Стрижень обмотки машин змінного струму

35637 Изобретение относится к короткозамкнутому на концах стержню обмотки машин переменного тока с расширенным уравниванием полей, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения. В изобретении приведена ссылка на уровень техники, описанный, например, в патенте ФРГ № 1488769. Стержень обмотки машин переменного тока, короткозамкнутый на концах с расширенным уравниванием полей состоит из множества изолированных друг от друга и скрученных между собой по принципу Ребеля частичных проводников, причем частичные проводники как на обоих отрезках торцевых хомутов, так и на отрезке активной части скручены между собой. Классический стержень Ребеля имеет скрутку на 360° в пазовой части. В торцовых хомута х частичные проводники проходят параллельно, т.е. не скручены. Однако очень скоро было обнаружено, что, также за пределами паза, стержни подвержены воздействию переменных полей, проходящих через торцовые хомуты с широкой стороны (поперечные составляющие) и с узкой стороны (радиальные составляющие). Для предотвращения дополнительных потерь, за счет торцового поля статора, торцовые хомуты разделены на изолированные друг от друга частичные проводники. Однако при этом все еще возникают потери за счет так называемых петлевых токов, замыкающихся через соединительную гильзу на концах стержня. По этой причине был предложен ряд специальных скруток, относящихся как к пазовой или активной части стержня, так и к его части с торцовыми хомутами. Г.Найдхефер дает в названной книге в разделе 3.3 «Roebelstäbe mit erweiteryem Feldausgleich» почти полный обзор различных возможностей достижения расширенного уравнивания полей и устранения, тем самым, крупных разностей температур, а также локальных перегревов внутри стержня. Особенно экономичным решением является при этом скрутка на 90°/360°/90°, т.е. частичные проводники в обоих торцовых хомута х скручены, соответственно, на 90°, а частичные проводники в активной части - на 360° (см. патент ФРГ № 1488769). Поскольку у машин с короткой длиной активной части, например, гидрогенераторов, общая длина машины увеличивается за счет скрутки в торцовых хомутах, и опирание далеко выступающих торцовых хомутов является очень сложным, в отчете о конференции ISS M-93 «Proceedings of the International Symposium on Salient-Pole-Machi-nes», 10-12.10.93, WUHAN, China, стр. 384-389, в докладе Су Шаньчуня и др. «A new transposition technique of stator bars of the hydrogenerator» предложен совершенно новый путь для расширенного уравнивания полей, а именно: так называемая недокрутка («non-360° transposition» или «incompiete transposition») или так называемая пустая длина («transposition with a void») в активной части в комбинации с нескрученными частями торцовых хомутов. За счет каждой из обеих «специальных скруток» достигается заметное уменьшение петлевых токов, и они, согласно выводам отчета о конференции, должны резко уменьшить разности температур вн утри стержня. Исходя из описанного уровня техники, в основе изобретения лежит задача создания скрученного стержня статорной обмотки с расширенным уравниванием полей, который обеспечивает еще большее подавление петлевых токов и, тем самым, сглаживание температурного профиля в проводящем стержне. Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что частичные проводники, в части с торцовыми хомутами, имеют скрутку 60-120°, а на отрезке активной части предусмотрена недокрутка, т.е. скрутка на отрезке активной части выполнена равномерной и менее чем на 360° или, при полной скрутке на 360°, на отрезке активной части в середине активной части предусмотрена пустая длина, т.е. нескрученный отрезок, тогда как скрутка в активной части вне этого нескрученного отрезка выполнена в виде равномерной скрутки на 180°. Общее использование частичных технических решений, согласно патенту ФРГ № 1488769 (специальная скрутка на 90°/360°/90°), и недокрутки (пустой длине в активной части), согласно докладу Су Шаньчуня и др. в упомянутой публикации, приводит к созданию проводящего стержня, который обеспечивает вполне предсказуемое, практически полное подавление петлевых токов, чем достигается повторное сглаживание температурного про-филя в проводящем стержне. Изобретение может применяться во всех машинах средней и большой мощности, например, турбоили гидрогенераторах. Сущность изобретения более подробно поясняется ниже - с помощью чертежа и примеров осуществления. На чертеже изображено: фиг. 1 - схематичный вид сверху на известный стержень Ребеля с расширенным уравниванием полей и со скруткой на 90°/360°/90°; фиг. 2 - диаграммы стержней Ребеля с различной скруткой для пояснения действия собственного поля, а именно: для стержня Рёбеля с известной скруткой на 90°/360°/90° (фиг. 2а), с пустой длиной (фиг. 2в) и с недокруткой (фиг. 2с); фиг. 3 - диаграммы стержней Ребеля с различной скруткой для пояснения действия постороннего поля, а именно: для стержня Ребеля с известной скруткой на 90°/360°/90° (фиг. 3а), с пустой длиной (фиг. 3в) и с недокруткой (фиг. 3с); фиг. 4 - схематично - половина недокрученного стержня с пятью частичными проводниками на столбик со скруткой на 324°. Стержень Ребеля на фиг. 1 состоит из электрически изолированных друг от друга частичных проводников 1, электрически и механически соединенных на концах кольцами 2, 3. Он состоит из двух отрезков 4, 5 торцовых хомутов в левой и правой лобовых частя х обмотки и отрезка 6 активной части. Последний полностью находится в пазах (не показаны) в пакете 7 железа статора (активная часть) электрической машины. Оба отрезка 4, 5 торцовых хомутов скручены каждый на 90°, а активная часть 6 на 360°. 35637 Схематичная диаграмма на фиг. 2а и 3а для стержня Ребеля со скруткой на 90°/360°/90° на фиг. 1 показывает расположение пяти, в данном примере частичных, проводников а-f и q на каждый столбик частичных проводников в левом торцовом хомуте 4, в активной части 6 и в правом торцовом хомуте 5. Хорошо видно, как отдельные проводники в активной части 6 в пазу занимают каждый свое положение (скрутка на 360°), тогда как в торцовых хомута х они скручены на 90°. Частичный проводник d в обоих торцовых хомута х 4, 5, в целом, позиционирован длиннее всего в направлении ротора R. Другие частичные проводники позиционированы с меньшей длиной в направлении ротора 1. Как следует из известного действия электромагнитного поля на торцовые хомуты нескрученного стержня, частичный проводник d нагружен наибольшим током, а остальное, - соответственно, меньшим. Для понимания изобретения достаточно констатировать, что при скручивании на 90°/360°/90° собственное поле лобовой части обмотки полностью компенсировано, тогда как ее постороннее поле уравнивается лишь частично (см. упомянутую публикацию, в частности стр. 74, рис. 24 и соответствующий текст на стр. 75). Здесь может помочь изобретение. Если у скрученного в торцовых хомута х 4, 5 на 90° проводящего стержня образовать отрезок 6 активной части с недокруткой, т.е. со скруткой менее чем на 360°, или в середине активной части предусмотреть пустую длину (нескрученный отрезок) со скруткой на 360° вне пустой длины, то те частичные проводники, которые пропускают высокие токи, оставляют на дне паза более длинными. Тогда они отдают ток частичным проводникам, более близким к отверстию паза, т.е. расположенным ближе к ротору R. Это, однако, именно те проводники, которые пропускают меньший ток. Таким образом, достигается почти полностью равномерное распределение тока в проводящем стержне. Оба варианта - пустая длина и недокрутка - схематично изображены на обеих диаграммах на фиг. 2в, 3в и на фиг. 2с, 3с, в сравнении с известным стержнем Ребеля со скруткой на 90°/360°/90° на фиг. 2а, 3а, причем фиг. 2а, 2в, 2с относятся к случаю собственного поля, а фиг. 3а, 3в, 3с - к случаю постороннего поля. Диаграммы опираются при этом на принятое в литературе изображение стержней Ребеля, используемое, например, также в приведенном выше патенте ФРГ № 1488769. Так, сплошные линии, проходящие слева вверх и справа вниз, обозначают дорожки частичных проводников, находящиеся, при виде сбоку двухплоскостного стержня (фиг. 1), на его передней стороне. Прерывистые линии обозначают дорожки на задней стороне, т.е. во второй плоскости частичных проводников. Далее на фиг. 2а-2с изображены: соответствующая характеристика ВЕ собственного поля ВFe в активной части и собственного поля ВWK в лобовой части обмотки по высоте стержня. Минус и плюс в кружочке обозначают знак индуктированных в частичных поверхностях элементарных петель напряжений с учетом направления вращения поверхностных контуров, а также направление проходящего через них потока. Поверхности, обозначенные на фиг. 2а, 3а знаком вопроса в кружке, символизируют некомпенсированную часть на нескрученном переходе от активной части 6 к торцовым хомутам 4, 5. На фиг. 3а-3с показано положение двенадцати частичных проводников а-1 на концах стержня. Прежде чем более подробно изложить изобретение, следует пояснить следующие случаи полей. Как видно, у стержня со скруткой на 90°/360°/90° на фиг. 3а, в случае постороннего поля, остается некомпенсированной петлевая часть (знак вопроса в двойном кружке). Эта некомпенсированная часть создает петлевые токи, распределенные по высоте стержня синусообразно (асимметрично). Целью пустой длины/недокрутки в активной части является уравнивание этого остатка. Как поясняется ниже, это уравнивание удается тогда, когда в активной части 6 создается неуверенная часть (обозначенная знаком «+» в двойном кружке), противодействующая неуравненной части в торцовом хомуте 4, 5 (обозначена знаком «-» в двойном кружке). Здесь следует заметить, что этот механизм функционирует только тогда, когда поле лобовой части обмотки на месте стержня и поле паза в активной части приблизительно равнофазны. Это тот случай, когда, как известно, в активной части и в торцовых хомута х вытеснение тока происходит в одном направлении (радиально внутрь), что объясняется равнофазными полями. Относительно большие неуравненные петлевые части в лобовой части обмотки могут быть компенсированы относительно малыми ответными петлями в активной части, поскольку поперечное поле паза значительно сильнее. В случае собственного поля на фиг. 2а-2с видно, что у стержня со скруткой на 90°/360°/90° петли полностью компенсированы. Лишь нескрученные части стержня, например, на отрезке активной части, возникают остаточные напряжения для петлевых токов. Пустая длина 8 в активной части 6 создает петлевые напряжения, образующие петлевые токи, распределенные относительно высоты стержня косинусообразно (симметрично). Эффект нескрученных частей стержня лобовой части обмотки, непосредственно на выходе активной части, был усилен. В противоположность этому, недокрутка в активной части вызывает обратное. Некомпенсированные части в лобовой части обмотки противолежат некомпенсированной части в активной части и взаимно компенсируют друг др уга, причем эта компенсация происходит не на 100%, и недокрутка в активной части ориентирована на компенсацию постороннего поля лобовой части обмотки. Может возникнуть впечатление, что, благодаря изобретению, в одном месте достигается улучшение (постороннее поле), а в др угом - ухудшение (собственное поле). В действительности это так и есть. Если же рассматривать оба этих факта вместе, то, в целом, происходит улучшение, в частности при недокрутке. Проводящий стержень на фиг. 2в и 3 в имеет в середине М активной части пустую длин у 8, т.е. отрезок, на котором частичные проводники а-1 параллельны. Вне этой зоны 8 слева и справа от пустой длины скрутка составляет, соответственно, 180°. Осевая длина lV этой пустой длины 8 зависит в первом приближении от величины вылета lWK лобовой части обмотки. С помощью современных методов расчета можно у конкретной машины сравнительно точно определить эту пустую длину, однако в качестве ориентировочного значения можно указать, что величина lV должна составлять 5-10%, максимум - 15% 35637 величины lWK для достижения практически полного (расширенного) уравнивания полей в лобовой части обмотки. В качестве второго ориентировочного значения для расчета пустой длины 8 у турбогенераторов можно указать, что она может составлять до 10% длины lFe активной части. Проводящий стержень на фиг. 2с и 3с имеет в активной части недокрутку, т.е. скрутку, отклоняющуюся вниз от обычной скрутки на 360°. У изображенного на фиг. 4 проводящего стержня с, соответственно, пятью частичными проводниками 1 на столбик, т.е. в общей сложности с десятью частичными проводниками, скрутка составляет 9/10 от 360°, т.е. 324°, а недокрутка, соответственно, - 36°, что у такого стержня представляет собой в то же время минимальную недокрутку. Реальные стержни Ребеля имеют гораздо большее число частичных проводников, которое обычно составляет 80-120 на стержень. Таким образом, у стержня с n-ым числом частичных проводников и скруткой на 360° в активной части минимальная недокрутка V = 360°/n составляет порядка 4,5° при 80 частичных проводниках и 3° - при 120 частичных проводниках на стержень. Аналогично расчету п устой длины, степень недокрутки в первом приближении также зависит от вылета лобовой части обмотки. Чем больше этот вылет, тем сильнее влияние торцового поля в лобовой части обмотки и, соответственно, тем выше должна быть степень недокрутки в активной части. Как и при расчете пустой длины, здесь с помощью современных методов расчета у конкретной машины можно сравнительно точно определить степень недокрутки, однако в качестве ориентировочного значения она должна составлять в угловы х градусах 10-15° для достижения практически полного (расширенного) уравнивания полей в лобовой части обмотки. Выше рассуждения всегда исходили из скрутки в торцовых хомута х на 90°. Обширные расчеты показали, что даже при отклонениях ±30°, т.е. скрутках 60-120° на отрезках 4, 5 торцовых хомутов, в комбинации с пустыми длинами или недокруткой в активной части 6, достигается практически полное уравнивание полей в лобовой части обмотки. В принципе можно изготовлять стержни, которые при указанной скрутке на отрезке торцовых хомутов имеют, помимо пустой длины, также недокрутку. Изготовлять подобные проводящие стержни сложно, однако для особых случаев это вполне приемлемо. 35637 Фиг. 1 35637 Фиг. 2а Фиг. 2в Фиг. 2с 35637 Фиг. 3а Фиг. 3в Фиг. 3с 35637 Фиг. 4