ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С УЛУЧШЕННЫМ ОТВОДОМ ТЕПЛА Российский патент 2020 года по МПК F28D1/02 F28F13/12 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

[001] Настоящее изобретение относится к отводу тепла из электрических устройств, таких как погружные в жидкость и сухие трансформаторы, их частей, электродвигателей, вентиляторов или тому подобного.

Описание известного уровня техники

[002] В области трансформаторов трансформатор включает в себя части, в которых генерируется тепло, такие как сердечник и обмотки. Тепло передается от таких частей в текучую среду, окружающую их, и затем с течением времени рассеивается в окружающую среду через соответствующую систему охлаждения. Обычно, отвод тепла влияет на размеры системы охлаждения и, следовательно, на общую стоимость трансформатора.

[003] Подобные проблемы относятся к разным электрическим устройствам, таким как электродвигатели или вентиляторы, в которых тепло отводится посредством прохождения воздуха вокруг их теплорассеивающих участков, таких как ребра, радиаторы или тому подобное.

Краткое описание изобретения

[004] Целью настоящего изобретения является создание электрического устройства, такого как трансформатор, электродвигатель, вентилятор или тому подобное, выполненного для оптимизации отвода тепла, следовательно, так, чтобы уменьшить габаритные размеры и стоимость устройства.

[005] Эта и другие цели достигнуты за счет электрического устройства по п.1.

[006] Зависимые пункты формулы изобретения определяют возможные предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

[007] Дополнительные характеристики и преимущества электрического устройства в соответствии с изобретением будут более понятными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления, данных в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

[008] фиг.1 – перспективный в частичном разрезе вид трансформатора в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

[009] фиг.2 – схематичный вид средства для генерации турбулентного потока в соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения;

[0010] фиг.3 – перспективный в частичном разрезе вид трансформатора в соответствии с другим возможным вариантом осуществления изобретения;

[0011] фиг.4 – схематичный вид в разрезе сердечника трансформатора в соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения;

[0012] фиг.5 – вид в разрезе элемента обмотки трансформатора в соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения;

[0013] фиг.6 – частичный перспективный вид элемента обмотки трансформатора в соответствии с другим возможным вариантом осуществления изобретения;

[0014] фиг.7 – перспективный вид элементарного проводника в соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения;

[0015] фиг.8 – вид сбоку непрерывно транспонированного кабеля в соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения;

[0016] фиг.9 – перспективный вид непрерывно транспонированного кабеля в соответствии с другим возможным вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание

[0017] Как показано на прилагаемых чертежах, электрическое устройство обычно обозначено ссылочной позицией 1. Электрическое устройство в значении настоящего изобретения может включать в себя, например, трансформаторы, электродвигатели, вентиляторы и их части, такие как проводники, сердечник, обмотки, бак, радиаторы.

[0018] Электрическое устройство 1 обычно содержит, по меньшей мере, один участок, генерирующий тепло, и, по меньшей мере, один участок для рассеивания тепла, генерируемого упомянутым теплогенерирующим участком. Тепло, в основном, генерируется вследствие электрических явлений, таких как эффект Джоуля, вихревые токи, гистерезис или тому подобное. Для отвода тепла теплорассеивающий участок находится в теплообменном отношении, например, в контакте с текучей средой. Текучая среда, в основном, может включать в себя жидкость, такую как масло, сложный эфир или силикон, или газ, такой как SF₆ (элегаз), или воздух. Например, в случае сухих трансформаторов тепло отводится окружающим воздухом в контакте с активной частью трансформатора, которая генерирует тепло. Однако, следует отметить, что иногда тепло отводится через первичную текучую среду и вторичную текучую среду. В частности, теплогенерирующий участок может находиться в теплообменном отношении с первичной текучей средой, которая, в свою очередь, находится в теплообменном отношении с теплорассеивающим участком, который находится в теплообменном отношении со вторичной текучей средой. Например, в трансформаторах, заполненных минеральным маслом, масло проходит вокруг активной части, которая генерирует тепло. Тепло передается от минерального масла системе охлаждения, такой как радиаторы, теплообменники и тому подобное. Затем, тепло передается от системы охлаждения окружающей текучей среде, такой как воздух или вода. В основном, следовательно, первичные текучие среды могут включать в себя масло, сложный эфир, силикон, воздух, SF₆ (элегаз), тогда как вторичные текучие среды могут включать в себя воздух или воду.

[0019] Со ссылкой, например, на трансформатор (фиг.1) он включает в себя сердечник 2 и одну или более обмоток 3, установленных на сердечнике, причем каждая обмотка содержит, по меньшей мере, обмотку низкого напряжения и, по меньшей мере, обмотку высокого напряжения. В зависимости от типа трансформатора обмотки могут включать в себя литую изоляцию, фольговые обмотки, рядовые обмотки, винтовые обмотки, дисковые обмотки или фольговые–дисковые обмотки. Трансформатор может быть расположен в баке 4, заполненном маслом, если он является маслонаполненным типом, или любой другой пригодной текучей средой, как описано выше. В трансформаторе теплогенерирующие участки могут, например, включать в себя сердечник 2 и любую его металлическую систему прессовки, обмотки 3, его соединяющие проводники части, стенки бака.

[0020] В этом примере конструкции теплорассеивающие участки могут, например, включать в себя внутренние каналы 5 охлаждения сердечника 2, наружные поверхности 6 сердечника, внутренние каналы 7 охлаждения обмоток, наружные поверхности 8 обмоток, изолированные проводники 9, внутренние или наружные стенки 10 бака, ребра 15.

[0021] Следует отметить, что в трансформаторе вышеупомянутые теплорассеивающие участки могут находиться в теплообменном отношении с воздухом (например, ребра) или с маслом (например, внутренние стенки бака).

[0022] В соответствии с изобретением вышеприведенные теплорассеивающие участки содержат средство для генерации турбулентного потока в текучей среде в контакте с самим теплорассеивающим участком. Действительно, обычно текучая среда в контакте с теплорассеивающими участками является ламинарной. Если, напротив, характер движения потока является турбулентным, теплообмен с текучей средой может быть увеличен. В результате, например, можно уменьшить размеры поверхностей теплообмена.

[0023] Средство для генерации турбулентного потока может быть выполнено несколькими способами.

[0024] В соответствии с возможным вариантом осуществления средство для генерации турбулентного потока содержит зубчики 11, расположенные так, чтобы находиться в контакте с текучей средой (фиг.2).

[0025] В соответствии с возможным вариантом осуществления зубчики 11 содержат ребра 12, расположенные так, чтобы находиться в контакте с текучей средой. Ребра 12 содержат удлиненные элементы, проходящие в продольном направлении по поверхности 13 теплорассеивающего участка. Основной продольный размер ребер, в частности, параллелен поверхности 13 теплорассеивающего участка, тогда как высота ребер 12 выступает в поперечном направлении от поверхности 13 теплорассеивающего участка. В соответствии с возможным вариантом осуществления средство для генерации турбулентного потока содержит множество упомянутых ребер 12, предпочтительно ориентированных параллельно друг другу. Еще более предпочтительно, ребра 12 ориентированы таким образом, что их продольное направление поперечно направлению основного потока текучей среды, если последнее известно (например, в случае принудительного потока вокруг теплорассеивающих участков). В соответствии с возможным вариантом осуществления ребра 12 сгруппированы во множество групп, причем каждая группа 13 содержит множество параллельных ребер 12. Предпочтительно, в каждой группе 13 ребра 12 имеют разные размеры, так что их концы образуют две противоположные синусоидальные волны 14.

[0026] В соответствии с другим вариантом осуществления средство для генерации турбулентного потока содержит гофры на поверхности теплорассеивающих участков, предназначенных для контакта с текучей средой. В этой связи, см., например, пример осуществления, изображенный на фиг.3. Трансформатор на фиг.3 содержит стенки бака, имеющие гофры 15, проходящие по ним снаружи. Гофры 15 могут быть образованы пластиной, которая согнута так, чтобы принимать в поперечном разрезе форму с чередующимися вершинами 16 и впадинами 17. Каждый гофр 15 проходит предпочтительно параллельно следующему гофру, проходящему в поперечном направлении к поверхности теплорассеивающего участка, в этом случае в поперечном направлении от соответствующей стенки 10 бака. Следует отметить, что в этом варианте осуществления гофры 15 также образуют ребра. То же самое расположение ребер может быть обеспечено в радиаторе электрической машине другого типа, такой как электродвигатель или вентилятор.

[0027] Также следует отметить, что в соответствии с другими возможными вариантами осуществления подразумевается, что гофры могут в более общем случае быть поверхностями с большой шероховатостью. Другими словами, теплорассеивающие участки в основном могут иметь поверхности с большой шероховатостью, образующие средство для генерации турбулентного потока, которое может быть получено несколькими способами, например, посредством обработки инструментом поверхности соответствующим способом, посредством печатного изображения на поверхности или посредством закрашивания участков на соответствующем изоляционном материале на поверхности теплорассеивающего участка. Предпочтительно, поверхности с большой шероховатостью имеют шероховатость, большую 0,2 мм, еще более предпочтительно, большую 1 мм. Предпочтительно, шероховатость не превышает 6 мм.

[0028] В соответствии с возможным вариантом осуществления вышеописанные ребра 15, в свою очередь, могут иметь большую шероховатость со значениями, раскрытыми выше.

[0029] В соответствии с другим возможным вариантом осуществления средство для генерации турбулентного потока содержит сетку из проволоки, подлежащую нанесению на поверхность теплорассеивающего участка, или подлежащую наматыванию вокруг теплорассеивающего участка. Сетка может быть расположена в виде сетчатой ленты.

[0030] Следует отметить, что вышеприведенное средство для генерации турбулентного потока может быть расположено на проводящих поверхностях (таких как ребра, стенки бака), на изолирующих поверхностях (например, бумага для изоляции проводников), а также в каналах охлаждения.

[0031] В нижеследующем будут описаны некоторые другие примеры осуществления электрических устройств в соответствии с изобретением.

[0032] На фиг.4 изображен вид в разрезе сердечника 2 в соответствии с примером осуществления. В соответствии с данным вариантом осуществления сердечник 2 содержит множество пластинчатых элементов 18, расположенных между двумя противоположными прижимными пластинами 24. В данном документе периферии пластинчатых элементов почти соответствуют, по существу, круглой форме, на которую обмотки могут быть намотаны. Внутри сердечника образованы каналы 19 охлаждения. В частности, некоторые пластинчатые элементы 18 размещены с зазором между ними, и каналы 19 охлаждения расположены или образованы в зазорах 20 между ними. Каналы 19 охлаждения проходят в продольном направлении внутри сердечника, и охлаждающая текучая среда, такая как масло, проходит внутри них. Внутри каналов 19 охлаждения образовано средство для генерации турбулентного потока в охлаждающей текучей среде, такое как зубчики или ребра типов, описанных выше, или поверхности с большой шероховатостью, как описано выше, или типов, которые будут описаны ниже. Кроме того, такое средство для генерации турбулентного потока в воздухе или в масле может быть образовано на наружных поверхностях сердечника.

[0033] На фиг.5–6 изображены каналы 19 охлаждения внутри обмоток 3 в двух возможных вариантах осуществления. Витки обмотки отделены изолирующими стенками 21. В первом варианте осуществления (фиг.5) образованы рядовые обмотки 3, и каналы 19 охлаждения проходят в осевом направлении или между изолирующими стенками 21, которые могут содержать средство для генерации турбулентного потока. Во втором варианте осуществления (фиг.6) образованы фольговые обмотки 26, и каналы 19 охлаждения проходят в продольном направлении по изолирующим стенкам 21. Каналы 19 охлаждения могут быть образованы, например, между соседними расположенными на расстоянии ребрами 25, образованными на изолирующих стенках 21. Каналы 19 охлаждения в обоих вариантах осуществления содержат средство для генерации турбулентного потока в текучей среде, проходящей в каналах 19 охлаждения. Кроме того, средство для генерации турбулентного потока может быть образовано на наружных поверхностях обмоток, например, на литых изоляциях. Это также улучшает диэлектрическую характеристику, в частности, получен более высокий предел ползучести.

[0034] На фиг.7–9 изображены проводники 22. В варианте осуществления, изображенном на фиг.7, сетка, выполненная из проволоки 23, намотана вокруг проводника 22, образуя средство для генерации турбулентного потока. В варианте осуществления, изображенном на фиг.8, сетка 23 намотана на непрерывно транспонированном кабеле, тогда как в варианте осуществления, изображенном на фиг.9, сетчатая лента 27 намотана на непрерывно транспонированном кабеле. Сетчатая лента 27 может содержать сетку или быть выполнена, например, в виде самой сетки. Она может содержать множество отверстий 28. Во всех вышеописанных случаях сетка и сетчатая лента выполнены так, чтобы увеличивать шероховатость поверхности и, следовательно, образуют средство для генерации турбулентного потока

[0035] В вышеупомянутых вариантах осуществления электрического устройства в соответствии с изобретением специалист в данной области техники для удовлетворения конкретных имеющихся потребностей может сделать несколько дополнений, модификаций или замен элементов другими функционально эквивалентными элементами без отхода, однако, от объема прилагаемой формулы изобретения.

Электрическое устройство (1), содержащее участок, генерирующий тепло, и участок для рассеивания упомянутого генерируемого тепла за счет теплообмена с текучей средой, причем упомянутый теплорассеивающий участок содержит средство для генерации турбулентного потока в текучей среде, причем средство для генерации турбулентного потока содержит множество ребер (12), расположенных так, чтобы находиться в контакте с текучей средой, причем ребра (12) из упомянутого множества ребер сгруппированы во множество групп, причем каждая группа (13) содержит множество параллельных ребер (12), причем ребра (12) каждой группы имеют разные размеры, так что их концы образуют две противоположные синусоидальные волны (14). 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Электрическое устройство (1), содержащее участок, генерирующий тепло, и участок для рассеивания упомянутого генерируемого тепла за счет теплообмена с текучей средой, причем упомянутый теплорассеивающий участок содержит средство для генерации турбулентного потока в текучей среде, причем средство для генерации турбулентного потока содержит множество ребер (12), расположенных так, чтобы находиться в контакте с текучей средой, причем ребра (12) из упомянутого множества ребер сгруппированы во множество групп, причем каждая группа (13) содержит множество параллельных ребер (12), причем ребра (12) каждой группы имеют разные размеры, так что их концы образуют две противоположные синусоидальные волны (14).

2. Электрическое устройство (1) по п.1, в котором упомянутые ребра (12) содержат удлиненные элементы, проходящие в продольном направлении по по меньшей мере одной поверхности (13) теплорассеивающего участка.

3. Электрическое устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором средство для генерации турбулентного потока содержит гофры (15) на поверхности теплорассеивающего участка.

4. Электрическое устройство (1) по п.3, в котором упомянутые гофры (15) образованы пластиной, которая согнута так, чтобы принимать форму с чередующими вершинами (16) и впадинами (17), причем каждый гофр (15) проходит параллельно следующему гофру и проходит в поперечном направлении к поверхности теплорассеивающего участка.

5. Электрическое устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутый теплорассеивающий участок содержит по меньшей мере поверхность, имеющую шероховатость, большую 0,2 мм, образующую упомянутое средство для генерации турбулентного потока.

6. Электрическое устройство (1) по п.5, в котором упомянутая по меньшей мере одна поверхность теплорассеивающего участка имеет шероховатость, большую 1 мм.

7. Электрическое устройство (1) по п.5 или 6, в котором упомянутая по меньшей мере одна поверхность теплорассеивающего участка имеет шероховатость, меньшую или равную 6 мм.

8. Электрическое устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором средство для генерации турбулентного потока содержит сетку (23), выполненную из проволоки, или сетчатую ленту (27), подлежащие нанесению на поверхность теплорассеивающего участка, или подлежащие наматыванию вокруг теплорассеивающего участка.

9. Электрическое устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутое электрическое устройство содержит трансформатор, имеющий сердечник (2) и одну или более обмоток (3), установленных на сердечнике (2), причем каждая обмотка (3) содержит по меньшей мере обмотку низкого напряжения и по меньшей мере обмотку высокого напряжения, и упомянутый теплорассеивающий участок содержит каналы (19) охлаждения сердечника, и/или наружные поверхности (6) упомянутого сердечника, и/или наружные поверхности упомянутых обмоток и/или ребра (15), и/или один или более проводников (22).

10. Электрическое устройство (1) по п.9, в котором упомянутый сердечник содержит множество пластинчатых элементов (18), причем по меньшей мере некоторые пластинчатые элементы (18) расположены с зазором между собой, и упомянутые каналы (19) охлаждения расположены или образованы в зазорах (20) между ними.

11. Электрическое устройство (1) по п.9 или 10, в котором трансформатор содержит бак для жидкости для использования упомянутой текучей среды, причем упомянутый теплорассеивающий участок содержит стенки (10) бака, причем упомянутое средство для генерации турбулентного потока расположено внутри и/или снаружи стенки упомянутого бака.

12. Электрическое устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутое электрическое устройство выбрано из группы, состоящей из трансформаторов, электродвигателей, вентиляторов.

13. Электрическое устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутая текучая среда выбрана из группы, состоящей из воздуха, сложного эфира, силикона или элегаза.

14. Электрическое устройство (1) по любому из предыдущих пунктов, в котором теплогенерирующий участок находится в теплообменном отношении с первичной текучей средой, которая находится в теплообменном отношении с теплорассеивающим участком, который находится в теплообменном отношении с вторичной текучей средой.

15. Электрическое устройство (1) по п.14, в котором упомянутая первичная текучая среда выбрана из группы, состоящей из масла, сложного эфира, силикона, воздуха, элегаза, и упомянутая вторичная текучая среда выбрана из группы, состоящей из воздуха, воды.