CN105762955B - 一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子 - Google Patents

一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，它涉及电机领域。本发明为了解决现有水轮发电机定子区域温度高的问题。定子铁心沿轴向方向等间距依次排布，定子铁心之间留有定子径向通风沟，定子铁心齿顶处加工有倒角a，定子主绝缘包裹在定子下层铜绕组和定子上层铜绕组的外侧，定子铁心表面开设有定子凹槽，定子直线式凹槽沿径向方向贯穿定子铁心齿和定子铁心轭，定子环绕式凹槽在定子铁心齿位置处环绕定子主绝缘外表面后沿径向方向贯穿定子铁心轭，定子端部铁心内部开设有定子端部铁心径向通风孔，定子端部铁心径向通风孔沿径向方向贯穿定子端部铁心。本发明增强了水轮发电机定子区域的冷却效果，结构简单，便于实现。

Description

一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子
技术领域
本发明涉及一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，属于电机领域。
背景技术
水力发电是一种清洁环保的能源，与其他常规能源相比，其具有节约煤炭等重要化石燃料、开发容量巨大以及对大气环境无污染的优点。水轮发电机是将水轮机作为原动机将清洁的水能转化为供电网使用的电能的发电机，而且大型水轮发电机以其结构简单，效率高，维护方便等优势，在发电厂中得到越来越多的应用。随着发电机加工制造中新技术和新工艺地不断发展，水轮发电机的单机容量不断增加，发电机内各构件的电磁负荷和热负荷也不断提高，大容量水轮发电机内部过热问题变得越来越突出，已经影响到了大型水轮发电机的使用寿命。
为了能够降低水轮发电机定子区域内各构件的温度，提高水轮发电机内冷却流体的利用率，可以采用一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，提高冷却流体带走定子主绝缘和定子铁心热量的能力，明显地降低定子铁心、定子下层铜绕组、定子上层铜绕组和定子主绝缘的温度，减小定子线棒沿轴向方向的热应力和温差。同时，定子端部铁心径向通风孔内较高流速的冷却流体还可以明显地降低发热严重的定子端部铁心的最高温度，确保水轮发电机能够长期稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，以解决由于水轮发电机定子区域通风设计不合理而导致的定子区域各构件温度过高的问题，提高了水轮发电机定子区域内冷却流体的利用率，有效地降低了定子铁心、定子下层铜绕组、定子上层铜绕组和定子主绝缘的温度，提高了水轮发电机长期稳定运行的能力。
本发明的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，它包括定子下层铜绕组、定子上层铜绕组、定子层间绝缘、定子主绝缘、定子槽楔、定子铁心、定子凹槽、定子径向通风沟和定子端部铁心径向通风孔。定子铁心由定子铁心齿和定子铁心轭组成。定子凹槽由定子直线式凹槽和定子环绕式凹槽组成。定子铁心沿轴向方向等间距依次排布，定子铁心之间留有定子径向通风沟，定子铁心齿顶处加工有倒角a，定子主绝缘包裹在定子下层铜绕组和定子上层铜绕组的外侧，定子铁心表面开设有定子凹槽，定子直线式凹槽沿径向方向贯穿定子铁心齿和定子铁心轭，定子环绕式凹槽在定子铁心齿位置处环绕定子主绝缘外表面后沿径向方向贯穿定子铁心轭。定子端部铁心内部开设有定子端部铁心径向通风孔，定子端部铁心径向通风孔沿径向方向贯穿定子端部铁心。
作为优选，所述的定子铁心的厚度为30 mm至50 mm。定子铁心的齿顶处加工有倒角a为2°至6°。定子铁心的齿顶倒角在轴向方向的宽度为3 mm至7 mm。定子凹槽的深度为4mm至7 mm。定子径向通风沟的宽度为5 mm至8 mm。定子端部铁心内部的定子端部铁心径向通风孔的直径为7 mm至11 mm。定子端部铁心径向通风孔沿圆周方向均匀排布，其在圆周方向的个数为30个至40个。
作为优选，所述的定子铁心齿顶处均开设有“梯形”小凹槽，“梯形”小凹槽沿轴向方向贯穿定子铁心齿。增大了冷却流体与定子铁心齿顶的接触面积，加快了定子铁心齿顶周围冷却流体的速度，增大了定子铁心齿顶的表面散热系数，有效地降低了定子铁心齿的温度，并且节省了定子铁心的材料。
作为优选，所述的定子铁心轭处的定子环绕式凹槽中有三个径向凹槽。增加了定子环绕式凹槽内冷却流体的流量，加快了定子环绕式凹槽内冷却流体的速度，进一步降低了定子铁心和定子主绝缘的温度，减小了定子区域沿轴向方向的温差。
作为优选，所述的定子直线式凹槽之间增设了定子凸起，定子凸起的高度为1 mm至2 mm。降低了冷却流体的通风损耗，增加了冷却流体与定子铁心的接触面积，增强了冷却流体带走定子铁心热量的能力，进一步降低了定子铁心的温度。
作为优选，所述的定子直线式凹槽的通风截面积沿径向方向逐渐增大，同时，位于定子铁心轭处的定子环绕式凹槽的通风截面积沿径向方向逐渐增大。增加了进入到定子直线式凹槽和定子环绕式凹槽中冷却流体的流量，加快了定子直线式凹槽和定子环绕式凹槽中冷却流体的速度，抵消了由于冷却流体温度升高导致其冷却效果变差的影响，进一步降低了定子铁心的温度。
本发明的优点：大型水轮发电机定子铁心和定子绕组的温度相对较高，并且定子绕组在轴向方向存在较大的温差和热应力。本发明通过在原来实心定子铁心表面开设定子凹槽，定子铁心齿顶处开设倒角以及定子端部铁心内部开设径向通风孔的设置，形成了环绕绕组凹槽式定子通风冷却系统。明显地增加了进入到水轮发电机定子径向通风沟内冷却流体的流量，加快了定子径向通风沟内冷却流体的速度，同时，增大了冷却流体与定子主绝缘和定子铁心的接触面积，提高了冷却流体带走定子主绝缘和定子铁心热量的能力，明显地降低了定子铁心、定子下层铜绕组、定子上层铜绕组和定子主绝缘的温度，减小了定子线棒沿轴向方向的热应力和温差。此外，定子端部铁心径向通风孔增大了冷却流体与定子端部铁心的接触面积，加快了定子端部铁心内部和表面周围冷却流体的速度，明显地降低了发热严重的定子端部铁心的最高温度。本发明所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子能够有效地增强定子区域的冷却效果，提高了水轮发电机内冷却流体的利用率，明显地降低了定子铁心和定子绕组的最高温度，节省了材料，降低了成本，增强了水轮发电机稳定运行的能力。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明所述一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中定子的圆周方向局部剖视图；
图2为本发明所述一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中定子的轴向方向剖视图；
图3为本发明所述一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中定子端部铁心的N-N向剖视图；
图4为本发明具体实施方式二所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中定子的圆周方向局部剖视图；
图5为本发明具体实施方式三所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中定子的圆周方向局部剖视图；
图6为本发明具体实施方式四所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中定子的圆周方向局部剖视图；
图7为本发明具体实施方式五所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中定子的圆周方向局部剖视图。
图中：1-定子下层铜绕组；2-定子上层铜绕组；3-定子层间绝缘；4-定子主绝缘；5-定子槽楔；6-定子铁心；7-定子凹槽；8-定子径向通风沟；9-定子端部铁心径向通风孔；10-“梯形”小凹槽；11-定子凸起。图中箭头所示为一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子中冷却流体的流动方向。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1，图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，它包括定子下层铜绕组1、定子上层铜绕组2、定子层间绝缘3、定子主绝缘4、定子槽楔5、定子铁心6、定子凹槽7、定子径向通风沟8和定子端部铁心径向通风孔9。定子铁心6由定子铁心齿6-1和定子铁心轭6-2组成。定子凹槽7由定子直线式凹槽7-1和定子环绕式凹槽7-2组成。定子铁心6沿轴向方向等间距依次排布，定子铁心6之间留有定子径向通风沟8，定子铁心6齿顶处加工有倒角a，定子主绝缘4包裹在定子下层铜绕组1和定子上层铜绕组2的外侧，定子铁心6表面开设有定子凹槽7，定子直线式凹槽7-1沿径向方向贯穿定子铁心齿6-1和定子铁心轭6-2，定子环绕式凹槽7-2在定子铁心齿6-1位置处环绕定子主绝缘4外表面后沿径向方向贯穿定子铁心轭6-2。定子端部铁心内部开设有定子端部铁心径向通风孔9，定子端部铁心径向通风孔9沿径向方向贯穿定子端部铁心。
定子铁心6的厚度为30 mm至50 mm，本实施例取为40 mm。定子铁心6的齿顶处加工有倒角a为2°至6°，本实施例取为4°。定子铁心6的齿顶倒角在轴向方向的宽度为3 mm至7mm，本实施例取为5 mm。定子凹槽7的深度为4 mm至7 mm，本实施例取为5 mm。定子径向通风沟8的宽度为5 mm至8 mm，本实施例取为7 mm。定子端部铁心内部的定子端部铁心径向通风孔9的直径为7 mm至11 mm，本实施例取为8 mm。定子端部铁心径向通风孔9沿圆周方向均匀排布，其在圆周方向的个数为30个至40个，本实施例取为36个。
在原来实心定子铁心6表面开设定子凹槽7，定子铁心6齿顶处开设倒角以及定子端部铁心内部开设径向通风孔9，形成了环绕绕组凹槽式定子通风冷却系统。该定子通风冷却系统增大了定子径向通风沟8入口处的通风截面，增加了进入到水轮发电机定子径向通风沟8内冷却流体的流量，明显地加快了定子径向通风沟8内冷却流体的速度。定子凹槽7增大了定子铁心6表面的散热系数，破坏了定子铁心6表面的径向流体边界层，增加了定子径向通风沟8内冷却流体的紊流程度，增强了流体冷却定子区域的能力，同时，定子凹槽7还增加了冷却流体与定子主绝缘4和定子铁心6的接触面积，提高了冷却流体带走定子主绝缘4和定子铁心6热量的能力，明显地降低了定子铁心6、定子下层铜绕组1、定子上层铜绕组2和定子主绝缘4的温度，减小了定子线棒沿轴向方向的热应力和温差。此外，定子端部铁心径向通风孔9增大了冷却流体与定子端部铁心的接触面积，加快了定子端部铁心内部以及其表面周围冷却流体的速度，明显地降低了发热严重的定子端部铁心的最高温度，有效地提高了水轮发电机长期稳定运行的能力。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于定子铁心6齿顶处均开设有“梯形”小凹槽10，“梯形”小凹槽10沿轴向方向贯穿定子铁心齿6-1。增大了冷却流体与定子铁心6齿顶的接触面积，加快了定子铁心6齿顶周围冷却流体的速度，增大了定子铁心6齿顶的表面散热系数，有效地降低了定子铁心齿6-1的温度，并且节省了定子铁心6的材料。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于定子铁心轭6-2处的定子环绕式凹槽7-2中有三个径向凹槽。增加了定子环绕式凹槽7-2内冷却流体的流量，加快了定子环绕式凹槽7-2内冷却流体的速度，进一步降低了定子铁心6和定子主绝缘4的温度，减小了定子区域沿轴向方向的温差。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于定子直线式凹槽7-1之间增设了定子凸起11，定子凸起11的高度为1 mm至2 mm，本实施例取为2 mm。降低了冷却流体的通风损耗，增加了冷却流体与定子铁心6的接触面积，增强了冷却流体带走定子铁心6热量的能力，进一步降低了定子铁心6的温度。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图7说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于定子直线式凹槽7-1的通风截面积沿径向方向逐渐增大，同时，位于定子铁心轭6-2处的定子环绕式凹槽7-2的通风截面积沿径向方向逐渐增大。增加了进入到定子直线式凹槽7-1和定子环绕式凹槽7-2中冷却流体的流量，加快了定子直线式凹槽7-1和定子环绕式凹槽7-2中冷却流体的速度，抵消了由于冷却流体温度升高导致其冷却效果变差的影响，进一步降低了定子铁心6的温度。其它组成及连接关系与实施方式一相同。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，其特征在于：它包括定子下层铜绕组（1）、定子上层铜绕组（2）、定子层间绝缘（3）、定子主绝缘（4）、定子槽楔（5）、定子铁心（6）、定子凹槽（7）、定子径向通风沟（8）和定子端部铁心径向通风孔（9）；定子铁心（6）由定子铁心齿（6-1）和定子铁心轭（6-2）组成；定子凹槽（7）由定子直线式凹槽（7-1）和定子环绕式凹槽（7-2）组成；定子铁心（6）沿轴向方向等间距依次排布，定子铁心（6）之间留有定子径向通风沟（8），定子铁心（6）的厚度为30mm至50mm，定子铁心（6）齿顶处加工有倒角a为2°至6°，定子铁心（6）的齿顶倒角在轴向方向的宽度为3mm至7mm，定子主绝缘（4）包裹在定子下层铜绕组（1）和定子上层铜绕组（2）的外侧，定子铁心（6）表面开设有定子凹槽（7），定子直线式凹槽（7-1）沿径向方向贯穿定子铁心齿（6-1）和定子铁心轭（6-2），定子环绕式凹槽（7-2）在定子铁心齿（6-1）位置处环绕定子主绝缘（4）外表面后沿径向方向贯穿定子铁心轭（6-2），定子端部铁心内部开设有定子端部铁心径向通风孔（9），定子端部铁心径向通风孔（9）沿径向方向贯穿定子端部铁心。
2.根据权利要求1所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，其特征在于：定子凹槽（7）的深度为4mm至7mm；定子径向通风沟（8）的宽度为5mm至8mm；定子端部铁心内部的定子端部铁心径向通风孔（9）的直径为7mm至11mm；定子端部铁心径向通风孔（9）沿圆周方向均匀排布，其在圆周方向的个数为30个至40个。
3.根据权利要求1所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，其特征在于：所述的定子铁心（6）齿顶处均开设有“梯形”小凹槽（10），“梯形”小凹槽（10）沿轴向方向贯穿定子铁心齿（6-1）。
4.根据权利要求1所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，其特征在于：所述的定子铁心轭（6-2）处的定子环绕式凹槽（7-2）中有三个径向凹槽。
5.根据权利要求1所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，其特征在于：所述的定子直线式凹槽（7-1）之间增设了定子凸起（11），定子凸起（11）的高度为1mm至2mm。
6.根据权利要求1所述的一种利于散热的环绕绕组凹槽式水轮发电机定子，其特征在于：所述的定子直线式凹槽（7-1）的通风截面积沿径向方向逐渐增大，同时，位于定子铁心轭（6-2）处的定子环绕式凹槽（7-2）的通风截面积沿径向方向逐渐增大。
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