CN116131536B - 一种定子端部变截面组合屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽轮发电机领域，公开一种定子端部变截面组合屏蔽结构，由具有内缘圆弧变厚度区域的主屏蔽环与变厚度铜环共同形成定子端部屏蔽结构以及通风结构，既能够保证对定子端部的屏蔽效能，又能够有效改善屏蔽结构中屏蔽电流的分布，消除屏蔽电流过于集中的问题，使屏蔽电流较均匀的扩散主屏蔽环与铜环中，消除屏蔽环自身局部过热现象，提高发电机的运行可靠性。

Description

一种定子端部变截面组合屏蔽结构

技术领域

本发明涉及汽轮发电机领域，尤其一种定子端部变截面组合屏蔽结构。

背景技术

大型汽轮发电机设计受到诸多限制，必须采用高参数，高气隙磁密、高线负荷才能满足冷却需求。对于全速发电机，定子线圈节距大，每相线圈数量多，定子端部尺寸长，存在较大端部旋转漏磁场。转子端部也形成随转子旋转的漏磁场，合成为端部漏磁场，以定子漏磁场为主的端部漏磁场分布比较复杂，影响因素多，如线负荷、短路比、端部结构、材料、尺寸等。定子端部漏磁通沿磁阻最小路径通过，因此，定转子漏磁通集中在定子压圈内圈、压指和边段铁心齿头部位，导致这些部位附加损耗增大，温度升高。当发电机处于过电压运行时，特别是当发电机处于越前功率因数运行时，定转子合成磁通相加，端部漏磁通增加，使这些结构温度超过允许限值，严重危害发电机的运行，甚至烧毁发电机端部结构，造成停机重大事故。所以在发电机组运行条件上通常对发电机的越前功率因数运行及过电压运行状态有严格限制。

但出于电网运用需求，往往要求部分发电机处于越前功率因数运行，稳定电网电压，要求大型发电机具备一定能力的越前功率因数运行能力；对于直流超高压输变电系统，还要配备同步调相机，同步调相机专门用于越前或滞后功率因数运行，调节电网的无功，提高电网质量和加强电网对突发短路事故的应对能力。所以在大型发电机以及同步调相机的设计必须在发电机定子端部结构上采取必要措施，以满足运行需求；如发电机端部铜屏蔽、铝压圈及磁分流结构就是以往为加强发电机越前功率因数运行能力采取的措施，取得了一定的效果。

但以往的铜屏蔽、铝压圈、磁分流结构在运用中存在一些不足，如：铜屏蔽、铝压圈的运用受到自身发热限制，磁分流结构的外压板受漏磁通影响，产生过高温度且引起端部漏抗增加，定子齿头部位没有得到有效屏蔽，容易产生过热烧损松动问题；铁心背部定位筋鸽尾部位产生过热烧损松动问题，使发电机的运行受到限制，对以往单层铜屏蔽运行温度进行有限元仿真，由仿真云图可以看出以往单层铜屏蔽的集中发热点在内缘圆弧区域的端部尖点的位置，有限元分析结果显示高点温度已远超出结构温度允许值；为保证大型发电机以及同步调相机能够应对极限工况的能力，降低定子端部关键结构温度，保证发电机或同步调相机可靠运行，近年来的一些改良型定子端部屏蔽结构得到应用，如:专利《一种大容量同步调相机端部降损通风装置》（202011369810.6）；但这种结构没有改变铜屏蔽在内缘圆弧区域的集中发热点部位的漏磁通发热分布，仍然存在传统结构的集中发热的特征，只是采用改善通风的方法来有限程度的降低发热，并不能彻底消除局部过热问题；其不同于以往的主要结构在于在铜屏蔽的外缘位置增加了由双层扇形板组成的辅助屏蔽层，由于该扇形屏蔽板组成的双层圆环不能形成环状的导电结构，使得屏蔽效能大大降低，加之该扇形屏蔽板与单层屏蔽层的接合部位存在矩形槽，且与单层屏蔽层之间有绝缘结构，这使得该区域形成了屏蔽盲区，形成了漏磁通集中通道，使对应位置的压圈结构受到了漏磁通的危害，又产生了一个过热点，从有限元仿真云图可以看出，该结构并未有效缓解传统结构存在的内缘区域存在过热点问题，而且又在压圈结构上造成了一个新的过热点。而专利《组合式定子端部漏磁通阻隔结构》（201610739054.9）、《层叠漏磁通阻隔结构》（201620944415.9）、《定子端部漏磁通阻隔结构》（201610739051.5）、《齿头漏磁通阻隔结构》（201620944544.8）、《一种汽轮发电机定子铁芯端部的铜屏蔽结构》（201921269420.4）、《分段组装铁心背部漏磁通阻隔结构》（201620946243.9）等；这些定子端部屏蔽结构较以往结构有了较大改变，但发电机定子端部的温升及热点温度的改善也不明显，而且也存在一些局限性与不足，如：结构方案都是围绕加大屏蔽尺寸与范围或增加屏蔽层数来减小漏磁通的危害、用增加通风道来加强冷却效果，避免铜屏蔽过热；并没有解决铜屏蔽热点温度问题，这是由于屏蔽电流具有集肤效应及边缘效应的特点，铜屏蔽的损耗总是集中在铜屏蔽的内缘外表面，过高的发热密度使该部位存在局部过热区域；以往技术无法有效且可靠的解决这个问题，如增大铜屏蔽厚度或增加层数受到集肤效应的影响，屏蔽电流不能进入增加的厚度，采用增加层数的方法受到机械刚强度的限制而无法实现，这是因为铜屏蔽的最佳选材为纯铜，其工频透入深度约12mm，如果要达到外层铜屏蔽承担50%或以下的屏蔽效果，则必须使外层铜屏蔽的厚度等于或小于3mm,对于大型汽轮发电机，如果外层铜屏蔽的厚度等于或小于3mm，将无法满足自身结构刚强度需求，会产生共振及疲劳裂纹等问题隐患，使得这种方案无法有效实施，无法达到降低热点温度的目的；增大冷却通风风速、通风量措施受到发电机内部结构及风量分配的限制，增大过热区域的散热表面受到结构及制造工艺及成本的限制等；从运行温度的有限元仿真云图显示出，这些结构不能够缓解传统结构存在的内缘区域存在过热点问题，从云图中还可以看出受集肤效应及边缘效应的特点，设置的内层屏蔽对散热不起作用。而专利《电动马达用磁通屏蔽件》（201480053345.1）的实质仍然是传统的环板状结构，只是在于位置等方面存在变化，同样无法改变铜屏蔽在内缘圆弧区域的集中发热点部位的漏磁通发热分布，仍然存在传统结构的集中发热的问题。而且近年来出现的这些定子端部屏蔽结构中，有的还存在绝缘导风绝缘结构靠近铜屏蔽的局部过热区域而产生的自身寿命降低问题，存在制造及装配难度大、成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种定子端部变截面组合屏蔽结构，在主屏蔽环内缘圆弧变厚度区域与变厚度铜环组合作用下，既能够保证对定子端部的屏蔽效能，又能够有效改善屏蔽结构中屏蔽电流的分布，消除屏蔽电流过于集中的问题，使屏蔽电流较均匀的扩散主屏蔽环与铜环中，消除屏蔽环自身局部过热现象，提高发电机的运行可靠性。

本发明的技术方案为：一种定子端部变截面组合屏蔽结构，由铁心夹板、主屏蔽环、铜环构成；主屏蔽环为铜板材质的立体环板状结构，与铁心夹板外表面之间存在通风间隙，形成冷却主通风道、主屏蔽环内缘圆弧区域的厚度由基本厚度由外向内逐步减薄，最小直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，主屏蔽环内缘圆弧区域与铁心夹板的内孔区域之间设置铜环，铜环的厚度渐变减薄，厚度变化趋势是由内向外逐步减薄，最大直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，铜环与铁心夹板的内孔区域之间设置间隙，形成内侧通风道，铜环与主屏蔽环内缘圆弧区域之间设置间隙，形成外侧通风道。

在上述定子端部变截面组合屏蔽结构中，所述主屏蔽环、铜环机械加工完成后进行表面喷砂处理。

在上述定子端部变截面组合屏蔽结构中，所述铁心夹板、主屏蔽环、铜环之间的机械固定连接结构采用不导磁材料制造。

在上述定子端部变截面组合屏蔽结构中，所述铁心夹板、主屏蔽环、铜环与机械固定连接结构如螺栓、螺母、垫块之间采用耐热电气绝缘结构。

在上述定子端部变截面组合屏蔽结构中，所述铜环内外表面有呈现螺旋状分布的导风沟槽，螺旋方向与发电机转子的旋转方向相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

主屏蔽环为铜板材质的环状结构，覆盖铁心夹板外表面，对铁心夹板起到屏蔽定子端部漏磁通避免铁心夹板发热的效果，由于屏蔽电流具有集肤效应，考虑成本因素及结构空间限制，主屏蔽环的基本厚度按透入深度理论原理选取，等同于透入深度，主屏蔽环内缘圆弧区域的厚度由基本厚度自外向内逐步减薄，最小直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，且主屏蔽环内缘圆弧区域与铁心夹板的内孔区域之间设置厚度渐变减薄的铜环，铜环的厚度变化趋势是由内向外逐步减薄，最大直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，两者互补形成双重屏蔽，共同完成对铁心夹板内孔区域的漏磁通屏蔽保护，相对于以往结构的等厚度主屏蔽环结构，铁心夹板及铁心夹板内孔区域的漏磁通分布优于等同于以往技术结构，铁心夹板各个区域透入的磁力线保持不变或有所降低，但屏蔽结构中的屏蔽电流的分布发生了变化：由于主屏蔽环内缘最小直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，即相当于1/4至1/5透入深度，依据有限元分析，涡流发热功率仅为以往技术的等厚主屏蔽环结构的50%左右，且由于表面散热条件的提高，使温度明显下降，透过的漏磁通处于铜环的厚度最大区域，等同于透入深度，两者相加等效厚度大于透入深度，能够保证铁心夹板的内孔区域的漏磁通屏蔽要求，由于主屏蔽环覆盖铁心夹板外表面，并与铁心夹板之间存在通风冷却用间隙，形成主通风道，铜环与铁心夹板的内孔区域之间设置间隙，形成内侧通风道，铜环与主屏蔽环内缘圆弧区域之间设置间隙，形成外侧通风道，增加了屏蔽涡流发热集中区域的散热表面积，并形成了通风冷却通道，进一步提高了通风冷却的换热效率，进一步降低了热点温度，从而使主屏蔽环的温升趋于均衡、消除了主屏蔽环的过热点；本发明避免了主屏蔽环单纯减薄造成的屏蔽作用劣化及减薄区域末端集中发热、以及结构刚强度不足问题，将屏蔽涡流集中区域有效分散，降低了涡流密度，也避免了使用等厚双层主屏蔽环无法有效降低热点温度以及浪费结构空间及造价高的弊端；本发明在保证应有屏蔽保护效能的前提下，使屏蔽电流得到均匀扩散，增大散热表面积、形成顺畅的冷却风路，改善散热效果，降低温升、消除危害发电机可靠性的集中发热问题，消除以往结构蔽环自身局部过热现象。

主屏蔽环、铜环机械加工完成后进行表面喷砂处理，产生微观凸凹纹理，能够加剧冷却气流的紊流，加强热交换效率。

铁心夹板、主屏蔽环、铜环之间的机械固定连接结构采用不导磁材料制造，能够减小定子端部在机械固定连接结构中引起的涡流损耗、降低结构温升。

铁心夹板、主屏蔽环、铜环与机械固定连接结构之间采用耐热电气绝缘结构，能够避免铁心夹板、主屏蔽环、铜环与机械固定连接结构之间产生电气环流，避免结构过热。

铜环内外表面有呈现螺旋状分布的导风沟槽，螺旋方向与发电机转子的旋转方向相同，发电机转子形成的旋转气流加剧了冷却气体的流动及紊流，使通风冷却条件得到加强。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为铜环示意图。

图中：1-铁心夹板；2-内缘圆弧区域；3-主屏蔽环；4-冷却主通风道；5-铜环；6-内侧通风道；.7-外侧通风道；8-内孔区域；9-导风沟槽。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节，例如术语“内”、“外”等指示的位置关系只是基于附图所示的方位的位置关系，仅是为了便于充分理解和描述本发明，而不是指示或暗示所指的部件具有特定的方位、以特定方位进行的构造，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

总体的，如图1所示，本发明实施例公开了一种定子端部变截面组合屏蔽结构，由铁心夹板1、厚度渐变减薄内缘圆弧区域2的主屏蔽环3、主通风道4、厚度渐变减薄的铜环5、内侧通风道6、外侧通风道7构成；主屏蔽环3为铜板材质的环状结构，覆盖铁心夹板1外表面，并与铁心夹板1之间存在通风冷却用间隙，形成主通风道4、主屏蔽环3内缘圆弧区域2的厚度由基本厚度由外向内逐步减薄，最小直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，主屏蔽环3内缘圆弧区域2与铁心夹板1的内孔区域8之间设置厚度渐变减薄的铜环5，铜环5的厚度变化趋势是由内向外逐步减薄，最大直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，最小直径处的厚度与主屏蔽环3相同，按50Hz工频透入深度要求，基本厚度约为16mm，铜环5与铁心夹板1的内孔区域8之间设置间隙，形成内侧通风道6，铜环5与主屏蔽环3内缘圆弧区域2之间设置间隙，形成外侧通风道7；主屏蔽环为铜板材质的环状结构，覆盖铁心夹板1外表面，对铁心夹板1起到屏蔽定子端部漏磁通避免铁心夹板1发热的效果，由于屏蔽电流具有集肤效应，考虑成本因素及结构空间限制，主屏蔽环3的基本厚度按透入深度理论原理选取，等同于透入深度，由于主屏蔽环3内缘圆弧区域的厚度由基本厚度由外向内逐步减薄，最小直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，且主屏蔽环3内缘圆弧区域与铁心夹板1的内孔区域之间设置厚度渐变减薄的铜环5，铜环5的厚度变化趋势是由内向外逐步减薄，基本厚度约为16mm，最大直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，两者互补形成双重屏蔽，共同完成对铁心夹板1内孔区域的漏磁通屏蔽保护，相对于以往结构的等厚度主屏蔽环结构，铁心夹板1及铁心夹板1内孔区域的漏磁通分布优于等同于以往技术结构，铁心夹板1各个区域透入的磁力线保持不变或有所降低，但屏蔽结构中的屏蔽电流的分布发生了变化：由于主屏蔽环内缘最小直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，即相当于1/4至1/5透入深度，依据有限元分析，涡流发热功率仅为以往技术的等厚主屏蔽环结构的50%左右，且由于表面散热条件的提高，使温度明显下降，透过的漏磁通处于铜环5的厚度最大区域，等同于透入深度，两者相加等效厚度大于透入深度，能够保证铁心夹板1的内孔区域的漏磁通屏蔽要求，由于主屏蔽环3覆盖铁心夹板1外表面，并与铁心夹板1之间存在通风冷却用间隙，形成主通风道，铜环5与铁心夹板1的内孔区域之间设置间隙，形成内侧通风道，铜环5与主屏蔽环的内缘圆弧区域2之间设置间隙，形成外侧通风道，增加了屏蔽涡流发热集中区域的散热表面积，并形成了通风冷却通道，进一步提高了通风冷却的换热效率，进一步降低了热点温度，从而使主屏蔽环3的温升趋于均衡、消除了主屏蔽环3的过热点。

本发明避免了单纯减薄造成的屏蔽作用劣化及减薄区域末端集中发热、以及结构刚强度不足问题，将屏蔽涡流集中区域分散到铜环5，降低了涡流密度，也避免了使用等厚双层主屏蔽环3无法有效降低热点温度以及浪费结构空间及造价高的弊端；本发明在保证应有屏蔽保护效能的前提下，使屏蔽电流得到均匀扩散，增大散热表面积、形成顺畅的冷却风路，改善散热效果，降低温升、消除危害发电机可靠性的集中发热问题，消除主屏蔽环3自身局部过热现象。

主屏蔽环3、铜环5机械加工完成后进行表面喷砂处理，能够加剧冷却气流的紊流，加强热交换效率。铁心夹板1、主屏蔽环3、铜环5之间设置机械固定连接结构，包括螺栓、螺母、垫块等，采用不导磁材料制造，能够减小定子端部在机械固定连接结构中引起的涡流损耗、降低结构温升，垫块的厚度根据通风需求确定。铁心夹板1、主屏蔽环3、铜环5与机械固定连接结构之间采用耐热电气绝缘结构，包括绝缘垫圈、套管，能够避免铁心夹板1、主屏蔽环3、铜环5与机械固定连接结构之间产生电气环流，避免结构过热。

如图2所示，铜环5内外表面有呈现螺旋状分布的导风沟槽9，螺旋方向与发电机转子的旋转方向相同，发电机转子形成的旋转气流加剧了冷却气体的流速及紊流，使通风冷却条件得到加强。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种定子端部变截面组合屏蔽结构，其特征是：由铁心夹板（1）、主屏蔽环（3）、铜环（5）构成；主屏蔽环（3）为铜板材质的立体环板状结构，与铁心夹板（1）外表面之间存在通风间隙，形成冷却主通风道（4），主屏蔽环（3）内缘圆弧区域（2）的厚度由基本厚度由外向内逐步减薄，最小直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，主屏蔽环（3）内缘圆弧区域（2）与铁心夹板（1）的内孔区域（8）之间设置铜环（5），铜环（5）的厚度渐变减薄，厚度变化趋势由内向外逐步减薄，最大直径处的厚度为基本厚度的1/4至1/5，铜环（5）与铁心夹板（1）的内孔区域（8）之间设置间隙，形成内侧通风道（6），铜环（5）与主屏蔽环（3）内缘圆弧区域（2）之间设置间隙，形成外侧通风道（7）。

2.根据权利要求1所述的一种定子端部变截面组合屏蔽结构，其特征是：所述主屏蔽环（3）、铜环（5）机械加工完成后进行表面喷砂处理。

3.根据权利要求1所述的一种定子端部变截面组合屏蔽结构，其特征是：所述铁心夹板（1）、主屏蔽环（3）、铜环（5）之间的机械固定连接结构采用不导磁材料制造。

4.根据权利要求1所述的一种定子端部变截面组合屏蔽结构，其特征是：所述铁心夹板（1）、主屏蔽环（3）、铜环（5）之间的机械固定连接结构与铁心夹板（1）、主屏蔽环（3）、铜环（5）之间采用耐热电气绝缘结构。

5.根据权利要求1所述的一种定子端部变截面组合屏蔽结构，其特征是：所述铜环（5）内外表面有呈现螺旋状分布的导风沟槽（9），螺旋方向与发电机转子的旋转方向相同。

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