CS255203B1

CS255203B1 - Rotary electric machine stator

Info

Publication number: CS255203B1
Application number: CS838099A
Authority: CS
Inventors: Karel Alexa; Milan Siegl; Vit Kotrba
Original assignee: Karel Alexa; Milan Siegl; Vit Kotrba
Priority date: 1983-11-03
Filing date: 1983-11-03
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS809983A1

Abstract

Řešení se týká statoru elektrického stroje točivého, zejména vysokootáčkového homopolárního stroje, s kapalinovým chladicím okruhem, opatřeného jednak v polouzavřqných drážkách jeho svazku plechů pracovním vinutím s čely, vystupujícími z obou čelních stran svazku plechů a obtékanými chladicí kapalinou, a jednak u vrtání svazku plechů válcovitou membránou pro hermetické oddělení kapalinového chladicího okruhu statoru od rotoru stroje. Očelem je docílit zintenzívnění odvodu tepla z tepelně namáhaných aktivních částí statoru i rotoru, včetně zlepšení poměrů tepelného namáhání membrány, čehož se dosáhne tím, že mezi vrtáním svazku plechů a vnějším povrchem membrány jsou u obou čelních stran svazku plechů vložena distanční tělesa, rozmístěná v tangenciálním směru statoru v odstupech od sebe, vymezující mezikruhové chladicí kanály, a v podélném směru statoru uspořádaná alespoň v části délky svazku plechů.The solution relates to an electrical stator rotary machines, especially high speed of a homopolar machine, with a liquid cooling circuit provided on the one hand in the half-closed grooves of its bundle sheet metal working winding with fronts protruding from both ends of the bundle sheets and coolant flow, and, on the other hand, cylindrical in the borehole bore membrane for hermetic separation the stator liquid cooling circuit from the machine rotor. The aim is to achieve them intensifying heat removal from heat stressed active parts of the stator the rotor, including the improvement of thermal ratios stressing the membrane, which is is achieved by between the beam bore the outer surface of the membrane are at both ends of the sheet bundle spacers inserted, spaced in the tangential direction of the stator at intervals apart, delimiting annular cooling channels, and in longitudinal direction direction of the stator arranged at least in the length of the sheet bundle.

Description

Vynález se týká statoru elektrického stroje točivého, zejména vysokootáčkového homopolárního stroje, s kapalinovým chladicím okruhem, opatřeného jednak v polouzavřených drážkách jeho svazku plechů pracovním vinutím s čely, vystupujícími z obou čelních stran svazku plechů a obtékanými chladicí kapalinou, a jednak u vrtání svazku plechů válcovitou membránou pro hermetické oddělení statoru od rotoru stroje.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a stator of an electric rotary machine, in particular a high-speed, homopolar machine, with a liquid cooling circuit, provided on the one hand in semi-closed grooves of its sheet metal workwind with faces extending from both faces diaphragm for hermetic separation of stator from machine rotor.

U tepelně velmi využitých elektrických strojů točivých, například vysokootáčkových strojů homopolárního typu, se využívá přímého chlazení aktivních částí magnetického obvodu statoru chladicí kapalinou, přičemž v pracovní vzduchové mezeře stroje se u vrtání statoru umístuje tenkostěnná válcovitá membrána, která slouží pro hermetické oddělení kapalinového chladicího okruhu statoru od rotoru stroje. Pokud je tato membrána provedena z kovu jako elektricky vodivého materiálu, vznikají v ní při chodu stroje indukované vířivé proudy, které vyvozují značné přídavné tepelné ztráty, jež se spolu s hlavními tepelnými ztrátami z aktivních částí magnetického obvodu statoru a rotoru musí odvést z prostoru stroje, což se ve svém důsledku nepříznivě projevuje na celkových výstupních parametrech a provozních vlastnostech elektrického stroje točivého uvažovaného typu. V případě, že je válcovitá membrána provedena jako nekovová z elektricky nevodivého materiálu, nedochází sice v tomto případě u užívaných stávajících řešení elektrických strojů k absolutnímu zvýšení v nich vznikajících tepelných ztrát, avšak vlivem poměrně nízkých hodnot měrných tepelných vodivosti dosahuje při přestupu tepla z rotoru do statoru stroje vnitřní válcovitý povrch membrány neúměrně vysokých teplot, nepříznivě působících na její tepelně mechanické vlastnosti, zejména pak na její tvarovou stálost, což opět zapříčiňuje výrazně nižší možnou výkonou využitelnost známých provedení elektrických strojů točivých.In thermally utilized rotating electrical machines, such as high-speed machines of the homopolar type, direct cooling of the active parts of the stator magnetic circuit with coolant is utilized, while a thin-walled cylindrical membrane is located in the working air gap of the machine. from the machine rotor. If the membrane is made of metal as an electrically conductive material, it causes eddy currents during operation of the machine, generating considerable additional heat losses, which, together with the main heat losses, must be discharged from the active parts of the stator and rotor magnetic circuit, which, in turn, has an adverse effect on the overall output parameters and operating characteristics of the electric machine of the rotating type considered. If the cylindrical diaphragm is made of non-metallic electrically non-conductive material, there is no absolute increase in the heat losses therein in the existing electric machine solutions, but due to the relatively low values of specific thermal conductivity it achieves heat transfer from rotor to of the stator of the machine, the inner cylindrical surface of the diaphragm of disproportionately high temperatures, adversely affecting its thermo-mechanical properties, in particular its shape stability, which again results in a considerably lower possible performance of the known rotary electrical machines.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny u statoru elektrického stroje točivého podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mezi vrtání svazku plechů a vnějším povrchem membrány jsou u obou čelních stran svazku plechů vložena distanční těles-- která jsou v tangenciálním směru statoru rozmístěna v odstupech od sebe, vymezujícíci mezikruhové chladicí kanály, a v podélném směru statoru jsou uspořádána alespoň v části délky svazku plechů.The above-mentioned drawbacks are eliminated in the stator of an electric machine rotating according to the invention, which is based on the fact that spacers are placed between the sheet metal bores and the outer surface of the diaphragm at both ends of the sheet metal bands. themselves, defining the annular cooling channels, and in the longitudinal direction of the stator are arranged at least over a portion of the length of the sheet stack.

Vložením distančních těles mezi vrtání svazku plechů statoru a vnější povrch válcovité membrány v podélném směru statoru bud přes celou délku svazku plechů statoru, nebo alespoň v jeho části, se vhodným rozměrem jejich odstupu v tangenciálním směru statoru vymezí optimálně dimenzované mezikruhové chladicí kanály, umožňující docílení výrazně vyšší průtokovou rychlost chladicí kapaliny, čímž dojde ke zřetelně intenzivnějšímu ochlazování vnějšího povrchu membrány i aktivních částí magnetického obvodu statoru. Tato skutečnost pak bude mít za následek snížení tepelného gradientu mezi membránou a rotorem stroje a tedy zrovnoměrnění tepelného zatížení statoru i rotoru a tím vzhledem k možnosti zvýšeni jejich přípustného tepelného namáhání i vyšší výkonovou využitelnost elektrických strojů točivých ve stejných uvažovaných zastavovacích rozměrech při zajištěni jejich vysoké funkční spolehlivosti a záruce dlouhodobé provozní životnosti. Za výhodné lze pokládat zejména takové provedení distančních těles mezi vrtání svazku plechů statoru a vnějším povrchem válcovité membrány a jejich prostorové uspořádání v podélném směru statoru, které jsou vytvořeny jako lišty o profilu tvaru písmene T, jež še vnější stranou pásnice opírají o vnější povrch membrány a vnitřními stranami pásnice o vrtání svazku plechů statoru a které jsou svými stojinami uloženy v otevřeních drážek svazku plechů statoru a jejich volnými čelními stranami zasahují nejvýše do úrovně vnitřní hrany otevření drážek, vymezující přechod do vnitřního prostoru polouzavřených drážek svazku plechů statoru pro uložení pracovního vinutí, z důvodu zamezení případného poškození tohoto vinutí. Takto provedená distanční tělesa, která sama o sobě přispívají k vyztužení uložení válcovité membrány u vrtání statoru, vymezují zcela jednoznačně shodně tělesně vytvořené axiální chladicí kanály, které v případě natočení drážek v podélném směru statoru například o jednu drážkovou rozteč budou upraveny ve tvaru mnohochodé šroubovice. Těmito kanály pak bude chladicí kapalina s ohledem na zmenšený průtočný profil ještě vyšší rychlostí a tím bude docházet k maximálně možnému odnímání tepla jak z povrchu válcovité membrány, tak i ze statoru a rotoru stroje.By inserting spacers between the bore of the stator stack and the outer surface of the cylindrical diaphragm in the longitudinal direction of the stator, either over the entire length of the stator stack or at least in part thereof, an optimally dimensioned spacing in the tangential direction of the stator is defined. higher coolant flow rate, thereby significantly cooling the outer surface of the membrane and the active parts of the stator magnetic circuit. This will then result in a reduction of the thermal gradient between the diaphragm and the rotor of the machine and thus an equalization of the thermal load of the stator and the rotor and thus due to the possibility of increasing their permissible thermal stress and higher power utilization of electric machines rotating in the same considered stopping dimensions. reliability and guarantee of long service life. In particular, it is advantageous to design the spacers between the bore of the stator sheet bundle and the outer surface of the cylindrical membrane and their spatial arrangement in the longitudinal direction of the stator, which are formed as T-shaped strips supporting the outer side of the flange. the inner sides of the flange of the stator stack and which are supported by their uprights in the openings of the stator stack and the free end faces thereof extend up to the level of the inner edge of the openings defining the transition into the internal space of the semi-closed stator stacks to prevent possible damage to this winding. Such spacers, which in themselves contribute to the reinforcement of the cylindrical diaphragm seating in the stator bore, define unequivocally identical axially-formed cooling channels which, if the grooves are rotated in the longitudinal direction of the stator, for example by one groove pitch, will be multilayer helix. These channels will then be at a higher velocity due to the reduced flow profile, thereby maximizing heat removal from both the cylindrical membrane surface and the stator and rotor of the machine.

Na připojeném výkrese je znázorněn příklad provedení statoru elektrického stroje točivého podle vynálezu, kde na obr. 1 je zobrazen magnetický obvod statoru s válcovitou membránou u jeho vrtání v částečném příčném řezu a obr. 2 ukazuje týž magnetický obvod statoru podle řezu A-A, vyznačeném na obr. 1.The attached drawing shows an exemplary embodiment of a stator of an electric rotary machine according to the invention, in which Fig. 1 shows a magnetic circuit of a stator with a cylindrical membrane when drilled in partial cross-section, and Fig. 2 shows the same stator magnetic circuit according to section AA shown in Fig. 1.

Stator 2 elektrického stroje točivého podle vynálezu, například vysokootáčkového stroje homopolárního typu, který je z důvodů potřeby vysokého magnetického, elektrického i tepelného využití, aktivních částí jeho magnetického obvodu opatřen kapalinovým chladicím okruhem, má v polouzavřených drážkách 5 jeho svazku 2_ plechů uloženo pracovní vinutí 2» jehož čela jí, vystupující z obou čelních stran 2 svazku 2 plechů statoru 2, jsou obtékána chladicí kapalinou. U vrtání 2 svazku 2_ plechů je uspořádána tenkostěnná válcovitá membrána 9 pro hermetické oddělení kapalinového chladicího okruhu statorů 2 od prostoru rotoru 13 stroje, která může být vytvořena bud z elektricky nevodivého materiálu přiměřeně vhodné mechanické únosnosti a měrné tepelné vodivosti, nebo i z elektricky vodivého materiálu, kdy s ohledem na její tepelně mechanické vlastnosti je třeba její tlouštka volit tak, aby byla pokud možno vždy menší, než je hloubka vniku indukovaných vířivých proudů, což povede k minimalizaci úrovně .ztrát od vířivých proudů·. Pro zajištění zvýšené průtočné rychlosti chladicí kapaliny a tím i co nejintenzivnějšího obvodu tepla z aktivních částí statoru 2 ^a účinného ochlazování vnějšího povrchu membrány 9, souvisejícího s potřebným obvodem tepelných ztrát, vzniklých v rotoru 13 stroje, jsou u statoru 2 elektrického stroje točivého podle vynálezu vrtáním 2 jeho svazku 2 plechů a vnějším povrchem válcovité membrány 9 u obou čelních stran 2 svazku 2 plechů vložena distanční tělesa 10.» která jsou v tangenciálním směru statoru 2 rozmístěna v odstupech od sebe, vymezujících mezikruhové kanály 21, ^a která jsou V podélném směru statoru 2 uspořádána s ohledem na vyvození potřebné průtočné rychlosti chladicí kapaliny bud přes celou délku svazku 2 plechů statoru 2» nebo alespoň ve vymezené části jeho délky.The stator 2 of an electric rotary machine according to the invention, for example a high-speed machine of the homopolar type, which is equipped with a liquid cooling circuit due to the high magnetic, electrical and thermal utilization of the active parts of its magnetic circuit, has a working winding 2 in the semi-closed grooves 5 of its sheet. Whose front faces protruding from the two end faces 2 of the stator plate bundle 2 are surrounded by coolant. A thin-walled cylindrical diaphragm 9 for hermetically separating the liquid cooling circuit of the stators 2 from the rotor space 13 of the machine is provided in the bore 2 of the sheet metal plate. when, due to its thermo-mechanical properties, its thickness should be chosen so that it is always less than the depth of the induced eddy currents penetration, which will minimize the loss of eddy currents. In order to ensure an increased coolant flow rate and thus the most intense heat circuit from the active portions of the stator 2 ^{and to} effectively cool the outer surface of the membrane 9 associated with the necessary heat loss circuit generated in the machine rotor 13, 2 of the sheet metal bundle 2 and the outer surface of the cylindrical membrane 9 at both ends 2 of the sheet metal bundle 2 are spacers 10 which are spaced apart in the tangential direction of the stator 2 defining the annular channels 21 ^and 2 is arranged with respect to the generation of the required coolant flow rate either over the entire length of the stator sheet bundle 2 or at least in a defined part of its length.

Jak je naznačeno na obr. 1, k výhodným patří takové provedení distančních těles 10, která jsou vytvořena jako lišty o profilu tvaru T, jež se opírají vnější stranou pásnice o vnější povrch membrány 9 a oběma vnitřními stranami pásnice o vrtáni 2 svazku 2 plechů, přičemž stojinou lišt jsou umístěna v otevřeních 2 drážek 1 svazku 2 plechů statoru 2 tak, aby jejich volnou čelní stranou zasahovala nejvýše do úrovně vnitřní hrany otevření 2 drážek 2 ^z důvodů zamezení případného mechanického poškození izolace pracovního vinutí 2· Pokud budou takto provedená distanční tělesa 10 ve tvarů lišt uspořádána v otevřeních 2 drážek 2» natočených například o alespoň jednu drážkovou rozteč, vymezí se jimi mezikruhové chladicí kanály 11 ve tvaru mnohochodé šroubovice, čímž se vzhledem k jejich zmenšenému profilu v porovnání s axiálně vedenými mezikruhovými chladicími kanály ll zajistí zvýšená průtočná rychlost^- chladicí kapaliny a odvod tepla z aktivních částí rotoru 13, statoru 2 ^a stejně tak i odnímání tepla z vnějšího povrchu membrány 9_ se co nejvíce zintenzivní.As shown in FIG. 1, preferred embodiments are spacers 10 which are formed as T-shaped rails that rest on the outside of the flange against the outer surface of the diaphragm 9 and on both sides of the flange to bore 2 of the sheet stack 2, the webs are located in the openings 2 of the grooves 1 of the bundle 2 of the stator 2 so that their free front side extends up to the level of the inner edge of the opening 2 of the grooves 2 ^{in order} to prevent possible mechanical damage In the form of moldings arranged in the openings 2 of the grooves 2 rotated for example by at least one groove pitch, they define the annular cooling ducts 11 in the form of a multi-helix, thereby providing increased diameters due to their reduced profile compared to the axially extending annular cooling ducts. attack speed ^- coolant and heat removal from the active parts of the rotor 13, the stator 2 ^as well as removing heat from the outer surface of the membrane 9, the most intensified.

Pro zajištění průtoku chladicí kapaliny kapalinového chladicího okruhu statoru 1 elektrického stroje točivého podle vynálezu jak v mezikruhových chladicích kanálech 11, tak i v prostorech v okolí čel 2 pracovního vinutí T_ s co nejmenším hydraulickým odporem, je výhodné provést napojení mezikruhových chladicích kanálů 11 na kapalinových chladicí okruh u vnějšího povrchu svazku 2_ plechů statoru 2 prostřednictvím alespoň jednoho do nich zaústěného radiálního chladicího kanálu 12, vytvořeného ve střední části svazku 2 plechů, jak je například schematicky znázorněno na obr. 2, kde je pro názornost šipkami vyznačen možný směr průtoku chladicí kapaliny, která je z prostoru u vnějšího povrchu svazku 2 plechů statoru 2 přiváděna do radiálního chladicího kanálu 12 a z něj je rozváděna do mezikruhových chladicích kanálů 11, ^ze kterých potom u obou čelních stran £ svazku 2 plechů vystupuje a ve směru k vnějšímu povrchu svazku 2 plechů obtéká čela 2 pracovního vinutí 2· Podle charakter'·! prostorového rozložení tepelného namáhání aktivních částí magnetického obvodu statoru 2» rotoru 13 i vnějšího povrchu membrány 2 lze však provést směr průtoku chladicí lyapaliny i opačný.In order to ensure the coolant flow of the liquid cooling circuit of the stator 1 of the electric machine rotating according to the invention both in the annular cooling ducts 11 and in the spaces around the fronts 2 of the working winding T with the least hydraulic resistance. a circuit at the outer surface of the stator sheet bundle 2 by means of at least one radial cooling channel 12 provided in the central part of the sheet bundle 2, as schematically illustrated in FIG. 2, where the possible direction of coolant flow is indicated by arrows; which is a space on the outer surface of the bundle of sheets 2 of the stator 2 into the radial cooling channel 12 and from there is distributed to the annular circular cooling channels 11, ^from which then both end faces 2 £ bundle of sheets and extending towards the outdoor advert í surface bundle wraps two sheet face 2 of the winding 2 · According to the character '·! however, the direction of flow of the cooling lyapalin can also be reversed in the spatial distribution of the thermal stresses of the active parts of the magnetic circuit of the stator 2 of the rotor 13 and of the outer surface of the membrane 2.

Vytvoření radiálního chladicího kanálu 12 a jeho zaústění do mezikruhovýjeh chladicích kanálů 11 je výhodné s ohledem na zabezpečení tepelné symetrie zejména u vysdce tepelně využívaných vysokootáčkových elektrických strojů točivých homopolárního typu, opatřovaných toroidní budící cívkou, uspořádanou uprostřed svazku 2 plechů statoru 2» která u statoru 2 podle vynálezu může být uspořádána přímo v radiálním chladicím kanále 12 a obtékáním chladicí kapaliny nejintenzivněji ochlazována.The provision of a radial cooling duct 12 and its connection to the annular cooling ducts 11 is advantageous with respect to providing thermal symmetry, especially in the high-temperature, high-speed, high-speed electric machines of rotating homopolar type provided with a toroidal excitation coil. According to the invention, it can be arranged directly in the radial cooling channel 12 and cooled most intensively by flowing through the cooling liquid.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

1. A stator of an electric rotary machine, in particular a high-speed, homopolar machine with a liquid cooling circuit, provided, on the one hand, in the semi-closed grooves of its sheet metal working winding with faces extending from both ends of the sheet metal sheet with coolant flowing; hermetically separating the stator from the rotor of the machine, characterized in that spacers (10) are inserted between the bore (3) of the sheet stack (2) and the outer surface of the diaphragm (9) at both ends (4) of the sheet stack (2). they are spaced apart from one another in the tangential direction of the stator (1), delimiting the annular cooling ducts (11), and in the longitudinal direction of the stator (1) they are arranged at least part of the length of the sheet stack (2).

Stator according to claim 1, characterized in that the spacers (10) are designed as T-shaped rails which are supported on the outside of the flange by the outer surface of the diaphragm (9) and by the inside of the flange on the bore (3, bundle). (2) sheets, wherein the webs of the strips are arranged in openings (6) of the grooves (5) of the sheet stack (2) and extend with the face up to the level of the inner edge of the openings (6) of the grooves (5) of the sheet stack (2).

Stator according to Claim 1, characterized in that at least one radial cooling channel (12) formed in the central part of the sheet stack (2) is connected to the annular cooling channels (11).

1 drawing