciables.
Dans le but de supprimer aussi la transmission des composantes tangentielles des vibrations, lies éléments-ressorts sont figés à l'élément de bâti intérieur en :des points où ces compo santes sont, sensiblement zéro: -ou -du moins tellement petites qu'elles ,n'ont aucun :effet appréciable. Ces points peuvent être facile ment déterminés par des essais, mais: leur position peut aussi être calculée très facile- ment.
En se référant à dla fig. 3, ds .représente un petit segment de l'axe neutre A,du stator. Ce dsegment élémentaire -est montré en a dans sa position normale -ou nondéformée :et en b dans sa positiio:
n -déformée à un instant donné loua l'influence du champ magnétique -du ro tor. La déformation tangentielle d'une extré- mité du segment mesurée soues forme d'un angle est z et E représente la déformation ra diale.
Le rayon -die l'axe neutre -est r et la largeur angulaire du segment ds est repré sentée par d0.
EMI0003.0118
En développant le radical. et en omettant les termes d'ordre plus élevé que le second, on obtient:
EMI0004.0003
Gomme
EMI0004.0004
est une petite grandeur du même ordre que
EMI0004.0005
est négligeable en comparaison de
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et comme e est aussi petit comparé à r, l'équation (3) peut être réduite à tangentielle est
EMI0004.0008
La déformation linaire égale à r z et de l'équation (5) résulte lorsque<B>19</B>
EMI0004.0012
cl résulte Comme le champ magnétique d'un rotor de générateur est de distribution sinusoïdale et comme le stator est monté symétrique ment, la déformation du stator sera elliptique et la déformation radiale d'un point sur l'axe neutre à un instant donné sera de
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e l où C est une constante d'intégration;
C peut être évalué en se référant à la fig. 4 qui montre la déformation elliptique de l'axe neutre du stator. On verra par cette figure que,
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z est égal à zéro. C sera donc égal à zéro et
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d'où :l'on voit que le mouvement tangentiel maximum est la moitié du mouvement ra dial.
Pour un point situé en dehors de l'axe neutre, le mouvement: tangentiel linéaire T sera égal à celui du point correspondant sur l'axe neutre glus le mouvement dû à la dé formation angulaire
EMI0004.0026
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où v est la distance radiale dudit point à l'axe neutre. De l'équation (7)
EMI0004.0028
En introduisant les valeurs (8) et (10) dans l'équation (9), on aura
EMI0004.0033
Lorsque la machine marche, ha déforma tion elliptique du stator tournera à une vi tesse égale à la vitesse du rotor.
La défor mation d'un point à un moment quelconque t peut alors être obtenue en remplaçant O par cc t dans 'équation ci-dessus, ou étant la vitesse angulaire. Les équations (7), (8) et (11) deviennent alors
EMI0004.0049
Il résulte de la dernière équation que la composante tangentielle de la vibration :
sera zéro en des. points qui se trouvent à une -dis tance radiale en dehors de l'axe neutre égale à un tiers du rayon de l'axe neutre. Lorsque les ressorts de ,support sont fixés à l'élément de bâti intérieur en ces points déterminés, au cune vibration tangentielle ne sera alors transmise à l'élément de bâti extérieur et, comme les ressorts sont ,suffisamment Mas tiques radialement pour absorber les compo santes radiales,
la transmission de toute vi bration à l'élément de bâti extérieur sera de la sorte empêchée.
En résumé, dans l'exemple décrit ci- dessus et représenté au dessin, le noyau de stator est supporté dans un .élément de bâti intérieur qui -est monté dans l'élément de bâti extérieur à l'aide de supports à ressort qui sont établis de façon à être suffisam ment élastiques radialement par rapport à l'élément -de bâti intérieur pour absorber les composantes radiales des vibrations se mani festant dans le noyau de stator et à être suf fisamment rigides tangentiellement par rap port à 'L'élément
de bâti intérieur pour sup porter le poids de celui-ci et pour le mainte nir en bonne position dans l'élément de bâti extérieur, lesdits supports à ressort étant fixés à 1'élément de bâti intérieur en des points où les composantes tangentielles de la vibration sont zéro ou du moins extrêmement petites..
Ainsi, aucune vibration ne sera, trans- mise du noyau de ,stator à l'élément de bâti extérieur et celui-ci ainsi que la fondation de la machine sont libres de toutes, vibrations préjudiciables.
On comprend que la construction décrite est susceptible de bien des modifications. Ainsi, on a représenté au,dessin une machine dynamo-électrique à refroidissement par l'air, mais il va de soi que la présente invention peut aussi être appliquée facilement à une machine complètement encagée pouvant être refroidie par un gaz tel que de l'hydrogène circulant à travers la machine,
en établissant l'élément de bâti extérieur sous forme d'une boîte-enveloppe étanche au gaz cet en pré- voyant des moyens de refroidissement appro priés pour le gaz.
Dynamoelectric machine. The present invention relates to a dynamoelectric machine, in particular of large dimensions., With an elastic device to prevent the transmission of: vibrations which appear in the core to the outer frame: of the machine.
It is known that the magnetic forces exerted by the rotor on the core of the stator of a dynamo-electric machine give rise to vibrations in said core, these vibrations having a fairly large amplitude in the case of high speed machines. having a small number: of poles. Thus in: a two-pole machine - of large size, such as a turbo-generator; the very powerful magnetic field: of the rotor forces the core of the stator to assume an approximately elliptical shape, and this elliptical deformation turns during the operation of the machine at the same speed as the rotor.
As the distribution of the magnetic field is approximately sinusoidal, the movement of each point: in the stator core will also be sinusoidal. The same effect occurs with a larger number of poles, although it is at most in machines: having only few poles and correspondingly high rotational speeds.
This deformation of the core, which rotates with the rotor, causes the core to vibrate at a frequency corresponding to the speed of rotation: and this vibration can, in some cases, reach a fairly large amplitude.
In the usual construction of grandis generators: and other dynamo-electric machines,: in which the core of the stator is directly supported by a frame or an enclosed box, the vibrations appearing in the core are transmitted to the frame and the foundation on which the machine rests.
This is obviously very unpleasant, but: no way has so far been found to prevent production: such vibrations can be reduced significantly. their amplitude, since they are caused by the magnetic field of the rotor, the power of which is determined by the desired capacity of the machine.
The dynamo-electric machine, object of the invention, therefore comprises, in combination with a stator consisting of an outer frame element, an inner frame element, a stator core fixed in the inner frame element, means elastic mounting elements connecting the inner frame element to the outer frame element, said elastic means having such elasticity radially relative. to the stator that they can absorb the vibrations occurring in the stator core, but are rigid in such a way in the tangential direction with respect to the stator that they can.
"support it in its correct position in relation to the exterior frame.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is an end view of the dynamoelectric machine, but without .rotor, a part being represented in: section following line I-I of FIG. 2; Fig. 2 is a side view of the machine, partly in section along line II-II of FIG. 1.
Figs. 3 and 4 give explanatory details of a theoretical nature.
The machine shown in fig. 1 and. 2 is a relatively large generator having an outer frame member which comprises a box-casing 1 and a plurality of axially spaced rings 2. Said frame member has support legs 3 on each side to support the machine on it. a foundation 4, with holes 5 being provided in the casing 1 at suitable places, which can be, if desired, closed by covers. The machine has 6 laminated stator core,
which is provided with slots 7 for receiving armature windings. The stator core is rigidly mounted in an inner frame member which comprises a series of longitudinal steel strips 8 and annular steel rings 9 thus forming a frame which is completely separate from the outer frame member. A rotor is attached to a shaft 10 that is. rotatably supported in outer bearings (not shown) and is arranged to be operated by an engine such as, for example, a steam turbine.
The inner frame member is supported in the outer frame member by spring members 11. These spring members have the. Form of flat steel plates which are relatively wide and thin, rigid in the direction of their length, but elastic in the transverse direction.
There are two sets of plates on each side of the core and at each end of the machine, as clearly shown in the drawing. Each pair of spring plates is mounted in an upright position on a support 12, that is. fixed to a tab 13 of the outer frame element with the aid of bolts 14.
The brackets <B> 12 </B> are secured in position with bolts 15 which are screwed into the brackets at one end and connected to tabs 16 of the outer frame member at the other end, such that the supports 12 form rigid parts to carry the weight of the interior frame member and the core.
The inner frame element comprises a longitudinal bar 17 on each side, which constitutes one of the bands of the inner frame element and which has vertical holes for receiving bolts 18 with the aid of which each bar is attached to a cap member 19 which is attached to the upper ends of the plates
springs <B> 11. </B> The spring plates 11 being relatively long and thin in the vertical direction have a considerable elasticity in the horizontal direction, that is to say radially with respect to the element interior frame. They are. however relatively strong and rigid in:
the vertical direction, thanks to their width and the fact that each pair of spring plates is firmly assembled at both ends. For this reason, the weight of the inner frame member and the core are adequately supported in: the outer frame member.
As the spring plates 11 have considerable elasticity in the horizontal direction, it is understood that the inner frame member could perform. horizontal movements. if it was supported only by the spring plates 11. However, to suppress such. movements: in the horizontal direction, the internal frame element is also supported, at the bottom, by: spring elements 20.
These: spring elements may be smaller in size than the spring plates 11, since they are not called upon to support the weight. of the inner frame element and of the core, but must be sufficiently rigid in the direction of their length to suppress any horizontal movement of the inner frame element, while:
being sufficiently elastic radially with respect to the tick element radially with respect to the frame element to absorb radial vibrations. Of: bars: 2: 1 are fixed between the outer parts 2: of the element: of the outer frame and each of the spring elements 20 is fixed by its outer end in one of the bars 21 with the aid of nuts s : and clamping wheels 22.
The inner ends: of the spring elements, 20 are fixed to longitudinal strips 2, 3, extending between the rings 9 of the inner frame element, by nuts and washers. clamp 24. Two spring elements 20 are provided at each end of the machine, one of said spring elements being fixed to the bar 21 on one side of the machine and the other spring element being fixed to the bar. 21 on the opposite side of the machine, as shown in fig. 1.
111 is thus apparent that the inner frame element is supported in the correct position in the outer frame element by means of spring elements at points: spaced around the latter, these elements being fixed by a one end to the outer frame member and the other end to the inner frame member.
These spring elements are all sufficiently rigid tangentially with respect to the inner frame-element to support it in position: in: the outer frame element, but they are sufficiently elastic. radially with respect to the element the internal frame to absorb the components: radial vibrations, manifesting themselves in the stator core as a result of the forces:
magnets exerted: by the rotor, -and thus preventing their transmission to the external frame element and to the foundation.
However, like the support springs: are rigid in the tangential direction, any tangential components of the vibrations occurring at the locations where the springs are attached to the inner frame member will be transmitted in pairs to the outer frame member. However, the tangential components of vibration are, in general, much smaller than the radial components, but nevertheless large enough to be detrimental.
With the aim of also suppressing the transmission of tangential components of vibrations, the spring elements are fixed to the internal frame element at: points where these components are, substantially zero: -or -at least so small that they , have no: appreciable effect. These points can be easily determined by trial and error, but their position can also be calculated very easily.
Referring to dla fig. 3, ds. Represents a small segment of the neutral axis A, of the stator. This elementary segment -is shown in a in its normal position -or undeformed: and in b in its position:
n -deformed at a given moment praised the influence of the magnetic field -of the ro tor. The tangential strain of one end of the segment measured at an angle is z and E represents the radical strain.
The radius -die the neutral axis -is r and the angular width of the segment ds is represented by d0.
EMI0003.0118
By developing the radical. and by omitting the terms of order higher than the second, we obtain:
EMI0004.0003
Rubber
EMI0004.0004
is a small quantity of the same order as
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is negligible compared to
EMI0004.0006
and since e is also small compared to r, equation (3) can be reduced to tangential is
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The linear strain equal to r z and from equation (5) results when <B> 19 </B>
EMI0004.0012
cl results Since the magnetic field of a generator rotor is of sinusoidal distribution and since the stator is mounted symmetrically, the deformation of the stator will be elliptical and the radial deformation of a point on the neutral axis at a given instant will be
EMI0004.0013
e l where C is an integration constant;
C can be evaluated by referring to fig. 4 which shows the elliptical deformation of the neutral axis of the stator. We will see by this figure that,
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z is zero. C will therefore be equal to zero and
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hence: we see that the maximum tangential motion is half of the radial motion.
For a point located outside the neutral axis, the movement: linear tangential T will be equal to that of the corresponding point on the neutral axis plus the movement due to the angular deformation
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where v is the radial distance from said point to the neutral axis. From equation (7)
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By introducing the values (8) and (10) into equation (9), we will have
EMI0004.0033
When the machine is running, the elliptical deformation of the stator will rotate at a speed equal to the speed of the rotor.
The deformation of a point at any time t can then be obtained by replacing O by cc t in the equation above, or being the angular velocity. Equations (7), (8) and (11) then become
EMI0004.0049
It follows from the last equation that the tangential component of the vibration:
will be zero in. points which are at a radial distance outside the neutral axis equal to one third of the radius of the neutral axis. When the support springs are attached to the inner frame member at these determined points, no tangential vibration will then be transmitted to the outer frame member and, as the springs are, radially strong enough to absorb the components. radial health,
transmission of any vibration to the outer frame member will thus be prevented.
In summary, in the example described above and shown in the drawing, the stator core is supported in an inner frame member which is mounted in the outer frame member by means of spring brackets which are mounted. established so as to be sufficiently resilient radially to the inner frame member to absorb the radial components of the vibrations occurring in the stator core and to be sufficiently rigid tangentially to the member
inner frame for supporting the weight thereof and for maintaining it in proper position in the outer frame member, said spring supports being attached to the inner frame member at points where the tangential components of the frame vibration are zero or at least extremely small.
Thus, no vibration will be transmitted from the stator core to the outer frame element and the latter as well as the foundation of the machine are free from any harmful vibrations.
It is understood that the construction described is susceptible to many modifications. Thus, there is shown in the drawing an air-cooled dynamo-electric machine, but it goes without saying that the present invention can also be easily applied to a completely caged machine which can be cooled by a gas such as gas. hydrogen circulating through the machine,
by establishing the outer frame member in the form of a gas-tight box-envelope thereby providing suitable cooling means for the gas.