СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ELECTRICAL MACHINE STATOR

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к электрическим машинам с газовым охлаждением, например турбогенераторам.
Известна конструкция и система газового охлаждения статора электрической машины, описанная в изобретении «Способ газового охлаждения электрической машины и электрическая машина» (патент РФ №2267214, Н02К 9/04, опубл. 20.08.2005 г.). В рассматриваемой конструкции электрической машины использована система вентиляции с замкнутым циклом. Предлагаемая конструкция решает задачу повышения интенсивности охлаждения обмотки и сердечника статора электрической машины. Сердечник статора состоит из шихтованных пакетов, между которыми расположены радиальные вентиляционные каналы, образованные дистанционными распорками. На внутренней поверхности расточки сердечника статора закреплена кольцевая оболочка, образующая канал. Края кольцевой оболочки, выполненной из немагнитного материала, закреплены наглухо с обеих сторон. Кольцевая оболочка охватывает радиальные вентиляционные каналы средней части сердечника и, по меньшей мере, такое же количество радиальных вентиляционных каналов крайних частей сердечника статора, прилегающих с обеих сторон к средней части сердечника статора. Остальные радиальные вентиляционные каналы крайних частей сердечника статора сообщаются с воздушным зазором между статором и ротором электрической машины.
При таком конструктивном решении интенсивность охлаждения средней части сердечника и обмотки статора снижается, поскольку уменьшается расход газа через эту зону сердечника из-за существенного возрастания аэродинамического сопротивления для прохода газа. Потоку охлаждающего газа приходится дополнительно преодолевать значительное сопротивление для прохода из канала, образованного кольцевой оболочкой, в радиальные каналы.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является конструкция, описанная в изобретении «Статор электрической машины» (патент на изобретение РФ №2350006, опубл. 20.03.2009, Бюл. №8). В данном изобретении статор электрической машины с газовой системой вентиляции содержит корпус, сердечник, воздуховоды, камеры низкого давления и камеру высокого давления. Камеры низкого давления расположены в зоне лобовых частей обмотки статора, а камера высокого давления расположена в пространстве между корпусом и сердечником. Сердечник состоит из шихтованных пакетов с аксиальными сквозными отверстиями, выполненными по высоте зубцов, и радиальных вентиляционных каналов, сообщающихся с камерами высокого и низкого давления. Вентиляционные каналы образованы дистанционными распорками, которые прикреплены к шихтованным пакетам сердечника. Все вентиляционные каналы закрыты со стороны расточки сердечника статора. В камере высокого давления на наружной поверхности сердечника по всей его длине с шагом через одно зубцовое деление размещены воздуховоды, которые с одной стороны сообщаются с камерой низкого давления, а с другой стороны - с вентиляционными каналами сердечника. В зоне зубцов сердечника дистанционные распорки установлены с обеспечением смещения потока охлаждающего газа в аксиальном направлении через сквозные отверстия, выполненные в шихтованном пакете по высоте зубца, в соседний вентиляционный канал. В зоне ярма сердечника дистанционные распорки установлены с обеспечением прохода потока охлаждающего газа из камеры высокого давления в зону зубцов по четным вентиляционным каналам, а по нечетным вентиляционным каналам - из зоны зубцов в воздуховоды.
Предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность охлаждения обмотки и сердечника статора. Недостатком данной конструкции является возрастание при работе электрической машины температуры охлаждающего газа в зазоре между статором и ротором, поскольку все вентиляционные каналы сердечника закрыты со стороны расточки и в зазоре циркулирует охлаждающий газ только из каналов ротора.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение охлаждения обмотки и зубцов статора за счет снижения температуры охлаждающего газа в зазоре между статором и ротором при работе электрической машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что статор электрической машины с газовой системой вентиляции содержит корпус, в котором размещен сердечник с уложенной обмоткой, камеру высокого давления, камеры низкого давления, воздуховоды и радиальные вентиляционные каналы. Камеры низкого давления расположены в зоне лобовых частей обмотки статора, а камера высокого давления расположена в пространстве между корпусом и сердечником. На наружной поверхности сердечника размещены воздуховоды, которые с одной стороны сообщаются с камерой низкого давления. Сердечник состоит из шихтованных пакетов, между которыми расположены вентиляционные каналы. Вентиляционные каналы образованы распорками. Вентиляционные каналы объединены в группы, которые чередуются между собой относительно плоскости симметрии сердечника статора.
Одна группа состоит из вентиляционных каналов, которые закрыты со стороны расточки сердечника. Распорки в этих каналах в зоне зубцов установлены с обеспечением смещения потока охлаждающего газа в аксиальном направлении в соседний вентиляционный канал через отверстия, расположенные по высоте зубцов. В зоне ярма распорки установлены с обеспечением прохода потока охлаждающего газа в четных вентиляционных каналах из камеры высокого давления в зубцовую зону, а в нечетных вентиляционных каналах из зубцовой зоны в воздуховоды.
В другой группе вентиляционных каналов распорки установлены с обеспечением прохода охлаждающего газа из камеры высокого давления в канал. Канал выполнен в виде кольцевой оболочки и закреплен на внутренней поверхности расточки сердечника статора. Кольцевая оболочка охватывает выходы вентиляционных каналов этой группы. Канал имеет выход для охлаждающего газа со стороны ближайшей камеры низкого давления.
Новым в заявляемой конструкции является чередование между собой, относительно плоскости симметрии сердечника статора, двух групп вентиляционных каналов:
- в одной из групп прохождение охлаждающего газа по вентиляционным каналам статора электрической машины организовано согласно изобретению, описанному в патенте РФ №2350006;
- в другой группе вентиляционных каналов распорки установлены с обеспечением прохода охлаждающего газа из камеры высокого давления в канал, образованный кольцевой оболочкой, закрепленной на внутренней поверхности расточки сердечника, наглухо закрытый только с одной стороны, имеющий выход в воздушный зазор между статором и ротором со стороны ближайшей камеры низкого давления и охватывающий выходы этих вентиляционных каналов.
В заявляемой конструкции используются преимущества охлаждения обмотки и зубцов сердечника статора электрической машины, которое организовано согласно изобретению по патенту РФ №2350006, в совокупности с преимуществами охлаждения, при котором охлаждающий газ из вентиляционных каналов статора выходит в канал на расточке, образованный кольцевой оболочкой, и далее в воздушный зазор между статором и ротором. При этом канал наглухо закрыт только с одной стороны и имеет выход в воздушный зазор между статором и ротором со стороны ближайшей к нему камеры низкого давления. Использование такого канала позволяет решить задачу изолирования встречных потоков газа, выходящего из каналов статора и ротора в воздушный зазор между статором и ротором. Таким образом, в воздушном зазоре между статором и ротором циркулирует охлаждающий газ не только из вентиляционных каналов ротора, но и из вентиляционных каналов статора. За счет этого достигается снижение температуры охлаждающего газа в зазоре между статором и ротором.
В целом изобретение позволяет решить задачу повышения эффективности охлаждения обмотки и зубцов статора электрической машины за счет снижения температуры охлаждающего газа в воздушном зазоре между статором и ротором при работе электрической машины.
На чертеже представлен продольный разрез активной зоны статора электрической машины для одного из вариантов чередования групп вентиляционных каналов относительно плоскости симметрии сердечника статора.
Статор электрической машины содержит корпус 1, в котором размещен сердечник 2. Сердечник 2 состоит из шихтованных пакетов 3 и радиальных вентиляционных каналов. В пространстве между корпусом 1 и сердечником 2, являющимся камерой высокого давления 4, размещены воздуховоды 5, которые занимают часть высоты камеры высокого давления 4. Воздуховоды 5 присоединены входными окнами к поверхности сердечника 2 и сообщаются с камерой низкого давления, расположенной в зоне лобовых частей обмотки (на чертеже не показано). Воздуховоды 5 имеют длину, равную длине сердечника 2, а их боковые стенки, образующие входные окна, размещены по осям симметрии соседних зубцов сердечника 2 через одно зубцовое деление. Между пакетами 3 сердечника 2 расположены радиальные вентиляционные каналы, которые образованы дистанционными распорками. Вентиляционные каналы объединены в группы 6 и 7.
Вентиляционные каналы группы 6 сообщаются с камерой высокого давления 4 и через воздуховоды 5 с камерой низкого давления (на чертеже не показано). Вентиляционные каналы группы 6 закрыты со стороны расточки сердечника 2 тангенциальными распорками 8. В зоне зубцов дистанционные распорки установлены с обеспечением смещения потока охлаждающего газа в аксиальном направлении в соседний вентиляционный канал через сквозные отверстия 9, которые распределены по высоте зубцов. В зоне ярма дистанционные распорки установлены с обеспечением прохода потока охлаждающего газа в четных вентиляционных каналах из камеры высокого давления 4 в зубцовую зону, а в нечетных вентиляционных каналах из зубцовой зоны в воздуховоды 5. С вариантами примеров конкретного расположения дистанционных распорок можно ознакомиться в изобретении патент РФ №2350006.
Вентиляционные каналы группы 7 сообщаются с камерой высокого давления 4 и с каналом 10. Канал 10 представляет собой кольцевую оболочку 11, выполненную из немагнитного материала и закрепленную на внутренней поверхности расточки сердечника 2. В электрической машине канал 10 располагается в воздушном зазоре 12 между сердечником 2 и ротором 13. Канал 10 с одной стороны закрыт, а с другой стороны имеет выход 14 в воздушный зазор 12. Выход 14 расположен со стороны ближайшей камеры низкого давления.
По длине сердечника 2 статора вентиляционные каналы группы 6 и 7 чередуются между собой относительно плоскости симметрии 15 сердечника статора.
При работе электрической машины поток охлаждающего газа из охладителей статора поступает в камеру высокого давления 4, а из камеры высокого давления 4 проходит между воздуховодами 5 в четные вентиляционные каналы группы 6 и в вентиляционные каналы группы 7. Из четных вентиляционных каналов группы 6 через аксиальные сквозные отверстия 9 охлаждающий газ попадает в соседние (нечетные) вентиляционные каналы группы 6. Далее охлаждающий газ перемещается по нечетным вентиляционным каналам группы 6 и по воздуховодам 5 попадает в камеру низкого давления (на чертеже не показаны). А из вентиляционных каналов группы 7 охлаждающий газ попадает в канал 10, образованный кольцевой оболочкой 11, и далее через выход 14 в воздушный зазор 12. Из воздушного зазора 12 охлаждающий газ попадает в ближайшую к выходу 14 из канала 10 камеру низкого давления. Из камеры низкого давления охлаждающий газ поступает на охладители статора и ротора.