RU2075150C1

RU2075150C1 - Electric machine

Info

Publication number: RU2075150C1
Application number: RU9393048733A
Authority: RU
Inventors: Николай Федотович Кузнецов
Original assignee: Николай Федотович Кузнецов
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1997-03-10

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: heat tubes 8 and m-phase winding 2 are located in slots of stator 1. Conductors 3 of winding 2 are designed as heat tubes with inner longitudinal chambers 4 which contain fluid heat carrier. Slot and face parts of conductors 3 serve as coolers of heat tubes. Conductors 3 extend from parts of electric connection of their face parts outside winding turns to channel 6 with cooling liquid which is non-conducting agent. Parts 8 of conductors 3 that are free of insulation provide condensers of heat tubes. Fact that conductors 3 are combined with heat tubes leads to transmission of heat from copper of conductors along heat tubes and not through large resistance of their insulation. Then heat from conductors parts 8 that are free of insulation heat is transmitted to cooling agent. EFFECT: lower temperature in long run, increased service life, increased reliability, decreased weight and size. 5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, к электрическим машинам, охлажденным тепловыми трубами (ТТ). The invention relates to electrical engineering, to electric machines, cooled by heat pipes (TT).

Известна электрическая машина, содержащая распределенную по пазам статора витковую обмотку, пазовые и лобовые части витков или полувитков которой, составляющие токопроводящую часть обмотки, выполнены из покрытого слоем электроизоляции полого проводника трубопровода с продольным герметичным каналом, содержащим теплоноситель, и образуют испарители ТТ, конденсаторы которых выполнены в виде ребра из диэлектрика, омываемого охладителем. Причем каждый виток присоединен к соседнему в зоне между ребром и токопроводящей частью обмотки. Known electric machine containing distributed over the grooves of the stator coil winding, the groove and frontal parts of the turns or half-turns of which, comprising the conductive part of the winding, are made of a hollow conductor conductor coated with a layer of electrical insulation with a longitudinal sealed channel containing coolant, and form TT evaporators, the condensers of which are made in the form of a rib of a dielectric washed by a cooler. Moreover, each coil is connected to the adjacent one in the zone between the rib and the conductive part of the winding.

Отличительными существенными признаками не является то, что каждый виток или полувиток обмотки выполнен составным, по меньшей мере из двух частей, соединенных швом и сообщающихся гидравлически через герметичный внутренний канал теплопередачи с теплоносителем. Одна из частей, токопроводящая и нагревательная, обpазует по меньшей мере полувиток. Другая часть теплорассеивающая, выполнена в виде ребра из диэлектрика, теплопроводность которого значительно меньше теплопроводности проводника, из которого выполнена токопроводящая часть витка или полвитка обмотки. Поэтому и теплопередача ее к охладителю будет значительно снижена, что определяет существенно более низкий по отношению к заявленному решению технический результат: более низкую нагрузочную способность обмотки, ухудшенные массогабаритные показатели, повышенные нагревы, а из-за этого меньше ресурс, срок службы и надежность работы. Кроме того, из-за множества соединительных швов между разнородными материалами токопроводящими и нетокопроводящими частями обмотки в ней трудно обеспечить при длительной эксплуатации герметичность внутренних каналов 5, что также снижает надежность, срок службы и ресурс работы обмотки. Distinctive essential features is not that each coil or half-coil of the winding is made of at least two parts connected by a seam and communicating hydraulically through a sealed internal heat transfer channel with a coolant. One of the parts, conductive and heating, forms at least a half-turn. The other part is heat-dissipating, made in the form of a dielectric rib, the thermal conductivity of which is much less than the thermal conductivity of the conductor, from which the conductive part of the coil or winding is made. Therefore, its heat transfer to the cooler will be significantly reduced, which determines a significantly lower technical result with respect to the claimed solution: lower load capacity of the winding, worsened weight and size indicators, increased heating, and because of this, less life, service life and reliability. In addition, due to the many connecting seams between dissimilar materials of the conductive and non-conductive parts of the winding, it is difficult to ensure tightness of the internal channels 5 during long-term operation, which also reduces the reliability, service life and life of the winding.

Цель изобретения улучшение удельных массогабаритных показателей машины, снижение нагревов распределенной по пазам статора витковой обмотки, а благодаря этому повышение срока службы, ресурса и надежности работы. The purpose of the invention is the improvement of specific weight and size parameters of the machine, the reduction of heating of the windings distributed over the grooves of the stator, and thereby increasing the service life, resource and reliability.

Поставленная цель достигается следующим образом. В известной электрической машине, содержащей распределенную по пазам статора витковую обмотку, пазовые и лобовые части витков или полувитков которой, составляющие токопроводящую часть обмотки, выполнены из покрытого слоем электроизоляции полого проводника-трубопровода с продольным герметичным каналом, содержащим теплоноситель, и образуют испарители ТТ, конденсаторы которых омываются охладителем, вводятся существенные отличия, а именно следующие. Конденсаторы ТТ выполнены в виде продолжения проводников пазовых и лобовых частей обмотки, при этом проводники выведены из мест электрических соединений их лобовых частей далее за пределы витков обмотки в канал машины с охладителем, выполненным нетокопроводящим. The goal is achieved as follows. In a known electric machine, containing a coil winding distributed over the stator slots, the groove and frontal parts of the turns or half-turns of which are the conductive part of the winding, are made of a hollow conductor-pipeline coated with a layer of electrical insulation with a longitudinal sealed channel containing coolant, and form TT evaporators, condensers which are washed by a cooler, significant differences are introduced, namely the following. TT capacitors are made in the form of a continuation of the conductors of the groove and frontal parts of the winding, while the conductors are removed from the places of electrical connections of their frontal parts further beyond the turns of the winding into the channel of the machine with a non-conductive cooler.

Канал может быть выполнен в корпусе машины, например в виде винтовой или кольцевой проточек снаружи корпуса машины, закрытых кожухом. The channel may be made in the machine body, for example in the form of a helical or annular groove outside the machine body, closed by a casing.

Канал выполняется в кольцевом коллекторе из электроизоляционного материала, который расположен у мест электрических соединений лобовых частей проводников обмотки. The channel is made in an annular collector of electrical insulating material, which is located at the places of electrical connections of the frontal parts of the winding conductors.

Канал может быть образован между корпусом машины и расположенным на нем кожухом вентилятора, колесо которого установлено на роторе машины, или между наружными продольными ребрами корпуса машины. A channel can be formed between the machine body and the fan casing located on it, the wheel of which is mounted on the rotor of the machine, or between the outer longitudinal ribs of the machine body.

Благодаря такой совокупности существенных признаков машины тепло, выделяющееся в испарителях ТТ пазовых и лобовых частях проводников распределенной по пазам статора обмотки, переносится паром теплоносителя по внутренним продольным каналам проводников далее мест электрических соединений их лобовых частей за пределы витков обмотки в канал с нетокопроводящим охладителем, где с участков проводников без изоляции, являющихся конденсаторами ТТ, тепло рассеивается в охладитель. Due to such a combination of essential features of the machine, the heat generated in the TT evaporators of the groove and frontal parts of the conductors of the winding distributed over the grooves of the stator is transferred by the heat carrier vapor along the internal longitudinal channels of the conductors further than the places of electrical connections of their frontal parts outside the winding turns to the channel with a non-conductive cooler, where sections of conductors without insulation, which are TT capacitors, heat is dissipated into the cooler.

На фиг. 1 изображена продуваемая газом синхронная машина с явнополюсным ротором, имеющая расположенную по пазам статора витковую М-фазную обмотку, выполненная согласно предложению. In FIG. 1 shows a gas-blown synchronous machine with an open-pole rotor having a winding M-phase winding located along the stator slots, made according to the proposal.

На фиг. 2 показан отдельный виток этой обмотки, состоящий из двух соединенных электрически в лобовых частях проводников стержней машины по фиг. 1. In FIG. 2 shows a separate coil of this winding, consisting of two electrically connected in the frontal parts of the conductors of the rods of the machine of FIG. one.

На фиг. 3 изображена закрытая синхронная машина с когтеобразным ротором, имеющая распределенную по пазам статора витковую М-фазную обмотку, выполненная согласно предложению. Причем свободные от изоляции участки проводников этой обмотки, образующие конденсаторы ТТ, выведены в каналы, выполненные в корпусе машины и в кольцевом коллекторе, расположенном у мест электрических соединений лобовых частей проводников. In FIG. 3 shows a closed synchronous machine with a claw-shaped rotor, having a round M-phase winding distributed over the stator slots, made according to the proposal. Moreover, the insulation-free sections of the conductors of this winding, which form the CT capacitors, are brought into the channels made in the machine body and in an annular collector located at the places of electrical connections of the frontal parts of the conductors.

На фиг. 4 показана асинхронная машина с короткозамкнутой обмоткой на роторе, имеющая распределенную по пазам статора витковую М-фазную обмотку, выполненная согласно предложению. Причем свободные от изоляции участки проводников этой обмотки, образующие конденсаторы ТТ, выведены в канал, образованные между корпусом машины и расположенным на нем кожухом вентилятора, колесо которого установлено на роторе машины, и между наружными продольными ребрами корпуса. In FIG. 4 shows an asynchronous machine with a short-circuited winding on the rotor, having a round M-phase winding distributed over the stator slots, made according to the proposal. Moreover, the insulation-free sections of the conductors of this winding, which form TT capacitors, are brought into the channel formed between the machine body and the fan casing located on it, the wheel of which is mounted on the rotor of the machine, and between the outer longitudinal ribs of the case.

На фиг. 5 показана отдельная катушка обмотки статора машины по фиг. 4. In FIG. 5 shows a separate stator coil of the machine of FIG. 4.

Продуваемая газом машина (фиг. 1) имеет на статоре 1 распределенную по его пазам витковую М-фазную обмотку 2, отдельные проводники 3 (фиг. 2) которой выполнены в виде ТТ с внутренними продольными герметичными полостями 4, содержащими жидкий теплоноситель. Указанные проводники 3 в своих лобовых частях электрически соединены в местах 5, например пайкой своими наружными поверхностями друг с другом, образуя витки обмотки 2. Так как при работе машины в меди проводников 3 в пределах этих витков протекает токи, вызывающие их нагревы, то пазовые и лобовые части этих проводников будут работать как испарители ТТ. A gas-blown machine (Fig. 1) has a stranded M-phase winding 2 distributed over its grooves 2, its individual conductors 3 (Fig. 2) of which are made in the form of a CT with internal longitudinal sealed cavities 4 containing a liquid coolant. These conductors 3 in their frontal parts are electrically connected in places 5, for example by soldering their outer surfaces with each other, forming turns of the winding 2. Since when the machine is working in copper of conductors 3, currents flow within these turns, causing them to heat up, then the groove and the frontal parts of these conductors will work as TT evaporators.

Из мест 5 соединений проводники 3 в виде продолжения пазовых и лобовых частей обмотки 2 проходят далее за пределы витков обмотки в канал 6 машины с охлаждающим воздухом, где они имеют свободные от изоляции 7 участки 8 с ребрами 9, которые при работе машины являются конденсаторами ТТ. Концы проводников 3, оставшиеся не соединенными электрически между собой в лобовых частях, являются выводами 10 обмотки 2 и отделены от корпуса 11 изоляционными втулками 12. Движение воздуха в канале 6 машины осуществляется посредством колеса 13 вентилятора, установленного на роторе 14. Движение охладителя здесь и на других фигурах показано стрелками. From the places of 5 connections, the conductors 3 in the form of a continuation of the groove and frontal parts of the winding 2 extend further beyond the winding turns into the channel 6 of the machine with cooling air, where they have insulation-free sections 7 with ribs 9, which are TT capacitors during machine operation. The ends of the conductors 3, which are not electrically connected to each other in the frontal parts, are the terminals 10 of the winding 2 and are separated from the housing 11 by insulating sleeves 12. The air moves in the channel 6 of the machine by means of the fan wheel 13 mounted on the rotor 14. The movement of the cooler here and on other figures are shown by arrows.

В закрытой машине (фиг. 3) свободные от изоляции 7 участки 8 проводников 3 распределенной по пазам статора 1 витковой М-фазной обмотки 2, образующие конденсаторы ТТ, находятся в канале 6 корпуса 11 машины, выполненном, например в виде винтовой или кольцевых проточек снаружи корпуса 11, закрытых кожухом 15, и в канале 6 кольцевого коллектора 16, выполненного из электроизоляционного материала, например методом литья из пластмассы, и расположенного у мест 5 электрических соединений лобовых частей проводников 3 обмотки 2. В каналах 6 могут циркулировать как жидкие нетокопроводящие охладители (например, кремнийорганические жидкости, жидкие азот или гелий, керосин, минеральные масла, дистиллированная вода) или их пары, так и газообразные охладители (например, воздух, азот, гелий, смеси газов). Из-за высокой теплоотдачи к жидкому охладителю свободные от изоляции 7 участки 8 проводников 3, являющиеся конденсаторами ТТ, могут выполняться без ребер (фиг. 3). In a closed machine (Fig. 3), sections 7 of 8 conductors 3 of the M-phase coil 2 distributed across the grooves of the stator 1, forming CT TT capacitors, which are free from insulation, are located in the channel 6 of the machine body 11, made, for example, in the form of screw or ring grooves from the outside the housing 11, closed by a casing 15, and in the channel 6 of the annular collector 16, made of electrical insulation material, for example by molding from plastic, and located at the places 5 of the electrical connections of the frontal parts of the conductors 3 of the winding 2. In the channels 6 can circulate to Like liquid non-conductive coolers (for example, organosilicon liquids, liquid nitrogen or helium, kerosene, mineral oils, distilled water) or their vapor, and gaseous coolers (for example, air, nitrogen, helium, gas mixtures). Due to the high heat transfer to the liquid cooler, sections 7 of 8 conductors 3, which are TT capacitors, which are free from insulation, can be made without fins (Fig. 3).

В закрытой машине (фиг. 4) свободные от изоляции 7 участки 8 проводников 3 катушек (фиг. 5) распределенной по пазам статора 1 витковой М-фазной обмотки 2, образующие конденсаторы ТТ, могут находиться в канале 6, образованном между корпусом 11 и расположенным на нем кожухом 17 вентилятора, колесо 13 которого установлено на роторе 14, и в каналах 6 между наружными продольными ребрами 18 корпуса 11 машины. In a closed machine (Fig. 4), sections 7 of 8 conductors 3 coils free from insulation (Fig. 5) of the M-phase coil 2 distributed over the grooves of the stator 1 and forming the CT capacitors 2 can be located in the channel 6 formed between the housing 11 and located on it a fan casing 17, the wheel 13 of which is mounted on the rotor 14, and in the channels 6 between the outer longitudinal ribs 18 of the machine body 11.

Как видно из изложенного, в машине в виде ТТ могут быть выполнены как отдельные проводники 3, составляющие полвитка обмотки 2 (фиг. 2), так и целые витки или многовитковые катушки (фиг. 5) распределенных по пазам статора 1 М-фазных обмоток 2. Причем из мест 5 соединений лобовых частей проводники 3 могут выходить за пределы витков обмотки 2 как по одну сторону статора 1 (фиг. 4), так и по обе его стороны (фиг. 1, 3). Это определяется условиями размещения машины на объекте применения, местом прохождения там охладителя, конструктивными требованиями и др. As can be seen from the foregoing, in the machine in the form of a CT, both individual conductors 3 can be made up of a half-turn of winding 2 (Fig. 2), as well as whole turns or multi-turn coils (Fig. 5) distributed across the grooves of the stator 1 of the M-phase windings 2 Moreover, from the places 5 of the connections of the frontal parts, the conductors 3 can go beyond the turns of the winding 2 both on one side of the stator 1 (Fig. 4), and on both sides of it (Figs. 1, 3). This is determined by the conditions for placing the machine at the application, the location of the cooler passing there, design requirements, etc.

Проводники 3 обмотки 2 могут содержать в своих внутренних полостях 4 фитили, пористые структуры разных конструкций или выполняться без них в работать в режиме термосифона. Так в машине (фиг. 4) работа ТТ проводников 3 обмотки 2 статора 1 в режиме термосифона может осуществляться при ориентации оси статора 1 в направлении поля гравитации, когда участки 8 проводников 3, являющихся конденсаторами ТТ, расположены в поле гравитации выше статора 1. The conductors 3 of the winding 2 can contain wicks in their internal cavities 4, porous structures of different designs or run without them in a thermosiphon mode. So in the machine (Fig. 4), the operation of the CT conductors 3 of the winding 2 of the stator 1 in the thermosyphon mode can be carried out when the axis of the stator 1 is oriented in the direction of the gravitational field, when sections of 8 conductors 3, which are CT capacitors, are located in the gravitational field above the stator 1.

При работе машины тепло от выделившихся потерь мощности в пазовых и лобовых частях отдельных проводников 3 (фиг. 2) или целых витков и многовитковых катушек (фиг. 5) обмотки 2, минуя электроизоляцию 7, поступает непосредственно в паровые каналы 4 проводников 3. Затем по каналам 4 тепло переносится паром теплоносителя вдоль проводников 3 далее мест 5 соединений их лобовых частей за пределы витков обмотки 2, где со свободных от изоляции 7 участков 8 проводников 3 тепло отдается газовому, жидкому или паровому нетокопроводящему охладителю, находящемуся в каналах 6 машины. Так как тепловое сопротивление изоляции на пазовых и лобовых частях проводников 3 на много порядков больше теплового сопротивления самих ТТ проводников 3, то теплопередача от меди через изоляцию практически не происходит. Теплопередача осуществляется вдоль ТТ проводников и благодаря их исключительно высокой теплопроводности существенно снижаются нагревы обмотки. При этом превышение температуры меди обмотки 2 над охладителем будет составлять около 10 - 15^oС при газовом охладителе и несколько градусов при жидкостном охладителе, что значительно меньше превышений температуры меди распределенной витковой обмотки известных аналогов. А это позволяет существенно повысить срок службы, ресурс и надежность работы машины. За счет совмещения проводников обмотки с ТТ плотности тока в меди проводников могут достигать десятков ампер на мм² поперечного их сечения, что позволяет существенно уменьшить сечение проводников обмотки и размеры пазов статора и, соответственно, габариты и массу машины при той же ее мощности. Или при тех же размерах и массе машины значительно увеличить ее мощность.When the machine is running, heat from the released power losses in the grooves and frontal parts of individual conductors 3 (Fig. 2) or whole turns and multi-turn coils (Fig. 5) of winding 2, bypassing electrical insulation 7, goes directly to the steam channels 4 of conductors 3. Then, by heat is transferred to channels 4 by the heat carrier vapor along the conductors 3, then from the places 5 of the connections of their frontal parts outside the turns of the winding 2, where from the insulation-free sections 7 of the 8 conductors 3, heat is transferred to a gas, liquid, or non-conductive vapor cooler located I'm in the channels of 6 cars. Since the thermal insulation resistance on the groove and frontal parts of the conductors 3 is many orders of magnitude greater than the thermal resistance of the CT conductors 3 themselves, heat transfer from copper through the insulation practically does not occur. Heat transfer is carried out along the CT conductors and due to their exceptionally high thermal conductivity, heating of the winding is significantly reduced. The excess temperature of the copper of the winding 2 above the cooler will be about 10 - 15 ^o With a gas cooler and a few degrees with a liquid cooler, which is much less than the temperature rise of copper distributed windings of known analogues. And this can significantly increase the service life, resource and reliability of the machine. By combining the winding conductors with CT, the current density in the copper of the conductors can reach tens of amperes per mm ^{2 of} their cross section, which can significantly reduce the cross section of the winding conductors and the dimensions of the stator slots and, accordingly, the dimensions and weight of the machine at the same power. Or, with the same size and weight of the machine, significantly increase its power.

Наибольший технический эффект изобретение может дать при использовании в машинах большой мощности, например в турбогенераторах, в высокоиспользованных машинах, применяемых на транспортных средствах различного назначения. The invention can produce the greatest technical effect when used in high power machines, for example, in turbogenerators, in highly used machines used on vehicles of various purposes.

Claims

1. An electric machine containing a coil winding distributed over the stator grooves, the groove and frontal parts of the turns or half-turns of which are made of a hollow conductor-pipeline with a layer of electrical insulation coated with a longitudinal sealed channel containing coolant, and form heat pipe evaporators, the condensers of which are washed by a cooler, characterized the fact that the condensers of the heat pipes are made in the form of a continuation of the conductors of the groove and frontal parts of the winding without electrical insulation and are brought into the channel of the machine with a cooler non-conductive.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the channel with a cooler is made in the form of helical or annular grooves outside the machine body, closed by a casing.

3. The machine according to claim 1, characterized in that the channel with a cooler is made in an annular collector of electrical insulating material located at the places of electrical connections of the frontal parts of the winding conductors.

4. The machine according to claim 1, characterized in that the channel with a cooler is formed between the machine body and the fan casing located on it, the wheel of which is mounted on the rotor of the machine.

5. The machine according to claim 1, characterized in that the channel with a cooler is formed between the outer longitudinal ribs of the machine body.