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高壓發電機的定子結構設計特點

  高壓發電機同樣適用于傳統發電機的轉子結構,因此在商壓發電機中只有跟電機定子結構相關的設計需要改進。

  為了使發電機獲得高電壓輸出,電樞鐵芯的桁形開得很深,以保證每梢中能 夠安放足夠的電纜匝數。高壓發電機的定子由疊裝鋼片組成的層疊鐵芯組成,定 子槽的齒由外向內指向電機的轉子。為適應繞組絕緣厚度逐匝遞增的需要,槽型由多個直徑逐個遞增的圓相串而成,每個圓中安放一根電纜,這樣齒的寬度由里到外基本相等,使其中的磁場強度保持均勻,降低齒中的損粍。高壓發電機定子 的剖視圖及定子槽的溫度分布如圖1-4所示。

  對旋轉電機的設計進行優化時,設計磁路的槽和齒是其中非常關鍵的步驟。 對于像高壓發電機這樣的高壓發電機,串聯繞組匝數更多,需要有很深的槽。同時,應當將槽齒設計得盡可能寬,以降低電機內部的勵磁量和損耗。對電纜線圈而言,靠近轉子側部分不需要很厚的絕緣層,因此向著轉子方向槽的橫截面可以設計得較小;而對于遠離轉子的電纜線圈,其所需的絕緣層比較厚,在背著轉子方向,槽的橫截面應當設計得較大。

  事實上,高壓發電機繞組由大量不同尺寸的電纜繞制而成,繞組加工中的處理能力決定了每根電纜所能達到的最大長度,而電纜接頭的數目則取決于每根電纜的長度。用成型的高壓XLPE電纜制作定子繞組,同時在電纜和槽壁之間插入一個三角形硅橡膠管,以保證電纜的固定。每個槽里相隔一定距離就有一個圓形孔,兩圓孔之間形成窄的腰,像車鏈條,并且固定電纜的一側圓弧較小,造成其定子結構與傳統發電機明顯不同。特殊的定子槽形及采用多層同心式繞組,使得高壓發電機端部結構也比傳統發電機復雜。

  由于定子繞組電纜采用分級絕緣,定子齒寬的均勻性可以得到保證,通過這樣的設計,即使是疊壓鐵芯也可以得到優化利用。電纜穿過定子梢就可以形成繞 組,它的尺寸由系統電壓和電功中的最大值決定。定子繞組中的各匝繞組對地電位各不相同,因此各處繞組的尺寸也不相同。雖然電纜繞組不會出現槽內氣隙的放電和槽口處的電暈放電,但是最外層的股線應該有一個或者幾個采用不絕緣設計,使得內部半導體層 和股線的電勢相等。隨歡離壓發電機定子電壓的大幅提高,定子電流顯著低于同功率的常規發電機,這意味著端部繞組承受的機械力降 低,相對于常規發電機,繞組端部的固定問題得到明顯簡化。繞組電纜在高壓發電機定子槽中的固定方式如圖1-5所示。

  對常規發電機而言,其定子繞組采用雙層設計,槽齒比較短。相比之下,高壓發電機采用多層繞組設計,定子開槽很深, 而且齒很長,從機械角度而言,容易造成齒彎曲和剛度下降,導致低頻共振的產生。從確保電纜與疊壓鐵芯間具備有良好電接觸的角度出發,同時減少由于電纜在槽中振動所引起的半導體層磨損,電纜必須固定在齒槽內部。

  設計常規電機的原則是:以在滿足電機性能指標為前提,確定最佳幾何尺寸和參數,使制造成本最小化,這屬于優化設計的范疇。同樣地,高壓發電機的設 計也需要優化。例如,定子鐵芯和定子繞組的結構優化問題、較佳的性價比的選擇問題等。

  作為近年發展起來的新型發電設備,高壓發電機在提高機組容量和增加耐壓等級時需要首先解決一些理論問題,其中機械強度和機械振動是定子齒設計時首 要關心的問題,而機組的發熱和冷卻問題等也需要開展進一步的研究。



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