一種定子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發電機的製作方法

2023-06-18 10:44:36

本發明涉及一種電機，特別是關於一種定子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發電機。

背景技術：

現代社會已無法離開電機，電機的應用遍及交通運輸、工農業生產、信息處理，以及日常生活的各個領域。電機的種類繁多，結構也各有不同，有汽輪發電機、永磁電機、電勵磁電機等。各類電機在旋轉過程中都會產生振動和噪聲，振動噪聲是一種環境汙染，會對人們健康、日常生活產生不良的影響；在軍工領域振動噪聲更為重要。因此，降低電機的振動和噪聲具有非常重要的意義。

電機的氣隙中存在著基波磁場和一系列的諧波磁場。在電機運行過程中，這些氣隙磁場之間相互作用，將會產生作用於電機定子鐵芯上的切向及徑向的電磁力；其中，切向電磁力產生轉矩，而徑向電磁激振力引起定子鐵芯變形。各種周期、各種轉速的徑向電磁激振力波都分別作用在定子、轉子鐵芯上，使定子鐵芯和機座以及轉子出現隨時間周期性變化的徑向形變，因此產生振動和噪聲。

汽輪發電機轉子為圓柱形，適合高速運行，應用廣泛，但是汽輪發電機一般為2極結構，極頻振動噪聲很大。引起汽輪發電機振動噪聲的徑向電磁激振力中，最明顯的是頻率與極頻相關的分量，也就是供電頻率2倍的頻率徑向電磁激振力。到目前為止，還沒有解決電機振動和噪聲的較好的方案。其它的永磁同步電機、無刷直流電機、汽輪發電機等也存在類似的問題。

如圖1、圖2所示，已有的汽輪發電機包括定子機座1、定子鐵芯2、定子繞組3、定子齒4、轉子勵磁繞組5、轉子鐵心6、轉子軸7和軸承8。其中，定子機座1可採用常規電機的安裝方式固定，定子鐵芯2固定設置在定子機座1內，定子鐵芯2是電機磁路的一部分，定子繞組3固定設置在定子鐵芯2的定子齒4之間。轉子鐵芯6與轉子軸7為一體結構,轉子軸7能夠與轉子鐵芯6一起繞軸心旋轉，轉子軸7通過軸承8固定設置在定子機座1內，轉子鐵芯6的外圓周上均勻開設若干槽，槽內設置轉子勵磁繞組5。

已有的汽輪發電機定子鐵芯2和轉子鐵芯6可以採用直槽工藝。就電機內部的徑向電磁激振力而言，已有的汽輪發電機與普通同步電機或者永磁電機一樣，存在著頻率與極數成正比的極頻徑向電磁激振力。

汽輪發電機內部的磁場由轉子鐵芯6的N極出發，經過定轉子之間的氣隙、定子齒4、再沿圓周方向經過定子鐵芯2，再經過定子齒4，最後回到轉子鐵芯6的S極，如圖3的磁力線11所示，是將定子切開展開成平面得到的，磁力線以二維的形式表示。該電機的磁場只存在徑向和圓周方向的磁場，不存在軸向的磁場。

電機運行時，轉子勵磁繞組通入直流電，建立磁場，當轉子旋轉時，定子繞組感應電動勢，接負載後產生三相交流電，三相交流電形成旋轉磁場，該旋轉磁場與轉子同步旋轉。此時電機氣隙徑向磁密波形如圖4的bδ1所示，該磁密波形為圖3的C-C截面上一對極下範圍內的波形，縱坐標b為氣隙磁密，縱坐標σ徑向電磁激振力密度，橫坐標α為氣隙各個位置的圓周角，Bδm為氣隙磁密的峰值。該氣隙磁密波bδ1為平頂波。該磁場作用在定子鐵心內圓上，產生徑向電磁激振力，該激振力是引起定子鐵心振動的根源。磁密波產生的徑向電磁激振力與磁密的平方成正比，徑向電磁激振力以徑向電磁激振力密度衡量，此時的徑向電磁激振力密度波如圖4的σ1所示。可見徑向電磁激振力密度波σ1變化的次數為磁密波變化次數的兩倍，其引起的振動的頻率等於極數與轉速的乘積，故稱之為極頻。正是這樣變化的激振力在定子上引起振動。

由上面極頻電磁激振力產生的原理可見，它是電機內固有的電磁激振力，電機產生轉矩需要磁場，該磁場必然產生徑向電磁激振力。前人對減小徑向電磁激振力進行了很多研究，都沒有很好的方法。有些方法只能是降低電機性能來實現減小徑向電磁激振力，其中較為簡單的方法就是減小氣隙磁密，徑向電磁激振力將平方倍的減小。但是這樣做的直接後果就是電機的體積重量會增大，所以也不是很好的解決方案。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種定子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發電機，能減小定子電磁激振力和振動噪聲。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種定子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發電機，其包括定子機座、定子鐵芯、定子齒、轉子勵磁繞組、轉子鐵心、轉子軸和軸承；所述定子鐵芯固定設置在所述定子機座內，所述轉子鐵芯與所述轉子軸為一體結構，所述轉子軸通過所述軸承固定設置在所述定子機座內，所述轉子鐵芯的外圓周上均勻開設若干槽，所述槽內設置有所述轉子勵磁繞組；其特徵在於：還包括第一定子繞組和第二定子繞組；所述第一定子繞組和第二定子繞組固定設置在所述定子鐵芯的所述定子齒之間形成的定子槽內，所述第一定子繞組和第二定子繞組在所述定子槽中呈上下層布置。

所述定子鐵芯採用兩段式結構，兩段式結構的所述定子鐵芯由第一段定子鐵芯和第二段定子鐵芯構成。

所述第二定子繞組也採用兩段式結構，所述第二定子繞組由第二定子繞組第一段和第二定子繞組第二段構成；所述第二定子繞組第一段布置在所述第一段定子鐵芯上，所述第二定子繞組第二段布置在所述第二段定子鐵芯上。

所述第二定子繞組第一段和第二定子繞組第二段反向通電。

所述第一定子繞組貫穿所述第一段定子鐵芯和第二段定子鐵芯。

所述第一定子繞組、轉子鐵心、轉子勵磁繞組均分為兩段。

所述定子鐵芯採用多段式結構，所述第二定子繞組也採用多段式結構；所述第一定子繞組貫穿各段定子鐵芯，各段第二定子繞組單獨供電，軸向相鄰的各段第二定子繞組通入反向電流。

所述定子機座採用具有導磁性的材料製成。

在所述定子鐵芯的定子齒對應的鐵芯軛部開設有孔，在所述孔中緊密地插入導磁材料的棒。

所述轉子鐵心採用斜槽結構或無槽繞組結構，或所述定子鐵芯採用無槽繞組結構。

本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明由定子機座、定子鐵芯、第一定子繞組、第二定子繞組、定子齒、轉子勵磁繞組、轉子鐵心、轉子軸和軸承構成。第一定子繞組為普通繞組貫穿定子鐵芯，定子鐵芯和第二定子繞組軸向分為多段，軸向相鄰的第二定子繞組通入反向電流。第二定子繞組產生的磁場可以填補勵磁繞組和第一定子繞組產生的磁場的缺口，減小電機圓周上磁場絕對值的變化，可以使定子鐵芯受到的徑向電磁激振力變化減小，從而減小定子鐵芯的變形和振動。2、本發明採用導磁的定子機座，使第二定子繞組產生的軸向磁通經過的磁路的磁阻大大減小，軸向磁場得到增強，第二定子繞組利用效率提高。3、本發明在定子鐵芯上開孔布置導磁棒，避免使用導磁機座，同時使第二定子繞組產生的軸向磁通經過的磁路的磁阻大大減小，軸向磁場得到增強，第二定子繞組利用效率提高，使電機結構更為緊湊。4、本發明轉子可以採用多斜槽結構，消除轉子開槽引起的電磁激振力，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的。5、本發明定子可採用無槽繞組結構，定子鐵芯不開槽，徹底消除定子受到的槽頻徑向電磁激振力，與軸向相鄰段反向通電繞組相配合，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的，實現完美結合。

基於以上優點，本發明可以廣泛應用於大型發電機、艦船電站發電機、家用電器、醫療儀器、工業生產、製造業和民用領域的電機系統、航空航天電機電器設備領域、艦船輔助機械和艦船推進等系統領域以及可移動電氣系統領域，對系統的減振降噪具有重要意義。

附圖說明

圖1是已有的汽輪發電機的橫截面示意圖，是圖2的B-B切面圖；

圖2是已有的汽輪發電機的軸向截面示意圖，是圖1的A-A切面圖；

圖3是圖2電機展開為平面後磁場的示意圖；

圖4是圖3的C-C截面上的磁密分布和徑向電磁激振力密度波分布圖；

圖5是本發明的汽輪發電機的軸向橫截面示意圖，是圖6的C-C切面圖；

圖6是本發明的汽輪發電機的截面示意圖，是圖5的A-A和B-B切面圖；

圖7是本發明汽輪發電機兩段定子上第二定子繞組的布置和其通電產生磁場的磁力線圖；

圖8是圖7的E-E截面上的磁密分布和徑向電磁激振力密度波分布圖；

圖9是本發明汽輪發電機兩段定子上第二定子繞組的布置的另一種形式和其通電產生磁場的磁力線圖；

圖10是本發明定子鐵芯開孔加軸嚮導磁棒的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。

如圖5、圖6所示，本發明提供一種定子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發電機，其包括定子機座1、定子鐵芯20、第一定子繞組3、第二定子繞組30、定子齒4、轉子勵磁繞組5、轉子鐵心6、轉子軸7和軸承8。其中，定子機座1可採用常規電機的安裝方式固定，定子鐵芯20固定設置在定子機座1內，定子鐵芯20是電機磁路的一部分，第一定子繞組3和第二定子繞組30固定設置在定子鐵芯20的定子齒4之間形成的定子槽內，第一定子繞組3和第二定子繞組30在定子槽中呈上下層布置。轉子鐵芯6與轉子軸7為一體結構，轉子軸7能夠與轉子鐵芯6一起繞軸心旋轉，轉子軸7通過軸承8固定設置在定子機座1內，轉子鐵芯6的外圓周上均勻開設若干槽，槽內設置有轉子勵磁繞組5。

其中，定子鐵芯20可以採用兩段式結構，相對應的，第二定子繞組30也採用兩段式結構；第一定子繞組3與普通汽輪發電機的繞組相同，即第一定子繞組3貫穿各段定子鐵芯。兩段式結構的定子鐵芯20由第一段定子鐵芯21和第二段定子鐵芯22構成；第二定子繞組30由第二定子繞組第一段31和第二定子繞組第二段32構成。第二定子繞組第一段31布置在第一段定子鐵芯21上，第二定子繞組第二段32布置在第二段定子鐵芯22上。相應的，第一定子繞組3、轉子鐵心6、轉子勵磁繞組5也都可以分別設置為兩段。

在一個優選的實施例中，第二定子繞組30的跨距可根據需要進行設置，關鍵在於第二定子繞組30的第二定子繞組第一段31和第二定子繞組第二段32反向通電，該線圈通電產生磁場可填平勵磁繞組5和定子繞組3產生的磁場的缺口。

在一個優選的實施例中，定子鐵芯20還可以採用多段式結構，所分段數可以根據需要設置。相對應的，第二定子繞組30也採用多段式結構；第一定子繞組3貫穿各段定子鐵芯。各段第二定子繞組單獨供電，軸向相鄰的各段第二定子繞組通入反向電流。

在一個優選的實施例中，與已有的汽輪發電機不同，為了使軸向磁路磁阻小，定子機座1採用具有導磁性的材料製成。

在一個優選的實施例中，作為定子機座1採用導磁材料製成的一種替換，如圖10所示，還可以採用在定子鐵芯20的定子齒4對應的鐵芯軛部開設有圓孔14，在圓孔14中緊密地插入導磁材料的棒以對反向通電線圈產生的軸向磁場進行導通，減小磁路磁阻。顯然，圓孔14也可以改為其他形狀而不影響效果，不應排除在本發明的保護範圍之外。

在一個優選的實施例中，轉子鐵心6可以採用斜槽結構，消除轉子開槽引起的電磁激振力，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的。

在一個優選的實施例中，轉子鐵心6也可以採用無槽繞組結構。

在一個優選的實施例中，定子鐵芯20可以採用無槽繞組結構，定子鐵芯不開槽，徹底消除定子受到的槽頻徑向電磁激振力，與軸向相鄰段反向通電繞組相配合，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的，實現完美結合。

實施例1：

如圖7所示，為本發明汽輪發電機兩段定子鐵芯上第二定子繞組30的布置和其產生磁場的磁力線圖。本實施例中以2極電機為例進行說明，定子24槽。第二定子繞組第一段31為6個線圈A1、A2、A3、A4、A5和A6，稱為A組線圈，A組線圈周向分布，每個線圈節距為1/3，跨60度電角度。第二定子繞組第二段32為6個線圈B1、B2、B3、B4、B5和B6，稱為B組線圈，B組線圈周向分布，每個線圈節距為1/3，跨60度電角度。A組和B組線圈同序號的沿軸向排列，第二定子繞組第一段31和第二定子繞組第二段32的同序號的沿軸向排列的兩個線圈通入電流的方向相反，使電流產生的磁場為軸向磁場。圖5中電機第一段上的A-A和電機第二段上的B-B截面都為圖6所示，兩段之間的區別在於第二定子繞組的供電方式上。

如果將坐標系的原點設置在線圈A2和線圈B2的線圈軸線上，電機的第一定子繞組3通電，以及轉子勵磁繞組5通電產生主磁場，此時一對極下範圍內相應的氣隙徑向磁密波形bδ1為近似120度電角度的平頂波，如圖8的bδ1所示。該磁場作用在定子鐵心內圓上，產生徑向電磁激振力，該激振力是引起定子鐵心振動的根源。磁密波產生的徑向電磁激振力與磁密的平方成正比，徑向電磁激振力以徑向電磁激振力密度衡量，此時的徑向電磁激振力密度波如圖8的σ1所示。可見徑向電磁激振力密度波σ1變化的次數為磁密波變化次數的兩倍，其引起的振動的頻率等於極數與轉速的乘積，故稱之為極頻。正是這樣變化的激振力在定子上引起振動。

由上述分析可見，極頻徑向電磁激振力引起振動的原因是定子鐵芯受變化的力，而力的變化是由於磁場正負變化，在正負變化磁場中磁場反向的區間有一段為零或接近零的範圍。本發明正是由將該接近零的範圍變為與其他範圍的磁密相同，從而使定子鐵芯感受到的磁密的絕對值不變化，徑向電磁激振力不變化以減小電機定子的振動。

第二定子繞組30均勻布置在定子鐵芯20上，為說明方便，取第二定子繞組30的節距為1/3，即跨距為60度電角度。如圖7所示，圖7中第二定子繞組第一段31和第二定子繞組第二段32的繞組布置相同。第二定子繞組第一段31和第二定子繞組第二段32的對應繞組通電方向相反，電流大小相同，即A1和B1的電流相反，大小相同。

此時沿圖5的第一段電機B-B截面上一對極下範圍內的氣隙徑向磁密波形如圖8所示，圖8為圖7對應E-E截面上的磁密波形。此時線圈A5和B2通入負電流、線圈A2和B5通入正電流，電流大小相同，其他線圈電流為零。

沿圖5的第二段電機A-A截面上一對極下範圍內的氣隙徑向磁密波形與第一段電機B-B截面上一對極下範圍內的氣隙徑向磁密波形類似。此時兩段電機上產生的徑向電磁激振力相同。

本發明的電機設置兩段定子鐵芯、布置兩段第二定子繞組的目的是增加供電的靈活性，本發明的線圈A1和B1同時通電、線圈A2和B2同時通電、線圈A3和B3同時通電、線圈A4和B4同時通電、線圈A5和B5同時通電、線圈A6和B6同時通電，電流大小相同，方向相反。以線圈A5和B2通入負電流、線圈A2和B5通入正電流的時候為例說明，此時這四個線圈產生的磁場具有軸向分布的特點，其磁力線如圖7中的虛線箭頭12所示。這些電流會產生如圖8所示的徑向磁密波bδ2，該磁密波位於徑向磁密波形bδ1的兩極之間，磁力線走向與徑向磁密波形bδ1不同，為軸向。該bδ2磁密波將產生徑向電磁激振力密度波σ2。此時在B-B截面上一對極下範圍內的徑向電磁激振力密度波σsum為σ1和σ2的疊加，σsum在圖8中畫出，徑向電磁激振力密度波σsum基本不變。這樣的效果是定子齒9受到的徑向電磁激振力密度波σsum為大小基本不變的力，該大小不變化的力作用在定子鐵芯2上將產生形變，但不產生振動。實際上徑向電磁激振力密度波σsum並不是大小完全不變，但其波動已很小，與普通汽輪發電機相比，定子受到的與極數有關的徑向電磁激振力密度波將大幅減小，達到減小徑向電磁激振力和減振的目的。

需要說明的是，A組線圈和B組線圈的序號相同的線圈要同時通電，電流大小相同，方向相反，且通電的時刻需要為轉子勵磁繞組和第一定子繞組在該線圈所處產生的磁場接近零，磁場較小的時候。線圈中通入的電流在通電期間為直流電，在兩次通電期間可以變化方向，也可以不變化方向，不影響本發明的效果。

線圈產生的磁場和定子受力情況在A-A截面上也將產生相同的效果。

實際上在汽輪發電機中定子繞組的通電為三相輪流通電，三相交流電互差120度電角度，形成的磁場在空間中會移動。上述過程只是取了一個時刻說明，實際上，電流隨時間變化，磁場也隨時間變化，若經過60度電角度的時間，此時電機第一段和第二段改為線圈A6和B3通入負電流、線圈A3和B6通入正電流，電流大小相同，其他線圈不通電，建立的磁場相對於之前的位置向右移動了60度電角度。這兩組線圈產生的磁場仍為軸向磁場性質，該磁場填平第一定子繞組3產生的近似120度寬的圓周方向的磁場正負變化產生的磁場缺口，使電機鐵芯感受到的磁場絕對值不發生變化。

實施例2：

如圖9所示，是本發明汽輪發電機兩段定子上繞組的布置的另一種形式和其通電產生磁場的磁力線圖，其中只畫出了第二定子繞組30的繞組布置。將圖7中的線圈A1和B1之間反向連接，形成線圈A1，通入電流後產生與上述實施例1相同的軸向的磁場。此時定子鐵芯仍分為兩段。類似地構成其他線圈，布置在電機整個圓周上。

上述各實施例中為了敘述方便和理解方便，未將轉子鐵芯和轉子繞組進行分段，但實際上也可以分為兩段。

綜上所述，本發明不僅可以用於汽輪發電機中，也可以應用於永磁同步電機、無刷直流電機或同步電機等。本發明的電機的相數不限於三相繞組，可以為多相繞組，如五相，九相，十二相，十五相，等等。

上述各實施例僅用於說明本發明，各部件的結構、數量、尺寸、設置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發明的保護範圍之外。