CN1085431C - 用于电机,特别是涡轮发电机的定子的支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将电机，特别是涡轮发电机的定子的第一部件(1)支撑到定子的第二部件(2)上的装置，其中第一部件(1)和第二部件(2)之间有间距，并沿旋转方向至少部分地围绕着转子转轴的旋转轴线(6)，这两个部件(1；2)在至少三个围绕着旋转轴线(6)分布的地方分别借助于一个整体的支撑元件(4)互相支撑，而且，各支撑元件(4)在其两端之间分别具有一个单平面弯曲的材料条(5)，使得所述两个部件(1；2)之间的距离在材料条(5)的弯曲变形下沿涡轮发电机的轴向和径向可变，而且，由于材料条(5)在横向垂直于弯曲曲线的方向上具有刚性，所以这一支撑沿切线方向是刚性的。该装置因为材料条(5)是弯曲的，所以制造上节省空间而且成本低廉。其安装费用与目前已知的支撑装置相比要节省许多。

Description

用于电机，特别是涡轮发电机的定子的支撑装置

本发明涉及一种用来将电机定子，特别是涡轮发电机定子的第一部件支撑到定子的第二部件上的装置。

在将机械能转化为电能的发电机或反之的电机中，能量转换时转子转轴在定子的一个大多近似旋转对称的空腔内旋转。在Mülheim/Ruhr的电厂联合股份公司KWU于1982年3月出版的一份订单号为K/10437-01的印刷品中提到了一些不同的涡轮发电机。另外位于德国D-91058 Erlangen市Freyesleben大街1号的西门子股份公司能量产生部(KWU)于1993年9月出版的订单号为A96001-U111-A244的一分印刷品中提到了涡轮发电机及其零件。在这两份印刷品中都说明了定子的线圈，其轴向的一端或两端具有所谓的线圈头。由氢气冷却的涡轮发电机的定子线圈头可借助于一个实心的最好由玻璃纤维强化的塑料制成的近似旋转对称的支撑环来支撑。而该支撑环则支于一个压板上，借助于该压板使得定子叠片堆能够在堆积压力下保持住。该叠片可以加强定子线圈的磁场，它的方向大至与转子转轴的旋转轴线平行。支撑环与压板之间的支撑件有多种用途。其一，它沿垂直方向承接着支撑环自身以及由支撑环所支撑零件的重量，特别是线圈头的重量。其二，它能够防止线圈头在涡轮发电机工作时以及出现故障时发生偏转。另外，它还有别的作用，例如，减缓涡轮发电机工作时出现的振动，平衡由于热胀冷缩引起的定子各部分之间的距离变化以及相对的错位。

专门用于以上提到的用途中某一特定项的支撑件已公知。例如专门用来承受支撑环和线圈头重量的为磨擦所困扰的轴承，整个支撑件由大量不同的零件组成。大量的零件挤占了位于压板和支撑环之间的其它组成部分的空间。另外，各个零件之间的相互作用也要求相应的加工精度。

在专利申请案DE-AS 10 57 214中介绍了大功率单相交流发电机上的一种装置，它的作用是在启动了位于电机铁芯和外壳之间的弹簧件后将定子的扭矩弹性传导至机座。弹簧件以弹簧支座或弹簧支柱的形式从两侧作用于带有线圈的铁芯周边，其支撑于以悬臂式支承于机座上等电机外壳的其它部分上，使得刚性固定于机座的外壳各部分上出现的振动力被吸收并传给机座。

在专利申请案DE-AS 11 46 560中说明了一种电机的外壳。该电机带有安装于外壳与定子铁片芯包之间并均匀分布于铁片芯包外面的纵向加强肋，沿着从壳的径轴偏向纵轴的方向放置。其中至少装有两个加固环的加强肋的一部分交互偏向径轴的一侧或另一侧，而且从径轴偏向一侧的平均偏差的总数大约等于从径轴偏向另一侧的角偏差总数。

在专利申请案DE-AS 12 20 022中说明了一种带有圆柱形定子壳的电机，其中为了减少定子壳端侧的振动而安装了环。这些环的刚性要比定子壳大，而且通过分布于壳外围的连接件安装在定子壳上，使得当这些环和定子壳的端面之间产生相对运动时能够产生与壳振动相反的磨擦力。

在专利申请案DE 37 07 422 A1中说明了一种用于固定三相发电机定子包的方法。根据这一方法，在定子包的外面四周安了一个张紧环，它在预给位置同定子包紧密结合。而在张紧环的两侧则可以继续安装发电机壳的其它部件并将其互相拉紧。张紧环具有轴向通孔，最好由构成张紧环的金属薄板带的一般波形构成，以便无论两侧的壳张紧环表面如何安装，用来供冷却发电机的冷风通过的通道的内横截面都会变化。

在专利申请案CH-PS 547 568中介绍了一种用于固定电动机定子的装置。该定子位于一个非支承的外壳的一对端框内。这一固定装置能够避免定子的振动传至电动机的其它部分。它具有至少一对立式弹簧板，安装于定子的两个相对的侧面上，这样，每个弹簧板的一端固定于定子上，另一端固定于一个支座上。那个非支承的外壳安在围绕着定子的端框内且与弹簧板和定子都接触，其构造能使定子的振动直接传给支座而不能传给外壳。

本发明的目的在于，创造一种用来将电机，特别是涡轮发电机的定子的一部件支撑于定子的另一部件上的装置，它既能承受其支撑的部件的重量，使得两部件之间的轴向和径向间距能变化，又能最大程度地避免线圈头发生扭转，而且支撑装置的零件尽量少地占用空间，尽量降低制造和安装成本。

本发明的目的是通过以下用于将电机，特别是涡轮发电机的定子的第一部件支撑到定子的第二部件上的支撑装置来实现的，其中第一部件和第二部件之间有间距，并沿旋转方向至少部分地围绕着转子转轴的旋转轴线，这两个部件在至少三个围绕着旋转轴线分布的地方分别借助于一个整体的支撑元件互相支撑，而且，各支撑元件在其两端之间分别具有一个单平面弯曲的材料条，使得所述两个部件之间的距离在材料条的弯曲变形下沿涡轮发电机的轴向和径向可变，而且，由于材料条在横向垂直于弯曲曲线的方向上具有刚性，所以这一支撑沿切线方向是刚性的。

在符合本发明的装置中，定子的两部件至少在三个地方分别与一个整体的支撑元件相互支撑。这至少三个连接点围绕转子转轴的旋转轴线分布，以避免定子的两个部件之间发生相对的扭转。每一个支撑元件在其端部之间分别有一个单平面弯曲出的材料条。定子的两个部件之间的距离在材料条的弯曲变形下沿涡轮机的轴向和径向可变，并且由于材料条在与弯曲曲线垂直的方向上具有刚性，所以支撑件在切向具有刚性。对于轴向可理解成是与涡轮机的转子(发电机转轴，转子转轴)的旋转轴线平行的方向。与此相应，每条想象中的径向直线都与旋转轴线垂直相交。对涡轮机的定子区域内的每个参考点都准确地存在着一个切线方向，它是通过在参考点与经过该参考点的圆相切的切线来定义的，该经过参考点的圆相对于定子的旋转轴线旋转对称。一个单平面弯曲出的材料条可理解成通过弯曲一个平面可弯曲的材料条而获得，这里材料条只围绕想象中的或确实存在的轴线弯曲，这些轴线全部与一个在不可弯曲的材料条平面上的参考方向平行，而该参考方向在材料条上的位置是确定的。所以，材料条弯曲后在参考方向和在与参考方向平行的方向上沿直线伸展。这一方法仅仅是为了举例来形象地说明其形状。在符合本发明的装置中实际所用的材料条可以通过别的方法来制造。

在符合本发明的支撑装置中，各个部件之间没有摩擦。符合本发明的一个或多个整体支撑元件能够替代现有技术水平下的用来承受支撑环和线圈头重量的为摩擦所困扰的轴承。特别是安装在与转子转轴的旋转轴线大约等高度的支撑元件，无需太大的弯曲变形即能承受重力，因为前面提到的参考方向与弯曲方向大约垂直并向下。同时，这些支撑元件也能够进一步防止线圈的扭转，同符合该发明的其它支撑元件一样。特别是在转子转轴的旋转运动突然加速或放慢时，会产生沿切线方向作用的力，如果没有一个合适的支撑装置，这些力会引起线圈头的旋转，而这是不允许发生的。符合本发明的装置有一个明显的优点，即能够避免磨损支撑件和定子线圈绝缘层。

带有一个弯曲出来的材料条的支撑元件制造简单，成本低廉。由于材料条是弯曲的，所以只需较小的空间。较有利的是，在符合本发明的装置中的每一个支撑点上都能使用相同的支撑元件。这是由被弯曲的材料条的机械特性所决定的。当材料受到来自轴向和径向的作用力时，它会发生较有利的弹性弯曲变形。这样，它就能够相应地承受持续恒定的作用力，如一个线圈头的重量，并且同时对由振动引起的，或是由温度变化决定的两个相互支撑在一起的部分的位移引起的不断变化的作用力作出弹性反应。由于材料条具有可塑性，所以首先避免了不希望出现的卡死现象，例如由铜绕线从线圈头内脱出所引发的故障。对于切向作用力，特别是由转子和定子之间的电磁变换作用所引起的这种力，它能够因自身的刚性几乎不变地从一端传至另一端，从而避免了相互支撑的两部分之间发生不希望出现的相对扭转运动。

在一符合本发明的改进设计中，材料条在涡轮机的纵轴截面上以蛇形弯曲并垂直于截面大至沿切线方向直线延伸。所谓纵轴截面是指一个涡轮机转子的旋转轴线位于其上的截面。在另一个优选的改进设计中，材料条在涡轮机的纵轴截面上分别沿着一条两端呈四分之一圆的线延伸，该四分之一圆渐变为一段直线，在这里，这些直线段通过蛇形线段相互连接在一起。根据要求的机械特性，特别是材料条的刚性，也可以对设计进行其它改进，使其以回纹形式具有多个蛇形段。除了通过此类成型法外，还可通过材料条的长度，材料的选材和材料条的厚度来调节其机械特性。

在另外一个改进设计中，定子的支撑于第二部件上的第一个部件是一个压板，在堆积压力作用下，它将一个堆叠方向大至与转子转轴的旋转轴线平行的叠片堆支持住。而另外一个改进设计中的第二部件则是一个优选用玻璃纤维强化塑料(GFK)作的支撑环，它至少在一个线圈与电线的连接处支撑和/或支承着定子的一个电线圈。

在支撑装置的另外一个优选改进设计中，至少有一个材料条的一端与第一个连接元件，另一端与第二个连接元件相连，而这些连接元件又分别与定子的两个部件之一紧密连接。较有利的是，这两个连接元件和材料条由金属制成，而且这两个连接元件和材料条之间通过焊接相连。较有利的是，焊接在支撑元件安装之前完成并且焊缝应该是对接焊缝，为了提高其疲劳限度，焊缝要磨平。

在一个支撑装置的优选改进设计中，定子的第一部件至少在一个支撑元件与连接元件的连接处由金属构成并与第一个连接元件焊接在一起。第一个连接元件的厚度最好比材料条的大50％。这种设计简化了支撑元件与第一部件之间的焊接。在另外一个优选的改进设计中，第二个连接元件通过多个螺栓，最好是膨胀螺栓，与定子的第二部件连接，膨胀螺栓的头部在外面，分别大致径向地延伸。第二个连接元件最好比材料条厚许多，以便拧紧第二个连接元件，而无需拉紧材料条。对于大型涡轮机，特别是额定功率超过100MW的涡轮发电机，第二个连接元件的厚度应为30至45毫米，最好是大约40毫米。对于这样的涡轮机，材料条的厚度为10至14毫米，最好为大约13毫米，其恒定宽度为200至400毫米，最好为大约300毫米。

在另外一个优选的改进设计中，定子第二部件上有至少一个孔，其大约与转子转轴的旋转轴线平行，至少在一个孔内装有一个螺栓套，它与第二个连接元件用螺丝拧紧。较有利的是，螺栓套由钢制成，上面有两个带内螺纹的孔。在这一设计中，安装时可以简便而可靠地实现第二个连接元件与定子的第二部件在均匀压力下的螺栓固定。

第二个连接元件与定子的第二部件通过螺栓固定这一设计的一个优点是，在制造定子的通过支撑元件相互支撑在一起的两个部件时，和/或在制造支撑元件时的制造公差可以简单地补偿掉。为了补偿制造公差，一方面可以使用金属衬片，将其安装在第二个连接元件与定子的第二部件之间，另一方面可以在第二个连接元件上钻长形孔，以便螺栓的插入。

在支撑装置的一个设计中，定子的两部件之间要相互支撑，以便这两个部件与支撑元件的连接处分别位于一个圆周上，而圆周的圆心大致位于转子转轴的旋转轴线上。

在另一个设计中，连接处分别大致均匀地围绕转子转轴的旋转轴线分布，也就是说，它们分别与旋转轴线上的一点的连线相互之间的角度相同。

支撑元件的材料条可以是一个带钢，通过围绕单根轴线或多根互相平行的轴线弯曲成型。可以使用通常的金属薄板弯曲工具。

下面借助附图所示实施形式对本发明的支撑装置加以说明。这些实施形式仅仅是几个例子，本发明并不局限于此。附图中：

图1示出支撑装置的一个纵轴截面，

图2示出支撑装置在垂直于旋转轴线方向上的一个横截面，

图3为支撑元件的径向视图，

图4示出螺栓套的纵截面，

图5示出螺栓套的横截面。

图1示出符合本发明的一个支撑装置的纵轴截面，也就是说，转子转轴的旋转轴线6位于这一截面上。压板1(定子的第一部件)和由玻璃纤维强化塑料(GFK)制成的支撑环2(定子的第二部件)通过支撑元件4互相支撑。压板1在堆积压力作用下支撑着叠片堆3，这在图的左侧示出。叠片堆的反向支座，例如另一个压板，没有示出。支撑元件4上有一个金属薄板条5，它的两端分别通过焊缝10与一个连接元件7以及另一个连接元件8相连。第一个连接元件7通过另一个焊缝10与压板1相连。焊缝10乃对接焊缝。支撑元件4通过第二个连接元件8与GFK-环2相连。这一连接乃螺栓连接。在图1中未示出的螺栓从第二个连接元件8穿过用来补偿制造公差的衬片12和GFK-环2上的孔，一直延伸到具有内螺纹的螺栓套9。螺栓套9安在一个孔11内。在指向旋转轴线6的方向上以截断方式示出压板1。在图1的下方可以看到设计成旋转对称的整体压板1的另外一部分以及叠片堆3的一部分。

借助于衬片12可以在径向分别为一个支撑元件4在唯一的一处补偿公差。这样的公差补偿基于GFK-环2的机械加工，基于支撑元件4的制造公差，基于将支撑元件4焊接到压板1过程中产生的公差是必要的。

支撑元件4位于图1所示的截面上，从压板1开始，首先略与压板1的表面垂直，然后向右略呈1/4圆形，渐变为一段直线，接下来是一蛇行段，之后又渐变为一段直线，然后向右呈1/4圆形，一直延伸到第二个连接元件8。如果支撑元件4是为西门子股份公司THDF系列的涡轮发电机(在KWU-印刷品和西门子印刷品中有所说明)所设计，则金属薄板条5的厚度可能为5至15毫米。在这种情况下第二个连接元件的厚度大约为40毫米。在这样的参考尺寸下，支撑元件4能够承受径向5KN至20KN的力。在切线方向上由于支撑元件4具有刚性，所以能够承载10KN至100KN的力。

图2所示乃支撑装置的一个横截面，它与穿过FGK环2的转子转轴的旋转轴线6垂直。一共有六个支撑元件4与带有GFK-环2的压板1相连。支撑元件4的第一个连接元件7焊接在压板1上。而第二个连接元件8则与GFK-环2通过螺栓连接。支撑元件4之间的角度间距相同并分别以相对于旋转轴线6相同的间距安装。在其它的实施形式中也优选使用六至十个结构相同的支撑元件。

图3所示支撑元件4的投视方向的延长线与转子转轴的旋转轴线相交成一直角。支撑元件4在连接元件8上共有八个孔15；16，用于支撑元件4的螺栓连接。这些孔可以设计成具有圆形截面的孔15或椭圆形截面的长形孔16。长形孔16能够补偿支撑元件4的制造公差或待支撑部件的制造误差。

图4示出螺栓套9的一个纵截面，以及螺栓套上的两个有内螺纹的孔18和旋入孔18的膨胀螺栓17。沿着图4的V-V线方向的一个横截面在图5中示出。可以看到螺栓套9的圆形横截面。螺栓套9可以例如图1所示那样安装在一个孔11内。

如图3所示的支撑元件4的螺栓连接一共需要四个图4和图5所示的螺栓套。符合本发明的支撑元件的其它实施形式具有用于螺栓连接的孔15；16，它们分成两排平行排列，分别有三个和五个孔15；16。螺栓连接首选膨胀螺栓M20和M30。

制造符合本发明的支撑装置的支撑元件仅需几个工作步骤。机械加工的范围很小。安装支撑元件可以使用有效可靠技术。这样，安装费用要比目前已知的支撑元件低。因此，该发明蕴含着巨大的合理化潜能。

Claims (13)

1.一种用于将电机，特别是涡轮发电机的定子的第一部件(1)支撑到定子的第二部件(2)上的装置，其中第一部件(1)和第二部件(2)之间有间距，并沿旋转方向至少部分地围绕着转子转轴的旋转轴线(6)，其特征在于，这两个部件(1；2)在至少三个围绕着旋转轴线(6)分布的地方分别借助于一个整体的支撑元件(4)互相支撑，而且，各支撑元件(4)在其两端之间分别具有一个单平面弯曲的材料条(5)，使得所述两个部件(1；2)之间的距离在材料条(5)的弯曲变形下沿涡轮发电机的轴向和径向可变，而且，由于材料条(5)在横向垂直于弯曲曲线的方向上具有刚性，所以这一支撑沿切线方向是刚性的。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，材料条(5)沿弯曲曲线具有弹性，可以弯曲，使得所述两个部件(1；2)之间的距离在材料(5)的弹性弯曲变形下沿轴向和径向可变。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，材料条(5)在涡轮发电机的纵轴截面上呈蛇形弯曲，并且与截面垂直地、大约沿切线方向地直线延伸。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，材料条(5)在涡轮发电机的纵轴截面上的弯曲线的两端各略呈1/4圆形，又分别渐变为一段直线，而这两条直线段之间通过蛇形弯曲段互相连接。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一部件(1)乃压板，借助于它，一个堆叠方向大致与涡轮机转子转轴的旋转轴线平行的叠片堆(3)在堆积压力下可以被支持住。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二部件(2)优选为以玻璃纤维强化塑料制成的支撑环，它至少在定子线圈的一个电连接处支撑着和/或支承着一个定子线圈。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个支撑元件(4)的材料条(5)在其一端与第一个连接元件(7)，在另一端与另外一个连接元件(8)相连，它们分别与相互支撑的两个部件(1；2)牢固连接。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，两个连接元件(7；8)和材料条(5)均由金属制成，而且这两个连接元件(7；8)与材料条(5)之间通过熔焊连接。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，第一部件(1)至少在与至少一个支撑元件(4)的连接处为金属材料，第一个连接元件(7)与第一部件(1)通过熔焊连接，连接元件(7)的厚度比材料条(5)的厚度大出50％。

10.如权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，第二个连接元件(8)通过多个螺栓(17)与第二部件(2)连接，螺栓(17)分别头朝外，大致沿径向延伸。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，第二部件(2)上至少有一个大致与转子转轴的旋转轴线(6)平行的孔(11)，该孔(11)内安有一个螺栓套(9)，它与第二个连接元件(8)通过螺栓连接。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，两个部件(1；2)与支撑元件(4)的连接处分别位于一个圆心大致在转子转轴的旋转轴线(6)上的圆上。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，两个部件(1；2)与支撑元件(4)的连接处分别大致均匀地围绕着转子转轴的旋转轴线(6)分布。

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