СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02K1/20 H02K15/02 

Предлагаемое изобретение относится к крупному электромашиностроению и может быть использовано в конструкциях электрических машин с жидкостным охлаждением статора, в частности, в мощных турбогенераторах с полным водяным охлаждением.

Известно, что в высокоиспользованных электрических машинах переменного тока конструктивные элементы статора (нажимные кольца и стяжные ребра сердечника, корпус статора, в особенности его концевые части) подвержены воздействию сильных переменных электромагнитных полей, индуциpующих в указанных элементах вихревые токи и вызывающих их нагрев.

В машинах с газовым охлаждением снижение нагрева достигается при помощи газа (воздух, водопровод), циркулирующего во внутреннем пространстве статора.

В мощных турбогенераторах на поверхности элементов статора, подверженных наиболее сильному воздействию электромагнитных полей, устанавливаются коротко замкнутые медные шины, замыкающие на себя вихревые токи и создающие экранирующий эффект за счет индуцированного встречного поля. Сказанное в первую очередь относиться к торцевым зонам статора. Охлаждение медных экранов осуществляется с помощью водорода, применяемого в качестве хладагента (см. Е. Видельман, В. Калленбергер. Конструкция электрических машин. Л. Энергия, 1972, с.120-124).

Основным недостатком указанных турбогенераторов является их взрыво и пожароопасность, сложность обслуживания и эксплуатации, а ряде случаев, при особо больших мощностях, и недостаточная интенсивность теплоотвода при концентрации потерь, выделяемых в малом объеме, который занимают экраны.

Известны конструкции, в которых внутреннее пространство статора заполнено маслом (см. Потехин К.Ф. и др. "Турбогенератор с водо-масляной системой охлаждения и бумажно-масляной изоляцией типа ТВМ-60 и результаты его исследований" сб. "Теоретические и экспериментальные исследования турбо- и гидрогенераторов большой мощности". Л. Наука, 1968, с.26-37).

Циркуляция масла обеспечивает охлаждение внутренних элементов статора, включая медные экраны. Недостатком такой конструкции является применение горючего масла, а также неудобства, связанные с необходимостью слива и нового заполнения генератора маслом при профилактических осмотрах и ремонтах.

Известны конструкции турбогенераторов, в которых для охлаждения обмотки и сердечника статора используется наиболее эффективный хладагент вода. Такие турбогенераторы обладают повышенным КПД, уменьшенным весом и габаритами. Обмотка статора выполняется из полых медных проводников, а конструктивные элементы статора охлаждаются и экранируются с помощью трубчатых водоохлаждаемых медных шин прямоугольного сечения (см. Мань С.И. Двадцать один год развития турбогенераторов с водяным охлаждением обмоток статора и ротора. IEEE Transaction on Tower Appar. and Syst. 1982, PAS-101, N3, p.610-615). При этом важнейшее значение для эффективной работы экранов имеет плотность и стабильность их контакта с конструктивными элементами статора.

В отечественной конструкции турбогенератора с полным водяным охлаждением типа ТЗВ-63-2 (см. Шапиро А.Б. и др. Опытный турбогенератор с полным водяным охлаждением. Электротехника, 1974, N2, с. 1-4) крепление медных водоохлаждаемых экранов к поверхности нажимных колец сердечника осуществлено с помощью болтов и накладных поперечных пластин.

Недостаток данного способа крепления заключается в том, что всякое резьбовое соединение нуждается в периодической подтяжке, а медные экраны расположены под лобовыми частями обмотки статора, практически недоступны для проведения этой операции.

Возможно использование других известных в технике способов для крепления медных кранов. Например, в виде скоб, охватывающих медные шины и привариваемых к нажимным кольцам. Недостаток этого способа состоит в том, что тепловые деформации и релаксация напряжений в деталях торцевой зоны статора, в первую очередь, выполненных из меди, приводит к постепенному ослаблению поджатия медных шин к поверхности нажимных колец и ухудшению теплового и электрического контактов.

Возможно осуществить крепление медных шин по способу, описанному в книге: Орлов П.И. Основы конструирования, т. 2, М. Машиностроения, 1977, с. 223, рис. 230б. В этом случае на поверхности экранирующих и охлаждаемых элементов статора выполняются прямоугольные пазы, а вдоль краев указанных пазов дополнительные, более мелкие пазы. В результате по краям прямоугольных пазов образуются выступы. В прямоугольные пазы закладываются медные шины, и выступы загибаются по всей длине в сторону шины, поджимая ее в пазу.

Недостаток данного способа крепления заключается в недостаточной для крупных турбогенераторов прочности и силе поджатия медных шин в пазах, малой площади контакта шин со стенками пазов, уменьшении со временем усилия поджатия и площади контакта из-за тепловых деформаций и пластической усадки материала медных шин.

В конструкции мощного турбогенератора с полным водяным охлаждением типа ТЗВ, взятой за прототип. Конструктивные элементы статора охлаждают и экранируют с помощью трубчатых водоохлаждаемых медных шин прямоугольного сечения, зачеканенных с пластическим деформированием в пазы прямоугольного сечения, выполненные на поверхности указанных элементов (см. Иогансен В.И. и др. Турбогенератор с полным водяным охлаждением мощностью 800 Мвт, 3000 об/мин сб. "Электросила", Л. Энергия, 1980, N33, с.29-40).

В конструкции прототипе крепление шины в пазу осуществляется путем зачеканки. Давление пуансона прикладывается к наружной поверхности шины с пластической осадкой боковых стенок. Шина раздается в ширину и плотно закрепляется в пазу. Благодаря пластической деформации шина принимает точную форму и размеры паза, чем обеспечивается ее плотный контакт с боковыми стенками и дном паза по всей поверхности.

Указанный тип генератора, вследствие отказа от водорода и заполнения внутреннего пространства статора воздухом при атмосферном давлении, применения такого эффективного хладагента, как вода, использования простых и оригинальных решений основных узлов, обладает целым рядом существенных преимуществ и рассматривается в данный момент как основа дальнейшего развития отечественной энергетики. Турбогенератор взрыво- и пожаробезопасен, прост в обслуживании, обладает повышенными КПД, маневренностью и надежностью, меньшим весом и габаритами.

Вместе с тем, в ходе опытной эксплуатации и отработки конструкции, обнаружилась недостаточная надежность крепления медных водоохлаждаемых шин, зачеканенных в пазы элементов статора. Циклические температурные деформации элементов и самих шин, сопровождающие всякое изменение нагрузки генератора в ходе эксплуатации, приводили к ослаблению крепления шин в пазах, а высокие электродинамические усилия, действующие на шины, к смещению шин и вырыву их из пазов. В результате нарушался электрический и тепловой контакт шин со стенками пазов, повышалась температура конструктивных элементов статора, в ряде случаев происходило местное оплавление металла.

Задачей предполагаемого изобретения является устранение отмеченного недостатка и обеспечение надежного закрепления медных водоохлаждаемых шин в пазах.

Это достигается тем, что в статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащем конструктивные элементы, экранированные и охлаждаемые при помощи медных трубчатых шин прямоугольного сечения, зачеканенных с пластическим деформированием в прямоугольные пазы, выполненные на поверхности упомянутых элементов, вдоль указанных пазов с обеих сторон выполнены дополнительные пазы трапециевидной формы глубиной 0,25 0,4 глубины прямоугольных пазов с образованием трапециевидных выступов шириной в основании, приблизительно равной высоте выступов, причем шина при зачеканке заглублена в паз, а выступы по всей длине отогнуты в сторону шины с пластическим деформированием наружной стенки шины.

В одном из вариантов внутренние стороны выступов, отогнутых в сторону шины, образуют две наклонные поверхности, прилегающие к боковым сторонам наружной части шины.

В другом варианте наружные, выступающие над шиной части выступов дополнительно загнуты на наружную поверхность шины.

Выполнение вышеуказанной конструкции обеспечивается тем, что в известном способе изготовления электрической машины, включающем зачеканку трубчатых медных шин прямоугольного сечения в прямоугольные пазы, выполненные на поверхности конструктивных элементов статора, с пластической осадкой боковых стенок шины, прямоугольные пазы выполняют глубиной, превышающей высоту шины, при зачеканке прикладывают к наружной поверхности шины на ширине боковых стенок с их пластической осадкой, затем усилие прикладывают перпендикулярно наружной боковой поверхности трапециевидных выступов и пластически их деформируют в сторону шины с одновременной пластической деформацией наружной стенки шины.

В другом варианте, после выполнения описанных выше операций, прикладывают усилие к наружной кромке трапециевидных выступов в направлении, перпендикулярном наружной поверхности шины, и загибают наружную часть выступов на поверхность шины.

Возможен вариант осуществления деформации и загиба трапециевидных выступов посредством обкатки их наружной боковой поверхности роликом.

Возможно выполнение операций деформации и загиба трапециевидных выступов при помощи ударного инструмента, например, молотка, пневмомолотка.

Новизна данного технического решения состоит в новой совокупности признаков: наличие трапециевидных выступов по краям прямоугольного паза, образованных путем выполнения трапециевидных пазов и отогнутых в сторону шины, форма и размеры сопрягаемых элементов конструкции, способ изготовления, обеспечивающий необходимое заглубление и плотность посадки шины в пазу при пластической осадке боковых стенок, пластический отгиб трапециевидных выступов с одновременной пластической деформацией наружной стенки шины посредством обкатки роликом наружной боковой поверхности выступов или в результате воздействия ударного инструмента.

Взаимодействие всех признаков обеспечивает следующее: медные шины оказываются размещенными фактически в полузакрытых пазах, усиливается боковой распор шины, увеличивается боковая контактная поверхность, создается поджатие шины в пазу в направлении дна и плотный контакт по дну паза.

Это, в свою очередь, определяет повышение надежности крепления медных шин в пазах, их стабильной тепловой и электрический контакт с конструктивными элементами статора.

Предложенная конструкция опробована в опытном порядке на одном из действующих генераторов, подтвердила высокую надежность и эффективность и готовится к внедрению на всех турбогенераторах типа ТЗВ с полным водяным охлаждением.

В результате достигается снижение нагрева конструктивных элементов статора, повышается эксплуатационная надежность и перегрузочная способность всей машины.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.I показана торцевая зона статора электрической машины с медными водоохлаждаемыми шинами, закрепленными в пазах нажимного кольца и стяжных ребер сердечника, на фиг.2 крепление шины в пазу посредством зачеканки, на фиг.3 дополнительное крепление шины в пазу посредством отгиба выступов, на фиг.4 -крепление шины в пазу посредством зачеканки, отгиба выступов и загиба наружной кромки выступов на поверхности шины.

В предлагаемой конструкции статора электрической машины (фиг.I) сердечник состоит из пакетов I тонколистовой электротехнической стали и установленных между ними плоских силуминовых охладителей 2 с залитыми в них змеевиками из нержавеющей стальной трубки, по которой протекает охлаждающая вода. Сердечник спрессован в аксиальном направлении при помощи стальных нажимных колец 3 и стяжных ребер 4. На нажимном кольце 3 сердечника закреплены лобовые части обмотки статора 5 и водоохлаждаемые выводные шины обмотки 6.

В кольцевых пазах прямоугольного поперечного сечения, выполненных на поверхности нажимного кольца 3, и в продольных пазах, выполненных на боковых поверхностях стяжных ребер 4, закреплены медные шины 7 прямоугольного поперечного сечения с круглым каналом для протекания охлаждающей воды. Такие же пазы с размещенными в них медными водоохлаждаемыми шинами могут быть выполнены и на других конструктивных элементах статора (торцевые щиты, фланцы и кольцевые перегородки корпуса, лабиринтные уплотнения и т.д.).

В предлагаемой конструкции медные шины 7 с каналами 8 для охлаждающей воды зачеканены в пазы 9 прямоугольного поперечного сечения, выполненные на поверхности конструктивного элемента 10 статора электрической машины (фиг. 2). На поверхности конструктивного элемента 10 вдоль прямоугольных пазов 9 выполнены дополнительные пазы 11 трапециевидного сечения с образованием трапециевидных выступов 12. Выступы 12 отогнуты в сторону шины 7 (фиг.3).

На фиг.4 показан вариант конструкции, в котором наружные края трапециевидных выступов 12 загнуты на поверхность шины 7.

Предлагаемый способ изготовления статора электрической машины заключается в следующем. После выполнения на поверхности конструктивных элементов 10 статора прямоугольных пазов 9 глубиной, превышающей высоту сечения шины на 1.2 мм, и дополнительных пазов II глубиной 0,25.0,4 глубины паза 9 с образованием трапециевидных выступов 12 (фиг.2),в пазы 9 укладывают шины 7, которые затем зачеканивают. Процесс зачеканки заключается в приложении силы P_o от пресса или виброударного инструмента через пуансон 13 к поверхностям 14 шины 7 с пластической деформацией боковых стенок шины 7 и осадкой поверхностей 14. Ширина поверхностей 14 соответствует наименьшей толщине стенки. Шина 7, увеличиваясь по ширине, принимает точную форму паза 9 и плотно прижимается к его боковым стенкам. Следует отметить, что плотный контакт шины 7 с боковыми стенками паза 9 после операции зачеканки обеспечивается, в основном, на участке А, соответствующем высоте расположения канала 8 в шине 7, так как пластическая осадка боковых стенок шины 7 и, соответственно, расширение материала происходит, главным образом, в зоне наименьшего сечения боковых стенок, т.е. на участке А. Пунктирной линией показано исходное положение шины 7 и пуансона 13 перед зачеканкой. Затем усилие P₁ прикладывают перпендикулярно наружной боковой поверхности 15 трапециевидных выступов 12, и выступы 12 отгибают в сторону шины 7 с одновременной пластической деформацией наружной стенки шины (фиг.3). При этом образуется дополнительный плотный силовой контакт шины 7 со стенками паза 9 по наклонным поверхностям 16. Усилие на контактной поверхности 16 имеет как боковую, так и направленную вглубь паза составляющие, поэтому после отгиба выступов 12 шина 7 получает дополнительное поджатие к дну паза 9. Отгиб выступов 12 осуществляется при помощи ударного инструмента (молоток, пневмомолоток) или обкатки роликом. В результате отгиба выступов 12 паз 9 приобретает полуоткрытую форму, что препятствует выползанию шины 7 из паза 9 при тепловых деформациях и действии электромагнитных сил. Более того, перемещение шины 7 наружу относительно паза 9 увеличивает давление на наклонных поверхностях 16 из-за клинового эффекта, что улучшает электрический и тепловой контакт шины 7 со стенками паза 9.

Поскольку глубина паза 9 превышает высоту сечения шины 7, а поверхность 14 шины 7 при зачеканке пластически осаживается, то наружная кромка выступов 12 возвышается над наружной поверхностью шины 7. При приложении усилия P₂ к этой кромке, перпендикулярно поверхности шины, наружная часть выступов 12 загибается на поверхность 14, что увеличивает поджатие и прочность крепления шины 7 в пазу 9 (фиг.4).

Форма и размеры выступов 12, крепящих медные водоохлаждаемые шины 7 в пазах 9, выполненных на поверхности конструктивных элементов 10 статора электрической машины с жидкостным охлаждением, являются существенными признаками, тесно связанными с конструкцией и функциональным назначением рассматриваемого узла. Медные шины I являются одновременно охладителями, экранами и токособирающими контурами. Размеры поперечного сечения шин 7 определяются величиной вихревых токов, протекающих по шинам 7, а размеры канала 8 расходом жидкости, необходимым для охлаждения. Оптимальной формой поперечного сечения шин 7 является квадрат с круглым отверстием 8 посредине, диаметр которого составляет 1/2 стороны квадрата или несколько более. В результате толщина стенки шины 7 составляет 0,2.0,25 наружного размера шины 7. Поэтому высота трапециевидных выступов 12, сжимающих наружную стенку, с учетом возвышения их над наружной поверхностью шины 7, должна равняется 0,250,4 высоты паза 9.

Трапециевидная форма выступов 12, в отличие от прямоугольной, рекомендуемой в упомянутой выше книге П.И.Орлова, позволяет обеспечить необходимую прочность основания выступа 12, получить тонкую наружную кромку для загиба на поверхность шины 7. Профиль выступов 12, соответствующий профилю балки равного сопротивления, обеспечивает равномерную деформацию и равнопрочность выступов 12 по высоте. Кроме того, скошенная наружная боковая поверхность 15 выступов 12 облегчает приложение нагрузки от инструмента при отгибе выступов 12 в сторону шины 7, что повышает технологичность конструкции.

Вихревые токи, протекающие по шине 7 при работе электрической машины, определяют как размеры поперечного сечения шины 7, так и усилие, вырывающее шину 7 из паза 9. Поэтому сечение шины 7 и необходимая "мощность" крепления ее в пазу 9 взаимосвязаны. Расчеты показывают, что при выбранной высоте выступов 12 достаточно, чтобы ширина основания выступа 12 приблизительно равнялась высоте выступа 12. Загиб наружных кромок выступов 12 на поверхность шины 7 осуществляется в качестве дополнительного страхующего мероприятия.

В процессе работы электрической машины по медным шинам протекают интенсивные вихревые токи, индуцируемые полями рассеяния обмоток ротора и статора и создающие поле противоположного направления, ослабляющее воздействие первичного поля на конструктивные элементы статора (экранный эффект). Вихревые токи приводят к возникновению электромагнитных сил, разогреву медных шин и конструктивных элементов, их тепловым деформациям. Однако, отогнутые в сторону шины выступы препятствуют смещению шин в пазах и их выползанию из пазов, обеспечивая тем самым надежный электрический и тепловой контакт шин со стенками пазов. Вода, протекающая по каналам медных шин, осуществляет эффективное охлаждение шин и, через стенки пазов, конструктивных элементов статора. В результате возрастают эксплуатационная надежность и перегрузочная способность электрической машины.

Изобретение относится к области электротехники и крупного электромашиностроения и может быть использовано в конструкциях электрических машин с жидкостным охлаждением. Сущность изобретения состоит в том, что конструктивные элементы статора, выполнены с прямоугольными пазами на их поверхности. В пазах размещены экранирующие трубчатые медные шины, при помощи которых упомянутые конструктивные элементы охлаждаются. Согласно данному изобретению, вдоль указанных прямоугольных пазов с обеих сторон выполнены дополнительные пазы трапециевидной формы глубиной 0,25-0,4 глубины прямоугольных пазов с образованием трапециевидных выступов. Причем, шины, зачеканены в прямоугольные пазы, а трапециевидные выступы по всей длине и отогнуты в сторону. Особенность способа изготовления данного статора состоит в том, что прямоугольные пазы имеют глубину, большую высоту сечения шин, а при зачеканке усилие прикладывают к наружной поверхности шины, на ширине боковых стенок с их пластической осадкой. Затем усилие прикладывают перпендикулярно наружной боковой поверхности выступов и одновременно пластически деформируют их и наружные стенки шины. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий конструктивные элементы, экранированные и охлаждаемые при помощи медных трубчатых шин прямоугольного сечения, зачеканенных с пластическим деформированием в прямоугольные пазы, выполненные на поверхности упомянутых элементов, отличающийся тем, что вдоль указанных прямоугольных пазов с обеих сторон выполнены дополнительные пазы трапециевидной формы глубиной 0,25 0,4 глубины прямоугольных пазов с образованием трапециевидных выступов, причем шина при зачеканке заглублена в паз, а выступы по всей длине отогнуты в сторону шины. 2. Статор по п.1, отличающийся тем, что внутренние стороны трапециевидных выступов, отогнутых в сторону шины, образуют две наклонные поверхности, прилегающие к боковым сторонах наружной части шины. 3. Статор по п.1 или 2, отличающийся тем, что наружные выступающие над шиной части трапециевидных выступов загнуты на наружную поверхность шины. 4. Способ изготовления статора электрической машины с жидкостным охлаждением, включающий зачеканку трубчатых медных шин прямоугольного сечения в прямоугольные пазы, выполненные на поверхности конструктивных элементов статора с пластической осадкой боковых стенок шин, отличающийся тем, что прямоугольные пазы выполняют глубиной, превышающей высоту сечения шины, при зачеканке усилие прикладывают к наружной поверхности шины на ширине боковых стенок с их пластической осадкой, затем усилие прикладывают перпендикулярно наружной боковой поверхности трапециевидных выступов и пластически их деформируют в сторону шины с одновременной пластической деформацией наружной стенки шины. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что после пластического отгиба трапециевидных выступов в сторону шины прикладывают усилие к наружной кромке трапециевидных выступов в направлении, перпендикулярном наружной поверхности шины, и загибают наружную часть выступов на поверхности шины. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что деформацию и загиб трапециевидных выступов осуществляют посредством обкатки роликом. 7. Способ по п.4, отличающийся тем, что деформацию и загиб трапециевидных выступов осуществляют при помощи ударного инструмента.