RU2025869C1

RU2025869C1 - Pole of electric machine with fluid cooling

Info

Publication number: RU2025869C1
Authority: RU
Inventors: Виталий Сергеевич Максимов
Original assignee: Виталий Сергеевич Максимов
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1994-12-30

Abstract

FIELD: electric machine engineering. SUBSTANCE: salient pole 1 of electric machine with fluid cooling has core 2 and shoe 3 with damping bars 4 dropped in slots and excitation coil 9 with solid conductors 10 insulated from core 2 with moulded dielectric 15 and registered with washer 14. Coolers 17 made of ferromagnetic corrosion-resistant steel are placed in slots over perimeter of core 2, coolers 18 and 19 of ferromagnetic corrosion-resistant steel are located in slots over perimeter of shoe 3. Service or running water or ferromagnetic fluid circulate through coolers as cooling agent. Cooling of coil 9 is accomplished through dielectric 15 and of shoes 3 and damping bars 4 through steel of pole 1 by means of coolers 17, 18, 19 anchored in slots by welding 20. EFFECT: facilitated manufacture, improved cooling conditions. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к узлам электрических машин, явновыраженным полюсам с жидкостным охлаждением. The invention relates to electrical engineering, in particular to nodes of electrical machines, clearly defined poles with liquid cooling.

Известна конструкция явновыраженного полюса с жидкостным охлаждением, в которой трубчатые охладители, изготовленные из коррозионностойкого немагнитного материала, встроены в среднее сечение сердечника полюса и по ним циркулирует охлаждающая вода - дистиллят. Обмотка возбуждения выполнена из полых проводников, по которым циркулирует охлаждающая жидкость - дистиллированная вода (авт. св. СССР N 400240, кл. Н 02 К, 1976). A known design of an explicitly liquid-cooled pole in which tubular coolers made of a corrosion-resistant non-magnetic material are embedded in the middle section of the pole core and cooling water circulates through it is distilled. The field winding is made of hollow conductors through which coolant circulates - distilled water (ed. St. USSR N 400240, class N 02 K, 1976).

Недостатки конструкции следующие. Выполнение трубчатых элементов немагнитными повышает магнитную индукцию в сечениях сердечника полюса, что увеличивает несколько ток возбуждения и потери и мощность возбуждения. Применение встроенных трубчатых охладителей внутри сердечника полюса при достаточно эффективном теплосъеме с активных поверхностей, требующем при удаленности от основных источников потерь на поверхности полюсов и в демпферной системе больших гидравлических диаметров, значительно ослабляет рабочее сечение сердечника полюса и создает концентрации напряжений при разгонном числе оборотов. Удаленность охладителей от источников потерь в полюсном башмаке снижает эффективность охлаждения и повышает температуру активных элементов полюсного башмака на 10-15^оС. Использование для охлаждения дистиллята удорожает эксплуатацию машины.The design flaws are as follows. The implementation of the tubular elements non-magnetic increases the magnetic induction in the cross sections of the pole core, which increases several times the excitation current and losses and excitation power. The use of built-in tubular coolers inside the pole core with sufficiently effective heat removal from active surfaces, requiring large hydraulic diameters at a distance from the main sources of losses on the pole surfaces and in the damper system, significantly weakens the working cross section of the pole core and creates stress concentrations at the accelerating speed. Distance from the coolers sources of losses in the pole shoe reduces cooling efficiency and increases the temperature of the active elements of the pole shoe at 10-15 ° ^C. Using for cooling the distillate increases the cost of operation of the machine.

Известна конструкция явновыраженного полюса, в котором обмотка возбуждения с жидкостным охлаждением закреплена на полюсном сердечнике с помощью стальной шайбы, приваренной к сердечнику полюса по контактным поверхностям (Электросила N 34, с. 78, рис. 1; "Капсульные гидрогенераторы ГЭС "Джен-Пег"). There is a known explicit pole design in which a liquid-cooled field winding is mounted on the pole core using a steel washer welded to the pole core along the contact surfaces (Electrosila N 34, p. 78, Fig. 1; “Capsule hydrogenerators of the Jen-Peg hydroelectric power station” )

Известна конструкция полюса синхронной машины, в котором для охлаждения поверхности полюсов и демпферных стержней используется охладительный элемент, размещенный под заплечиками полюсных башмаков, по которому циркулирует жидкий хладагент, отводящий потери (швейцарский патент в США N 3633054, кл. Н 02 К, 1972). A known design of the pole of a synchronous machine, in which to cool the surface of the poles and damper rods, a cooling element is used located under the shoulders of the pole shoes, which circulates liquid refrigerant that removes losses (Swiss patent in US N 3633054, CL N 02 K, 1972).

Недостатки конструкции следующие. Охлаждаются только полюсные башмаки и демпферная обмотка с достаточной эффективностью. Установка охладителей под полюсные башмаки снижает коэффициент заполнения высоты полюсов проводниковым материалом. The design flaws are as follows. Only the pole shoes and damper winding are cooled with sufficient efficiency. The installation of coolers under the pole shoes reduces the fill factor of the pole height with conductive material.

Прототипом изобретения выбрана конструкция полюса с продольными встроенными в полюс охладителями сердечника и охладителями полюсных башмаков. The prototype of the invention selected pole design with longitudinal core coolers and pole shoes coolers embedded in the pole.

Целью изобретения является повышение надежности и КПД синхронной машины путем выполнения встроенных охладителей в сердечниках полюсов в пазах, расположенных по периметру сердечника и полюсных башмаков, повышение КПД синхронной машины и снижение эксплуатационных расходов за счет увеличения коэффициента использования межполюсного пространства путем исключения каналов в проводниках катушек возбуждения и охлаждения за счет теплопередачи к охладителям полюса через заливаемую корпусную диэлектрическую массу в промежутки между сердечниками и катушками, повышение КПД синхронной машины за счет снижения потерь и мощности возбуждения путем использования для охлаждения технической воды, а также за счет уменьшения потерь на возбуждение путем охлаждения сердечников полюсов с помощью ферромагнитной жидкости. The aim of the invention is to increase the reliability and efficiency of a synchronous machine by performing built-in coolers in the poles in grooves located around the perimeter of the core and pole shoes, increasing the efficiency of the synchronous machine and reducing operating costs by increasing the utilization of the interpolar space by eliminating the channels in the conductors of the excitation coils and cooling due to heat transfer to the pole coolers through the filled dielectric body mass in the spaces between the heart ikami coils and, enhancing the efficiency of the synchronous machine by reducing the loss and excitation power by use for cooling of industrial water, as well as reducing losses due to excitation by cooling pole cores using a ferromagnetic fluid.

На фиг.1 представлен явновыраженный полюс 1, состоящий из сердечника 2 и полюсного башмака 3, в пазы которого уложены демпферные стержни 4, изолированные диэлектриком 5. Шихтованный полюс 1 стянут шпильками 6, 7 и нажимными щеками 21 (на фиг.3). У сердечников 2 выполнен, например, хвостовик 8 для крепления к ободу. На сердечники 2 надеты катушки 9 возбуждения, состоящие из проводников 10 в собственной изоляции 11, которые расположены в столбик и изолированы от башмаков диэлектрической шайбой 12, а от обода диэлектрической шайбой 13, зафиксированной на сердечнике 2 немагнитной шайбой 14, приваренной к сердечнику 2 швами 27 (на фиг.2). Корпусная диэлектрическая изоляция 15 заливается через отверстия 16 в шайбе 14 и, полимеризуясь, надежно изолирует катушку 9 от сердечника 2, в пазах которого по высоте размещены трубчатые коррозионно-стойкие элементы 17, являющиеся охладителями сердечника и обмотки 9 возбуждения. В заплечиках башмаков 3 в пазах расположены трубчатые элементы 18, а по боковым граням башмаков 3 расположены трубчатые элементы 19, причем как охладители 18, так и охладители 19 могут быть выполнены из коррозионно-стойкого металла, но немагнитного. Охладители 17, 18 и 19 заварены в своих пазах швами 20. Figure 1 shows a clearly defined pole 1, consisting of a core 2 and a pole shoe 3, in the grooves of which are placed the damper rods 4, insulated by a dielectric 5. The lined pole 1 is pulled together with pins 6, 7 and pressure cheeks 21 (in figure 3). The cores 2 are made, for example, a shank 8 for mounting to the rim. The cores 2 are worn with excitation coils 9, consisting of conductors 10 in their own insulation 11, which are arranged in a column and insulated from the shoes by a dielectric washer 12, and from the rim by a dielectric washer 13, fixed on the core 2 by a non-magnetic washer 14, welded to the core 2 by seams 27 (figure 2). Case dielectric insulation 15 is poured through holes 16 in the washer 14 and, polymerizing, reliably isolates the coil 9 from the core 2, in the grooves of which are placed tubular corrosion-resistant elements 17, which are coolers of the core and excitation windings 9. Tubular elements 18 are located in the shoulders of the shoes 3 in grooves, and tubular elements 19 are located on the lateral sides of the shoes 3, both coolers 18 and coolers 19 can be made of corrosion-resistant metal, but non-magnetic. Coolers 17, 18 and 19 are welded in their grooves with seams 20.

На фиг. 2 представлен вид А на сердечник 2 и шайбу 14, которая к нему приварена швами 27. In FIG. 2 shows a view A of the core 2 and the washer 14, which is welded to it with seams 27.

На фиг.3 представлен вид Б на сердечник 2 и нажимные щеки 21. Водоподводящая арматура 23 и 24 расположена по внешней поверхности щеки 21 в пространстве между ферромагнитной стенкой 22 и щекой 21, причем пустоты между арматурой 23 и 24 заполнены магнитодиэлектрической массой 28. Figure 3 presents a view of B on the core 2 and the pressure cheeks 21. The water supply armature 23 and 24 is located on the outer surface of the cheek 21 in the space between the ferromagnetic wall 22 and the cheek 21, and the voids between the armature 23 and 24 are filled with a magnetodielectric mass 28.

На фиг. 4 представлена гидравлическая схема соединений охладителей 17, 18 и 19, потоки жидкого хладагента в которых подводятся к охладителям 17, 18 и 19 через напорную 25 и сливную 26 камеры и таким образом, что в соседних по периметру охладителях хладагент течет во взаимно противоположные стороны, выравнивая этим температуру поверхности элементов полюса 1: сердечника 2 и башмака 3. In FIG. 4 shows the hydraulic circuit of the connections of the coolers 17, 18 and 19, the flows of liquid refrigerant in which are supplied to the coolers 17, 18 and 19 through the pressure head 25 and drain 26 of the chamber and so that the refrigerant flows in mutually opposite directions in the coolers adjacent to the perimeter, equalizing this the surface temperature of the elements of the pole 1: core 2 and shoe 3.

Конструкция охлаждения явновыраженного полюса 1 работает следующим образом. The cooling design of the explicit pole 1 operates as follows.

Жидкий хладагент - техническая вода или проточная вода - поступает через напорную камеру 25 в охладители 17, 18, 19 и, протекая по ним, снимает тепловые потери из катушки 9 возбуждения, причем тепло проходит через корпусную диэлектрическую изоляцию 15, создавая на ней перепад температуры 30-40^оС при удельной тепловой нагрузке 0,75-1 Вт/см на каждый 1 мм изоляции. При входящей температуре охлаждающей воды 5-20^оС температура обмотки возбуждения может составлять 45-50^оС, но в отличие от непосредственного охлаждения температура по длине витка и высоте полюса 1 распределяется равномерно без аксиального перепада, свойственного непосредственному охлаждению. Шайба 14 фиксирует катушку 9 относительно сердечника 2 и этим обеспечивается хороший теплопередающий контакт между катушкой 9 и сердечником 2, достигнутый при заливке полимеризующегося диэлектрика 15. Поскольку охладители 17 выполнены из магнитной коррозионно-стойкой стали, например, 20Х13, то это снижает индукцию в сечениях охладителей 17 по сравнению с прототипом. При протекании ферромагнитной жидкости по охладителям 17, 18 и 19 увеличения индукции в сечениях нет. При водяном охлаждении охладители 18 и 19, расположенные по периметру полюсного башмака 3, могут изготавливаться из коррозионно-стойкой немагнитной стали, например, 12ХН8Н10Т, при этом поток рассеяния несколько уменьшается. Охладители 18 и 19 отводят тепловые потери с поверхности полюсов и из демпферных стержней 4, особенно из наиболее нагретых крайних. Жидкий хладагент из обратных контуров охладителей 17, 18 и 19 сливается в камеру 26 и из нее в сливной коллектор. Для выравнивания аксиально-радиального перепада температуры направление движение хладагента в соседних охладителях 17, 18 и 19 имеет встречное направление. В торцовых частях полюса 1 охладители, размещенные по внешней поверхности щек 21, контактируют с лобовыми частями катушки 9 через ферромагнитную стенку 22 из тонколистового материала и изоляцию 15, обеспечивая теплоотвод потерь из лобовых частей катушки 9.Liquid refrigerant - industrial water or running water - enters through the pressure chamber 25 to the coolers 17, 18, 19 and, flowing through them, removes heat losses from the excitation coil 9, and the heat passes through the dielectric insulation 15, creating a temperature drop of 30 -40 ° ^C under a specific thermal load of 0.75-1 W / cm per 1 mm of insulation. When the cooling water incoming temperature of 5-20 ^C. coil temperature may be 45-50 ^{° C,} but in contrast to the direct expansion coil temperature along the length and height of the pole 1 is distributed uniformly without axial differential inherent direct cooling. The washer 14 fixes the coil 9 relative to the core 2 and this ensures good heat transfer contact between the coil 9 and the core 2, achieved by pouring a polymerizable dielectric 15. Since the coolers 17 are made of magnetic corrosion-resistant steel, for example, 20X13, this reduces the induction in the cross sections of the coolers 17 compared to the prototype. When a ferromagnetic fluid flows through coolers 17, 18 and 19, there is no increase in induction in cross sections. With water cooling, chillers 18 and 19, located around the perimeter of the pole shoe 3, can be made of corrosion-resistant non-magnetic steel, for example, 12XH8N10T, while the scattering flux is slightly reduced. Coolers 18 and 19 remove heat losses from the surface of the poles and from the damper rods 4, especially from the warmest extreme ones. Liquid refrigerant from the return circuits of the coolers 17, 18 and 19 is discharged into the chamber 26 and from it into the drain manifold. To equalize the axial-radial temperature difference, the direction of movement of the refrigerant in the adjacent coolers 17, 18 and 19 has a counter direction. In the end parts of the pole 1, coolers placed on the outer surface of the cheeks 21 are in contact with the frontal parts of the coil 9 through a ferromagnetic wall 22 of sheet material and insulation 15, providing heat loss from the frontal parts of the coil 9.

Преимущества изобретения по сравнению с прототипом следующие. Применение охладителей, расположенных по периметру полюса, в зоне контакта с обмоткой возбуждения позволяет избежать резких концентраторов магнитных и механических напряжений в сердечнике полюса, что позволяет на 3-5% уменьшить потери на возбуждение и повысить конструкционный запас прочности, а это повышает КПД и надежность машины. Применение охладителей, расположенных по периметру сердечника и башмака полюса, в сочетании с литой диэлектрической корпусной изоляцией катушки и с фиксацией катушки шайбой позволяет отказаться от непосредственного дистиллятного охлаждения обмотки возбуждения, которое приводит к высоким эксплуатационным расходам при обеспечении тех же температур в катушке возбуждения. Например, для генератора 45 МВт при потерях возбуждения на полюс р = 0,51 кВт и удельной тепловой нагрузке через изоляцию Φ = 0,3 Вт/см температура катушки при входящей температуре жидкости Т_ж = 5^оС равна Т_к = 17^оС, а при Т_ж = 20^оС Т_к = 32^оС. При непосредственном дистиллятном охлаждении эта температура равна 50^оС, т.е. реальные потери могут быть уменьшены в обмотке возбуждения на 11,5 и 6,3 л% за счет снижения температуры и за счет более эффективного заполнения межполюсного пространства потери могут быть уменьшены в 1,55 раза, что позволяет увеличить КПД генератора на 0,03% за счет лучшего заполнения и на 0,01-0,005%. Но более эффективен вариант повышения мощности на 15-20%. Применение охладителей сердечника полюса из ферромагнитной коррозионно-стойкой стали позволяет уменьшить концентрацию магнитного потока и этим снизить потери на возбуждение, что повышает КПД электрической машины. Применение для охлаждения ферромагнитной жидкости позволяет практически на 100% использовать сечение под гидравлические каналы для проведения магнитного потока, что уменьшает потери на возбуждение и повышает КПД электрической машины. Применение пар теплогидравлических контуров со встречным течением жидкого хладагента позволяет выровнять аксиально-радиальный перепад температуры и этим повысить надежность конструкции косвенного охлаждения обмотки возбуждения.The advantages of the invention compared to the prototype are as follows. The use of coolers located around the perimeter of the pole in the zone of contact with the field winding avoids sharp concentrators of magnetic and mechanical stresses in the core of the pole, which makes it possible to reduce excitation losses by 3-5% and increase the structural safety factor, which increases the efficiency and reliability of the machine . The use of coolers located around the perimeter of the core and the shoe of the pole, in combination with cast dielectric housing insulation of the coil and fixing the coil with a washer, eliminates direct distillate cooling of the field coil, which leads to high operating costs while maintaining the same temperatures in the field coil. For example, the generator 45 MW at losses per pole excitation p = 0.51 kW and the specific thermal load through the insulation Φ = 0,3 W / cm at a coil temperature of the incoming fluid temperature T _g = 5 ^{° C} is equal _to T = 17 ^{° C} and at Т _Ж = 20 ^о С Т _к = 32 ^о С. At direct distillate cooling this temperature is 50 ^о С, i.e. real losses can be reduced in the field winding by 11.5 and 6.3 l% due to lower temperatures and due to more efficient filling of the pole space, losses can be reduced by 1.55 times, which allows to increase the generator efficiency by 0.03% due to better filling and by 0.01-0.005%. But the more effective option is to increase power by 15-20%. The use of pole core coolers made of ferromagnetic corrosion-resistant steel can reduce the concentration of magnetic flux and thereby reduce excitation losses, which increases the efficiency of an electric machine. The use for cooling a ferromagnetic fluid makes it possible to almost 100% use the cross section for hydraulic channels to conduct magnetic flux, which reduces excitation losses and increases the efficiency of an electric machine. The use of pairs of thermohydraulic circuits with a counter flow of liquid refrigerant makes it possible to equalize the axial-radial temperature difference and thereby increase the reliability of the design of indirect cooling of the field winding.

Сущностью изобретения, достигающего поставленные цели, являются применение трубчатых охладителей полюса, размещенных в пазах по периметру сердечника полюса и полюсного башмака, охлаждающих полюсный башмак и обмотку возбуждения через корпусную изоляцию, применение для охлаждения полюса технической или проточной воды, применение для охлаждения сердечника полюса и полюсных башмаков ферромагнитной жидкости. The essence of the invention, which achieves the set goals, is the use of tubular pole coolers placed in grooves around the perimeter of the pole core and pole shoe, cooling the pole shoe and the field winding through case insulation, use for cooling the pole of technical or running water, application for cooling the pole core and pole shoes of ferromagnetic fluid.

Изобретение может быть использовано в синхронных явнополюсных машинах: генераторах, двигателях, компенсаторах и, в частности, в капсульных гидрогенераторах, а также в машинах постоянного тока. The invention can be used in synchronous explicit-pole machines: generators, motors, compensators and, in particular, in capsular hydrogenerators, as well as in DC machines.

Claims

1. THE POLE OF THE ELECTRIC MACHINE WITH LIQUID COOLING, comprising a core, shoe, longitudinal coolers and an excitation coil coil insulated from the housing, fixed on the core with a non-magnetic washer, characterized in that on the side surface of the shoe and on its surface and on the surface of the core facing to the specified coil, grooves are located in which longitudinal coolers are placed, made of corrosion-resistant ferromagnetic metal.

2. The pole of the electric machine according to claim 1, characterized in that the washers securing the drive coil of the excitation winding on the core are made with holes filled with polymerizable case dielectric insulation, which makes heat transfer contact between the coil conductors and coolers.

3. The pole of the electric machine according to claim 1, characterized in that the coolers are filled with circulating technical purified water or purified running water.

4. The pole of the electric machine according to claim 1, characterized in that the coolers are filled with a circulating ferromagnetic fluid.