УСТРОЙСТВО С МНОЖЕСТВОМ ВЫТЯНУТЫХ ВДОЛЬ ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ И УЛОЖЕННЫХ ДРУГ НА ДРУГА В СТОПКУ ВДОЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСИ СТЕРЖНЕЙ ОБМОТКИ Российский патент 2000 года по МПК H02K3/22 H02K3/24 H02K1/32 

Изобретение относится к устройству с множеством вытянутых вдоль продольной оси и уложенных друг на друга в стопку вдоль вертикальной оси стержней обмотки, каждый из которых содержит четыре направленных параллельно к продольной оси и попарно в направлении перпендикулярной к продольной оси и к вертикальной оси поперечной оси, лежащие рядом друг с другом, а также лежащие попарно вдоль продольной оси друг за другом канала охлаждения, каждый из которых от соответствующего входа вблизи конца устройства входит в одну из двух расположенных примерно соосно относительно продольной оси зону выхода газа и там переходит в направленный под острым углом к вертикальной оси выходной канал.

Такое устройство образует, в частности, составную часть вращающейся вокруг параллельной продольной оси оси вращения роторной обмотки в электрической машине, причем роторная обмотка содержит множество таких устройств, стержни обмотки которых соответствующим образом соединены между собой. Обычно роторная обмотка закреплена в цилиндрическом относительно оси вращения теле ротора, которое вместе с роторной обмоткой образует ротор и представляет собой его механически несущую часть, причем каждое устройство лежит в соответствующем пазу тела ротора так, что концы выступают из тела ротора. Снаружи тела ротора стержни обмотки соединены между собой, причем выступающие из тела ротора части устройства и соединяющие их проводящие дуги образуют так называемые "лобовые части обмотки".

Из патента США 4709177 известна роторная обмотка электрической машины, причем роторная обмотка содержит искривленные стержни обмотки с проходящими вдоль этих стержней обмотки каналами охлаждения. Отверстия этих каналов охлаждения расположены на различных расстояниях от соответствующих концов стержней для достижения на каждом стержне обмотки равномерного температурного профиля. Такие каналы охлаждения могут быть выполнены попарно внутри стержня обмотки.

Формы выполнения роторных обмоток для электрических машин, а также формы выполнения названного во вводной части устройства следуют, например, из работы D. Lambrecht "Lauferwikklungen fur Turbogeneratoren und Induktionsmaschinen" в книге "Herstellung der Wicklungen elektrischer Maschinen" ("Изготовление обмоток электрических машин"), изданной H. Sequenz, издательство Springer, Вена и Нью Йорк, 1973, стр. 169 - 199.

Как различные формы выполнения для применяемых в названном во вводной части устройстве стержней обмотки с каналами охлаждения, которые лежат попарно рядом друг с другом и предназначены для направления, в частности, газообразного хладоагента, так и возможности образования роторной обмотки из таких стержней обмотки подробно пояснены - смотри рисунки 105, 113 и 118 к примерам для таких стержней обмотки, а также примеры для встраивания устройств из таких стержней обмотки в пазы, а также рисунок 129 для изготовления такой роторной обмотки, в то время как стержни обмотки, направленные вдоль продольной оси, соединяют между собой изогнутыми вокруг продольной оси и соединенными твердой пайкой со стержнями обмотки проводящими дугами.

Другие указания, которые относятся к устройству названного во вводной части вида, а также применению такого устройства в роторе электрической машины, следуют из EP 0 173 877 B1. Этот документ относится к выполнению зон выхода газа и пространственной связи, принадлежащих к следующему устройству двух зон выхода газа: эти зоны выхода газа должны быть смещены относительно друг друга вдоль продольной оси устройства таким образом, чтобы они нигде не перекрывались друг с другом, то есть чтобы они при рассмотрении в направлении поперечной оси нигде не лежали рядом друг с другом.

Важной темой при разработке устройства названного вначале вида в качестве составной части роторной обмотки электрической машины является распределение температуры, которое устанавливается вдоль продольной оси во время работы роторной обмотки, то есть в то время, когда через устройство протекает электрический ток и хладоагент. Особенно важным при этом является, чтобы достигалось распределение температуры с по возможности постоянной, или соответственно с учетом поглощения тепла по возможности равномерно и постепенно возрастающей температурой, так как таким образом нагрузочная способность устройства, которая определяется максимумом температуры вдоль устройства, является самой большой. Максимальная нагрузочная способность определяется максимумом температуры вдоль устройства, так как этот максимум не должен превышать известного граничного значения, которое, например, может быть определено, как максимально допустимая температура изолирующего вещества, которое введено между стержнями обмотки и/или покрывает устройство оболочкой. Если как это граничное значение, так и размеры устройства жестко заданы, то повышение нагрузочной способности может достигаться за счет того, что избегают так называемых "горячих точек", то есть мест с заметно повышенной относительно окружающей среды температурой, что является равнозначным равномерному по устройству производству и отводу тепла. Особенно высокая нагрузочная способность такого устройства получается из того, что при работе его температуру можно повышать таким образом, чтобы допустимое граничное значение достигалось в рамках равномерного вдоль устройства повышения, а не только в отдельных горячих точках.

Задачей изобретения является указание устройства названного во вводной части вида, которое в особенной степени удовлетворяет только что описанным требованиям.

Для решения этой задачи предлагается устройство с множеством вытянутых вдоль продольной оси и уложенных друг на друга в стопку вдоль вертикальной оси стержней обмотки, каждый из которых содержит четыре направленных параллельно к продольной оси и попарно в направлении перпендикулярной к продольной оси и к вертикальной оси поперечной оси, лежащих рядом друг с другом, а также лежащих попарно вдоль продольной оси друг за другом канала охлаждения, каждый из которых от соответствующего входа вблизи конца устройства входит в одну из двух расположенных примерно соосно относительно продольной оси зон выхода газа и там переходит в направленный под острым углом к вертикальной оси выходной канал, причем согласно изобретению при каждом стержне обмотки для каждой пары лежащих рядом друг с другом каналов охлаждения вход одного канала охлаждения расположен непосредственно на одном конце и вход другого канала охлаждения - с зазором от конца, а для каждой пары лежащих друг за другом каналов охлаждения вход одного канала охлаждения расположен непосредственно на конце, к которому он ведет, и вход другого канала охлаждения расположен с зазором от конца, к которому он ведет.

Изобретение основывается на знании того, что при данном и в значительной степени равномерном производстве тепла вдоль устройства, как это имеет место при работе в рамках роторной обмотки, необходимый для достижения равномерного распределения температуры равномерный отвод тепла может быть достигнут за счет того, что размеры каналов охлаждения приравнивают друг к другу, причем избегают, в частности, не нужно длинных каналов охлаждения. При этом явно, что охлаждение роторной обмотки внутри тела ротора подлежит несколько другим условиям, чем охлаждение роторной обмотки вне тела ротора, то есть в лобовой части обмотки. В лобовой части обмотки роторная обмотка не является настолько закрытой, как в теле ротора, что является возможным для охлаждения обмотки хладоагентом, который течет через каналы охлаждения, заключать компромиссы, которые вызывают улучшенное охлаждение обмотки внутри тела ротора. Согласно этому не все каналы охлаждения в соответствующем изобретению устройстве полностью проходят через него, а только половина каналов охлаждения действительно начинается на входе на конце устройства, а другая половина каналов охлаждения начинается соответственно на входе, который явно имеет зазор от конца, вблизи которого он находится. Возникающая при этом потеря охлаждения в области лобовых частей обмотки является приемлемой, так как она может быть скомпенсирована другими мерами охлаждения, которые известны из уровня техники и не требуют здесь дополнительного пояснения; существенное преимущество заключается в том, что избегают сверхдлинных каналов охлаждения с соответственно ограниченной гидравлической проводимостью для хладоагента.

Предпочтительно в каждой паре лежащих друг за другом каналов охлаждения каналы охлаждения имеют примерно одинаковую длину, что непосредственно означает, что проводимости этих каналов охлаждения и тем самым проводимости всех четырех каналов охлаждения одного стержня обмотки, являются равными. Таким образом обеспечено особенно равномерное охлаждение стержня обмотки через все четыре канала охлаждения и особенно хорошо предотвращается возникновение "горячих точек".

Расположение входов каналов охлаждения в смысле изобретения включает то, что зоны выхода газа, в которые каналы охлаждения через выходные каналы выведены из устройства, смещены относительно друг друга вдоль продольной оси. Предпочтительно это смещение однако не идет настолько далеко, что зоны выхода газа нигде не лежат рядом друг с другом, а размещение каналов охлаждения является таким, что зоны выхода газа относительно поперечной оси лежат рядом друг с другом только частично, предпочтительно на участке, который соответствует длине зоны выхода газа до 25%, предпочтительно только до 15%, например, порядка 2 - 14 выходных каналов на зону выхода газа.

Для образования роторной обмотки устройство предпочтительно вложено в паз тела ротора, причем концы так далеко выдаются из тела ротора, что все входы лежат свободно. Те входы, которые не лежат непосредственно на соответствующем конце, лежат при этом с дальнейшим преимуществом непосредственно на теле ротора. Введение соответствующего изобретению устройства в роторную обмотку производят с дополнительным преимуществом таким образом, что предусматривают комплект из множества одинаковых устройств, каждое из которых вложено в соответствующий паз тела ротора, причем на каждом конце комплекта, представленном соответствующими концами образующих комплект устройств, предусмотрены изогнутые примерно по дуге окружности вокруг продольной оси проводящие дуги, каждая из которых соединяет друг с другом два стержня обмотки, которые относятся к различным устройствам. Проводящие дуги с дальнейшим преимуществом спаяны твердым припоем со стержнями обмотки. Соответствующее изобретению устройство в соответствии с вышеприведенными рассуждениями поэтому встроено предпочтительно с образованием так называемых "прямоугольных лобовых обмоток" в роторную обмотку электрической машины большой мощности, в частности турбогенератора. Прямоугольную лобовую обмотку образуют таким образом, что стержни обмотки, которые ориентированы вдоль оси вращения изготавливаемого ротора, соединяют, в частности, припаивают твердым припоем с проводящими дугами, которые изогнуты примерно по дуге окружности вокруг оси вращения. Эта форма выполнения является по себе известной, однако до сих пор часто предпочитали выполнение, при котором для образования лобовой части обмотки соответственно изгибали направленные вдоль оси вращения стержни обмотки. Предусматривание прямоугольной лобовой части обмотки в рамках изобретения имеет однако дальнейшее преимущество, что можно принимать меры для охлаждения проводящих дуг отдельно и независимо от охлаждения стержней обмотки, что предлагает дополнительную степень свободы для выполнения роторной обмотки.

Примеры выполнения изобретения следуют их чертежей. Последние для пояснения специфичных признаков изобретения выполнены частично схематизированными и/или искаженными; изображения не должны рассматриваться как соответствующие масштабу. В частности показано:
на фиг. 1 - устройство с множеством стержней обмотки согласно изобретению;
на фиг. 2 - стержень обмотки из фиг. 1;
на фиг. 3 - тело ротора с соответствующими изобретению устройствами.

Фиг. 1 и 2 должны рассматриваться как относящиеся друг к другу и поясняются далее совместно. Фиг. 1 показывает сечение через соответствующее изобретению устройство 1 параллельно к продольной оси 2 и вертикальной оси 3, вдоль которой стержни обмотки 4 уложены друг на друга в стопку. Фиг. 2 показывает расположенное вертикально относительно сечения согласно фиг. 1 сечение через средний стержень обмотки 4 видного из фиг. 1 устройства 1, лежащее параллельно к продольной оси 2 и к поперечной оси 5, которая является как перпендикулярной к продольной оси 2, так и перпендикулярной к вертикальной оси 3. В устройстве 1 каждый стержень обмотки 4 имеет четыре канала охлаждения 6, 7, из которых два канала охлаждения 6 с входами 8 вблизи конца 10 и два канала охлаждения 7 с входом 9, который имеет зазор от соответствующего конца 10, до которого подходит канал охлаждения 7. Канал охлаждения 6 и канал охлаждения 7 лежат относительно продольной оси 2 соответственно друг после друга или относительно поперечной оси 5 рядом друг с другом. Все каналы охлаждения 6, 7 заканчиваются в зонах выхода газа 11 в области намеченной вертикальной осью 3 и поперечной осью 5 середины устройства 1, где они переходят в направленные параллельно к вертикальной оси 3 выходные каналы 12. При работе хладоагент, в частности охлаждающий газ, проникает через входы 8 и 9 в канал охлаждения 6 или соответственно 7 и попадает в нем к выходным каналам 12 в выходных зонах газа 11. При рассмотрении вдоль продольной оси 2 выходные зоны газа 11 смещены относительно друг друга, причем они, как видно вдоль поперечной оси 5, лежат частично рядом друг с другом. Как входы 8 и 9, так так же и образующие выходные каналы 12 выемки стержней обмотки 4 образованы в настоящем примере боковыми фрезеровками; само собой разумеется, что возможны и другие формы выполнения.

Фиг. 3 показывает в наклонном виде относительно оси 17, как устройства 1 стержней обмотки 4 расположены в пазах 14 тела ротора 13 для образования роторной обмотки для электрической машины. Стержни обмотки 4 выступают из тела ротора 13 таким образом, что все входы 8 и 9 лежат свободно. Имеющие зазор от концов 10 входы 9 находятся при этом непосредственно на теле ротора 13. Для образования роторной обмотки, в частности лобовой части обмотки, как она показана в нижней части фиг. 3, стержни обмотки 4 должны быть соединены между собой, что происходит проводящими дугами 15, которые изогнуты примерно по дуге окружности вокруг параллельной относительно продольной оси 2 оси вращения 17 тела ротора 13 и соответственно соединяют между собой два стержня обмотки 4. Это соединение является, например, соединением пайкой твердым припоем. Показаны каналы охлаждения 18 для охлаждения проводящей дуги 15; они начинаются на стержне обмотки 4 и кончаются в расположенной соосно выемке 19. Так как стержни обмотки 4 подвержены при работе значительным центробежным силам, пазы 14 должны быть надежно закрыты. Это схематически намечено пазовым затвором 16, который на практике должен образовывать, само собой разумеется, выдерживающее высокую нагрузку силовое замыкание с телом ротора 13, чтобы улавливать центробежные силы.

Соответствующее изобретению устройство с множеством стержней обмотки отличается особым равномерным отведением возникающего при работе тепла, когда через стержни обмотки течет электрический ток, и является поэтому в особенной степени пригодным для встраивания в роторную обмотку с высокой допускаемой нагрузкой для электрической машины, в частности турбогенератора.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к выполнению устройства или комплекта из множества устройств, каждое из которых содержит множество вытянутых вдоль продольной оси и уложенных друг на друга в стопку вдоль вертикальной оси стержней обмотки, каждый из которых содержит четыре направленных параллельно к продольной оси и попарно в направлении перпендикулярной к продольной оси и вертикальной оси поперечной оси, лежащие рядом друг с другом, а также лежащие попарно вдоль продольной оси друг за другом канала охлаждения, каждый из которых соответствующим входом входит в одну из двух расположенных примерно соосно относительно продольной оси зону выхода газа и там переходит в направленный под острым углом к вертикальной оси выходной канал. Согласно изобретению, в каждом стержне обмотки для каждой пары лежащих рядом друг с другом каналов охлаждения вход (8) одного канала охлаждения расположен непосредственно на одном конце и вход другого канала охлаждения - с зазором от конца, а для каждой пары лежащих друг за другом каналов охлаждения вход одного канала охлаждения расположен непосредственно на конце, к которому он ведет, вход другого канала охлаждения расположен с зазором от конца, к которому он ведет. Каждое устройство комплекта вложено в соответствующий паз тела ротора, а на каждом конце предусмотрены изогнутые примерно по дуге окружности вокруг продольной оси проводящие дуги, каждая из которых соединяет друг с другом два стержня обмотки, которые относятся к различным устройствам. Технический результат от использования данного изобретения состоит в обеспечении равномерного отведения возникающего при работе тепла, что повышает допустимую нагрузку электрической машины с такой обмоткой. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство (1) с множеством вытянутых вдоль продольной оси (2) и уложенных друг на друга в стопку вдоль вертикальной оси (3) стержней обмотки (4), каждый из которых содержит четыре направленные параллельно к продольной оси (2) и попарно в направлении перпендикулярной к продольной оси (2) и вертикальной оси (3) поперечной оси (5), лежащие рядом друг с другом, а также лежащие попарно вдоль продольной оси (2) друг за другом с другом, а также лежащие попарно вдоль продольной оси (2) друг за другом канала охлаждения (6, 7), каждый их которых соответствующим входом (8, 9) входит в одну из двух расположенных примерно соосно относительно продольной оси (2) зону выхода газа (11) и там переходит в направленный под острым углом к вертикальной оси (3) выходной канал (12), отличающееся тем, что в каждом стержне обмотки (4) для каждой пары лежащих рядом друг с другом каналов охлаждения (6, 7) вход (8) одного канала охлаждения (6) расположен непосредственно на одном конце (10) и вход (9) другого канала охлаждения (7) - с зазором от конца (10), а для каждой пары лежащих друг за другом каналов охлаждения (6, 7) вход (8) одного канала охлаждения (6) расположен непосредственно на конце (10), к которому он ведет, и вход (9) другого канала охлаждения (7) расположен с зазором от конца (10), к которому он ведет. 2. Устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что в каждой паре лежащих друг за другом каналов охлаждения (6, 7) каналы охлаждения (6, 7) имеют примерно одинаковую длину. 3. Устройство (1) по п.1 или 2, отличающееся тем, что зоны выхода газа (11) вдоль продольной оси (2) смещены друг относительно друга так, что они относительно поперечной оси (5) лежат частично рядом друг с другом. 4. Устройство (1) по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что оно вложено в паз (14) тела ротора (13), причем концы (10) так далеко выдаются из тела ротора (13), что все входы (8, 9) лежат свободно. 5. Устройство (1) по п.4, отличающееся тем, что те входы, которые не лежат непосредственно на соответствующем конце (10), лежат непосредственно на теле ротора (13). 6. Комплект из множества одинаковых устройств (1), отличающийся тем, что каждое устройство (1) выполнено в соответствии с п.4 или 5 и вложено в соответствующий паз (14) тела ротора (13), причем на каждом конце (10) предусмотрены изогнутые примерно по дуге окружности вокруг продольной оси (2) проводящие дуги (15), каждая из которых соединяет друг с другом два стержня обмотки (4), которые относятся к различным устройствам (1). 7. Комплект по п.6, отличающийся тем, что проводящие дуги (15) спаяны твердым припоем со стержнями обмотки (4). 8. Комплект по п.6 или 7, отличающийся тем, что используется в качестве роторной обмотки в электрической машине большой мощности, в частности в турбогенераторе.