EA001098B1

EA001098B1 - Устройство в статоре вращающейся электрической машины

Info

Publication number: EA001098B1
Application number: EA199801057A
Authority: EA
Inventors: Матс Лейён; Сёрен Берггрен
Original assignee: Абб Аб
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2000-10-30
Also published as: JP2000512835A; WO1997045937A1; CA2255725A1; AU2989397A; EA199801057A1; BR9709613A; CN1220050A; EP1016191A1

Description

Настоящее изобретение относится к устройству для увеличения механической жесткости и собственной частоты колебаний статора во вращающейся электрической машине и для предотвращения разрушающих колебаний между зубцами статора.

Некоторые попытки нового подхода к проектированию синхронных машин описаны, помимо прочего, в статье \Уа1ег-апб-оП-соо1еб ТигЬодеиега1ог ТУМ-300, 1. Е1еЙто1есЬшка, № 1, 1970, рр 6-8, в патенте США № 4429244 Статор генератора и в патенте СССР № 955369.

Синхронная машина с водяным и масляным охлаждением, описанная в журнале ί. Е1ек1то1есЬи1ка, рассчитана на напряжения до 20 кВ. В статье описана новая система изоляции, состоящая из масляно-бумажной изоляции, которая позволяет погрузить статор полностью в масло. При этом масло может использоваться как хладагент и в то же самое время как изоляция. Для предотвращения просачивания масла из статора к ротору на внутренней поверхности сердечника имеется диэлектрическое маслоудерживающее кольцо. Обмотка статора выполнена из полых проводников овального сечения с масляной и бумажной изоляцией. Боковые части катушки с изоляцией закреплены в пазах прямоугольного сечения посредством клиньев. Как в полых проводниках, так и в отверстиях в стенках статора, для их охлаждения используется масло. Однако такие системы охлаждения требуют большого количества как электрических, так и гидравлических соединений на концах катушек. Кроме того, толстая изоляция приводит к увеличению радиуса кривизны проводников, что, в свою очередь, вызывает увеличение вылета обмотки.

Вышеупомянутый патент США относится к части статора в синхронной машине, которая содержит листовой магнитный сердечник с трапецеидальными пазами для статорной обмотки. Пазы сужаются, поскольку потребность в изоляции статорной обмотки уменьшается в направлении к внутренней части ротора, где расположена ближайшая к нейтральной точке часть обмотки. Кроме того, часть статора содержит диэлектрический маслоудерживающий цилиндр, расположенный поблизости от внутренней поверхности сердечника. Эта часть может повысить требования к магнитной части устройства по сравнению с машиной без этого кольца. Обмотка статора выполнена из маслонаполненных кабелей одинакового диаметра для каждого слоя обмотки. Слои отделены друг от друга посредством распорных деталей, установленных в пазах, и закреплены клиньями. Особенностью обмотки является то, что она содержит две так называемых полуобмотки, соединенные последовательно. Одна из двух полуобмоток расположена по центру внутри трубчатой изоляции. Проводники статорной обмотки охлаждаются окружающим маслом. Недостатками системы с таким большим количеством масла являются риск утечки и большой объем работы по очистке в случае аварии. Те части трубчатой изоляции, которые расположены вне пазов, имеют цилиндрическую часть и коническое завершение, усиленное токонесущими слоями, назначение которых заключается в управлении напряженностью электрического поля в области, где кабель входит в конец обмотки.

Из патента СССР № 955369 понятно, что еще одна попытка увеличить номинальное напряжение синхронной машины заключается в том, что охлаждаемая маслом статорная обмотка содержит известный высоковольтный кабель одинакового размера для всех слоев. Кабель помещен в пазы статора, выполненные в виде круговых радиально расположенных отверстий, размеры которых соответствуют площади поперечного сечения кабеля и необходимому месту для их установки и для хладагента. Различные расположенные радиально слои обмотки окружены трубчатой изоляцией и закреплены в ней. В пазу статора трубки закреплены изолирующими распорками. Из-за масляного охлаждения во внутреннем воздушном зазоре необходимо установить внутреннее диэлектрическое кольцо для создания уплотнения для предупреждения просачивания масляного хладагента. В этой конструкции нет сужения изоляции или пазов статора. В этой конструкции имеются очень узкие радиальные сужения между различными пазами статора, что подразумевает наличие большого потока утечки в пазу и существенно влияет на требования к машине, касающиеся намагничивания.

Проблема, решению которой посвящено изобретение, связана с высоковольтной электрической машиной переменного тока, прежде всего предназначенной для работы в качестве генератора на электростанции для производства электроэнергии. Такие машины традиционно предназначались для работы при напряжениях в диапазоне 15-30 кВ, и 30 кВ рассматривались в качестве верхнего предела. Это, в общем случае, означает, что генератор должен быть соединен с сетью электроснабжения через трансформатор, который усиливает напряжение до уровня сети электроснабжения, то есть до 130-400 кВ.

При использовании в обмотке статора высоковольтных изолированных электрических проводников, далее называемых кабелями, с постоянной изоляцией, аналогичной используемой в кабелях для передачи электроэнергии (например кабели с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями (ХЬРЕ)), напряжение в машине может быть увеличено до такого уровня, что эта машина может быть связана непосредственно с сетью электроснабжения без промежуточного трансформатора. Таким образом, повышающего трансформатора не требуется.

В общем случае эта концепция подразумевает, что пазы в статоре, в которых размещаются кабели, являются более глубокими, чем требуется обычно (более толстая изоляция из-за более высокого напряжения и большего количества витков в обмотке). Это создает новые проблемы, связанные с собственными частотами механических колебаний в области зубцов между пазами статора. В статоре с глубокими пазами могут возникнуть разрушительные колебания в области воздушного зазора из-за резонанса с возмущающей силой, обычно электромагнитными силами с частотой 100 Гц для машины с номинальной выходной частотой 50 Гц.

Целью настоящего изобретения является решение этой проблемы и, таким образом, предотвращение колебаний между зубцами статора. Эта цель достигается с помощью устройства, описанного в формуле изобретения.

Ниже изобретение будет описано более подробно в связи с сопровождающими чертежами, где на фиг. 1 показано поперечное сечение изолированного электрического проводника, который используется согласно изобретению и в данном описании именуется кабелем;

на фиг. 2 показан вид сектора сердечника статора в осевом направлении;

на фиг. 3 и 4 показан вид в осевом направлении конца паза, расположенного в воздушном зазоре в сердечнике статора согласно двум вариантам выполнения изобретения;

на фиг. 5 показан вид в осевом направлении сектора сердечника статора согласно третьему варианту выполнения изобретения;

на фиг. 6 показан вид в осевом направлении сектора сердечника статора согласно еще одному выполнению устройства согласно изобретению;

на фиг. 7 показано сечение в осевом направлении через часть статора, соответствующую изображенной на фиг. 6 и на фиг. 8 и 9 показан вид концевой части сердечника статора около воздушного зазора в радиальном и осевом направлении соответственно с частичным сечением.

На фиг. 1 иллюстрируется поперечное сечение изолированного электрического проводника или кабеля 1 , используемого согласно настоящему изобретению. Кабель 1 включает проводник 2 с круглым поперечным сечением, состоящий из множества жил, выполненных, например, из меди. Этот проводник 2 расположен в середине кабеля 1 . Вокруг проводника 2 имеется первый полупроводящий слой 3. Вокруг первого полупроводящего слоя 3 имеется изолирующий слой 4, например из полиэтилена с межмолекулярными связями. Вокруг изолирующего слоя 4 имеется второй полупроводящий слой 5. Следовательно , в данном случае кабель не содержит внешней защитной оболочки, которая обычно окружает кабель для распределения электроэнергии.

На фиг. 2 изображена часть пластины 6 статора, предназначенного для нового высоковольтного генератора переменного тока. Эти пластины статора 6 уложены одна на другую, формируя сердечник статора. Он является кольцевым и окружает ротор (не показан) с воздушным зазором 7. Пазы 8 для укладки кабеля идут сквозь статор в осевом направлении и являются более глубокими, чем в обычных машинах. Это обусловливает вышеупомянутые недостатки статора, имеющего низкие собственные частоты, и эти колебания легко возникают в зубцах 1 0 статора.

Согласно фиг. 3, для решения этой проблемы предложено вставить в пространство паза 8 распорку или пазовый клин 11. Клин сделан из неэлектропроводящего материала, который является немагнитным, жестким и прочным, например, из усиленной стекловолокном пластмассы (эпоксидной пластмассы), и вытянут на полную длину статора в осевом направлении. Этот клин вставляют посредством силы, приложенной в радиальном направлении, как обозначено стрелкой 1 2, в процессе сборки, таким образом обеспечивая тангенциально жесткие связи между зубцами статора в воздушном зазоре вокруг всего статора. Эта жесткая связь повышает собственную частоту колебаний и обеспечивает значительное повышение жесткости каждого отдельного зуба и даже повышение жесткости на изгиб всего сердечника статора. Другое важное преимущество состоит в том, что тангенциальные электромагнитные силы в воздушном зазоре, создаваемые полюсами ротора, распределены более равномерно между зубцами.

Как можно видеть на фиг. 3, клин 11 не касается кабеля 1 и не действует на него с силой, направленной радиально - на чертеже показан ближайший кабель. Как понятно из фиг. 2, в отличие от обычных генераторов, пазы 8 выполнены в виде велосипедной цепи с углублениями для каждого кабеля 1 , который таким образом зафиксирован в радиальном направлении. В известных генераторах кабельные пазы имели постоянную ширину, и кабели были сжаты радиальной силой, обусловленной пазовым клином, который не давал никакой тангенциальной нагрузки. Таким образом, известные пазовые клинья выполняли совершенно другую функцию, по сравнению с пазовым клином 11, выполненным согласно настоящему изобретению, единственная функция которого заключается в создании тангенциального предварительного напряжения Ρ_ΤΑΝ, которое обеспечивает достаточно жесткую и сильную связь между свободными концами зубцов статора.

На фиг. 4 показан другой вариант выполнения устройства согласно изобретению. Здесь клин 11 имеет обратную форму, также как и взаимодействующие с ним клиновидные по5 верхности на зубцах статора 10. Подвергаясь давлению, клин в этом случае выдавливается наружу, по направлению к воздушному зазору, а кабель 1 зафиксирован в радиальном направлении в самой внутренней области его гнезда. Так, можно использовать известную трубку, которая расширяется, будучи накачанной, между кабелем 1 и клином 11. Трубку 14 заполняют, например, жидким эпоксидным компаундом, который затвердевает под давлением. Такая трубка использовалась ранее в обычных генераторах для прижима проводников, формирующих обмотку, в пазе в направлении наружу к основанию паза, то есть, для функции, которая в настоящем случае совершенно не нужна.

Третий вариант выполнения изобретения показан на фиг. 5. Здесь тангенциальное сжатие между зубцами статора достигнуто с помощью клиньев 11 за счет силы Р натяжения, приложенной к сердечнику 1 5 статора посредством внешних конструкций в виде стяжек, шнуров 16 или внешнего корпуса 17 статора. Статор, состоящий из сегментов, соединяют вместе при заключительной сборке так, что когда сила натяжения действует на внешнюю конструкцию, возникает противодействующая сжимающая сила в зубцах статора и клиньях в воздушном зазоре.

Как описано выше, на фиг. 3 и 4 распорки 11 имеют форму клина. Однако они могут также иметь параллельные грани, если тангенциальная жесткая связь достигнута в соответствии с фиг.

5.

Между распорками 11 и зубцами 10 статора могут быть выполнены клеевые соединения либо в качестве единственных фиксирующих средств, либо до фиксации посредством тангенциального сжатия.

На фиг. 6-9 иллюстрируется, как пазовые клинья, выполненные согласно изобретению, могут использоваться также для достижения сжимающего предварительного напряжения в сердечнике 15 статора. Нажимные пальцы 18 установлены с каждой стороны сердечника 15, прямо напротив зубцов 1 0 статора, действуя как передающее усилие устройство для преобразования силы натяжения в клиньях 11 в равномерно распределенную сжимающую силу в сердечнике 15 статора. Для достижения этого концы клиньев соединены вместе посредством поперечин 19, которые взаимодействуют с нажимными пальцами 18. В показанном варианте выполнения поперечины 1 9 соединены с клиньями 11 посредством штырей 20, способных скользить в поперечинах 19, которые нагружены снаружи пружиной 21 сжатия. Один конец нажимных пальцев 18 захвачен ниже поперечины 19, позволяя ему осуществить нагрузку поперечины и, таким образом, клиньев, в направлении наружу от пластинчатого сердечника 15. Другой конец нажимных пальцев 1 8 зажат между двумя устройствами 22 и 23, соединенными с корпусом 17 статора.

Как показано в правых частях фиг. 8 и 9, сила натяжения в клине 11 может быть преобразована в сжимающую силу в сердечнике 1 5 статора не посредством поперечин 19, а посредством гаек 24, взаимодействующих с винтовой резьбой 25 на концах клиньев 11. Сжимающая сила от гаек 24 передается в сердечник 1 5 статора через пластины 26, например, из слоистого стекловолокна.

Как показано на фиг. 6-9, пазовые клинья, используемые для установки зубцов статора в тангенциальном направлении, используются также как стяжки для достижения необходимого сжимающего усилия в сердечнике статора.

Изобретение применимо также к другим электрическим машинам, например к машинам с двойным возбуждением, устройствам для использования в каскадах асинхронного статического токового преобразователя, машинам с внешним полюсом и машинам с синхронным потоком, в частности, если их обмотки выполнены из изолированного электрического проводника, описанного выше и работающего предпочтительно в диапазоне напряжения 36800 кВ.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для повышения механической жесткости и собственной частоты колебаний статора во вращающейся электрической машине, в статоре которой имеются зубцы (10) между пазами (8), куда помещается обмотка, причем свободные концы указанных зубцов расположены в воздушном зазоре (7) между статором и ротором, при этом обмотка включает высоковольтный кабель (1), а в каждом промежутке между свободными концами соседних зубцов (10) статора установлена повышающая жесткость распорка (11) для фиксации указанных концов в тангенциальном направлении.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что распорка содержит клин (11).
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхности клина сходятся в наружном направлении к концам зубцов (10) статора, соединенным друг с другом, причем клин (11) установлен так, чтобы во время сборки подвергаться действию радиальной направленной наружу силы.
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхности клина расходятся в наружном направлении к концам зубцов (10) статора, соединенным друг с другом, а между клином (11) и кабелем (1 ) обмотки, ближайшим к пазу (8) и закрепленным в гнезде в пазу (8), установлены средства (1 4) расширения.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средства расширения содержат трубку (14), которая заполнена жидким компаундом, напри7 мер эпоксидной пластмассой, затвердевающим под давлением.
6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что между распорками (11) и зубцами (10) статора имеются клеевые соединения.
7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что во внешнем корпусе (17) статора имеется пружинная деталь (16) для тангенциального сжатия внешней части сердечника (15) статора и создания тангенциальной противодействующей силы в поверхностях распорок на свободных концах зубцов (10) статора.
8. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что распорки (11) вытянуты на всю длину статора и выполнены в виде стяжек, создающих предварительное напряжение в сердечнике (1 5) статора.
9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что между распорками (11 ) и внешней окружностью статора установлено передающее усилие устройство (18), которое преобразует силы натяжения в распорках (11 ) в сжимающую силу в сердечнике (1 5) статора.

I 0. Устройство по п.9, отличающееся тем, что концы распорок (11) соединены посредством поперечин (19), а передающее усилие устройство содержит нажимные пальцы (18), проходящие радиально с каждой стороны сердечника (15) статора прямо напротив зубцов (
10) статора, причем внутренние концы указанных пальцев проходят внутри поперечин (19), а внешние концы давят на сердечник (1 5) посредством прижимного устройства (22, 23) на корпусе (1 7) статора.

II . Устройство по п. 9, отличающееся тем, что на концах распорок (
11) имеется винтовая резьба (25) для соединения с гайкой (24) для передачи сжимающего усилия через пластину (26) к зубцам (1 0) статора.
12. Вращающаяся электрическая машина, имеющая устройство по одному из пп.1-11 для повышения собственной частоты колебаний статора.
1 3. Вращающаяся электрическая машина по п.12, отличающаяся тем, что обмотка включает, по меньшей мере, один токонесущий проводник (2), вокруг указанного проводника (2) имеется первый слой (3) с полупроводящими свойствами, вокруг указанного первого слоя (3) имеется твердый изолирующий слой (4), а вокруг указанного изолирующего слоя (4) имеется второй слой (5) с полупроводящими свойствами.
1 4. Вращающаяся электрическая машина по п.13, отличающаяся тем, что потенциал указанного первого слоя (3) по существу равен потенциалу проводника (2).
1 5. Вращающаяся электрическая машина по п.13 или 14, отличающаяся тем, что указанный второй слой (5) выполнен так, чтобы образовывать по существу эквипотенциальную поверхность, окружающую указанный проводник (2).
1 6. Вращающаяся электрическая машина по п.15, отличающаяся тем, что на указанный второй слой (5) подан заданный потенциал.
1 7. Вращающаяся электрическая машина по п.16, отличающаяся тем, что указанный заданный потенциал является потенциалом земли.
1 8. Вращающаяся электрическая машина по одному из пп. 13-17, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два соседних слоя имеют по существу равные коэффициенты теплового расширения.
1 9. Вращающаяся электрическая машина по одному из пп.13-18, отличающаяся тем, что токонесущий проводник (2) включает множество жил, лишь меньшая часть которых не изолированы друг от друга.
20. Вращающаяся электрическая машина по одному из пп. 13-19, отличающаяся тем, что каждый из указанных трех слоев неподвижно соединен с соседним слоем по существу по всей поверхности соединения.
21 . Вращающаяся электрическая машина по одному из п.п. 13-20, отличающаяся тем, что указанный кабель (1) содержит также металлический экран и оболочку.