CZ20021601A3 - Elektrický stroj obsahující stator s vinutím - Google Patents

Description

Elektrický stroj obsahující stator s vinutím

Oblast vynálezu

Tento vynález se týká elektrického stroje, například motoru nebo generátoru, který se skládá ze skříně a uvnitř umístěného statoru, obklopujícího rotor a dále ^ř se skládá z trubkovitého jádra a vinutí, obklopujícího stěny jádra, uvedené statorové vinutí' je protaženo axiálním směrem a radiálně, vzhledem k osám jádra, díky čemuž stroj obsahuje zařízení pro chlazení vinutí.

Dosavadní stav techniky

Spojitý výstupní výkon takových elektrických strojů je primárně omezován chlazením statorového vinutí.

Tato statorová vinutí jsou normálně tvořena relativně silnými svazky vodičů a toto množství přiléhajících vodičů se zvyšuje směrem k jádru, stejně jako směrem od vnější strany a od vnitřní strany jádra.

Na vnitřní straně jádra se přiléhající vinutí prakticky dotýkají sebe navzájem a prostor mezi rotorem a statorovým jádrem je prakticky zcela vyplněn vinutím, kromě malé prstencové vzduchové mezery mezi vinutím a rotorem.

To znamená, že část vinutí, situovaná na vnitřní straně statorového jádra může být chlazena pouze směrem k jádru a uvedené vzduchové mezeře.

Díky omezené možnosti vedení tepla v jádře a dodatečným

φ · « · « · · · • Φ ·· φφφφ ztrátám v jádře je normálně možné odvádět pouze omezenou část tepla prostřednictvím jádra.

Většina tepla by měla být odvedena prostřednictvím vzduchové mezery, ale bude obtížné ochladit tímto způsobem centrální část vinutí na vnitřní straně jádra. Chlazení tohoto vinutí je proto pouze omezené.

Vylepšit chlazení je možné dle známých způsobů přidáním chladících zařízení.

Elektrický stroj výše uvedeného typu s chladícím zařízením je popsán v patentové přihlášce US-A-5.304.883. Statorové vinutí je tvořeno dvěma částmi, první vnitřní část je umístěna ve vzduchové mezeře mezi stěnou jádra a rotorem a druhá vnější část je umístěna vně této mezery.

Vinutí vnější druhé části mají větší průřezovou plochu a díky tomu i větší tepelnou hmotu, než vinutí první vnitřní části, což zajišťuje pohlcování tepla pro první části a umožňuje těmto prvním částem. mnohem efektivnější ochlazování.

Stator zahrnuje těsnění prodlouženého vývrtu, které utěsňuje skříň a definuje prstencovou statorovou komoru a skříň poskytuje vstupní a výstupní porty, které umožňují proudění tekutiny směrem ke komoře a díky tomu i proudění chladivá dovnitř ven z uvedené komory pro účely chlazení vinutí.

Vinutí mající dvě části mají i složitější konstrukci. Kromě toho chlazení je omezeno i zde, protože přiléhající vinutí se v podstatě navzájem dotýkají, takže prostor mezi rotorem a statorovým jádrem je prakticky zcela vyplněn, s výjimkou malého prostoru na vnější straně jádra, protože

části

iě vedeny poněkud dále, než vnitřní • 9

Podstata vynálezu

Tento vynález má za úkol poskytnout elektrický stroj mající vylepšené chlazení statorového vinutí.

V souladu s vynálezem je tohoto úkolu dosaženo elektrickým strojem, například motorem nebo generátorem, který obsahuje skříň a uvnitř ní je umístěný stator, obklopující rotor a dále obsahuje trubkovité jádro a vinutí obklopující stěnu jádra, uvedené statorové vinutí je protaženo axiálně a radiálně vzhledem k ose jádra, stroj zahrnuje zařízení pro chlazení vinutí, jehož podstatou je to, že jak na vnitřní straně, tak i na vnější straně jádra jsou vinutí alespoň v rozsahu 95% rozmístěna odděleně od sebe a vytvářejí mezi sebou mezery, chladící zařízení zahrnuje chladící médium uvnitř těchto mezer, vinutí jsou tvořena dráty splétanými ze samostatných žil a jsou protažené klikatým způsobem mezi hranami vinutí, uvedené hrany jsou v tepelně vodivém styku s chladícím médiem rozmístěným v uvedených mezerách.

To znamená, že rovněž na vnitřní straně jádra tvoří strany vinutí chladící plochy pro · odvod tepla pomocí chladícího média. Nejen, že je zvýšená chladící plocha, ale i vzdálenost ke středové části částí vinutí na vnitřní straně jádra a chladící ploše je relativně malá.

Navíc, rovněž části vnitřní strany trubkovitého statorového jádra jsou chlazeny tak, že chlazení jádra je rovněž vylepšeno a proto je zde rovněž vylepšená možnost chladit vinutí prostřednictvím jádra.

V řezu kolmém k vinutí a v příčném směru existuje pouze jeden drát v izolovaných vodičích vedených klikatým způsobem.

U známých typů vinutí jsou vodiče vinutí protaženy ·

• 4 ·4· paralelně navzájem k sobě, nebo jsou zkrouceny v malých svazcích, které jsou protaženy paralelně navzájem k sobě. Tyto malé svazky se mohou například skládat z Litzových drátů, a mít zkroucené nebo splétané drátky s tím, že drát vinutí je tvořen několika takovými Litzovými dráty, které jsou vedeny paralelně navzájem k sobě.

U takového známého vinutí je vedení tepla vinutím kolmo na směr vinutí velmi nízké, ve -srovnání s vedením tepla měděným materiálem. Proto je vinutí velmi často impregnováno speciálními materiály, které mají za úkol zvýšit tepelnou vodivost, ale i poté je tepelná vodivost v příčném směru vinutí relativně nízká a možné chlazení vinutí je proto omezeno.

Díky klikatému způsobu tažení vodičů podle tohoto vynálezu lze přenést teplo podél vodičů k hraně vinutí a tak i k chladícímu médiu, na rozdíl od způsobu, kdy je nutné přecházet skrze izolaci z jednoho drátu na druhý a teplo může disipovat podélně a to v mnohem větším rozsahu, než pokud jsou vodiče paralelní.

V patentové přihlášce DE-C-496.884 je popsán způsob výroby drátu vinutí, kde jsou vodiče protaženy od hrany drátu k druhému drátu. Nicméně tento dokument nepopisuje jak se takový drát používá ve vinutí. Není naznačeno nic o tom, že by hrany drátu byly rovněž hranami vinutí a že by byly v tepelně vodivém styku s chladícím médiem. Na druhou stranu pro účely chlazení může být drát vinutí dutý a obsahovat tak kanál pro vedení chladícího vzduchu.

Stator s úhlově rozmístěnými dráty vinutí je popsán v jako předchozím provedení stroje v patentové přihlášce USA-4,103.197, nicméně zde vinutí chlazeno není.

V patentové přihlášce WO 94 22204 A je popsán elektrický stroj se statorem, tvořeným kruhově tvarovaným

4· ·♦ • · · • 4 ·· • 4 *

««<* ·^β

jádrem, obklopeným armaturou cívek rozmístěných v jisté vzdálenosti od sebe, a tvořených obdélníkovým měděným drátem. Tyto cívky jsou navinuty okolo laminovaných jader ve formě obecné obdélníkového prstence umístěného okolo a kolmo na hřídel rotoru. Rotor je sestava kotouče, tvořená kotoučem kolmým na osu rotoru na jedné nebo stranách kotoučově tvarovaného jádra s vinutím. Kotouč je paralelní, s jádrem a naproti vinutím jsou k čelu laminovaného jádra a armaturám cívek upevněny permanentní magnetické póly.

Podle tohoto vynálezu může být klikatý vzorec protažení vinutí pod úhlem 5° až 45° a přednostně pak mezí 10° a 30° vzhledem ke střednímu axiálnímu směru vinutí.

Dále, dráty vinutí mohou být tvořeny drátem vyrobeným z plochého a širokého svazku izolovaných vodičů, každý vodič může být veden klikatým způsobem z jedné strany svazku ke straně druhé.

Přednostně vinutí zde zmíněné je tvořeno segmenty vinutí normálně určeného pro každý pól, vzhledem k jedné fázi.

Klasické vinutí odpovídající každému pólu je rozděleno na množství elektricky navzájem propojených menších vinutí. Čím větší bude počet vinutí, tím větší počet mezer mezi nimi může být a tím větší možnost dokonalejšího chlazení.

Chladící médium může být tvořeno kapalinou mající přístup k mezerám a celá skříň může poté tvořit komoru utěsněnou proti průniku kterýchkoliv tekutin, určenou pro chladící médium, nebo může být skříň rozdělena na dva samostatné prostory, - pomocí trubky obklopující rotor, prostor na vnější straně této trubky vytváří pak utěsněnou komoru, obsahující vinuti.

Tato komora může být naplněna chladícím médiem, například chladícím olejem nebo může být skříň opatřena »« ·* » · · • ··· • · * « ·

• ··· • · » · « * · * ·« ··· · alespoň jedním vstupem a alespoň jedním výstupem pro chladící kapalinu, které jsou propojeny s komorou, chladící zařízení obsahuje prostředky pro zajištění nuceného oběhu chladícího média skrze vstup dovnitř skříně, podél vinutí a ven z výstupního otvoru a ze skříně.

Seznam obrázků na výkresech

Vynález bude nyní popsán pomocí příkladů a s odkazem na připojené výkresy, na kterých:

Obr.l znázorňuje axiální řez elektromotorem, opatřeným statorem a vinutím, podle tohoto vynálezu,

Obr. 2 je pohled shora na stator s vinutím z motoru na obr. 1,

Obr. 3	je	pohled	na jeden konce statoru	s vinutím
z obr.2,
Obr. 4	je	perspektivní pohled na stator	s vinutím
z obr.2 a z	obr.	,3,
Obr. 5	znázorňuje	axiální řez podobný tomu	na obr.l,

nicméně zde se vztahuje na jiné provedení motoru,

Obr. 6 znázorňuje jedno možné elektrické zapojení statorového vinutí ve třífázovém motoru, podle tohoto vynálezu,

Obr. 7 znázorňuje pohled podobný tomu z obr.3, nicméně zde je popsáno elektrické zapojení vinutí,

Obr. 8 znázorňuje řez vedený podél linie VIII-VIII na obr.5, ovšem ve zvětšeném měřítku,

Obr.9 znázorňuje řez vedený podél linie IX-IX na obr.8, ovšem v ještě více zvětšeném měřítku,

Obr.10 znázorňuje řez podobný řezu na obr.9, nicméně zde vztažený na jiné provedení vynálezu,

Obr.11 znázorňuje řez podobný řezu na obr.8, nicméně «4 ·· · · • 444

4»·· ·· · 4 »· 4··« zde vztažený na jiné provedení vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Elektrický stroj zobrazený na obr.l je elektromotor, obsahující v podstatě rotor 1^ stator 2^, obklopující rotor 1^ a skříň 3, obklopující stator 2.

Skříň 3 je přibližně válcového tvaru s uzavřenými konci a rotor 1_ obsahuje tělo 4 rotoru, upevněné na hřídeli 5, která je uložena v těchto uzavřených koncích pomocí ložisek

6.

Rotor 1 je obklopen trubkovitou dělící stěnou T_, která odděluje rotor 1^ od statoru 2_ a vytváří utěsněnou komoru 12 pro umístění statoru.

Stator 2 má trubkovité jádro 8 a je opatřen množstvím statorových vinutí 9, elektricky izolovaných navzájem od sebe a obklopující stěnu jádra 8. a následovně příčně přetnuté ve svém středu jádrem 2 a protažené v axiální a radiálním směru vzhledem k podélné ose jádra 8_, tato osa se shoduje s osou otáčení rotoru 1.

Jak je detailně vidět na obr.2 až na obr.4, tato vinutí 9 mají tvar tenkých kotoučů, majících na uvedeném příkladu stálou tloušťku.

Kotouče jsou vytvarovány jako paprsky hvězdy a jsou podlouhlé směrem v ose rotoru 1 se zaoblenými konci.

Každý kotouč vytvářející vinutí 2 í^e opatřen osovou štěrbinou pro jádro 2· Část každého kotouče je umístěna ve vzduchové mezeře, mezi rotorem _1 a jádrem 2* ais uvnitř statorové komory 12 a část pak ve vzduchové mezeře 13 mezi jádrem 2 a skříní 3, na vnější straně jádra 2·

Vinutí 9 může být vyrobeno ze svazků drátů nebo pramenů, obklopujících jádro 8 nebo mohou být vyrobeny • ·· • · *«

4 ♦

4 444

4 4 ·

4 4 · • 4 ·4

4· ’ «

4

4 ·* 44«· z jednoho drátu, například Litzova drátu.

Vinutí 2 může být rovněž tvořeno drátem 18, tvořeným množstvím samostatně izolovaných vodičů 19, ale tyto vodiče 19 jsou protaženy klikatým způsobem tak, že každý vodič 19 pravidelně dosahuje vnějšího povrchu nebo hrany vinutí j). Vodiče 19 mohou být samostatné vodiče, jako jsou zobrazeny na obr.8 a obr.9, nebo se může jednat o prameny nebo svazky.

Klikatý způsob protažení vodičů je charakterizován úhlem a mezi 5° až 45°, přednostně pak mezi 10° a 30° vzhledem ke střednímu podélnému směru vinutí 9 a drátu 18.

Vodiče 19 mohou být umístěny v plochém a širokém svazku s téměř obdélníkovým průřezem, jak je znázorněno na obr. 8 a obr.10, každý z vodičů může dosahovat z jedné strany svazku na stranu druhou, například ve formě pletence.

Svazek izolovaných vodičů 19 může být například obklopen vrstvou 18A elektrického izolačního materiálu, jak je zobrazeno na obr.2 a obr.3.

Ve skutečnosti drát 18 může být považován za zploštěný drát Litzův.

Testy prokázaly, že tepelná vodivost vinutí 9 s drátem 18 vinutí podle tohoto vynálezu s vodiči 19 vedenými klikatým způsobem od jedné hrany vinuti k hraně druhé, je více než desetkrát větší než u vinutí s paralelními standardními vodiči Litzovými.

U jiného provedení vynálezu nejsou vodiče 19 drženy pospolu vrstvou 19A, ale jsou udržovány při sobě ve svazku vytvořeným pletencem nebo svazkem, v tomto případě může být vrstva 19A vynechána. I tento způsob může vylepšit vedení tepla a jeho dísipaci. Obrázek 10 ukazuje právě takové provedení vynálezu.

Různé vrstvy tohoto drátu nebo těchto drátů nebo pramenů ve vinutí 9. mohou být drženy pospolu pomocí ·* ·*

• · · • · ··* * · · ft • · · • »

izolačního laku.

U jednoho z krajních způsobů provedení vynálezu mohou být kotouče plné vodiče, obzvláště měděné kruhy.

Vinutí _9 mohou být drženy na svém místě pomocí podpěr

10. Tyto podpěry mohou být izolační prvky upevněné k jádru

8. Pouze dvě takové podpory 10 jsou schématicky znázorněny na obr.3, ale je zřejmé, že taková podpěra 10 je přítomna mezí každým párem přiléhajících kotoučů, tvořících vinutí.

Je důležité, že rovněž na vnitřní straně jádra 8_ je mezera 11, mezi dvěma přiléhajícími kotoučovitě tvarovanými vinutími 9, alespoň v rozsahu důležité radiální vzdálenosti (odděleně), specificky alespoň v rozsahu 95%, ale přednostně zcela v rozsahu radiálního rozměru kotoučů, jak je to znázorněno na obr.2 až obr,4 a na obr.7.

Statorová komora 12 a následovně i prostory nebo mezery 11 mezi kotoučovitě tvarovaným vinutím 9 jsou rovněž vyplněny chladícím médiem.

Toto chladící médium je přednostně kapalné, například se může jednat o transformátorový olej. Tato kapalina je stacionární.

U jiného provedení vynálezu chladící médium cirkuluje a skříň 2 3^e opatřena jedním nebo několika vstupy 14 a jedním nebo několika výstupy 15 na protilehlých stranách, které jsou propojeny sc statorovou komorou 12, jak je vidět na obr.5. Pro zajištění nuceného oběhu chladícího média skrze vstup, podél vinutí 9 a skrze výstup jsou zde k dispozici ventilátor nebo Čerpadlo (na obrázku nejsou kresleny). Toto chladící médium může být plyn jako například vzduch, nucené cirkulující kolem vnutí 9, v tomto případě není trubkovitá stěna 7 potřebná, a v provedení vynálezu na obr.5 tato stěna 7 tedy chybí.

U dalšího provedení je chladící médium plné a například ·· ** ·” ·' · · · * ΐ ··« · · ··· * ϊ • · · * Τ Σ . 9 · ·· · · * _e «φ ·9 ··♦♦

999« ·♦ ·· ·* je tvořeno částmi statoru 2_f jak je vidět a obr.11.

Svazek tvořící drát 18 je protažen od jedné částí statoru 2 k části druhé. Drát 18 může být uložen v kanálu 20, vytvořeném ve statoru 2, hrany drátu se dotýkají stěn kanálu 20.

Rovněž zde může být tenká elektrická izolace mezi stěnami kanálu 20 a vinutím 9, a tato izolace je tak tenká, že není zabráněno tepelnému vedení z vodičů 19 směrem ke stěnám kanálu 20, které jsou v tepelně vodivém materiálu statoru 3^, většinou v železe.

Tepelná pasta může být použita k vylepšení chlazení vinutí 9. vzhledem k železnému materiálu statoru 2 nebo jiné studené stěně.

U všech výše popsaných provedení vynálezu je výsledkem kotoučově tvarovaného vinutí _9' umístěného hvězdicovitě, vynikající chlazení. Obzvláště na koncích vinutí může být teplo disipováno mnohem efektivněji, než u konvečních konstrukcí.

Vodiče nebo dráty tvořící několik kotoučově tvarovaných vinutí _9 mohou být elektricky propojeny navzájem k sobě, jak je vidět na obr.6 a na obr.7. Pokud jsou kotouče vytvořeny vinutím, stejný drát může tvořit vinutí a být protažený od jednoho kotouče k druhému kotouči a tvořit vinutí pro několik kotoučů 9.

Obr.6 zobrazuje elektrické zapojení vinutí ve třífázovém dvoupólovém motoru se zapojením do hvězdy, označení R, S a T popisuje fáze a r, r*, s, s*, a t* šest rozložená na označuje normálně použitá vinutí, polosektorů.

•Jak je možné vidět na obr. 6 a na obr. 7, každé ze šesti klasických „vinutí r, r*, s, s*, t a t* pro každý pól, vztažený na jednu fázi, je rozděleno na množství vinutí

4« • 4 4 •

• 4 ·

9 ’

9999 99 •

4« * «

4

4 ·· ·♦· ·

elektricky propojených v sérii s každým dalším vinutím, a to pomocí vodičů 16. Na daném příkladu se jedná o čtyři vinutí

9.

Pokud je přítomno chladící médium, je zde i dlouhá styková vzdálenost mezi chladícím médiem a vinutím 9 na obou stranách jádra £ a rovněž styková plocha chladícího média s vnitřní stranou jádra E3.

Rovněž na vnitřní straně jádra £ vytvářejí strany vinutí £ chladící plochy ve styku s kapalným nebo plynným, stacionárním nebo proudícím chladícím médiem.

Rozdělení klasických „vinutí r, r*, s, s*, t a t* do několika vinutí £ znásobuje stykovou plochu s chladícím médiem a vylepšuje podstatně chlazení.

Claims (9)

1. Elektrický stroj, například motor nebo generátor, obsahující skříň (3) a uvnitř ní umístěný stator (2) obklopující rotor (1) a dále obsahující trubkovité jádro (8) a vinutí (9) obklopující stěnu jádra, uvedené statorové vinutí (9) je protaženo axiálně a radiálně vzhledem k ose jádra (8), stroj zahrnuje zařízení pro chlazení vinutí (9), vyznačující se tím, že jak na vnitřní straně, tak i na vnější straně jádra (8) jsou vinutí (9) alespoň v rozsahu 95% rozmístěna odděleně od sebe a vytvářejí mezi sebou mezery (11), chladící zařízení zahrnuje chladící médium uvnitř těchto mezer (11), vinutí (9) jsou tvořena dráty splétanými ze samostatných žil a jsou protažené klikatým způsobem mezi hranami vinuti (9), uvedené hrany jsou v tepelně vodivém styku s chladícím médiem rozmístěným v uvedených mezerách (11).

2. Elektrický stroj podle nároku 1., vyznačující se tím, že vinutí (9) statoru (21) jsou zcela umístěna odděleně od sebe.

3. Elektrický stroj podle nároku 2., vyznačující se tím, že vinutí je vedeno klikatým způsobem pod úhlem (a) mez-i 5° až 45 a přednostně pak mezi 10 a 30° vzhledem ke střednímu axiálnímu směru vinutí (5).

4. Elektrický stroj podle jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že vinutí (9) je tvořeno drátem (18) vyrobeným z plochého a širokého svazku izolovaných vodičů (19), každý vodič (19) je protažen klikatým způsobem od jedné strany svazku ke straně druhé.

5. Elektrický stroj podle jednoho z předchozích

99 *· • 9 9

9 ♦*·

9 9··

9 · *

9999 99

9 <

9 999 9 9 9 9

99 99

9 «

9 ·

9 9

999

nároků 1. až 3., v y z n ačující se tím, ž e vinutí (9) se skládá z drátu (18) ve formě svazku

izolovaných vodičů (19), protažených klikatým způsobem ve formě pletenců nebo svazků.

6. Elektrický stroj podle jednoho z předchozích nároků, vyznačuj í c í s e tím, ž e vinutí (9) statoru je (2) má tvar tenkých kotoučů se stálou tloušťkou. 7 . Elektrický stroj podle nároku 6., v y z n a č u j í c i s e tím , ž e kotouče jsou

protáhlého tvaru, ve směru osy rotoru (1) a na svých koncích jsou zaoblené.

8. Elektrický stroj podle jednoho z předchozích nároků, v y z n a č u jící se tím, ž e stator (2) je tvořen podpěrami ( 10) pro připevnění vinutí (9) na daném místě. 9. Elektrický stroj podle jednoho z předchozích nároků, v y z n a č u jící se tím, ž e vinutí (9)

jsou segmenty vinutí normálně zajištěné pro každý pól,

vzhledem k jedné fázi. stroj podle jednoho z předchozích 10. Elektrický nároků, v y z n a č u jící se tím, ž e kompletní

skříň (3) je utěsněná a tvoří komoru (12) utěsněnou proti úniku tekutiny.

11. Elektrický stroj podle jednoho z předchozích nároků 1. až 9., vyznačující se tím, že skříň (3) je rozdělená do dvou samostatných prostor pomocí trubky (7), obklopující rotor, prostor na vnější straně této trubky (7) vytváří komoru (12) utěsněnou proti úniku tekutiny, ve které je umístěno vinutí (9).

12. Elektrický stroj podle nároku 10. nebo 11., vyznačující se tím, že chladící médium je chladící tekutina a komora (12) je vyplněná touto chladící

99 *· • 9 9 • ··* * 9 9 · ♦

9 9« «999 ··

9 «

9 999 «9 ·

9 9 9 •9 >999 tekutinou, například chladícím olejem.

13. Elektrický stroj podle nároku

10. nebo 11., ž e chladící médium je opatřena alespoň jedním vyznačuj i c i chladící tekutina a se t i m , skříň (3) je vstupem (14) a alespoň jedním výstupem (14) pro chladící tekutinu, které jsou spojeny s komorou (12), chladící zařízení obsahuje prostředky pro zajištění nuceného běhu chladícího média skrze vstup (14) do skříně (3), podél vinutí (9) a skrze výstup (15) ven ze skříně (3).

14. Elektrický stroj podle vyznačující se tím, s vinutím se vzduchovou mezerou v mezerách (11) mezi vinutím (9), kapalné.

nároku 12. nebo 13., že se jedná o motor a chladícím médiem které je plynné nebo z nároků 1. až ž e chladící vinutí (9) je ve plným materiálem (2) .

15. Elektrický stroj podle jednoho 11., vyznačující se tím, médium je plný materiál vodící teplo a styku umožňujícím vedení tepla s tímto vodícím teplo, například se železem statoru