СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2009 года по МПК H02K1/20 H02K9/04 

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к электрическим машинам с газовым охлаждением, например турбогенераторам.

Известна конструкция и система газового охлаждения статора электрической машины, описанная в изобретении «Система вентиляции электрической машины» (Патент РФ №2220491, Н02К 9/00, Н02К 1/20, опубл. 27.12.2003 г.). В рассматриваемой конструкции электрической машины под пазовыми клиньями размещены каналы, соединяющие радиальные каналы соседних зубцов и образующие единый радиально-тангенциальный вентиляционный канал с входом и выходом охлаждающего газа со стороны наружной поверхности сердечника статора.

В рассматриваемой конструкции все вентиляционные каналы закрыты со стороны расточки сердечника статора, т.е. отделены от воздушного зазора между статором и ротором.

Такая конструкция имеет следующие недостатки:

- вынужденное возрастание высоты паза без увеличения полезного объема, занятого обмоткой;

- высокое аэродинамическое сопротивление радиально-тангенциального вентиляционного канала из-за ограниченного сечения пазового участка канала;

- повышение температуры охлаждающего газа на участке радиально-тангенциального канала от входа на наружной поверхности сердечника статора до канала, размещенного под пазовым клином, за счет притока тепла по стали сердечника в тангенциальном направлении от другой части этого канала, отводящего подогретый газ из сердечника.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является конструкция, описанная в изобретении «Статор электрической машины» (Патент РФ №2047257, Н02К 1/20, Н02К 9/02, опубл. 27.10.1995 г.). В данном изобретении статор электрической машины с газовой многоструйной системой вентиляции имеет корпус, разделенный на чередующиеся отсеки (камеры) высокого и низкого давления газа. Сердечник статора состоит из шихтованных пакетов, разделенных радиальными вентиляционными каналами. Вентиляционные каналы образованы при помощи вентиляционных распорок, установленных между пакетами в зонах ярма и зубцов сердечника. Радиальные каналы сообщаются с отсеками (камерами) корпуса. По крайней мере в средней части сердечника вентиляционные распорки в зоне ярма установлены со смещением потока охлаждающего газа в тангенциальном направлении на шаг, кратный шагу по отсекам (камерам) корпуса статора, а в зубцах вентиляционные распорки установлены с обеспечением смещения потока в аксиальном направлении в соседний канал с помощью сквозных щелевых отверстий, распределенных по высоте зубцов.

В первом случае устанавливаются прямые вентиляционные распорки в зубцах и наклонные в ярме сердечника статора, причем наклон распорок в соседних вентиляционных каналах выполнен в противоположных направлениях.

Во втором случае вентиляционные распорки имеют прямолинейные участки в зубцах и в ярме через один вентиляционный канал по длине сердечника и прямолинейные участки в зубцах и наклонные в ярме в остальных вентиляционных каналах.

В третьем случае вентиляционные распорки выполнены прямыми в зубцах и в ярме, а вентиляционные каналы снабжены перегородками, расположенными по наружной окружности сердечника с шагом, равным ширине отсеков (камер) корпуса, причем перегородки соседних каналов между собой смещены на упомянутый шаг.

В вентиляционных каналах в зубцовых зонах высокого давления газа между вентиляционными распорками установлены съемные заглушки.

Между отсеками (камерами) высокого давления корпуса статора и между отсеками (камерами) низкого давления выполнены тангенциальные перепускные каналы.

Данная конструкция и система охлаждения имеют следующие недостатки:

1. Поступление в вентиляционные каналы, сообщающиеся с отсеками низкого давления, подогретого газа из зазора между статором и ротором приводит к значительному повышению и неравномерному распределению температуры обмотки и стали статора по длине сердечника.

2. Отсутствует циркуляция газа между обмоткой и вентиляционными распорками в зоне зубцов вентиляционных каналов, сообщающихся с отсеками высокого давления и отделенных от газа в зазоре между статором и ротором съемными заглушками, установленными между вентиляционными распорками.

3. Конструкция усложнена разделением корпуса статора на чередующиеся в тангенциальном направлении аксиальные отсеки и соединением отсеков различного давления при помощи перепускных каналов.

Задачей, решаемой изобретением, является улучшение охлаждения обмотки и зубцов по всей длине и окружности сердечника статора за счет интенсификации теплоотдачи.

Указанный технический результат достигается тем, что статор электрической машины с газовой системой вентиляции содержит корпус, сердечник, воздуховоды, камеру низкого давления и камеру высокого давления. Камера низкого давления расположена в зоне лобовых частей обмотки статора, а камера высокого давления расположена в пространстве между корпусом и сердечником. В пазы сердечника уложена обмотка, причем сердечник состоит из шихтованных пакетов и сообщающихся с камерами высокого и низкого давления вентиляционных каналов. Вентиляционные каналы образованы вентиляционными распорками, которые прикреплены к шихтованным пакетам в зубцовой зоне и зоне ярма сердечника. Все вентиляционные каналы закрыты со стороны расточки сердечника статора. В камере высокого давления на наружной поверхности сердечника по всей его длине с шагом через одно зубцовое деление размещены воздуховоды, которые с одной стороны сообщаются с камерой низкого давления, а с другой стороны с вентиляционными каналами сердечника. В зубцовой зоне сердечника вентиляционные распорки установлены с обеспечением смещения потока охлаждающего газа в аксиальном направлении через сквозные отверстия, выполненные в шихтованном пакете по высоте зубца, в соседний вентиляционный канал. В зоне ярма сердечника вентиляционные распорки установлены с обеспечением прохода потока охлаждающего газа из камеры высокого давления по четным вентиляционным каналам в зубцовую зону и прохода потока охлаждающего газа из зубцовой зоны в воздуховоды по нечетным вентиляционным каналам.

Целесообразно в каждом зубце установить четыре вентиляционные распорки. Первые две вентиляционные распорки установлены радиально на расстоянии от расточки сердечника статора и симметрично относительно оси симметрии зубца с образованием трех радиальных каналов для прохода охлаждающего газа. На расстоянии от первых двух вентиляционных распорок установлены две другие вентиляционные распорки таким образом, чтобы отделить часть отверстий. Концы указанных распорок, обращенные к первым двум вентиляционным распоркам, сведены вместе на оси симметрии зубца, а их противоположные концы установлены на расстоянии от основания зубца и раздвинуты в противоположных направлениях от оси симметрии зубца.

Предлагаемая установка вентиляционных распорок в зубце позволяет получить равномерное распределение расхода охлаждающего газа по сечению каждого аксиального отверстия в зубце.

В первом варианте конструкции в зоне ярма установлены вентиляционные распорки наклонно к радиальным осям пазов и присоединены попарно с одной стороны к боковым стенкам каждого воздуховода. С другой стороны противоположные концы каждой пары вентиляционных распорок установлены с обеспечением прохода у дна пазов для части потока охлаждающего газа, подаваемого из камеры высокого давления. В четных вентиляционных каналах наклон вентиляционных распорок выполнен по направлению друг к другу, а в нечетных вентиляционных каналах - по направлению друг от друга.

В данном варианте расположения вентиляционных распорок в зоне ярма, помимо прохода охлаждающего газа из камеры высокого давления по вентиляционным каналам в зубцовую зону в четных вентиляционных каналах и прохода охлаждающего газа из зубцовой зоны в воздуховоды в нечетных вентиляционных каналах, обеспечивается дополнительный проход части потока охлаждающего газа у дна пазов, минуя зубцовую зону. Это дает возможность отводить охлаждающим газом часть потерь, выделяющихся в стали ярма, и позволяет уменьшить подогрев охлаждающего газа в зоне зубцов и снизить температуру обмотки и зубцов.

Во втором варианте конструкции в зоне ярма дополнительно установлены перегородки, а вентиляционные распорки расположены радиально напротив боковых стенок воздуховодов на расстоянии от перегородок для обеспечения прохода потока охлаждающего газа. Перегородки присоединены к боковым стенкам каждого воздуховода. В четных вентиляционных каналах с помощью перегородок закрыт проход для охлаждающего газа в каждый воздуховод, а в нечетных вентиляционных каналах закрыт проход для охлаждающего газа между соседними воздуховодами.

При таком расположении вентиляционных распорок весь поток охлаждающего газа направляется в зубцовую зону. За счет этого происходит увеличение скоростей охлаждающего газа в вентиляционных каналах, коэффициентов теплоотдачи с поверхностей зубцов и аксиальных отверстий, выполненных в зубцах, и снижение температуры обмотки и зубцов.

Новым в заявляемой конструкции является:

- закрытие всех вентиляционных каналов со стороны расточки сердечника статора;

- расположение камеры низкого давления в пространстве лобовых частей обмотки статора, а не в пространстве между корпусом и сердечником статора;

- размещение воздуховодов в камере высокого давления на наружной поверхности сердечника по всей его длине с шагом через одно зубцовое деление;

- сообщение воздуховодов с одной стороны с камерой низкого давления, а с другой стороны с вентиляционными каналами сердечника;

- установка в зоне ярма вентиляционных распорок с обеспечением прохода потока охлаждающего газа в четных вентиляционных каналах из камеры высокого давления в зубцовую зону, а в нечетных вентиляционных каналах - из зубцовой зоны в воздуховоды.

Предлагаемая конструкция сердечника статора по сравнению с прототипом позволяет получить равномерное распределение температуры обмотки и зубцов по длине и окружности сердечника, повысить интенсивность охлаждения и снизить температуру обмотки и зубцов сердечника статора.

Признак «установка в зоне ярма вентиляционных распорок с обеспечением прохода потока охлаждающего газа в четных вентиляционных каналах из камеры высокого давления в зубцовую зону, а в нечетных вентиляционных каналах - из зубцовой зоны в воздуховоды» не выявлен в уровне техники, из чего можно сделать вывод, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На чертежах представлены примеры конкретного выполнения предлагаемого статора.

На фиг.1 показан продольный разрез активной зоны статора; на фиг.2 показана установка вентиляционных распорок в зубце сердечника статора; на фиг.3 - поперечный разрез статора по соседним вентиляционным каналам (а - четным каналам, б - нечетным каналам) в случае, если вентиляционные распорки в зоне ярма установлены наклонно; на фиг.4 - поперечный разрез статора по соседним вентиляционным каналам (а - четным каналам, б - нечетным каналам) в случае, если вентиляционные распорки в зоне ярма установлены радиально и каналы снабжены дополнительными перегородками.

Статор электрической машины содержит корпус 1, сердечник 2, в пазах которого уложена обмотка 3, закрепленная пазовыми клиньями 4. Сердечник 2 состоит из шихтованных пакетов 5, в зубцовой зоне которых выполнены аксиальные сквозные отверстия 6, расположенные по оси симметрии зубцов, и вентиляционных каналов 7, образованных вентиляционными распорками 8, В пространстве между корпусом 1 и сердечником 2, являющимся камерой высокого давления 9, размещены воздуховоды 10, которые занимают часть высоты камеры высокого давления 9. Воздуховоды 10 присоединены входными окнами к поверхности сердечника 2 и сообщаются с камерой низкого давления (на чертежах не показана), расположенной в зоне лобовых частей обмотки 3. Воздуховоды 10 имеют длину, равную длине сердечника 2, а их боковые стенки, образующие входные окна, размещены по осям симметрии соседних зубцов сердечника 2 через одно зубцовое деление.

Вентиляционные каналы 7 сообщаются с камерой высокого давления 9 и через воздуховоды 10 с камерой низкого давления (на чертежах не показана). Вентиляционные каналы 7 закрыты со стороны расточки сердечника 2 тангенциальными дистанционными распорками 11, установленными в зубцах между пазовыми клиньями 4, крепящими обмотку 3.

В каждом зубце, представленном на фиг.2, установлены четыре вентиляционные распорки 8, первые две вентиляционные распорки 8 расположены на расстоянии от тангенциальной дистанционной распорки 11, имеют длину, близкую к половине высоты зубца, установлены симметрично относительно его оси, образуя три радиальных канала для прохода газа. Концы двух других вентиляционных распорок 8 сведены вместе на оси симметрии зубца, отодвинуты к основанию зубца от концов первых двух вентиляционных распорок 8, отделяя часть отверстий 6. Противоположные концы вентиляционных распорок 8 раздвинуты влево и вправо от оси симметрии вблизи основания зубца. Вентиляционные распорки 8 обеспечивают смещение потока охлаждающего газа в аксиальном направлении в соседний канал через сквозные отверстия 6.

В зоне ярма в первом варианте конструкции, представленном на фиг.3, вентиляционные распорки 8 установлены наклонно к радиальным осям пазов. Вентиляционные распорки 8 соединены с боковыми стенками воздуховодов 10, образуя своими противоположными концами у дна пазов, на осях которых установлены воздуховоды 10, проходы для газа. В четных вентиляционных каналах 7 наклон вентиляционных распорок 8, присоединенных к каждому воздуховоду 10, выполнен по направлению к друг другу. В нечетных вентиляционных каналах 7 наклон вентиляционных распорок 8 выполнен по направлению друг от друга.

Во втором варианте конструкции, представленном на фиг.4, дополнительно установлены перегородки 12, выполненные П-образной формы, которые присоединены к боковым стенкам воздуховодов 10. Каждая перегородка 12 в четных вентиляционных каналах 7 закрывает проход для потока охлаждающего газа в воздуховоды 10, а в нечетных вентиляционных каналах 7 закрывает проход для потока охлаждающего газа в камеру высокого давления 9. Вентиляционные распорки 8 установлены радиально на некотором расстоянии от перегородок 12 и от дна пазов.

При работе электрической машины поток охлаждающего газа из камеры высокого давления 9 проходит между воздуховодами 10 в четные вентиляционные каналы 7 зоны ярма, образованные вентиляционными распорками 8 между шихтованными пакетами 5 сердечника 2. В зоне ярма охлаждающий газ перемещается по четным вентиляционным каналам 7 по направлению к зубцовой зоне. В зубцовой зоне из четных вентиляционных каналов 7 через аксиальные сквозные отверстия 6 охлаждающий газ попадает в соседние (нечетные) вентиляционные каналы 7. Далее охлаждающий газ перемещается из зубцовой зоны по нечетным вентиляционным каналам 7 в зону ярма и далее через воздуховоды 10 попадает в камеру низкого давления (на чертежах не показаны), расположенную в зоне лобовых частей обмотки 3 сердечника 2.

Особенность первого варианта конструкции заключается в следующем. Часть потока охлаждающего газа в четных вентиляционных каналах 7 направляется из зоны ярма через проходы, образованные по осям воздуховодов 10 вблизи дна пазов наклонными вентиляционными распорками 8, минуя зубцовую зону, в воздуховоды 10. В нечетных вентиляционных каналах часть потока охлаждающего газа из камеры высокого давления 9 перемещается по ярму и через проходы, образованные по осям между воздуховодами 10 вблизи дна паза наклонными вентиляционными распорками 8, присоединяется к потоку газа, следующему из зубцовой зоны, и направляется в воздуховоды 10.

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к электрическим машинам с газовым охлаждением, например турбогенераторам. Сущность изобретения состоит в том, что статор турбогенератора с эффективным газовым охлаждением обмотки и зубцов содержит корпус (1), в котором расположен сердечник (2) с обмоткой (3). Сердечник состоит из шихтованных пакетов (5) и вентиляционных каналов (7), которые образованы вентиляционными распорками (8) и закрыты со стороны расточки сердечника статора. В камере высокого давления (9), расположенной в пространстве между корпусом и сердечником, на наружной поверхности сердечника по всей его длине с шагом через одно зубцовое деление размещены воздуховоды (10). Воздуховоды сообщаются с одной стороны с вентиляционными каналами, с другой стороны с камерой низкого давления, расположенной в пространстве лобовых частей обмотки статора. В зубцовой зоне вентиляционные распорки установлены с обеспечением смещения потока охлаждающего газа в аксиальном направлении в соседний вентиляционный канал через сквозные отверстия (6). В зоне ярма вентиляционные распорки установлены с обеспечением прохода потока охлаждающего газа в четных вентиляционных каналах из камеры высокого давления в зубцовую зону, а в нечетных вентиляционных каналах из зубцовой зоны в воздуховоды. Технический результат - улучшение охлаждения обмотки и зубцов по всей длине и окружности сердечника статора путем интенсификации теплоотдачи. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Статор электрической машины с газовой системой вентиляции, содержащий корпус, воздуховоды, камеру низкого давления и камеру высокого давления, расположенную в пространстве между корпусом и сердечником с уложенной в пазы обмоткой, причем сердечник состоит из шихтованных пакетов и сообщающихся с камерами высокого и низкого давления вентиляционных каналов, образованных вентиляционными распорками, прикрепленными к шихтованным пакетам в зубцовой зоне и зоне ярма, причем в зубцовой зоне вентиляционные распорки установлены с обеспечением смещения потока охлаждающего газа в аксиальном направлении в соседний вентиляционный канал посредством отверстий, распределенных по высоте зубцов, отличающийся тем, что все вентиляционные каналы закрыты со стороны расточки сердечника статора, воздуховоды размещены в камере высокого давления на наружной поверхности сердечника по его длине с шагом через одно зубцовое деление, причем воздуховоды с одной стороны сообщаются с вентиляционными каналами, с другой стороны сообщаются с камерой низкого давления, расположенной в пространстве лобовых частей обмотки статора, а в зоне ярма вентиляционные распорки установлены с обеспечением прохода потока охлаждающего газа в четных вентиляционных каналах из камеры высокого давления в зубцовую зону, а в нечетных вентиляционных каналах из зубцовой зоны в воздуховоды.2. Статор по п.1, отличающийся тем, что в каждом зубце установлены четыре вентиляционные распорки, причем первые две вентиляционные распорки установлены радиально на расстоянии от расточки сердечника статора и симметрично относительно оси симметрии зубца с образованием трех радиальных каналов для прохода охлаждающего газа, а на расстоянии от первых двух вентиляционных распорок для отделения части отверстий установлены две другие вентиляционные распорки, концы которых, обращенные к первым двум вентиляционным распоркам, сведены вместе на оси симметрии зубца, а противоположные концы установлены на расстоянии от основания зубца и раздвинуты в противоположных направлениях от оси симметрии зубца.3. Статор по п.2, отличающийся тем, что в зоне ярма вентиляционные распорки соединены с одной стороны с боковыми стенками воздуховодов, а с другой стороны установлены наклонно к радиальным осям пазов с образованием проходов для газа у дна пазов, причем в четных вентиляционных каналах наклон вентиляционных распорок, присоединенных к боковым стенкам каждого воздуховода, выполнен по направлению друг к другу, а в нечетных вентиляционных каналах по направлению друг от друга.4. Статор по п.2, отличающийся тем, что в зоне ярма в вентиляционных каналах установлены перегородки, а вентиляционные распорки установлены радиально напротив боковых стенок воздуховодов на расстоянии от перегородок, причем в четных вентиляционных каналах перегородки закрывают проход для газа в каждый воздуховод, а в нечетных вентиляционных каналах между соседними воздуховодами.