專利名稱：兩極渦輪發(fā)電機(jī)及其轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與一渦輪發(fā)電機(jī)及其轉(zhuǎn)子有關(guān)，更具體地說，與具有一實(shí)心芯子和柱形轉(zhuǎn)子的一兩極渦輪發(fā)電機(jī)有關(guān)。
在常規(guī)的渦輪發(fā)電機(jī)中，磁場繞組設(shè)在一柱形轉(zhuǎn)子上，該柱形轉(zhuǎn)子接受來自激磁電源的直流電以激勵發(fā)電機(jī)。該轉(zhuǎn)子是由單個實(shí)心鋼體組成且具有磁極部分和非磁極部分。各非磁極部分設(shè)有多個沿圓周等角間隙分布的槽以限定出槽之間的齒。磁場繞組分別插嵌在這些槽內(nèi)，一個轉(zhuǎn)子楔塊裝到各槽內(nèi)以使磁場繞組不會從這些槽內(nèi)滑出。
在上述大功率的渦輪發(fā)電機(jī)的柱形轉(zhuǎn)子內(nèi)，不開槽的磁極部分的尺寸，即最靠近磁極部分相反端的兩個槽之間的夾角θ通常是這樣確定的間隙處的磁通量可接近一個正弦波形以便在發(fā)電機(jī)中得到一個好的電壓波形。另一方面，為了獲得一個用來激勵發(fā)電機(jī)所必須的磁場動力，該槽深度和槽寬要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整以改變磁場繞組的截面，這樣可得到所需的場磁動勢(磁通勢)*從而可使磁場繞組的溫度不超過一定的上限，如日本專利未審定的公開文本NO 49-45307所述。
在上述的常規(guī)技術(shù)中，在最靠近磁極部分相反端的兩槽之間的夾角θ(下文稱為磁極角)設(shè)定成這樣一個值即在無負(fù)載情況下發(fā)電機(jī)間隙處磁通量的分布可最接近于一正弦波形。在兩極發(fā)電機(jī)中，磁極角一般設(shè)定為60°。在圖6中，橫坐標(biāo)軸代表磁極角θ而縱坐標(biāo)軸代表在無負(fù)載情況下端電壓的波形畸變率KW，此畸變率KW值是由一含諧波分量的波瞬間值與相對于等效正弦波波幅的一等效正弦波瞬間值之間的峰值差的百分比來表達(dá)。當(dāng)波形愈偏離正弦波形時，端電壓的波形畸變率KW就愈大，而此波形畸變率KW在60°的磁極角θ°處為最小，這在圖6中能見到。
然而，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，盡管在無負(fù)載情況下，在磁極角θ為60°時間隙處磁通量的分布最接近于正弦波的磁通量分布，但當(dāng)發(fā)電機(jī)在有負(fù)載下(即在負(fù)載情況下)實(shí)際操作時，該波形畸變率KW并不是最小。還發(fā)現(xiàn)在有負(fù)載時即使磁極角為60°，用于激勵發(fā)電機(jī)所需的場磁動勢并不總是最小的，而且磁場繞組的溫升和磁場繞組的損失也不是最小。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種在負(fù)載情況下波形畸變率變小的兩極渦輪發(fā)電機(jī)，從而增強(qiáng)了供電的質(zhì)量，此外，在負(fù)載情況下所需的磁場電流也能減小。
本發(fā)明的第二目的是提供一種在相同體積下能增加其輸出功率的兩極渦輪發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的第三目的是提供一種能使產(chǎn)生磁場的激勵裝置功率減小的兩極渦輪發(fā)電機(jī)及其轉(zhuǎn)子。
為此目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一個兩極渦輪發(fā)電機(jī)，它有一個定子和一個由軸承支撐的轉(zhuǎn)子，支撐方式是定子和轉(zhuǎn)子之間構(gòu)成一間隙，其中轉(zhuǎn)子具有(I)一個實(shí)心型轉(zhuǎn)子芯，它具有磁極部分，多個形成于轉(zhuǎn)子芯非磁極部分上的槽和一個在兩鄰近槽之間限定出的齒(ii)分別嵌插在槽內(nèi)的磁場繞組；和(iii)分別嵌插在槽內(nèi)以定位磁場繞組的楔塊，其中建立起65°≤θ≤75°和Nr＝20＋4m(m＝1，2，3)的關(guān)系，此處，θ代表其間的插入磁極部分的兩槽之間的夾角，而Nr表示槽數(shù)；另外，也可建立起下述關(guān)系75°≤θ≤80°和Nr＝16＋m(m＝1，2和3)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一個兩極渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，它具有(i)一個實(shí)心型轉(zhuǎn)子芯，它具有磁極部分；多個形成于轉(zhuǎn)子芯非磁極部分上的槽和一個在兩鄰近槽之間限定出的齒(ii)分別嵌插在槽內(nèi)的磁場繞組；和(iii)分別插在槽內(nèi)以定位磁場繞組的楔塊；其中建立起65°≤θ≤75°和Nr＝20＋4m(m＝1，2，3)的關(guān)系，此處，θ表示其間插入磁極部分的兩槽之間的夾角，而Nr表示槽數(shù)；另外，也可建立起下述關(guān)系75 °≤θ≤80 °和Nr＝16＋m(m＝1，2和3)。


圖1為本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例的兩極渦輪發(fā)電機(jī)的剖視圖；圖2為兩極渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的剖視圖；圖3是表示在負(fù)載情況下磁極角與一端電壓波形畸變率之間關(guān)系的圖解；圖4是表示在負(fù)載情況下一磁極角與一所需場磁動勢之間關(guān)系的圖解；圖5是表示磁極角和槽數(shù)之間關(guān)系的圖解；圖6是表示在非負(fù)載情況下，一磁極角與一波形畸變率之間關(guān)系的圖解。
如圖1所示，本實(shí)施例的渦輪發(fā)電機(jī)具有一個定子1和一個由軸承(未示出)支撐的轉(zhuǎn)子2，這樣，定子1和轉(zhuǎn)子2之間形成一間隙11。定子1包括一個有定子槽3開在其內(nèi)的夾層芯，而電樞繞組4分別設(shè)在定子槽3內(nèi)，借助一矩形(或平型)銅導(dǎo)線，電樞繞組4構(gòu)成一個六角形線圈，一定子槽3的開口部分塞入一定子楔塊5以便使電樞繞組4不會從槽3內(nèi)滑出。
渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子2由一單個的實(shí)心鋼體組成，這樣轉(zhuǎn)子2可具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。如圖1和2所示，轉(zhuǎn)子2包括磁極部分6和非磁極部分。在圖中，只示出兩極中的一個。非磁極部分開有多個沿圓周等角間隙的轉(zhuǎn)子槽7以限定出槽之間的齒8。在磁場繞組9上方的槽7部分塞入一轉(zhuǎn)子楔塊10以便夾持住磁場繞組9。一般沿邊緣方向通過纏繞一裸銅條構(gòu)成磁場繞組9，而且繞組層之間設(shè)有電絕緣。采用這種結(jié)構(gòu)，通過激勵場繞組9，在把磁極部分6等角分開的直軸12方向就會產(chǎn)生一磁通量。
如上所述，設(shè)有多個槽7，如果把從直軸12處沿兩個方向延伸90°這一區(qū)域內(nèi)的各組槽7以離磁極部分6的順序分別標(biāo)注為S1，S2……Sr，因?yàn)榇税l(fā)電機(jī)為一兩極發(fā)電機(jī)，槽7的數(shù)目Nr由以下公式表達(dá)，Nr＝4×r，如圖2所示，槽S1的深度可比其它槽的深度淺，這樣兩相對槽S1底部之間的周向距離就增加，從而使其難于處在磁飽和狀態(tài)。
在圖2所示該實(shí)施例的轉(zhuǎn)子2中，磁極角θ和槽7的數(shù)目Nr是這樣確定的，它們滿足下列兩種關(guān)系或條件(1)和(2)中之一關(guān)系(1)65°≤θ≤75°和Nr＝20＋4m(m＝1，2和3)關(guān)系(2)75°≤θ≤80°和Nr＝16＋4m(m＝1，2和3)現(xiàn)在，在下文中將說明采用這些關(guān)系的理由，在說明中，將對磁極角θ處在40°到90°范圍和槽數(shù)Nr處在16，20，24，28，32和36這一范圍內(nèi)的情況進(jìn)行研究。為什么槽數(shù)Nr是4的倍數(shù)的理由是兩極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子相對于磁極部分是對稱的。
圖3是表示一個100兆伏安級的兩極渦輪發(fā)電機(jī)中磁極角和端電壓波形變率之間的關(guān)系，在此情況下，額定功率因數(shù)延遲是0.9Pu。磁場繞組和槽的尺寸是這樣確定相對于磁極角θ和槽數(shù)Nr各自的條件，它們應(yīng)滿足轉(zhuǎn)子所需的機(jī)械強(qiáng)度。以每單位系統(tǒng)表示的同步電抗的倒數(shù)是短路率。一般當(dāng)設(shè)計一個發(fā)電機(jī)時，為了使電氣系統(tǒng)(發(fā)電機(jī)與之相連的系統(tǒng))穩(wěn)定并提供出一個發(fā)電機(jī)平衡體的尺寸，設(shè)計時用作其系數(shù)短路率必須保持在某一數(shù)值，因此，在任何設(shè)計中，需在發(fā)電機(jī)的同步電抗具有相同數(shù)值的條件下進(jìn)行比較。
在圖3中，5個黑圓點(diǎn)表示在一個按橫截面模擬的100兆伏安級兩極渦輪發(fā)電機(jī)的小尺寸模型中實(shí)測波形畸變率KW，其中槽數(shù)Nr為24而磁極角θ分別是40°，60°，70°，80°和90°。白圓點(diǎn)表示根據(jù)這些實(shí)測波形畸變率計算出的在負(fù)載情況下的波形畸變率KW。如圖3所示，即便選取任何槽數(shù)Nr當(dāng)磁極角θ在約65°至80°的范圍內(nèi)時，在負(fù)載情況下，端電壓的波形畸變率KW就會減小，此結(jié)果不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)的結(jié)果，其中，在非負(fù)載情況下磁極角θ為60°時，端電壓波形畸變率KW為最小。其理由是因?yàn)樵谪?fù)載情況下流過電樞繞組4的電流產(chǎn)生一電樞反應(yīng)，最大磁通量密度部分從直軸12沿圓周方向移動一回轉(zhuǎn)延遲側(cè)，結(jié)果在間隙11處磁通量密度分布大大地異于非負(fù)載情況下的磁通量密度分布。波形畸變率KW也根據(jù)槽數(shù)Nr而改變。當(dāng)磁極角θ相同時，槽數(shù)Nr愈多則波形畸變率愈小。其理由是如果槽數(shù)Nr較多則繞組分布愈密，這樣在間隙處磁通量密度分布中所含的較大的諧波分量就會減小。
在常規(guī)的渦輪發(fā)電機(jī)中，所選的磁極角θ約為60°，所選的槽數(shù)Nr為24，28或32，在圖3中，對于帶有磁極角θ為60°和槽數(shù)Nr為32的轉(zhuǎn)子，其波形畸變率用記號X表示。在該點(diǎn)上，在帶有60°常規(guī)磁極角θ時在無負(fù)載情況下，波形畸變率KW最小，在圖3中波形畸變率KW比記號X所示點(diǎn)的KW更小的區(qū)域則用陰影線來表示。
圖4表示在與圖3所述的相同條件下，在有負(fù)載情況下，磁極角θ與所需的場磁動勢ATf之間的關(guān)系。在圖4中，五個黑圓點(diǎn)代表一個100兆伏安級二極渦輪發(fā)電機(jī)的場磁動勢ATf，該磁動勢是由按截面模擬100兆伏安級二極渦輪發(fā)電機(jī)的小尺寸模型所實(shí)測出的所需場磁動勢經(jīng)轉(zhuǎn)換而獲得的。白圓點(diǎn)則代表從這些已轉(zhuǎn)換的場磁動勢所估算出的有負(fù)載情況下所需的場磁動勢ATf，如圖4所示，即使選取任何槽數(shù)Nr，當(dāng)磁極角θ在約65°到80°的范圍內(nèi)時，在有負(fù)載情況下該所需場磁動勢是較小的。
也就是理解為在60°的磁極角時，在無負(fù)載情況下端電壓畸變率KW為最小而在有負(fù)載情況下所需的場磁動勢ATf則不是最小。為什么當(dāng)磁極角θ在約65°到80°范圍時在有負(fù)載情況下所需的場磁動勢ATf會變小，其理由如下在磁極角θ較小的情況下當(dāng)磁極角θ增大時，磁極部分6很難發(fā)生磁飽和，這樣所需的場磁動勢ATf就減??；與之相反，在磁極角較大的情況下當(dāng)磁極角θ增大時，磁極部分6也很難發(fā)生磁飽和但是同步電抗增加了。因此，為了使同步電抗維持在一相同值，就需增大間隙11的徑向尺寸，從而也就使間隙11處的磁阻增大，所以當(dāng)磁極角θ在約65°至80°范圍內(nèi)時在有負(fù)載情況下所需的場磁動勢ATf可變小，所需的場磁動勢ATf的值也隨槽數(shù)Nr而變化。如果磁極角θ相同，那么槽數(shù)Nr愈少則場磁動勢ATf也愈小，其理由如下即槽數(shù)Nr愈少，各槽7開口部分的寬度愈大，所以槽7上方寬度方向的磁阻增大因而穿過不與電樞繞組4相連的齒8和間隙11之間的漏磁通量減小，因此穿過轉(zhuǎn)子2的總磁通量減小，這樣轉(zhuǎn)子2很難發(fā)生磁飽和。
在圖4中，在有負(fù)載情況下常規(guī)發(fā)電機(jī)的最小場磁動勢ATf用記號X來表示，其中磁極角θ為60°而槽數(shù)Nr為24。而在圖4的陰影部分內(nèi)，它的場磁動勢ATf小于常規(guī)發(fā)電機(jī)的最小場磁動勢ATf。
根據(jù)槽數(shù)Nr和磁極角θ，圖5表示出較小的波形畸變率區(qū)，在該區(qū)內(nèi)，在有負(fù)載情況下波形畸變率小于常規(guī)發(fā)電機(jī)的最小波形畸變率，該區(qū)也就是圖3中的陰影部分，圖5也示出場磁動勢較小的區(qū)域，在該區(qū)內(nèi)，在有負(fù)載情況下的場磁動勢ATf小于常規(guī)發(fā)電機(jī)的最小場磁動勢ATf，即圖4中陰影部分。從圖3和圖4判斷，即便磁極角θ變化約5°，該波形畸變率值KW場磁動勢值A(chǔ)Tf并不會有很大改變。因此，在圖5中，磁極角θ每隔5°指示一次，如圖5所示，在65°≤θ≤75°和Nr＝20＋4m(m＝1，2，3)，或75°≤θ≤80°和Nr＝16＋4m(m＝1，2，3)的區(qū)域內(nèi)，在有負(fù)載情況下它的波形畸變率KW和所需的磁動勢ATf分別比常規(guī)的渦輪發(fā)電機(jī)的畸變率KW和磁動勢ATf更小。
如上所述，通過選擇磁極角θ和槽數(shù)Nr，能減小波形畸變率KW和磁動勢。因此，在有負(fù)載情況下能獲得一個良好的端電壓波形，從而提高了供電質(zhì)量。進(jìn)而減小了有負(fù)載情況下的磁場電流。故而，減少了磁場繞組的銅損，隨之也就改進(jìn)了發(fā)電機(jī)的效率并抑制了磁場繞組的溫升。
在此實(shí)施例中，雖然已敘述了100兆伏安級發(fā)電機(jī)的分析結(jié)果，可以確認(rèn)，當(dāng)根據(jù)模擬100兆伏安發(fā)電機(jī)模型的測試結(jié)果來估算200兆伏安，700兆伏安和1000兆伏安的發(fā)電機(jī)時，所得到的結(jié)論類似于此實(shí)施例的結(jié)論。還確認(rèn)，當(dāng)估算功率因子的延遲在0.8Pu至1.0Pu時，能得出相似的結(jié)果。
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)能應(yīng)用到例如，日本專利公告文本NO60-34340所公開的在轉(zhuǎn)子2內(nèi)一緩沖桿插在各磁場繞組9和相關(guān)的轉(zhuǎn)子楔塊10之間的結(jié)構(gòu)上，在這種情況下也能達(dá)到相似的效果。
綜上所述，在本發(fā)明中，在有負(fù)載情況下可得到良好的端電壓波形從而提高了供電的質(zhì)量，此外，在有負(fù)載情況下還減小了磁場電流，因而，通過減小磁場繞組的銅損即可改進(jìn)發(fā)電機(jī)的效率以及抑制磁場繞組的溫升。還具有另一優(yōu)點(diǎn)渦輪發(fā)電機(jī)在同樣體積情況下發(fā)出更大功率，另外還有使產(chǎn)生磁場的激勵裝置功率得以減小這一優(yōu)點(diǎn)，從而可以更經(jīng)濟(jì)和緊湊的方法建造發(fā)電系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種兩極渦輪發(fā)電機(jī)有一個定子和一個由軸承支撐的轉(zhuǎn)子，其支撐方式是在上述定子和上述轉(zhuǎn)子之間構(gòu)成一個間隙；其特征在于上述轉(zhuǎn)子具有(i)一實(shí)心型轉(zhuǎn)子芯，它具有磁極部分，多個開在上述轉(zhuǎn)子芯非磁極部分上的槽和一個限定在上述兩個相鄰槽之間的齒，(ii)分別嵌插在上述槽內(nèi)的磁場繞組，和(iii)分別嵌插在上述槽內(nèi)以定位上述磁場繞組的楔塊；并且建立起下述關(guān)系65°≤θ≤75°和Nr＝20＋4m(m＝1，2和3)此處θ代表其間插入上述磁極部分的上述兩個槽之間的夾角而Nr代表上述槽的個數(shù)。
2.一種兩極渦輪發(fā)電機(jī)有一個定子和一個由軸承支撐的轉(zhuǎn)子，其支撐方式是在上述定子和上述轉(zhuǎn)子之間構(gòu)成一個間隙；其特征在于上述轉(zhuǎn)子具有(i)一實(shí)心型轉(zhuǎn)子芯，它具有磁極部分，多個開在上述轉(zhuǎn)子芯非磁極部分上的槽和一個限定在上述兩個相鄰槽之間的齒，(ii)分別嵌插在上述槽內(nèi)的磁場繞組；和(iii)分別嵌插在上述槽內(nèi)以定位上述磁場繞組的楔塊，并且建立起下述關(guān)系75°≤θ≤80°和Nr＝16＋4m(m＝1，2和3)此處θ代表其間插入上述磁極部分的上述兩個槽之間的夾角而Nr代表上述槽的個數(shù)。
3.一種兩極渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有(i)一個實(shí)心型轉(zhuǎn)子芯，它具有磁極部分，多個開在上述轉(zhuǎn)子芯非磁極部分上的槽和一個限定在上述兩個相鄰槽之間的齒，(ii)分別嵌插在上述槽內(nèi)的磁場繞組；和(iii)分別嵌插在上述槽內(nèi)以定位上述磁場繞組的楔塊，并且建立起下述關(guān)系65°≤θ≤75°和Nr＝20＋4m(m＝1，2和3)此處θ代表其間插入上述磁極部分的上述兩個槽之間的夾角而Nr代表上述槽的個數(shù)。
4.一種兩極渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有(i)一個實(shí)心型轉(zhuǎn)子芯，它具有磁極部分，多個開在上述轉(zhuǎn)子芯非磁極部分上的槽和一個限定在上述兩個相鄰槽之間的齒，(ii)分別嵌插在上述槽內(nèi)的磁場繞組；和(iii)分別嵌插在上述槽內(nèi)以定位上述磁場繞組的楔塊；并且成立下述關(guān)系75 °≤θ≤80 °和Nr＝16＋4m(m＝1，2和3)此處θ代表其間插入上述磁極部分的上述兩個槽之間的夾角而Nr代表上述槽的個數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種兩極渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于上述發(fā)電機(jī)是100兆伏安到1000兆伏安級的發(fā)電機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一轉(zhuǎn)子，其特征在于一個緩沖桿插在各磁場繞線和相關(guān)的楔塊之間。
全文摘要
一種兩極渦輪發(fā)電機(jī)及其轉(zhuǎn)子，其中在有負(fù)載情況下波形畸變率減小從而提高了供電質(zhì)量，上述轉(zhuǎn)子包括一實(shí)心型轉(zhuǎn)子芯，該芯有磁極部分6，多個開在轉(zhuǎn)子芯非磁極部分上的槽7和一個限定在兩個相鄰槽之間的齒8；分別嵌插在槽內(nèi)的磁場繞組；分別嵌插在槽內(nèi)以定位場繞組的楔塊；并且建立下述關(guān)系65°≤θ≤75°和Nr＝20+4m(m＝1，2和3)。此處θ代表其間插入磁極部分的兩個槽之間的夾角而Nr代表槽數(shù)。另外，可建立下述關(guān)系75°≤θ≤80°和Nr＝16+4m(m＝1，2和3)。
文檔編號H02K3/51GK1161590SQ97102580
公開日1997年10月8日 申請日期1997年2月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月28日
發(fā)明者井出一正, 高橋身佳, 高橋和彥, 小原木春雄, 涌井真一, 宮川家導(dǎo), 八木恭巨 申請人:株式會社日立制作所