SU1764120A1 - Токоподвод обмотки ротора электрической машины - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : токоподвод содержит центральный токоподвод (1) и радиальный токоподвод (4). соединенный внутренним концом с центральным токо- подводом, а наружным концом с обмоткой ротора. На внутреннем конце радиального токоподвода выполнено кольцевое утолщение (8) с опорной поверхностью (9). Радиальный токоподвод закреплен гайкой (13), ввинченной в резьбовое отверстие опорного элемента (11), размещенного в выборке

Description

Изобретение относится к крупному электромашиностроению и может быть использовано в конструкции токоподводов обмотки ротора крупной электрической машины, в частности, турбогенератора. 5

В крупных электрических машинах, в частности турбогенераторах для электрического соединения обмотки ротора, размещенной на бочке, с контактными кольцами, вынесенными за подшипник, или с вращающейся бесщеточной системой возбуждения применяются токоподводы, размещаемые в хвостовине вала.

Надежная конструкция токоподводов, обеспечивающая механическую прочность и стабильный электрический контакт, должна противостоять значительным центробежным силам, действующим при вращении ротора, переменным изгибным деформациям хвостовины вала, вызываю- 20 щим соответствующие переменные деформации деталей токоподвода, деформациям от теплового расширения. Кроме того, конструкция токоподводов должна предусматривать минимальное ослабление хвостовины вала, в которой она размещена, исключение опасных концентраторов механических напряжений в хвостовине. Токоподвод любой конструкции содержит аксиальную часть (вдоль оси ротрра) и радиальную часть для вывода токопроводящей цепи за поверхность хвостовины и подсоединены к обмотке ротора. Токоведущие элементы выполняются из меди или медных сплавов, характеризующихся высокой электропроводностью, но низкой механической прочностью. Большие центробежные силы, возникающие при вращении ротора, а также низкая механическая прочность материала токоведущих элементов обуславливает необходимость закрепления аксиальной и радиальной частей токоподвода специальными элементами крепления, удерживающими центробежные силы и обеспечивающими плотность и надежность соединений токоведущих элементов.

Известна широко распространенная конструкция токоподводов ротора, в которой аксиальная и радиальная части содержат по два участка каждая: аксиальная часть имеет стержень токоподвода, расположенный в центральном отверстии вала ротора, и шину токоподвода, расположенную в пазу на поверхности вала ротора. Стержень токоподвода и шина соединяются токоведущими болтами (одним или несколькими), расположенными в радиальном отверстии в валу и представляющими собой первый участок радиальной части токоподвода. Вто терно для крупных электрических машин с тяжелыми длинными роторами. Применение различных антифреттинговых мероприятий (подбор материала клиньев, установка прокладок, нанесение покрытий на поверхности контакта вала с клином) недостаточно эффективно в крупных электрических машинах, в частности мощных турбогенераторах, вследствие высокого уровня переменных напряжений изгиба в валу и больших циклических относительных смещений концов клиньев. Таким образом, необходимость обеспечения усталостной прочности вала ротора определяет для крупных ЭМ отказ от конструкции токоподвода, содержащей клинья для крепления шины. Другим недостатком описанной конструкции является то, что расположение шины в пазу у поверхности хвостовины обуславливает высокий (для меди) уровень переменных напряжений в шине и создает опасность ее усталостного повреждения, что неоднократно наблюдалось на практике.

Известны конструкции токоподводов ротора, в которых клинья и продольные пазы на поверхности хвостовины вала не применяются. Например, если аксиальные участки (центральные токоподводы) размещены в центральном отверстии хвостовины вала, а радиальные участки (токоведущие болты) располагаются в радиальных отверстиях хвостовины у торца бочки ротора и соединены внутренними концами с центральными токоподводами, а наружными концами - с обмоткой ротора. На верхнем участке радиальных отверстий хвостовины выполнена резьба, куда ввинчиваются гайки, удерживающие (через изоляционные шайбы) токоведущие болты от действия центробежных сил. Основным недостатком ука занных конструкций является наличие резьбового крепления токоведущих болтов вблизи поверхности хвостовины вала. Резьба является разновидностью клинового соединения. При вращении ротора и циклическом изгибе хвостовины резьбовые отверстия подвергаются переменным деформациям, сопровождающимся циклическими смещениями витков резьбы относительно витков гаек по поверхности контакта. Это приводит к.износу и ослаблению резьбы, а сопутствующая фреттингкоррозии может явиться причиной развития поперечных усталостных трещин в хвостовине вала.

В некоторых конструкциях Г-образные токоподводы располагаются в центральном отверстии хвостовины вала. Радиальные участки токоподводов проходят через радиальные отверстия наружу и соединяются с обмоткой ротора. Для возможности сборки токоподводов длина радиального участка меньше диаметра центрального отверстия, но больше радиальной толщины хвостовины вала. В данной конструкции отсутствуют клинья и гайки, крепящие токоподводы, аксиальная часть токоподводов располагается вблизи оси хвостовины, что существенно снижает уровень переменных изгибных напряжений в меди, однако при этомнеизбежно увеличивается длина радиального участка и возрастают до опасного уровня механические напряжения в меди в районе изгиба токопроводов, обусловленные действием центробежной силы. Кроме того, изза увеличенного диаметра центрального отверстия, снижается изгибная прочность хвостовины вала. .

Наиболее близким к изобретению является радиальный токоподвод, размещенный в радиальном отверстии хвостовины и изолированный от вала, закреплен внутренним резьбовым концом в резьбовом отверстии аксиального токоподвода. При этом исключаются механические крепежные элементы, соединяющие радиальный токоподвод с валом и вызывающие повреждение хвостовины. Недостаток данной конструкции заключается в недостаточной прочности резьбового соединения радиального и аксиального токоподводов, изготавливаемых из материалов с низкими прочностными свойствами. Это препятствует ее применению в мощных турбогенераторах с роторами большого диаметра и высокими скоростями вращения.

Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности ротора электрической машины путем устранения возможности фреттинг-коррозии и повреж дений вала, повышения прочности крепления радиальных частей токоподводов.

Это достигается тем, что в токоподводе обмотки ротора электрической машины, содержащем аксиально направленный центральный токоподвод, размещенный в центральном отверстии хвостовины вала, и радиальный токоподвод, размещенный в радиальном отверстии хвостовины вала у торЦа бочки ротора, электрически соединенный внутренним концом с центральным токоподводом, а наружным концом с обмоткой ротора и закрепленный механически, радиальный токоподвод на внутреннем конце, соединенном с центральным токоподводом, выполнен с кольцевым утолщением и обращенной наружу опорной поверхностью и закреплен гайкой, выполненной из более прочного, чем медь материала и ввинченной в резьбовое отверстие опорного элемента, также выполненного из более прочного, чем медь, материала, размещённого в выборке, выполненной в месте соединения центрального и радиального отверстий хвостовины, и изолированного отвала. В одном из вариантов упомянутые выборки и опорный элемент имеют цилиндрическую форму. В другом варианте выборка и опорный ^элемент выполнены сегментными. Новизна данного технического решения состоит в новой совокупности признаков: наличие высокопрочных элементов с резьбовыми отверстиями, размещенных в центральном отверстии хвостовины вала и опирающихся через изоляционный слой на поверхность упомянутого отверстия; гаек из высокопрочного материала; кольцевых утолщений на внутренних концах радиальных токоподводов с опорными поверхностями для удержания гайки.

На фиг. 1 показано крепление радиального токоподвода при помощи опорного элемента цилиндрической формы; на фиг. 2, 3 - крепление радиального токоподвода при помощи сегментного опорного элемента (продольный и поперечный разрезы).

Центральный токоподвод 1 обмотки ротора, состоящий из двух изолированных половин, располагается в центральном отверстии 2 хвостовины 3 вала (см. фиг. 1). С каждой из половин Центрального токоподвода 1 соединен электрически, например, при помощи резьбы радиальный токоподвод 4, расположенный в радиальном отверстии 5 хвостовины 3 вблизи торца 6 бочки ротора. Наружный конец радиального токоподвода 4 соединен с контактной шиной 7 обмотки ротора. Внутренний конец радиального токоподвода 4 имеет кольцевое утолщение 8 с опорной поверхностью 9, об ' 8 ращенной наружу, на внутренней поверхности центрального отверстия 2 выполнены цилиндрические выборки 10, соосные с радиальными отверстиями 5. В выборке 10 размещен изолированный от хвостовины 3 5 опорный элемент 11 цилиндрической формы, выполненный из более прочного, чем радиальный токоподвод 4, материала, с резьбовым отверстием 12, в которое ввёрнута гайка 13 из не менее прочного материала, 10 чем опорный элемент 11. Внутренним торцом гайка 13 опирается на опорйуЮ поверхность 9 кольцевого утолщения 8 радиального токоподвода 4. На фиг. 2, 3 показан другой вариант крепления радиаль-. 15 ного токоподвода 4 (продольный й поперечный разрезы). На концах половин центрального токоподвода 1 выполнены сегментные выборки, в которые установлены такие же по размерам сегментные опор- 20 ные элементы 14 из более прочного, чем радиальные токоподводы 4, материала, например, из стали или титанового сплава. Элементы 14 имеют резьбовые отверстия, соосные с радиальными отверстиями 5 хвосто- 25 вины 3 вала, в которые ввинчены гайки 13. опирающиеся своими внутренними Торцами на опорную поверхность 9 кольцевого утолщения 8 радиального токоподвода 4.

Вариант крепления радиальных токопод- 30 водбв с помощью опорных элементов цилиндрической формы (см. фиг. 1) предпочтительнее использовать в роторах большого диаметра и, соответственно, с достаточной толщиной хвостовины для вы- 35 полнения цилиндрических выборок на поверхности центрального отверстия. Вариант крепления радиальных токоподводов С помощью сегментных опорных элементов предпочтительней для роторов с 40 малым диаметров хвостовины. Во время работы электрической машины центробежная сила радиального токоподвода через опорную поверхность кольцевого утолщения воспринимается гайкой и опорным элемен- 45 том. Высокая прочность материала гайки и опорного элемента обеспечивает значительные запасы прочности узла крепления и высокую механическую надежность. Отсутствие резьбовых соединений с валом, опирание опорных элементов на поверхность центрального отверстия хвостовины через изоляцию, имеющую высокую податливость по сравнению с металлами, расположение узла крепления радиальных токоподводов вблизи оси хвостовины, где переменные изгибные деформации и напряжения пренебрежимо малы, исключает фреттинг-коррозию й возможность развития усталостных трещин в хвостовине вала, устраняет переменные механические напряжения в деталях крепления радиальных токоподводов. Предложенная конструкция проста, технологична,легко собирается и контролируется в процессе сборки и профилактических осмотров. По сравнению с прототипом предложенная конструкция отличается повышенной надежностью, применима в роторах большого диаметра и значительной длины, в машинах с повышенными частотами вращения.

Claims (3)

1. Формула изобретения

   1. Токоподвод обмотки ротора электрической машины, содержащий аксиально направленный центральный токоподвод, размещенный в центральном отверстии хвостовине вала, и радиальный токоподвод, размещенный в радиальном отверстии хвостовины вала у торца бочки ротора, электрически соединенный внутренним концом с центральным токоподводом,' а наружным концом - с обмоткой ротора и закрепленный механически, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, радиальный токоподвод на внутреннем конце, соединенном с центральным токоподводом, выполнен с кольцевым утолщением и обращенной наружу опорной поверхностью, и закреплен гайкой, выполненной из более прочного, чем медь, материала и ввинченной в резьбовое отверстие опорного элемента, также выполненного из более прочного, чем медь, материала, размещенного в выборке, выполненной в месте соединения центрального и радиального Отверстий хвостовины, и изолированного от вала.
2. 2* Токоподвод по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что упомянутые выборка и опорный элемент имеют цилинрическую форму.
3. 3. Токоподвод по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что выборка и опорный элемент выполнены сегментными.

   Фиг.2

   Фиг.З