ГАЗООХЛАЖДАЕМАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2003 года по МПК H02K9/10 H02K3/24 

Изобретение относится к газоохлаждаемой электрической машине, описанной в ограничительной части первого пункта формулы изобретения.

Изобретение исходит при этом из уровня техники, известного, например, из ЕР-0519091 В1.

У электрических машин с косвенным охлаждением статорной обмотки торцевые хомуты и соединенные с ними, так называемые круговые соединения или фазовые соединения в лобовой части обмотки охлаждаются частью подаваемого вентилятором потока охлаждающего газа. У машин предельной мощности торцевые хомуты и фазовые соединения подвержены слишком сильному нагреву. В то время как уложенная в пазы обмотки ее часть целенаправлено охлаждается, эти свободно лежащие части обмотки нагреваются не только током, но и магнитными полями в пространстве, занимаемом лобовой частью обмотки.

У вращающихся электрических машин с прямым охлаждением статорной обмотки она состоит из сплошных и полых проводников, а у некоторых типов машин - даже только из полых проводников. Охлаждающее средство, протекающее через полые проводники по всей длине стержней статорной обмотки, вызывает при этом также достаточное охлаждение стержней в ее лобовой части. Круговые соединения или фазовые соединения также выполнены в виде полых проводников и усиленно охлаждаются охлаждающим средством.

У воздухоохлаждаемых машин с односторонним питанием охлаждающего действия, в частности у машин большой длины, недостаточно. Для усиления охлаждающего действия в ЕР-0392243 В1, поэтому предложено снабдить выполненные из сплошных проводников стержни обмотки боковыми или лежащими между обоими стопами проводников металлическими охлаждающими трубами или охлаждающими каналами соответственно. Они изолированы друг от друга и от проводников и лежат внутри главной изоляции. Питание осуществляется с обеих сторон машины и от ее середины. Подвод в середину машины происходит при этом через радиальные каналы в пакете железа статора и отверстия в главной изоляции. Нагретый охлаждающий газ покидает охлаждающие каналы через отверстия в главной изоляции в области концевых зон пакета железа статора и через радиальные каналы в пакете железа статора.

Выполнение стержней статорной обмотки с дополнительными каналами и выполнение подобных каналов в стержне уменьшают коэффициент заполнения пазов. Служащие для подвода и отвода охлаждающего газа фасонные детали, уложенные большей частью в главную изоляцию, удорожают изготовление стержней. К тому же охлаждение расположенных в лобовой части обмотки круговых соединений остается без внимания.

Из ЕР-0519091 В1 известна газоохлаждаемая электрическая машина, у которой специально охлаждаются только металлические серьги, служащие для электрического и механического соединения. Здесь серьги снабжены колпачками, которые практически полностью охватывают их, оставляя свободными один или несколько, приблизительно аксиально проходящих каналов. Эти каналы открыты в сторону пакета железа статора. Радиально проходящая перегородка отделяет пространство, занимаемое лобовой частью обмотки, от камеры всасывания вентилятора машины. Колпачки имеют на своих концах со стороны перегородки отверстие, сообщенное с упомянутыми каналами. От этого отверстия непосредственно в камеру всасывания вентилятора ведет гибкая линия. Вследствие разности давлений между камерой всасывания и пространством, занимаемым лобовой частью обмотки, часть подаваемого вентилятором охлаждающего средства протекает по названным каналам и охлаждает серьги, а в меньшей степени также внешние концы стержней. Недостатком здесь можно считать то, что для охлаждения серег используют охлаждающий газ, который нагрелся уже при обтекании торцевых хомутов в лобовой части обмотки, т.е. обладает ограниченным охлаждающим действием.

В основе изобретения лежит задача создания электрической машины описанного выше рода, концы статорной обмотки которой и примыкающие к ним круговые соединения в пространстве, занимаемом лобовой частью обмотки, могли бы достаточно охлаждаться простыми средствами.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что стержни статорной обмотки в лобовой части снабжены первыми охлаждающими каналами (8) только в зоне серег (5а, 5b), причем эти первые охлаждающие каналы (8) проходят, в основном, радиально, отводящие серьги (5b) содержат со стороны стекания потока за первыми охлаждающими каналами (8) между собой и выполненными в виде полых проводников круговыми соединениями (20) трубные соединения (11), причем круговые соединения (20) в виде полых проводников выполнены со вторыми охлаждающими каналами (9), свободно сообщающимися с первыми охлаждающими каналами (8) отводящий серег (5b), вторые охлаждающие каналы (9) посредством изолирующих труб (31) или шлангов сообщены с пространством (32), отделенным перегородкой (33) от пространства (30), занимаемого лобовой частью обмотки, при этом между перегородкой (33) и торцами серег (5а, 5b) расположен дефлектор (34) для усиленного протекания потока через первые охлаждающие каналы (8) в нормальных серьгах (5а).

Преимущества изобретения следует усматривать помимо прочего в том, что за счет радиальных первых каналов в зоне всех серег достаточное охлаждение колец стержней достигается посредством потока охлаждающего газа, причем, кроме этого, эти первые охлаждающие каналы на отводящих серьгах находятся в непосредственной связи со вторыми охлаждающими каналами, выполненными в виде полых проводников круговых соединений. Эти вторые охлаждающие каналы посредством изолирующих шлангов или труб сообщены с пространством, отделенным перегородкой от пространства, занимаемого лобовой частью обмотки, причем возможно усиленное охлаждение круговых соединений в сочетании с отводящими серьгами. Особое преимущество в том, что на торцах всех серег на постоянном расстоянии от них расположен дефлектор, направляющий поток воздуха по перегородке, что вызывает усиленный воздушный поток через первые охлаждающие каналы.

В предпочтительной форме выполнения предусмотрено, что стержни статорной обмотки выполнены в виде двухплоскостных стержней, концы которых в зоне лобовой части обмотки отделены друг от друга посредством клиновой вставки, так что на концах стержней образуются радиальные первые охлаждающие каналы. Серьги, фиксирующие концы стержней, состоят из соединительных элементов, также расположенных на расстоянии друг от друга в зоне первых охлаждающих каналов. Эти серьги окружены изолирующими колпачками, имеющими для первых охлаждающих каналов каждый одно впускное и одно выпускное отверстие.

Особенно предпочтительно, что поток охлаждающего газа проходит радиально снаружи радиально внутрь через лобовую часть обмотки и, тем самым, через серьги концов стержней.

Решение основано, в частности, на идее реализации охлаждения в активной части в обычном смысле, т.е. в качестве косвенного охлаждения, и прямого охлаждения подверженных воздействию торцевых полей концов стержней и круговых соединений в лобовой части обмотки в сочетании посредством нагруженного охлаждения.

Пример выполнения изобретения и достигаемые им преимущества более подробно поясняются ниже с помощью чертежа.

На чертеже схематично изображают:
фиг. 1 - фрагмент схематичной развертки лобовой части статорной обмотки газоохлаждаемой электрической машины;
фиг. 2 - сечение концов стержней в лобовой части статорной обмотки из фиг. 1 по линии Д-Д;
фиг.3 - продольный разрез конца стержня из фиг.2 по линии С-С;
фиг.4 - продольный разрез отводящих серег из фиг.2 по линиям А-А или В-В с присоединенными к отводящим серьгам круговыми соединениями и воздухонаправляющим дефлектором;
фиг.5 - продольный разрез нормальной серьги из фиг.2 по линии Е-Е с воздухонаправляющим дефлектором;
фиг.6 - фрагмент схематичной развертки круговых соединений.

На фиг.1 изображен сильно упрощенный фрагмент схематичной развертки лобовой части обмотки газоохлаждаемой электрической машины. В каждом пазу 1 пакета 2 железа статора друг над другом расположены нижний 3 и верхний 4 стержни. Для наглядности на фиг.1 изображены только два нижних и два верхних стержня. Как и обычно, каждый нижний 3 и каждый верхний 4 стержни, выходя из разных пазов 1, электрически и механически соединены между собой посредством электрически изолированных серег 5 и объединены, таким образом, в обмотку. Совокупность всех выходящих из пакета 2 железа статора нижних и верхних стержней вместе с серьгами 5 образует лобовую часть статорной обмотки. Нижние и верхние стержни состоят из множества электрически изолированных друг от друга проводников 6, которые, будучи расположены по двум лежащим рядом друг с другом стопам и окружены общей главной изоляцией 7, доходят почти до серьги 5 (фиг.2 и 3). В этом отношении электрические машины известны.

В сочетании с фиг.3 ниже описана конструкция концов стержней с серьгами 5а, 5b. Отдельные проводники 6 образуют, будучи расположеные друг над другом, две стопы, так что каждый нижний 4 и верхний 4 стержни образуют один двухплоскостной стержень. В направлении концов стержней стопы проводников дистанцированы друг от друга посредством клиновой вставки 15 таким образом, что между концами стержней на соответствующем конце образуется охлаждающий канал 8. Окружающая конец стержня серьга 5а, 5b охватывает L-образные металлические соединительные элементы 14, в которых размещены концы стержней. Там проводинки 6 электрически и механически соединены пайкой между собой и с L-образными металлическими соединительными элементами 14, причем последние, совпадая на торцах своих коротких колен, образуют с охлаждающим каналом 8 отверстие для потока охлаждающей среды. Выполненная из L-образных металлических соединительных элементов 14 серьга 5а, 5b окружена изолирующим колпачком 16а, 16b, 16с, причем промежуток между ним и серьгой 5 заполнен заполнителем 17.

При этом следует различать между нормальными 5а серьгами и так называемыми отводящими серьгами 5b. Так, концы одного нижнего 3 и одного верхнего 4 стержней сведены в выполненной из четырех L-образных металлических соединительных элементов 14 серьег 5а и окружены изолирующим колпачком 16а. При этом изолирующий колпачок 16а имеет со стороны нижнего стержня впускное отверстие 18, а со стороны верхнего стержня - выпускное отверстие 19 для охлаждающего канала 8. Направление течения охлаждающего газа обозначено поз.13. Существенным для оптимального охлаждения посредством протекания охлаждающего газа через концы стержней с нормальными серьгами 5а является его радиальный подвод. В примере выполнения направление 13 течения охлаждающего газа выбрано от внешней периферии лобовой части обмотки к ее внутренней периферии.

Охлаждение концов стержней в отводящих серьгах 5b происходит так же, как и охлаждение концов стержней в нормальных серьгах 5а. Отводящие серьги 5b создают электрическое соединение с круговыми соединениями или фазовыми соединениями 20 (фиг.4), окружающими лобовую часть обмотки на ее внешней периферии, причем эти круговые соединения находятся в проводящем соединении с зажимами генератора (не показаны. ) Согласно изобретению каждую отводящую серьгу 5b устанавливают вокруг одного конца стержня, т.е. верхнего 4 или нижнего 3. Принципиальная конструкция отводящих серег 5b на концах верхних или нижних стержней, однако, идентична, поэтому на фиг.4 изображены только разрезы А-А и В-В из фиг.3. Конструкция охлаждающего устройства на отводящей серьге 5b ограничена, поэтому ниже устройством на одном конце верхнего стержня 4.

Как уже сказано, дистанцированные посредством клиновой вставки 15 концы стержней объединены в отводящей серьге 5b из L-образных соединительных элементов 14, здесь двух. На коротких коленах L-образных соединительных элементов 14 отводящие серьги 5b электрически соединены металлическими соединительными элементами 12 с трубным соединением 11, а в отношении проточного канала 8 - посредством отводящей серьги 5b. Отводящая серьга 5b окружена с концом трубного соединения 11 изолирующим колпачком 16с, имеющим на внутренней периферии лобовой части обмотки впускное отверстие 18 для охлаждающего газа. Трубное соединение 11 ведет к круговому соединению 20 (фиг. 4), окружающему радиально снаружи лобовую часть обмотки. Для наглядности электрические и гидравлические выводы кругового соединения 20 изображены отдельно, хотя каждое круговое соединение 20 снабжено всеми этими выводами. Круговые соединения имеют прямоугольный профиль и выполнены в виде полых проводников с охлаждающим каналом 9. Охлаждающие каналы 8 концов 5b стержней находятся в последовательной свободной связи с охлаждающими каналами 10 трубных соединений 11 и с охлаждающими каналами 9 круговых соединений 20. Каждое круговое соединение 20 закрыто заглушкой 23, и в изолирующую трубу 31 впадает резьбовое соединение 21. Изолирующая труба 31 фиксирована на перегородке 33 одним своим концом также посредством резьбового соединения. Как показывает развертка круговых соединений 20 на фиг.5, изолирующие трубы 31 связывают, обходя пространство 30, занимаемое лобовой частью обмотки, охлаждающие каналы 9 круговых соединений 20 с пространством 32 пониженного давления, например камерой всасывания вентилятора машины (не показан), отдельным от пространства 30, занимаемого лобовой частью обмотки, радиально проходящей перегородкой 33. Для электрического соединения с зажимами генератора (не показаны) служат выполненные сплошными отводы 22. Изолирующие трубы 31, которые могут быть, само собой, выполнены также в виде изолирующих шлангов, изготовлены преимущественно из тефлона. Охлаждающие каналы 8 отводящих серег 5b свободно сообщены, следовательно, с камерой 32 всасывания вентилятора машины, что обеспечивает усиленное охлаждение отводящих серег 5b и круговых соединений.

Благодаря разности давлений в камере 32 всасывания и пространстве 30, занимаемом лобовой частью обмотки, часть потока подаваемого вентилятором охлаждающего газа, что обозначено на фиг.4 стрелками 13, протекает через охлаждающий канал 8, затем через охлаждающий канал 10 в трубном соединении 11, после этого через охлаждающий канал 9 кругового соединения 20 и выходит из него через изолирующую трубу 31 в камеру 32 всасывания вентилятора машины.

Принципиально такую же конструкцию, за исключением соединений с круговыми соединениями 20, имеют нормальные серьги 5а, изображенные в качестве примера в продольном разрезе на фиг.5. Изолирующий колпачок 16а охватывает концы нижнего 3 и верхнего 4 стержней, причем свободным остается также радиальный охлаждающий канал 8. Для целенаправленного затекания потока охлаждающего газа в этот охлаждающий канал 8 против торцев изолирующего колпачка 16а расположен дефлектор 34. Этот дефлектор 34 кольцеобразно расположен во всем пространстве, занимаемом лобовой частью обмотки, рядом с торцами всех изолирующих колпачков 16а, 16b, 16с таким образом (фиг.4), что между ними и дефлектором 34 образуется ограниченный проточный канал и, тем самым, возникает усиленный поток в направлении 13 течения через охлаждающие каналы 8 радиально снаружи радиально внутрь пространства 30, занимаемого лобовой частью обмотки. Дефлектор 34 закреплен посредством резьбового соединения на внутреннем 35 и внешнем 36 кольцах, которые так и так находят применение для поддержания лобовой части обмотки в электрической машине. Для оптимального охлаждения нормальных серег 5а используется, следовательно, разность давлений охлаждающего средства радиально снаружи радиально внутрь в пространстве, занимаемом лобовой частью обмотки, причем вспомогательное приспособление в виде дефлектора 34 направляет поток 13 охлаждающего средства в радиальном направлении через охлаждающие каналы 8.

Само собой, возможен также обратный поток, если при изменении конфигурации охлаждающий газ подается радиально внутрь и затем выходит через охлаждающие каналы 8 радиально наружу.

Выполнение согласно изобретению серег 5а, 5b с радиальными охлаждающими каналами 8 на концах стержней в сочетании с охлаждающими каналами 9 для круговых соединений 20 и расположенным рядом с торцами серег 5а, 5b дефлектором 34 создает оптимальное и к тому же относительно простое охлаждающее устройство для всех электрических проводящих элементов в зоне лобовой части обмотки машин предельной мощности.

Изобретение относится к области электротехники. Сущность изобретения: у газоохлаждаемой электрической машины проводники-стержни (3,4) в лобовой части обмотки непосредственно охлаждаются частью потока охлаждающего газа, направленной через охлаждающие каналы (8), расположенные внутри серег (5а,5b) концов стержней. Для этой цели концы стержней обмотки, выполненных в виде двухплоскостного стержня, дистанционированы друг от друга в зоне серег и образуют радиальный охлаждающий канал (8). Эти радиальные охлаждающие каналы (8) на отводящих серьгах (6b) с трубными соединениями (11) связаны электрически и аэрогидродинамически с круговыми соединениями (20). Охлаждающие каналы (9) круговых соединений (20) сообщены посредством изолирующих труб (31) или шлангов с камерой (32) всасывания вентилятора машины, отделенной перегородкой (33) от пространства (30), занимаемого лобовой частью обмотки. Затекание потока охлаждающего газа в охлаждающие каналы (9) в радиальном направлении течения усилено за счет дефлектора (34), расположенного кольцеобразно в пространстве, занимаемом лобовой частью обмотки, рядом с торцами серег (5а, 5b). Технический результат от использования данного изобретения состоит в улучшении и упрощении охлаждения концов статорной обмотки и примыкающих к ним соединений в пространстве, занимаемом лобовой частью обмотки. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газоохлаждаемая электрическая машина, содержащая расположенную в пазах (1) пакета (2) железа статора статорную обмотку, состоящую в основном из лежащих друг на друге в каждом пазу (1), выполненных из изолированных друг от друга проводников (6) стержней (3, 4), которые вне пакета (2) железа статора электрически соединены между собой в лобовой части в обмотку посредством серег (5а, 5b) и круговых соединений (20), причем серьги (5а, 5b) включают в себя определенное число нормальных серег (5а) и определенное число отводящих серег (5b), a также вентилятор для создания потока охлаждающего газа через машину, часть которого направлена через расположенные внутри серег (5а, 5b) первые охлаждающие каналы (8), отличающаяся тем, что стержни статорной обмотки в лобовой части снабжены первыми охлаждающими каналами (8) только в зоне серег (5а, 5b), причем первые охлаждающие каналы (8) проходят в основном радиально, отводящие серьги (5b) содержат со стороны отекания потока за первыми охлаждающими каналами (8) между собой и выполненными в виде полых проводников круговыми соединениями (20) трубные соединения (11), причем круговые соединения (20) в виде полых проводников выполнены со вторыми охлаждающими каналами (9), свободно сообщающимися с первыми охлаждающими каналами (8) отводящих серег (5b), вторые охлаждающие каналы (9) посредством изолирующих труб (31) или шлангов сообщены с пространством (32), отделенным перегородкой (33) от пространства (30), занимаемого лобовой частью обмотки, при этом между перегородкой (33) и торцами серег (5а, 5b) расположен дефлектор (34) для усиленного протекания потока через первые охлаждающие каналы (8) в нормальных серьгах (5а). 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что стержни (3, 4) статорной обмотки выполнены в виде двухплоскостных стержней, концы которых в зоне лобовой части обмотки отделены друг от друга посредством клиновой вставки (15) так, что на концах стержней образуются радиальные первые охлаждающие каналы (8). 3. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что серьги (5а, 5b) выполнены из металлических соединительных элементов (14), расположенных на расстоянии друг от друга в зоне первых охлаждающих каналов (8). 4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что охлаждающая лобовую часть обмотки часть потока охлаждающего газа имеет в основном радиальное направление (13) течения. 5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что серьги (5а, 5b) окружены изолирующими колпачками (16а, 16b, 16с), имеющими впускные и/или выпускные отверстия (18, 19) для первых охлаждающих каналов (8). 6. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что пространство (32), отделенное перегородкой (33) от пространства (30), занимаемого лобовой частью обмотки, является камерой всасывания вентилятора машины. 7. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что дефлектор (34) расположен кольцеобразно на постоянном расстоянии от торцов серег (5а, 5b), причем между торцами серег (5а, 5b) и дефлектором (34) образован ограниченный проточный канал.