CN103620922B - 用于电动机的转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动机(7)的转子(6)，具有：围绕在重力(g)方向上延伸的旋转轴(R)旋转的转子体(10)；绕组部件(14)，其设置在轴向上在转子体(10)中延伸的槽(13)中；两个绕组端部(9)，其在轴向方向上设置在转子体的上方或者下方，其中在绕组端部的区域中，绕组部件在轴向方向上从槽中露出并且与另外的绕组部件连接；用于每个绕组端部的绕组端部载体(15)，其径向地设置在绕组端部的内部并且与旋转轴同轴布置，并且其抗扭地并且在旋转轴的方向上可推移地、至少间接地固定在转子体或者与转子体一同旋转的部件上。本发明的特征在于以下方面：在固定的区域中设置有弹簧件(19)，其在转子体和/或与转子体一同旋转的部件与绕组端部载体(15)之间在轴向方向上抵抗重力(g)，每个绕组端部载体(15)具有至少一个一体的或者在周向方向上分段的承载环(15.1,15.2)，每个承载环都通过弹簧件(19)在轴向方向上至少间接地相对于转子体(10)支承。

Description

用于电动机的转子

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分定义的这种类型的、用于电动机、尤其是发电机的转子。

背景技术

为了固定转子绕组的绕组端部，通常绕组端部在内部通过环形的绕组端部载体支承并且利用绑箍将绕组端部固定在绕组载体上。就此可以例如参考US3,073,004A。尤其是在大型的机器中，也可以使用多部分的环取代绑箍，其利用绝缘垫片抵靠在绕组端部上并且利用螺栓固定在绕组载体上。在特别大的离心力时，也可以在绕组端部上插入一个罩。这种类型的罩尤其对于固定涡轮发电机的转子的绕组端部是常用的（书籍“LEITFADEN DERELEKTROTECHNIK”-第三章-“电机的结构和强度计算”作者：DR.C.VON DOBBELER,1962,B.G.TEUBNER VERLAGSGESELLSCHAFT STUTTGART,第25至29页和58至62页；DE 26 29 574B2；DE-PS 7 01 612）。此外，已知的是，由同步电机的环绕的励磁线圈产生的离心力通过抵靠在励磁线圈的外端侧的保持桥来接收，该保持桥自身通过固定在机器的转动体上的被加载拉紧的螺栓来保持（DE-PS 9 50 659）。

因为集电环式转子电机应用到用于抽水蓄能的、转速可调的水电-电动-发电机中，所以以特别的方式提出了在转子馈电的集电环式转子电机中固定转子的绕组端部的任务。此外，这种类型的发电机-电机的特征在于，转子可以具有3至8m的直径。为了固定这样的转子的绕组端部已知的是，在转子体上通过支承座来布置保持环，U形的拉紧螺栓固定在转子本体上。在此，每个拉紧螺栓都利用其U形的区域搭接绕组端部（报道11-104“DEVELOPMENT AND ACHIEVED COMMERCIAL OPERATION…FOR A PUMPED STORAGE POWERPLANT”，CIGRE-TAGUNG 1992年8月30日至9月5日）。这种类型的绕组端部固定方式在结构上和装配技术上是非常复杂的。

DE 195 19 127 C1描述了一种所述构造类型的电动机。在此，安装装置包括抵抗离心力的拉紧杆，其利用其径向内侧的端部抵靠在例如由承载环构成的绕组端部支撑体上，并且利用其径向外侧的端部啮合在轴承体上，该轴承体径向外侧地抵靠在绕组端部上。

此外，由最接近的现有技术DE 10 2009 016 516 A1可知，绕组端部通过同样也可以设计成拉紧弹簧的拉紧锚杆在径向方向上支承。

绕组端部通过电流。因此该绕组端部被加热到较高的温度并且膨胀。相反，绕组端部载体不通过电流并且因此保持冷却。为了避免由此导致的机械应力，由WO 2010/115483A1以及同样由GB 1,112,129可知，绕组端部被固定在承载环上，该承载环抗扭地并且在转子的旋转轴的轴向方向上可推移地安置在转子或者支撑转子的轮毂上。例如以已经描述过的承载环的形式的绕组端部载体也可以在轴向方向上至少在上和下挡块之间自由移动。如果绕组部件在转子体的槽中并且在绕组端部的区域中仅仅通过加热来膨胀，那么绕组端部载体就会出现在轴向方向上的补偿运动。

现在问题在于，尤其是在较大的机械中，典型的在30MVA或者更大数量级的机器中，电动机的旋转轴典型地在重力的方向上延伸。由此，全部的重量必须由绕组部件承载并且在绕组部件的热膨胀的情况下从绕组部件上移开。由于以上描述的这种类型的机器的直径的原因，绕组端部载体相对较重，因此经常需要克服大的重力。这会导致在绕组部件的区域中的过高的应力，该应力可能导致绕组部件的材料的相应的压缩和/或变形。此外，可以出现这样的状况，即典型地在槽的区域中嵌入地设计的绕组部件不能够持续完全地承担绕组端部载体的重量，从而可能会在长期运行后导致整个绕组相对于转子体在重力的方向上下沉。

发明内容

本发明的目的在于解决该问题并且提供一种转子，该转子在结构上如此设计，即绕组部件在轴向方向上的热膨胀不会导致绕组部件的不必要的过高机械负荷。

该目的根据本发明通过在权利要求1中的特征部分所述的特征来实现。根据本发明的有利的改进方案以及优选的应用由其余的从属权利要求以及涉及到应用的权利要求得出。

在此，具有绕组端部的转子的构造相应于在现有技术中的转子的构造。在此，为每个绕组端部配备一个绕组端部载体，该绕组端部载体径向地在绕组端部的内部并且同轴于旋转轴布置。每个绕组端部载体都抗扭地并且在旋转轴的方向上可推移地至少间接地固定在转子体上。现在，根据本发明提出，在该固定区域中设置弹簧件，该弹簧件在转子体和/或与转子体一同旋转的部件与绕组端部载体之间在轴向方向上抵抗重力。弹簧件也在轴向方向上承载绕组端部载体的一些或者一部分。由此，为了在轴向方向上推移绕组端部载体，不必补偿整个重力，而是仅仅补偿这样的力就足够了，该力由弹簧力和绕组端部载体的重力或者绕组端部载体的相关部分的重力之差获得。在绕组部件的热膨胀时施加到绕组端部载体上的力由此被最小化并且能够可靠地避免绕组部件的过高的负载。在此，弹簧件或者在转子体本身上或者在与其一同旋转的部件上，例如在轮毂上支承绕组端部载体。弹簧件也可以这样地布置，即该弹簧件不仅支承在转子体上也支承在与其一同旋转的部件上并且承载绕组端部载体。

在此，根据本发明的转子的一个特别有利的和优选的改进方案提出，如此选择弹簧件，即该弹簧件很大程度上补偿绕组端部载体的重量。根据本发明的构思的、具有弹簧件的该重点应用用于使得绕组端部载体能够在轴向方向上相对自由地移动，即在绕组部件膨胀时简单地允许绕组端部载体运动，而无需将绕组端部载体的全部重力通过膨胀的或者收缩的绕组部件来补偿。由此，弹簧部件补偿绕组端部载体的重量的至少一大部分。在此，“大部分”被理解为至少一半，然而优选超过绕组端部载体的重量的三分之二。在理想的情况中，对绕组端部载体的重量的补偿如此实现，即其整个重量都可以被补偿。

此外，在另外的非常优选的设计方案中提出，弹簧件如此选择，即该弹簧件将绕组端部载体相对于转子体在重力的方向上施加预应力。在根据本发明的构思的、具有相应较强的弹簧件的该设计方案中，不仅仅完全补偿绕组端部载体的重力，而且弹簧件这样地选择，即该弹簧件附加地对绕组端部载体相对于转子体在重力方向上施加预应力。在此，在装配时可以实现处于预加应力状态的弹簧，从而使该弹簧在常规的运行中，在绕组部件已经实现一定的膨胀之后，或者总是相应地预加应力，或者优选在该加热的常规状态中在转子运行期间不受绕组端部载体的重力的影响。这允许转子的简单、高效的以及在较大的时间段中非常安全的运行。如果该状态这样地选择，其中，在常规的运行中实现绕组端部载体相对于重力的较弱的预加应力，那么在转子的较长的运行时间之后可以安全可靠地阻止绕组部件在重力方向上的下沉。

当然，原理上也可以考虑以近似任意的方式和方法来选择弹簧件。因此同样可以考虑板簧或者螺旋弹簧形式的压力弹簧，如气压弹簧、橡胶弹簧或则任意的组合。当然也可以考虑应用在转子的圆周上分布的、在用于绕组端部载体的不同的支承点处的不同的弹簧类型。

因为在绕组端部的区域中出现相对高的热负荷，因此证明板簧或者螺旋弹簧是非常有效的，因为它们通常可以由金属材料制成并且在转子的运行温度的典型区域内是安全可靠的并且不会对弹簧的特征曲线造成过大的热方面的影响，从而确保对绕组端部载体的相应支承。

作为补充或者替代方案，也可以（一同）使用非常良好的橡胶弹簧。在考虑到必需的特性方面的弹性时，在生产中，该橡胶弹簧具有特别的优点，因为几乎每个任意的弹簧特征曲线都可以通过使用合适的材料或者多个合适的材料-例如在由不同的材料的构成的层结构中-和/或模塑成型实现。

根据本发明的转子允许在电动机中非常良好、可靠和无干扰的应用。其尤其对于相对大型的机器，典型的具有30MVA额定功率的机器是有特别的优点的。在此，其尤其有利地应用在于在具有可变转速的集电环转子的异步电机中的应用。根据本发明的转子尤其对于该结构形式并且在此尤其对于作为双馈异步机的异步电机的设计方案是特别合适的，因为在这种类型的机器中，转子的高可靠性以及简单和高效的构造是具有特殊意义的。

在此，该应用尤其用于水利发电站的机组，其具有水轮机或者泵涡轮机，以及电动机组具有所描述类型的转子，该转子与水轮机或者泵涡轮机驱动连接。尤其是在这种类型的应用中，在该应用中电动机的旋转轴通常在重力方向上延伸，根据本发明的绕组端部的、具有通过弹簧件支承的绕组端部载体的构造具有决定性的意义。在这种类型的机器中，在绕组端部的区域中经常会产生过强波动的转速和过强波动的温度。由此，绕组部件的相对于转子体的膨胀进而绕组端部载体的轴向推移在运行期间是非常频繁的。因此，绕组端部载体的轴向运动越轻微，那么转子的整个构造承受的机械应力就越小，并且就可以越长时间确保转子的无干扰运行。

在一个优选的改进方案中还提出了机组，其使用具有可变转速的集电环转子的异步电机、尤其是双馈异步电机。

根据本发明的转子及其应用的另外的优选设计方案由剩余的从属权利要求以及接下来参考附图描述的实施例得出。

附图说明

图中示出：

图1是用于水利发电站的机组的原理图；以及

图2是根据本发明的转子的绕组端部的一部分的截面图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了水利发电站1。该水利发电站1的核心是供给系统2，其将来自在此并未示出的上游区域的水引导至水轮机3并且通过原理性示出的扩散道4输送到同样在此没有示出的下游区域中。水轮机3在此通过轴5与具有集电环转子的双馈异步电机7的转子6连接。转子6通过水轮机3驱动并且在原理性示出的定子8中围绕旋转轴R旋转，该旋转轴如在该类型的水利发电站1中一样通常在重力g的方向上指向。转子6和定子8共同形成作为发电机的、具有可变转速的异步电机。异步电机7用于从水能中产生电能。同样可以考虑的是，取代水轮机7使用泵涡轮机，类似于水轮机3，在第一状态中异步电机7中产生能量，作为发电机使用，并且在第二运行状态中能够将来自下游区域的水泵送回上游区域。该水力发电站1在该种情况中可以是抽水蓄能发电站，其适合于通过将水泵送至具有高势能的高度来存储能量。

在已知的方式和方法中，转子6在其两个轴向端部处具有原理性地示出的绕组端部9，该绕组端部在图2中进一步描述。

在图2的截面图中可以看到转子6的一部分的截面图。该转子围绕以R标示的旋转轴旋转。转子6自身基本上由转子体10和以标号11标示的轮毂构成。转子体10通常叠片地设计。这意味着，转子体10在旋转轴R的方向上有多个单个的板片堆叠而成。这在图2的视图中，在示出的截面的左侧下方部分中通过单个示出的板片来表示。转子体10的层叠铁心例如可以通过以12标示的压力板在轴向方向上挤压。轮毂11在此可以设计成与转子体10一体构成并且同样由多个单个的板片构成。或者在另外的构造类型中其可以设计成中央部件并且相应地承载转子体10的板片。无论这种实际的构造如何，轮毂11总是与转子体10抗扭地连接。在轮毂11和转子体10之间的径向运动是可以的。

在轴向方向上延伸的、在径向方向上向外打开的槽13处于转子体10的区域中，在此仅仅以标号13示出了该槽的槽底。在这些槽13中嵌入两个分别彼此绝缘的绕组部件14，其也以杆14示出。在绕组端部9的区域，这些杆14离开槽13并且在旋转轴R的轴向上从转子体10中突出。然后各个杆14与从相邻的槽13中突出的其他杆14相应地连接，从而实现转子6的绕组。绕组部件14在转子端部9的区域中固定在绕组端部载体15上。在此示出的实施例中，绕组端部载体15由两个承载环15.1,15.2构成，二者通过在轮毂11的区域中形成的抗扭导向件16与轮廓11进而与转子体10共同作用。该抗扭导向件允许在轴向方向上的运动并且可以例如设计成啮合。绕组端部载体15的两个承载环15.1,15.2例如通过拧紧的拉紧锚杆17以及在外侧的绕组部件14的区域中支承拉紧锚杆17并与其连接的小板或者小块18连接。承载环15.1,15.2也利用绕组部件14在径向方向上拉紧。在此，这种构造被理解为纯示例性的并且当然也可以以其他方式设计。然而，其决定性的优点在于，通过各个小块18在轴向方向上在绕组端部9的外圆周上的小块18之间产生自由空间，其使得冷却空气流过绕组端部9相应地变得容易并进而可以通过相应的冷却最小化由于绕组部件14的强烈膨胀导致的热效应。

通过在此示例性示出的齿16，绕组端部载体15的两个承载环15.1,15.2可以在轴向方向上推移。绕组部件14典型地由具有良好传导性能的材料制成，尤其是铜，并且转子体10典型地由钢板制成。仅仅在材料上的区别就已经照顾到了绕组部件14相对于转子体10的不同的热膨胀。此外，绕组部件14通过电流。由此，该绕组部件由于欧姆电阻的原因而被加热的程度要高于槽13的周围区域。在固定拉紧的绕组端部9的情况下，该热膨胀会导致重大的问题，因为该热膨胀可能导致绕组部件14的弯曲和/或转子6的损毁。绕组端部载体15的两个可以在旋转轴R的轴向方向上运动的承载环15.1,15.2改善了该问题。当然，必须考虑的是，在前述尺寸的这种类型的机器中，承载环15.1,15.2或者绕组端部载体15无论如何都会具有几吨的重量。该重量必须在绕组部件14热膨胀时通过绕组部件来承载并且转移。这导致绕组部件14的高的机械负载，其在最坏的情况下会导致绕组部件14的变形和/或折断。根据本发明的转子6的构造对其产生相反作用，其中在绕组端部载体15的两个承载环15.1,15.2和轮毂11以及转子体10和/或压力板12之间使用了弹簧件19。这导致，通过结构性地选择该弹簧件19就已经相应地考虑到了绕组端部载体15的重量，该弹簧件例如可以设计成板簧、螺旋弹簧和/或橡胶弹簧。弹簧19可以补偿绕组端部载体15的重力，从而使其可以通过膨胀的绕组部件14相对轻微地在轴向方向上反向于重力g的方向向上推移。由此，在绕组部件14的区域中的负荷被明显降低，同样也减轻了对在槽13的区域中固定绕组部件14的负荷。该构造如其在图2中示出的那样可以如所示在重力g的方向上位于上方的绕组端部9的区域中实现。在重力g的方向上位于下方的绕组端部15的区域中，弹簧件19必须如此放置，即其也向上挤压绕组端部载体15来同样对抗重力g。

当然，示出的具有两个承载环15.1,15.2的绕组端部载体15的实施例在此被理解为示例性的。绕组端部载体15也可以实现为一体的或者以多个彼此独立地设计的单独的承载环或者类似物或者彼此连接的部件的形式。每个单独的承载环15.1,15.2在此都可以设计成由一个或者多个段构成的环形件。当然也可以考虑的是，承载环在圆周方向上分开，即在承载环的各个段之间在圆周方向上保留相对大的间隙。

Claims (12)

1.一种用于电动机(7)的转子(6)，包括：

1.1围绕在重力(g)的方向上延伸的旋转轴(R)旋转的转子体(10)；

1.2绕组部件(14)，所述绕组部件设置在轴向上在所述转子体(10)中延伸的槽(13)中；

1.3两个绕组端部(9)，所述绕组端部在轴向方向上设置在所述转子体(10)的上方或者下方，其中在所述绕组端部(9)的区域中，所述绕组部件(14)在轴向方向上从所述槽(13)中突出并且与另外的绕组部件(14)连接；

1.4用于每个所述绕组端部(9)的绕组端部载体(15)，所述绕组端部载体径向地设置在所述绕组端部(9)的内部并且与所述旋转轴(R)同轴布置，并且所述绕组端部载体抗扭地并且在所述旋转轴(R)的方向上可推移地至少间接地固定在所述转子体(10)或者与所述转子体一同旋转的部件上，

其特征在于，

1.5在固定的区域中设置有弹簧件(19)，所述弹簧件在所述转子体(10)和/或与所述转子体一同旋转的部件与所述绕组端部载体(15)之间在轴向方向上抵抗所述重力(g)，

1.6每个所述绕组端部载体(15)具有至少一个一体的或者在周向方向上为分段的承载环(15.1，15.2)，

1.7每个所述承载环(15.1，15.2)都通过所述弹簧件(19)在轴向方向上至少间接地相对于所述转子体(10)支承。

2.根据权利要求1所述的转子(6)，其特征在于，每个所述绕组端部载体(15)都具有至少两个一体的或者在周向方向上分段的承载环(15.1，15.2)。

3.根据权利要求2所述的转子(6)，其特征在于，每个所述绕组端部载体(15)都具有刚好两个一体的或者在周向方向上分段的承载环(15.1，15.2)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子(6)，其特征在于，所述弹簧件(19)被选择和布置为，所述弹簧件补偿所述绕组端部载体(15)的至少一大部分重量。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的转子(6)，其特征在于，所述弹簧件(19)被选择和布置为，所述弹簧件对所述绕组端部载体相对于所述转子体(10)在所述重力(g)的方向上预加应力。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的转子(6)，其特征在于，所述弹簧件(19)设计成板簧或者螺旋弹簧。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的转子(6)，其特征在于，所述弹簧件(19)设计成橡胶弹簧。

8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的转子(6)在具有可变转速的集电环转子的异步电机中的用途。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，所述异步电机(7)设计成双馈异步电机。

10.一种用于具有水轮机(3)或者泵涡轮机以及电动机(7)的水利发电站(1)的机组，所述电动机具有根据权利要求1至7中任一项所述的转子(6)，所述转子与所述水轮机(3)或者所述泵涡轮机驱动连接。

11.根据权利要求10所述的机组，其特征在于，所述电动机(7)设计成异步电机，所述异步电机具有可变转速的集电环转子。

12.根据权利要求10所述的机组，其特征在于，所述电动机(7)设计成双馈异步电机。