CN1217833A - 电机用转子绕组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电机的、尤其是用于一用空气冷却的汽轮发电机的转子绕组,它具有一旋转轴(1)和多个导电绕组(2),该导电绕组(2)相对于该旋转轴(1)沿径向叠合在一起并组成多个轴向段(4)和切向段(5)。每一轴向段(4)约成直线形且约平行于旋转轴(1)排列并具有第一冷却通道(8),该冷却通道(8)相对于旋转轴线(1)子午线地排列并贯穿所有绕组(2)。每一切向段(5)绕旋转轴(1)弯曲,与两轴向段(4)相互联接并且具有从属的第二冷却通道(9),它们每一个位于各自绕组(2)的内部。可能的话在轴向段(4)上设置有第三冷却通道(15),它们中的每一个均沿子午线成回形铺设。

Description

电机用转子绕组
本发明涉及一种电机用的转子绕组，它具有一旋转轴线和多个电导绕组，这些绕组相对于旋协轴被径向叠装在一起且组成多个轴向段和多个工向段，其中每一轴向段均差不多成直线形且大约平行于旋转轴排列同时还具有从属的第一冷却通道，这些第一冷却通道相对于旋转轴排列在子午面上并横穿过所有绕组，其中，每一切向段绕旋转轴弯曲、将两轴向段相互连接且具有从属的第二冷却通道。
这样一种转子绕组以前已出现在专利文献EP0160887B1、DE3700508C2、DE-AS1011048以及1966年3月10日“Electrical Times”(电气时代)杂志第354页上登载的文章中。
这里所说的相对于一根轴线的“子午线的”方向是指在包括该轴线的一平面内的一个方向。当一个方向可由一与轴线成径向的分量和一平行于该轴线的分量来合成时，该方向则被称为子午线的。这一对“子午线的”概念的应用广泛对应于在水力机械和测地学领域中对该概念的应用。
有关对转子绕组、尤其是对用于汽轮发电机类型的发电机的转子绕组的结构、制造和使用方面的启示先前来自D.Lambrecht的文章”汽轮发电机用转子绕组”(Laeuferwicklungen fuer Turbogeneratoren)，包含在由H.Sequenz编辑的书“电机绕组的制造”(“Herstellung der Wicklungen elektrischerMaschinen”),Springer出版社，1973年维也纳和纽约，第169-199页。具有参考意义的还有专利文献DE-OS1613196,DE-AS1036370,EP0166990A1以及EP0250980A1。DE-AS1146186涉及一种对转子绕组的导线进行直接冷却的一种汽轮发电机。一切向段与一轴向段成直角联接。切向段被间接冷却，而轴向段被设计成空心导体，导体内有冷却液流过。
本文开始所提及的专利文献EP0160887B1描述了一种转子绕组，其轴向段部分地位于一转子锻件内部亦即在转子锻件内所提供的槽内部，且部分地位于转子锻件外部。在该转子锻件两轴向端上，各轴向段伸出于转子锻件之外的部分与切向段一起组成所谓的绕组端部，在其中一切向段与两轴向段相互联接且它们被设置在一分别延着旋转轴伸出于转子锻件之外的轴的外部。整个转子绕组用冷却气体、尤其是空气或氢气来进行冷却。特别有利的是对转子绕组的绕组端部的冷却，且在进行该冷却时，冷却气体被导引通过回形冷却通道，这些冷却通道由绕组端部本身和填充块所组成，该填充块紧贴绕组端部且在其中配置有相应的槽。一种这样的转子绕组在实际应用中被证明是特别有效的且特别能从一种较以前技术水准各可能性高得多的效率来驱动具有相应装备好的转子绕组的汽轮发电机。在使用这样一种转子绕组的条件下，则可来在相应的设计功率为300MVA的条件下实现一种空气冷却的汽轮发电机。如采用氢气作冷却气体，则由于氢气的更好的冷却性能，可获得更高的功率。
在1966年3月10日出版的“电气时代”(“Electrical Times”)第354页上的文章中，描述了一种带绕组的电机的转子。每一绕组均被导入在轴向段中的转子的一槽中，该轴向段在槽之外被转过90°且转入一切向段中。该切向段以及轴向段的至少深入槽中的一部分被配置成空心导体结构且由此直接由流经绕组的冷却流体所冷却。在轴向段的位于槽中的另一部分中，它是由沿径向流通经过彼此叠在一起的绕组中的冷却流体来进行冷却的。
本发明的目的在于：对本文开始所述的一种转子绕组在提高其有利的工作性能的同时对其结构进行简化，以便最好在提高其功率的同时降低其制造费用。
为实现这一目的提供有一种电机用的转子绕组，它具有一旋转轴和多个电导性绕组，这些电导性绕组相对于旋转轴线径向叠合且组成多个轴向段和多个切向段，其中每一轴向段差不多成直线形且差不多平行于旋转轴排列且具有从属的第一冷却通道，该第一冷却通道相对于旋转轴成子午线排列且横穿过所有的绕组，且其中每一切向段绕旋转轴线弯曲、与两轴向段相互联接且具有从属的第二冷却通道，其中该第二冷却通道各自伸展在一绕组的内部。第二冷却通道从流体技术上做成与相对应的轴向段脱开联系。
因此，对切向段的冷却通过位于组成切向段的绕组内部的冷却通道来进行。对轴向段的冷却则基本上由子午线的、尤其是径向排列的冷却通道来进行，其中这种冷却可能仅仅提供给位于转子锻件内部的那些轴向段的部件且与一另外用于位于转子锻件之外绕组端部之中的轴向段部件的冷却相联系。
轴向段优选地部分位于转子锻件的槽中且部分地位于转子锻件外部，且切向段全部位于转子锻件外部。由此，切向段与位于转子锻件外部的轴向段部分组成绕组端部，其中在转子锻件的每一轴向端上有一绕组端部。因此优选的是：每一第一冷却通道位于每一槽的内部，特别是位于转子锻件内部。在这方面进一步优选的是：在每一与轴向段相联接的切向段和转子锻件之间至少分配有一根约子午线排列的回形的第三冷却通道给每一轴向段，该第三冷却通道位于轴向段之外。进一步优选的是在转子绕组中组成第三冷却通道，该转子绕组具有多个相对于旋转轴切向相互并列配置的轴向段，其中提供有配置在轴向段之间的带相应槽的电绝缘填充块，且每一这样的槽与一与之紧靠的轴向段组成一第三冷却通道。
在前面最后所述的且是优选的配置形式中因此总共具有三种冷却系统，包括：用于转子锻件内部轴向段的第一冷却通道；用于绕组端部中切向段的第二冷却通道；以及绕组端部中轴向段的冷却通道。这种配置形式为实际设计提供了极大的灵活性，它特别有助于实现温度在整个转子绕组上最大可能均匀分布的目的。
在一同样优选的另外的配置形式中，转子锻件具有两轴向端，从每一端部伸出有一及至每一切向段的轴，其中在每一轴向端上，每一切向段被配置在每一伸至转子锻件的且与各自的轴具有一距离的绝缘圆筒上。因此转子绕组的绕组端部各自被配置在一相应的绝缘圆筒上。在每一绝缘圆筒和各自的轴之间优选地保留一中间区，该中间区特别被用于所用冷却介质的进和出。在这方面每一切向段优选地具有一中部和两端部，其中该切向段在每一端部与一轴向段相联，且其中每一第二冷却通道朝一端部和中部开口，且每一绝缘圆筒在切向段的每一端部和每一中部均具有一从属的孔，该孔通向一由位于绝缘圆筒和轴之间的径向墙组成的进入通道或排出通道。绝缘圆筒并不一定要由整体部件所构成，它也可以由单件的、并非一定要直接相互联结起来的构件所组成。绝缘圆筒主要用于在绕组端部之下提供冷却气体的进入和/或排出通道并封堵冷却气体不应有的流入和流出。为此也可考虑采用替代的配置形式，特别是采取T形的绝缘件和类似部件。
在这一配置形式的范围内，可以实现一种对每一绕组端部的所谓的四气流冷却，且尤其是在当在绕组端部中的轴向段以所述方式配备有子午线的回形的第三冷却通道的情况下更是如此。由此，冷却剂的输入则是在切向段的两端部上进行，在那里切向段与轴向段相联接，这样一第一冷却剂流从每一端部经过第二冷却通道流至切向段的中部且一第二冷却剂流经第三冷却通道朝转子锻件的方向流动，该冷却剂流在那里以公知的方式被排出。在每一绕组端部中因此有通向每一切向段以及与之相联的轴向段部分的四束相应的冷却剂流，名称“四气流冷却”也是由此而来。
切向段与轴向段间的联接优选如下进行：每一切向段具有两个端部，在每一端部切向段均与一相应的轴向段的一端相联接，特别是经硬焊接相联。为此轴向段可独立于切向段被加工且在此之后再与切向段相联接，其中有待建立的联结优选地为一种硬钎焊联结。为此每一切向段优选地相对于旋转轴径向平面对齐，这一点特别意味着：每一切向段可由一直的半成品经简单的一维弯曲而制成。这种配置形式优选地包括：一切向段垂直地通向与之相联的每一轴向段，转子绕组因而在切向段和轴向段间的联接位置上具有明显的“角”。
每一配置形式的转子绕组是被特别地确定用于和配置在一种电机中，特别是在一种根据汽轮发电机形式的大型发电机中。
一种用于驱动每一配置形式的转子绕组的优选方法包括：转子绕组绕旋转轴转动，为一电流所流经且被一气态冷却剂、尤其是流经冷却通道的空气所冷却。
以下根据附图来说明本发明的各实施例。附图为突出某些特征已被部分地示意化和/或稍加变形。对实际实施可能所需的可从附图中看出的提示的补充可参考所引证的有关当前技术水平的文献，特别是D.Lambrecht的文章。附图中：
图1以局部剖的斜视图形式示出安装在一转子锻件上的一转子绕组的特别优选的实施形式，
图2为转子绕组的另一实施形式的轴向纵剖面图。
图1所示的转子绕组相对于一旋转轴1成轴对称，转子绕组在它工作在一电机(在本例中为在一汽轮发电机)中时必须绕该轴旋转，且此外还相对于一图中未示出的、垂直于旋转轴1的中间平面成镜面对称。该转子绕组包括多个绕组2，这些绕组2相对于旋转轴1约径向地相互叠合。该绕组2是相互间电气互联的且组成一种线圈装置，该装置在工作中产生一磁场，尤其是产生一不变的磁场。
转子绕组由一转子锻件3所支承，该转子锻件3根据常规的实践是做成一个整体金属块。转子绕组具有轴向段4，每一轴向段4约做成直线形并大约平行于旋转轴1排列，转子绕组还具有切向段5，每一切向段5绕旋转轴1弯曲并与两轴向段4相互联接。轴向段4部分地位于转子锻件3内部，轴向段4的相应部分组成转子绕组的转子锻件区域6。配置在转子锻件3外部的轴向段4的那些部分以及切向段5则组成所谓的绕组端部7，图中可看到其中之一。
转子绕组在其工作时被电流所流经，其流过的电流量使转子因其电阻的原因产生大量的热。为将这种热量排放掉，要冷却转子绕组，而且要借助于一种冷却气体来冷却。该冷却气体流过转子绕组的一冷却系统，接收所产生的热量并将其排出。为使冷却气体流通，每一轴向段具有相应的第一冷却通道8，在图1中仅能看到这些通道的出口，其中每一第一冷却通道8相对于旋转轴线1子午线地、尤其是径向地排列，且横贯所有绕组2。为冷却切向段5设有第二冷却通道9。每一第二冷却通道9由此位于每一绕组2的内部且因此沿一相应的切向段5延伸，在流体技术方面并不直接与经常所构造的一轴向段4的冷却通道所联接。
在进一步考察冷却系统的细节前，先来把转子锻件3中的转子绕组的固定作一说明。轴向段4在转子绕组的转子锻件区域6中的部分被配置在转子锻件3的槽10中，其中对每一轴向段4提供有一槽10。在每一槽10中在轴向段4之上有一槽头绝缘体11，它以一种为人们熟知的方式构造成弹簧或补充作为一种附加的弹簧插入件。在槽头绝缘体11上配置有一止动楔12，该止动楔12动力啮合地锁定槽10且将各自的轴向段4固定在槽10中，以抵抗在工作中出现的很大的离心力。
在图1所示的实施例中，对第一冷却通道8和第二冷却通道9又添加了第三冷却通道15。这些第三通道15是借助于绝缘的填充块13来构成的，这些填充块13在绕组端部7中分别将两轴向段4相互隔开。每一绝缘的填充块13具有凹入部14，由它们规定了扁平槽，这些扁平槽各自与与之相靠紧的轴向段4组成第三冷却通道15。每一第三冷却通道15以一子午线回形的方式沿一轴向段4伸展且通入转子锻件3的轴向孔16中。这些轴向孔16与径向孔17相连，从这些径向孔17中流经第三冷却通道15的冷却气体从转子锻件3流出。在绕组端部7之下且离开一轴件19有一距离处设有一绝缘圆筒20。该轴件19从一轴向端18出发沿旋转轴1从转子锻件3伸出，在该绝缘圆筒20之上配置有切向段5以及属于绕组端部7的轴向段4的部件。在绝缘圆筒20和轴件19之间设有径向壁21，该径向壁21规定了冷却气体的输入通道22和排出通道23。排出通道23在其中用作冷却气体的排出，该冷却气体在切向段5的每一中部24的区域中从第二冷却通道9中排出，为此每一切向段5具有相应的凹入部。冷却气体在切向段的每一端部25处从导向绝缘圆筒20之下的输入通道22的孔26出来进入切向段5之中。冷却气体经位于切向段5中部24的一孔27到达排出通道23中。与输入通道22相通的孔26也起着将冷却气体送入第三冷却通道15的作用。
每一绕组端部7的冷却通道9和15组成的系统组成了四股冷却气体流，其中二股气流从孔26出来沿旋转轴1到达转子锻件3，另二股气流在约为切向的方向上从孔26流至孔27。该冷却系统为此可叫做“四气流冷却”。
从前述实施例中可明显看出，绝缘圆筒20、壁21以及填充块13的功能主要是用作为冷却转子绕组的冷却气体的引导装置。就该导引装置的结构和功能而言，导引装置分成填充块13、绝缘圆筒20和壁21只是从许多本质上等价的替代方案中作出的一种选择。在真正实现如图1所示的一种转子时，也要考虑例如由T形截面零件组成的导引装置的替代技术方案，这种T形截面零件的每一个例如都包含一壁和绝缘圆筒的一断面。
轴向段4与切向段5的联结如下进行：切向段的端部25与轴向段4的端部31联接，特别是硬焊联接。由此形成对焊联接，这种联接必须采用专业熟练的技巧才可不出问题地且以最好的质量来完成。在端部25和31上有转子绕组的明显的“角”，在这些角上轴向段4和切向段5大约垂直地相抵住，对冷却气体不提供流体技术上的联接。
对上述转子绕组的优点过去早已作了说明，对此在这一点上还要再次加以强调。另外尚需注意的是：通过以所述方式设置具有第二冷却通道9的切向段5，可以放弃在每两个切向段之间设置昂贵的绝缘件，因而不必再采用这样的绝缘部件，以便在切向段5的侧面形成冷却通道。
图1中未示出的还有一盖子，绕组端部7必须用该盖子来盖住且该盖子支承绕组端部7以抵抗工作过程中出现的巨大的离心力。图中对轴向段4的第一冷却通道8也只是大致地示出。对这些部件的补充提示可从以下对图2的说明中来得到。图2有关另一实施例，该实施例具有与图1所示的实施例类似的地方。
图2示出根据另一实施形式的一转子绕组的一绕组端部7和转子锻件6的局部。图2中示出的为一沿旋转轴线1(图中未示出)所作的纵向剖面图，它现在能使人们看清在绕组2中的第一冷却通道8。
首先来参看盖子28，它盖住了绕组端部7。为隔离绕组2和盖子28，设有隔离件29，在隔离件29之间留有冷却气体用排出通道23。
一种结构几乎完全对应于图2所示实施例中的盖子28，在图1所示实施例中也设置有。
在转子锻件区域6和绕组端部7中均可看到第一冷却通道8，它们在约径向方向上穿过转子绕组。在转子锻件区域6中，第一冷却通道8穿过止动楔12，在绕组端部7中，第一冷却通道8通入位于转子绕组和盖子28之间的排出通道23中。冷却通道8在径向的排列形式完全不是强制的，根据实际的配置形式以下的方式是有优点的：第一冷却通道8并不如图示那样垂直于旋转轴，而是相对于旋转轴1基本上偏转一90°的角度和/或弯曲。由于在绕组端部7中也设置有第一冷却通道8，如象在根据图1的实施例子中那样设置第三冷却通道便成为多余。对第二冷却通道9的设计(其开口在图中可见)几乎完全对应于根据图1所示实施例所作的设计，这样对这方面的叙述在这里便可予以省略。
冷却气体的输入沿轴件19进行，先是在绕组端部7之下，然后从那儿进入设置在转子锻件3中且在绕组2之下延伸的一槽底通道30中，转子锻件区域6的第一冷却通道8通入该槽底通道中。如图1所示的绝缘圆筒20也许可以去掉。然而不言而喻，图2中只示意表示出的实施例可能的话可通过绝缘零件或填充块来加以补充，它们用于将冷却气体引入冷却通道8和9或将冷却气体从该通道中导出。
对图1和图2一起参照最终可看到，出于清楚起见，两张图中均未示出绝缘层，而这些绝缘层根据普通的实践是要求配置在各个绕组2之间和/或绕组2和转子锻件3之间的。在一实际的实施形式范围内，自然要考虑这种绝缘层且根据各种不同情况的要求来加以配置。不言而喻，这种绝缘层可能的话必须具有穿孔，例如当一冷却通道(例如一第一冷却通道8)必须穿过它们时。相应的实施形式已为人所知，尤其是通过以前所引证的文献资料，且在一定的情况下被相应地提供。
根据本发明的转子绕组因其能降低制造费用而十分出色，且能很好地排出工作过程中所产生的热量。这种转子绕组特别适合于来极大地简化一种电机中相应配置的转子的冷却系统，并且相对于已有的技术能进一步显著地提高这种用空气或者其它气体来冷却的电机的功率极限。通过与之相关的效率的提高，也可对环境保护有所贡献且能为此更加保护性地与自然资源打交道。

Claims (11)

1．一种用于电机的转子绕组，其具有一旋转轴(1)和多个导电绕组(2)，该导电绕组(2)相对于旋转轴(1)沿径向被叠合在一起且组成多个轴向段(4)和多个切向段(5)，其中每一轴向段(4)约成直线形且约平行于旋转轴(1)排列并具有从属的第一冷却通道(8)，第一冷却通道(8)相对于旋转轴线(1)子午线地排列且贯穿所有绕组(2)，且其中每一切向段(5)绕旋转轴线(1)弯曲、与两轴向段(4)相互联接且具有从属的第二冷却通道(9)，其特征在于：每一第二冷却通道(9)位于各自的一绕组(2)的内部且流体技术上与相应的绕组(2)的轴向段(4)相隔离。
2．如权利要求1所述的转子绕组，其中，所述轴向段(4)部分地位于一转子锻件(3)的槽(10)的内部且部分地位于转子锻件(3)外部，而切向段(5)则位于转子锻件(3)外部。
3．如权利要求2所述的转子绕组，其中，每一第一冷却通道(8)位于各自一个槽(10)的内部。
4．如权利要求3所述的转子绕组，其中，对位于与轴向段(4)相联的每一切向段(5)和转子锻件(3)之间的每一轴向段(4)分配有至少一大约子午线的回形排列的第三冷却通道(15)，其配置在轴向段(4)的外部。
5．如权利要求4所述的转子绕组，它包括多个轴向段(4)，它们相对于旋转轴线(1)切向地并列毗邻地设置且在它们之间设置有电绝缘的填充块(13)，它们中的每一个至少具有一凹入部(14)，该凹入部(14)与一紧靠着的轴向段(4)组成一第三冷却通道(15)。
6．如上述任一项权利要求所述的转子绕组，其中：
a)所述转子锻件(3)具有两轴向端部(18)，分别从这两个端部伸出一在各切向段(5)下方伸展的轴件(19)；
b)在每一轴向端部(18)，分别在一伸展至转子锻件(3)且与各自的轴件(19)相隔开的绝缘圆筒(20)上配置有各自的切向段(5)。
7．如权利要求6所述的转子绕组，其中：
a)每一切向段(5)具有一中部(24)和两端部(25)且在每一端部(25)上与一轴向段(4)相联接，且其中每一第二冷却通道(9)通至一端部(25)和中部(24)；且
b)每一绝缘圆筒(20)在每一端部(25)和每一中部(24)上有一从属的孔(26,27)，该孔(26,27)通向一借助径向壁(21)在绝缘圆筒(20)和轴件(19)之间形成的输入通道(22)或排出通道(23)。
8．如权利要求1至6中任一项所述的转子绕组，其中：每一切向段(5)具有一中部(24)和两端部(25)且在每一端部(25)上与一轴向段(4)相联接，其中，每一第二冷却通道(9)通至一端部(25)和中部(24)。
9．如上述任一项权利要求所述的转子绕组，其中，每一切向段(5)有两端部(25)，在每一端部上切向段与一从属的轴向段的一端部(31)相联接，尤其是硬焊联接。
10．如权利要求9所述的转子绕组，其中，每一切向段(5)相对于旋转轴线(1)径向平面地排列。
11．一种运转上述任一项权利要求所述的转子绕组的方法，其中，所述转子绕组绕旋转轴线(1)旋转，它被一电流所流过并借助一流经冷却通道(8,9,15)的气态冷却剂、尤其是空气受到冷却。
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