СТЕРЖЕНЬ ОБМОТКИ СТАТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электромашиностроению, более конкретно к конструкции стержня обмотки статора электрической машины переменного тока, в частности турбо- или гидрогенераторов.
Стержни статорной обмотки электрической машины переменного тока выполняются из многих относительно малых по сечению элементарных изолированных проводников, которые переплетаются друг с другом, образуя транспозицию в пазовой и лобовых частях (при наличии), обеспечивая компенсацию циркуляционных токов.
Известно, что стержни статорных обмоток электрических машин с водяным или газовым охлаждением состоят из нескольких групп, включающих в себя различные типы проводников - сплошные и полые элементарные проводники, расположенные плашмя один над другим и собранные в столбцы.
Известен «Стержень статорной обмотки» (Авторское свидетельство СССР №512542, Н02К 3/14, опубликован 30.04.1976 г.), который содержит транспонированные пазовую и лобовую части с одним шагом транспозиции между различными типами проводников для каждого участка, лобовая часть каждого стержня разделена на два участка. На каждом участке различный шаг транспозиции, при этом угол α транспозиции на всей лобовой части равен 90° (1+К), где К - четное число, но между различными типами проводников шаг транспозиции постоянный. Из-за различия поперечных сечений полых и сплошных проводников возникают сложности при сложении сплошных проводников по высоте с полыми проводниками. В известном решении транспозиция выполнена с различными шагами транспозиции на различных участках лобовой части, но с одинаковым шагом для полых и сплошных проводников.
На этапе электромагнитного и теплового расчетов определяется чередование проводников в столбце на один полый два сплошных, затем на один полый три сплошных и так далее. В результате формируется сечение плетеного стержня. При изготовлении стержня сложно добиться совпадения по высоте полых и сплошных проводников, поэтому в зонах транспозиции такое несовпадение ведет к повреждению собственной изоляции проводников и деформации сечения полого элементарного проводника.
Известен «Стержень статорной обмотки электрической машины» (Авторское свидетельство СССР №858179, Н02К 3/14, опубликовано 23.08.1981 г.), который содержит полые и сплошные элементарные проводники, транспонированные в пазовой и лобовой частях. На двух различных по длине участках лобовых частей транспозиция выполнена с равномерным шагом, рассчитанным для каждого участка по конкретным формулам, но с различными углами для каждого участка лобовой части. Недостаток таких стержней заключается в том, что изготавливаются они с одним шагом транспозиции по всей длине стержня для двух различных типов элементарных проводников. В силу того, что полый и сплошной проводники имеют различную высоту (различные сечения), при сборке проводников в столбцы и последующей опрессовке пазовой части возникают местные напряжения элементарных проводников, которые могут повлиять на надежность эксплуатации электрической машины, так как не исключена возможность повреждения собственной изоляции элементарных проводников, а также деформация сечения полого проводника, в зонах транспозиции.
Известен «Стержень статора электрической машины» (Авторское свидетельство СССР №991913, Н02К 3/22, опубл. 15.11.1984). Стержень содержит два столбца, состоящих из полых и сплошных проводников, из которых сплошные проводники расположены в каждом столбце один над другим и транспонированы в пазовой части как единое целое с полыми проводниками. Крайние пары из расположенных один над другим в пазовой части в одном столбце сплошных проводников размещены в соседних столбцах поверх полых проводников. Однако такой вариант эффективен только в случае совпадения по высотам полого и, например, двух сплошных проводников, и только в таком варианте при транспозиции с одним шагом для элементарных проводников разного типа не будут возникать местные напряжения и деформации сечения полого проводника в зонах транспозиции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является «Стержень обмотки статора электрической машины переменного тока» (Авторское свидетельство СССР №771805, Н02К 3/14, опубл. 15.10.1980 г.). Стержень содержит два столбца изолированных элементарных проводников (сплошных и полых), транспонированных на 540° на длине пазовой части, разделенной на два крайних участка транспозиции длиной, равной одной четверти длины пазовой части стержня, и один средний участок с длиной, равной половине длины пазовой части стержня. На среднем участке транспозиция элементарных проводников выполнена раздельной (каждый элементарный проводник (сплошной или полый) в одном столбце на этом участке транспонирован по отдельности в соседний столбец, однако шаг транспозиции для любых элементарных проводников на среднем участке выполнен одинаковым). На крайних участках транспозиции каждые два элементарных проводника, расположенных в столбце друг над другом, транспонированы с третьим смежным проводником в этом столбце.
Данная конструкция стержня имеет лучшую технологичность, так как не все переходы транспозиции осуществляются парными проводниками и, в случае использования разновысоких элементарных проводников, например, полых и сплошных, производство стержней облегчается. Технологичность изготовления стержня улучшается за счет того, что высокие элементарные полые проводники, как правило, комплектуются с низкими в количественном соотношении 1:2, и соотношение размеров по высоте этих же проводников равно 2:1. Перегиб каждого одиночного проводника оказывается более простым и его высота уравновешивается перегибом парных проводников. Уменьшение спаренных проводников снижает уровень электромагнитных потерь. Однако, как и в предыдущем случае шаг транспозиции на каждом отдельно взятом участке остается постоянным для разного типа элементарных проводников. При несовпадении высот проводников при их различном сочетании может привести к возникновению местных напряжений в элементарных проводниках и деформации сечения полого проводника в зонах транспозиции. Что в свою очередь снижает эффективность охлаждения стержней обмотки и ведет к снижению эксплуатационной надежности.
Технический результат, на который направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении эксплуатационной надежности электрической машины переменного тока за счет исключения деформации сечения полых проводников в зонах транспозиции и исключения возникновения местных напряжений элементарных проводников в стержнях обмотки статора.
Указанный технический результат достигается тем, что стержень обмотки статора электрической машины переменного тока содержит два столбца изолированных элементарных проводников. Сплошные и полые элементарные проводники, расположенные в одном столбце, транспонированы каждый по отдельности в другой столбец. Величина шага транспозиции для каждого сплошного элементарного проводника, расположенного после сплошного элементарного проводника имеет одно значение, а величина шага транспозиции для каждого из двух последовательно расположенных соседних полого и сплошного элементарных проводников имеет другое значение.
Новым является то, что сплошные и полые элементарные проводники, расположенные в одном столбце, транспонированы каждый по отдельности в другой столбец с различным шагом транспозиции для соседних элементарных проводников с одинаковой и/или различной площадью сечения. Величина шага транспозиции для каждого сплошного элементарного проводника, расположенного после сплошного элементарного проводника имеет одно значение, а величина шага транспозиции для каждого из двух последовательно расположенных соседних полого и сплошного элементарных проводников имеет другое значение.
Введение различных шагов транспозиции для соседних элементарных проводников с одинаковой и/или различной площадью сечения позволило исключить деформации сечения полых проводников в зонах транспозиции, а также исключить возникновение местных напряжений элементарных проводников с различной площадью сечения (сплошной и полый проводники).
Величина шага транспозиции для каждого сплошного элементарного проводника, расположенного после сплошного элементарного проводника группы, рассчитывается по формуле:
,
1
где a - высота конкретного элементарного сплошного проводника в собственной изоляции;
L - длина участка транспозиции;
k - коэффициент, определяемый углом транспозиции (вновь введенный k=2 для 360°, k=4 для 540° и т.д.);
Н - высота столбца проводников (общая высота проводников в столбце).
2
Величина шага транспозиции В для каждого из двух последовательно расположенных соседних полого и сплошного элементарных проводников рассчитывается по формуле:
,
1
где a - высота сплошного элементарного проводника в собственной изоляции;
2
a - высота полого элементарного проводника в собственной изоляции;
L - длина участка транспозиции;
k - коэффициент, определяемый углом транспозиции (k=2 для 360°, k=4 для 540° и т.д.);
Н - высота столбца проводников (общая высота проводников в столбце).
Это может быть применено как по всей длине стержня, так и для любого участка стержня отдельно для пазовой и/или для лобовой части.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими графическими материалами.
1
2
На фиг. 1 - вид сверху, на узкую грань примера стержня с 50 элементарными проводниками, плетение различными шагами транспозиции B и В для сплошных и полых проводников.
На фиг. 2 - поперечный разрез А-А примера стержня с 50 элементарными проводниками без транспозиции элементарных проводников.
На фиг. 3 - поперечный разрез Б-Б пример стержня с 50 элементарными проводниками, транспозиция сплошных проводников.
На фиг. 4 - поперечный разрез В-В пример стержня с 50 элементарными проводниками, транспозиция полых проводников.
Рассмотрим на примере стержня обмотки статора турбогенератора с водородно-водяным охлаждением, который содержит сплошные проводники (поз. 1) и полые проводники (поз. 2). В сечении А-А проводники не транспонированы, в левом столбце расположены проводники 1-25, в правом - с 26 по 50. Нумерация проводников идет против хода часовой стрелки.
По результатам электромагнитного расчета турбогенератора элементарные проводники сгруппированы в 3 группы, в которых один полый проводник и два сплошных проводника, и 4 группы, в которых один полый проводник и три сплошных проводника.
Величина шага транспозиции для каждого элементарного проводника рассчитывается из данных, которые представлены в электромагнитном расчете.
В рассматриваемом примере, по результатам электромагнитного расчета, требуется выполнить транспозицию 360° в пазовой части стержня длиной L.
1
Рассчитываем шаг транспозиции B для сплошного элементарного проводника, идущего после сплошного проводника по формуле
,
1
1
где a - высота конкретного элементарного сплошного проводника в собственной изоляции, a=2,12 мм;
L - длина участка транспозиции, L=6000 мм;
k - коэффициент, определяемый углом транспозиции, для 360° k=2;
Н - высота столбца проводников до транспозиции (общая высота проводников в столбце), Н=75,7 мм;
1
B=(2,12·6000)/(2·75,7)=84 мм.
2
Рассчитываем шаг транспозиции В для каждого из соседних элементарных проводников, составляющих пару полый и сплошной проводники.
,
1
1
где a - высота сплошного элементарного проводника в собственной изоляции, a=2,12 мм;
2
2
а - высота полого элементарного проводника в собственной изоляции; а=5,36 мм;
L - длина участка транспозиции; L=6000 мм;
k - коэффициент, определяемый углом транспозиции для 360° k=2;
Н - высота столбца проводников до транспозиции (общая высота проводников в столбце), Н=75,7 мм;
2
В=((2,12+5,36)·6000)/(2·2·75,7)=148,2 мм.
1
2
2
1
2
2
1
2
2
1
При транспозиции 360°, по длине пазовой части стержня, каждый проводник в столбце поочередно поднимается (спускается) от места начала транспозиции - показано на фиг. 1 сечением А-А - к месту перехода из одного столбца в другой. В рассматриваемом примере первыми в другие столбцы переходят сплошные проводники №1 и №26 (фиг. 3) через расстояние B/2. Затем через расстояние В от места перехода сплошных проводников №1 и №26 к месту перехода в соседний столбец поднимается полый проводник №2 (фиг. 4) (опускается к месту перехода полый проводник №27 в другом столбце). Полые проводники №2 и №27 переходят в соседние столбцы. Затем через расстояние В от места перехода полых проводников №2, №27 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №3 (опускается к месту перехода сплошной проводник №28 в соседнем столбце). После них через расстояние B от места перехода сплошных проводников №3, №28 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №4 (опускается к месту перехода сплошной проводник №29 в другом столбце). Затем через расстояние В от места перехода сплошных проводников №4, №29 к месту перехода в соседний столбец поднимается полый проводник №5 (опускается к месту перехода полый проводник №30 в соседнем столбце). Далее через расстояние В от места перехода полых проводников №5, №30 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №6 (опускается к месту перехода сплошной проводник №31 в другом столбце). После них через расстояние B от места перехода сплошных проводников №6, №31 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №7 (опускается к месту перехода сплошной проводник №32 в другом столбце). Затем через расстояние В от места перехода сплошных проводников №7, №32 к месту перехода в соседний столбец поднимается полый проводник №8 (опускается к месту перехода полого проводника №33 в соседнем столбце). Далее через расстояние В от места перехода полых проводников №8, №33 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №9 (опускается к месту перехода сплошной проводник №34 в другом столбце). После них через расстояние B от места перехода сплошных проводников №9, №34 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №10 (опускается к месту перехода сплошной проводник №35 в другом столбце).
2
2
1
1
Затем через расстояние В от места перехода сплошных проводников №10, №35 к месту перехода в соседний столбец поднимается полый проводник №11 (опускается к месту перехода полого проводника №36 в соседнем столбце). Далее через расстояние В от места перехода полых проводников №11, №36 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №12 (опускается к месту перехода сплошной проводник №37 в другом столбце). После них через расстояние B от места перехода сплошных проводников №12, №37 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №13 (опускается к месту перехода сплошной проводник №38 в другом столбце). Далее через расстояние B от места перехода сплошных проводников №13, №38 к месту перехода в соседний столбец поднимается сплошной проводник №14 (опускается к месту перехода сплошной проводник №39 в другом столбце).
2
Затем через расстояние В от места перехода сплошных проводников №14, №39 к месту перехода в соседний столбец поднимается полый проводник №15 (опускается к месту перехода полого проводника №40 в соседнем столбце). И так далее, пока все элементарные проводники по длине участка L занимают положение от самого верхнего - №1 (самого нижнего - №26), спускаются вниз (понимаются вверх), переходя в соседний столбец, поднимаются вверх (спускаются вниз), занимают свое «исходное» положение в столбце как показано на сечении А-А.
Благодаря применению конструкции с различными шагами транспозиции для групп проводников различного типа исключается возможность деформации сечения полого проводника в зонах транспозиции и возникновение местных напряжений элементарных проводников при работе электрической машины, за счет чего повышается эксплуатационная надежность электрической машины.