CN106300719A - 一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其包括定子铁芯，定子铁芯固定设置在定子机座内，转子铁芯与转子轴为一体结构，转子轴通过轴承固定设置在定子机座内，转子铁芯的外圆周上均匀开设若干槽，槽内设置有转子励磁绕组；还包括第一定子绕组和第二定子绕组；第一定子绕组和第二定子绕组固定设置在定子铁芯的定子齿之间形成的定子槽内，第一定子绕组和第二定子绕组在定子槽中呈上下层布置。本发明能减小定子电磁激振力和振动噪声，可以广泛应用于大型发电机、舰船电站发电机、家用电器、医疗仪器、工业生产、制造业和民用领域的电机系统、航空航天电机电器设备领域、舰船辅助机械和舰船推进等系统领域以及可移动电气系统领域。

Description

一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是关于一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机。

背景技术

现代社会已无法离开电机，电机的应用遍及交通运输、工农业生产、信息处理，以及日常生活的各个领域。电机的种类繁多，结构也各有不同，有汽轮发电机、永磁电机、电励磁电机等。各类电机在旋转过程中都会产生振动和噪声，振动噪声是一种环境污染，会对人们健康、日常生活产生不良的影响；在军工领域振动噪声更为重要。因此，降低电机的振动和噪声具有非常重要的意义。

电机的气隙中存在着基波磁场和一系列的谐波磁场。在电机运行过程中，这些气隙磁场之间相互作用，将会产生作用于电机定子铁芯上的切向及径向的电磁力；其中，切向电磁力产生转矩，而径向电磁激振力引起定子铁芯变形。各种周期、各种转速的径向电磁激振力波都分别作用在定子、转子铁芯上，使定子铁芯和机座以及转子出现随时间周期性变化的径向形变，因此产生振动和噪声。

汽轮发电机转子为圆柱形，适合高速运行，应用广泛，但是汽轮发电机一般为2极结构，极频振动噪声很大。引起汽轮发电机振动噪声的径向电磁激振力中，最明显的是频率与极频相关的分量，也就是供电频率2倍的频率径向电磁激振力。到目前为止，还没有解决电机振动和噪声的较好的方案。其它的永磁同步电机、无刷直流电机、汽轮发电机等也存在类似的问题。

如图1、图2所示，已有的汽轮发电机包括定子机座1、定子铁芯2、定子绕组3、定子齿4、转子励磁绕组5、转子铁心6、转子轴7和轴承8。其中，定子机座1可采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯2固定设置在定子机座1内，定子铁芯2是电机磁路的一部分，定子绕组3固定设置在定子铁芯2的定子齿4之间。转子铁芯6与转子轴7为一体结构,转子轴7能够与转子铁芯6一起绕轴心旋转，转子轴7通过轴承8固定设置在定子机座1内，转子铁芯6的外圆周上均匀开设若干槽，槽内设置转子励磁绕组5。

已有的汽轮发电机定子铁芯2和转子铁芯6可以采用直槽工艺。就电机内部的径向电磁激振力而言，已有的汽轮发电机与普通同步电机或者永磁电机一样，存在着频率与极数成正比的极频径向电磁激振力。

汽轮发电机内部的磁场由转子铁芯6的N极出发，经过定转子之间的气隙、定子齿4、再沿圆周方向经过定子铁芯2，再经过定子齿4，最后回到转子铁芯6的S极，如图3的磁力线11所示，是将定子切开展开成平面得到的，磁力线以二维的形式表示。该电机的磁场只存在径向和圆周方向的磁场，不存在轴向的磁场。

电机运行时，转子励磁绕组通入直流电，建立磁场，当转子旋转时，定子绕组感应电动势，接负载后产生三相交流电，三相交流电形成旋转磁场，该旋转磁场与转子同步旋转。此时电机气隙径向磁密波形如图4的b_δ1所示，该磁密波形为图3的C-C截面上一对极下范围内的波形，纵坐标b为气隙磁密，纵坐标σ径向电磁激振力密度，横坐标α为气隙各个位置的圆周角，B_δm为气隙磁密的峰值。该气隙磁密波b_δ1为平顶波。该磁场作用在定子铁心内圆上，产生径向电磁激振力，该激振力是引起定子铁心振动的根源。磁密波产生的径向电磁激振力与磁密的平方成正比，径向电磁激振力以径向电磁激振力密度衡量，此时的径向电磁激振力密度波如图4的σ₁所示。可见径向电磁激振力密度波σ₁变化的次数为磁密波变化次数的两倍，其引起的振动的频率等于极数与转速的乘积，故称之为极频。正是这样变化的激振力在定子上引起振动。

由上面极频电磁激振力产生的原理可见，它是电机内固有的电磁激振力，电机产生转矩需要磁场，该磁场必然产生径向电磁激振力。前人对减小径向电磁激振力进行了很多研究，都没有很好的方法。有些方法只能是降低电机性能来实现减小径向电磁激振力，其中较为简单的方法就是减小气隙磁密，径向电磁激振力将平方倍的减小。但是这样做的直接后果就是电机的体积重量会增大，所以也不是很好的解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，能减小定子电磁激振力和振动噪声。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其包括定子机座、定子铁芯、定子齿、转子励磁绕组、转子铁心、转子轴和轴承；所述定子铁芯固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯与所述转子轴为一体结构，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯的外圆周上均匀开设若干槽，所述槽内设置有所述转子励磁绕组；其特征在于：还包括第一定子绕组和第二定子绕组；所述第一定子绕组和第二定子绕组固定设置在所述定子铁芯的所述定子齿之间形成的定子槽内，所述第一定子绕组和第二定子绕组在所述定子槽中呈上下层布置。

所述定子铁芯采用两段式结构，两段式结构的所述定子铁芯由第一段定子铁芯和第二段定子铁芯构成。

所述第二定子绕组也采用两段式结构，所述第二定子绕组由第二定子绕组第一段和第二定子绕组第二段构成；所述第二定子绕组第一段布置在所述第一段定子铁芯上，所述第二定子绕组第二段布置在所述第二段定子铁芯上。

所述第二定子绕组第一段和第二定子绕组第二段反向通电。

所述第一定子绕组贯穿所述第一段定子铁芯和第二段定子铁芯。

所述第一定子绕组、转子铁心、转子励磁绕组均分为两段。

所述定子铁芯采用多段式结构，所述第二定子绕组也采用多段式结构；所述第一定子绕组贯穿各段定子铁芯，各段第二定子绕组单独供电，轴向相邻的各段第二定子绕组通入反向电流。

所述定子机座采用具有导磁性的材料制成。

在所述定子铁芯的定子齿对应的铁芯轭部开设有孔，在所述孔中紧密地插入导磁材料的棒。

所述转子铁心采用斜槽结构或无槽绕组结构，或所述定子铁芯采用无槽绕组结构。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由定子机座、定子铁芯、第一定子绕组、第二定子绕组、定子齿、转子励磁绕组、转子铁心、转子轴和轴承构成。第一定子绕组为普通绕组贯穿定子铁芯，定子铁芯和第二定子绕组轴向分为多段，轴向相邻的第二定子绕组通入反向电流。第二定子绕组产生的磁场可以填补励磁绕组和第一定子绕组产生的磁场的缺口，减小电机圆周上磁场绝对值的变化，可以使定子铁芯受到的径向电磁激振力变化减小，从而减小定子铁芯的变形和振动。2、本发明采用导磁的定子机座，使第二定子绕组产生的轴向磁通经过的磁路的磁阻大大减小，轴向磁场得到增强，第二定子绕组利用效率提高。3、本发明在定子铁芯上开孔布置导磁棒，避免使用导磁机座，同时使第二定子绕组产生的轴向磁通经过的磁路的磁阻大大减小，轴向磁场得到增强，第二定子绕组利用效率提高，使电机结构更为紧凑。4、本发明转子可以采用多斜槽结构，消除转子开槽引起的电磁激振力，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的。5、本发明定子可采用无槽绕组结构，定子铁芯不开槽，彻底消除定子受到的槽频径向电磁激振力，与轴向相邻段反向通电绕组相配合，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的，实现完美结合。

基于以上优点，本发明可以广泛应用于大型发电机、舰船电站发电机、家用电器、医疗仪器、工业生产、制造业和民用领域的电机系统、航空航天电机电器设备领域、舰船辅助机械和舰船推进等系统领域以及可移动电气系统领域，对系统的减振降噪具有重要意义。

附图说明

图1是已有的汽轮发电机的横截面示意图，是图2的B-B切面图；

图2是已有的汽轮发电机的轴向截面示意图，是图1的A-A切面图；

图3是图2电机展开为平面后磁场的示意图；

图4是图3的C-C截面上的磁密分布和径向电磁激振力密度波分布图；

图5是本发明的汽轮发电机的轴向横截面示意图，是图6的C-C切面图；

图6是本发明的汽轮发电机的截面示意图，是图5的A-A和B-B切面图；

图7是本发明汽轮发电机两段定子上第二定子绕组的布置和其通电产生磁场的磁力线图；

图8是图7的E-E截面上的磁密分布和径向电磁激振力密度波分布图；

图9是本发明汽轮发电机两段定子上第二定子绕组的布置的另一种形式和其通电产生磁场的磁力线图；

图10是本发明定子铁芯开孔加轴向导磁棒的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图5、图6所示，本发明提供一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其包括定子机座1、定子铁芯20、第一定子绕组3、第二定子绕组30、定子齿4、转子励磁绕组5、转子铁心6、转子轴7和轴承8。其中，定子机座1可采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯20固定设置在定子机座1内，定子铁芯20是电机磁路的一部分，第一定子绕组3和第二定子绕组30固定设置在定子铁芯20的定子齿4之间形成的定子槽内，第一定子绕组3和第二定子绕组30在定子槽中呈上下层布置。转子铁芯6与转子轴7为一体结构，转子轴7能够与转子铁芯6一起绕轴心旋转，转子轴7通过轴承8固定设置在定子机座1内，转子铁芯6的外圆周上均匀开设若干槽，槽内设置有转子励磁绕组5。

其中，定子铁芯20可以采用两段式结构，相对应的，第二定子绕组30也采用两段式结构；第一定子绕组3与普通汽轮发电机的绕组相同，即第一定子绕组3贯穿各段定子铁芯。两段式结构的定子铁芯20由第一段定子铁芯21和第二段定子铁芯22构成；第二定子绕组30由第二定子绕组第一段31和第二定子绕组第二段32构成。第二定子绕组第一段31布置在第一段定子铁芯21上，第二定子绕组第二段32布置在第二段定子铁芯22上。相应的，第一定子绕组3、转子铁心6、转子励磁绕组5也都可以分别设置为两段。

在一个优选的实施例中，第二定子绕组30的跨距可根据需要进行设置，关键在于第二定子绕组30的第二定子绕组第一段31和第二定子绕组第二段32反向通电，该线圈通电产生磁场可填平励磁绕组5和定子绕组3产生的磁场的缺口。

在一个优选的实施例中，定子铁芯20还可以采用多段式结构，所分段数可以根据需要设置。相对应的，第二定子绕组30也采用多段式结构；第一定子绕组3贯穿各段定子铁芯。各段第二定子绕组单独供电，轴向相邻的各段第二定子绕组通入反向电流。

在一个优选的实施例中，与已有的汽轮发电机不同，为了使轴向磁路磁阻小，定子机座1采用具有导磁性的材料制成。

在一个优选的实施例中，作为定子机座1采用导磁材料制成的一种替换，如图10所示，还可以采用在定子铁芯20的定子齿4对应的铁芯轭部开设有圆孔14，在圆孔14中紧密地插入导磁材料的棒以对反向通电线圈产生的轴向磁场进行导通，减小磁路磁阻。显然，圆孔14也可以改为其他形状而不影响效果，不应排除在本发明的保护范围之外。

在一个优选的实施例中，转子铁心6可以采用斜槽结构，消除转子开槽引起的电磁激振力，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的。

在一个优选的实施例中，转子铁心6也可以采用无槽绕组结构。

在一个优选的实施例中，定子铁芯20可以采用无槽绕组结构，定子铁芯不开槽，彻底消除定子受到的槽频径向电磁激振力，与轴向相邻段反向通电绕组相配合，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的，实现完美结合。

实施例1：

如图7所示，为本发明汽轮发电机两段定子铁芯上第二定子绕组30的布置和其产生磁场的磁力线图。本实施例中以2极电机为例进行说明，定子24槽。第二定子绕组第一段31为6个线圈A1、A2、A3、A4、A5和A6，称为A组线圈，A组线圈周向分布，每个线圈节距为1/3，跨60度电角度。第二定子绕组第二段32为6个线圈B1、B2、B3、B4、B5和B6，称为B组线圈，B组线圈周向分布，每个线圈节距为1/3，跨60度电角度。A组和B组线圈同序号的沿轴向排列，第二定子绕组第一段31和第二定子绕组第二段32的同序号的沿轴向排列的两个线圈通入电流的方向相反，使电流产生的磁场为轴向磁场。图5中电机第一段上的A-A和电机第二段上的B-B截面都为图6所示，两段之间的区别在于第二定子绕组的供电方式上。

如果将坐标系的原点设置在线圈A2和线圈B2的线圈轴线上，电机的第一定子绕组3通电，以及转子励磁绕组5通电产生主磁场，此时一对极下范围内相应的气隙径向磁密波形b_δ1为近似120度电角度的平顶波，如图8的b_δ1所示。该磁场作用在定子铁心内圆上，产生径向电磁激振力，该激振力是引起定子铁心振动的根源。磁密波产生的径向电磁激振力与磁密的平方成正比，径向电磁激振力以径向电磁激振力密度衡量，此时的径向电磁激振力密度波如图8的σ₁所示。可见径向电磁激振力密度波σ₁变化的次数为磁密波变化次数的两倍，其引起的振动的频率等于极数与转速的乘积，故称之为极频。正是这样变化的激振力在定子上引起振动。

由上述分析可见，极频径向电磁激振力引起振动的原因是定子铁芯受变化的力，而力的变化是由于磁场正负变化，在正负变化磁场中磁场反向的区间有一段为零或接近零的范围。本发明正是由将该接近零的范围变为与其他范围的磁密相同，从而使定子铁芯感受到的磁密的绝对值不变化，径向电磁激振力不变化以减小电机定子的振动。

第二定子绕组30均匀布置在定子铁芯20上，为说明方便，取第二定子绕组30的节距为1/3，即跨距为60度电角度。如图7所示，图7中第二定子绕组第一段31和第二定子绕组第二段32的绕组布置相同。第二定子绕组第一段31和第二定子绕组第二段32的对应绕组通电方向相反，电流大小相同，即A1和B1的电流相反，大小相同。

此时沿图5的第一段电机B-B截面上一对极下范围内的气隙径向磁密波形如图8所示，图8为图7对应E-E截面上的磁密波形。此时线圈A5和B2通入负电流、线圈A2和B5通入正电流，电流大小相同，其他线圈电流为零。

沿图5的第二段电机A-A截面上一对极下范围内的气隙径向磁密波形与第一段电机B-B截面上一对极下范围内的气隙径向磁密波形类似。此时两段电机上产生的径向电磁激振力相同。

本发明的电机设置两段定子铁芯、布置两段第二定子绕组的目的是增加供电的灵活性，本发明的线圈A1和B1同时通电、线圈A2和B2同时通电、线圈A3和B3同时通电、线圈A4和B4同时通电、线圈A5和B5同时通电、线圈A6和B6同时通电，电流大小相同，方向相反。以线圈A5和B2通入负电流、线圈A2和B5通入正电流的时候为例说明，此时这四个线圈产生的磁场具有轴向分布的特点，其磁力线如图7中的虚线箭头12所示。这些电流会产生如图8所示的径向磁密波b_δ2，该磁密波位于径向磁密波形b_δ1的两极之间，磁力线走向与径向磁密波形b_δ1不同，为轴向。该b_δ2磁密波将产生径向电磁激振力密度波σ₂。此时在B-B截面上一对极下范围内的径向电磁激振力密度波σ_sum为σ₁和σ₂的叠加，σ_sum在图8中画出，径向电磁激振力密度波σ_sum基本不变。这样的效果是定子齿9受到的径向电磁激振力密度波σ_sum为大小基本不变的力，该大小不变化的力作用在定子铁芯2上将产生形变，但不产生振动。实际上径向电磁激振力密度波σ_sum并不是大小完全不变，但其波动已很小，与普通汽轮发电机相比，定子受到的与极数有关的径向电磁激振力密度波将大幅减小，达到减小径向电磁激振力和减振的目的。

需要说明的是，A组线圈和B组线圈的序号相同的线圈要同时通电，电流大小相同，方向相反，且通电的时刻需要为转子励磁绕组和第一定子绕组在该线圈所处产生的磁场接近零，磁场较小的时候。线圈中通入的电流在通电期间为直流电，在两次通电期间可以变化方向，也可以不变化方向，不影响本发明的效果。

线圈产生的磁场和定子受力情况在A-A截面上也将产生相同的效果。

实际上在汽轮发电机中定子绕组的通电为三相轮流通电，三相交流电互差120度电角度，形成的磁场在空间中会移动。上述过程只是取了一个时刻说明，实际上，电流随时间变化，磁场也随时间变化，若经过60度电角度的时间，此时电机第一段和第二段改为线圈A6和B3通入负电流、线圈A3和B6通入正电流，电流大小相同，其他线圈不通电，建立的磁场相对于之前的位置向右移动了60度电角度。这两组线圈产生的磁场仍为轴向磁场性质，该磁场填平第一定子绕组3产生的近似120度宽的圆周方向的磁场正负变化产生的磁场缺口，使电机铁芯感受到的磁场绝对值不发生变化。

实施例2：

如图9所示，是本发明汽轮发电机两段定子上绕组的布置的另一种形式和其通电产生磁场的磁力线图，其中只画出了第二定子绕组30的绕组布置。将图7中的线圈A1和B1之间反向连接，形成线圈A1，通入电流后产生与上述实施例1相同的轴向的磁场。此时定子铁芯仍分为两段。类似地构成其他线圈，布置在电机整个圆周上。

上述各实施例中为了叙述方便和理解方便，未将转子铁芯和转子绕组进行分段，但实际上也可以分为两段。

综上所述，本发明不仅可以用于汽轮发电机中，也可以应用于永磁同步电机、无刷直流电机或同步电机等。本发明的电机的相数不限于三相绕组，可以为多相绕组，如五相，九相，十二相，十五相，等等。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、数量、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其包括定子机座、定子铁芯、定子齿、转子励磁绕组、转子铁心、转子轴和轴承；所述定子铁芯固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯与所述转子轴为一体结构，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯的外圆周上均匀开设若干槽，所述槽内设置有所述转子励磁绕组；其特征在于：还包括第一定子绕组和第二定子绕组；所述第一定子绕组和第二定子绕组固定设置在所述定子铁芯的所述定子齿之间形成的定子槽内，所述第一定子绕组和第二定子绕组在所述定子槽中呈上下层布置。

2.如权利要求1所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述定子铁芯采用两段式结构，两段式结构的所述定子铁芯由第一段定子铁芯和第二段定子铁芯构成。

3.如权利要求2所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述第二定子绕组也采用两段式结构，所述第二定子绕组由第二定子绕组第一段和第二定子绕组第二段构成；所述第二定子绕组第一段布置在所述第一段定子铁芯上，所述第二定子绕组第二段布置在所述第二段定子铁芯上。

4.如权利要求3所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述第二定子绕组第一段和第二定子绕组第二段反向通电。

5.如权利要求2或3或4所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述第一定子绕组贯穿所述第一段定子铁芯和第二段定子铁芯。

6.如权利要求2或3或4所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述第一定子绕组、转子铁心、转子励磁绕组均分为两段。

7.如权利要求1所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述定子铁芯采用多段式结构，所述第二定子绕组也采用多段式结构；所述第一定子绕组贯穿各段定子铁芯，各段第二定子绕组单独供电，轴向相邻的各段第二定子绕组通入反向电流。

8.如权利要求1所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述定子机座采用具有导磁性的材料制成。

9.如权利要求1所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：在所述定子铁芯的定子齿对应的铁芯轭部开设有孔，在所述孔中紧密地插入导磁材料的棒。

10.如权利要求1所述的一种定子布置削弱极频振动绕组的汽轮发电机，其特征在于：所述转子铁心采用斜槽结构或无槽绕组结构，或所述定子铁芯采用无槽绕组结构。