ПОЛЮС ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 1994 года по МПК H02K9/19 H02K9/00 H02K1/32 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к узлам электрических машин, явновыраженным полюсам с жидкостным охлаждением.

Известна конструкция явновыраженного полюса с жидкостным охлаждением, в которой трубчатые охладители, изготовленные из коррозионностойкого немагнитного материала, встроены в среднее сечение сердечника полюса и по ним циркулирует охлаждающая вода - дистиллят. Обмотка возбуждения выполнена из полых проводников, по которым циркулирует охлаждающая жидкость - дистиллированная вода (авт. св. СССР N 400240, кл. Н 02 К, 1976).

Недостатки конструкции следующие. Выполнение трубчатых элементов немагнитными повышает магнитную индукцию в сечениях сердечника полюса, что увеличивает несколько ток возбуждения и потери и мощность возбуждения. Применение встроенных трубчатых охладителей внутри сердечника полюса при достаточно эффективном теплосъеме с активных поверхностей, требующем при удаленности от основных источников потерь на поверхности полюсов и в демпферной системе больших гидравлических диаметров, значительно ослабляет рабочее сечение сердечника полюса и создает концентрации напряжений при разгонном числе оборотов. Удаленность охладителей от источников потерь в полюсном башмаке снижает эффективность охлаждения и повышает температуру активных элементов полюсного башмака на 10-15^оС. Использование для охлаждения дистиллята удорожает эксплуатацию машины.

Известна конструкция явновыраженного полюса, в котором обмотка возбуждения с жидкостным охлаждением закреплена на полюсном сердечнике с помощью стальной шайбы, приваренной к сердечнику полюса по контактным поверхностям (Электросила N 34, с. 78, рис. 1; "Капсульные гидрогенераторы ГЭС "Джен-Пег").

Известна конструкция полюса синхронной машины, в котором для охлаждения поверхности полюсов и демпферных стержней используется охладительный элемент, размещенный под заплечиками полюсных башмаков, по которому циркулирует жидкий хладагент, отводящий потери (швейцарский патент в США N 3633054, кл. Н 02 К, 1972).

Недостатки конструкции следующие. Охлаждаются только полюсные башмаки и демпферная обмотка с достаточной эффективностью. Установка охладителей под полюсные башмаки снижает коэффициент заполнения высоты полюсов проводниковым материалом.

Прототипом изобретения выбрана конструкция полюса с продольными встроенными в полюс охладителями сердечника и охладителями полюсных башмаков.

Целью изобретения является повышение надежности и КПД синхронной машины путем выполнения встроенных охладителей в сердечниках полюсов в пазах, расположенных по периметру сердечника и полюсных башмаков, повышение КПД синхронной машины и снижение эксплуатационных расходов за счет увеличения коэффициента использования межполюсного пространства путем исключения каналов в проводниках катушек возбуждения и охлаждения за счет теплопередачи к охладителям полюса через заливаемую корпусную диэлектрическую массу в промежутки между сердечниками и катушками, повышение КПД синхронной машины за счет снижения потерь и мощности возбуждения путем использования для охлаждения технической воды, а также за счет уменьшения потерь на возбуждение путем охлаждения сердечников полюсов с помощью ферромагнитной жидкости.

На фиг.1 представлен явновыраженный полюс 1, состоящий из сердечника 2 и полюсного башмака 3, в пазы которого уложены демпферные стержни 4, изолированные диэлектриком 5. Шихтованный полюс 1 стянут шпильками 6, 7 и нажимными щеками 21 (на фиг.3). У сердечников 2 выполнен, например, хвостовик 8 для крепления к ободу. На сердечники 2 надеты катушки 9 возбуждения, состоящие из проводников 10 в собственной изоляции 11, которые расположены в столбик и изолированы от башмаков диэлектрической шайбой 12, а от обода диэлектрической шайбой 13, зафиксированной на сердечнике 2 немагнитной шайбой 14, приваренной к сердечнику 2 швами 27 (на фиг.2). Корпусная диэлектрическая изоляция 15 заливается через отверстия 16 в шайбе 14 и, полимеризуясь, надежно изолирует катушку 9 от сердечника 2, в пазах которого по высоте размещены трубчатые коррозионно-стойкие элементы 17, являющиеся охладителями сердечника и обмотки 9 возбуждения. В заплечиках башмаков 3 в пазах расположены трубчатые элементы 18, а по боковым граням башмаков 3 расположены трубчатые элементы 19, причем как охладители 18, так и охладители 19 могут быть выполнены из коррозионно-стойкого металла, но немагнитного. Охладители 17, 18 и 19 заварены в своих пазах швами 20.

На фиг. 2 представлен вид А на сердечник 2 и шайбу 14, которая к нему приварена швами 27.

На фиг.3 представлен вид Б на сердечник 2 и нажимные щеки 21. Водоподводящая арматура 23 и 24 расположена по внешней поверхности щеки 21 в пространстве между ферромагнитной стенкой 22 и щекой 21, причем пустоты между арматурой 23 и 24 заполнены магнитодиэлектрической массой 28.

На фиг. 4 представлена гидравлическая схема соединений охладителей 17, 18 и 19, потоки жидкого хладагента в которых подводятся к охладителям 17, 18 и 19 через напорную 25 и сливную 26 камеры и таким образом, что в соседних по периметру охладителях хладагент течет во взаимно противоположные стороны, выравнивая этим температуру поверхности элементов полюса 1: сердечника 2 и башмака 3.

Конструкция охлаждения явновыраженного полюса 1 работает следующим образом.

Жидкий хладагент - техническая вода или проточная вода - поступает через напорную камеру 25 в охладители 17, 18, 19 и, протекая по ним, снимает тепловые потери из катушки 9 возбуждения, причем тепло проходит через корпусную диэлектрическую изоляцию 15, создавая на ней перепад температуры 30-40^оС при удельной тепловой нагрузке 0,75-1 Вт/см на каждый 1 мм изоляции. При входящей температуре охлаждающей воды 5-20^оС температура обмотки возбуждения может составлять 45-50^оС, но в отличие от непосредственного охлаждения температура по длине витка и высоте полюса 1 распределяется равномерно без аксиального перепада, свойственного непосредственному охлаждению. Шайба 14 фиксирует катушку 9 относительно сердечника 2 и этим обеспечивается хороший теплопередающий контакт между катушкой 9 и сердечником 2, достигнутый при заливке полимеризующегося диэлектрика 15. Поскольку охладители 17 выполнены из магнитной коррозионно-стойкой стали, например, 20Х13, то это снижает индукцию в сечениях охладителей 17 по сравнению с прототипом. При протекании ферромагнитной жидкости по охладителям 17, 18 и 19 увеличения индукции в сечениях нет. При водяном охлаждении охладители 18 и 19, расположенные по периметру полюсного башмака 3, могут изготавливаться из коррозионно-стойкой немагнитной стали, например, 12ХН8Н10Т, при этом поток рассеяния несколько уменьшается. Охладители 18 и 19 отводят тепловые потери с поверхности полюсов и из демпферных стержней 4, особенно из наиболее нагретых крайних. Жидкий хладагент из обратных контуров охладителей 17, 18 и 19 сливается в камеру 26 и из нее в сливной коллектор. Для выравнивания аксиально-радиального перепада температуры направление движение хладагента в соседних охладителях 17, 18 и 19 имеет встречное направление. В торцовых частях полюса 1 охладители, размещенные по внешней поверхности щек 21, контактируют с лобовыми частями катушки 9 через ферромагнитную стенку 22 из тонколистового материала и изоляцию 15, обеспечивая теплоотвод потерь из лобовых частей катушки 9.

Преимущества изобретения по сравнению с прототипом следующие. Применение охладителей, расположенных по периметру полюса, в зоне контакта с обмоткой возбуждения позволяет избежать резких концентраторов магнитных и механических напряжений в сердечнике полюса, что позволяет на 3-5% уменьшить потери на возбуждение и повысить конструкционный запас прочности, а это повышает КПД и надежность машины. Применение охладителей, расположенных по периметру сердечника и башмака полюса, в сочетании с литой диэлектрической корпусной изоляцией катушки и с фиксацией катушки шайбой позволяет отказаться от непосредственного дистиллятного охлаждения обмотки возбуждения, которое приводит к высоким эксплуатационным расходам при обеспечении тех же температур в катушке возбуждения. Например, для генератора 45 МВт при потерях возбуждения на полюс р = 0,51 кВт и удельной тепловой нагрузке через изоляцию Φ = 0,3 Вт/см температура катушки при входящей температуре жидкости Т_ж = 5^оС равна Т_к = 17^оС, а при Т_ж = 20^оС Т_к = 32^оС. При непосредственном дистиллятном охлаждении эта температура равна 50^оС, т.е. реальные потери могут быть уменьшены в обмотке возбуждения на 11,5 и 6,3 л% за счет снижения температуры и за счет более эффективного заполнения межполюсного пространства потери могут быть уменьшены в 1,55 раза, что позволяет увеличить КПД генератора на 0,03% за счет лучшего заполнения и на 0,01-0,005%. Но более эффективен вариант повышения мощности на 15-20%. Применение охладителей сердечника полюса из ферромагнитной коррозионно-стойкой стали позволяет уменьшить концентрацию магнитного потока и этим снизить потери на возбуждение, что повышает КПД электрической машины. Применение для охлаждения ферромагнитной жидкости позволяет практически на 100% использовать сечение под гидравлические каналы для проведения магнитного потока, что уменьшает потери на возбуждение и повышает КПД электрической машины. Применение пар теплогидравлических контуров со встречным течением жидкого хладагента позволяет выровнять аксиально-радиальный перепад температуры и этим повысить надежность конструкции косвенного охлаждения обмотки возбуждения.

Сущностью изобретения, достигающего поставленные цели, являются применение трубчатых охладителей полюса, размещенных в пазах по периметру сердечника полюса и полюсного башмака, охлаждающих полюсный башмак и обмотку возбуждения через корпусную изоляцию, применение для охлаждения полюса технической или проточной воды, применение для охлаждения сердечника полюса и полюсных башмаков ферромагнитной жидкости.

Изобретение может быть использовано в синхронных явнополюсных машинах: генераторах, двигателях, компенсаторах и, в частности, в капсульных гидрогенераторах, а также в машинах постоянного тока.

Использование: в электромашиностроении. Сущность изобретения: явновыраженный полюс 1 с жидкостным охлаждением содержит сердечник 2 и башмак 3 с уложенными в пазы демпферными стержнями 4 и катушкой 9 возбуждения со сплошными проводниками 10, изолированной от сердечника 2 литым диэлектриком 15 и зафиксированной шайбой 14. По периметру сердечника 2 в пазах размещены охладители 17 из ферромагнитной коррозионно-стойкой стали, а по периметру башмаков 3 в пазах размещены охладители 18 и 19 из ферромагнитной коррозионно-стойкой стали, по которым циркулирует жидкий хладагент: техническая вода, проточная вода или ферромагнитная жидкость. Охлаждения катушки 9 осуществляется через диэлектрик 15, а башмаков 3 и демпферных стержней 4 - через сталь полюса 1 охладителями 17, 18, 19, закрепленными в пазах сваркой 20. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОЛЮС ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, включающий сердечник, башмак, продольные охладители и изолированную от корпуса катушку обмотки возбуждения, зафиксированную на сердечнике немагнитной шайбой, отличающийся тем, что на боковой поверхности башмака и на его поверхности и на поверхностях сердечника, обращенных к указанной катушке, расположены пазы, в которых размещены продольные охладители, выполненные из коррозионно-стойкого ферромагнитного металла. 2. Полюс электрической машины по п.1, отличающийся тем, что фиксирующие на сердечнике катушку обмотки возбуждения шайбы выполнены с отверстиями, залитыми полимеризующейся корпусной диэлектрической изоляцией, осуществляющей теплопередающий контакт между проводниками катушки и охладителями. 3. Полюс электрической машины по п.1, отличающийся тем, что охладители заполнены циркулирующей технической очищенной водой или очищенной проточной водой. 4. Полюс электрической машины по п.1, отличающийся тем, что охладители заполнены циркулирующей ферромагнитной жидкостью.