Статор электрической машины с жидкостным охлаждением магнитопровода

Изобретение относится к области электромашиностроения. Статор электрической машины содержит магнитопровод в виде тороида прямоугольного сечения из ферромагнитного материала с установленной на нем обмоткой и кольцеобразные нажимные элементы корпуса, расположенные с обеих торцевых сторон магнитопровода, а также устройство, соединяющее нажимные элементы, и кольцевую охлаждающую камеру, охватывающую статор с внешней стороны и заполненную охлаждающей жидкостью с ее охлаждением во внешнем теплообменнике, магнитопровод выполнен монолитным. Нажимные элементы корпуса герметически соединены с магнитопроводом и снабжены цилиндрической оболочкой с внутренним диаметром больше наружного диаметра магнитопровода. Оболочка герметически соединена с указанными нажимными элементами по их периметру, образуя охлаждающую камеру тороидальной формы прямоугольного сечения. Магнитопровод может быть выполнен в виде склеенного аксиально шихтованного пакета из листовой электротехнической стали или из аморфного ферромагнитного материала. Циркуляционное жидкостное охлаждение развитой поверхности магнитопровода обеспечивает наибольшую из практически возможных теплотехническую эффективность предложенной системы его внешнего охлаждения, чем простота и надежность предложенной системы жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области электромашиностроения и касается устройства жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины с общим воздушным охлаждением осевой продувкой и охлаждением жидкости во внешнем теплообменнике.

Жидкостное охлаждение магнитопровода статора электрических мамин известно. Предложенные системы могут быть объединены в следующие группы:

а) непосредственное охлаждение в составе объединенной системы, образуемой заполнением хладоагентом объема активной части статора или всего внутреннего объема машины;

б) косвенное охлаждение - через стенку корпуса машины при помощи охлаждающей камеры, окружающей корпус над магнитопроводом;

в) то же - через систему встроенных в тело магнитопровода теплоотводящих элементов;

г) комбинированное охлаждение - сочетанием элементарных схем из состава перечисленных.

Далее приведен краткий анализ наиболее характерных систем указанных типов.

A.1. Известна система непосредственного жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины в составе объединенной гидросистемы с заполнением хладоагентом объема активной части статора. Этот объем образован с помощью сплошной цилиндрической перегородки, помещенной в расточку статора в зазор между ротором и статором и герметично соединенной с подшипниковыми щитами. Гидросистема имеет по два кольцевых концентрических коллектора, размещенных внутри машины у подшипниковых щитов. На внутренний из них подается холодная жидкость, которая, пройдя аксиально по специальным каналам через обмоточную часть и сквозь магнитопровод, возвращается - и также в осевом направлении - к наружным коллекторам, откуда уходит во внешний теплообменник (Авт. свид. СССР № 1453526, кл. Н 02 К 9/19).

Главный недостаток такой системы - наличие массивной перегородки с коническим утолщением на одном конце в рабочем зазоре магнитной системы, что при одинаковом воздушном зазоре соответственно увеличивает магнитный. Это требует увеличения н.с. обмоток и, следовательно, увеличивает все и габариты машины. Для электрических машин многих типов (например, асинхронных) такое конструктивное решение нерационально. Общая сложность конструкции делает ее практически неремонтопригодной. Поэтому, несмотря на высокую теплоотдачу в охлаждающую систему, применение обсуждаемой конструкции представляется неполезным.

А.2. Известна аналогичная система с заполнением жидким хладоагентом всего внутреннего объема машины. Основные элементы этого объема - торцевые камеры - расположены между торцами ротора и соответствующими внутренними поверхностями подшипниковых щитов. Инициирует аксиальную циркуляцию хдадоагента вал машины с центральным каналом, имеющим выходы через радиальные отверстия в указанные камеры. Замыкается контур циркуляции по аксиальным каналам в магнитопроводе статора и кольцевому зазору между статором и ротором по расточке (Авт. свид. СССР № 900372, кл. Н 02 К 9/19).

На этой части контура циркуляции охлаждение магнитопровода статора возможно с большой теплоотдачей в охлаждающую жидкость. Однако теплотехническая эффективность данной системы охлаждения в целом низка из-за очевидно слабой нагнетательной способности вала-циркулятора. Замкнутая принудительная циркуляция внутри машины дополнительно нагревает охлаждающую жидкость, т.е. она сама становится источником тепла. Отвод же тепла от нее во внешнюю среду возможен здесь только через корпус машины и потому не может быть большим. Сохраняется общая для систем охлаждения рассматриваемого типа проблема герметизации подшипниковых узлов. Аксиальные охлаждающие отверстия в магнитопроводе непродуктивно увеличивают радиальный размер сечения ярма.

С таким перечнем недостатков применение рассмотренной системы жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины нецелесообразно.

Б. Косвенное жидкостное охлаждение магнитопровода статора электрических машин через стенку корпуса, в которую впрессован магнитопровод, применяется наиболее часто, что обусловлено возможностью использования немонолитного магнитопровода (обычно аксиально шихтованного из листов электротехнической стали и непроклеенного) и конструктивной простотой охлаждающей рубашки.

Классическими примерами таких систем могут быть изобретения:

а) асинхронный двигатель (авт. свид. СССР № 146850, кл. Н 02 К 6/12, Н 02 К 9/19);

б) экранированный электродвигатель (авт. свид. СССР № 1566443, кл. Н 02 К 9/19).

Их общий крупный недостаток - низкая теплотехническая эффективность, свойственная, как известно, всем системам косвенного охлаждения.

К такому же типу жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины относится известная схема водяного охлаждения асинхронной машины (Филиппов И.Ф. Вопросы охлаждения электрических машин, М. - Л., "Энергия", 1964. Стр.21, рис.2-12). Она применяется, в основном, на крупных машинах. В них прессовая установка магнитопровода в корпусе затруднительна или невозможна. Из-за этого магнитопровод статора размещается в расточке корпуса с монтажным зазором, что еще больше увеличивает термическое сопротивление на пути охлаждающей теплопередачи через корпус.

В. Косвенное жидкостное охлаждение магнитопровода статора электрических машин через систему встроенных в тело магнитопровода теплоотводящих элементов выполняется в виде системы трубок из теплопроводного материала (металл), по который циркулирует хладоагент (вода), охлаждаемый во внешнем теплообменнике. Трубки размещаются в охладительных каналах магнитопровода по аксиальной или радиальной схемам (см. Филиппов И.Ф., Вопросы охлаждения электрических машин, М. - Л., "Энергия", 1964, Стр.197-199).

Важнейший недостаток указанных систем косвенного охлаждения - низкая теплотехническая эффективность, что характерно, как уже отмечалось, для всех систем косвенного охлаждения. Конструкция рассматриваемых систем сложна. Поэтому они находят лишь ограниченное применение, в основном, для охлаждения магнитопроводов статоров крупных турбогенераторов, где такое техническое решение в ряде случаев оказывается вынужденным.

Г. Примером системы с комбинированным жидкостным охлаждением магнитопровода статора может служить электрическая машина, в которой непосредственное охлаждение магнитопровода осуществляется в среде охлаждающей жидкости, заполняющей весь внутренний объем машины, а косвенное - через стенку корпуса, охлаждаемую снаружи жидкостью с помощью специальной рубашки. (авт. свид. СССР № 1718342, кл. Н 02 К 9/19).

Суммирование в стой системе охлаждающего эффекта подсистем-элементов одновременно определяет и сочетание их недостатков. Они рассмотрены ранее и, как показано, весьма значительны.

Приведенный краткий анализ наиболее характерных известных систем жидкостного охлаждения магнитопроводов статоров электрических машин показывает:

а) известные системы непосредственного охлаждения могут быть теплотехнически весьма эффективными, но всегда сложны, поэтому их применение ограничено;

б) системы косвенного охлаждения через стенку корпуса просты и надежны, однако теплотехнически малоэффективны.

Преодоление этого противоречия видится в непосредственном охлаждении магнитопровода статора с его внешней поверхности, что определяет сочетание простоты и надежности с высокой теплотехнической эффективностью. Однако непременное условие реализации этой идеи - монолитность тела магнитопровода, а также герметичность его соединения с несущими конструкциями корпуса машины. Основа такого технического решения - применение СФАМ (слоистый ферромагнитный анизотропный материал), например, в виде склеенного под прессом пакета листов электротехнической стали.

Наиболее рациональной исходной конструктивной схемой для разработок в указанном направлении следует, по-видимому, признать вариант водяного охлаждения асинхронной машины, рассмотренный ранее (см. выше п.Б). По сочетанию существенных признаков он ближе всех остальных к заявляемому техническому решению. Поэтому его можно принять, как прототип.

Задача изобретения - создание теплотехнически эффективной и в то же время простой и надежной системы жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины.

Это достигается тем, что статор электрической машины содержит активную часть в виде тороида прямоугольного сечения из ферромагнитного материала (магнитопровода) с установленной на нем обмоткой и кольцеобразные нажимные элементы корпуса, расположенные с обеих торцевых сторон активной части, а также устройство, соединяющее нажимные элементы, и кольцевую охлаждающую камеру, охватывающую статор с внешней стороны и заполненную охлаждающей жидкостью с ее охлаждением во внешнем теплообменнике. Магнитопровод выполнен монолитным. Нажимные элементы корпуса герметически соединены с магнитопроводом и снабжены цилиндрической оболочкой с внутренним диаметром больше наружного диаметра магнитопровода. Оболочка герметически соединена с указанными нажимными элементами по их периметру, образуя охлаждающую камеру тороидальной формы прямоугольного сечения.

Такое общее конструктивное решение содержит в себе возможность осуществления ряда вариантов, каждый из которых обладает своими специфическими полезными свойствами. Из этих вариантов основные могут быть объединены в группы конструктивных исполнений: по магнитопроводу, связям между нажимными элементами и выполнению охлаждающей камеры.

1. По магнитопроводу указанные варианты характеризуются следующими признаками:

а) магнитопровод выполнен в виде склеенного аксиально шихтованного пакета из листовой электротехнической стали; для этого может быть также применен аксиально пакетированный СФАМ (слоистый ферромагнитный анизотропный материал). Особенность данного варианта - в сочетании высоких электротехнических качеств и простого конструктивно-технологического обеспечения монолитности тела магнитопровода при исключении протекания через него хладоагента из охлаждающей камеры во внутренний объем машины, а также герметичности соединения магнитопровода с нажимными элементами корпуса машины. В результате магнитопровод образует таким путем внутреннюю цилиндрическую поверхность тороидального объема - камеры, заполненной охлаждающей жидкостью;

б) магнитопровод выполнен из аморфного ферромагнитного материала;

в) поверхность магнитопровода, омываемая охлаждающей жидкостью, выполнена оребренной.

2. По связи между нажимными элементами наибольшее практическое значение имеют варианты:

а) устройство, соединяющее кольцеобразные нажимные элементы, выполнено в виде системы аксиально ориентированных стержневых элементов (болтов, шпилек, заклепок) или планок, расположенных по периметру статора внутри охлаждающей камеры или вне ее;

б) кольцеобразные нажимные элементы соединены гильзой из прочного теплопроводного материала (например, конструкционном стали), в которую может быть запрессован магнитопровод, причем указанная гильза имеет отверстия, через которые осуществляется непосредственный контакт магнитопровода с хладоагентом;

в) оболочка охлаждающей камеры выполнена в качестве несущей конструкции, соединяющей кольцеобразные нажимные элементы (например, в виде стального кольца, сваренного прочно-плотными швами с нажимными элементами по их периметру), чем может быть достигнута значительная экономия веса за счет исключения из конструкции машины специальных устройств силовом связи нажимных элементов.

3. Выполнение охлаждающей камеры секционированной с независимой циркуляцией хладоагента в секциях дает возможность максимально усилить теплоотвод от магнитопровода за счет контакта его большей части с ненагретым хладоагентом. Обеспечивается также наиболее равномерное охлаждение.

Благодаря перечисленным отличительным признакам предлагаемого устройства системы жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины достигается цель изобретения в обеих ее ранее указанных составляющих задачи. Это видно из следующего.

Внешняя цилиндрическая поверхность тороида магнитопровода статора имеет наибольшую площадь из составляющих его поверхность. В предлагаемой конструкции статора она свободна, поэтому без какого бы то ни было негативного влияния на конструктивные параметры статора она может быть увеличена в несколько раз оребрением, размещаемым в охлаждающей камере. Циркуляционное жидкостное охлаждение этой развитой поверхности магнитопровода беспечивает наибольшую из практически возможных теплотехническую эффективность предложенной системы его внешнего охлаждения.

В предложенном устройстве применены конструктивные элементы простой геометрической формы, изготовляемые по простым и хорошо освоенным технологическим процессам. Связи между конструктивными элементами устройства также хорошо изучены и практически проверены в общем машиностроении. Нет мелких ответственных деталей. Этим обеспечивается решение второй составляющей задачи изобретения - простота и надежность предложенной системы жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины.

На фиг.1 показан статор электрической машины с жидкостным охлаждением магнитопровода (продольный разрез), вариант с герметичным аксиально шихтованным магнитопроводом, запрессованным в гильзу с отверстиями;

на фиг.2 - то же, что на фиг.1, вариант с использованием оболочки охлаждающей камеры в качестве несущей конструкции, соединяющей кольцеобразные нажимные элементы;

на фиг.3 показана схема развертки поверхности оребрения внешней поверхности магнитопровода в секции охлаждающей камеры и потока хладоагента в ней, вариант продольного (по оси машины) оребрения;

на фиг.4 приведены развертки окружного профиля пакетов аксиально шихтованного магнитопровода, образующих систему его оребрения по фиг.3;

на фиг.5 - то же, что на фиг.3, вариант поперечного (относительно оси машины) оребрения с системой параллельных потоков;

на фиг.6 - то же, что на фиг.4, для системы оребрения по фиг.5;

на фиг.7 - то же, что на фиг.6, с системой последовательных потоков;

на фиг.8 - то же, что на фиг.4, для системы оребрения по фиг.7.

Предлагаемый статор электрической машины содержит активную часть в виде тороида прямоугольного сечения из ферромагнитного материала (магнитопровода) 1 с установленной на нем обмоткой 2 и кольцеобразные нажимные элементы 3 и 4 корпуса машины, расположенные с обеих торцевых сторон активной части и связанные между собой соединительным устройством. Статор снабжен кольцевой охлаждающей камерой 5, охватывающей статор с внешней стороны по всему его периметру. Охлаждающая камера 5 заполнена хладоагентом (например, трансформаторным маслом или водой) с его охлаждением во внешнем теплообменнике, с которым камера 5 связана циркуляционными трубопроводами.

Магнитопровод 1 выполнен монолитным. Нажимные элементы 3 и 4 корпуса машины герметически соединены с магнитопроведом 1 и снабжены цилиндрической оболочкой 6 с внутренним диаметром больше наружного диаметра магнитопровода 1. Оболочка 6 герметически соединена с указанными нажимными элементами 3 и 4 по их периметру, образуя охлаждающую камеру 5 тороидальной формы прямоугольного сечения.

Устройство связи между кольцеобразными нажимными элементами 3 и 4 корпуса машины, образующее статор, как механически единое целое, может иметь три основных исполнения:

а) в виде системы аксиально ориентированных стержневых элементов (болтов, шпилек, заклепок) или планок, соединенных концами с нажимными элементами 3 и 4, расположенных по периметру статора внутри охлаждающей камеры 5 или вне ее;

б) в виде гильзы 7 (фиг.1) с отверстиями 8, через которые осуществляется непосредственный контакт хладоагента с магнитопроводом 1, причем указанная гильза 7 может быть установлена с напрессовкой на магнитопровод 1 или с зазором относительно его наружной поверхности;

в) с использованием оболочки 6 охлаждающей камеры 5 в качестве силовой связи 9 (фиг.2) - конструктивно наиболее простой вариант с наименьшим общим количеством деталей.

При всех трех основных исполнениях магнитопровода 1 - аксиально шихтованным из листов электротехнической стали и склеенным, из аморфного ферромагнитного материала и СФАМ - возможно выполнение его омываемой хладоагентом поверхности оребренной. По конструктивным соображениям оно наиболее эффективно при использовании оболочки 6 охлаждающей камеры 5 в качестве несущей конструкции 9 статора (фиг.2), а также при выполнении камеры 5 секционированной в виде чередующихся по окружности наружной поверхности магнитопровода 1 камер-секций.

Особенно просто и с большим количеством вариантов указанное оребрение магнитопровода 1 возможно при его изготовлении аксиально шихтованным и склеенным, а также при применении листового СФАМ. В этом случае необходимо общий пакет набирать из промежуточных, имеющих одинаковый внутренний контур, но различную форму наружного. Толщина таких промежуточных пакетов в общем случае также различна.

Основные схемы организации потоков хладоагента в каналах камер-секций при указанном оребрении магнитопровода 1 и конструктивные условия их получения показаны на фиг.3-8.

Продольное (по оси машины) оребрение магнитопровода 1 (фиг.3) в этом варианте конструктивно выполнено чередованием промежуточных пакетов шихтованного и склеенного магнитопровода 1, имеющих три формы наружного контура (фиг.4, последовательно сверху вниз): пакета, смежного с нажимным элементом 3, среднего и смежного с нажимным элементом 4. В результате продольными ребрами 10 охлаждающая камера 5 разделяется на секции и вместе с продольными ребрами второго типа 11 образуется система каналов, создающая поток хладоагента (показан стрелками на фиг.3; аналогичное обозначение принято также на фиг.6 и 7), последовательно омывающий всю охлаждаемую поверхность магнитопровода 1 в пределах секции камеры 5.

Поперечное (относительно оси машины) оребрение магнитопровода 1 в охлаждающей камере 5 выполнимо и практически целесообразно в двух основных формах; параллельной (фиг.5 и 6) и последовательной (фиг.7 и 8) систем организации потоков хладоагента в секции.

При схеме параллельных потоков (фиг.5) необходимая конфигурация каналов на охладительном поле секции образуется использованием промежуточных пакетов всего двух типов, так как пакеты, смежные с нажимными элементами 3 и 4, в этом случае одинаковы (верхний профиль фиг.6). Они входят в продольные ребра 10, разделяющие секции, как и в схеме продольного оребрения (фиг.3). Поэтому необходим лишь один промежуточный пакет для образование поперечных ребер 12 (фиг.5), формирующих основные в данной схеме каналы для хладоагента (нижний профиль фиг.6).

Для создания сети каналов на охладительном поле секции при схеме последовательных потоков (фиг.7) необходимы, как при продольном оребрении (фиг.3), промежуточные пакеты с продольным профилем трех форм (фиг.8, последовательно сверху вниз); одинаковых пакетов, смежных с нажимными элементами 3 и 4, и двух средних (условно - левого и правого профилей), образующих соответственно поперечные ребра 13 и 14. Здесь также продольными ребрами 10 охлаждающая камера 5 разделяется на секции. Эти ребра вместе с ребрами левого 13 и правого 14 профилей в данной схеме формируют каналы для хладоагента.

Все рассмотренные основные варианты оребрения охлаждаемой поверхности магнитопровода 1 выполнимы простейшими конструктивно-технологическими средствами. Они практически не требуют увеличения габаритов машины. В то же время теплотехническая полезность их во всех случаях весьма велика. Так, можно показать, что при высоте ребра, равной шагу оребрения, площадь поверхности магнитопровода 1, омываемая охлаждающей жидкостью, может быть увеличена в 2,5-3 раза. Поэтому выбор варианта оребрения должен определяться возможностями его производственного осуществления.

Для эффективной работы предлагаемой гидросистемы жидкостного охлаждения магнитопровода статора электрической машины достаточно обеспечить интенсивную и устойчивую циркуляцию хладоагента в системе без газовых включений. По характеру работы она не отличается от систем жидкостного охлаждения с принудительной циркуляцией других электроэнергетических объектов - турбогенераторов, трансформаторов и т.п. и имеет, в общем, такие же теплотехнические характеристики. При рациональном оребрении непосредственно охлаждаемой жидкостью поверхности магнитопровода машины они могут быть лучше.

1. Статор электрической машины с жидкостным охлаждением магнитопровода, содержащий магнитопровод в виде тороида прямоугольного сечения из ферромагнитного материала с установленной на нем обмоткой, кольцеобразные нажимные элементы корпуса с обеих торцевых сторон магнитопровода, устройство, соединяющее нажимные элементы, и кольцевую охлаждающую камеру, охватывающую статор с внешней стороны и заполненную охлаждающей жидкостью с ее охлаждением во внешнем теплообменнике, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен монолитным, нажимные элементы корпуса герметически соединены с магнитопроводом и снабжены цилиндрической оболочкой с внутренним диаметром больше наружного диаметра магнитопровода, герметически соединенной с указанными нажимными элементами по их периметру, образуя охлаждающую камеру тороидальной формы прямоугольного сечения.

2. Статор по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде склеенного аксиально шихтованного пакета из листовой электротехнической стали.

3. Статор по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из аморфного ферромагнитного материала.

4. Статор по п.1, отличающийся тем, что поверхность магнитопровода, омываемая охлаждающей жидкостью, выполнена оребренной.

5. Статор по п.1, отличающийся тем, что устройство, соединяющее кольцеобразные нажимные элементы, выполнено в виде системы аксиально ориентированных стержневых элементов, расположенных по периметру статора внутри охлаждающей камеры или вне ее.

6. Статор по п.1, отличающийся тем, что кольцеобразные нажимные элементы соединены гильзой, в которую может быть запрессован магнитопровод, причем указанная гильза имеет отверстия.

7. Статор по п.1, отличающийся тем, что оболочка охлаждающей камеры выполнена в виде несущей конструкции, соединяющей кольцеобразные нажимные элементы.

8. Статор по п.1, отличающийся тем, что охлаждающая камера выполнена секционированной.