CN116155036B - 一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽轮发电机领域，具体公开一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构。本发明由压圈、铜屏蔽、扇形帽、隔离导风罩、压指径向通风道构成，采用内缘圆弧区域有径向沟槽的铜屏蔽、压圈内孔扇形帽结构及隔离导风罩等结构，能够有效改变铜屏蔽结构中屏蔽电流的分布，消除铜屏蔽结构中屏蔽电流过于集中的问题，使屏蔽电流扩散到更大的区域内，并形成独立于其它结构的冷却风路，在保证有效屏蔽效果的条件下，消除铜屏蔽局部过热现象。

Description

一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构

技术领域

本发明涉及汽轮发电机领域，尤其涉及一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构。

背景技术

大型汽轮发电机设计受到尺寸限制，采用高参数，高气隙磁密、高线负荷。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复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，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到更大的区域内，在保证有效屏蔽效果的条件下，消除铜屏蔽自身局部过热现象，形成的冷却风路路径与转子通风风路隔绝，避免通风顺畅程度或进风温度受到不利影响，结构简洁可靠，成本低，制造过程简单，不需要采用昂贵的专用工装卡具和大型数控设备进行机械加工。提高发电机的运行可靠性。

本发明的技术方案为：一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构由压圈、内缘圆弧区域有径向沟槽的铜屏蔽、夹层通风道、扇形帽、第一通风道、第二通风道、隔离导风罩、压指径向通风道构成，压圈与铜屏蔽之间有夹层通风道，压圈的内孔表面覆盖扇形帽，所述扇形帽数量与径向沟槽的数量相同，相邻的扇形帽之间形成间隔间隙，间隔间隙与径向沟槽沿切向等间距交错排列，扇形帽与压圈的内孔表面形成第三通风道、扇形帽与铜屏蔽之间形成第一通风道，隔离导风罩的首端覆盖铜屏蔽开有径向沟槽的区域并使铜屏蔽与隔离导风罩内表面之间形成第二通风道，隔离导风罩的末端覆盖压指径向通风道，使第二通风道与第三通风道、第一通风道共同形成与压指径向通风道的复合通风道。

在上述复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构中，所述径向沟槽的宽度为3mm。

在上述复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构中，所述夹层通风道、第一通风道、第二通风道、隔离导风罩、压指径向通风道内的计算风速为20米/每秒。

在上述复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构中，所述间隔间隙的宽度为5mm。

在上述复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构中，所述铜屏蔽、扇形帽材质为纯铜板。

在上述复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构中，所述隔离导风罩采用环氧层压玻璃布材质，为立体环状结构。

在上述复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构中，所述隔离导风罩的固定螺栓采用反磁不锈钢材质。

在上述复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构中，所述隔离导风罩与铜屏蔽的贴合部位衬垫耐热橡胶护套。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于铜屏蔽为碟形环状铜板结构，内缘圆弧区域有径向沟槽，使原本处于屏蔽电流集中区域的圆孔边缘结构由连续结构变化为间断的梳齿状结构，由此磁力线的分布及屏蔽电流的分布发生了变化：首先是径向沟槽将原本平面分布的屏蔽电流切割为狭长的小环流，使电流强度减小，涡流损耗降低，降低了发热量，从而降低了热点温度；同时间断的梳齿状结构又在原本的内孔边缘结构基础上增加了沟槽边缘，使整体边缘结构总长度大幅度增加，使单位边缘长度上的发热量降低，进一步降低了热点温度；径向沟槽增加了散热表面积、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，从而使铜屏蔽的温升趋于均衡、消除了铜屏蔽的过热点；由于压圈的内孔表面覆盖扇形帽，使扇形帽对压圈表面产生了屏蔽作用，隔绝屏蔽通过径向沟槽的漏磁通，扇形帽数量与径向沟槽的数量相同，相邻的扇形帽之间形成间隔间隙，间隔间隙与径向沟槽沿切向等间距交错排列，使每个径向沟槽后面都有扇形帽对凸台表面产生屏蔽作用，由于相邻的扇形帽之间存在间隔间隙，能够通过调整数量及间隙对扇形帽的屏蔽电流密度实施控制，达到均衡涡流损耗分布的目的，所以扇形帽与开槽的铜屏蔽产生双重屏蔽效应，磁力线互相均衡叠加，依据有限元分析确定铜屏蔽开槽数量，可以使扇形帽的涡流损耗等同于开槽的铜屏蔽产生的涡流损耗，消除涡流密度不均匀现象，使得对压圈及铁心的屏蔽保护作用优于传统结构，避免了单纯开槽造成的屏蔽作用劣化及开槽末端集中发热问题，将屏蔽涡流集中区域分散到更广泛的区域，降低了涡流密度；由于扇形帽与压圈的内孔表面形成第三通风道、扇形帽与铜屏蔽之间形成第一通风道，隔离导风罩的首端覆盖铜屏蔽开有径向沟槽的区域并使铜屏蔽与隔离导风罩内表面之间形成第二通风道，隔离导风罩的末端覆盖压指径向通风道，使第二通风道与第三通风道、第一通风道共同形成与压指径向通风道的复合通风道，增大了涡流集中区域的冷却散热表面积，使热点温度降低，能够在发电机内部风扇的作用下形成独立的冷却路径，使压圈、铜屏蔽、扇形帽这些发热部件得到良好冷却，降低温升；而传统结构的冷却通风结构与定子气隙风路相关，受转子通风影响，使通风顺畅程度以及进风温度都受到不利影响，本发明的夹层通风道、第一通风道、第二通风道、第三通风道与压指径向通风道的复合通风道与定子气隙风路及转子通风不相关，可以避免受到转子通风的影响；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且，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，消除铜屏蔽自身局部过热现象，且结构简洁可靠，成本低，制造过程简单，不需要采用昂贵的专用工装卡具和大型数控设备进行机械加工。

径向沟槽的宽度为3mm，即可以达到切断部分屏蔽环流作用，也便于机械加工；夹层通风道、第一通风道、第二通风道、隔离导风罩、压指径向通风道内的计算风速为20米/每秒，即能够满足通风冷却风量需求、也可以达到通风换热需求；间隔间隙的宽度为5mm，可以降低对装配精度的要求、便于制作装配；铜屏蔽、扇形帽厚度按工频透入深度计算选取，在满足屏蔽要求的前提下，可以降低制造成本，材质采用纯铜板能够降低屏蔽损耗，也便于制造加工；隔离导风罩采用环氧层压玻璃布材质，可以满足结构刚强度要求、避免涡流损耗；隔离导风罩的固定螺栓采用反磁不锈钢材质可以避免受端部电磁场的影响发热；隔离导风罩与铜屏蔽的贴合部位衬垫耐热橡胶护套能够避免产生磨损及漏风。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为图1的右视图。

图3为屏蔽涡流分散原理示意图。

图4为复合风路流向示意图。

图中标记说明：1-压圈；2-径向沟槽；3-铜屏蔽；4-夹层通风道；5-扇形帽；6-第一通风道；7-第二通风道；8-隔离导风罩；9-压指径向通风道；10-间隔间隙；11-第三通风道；12-首端；13-末端。

实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，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。

以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。

总体的，如图1、图2所示，本发明实施例公开了一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，由压圈1、内缘圆弧区域有径向沟槽2的铜屏蔽3、夹层通风道4、扇形帽5、第一通风道6、第二通风道7、隔离导风罩8、压指径向通风道9构成，压圈1与铜屏蔽3之间有夹层通风道4，压圈1的内孔表面覆盖扇形帽5，扇形帽5数量与径向沟槽2的数量相同，相邻的扇形帽5之间形成间隔间隙10，间隔间隙10与径向沟槽2沿切向等间距交错排列，扇形帽5与压圈1的内孔表面形成第三通风道11、扇形帽5与铜屏蔽3之间形成第一通风道6，隔离导风罩8的首端12覆盖铜屏蔽3开有径向沟槽2的区域并使铜屏蔽3与隔离导风罩8内表面之间形成第二通风道7，隔离导风罩8的末端13覆盖压指径向通风道9，使第二通风道7与第三通风道11、第一通风道6共同形成与压指径向通风道9的复合通风道，铜屏蔽3为碟形环状铜板结构，厚度按工频透入深度计算选取，覆盖压圈1外表面，与压圈1之间存在通风间隙，径向沟槽2的数量依据漏磁通有限元分析、也可以根据试验确定，使铜屏蔽3最高温度等同于扇形帽5最高温度；由于铜屏蔽3为碟形环状铜板结构，内缘圆弧区域有径向沟槽2，使原本处于屏蔽电流集中区域的圆孔边缘结构由连续结构变化为间断的梳齿状结构，由此磁力线的分布及屏蔽电流的分布发生了变化。

具体而言，径向沟槽2将原本平面分布的屏蔽电流切割为狭长的小环流，使电流强度减小，涡流损耗降低，降低了发热量，从而降低了热点温度；同时间断的梳齿状结构又在原本的内孔边缘结构基础上增加了沟槽边缘，使整体边缘结构总长度大幅度增加，使单位边缘长度上的发热量降低，进一步降低了热点温度；径向沟槽2增加了散热表面积、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，从而使铜屏蔽3的温升趋于均衡、消除了铜屏蔽3的过热点。

如图3所示，由于压圈1的内孔表面覆盖扇形帽5，使扇形帽5对压圈1表面产生了屏蔽作用，隔绝屏蔽通过径向沟槽2的漏磁通，扇形帽5数量与径向沟槽2的数量相同，相邻的扇形帽5之间形成间隔间隙，间隔间隙与径向沟槽2沿切向等间距交错排列，使每个径向沟槽2后面都有扇形帽5对凸台表面产生屏蔽作用，其原理是屏蔽电流产生的反向磁通与漏磁通叠加，使透过铜板的漏磁通大幅度降低，从径向沟槽2透过的漏磁通又面对扇形帽5，扇形帽5中感生的屏蔽电流产生的反向磁通又与这些漏磁通叠加，使透过扇形帽5的漏磁通得到大幅度减弱，而贯穿径向沟槽2与隔离沟的漏磁通路径由于交错排列原因被拉长，使该路径磁阻增大，通过该路径的漏磁通也得到大幅度削弱；所以，扇形帽5与开槽的铜屏蔽3产生双重屏蔽效应，使得对压圈1及铁心的屏蔽保护作用优于传统结构，又将屏蔽涡流集中区域分散到更广泛的区域，降低了涡流密度，由于相邻的扇形帽5之间存在间隔间隙，能够通过调整数量及间隙对扇形帽5的屏蔽电流密度实施控制，达到均衡涡流损耗分布的目的，所以扇形帽5与开槽铜屏蔽3产生双重屏蔽效应，依据有限元分析确定开槽数量，可以使扇形帽5的涡流损耗等同于开槽的铜屏蔽3产生的涡流损耗，磁力线互相均衡叠加，消除涡流密度不均匀现象，使得对压圈1及铁心的屏蔽保护作用优于传统结构，避免了单纯开槽造成的屏蔽作用劣化及开槽末端集中发热问题，将屏蔽涡流集中区域分散到更广泛的区域，降低了涡流密度；

如图4所示，扇形帽5与压圈1的内孔表面形成第三通风道11、扇形帽5与铜屏蔽3之间形成第一通风道，隔离导风罩8的首端12覆盖铜屏蔽3开有径向沟槽2的区域并使铜屏蔽3与隔离导风罩8内表面之间形成第二通风道7，隔离导风罩8的末端13覆盖压指径向通风道9，使第二通风道7与第三通风道11、第一通风道6共同形成与压指径向通风道9的复合通风道，增大了涡流集中区域的冷却散热表面积，使热点温度降低，能够在发电机内部风扇的作用下形成独立的冷却路径，使压圈1、铜屏蔽3、扇形帽5这些发热部件得到良好冷却，降低温升；而传统结构的冷却通风结构与定子气隙风路相关，受转子通风影响，使通风顺畅程度以及进风温度都受到不利影响，本发明的夹层通风道4、第一通风道6、第二通风道7、第三通风道11与压指径向通风道9的复合通风道与定子气隙风路及转子通风不相关，可以避免受到转子通风的影响。

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且，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，消除铜屏蔽自身局部过热现象。

径向沟槽2的宽度为3mm，即可以达到切断部分屏蔽环流作用，也便于机械加工；夹层通风道4、第一通风道6、第二通风道7、隔离导风罩8、压指径向通风道9内的计算风速为20米/每秒，即能够满足通风冷却风量需求、也可以达到通风换热需求；间隔间隙的宽度为5mm，可以降低对装配精度的要求、便于制作装配；铜屏蔽3、扇形帽5厚度按工频透入深度计算选取为16mm，在满足屏蔽要求的前提下，可以降低制造成本，材质采用纯铜板能够降低屏蔽损耗，也便于制造加工；隔离导风罩8为立体环状结构并采用环氧层压玻璃布材质，可以满足结构刚强度要求、避免涡流损耗；隔离导风罩8的固定螺栓采用反磁不锈钢材质可以避免受端部电磁场的影响发热；隔离导风罩8的首端12覆盖铜屏蔽3的开有径向沟槽区域，隔离导风罩8的末端13覆盖压指径向通风道9，隔离导风罩8的首端12与铜屏蔽3的贴合部位衬垫耐热橡胶护套能够避免隔离导风罩8和铜屏蔽3产生磨损及漏风。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当清楚：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；然而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案范围。

Claims (8)

1.一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：由压圈（1）、铜屏蔽（3）、扇形帽（5）、隔离导风罩（8）、压指径向通风道（9）构成，所述铜屏蔽（3）的内缘圆弧区域有径向沟槽（2），压圈（1）与铜屏蔽（3）之间有夹层通风道（4），压圈（1）的内孔表面覆盖扇形帽（5），扇形帽（5）数量与径向沟槽（2）的数量相同，相邻的扇形帽（5）之间形成间隔间隙（10），所述间隔间隙（10）与径向沟槽（2）沿切向等间距交错排列，扇形帽（5）与压圈（1）的内孔表面形成第三通风道（11），扇形帽（5）与铜屏蔽（3）之间形成第一通风道（6），隔离导风罩（8）的首端（12）覆盖铜屏蔽（3）开有径向沟槽（2）的区域并使铜屏蔽（3）与隔离导风罩（8）内表面之间形成第二通风道（7），隔离导风罩（8）的末端（13）覆盖压指径向通风道（9），使第二通风道（7）与第三通风道（11）、第一通风道（6）共同形成与压指径向通风道（9）的复合通风道。

2.根据权利要求1所述的一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：所述径向沟槽（2）的宽度为3mm。

3.根据权利要求1所述的一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：所述夹层通风道（4）、第一通风道（6）、第二通风道（7）、隔离导风罩（8）、压指径向通风道（9）内的计算风速为20米/每秒。

4.根据权利要求1所述的一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：所述间隔间隙（10）的宽度为5mm。

5.根据权利要求1所述的一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：所述铜屏蔽（3）、扇形帽（5）材质为纯铜板。

6.根据权利要求1所述的一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：所述隔离导风罩（8）采用环氧层压玻璃布材质，为立体环状结构。

7.根据权利要求1所述的一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：所述隔离导风罩（8）的固定螺栓采用反磁不锈钢材质。

8.根据权利要求1所述的一种复合通风定子端部漏磁通屏蔽结构，其特征是：所述隔离导风罩（8）与铜屏蔽（3）的贴合部位衬垫耐热橡胶护套。