专利名称：发电机转子磁场的应变能控制面的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电机。具体讲，该发明涉及在发电机的转子磁场线圈中的应变能控制。
工业发电机中的转子在高转速下产生很大的离心力，该离心力对转子施加压力。转子中的任何不平衡都会导致振动。与此类似，转子中的电流在转子磁场线圈中产生热应力。这些热应力的不均匀分布会产生机械力矩，从而使转子弯曲和使其处于非平衡状态。在转子中电流所产生的热应力会导致转子振动。
转子磁场线圈载有很大的电流。转子及其线圈在发电机运行过程中必须耐受相当大的热应力能。在常规运行速度下，转子通常以每分钟3600转的速度(RPM)和更快些的速度运转。此外，转子可以有多种运行速度，如1500、1800、3000和3600RPM。因此，转子必须在多种高转速下保持动态平衡。转子中的任何不平衡都可能使转子不稳定并导致不希望的振动。振动成为转子疲劳和损耗的主要原因。此外，如果该振动超出某个相对移低的阈值极限，转子就不能安全地运行。
在发电机转子中产生振动的原因是由于磁场线圈所运载的大电流对线圈和转子加热并使其变形。该电流对线圈产生电激励并使其发热。当线圈被加热后，它们就膨胀。当其膨胀时，线圈的相邻匝层连接在一起，并且连接到转子齿槽的侧面、转子齿槽中楔块的下侧、扣环的下侧和前缘，此外还连接到端块的端面。线圈的这一热膨胀主要在绕组的顶部线匝上产生齿槽摩擦力。与此类似，当线圈叠层的顶部线匝摩擦齿槽中和扣环上的间隔和间断点时，产生了限制力。顶部线匝承受了由转子电流所产生的大部分热应力。在先有技术的磁场线圈中，在顶部线匝上的这些热应力由于线匝间的摩擦力作用而在整个线圈中传导。
由热膨胀产生在转子磁场线圈中的应力可以在转子中分为五类主要的应力机制。它们是(1)紧靠在膨胀线圈上的端线圈块，(2)扣环和顶部线匝之间的摩擦系数，(3)在扣环的内表面将顶部线匝组合起来的间隔和其它间断点，(4)转子齿槽和线圈叠层间的摩擦系数，以及(5)在转子齿槽楔块的下侧和绝缘层上使顶端线圈变形、粘接和研磨的间隔和间断点。这些应力机理是不能完全予测的，它们以某种随机方式产生该应力。该应力可以在整个转子长度上变化，并且可以在叠层的单个线圈之间以降低的趋势变化。此外，该应力也可以在线圈的顶部线匝和下侧线圈叠层之间变化。
在转子中克服热应力以及减小热振动的先有技术包括冷却转子、给转子一个高挠性劲度、采用装在机上且与转子轴不相啮合的扣环、将转子的所有绝缘部分定位在180度的相对位置、并且涂覆顶部线圈的上表面。刚性转子阻制了弯曲和变形，从而减弱了转子中的热振动。与此类似，装有机上的扣环有效地增强了转子的劲度，从而减小了转子的热应力灵敏度。装在机上的扣环也不能向转子的小直径转轴传递弯曲压力。此外，将转子的绝缘部分定向为彼此直接相对从理论上消除了转子中的热应力，从而减小了转子上的弯曲力矩。最后，涂覆顶部线圈的上表面从理论上来说使得线圈能相对于绝缘层、楔块和扣环而滑动。
这些先有技术都有其缺点。冷却和高刚性技术实际上是以转子总是在阈值温度和应力下运行为条件的。但转子总是在该阈值极限之外运行，因此过度的热振动持久地损坏转子。与此类似，装在机上的扣环不可能很经济地在具有安装在转轴和转子体上的传统扣环的旧转子上作翻新改进。此外，装在机上的扣环显著地增加了转子设计的费用和难度。
相对地放置绝缘部分是很难设计的，而且几乎不可能在转子的使用寿命内保持住。每个转子在例如绝缘材料的对头连接和重叠处具有不可预测的和随机的间隔和间断点。因此，不可能设计具有相等但相反应力的对立的绝缘部分。与此类似，在持续的时间期间的疲劳和蠕变机理随机地老化热应能并迫使其分布在磁场线圈中。在其使用期间，转子将对热能产生反应，并且以随机的和不可预测的方式振动。
与此类似，涂覆顶部线圈的上表面并没有什么效果，因此这一软铜表面在绝缘层、齿槽楔块和扣环下变形。顶部线圈的上表面中的变形部分与绝缘层粘合。因此，无论顶点线圈和绝缘层间的任何涂覆，这些变形阻止了顶部线圈相对于绝缘层滑动。
本发明提出一种新的技术，它降低了发电机转子对热激发磁场线圈的应力的灵敏度。这一技术利用了大部分热应力位置位于转子磁场线圈的顶部线匝上的这一物理现象。该发明用于一个摩擦滑动面将顶部线匝与下面的线圈叠层机械地隔开。
滑动面紧塞在线圈的顶部线匝下。该滑动面使得在顶部线匝之下的线圈绕线的叠层在被加热时自由地膨胀。顶部线圈的下侧保持平直，这与顶部线圈之下的线圈的上下表面一样。施加到顶部线匝的上表面的变形并不会扩展到顶部线匝的下表面或下面的线匝。因此，与充满于顶部线匝和楔块绝缘层之间的界面上的变形相反，在线圈匝的相邻表面中没有妨碍滑动的变形。
除了被滑动面所隔离开的顶部线匝外，磁场线圈以均匀的线圈叠层膨胀。由于线圈的底部叠层会膨胀，因此在这一叠层之间没有形成应变能力量。在这一线圈叠层不存在主要由热能所产生的力量去导致线圈或转子变形，或者导致转子振动。因此，在顶部线匝之下的滑动面减小了在磁场线圈和转子中的热振动。
磁场线圈的顶部线匝在被加热时产生膨胀，其下层的线圈叠层也是如此。与线圈叠层不同的是，顶部线匝的热膨胀是相反的，因此在转子中产生了热应力。在顶部线匝中形成热应力的原因是由于顶部线匝由位于转子端面的扣环、位于转子齿槽顶部的齿槽楔块和位于磁场线圈的端部线匝处的端块限定。然而，在顶部线匝中的热应力被隔绝在该线匝中，并且与先有技术线圈叠层-其应力由整个线圈叠层的热激励所产生-中的应力相比要小。本发明应将转子磁场中的热应力减小一个系数(1/N)，这里，N是线圈叠层中的匝数。在具有一个滑动面的转子中的热应力是不带滑动面的转子中的应力的很小一部分。
滑动面具有低摩擦系数，使得线圈叠层能相对顶部线圈叠层滑动。滑动面建立了能在叠层中形成的最大应变能的上限。当叠层中的应变能接近滑动面的摩擦系数时，滑动面使叠层滑向线匝顶部，从而将应力释放在叠层中。
滑动面很薄，因而不会取任何现存的线匝。该滑动面可以象覆盖每一线匝的绝缘体一样薄。由于它很薄、因此该滑动面可以加入到现存的磁场线圈中而不必修正转子齿槽或减少线圈中的匝数。此外，顶部线匝即使在带有滑动面的情况下仍保持活跃的电性。因此，可以在不减小磁场线圈的电容量或效率的情况下加入滑动面。
此外，线圈的角端线匝被修正使得仅仅顶部线匝与磁场线圈端头的转角块相靠。顶部线匝比端线匝转角处的下层线圈叠层要宽。仅仅较宽的顶部线圈转角靠住转角块。顶部线匝之下的叠层在转角处可以自由地纵向膨胀。顶部线匝的转角有效地保证整个线圈叠层不能在转子齿槽中轴向滑动。因此，线圈被固定在齿槽中并且可以自由膨胀，只有顶部线匝除外。加宽顶部线匝的转角可减小线圈叠层中的应变能力量，并且减小线圈叠层变形和产生热振动的趋势。
本发明涉及一个转子磁场线圈，该转子磁场线圈包括多个线匝，以线匝的纵向叠层绕制，所述线匝位于所述转子的齿槽中，一个滑动面，位于所述叠层中的一对相邻的线匝间。
本发明还涉及发电机的一个转子，它包括一个圆筒形转子，其表面具有轴向齿槽，至少一个转子磁场线圈位于相应的一对所述轴向齿槽中，所述转子磁场线圈包括以纵向叠层绕制的多个线匝，所述线匝包括沿轴向从所述转子上延展出去的端匝，所述叠层的至少一个线匝具有比所述叠层中的其它线匝的端匝要宽的宽端匝，相对于所述转子固定的一个块体轴向靠住所述宽端匝。
本发明的目的是减小发电机转子中的热振动趋势。尤其特别的是，本发明的目的是在转子齿槽中紧挨在顶部匝之下放入一个滑动面以限制转子和磁场线圈中的应变能。与此类似，本发明的目的是阻挡顶部线匝的端子而非其下层的端匝，以减小线圈中的应变能。
本发明将结合下述附图进行清楚的描述
图1是用于示出作用于磁场线圈上的应变能力量的一个先有技术转子的示意性剖面图;
图2是用于示出线圈叠层的一个长度的转子的部分剖面图;
图3是一个转子齿槽和线圈的剖面图;
图4是线圈端匝和转子的端子的部分剖面图;
图5是沿图4的对角线5-5的线圈端匝的剖面图。
图6是沿图4的对角线6-6的线圈端匝的剖面图。
图1示出了作用在一个传统的转子磁场线图10上的应变力。转子12在发电机内由直径小于转子本身的转轴14支撑。线圈安装在转子中沿轴向延展的齿槽中。线圈通常是线匝的正方形叠层，每一匝具有一对长肢和一对短肢(端匝)。线圈的长肢处于转子中一对相应的齿槽中。齿槽楔块覆盖每个齿槽的顶部，从而使线圈保持在齿槽中。这一齿槽楔块由几层绝缘体与线圈的顶部匝分开。其它线匝紧位于顶部匝之下，但并不直接与齿槽楔块接触。
磁场线圈的端匝(短肢)18从转子的主部向外延展，并且突出在转轴14之上。端匝被端线圈块20和扣环22固定住。扣环以传统技术被直接安装在转轴14之上，并且与转子的端子重叠。扣环为线圈的端匝提供了一个外环挡板，并且阻止端匝在转子的高旋转速度下产生的离心力作用下向外弯曲。正如齿槽楔块一样，只有线圈的顶部匝与扣环接触。
与此类似，端块20靠住端匝的外边，从而使磁场线圈被轴向固定在原位。端块本身被安装在扣环之中的定心环24固定在原位。在先有技术的转子中，端块靠住线圈端匝的整个叠层。而在本发明的最佳实施例中，在端匝的转角处的端块仅仅靠住端匝线圈的顶部匝。
如图1所示，在磁场线圈中由热应力产生的应变能从多方面产生。在齿槽楔块26和顶部线圈匝28之间产生轴向齿槽摩擦力30，该力作用在线圈的顶部匝上。该齿槽摩擦力的大小由于齿槽楔块和顶部绕线匝的相邻表面的不规律性和不连续性而沿线圈的长度而变化。与此类似，在扣环前缘夹持线圈顶部匝的地方，该前缘传送一个很大的摩擦力32。
在没有滑动面的转子线圈中，摩擦力通过线圈的叠层而分布。这些摩擦力是不平衡的，因此，导致线圈和转子弯曲，这一弯曲使转子不平衡，从而在转子中产生可能的毁灭性热振动。
除了沿线圈的顶部匝所公布的力之外，在端匝18的外边沿施加了外力34。保持线圈不沿轴向运动的端线圈块20本能地将力作用到线圈的端匝。在端匝上的这些相对的力在磁场线圈和转子中产生热应变能。在现有技术的线圈没有滑动面或者一个顶部匝具有加宽的端匝时，这些端线圈力在线圈叠层的整个线圈层分布，从而使得线圈中产生热应力能。
图2和图3示出一个磁场线圈10，在该线圈的顶部匝之下有一个滑动面36。在最佳实施例中，滑动面的厚度为0.015至0.050英寸，这与覆盖线圈的绝缘体有同样的厚度。该滑动面由具有低摩擦系数的高强度材料制成。适用于滑动面的材料例如有玻璃、用聚四氟乙烯浸渍的玻璃和涂覆有聚四氟乙烯的石墨。在最佳实施例中，在线匝和滑动面之间的摩擦系数小于0.05。
线圈10的匝以一个半矩形圈的形式叠在一起。该线圈叠层处于转子12中的轴向齿槽中。转子齿槽既深且窄，用以容接线圈叠层。靠近转子表面在叠层线圈之上，转子齿槽被一个楔块38所覆盖，该楔块将线圈固定在齿槽中。在磁场线圈的楔块和顶部匝28之间有几层绝缘体40。
线圈的顶部匝与其上的绝缘层相接触。当线圈被激励和加热时，顶部线圈中不可避免的凸缘、间隔、间断点会对绝缘体和楔块产生研磨。
如图4至6所示，磁场线圈的端匝部分18在转子外延伸并且突出在转子的转轴之上。线圈的端匝部分将一个转子齿槽中的线圈段与另一转子齿槽中的相应的线圈段相连。该端匝通常正交于转子轴而运行。端匝部分由位于转子端的扣环38所固定。
连续线圈的端匝部分从最宽线圈40到最窄线圈42交错排列。在每一端匝的转角44，顶部线圈28比在其之下的线圈叠层中的线圈要宽。顶部线圈端匝的这一宽转角靠住交错排列的端匝之间的转角块46。与此类似，最窄的线圈42有一个宽端匝转角，它靠住转子12的端部。
顶部匝与转角块之间的相靠固定了该顶部匝，并且使得下面的线圈也横向地保持在转子齿槽中。由于在顶部匝之下的线圈叠层不与转角块相靠，因此这些下面的线匝在端匝的转角处可以自由地沿轴向热膨胀。因此，线圈可以在转子齿槽中沿轴向热膨胀，从而避免了齿槽中的热应力。
为了保证端匝处的整个线圈叠层在转子转轴上得到了足够的支持，定距块沿端匝而非仅仅在转角处在几处与整个线圈叠层靠住。只有在端匝的转角处顶部线匝要比其余的线圈叠层宽。除这些转角外，顶部线圈与其下面的线圈叠层具有相同的宽度。因此，定距块在端匝处与整个线圈叠层啮合。由于这些定距块不在热膨胀最大的端匝的转角部位，因此定距块可与整个磁场线圈啮合而不会在线圈产生不适当的热应力。
本发明是以目前认为最佳的实施例来描述的，但它不仅仅限于所描述的实施例，在权利要求的精神和范围之内的任何修改和等同结构都包括在本发明中。
权利要求
1.在发电机的转子中，转子磁场线圈的特征在于包括多个线匝，以线匝的纵向叠层绕制，所述线匝位于所述转子的齿槽中，一个滑动面，位于所述叠层中的一对相邻的线匝间。
2.如权利要求1的转子磁场线圈，其特征在于所述滑动面基本覆盖了在所述相邻线匝之间的整个区域。
3.如权利要求1的转子磁场线圈，其特征在于所述相邻的线匝包括在所述叠层中最接近转子表面的线匝。
4.如权利要求1的转子磁场线圈，其特征在于所述相邻线匝处于所述叠层靠近转子表面的位置。
5.如权利要求1的转子磁场线圈，其特征在于所述滑动面与所述相邻线匝的摩擦系数小于0.05。
6.如权利要求1的转子磁场线圈，其特征在于所述滑动面包含具有低摩擦系数的高强度材料。
7.如权利要求1的转子磁场线圈，其特征在于所述滑动面是包含玻璃的一种材料。
8.如权利要求7的转子磁场线圈，其特征在于所述玻璃用聚四氟乙烯浸渍。
9.如权利要求1的转子磁场线圈，其特征在于所述滑动面是包含覆盖了聚四氟乙烯的石墨的一种材料。
10.一种发电机的转子，其特征在于包括一个圆筒形转子，其表面具有轴向齿槽;至少一个转子磁场线圈位于相应的一对所述轴向齿槽中，所述转子磁场线圈包括以纵向叠层绕制的多个线匝，所述线匝包括沿轴向从所述转子上延伸出去的端匝;所述叠层的至少一个线匝具有比所述叠层中的其它线匝的端匝要宽的宽端匝;相对于所述转子所固定的一个块体，它轴向靠住所述宽端匝。
11.如权利要求10的转子，其特征在于所述端匝在所述端匝的转角处宽度与在所述齿槽中的所述线匝部分一致。
12.如权利要求10的转子，其特征在于所述具有宽端匝的至少一个线匝是最靠近所述转子表面的线匝。
13.如权利要求10的转子，其特征在于所述具有宽端匝的至少一个线匝被位于叠层中相邻线匝间的滑动面与其它线圈隔开。
14.一种发电机的转子，其特征在于包括一个圆筒形转子，其表面具有轴向齿槽，至少一个转子磁场线圈位于相应的一对所述轴向齿槽中，所述转子磁场线圈包括以纵向叠层绕制的多个线匝，所述线匝包括沿轴向从所述转子上延伸出去的端匝;在所述叠层中相邻的线匝对之间的一个滑动面，所述叠层的至少一个线匝具有带有转角的宽端匝，该转角比所述叠层中其它线圈匝的端匝的转角要宽，相对于所述转子固定的一个块体，它轴向靠住所述宽端匝。
15.如权利要求14的发电机转子，其特征在于所述滑动面紧挨在最靠近转子表面的线匝之下。
16.如权利要求14的发电机转子，其特征在于所述滑动面紧挨在最靠近转子表面的线匝之下，并且由包含玻璃的一种材料制成。
17.如权利要求14的发电机转子，其特征在于所述滑动面紧挨在最靠近转子表面的线匝之下，并且由包含覆盖了聚四氟乙烯的石墨的一种材料制成。
18.如权利要求14的发电机转子，其特征在于所述滑动面紧挨在最靠近转子表面的线匝之下，并且所述一个线匝就是所述最靠近转子表面的线匝。
全文摘要
在发电机转子的一个磁场线圈中，有一个滑动面用于减小转子中的热应变能。该滑动面允许线圈叠层在顶部线圈下滑动以释放在叠层中的热应力。因顶部线圈被滑动面所隔离，所产生的热应能被限制在顶部线圈中。类似地，顶部线圈端匝的转角比其下面的线圈叠层的端匝转角要宽。这些宽顶部端匝靠住磁场线圈的转角端块。因叠层的端匝未被转角端块所限定，故在顶部线匝下的线圈叠层在热激发下可自由膨胀。
文档编号H02K3/48GK1080095SQ9310718
公开日1993年12月29日 申请日期1993年6月17日 优先权日1992年6月17日
发明者V·R·阿贝特 申请人:通用电气公司