CN207939283U - 发电机双层异构式定子绕组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发电机双层异构式定子绕组，其中定子绕组的极数为2，每相绕组由两条并联支路组成；定子绕组为双层叠绕组，叠绕组的每个线圈均为短距线圈，每个槽内均布置有上层线圈边和下层线圈边，每个线圈边由两列横向排列的换位股线组成，且上层线圈边比下层线圈边多8根股线；在上层线圈边和下层线圈边的端部，所有换位股线通过一个并头套连接。上层线圈边采用不足0°/540°/0°换位方式，下层线圈边采用0°/540°/0°与空换位结合的换位方式。本方案设计的发电机双层异构式定子绕组及双层异构式换位方法能够大幅度降低定子绕组中股线附加损耗。

Description

发电机双层异构式定子绕组

技术领域

本实用新型涉及发电机设计与制造技术领域，具体涉及一种发电机双层异构式定子绕组。

背景技术

定子绕组是发电机的重要组成部分，定子绕组的附加损耗不仅影响发电机的效率指标，而且还严重影响发电机的运行安全和使用寿命。为减小发电机定子绕组的附加损耗，槽内导体一般由两列横向排列的换位股线并绕而成，采用厚度较薄的扁铜线。由于槽内每根股线处于复杂交流磁场的不同位置，使得任意两根股线构成的回路之间存在电动势差，进而形成环流，产生附加环流损耗，导致股线温升分布不均匀，严重影响绝缘的使用寿命。

为解决定子绕组附加损耗过大的问题，通常在定子绕组的设计和制造中采用股线换位技术。大型交流电机采用的传统的换位方式主要有0°/360°/0°换位、0°/360°/0°空换位、不足360°换位、0°/540°/0°换位等换位方式，这些换位方式广泛应用于交流电机的设计与制造中。大型发电机较多采用0°/540°/0°换位方式。采用这种换位方式各股线在槽内完成了一周半的扭转，由于中间半周换位节距是前半周和后半周换位节距的两倍，各股线的槽部感应电动势相同。在端部磁场的作用下，各股线的感应电动势不同，产生较大的环流，进而产生附加损耗，严重影响发电机的运行安全和使用寿命。

实用新型内容

针对于现有技术中的上述不足，本实用新型提供的发电机双层异构式定子绕组解决了现有定子绕组中股线附加损耗过大的问题。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：

第一方面，提供一种发电机双层异构式定子绕组，发电机定子的极数为2，每相绕组由两条并联支路组成；

定子绕组为双层叠绕组，叠绕组的每个线圈均为短距线圈，每个槽内均布置有上层线圈边和下层线圈边，每个线圈边由两列横向排列的换位股线组成，且上层线圈边比下层线圈边多8根股线；

在上层线圈边和下层线圈边的端部，所有换位股线通过一个并头套连接。

优选地，上层线圈边采用不足0°/540°/0°换位方式，下层线圈边采用0°/540°/0°与空换位结合的换位方式。

优选地，不足0°/540°/0°换位方式为上层线圈边每根换位股线均包括依次连接的前172.5°换位段、上层中间180°换位段和后172.5°换位段。

优选地，采用0°/540°/0°与空换位结合的换位方式为下层线圈边的每根股线均包括依次连接的前180°换位段、下层中间180°换位段和后180°换位段，下层中间180°换位段和后180°换位段分别被其中部设置的空换位段均分成两段。

采用上述技术方案的有益效果为：本方案与上、下层两层线圈边均加空换位段的换位方式相比降低了上层线圈边的工艺制造难度，消除了上层线圈边采用空换位导致的换位节距减小、绝缘容易损坏的弊端，同时进一步降低了定子绕组的附加损耗，提高了发电机的使用寿命及运行安全性。

本实用新型的有益效果为：降低了上层线圈边的工艺制造难度，消除了上层线圈边采用空换位导致的换位节距减小、绝缘容易损坏的弊端，同时与上、下层两层线圈边均加空换位段的换位方式及上层线圈边和下层线圈边均采用不足0°/540°/0的换位方式相比进一步降低了定子绕组的附加损耗，提高了发电机的使用寿命及运行安全。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的双层异构式定子绕组的展开图。

图2是本实用新型的一个实施例的A相定子绕组的各支路绕组连接结构示意图。

图3是本实用新型的一个实施例的双层异构式单槽定子绕组结构示意图。

图4是本实用新型的一个实施例上层线圈边槽部的三维简化视图。

图5是图4的俯视图。

图6是图4中换位股线在A-A处的截面图。

图7是图4中换位股线在B-B处的截面图。

图8是图4中换位股线在C-C处的截面图。

图9是图4中换位股线在D-D处的截面图。

图10是图4中换位股线在E-E处的截面图。

图11是上层线圈边中编号为1(No.1)和37(No.37)的换位股线的换位过程立体图。

图12是本实用新型的一个实施例下层线圈边槽部的三维简化视图。

图13是图12的俯视图。

图14是图12中换位股线在F-F处的截面图。

图15是图12中换位股线在G-G处的截面图。

图16是图12中换位股线在H-H处的截面图。

图17是图12中换位股线在I-I处的截面图。

图18是图12中换位股线在J-J处的截面图。

图19是图12中换位股线在K-K处的截面图。

图20是图12中换位股线在L-L处的截面图。

图21是图12中换位股线在M-M处的截面图。

图22是图12中换位股线在N-N处的截面图。

图23是下层线圈边中编号为2(No.2)和34(No.34)的换位股线的换位过程立体图。

其中，1、直线段；2、前172.5°换位段；3、上层中间180°换位段；4、后172.5°换位段；5、前180°换位段；6、下层中间180°换位段；7、后180°换位段；8、并头套；9、上层线圈边槽部；10、前Q/2个长换位节距b换位段；11、第一空换位段；12、后Q/2个长换位节距b换位段；13、前Q/2个短换位节距b换位段；14、第二空换位段；15、后Q/2个短换位节距b换位段；16、下层线圈边槽部；17、换位弯。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

本方案的发电机双层异构式定子绕组，发电机定子的极数为2，每相绕组由两条并联支路组成，具体可以参考图1，图1示出了双层异构式定子绕组的展开图，该定子绕组有2极，每极每相槽数为12，每相绕组由2条并联支路组成，节距为29。

本实施例中结合图1以三相定子绕组为例对2条并联支路进行说明，由于三相定子绕组对称分布，此处，仅以A相为例对每相的2条并联支路进行说明。

如图2所示，线圈1、2、3、4、5、6串联起来组成极相组A1，线圈37、38、39、40、41、42串联起来组成极相组X1，A1和X1串联起来组成第一条并联支路，线圈7、8、9、10、11、12串联起来组成极相组A2，线圈43、44、45、46、47、48串联起来组成极相组X2，A2和X2串联起来组成第二条并联支路。

如图3所示，本方案的定子绕组选用双层叠绕组，叠绕组的每个线圈均为短距线圈，每个槽内均布置有上层线圈边和下层线圈边，上层线圈边采用不足0°/540°/0°换位方式，下层线圈边采用0°/540°/0°与空换位结合的换位方式。

每个线圈边由两列横向排列的换位股线组成，上层线圈边包括P根换位股线，下层线圈边包括Q根换位股线，且上层线圈边比下层线圈边多8根股线，即P＝Q+8；在上层线圈边和下层线圈边的端部，所有换位股线通过一个并头套8连接。

实施时，本方案优选不足0°/540°/0°换位方式为上层线圈边每根换位股线均包括依次连接的前172.5°换位段2、上层中间180°换位段3和后172.5°换位段4。

在本实用新型的一个实施例中，上层线圈边的三个换位段的换位方法包括：

前172.5°换位段2的每根换位股线在槽内旋转172.5°，在槽部轴向上换位(P/2-1)个短换位节距a；

上层中间180°换位段3的换位股线在槽内旋转180°，在槽部轴向上换位P/2个长换位节距a；

后172.5°换位段4的换位股线在槽内旋转172.5°，在槽部轴向上换位(P/2-1)个短换位节距a，完成对上层线圈边的换位；

其中，上层线圈边中长换位节距a为铁心长度与换位股线根数P的比值，短换位节距a为铁心长度与(P-2)的比值的0.5倍。

如图4和图5所示，图4为上层线圈边槽部9的三维简化视图，图5为图4的俯视图；A-A位置为上层线圈边槽部9换位的初始位置，其换位股线截面图如图6所示，换位股线经1个短换位节距a后换位至B-B位置，其截面图如图7所示，其次经(P/2-2)个短换位节距a后换位至C-C位置，其截面图如图8所示，然后经P/2个长换位节距a后换位至D-D位置，其截面图如图9所示，最后换位股线经(P/2-1)个短换位节距a后换位至E-E位置，其截面图如图10所示，此时上层线圈边槽部9换位结束。

图11为上层线圈边P根换位股线中编号为1(No.1)和37(No.37)的换位股线的换位立体图，从图11中可以看出两根换位股线的具体换位过程，图11中序号17为单根换位股线的换位弯17。

为了方便理解A-A位置、B-B位置、C-C位置、D-D位置及E-E位置所示出的上层线圈边换位股线所在位置与换位节距的关系，下面对上层线圈边的三个换位段的换位方法进行细化说明：

右排由上至下第N＝(P/2)-1根换位股线的换位方法包括：

前172.5°换位段2的换位方法：换位股线向上倾斜经过(P/2)-2个短换位节距a的距离，由右排换位一个换位弯a的距离到左排；

上层中间180°换位段3的换位方法：换位股线继续向下倾斜经过(P/2)-1个长换位节距a的距离，由左排换位一个换位弯b的距离到右排；

后172.5°换位段4的换位方法：向上倾斜经过(P/2)-1个短换位节距a的距离完成换位；

右排由上至下第N＝(P/2)根换位股线的换位方法包括：

前172.5°换位段2的换位方法：换位股线向上倾斜经过(P/2)-1个短换位节距a的距离；

上层中间180°换位段3的换位方法：换位股线继续由右排换位一个换位弯b的距离到左排，向下倾斜经过(P/2)-1个长换位节距a的距离；

后172.5°换位段4的换位方法：换位股线继续由左排换位一个换位弯a的距离到右排，最后向上倾斜经过(P/2)-2个短换位节距a的距离完成换位；

右排余下换位股线由上至下第N根换位股线的换位方法包括：

前172.5°换位段2的换位方法：换位股线向上倾斜经过(N-1)个短换位节距a的距离，开始由右排换位一个换位弯a的距离到左排，然后向下倾斜经过(P/2)-(N+1)个短换位节距a的距离；

上层中间180°换位段3的换位方法：换位股线继续向下倾斜经过N个长换位节距a的距离，由左排换位一个换位弯b的距离到右排，然后向上倾斜经过(P/2)-(N+1)个长换位节距a的距离；

后172.5°换位段4的换位方法：换位股线继续向上倾斜经过N个短换位节距a的距离，由右排换位一个换位弯a的距离到左排，然后向下倾斜经过(P/2)-(N+2)个短换位节距a的距离完成换位；

左排由下至上第N＝(P/2)-1根换位股线的换位方法包括：

前172.5°换位段2的换位方法：换位股线向下倾斜经过(P/2)-2个短换位节距a的距离，由左排换位一个换位弯a的距离到右排；

上层中间180°换位段3的换位方法：换位股线继续向上倾斜经过(P/2)-1个长换位节距a的距离，由右排换位一个换位弯b的距离到左排；

后172.5°换位段4的换位方法：最后向下倾斜经过(P/2)-1个短换位节距a的距离完成换位；

左排由下至上第N＝(P/2)根换位股线的换位方法包括：

前172.5°换位段2的换位方法：换位股线向下倾斜经过(P/2)-1个短换位节距a的距离；

上层中间180°换位段3的换位方法：换位股线接着由左排换位一个换位弯b的距离到右排，向上倾斜经过(P/2)-1个长换位节距a的距离完成换位；

后172.5°换位段4的换位方法：换位股线继续由右排换位一个换位弯a的距离到左排，最后向下倾斜经过(P/2)-2个短换位节距a的距离；

左排余下换位股线由下至上第N根换位股线的换位方法包括：

前172.5°换位段2的换位方法：换位股线向下倾斜经过(N-1)个短换位节距a的距离，由左排换位一个换位弯a的距离到右排，然后向上倾斜经过(P/2)-(N+1)个短换位节距a的距离；

上层中间180°换位段3的换位方法：换位股线接着向上倾斜经过N个长换位节距a的距离，由右排换位一个换位弯b的距离到左排，然后向下倾斜经过(P/2)-(N+1)个长换位节距a的距离；

后172.5°换位段4的换位方法：换位股线继续向下倾斜经过N个短换位节距a的距离，由左排换位一个换位弯a的距离到右排，然后向上倾斜经过(P/2)-(N+2)个短换位节距a的距离；

换位弯a在槽部轴向的长度为一个短换位节距a，换位弯b在槽部轴向的长度为一个长换位节距a。

如图3所示，采用0°/540°/0°与空换位结合的换位方式为下层线圈边的每根股线均包括依次连接的前180°换位段5、下层中间180°换位段6和后180°换位段7，下层中间180°换位段6和后180°换位段7分别被其中部设置的空换位段均分成两段；

即下层中间180°换位段6包括依次连接的前Q/2个长换位节距b换位段10、第一空换位段11和后Q/2个长换位节距b换位段12；后180°换位段7包括依次连接的前Q/2个短换位节距b换位段13、第二空换位段14和后Q/2个短换位节距b换位段15。

更确切地说，其中，第一空换位段11和第二空换位段14长度相等，其分别位于下层中间180°换位段6及后180°换位段7的中心。

实施时，本方案优选下层线圈边的换位方法包括：

前180°换位段5的换位股线按照0°/540°/0°换位方式，在槽部轴向上换位Q/2个短换位节距b；

下层中间180°换位段6的换位股线首先按照0°/540°/0°换位方式，在槽部轴向上换位Q/4个长换位节距b，然后Q根换位股线沿槽的方向水平移动空换位段长度的距离，最后在槽部轴向上换位Q/4个长换位节距b；

后180°换位段7的换位股线首先按照0°/540°/0°换位方式，在槽部轴向上换位Q/4个短换位节距b，然后Q根换位股线沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，最后在槽部轴向上换位Q/4个短换位节距b，完成对下层线圈边的换位；

其中，下层线圈边中长换位节距b为(铁心长度与两处空换位段长度之差)与换位股线根数的比值，短换位节距b为长换位节距b的0.5倍。

如图3所示，上层线圈边与下层线圈边两端的直线段1在槽的纵向上对齐，前172.5°换位段2与前180°换位段5、上层中间180°换位段3与下层中间180°换位段6及后172.5°换位段4与后180°换位段7均错位设置。

如图12和图13所示，图12为下层线圈边槽部15的三维简化视图，图13为图12的俯视图；F-F位置为下层线圈边槽部15换位的初始位置，其换位股线截面图如图14所示，按照0°/540°/0°换位方式换位1个短换位节距b后至G-G位置，其截面图如图15所示，然后换位Q/2-1个短换位节距b后至H-H位置，其截面图如图16所示；接下来换位Q/4个长换位节距b后至I-I位置，其截面图如图17所示，然后是换位股线进行第一次空换位的过程，Q根换位股线沿槽的方向水平移动选定的空换位长度的距离，约为铁芯长度的6.5％，至J-J位置，其截面图如图18所示，再按照0°/540°/0°换位方式换位Q/4个长换位节距b后至K-K位置，其截面图如图19所示；接下来换位Q/4个短换位节距b后至L-L位置，其截面图如图20所示，下面是换位股线进行第二次空换位的过程，Q根换位股线沿槽的方向水平移动选定的空换位长度的距离，约为铁芯长度的6.5％，至M-M位置，其截面图如图21所示，再按照0°/540°/0°换位方式换位Q/4个短换位节距b后至N-N位置，其截面图如图22所示；此时下层线圈边槽部15换位结束。

图23为下层线圈边Q根换位股线中编号为2(No.2)和34(No.34)的换位股线的换位立体图，从图中可以看出两根换位股线的具体换位过程，其中17为单根换位股线的换位弯、18和19分别为第一处和第二处空换位段。

为了方便理解F-F位置、G-G位置、H-H位置、I-I位置、J-J位置及至L-L位置、M-M位置、N-N位置所示出的上层线圈边换位股线所在位置与换位节距的关系，下面对下层线圈边的三个换位段的换位方法进行细化说明：

当(N-1)<Q/4时，下层线圈边右排从上至下第N根换位股线的换位方法包括：

前180°换位段6的换位方法：换位股线向上倾斜经过(N-1)个短换位节距b的距离，由右排换位一个换位弯c的距离到左排，然后向下倾斜经过(Q/2)-N个短换位节距b的距离；

下层中间180°换位段7的换位方法：换位股线继续向下倾斜经过(N-1)个长换位节距b的距离，由左排换位一个换位弯d的距离到右排，然后向上倾斜经过(Q/4)-N个长换位节距b的距离，沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，然后继续向上倾斜经过(Q/4)个长换位节距b的距离；

后180°换位段8的换位方法：换位股线继续向上倾斜经过(N-1)个短换位节距b的距离，由右排换位一个换位弯c的距离到左排，然后向下倾斜经过(Q/4)-N个短换位节距b的距离，沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，然后继续向下倾斜经过(Q/4)个短换位节距b的距离；

当(N-1)>＝Q/4时，下层线圈边右排从上至下第N根换位股线的换位方法包括：

前180°换位段6的换位方法：换位股线向上倾斜经过(N-1)个短换位节距b的距离，由右排换位一个换位弯c的距离到左排，然后向下倾斜经过(Q/2)-N个短换位节距b的距离；

下层中间180°换位段7的换位方法：换位股线继续向下倾斜经过(Q/4)个长换位节距b的距离，再沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，然后向下倾斜经过(N-1)-(Q/4)个长换位节距b的距离，由左排换位一个换位弯d的距离到右排，然后向上倾斜经过(Q/2)-N个长换位节距b的距离；

后180°换位段8的换位方法：换位股线继续向上倾斜经过(Q/4)个短换位节距b的距离，再沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，然后向上倾斜经过(N-1)-(Q/4)个短换位节距b的距离，由右排换位一个换位弯d的距离到左排，然后向下倾斜经过(Q/2)-N个短换位节距b的距离；

当(N-1)<Q/4时，下层线圈边左排从下至上第N根换位股线的换位方法包括：

前180°换位段6的换位方法：换位股线向下倾斜经过(N-1)个短换位节距b的距离，由左排换位一个换位弯c的距离到右排，然后向上倾斜经过(Q/2)-N个短换位节距b的距离，

下层中间180°换位段7的换位方法：换位股线继续向上倾斜经过(N-1)个长换位节距b的距离后再由右排换位一个换位弯d的距离到左排，向下倾斜经过(Q/4)-N个长换位节距b的距离，沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，然后继续向下倾斜经过(Q/4)个长换位节距b的距离，

后180°换位段8的换位方法：换位股线继续向下倾斜经过(N-1)个短换位节距b的距离后再由左排换位一个换位弯c的距离到右排，向上倾斜经过(Q/4)-N个短换位节距b的距离，沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，然后继续向上倾斜经过(Q/4)个短换位节距b的距离；

当(N-1)>＝Q/4时，下层线圈边左排从下至上第N根换位股线的换位方法包括：

前180°换位段6的换位方法：换位股线向下倾斜经过(N-1)个短换位节距b的距离，由左排换位一个换位弯c的距离到右排，然后向上倾斜经过(Q/2)-N个短换位节距b的距离，

下层中间180°换位段7的换位方法：向上倾斜经过(Q/4)个长换位节距b的距离，沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，向上倾斜经过(N-1)-(Q/4)个长换位节距b的距离，再由右排换位一个换位弯d的距离到左排，然后向下倾斜经过(Q/2)-N个长换位节距b的距离，

后180°换位段8的换位方法：向下倾斜经过(Q/4)个短换位节距b的距离，沿槽的方向水平移动设定的空换位段长度的距离，向下倾斜经过(N-1)-(Q/4)个短换位节距b的距离后再由左排换位一个换位弯d的距离到右排，然后向上倾斜经过(Q/2)-N个短换位节距b的距离；

换位弯c在槽部轴向的长度为一个短换位节距b，换位弯d在槽部轴向的长度为一个长换位节距b。

换位弯a、换位弯b、换位弯c和换位弯d为换位弯17的4种不同形式，其四者在槽部轴向的长度均不相等。

实施时，本方案优选上层线圈边和下层线圈边外均包覆一层外绝缘层，换位股线外均包覆有一层绝缘漆层。

下面以一台300MW发电机为例，采用场路耦合三维有限元法分别对定子绕组采用0°/540°/0°换位、0°/540°/0°换位与空换位结合的换位方式、不足0°/540°/0°换位方式以及本实用新型的双层异构式定子绕组进行计算，得到定子绕组的附加损耗。

结果显示，当采用0°/540°/0°换位时，定子绕组附加损耗为5.688kW；当采用0°/540°/0°换位与空换位结合的换位方式时，定子绕组附加损耗为4.738kW；当采用不足0°/540°/0°换位方式时，定子绕组附加损耗为5.22kW；当采用本实用新型的双层异构式定子绕组时，定子绕组附加损耗为4.069kW，和0°/540°/0°换位相比降低了28.45％，和0°/540°/0°换位与空换位结合的换位方式相比降低了14.1％，和不足0°/540°/0°换位方式相比降低了22.04％。

综上可知，本实用新型所提供的双层异构式定子绕组对于降低发电机定子绕组的附加损耗及抑制温升方面起到非常显著的效果，具有巨大的应用前景。

Claims (7)

1.发电机双层异构式定子绕组，其特征在于，所述发电机定子的极数为2，每相绕组由两条并联支路组成；

所述定子绕组为双层叠绕组，所述叠绕组的每个线圈均为短距线圈，每个槽内均布置有上层线圈边和下层线圈边，每个线圈边由两列横向排列的换位股线组成，且上层线圈边比下层线圈边多8根股线；

在上层线圈边和下层线圈边的端部，所有换位股线通过一个并头套连接。

2.根据权利要求1所述的发电机双层异构式定子绕组，其特征在于，所述上层线圈边采用不足0°/540°/0°换位方式，下层线圈边采用0°/540°/0°与空换位结合的换位方式。

3.根据权利要求2所述的发电机双层异构式定子绕组，其特征在于，所述不足0°/540°/0°换位方式为上层线圈边每根换位股线均包括依次连接的前172.5°换位段、上层中间180°换位段和后172.5°换位段。

4.根据权利要求3所述的发电机双层异构式定子绕组，其特征在于，所述采用0°/540°/0°与空换位结合的换位方式为下层线圈边的每根股线均包括依次连接的前180°换位段、下层中间180°换位段和后180°换位段，所述下层中间180°换位段和后180°换位段分别被其中部设置的空换位段均分成两段。

5.根据权利要求4所述的发电机双层异构式定子绕组，其特征在于，所述上层线圈边与下层线圈边两端的直线段在槽的纵向上对齐，前172.5°换位段与前180°换位段、上层中间180°换位段与下层中间180°换位段及后172.5°换位段与后180°换位段均错位设置。

6.根据权利要求1-5任一所述的发电机双层异构式定子绕组，其特征在于，所述上层线圈边和下层线圈边外均包覆一层外绝缘层。

7.根据权利要求1-5任一所述的发电机双层异构式定子绕组，其特征在于，所述换位股线外均包覆有一层绝缘漆层。