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高壓發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

  高壓發(fā)電機(jī)同樣適用于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),因此在商壓發(fā)電機(jī)中只有跟電機(jī)定子結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計需要改進(jìn)。

  為了使發(fā)電機(jī)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(shù)。高壓發(fā)電機(jī)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(nèi)指向電機(jī)的轉(zhuǎn)子。為適應(yīng)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(qiáng)度保持均勻,降低齒中的損粍。高壓發(fā)電機(jī)定子 的剖視圖及定子槽的溫度分布如圖1-4所示。

  對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化時,設(shè)計磁路的槽和齒是其中非常關(guān)鍵的步驟。 對于像高壓發(fā)電機(jī)這樣的高壓發(fā)電機(jī),串聯(lián)繞組匝數(shù)更多,需要有很深的槽。同時,應(yīng)當(dāng)將槽齒設(shè)計得盡可能寬,以降低電機(jī)內(nèi)部的勵磁量和損耗。對電纜線圈而言,靠近轉(zhuǎn)子側(cè)部分不需要很厚的絕緣層,因此向著轉(zhuǎn)子方向槽的橫截面可以設(shè)計得較小;而對于遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的電纜線圈,其所需的絕緣層比較厚,在背著轉(zhuǎn)子方向,槽的橫截面應(yīng)當(dāng)設(shè)計得較大。

  事實上,高壓發(fā)電機(jī)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(dá)到的最大長度,而電纜接頭的數(shù)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(cè)圓弧較小,造成其定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)端部結(jié)構(gòu)也比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)復(fù)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(shè)計,即使是疊壓鐵芯也可以得到優(yōu)化利用。電纜穿過定子梢就可以形成繞 組,它的尺寸由系統(tǒng)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(xiàn)槽內(nèi)氣隙的放電和槽口處的電暈放電,但是最外層的股線應(yīng)該有一個或者幾個采用不絕緣設(shè)計,使得內(nèi)部半導(dǎo)體層 和股線的電勢相等。隨歡離壓發(fā)電機(jī)定子電壓的大幅提高,定子電流顯著低于同功率的常規(guī)發(fā)電機(jī),這意味著端部繞組承受的機(jī)械力降 低,相對于常規(guī)發(fā)電機(jī),繞組端部的固定問題得到明顯簡化。繞組電纜在高壓發(fā)電機(jī)定子槽中的固定方式如圖1-5所示。

  對常規(guī)發(fā)電機(jī)而言,其定子繞組采用雙層設(shè)計,槽齒比較短。相比之下,高壓發(fā)電機(jī)采用多層繞組設(shè)計,定子開槽很深, 而且齒很長,從機(jī)械角度而言,容易造成齒彎曲和剛度下降,導(dǎo)致低頻共振的產(chǎn)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(fā),同時減少由于電纜在槽中振動所引起的半導(dǎo)體層磨損,電纜必須固定在齒槽內(nèi)部。

  設(shè)計常規(guī)電機(jī)的原則是:以在滿足電機(jī)性能指標(biāo)為前提,確定最佳幾何尺寸和參數(shù),使制造成本最小化,這屬于優(yōu)化設(shè)計的范疇。同樣地,高壓發(fā)電機(jī)的設(shè) 計也需要優(yōu)化。例如,定子鐵芯和定子繞組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題、較佳的性價比的選擇問題等。

  作為近年發(fā)展起來的新型發(fā)電設(shè)備,高壓發(fā)電機(jī)在提高機(jī)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(jī)械強(qiáng)度和機(jī)械振動是定子齒設(shè)計時首 要關(guān)心的問題,而機(jī)組的發(fā)熱和冷卻問題等也需要開展進(jìn)一步的研究。