CN100471007C - 用于发电机转子的保持系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于发电机转子(10)的保持系统(116)。所述转子(10)具有外圆周表面(20)，径向端面(26)，位于外圆周表面(20)内的沿轴向延伸的狭槽(14)，以及位于狭槽(14)内的场绕组(17)。所述场绕组(17)从转子(10)的端面(26)中沿轴向突出，并在狭槽(14)外部通过场绕组端匝(18)连接起来。端匝(18)被保持系统(116)所围绕，所述保持系统包括围绕端匝(18)的防护部件(130)和围绕防护部件(130)的固定部件(140)。所述防护部件(130)具有与场绕组(17)一起容纳于狭槽(14)中的凸缘(132)。紧固功能部件(128)与凸缘(132)接合，以抑制保持系统(116)的轴向运动。

Description

用于发电机转子的保持系统

技术领域

本发明主要涉及发电机例如用于电力生产的发电机的转子。更特别的是，本发明涉及一种支撑这种转子的末端场绕组(field end windings)的保持环，其中这种保持环具有一种为该末端场绕组提供高强度、低密度支撑结构的组合结构。

背景技术

电力生产所使用的大型涡轮驱动发电机内包含一种用作磁力线流量源的转子，该磁力线由支持在转子上的线绕线圈产生。该转子在一个定子内旋转，该定子包含大量导线，其中当转子在定子内旋转时，转子就感应产生交变电流，从而在定子和转子之间的狭小空气隙中产生一个旋转磁场。

用于涡轮驱动发电机的转子10示于图1和2中。转子10通常是一大型柱形体，轴12从柱形体中伸出以旋转地支撑转子10。转子10有一连串的纵向(轴向延伸的)狭槽14，所述狭槽沿着径向加工到转子圆周上，从而形成径向延伸的齿15，所述齿15沿着转子10的外周形成。包含多个绝缘导线束的场绕组17安装在狭槽14中，并从转子10的各端26沿轴向突出来，以延长转子10的长度。场绕组17包括端匝(end turns)18(图2)，每一个端匝将位于一个狭槽14中的绕组的纵向部分与位于其邻近的狭槽14中的绕组的纵向部分电连接在一起。场绕组17并未填满整个狭槽14，狭槽通常具有一锥形区域，以便使位于转子10外周的狭槽14较窄。在每一个狭槽14的锥形区域中放置楔子(未显示)，以将绕组17固定在适当的位置上，从而防止当转子10旋转时施加离心力。

当转子10旋转时，端匝18也受离心力，所述离心力将端匝18沿径向向外推动。端匝18的这一径向运动被连接在转子10端部以封闭端匝18的保持环16所限制，如图2所示。正如广泛应用的一样，如图2所示类型的保持环16通过收缩配合而连接到转子10端部。在图2中，保持环16内端采用收缩配合的方式围绕在形成于转子10上的台肩20的周围，并且在环16和转子10之间设置锁紧键22，以防止环16的轴向运动。此外，保持环16在其外端受到中央环24的支撑，优选的是，环16收缩配合到中心环24上。

由于旋转转子10而产生的离心力会导致端匝18紧压每个保持环16的内表面，从而对环16施加一个相当大的力。因此，保持环16通常由一种高强度、无磁性的钢例如1818材料构成。1818钢的来源有限，且运送周期长，所以导致其成本很高。随着转子的直径和旋转速度的增加，端匝18作用于环16上的离心力也随之增加。然而，由于1818钢的密度的原因，所以，随着转子旋转速度的增加，环16径向厚度的很大部分都需要抵抗由其自身重量产生的离心力。而且，环16和转子10的分离成为转子达到更高转速的设计挑战。

考虑到上述问题，有人提出了低密度的合成保持环，以及其它类型的保持系统。这样的例子包括和Frank具有共同受让人的美国专利US5,068,564中公开的一种环氧石墨保持环。但仍然要求在低密度保持环的结构和实现方面进行进一步改进。

发明内容

本发明提供一种适用于发电机例如用于生产输送到配电网的交流电的发电机的转子的保持系统。这种转子包含外圆周表面，对置的径向端面，位于转子外圆周表面上的轴向延伸的狭槽，以及位于狭槽中的场绕组。场绕组从转子的端面沿轴向突出，并且在狭槽外部通过场绕组端匝连接在一起。狭槽的横截面具有足够的尺寸，以使场绕组处于每个狭槽的第一部分内，而不处于每个狭槽的第二部分内。

根据本发明，保持系统围绕位于转子第一端的至少一个场绕组端匝。保持系统包括围绕场绕组端匝的防护部件，以及围绕防护部件以抑制防护部件沿径向向外运动的固定部件。为了实现这一目的，固定部件最好由一种相对低密度，高强度的合成材料构成。防护部件具有位于圆周上的一排沿轴向延伸的凸缘，所述凸缘容纳在狭槽的第二部分内。一个或更多的紧固功能部件围绕所述凸缘以及转子第一端，以抑制保持系统的轴向运动。

本发明的一个显著方面在于，保持系统具有相对简单的结构，但仍然可以提供限制场绕组的端匝所必需的强度和硬度，即使受到当转子高速旋转时产生的高离心力作用。如果固定部件由一种合成材料构成，以取代高强度、无磁性的钢材例如1818钢，则该发明可避免使用1818钢时的相关缺陷，比如有限的来源，漫长的运送周期，以及与此相关的高成本。由合成材料构成的固定部件的密度可能相对较低，与使用更加紧密的1818钢的实际情况相比，这种相对较低的密度允许转子具有更大的直径和更高的转速。

本发明的其它目标和优势将从以下的详述中得到更好的理解。

附图说明

图1显示一种根据现有技术装配保持环的转子。

图2是图1中的转子的部分截面图，其更详尽地显示其中一个保持环。

图3是转子的部分截面图，该转子类似于图1和2中的转子，只是装配有一个根据本发明的包含内部防护部件和外部固定部件的保持系统。

图4是部分截面透视图，其显示图3所示防护部件的凸缘部分，所述凸缘部分是被插入转子的场绕组狭槽中的。

图5是部分透视图，其显示根据本发明的选择性实施例的带有改良凸缘部分的防护部件。

10  转子             116  保持系统

12  心轴             122  接地绝缘件

14  狭槽             124  中心环

15  齿               128  锁紧环

16  保持环           130  防护部件

17  场绕组           132  凸缘

18  端匝             134  块

20  外圆周表面       136  沟槽

22  锁紧键           138  沟槽

24  中心环           140  保持部件

26  端面             142  锁紧环

34  楔               144  锥形内端

44  内部             146  盖环

46  外部             148  锥形台肩

48  锥形区域               150  锥形面

50  锥形面                 230  防护部件

                           232  凸缘

                           234  块

                           250  外表面

具体实施方式

图3和4是与图1和2的转子10类似的转子10的部分截面图，因此这里使用相同的附图标记来标识转子10的相同或相当的功能部件。同样地，这种类型的转子10也可以被用于发电厂，其被用作配电网或输电网的高压交流电的主要供应者，但是转子10可被用于其它应用中。

正如图1和2中的转子10一样，图3和4中的转子10具有一个柱形体，所述柱形体具有一个外表面20和位于柱形体的对置端部的多个径向端面26。而且，狭槽14处于转子10的外表面20上，从而在外表面20上形成径向延伸的齿15(图4)。场绕组17处于狭槽14中，且从转子10的端面26中沿轴向突出来。由图4中可很好地看出，每个狭槽14的横截面形状和尺寸适合于将场绕组17容纳在径向内部44，而狭槽14的径向外部46容纳凸缘132，该凸缘是根据本发明一个实施例的端匝保持系统116的一部分，以下将对其进行更加详细的讨论。如同图2一样，图3显示通过场绕组端匝18被相互连接在狭槽14外的场绕组17。

由图3可以认识到，当转子10旋转时，场绕组17和端匝18都受到相当大的离心力作用，特别是在增加转子直径和转速时。根据惯例，狭槽14的径向外部46包括锥形区域48，这使得场绕组17能够通过楔34进行固定，所述楔34安装在狭槽14的径向外部46。在转子10的每一端，本发明的保持系统116都围绕场绕组17的端匝18，从而防止当转子10旋转时端匝18沿径向向外运动。

由图3所示，每个保持系统116主要包含一个围绕端匝18的环形防护部件130，以及一个围绕防护部件130的环形固定部件140。防护部件130的轴向内端(即，靠近转子10的轴向中心的一端)用上述凸缘132固定到转子10，而其外端被一个中心环124支撑，如图所示，所述防护部件130用一个锁紧环142固定到所述中心环124，但是也可以用其它连接装置。优选的是，所述防护部件130用作一种电磁(EM)防护部件，因而由一种高导电性材料如铝或铜构成。强度是防护部件130所需要的另一个特性，因此，钢合金也是合适的候选材料。优选的是，接地绝缘件122是用作介于防护部件130和场绕组17和端匝18之间的电隔离件。

凸缘132从防护部件130的内端沿轴向向内延伸，并且优选地沿防护部件130的内端的整个圆周对齐成一个圆周行。从图4(其中为清楚起见，省略了保持系统140)最容易看出，每个凸缘132在轴向上与转子10端面26附近的狭槽14的径向外部46对齐，并且被单独地容纳在其中，这样使得每个凸缘132介于相邻的一对齿15之间。此外，如图4所示，每个凸缘132所具有的横截面形状与狭槽14的径向外部46互补，其包括一个毗邻狭槽14的锥形区域48的锥形台肩148，以此来保持凸缘132及位于狭槽14内的相关场绕组17，以防止当转子10旋转时场绕组17沿径向向外运动。

此外，每个凸缘132被显示具有一径向向外延伸的块134和一锥形面150，如图所示，所述块134位于每个凸缘132的内端，而所述锥形面150通过一个沟槽136与块134隔开。凸缘132的锥形面150与靠近转子10端面26的齿15上的锥形面50对齐。齿15和凸缘132的锥形面50和150朝着端面26向内逐渐变细。齿15也形成有沟槽138，其与凸缘132的沟槽136一起，形成转子10外表面20上的连续圆周槽。锁紧环128被安装在槽136/138中，以通过防止凸缘132从狭槽14中沿轴向移位来将防护部件130固定到转子10。最后，一个盖环146(为清楚起见，在图4中省略)围绕锁紧环128以将环128保持在槽136/138中。

图5中描绘了一个适用于防护部件130的凸缘132的替换结构，其中显示的防护部件230的凸缘232的内端上具有沿径向向外延伸的块234，但缺少如图3和4所示的凸缘132的锥形面150。同样地，凸缘232缺少与齿沟槽138对齐的沟槽136，所述沟槽是用于容纳图3和4中所描述的锁紧环128的。作为替代的是，锁紧环128只是与每个块234的外表面250相邻，其效果是防止凸缘232从狭槽14中沿轴向向外移位。单独的楔形件(未显示)可与凸缘232装配在一起，从而与齿上的锥形面50一起形成一个锥形台肩，这个锥形台肩与图4中的通过锥形面50和150形成的台肩相似。

优选的是，本发明的固定部件140由相对低密度、高强度的材料如纤维加强的合成材料构成。一种特别合适的合成材料是石墨环氧纤维合成物。固定环140可以由缠绕在柱形心轴上的石墨纤维制造而成，之后注入环氧然后进行固化。可选择的是，可将一种树脂浸渍的纤维(麻的粗纤维)缠绕在柱形心轴上再进行固化。固定部件140可为防护部件130提供机械强度和刚度，以抑制防护部件130沿径向向外运动和扭曲，特别是当防护部件130由相对低强度的材料如铝或铜构成时。为此，优选的是，固定部件140的内径面与防护部件130的外径面进行面对面接触。如图3所示，优选的是，这种防护部件130和固定部件140之间的面对面接触包括凸缘132的锥形面150，这是由于固定部件140具有锥形的内端144，该内端与齿15的锥形面50和凸缘132的锥形面150互补，而且该内端包围所述的锥形面50和150。

由于用作固定部件140的候选材料的纤维加强的合成材料不可焊而且与金属相比通常会有一些膨胀，所以固定部件140得益于通过防护部件130被固定在转子10上。优选的是，固定部件140以某种方法连接到防护部件130，这样使得防护部件130和固定部件140构成一个整体组件。例如，固定部件140可被收缩配合到防护部件130上，或与防护部件130形成间隙配合，所述间隙中注入粘结材料，以将固定部件140粘结到防护部件130的外表面。固定部件140与防护部件130的连接步骤可以在制造保持系统116的过程中进行，或者可以在场绕组中进行。虽然固定部件140被显示为一个整体件，但是固定部件140也可以是具有多个环的组件。

虽然本发明根据特定的实施例进行了描述，但是很显然，其它形式也可被该技术领域的普通技术人员所采纳。因此，本发明的范围只受以下权利要求书的限制。

Claims (10)

1.一种发电机转子(10)，所述转子(10)包括外圆周表面(20)，对置的径向端面(26)，位于转子(10)的外圆周表面(20)内的沿轴向延伸的狭槽(14)，以及位于狭槽(14)内的场绕组(17)，所述场绕组(17)从转子(10)的端面(26)中沿轴向突出，并在狭槽(14)外部通过场绕组端匝(18)被连接在一起，所述狭槽(14)的横截面的尺寸足以使场绕组(17)处于每个狭槽(14)的第一部分(44)内，而不处于每个狭槽(14)的第二部分(46)内，转子(10)还包括一保持系统(116)，所述保持系统(116)围绕位于转子(10)至少第一端的至少一个场绕组端匝(18)，而且所述保持系统(116)包括：

围绕场绕组端匝(18)的防护部件(130)、围绕防护部件(130)且抑制防护部件(130)沿径向向外运动的固定部件(140)、以及多个用于抑制保持系统(116)相对于转子(10)的轴向运动的装置(128，136，138)，

所述防护部件(130)具有凸缘(132)，所述凸缘容纳在狭槽(14)的邻近转子(10)第一端端面(26)的第二部分(46)内；

所述固定部件(140)由一种比防护部件(130)的材料更硬的材料构成。

2.根据权利要求1所述的转子(10)，其中固定部件(140)被粘结或在收缩后配合到防护部件(130)。

3.根据权利要求1所述的转子(10)，其中固定部件(140)的材料是纤维加强的合成材料。

4.根据权利要求1所述的转子(10)，其中防护部件(130)由电磁防护材料构成。

5.根据权利要求1所述的转子(10)，其中抑制用装置(128，136，138)包含处于转子(10)外圆周表面(20)的圆周槽(138)和容纳在所述圆周槽(138)中并与防护部件(130)的凸缘(132)接合的环(128)。

6.根据权利要求5所述的转子(10)，其中每个凸缘(132)具有一径向延伸部分(134)，所述径向延伸部分从环(128)开始沿着轴向向内延伸，并且毗邻于环(128)，以防止防护部件(130)沿轴向向外运动。

7.根据权利要求1所述的转子(10)，其中凸缘(132)容纳在狭槽(14)的第二部分(46)内，以抑制狭槽(14)内的场绕组(17)沿径向向外运动。

8.根据权利要求1所述的转子(10)，其中转子(10)的外圆周表面(20)具有邻近转子(10)第一端端面(26)的锥形部分(50)，所述锥形部分(50)在朝着端面(26)的方向上沿径向向内逐渐变细。

9.根据权利要求8所述的转子(10)，其中固定部件(140)具有围绕外圆周表面(20)锥形部分(50)并且与之互补的锥形内端(144)。

10.根据权利要求1所述的转子(10)，其中转子(10)安装在用于生产输送到配电网的交流电的发电机内。

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