Катушка магнитной системы статора явнополюсной электрической машины

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромашиностроении в явнополюсных электрических машинах. Технический результат заключается в повышении кпд за счет повышения плотности тока в обмотках за счет улучшения теплоотвода. Катушка магнитной системы статора выполнена намоткой плоской шины прямоугольного сечения на широкое ребро. На лобовых частях имеются воздушные зазоры между внутренним витком и торцом магнитопровода полюса, большие толщины корпусной изоляции, и воздушные зазоры между всеми смежными витками лобовой части катушки, большие толщины витковой изоляции. В зазорах между витками в продольной плоскости симметрии катушки установлены дистанционные прокладки из твердого изолирующего материала с толщиной, равной зазорам между витками в этой плоскости, и шириной значительно меньше ширины полюса, соединенные склеиванием с поверхностями смежных витков. Пакет конструктивных элементов, состоящий из лобовых частей витков катушки и дистанционных прокладок между ними, скреплен в продольной плоскости симметрии катушки бандажом из прочного на растяжение неэлектропроводного материала. Прокладки выполнены Н-образной формы с высотой перекладины, равной ширине шины, и с общей высотой больше нее на удвоенный размер толщины бандажа между образованными указанным способом выступами. В результате все четыре стороны прямоугольного сечения каждого проводника в пределах лобовой части катушки образуют непосредственно охлаждаемые продувочным воздухом поверхности. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению и касается конструкции катушек полюсов прямоугольной формы статора явнополюсных электрических машин.

Данная разработка относится к конструкции полюсных катушек, выполненных намоткой плоской шины прямоугольного сечения на широкое ребро (плашмя).

Катушки такого типа известны [см., например: Бочаров В.И. и др. Магистральные электровозы (Электрические машины и трансформаторное оборудование электровозов). М., Машиностроение, 1968. Стр.11, рис.7]. Их большое достоинство - простота: конструкции, технологии изготовления, монтажа и ремонта. Этим обеспечивается наименьшая строительная стоимость, надежность в эксплуатации, высокая ремонтопригодность.

Однако такой конструкции полюсных катушек при их обычном исполнении беззазорной намоткой присущ важный недостаток - низкое соотношение охлаждаемой поверхности и тепловыделяющего объема проводников. Это ограничивает возможность повышения плотности тока в них по температуре изоляции и, как следствие, обусловливает сравнительно невысокое использование меди обмотки.

В то же время такая катушка, как пространственная механическая система, отличается чрезвычайно неодинаковыми значениями жесткости и прочности на изгиб относительно осей симметрии сечения несущих элементов - проводников. Для общепринятого в таких катушках прямоугольного сечения отношение моментов сопротивления равно отношению сторон сечения, отношение моментов инерции - его квадрату. Так, у шины 5×50 моменты сопротивления сечения различаются в 10 раз, моменты инерции в 100 раз.

Как показал анализ, эта особенность содержит в себе возможность создания практически в прежних габаритах конструкции катушки с резко (в несколько раз) увеличенной поверхностью теплоотвода, используя при этом простейшие и технологически легко осуществимые средства. Все остальные аналоги заявляемого устройства (см. ниже) такой возможности не содержат. Они имеют в своих конструкциях лишь отдельные известные полезные элементы, используемые, в частности, в данной разработке - и, представляется, потому должны быть включены в анализ. Поэтому рассматриваемый здесь первый аналог может быть принят в ней, как объект усовершенствования - прототип.

Одно из известных основных средств улучшения указанного (см. выше) соотношения охлаждаемой поверхности и тепловыделяющего объема проводников для катушек рассматриваемого типа - секционирование, в частности, по продольной оси полюса (Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. M.-Л. Госэнергоиздат, 1968. Стр.97, рис.2-86; см. также стр.339, рис.10-3.). Ясно, что теплотехническая полезность этой меры не может быть значительной. Конструкция же катушки в целом резко усложняется. Существенно увеличивается важнейший - радиальный - размер машины. Поэтому на практике более предпочтительным остается рассмотренный выше простейший вариант - однорядная несекционированная катушка (прототип).

Вторая известная общая идея увеличения теплоотвода от катушек явнополюсных электрических машин рассматриваемой конфигурации - путем увеличения охлаждаемой поверхности лобовых частей катушек.

Эта идея практически реализуется расслоением лобовых частей катушек с образованием преимущественно радиальных продуваемых каналов при сохранении монолитности рабочей части катушки.

Приведем наиболее характерные примеры.

А. Известны предложения улучшить теплоотвод многовитковых катушек с указанной общей геометрической формой путем разделения лобовых частей в осевом направлении на отдельные сегменты, каждый из которых содержит группу из нескольких витков, - например, с аксиальным разделением прямоугольного сечения лобовой части обмотки на две группы витков, раздельно обмотанных покровной изоляцией [Алексеев А.Е. (см. выше)., Стр.44, рис.2-10, а].

Теплотехническая эффективность такой меры невелика и не компенсирует усложнение технологии изготовления катушки и увеличение расхода меди.

Б. Для проволочных катушек известна конструктивная компоновка с радиальными каналами в лобовой части, получаемая применением секционирования катушки в ее плоскости в виде двух многовитковых контуров прямоугольного сечения, вложенных один в другой с плотным прилеганием прямых сторон контуров в рабочей части катушки и с зазором между контурами в ее лобовых частях (Алексеев А.Е. ... Стр.339-340, рис.10-5). Ее теплотехническая оценка, в общем, такая же, что и в предыдущем примере.

В. Применение радиальной продувки лобовых частей катушек известно и для обмоток явнополюсных роторов электрических машин. Примером может служить катушка явнополюсного ротора, электрической машины, лобовые части которой расщеплены на слои с образованием радиальных каналов между ними (Авт. свид. СССР №1170556, кл. Н 02 К 9/19).

Однако в указанном техническом решении каждый такой слой составлен из двух элементарных слоев, каждый из которых в свою очередь содержит группу изолированных проводников прямоугольного сечения. Из-за этого почти у всех проводников непосредственно охлаждается воздухом только одна из четырех поверхностей (по сечению), и только крайние в слое проводники имеют по две охлаждаемые стороны (см. описание указанного изобретения, фиг.7). Такая схема теплоотвода лишь незначительно улучшает схему, указанную выше, и по-прежнему далека от схемы максимально возможного теплоотвода, соответствующее принципу непосредственного охлаждения всей поверхности каждого из проводников лобовой части катушки.

Все три приведенных примера увеличения теплоотвода от лобовых частей катушки рассматриваемого типа путем организации в них радиально продуваемых каналов имеют общий и важный недостаток - невозможность применения голых проводников. Это исключает указанные конструктивные решения из современных направлений поиска путей предельной интенсификации теплоотвода от проводниковых систем электрических машин.

Задача изобретения - обеспечение резкого увеличения теплоотвода от лобовых частей катушки полюса прямоугольной формы статора явнополюсной электрической машины, выполненной намоткой шины прямоугольного сечения на широкое ребро, - путем развития простыми конструктивно-технологическими мерами их охлаждаемой поверхности. Одновременно благодаря высокой теплопроводности меди обеспечивается увеличение теплоотвода от проводников не только лобовой части катушки, но и ее рабочей части, т.е. в машине в целом.

Это позволяет (совместно или альтернативно):

а) увеличить плотность тока в обмотках и, тем самым, улучшить массогабаритные характеристики машины;

б) уменьшить температуру обмоток и, тем самым,

- увеличить срок службы изоляции,

- применить изоляцию менее теплостойкую и поэтому более дешевую или технологически доступную,

- повысить кпд машины.

Решение задачи изобретения достигается выполнением лобовой части катушки с зазорами между торцом магнитопровода полюса и первым витком, а также между всеми остальными витками, - с обеспечением, при необходимости, стабильной формы лобовой части катушки дистанционными прокладками между витками, установленными в продольной плоскости симметрии катушки.

Благодаря такой общей отличительной особенности все четыре стороны прямоугольного сечения каждого проводника в пределах лобовой части катушки образуют непосредственно охлаждаемые продувочным воздухом поверхности, что соответствует схеме теоретически предельного использования наружной поверхности проводников для их охлаждения.

В соответствии с принятым в данной разработке и указанным выше общим принципом увеличения теплоотводящей поверхности лобовой части катушки магнитном системы статора явнополюсной электрической машины с полюсами прямоугольной формы, выполненной намоткой плоской шины прямоугольного сечения на широкое ребро, содержащей элементы корпусной и витковой изоляции с монолитным исполнением рабочей части катушки - поставленная задача практически решается тем, что:

а) на лобовых частях катушки предусмотрены воздушные зазоры между внутренним витком и торцом магнитопровода полюса, большие толщины корпусной изоляции и воздушные зазоры между всеми смежными витками лобовой части катушки, большие толщины витковой изоляции;

б) в зазорах между витками в продольной плоскости симметрии катушки установлены дистанционные прокладки из твердого изолирующего материала с толщиной, равной зазорам между витками в этой плоскости, и шириной значительно меньше ширины полюса, соединенные склеиванием с поверхностями смежных витков;

в) пакет конструктивных элементов, состоящий из лобовых частей витков катушки и дистанционных прокладок между ними, скреплен в продольной плоскости симметрии катушки бандажом из прочного на растяжение неэлектропроводного материала;

г) указанные прокладки выполнены ортогонально симметричной Н-образной формы с высотой перекладины, равной ширине шины, и с общей высотой, больше ее на удвоенный размер толщины бандажа, размещенного между образованными указанным способом выступами.

Приведенное общее определение заявляемого устройства допускает ряд полезных частных вариантов. Основные из них:

катушка выполнена из неизолированной (голой или с неизоляционным защитным покрытием) шины с витковой изоляцией пластинками из твердого изолирующего материала, размещенными между витками на их рабочей части и соединенными с ними склеиванием;

открытые поверхности голой шины после полной сборки катушки покрыты изоляционным или неизоляционным защитным покрытием;

катушка выполнена из изолированной шины, изоляция которой на сторону при соединении с таковой смежного витка по электрической прочности в сумме эквивалентна витковой, с соединением витков между собой на длине их соприкосновения склеиванием;

соединения прямолинейных участков рабочих частей витков и лобовых частей у всех витков выполнены с одинаковым радиусом изгиба;

соединения прямолинейных участков рабочих частей витков и лобовых частей у разных витков выполнены с неодинаковыми радиусами изгиба с их регулярным увеличением в сторону наружной поверхности лобовой части катушки.

На фиг.1 показан общий вид лобовой части предлагаемой катушки в плане - вариант с отдельными конструктивными элементами витковой изоляции и скреплением витков лобовых частей катушки бандажом с дистанционными прокладками между витками;

на фиг.2 - то же, что на фиг.1, продольный разрез (условно - только по шинам);

на фиг.3 - то же, что на фиг.1, вид узла снаружи в осевом направлении;

на фиг.4 - вариант соединения прямолинейных участков рабочих и лобовых частей всех витков катушки с одинаковым радиусом изгиба;

на фиг.5 - то же, что на фиг.4, с неодинаковыми радиусами изгиба, увеличением их в сторону наружной поверхности лобовой части катушки.

Предлагаемая катушка выполнена в виде плоской спирали, образованной непрерывной намоткой шины 1 прямоугольного сечения на широкое ребро с зазорами между витками на прямолинейной рабочей части 2 катушки, монолитно заполненными витковой изоляцией 3, с увеличенными зазорами в лобовой части, образующими радиальные каналы 4 для прохода охлаждающего воздуха, и с корпусной изоляцией 5 рабочей части 2 катушки (фиг.1). При этом для обеспечения общей электрической равнопрочности катушки аксиальный воздушный зазор t_к между внутренним витком 6 и торцом магнитопровода полюса 7 выполнен больше толщины d_к корпусной изоляции 5, а воздушные зазоры t_в между всеми смежными витками лобовой части выполнены больше толщины d_в витковой изоляции 3 на рабочей части 2 катушки.

Стабильность формы лобовой части катушки, как пространственной механической системы, обеспечивается тем, что:

а) в зазорах между витками в продольной плоскости симметрии катушки установлены дистанционные прокладки 8 (фиг.2) из твердого изолирующего материала (например, стеклотекстолита) с толщиной t_в, равной зазорам между витками в этой плоскости, и шириной S_д (фиг.3) значительно меньше ширины S_п полюса 7 (фиг.1), причем указанные дистанционные прокладки 8 соединены склеиванием с поверхностями смежных витков;

б) пакет конструктивных элементов, состоящий из лобовых частей витков катушки и дистанционных прокладок 8 между ними, дополнительно скреплен в продольной плоскости симметрии катушки бандажом 9 из прочного на растяжение неэлектропроводного материала - например, типа СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал);

в) указанные прокладки 8 выполнены ортогонально симметричной Н-образной формы с высотой перекладины 10, равной ширине h_ш шины 1, и с общей высотой Н больше ширины h_ш шины 1 на удвоенный размер толщины h_Б бандажа 9, размещенного между образованными указанным путем выступами 11.

Форма изгиба шин 1 лобовой части катушки заявляемой конструкции в условиях обычных при конструировании электрических машин осевых ограничений должна определяться без выхода за предел минимальных значений вылета лобовой части

Т=nb+(n-1)t_в+t_к+h_Б,

где n - количество витков катушки,

b - толщина шины 1, что практически невыполнимо без наличия прямолинейных участков витков лобовой части (фиг.4 и 5). При этом возможны две основные формы, по-разному влияющие на свойства (в частности, теплотехнические) лобовой части катушки:

а) с одинаковым радиусом изгиба соединения прямолинейных участков рабочих частей витков и лобовых частей у всех витков (фиг.4);

б) с неодинаковыми радиусами изгиба указанного соединения при их регулярном увеличении в сторону наружной поверхности лобовой части катушки - например, с расположением центров радиусов изгиба всех витков на одной осевой линии с центром радиуса R₁ изгиба внутреннего витка (фиг.5).

В первом случае достигается максимально возможная (в рамках ограничения осевого габарита лобовых частей катушки - см. выше) поверхность охлаждения. Упрощается технология гибки. Однако расход шины 1 на лобовую часть здесь наибольший.

Во втором случае обеспечивается минимальный вес лобовых частей обмотки, но этому соответствует наименьшая поверхность охлаждения. Технология гибки в сравнении с предыдущим случаем значительно усложняется.

Оба приведенных основных варианта формы изгиба шины 1 лобовой части заявляемой катушки (а также подобные им иные) технически осуществимы. Обоснованный выбор какого-либо из них с учетом их противоречивых свойств должен определяться конкретными условиями проектирования.

Работа катушки предлагаемой конструкции, как теплотехнической системы, определяется режимом токовой нагрузки и условиями охлаждения. Анализ показывает, что в катушках рассматриваемого типа замена монолитных лобовых частей расслоенными снижает температуру обмотки при любом режиме нагрузки и любых условиях охлаждения. Однако применение таких катушек особенно полезно, когда в топологии аэродинамической системы машины предусмотрены специальные элементы радиального обдува лобовых частей катушек.

Примером могут служить реактивные машины с явнополюсным безобмоточным ротором, на торцах которого установлены колеса специальных центробежных вентиляторов.

Но и в машинах других типов при их проектировании этот эффект можно и необходимо использовать.

Блок дистанционных прокладок, установленный в меридиональном плоскости симметрии предлагаемой катушки, выполняет важнейшую функцию - обеспечение жесткости и прочности лобовой части катушки, расслоенной согласно изобретению на отдельные шины - проводники.

Специфическую особенность работы лобовой части катушки, как механической системы, определяют два основных режима нагружения:

а) инерционными силами, порождаемыми вибрацией машины в целом;

б) внутренними электродинамическими силами взаимодействия витков, возникающими при действии в катушке установившихся и, в особенности, ударных токов переходных процессов КЗ в цепи питания катушки.

Лобовая часть предлагаемой катушки, как объект строительной механики, - это регулярная плоская серия свободных арочных элементов, выполненных из стержня одинакового прямоугольного сечения, который по оси изгиба имеет ширину, до 10 раз превышающую его толщину. Геометрические характеристики сопротивляемости деформации изгиба по главным ортогональным осям такого сечения резко различны: по моментам сопротивления различие пропорционально отношению сторон, по моментам инерции - его квадрату. Так, для типичной шины 5×50 эти соотношения 10 и 100.

Минимальная жесткость элементов обмотки лобовой части катушки при деформации в ее плоскости обусловливает низкую частоту их свободных изгибных колебаний в ней, что порождает легко возбуждаемые резонансные явления при действии соответствующих составляющих инерционных сил. Это - известный источник усталостного разрушения консольных элементов обмоток в лобовых частях электрических машин.

Электродинамические межвитковые силы действуют здесь также в плоскости катушки. Они могут быть очень большими (см., например: Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. М., Изд. иностр. лит., 1955. Стр.150-159, 167-177) и вызывать остаточные деформации элементов обмотки (обычно выполняемых из пластичных материалов) до их соприкосновения, т.е. с образованием (при голой шине) вторичных очагов КЗ - уже в самой машине.

Предусмотренные в предложенной конструкции катушки блок связи дистанционными прокладками и бандажом всех шин-проводников лобовой части катушки в монолитный жесткий узел коренным образом изменяет ее силовую схему, что резко улучшает частотные характеристики системы по механическим колебаниям и повышает ее несущую способность. Это определяет узел как неотделимый элемент заявляемого устройства, обеспечивающий его практическую работоспособность и надежность.

Общая приближенная оценка теплотехнической эффективности предлагаемой катушки в сравнении с прототипом может быть сделана с использованием геометрического критерия рациональности компоновки проводниковой группы катушки в объединяющее расчетное сечение

,

где F - суммарный периметр непосредственного охлаждения элементов сечения проводниковой группы катушки;

f - суммарное сечение ее тепловыделяющих элементов. Допустим, что катушка-прототип выполнена из шины прямоугольного сечения толщиной b и шириной h_ш, содержит n витков, монолитна и плотно прилегает к полюсу. Тогда (далее индекс "п" принят для прототипа, индекс "и" для данного изобретения)

Примем в качестве примера b=0,5 см, h_ш=5,0 см, n=10 (в реальном двигателе прототипа число витков катушек одинаковой конструкции: главного полюса 13, дополнительного 6).

Это дает

У катушки согласно изобретению (см. фиг.1-3) при сопоставимых условиях

что определяет количественную оценку

т.е. в 4,4:0,6=7,3 раза больше, чем у прототипа. Заметим, наконец, что

функция ε_п(n) прототипа монотонно убывает с асимптотическим значением

следовательно, с увеличением числа витков в катушке-прототипе ее и без того плохие теплотехнические качества ухудшаются.

Критерий ε_и предлагаемой катушки определяется только параметрами сечения шины и от количества витков в катушке не зависит.

1. Катушка магнитной системы статора явнополюсной электрической машины с полюсами прямоугольной формы, выполненная намоткой плоской шины прямоугольного сечения на широкое ребро, содержащая элементы корпусной и витковой изоляции с монолитным исполнением рабочей части катушки, отличающаяся тем, что на лобовых частях имеются воздушные зазоры между внутренним витком и торцом магнитопровода полюса, большие толщины корпусной изоляции, и воздушные зазоры между всеми смежными витками лобовой части катушки, большие толщины витковой изоляции; в зазорах между витками в продольной плоскости симметрии катушки установлены дистанционные прокладки из твердого изолирующего материала толщиной, равной зазорам между витками в этой плоскости, и шириной значительно меньше ширины полюса, соединенные склеиванием с поверхностями смежных витков; пакет конструктивных элементов, состоящий из лобовых частей витков катушки и дистанционных прокладок между ними, скреплен в продольной плоскости симметрии катушки бандажом из прочного на растяжение неэлектропроводного материала; указанные прокладки выполнены ортогонально симметричной Н-образной формы с высотой перекладины, равной ширине шины, и с общей высотой больше ее на удвоенный размер толщины бандажа, размещенного между образованными указанным способом выступами.

2. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что выполнена из неизолированной (голой или с неизоляционным защитным покрытием) шины с витковой изоляцией пластинками из твердого изолирующего материала, размещенными между витками на их рабочей части и соединенными с ними склеиванием.

3. Катушка по п.2, отличающаяся тем, что открытые поверхности голой шины после полной сборки катушки покрыты изоляционным или неизоляционным защитным покрытием.

4. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что выполнена из изолированной шины, изоляция которой на сторону при соединении с таковой смежного витка по электрической прочности в сумме эквивалентна витковой, с соединением витков между собой на длине их соприкосновения склеиванием.

5. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что соединения прямолинейных участков рабочих частей витков и лобовых частей у всех витков выполнены с одинаковым радиусом изгиба.

6. Катушка по п.1, отличающаяся тем, что соединения прямолинейных участков рабочих частей витков и лобовых частей у разных витков выполнены с неодинаковыми радиусами изгиба с их регулярным увеличением в сторону наружной поверхности лобовой части катушки.