SE444373B - Rotor for en elektrisk maskin - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 son5291-3 _2_ jämn stålcylinder och fasthållen med hjälp av bandage el- _ler ringar av stål, titan eller kolfiberförstärkt plast. _ Föreliggande uppfinning ansluter till dessa för närmast ett årtionde sedan:fiamlmfim idéer för att ökat det magnetiskt verksamma tvärsnittet i rotorn. Uppfin-\ ningen har till syfte att åstadkomma en rotor av inled- .ningsvis angivet slag, vilken i jämförelse med konventionel- la rotorer med samma diameter kan leda ett väsentligt hög- re magnetiskt flöde, utan att principiellt ny tillverknings- teknologi eller nya material behöver användas och utan att maskinens'driftssäkerhet'påverkas.

I Detta syfte uppnås enligt uppfinningen vid en rotor av inledningsvis angivet slag genom kännetecken enligt åtföljande patentkrav l.

I Vid rotorn enligt uppfinningen är spårkilar och motsvarande utförda tandhuvuden obehövliga. Rotorlind- ningen\ligger närmare luftgapet; Därigenom ökas det magne-A tiskt verksamma rotortvärsnittet upp till 30%} I aktivdelen har denna rotor att upptaga endast de påkänningar som upp- kommer genom dess egen centrifugalkraft. Centrifugalkrafter från lindningen behöver ej mer upptagas av rotorn. De me- kaniska egenskaperna av det använda stålet kan därför träda i bakgrunden i förhållande till dess magnetiska egenskaper.

Vid en rotor enligt uppfinningen, där tän- dernas bärande funktion bortfaller, är det möjligt att mel- lan respektive polzoner fräsa endast ett brett spår och läg- ga in hela lindningen i detta. I en föredragen utförings- form av uppfinningen är emellertid separata spår anordnade med vardena två bredvid varandra och två över varandra 'belägna ledare vid tvåpoliga maskiner, respektive två bred- vid varandra och tre över varandra belägna ledare vid fyr- poliga maskiner. På detta sätt blir isoleringen av ledarna mindre belastad vid extrema driftsförhållanden (vridmoment- stötar vid kortslutning och dylikt). Vidare anligger ringar- na jämnare utmed sin omkrets. ' Å ' dTotalt är bortfallet av djupa spår i rotorn mycket fördelaktigt även i annat avseende: axeldiametern på drivsidan kan ökas i samma utsträckning som rotorns kärn-' diameter. Därigenom kan ungefär dubbla vridmomentet över- 10 15 20 25 30 35 soo5291-3 föras från arbetsmaskinen till generatorn vid lika vridpå- känning på axeln. _ Enligt ovan angivet kännetecken av uppfin- ningen är den axiella längden av ringarna mindre än halva ytterdiámetern av rotorn. Därvid ligger förhållandet mel- lan den axiella längden l av ringarna och poldelningen TP = wd/2p (där d,är rotorns ytterdiameter och p antalet polpar) mellan värdena 0,05 och 0,25. Vid tvåpoliga ro- torer och rotordiametrar av 1250 mm är sålunda längden av ringarna 100 - 500 mm. Denna axiella längd av ringarna utgör en kompromiss mellan två motstridiga krav: dels mås- te man eftersträva att inskränka antalet ringar till ett rimligt värde, då varje ring måste säkras i akiell och tangentiell riktning; och dels har "långa" ringar ett vä- sentligt inflytande pâ maskinens elektriska/magnetiska egenskaper. Rotorns ytförluster, som består av elektriska förluster genom övertoner, pulsationer, inversfält och me- kaniska förluster genom friktion i luftgapet, berör huvud- sakligen ringarna. Genom ökning av antalet ringar med åt- följande förkortning av dessa är det möjligt att förlägga uppkomsten av de elektriska förlusterna (framför allt inversfältförluster och delvis övertonsförluster) till den under ringarna belägna dämplindningen, vilken i avseende på material (vanligen koppar) och kylning (genom den när- liggande kylda rotorlindningen eller genom direkt kylning av dämplindningen) är bättre lämpad att klara av hithöran- de problem. Med minskande längd av ringarna ökas likale- des (på önskat sätt) den subtransienta reaktansen medan andelen kortslutningsmoment på ringarna minskas.

Ringarna uppbär endast den axiellt utsträck- ta delen av lindningen men ej härvändarna, vilket däremot rotorns ändkåpor även gör. De kan därför utföras med vä-. sentligt mindre väggtjocklek än dessa ändkåpor vid lika mekanisk påkänning. Medan den radiella tjockleken av ro- torns ändkåpor vid dagens rotorer uppgår till omkring 120 mm, är en tjocklek av omkring 60 mm tillräcklig för ringarna då lika material användes. 10 15 m 25 30 80Û5291~3 I en föredragen utföringsform av uppfin- ningen är varje ring axiellt och tangentiellt säkrad _ i polzonerna. Den axiella säkringen sker genom att minst ._ ett näsformat utsprång är anordnat.på den inre ytan av varje ring i endera eller båda ändzonerna av ringen, och att rotorkroppen i polzonerna har motsvarande urtag i tänderna som öppnar sig åtminstone mot ett dämplindnings- spår. För tangentiell säkring av ringarna är enkla eller flerdelade låsstycken inskjutna i de urtagen närliggande Idämplinflninqsspånmh vilka antingen utgör delar av dämp- lindningen eller utgör särskilda konstruktionsdelar.

Sistnämnda åtgärd har praktiskt ingen inverkan på ro- torns elektriska egenskaper, då endast en del av dämp- lindningen i polzonerna fråntages sin egentliga uppgift.

De tvärgående slitsarna i rotorkroppen är anordnade i polzonerna vinkelrätt mot rotoraxeln för ut- _jämning av tröghetsmomenten i rotorkroppens pol- och neutralaxel. Slitsarna sträcker sig över hela bredden av polzonerna med ett djup_tillnärmelsevis svarande mot dju- pet av spåren för rotorlindningen. Slitsarnas bredd upp- går till mellan 5 och 10 mm. De är jämnt fördelade över rotorns hela aktiva längd. Genom ringarnas placering mittför spalterna mellan två närliggande ringar motver- kas en eljest möjlig relativ rörelse mellan ringarna och rotorns yta under drift.

' Varje ring är på mitten försedd med ett balanseringsspår. Detta spår har hammarhuvud- eller lax- stjärtformat tvärsnitt. I dessa spår kan företrädesvis tvådelade, klämbara balansvikter insättas. Spårdjupet uppgår därvid företrädesvis till 2/3 av ringtjockleken. § Dessa spår har vidare till syfte att uppdela ringarna i ä elektriskt respektive magnetiskt avseende: ringar med ett dylikt spår arbetar i elektriskt/magnetiskt avseen-ß de som två separata ringar. Därigenom minskas totalt de 10 15 20 25 30 35 40 -5 ä 8005291-3 telektriska förlusterna per ring, medan den subtransien~ ta reaktansen för (hela) rotorn ökas på önskat sätt på m grund av den ytterligare uppdelningen.

Uppfinningen beskrives nedan i form av utföringsexempel och i anslutning till åtföljande rit- ningar.

Fig. 1 visar schematiskt en konventio- nell rotor och en rotor enligt uppfinningen, i deltvär- snitt. V ' \ Fig. 2 visar ett tvärsnitt genom ett spår i en konventionell rotor (fig. Za) och i en rotor enligt uppfinningen (fig. 2b). _ Fig. 3 visar ett radialsnitt genom rotorn till en tvåpolig turbogenerator med magnetiseringslind- ning i två skikt och dämplindning. r Fig. 4 visar ett längdsnitt genom en ro- tor enligt fig. 3 utmed linjen A-A. I Fig. 5 visar ett ytterligare längdsnitt genom en rotor enligt fig. 3 utmed linjen B-B, i stör- re-skala.

Fig. 6 visar ett radialsnitt genom en rotor enligt fig. 5 utmed linjen C-C.

Fig. 7 visar ett snitt genom ett balan- seringsspår med en däri inspänd balansvikt.

A V Vid en konventionell rotor såsom visad på den vänstra hälften av fig. 1, är axiellt förlöpan- de spår 2 infrästa i rotorkroppen 1 för upptagning av en magnetiseringslindning. Såsom framgår av fig. 2a be- står denna av över varandra liggande och mot varandra isolerade ledare 3. Dessa ledare 3 har vardera en cent- ral borrning 4, genom vilken ett kylmedel, såsom vatten, kan ledas. över ledarna 3 ligger en dämplindningsledare 5. Spåret är tillslutet genom en spårkil 6 som stöder mot rotorns tandhuvuden 7. Spårkilen 7 i förbindelse med de motsvarande utformade yttre ändarna av rotor- tänderna 7' säkrar magnetiserings- och dämplindningen' mot påvarkan av centrifugalkrafter, medan stöd i peri- feririktningen åstadkommes genom tandflankerna. I pol- zonen P är likaledes spår 8 anordnade för upptagning av den jämnt över rotorns omkrets fördelade dämplind- 10 15 20 25 .30 35 40 80052-91-3 - - 6 -A ningen 5, vars tandhuvuden 9 är utformade på liknande sätt som rotortänderna 7'.' ö “ vid rotorn enligt uppfinningen såsom schematiskt visad på den högra hälften av fig. T res- pektive på fig, 3, sträcker sig spåren 2' för upptag- ning av magnetiserings- och dämplindningen likaledes ' axiellt. Spår- respektive tandflankerna är helt plana.

Detsamma gäller för de i polzonen P anordnade spåren 8' för dämplindningen respektive tänderna 9'. Magne- tiserings- och dämplindningsspåren har väsentligt mindre djup än vid en konventionell rotor. Vid spå- ren 8"för dämplindningen är spårdjupet minskat åt- minstone svarande mot tjockleken av en spårkil. Vid spåren 2' för magnetiseringslindningen är återigen spårdjupet minskat med tjockleken av en kil och två ledare (i det visade utförandet av en tvåpolig rotor).

Det ligger givetvis inom uppfinningens ram att avpas- sa spårbredd och djup så, att fyra lindningsledare och ~en dämplindningsledare vid en tvåpolig maskin liggerå över varandra i ett spår, eller att (fortfarande vid tvåpoliga maskiner) a1la.fyra lindningsledarna ligger bredvid varandra i ett spår. Den på fig. 1 (vänstra hälften) respektive fig. 21:. een fig. 3 visade 'anord- ningen representerar emellertid ett optimum mellan idëellt lindningsarrangemang och behärskning av de på ledarna verkande tangentialkrafterna.

Magnetiseringslindningen och dämplind- ningen är säkrade mot under drift uppträdande centri- fugalkrafter genom påkrympta ringar 10 av omagnetiskt stål, av sådant slag som exempelvis även användes för rotorkåporna. Ringarnas tjocklek dlo vid en 800 MVA maskin utgör omkring 60 mm. Dessa ringar ligger i luft- gapet L, såsom framgår av fig. 2b, där maskinens till- hörande stator symboliseras av statortänderna 11. Vid en jämförelse av magnetiserings- och dämplindningens läge på fig. 2a och 2b framgår tydligt, att uppfin- ningen vid lika effektivt luftgap L gör det möjligt att komma väsentligt närmare det idéella arrangemang- et av lindningen än vad fallet är vid konventionella rotorer. 1 10 '15 20 25 30 35 '40 - 7- _ 80052914» Såsom framgår av längdsnittet enligt fig. 4 är ett antal relativt rotordiametern d smala ringar 10 krympta på rotorkroppen 1. Ringarna stöder mot ro-_ " tortänderna 7' respektive.tänderna 9' för dämplindning- en. Det är därvid av underordnad betydelse i vad mån de i spåren 2' respektive 8' belägna lindningarna är sam- -manpressade, då dessa lindningar under påverkan av centrifugalkraft anligger mot ringarnas insida. Mellan_ respektive krympringar finnes en liten spalt 12 i stor- leksordningen ett par millimeter, för att tillåta even- tuell vandring av ringarna. Varje ring är i mitten för- sedd med ett balanseringsspår 13 utmed sin omkrets. Spå- ret har hammarhuvud- eller laxstjärtformat tvärsnitt. I dessa spår kan vid behov insättas tvådelade balansvikter 14a) 14b såsom visat på fig. 7. En av delarna har en gängborrning och den andra en genomgående borrning och inspännes medelst en gängbult 15 i balanseringsspåret 13. Gängbulten är i närheten av sin ena ände försedd med en sexkantansatskrage 16. Genom att gängbulten 15 lossas och inskruvas i delen 14a kan delen 14b förskjutas i spårets 13 perifeririktning, varpå även delen 14a kan avlägsnas. För elektrisk isolering av delarna 14a, 14b inbördes är en isolerbricka 20 insatt mellan ansatskra- gen 16 och delen 14b. Den i borrningen i delen 14b in- skjutande änden av gängbulten 15 uppbär en isolerhylsa 21. I Förutom krympförbandet är ytterligare an- ordningar vidtagna för att säkra ringarna i axiell och tangentiell riktning. I detta syfte är varje ring 10 på sin insida försedd med näsformade utsprång 16 (fig. 5, fig. 6). Bredden av utsprângen i perifeririktningen motsvarar ungefär bredden av tänderna 9"för dämplind- ningen. Deras inbördes avstånd uppgår till en heltals- multipel av spårdelningen. I tänderna 9' för dämplind- ningen är på motsvarande ställen anordnade urtag 17 som sträcker sig i perifeririktningen och i vilken de näsformade utsprången 16 på ringarna 10 ingriper.

Vid montering förvärmes ringarna 10 exem- I pelvis induktivt till en temperatur av tillnärmelsevis 250°C och skjutes på den lindade rotorn på så sätt atti- 10 15 20 80952914, ~ 8 - ade näsformade ntsprången 16 kommer att ligga i fria spår 8* när ringarna är på sin avsedda plats vrides de ett belopp svarande mot bredden av en tand för dämplindningen. För tangentiell säkring av ringarna 10 inskjutes därefter låsstycken 18 i de fria spåren) ' 8*. Låsstyckena kan vara axiellt uppdelade, men det- ta är ej nödvändigt. Genom lämplig utformning av lås- ställena, exempelvis genom överlappningsställen i ro- torns ändar (ej visat) och användning av elektriskt ledande-material (koppar) bildar låsstyckena även vid uppdelning en del av dämplindningen; För utjämning av tröghetsmoment i rotorns pol- och neutralaxel är tvär- gående slitsar 19 upptagna i rotorkroppen 1 vinkelrätt mot rotoraxeln (fig. 5). Slitsarna sträcker sig över hela bredden av polzonen P ooh är ungefär lika djupa som spåren 2' för magnetiseringslindningen. Deras bredd utgör mellan 5 och 10 mm. Slitsarna är jämnt för- delade över hela längden av rotorns aktivdel och ligger mitt för spalterna 12 mellan två närliggande ringar 10.

Claims (5)

1. Do- 15 20 25 30' 8005291 -3 PATENTKRAV 1f Rotor för en elektrisk maskin, särskilt turbogenerator, med i spår på rotorkroppen upptagen rotorlindning vilken genom ett antal i följd bredvid och på avstånd från varand- ra belägna, på rotorkroppen krympta ringar av omagnetiskt material är säkrad mot under drift uppträdande krafter, k ä n n e t e c k n a d_ av att den axiella längden av ringarna (10) är mindre än hälften av rotorkroppens (1) ytterdiameter (d) varvid förhållandet mellan den axiella längden av ringarna och poldelningen (ïjp) ligger mellan värdena 0,05 och 0,25, och-att tvärgående slitsar (19) är upptagna i rotorkroppen (1) mittför spalterna (12) _ mellan två närliggande ringar (10) vilka slitsar sträcker _ sig över polzonerna (P) vinkelrätt mot rotoraxeln till ett djup svarande mot djupet av spåren för rotorlindningen (3).

2. Rotor enligt krav 1, k ä n n e t e c'k n a d av att ringarna (10) är axiellt och tangentiellt säkrade i polzonerna (P),

3. Rotor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d 'av att näsformade diametralt mittför varandra belägna utsprång (16) är anordnade i endera eller båda ändzonerna av ringar- na (10) på deras inre yta, och att rotorkroppen (1) i pol- zonerna (P) har motsvarande urtag (17) som öppnar sig åt- minstone mot ett spår (8'), varvid enkla eller flerdelade låsstycken (18) är inskjutna i åtminstone ett spår (8*) vid urtagen,(17)¿

4. Rotor enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att låsstyckena (18) utgör en del av dämplindningen (5).

5. Rotor enligt ett eller flera av kraven 1-4, 10 15 8005291-3 w k ä n n e t e c k n a d av att ringarna (10) är för- sedda med minst ett företrädesvis mitt på ringen anord- nat sammanhängande balanseringsspår (13) vars djup maximalt uppgår till två tredjedelar av ringtjockleken V (d10). 6¿ Rotor enligt krav 5, ,k ä nin e t e c k n a d av -att tvâdelade, företrädesvis från varandra isolerade balansvikter (14a, 14b) är anordnade att insättas i balanseringsspår (13). _ _7, 'Rotor enligt ett eller flera av kraven 1-6, k ä n n_e t e c k n a d av att ledarna (3) i ett spår (2') för en magnetiseringslindning vid en tvåpolig rotor är anordnade bredvid varandra och i två skikt över var- andra, och vid en fyrpolig rotor i tre skikt över varandra.