Статор электрической машины

Изобретение относится к статорам электрических машин большой мощности и предназначено для обеспечения надежности и длительной работоспособности радиального крепления секции обмотки в пазу статора электрической машины. Статор содержит сердечник (1) в пазы (2) которого уложены секции (3) обмотки. Обмотка в радиальном направлении закреплена в пазах клиньями (4), под которыми размещены жесткие прокладки (5) и упругие прокладки (6). Упругие прокладки установлены непосредственно на секции обмотки и выполнены из полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью, в которой толщина слоя резины превышает толщину слоя стеклоткани. 1 ил.

Техническое решение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам большой мощности, в частности статорам высоковольтных турбогенераторов и гидрогенераторов с обмоткой, состоящей из секций в виде стержней или катушек, имеющих изоляцию, сформованную и отвержденную до установки секции в паз сердечника статора, и уложенных в пазы в один или более слоев.

В большинстве известных устройств радиальное крепление секции обмотки (стержня или катушки) в пазу сердечника статора производится путем прижатия ее с помощью прокладок и клиньев к основанию паза. Чтобы компенсировать осадочные явления во время эксплуатации, предусматриваются пружинящие (упругие) прокладки.

Известен статор электрической машины, в котором для крепления секций обмотки в пазу по его высоте размещены клин и изоляционные подклиновые элементы, выполненные в виде упругих прокладок. В качестве упругих прокладок применяются прокладки изогнутой формы, выполненные из эпоксидной смолы, армированной стекловолокнами. (US 3976901, Н02К 3/48, опубл. 24.08.1976 г.). Такая пружинная прокладка позволяет избежать локальной концентрации давления на секцию при заклинивании и в то же время обеспечивает постоянное радиальное усилие на нее. Степень сжатия прокладки определяет величину усилия на секцию, подавляющего вибрацию, и поэтому требует тщательного контроля. Для установки такой прокладки необходимы клинья специального изготовления и специальный инструмент для контроля, что существенно увеличивает затраты на операцию заклинивания паза. При этом возможно, как разрушение прокладки в случае чрезмерного ее распрямления, так и недопустимое ослабление усилия на секцию в противоположном случае. Кроме того, изменение свойств материала во времени и некоторая усадка секции при длительном действии рабочей температуры, давления и пульсирующих электродинамических сил вызывают необходимость периодического переклинивания пазов, что, по вышеуказанным причинам, затруднительно в условиях эксплуатации.

Известен статор электрической машины, в котором для закрепления обмотки в пазах сердечника каждый паз закрывают закрывающими клиньями. Причем между закрывающими клиньями и секциями обмотки, находящимися в пазу, размещены изоляционные волнистые пластинчатые пружины, выполненные из эпоксидной смолы, армированной стекловолокнами, предварительно механически напряженные посредством дополнительных противолежащих клиньев, расположенных между закрывающими клиньями и пружинами. Закрепление секций производится за счет находящихся в фиксированном положении регулировочных элементов. Посредством регулировочных элементов можно изменять расстояние между закрывающими клиньями и противолежащими клиньями. (Патент РФ 2321135, Н02К 3/487, опубл. 27.03.2008 г.).

Недостатком такого технического решения является усложнение конструкции статора электрической машины, состоящее в необходимости выполнения специальных отверстий для установки регулировочных элементов в закрывающих клиньях и значительном увеличении высоты паза для размещения дополнительного противолежащего клина, а также сложность контроля степени сжатия волнистых пластинчатых пружин.

Наиболее близким по технической сущности является статор электрической машины, в котором для крепления секции обмотки в пазу в радиальном направлении упругие прокладки, размещаемые под клином, между слоями обмотки и под секциями на дне паза, выполняются из изоляционного термореактивного вязкоупругого материала и устанавливаются с натягом. (А.с. СССР 792486, Н02К 3/48, Опубл. 30.12.1980 г.). Это решение не требует применения специальной конструкции клина или способа установки прокладки, а контроль установки клиньев производится простым и общеизвестным методом «простукивания». Эластичность термореактивного вязкоупругого материала, например олигомерного уретанэпоксида, позволяет выполнить его сжатие при заклинивании паза на 10-20%, что обеспечивает получение необходимого радиального усилия на секцию.

Недостатком этого технического решения является свойство вязкоупругости материала упругой прокладки, например олигомерного уретанэпоксида, определяющее пониженную устойчивость его к длительному воздействию повышенной температуры и давления, и отсутствие в материале прокладки армирующей сетки из жесткого и теплостойкого неорганического материала, например стеклоткани. По этим причинам происходит постепенная потеря прокладкой упругих свойств и, как правило, разрушение прокладки.

Также, недостатком всех вышеуказанных технических решений является, как показал опыт эксплуатации электрических машин высокого напряжения, то, что упругая прокладка, устанавливаемая на поверхность секции обмотки, обращенную к клину, изготавливается из изоляционного материала. Это приводит к ускорению развития на поверхности секции обмотки эрозии под действием коронных разрядов и разрушению поверхностного полупроводящего слоя изоляции секции, что в результате ослабляет крепление секции в пазу сердечника статора.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности и долговечности радиального крепления секции обмотки в пазу статора электрической машины при выполнении радиального крепления без усложнения способа заклинивания и метода его контроля.

Указанный технический результат достигается тем, что статор электрической машины содержит сердечник, в пазы которого уложены секции обмотки, закрепленные в радиальном направлении клиньями, под клиньями размещены жесткие прокладки и устанавливаемые непосредственно на секцию упругие прокладки, причем упругие прокладки выполнены из полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью. При этом необходимо, чтобы толщина слоя резины в прокладке из полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью, превышала толщину слоя стеклоткани.

Наиболее удобной для применения конструкцией является прокладка, составленная в виде пакета полос, имеющих толщину от 0,2 до 0,4 мм, из полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью.

Упругие прокладки также могут быть установлены в пазу сердечника статора электрической машины, как на дне паза, так и между секциями обмотки.

Новым в заявляемом техническом решении является то, что конструкция, использующая предлагаемый для упругой прокладки материал, удовлетворяет главным требованиям, предъявляемым к радиальному креплению обмотки, выполнение которых требует компромиссного решения:

- с одной стороны, необходима эластичность для перераспределения усилий, создаваемых при операции заклинивания секции в пазу и, тем самым, предохранения изоляции от повреждения при этой операции;

- с другой стороны, прокладка должна иметь жесткость, позволяющую создать при ее сжатии в процессе заклинивания давление на секцию, достаточное для предотвращения опасной вибрации, вызываемой действующими на секцию при работе электрической машины пульсирующими электродинамическими силами.

Кроме того, для предотвращения развития повреждения разрядами поверхностного полупроводящего слоя изоляции секции материал упругой прокладки должен обладать полупроводящими свойствами для создания электрического контакта между упругой прокладкой и сердечником по всей поверхности секции, на которую установлена упругая прокладка.

В качестве такого материала предлагается использовать полупроводящую теплостойкую силиконовую резину, армированную стеклотканью. Использование свойства упругости теплостойкой силиконовой резины позволяет демпфировать и уменьшать амплитуду колебаний секций обмотки, что увеличивает стабильность крепления обмотки в условиях частых тепловых циклов и больших электродинамических усилий, а армирование стеклотканью позволяет придать материалу необходимую жесткость. В целом, такая прокладка допускает большую деформацию сжатия с сохранением ее упругой составляющей при одновременном упрощении конструкции прокладки, отказе от придания прокладке изогнутой формы. Кроме того, полупроводящая теплостойкая силиконовая резина, армированная стеклотканью, обладает свойством электропроводности, которое характеризуется продольным удельным сопротивлением 10³-10⁵ Ом/квадрат, благодаря которому создается хороший электрический контакт между упругой прокладкой и сердечником по всей поверхности секции, что предотвращает развитие повреждения разрядами поверхностного слоя изоляции секции обмотки статора.

Для простоты и удобства применения предлагается выполнять упругую прокладку в виде пакета полос из полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью, толщиной от 0,2 до 0,4 мм. Такое выполнение прокладки упрощает изготовление исходного материала и позволяет легко подбирать толщину упругой прокладки, обеспечивающую при заклинивании необходимое давление на лежащие в пазу секции.

Для уменьшения вероятности повреждения изоляции при заклинивании, связанного с неровностью секций и дна паза, такие же упругие прокладки целесообразно устанавливать в пазу между слоями обмотки и на дне паза.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором изображен разрез паза статора электрической машины.

Статор электрической машины состоит из сердечника 1 и уложенных в его пазы 2 сформованных секций 3 двухслойной обмотки в виде стержней или катушек. Секции 3 обмотки закреплены в пазах 2 в радиальном направлении клиньями 4 и установленными под ними жесткими прокладками 5 и упругими прокладками 6. Между секциями и на дне паза могут быть установлены или жесткие прокладки 5, или упругие прокладки 6 (на чертеже показана конструкция с установленными жесткими прокладками 5).

Секцию 3 обмотки электрической машины размещают в пазу 2 так, чтобы зазор между верхней гранью ближайшей к расточке статора секцией 3 и клином 4 составлял не менее 2 мм. Согласно техническому решению, этот промежуток заполняется жесткой прокладкой 5 и упругой прокладкой 6. В качестве полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью, может быть использован материал марки РЭТСАР-П (ТУ 38.103667-88 «Резиностеклоткань электропроводящая РЭТСАР-П») или материал марки ПАРСТ-П, изготавливаемый Филиалом ОАО «Силовые машины» «Электросила» (ОБС.503.050 ТУ). В указанных материалах толщина слоя резины в 2-3 раза превышает толщину слоя стеклоткани.

В качестве примера упругую прокладку 6 составляют из шести полос полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью, толщиной 0,3 мм. Поверх упругой прокладки 6 устанавливается жесткая прокладка 5, которая может быть выполнена как из изоляционного, так и полупроводящего материала, например, из стеклотекстолита, толщиной 0,5 мм, а между секциями 3 обмотки и на дне паза 2 устанавливаются жесткие прокладки 5 из стеклотекстолита толщиной 4 мм и 2 мм, соответственно. В этом случае сжатие упругой прокладки 6 при заклинивании обеспечивается на 16%.

В другом примере конструкция статора электрической машины (конструкция на чертеже не приведена) выполняется аналогично представленной в вышеуказанном примере со следующими отличиями:

- толщина жесткой прокладки 5 под клином 4 равна 1,0 мм;

- между секциями 3 установлен набор из трех прокладок: упругая прокладка 6 толщиной равной 0,9 мм, жесткая прокладка 5 толщиной - 2,5 мм и упругая прокладка 6 толщиной - 0,9 мм;

- на дне паза 2 установлена упругая прокладка 6 толщиной равной 1,8 мм.

В данном примере при заклинивании все упругие прокладки 6 сжимаются на 12%.

Плотная установка клиньев 4, контролируемая общеизвестным способом их "простукивания", создает деформацию сжатия упругой прокладки 6 не менее 10%. При такой деформации упругость материала упругой прокладки 6 обеспечивает давление на секцию не менее 8 МПа, которое достаточно для демпфирования колебаний, возбуждаемых действующими на секции 3 обмотки электрической машины пульсирующими электродинамическими усилиями.

В результате применения предложенного технического решения достигается упрощение установки обмотки в сердечник статора электрической машины, упрощение выполнения профилактических ремонтов статора в период эксплуатации электрической машины и повышение надежности и долговечности крепления обмотки в пазах сердечника статора электрической машины.

1. Статор электрической машины, содержащий сердечник, в пазы которого уложены секции обмотки, закрепленные в радиальном направлении клиньями, при этом под клиньями размещены жесткая прокладка и упругая прокладка, устанавливаемая непосредственно на секцию обмотки, отличающийся тем, что упругая прокладка выполнена из полупроводящей теплостойкой силиконовой резины, армированной стеклотканью, причем толщина слоя резины в полупроводящей теплостойкой силиконовой резине, армированной стеклотканью, превышает толщину слоя стеклоткани.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что упругая прокладка выполнена из пакета полос, причем толщина одной полосы составляет от 0,2 до 0,4 мм.