Вращающаяся электрическая машина с осевым охлаждением - RU2193813C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к высоковольтным вращающимся электрическим машинам, например синхронным машинам, а также к машинам с двойным возбуждением, устройствам для использования в каскадах асинхронного статического токового преобразователя, машинах с внешним полюсом и машинах с синхронным потоком, а кроме того к машинам переменного тока, предназначенным прежде всего для работы на электростанции и производства электроэнергии. Изобретение касается прежде всего охлаждения таких машин.

Вращающиеся высоковольтные электрические машины, то есть рассчитанные на напряжения свыше 10 кВ, а максимально - на 30-35 кВ, обычно обеспечиваются системой принудительного охлаждения.

Вращающиеся высоковольтные электрические машины обычно имеют корпус статора из листовой стали, собранный с помощью сварки. Пластинчатый сердечник обычно выполнен из электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм с лакокрасочной изоляцией. Обмотка статора расположена в пазах в листовом железном сердечнике, причем обычно щели имеют прямоугольное или трапецеидальное поперечное сечение. Каждая фаза обмотки состоит из нескольких групп катушек, соединенных последовательно, а каждая группа катушек содержит множество катушек, соединенных последовательно. Различные части катушки обозначим следующим образом: боковая часть катушки - часть, которая помещена в статор, и торцевой конец обмотки - та часть, которая расположена вне статора. Катушка включает один или более проводников, соединенных по высоте и/или ширине.

Между всеми проводниками имеется тонкая изоляция, например, из эпоксидной смолы/стекловолокна.

Катушка изолирована от паза с помощью изоляции катушки, то есть изоляции, выдерживающей номинальное напряжение машины относительно "земли". В качестве изоляционного материала могут использоваться различные пластмассы, лак и стекловолоконные материалы. Обычно используется так называемая слюдяная лента, которая состоит из слюды и прочной пластмассы, специально предназначенная для предотвращения частичных разрядов, которые могут быстро пробить изоляцию. Изоляцию наносят на катушку, обматывая несколько слоев слюдяной ленты вокруг катушки. Осуществляют пропитку изоляции, а затем боковую часть катушки окрашивают краской на графитовой основе для улучшения контакта с окружающим статором, который связан с потенциалом земли.

Обычно генераторы должны быть соединены с сетью электроснабжения посредством трансформатора, который повышает напряжение до уровня электросети в диапазоне приблизительно 130-400 кВ. Настоящее изобретение предназначено для использования при высоких напряжениях в рабочем диапазоне 36-800 кВ.

При использовании высоковольтных изолированных электрических проводников, далее называемых кабелями, в обмотке статора с твердой изоляцией, аналогичной используемой в кабелях для передачи электроэнергии, например кабеле с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями (XLPE), напряжение в машине может быть увеличено до такого уровня, что ее можно соединить непосредственно с сетью электроснабжения без промежуточного трансформатора. Таким образом, отпадает необходимость в обычном трансформаторе. Данная концепция в общем случае предусматривает, чтобы статорные пазы, в которых размещены кабели, были глубже, чем при известной технологии (более толстая изоляция из-за более высокого напряжения и большего количества витков в обмотке). Это означает, что распределение потерь будет отличаться от соответствующего распределения потерь в известной машине, что, в свою очередь, влечет за собой новые проблемы, связанные с охлаждением, например, зубцов статора.

Для охлаждения обмоток, например, синхронной машины, могут использоваться три системы. При воздушном охлаждении обмотка статора, также как и обмотка ротора, охлаждается воздухом, идущим через обмотки. Каналы для воздушного охлаждении выполнены в пластинах статора и в роторе. При радиальной вентиляции и воздушном охлаждении пластинчатый сердечник, по меньшей мере для машин средних и больших размеров, разделен на пакеты, содержащие радиальные и осевые вентиляционные каналы, которые расположены в сердечнике. Охлаждающий воздух может быть окружающим воздухом, но при мощностях выше, чем 1 МВт, используется, главным образом, замкнутая система охлаждения с теплообменником. В больших турбогенераторах и в больших синхронных компенсаторах обычно используется охлаждение водородом. Этот способ охлаждения работает таким же образом, как и воздушное охлаждение с теплообменником, но вместо воздуха в качестве охлаждающего агента используется водород. Водород обладает лучшей охлаждающей способностью, чем воздух, но при его использовании возникают трудности с герметизацией и обнаружением утечек. Охлаждающие каналы выполнены путем штамповки пластин статора, в результате чего при наложении пластин для создания сегментов формируются каналы. Следствием этого является увеличение перепада давления в машине из-за множества мелких неоднородностей в каналах для охлаждения газом.

Как известно, в турбогенераторах, работающих в диапазоне мощностей 500-1000 МВт, используется водяное охлаждение статорной и роторной обмоток. Охлаждающие каналы выполняют в виде трубок внутри проводников статорной обмотки. В больших машинах проблема заключается в том, что имеется тенденция к неравномерному охлаждению и поэтому в машине возникают тепловые деформации.

Считается, что высококачественные катушки для вращающихся генераторов могут быть изготовлены для диапазона напряжений 3-25 кВ.

Предпринимались попытки разработки генератора с более высокими напряжениями, как видно, например, из "Electrical World", October 15 1932, р.524-525. Здесь описана разработка генератора на 33 кВ. Также описан генератор в Лангербрюгге, Бельгия, на 36 кВ. Хотя в статье обсуждается возможность дальнейшего повышения напряжения, концепции конструирования таких генераторов отсутствуют. Это, в первую очередь, связано с недостатками систем изоляции, в которых используются пропитанная лаком слюдяная фольга и бумага.

В докладе Научно-исследовательского института электроэнергии (EPRI), EL-3391, 1984 г., выполнен обзор концепций для построения вращающейся электрической машины повышенного напряжения для подключения ее к силовой электросети без промежуточного трансформатора. Такое решение, судя по исследованиям, способно обеспечить повышение эффективности и экономичности. Главной причиной для рассмотрения в 1984 г. проектов генераторов для непосредственного подключения к электросети было то, что в это время был изготовлен сверхпроводящий ротор. Большие магнитные поля, создаваемые сверхпроводником, позволяют использовать обмотку с воздушными зазорами при достаточно толстой изоляции для противодействия электрическим нагрузкам.

При объединении цепи возбуждения с обмоткой (так называемый "монолитный цилиндрический якорь"), когда два цилиндра с проводниками заключены в три цилиндра изоляции, а вся система установлена на железном сердечнике без зубцов, высоковольтная вращающаяся электрическая машина, возможно, могла бы быть непосредственно подключена к силовой электросети. Такое решение подразумевает, что главная изоляция должна быть сделана достаточно толстой, чтобы выдержать напряжения "сеть-сеть" и "сеть-земля". Очевидные недостатки предложенного решения заключаются в том, что в дополнение к требованиям, обусловленным наличием сверхпроводящего ротора, требуется очень толстая изоляция, которая увеличивает размер машины. Для того, чтобы выдерживать большие электрические поля, торцевые концы обмоток должны быть изолированы и охлаждаться маслом или фреонами. Вся машина должна быть герметично закрыта для предотвращения поглощения жидким диэлектриком влаги из атмосферы.

Некоторые попытки осуществления нового подхода к разработке синхронных машин описаны, помимо прочего, в статье "Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM-300", J. Elektrotechnika, No. 1,1970, pp. 6-8, в патенте США 4429244 "Статор генератора" и в патенте СССР 955369.

Синхронная машина с водяным и масляным охлаждением, описанная в журнале J.Elektrotechnika, рассчитана на напряжения до 20 кВ. В статье описана новая система изоляции, состоящая из масляной бумажной изоляции, которая позволяет погрузить статор полностью в масло. При этом масло может использоваться как хладагент и, в то же самое время, как изоляция. Для предотвращения просачивания масла из статора к ротору, на внутренней поверхности сердечника имеется диэлектрическое маслоудерживающее кольцо. Обмотка статора выполнена из полых проводников овального сечения с масляной и бумажной изоляцией. Боковые части катушки с изоляцией закреплены в пазах прямоугольного сечения посредством клиньев. Как в полых проводниках, так и в отверстиях в стенках статора, для их охлаждения используется масло. Однако такие системы охлаждения требуют большого количества как электрических, так и гидравлических соединений на концах катушек. Кроме того, толстая изоляция приводит к увеличению радиуса кривизны проводников, что, в свою очередь, вызывает увеличение вылета обмотки.

Вышеупомянутый патент США относится к части статора в синхронной машине, которая содержит листовой магнитный сердечник с трапецеидальными пазами для статорной обмотки. Пазы сужаются, поскольку потребность в изоляции статорной обмотки уменьшается в направлении к внутренней части ротора, где расположена ближайшая к нейтральной точке часть обмотки. Кроме того, часть статора содержит диэлектрический маслоудерживающий цилиндр, расположенный поблизости от внутренней поверхности сердечника. Эта часть может повысить требования к магнитной части устройства по сравнению с машиной без этого кольца. Обмотка статора выполнена из маслонаполненных кабелей одинакового диаметра для каждого слоя катушки. Слои отделены друг от друга посредством распорных деталей, установленных в пазах, и закреплены клиньями. Особенностью обмотки является то, что она содержит две так называемых полуобмотки, соединенные последовательно. Одна из двух полуобмоток расположена по центру внутри трубчатой изоляции. Проводники статорной обмотки охлаждаются окружающим маслом.

Недостатками системы с таким большим количеством масла являются риск утечки и большой объем работы по очистке в случае аварии. Те части трубчатой изоляции, которые расположены вне пазов, имеют цилиндрическую часть и коническое завершение, усиленное токонесущими слоями, назначение которых заключается в управлении напряженностью электрического поля в области, где кабель входит в конец обмотки.

Из патента СССР 955369 понятно, что еще одна попытка увеличить номинальное напряжение синхронной машины заключается в том, что охлаждаемая маслом статорная обмотка содержит известный высоковольтный кабель одинакового размера для всех слоев. Кабель помещен в пазы статора, выполненные в виде круговых радиально расположенных отверстий, размеры которых соответствуют площади поперечного сечения кабеля и необходимому месту для их установки и для хладагента. Различные расположенные радиально слои обмотки окружены трубчатой изоляцией и закреплены в ней. В пазу статора трубки закреплены изолирующими распорками. Из-за масляного охлаждения во внутреннем воздушном зазоре необходимо установить внутреннее диэлектрическое кольцо для создания уплотнения для предупреждения просачивания масляного хладагента.

Описанные выше недостатки, связанные с наличием масла в системе, присущи и этой конструкции. В конструкции не видно сужения изоляции и пазов статора. Кроме того, конструкция характеризуется очень малыми радиальными промежутками между различными пазами в статоре, что подразумевает большой поток утечки в пазах и значительно влияет на требования к машине, связанные с намагничиванием.

В ЕР 0342554 раскрыта вращающаяся электрическая машина, содержащая статор, охлаждаемый жидким охлаждающим агентом. Статор машины выполнен с трапецеидальными пазами, размеры которых соответствуют поперечному сечению установленной в них обмотки.

В ЕР 0493704 раскрыт электрический двигатель, содержащий каналы для охлаждения в зубцах статора. В этом двигателе обмотки расположены в статоре неравномерно в пазах между зубцами.

В ЕР 0684682 раскрыта вращающаяся электрическая машина. Статор машины имеет прямоугольные пазы с обмотками из проводников, имеющих прямоугольное поперечное сечение. Осевые каналы для охлаждения газом проходят через зубцы статора для обеспечения отвода тепла от проводников. Охлаждающие каналы введены для того, чтобы охладить большую часть статорного зубца в глубину по его радиусу. В результате этого возникают проблемы в конструкции машин большей мощности, которые будут содержать большее количество витков обмотки и поэтому потребуют более глубоких пазов в статоре, что ухудшит механическую прочность.

В ЕР 0155405 раскрыта система для охлаждения газом вращающейся динамоэлектрической машины, предназначенная для повышения выходной мощности машин с газовым охлаждением до уровня, который ранее мог быть достигнут только в машинах с водяным охлаждением.

В патенте США 2975309 раскрыт статор с масляным охлаждением для вращающихся машин, в частности турбогенераторов. Статор машины имеет прямоугольные пазы, в которых размещены обмотки соответствующего сечения.

В патенте США 3675056 раскрыта динамоэлектрическая машина с герметичным уплотнением, соединенная с контуром охлаждения с жидким хладагентом. Внутренняя часть машины заполнена хладагентом, текущим в статоре через каналы с треугольным поперечным сечением для охлаждения обмоток прямоугольного сечения.

В патенте США 3801843 раскрыта вращающаяся электрическая машина, имеющая ротор и статор, которые охлаждаются посредством теплоотводных трубок при помощи двухфазного текучего хладагента. Теплоотводные трубки статора расположены в пазах статора и выходят вдоль оси из статора и ротора на некоторое расстояние. Теплоотводные трубки ротора, помимо того, что служат теплообменниками для охлаждения ротора, выполняют роль электрических проводников.

Целью настоящего изобретения является создание системы охлаждения для высоковольтной вращающейся электрической машины, работающей в диапазоне от 10 кВ до уровня напряжений силовой электросети. Такая вращающаяся электрическая машина может быть непосредственно соединена с силовой электросетью без промежуточного трансформатора.

Настоящее изобретение относится к средству охлаждения зубцов статора и, косвенно, обмотки статора в высоковольтной электрической машине, например высоковольтном генераторе переменного тока.

Конструкция включает электрически изолированные трубки, идущие в осевом направлении, которые проходят через осевые отверстия в зубцах статора. Для обеспечения эффективного охлаждения при циркуляции хладагента по трубкам эти трубки прочно вклеены в отверстия. Трубки идут вдоль оси на всю длину зубцов статора и соединяются на торцах статора.

Согласно наиболее предпочтительному варианту выполнения изобретения, по меньшей мере один из полупроводящих слоев, предпочтительно оба слоя, имеют такой же коэффициент теплового расширения, как и твердая изоляция. Таким образом, достигается решающее преимущество в том, что при тепловом расширении обмотки не образуются дефекты, трещины и т.п.

Устройство включает охлаждающие трубки, идущие в осевом направлении, выполненные из диэлектрического материала, например полимера, и протянутые сквозь осевые отверстия в ярме статора и его зубцах. Трубки плотно залиты в отверстиях для обеспечения хорошей теплопередачи при циркуляции хладагента по трубкам. Трубки проходят в ярме статора и зубцах статора по всей длине статора и, при необходимости, они могут быть соединены на торцах статора.

Полимерные охлаждающие трубки являются непроводящими и, таким образом, устраняется опасность короткого замыкания. Кроме того, в них не могут возникнуть вихревые токи. Кроме того, полимерные охлаждающие трубки могут быть согнуты в холодном состоянии и протянуты через несколько отверстий без необходимости сращивания, что является большим преимуществом.

Полимерные охлаждающие трубки могут быть выполнены из многих материалов, например полиэтилена, полипропилена, полибутена, поливинилиденфторида, политетрафторэтилена, а также наполненного и усиленного эластомера. Наиболее предпочтительным среди них является полиэтилен с высокой плотностью (HDPE), поскольку его теплопроводность растет с повышением плотности. Если полиэтилен имеет поперечные межмолекулярные связи, что может быть достигнуто расщеплением пероксида, сшиванием силана или радиационным сшиванием, его способность противостоять давлению при повышенной температуре возрастает одновременно с устранением опасности разрушения под напряжением. Полиэтилен с межмолекулярными связями используется для водяных труб, например труб из полиэтилена с межмолекулярными связями (XLPE), изготавливаемых Wirsbo Bruks АВ, Швеция.

В одном из вариантов выполнения изобретения одна и та же трубка проходит более чем через одно отверстие без соединения ее с другой трубной частью.

Таким образом, предложена вращающаяся электрическая машина, содержащая статор и по меньшей мере одну обмотку, которая, согласно изобретению содержит обмотку с системой изоляции, включающей по меньшей мере два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и твердый изолирующий слой, расположенный между ними, причем по меньшей мере один зубец статора в секторе зубца снабжен по меньшей мере одним охлаждающим каналом, идущим по существу в осевом направлении и соединенным с контуром охлаждения, в котором находится хладагент для циркуляции.

По меньшей мере один из указанных слоев предпочтительно имеет по существу тот же коэффициент теплового расширения, что и твердый изолирующий слой.

Охлаждающий канал предпочтительно находится внутри зубца статора и содержит охлаждающую трубку.

В каждом зубце статора предпочтительно имеется по меньшей мере одна охлаждающая трубка, идущая в осевом направлении и соединенная с контуром охлаждения, в котором находится хладагент для циркуляции. В каждом секторе зубца может иметься по меньшей мере четыре охлаждающих трубки, идущих в осевом направлении, из которых по меньшей мере три охлаждающие трубки проходят сквозь зубец статора, а оставшаяся охлаждающая трубка проходит через внешнюю часть ярма.

Охлаждающие трубки в зубце статора могут быть расположены по центру широкой части зубца.

Все охлаждающие трубки могут быть электрически изолированы от статора посредством изолирующего слоя и предпочтительно прикреплены к статору теплопроводящим клеем.

Все охлаждающие трубки, относящиеся к одному сектору зубца, могут быть установлены на одной линии в радиальном направлении.

Охлаждающий контур может иметь изолирующую секцию.

Кроме того, согласно изобретению предложен способ охлаждения вращающейся электрической машины, имеющей высоковольтные статорные обмотки, выполненные как описано выше. Согласно способу, статор охлаждают хладагентом, который циркулирует в контуре охлаждения по каналам охлаждения, проходя сквозь зубцы статора в осевом направлении.

Хладагент предпочтительно циркулирует в замкнутом контуре, который проходит через теплообменник, охлаждая контур охлаждения водой из резервуара с водой.

Кроме того, предложена вращающаяся высоковольтная электрическая машина, содержащая статор, ротор и по меньшей мере одну обмотку, причем согласно изобретению указанная обмотка содержит по меньшей мере один токонесущий проводник, вокруг указанного проводника имеется первый полупроводящий слой, вокруг указанного первого полупроводящего слоя имеется твердый изолирующий слой, а вокруг указанного изолирующего слоя имеется второй полупроводящий слой, причем по меньшей мере один зубец статора в секторе зубца снабжен по меньшей мере одним охлаждающим каналом, идущим по существу в осевом направлении и соединенным с контуром охлаждения, в котором находится хладагент для циркуляции.

Потенциал указанного первого слоя предпочтительно по существу равен потенциалу указанного проводника. Указанный второй слой предпочтительно выполнен так, что образует по существу эквипотенциальную поверхность, окружающую указанный проводник. На указанный второй слой может подаваться заранее заданный потенциал, который предпочтительно является потенциалом земли.

По меньшей мере два соседних слоя предпочтительно имеют по существу равные коэффициенты теплового расширения.

Токонесущий проводник предпочтительно содержит множество жил, только меньшая часть которых не изолированы друг от друга.

Каждый из указанных трех слоев может быть неподвижно соединен с соседними слоями по существу по всей поверхности соединения.

Кроме того, предложена вращающаяся электрическая машина, имеющая высоковольтную магнитную цепь, содержащую магнитный сердечник и обмотку, причем эта обмотка, согласно изобретению выполнена из кабеля, содержащего один или более токонесущих проводников, каждый из которых содержит множество жил, вокруг каждого проводника имеется внутренний полупроводящий слой, вокруг указанного внутреннего полупроводящего слоя имеется твердый изолирующий слой, а вокруг указанного изолирующего слоя имеется внешний полупроводящий слой, причем по меньшей мере один зубец статора в секторе зубца снабжен по меньшей мере одним охлаждающим каналом, идущим по существу в осевом направлении и соединенным с контуром охлаждения, в котором находится хладагент для циркуляции.

Указанный кабель дополнительно может содержать металлический экран и оболочку.

Кроме того, предложена вращающаяся электрическая машина, содержащая статор, ротор и обмотки, причем статор включает внешнюю часть ярма и зубцы статора, выступающие к центру в радиальном направлении, между которыми сформированы дорожки, в которые помещены обмотки, причем согласно изобретению зубцы статора имеют множество углублений, форма каждого из которых соответствует форме обмоток, помещенных в пазы между зубцами, а охлаждающие трубки, идущие в осевом направлении, установлены в зубцах статора и соединены с контуром охлаждения, в котором находится жидкий или газообразный хладагент для циркуляции, причем охлаждающие трубки размещены в зубцах статора вдоль радиуса между углублениями, а указанная обмотка включает по меньшей мере один токонесущий проводник, вокруг которого имеется первый полупроводящий слой, вокруг указанного первого слоя имеется твердый изолирующий слой, а вокруг указанного изолирующего слоя имеется второй полупроводящий слой.

Охлаждающие трубки могут быть электрически изолированы от статора.

Охлаждающие трубки предпочтительно включают трубки из диэлектрического материала.

Охлаждающие трубки могут быть электрически изолированы от статора изолирующим слоем.

Охлаждающие трубки могут включать трубки, имеющие некруглое поперечное сечение, например трубки овального сечения из полиэтилена с межмолекулярными связями.

Охлаждающие трубки могут быть соединены теплопроводящим связующим агентом.

По меньшей мере три охлаждающие трубки вдоль радиуса поперечного сечения могут быть расположены в зубцах статора, а остальные охлаждающие трубки - в части ярма статора.

Кроме того, предложена вращающаяся электрическая машина, содержащая статор, ротор и по меньшей мере одну обмотку, причем, согласно изобретению обмотка является высоковольтным кабелем, а статор имеет по меньшей мере одну охлаждающую трубку, выполненную из диэлектрического материала и вставленную в отверстие, идущее через статор в осевом направлении, причем указанная трубка соединена с контуром охлаждения, в котором находится хладагент для циркуляции.

Охлаждающая трубка может быть выполнена из полимерного материала, например из полиэтилена высокой плотности или из полиэтилена с межмолекулярными связями.

Охлаждающая трубка может быть залита в отверстии в статоре заливаемым компаундом, способным к образованию поперечных связей, например, материалом с наполнителем, содержащим двухкомпонентный силиконовый каучук.

Наполнитель может содержать оксид алюминия, нитрид бора или карбид кремния.

Охлаждающая трубка может быть расположена внутри по меньшей мере одного зубца статора. В каждом зубце статора предпочтительно имеется по меньшей мере одна охлаждающая трубка, идущая в осевом направлении и соединенная с контуром охлаждения, в котором находится хладагент для циркуляции.

В каждом секторе зубца может иметься по меньшей мере четыре охлаждающие трубки, идущие в осевом направлении, причем по меньшей мере три из этих охлаждающих трубок проходят в зубце статора, а оставшиеся охлаждающие трубки проходят во внешней части ярма.

Охлаждающие трубки, расположенные в зубце статора, предпочтительно размещены по центру широкой части зубца.

Все охлаждающие трубки, относящиеся к одному сектору зубца, могут быть размещены в радиальном направлении по одной линии.

По меньшей мере в одной широкой части зубца могут иметься две охлаждающие трубки.

Охлаждающие трубки могут иметь эллиптические поперечные сечения.

Диаметр высоковольтного кабеля предпочтительно лежит в диапазоне 20-200 мм, а площадь проводящей области лежит в диапазоне 80-3000 мм².

Материал с наполнителем может быть введен в отверстие после того, как установлена трубка.

Материал с наполнителем может быть введен в отверстие с одной стороны статора под давлением до того, как он затвердел.

Охлаждающая трубка может быть выполнена из полиэтилена.

Одна и та же трубка может быть продета более чем через два отверстия без ее соединения с другой трубной частью.

Отверстия могут быть выполнены в виде двойных отверстий, имеющих форму восьмерки.

Изобретение будет описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи.

На фиг.1 схематично показан вид в перспективе поперечного сечения статора вращающейся электрической машины;
на фиг. 2 показано поперечное сечение высоковольтного кабеля, выполненного согласно настоящему изобретению;
на фиг.3 схематично показан сектор вращающейся электрической машины;
на фиг.4 показан сектор, соответствующий отделенному пазами зубцу статора с ярмом, этот сектор обозначен пунктирными линиями на фиг.3;
на фиг.5 показан альтернативный сектор, соответствующий отделенному пазами зубцу статора с ярмом, в котором имеются охлаждающие трубки, идущие в осевом направлении и выполненные согласно настоящему изобретению;
на фиг.6 показан контур охлаждения, выполненный согласно настоящему изобретению;
на фиг. 7 показана совокупность отверстий для конструкции, выполненной согласно настоящему изобретению;
на фиг. 8 показано альтернативное расположение отверстий, выполненных согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 показана часть электрической машины, в которой ротор удален, чтобы яснее показать конструкцию статора 1. Главные части статора 1 содержат корпус 2 статора, сердечник 3 статора, содержащий зубцы 4 статора и ярмо 5 статора. Кроме того, статор включает обмотку 6 статора, состоящую из высоковольтного кабеля, расположенного в пространстве 7, которое имеет форму велосипедной цепи (см. фиг.3) и расположено между отдельными зубцами 4 статора. На фиг.3 в статорной обмотке 6 показаны только электрические проводники. Как видно на фиг.1, статорная обмотка 6 формирует пакет 8 концов обмоток с обеих сторон статора 1. Кроме того, из фиг.3 понятно, что изоляция высоковольтных кабелей имеет несколько размеров в зависимости от радиального положения кабелей в статоре 1. Для простоты на каждом конце статора 1 показан только один пакет торцевых соединений.

В известных машинах больших размеров корпус 2 статора часто выполнен из сварных листовых стальных конструкций. В больших машинах сердечник 3 статора, известный также как пластинчатый сердечник, обычно выполнен из листов толщиной 0,35 мм, объединенных в пакеты с длиной по оси приблизительно 50 мм, отделенных друг от друга разделителями, формирующими вентиляционные каналы размером 5 мм. Однако в машине, выполненной согласно настоящему изобретению, вентиляционные каналы отсутствуют. В больших машинах каждый пакет пластин сформирован за счет подгонки штампованных сегментов 9 подходящего размера так, чтобы они сформировали первый слой, после чего каждый последующий слой помещен под прямыми углами для создания полной плоской части сердечника 3 статора. Эти части и разделители скрепляются прижимными ножками 10, упирающимися в прижимные кольца, пальцы или сегменты (не показаны). На фиг.1 показаны только две прижимные ножки.

На фиг. 2 показано поперечное сечение высоковольтного кабеля 11, выполненного согласно изобретению. Высоковольтный кабель 11 содержит множество жил 12, например из меди, имеющих круглое поперечное сечение. Эти жилы 12 находятся в середине высоковольтного кабеля 11. Вокруг жил 12 имеется первый полупроводящий слой 13, а вокруг первого полупроводящего слоя 13 имеется твердый изолирующий слой 14, например, из полиэтилена с межмолекулярными связями. Вокруг твердого изолирующего слоя 14 имеется второй полупроводящий слой 15. Таким образом, в настоящем изобретении понятие "высоковольтного кабеля" может не включать внешнюю защитную оболочку, которая обычно окружает такие кабели, предназначенные для сетей электроснабжения. Диаметр высоковольтного кабеля лежит в диапазоне 20-200 мм, а площадь проводящей области лежит в диапазоне 80-3000 мм².

На фиг.3 схематично показан радиальный сектор машины с сегментом 9 статора 1 и с роторным полюсом 16 на роторе 17 машины. Кроме того, можно заметить, что высоковольтный кабель 11 уложен в пространстве 7, имеющем форму велосипедной цепи, между зубцами статора 4.

На фиг.4 показан сектор 18 зубца, соответствующий одному пазовому шагу, обозначенный радиальными пунктирными линиями на фиг.3, причем высота зубца определяется как радиальное расстояние от вершины 19 зубца до внешнего конца 20 пространства 7, похожего на велосипедную цепь. Таким образом, длина статорного зубца эквивалентна высоте зубца. Кроме того, высота ярма определяется как радиальное расстояние от внешнего конца 20 пространства 7, похожего на велосипедную цепь, до внешнего конца 21 сердечника 3 статора. Это последнее расстояние задает ширину внешней части 22 ярма. Кроме того, суженная часть 23 зубца определяется как одна из нескольких узких частей, сформированных на каждом зубце статора. Таким образом, между суженными частями 23 зубцов сформировано множество широких частей 24 зубцов, причем их размеры увеличиваются от наименьшего, для части, ближайшей к кончику 19 зубца, до наибольшего, для части, ближайшей к внешнему краю 20 пространства 7, похожего на велосипедную цепь. Как понятно из чертежа, ширина внешней части ярма в секторе увеличивается по направлению к внешнему краю 21 статорного сердечника 3.

Согласно изобретению в высоковольтной вращающейся электрической машине описанного выше типа имеется по меньшей мере один зубец 4 статора (см. фиг. 5) по меньшей мере с одним каналом для охлаждения, идущим по существу в осевом направлении, предпочтительно в виде охлаждающей трубки 25, связанной с контуром охлаждения, в котором находится циркулирующий хладагент. В возможном варианте выполнения изобретения в качестве хладагента в охлаждающих каналах может использоваться масло. Для достижения эффективного охлаждения охлаждающие каналы/трубки предпочтительно выполнены в каждом зубце статора. Согласно варианту выполнения изобретения, показанному на фиг.5, четыре охлаждающие трубки идут в осевом направлении через собственно зубец, в то время как другие две охлаждающие трубки идут в осевом направлении через внешнюю часть 22 ярма показанного сектора. Как можно видеть на этом чертеже, по меньшей мере в одной широкой части зубца вместо одной толстой охлаждающей трубки могут быть установлены две узкие охлаждающие трубки, расположенные рядом друг с другом. Каждая из этих двух трубок относится к собственному параллельному контуру для хладагента. Преимущество состоит в том, что более узкие трубки легче согнуть до меньшего радиуса. Другое преимущество узких трубок состоит в том, что они не препятствуют магнитному потоку в той же степени, как толстая трубка. Это преимущество реализуется также с помощью эллиптических и овальных трубок, большая ось которых лежит в радиальном направлении зубца. Согласно одному варианту выполнения изобретения, на всех расширениях зубцов имеются двойные охлаждающие трубки и все охлаждающие трубки в секторе пазового шага размещены на одной линии в радиальном направлении. Согласно другому варианту выполнения изобретения, охлаждающие трубки в секторе пазового шага также выровнены в радиальном направлении. Кроме того, во всех вариантах выполнения изобретения система охлаждения находится под потенциалом земли.

Другие варианты выполнения изобретения с охлаждающими трубками, соединенными со статорной обмоткой 6, также охватываются формулой изобретения, например охлаждающие трубки, помещенные между обмотками в виде прикрепленных к обмоткам элементов в треугольном пространстве 26 или в специальных углублениях на боковой стороне 27 зубца.

Каждая охлаждающая трубка 25 имеет изолирующий слой 28 для устранения контакта с металлом в зубце 4 статора или во внешней части 22 ярма. Альтернативно, для прикрепления может использоваться теплопроводящий клей. В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения каждая охлаждающая трубка 25 выполнена из диэлектрического материала, например полимера, предпочтительно из полиэтилена с межмолекулярными связями, для устранения электрического контакта с металлом в зубце 4 статора или во внешней части 22 ярма. Все охлаждающие трубки залиты в отверстиях 28, проходящих в статоре 1, с использованием двухкомпонентного силиконового каучука, полученного холодной вулканизацией, с наполнителем для увеличения теплопроводности. Этот материал с наполнителем вводится в отверстие 28, после чего трубку 25 устанавливают. Кроме того, материал с наполнителем вводят под давлением в отверстие 28 с одной стороны статора до того, как этот материал затвердеет.

Все охлаждающие трубки 25 связаны с замкнутым контуром 29 охлаждения. Вариант выполнения изобретения, показанный на фиг.6, содержит резервуар 30 с хладагентом 31, который может быть водой, газообразным водородом или другим хладагентом. Резервуар 30 снабжен индикатором уровня для управления и контроля за уровнем хладагента. Резервуар 30 связан также с двумя кольцевыми трубопроводами, состоящими из входной петли 32 и выходной петли 33. Между входной петлей 32 и выходной петлей 33 имеется множество контуров, соединенных параллельно, их количество обычно соответствует количеству зубцов статора или сторон зубцов, на которых имеются охлаждающие трубки. На фиг.6 показан один из таких параллельных контуров 34. Хладагент 31 поступает из входной петли 32 одновременно через все параллельные контуры 34 в выходную петлю 33, затем в циркуляционный насос 35, циркуляционный фильтр 36, теплообменник 37, то есть плоский теплообменник, а затем возвращается во входную петлю 32. Вода из резервуара с водой подается в один конец теплообменника 37 через фильтр (не показан) насоса 38 теплообменника. Вода закачивается в теплообменник и откачивается назад в резервуар с водой.

На фиг.7 показана альтернативная конструкция охлаждающих трубок 25, размещенных в двойном отверстии 39, имеющем форму восьмерки. Эта конструкция дает возможность объединить две охлаждающих трубки 25 в этом отверстии в широкой части 24 зубца статора, как показано на фиг.8. Кроме того, двойные отверстия расположены на одной линии в радиальном направлении, как показано также на фиг.8.

При изготовлении статора, охлаждаемого согласно настоящему изобретению, размеры первого контура 29 охлаждения выбирают с учетом возможных расстояний между охлаждающими трубками 25. Расстояние между трубками должно быть выбрано так, чтобы трубки могли быть помещены в середину cамых широких частей зубца 4 статора в широкой части 24 зубца. Это важно во избежании магнитного насыщения в зубцах статора. Для определения необходимого количества трубок вычисляют тепловой баланс при таких радиальных и осевых промежутках, чтобы в высоковольтных кабелях было получено равномерное распределение температуры. В шаблон для штамповки пластин статора включают отверстия и, таким образом, никаких дополнительных операций не требуются. Охлаждающие трубки 25 предпочтительно из нержавеющей стали вставляют после того, как пластины сложены, но до намотки статора. Вначале трубки изолируют и вклеивают в отверстия, нагнетая клей и вставляя трубки снизу. Трубки могут быть соединены сваркой. Однако в каждом параллельном контуре 34 должна иметься электрически изолированная трубная часть. Этого можно достигнуть путем выбора трубки из полимерного материала для осуществления соединений с кольцевыми контурами 32, 33 выше генератора.

Трубки должны быть вставлены плотно, поскольку в противном случае тепловое сопротивление между трубкой и сердечником статора будет слишком большим. Для увеличения теплопередачи между трубкой и сердечником статора пространство заполняют заливаемым компаундом, способным к образованию поперечных связей. Он может содержать полимер, который имеет низкую вязкость и поэтому допускает введение в него большого количества теплопроводящего наполнителя до того, как его вводят в пространство, где происходит переход в нетекучее состояние за счет химической реакции. Примерами подходящих составов являются акрил, эпоксидная смола, ненасыщенный полиэфир, полиуретан и силикон, причем последний является предпочтительным, поскольку не ядовит. Теплопроводящий наполнитель может включать оксиды алюминия, магния, железа или цинка, нитриды бора или алюминия, карбид кремния.

Введенный состав может быть силиконовым каучуком, то есть смесью, например, оксида алюминия и силикона, то есть полидиметилсилоксаном с виниловыми группами, которые взаимодействуют с водородосодержащим полидиметилсилоксаном в присутствии платинового катализатора. Этот состав вводят под давлением в отверстие 28 между трубкой из полиэтилена с межмолекулярными связями и сердечником статора, после чего происходит отвердевание за счет присоединения атомов водорода к виниловым группам.

Магнитный поток проходит между охлаждающей трубкой и землей, что индуцировало бы циркулирующий ток, если бы трубка не была изолирована от металлических пластин. Изоляция трубки должна быть тонкой, но, в то же самое время, такой прочной, чтобы трубку можно было вставить в отверстие без повреждения изоляции. Трубка может быть покрыта слоем лака или обмотана изолирующей тканью.

Одна и та же трубка 25 может быть продета более чем через два отверстия 28 без ее соединения с другой трубной частью. Для уменьшения количества соединений в охлаждающих трубках могут использоваться U-образные трубки. Предпочтительным способом соединения является сварка, но возможны и другие решения, например соединение с помощью кольцевого уплотнения, сочленений, клея, пайки и т.д.

Изобретение не ограничено вариантами его выполнения, описанными в примерах. Возможно несколько модификаций в пределах объема изобретения. Так, трубки в каждом пазовом участке не обязательно должны быть соединены последовательно, но могут иногда соединяться параллельно. Точно так же, несколько пазовых участков могут быть соединены последовательно. Соединения могут быть выполнены несколькими различными способами, например пайкой, сваркой, винтовыми соединительными элементами, хомутами и т.д. Контур охлаждения не обязательно должен быть подключен так, как показано на фиг.6. Вместо этого он может быть открытым и в этом случае надобность в теплообменнике отпадает. В зависимости, например, от вязкости клей может вводиться другими способами, нежели под давлением. Наконец, трубки могут быть сделаны из другого полимерного материала в зависимости от требований к их изоляции.

Реферат

Изобретение относится к электротехнике и касается особенностей выполнения вращающихся электрических машин с осевым охлаждением, которые прежде всего предназначены для работы на электростанциях и производства электроэнергии. Сущность изобретения состоит в том, что вращающаяся электрическая машина, содержащая статор и по меньшей мере одну обмотку, отличается тем, что она содержит обмотку с системой изоляции, включающей по меньшей мере два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и твердую изоляцию, расположенную между ними, причем по меньшей мере один зубец 4 статора в секторе 18 зубца снабжен по меньшей мере одним охлаждающим каналом, идущим по существу в осевом направлении и соединенным с контуром охлаждения, в котором находится хладагент для циркуляции. В частности, предложена высоковольтная вращающаяся электрическая машина. Технический результат от использования данного изобретения состоит в создании системы охлаждения высоковольтной электрической машины, работающей в диапазоне от 10 кВ до напряжения силовой электросети без промежуточного трансформатора. 6 с. и 45 з.п.ф-лы, 8 ил.

Формула