水輪發電機磁極五段弧極靴結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型的目的是公開一種水輪發電機轉子磁極極靴結構。該結構中，每一個轉子磁極極靴表面由五段圓弧平滑過渡連接而成，其中，中部圓弧的對稱中心線與轉子磁極中心線重合；與中部圓弧相鄰的左右兩側圓弧關于磁極中心線鏡像對稱；磁極最外兩側圓弧關于磁極中心線鏡像對稱。水輪發電機轉子磁極極靴采用五段弧結構，氣隙磁場更接近正弦分布，減少了諧波損耗，提高了發電機運行效率；電壓波形以及電流波形更接近正弦，改善了電能質量，降低了轉矩脈動，提高了發電機運行穩定性；節省了轉子勵磁，減輕了發電機重量，降低了發電機制造成本。
【專利說明】水輪發電機磁極五段弧極靴結構
【技術領域】：
[0001] 本實用新型涉及電機轉子磁極極靴設計領域，特別涉及一種水輪發電機轉子磁極 極靴結構。
【背景技術】：
[0002] 目前，與火電、核電、太陽能、風能、地熱能等多種發電方式相比，水力發電是唯一 技術已發展成熟、可以大規模開發的清潔可再生能源，其發電成本也較其他發電方式低。在 面對溫室氣體過度排放的威脅以及"節能減排"等政策的貫徹之下，水力發電成為各國優先 考慮的發電方式。
[0003] 傳統的水輪發電機轉子磁極極靴設計為變氣隙單圓弧結構，其最大氣隙與最小氣 隙之比常取為1. 5,雖然在一定程度上能夠減少氣隙磁密諧波含量，滿足電機基本性能要 求，但隨著對水輪發電機電壓諧波畸變率、電話諧波含量（THF)等性能要求的提高，傳統的 轉子磁極極靴結構已難以滿足水輪發電機電氣性能和機械性能等方面的技術指標。特別 地，在諸如發電機風洞規模、水輪機運行轉速等客觀條件無法變更的前提下，發電機極槽選 擇可能無法達到最佳匹配值，從而造成氣隙磁密中諧波含量增加，使得水輪發電機定子繞 組中諧波電流增大，定子繞組銅耗及鐵芯損耗增加，甚至在轉子勵磁繞組、阻尼繞組以及鐵 芯中也產生大量諧波損耗，進一步降低了水輪發電機實際運行效率。另外，諧波磁場和諧波 電流還會產生額外的轉矩脈動，致使發電機產生振動與噪聲，影響發電機安全穩定運行。對 于抽水蓄能機組等采用高速水輪發電機的水電機組，由于電機轉速的提高，上述問題造成 的負面影響將更加突顯，其對水輪發電機的各項技術指標要求也更加嚴格，因此，高指標的 要求以及新產品的開發都亟需各種有效措施的提出。
[0004] 針對上述可能存在的問題，現有解決方法中已有采用轉子磁極極靴三段弧設計結 構，包括均勻氣隙設計和非均勻氣隙設計兩種結構形式。相較于傳統磁極極靴結構，三段弧 極靴結構中，每個轉子磁極極靴表面由三段圓弧構成，即中部圓弧和磁極兩端圓弧，該結構 能夠減少極間漏磁，減輕極靴重量，減少極靴部位的風摩損耗，但該結構得到的氣隙磁場中 諧波含量以及極間漏磁仍相對較高，諧波磁場與漏磁場對水輪發電機性能的影響仍較大， 在高轉速水輪發電機應用中仍受到限制。
【發明內容】
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[0005] 為滿足抽水蓄能等高轉速機組的水電形勢需求，提高水輪發電機性能，本實用新 型針對上述現有技術存在的不足，從降低水輪發電機電壓諧波畸變率、電話諧波含量，改善 水輪發電機運行穩定性，提高水輪發電機運行效率等指標要求出發，提出一種水輪發電機 磁極五段弧極靴結構。本實用新型的技術方案如下：
[0006] -種水輪發電機磁極五段弧極靴結構，該結構由五段圓弧平滑過渡連接而成，中 部圓弧AB的對稱中心線與轉子磁極中心線重合；圓弧AB左右兩側的圓弧AC和BD關于磁 極中心線鏡像對稱；磁極最外兩側圓弧CE和DF關于磁極中心線鏡像對稱。
[0007] 所述的圓弧AB為圓心與定子鐵芯內圓圓心同心，且半徑與轉子外圓半徑相等 的圓弧段。
[0008] 所述的圓弧AC與BD的圓心0%與02K分別位于端點A、B與圓心的連接線A〇i與 BOi上，其位置取決于圓弧AB的張角大小以及圓弧AC與BD的半徑大小。
[0009] 所述的圓弧CE與DF的圓心0%與03K分別位于權利要求3所述的端點C與圓弧 AC圓心0%的連接線C0a上及端點D與圓弧BD圓心02Κ的連接線D02K上，其位置取決于極 靴最大高度的大小以及圓弧CE與DF的張角大小。
[0010] 所述的五段圓弧的張角大小之和為180°機械角度。
[0011] 對于所述的五段弧極靴結構，通過調整中部圓弧AB的張角大小、極靴最大高度的 大小以及圓弧CE與DF的張角大小，構成不同的五段圓弧組合方式，從而得到不同形式的水 輪發電機磁極五段弧極靴結構。
[0012] 技術效果：
[0013] 1.水輪發電機轉子磁極極靴采用五段弧結構，氣隙磁場更接近正弦分布，減少了 諧波損耗，提高了發電機運行效率。
[0014] 2.由于氣隙磁場接近正弦分布，水輪發電機電壓波形以及電流波形更接近正弦， 改善了電能質量，降低了轉矩脈動，提高了發電機運行穩定性。
[0015] 3.節省了轉子勵磁，減少了極間漏磁，減輕了發電機重量，降低了發電機制造成 本。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0016] 圖1水輪發電機轉子向心磁極五段弧極靴結構示意圖。
[0017] 圖2水輪發電機轉子非向心磁極五段弧極靴結構示意圖。
[0018] 圖3水輪發電機轉子磁極五段弧極靴結構設計原理圖。
[0019] 附圖中部件標號說明：
[0020] 1.轉子磁極極靴；2.轉子磁極極身；3.轉子磁極T尾
【具體實施方式】：
[0021] 針對水輪發電機電壓諧波畸變率、電話諧波含量、振動與噪聲等性能高指標要求， 通過合理設計轉子磁極極靴結構是一種有效的解決措施。本實用新型提出的水輪發電機 轉子磁極五段弧極靴結構基于水輪發電機電氣性能與機械性能相結合的設計理念，借鑒轉 子磁極極靴三段弧設計思想，將傳統變氣隙單圓弧極靴結構設計為五段弧極靴結構(如圖1 和圖2所示)，五段弧極靴結構設計原理如圖3所示。
[0022] 由圖1、圖2和圖3可知，水輪發電機轉子磁極極靴1表面由中部圓弧AB、圓弧AB 左右兩側圓弧AC和BD、磁極最外兩側圓弧CE和DF，共五段圓弧平滑過渡連接而成。圓弧 AB的對稱中心線與轉子磁極中心線重合；圓弧AC和BD關于磁極中心線鏡像對稱；圓弧CE 和DF關于磁極中心線鏡像對稱。圓弧AB的圓心h與定子鐵芯內圓圓心同心，其半徑與 轉子外圓半徑相等；圓弧AC和BD的圓心0 a和02K分別位于端點A和B與圓心的連接線 A〇i和叫上，其具體位置取決于圓弧AB的張角大小2 a i以及圓弧AC和BD的半徑大小r2 ; 圓弧CE和DF的圓心0%和03K分別位于端點C與圓弧AC圓心0a的連接線C0%上及端點 D與圓弧BD圓心02K的連接線D02K上，其具體位置取決于極靴的最大高度大小Hps以及圓弧 CE和DF的張角大小α3。
[0023] 由圖3可知，水輪發電機轉子磁極極靴1結構表面五段圓弧AB、AC、BD、CE和DF的 張角大小ct ρ α 2、α 3滿足關系式：
[0024] 2 · α ^2 · α 2+2 · α 3 = 180 (1)
[0025] 或
[0026] a α 2+ α 3 = 90 (2)
[0027] 如圖3所示，通過調整水輪發電機轉子磁極極靴1中部圓弧ΑΒ的張角大小2 α ρ 極靴的最大高度大小Hps以及磁極最外兩側圓弧CE和DF的張角大小α 3，構成不同的五段 圓弧組合方式，即可得到不同形式的水輪發電機磁極五段弧極靴結構。本實施例中，水輪發 電機轉子磁極極靴1的寬度W ps為920mm，最大高度Hps為129. 72mm，中部圓弧ΑΒ的半徑Γι 為2313. 5mm，中部圓弧ΑΒ的張角2 a i為14. 538°，與中部圓弧相鄰的左右兩側圓弧AC和 BD的半徑r2為351. 577mm，圓弧AC和BD的張角α 2為22. 73Γ，磁極最外兩側圓弧CE和 DF的半徑r3為77. 391mm，圓弧CE和DF的張角α 3為60°。
[0028] 這里以本實用新型的實施例為中心展開了詳細說明，所描述的優選方式或某些特 性的具體體現，應當理解為本說明書僅僅是通過給出實施例的方式來描述本實用新型，實 際上在組成、構造和使用的某些細節上會有所變化，這些變形和應用都應該屬于本實用新 型的范圍內。
【權利要求】
1. 一種水輪發電機磁極五段弧極靴結構，其特征在于，該結構由五段圓弧平滑過渡連 接而成，中部圓弧AB的對稱中心線與轉子磁極中心線重合；圓弧AB左右兩側的圓弧AC和 BD關于磁極中心線鏡像對稱；磁極最外兩側圓弧CE和DF關于磁極中心線鏡像對稱。
2. 根據權利要求1所述的水輪發電機磁極五段弧極靴結構，其特征在于，所述的圓弧 AB為圓心與定子鐵芯內圓圓心同心，且半徑與轉子外圓半徑相等的圓弧段。
3. 根據權利要求1所述的水輪發電機磁極五段弧極靴結構，其特征在于，所述的圓弧 AC與BD的圓心0%與02K分別位于端點A、B與圓心的連接線A〇i與叫上，其位置取決 于圓弧AB的張角大小以及圓弧AC與BD的半徑大小。
4. 根據權利要求1所述的水輪發電機磁極五段弧極靴結構，其特征在于，所述的圓弧 CE與DF的圓心0%與03K分別位于權利要求3所述的端點C與圓弧AC圓心0%的連接線 C0a上，端點D與圓弧BD圓心02Κ的連接線D02K上，其位置取決于極靴最大高度的大小以及 圓弧CE與DF的張角大小。
5. 根據權利要求1所述的水輪發電機磁極五段弧極靴結構，其特征在于，所述的五段 圓弧的張角大小之和為180°機械角度。
6. 根據權利要求1所述的水輪發電機磁極五段弧極靴結構，其特征在于，通過調整中 部圓弧AB的張角大小、極靴最大高度的大小以及圓弧CE與DF的張角大小，構成不同的五 段圓弧組合方式，從而得到不同形式的水輪發電機磁極五段弧極靴結構。
【文檔編號】H02K1/24GK203850937SQ201420067085
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年2月17日 優先權日:2014年2月17日
【發明者】周波, 喬照威, 林雪成, 明野, 楊磊, 羅建華, 張興旺, 陳爽, 宋洪占, 魏玉國 申請人:哈爾濱電機廠有限責任公司