CN203850937U - 水轮发电机磁极五段弧极靴结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是公开一种水轮发电机转子磁极极靴结构。该结构中，每一个转子磁极极靴表面由五段圆弧平滑过渡连接而成，其中，中部圆弧的对称中心线与转子磁极中心线重合；与中部圆弧相邻的左右两侧圆弧关于磁极中心线镜像对称；磁极最外两侧圆弧关于磁极中心线镜像对称。水轮发电机转子磁极极靴采用五段弧结构，气隙磁场更接近正弦分布，减少了谐波损耗，提高了发电机运行效率；电压波形以及电流波形更接近正弦，改善了电能质量，降低了转矩脉动，提高了发电机运行稳定性；节省了转子励磁，减轻了发电机重量，降低了发电机制造成本。

Description

水轮发电机磁极五段弧极靴结构

技术领域：

本实用新型涉及电机转子磁极极靴设计领域，特别涉及一种水轮发电机转子磁极极靴结构。

背景技术：

目前，与火电、核电、太阳能、风能、地热能等多种发电方式相比，水力发电是唯一技术已发展成熟、可以大规模开发的清洁可再生能源，其发电成本也较其他发电方式低。在面对温室气体过度排放的威胁以及“节能减排”等政策的贯彻之下，水力发电成为各国优先考虑的发电方式。

传统的水轮发电机转子磁极极靴设计为变气隙单圆弧结构，其最大气隙与最小气隙之比常取为1.5，虽然在一定程度上能够减少气隙磁密谐波含量，满足电机基本性能要求，但随着对水轮发电机电压谐波畸变率、电话谐波含量（THF）等性能要求的提高，传统的转子磁极极靴结构已难以满足水轮发电机电气性能和机械性能等方面的技术指标。特别地，在诸如发电机风洞规模、水轮机运行转速等客观条件无法变更的前提下，发电机极槽选择可能无法达到最佳匹配值，从而造成气隙磁密中谐波含量增加，使得水轮发电机定子绕组中谐波电流增大，定子绕组铜耗及铁芯损耗增加，甚至在转子励磁绕组、阻尼绕组以及铁芯中也产生大量谐波损耗，进一步降低了水轮发电机实际运行效率。另外，谐波磁场和谐波电流还会产生额外的转矩脉动，致使发电机产生振动与噪声，影响发电机安全稳定运行。对于抽水蓄能机组等采用高速水轮发电机的水电机组，由于电机转速的提高，上述问题造成的负面影响将更加突显，其对水轮发电机的各项技术指标要求也更加严格，因此，高指标的要求以及新产品的开发都亟需各种有效措施的提出。

针对上述可能存在的问题，现有解决方法中已有采用转子磁极极靴三段弧设计结构，包括均匀气隙设计和非均匀气隙设计两种结构形式。相较于传统磁极极靴结构，三段弧极靴结构中，每个转子磁极极靴表面由三段圆弧构成，即中部圆弧和磁极两端圆弧，该结构能够减少极间漏磁，减轻极靴重量，减少极靴部位的风摩损耗，但该结构得到的气隙磁场中谐波含量以及极间漏磁仍相对较高，谐波磁场与漏磁场对水轮发电机性能的影响仍较大，在高转速水轮发电机应用中仍受到限制。

发明内容：

为满足抽水蓄能等高转速机组的水电形势需求，提高水轮发电机性能，本实用新型针对上述现有技术存在的不足，从降低水轮发电机电压谐波畸变率、电话谐波含量，改善水轮发电机运行稳定性，提高水轮发电机运行效率等指标要求出发，提出一种水轮发电机磁极五段弧极靴结构。本实用新型的技术方案如下：

一种水轮发电机磁极五段弧极靴结构，该结构由五段圆弧平滑过渡连接而成，中部圆弧AB的对称中心线与转子磁极中心线重合；圆弧AB左右两侧的圆弧AC和BD关于磁极中心线镜像对称；磁极最外两侧圆弧CE和DF关于磁极中心线镜像对称。

所述的圆弧AB为圆心O₁与定子铁芯内圆圆心同心，且半径与转子外圆半径相等的圆弧段。

所述的圆弧AC与BD的圆心O_2L与O_2R分别位于端点A、B与圆心O₁的连接线AO₁与BO₁上，其位置取决于圆弧AB的张角大小以及圆弧AC与BD的半径大小。

所述的圆弧CE与DF的圆心O_3L与O_3R分别位于权利要求3所述的端点C与圆弧AC圆心O_2L的连接线CO_2L上及端点D与圆弧BD圆心O_2R的连接线DO_2R上，其位置取决于极靴最大高度的大小以及圆弧CE与DF的张角大小。

所述的五段圆弧的张角大小之和为180°机械角度。

对于所述的五段弧极靴结构，通过调整中部圆弧AB的张角大小、极靴最大高度的大小以及圆弧CE与DF的张角大小，构成不同的五段圆弧组合方式，从而得到不同形式的水轮发电机磁极五段弧极靴结构。

技术效果：

1.水轮发电机转子磁极极靴采用五段弧结构，气隙磁场更接近正弦分布，减少了谐波损耗，提高了发电机运行效率。

2.由于气隙磁场接近正弦分布，水轮发电机电压波形以及电流波形更接近正弦，改善了电能质量，降低了转矩脉动，提高了发电机运行稳定性。

3.节省了转子励磁，减少了极间漏磁，减轻了发电机重量，降低了发电机制造成本。

附图说明：

图1水轮发电机转子向心磁极五段弧极靴结构示意图。

图2水轮发电机转子非向心磁极五段弧极靴结构示意图。

图3水轮发电机转子磁极五段弧极靴结构设计原理图。

附图中部件标号说明：

1．转子磁极极靴；2．转子磁极极身；3．转子磁极T尾

具体实施方式：

针对水轮发电机电压谐波畸变率、电话谐波含量、振动与噪声等性能高指标要求，通过合理设计转子磁极极靴结构是一种有效的解决措施。本实用新型提出的水轮发电机转子磁极五段弧极靴结构基于水轮发电机电气性能与机械性能相结合的设计理念，借鉴转子磁极极靴三段弧设计思想，将传统变气隙单圆弧极靴结构设计为五段弧极靴结构（如图1和图2所示），五段弧极靴结构设计原理如图3所示。

由图1、图2和图3可知，水轮发电机转子磁极极靴1表面由中部圆弧AB、圆弧AB左右两侧圆弧AC和BD、磁极最外两侧圆弧CE和DF，共五段圆弧平滑过渡连接而成。圆弧AB的对称中心线与转子磁极中心线重合；圆弧AC和BD关于磁极中心线镜像对称；圆弧CE和DF关于磁极中心线镜像对称。圆弧AB的圆心O₁与定子铁芯内圆圆心同心，其半径r₁与转子外圆半径相等；圆弧AC和BD的圆心O_2L和O_2R分别位于端点A和B与圆心O₁的连接线AO₁和BO₁上，其具体位置取决于圆弧AB的张角大小2α₁以及圆弧AC和BD的半径大小r₂；圆弧CE和DF的圆心O_3L和O_3R分别位于端点C与圆弧AC圆心O_2L的连接线CO_2L上及端点D与圆弧BD圆心O_2R的连接线DO_2R上，其具体位置取决于极靴的最大高度大小H_ps以及圆弧CE和DF的张角大小α₃。

由图3可知，水轮发电机转子磁极极靴1结构表面五段圆弧AB、AC、BD、CE和DF的张角大小α₁、α₂、α₃满足关系式：

2·α₁+2·α₂+2·α₃＝180  （1）

或

α₁+α₂+α₃＝90  （2）

如图3所示，通过调整水轮发电机转子磁极极靴1中部圆弧AB的张角大小2α₁、极靴的最大高度大小H_ps以及磁极最外两侧圆弧CE和DF的张角大小α₃，构成不同的五段圆弧组合方式，即可得到不同形式的水轮发电机磁极五段弧极靴结构。本实施例中，水轮发电机转子磁极极靴1的宽度W_ps为920mm，最大高度H_ps为129.72mm，中部圆弧AB的半径r₁为2313.5mm，中部圆弧AB的张角2α₁为14.538°，与中部圆弧相邻的左右两侧圆弧AC和BD的半径r₂为351.577mm，圆弧AC和BD的张角α₂为22.731°，磁极最外两侧圆弧CE和DF的半径r₃为77.391mm，圆弧CE和DF的张角α₃为60°。

这里以本实用新型的实施例为中心展开了详细说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本实用新型，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，这些变形和应用都应该属于本实用新型的范围内。

Claims (6)

1.一种水轮发电机磁极五段弧极靴结构，其特征在于，该结构由五段圆弧平滑过渡连接而成，中部圆弧AB的对称中心线与转子磁极中心线重合；圆弧AB左右两侧的圆弧AC和BD关于磁极中心线镜像对称；磁极最外两侧圆弧CE和DF关于磁极中心线镜像对称。

2.根据权利要求1所述的水轮发电机磁极五段弧极靴结构，其特征在于，所述的圆弧AB为圆心O₁与定子铁芯内圆圆心同心，且半径与转子外圆半径相等的圆弧段。

3.根据权利要求1所述的水轮发电机磁极五段弧极靴结构，其特征在于，所述的圆弧AC与BD的圆心O_2L与O_2R分别位于端点A、B与圆心O₁的连接线AO₁与BO₁上，其位置取决于圆弧AB的张角大小以及圆弧AC与BD的半径大小。

4.根据权利要求1所述的水轮发电机磁极五段弧极靴结构，其特征在于，所述的圆弧CE与DF的圆心O_3L与O_3R分别位于权利要求3所述的端点C与圆弧AC圆心O_2L的连接线CO_2L上，端点D与圆弧BD圆心O_2R的连接线DO_2R上，其位置取决于极靴最大高度的大小以及圆弧CE与DF的张角大小。

5.根据权利要求1所述的水轮发电机磁极五段弧极靴结构，其特征在于，所述的五段圆弧的张角大小之和为180°机械角度。

6.根据权利要求1所述的水轮发电机磁极五段弧极靴结构，其特征在于，通过调整中部圆弧AB的张角大小、极靴最大高度的大小以及圆弧CE与DF的张角大小，构成不同的五段圆弧组合方式，从而得到不同形式的水轮发电机磁极五段弧极靴结构。