本發(fā)明涉及一種電機，特別是關于一種轉子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發(fā)電機。

背景技術：

現(xiàn)代社會已無法離開電機，電機的應用遍及交通運輸、工農業(yè)生產、信息處理，以及日常生活的各個領域。電機的種類繁多，結構也各有不同，有汽輪發(fā)電機、永磁電機、電勵磁電機等。各類電機在旋轉過程中都會產生振動和噪聲，振動噪聲是一種環(huán)境污染，會對人們健康、日常生活產生不良的影響；在軍工領域振動噪聲更為重要。因此，降低電機的振動和噪聲具有非常重要的意義。

電機的氣隙中存在著基波磁場和一系列的諧波磁場。在電機運行過程中，這些氣隙磁場之間相互作用，將會產生作用于電機定子鐵芯上的切向及徑向的電磁力；其中，切向電磁力產生轉矩，而徑向電磁激振力引起定子鐵芯變形。各種周期、各種轉速的徑向電磁激振力波都分別作用在定子、轉子鐵芯上，使定子鐵芯和機座以及轉子出現(xiàn)隨時間周期性變化的徑向形變，因此產生振動和噪聲。

汽輪發(fā)電機轉子為圓柱形，適合高速運行，應用廣泛，但是汽輪發(fā)電機一般為2極結構，極頻振動噪聲很大。引起汽輪發(fā)電機振動噪聲的徑向電磁激振力中，最明顯的是頻率與極頻相關的分量，也就是供電頻率2倍的頻率徑向電磁激振力。到目前為止，還沒有解決電機振動和噪聲的較好的方案。其它的永磁同步電機、無刷直流電機、汽輪發(fā)電機等也存在類似的問題。

如圖1、圖2所示，已有的汽輪發(fā)電機包括定子機座1、定子鐵芯2、定子繞組3、定子齒4、轉子勵磁繞組5、轉子鐵心6、轉子軸7和軸承8。其中，定子機座1可采用常規(guī)電機的安裝方式固定，定子鐵芯2固定設置在定子機座1內，定子鐵芯2是電機磁路的一部分，定子繞組3固定設置在定子鐵芯2的定子齒4之間。轉子鐵芯6與轉子軸7為一體結構,轉子軸7能夠與轉子鐵芯6一起繞軸心旋轉，轉子軸7通過軸承8固定設置在定子機座1內，轉子鐵芯6的外圓周上均勻開設若干槽，槽內設置轉子勵磁繞組5。

已有的汽輪發(fā)電機定子鐵芯2和轉子鐵芯6可以采用直槽工藝。就電機內部的徑向電磁激振力而言，已有的汽輪發(fā)電機與普通同步電機或者永磁電機一樣，存在著頻率與極數(shù)成正比的極頻徑向電磁激振力。

汽輪發(fā)電機內部的磁場由轉子鐵芯6的N極出發(fā)，經過定轉子之間的氣隙、定子齒4、再沿圓周方向經過定子鐵芯2，再經過定子齒4，最后回到轉子鐵芯6的S極，如圖3中的磁力線11所示，是將轉子切開展開成平面得到的，磁力線11以二維的形式表示。該電機的磁場只存在徑向和圓周方向的磁場，不存在軸向的磁場。

電機運行時，轉子勵磁繞組通入直流電，建立磁場，當轉子旋轉時，定子繞組感應電動勢，接負載后產生三相交流電，三相交流電形成旋轉磁場，該旋轉磁場與轉子同步旋轉。此時電機氣隙徑向磁密波形如圖4中的b_δ1所示，該磁密波形為圖3的C-C截面上一對極下范圍內的波形，縱坐標b為氣隙磁密，縱坐標σ徑向電磁激振力密度，橫坐標α為氣隙各個位置的圓周角，B_δm為氣隙磁密的峰值。該氣隙磁密波b_δ1近似為階梯波，這里簡化為平頂波。該磁場作用在定子鐵心內圓上，產生徑向電磁激振力，該激振力是引起定子鐵心振動的根源。磁密波產生的徑向電磁激振力與磁密的平方成正比，徑向電磁激振力以徑向電磁激振力密度衡量，此時的徑向電磁激振力密度波如圖4的σ₁所示?？梢姀较螂姶偶ふ窳γ芏炔é?sub>1變化的次數(shù)為磁密波變化次數(shù)的兩倍，其引起的振動的頻率等于極數(shù)與轉速的乘積，故稱之為極頻。正是這樣變化的激振力在定子上引起振動。

由前述極頻電磁激振力產生的原理可見，極頻是電機內固有的電磁激振力，電機產生轉矩需要磁場，該磁場必然產生徑向電磁激振力。前人對減小徑向電磁激振力進行了很多研究，都沒有很好的方法。有些方法只能是降低電機性能來實現(xiàn)減小徑向電磁激振力，其中較為簡單的方法就是減小氣隙磁密，徑向電磁激振力將平方倍的減小。但是這樣做的直接后果就是電機的體積重量會增大，所以也不是很好的解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種轉子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發(fā)電機，用于減小定子電磁激振力和振動噪聲。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種轉子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發(fā)電機，其包括定子機座、定子鐵芯、定子繞組、定子齒、轉子鐵心、轉子軸和軸承；所述定子鐵芯固定設置在所述定子機座內，所述定子繞組固定設置在所述定子鐵芯的所述定子齒之間；所述轉子鐵芯與所述轉子軸為一體結構，所述轉子軸通過所述軸承固定設置在所述定子機座內；其特征在于：還包括轉子勵磁繞組和轉子減振繞組，所述轉子鐵芯的外圓周上均勻開設若干槽，所述槽內設置所述轉子勵磁繞組和轉子減振繞組。

所述轉子鐵芯包括轉子鐵芯第一段和轉子鐵心第二段，所述轉子鐵芯第一段與所述轉子鐵心第二段間隔設置在所述轉子軸上。

所述轉子減振繞組由轉子減振繞組第一段和轉子減振繞組第二段構成，所述轉子減振繞組第一段布置在所述轉子鐵芯第一段上，所述轉子減振繞組第二段布置在所述轉子鐵芯第二段上。

所述轉子減振繞組中的轉子減振繞組第一段和轉子減振繞組第二段為反向通電。

所述轉子勵磁繞組貫穿所述轉子鐵芯第一段和轉子鐵芯第二段。

所述轉子勵磁繞組、定子鐵心和定子繞組均分為兩段。

所述轉子鐵芯采用多段式結構；所述轉子減振繞組也采用多段式結構，且軸向相鄰的轉子減振繞組通入反向電流。

所述定子機座采用具有導磁性的材料制成。

在所述定子鐵芯的齒所對應的鐵芯軛部開設有孔，在孔中緊密地插設有導磁材料的棒。

所述定子鐵芯采用斜槽結構或無槽繞組結構。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明由定子機座、定子鐵芯、定子繞組、定子齒、轉子勵磁繞組、轉子減振繞組、轉子鐵心、轉子軸和軸承構成，轉子鐵芯和轉子減振繞組分為多段，軸向相鄰的轉子減振繞組通入反向電流。轉子減振繞組產生的磁場可以填補勵磁繞組和定子繞組產生的磁場的缺口，減小電機圓周上磁場絕對值的變化，可以使定子鐵芯受到的徑向電磁激振力變化減小，從而減小定子鐵芯的變形和振動。2、本發(fā)明采用導磁的定子機座，使轉子減振繞組產生的軸向磁通經過的磁路的磁阻大大減小，軸向磁場得到增強，轉子減振繞組利用效率提高。3、本發(fā)明在定子鐵芯上開孔并布置導磁棒，避免使用導磁機座，同時使轉子減振繞組產生的軸向磁通經過的磁路的磁阻大大減小，軸向磁場得到增強，轉子減振繞組利用效率提高，使電機結構更為緊湊。4、本發(fā)明定子可以采用斜槽結構，消除轉子開槽引起的電磁激振力，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的。5、本發(fā)明定子可采用無槽繞組結構，定子鐵芯不開槽，徹底消除定子受到的槽頻徑向電磁激振力，與軸向相鄰段反向通電繞組相配合，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的，實現(xiàn)完美結合。

基于以上優(yōu)點，本發(fā)明可以廣泛應用于大型發(fā)電機、艦船電站發(fā)電機、家用電器、醫(yī)療儀器、工業(yè)生產、制造業(yè)和民用領域的電機系統(tǒng)、航空航天電機電器設備領域、艦船輔助機械和艦船推進等系統(tǒng)領域以及可移動電氣系統(tǒng)領域，對系統(tǒng)的減振降噪具有重要意義。

附圖說明

圖1是已有的汽輪發(fā)電機的橫截面示意圖，是圖2的B-B切面圖；

圖2是已有的汽輪發(fā)電機的軸向截面示意圖，是圖1的A-A切面圖；

圖3是圖2電機轉子展開為平面后磁場的示意圖；

圖4是圖3的C-C截面上的磁密分布和徑向電磁激振力密度波分布圖；

圖5是本發(fā)明的汽輪發(fā)電機的軸向橫截面示意圖，是圖6的C-C切面圖；

圖6是本發(fā)明的汽輪發(fā)電機的截面示意圖，是圖5的A-A和B-B切面圖；

圖7是本發(fā)明汽輪發(fā)電機兩段轉子上轉子減振繞組的布置和其通電產生磁場的磁力線圖；

圖8是圖7的E-E截面上的磁密分布和徑向電磁激振力密度波分布圖；

圖9是本發(fā)明汽輪發(fā)電機兩段轉子上轉子減振繞組的布置的另一種形式和其通電產生磁場的磁力線圖；

圖10是本發(fā)明定子鐵芯開孔加軸向導磁棒的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

如圖5、圖6所示，本發(fā)明提供一種轉子布置削弱極頻振動繞組的汽輪發(fā)電機，其包括定子機座1、定子鐵芯2、定子繞組3、定子齒4、轉子勵磁繞組5、轉子減振繞組50、轉子鐵心60、轉子軸7和軸承8。其中，定子機座1可采用常規(guī)電機的安裝方式固定，定子鐵芯2固定設置在定子機座1內，定子鐵芯2是電機磁路的一部分，定子繞組3固定設置在定子鐵芯2的定子齒4之間。轉子鐵芯60與轉子軸7為一體結構，轉子軸7能夠與轉子鐵芯60一起繞軸心旋轉，且轉子軸7通過軸承8固定設置在定子機座1內，轉子鐵芯60的外圓周上均勻開設若干槽，槽內(布置方式不做限制)設置轉子勵磁繞組5和轉子減振繞組50。

其中，轉子鐵芯60包括轉子鐵芯第一段61和轉子鐵心第二段62，轉子鐵芯第一段61與轉子鐵心第二段62間隔設置在轉子軸7上。相對應的，轉子減振繞組50采用兩段式結構，其由轉子減振繞組第一段51和轉子減振繞組第二段52構成，轉子減振繞組第一段51布置在轉子鐵芯第一段61上，轉子減振繞組第二段52布置在轉子鐵芯第二段62上。轉子鐵芯第一段61和轉子鐵心第二段62上的轉子勵磁繞組5與普通汽輪發(fā)電機的繞組相同，即轉子勵磁繞組5貫穿轉子鐵芯第一段61和轉子鐵芯第二段62。同時，轉子勵磁繞組5、定子鐵心2和定子繞組3也都分別設置為兩段。

在一個優(yōu)選的實施例中，與已有的汽輪發(fā)電機不同，為了使軸向磁路磁阻小，定子機座1采用具有導磁性的材料制成。

在一個優(yōu)選的實施例中，轉子減振繞組50的跨距可根據(jù)需要進行設置，關鍵在于轉子減振繞組50中的轉子減振繞組第一段51和轉子減振繞組第二段52為反向通電，該線圈通電產生磁場可填平勵磁繞組產生的磁場的缺口。

在一個優(yōu)選的實施例中，作為定子機座1采用導磁材料制成的一種替換，如圖10所示，本發(fā)明還可以采用在定子鐵芯2的齒4所對應的鐵芯軛部開設有圓孔14，在圓孔14中緊密地插設有導磁材料的棒以對反向通電線圈產生的軸向磁場進行導通，減小磁路磁阻。顯然，圓孔14也可以改為其他形狀而不影響效果，不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。

在一個優(yōu)選的實施例中，轉子鐵芯60可以采用多段式結構，所分段數(shù)可以根據(jù)需要進行設置。相應的，轉子減振繞組50也采用多段式結構，且軸向相鄰的轉子減振繞組通入反向電流。

在一個優(yōu)選的實施例中，定子鐵芯2可以采用斜槽結構，消除轉子開槽引起的電磁激振力，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的。

在一個優(yōu)選的實施例中，定子鐵芯2可以采用無槽繞組結構，定子鐵芯不開槽，徹底消除定子受到的槽頻徑向電磁激振力，與軸向相鄰段反向通電繞組相配合，達到大大降低電機定子受到的極頻和槽頻徑向電磁激振力的目的，實現(xiàn)完美結合。

實施例1：

如圖7所示，為本發(fā)明的汽輪發(fā)電機轉子鐵芯60上轉子減振繞組50的布置和其產生磁場的磁力線圖。本實施例中以2極電機為例進行說明，定子24槽。轉子減振繞組第一段51為2個線圈A1、A2，稱為A組線圈，A組線圈周向分布，這里每個線圈節(jié)距為1/3，跨60度電角度，可以根據(jù)需要設置。轉子減振繞組第二段52為2個線圈B1、B2，稱為B組線圈，B組線圈周向分布，跨距與A組線圈相同。A組和B組線圈布置在勵磁繞組5之間，A組和B組線圈同序號的沿軸向排列，轉子減振繞組第一段51和轉子減振繞組第二段52的同序號的沿軸向排列的兩個線圈通入電流的方向相反，使電流產生的磁場為軸向磁場。圖5中電機第一段上的A-A和電機第二段上的B-B截面都為圖6所示，兩段之間的區(qū)別在于轉子減振繞組50的供電方式不同。

如果將坐標系的原點設置在線圈A1和線圈B1的軸線上，電機的定子繞組3通電，以及轉子勵磁繞組5通電產生主磁場，此時一對極下范圍內相應的氣隙徑向磁密波形b_δ1為近似120度電角度的平頂波，如圖8的b_δ1所示。該磁場作用在定子鐵心內圓上，產生徑向電磁激振力，該激振力是引起定子鐵心振動的根源。磁密波產生的徑向電磁激振力與磁密的平方成正比，徑向電磁激振力以徑向電磁激振力密度衡量，此時的徑向電磁激振力密度波如圖8的σ₁所示。可見徑向電磁激振力密度波σ₁變化的次數(shù)為磁密波變化次數(shù)的兩倍，其引起的振動的頻率等于極數(shù)與轉速的乘積，故稱之為極頻。正是這樣變化的激振力在定子上引起振動。

由上述分析可見，極頻徑向電磁激振力引起振動的原因是定子鐵芯受變化的力，而力的變化是由于磁場正負變化，在正負變化磁場中磁場反向的區(qū)間有一段為零或接近零的范圍。本發(fā)明正是由將該接近零的范圍變?yōu)榕c其他范圍的磁密相同，從而使定子鐵芯感受到的磁密的絕對值不變化，徑向電磁激振力不變化以減小電機定子的振動。

轉子減振繞組50均勻布置在轉子鐵芯60上，為說明方便，轉子減振繞組50僅為1個線圈，節(jié)距為1/3。如圖7所示，圖7中轉子減振繞組第一段51和轉子減振繞組第二段52的繞組布置相同。轉子減振繞組第二段52和轉子減振繞組第一段51的對應繞組通電方向相反，電流大小相同，即線圈A1和線圈B1的電流相反，大小相同。

此時沿圖5的第一段電機B-B截面上一對極下范圍內的氣隙徑向磁密波形如圖8所示，圖8為圖7對應E-E截面上的磁密波形。此時線圈A2和線圈B1通入負電流、線圈A1和線圈B2通入正電流，電流大小相同，其他線圈電流為零。

沿圖5的第二段電機A-A截面上一對極下范圍內的氣隙徑向磁密波形與第一段電機B-B截面上一對極下范圍內的氣隙徑向磁密波形類似。此時兩段電機上產生的徑向電磁激振力相同。

本發(fā)明的電機設置兩段轉子鐵芯、布置兩段轉子減振繞組的目的是增加供電的靈活性，本發(fā)明的線圈A1和B1同時通電、線圈A2和B2同時通電，電流大小相同，方向相反。以線圈A2和B1通入負電流、線圈A1和B2通入正電流的時候為例說明，此時這四個線圈產生的磁場具有軸向分布的特點，其磁力線如圖7中的虛線箭頭12所示。這些電流會產生如圖8所示的徑向磁密波b_δ2，該磁密波位于徑向磁密波形b_δ1的兩極之間，磁力線走向與徑向磁密波形b_δ1不同，為軸向。該b_δ2磁密波將產生徑向電磁激振力密度波σ₂。此時在B-B截面上一對極下范圍內的徑向電磁激振力密度波σ_sum為σ₁和σ₂的疊加，如圖8所示，徑向電磁激振力密度波σ_sum基本不變。這樣的效果是定子齒9受到的徑向電磁激振力密度波σ_sum為大小基本不變的力，該大小不變化的力作用在定子鐵芯2上將產生形變，但不產生振動。實際上徑向電磁激振力密度波σ_sum并不是大小完全不變，但其波動已很小，與普通汽輪發(fā)電機相比，定子受到的與極數(shù)有關的徑向電磁激振力密度波將大幅減小，達到減小徑向電磁激振力和減振的目的。

需要說明的是，A組線圈和B組線圈的序號相同的線圈要同時通電，電流大小相同，方向相反，線圈中通入的電流為直流電。這兩組線圈產生的磁場為軸向磁場性質，該磁場填平勵磁繞組5和定子繞組3產生的近似120度寬的圓周方向的磁場正負變化產生的磁場缺口，使電機鐵芯感受到的磁場絕對值不發(fā)生變化。

線圈產生的磁場和定子受力情況在A-A截面上也將產生相同的效果。

實施例2：

如圖9所示，是本發(fā)明汽輪發(fā)電機兩段轉子減振繞組的布置的另一種形式和其通電產生磁場的磁力線圖。將圖7中的線圈A1和B1之間反向連接，形成線圈A1，通入電流后產生與上述實施例相同的軸向的磁場。此時轉子鐵芯仍分為兩段。類似地構成其他線圈，布置在電機整個圓周上。

上述各實施例中為了敘述方便和理解方便，未將定子鐵芯和定子繞組進行分段，但實際上也可以分為兩段。

綜上所述，本發(fā)明不僅可以用于汽輪發(fā)電機中，也可以應用于永磁同步電機、無刷直流電機、同步電機等。本發(fā)明的電機的相數(shù)不限于三相繞組，可以為多相繞組，如五相，九相，十二相，十五相，等等。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結構、數(shù)量、尺寸、設置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術方案的基礎上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。