RU226201U1 - Статор электрической машины - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к конструкции статора турбогенератора с газовым охлаждением. Технический результат – повышение интенсивности охлаждения зубцов сердечника и верхних стержней обмотки в крайней зоне сердечника статора. Указанный технический задача результат обеспечивается за счет конструкционных особенностей статора, который содержит сердечник, состоящий из пакетов, с уложенными в его пазы стержнями обмотки. Между пакетами основного сердечника размещены U-образные охлаждающие каналы, открытые со стороны наружной поверхности сердечника статора, в крайних зонах сердечника расположены радиальные каналы, открытые со стороны наружной поверхности сердечника и со стороны его расточки. Между U-образными и радиальными охлаждающими каналами размещены аксиальные надпазовые каналы и дополнительные радиальные охлаждающие каналы, открытые со стороны наружной поверхности сердечника и сообщающиеся с аксиальными надпазовыми каналами. Аксиальные надпазовые каналы также сообщаются с выходами радиальных охлаждающих каналов, размещенных между крайними пакетами сердечника, и зоной расположения лобовых частей обмотки статора. 2 ил.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к электромашиностроению, а именно к конструкции статора турбогенератора с газовым охлаждением.

Решается задача интенсификации охлаждения обмотки и зубцов в зоне крайних пакетов сердечника статора, где выделяются наибольшие электромагнитные потери. Ниже рассмотрены различные варианты конструкции статора электрической машины, направленные на решение этой проблемы. Известен статор электрической машины с обмоткой, закрепленной в пазах сердечника посредством клиньев, охлаждаемый потоком воздуха, циркулирующим по аксиальным надпазовым каналам, образованным в пазах сердечника поверхностями пазовых клиньев, закрепляющих в пазах обмотку, поверхностями стенок пазов, выступающих за пазовые клинья, и поверхностью элемента (заглушки), закрывающего пазы сердечника со стороны внутренней поверхности статора (авторское свидетельство СССР №389596, Н02К1/20, оп. 05.07.1973).

В известном изобретении охлаждающий воздух после осевых вентиляторов подается в аксиальные надпазовые каналы с обеих сторон сердечника статора, а далее направляется в радиальные каналы, размещенные в средней части сердечника статора. Обмотка и сердечник статора охлаждаются за счет аксиальных надпазовых каналов. Такая нагнетательная схема вентиляции может быть применена только в электрических машинах малой мощности, не требующих значительного сечения надпазового канала. Увеличить существенно сечение канала не представляется возможным, поскольку это приведет к снижению энергетических показателей машины.

Различные технические решения с использованием аксиальных надпазовых каналов, направленные на увеличение расхода охлаждающего газа и на минимизацию потерь давления охлаждающего газа при входе в радиальные каналы или выходе из них, предлагаются в целом ряде изобретений: ЕР2360815, JP2003158841A, ЕР690543А1, W02016125534A1.

В известном изобретении «Статор электрической машины» (патент №US8941281, Н02К1/20, оп. 27.01.2015) решается задача повышения эффективности охлаждения зубцов сердечника статора вблизи расточки за счет совместного использования аксиальных надпазовых каналов и выполнения скосов в пазовых клиньях, размещенных напротив радиальных каналов.

Все перечисленные выше решения с использованием аксиальных надпазовых каналов применимы для машин малой мощности. С помощью этих каналов осуществляется охлаждение сердечника статора вблизи внутренней поверхности статора по всей длине машины. С возрастанием мощности электрической машины потребуется увеличивать сечение этих каналов для повышения расхода охлаждающей среды, что приведет к снижению энергетических показателей машины.

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 №2258295, Н02К9/16, оп. 27.11.2004).

В известном изобретении решается задача увеличения интенсивности охлаждения обмотки и стали сердечника статора за счет конструкции охлаждающих каналов в тракте охлаждения сердечника статора электрической машины. Статор электрической машины с газовой системой вентиляции в рассматриваемом изобретении содержит сердечник, разделенный на пакеты, в которых имеются пазы с уложенной в них обмоткой. В крайних зонах сердечника расположены скошенные пакеты, между которыми размещены радиальные охлаждающие каналы, а в основной зоне сердечника - вентиляционные каналы (U-образные), входы и выходы которых расположены на наружной поверхности статора. Входы в радиальные каналы крайних зон сердечника статора также размещены со стороны наружной поверхности сердечника. Выходы из радиальных каналов крайних зон сердечника статора соединены с зонами расположения лобовых частей обмотки статора, которые сообщаются с входами вентиляторов, соединенными с охладителями.

Применение U-образных каналов в статоре, раскрытое в изобретении (патент РФ №2258295, Н02К 9/16, оп. 27.11.2004), позволяет получить равномерное распределение температур обмотки и активной стали по длине и окружности основного сердечника статора. При работе электрической машины в каналы статора не поступает подогретый газ из зазора между статором ротором, что повышает эффективность охлаждения обмотки и активной стали статора.

Охлаждение обмотки и активной стали сердечника статора в зоне крайних пакетов организовано при помощи подачи охлаждающего газа в радиальные каналы между крайними пакетами сразу после охладителей. Предложенное решение не позволяет обеспечить интенсивное охлаждение рассматриваемой зоны в генераторах мощностью выше 200 МВт. Практика эксплуатации таких турбогенераторов показывает, что наибольшие электромагнитные потери выделяются в стержнях обмотки и зубцах сердечника, именно в зоне крайних пакетов сердечника, что может привести к повышенному нагреву стержней и снижению надежности электрической машины в эксплуатации.

В рассмотренном изобретении эффективность охлаждения стержней обмотки и зубцов сердечника статора в крайней зоне сердечника статора определяется величиной расхода охлаждающего газа и скоростей воздуха в радиальных каналах. Повышение интенсивности охлаждения в этой зоне за счет увеличения расхода воздуха приведет к возрастанию вентиляционных потерь и снижению КПД турбогенератора. Такой путь повышения эффективности охлаждения не является оптимальным.

Задачей полезной модели является повышение интенсивности охлаждения зубцов сердечника и верхних стержней обмотки в крайней зоне сердечника статора без снижения КПД генератора, т.е. без снижения энергетических показателей.

Технический результат - повышение эффективности охлаждения зубцов сердечника и верхних стержней обмотки в крайней зоне сердечника статора.

Указанный технический результат достигается за счет того, что статор электрической машины содержит сердечник и обмотку статора, уложенную в пазы сердечника, в крайних зонах сердечника расположены скошенные пакеты с размещенными между ними радиальными охлаждающими каналами, а в основной зоне сердечника содержатся пакеты, между которыми размещены U-образные охлаждающие каналы. Согласно техническому решению, раскрытому в полезной модели, между радиальными охлаждающими каналами и U-образными охлаждающими каналами введены дополнительные радиальные охлаждающие каналы и аксиальные надпазовые каналы, образованные в пазах сердечника поверхностями пазовых клиньев, поверхностями стенок пазов и поверхностью заглушек, закрывающих пазы со стороны внутренней поверхности сердечника статора, причем радиальные охлаждающие каналы выполнены открытыми со стороны наружной и внутренней поверхности сердечника, U-образные охлаждающие каналы и дополнительные радиальные каналы выполнены открытыми со стороны наружной поверхности сердечника, выходы U-образных охлаждающих каналов выполнены сообщающимися с зоной лобовых частей обмотки статора, которые в свою очередь сообщаются с входами вентиляторов, а аксиальные надпазовые каналы выполнены с возможностью сообщения с дополнительными радиальными каналами, с выходами радиальных охлаждающих каналов и зоной расположения стержней обмотки статора при выходе из пазов.

За счет применения дополнительных радиальных каналов и аксиальных надпазовых каналов, размещенных над пазовыми клиньями, выполненных в соответствии с предлагаемой полезной моделью, обеспечивается повышение эффективности охлаждения зубцов сердечника и стержней обмотки в крайней зоне сердечника статора.

Повышение интенсивности охлаждения стержней обмотки и зубцов сердечника обеспечивает снижение их нагрева в зоне, в которой выделяются наибольшие электромагнитные потери, и обеспечивает возможность их применения в генераторах мощностью 200 МВт и выше для повышения надежности электрической машины в эксплуатации без снижения КПД генератора.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан фрагмент статора электрической машины, на фиг. 2 - пазы статора с надпазовыми аксиальными каналами (поперечный разрез сердечника статора выполнен посередине дополнительного радиального канала, стрелками показано направление движения охлаждающего газа).

Статор электрической машины, например, турбогенератора, содержит сердечник 1, обмотку статора 2, уложенную в пазы сердечника 1. В крайних зонах сердечника 1 расположены скошенные пакеты 3, между которыми размещены радиальные охлаждающие каналы 4, открытые со стороны наружной и внутренней поверхности сердечника 1. В основной зоне сердечника 1 размещены пакеты 6, между которыми находятся U-образные охлаждающие каналы 5, выполненные открытыми со стороны наружной поверхности сердечника 1. Выходы U-образных охлаждающих каналов 5 сообщаются через зону расположения лобовых частей обмотки статора 2 с входами вентиляторов электрической машины.

Сердечник 1 с каждой стороны содержит дополнительные радиальные охлаждающие каналы 7 и аксиальные каналы 8, образованные в пазах сердечника 1 поверхностями пазовых клиньев 9, закрепляющими в пазах сердечника обмотку статора 2, поверхностями стенок пазов 10, выступающими за пазовые клинья, и поверхностью заглушек 11, закрывающих пазы со стороны внутренней поверхности сердечника 1 в зоне расположения аксиальных надпазовых каналов 8.

Дополнительные радиальные каналы 7 открыты со стороны наружной поверхности сердечника 1, а с другой стороны сообщаются с аксиальными надпазовыми каналами 8, которые также сообщаются с выходами радиальных охлаждающих каналов 4 и зоной расположения стержней обмотки статора 2 при выходе из пазов.

Выбор количества дополнительных радиальных каналов 7 зависит от степени неравномерности распределения расходов охлаждающего газа по дополнительным радиальным каналам 7 и определяется сечением аксиального канала 8, в который поступает охлаждающий газ из дополнительных радиальных каналов 7.

Известны количественные соотношения, позволяющие определить оптимальный уровень неравномерности расходов газа в дополнительных радиальных каналах 7. Критерием для оценки неравномерности может служить отношение S* сечения аксиального канала 8 к суммарному сечению всех дополнительных радиальных каналов 7, питающих газом этот аксиальный канал 8: чем ближе значение S* к единице, тем более равномерный характер носит распределение расходов газа по дополнительным радиальным каналам 7.

Инженерно-конструкторские расчеты показали, что для достижения технического результата, заявленного в настоящей полезной модели, в турбогенераторе мощностью 200 МВт, необходимо, чтобы сердечник 1 с каждой стороны содержал по меньшей мере шесть дополнительных радиальных охлаждающих каналов 7.

Устройство работает следующим образом.

При работе электрической машины под действием вентиляторов охлаждающий газ направляется на охладители статора, установленные в электрической машине (на фиг. не показаны). Далее охлаждающий газ разделяется на три потока.

Первый поток газа поступает в радиальные охлаждающие каналы 4 между скошенными пакетами 3 сердечника 1, перемещается по радиальным каналам 4 в радиальном направлении от периферии сердечника 1 в зону расположения стержней обмотки статора 2.

Второй поток газа направляется в U-образные охлаждающие каналы 5, движется по ним со стороны наружной поверхности сердечника 1 в сторону его внутренней поверхности, а затем в обратном направлении в сторону наружной поверхности сердечника 1.

Третий поток газа направляется в дополнительные радиальные каналы 7, из которых поступает в аксиальные каналы 8, а затем в зону расположения стержней обмотки статора 2 при выходе из пазов. В результате поступления новых порций газа из дополнительных радиальных каналов 7 в аксиальный надпазовый канал 8 происходит перераспределение давления в потоке газа, движущегося по аксиальному надпазовому каналу 8. При этом полное давление в соответствии с законом сохранения энергии остается на всем пути постоянным. По мере продвижения газа вдоль аксиального надпазовому канала 8 динамическое давление газа возрастает из-за увеличения расхода газа (скорости) в нем, а статическое давление газа уменьшается. Статическое давление газа можно рассматривать как противодавление для газа, движущегося по дополнительным радиальным каналам 7. Естественно, что при его уменьшении расходы (скорости) газа в дополнительных радиальных каналах 7 возрастают, т.е. в последнем дополнительном радиальном канале 7, расположенном ближе к выходу из паза, расход (скорость) газа выше, чем в первом.

Далее все три потока газа направляются на вентиляторы.

В результате реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение эффективности охлаждения зубцов сердечника и обмотки статора. Повышение интенсивности охлаждения обмотки и зубцов сердечника обеспечивает снижение их нагрева в зоне, в которой выделяются наибольшие электромагнитные потери.

Благодаря предлагаемому техническому решению становится возможным оптимально распределить потоки охлаждающего газа в рассматриваемой зоне, что обеспечивает возможность применения устройства, раскрытого в полезной модели, в генераторах мощностью 200 МВт и выше для повышения надежности электрической машины в эксплуатации без снижения КПД генератора.

Claims (1)

1. Статор электрической машины, содержащий сердечник и обмотку статора, уложенную в пазы сердечника, в крайних зонах которого расположены скошенные пакеты с размещенными между ними радиальными охлаждающими каналами, а в основной зоне сердечника содержатся пакеты, между которыми размещены U-образные охлаждающие каналы, отличающийся тем, что между радиальными охлаждающими каналами и U-образными охлаждающими каналами введены дополнительные радиальные охлаждающие каналы и аксиальные надпазовые каналы, образованные в пазах сердечника поверхностями пазовых клиньев, поверхностями стенок пазов и поверхностью заглушек, закрывающих пазы со стороны внутренней поверхности сердечника в зоне расположения аксиальных надпазовых каналов, причем радиальные охлаждающие каналы выполнены открытыми со стороны наружной и внутренней поверхности сердечника, U-образные охлаждающие каналы и дополнительные радиальные каналы выполнены открытыми со стороны наружной поверхности сердечника, выходы U-образных охлаждающих каналов выполнены сообщающимися с зоной лобовых частей обмотки статора, а аксиальные надпазовые каналы выполнены с возможностью сообщения с дополнительными радиальными каналами, с выходами радиальных охлаждающих каналов и зоной расположения стержней обмотки статора при выходе из пазов.