专利名称：汽轮发电机的定子绕组的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种汽轮发电机的绕组结构，属于电机领域。
背景技术：
随着汽轮发电机单机容量的增大，由槽内漏磁场引起的定子股线内涡流损耗也随 之增大，由此带来的槽内温度分布不均等相关问题也成为电机设计中一个不可忽视的问 题。在定子槽中，股线内的涡流损耗沿径向自槽底向槽口逐渐增加，因此绕组内的温度也是 沿同样方向呈递增趋势。但是，由于槽口附近通风冷却以及散热的影响，绕组内最高温度点 并不是出现在最接近槽口处的股线内，而是出现在距离槽口一段距离的股线内，局部温度 过高会影响到绕组内绝缘的使用寿命并进而影响电机的运行稳定性。
发明内容本实用新型的目的是解决目前汽轮发电机定子绕组内涡流损耗分布不均匀的问 题，设计出新型的汽轮发电机的定子绕组。
本实用新型提供的第一种技术方案为所述汽轮发电机的定子绕组沿径向、且由 内圆至外圆依次设置有上层绕组和下层绕组，上层绕组和下层绕组之间层间绝缘，所述下 层绕组均匀分为50层，所述上层绕组沿径向、且由外圆至内圆方向依次为上层绕组的第一 层股线Xl至上层绕组的第51层股线x^，共计51层， 上层绕组的51层股线的径向高度分别为 hxl = hx2 = = hx30 = hx31 = hx42 = hx43 = = hx50 = hx51 = hy hx32 = hx33 = = hx40 = hx41 = 0. 9hy 其中hy为下层绕组的单层股线的径向高度。 本实用新型提供的第二种技术方案为所述汽轮发电机的定子绕组沿径向、且由 内圆至外圆依次设置有上层绕组和下层绕组，上层绕组和下层绕组之间层间绝缘，所述下 层绕组均匀分为n层，所述上层绕组沿径向、且外圆至内圆依次为上层绕组的第一层股线 Xl至上层绕组的第n层股线&，共计n层，所述上层绕组的第一层股线Xl的径向高度hxl至 上层绕组的第n层股线xn的径向高度hxn呈等差数列递减，相邻两层股线的径向高度差为<formula>formula see original document page 3</formula>其中上层绕组的第一层股线^的径向高度<formula>formula see original document page 3</formula>上层绕组的第n 层股线xn的径向高度<formula>formula see original document page 3</formula>[0010] 其中，hy为下层绕组的单层股线的径向高度， k为涡流损耗比，<formula>formula see original document page 3</formula>， Pn为上层绕组等高设置时上层绕组的第n层股线xn的
涡流损耗，Pi为上层绕组等高设置时上层绕组的第一层股线Xl的涡流损耗，n为自然数，且 80 > n > 40。[0012] 本实用新型的优点是采用新型定子绕组结构后，不影响发电机的运行性能，改 变了涡流损耗在定子上层绕组内的径向分布，使上层绕组内股线间涡流损耗的径向差异减 小，即涡流损耗分布相对更加均匀，进而降低了定子绕组内的最高温度。
图1是实施方式一的结构示意图；图2是实施方式二的结构示意图；图3是应用 实施方式一所述技术方案与传统结构相比的效果图，其中，曲线a为传统结构上层绕组的 电阻增加系数曲线，曲线b是应用实施方式一所述技术方案的上层绕组的电阻增加系数曲 线；图4是应用实施方式二技术方案与传统结构相比的效果图其中，曲线a为传统结构上层 绕组的电阻增加系数曲线，曲线b是应用实施方式二所述技术方案的上层绕组的电阻增加 系数曲线；图5是应用实施方式一所述技术方案与传统结构相比的效果图，曲线c为传统结 构上层绕组的温度曲线，曲线d为应用实施方式一所述技术方案的上层绕组的温度曲线； 图6是应用实施方式二所述技术方案与传统结构相比的效果图，曲线c为传统结构上层绕 组的温度曲线，曲线d为应用实施方式二所述技术方案的上层绕组的温度曲线。
具体实施方式
具体实施方式
一 下面结合图1、图3和图5说明本实施方式，本实施方式所述汽 轮发电机的定子绕组沿径向、且由内圆至外圆依次设置有上层绕组和下层绕组，上层绕组 和下层绕组之间层间绝缘，所述下层绕组均匀分为50层，所述上层绕组沿径向、且由外圆 至内圆方向依次为上层绕组的第一层股线Xl至上层绕组的第51层股线x^，共计51层， 上层绕组的51层股线的径向高度分别为hxl = hx2 = = hx30 = hx31 = hx42 = hx43 = = hx50 = hx51 = hy hx32 = hx33 = = hx40 = hx41 = 0. 9hy 其中hy为下层绕组的单层股线的径向高度。 传统汽轮发电机定子绕组的定子槽1内从槽底1-2至槽口 1-1依次设置有下层绕 组和上层绕组两部分，上层绕组和下层绕组之间设置绝缘层2，作为层间绝缘，上层绕组和 下层绕组的结构相同，都由50层股线构成，每层股线由2根股线构成，即上层绕组和下层绕 组均由共计IOO根股线并联连接，分为左右两排，沿径向分为50层，并在端部焊接在一起。 上层绕组的50层股线从槽底1-2至槽口 1-1依次为第1层股线 第50层股线，且上层绕 组的每层股线的径向高度相同，定子绕组的最高温度出现在上层绕组的第32 40层股线 上，参见图5所示。 本实施方式中，改变上层绕组第32 40层股线的结构，由9层改为10层，其余结 构不变。因为要保证该部分股线优化后的总电阻值与优化前相等，根据公式及=*，当绕组
的轴向长度L 一定，保证绕组的有效截面积S不变即可以让优化前后绕组的阻值不变。如 传统结构的上层绕组的单层股线的径向高度为1. 9mm，则应用本实施方式的技术方案后，上 层绕组的第32层 41层股线的单层径向高度降低至1. 71mm。图1给出了优化后定子绕组 的结构。 与传统结构相比，上层绕组的总阻值没有发生变化，则流经上层绕组的总电流不
4变，因此总的基本铜耗也不变。 图3给出了传统结构的定子绕组和应用本实施方式后的定子绕组的电阻增加系 数曲线。结合前面对基本铜耗变化的分析，改变股线结构后，上层绕组内涡流损耗降低约 10%。 图5所示为应用本实施方式技术方案的定子上层绕组径向的温度值分布与传统 结构温度值分布的对比图，分析结构对温度的影响。由于股线结构的优化仅针对上层绕组 进行，因此结构优化后下层绕组的股线内的温度与采用原结构的股线温度相同，在此不作 分析。上层绕组结构调整段绕组内的温度有一个明显的回落，其余股线结构变化前后温度 差异相对较小，且越远离结构优化段温度差异越小，上层绕组最靠近绝缘层2处的股线以 及靠近槽口 1-1处股线优化前后温度基本没有差别，这是因为此处股线的尺寸没有变化， 涡流损耗也不发生改变。采用剖分加细后的绕组结构，上层绕组的最高温度仍然出现在距 离槽底1-2第36 37层股线中，且较原来的最高温度下降约1. 5°C 。结构优化段股线内平 均温度为117. 5t:，较原来的118. 9t:下降了约1. 4°C。应用本实施方式的技术方案后，温度 较高的股线数量较原来的结构明显减小。采用传统结构，温度超过118t:的股线有14层，结 构调整后没有股线温度高于118°C ;传统结构温度超过117°C的股线有19层，而采用本实施 方式技术方案的结构之后超过117t:的股线降至15层。该方案降低最高温度段的损耗，从
而将上层绕组的最高温度降低约i. 5t:，进而可达到优化目的。
具体实施方式
二 下面结合图2、图4和图6说明本实施方式，本实施方式所述汽 轮发电机的定子绕组沿径向、且由内圆至外圆依次设置有上层绕组和下层绕组，上层绕组 和下层绕组之间层间绝缘，所述下层绕组均匀分为n层，所述上层绕组沿径向、且外圆至内 圆依次为上层绕组的第一层股线Xl至上层绕组的第n层股线xn，共计n层，所述上层绕组的 第一层股线Xl的径向高度hxl至上层绕组的第n层股线xn的径向高度lv呈等差数列递减，
2hv(k —1)
相邻两层股线的径向高度差为A" (n_1Xk + 1)，其中上层绕组的第一层股线Xl的径向高度
h严^i，上层绕组的第n层股线Xn的径向高度h =^， '1 k+1 幼k+1 其中，hy为下层绕组的单层股线的径向高度， k为涡流损耗比，k^^ ， Pn为上层绕组等高设置时上层绕组的第n层股线
尸I xn的涡流损耗，P工为上层绕组等高设置时上层绕组的第一层股线Xl的涡流损耗， n为自然数，且80 > n > 40。 传统汽轮发电机定子绕组的定子槽1内从槽底1-2至槽口 1-1依次设置有下层绕 组和上层绕组两部分，上层绕组和下层绕组之间设置绝缘层2，作为层间绝缘，上层绕组和 下层绕组的结构相同，都由50层股线构成，每层股线由2根股线构成，即上层绕组和下层绕 组均由共计IOO根股线并联连接，分为左右两排，沿径向分为50层，并在端部焊接在一起。 上层绕组的50层股线从槽底1-2至槽口 1-1依次为第1层股线 第50层股线，且上层绕 组的单层股线的径向高度和下层绕组单层股线的径向高度hy相等。
5[0029] 令涡流损耗比k-^-^，其中，krf。为上层绕组的第50层股线x5。的电阻增加系
数，kn为上层绕组的第一层股线A的电阻增加系数，第p根电阻增加系数按公式(1)计算
K,4,)+p(p-輔) (1)其中:附K^f (2)
腦^| (3) ch《+cos《 公式(2)和公式(3)中涉及的导体的相对高度《-、7rfh^ ,其中，h,为上层绕
)|p w。
组的单层股线的径向高度，此时与下层绕组的单层股线径向高度hy相等，g卩A, = hy， ^为
单层上层绕组的轴向宽度，w。为定子槽l的槽宽，P为上层绕组的导体材料的电阻率，P。
为真空磁导率，f为交流电频率。
根据公式(1) 公式(3)计算出krf。和kn，进而计算出涡流损耗比k。 本实施方式中以上n = 50为例进行说明，令上层绕组的单层径向高度自槽底1_2
向槽口 1-1方向均匀递减，为保证优化前后上层绕组股线的有效截面积一致，即优化前后
2h k
上层绕组电阻值不变，上层绕组的第一层股线Xl的径向高度、严"^ ，上层绕组的第50层
k+1
股线x5。的径向高度、5(T^，上层绕组的单层径向高度从上层绕组的第一层股线Xl至上
层绕组的第50层股线x5。呈等差数列递减，公差^ = 211,—0。
49(k + l) 其中，hy为下层绕组的单层径向高度。 下面给出一个具体的例子，上层绕组的第50层股线x5。的径向高度为1. 6mm，上 层绕组的第一层股线Xl的径向高度为2. 2mm，上层绕组中相邻两层股线径向高度公差约为 0. 0122mm。优化后上层绕组结构如图2所示。 应用本实施方式的上层绕组的电阻增加系数曲线如图4所示。其分布趋势与传统 结构的基本一致，都是其中自槽底1-2向槽口 1-1非线性增加。上层绕组电阻增加系数与 传统结构电阻增加系数略有不同，其中1 25层股线的电阻增加系数较原来的大，而26 50层股线的电阻增加系数较原来的小，在上层绕组径向中心处优化前后电阻增加系数的差 别最小，而越接近槽口 1-2或越接近绝缘层2位置，电阻增加系数的差别越大，第一层上层 绕组这种差异为0. ll，第50层上层绕组约为0. 42。 应用本实施方式优化后上层绕组相邻两层的电阻增加系数差别较原来小。 图4给出了优化前后绕组内涡流损耗分布的比较。从图中可以看出，上层绕组的 结构调整后，绕组内涡流损耗沿径向的分布趋势与电阻增加系数相似，也是自槽底1-2向槽口 l-l方向非线性增加。从整根上层绕组来看，径向涡流损耗的分布较原来的更为均匀， 相应的上层绕组沿径向的温度分布也会较原来更为均匀，上层绕组相邻两层股线间最大温 差降低2. 7°C ，且由于接近槽口 1-2位置股线内损耗较原来减小，也可以在一定程度上降低 32 40层股线的温度，最高温度降低，从而达到了优化目的。 从图6看出应用本实施方式后上层绕组内的温度值分布并与传统结构温度进行 比较发现，采用本实施方式优化结构上层绕组的最高温度明显降低，由于采用上层绕组相 邻股线径向高度等差的优化结构，靠近槽口 1-1处的上层绕组的股线的径向高度小于传统 结构的上层绕组中股线的径向高度，而靠近绝缘层2的上层绕组的股线的径向高度则高于 传统结构上层绕组的股线的径向高度，因此采用这种结构时上层绕组的上半部分股线的温 度要小于传统结构相应位置的股线的温度，下面靠近绝缘层2的上层绕组的下半部分的股 线的温度要大于传统结构相应位置的股线的温度，两种结构下的温度分布曲线有一个交 点，此处上层绕组的股线的径向高度为1.9mm，与传统结构股线高度相同。优化后上层绕 组的最高温度仍然出现在第32 33层股线中，较传统结构最高温度位置向下移动了，最 高温度为117. 5°C，比传统结构最高温度下降了约1. 5°C ;结构优化后上层绕组的平均温度 为114. 3t:，传统结构的上层绕组平均温度为114. 9t:，差别较小；采用传统结构，温度超过 117t:的上层绕组有19层，应用本实施方式优化后超过117t:的上层绕组有12层；此外从 温度分布曲线上看，应用本实施方式优化后上层绕组不同层间温度差较传统结构变小，径
向温度分布更加均匀，传统结构上层绕组最大温差为n.9t:，应用本实施方式优化后的上
层绕组层间最大温差减小至9. 2°C 。
权利要求汽轮发电机的定子绕组，其特征在于，定子绕组沿径向、且由内圆至外圆依次设置有上层绕组和下层绕组，上层绕组和下层绕组之间层间绝缘，所述下层绕组均匀分为50层，所述上层绕组沿径向、且由外圆至内圆方向依次为上层绕组的第一层股线x1至上层绕组的第51层股线x51，共计51层，上层绕组的51层股线的径向高度分别为hx1＝hx2＝...＝hx30＝hx31＝hx42＝hx43＝...＝hx50＝hx51＝hyhx32＝hx33＝...＝hx40＝hx41＝0.9hy其中hy为下层绕组的单层股线的径向高度。
2. 汽轮发电机的定子绕组，其特征在于定子绕组沿径向、且由内圆至外圆依次设置有 上层绕组和下层绕组，上层绕组和下层绕组之间层间绝缘，所述下层绕组均匀分为n层，所 述上层绕组沿径向、且外圆至内圆依次为上层绕组的第一层股线A至上层绕组的第n层 股线xn，共计n层，所述上层绕组的第一层股线Xl的径向高度hxl至上层绕组的第n层股线Xn的径向高度ty呈等差数列递减，相邻两层股线的径向高度差为Ah- 2hy(k —0其(n-l)(k + l)中上层绕组的第一层股线A的径向高度1^=^ ，上层绕组的第n层股线&的径向高度 <formula>formula see original document page 2</formula>其中，hy为下层绕组的单层股线的径向高度，k为涡流损耗比，， Pn为上层绕组等高设置时上层绕组的第n层股线xn的涡流损耗，Pi为上层绕组等高设置时上层绕组的第一层股线Xl的涡流损耗，n为自然数，且 80 > n > 40。
专利摘要汽轮发电机的定子绕组，属于电机领域。本实用新型的目的是为解决目前汽轮发电机定子绕组内涡流损耗分布不均匀的问题。本实用新型所述汽轮发电机的定子绕组沿径向、且由内圆至外圆依次设置有上层绕组和下层绕组，上层绕组和下层绕组之间层间绝缘，所述下层绕组均匀分为多层，所述上层绕组沿径向、且由外圆至内圆方向依次为上层绕组的第一层股线至上层绕组的第n层股线，上层绕组中各层股线的径向高度不同，进而改变涡流损耗在定子上层绕组内的径向分布，使上层绕组内股线间涡流损耗的径向差异减小，即涡流损耗分布相对更加均匀。本实用新型降低了定子绕组内的最高温度。
文档编号H02K3/04GK201509108SQ20092010058
公开日2010年6月16日 申请日期2009年8月13日 优先权日2009年8月13日
发明者张晓晨, 曹君慈, 李伟力, 柴峰 申请人:哈尔滨理工大学