RU200304U1

RU200304U1 - ELECTRIC MACHINE STATOR

Info

Publication number: RU200304U1
Application number: RU2020116595U
Authority: RU
Inventors: Михаил Анатольевич Амосов; Владимир Николаевич Железняк; Дмитрий Викторович Жуков; Татьяна Николаевна Карташова; Вадим Викторович Миронов
Original assignee: Акционерное общество "Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (АО "Силовые машины")
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2020-10-16

Abstract

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно, к конструкции статора турбогенератора с газовым охлаждением. Технический результат - повышение эффективности охлаждения стержней обмотки в зоне выхода из паза в турбогенераторах со скошенными крайними пакетами сердечника и косвенным газовым охлаждением обмотки статора. Статор электрической машины содержит сердечник с уложенными в его пазы стержнями обмотки, между крайними пакетами которого имеются радиальные каналы, открытые со стороны наружной поверхности сердечника и со стороны его расточки. Крайние пакеты сердечника выполнены с высотой скоса менее высоты паза сердечника. Напротив каждого паза сердечника статора в нажимной плите в осевом направлении выполнены сквозные продольные пазы. В продольных пазах размещены стержни обмотки с образованием охлаждающих каналов между стенками продольных пазов и стержнями обмотки. Охлаждающие каналы сообщаются с радиальными охлаждающими каналами крайних пакетов сердечника и открыты со стороны лобовых частей обмотки статора. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to electrical engineering, namely, to the design of the stator of a gas-cooled turbine generator. The technical result is an increase in the efficiency of cooling the winding rods in the exit zone from the groove in turbine generators with beveled extreme core packages and indirect gas cooling of the stator winding. The stator of the electric machine contains a core with winding rods laid in its grooves, between the extreme packages of which there are radial channels open from the side of the outer surface of the core and from the side of its boring. The extreme packages of the core are made with a bevel height less than the height of the core groove. Opposite each groove of the stator core in the pressure plate in the axial direction, through longitudinal grooves are made. The winding rods are placed in the longitudinal grooves with the formation of cooling channels between the walls of the longitudinal grooves and the winding rods. The cooling channels communicate with the radial cooling channels of the outer core packs and are open from the side of the stator winding frontal parts. 1 h. p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно, к конструкции статора турбогенератора с газовым охлаждением.The utility model relates to electrical engineering, namely, to the design of the stator of a gas-cooled turbine generator.

Известно, что для снижения потерь от осевого поля рассеяния крайние пакеты в мощных турбогенераторах выполняют скошенными на полную высоту паза («Электромагнитные процессы в торцевых частях электрических машин», авторы А.И. Вольдек, Я.Б. Данилевич, В.И. Косачевский, В.И. Яковлев - Л., Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1983 г., 212 с, стр. 97-103). При таком скосе крайних пакетов значительные электромагнитные потери выделяются в стержнях обмотки при выходе из паза сердечника. В мощных турбогенераторах применяется водяное охлаждение обмотки статора, поэтому потери, выделяемые в стержнях, эффективно отводятся водой, циркулирующей в полых проводниках стержней обмотки.It is known that in order to reduce losses from the axial scattering field, the extreme packets in powerful turbine generators are made beveled to the full height of the groove ("Electromagnetic processes in the end parts of electrical machines", authors A.I. Voldek, Ya.B. Danilevich, V.I. Kosachevsky , V.I. Yakovlev - L., Energoizdat, Leningrad branch, 1983, p. 212, pp. 97-103). With such a bevel of the extreme packets, significant electromagnetic losses are released in the winding rods when exiting the core slot. Powerful turbine generators use water cooling of the stator winding, so the losses generated in the rods are effectively removed by water circulating in the hollow conductors of the winding rods.

Для турбогенераторов с газовым охлаждением необходимо решить задачу поиска оптимального варианта конструкции торцевой зоны сердечника статора, в котором будут минимизированы потери от осевого поля рассеяния в стержнях обмотки при выходе из паза и повышена эффективность их охлаждения.For gas-cooled turbine generators, it is necessary to solve the problem of finding the optimal design option for the end zone of the stator core, in which losses from the axial scattering field in the winding rods when leaving the slot will be minimized and the efficiency of their cooling will be increased.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является конструкция статора электрической машины, предложенная в изобретении «Способ охлаждения электрической машины и электрическая машина» (Патент РФ 2309512, Н02K 9/16, опубл. 27.10.2007).The closest in technical essence to the claimed utility model is the design of the stator of an electric machine, proposed in the invention "Method for cooling an electric machine and an electric machine" (RF Patent 2309512, Н02K 9/16, publ. 27.10.2007).

В известном изобретении решается задача повышения эффективности охлаждения обмотки и стали сердечника статора, а также нажимных плит сердечника статора.The known invention solves the problem of increasing the efficiency of cooling the winding and steel of the stator core, as well as the pressure plates of the stator core.

Статор электрической машины содержит сердечник статора с уложенными в его пазы стержнями обмотки. Сердечник статора разделен на пакеты. Между крайними пакетами сердечника имеются радиальные охлаждающие каналы. Нажимные плиты расположены с обеих сторон сердечника и имеют охлаждающие каналы. Входы в радиальные каналы крайних зон сердечника статора и каналы нажимных плит размещены со стороны наружной поверхности сердечника. Выходы из радиальных каналов крайних зон сердечника статора и каналов нажимных плит соединены через зоны расположения лобовых частей обмотки статора с входами вентиляторов, которые сообщаются с охладителями.The stator of an electric machine contains a stator core with winding rods laid in its grooves. The stator core is divided into packages. Radial cooling channels are located between the outermost core packages. Pressure plates are located on both sides of the core and have cooling channels. The entrances to the radial channels of the extreme zones of the stator core and the channels of the pressure plates are located on the side of the outer surface of the core. Outlets from the radial channels of the extreme zones of the stator core and the channels of the pressure plates are connected through the zones of the location of the frontal parts of the stator winding with the inputs of the fans, which are in communication with the coolers.

Как уже упоминалось выше, для уменьшения электромагнитных потерь в крайних пакетах сердечника турбогенератора от осевого поля рассеяния крайние пакеты выполняют скошенными на полную высоту паза. Но, как показала практика эксплуатации турбогенераторов, в этом случае наибольшие электромагнитные потери наблюдаются в стержнях обмотки на выходе из паза. При этом существенно возрастает нагрев стержней, что особенно характерно для турбогенераторов с косвенным воздушным охлаждением обмотки статора.As already mentioned above, in order to reduce electromagnetic losses in the outer packs of the turbine generator core from the axial stray field, the outer packs are beveled to the full height of the slot. But, as the practice of operating turbo generators has shown, in this case the greatest electromagnetic losses are observed in the winding rods at the exit from the slot. In this case, the heating of the rods significantly increases, which is especially characteristic of turbine generators with indirect air cooling of the stator winding.

Основной задачей создания полезной модели является повышение эффективности охлаждения обмотки с косвенным газовым охлаждением при выходе из пазов сердечника статора со скошенными крайними пакетами.The main task of creating a utility model is to increase the efficiency of cooling the winding with indirect gas cooling when exiting the slots of the stator core with beveled edge packets.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение эффективности охлаждения стержней обмотки в зоне выхода из паза в турбогенераторах со скошенными крайними пакетами сердечника и косвенным газовым охлаждением обмотки статора.The technical result, which the proposed technical solution is aimed at, is to increase the efficiency of cooling the winding rods in the outlet zone of the groove in turbine generators with beveled extreme core packages and indirect gas cooling of the stator winding.

Указанный технический результат достигается за счет того, что статор электрической машины содержит сердечник с уложенными в его пазы стержнями обмотки и разделенный на пакеты. Между крайними пакетами сердечника имеются радиальные каналы для охлаждения, открытые со стороны наружной поверхности сердечника и со стороны его расточки. Статор содержит нажимные плиты, расположенные с обеих сторон сердечника. Крайние пакеты сердечника выполнены с высотой скоса менее высоты паза сердечника. Напротив каждого паза сердечника статора в нажимной плите в осевом направлении выполнены сквозные продольные пазы. В продольных пазах размещены стержни обмотки с образованием между стенками продольных пазов и стержнями обмотки зазоров, выполняющих роль охлаждающих каналов. Охлаждающие каналы сообщаются с радиальными охлаждающими каналами крайних пакетов сердечника и открыты со стороны лобовых частей обмотки статора.The specified technical result is achieved due to the fact that the stator of the electric machine contains a core with winding rods laid in its grooves and divided into packages. There are radial cooling channels between the extreme packages of the core, open from the outer surface of the core and from the side of its bore. The stator contains pressure plates located on both sides of the core. The outer core packages are made with a bevel height less than the core groove height. Opposite each groove of the stator core in the pressure plate in the axial direction, through longitudinal grooves are made. The winding rods are placed in the longitudinal grooves with the formation of gaps between the walls of the longitudinal grooves and the winding rods, which act as cooling channels. The cooling channels communicate with the radial cooling channels of the outer core packs and are open from the side of the stator winding frontal parts.

Выполнение скоса крайних пакетов сердечника на высоту менее высоты паза сердечника позволяет, с одной стороны, уменьшить электромагнитные потери в стержнях обмотки при выходе из паза, с другой стороны, благодаря выполнению в нажимной плите в осевом направлении сквозных продольных пазов напротив каждого паза сердечника появляется возможность образовать между стержнями обмотки и стенками продольных пазов охлаждающие каналы для циркуляции охлаждающего газа с высокой скоростью вдоль стержней обмотки.The bevelling of the outer core packages to a height less than the height of the core groove allows, on the one hand, to reduce electromagnetic losses in the winding rods when leaving the groove, on the other hand, due to the execution in the pressure plate in the axial direction of through longitudinal grooves opposite each core groove, it becomes possible to form between the winding rods and the walls of the longitudinal grooves, cooling channels for circulation of the cooling gas at high speed along the winding rods.

Благодаря тому, что охлаждающие каналы, сообщаются с радиальными охлаждающими каналами крайних пакетов сердечника, значительная часть охлаждающего газа идет на охлаждение обмотки при выходе из паза.Due to the fact that the cooling channels are in communication with the radial cooling channels of the outer core packs, a significant part of the cooling gas goes to cooling the winding when it leaves the slot.

За счет применения охлаждающих каналов, выполненных в соответствии с предлагаемой полезной моделью, обеспечивается повышение коэффициентов теплоотдачи с поверхности стержней обмотки не только в месте расположения пазов, но и в целом в зоне выхода обмотки из пазов сердечника благодаря возмущению потока газа при входе в охлаждающие каналы нажимной плиты и выходе из них. Повышение интенсивности теплоотдачи с поверхности стержней обмотки обеспечивает снижение нагрева стержней обмотки в указанной зоне.Due to the use of cooling channels, made in accordance with the proposed utility model, an increase in the heat transfer coefficients from the surface of the winding rods is ensured not only at the location of the grooves, but also in the whole area of the winding exit from the core slots due to the disturbance of the gas flow when entering the cooling channels of the pressure plates in and out of them. An increase in the intensity of heat transfer from the surface of the winding rods ensures a decrease in the heating of the winding rods in the specified zone.

Благодаря предлагаемому техническому решению становиться возможным рационально спроектировать систему охлаждения крайней зоны сердечника статора, оптимально распределить потоки охлаждающего газа в ней и повысить эффективность ее охлаждения с одновременным уменьшением электромагнитных потерь в обмотке при выходе из паза.Thanks to the proposed technical solution, it becomes possible to rationally design a cooling system for the extreme zone of the stator core, to optimally distribute the flow of cooling gas in it and to increase the efficiency of its cooling while reducing electromagnetic losses in the winding when leaving the slot.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами.The proposed utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1. показана крайняя зона статора электрической машины (сплошными стрелками показано направление движения охлаждающего газа при нагнетательной схеме вентиляции, пунктирными стрелками - при вытяжной схеме).FIG. 1.The extreme zone of the stator of an electric machine is shown (solid arrows show the direction of movement of the cooling gas in the injection ventilation scheme, dotted arrows in the exhaust scheme).

На фиг. 2 изображен фрагмент радиального сечения нажимной плиты вид А.FIG. 2 shows a fragment of a radial section of a pressure plate, view A.

Статор 1 электрической машины, например, турбогенератора, содержит сердечник 2, стержни 3 обмотки, уложенные в пазы сердечника 2, крайние скошенные пакеты 4 сердечника 2, между пакетами 4 размещены радиальные охлаждающие каналы 5. Радиальные охлаждающие каналы 5 открыты со стороны наружной поверхности сердечника и со стороны расточки сердечника 2.The stator 1 of an electric machine, for example, a turbine generator, contains a core 2, rods 3 of the winding, laid in the grooves of the core 2, the extreme beveled packages 4 of the core 2, radial cooling channels 5 are placed between the packages 4. Radial cooling channels 5 are open from the outer surface of the core and from the side of the core bore 2.

Крайние скошенные пакеты 4 сердечника 2 выполнены с высотой скоса менее высоты паза сердечника 2. Высота скоса определяется величиной электромагнитных потерь, выделяющихся в крайних пакетах и в обмотке при выходе из паза, которые вычисляются при электромагнитном расчете. Определяется оптимальный скос пакетов стали, при котором достигается снижение потерь в стержнях обмотки при выходе из паза при допустимом уровне потерь в стали крайних скошенных пакетов 4.The extreme beveled packs 4 of the core 2 are made with a bevel height less than the height of the core groove 2. The bevel height is determined by the magnitude of the electromagnetic losses released in the extreme packs and in the winding when leaving the slot, which are calculated by electromagnetic calculation. The optimal bevel of the steel packs is determined, at which a decrease in losses in the winding rods when leaving the groove is achieved at an acceptable level of losses in the steel of the extreme beveled packs 4.

Сердечник 2 содержит нажимные плиты 6, установленные с обеих сторон сердечника 2.The core 2 contains pressure plates 6 installed on both sides of the core 2.

Исполнение крайних скошенных пакетов 4 с высотой скоса менее высоты паза дает возможность выполнения сквозных продольных пазов 7 в нажимной плите 6 с целью организации охлаждающих каналов 8 для повышения эффективности охлаждения обмотки в указанной зоне.The execution of the extreme beveled packs 4 with a bevel height less than the groove height makes it possible to make through longitudinal grooves 7 in the pressure plate 6 in order to organize the cooling channels 8 to increase the efficiency of winding cooling in the specified zone.

В нажимной плите 6 напротив каждого паза сердечника статора выполнены сквозные продольные пазы 7 вдоль оси вала электрической машины от одного края до другого края нажимной плиты 6.In the pressure plate 6, opposite each groove of the stator core, through longitudinal grooves 7 are made along the axis of the shaft of the electric machine from one edge to the other edge of the pressure plate 6.

В продольных пазах 7 размещены стержни 3 обмотки с образованием между стенками продольных пазов 7 и поверхностями стержней 3 обмотки зазоров, выполняющих роль охлаждающих каналов 8.In the longitudinal grooves 7, winding rods 3 are placed with the formation of gaps between the walls of the longitudinal grooves 7 and the surfaces of the winding rods 3, which act as cooling channels 8.

Эффективность охлаждения обмотки определяется скоростями газа, циркулирующего через охлаждающие каналы 8 между стенками продольных пазов и стержнями 3 обмотки, которые вычисляются при помощи вентиляционного расчета. Выполнение теплового и вентиляционного расчетов позволяет найти оптимальные размеры зазоров между стенками продольных пазов 7 и поверхностями стержней 3 обмотки, т.е. оптимальную площадь охлаждающих каналов 8.The efficiency of cooling the winding is determined by the velocities of the gas circulating through the cooling channels 8 between the walls of the longitudinal grooves and the rods 3 of the winding, which are calculated using the ventilation calculation. Performing thermal and ventilation calculations makes it possible to find the optimal dimensions of the gaps between the walls of the longitudinal grooves 7 and the surfaces of the winding rods 3, i.e. optimal area of cooling channels 8.

Поскольку пазы сердечника статора имеют П-образную форму, то и образованные охлаждающие каналы 8, как правило, имеют П-образную форму, что дает возможность увеличить поверхность для интенсивного охлаждения стержней 3 обмотки статора при выходе их из паза сердечника 2 статора 1.Since the grooves of the stator core have a U-shape, the formed cooling channels 8, as a rule, have a U-shape, which makes it possible to increase the surface for intensive cooling of the stator winding rods 3 when they exit the groove of the stator 1 core 2.

Охлаждающие каналы 8 сообщаются с радиальными охлаждающими каналами 5 крайних пакетов и выполнены открытыми со стороны лобовых частей обмотки статора 3.The cooling channels 8 communicate with the radial cooling channels 5 of the extreme packages and are made open from the side of the frontal parts of the stator winding 3.

В турбогенераторах применяются нагнетательные или вытяжные схемы вентиляции. Входы в охлаждающие каналы и выходы из них определяются схемой вентиляции.In turbine generators, injection or exhaust ventilation schemes are used. The entrances to the cooling channels and exits from them are determined by the ventilation scheme.

При выполнении турбогенератора с нагнетательной системой вентиляции входы охлаждающих каналов 8 соединены с выходами вентиляторов, установленных на валу турбогенератора (на фиг. 1 не показаны), а выходы охлаждающих каналов 8 сообщаются с радиальными охлаждающими каналами 5 крайних пакетов 4 сердечника 2. Выходы радиальных охлаждающих каналов 5 размещены на наружной поверхности сердечника 2 статора 1 и соединены со входами охладителей статора (на фиг. 1 не показаны), выходы охладителей статора сообщаются с входами вентиляторов (на фиг. 1 не показаны).When performing a turbine generator with a blower ventilation system, the inputs of the cooling channels 8 are connected to the outputs of the fans installed on the shaft of the turbine generator (not shown in Fig. 1), and the outputs of the cooling channels 8 communicate with the radial cooling channels 5 of the extreme packages 4 of the core 2. The outputs of the radial cooling channels 5 are placed on the outer surface of the core 2 of the stator 1 and are connected to the inputs of the stator coolers (not shown in Fig. 1), the outputs of the stator coolers are in communication with the inputs of the fans (not shown in Fig. 1).

При выполнении турбогенератора с вытяжной системой вентиляции выходы охлаждающих каналов 8, сообщающиеся с радиальными охлаждающими каналами 5 крайних пакетов 4 сердечника 2, становятся входами, а входы охлаждающих каналов 8, соединенные с выходами вентиляторов, установленных на валу турбогенератора (на фиг. 1 не показаны), становятся выходами.When a turbine generator with an exhaust ventilation system is made, the outputs of the cooling channels 8, communicating with the radial cooling channels 5 of the extreme packages 4 of the core 2, become inputs, and the inputs of the cooling channels 8, connected to the outputs of the fans installed on the shaft of the turbine generator (not shown in Fig. 1) become exits.

Выходы радиальных охлаждающих каналов 5, размещенные на наружной поверхности сердечника 2 статора 1, становятся входами, которые соединены с выходами охладителей статора (на фиг. 1 не показаны), входы охладителей статора сообщаются с выходами вентиляторов (на фиг. 1 не показаны).The outputs of the radial cooling channels 5, located on the outer surface of the core 2 of the stator 1, become inputs that are connected to the outputs of the stator coolers (not shown in Fig. 1), the inputs of the stator coolers are in communication with the fan outputs (not shown in Fig. 1).

При работе электрической машины, например, турбогенератора с нагнетательной схемой вентиляции, под действием вентиляторов охлаждающий газ направляется в охлаждающие каналы 8, а затем в радиальные каналы 5 между крайними пакетами 4. Далее охлаждающий газ перемещается по радиальным каналам 5 в радиальном направлении от расточки статора к периферии сердечника 2 и поступает на охладители статора 1 и далее снова к вентиляторам.When an electric machine, for example, a turbine generator with a blower ventilation circuit is operating, under the action of fans, the cooling gas is directed into the cooling channels 8, and then into the radial channels 5 between the extreme packs 4. Further, the cooling gas moves along the radial channels 5 in the radial direction from the stator bore to the periphery of the core 2 and goes to the stator coolers 1 and then again to the fans.

При работе электрической машины, например, турбогенератора с вытяжной схемой вентиляции, под действием вентиляторов охлаждающий газ направляется на охладители статора. Далее поступает в радиальные охлаждающие каналы 5 между крайними пакетами 4, перемещается по радиальным каналам 5 в радиальном направлении от периферии сердечника 2 к его расточке, попадает в охлаждающие каналы 8, откуда направляется на вентиляторы.When an electric machine, for example, a turbo generator with an exhaust ventilation circuit, is operating, the cooling gas is directed to the stator coolers under the action of the fans. Then it enters the radial cooling channels 5 between the extreme packages 4, moves along the radial channels 5 in the radial direction from the periphery of the core 2 to its bore, enters the cooling channels 8, from where it is directed to the fans.

В результате реализации предлагаемого технического решения, как показали результаты вентиляционных и тепловых расчетов, выполненных авторами, обеспечивается эффективное охлаждение стержней обмотки в зоне выхода из пазов в турбогенераторах со скошенными крайними пакетами сердечника и косвенным газовым охлаждением обмотки статора.As a result of the implementation of the proposed technical solution, as shown by the results of ventilation and thermal calculations performed by the authors, effective cooling of the winding rods in the exit zone from the slots in turbine generators with beveled extreme core packages and indirect gas cooling of the stator winding is ensured.

Предложенная конструкция позволяет при выполнении скоса крайних пакетов на высоту менее высоты паза сердечника, с одной стороны, уменьшить электромагнитные потери в стержнях обмотки при выходе из паза сердечника, с другой стороны, обеспечить допустимый уровень потерь в стали крайних пакетов и в целом повысить эксплуатационную надежность турбогенераторов с косвенным газовым охлаждением обмотки статора.The proposed design makes it possible, when beveling the outer packs to a height less than the height of the core groove, on the one hand, to reduce electromagnetic losses in the winding rods when leaving the core groove, on the other hand, to provide an acceptable level of losses in the steel of the outer packs and, in general, to increase the operational reliability of turbine generators with indirect gas cooling of the stator winding.

Claims

1. The stator of an electrical machine, containing a stator core, divided into packages, between the extreme packages of which there are radial cooling channels, open from the outer surface of the core and from the side of its bore, winding rods laid in its grooves, and pressure plates located on both sides of the core, characterized in that the extreme packages of the core are made with a bevel height less than the height of the core groove, opposite each groove of the stator core in the pressure plate in the axial direction, through longitudinal grooves are made in which the winding rods are located with the formation between the walls of the longitudinal grooves and the rods of the winding cooling channels, while the cooling channels communicate with the radial cooling channels of the outer core packages and are open from the side of the frontal parts of the stator winding.

2. The stator of the electrical machine according to claim 1, characterized in that the cooling channels in the pressure plate are U-shaped.