CN1109395C - 两极涡轮发电机及其转子 - Google Patents

Abstract

一种两极涡轮发电机及其转子，其中在有负载情况下波形畸变率减小从而提高了供电质量，上述转子包括：一实心型转子芯，该芯有：磁极部分6，多个开在转子芯非磁极部分上的槽7和一个限定在两个相邻槽之间的齿8；分别嵌插在槽内的磁场绕组；分别嵌插在槽内以定位场绕组的楔块；并且建立下述关系：65°≤θ≤75°和Nr＝20+4m(m＝1，2和3)。此处θ代表其间插入磁极部分的两个槽之间的夹角而Nr代表槽数。另外，可建立下述关系：75°≤θ≤80°和Nr＝16+4m(m＝1，2和3)。

Description

两极涡轮发电机及其转子

本发明与一涡轮发电机及其转子有关，更具体地说，与具有一实心和柱形转子的一两极涡轮发电机有关。

在常规的涡轮发电机中，磁场绕组设在一柱形转子上，该柱形转子接受来自激磁电源的直流电以激励发电机。该转子是由单个实心钢体组成且具有磁极部分和非磁极部分。各非磁极部分设有多个沿圆周等角间隙分布的槽以限定出槽之间的齿。磁场绕组分别插嵌在这些槽内，一个转子楔块装到各槽内以使磁场绕组不会从这些槽内滑出。

在上述大功率的涡轮发电机的柱形转子内，不开槽的磁极部分的尺寸，即最靠近磁极部分相反端的两个槽之间的夹角θ通常是这样确定的：间隙处的磁通量可接近一个正弦波形以便在发电机中得到一个好的电压波形。另一方面，为了获得一个用来激励发电机所必须的磁场动力，该槽深度和槽宽要适当地调整以改变磁场绕组的截面，这样可得到所需的场磁动势(磁通势)^*从而可使磁场绕组的温度不超过一定的上限，如日本专利未审定的公开文本NO 49-45307所述。

在上述的常规技术中，在最靠近磁极部分相反端的两槽之间的夹角θ(下文称为磁极角)设定成这样一个值：即在无负载情况下发电机间隙处磁通量的分布可最接近于一正弦波形。在两极发电机中，磁极角一般设定为60°。在图6中，横坐标轴代表磁极角θ而纵坐标轴代表在无负载情况下端电压的波形畸变率KW，此畸变率KW值是由一含谐波分量的波瞬间值与相对于等效正弦波波幅的一等效正弦波瞬间值之间的峰值差的百分比来表达。当波形愈偏离正弦波形时，端电压的波形畸变率KW就愈大，而此波形畸变率KW在60°的磁极角θ°处为最小，这在图6中能见到。

然而，本发明的发明人发现，尽管在无负载情况下，在磁极角θ为60°时间隙处磁通量的分布最接近于正弦波的磁通量分布，但当发电机在有负载下(即在负载情况下)实际操作时，该波形畸变率KW并不是最小。还发现在有负载时即使磁极角为60°，用于激励发电机所需的场磁动势并不总是最小的，而且磁场绕组的温升和磁场绕组的损失也不是最小。

本发明的第一个目的是提供一种在负载情况下波形畸变率变小的两极涡轮发电机，从而增强了供电的质量，此外，在负载情况下所需的磁场电流也能减小。

本发明的第二目的是提供一种在相同体积下能增加其输出功率的两极涡轮发电机。

本发明的第三目的是提供一种能使产生磁场的激励装置功率减小的两极涡轮发电机及其转子。

为此目的，根据本发明的一个方面，提供一个两极涡轮发电机，它有一个定子和一个由轴承支撑的转子，支撑方式是定子和转子之间构成一间隙，其中转子具有：(I)一个实心型转子铁心，它具有：磁极部分，多个形成于转子铁心非磁极部分上的槽和一个在两邻近槽之间限定出的齿(ii)分别嵌插在槽内的磁场绕组；和(iii)分别嵌插在槽内以定位磁场绕组的楔块，其中建立起65°≤θ≤75°和Nr＝20+4m(m＝1，2，3)的关系，此处，θ代表其间的插入磁极部分的两槽之间的夹角，而Nr表示槽数；另外，也可建立起下述关系：75°≤θ≤80°和Nr＝16+m(m＝1，2和3)。

根据本发明的另一方面，提供一个两极涡轮发电机的转子，它具有：(i)一个实心型转子铁心，它具有：磁极部分；多个形成于转子铁心非磁极部分上的槽和一个在两邻近槽之间限定出的齿(ii)分别嵌插在槽内的磁场绕组；和(iii)分别插在槽内以定位磁场绕组的楔块；其中建立起65°≤θ≤75°和Nr＝20+4m(m＝1，2，3)的关系，此处，θ表示其间插入磁极部分的两槽之间的夹角，而Nr表示槽数；另外，也可建立起下述关系：75°≤θ≤80°和Nr＝16+m(m＝1，2和3)。

图1为本发明的一个最佳实施例的两极涡轮发电机的剖视图；

图2为两极涡轮发电机转子的剖视图；

图3是表示在负载情况下磁极角与一端电压波形畸变率之间关系的图解；

图4是表示在负载情况下一磁极角与一所需场磁动势之间关系的图解；

图5是表示磁极角和槽数之间关系的图解；

图6是表示在非负载情况下，一磁极角与一波形畸变率之间关系的图解。

如图1所示，本实施例的涡轮发电机具有：一个定子1和一个由轴承(未示出)支撑的转子2，这样，定子1和转子2之间形成一间隙11。定子1包括一个有定子槽3开在其内的夹层芯，而电枢绕组4分别设在定子槽3内，借助一矩形(或平型)铜导线，电枢绕组4构成一个六角形线圈，一定子槽3的开口部分塞入一定子楔块5以便使电枢绕组4不会从槽3内滑出。

涡轮发电机的转子2由一单个的实心钢体组成，这样转子2可具有足够的机械强度。如图1和2所示，转子2包括磁极部分6和非磁极部分。在图中，只示出两极中的一个。非磁极部分开有多个沿圆周等角间隙的转子槽7以限定出槽之间的齿8。在磁场绕组9上方的槽7部分塞入一转子楔块10以便夹持住磁场绕组9。一般沿边缘方向通过缠绕一裸铜条构成磁场绕组9，而且绕组层之间设有电绝缘。采用这种结构，通过激励场绕组9，在把磁极部分6等角分开的直轴12方向就会产生一磁通量。

如上所述，设有多个槽7，如果把从直轴12处沿两个方向延伸90°这一区域内的各组槽7以离磁极部分6的顺序分别标注为S₁，S₂……Sr，因为此发电机为一两极发电机，槽7的数目Nr由以下公式表达，Nr＝4×r，如图2所示，槽S₁的深度可比其它槽的深度浅，这样两相对槽S₁底部之间的周向距离就增加，从而使其难于处在磁饱和状态。

在图2所示该实施例的转子2中，磁极角θ和槽7的数目Nr是这样确定的，它们满足下列两种关系或条件(1)和(2)中之一：

关系(1)：65°≤θ≤75°和Nr＝20+4m(m＝1，2和3)

关系(2)：75°≤θ≤80°和Nr＝16+4m(m＝1，2和3)

现在，在下文中将说明采用这些关系的理由，在说明中，将对磁极角θ处在40°到90°范围和槽数Nr处在16，20，24，28，32和36这一范围内的情况进行研究。为什么槽数Nr是4的倍数的理由是两极发电机的转子相对于磁极部分是对称的。

图3是表示一个100兆伏安级的两极涡轮发电机中磁极角和端电压波形变率之间的关系，在此情况下，额定功率因数延迟是0.9Pu。磁场绕组和槽的尺寸是这样确定：相对于磁极角θ和槽数Nr各自的条件，它们应满足转子所需的机械强度。以每单位系统表示的同步电抗的倒数是短路率。一般当设计一个发电机时，为了使电气系统(发电机与之相连的系统)稳定并提供出一个发电机平衡体的尺寸，设计时用作其系数短路率必须保持在某一数值，因此，在任何设计中，需在发电机的同步电抗具有相同数值的条件下进行比较。

在图3中，5个黑圆点表示在一个按横截面模拟的100兆伏安级两极涡轮发电机的小尺寸模型中实测波形畸变率KW，其中槽数Nr为24而磁极角θ分别是40°，60°，70°，80°和90°。白圆点表示根据这些实测波形畸变率计算出的在负载情况下的波形畸变率KW。如图3所示，即便选取任何槽数Nr当磁极角θ在约65°至80°的范围内时，在负载情况下，端电压的波形畸变率KW就会减小，此结果不同于常规结构的结果，其中，在非负载情况下磁极角θ为60°时，端电压波形畸变率KW为最小。其理由是：因为在负载情况下流过电枢绕组4的电流产生一电枢反应，最大磁通量密度部分从直轴12沿圆周方向移动一回转延迟侧，结果在间隙11处磁通量密度分布大大地异于非负载情况下的磁通量密度分布。波形畸变率KW也根据槽数Nr而改变。当磁极角θ相同时，槽数Nr愈多则波形畸变率愈小。其理由是：如果槽数Nr较多则绕组分布愈密，这样在间隙处磁通量密度分布中所含的较大的谐波分量就会减小。

在常规的涡轮发电机中，所选的磁极角θ约为60°，所选的槽数Nr为24，28或32，在图3中，对于带有磁极角θ为60°和槽数Nr为32的转子，其波形畸变率用记号X表示。在该点上，在带有60°常规磁极角θ时在无负载情况下，波形畸变率KW最小，在图3中波形畸变率KW比记号X所示点的KW更小的区域则用阴影线来表示。

图4表示在与图3所述的相同条件下，在有负载情况下，磁极角θ与所需的场磁动势ATf之间的关系。在图4中，五个黑圆点代表一个100兆伏安级二极涡轮发电机的场磁动势ATf，该磁动势是由按截面模拟100兆伏安级二极涡轮发电机的小尺寸模型所实测出的所需场磁动势经转换而获得的。白圆点则代表从这些已转换的场磁动势所估算出的有负载情况下所需的场磁动势ATf，如图4所示，即使选取任何槽数Nr，当磁极角θ在约65°到80°的范围内时，在有负载情况下该所需场磁动势是较小的。

也就是理解为：在60°的磁极角时，在无负载情况下端电压畸变率KW为最小而在有负载情况下所需的场磁动势ATf则不是最小。为什么当磁极角θ在约65°到80°范围时在有负载情况下所需的场磁动势ATf会变小，其理由如下：在磁极角θ较小的情况下当磁极角θ增大时，磁极部分6很难发生磁饱和，这样所需的场磁动势ATf就减小；与之相反，在磁极角较大的情况下当磁极角θ增大时，磁极部分6也很难发生磁饱和但是同步电抗增加了。因此，为了使同步电抗维持在一相同值，就需增大间隙11的径向尺寸，从而也就使间隙11处的磁阻增大，所以当磁极角θ在约65°至80°范围内时在有负载情况下所需的场磁动势ATf可变小，所需的场磁动势ATf的值也随槽数Nr而变化。如果磁极角θ相同，那么槽数Nr愈少则场磁动势ATf也愈小，其理由如下：即槽数Nr愈少，各槽7开口部分的宽度愈大，所以槽7上方宽度方向的磁阻增大因而穿过不与电枢绕组4相连的齿8和间隙11之间的漏磁通量减小，因此穿过转子2的总磁通量减小，这样转子2很难发生磁饱和。

在图4中，在有负载情况下常规发电机的最小场磁动势ATf用记号X来表示，其中磁极角θ为60°而槽数Nr为24。而在图4的阴影部分内，它的场磁动势ATf小于常规发电机的最小场磁动势ATf。

根据槽数Nr和磁极角θ，图5表示出较小的波形畸变率区，在该区内，在有负载情况下波形畸变率小于常规发电机的最小波形畸变率，该区也就是图3中的阴影部分，图5也示出场磁动势较小的区域，在该区内，在有负载情况下的场磁动势ATf小于常规发电机的最小场磁动势ATf，即图4中阴影部分。从图3和图4判断，即便磁极角θ变化约5°，该波形畸变率值KW场磁动势值ATf并不会有很大改变。因此，在图5中，磁极角θ每隔5°指示一次，如图5所示，在65°≤θ≤75°和Nr＝20+4m(m＝1，2，3)，或75°≤θ≤80°和Nr＝16+4m(m＝1，2，3)的区域内，在有负载情况下它的波形畸变率KW和所需的磁动势ATf分别比常规的涡轮发电机的畸变率KW和磁动势ATf更小。

如上所述，通过选择磁极角θ和槽数Nr，能减小波形畸变率KW和磁动势。因此，在有负载情况下能获得一个良好的端电压波形，从而提高了供电质量。进而减小了有负载情况下的磁场电流。故而，减少了磁场绕组的铜损，随之也就改进了发电机的效率并抑制了磁场绕组的温升。

在此实施例中，虽然已叙述了100兆伏安级发电机的分析结果，可以确认，当根据模拟100兆伏安发电机模型的测试结果来估算200兆伏安，700兆伏安和1000兆伏安的发电机时，所得到的结论类似于此实施例的结论。还确认，当估算功率因子的延迟在0.8Pu至1.0Pu时，能得出相似的结果。

本实施例的结构能应用到例如，日本专利公告文本NO 60-34340所公开的在转子2内一缓冲杆插在各磁场绕组9和相关的转子楔块10之间的结构上，在这种情况下也能达到相似的效果。

综上所述，在本发明中，在有负载情况下可得到良好的端电压波形从而提高了供电的质量，此外，在有负载情况下还减小了磁场电流，因而，通过减小磁场绕组的铜损即可改进发电机的效率以及抑制磁场绕组的温升。还具有另一优点：涡轮发电机在同样体积情况下发出更大功率，另外还有使产生磁场的激励装置功率得以减小这一优点，从而可以更经济和紧凑的方法建造发电系统。

Claims (3)

1.一种两极涡轮发电机有一个定子和一个由轴承支撑的转子，其支撑方式是：在上述定子和上述转子之间构成一个间隙；其特征在于：上述转子具有(i)一实心型转子铁心，它具有：磁极部分，多个开在上述转子铁心非磁极部分上的槽和一个限定在上述两个相邻槽之间的齿，(ii)分别嵌插在上述槽内的磁场绕组，和(iii)分别嵌插在上述槽内以定位上述磁场绕组的楔块；并且建立起下述关系：

65°≤θ≤75°和Nr＝20+4m(m＝1，2和3)或

75°≤θ≤80°和Nr＝16+4m(m＝1，2和3)

此处θ是磁极角，即代表上述磁极部分两侧最内侧两个槽之间的轴心处的夹角而Nr代表上述槽的个数。

2.根据权利要求1所述的一种两极涡轮发电机，其特征在于上述发电机是100兆伏安到1000兆伏安级的发电机。

3.根据权利要求1所述的一种两极涡轮发电机，其特征在于一个缓冲杆插在各磁场绕线和相关的楔块之间。

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