ПАЗОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2024 года по МПК H02K3/487 H02K5/20 H02K9/20 

Изобретение относится к пазовому уплотнению (пазовому затвору) для электрической машины, а также к электрической машине.

Изобретение также относится к способу охлаждения электрической машины и/или к способу моделирования работы электрической машины. Кроме того, изобретение относится к компьютерной программе для осуществления одного из способов, в частности при выполнении в блоке управления.

Электрическая машина - это, например, электродвигатель или генератор. Электрические машины могут быть синхронными машинами или асинхронными машинами. Электрическая машина в активной части имеет электрические проводники. Активной частью является, например, статор и/или ротор электрической машины. Электрические проводники могут размещаться в пазах, при этом пазы могут закрываться с помощью пазового уплотнения.

При работе электрической машины возникают потери. В таких электрических вращающихся машинах, например, в электродвигателях и генераторах, в частности, в токоведущих обмотках, деталях из листов электротехнической стали и массивных стальных деталях, потери превращаются в тепло. Компоненты машины нагреваются. Для противодействия нагреву может быть выполнено охлаждение. Целью охлаждения машины является, в частности, рассеивание возникающих потоков тепла потерь в окружающую среду, чтобы не превысить предельные значения температуры компонентов. Кроме того, охлаждение и устанавливаемые рабочие температуры влияют на КПД машины, коэффициент использования машины, производственные затраты и/или, при необходимости, особенно в случае машин с постоянным возбуждением, на материальные затраты. Различают открытый и закрытый контуры охлаждения. Охлаждающая текучая среда может быть, например, газообразной (например, воздух) или жидкой (например, вода). Кроме того, размеры системы оборотного водоснабжения, объемная и гравиметрическая удельная мощность и стоимость всей машины, в частности системы оборотного водоснабжения, масштабируются, в частности, за счет выбора способа охлаждения с замкнутым контуром охлаждения. Постепенное увеличение крутящего момента и удельной мощности электрических машин, особенно больших электрических машин с номинальной мощностью в мегаваттом диапазоне (например, от 1 до 90 МВт), в первую очередь ограничивается техническими мерами по охлаждению, поскольку объем источников потерь увеличивается кубически, но их площади рассеивания тепла увеличиваются только квадратично.

Одной задачей изобретения является улучшение охлаждения электрической машины.

Задача решается с помощью пазового уплотнения по п.1, способа по п.7 и компьютерного программного продукта по п.12.

Пазовое уплотнение (пазовый затвор) используется для закрытия паза активной части электрической машины. Пазовое уплотнение имеет канал для направления текучей среды. Таким образом, электрическая машина имеет пазы, причем каждый паз имеет воздушное уплотнение, при этом пазовое уплотнение имеет канал для направления текучей среды. Текучая среда может быть, например, газообразной (например, воздух) или жидкой (например, вода). Различные концепции электрической машины могут быть реализованы с использованием испарения или без него. Например, в качестве текучей среды можно использовать такие газы, как гелий или водород. Это может осуществляться, в частности, при давлениях выше атмосферного давления. В частности, можно использовать более выгодные по сравнению с воздухом теплоемкости и коэффициенты теплопередачи с одновременно меньшими потерями на вентиляцию. Кроме того, в дополнение к воде в качестве текучей среды также могут использоваться, например, масла, такие как силиконовые масла или сложные эфиры, полифторированные алкильные соединения и подобное.

Текучая среда транспортируется в открытом контуре охлаждения и/или в закрытом контуре охлаждения. Например, текучая среда может проходить через теплообменник, который передает тепло, поглощенное текучей средой, например, воздуху. В частности, для этой цели должен быть предусмотрен вентилятор, причем возможно также безвентиляторное исполнение. Изобретение, в частности, позволяет улучшить разнообразные концепции охлаждения. В одном варианте реализации концепции охлаждения компоненты с собственным тепловыделением, находящиеся в непосредственном контакте с воздухом (охлаждающим воздухом), также могут охлаждаться в замкнутом контуре (в частности, в замкнутом воздушном контуре), а тепло, поглощаемое воздухом, может затем отводиться в теплопередающем устройстве (теплообменнике) воздух-вода или воздух-воздух в окружающую среду, без значительного увеличения сложности системы.

В одном варианте осуществления пазового уплотнения оно имеет множество каналов. В результате может быть осуществлено, например, оборотное снабжение текучей средой. Это также может служить для выравнивания распределения температуры поперек паза посредством текучей среды.

В одном варианте осуществления пазового уплотнения пазовое уплотнение имеет отверстие, при этом отверстие открывает канал к воздушному зазору электрической машины. Это позволяет текучей среде выходить для улучшенного охлаждения. Если текучая среда (газ) расширяется при выходе, можно добиться дополнительного охлаждения.

В одном варианте осуществления пазового уплотнения упомянутое отверстие имеет сопло или отверстие выполнено в виде сопла. Направление выходящего воздуха может быть задано соплом или соплами. Использование сопла также подходит для расширения газа.

В одном варианте выполнения пазового уплотнения оно имеет поверхность, выполненную с трехмерными структурами для достижения увеличения площади поверхности, которая направлена к воздушному зазору, когда пазовое уплотнение установлено в рабочее состояние в электрической машине. Это улучшает отвод тепла.

Электрическая машина имеет паз в активной части электрической машины. В частности, электрическая машина имеет большое количество пазов, причем электрические обмотки размещаются в пазах активной части электрической машины. Паз или пазы закрываются пазовым уплотнением. Конструкция пазового уплотнения описана в настоящем описании в различных вариантах. Пазовое уплотнение или пазовые уплотнения имеют один или несколько каналов. Электрическая машина может, например, иметь только пазовые уплотнения с каналами или также комбинацию пазовых уплотнений с каналом и без канала. Это зависит, например, от требуемой мощности охлаждения.

В одном варианте осуществления электрической машины пазовое уплотнение имеет канал или множество каналов. Кроме того, в одном варианте осуществления электрической машины она имеет только пазовые уплотнения, каждое с одним каналом. В еще одном варианте осуществления электрической машины она имеет пазовые уплотнения, каждое из которых имеет по меньшей мере два канала. В другом варианте осуществления электрической машины эти пазовые уплотнения имеют разное количество каналов. Таким образом, пазовые уплотнения с разным количеством каналов могут чередоваться или примыкать друг к другу по окружности электрической машины. Таким образом, можно гибко удовлетворять различные требования к охлаждению электрической машины.

Пазовое уплотнение может иметь форму клина. По этой причине пазовое уплотнение можно также назвать пазовый уплотняющий клин. Пазовое уплотнение закрывает пазы активной части электрической машины. Активной частью электрической машины является статор и/или ротор электрической машины.

В одном варианте осуществления электрической машины канал в пазовом уплотнении и/или пазовое уплотнение находится в том же радиальном положении, что и рассеивающее ребро. Это приводит, например, к компактной конструкции.

В одном варианте осуществления электрической машины пазовое уплотнение имеет первую поверхность, которая обращена к пазу или основанию паза, и вторую поверхность, которая обращена от паза или основания паза, при этом вторая поверхность может отдавать больше тепловой энергии, чем первая поверхность, причем вторая поверхность направлена в сторону воздушного зазора электрической машины. Таким образом, в воздушный зазор передается больше тепловой энергии. Охлаждающая текучая среда, такая как воздух или вода, может подаваться через воздушный зазор. Вторая поверхность имеет, например, большую шероховатость поверхности, чем первая поверхность. Таким образом, вторая поверхность может быть выполнена большей, чем первая поверхность. Вторая поверхность может, например, также иметь волнистую форму, зубчатую форму или гребенчатую форму, причем эти формы приводят к увеличению площади поверхности по сравнению с двумерной плоской поверхностью.

В одном из вариантов осуществления электрической машины пазовые уплотняющие клинья, которые используются для фиксации обмотки в пазу, выполнены с внутренними каналами (≥1), так что через них может протекать охлаждающая среда (текучая среда). Таким образом, охлаждаемые клинья представляют собой теплоотвод в непосредственной близости от источника тепла (токоведущего проводника) и таким образом охлаждают обмотки и зубцы. Кроме того, протекающая в воздушном зазоре газообразная охлаждающая среда также охлаждается на наружной стороне клина. Эта поверхность может быть скомпонована таким образом, чтобы максимизировать поверхность теплопередачи (например, за счет высокой шероховатости поверхности). Так как поперечное сечение охлаждаемых пазовых уплотняющих клиньев будет увеличиваться, это преимущественно выражено или реализовано в зоне рассеивающего ребра. Для концепций охлаждения, использующих фазовый переход для повышения охлаждающей способности, по меньшей мере один клин может быть выполнен таким образом, чтобы он имел через определенные промежутки отверстия в направлении воздушного зазора, через которые может выходить охлаждающая среда. Опционально, отверстия могут иметь геометрию сопла. Это позволяет распылять охлаждающую среду непосредственно на ротор для его охлаждения. Чтобы избежать влияния на электромагнитные свойства машины, целесообразно уделить внимание выбору материала клиньев.

Согласно способу охлаждения электрической машины, в котором электрическая машина имеет пазы, при этом пазы закрыты пазовыми уплотнениями, при этом по меньшей мере один пазовый уплотняющий клин имеет канал, при этом по упомянутому каналу направляют текучую среду для охлаждения электрической машины. Охлаждающая среда (текучая среда) находится вблизи области электрической машины, вызывающей нагрев электрической машины. Таким образом возможно эффективное охлаждение электрической машины.

В соответствии с одном вариантом выполнения способа может использоваться пазовое уплотнение в соответствии с одним из описанных вариантов осуществления.

Согласно одному варианту осуществления способа текучую среду направляют в воздушный зазор электрической машины и распыляют или направляют, в частности, на ротор электрической машины. Таким образом, охлаждающий эффект может быть дополнительно усилен. Распыление или направление текучей среды на ротор возможно, например, за счет отверстий, прорезей, открытых пор и/или форсунок в канале или пазовом уплотнении.

В одной из вариантов осуществления способа для охлаждения электрической машины используется фазовый переход текучей. Например, находящаяся в жидком состоянии текучая среда может испаряться для улучшения эффекта охлаждения. В дополнительном варианте осуществления способа газообразная текучая среда может быть расширена. Таким образом, текучая среда первоначально имеет первое давление, а после расширения - второе давление, причем первое давление выше второго давления. За счет расширения газообразной текучей среды также может быть достигнут охлаждающий эффект.

В одном варианте осуществления способа этот способ моделируется. Например, можно моделировать охлаждение электрической машины. Таким образом, например, можно также моделировать работу электрической машины и, в частности, рабочие состояния в зависимости от требуемой мощности.

Таким образом, в одном варианте осуществления способ относится к моделированной работе. Например, моделируется работа электрической машины в ветродвигателе или машинном оборудовании. В результате, например, может быть улучшена конструкция ветряной турбины или машинного оборудования. Машинным оборудованием является, например, насосное устройство, компрессорное устройство (компрессор), электровоз и подобное. Моделирование также позволяет сформировать цифрового двойника. Например, параллельно с работой электрической машины, может осуществляться мониторинг, например, для расчета пиковой мощности, которая еще может быть использована в течение определенного времени, и/или для обнаружения неизбежной неисправности.

Может быть предоставлен компьютерный программный продукт, который имеет исполняемые компьютером программные средства и при выполнении на компьютерном устройстве с процессорными средствами и средствами хранения данных подходит для выполнения способа в соответствии с одним из описанных вариантов осуществления. Таким образом, основная задача может быть решена с помощью компьютерного программного продукта, предназначенного для моделирования рабочего поведения электрической машины. Для этой цели компьютерный программный продукт может включать в себя данные электрической машины. Компьютерный программный продукт также может иметь интерфейс данных, через который можно задавать или импортировать рабочие параметры, такие как скорость, ток двигателя и/или температура. Точно так же компьютерный программный продукт также может иметь интерфейс данных для вывода результатов моделирования. Электрическая машина, рабочее поведение которой может быть смоделировано с помощью компьютерного программного продукта, разработана, в частности, в соответствии по меньшей мере с одним из описанных вариантов осуществления. Для этого компьютерный программный продукт может быть реализован, например, в виде так называемого цифрового двойника.

Таким образом, компьютерный программный продукт или упомянутый компьютерный программный продукт имеет исполняемые компьютерным устройством программные средства и подходит для выполнения на компьютерном устройстве с процессорными средствами и средствами хранения данных для моделирования по меньшей мере одной из описанных электрических машин по меньшей мере одним из описанных способов.

Изобретение далее описывается с помощью схематических вариантов осуществления. Подобные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями.

При этом показано:

Фиг.1 показан продольный разрез электрической машины,

Фиг.2 показан разрез электрической машины с фиг.1 по линии II-II на фиг.1,

Фиг.3 показан другой разрез электрической машины,

Фиг.4 показан вид сверху на пазовое уплотнение,

Фиг.5 показан дополнительный вид сверху пазового уплотнения,

Фиг.6 показан дополнительный вид сверху пазового уплотнения и

Фиг.7 показано поперечное сечение пазового уплотнения.

На фиг.1 показан продольный разрез электрической машины 10. Согласно фиг.1 электрическая машина 10 имеет ротор 2 (вращающуюся часть) и статор 3 с пакетом листов статора и лобовыми частями обмотки 4. Ротор 2 расположен на валу 14 ротора. Вал 14 ротора установлен в подшипниках 15 так, что вал 14 ротора может вращаться вокруг оси 16 вращения.

Насколько используются термины «осевой», «радиальный» и «тангенциальный», «осевой» означает направление, параллельное оси вращения 16. «Радиальный» представляет собой направление, ортогональное осевому направлению непосредственно к или от оси вращения 6. «Тангенциальный» - это направление, которое является как ортогональным осевому направлению, так и ортогональным радиальному направлению. Таким образом, тангенциальное направление представляет собой направление, направленное по окружности вокруг оси 6 вращения в постоянном осевом положении и на постоянном радиальном расстоянии от оси 16 вращения.

Многослойный сердечник статора имеет листы 13 статора. Пакет листов статора имеет 12 пазы. Эти пазы 12 являются пазами статора и проходят параллельно оси 16 вращения электрической машины 10. Они распределены по окружности вокруг оси 16 вращения (см. фиг. 2).

На фиг.2 показан разрез электрической машины с фиг.1 по линии II-II на фиг.1 с многослойным сердечником статора 11. Пазы 12 статора первоначально открыты по направлению к оси вращения 16, то есть радиально внутрь. Обмотки 9 системы обмотки статора расположены в пазах 12 статора. Основные участки обмоток 9 размещены в пазах 12 статора. Лобовые части 4 обмоток 9 выступают за сердечник 3 статора на двух осевых концах сердечника статора согласно фиг.1, как это обычно бывает. Пазы 12 закрыты пазовыми уплотнениями 1, каждое из которых имеет канал 6.

На фиг.3 показан дополнительный разрез электрической машины со статором 2 и ротором 3. Показаны зубцы 8, через которые образованы пазы 12. Зубцы 8 имеют рассеивающее ребро 7. Обмотки 9 изолированы от зубцов 8 в пазу 12 изоляцией 5. Зубцы 8 имеют канавки 17. в эти канавки 17 могут входить удерживающие ребра 18 пазовых уплотнений 1, 1'. Два пазовых уплотнения 1 показаны на фиг.3 в качестве примера. В дополнение к удерживающим ребрам 18 каждое пазовое уплотнение 1 также имеет канал 6. Канал 6 пазового уплотнения 1' имеет отверстие 19. Текучая среда 20 может выходить в воздушный зазор 21 через это отверстие 19. За счет текучей среды 20 в канале 6 может отводиться тепловая энергия Q', обозначенная стрелкой 22 как тепловой поток, от зубцов или статора, т.е. рассеиваться. Пазовое уплотнение 1 имеет первую поверхность 24 и вторую поверхность 25. Первая поверхность 24 более гладкая, чем вторая поверхность 25. Таким образом, вторая поверхность 25 больше первой поверхности 24 и поэтому может излучать больше тепловой энергии по отношению к структуре поверхности.

Изображение согласно фиг.4 показывает вид сверху пазового уплотнения 1, которое имеет отверстие 19, которое проходит по длине пазового уплотнения 19 и расположено по центру.

Изображение согласно фиг.5 показывает еще один вид сверху пазового уплотнения 1, которое имеет отверстие 19, ширина 23, 23' которого изменяется. В результате количество выходящей текучей среды можно регулировать по длине.

На изображении согласно фиг.6 показан дополнительный вид сверху пазового уплотнения 1 с большим количеством отверстий 19, находящихся на разном расстоянии друг от друга. Это также позволяет регулировать количество выходящей текучей среды по длине.

На изображении согласно фиг.7 показано поперечное сечение пазового уплотнения 1. Пазовое уплотнение 1 имеет удерживающие ребра 18 и канал 6. Канал 6 имеет отверстие 19, выполненное в виде сопла. Отверстие 19 сужается к выпускному отверстию и, таким образом, образует сопло. Например, направление выхода текучей среды может лучше определяться соплом.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в улучшении охлаждения электрической машины. Электрическая машина (5) имеет паз (12) в активной части (2, 3). Паз (12) закрыт пазовым уплотнением (1, 1'). Пазовое уплотнение имеет канал (6) для направления текучей среды (20). Пазовое уплотнение (1, 1') имеет отверстие (19), при этом отверстие (19) открывает канал (6) к воздушному зазору (21). Отверстие (19) представляет собой сопло, при этом обеспечена возможность использования фазового перехода. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электрическая машина (5), имеющая паз (12) в активной части (2, 3), причем паз (12) закрыт пазовым уплотнением (1, 1'), при этом пазовое уплотнение имеет канал (6) для направления текучей среды (20), причем пазовое уплотнение (1, 1') имеет отверстие (19), при этом отверстие (19) открывает канал (6) к воздушному зазору (21), причем отверстие (19) представляет собой сопло, при этом обеспечена возможность использования фазового перехода.

2. Электрическая машина (10) по п. 1, в которой канал (6) находится в том же радиальном положении, что и рассеивающее ребро (7).

3. Электрическая машина (10) по п. 1 или 2, в которой пазовое уплотнение (1, 1') имеет первую поверхность (24), обращенную к пазу (12), и вторую поверхность (25), обращенную от паза (12), причем вторая поверхность (25) способна излучать больше тепловой энергии, чем первая поверхность (24), при этом вторая поверхность (25) направлена к воздушному зазору (21) электрической машины (10).

4. Способ охлаждения электрической машины (10), причем электрическая машина (10) имеет пазы (12), причем пазы (12) закрыты пазовыми уплотнениями (1, 1'), при этом по меньшей мере одно пазовое уплотнение (1, 1') имеет канал (6), причем через канал (6) направляют текучую среду (20) для охлаждения электрической машины (10), причем пазовое уплотнение (1, 1') имеет отверстие (19), при этом отверстие (19) открывает канал (6) к воздушному зазору (21), причем отверстие (19) представляет собой сопло, при этом для охлаждения электрической машины (10) используют фазовый переход текучей среды (20).

5. Способ по п. 4, в котором используют электрическую машину по любому из пп. 1-3.

6. Способ по п. 4 или 5, в котором текучую среду (20) направляют в воздушный зазор (21) электрической машины (10) и, в частности, распыляют на ротор (2).

7. Способ по любому из пп. 4-6, в котором способ моделируют.