СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к электромашиностроению, а именно, к конструкции статора турбогенератора с газовым охлаждением.
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.
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.
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).
В известном изобретении решается задача повышения эффективности охлаждения обмотки и стали сердечника статора, а также нажимных плит сердечника статора.
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.
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.
Основной задачей создания полезной модели является повышение эффективности охлаждения обмотки с косвенным газовым охлаждением при выходе из пазов сердечника статора со скошенными крайними пакетами.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами.
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).
На фиг. 2 изображен фрагмент радиального сечения нажимной плиты вид А.
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.
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.
Сердечник 2 содержит нажимные плиты 6, установленные с обеих сторон сердечника 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.
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.
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.
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.
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.
Охлаждающие каналы 8 сообщаются с радиальными охлаждающими каналами 5 крайних пакетов и выполнены открытыми со стороны лобовых частей обмотки статора 3.
В турбогенераторах применяются нагнетательные или вытяжные схемы вентиляции. Входы в охлаждающие каналы и выходы из них определяются схемой вентиляции.
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).
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.
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).
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.
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.
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.
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.