RU2228571C2

RU2228571C2 - Totally enclosed electrical machine

Info

Publication number: RU2228571C2
Application number: RU2002112818/09A
Authority: RU
Inventors: Я.Б. Данилевич; В.В. Машковцев; А.В. Голуб
Original assignee: Отдел электроэнергетических проблем РАН
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2004-05-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; cooling systems of totally enclosed electrical machines. SUBSTANCE: electrical machine has barrel-shaped frame with end shields; electrical machine barrel accommodates rotor and stator; rotor shaft carries at least one fan secured within electrical machine interior. Heat pipes are disposed in rotor and stator stacks; they are positioned along center line and protrude beyond butt ends of stator and rotor stacks. Electrical machine interior is filled with cooling gas possessing insulating properties. EFFECT: enhanced cooling effectiveness, operating reliability, and service life of electrical machine. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к охлаждению электрических машин и может найти применение в электрических машинах закрытого типа исполнения.The invention relates to the cooling of electrical machines and may find application in closed-type electrical machines.

Известна закрытая электрическая машина [АС СССР № 1451810, МКИ H 02 K 9/19, опубл. 15.11.89], имеющая ротор и статор, установленные в корпусе, снабженном охлаждаемыми подшипниковыми щитами. Охлаждающая жидкость из каналов корпуса подводится к кольцевой полости теплообменника подшипникового щита. Вход и выход кольцевой полости подшипникового щита разделены герметично установленной перегородкой.Known closed electric machine [USSR AS No. 1451810, MKI H 02 K 9/19, publ. 15.11.89], having a rotor and a stator installed in a housing equipped with cooled bearing shields. Coolant from the channels of the housing is supplied to the annular cavity of the heat exchanger of the bearing shield. The entrance and exit of the annular cavity of the bearing shield are separated by a hermetically sealed partition.

Известна закрытая электрическая машина с испарительным охлаждением [АС СССР 146674, опубл. 23.03.89], имеющая ротор, статор с тепловыми трубами, установленными на его плоских боковых поверхностях. Конденсаторные участки тепловых труб снабжены ребрами и смещены относительно испарительных участков. На верхней поверхности корпуса машины укреплен вентилятор. Комбинация испарительного охлаждения и независимой вентиляции повышает эффективность отвода тепла.Known closed electric machine with evaporative cooling [AS USSR 146674, publ. 23.03.89], having a rotor, a stator with heat pipes mounted on its flat side surfaces. The condenser sections of the heat pipes are provided with fins and are offset relative to the evaporation sections. A fan is mounted on the upper surface of the machine body. The combination of evaporative cooling and independent ventilation increases the efficiency of heat dissipation.

В качестве прототипа выбрана закрытая электрическая машина [АС СССР 1056376, МКИ H 02 K 9/19, опубл. 23.11.83], имеющая ротор, на валу которого за одним из подшипниковых щитов (вне рабочей полости машины) расположен вентилятор. Статор имеет обмотку с выступающими лобовыми частями. Полость машины заполнена непроводящей магнитной жидкостью, имеющей температуру точки Кюри ниже допустимой температуры нагрева обмоток на 15-20°С. Электрическая машина снабжена дополнительным кожухом, закрывающим вентилятор, а также теплообменником, в котором установлены воздухоохлаждаемые оребренные тепловые трубы. Высокие по сравнению с воздухом теплофизические свойства магнитных жидкостей позволяют повысить интенсивность теплообмена внутри машины. Интенсивность процесса повышается также за счет использования эффекта термомагнитной циркуляции при нагревании жидкости выше точки Кюри в зазоре между ротором и статором и восстановления магнитных свойств жидкости при ее охлаждении.A closed electric machine was chosen as a prototype [AS USSR 1056376, MKI H 02 K 9/19, publ. 11.23.83], having a rotor, on the shaft of which a fan is located behind one of the bearing shields (outside the working cavity of the machine). The stator has a winding with protruding frontal parts. The cavity of the machine is filled with a non-conductive magnetic fluid having a Curie point temperature below the permissible temperature for heating the windings by 15-20 ° C. The electric machine is equipped with an additional casing covering the fan, as well as a heat exchanger in which air-cooled finned tubes are installed. The thermophysical properties of magnetic fluids, which are high compared with air, make it possible to increase the heat transfer intensity inside the machine. The intensity of the process also increases due to the use of the effect of thermomagnetic circulation when the liquid is heated above the Curie point in the gap between the rotor and stator and the restoration of the magnetic properties of the liquid when it is cooled.

Однако используемые приемы не обеспечивают необходимой степени охлаждения. Кроме того, недостатком такой конструкции являются большие сложности при пуске и высокие потери, что обусловлено в первую очередь вязкостью среды. Следует также отметить, что в процессе эксплуатации магнитную жидкость необходимо заменять.However, the techniques used do not provide the necessary degree of cooling. In addition, the disadvantage of this design is the great difficulties during startup and high losses, which is primarily due to the viscosity of the medium. It should also be noted that during operation, the magnetic fluid must be replaced.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности охлаждения и повышение эксплутационной надежности и долговечности.The technical problem solved by the invention is to increase the cooling efficiency and increase the operational reliability and durability.

Поставленная задача решается тем, что в закрытой электрической машине, содержащей корпус, подшипниковые щиты, статор и ротор, имеющие соответственно пакет и обмотку, на валу ротора закреплен, по меньшей мере, один вентилятор, полость машины заполнена охлаждающим веществом и снабжена тепловыми трубами, новым согласно изобретению является то, что тепловые трубы размещены в пакете статора и пакете ротора параллельно оси и выступают за их торцы, вентилятор расположен в полости машины, а в качестве охлаждающего вещества используется газ, обладающий электроизоляционными свойствами. Целесообразно в качестве охлаждающего вещества использовать элегаз.The problem is solved in that in a closed electric machine containing a housing, bearing shields, a stator and a rotor, respectively having a package and a winding, at least one fan is fixed on the rotor shaft, the cavity of the machine is filled with coolant and equipped with heat pipes, new according to the invention is that the heat pipes are placed in the stator package and the rotor package parallel to the axis and protrude beyond their ends, the fan is located in the cavity of the machine, and gas is used as a cooling medium, ayuschy insulating properties. It is advisable to use gas as a coolant.

В пакете статора могут быть дополнительно выполнены радиальные вентиляционные каналы, а упомянутые тепловые трубы имеют оребрение на выступающих за торцы пакетов статора и ротора частях. В корпусе машины могут быть выполнены продольные каналы или корпус машины может быть снабжен контактирующими с ним трубами, продольно ориентированными и открытыми с торцов.In the stator package, radial ventilation ducts can be additionally made, and the mentioned heat pipes have fins on the parts protruding beyond the ends of the stator packages and the rotor. Longitudinal channels can be made in the machine body or the machine body can be provided with pipes in contact with it, longitudinally oriented and open from the ends.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлен продольный разрез электрической машины.The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of an electric machine.

Электрическая машина имеет цилиндрический корпус 1, закрытый с торцов подшипниковыми щитами 2. В корпусе на валу 3 установлен ротор, в пакете 4 которого размещена обмотка 5, а также статор, в пакете 6 которого размещена обмотка 7 с выступающими лобовыми частями. В полости корпуса на валу 3 закреплен, по меньшей мере, один вентилятор 8. Целесообразно с противоположной стороны установить на валу второй вентилятор 9.The electric machine has a cylindrical housing 1, closed at the ends by bearing shields 2. In the housing on the shaft 3 there is a rotor, in a package 4 of which a winding 5 is placed, as well as a stator, in a package 6 of which a winding 7 with protruding frontal parts is placed. At least one fan 8 is fixed in the housing cavity on the shaft 3. It is advisable to install a second fan 9 on the shaft from the opposite side.

В пакете 4 ротора, а именно в зубцах и подпазовых каналах, размещены тепловые трубы 10. В пакете статора, также в зубцах размещены тепловые трубы 11. Тепловые трубы 10, 11 ориентированы вдоль оси вала и распределены равномерно по окружности. Для уменьшения термического сопротивления между трубами 10, 11 и обмоткой используется теплопроводящий герметизирующий компаунд. На выступающих торцах труб 10, 11 имеются конденсационные камеры, а в частях, выступающих за торцы статора и ротора, выполнено оребрение (не показано). Трубы 10 могут иметь дополнительное крепление к валу машины, например, бандажными кольцами.In the rotor pack 4, namely in the teeth and sub-groove channels, heat pipes 10 are placed. In the stator pack, also in the teeth are heat pipes 11. Heat pipes 10, 11 are oriented along the axis of the shaft and distributed uniformly around the circumference. To reduce thermal resistance between the pipes 10, 11 and the winding, a thermally conductive sealing compound is used. On the protruding ends of the pipes 10, 11 there are condensation chambers, and in parts protruding beyond the ends of the stator and rotor, finning (not shown) is made. Pipes 10 may have additional fastening to the shaft of the machine, for example, retaining rings.

В пакете статора дополнительно могут быть выполнены радиальные вентиляционные каналы 12.In the stator package, radial ventilation ducts 12 can be additionally made.

Полость электрической машины заполнена охлаждающим газом, обладающим электроизоляционными свойствами. В качестве такого газа предпочтительно использовать элегаз (гексафторид серы SF₆). Возможно применение других используемых, в частности, в электротехнике газов, таких как аргон, фосфин (фосфористый водород РН₃), различные смеси электротехнических изоляционных газов.The cavity of the electric machine is filled with cooling gas, which has electrical insulating properties. As such a gas, it is preferable to use SF6 gas (sulfur hexafluoride SF ₆ ). It is possible to use other gases used, in particular, in electrical engineering, such as argon, phosphine (pH ₃ phosphorous hydrogen), various mixtures of electrical insulating gases.

На внутренней или наружной поверхности корпуса 1 электрической машины могут быть закреплены трубы 13, продольно ориентированные и открытые с торцов, предназначенные для дополнительного охлаждения элементов конструкцией окружающими потоками воздуха. Эта цель может быть достигнута также при помощи продольных и открытых с торцов каналов, выполненных в корпусе.On the inner or outer surface of the housing 1 of the electric machine can be fixed pipes 13, longitudinally oriented and open from the ends, designed for additional cooling of the structural elements by surrounding air flows. This goal can also be achieved using longitudinal and open from the ends of the channels made in the housing.

Устройство функционирует следующим образом.The device operates as follows.

При вращении ротора 4 под воздействием вентиляторов 8, 9 во внутренней полости машины происходит циркуляция охлаждающего газа (элегаза), потоки которого при прохождении в зазоре между статором и ротором и радиальных каналах статора охлаждают элементы конструкции. Корпус 1 и статор электрической машины охлаждается потоками окружающего воздуха, которые проходят через трубы 13 или каналы в корпусе машины. Съем теплоты с зубцов статора, обмотки и зубцов ротора осуществляется посредством тепловых труб 10, 11.When the rotor 4 rotates under the influence of fans 8, 9, the cooling gas (SF6 gas) circulates in the internal cavity of the machine, the flows of which cool the structural elements when passing through the gap between the stator and the rotor and the stator radial channels. The housing 1 and the stator of the electric machine is cooled by the flows of ambient air that pass through pipes 13 or channels in the machine body. Heat is removed from the teeth of the stator, winding and teeth of the rotor by means of heat pipes 10, 11.

Элегаз, присутствующий во внутренней полости машины, обеспечивает конденсацию паров в конденсационных камерах тепловых труб 10, 11. Тем самым поддерживается постоянная температура узлов электрической машины во всех штатных режимах работы, что и определяет ее эксплутационную надежность и долговечность.The SF6 gas present in the internal cavity of the machine provides vapor condensation in the condensation chambers of the heat pipes 10, 11. Thereby, a constant temperature of the nodes of the electric machine is maintained in all normal operating modes, which determines its operational reliability and durability.

Применение в качестве охлаждающего вещества газа, обладающего электроизоляционными свойствами, предпочтительно гексафторида серы SF₆ (элегаза), обладающего высокими теплофизическими свойствами, позволяет существенно повысить интенсивность теплообмена внутри электрической машины и тем самым повысить коэффициент полезного действия всей машины. Кроме того, повышается и пожаробезопасность всей машины.The use of a gas having electrical insulating properties as a coolant, preferably sulfur hexafluoride SF ₆ (SF6 gas), which has high thermophysical properties, can significantly increase the heat transfer intensity inside the electric machine and thereby increase the efficiency of the entire machine. In addition, increases the fire safety of the entire machine.

Предлагаемое устройство обеспечивает по сравнению с прототипом повышение эксплутационной надежности, долговечности путем интенсификации охлаждения.The proposed device provides, in comparison with the prototype, an increase in operational reliability, durability by intensifying cooling.

Предлагаемое изобретение может быть использовано, в частности, в качестве взрывобезопасного генератора мощностью 200-500 кВт, устанавливаемого непосредственно в магистральных газопроводах, шахтах и аналогичных объектах. Изобретение может также найти применение в качестве взрывобезопасного двигателя.The present invention can be used, in particular, as an explosion-proof generator with a capacity of 200-500 kW, installed directly in gas pipelines, mines and similar facilities. The invention may also find application as an explosion-proof engine.

Claims

1. A closed electric machine containing a housing, bearing shields, a stator and a rotor, respectively having a bag and a winding, at least one fan is fixed on the rotor shaft, the cavity of the machine is filled with coolant and provided with heat pipes, characterized in that the heat pipes They are placed in the stator package and the rotor package parallel to the axis and protrude beyond their ends, the fan is located in the cavity of the machine, and gas with electrical insulating properties is used as a cooling substance.

2. The closed electric machine according to claim 1, characterized in that gas is used as the gas having electrical insulation properties.

3. A closed electric machine according to claim 1 or 2, characterized in that the radial ventilation ducts are additionally made in the stator package.

4. A closed electric machine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said heat pipes have fins on the parts protruding beyond the ends of the stator and rotor packages.

5. A closed electric machine according to any one of claims 1 to 4, characterized in that longitudinal channels are made in the machine body or the machine body is provided with pipes in contact with it, longitudinally oriented and open from the ends.