Электрическая машина

Представлена электрическая машина, содержащая корпус с установленным в него статором,торцевые щиты с закрепленными на них подшипниками, ротор, установленный внутри статора и опирающийся на подшипники. Согласно изобретению статор имеет магнитопровод, состоящий из коаксиально расположенных внутренней и наружной частей цилиндрообразной формы, причем по меньшей мере одна из частей магнитопровода имеет пазы, в которых расположены обмотки. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что наружная поверхность внутренней части и внутренняя поверхность наружной части магнитопровода имеют формы многогранников с одинаковым числом граней, причем между наружной поверхностью внутренней части и внутренней поверхностью наружной части магиитопровода предусмотрен зазор шириной не более (1-cos /n)R, где R - радиус описанной окружности многогранной поверхности внутренней части магнитопровода; - число Пи, равное 3,1415; n-количество граней. Адалев Алексей Сергеевич, Булгаков Сергей Алексеевич, Кибардин Алексей Сергеевич, Кучинский Владимир Георгиевич, Сойкин Владимир Федорович, Чижов Андрей Михайлович, Юралевич Жанна Борисовна (RU) Хмара М.В. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НПО "РУССКИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД" (RU) 016622 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к электротехнике, а именно к высокооборотным многофазным электрическим машинам, в частности, к электрическим генераторам. Предшествующий уровень техники Из уровня техники известны высокооборотные электрические многофазные машины (В.В. Домбровский В.В., Г.М. Хуторецкий Г.М. "Основы проектирования электрических машин переменного тока". Л. "Энергия", 1974 г.), которые содержат корпус с установленным в него статором, торцевые щиты с закрепленными на них подшипниками, ротор, установленный внутри статора и опирающийся на подшипники. Статор имеет обмотки, зафиксированные пазовыми клиньями, охладители обмоток, размещенные в пазах магнитопровода, и нажимные плиты, размещенные на торцах магнитопровода. Высокооборотные (6000-8000 об./мин и более) многофазные электрические генераторы (машины) переменного тока работают при частотах на уровне от 400 до 1000 Гц и более. При мощностях генераторов 3-10 МВт и более уровень потерь (тепловыделений) в генераторе составляет 100-500 кВт и более. Изза высоких рабочих частот переменного электромагнитного поля толщина скин-слоя в элементах, в которых происходит наведение токов Фуко становится малойот 0.5 до 5 мм. Поэтому удельная плотность этих тепловыделений в элементах генератора становится высокой, по сравнению с машинами, работающими на промышленной частоте 50 Гц. Это вызывает определенные трудности по обеспечению охлаждения как элементов, так и генератора в целом. Эта причина приводит к необходимости работать при более высоких температурах (200-300 С) у элементов генератора, что снижает ресурс работы электрической изоляции обмотки, и, соответственно, надежность генератора в целом. Также ограничивается удельная мощность генератора из-за значительных трудностей по обеспечению охлаждения его элементов из-за высоких удельных тепловыделений в поверхностных слоях элементов (обмотки, нажимные плиты и т.п.). В издании А.И. Яковлев "Электрические машины с уменьшенной материалоемкостью". М., Энергоатомиздат. 1989 г., описана еще одна конструкция электрической машины. Указанная машина содержит корпус с установленным в него составным статором, торцевые щиты,с закрепленными на них подшипниками, ротор, установленный внутри статора и опирающийся на подшипники. Статор в свою очередь имеет магнитопровод, состоящий из внутренней с пазами и наружной частей кольцеобразной формы. В пазах расположены обмотки и охладители обмоток. Статор зажат нажимными плитами, размещенные на торцах магнитопровода. При частотах 200-400 Гц и более такой тип генераторов имеет следующие недостатки: существенное увеличение тепловых потерь в проводниках катушек, повышение температуры электрической изоляции обмоток, снижение ресурса работы электрической изоляции, увеличение габаритных размеров системы охлаждения, увеличение габаритных размеров машины и, соответственно, ее стоимости. Также ограничивается удельная мощность генератора из-за ограничения возможностей по охлаждению машины. С целью снижения потерь в высокочастотных генераторах (машинах) в качестве проводников для катушек (где выделяется существенная часть общих потерь) применяют скрученные (транспонированные) проводники, которые состоят из множества элементарных изолированных проводников. Это позволяет в несколько раз сократить величину тепловыделения в катушках за счет снижения потерь от наводимых токов Фуко по сравнению катушками, изготовленными из монолитных или полых проводников. Поэтому для таких обмоток применяют систему охлаждения на основе независимых охладителей, которые либо располагаются рядом с катушкой, либо интегрируются непосредственно в конструкцию катушек (обмоток). Также в мощных генераторах возникает необходимость охлаждать участки обмотки в лобовых зонах водяными охладителями из-за больших, как и в пазу, тепловыделений. Также одним из способов уменьшения составляющей электромагнитных потерь от зубцовых гармоник переменного магнитного поля, создаваемых статором в роторе, является применение закрытых пазов в магнитопроводе статора. При такой конфигурации магнитопровода статора потери в роторе от зубцовых гармоник переменного магнитного поля существенно уменьшаются из-за того, что зубцовые гармоники шунтируются магнитопроводящей перемычкой закрытого паза магнитопровода и практически не попадают в магнитопровод ротора. Поскольку тепловыделения в металлических трубках охладителей, располагаемых в пазах магнитопровода, могут быть значительными, то трубки охладителей выполняют из электроизоляционного теплостойкого эластичного материала, имеющего повышенную теплопроводность, например, из силиконовых полимеров. Для передачи крутящего момента от внутренней части магнитопровода к наружной части используют шпонки. Но такой тип соединения имеет ряд недостатков. Необходимо фрезеровать ответные пазы в этих частях магнитопровода, что достаточно трудоемко. Необходимо электроизолировать шпонки для исключения замыкания листов внутренней части с листами наружной части магнитопровода через стальную шпонку. Из-за небольшой боковой площади шпонок в мощных машинах уровень механических напряжений в электроизоляции становится достаточно большим, что понижает ресурс работы электроизоляционного материала и надежность машины.-1 016622 Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости изготовления, снижение эксплуатационных затрат и, соответственно, снижение стоимости электрической машины, повышение удельной мощности электрической машины, повышение ресурса и надежности работы как элементов,так и электрической машины в целом. Задача настоящего изобретения решается с помощью электрической машины, содержащей корпус с установленным в него статором, торцевые щиты с закрепленными на них подшипниками, ротор, установленный внутри статора и опирающийся на подшипники. Согласно изобретению статор имеет магнитопровод, состоящий из коаксиально расположенных внутренней и наружной частей цилиндрообразной формы, причем, по меньшей мере, одна из частей магнитопровода имеет пазы, в которых расположены обмотки. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что наружная поверхность внутренней части и внутренняя поверхность наружной части магнитопровода имеют формы многогранников с одинаковым числом граней, причем между наружной поверхностью внутренней части и внутренней поверхностью наружной части магнитопровода предусмотрен зазор шириной не более (1- cos Tr/n)R, гдеR - радиус описанной окружности многогранной поверхности внутренней части магнитопровода;- число Пи, равное 3,1415; n - количество граней. В предпочтительном варианте выполнения электрической машины зазор между наружной поверхностью внутренней части и внутренней поверхностью наружной части магнитопровода заполнен электроизоляционным материалом. На торцах магнитопровода могут быть размещены нажимные плиты. В преимущественном варианте осуществления настоящего изобретения пазы выполнены во внутренней части магнитопровода и являются закрытыми со стороны поверхности внутренней части магнитопровода, обращенной к ротору. В то же время на торцах магнитопровода могут быть размещены нажимные плиты, выполненные из двух частей, одна часть из которых прижата к торцу наружной части магнитопровода, а другая часть одновременно прижата к выше указанной части нажимной плиты и к торцам зубцовой зоны внутренней части магнитопровода. В пазы могут быть установлены пазовые клинья, фиксирующие обмотки. В некоторых вариантах боковые стенки пазов могут содержать углубления. В пазах также могут быть размещены охладители обмоток. Части охладителей, выходящие из пазов магнитопровода, в одном из вариантов электрической машны размещены на продолжениях тех поверхностей обмоток, к которым прилегают охладители обмоток в пазовой части, и могут быть прикреплены к указанным участкам обмоток бандажом. В преимущественном варианте изобретения части охладителей,выходящие из пазов магнитопровода, имеют поперечное сечение трубки охладителя в виде D-образной формы, у которой овальная часть обращена в противоположную сторону от поверхности обмоток. Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение режимов эксплуатации элементов электрической машины и, как следствие, повышение удельной мощности электрической машины, повышение ресурса и надежности работы как элементов, так и электрической машины в целом,что приводит к снижению эксплуатационных затрат. Результатом также является снижение трудоемкости изготовления электрической машины, и, соответственно, снижение стоимости изготовления электрической машины. Перечень фигур чертежей На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению. На фиг. 2 схематично изображено поперечное сечение участка статора примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению. На фиг. 3 схематично изображено поперечное сечение через обмотку в лобовой зоне примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению. На фиг. 4 схематично изображено поперечное сечение через нажимные пластины магнитопровода примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению. На фиг. 5 схематично изображен вид спереди на нажимные пластины магнитопровода примерного варианта осуществления электрической машины по настоящему изобретению. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Далее описан один из возможных вариантов осуществления электрической машины по настоящему изобретению на примере выполнения электрического генератора. В то же время следует учитывать, что все положения, относящиеся к электрическому генератору, могут быть применены и в электрической машине, преобразующей электроэнергию в энергию вращении. Электрический генератор (см. фиг. 1, 2) состоит из корпуса 1, в котором установлен статор 2. По торцам корпуса 1 установлены торцевые щиты 3, с закрепленными на них подшипниками 4. Внутри статора 2 установлен ротор 5, который опирается на подшипники 4. Статор 2 имеет магнитопровод, состоящий из внутренней части 6 и наружной части 7, которые имеют цилиндрообразную форму, изготовлены,например, из шихтованного электротехнического железа и расположены коаксиально. Между внутренней и наружной частями магнитопровода выполнен зазор 12, который может быть заполнен электроизо-2 016622 ляционным материалом 13. Наружная поверхность внутренней части 6 и внутренняя поверхность наружной части 7 магнитопровода имеют форму многогранников с одинаковым числом граней и составные части 6 и 7 расположены так, что их грани находятся напротив друг друга. Величина зазора 12 обозначенная S выбирается такой, чтобы она была всегда меньше величины, вычисляемой по формуле:S(1-cos /n)R ,где S - величина зазора между гранями многогранных поверхностей; R - радиус описанной окружности многогранной поверхности внутренней части магнитопровода;- число Пи, равное 3,1415; n количество граней. Цилиндр представляет собой геометрическое тело, ограниченное цилиндрической поверхностью и двумя параллельными плоскостями, пересекающими е. Поскольку основанием цилиндра помимо круга, эллипса, гиперболы или параболы может быть и многоугольник, то призма также является разновидностью цилиндра. В предпочтительном варианте осуществления внутренняя часть 6 магнитопровода имеет закрытые пазы 8 со стороны зазора, в пазы уложена обмотка 9 и, в некоторых вариантах осуществления, охладители 10. В то же время пазы могут быть выполнены в наружной части 7 магнитопровода или как в наружной части, так и в во внутренней части 6 магнитопровода. Трубки охладителей 10, расположенные на обмотке в лобовой зоне, могут иметь D-образную форму. Стенки зубцов в пазах внутренней части 6 магнитопровода имеют углубления 17, которые после выполнения вакуумно-нагнетательной пропитки эпоксидной смолой и запечки статора заполняются смолой и обеспечивают дополнительную фиксацию обмоток за счет образования гребенчатой поверхности у боковых поверхностей обмотки 9 от действия высокочастотной вибрации. Применение закрытых пазов в магнитопроводе статора 2, обеспечивающее снижение потерь в магнитопроводе ротора 5, как это показано на фиг. 2, предопределяет выполнение магнитопровода статора 2 из двух частей: внутренней части 6 и наружной части 7. Во внутренней части 6 выполнены пазы, в которые устанавливается обмотки 9 и охладители 10, установка которых возможна только путем заводки их с наружной стороны внутренней части 6. Для замыкания магнитных потоков снаружи на внутреннюю часть 6 устанавливают наружную часть 7 магнитопровода, выполняющую роль спинки магнитопровода. После чего статор 2 устанавливается в корпус 1 генератора. Для обеспечения установки внутренней части 6 в наружную часть 7 магнитопроводов необходим технологический зазор, который позволяет собрать магнитопровод без механического повреждения шихтованных листов, повреждения лакового покрытия этих листов магнитопровода и возможного образования недопустимых электрических контактов между частями магнитопровода. В зависимости от габаритов частей магнитопроводов технологический зазор может составлять от 0,1 до 3 мм. При работе генератора возникает электромагнитный крутящий момент, который действует на ротор и статор. На статоре электромагнитный момент действует на внутреннюю часть 6 магнитопровода, которая должна передать момент на внешнюю часть 7 магнитопровода и через нажимные плиты передать на корпус, который в свою очередь удерживает момент за счет крепления генератора к фундаменту. Традиционный способ передачи крутящего момента с помощью системы шпонок от внутренней части 6 к наружной части 7 магнитопровода имеет такие недостатки как: необходимость фрезеровать пазы в этих частях, электроизолировать шпонки, для исключения замыкания листов внутренней части 6 с листами наружной части 7 магнитопровода через стальную шпонку. Из-за небольшой площади электроизоляции шпонок в мощных генераторах уровень механических напряжений становится достаточно большим, что понижает ресурс работы электроизоляционного материала и надежность машины, особенно при токах короткого замыкания. По данному изобретению предлагается, сопрягаемые поверхности внутренней части 6 и наружной части 7 выполнить в виде многоугольной формы, которая одновременно выполняется при штамповке листов шихтованных частей магнитопровода без принятия какой-либо дополнительной механической обработки. Для того чтобы обеспечить возможность передачи крутящего момента и предотвращения возможности замыкания листов частей 6 и 7 магнитопровода зазор заполнен прочным электроизоляционным материалом 13, например препрегом. А количество граней выбираются таким, чтобы геометрически углы внутренней части 6 при возможном проворачивании уперлись в грани многогранника наружной части 7. Это условие обеспечивается только при выполнении выше указанного предлагаемого соотношения. Необходимо отметить, что в такой конструкции и выборе величины зазора по предлагаемому соотношению изоляционный материал при передаче момента в большей степени работает на сжатие, чем на срез. Это повышает ресурс работы электроизоляционного материала, т.к. прочность у неметаллических материалов выше при работе на сжатие, чем на срез. Также, в предлагаемой конструкции, уровень механических напряжений в этом материале существенно меньше в виду того, что срезающая сила, возникающая от момента, распределяется по всей поверхности сопряжения частей 6 и 7, площадь которой существенно больше, чем площадь поверхности одиночных шпонок. Это позволяет повысить ресурс работы материала 13, надежность и повысить удельную мощность генератора. Условие по выполнению многогранных поверхностей с одинаковым числом граней и расположение граней напротив друг друга обеспечивает отсутствие давления углами многогранников на плоскости граней, повреждение электроизоля-3 016622 ционного материала 13 и снижения уровня механических напряжений при действии крутящего момента. Все это повышает ресурс работы материала и надежность генератора. Снижает трудоемкость изготовления и снижает стоимость генератора. В свою очередь низкий уровень механических напряжений в электроизоляционном материале позволяет повысить величину передаваемого момента и тем самым повысить удельную мощность генератора. Для обеспечения плотного поджатия и фиксации положения обмотки 9 и трубок охладителя 10 они могут быть зажаты пазовыми клиньями 11, которые располагаются в пазах 8 и не выступают в зазор 12. Для охлаждения участков обмотки 9 в лобовых зонах (фиг. 1, 3) пазовые охладители 10 могут быть продлены и расположены на боковых поверхностях обмоток 9 так, чтобы D-образная часть была обращена в противоположную сторону от поверхности обмоток 9. Трубки охладителей 10 на участках обмотки в лобовых зонах предпочтительно прикреплены к обмотке бандажом 14. Для обеспечения сжатия в осевом направлении и фиксации на торцах наружной части 7 магнитопровода преимущественно установлены нажимные плиты 15. Аналогично на торцах внутренней части 6 магнитопровода также могут быть установлены нажимные плиты 16 в виде "пальцев", одни концы которых прижаты к нажимной плите 15, а другие концы прижаты к торцам внутренней части 6 магнитопровода, как это показано на фиг. 4,5. В заявляемой конструкции генератора возможно использовать один тип электроизоляционных трубок охладителей 10, имеющих D-образное сечение, показанное на фиг. 3. Это позволяет уменьшить количество гидравлических стыков между трубками охладителей, располагаемых в пазовой части и в лобовой зоне; унифицировать тип трубки; обеспечить высокий коэффициент заполнения паза и снизить уровень механических напряжений в трубке, располагаемой в лобовой зоне. При этом достигается упрощение конструкции охладителя, повышение ресурса работы и надежности охладителя и генератора в целом, уменьшение габаритов магнитопровода и соответственно стоимости генератора. При укладке D-образных трубок в пазы и при сжатии обмотки и трубок через пазовые клинья 11 происходит преобразование D-образного сечения трубок 10, показанного на фиг. 3, в прямоугольное за счет эластичности материала трубок 10, как это показано на фиг. 2. Уменьшается высота трубок и повышается коэффициент заполнения паза проводником по сравнению с тем, если бы трубка не могла изменять свою форму. Положение сжатой обмотки 9 и трубок 10 в пазу фиксируется пазовым клином 11, который фиксируется за счет клинообразных выемок на конце зубцов. Расположение пазового клина 11 со стороны границы между частями составного магнитопровода позволяет обеспечить простоту и качество сборки. Требование на отсутствие выступания пазовых клиньев в зазор между частями 6 и 7 магнитопровода позволяет обеспечить минимальный технологический зазор между частями магнитопровода. Это приводит к снижению магнитного сопротивления магнитной цепи и повышению величины магнитной индукции в рабочем зазоре машины, что позволяет повысить удельную мощность генератора. Применение D-образной трубки для охлаждения участков обмотки в лобовой зоне позволяет снизить механические напряжения, возникающие в ней под действием давления хладагента. Т.к механические напряжения в элементе круглого сечения всегда меньше, чем у элемента прямоугольного сечения(А.В. Дарков, Г.С.Шапиро "Сопротивление материалов" Высшая школа. М. 1969 г.). Снижение рабочих механических напряжений повышает ресурс работы трубки и надежность охладителя. Таким образом,достигается возможность использовать один тип трубки и исключить гидравлические стыки в зоне выхода трубки из пазовой части (где трубка имеет прямоугольное сечение) в лобовую зону (где трубка имеет D-образное сечение). Для фиксации положения и прижатия D-образной трубки к поверхности обмотки в лобовой зоне целесообразно выполнить это с помощью бандажа из прочной электроизоляционной ленты, пропитанной смолой. Такой бандаж обеспечит плотное прилегание к поверхности трубки охладителя 10 без подгонки. Так же обеспечит защиту трубки от механических повреждений, при испытательных давлениях ограничит уровень механических напряжений в трубке. В другом варианте позволит повысить скорость протекания хладагента (что связано с необходимостью повышения давления в трубке) для повышения интенсификации охлаждения обмотки, что позволяет повысить удельную мощность генератора. При использовании общих нажимных пластин, устанавливаемых на торцах частей 6 и 7 магнитопровода, которые неизбежно имеют разную длину из-за наличия допусков (1-2 мм), возникают следующие недостатки: при сжатии частей магнитопровода (пакетов) происходит существенная разница по силе сжатия пакетов: один сильно сжат, другой существенно не дожат; удельное давление в радиальном направлении по площади пакетов становится различным, что ухудшает качество прессовки; перекашивается положение нажимной плиты, что ухудшает качество фиксации нажимной плиты-4 016622 запорными шпонками (необходимо их индивидуально подгонять); плита имеет повышенную трудоемкость изготовления из-за необходимости фрезеровать пазы в плите. Все это приводит к ухудшению качества сборки, снижению ресурса работы и надежности генератора. В предлагаемом варианте конструкции генератора вводится индивидуальный поджим каждой части составного магнитопровода своей нажимной плитой, показанный на фиг. 4, 5, что позволяет устранить выше указанные недостатки при сборке. Нажимная плита 15 выполняется в виде простого кольца для наружной части 7, которая имеет аналогичную форму. Нажимная плита 16 выполняется в виде отдельных "пальцев", которые индивидуально поджимают зубцы внутренней части 6 магнитопровода. Отпадает фрезеровка пазов в нажимной плите и"пальцы" изготавливаются отдельно пакетным способом, что снижает трудоемкость изготовления нажимных плит 15 и 16 и, соответственно, стоимость генератора. Таким образом, заявляемая конструкция электрического генератора позволяет упростить конструкцию и сборку генератора. Повысить ресурс работы элементов и, соответственно, надежность генератора в целом, повысить удельную электрическую мощность генератора и снизить его стоимость. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электрическая машина, содержащая корпус с установленным в него статором, торцевые щиты с закрепленными на них подшипниками, ротор, установленный внутри статора и опирающийся на подшипники, причем статор имеет магнитопровод, состоящий из коаксиально расположенных внутренней и наружной частей цилиндрообразной формы, причем по меньшей мере одна из частей магнитопровода имеет пазы, в которых расположены обмотки, отличающаяся тем, что наружная поверхность внутренней части и внутренняя поверхность наружной части магнитопровода имеют формы многогранников с одинаковым числом граней, причем между наружной поверхностью внутренней части и внутренней поверхностью наружной части магнитопровода предусмотрен зазор шириной не более (1-cos /n)R, где R - радиус описанной окружности многогранной поверхности внутренней части магнитопровода;- число Пи;n - количество граней. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что зазор между наружной поверхностью внутренней части и внутренней поверхностью наружной части магнитопровода заполнен электроизоляционным материалом. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на торцах магнитопровода размещены нажимные плиты. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что пазы выполнены во внутренней части магнитопровода и являются закрытыми со стороны поверхности внутренней части магнитопровода, обращенной к ротору. 5. Машина по п.4, отличающаяся тем, что на торцах магнитопровода размещены нажимные плиты,выполненные из двух частей, одна часть из которых прижата к торцу наружной части магнитопровода, а другая часть одновременно прижата к вышеуказанной части нажимной плиты и к торцам зубцовой зоны внутренней части магнитопровода. 6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в пазы установлены пазовые клинья, фиксирующие обмотки. 7. Машина по п.1, отличающаяся тем, что боковые стенки пазов содержат углубления. 8. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в пазах размещены охладители обмоток. 9. Машина по п.8, отличающаяся тем, что части охладителей, выходящие из пазов магнитопровода,размещены на продолжениях тех поверхностей обмоток, к которым прилегают охладители обмоток в пазовой части. 10. Машина по п.9, отличающаяся тем, что части охладителей, выходящие из пазов магнитопровода, прикреплены к указанным участкам обмоток бандажом. 11. Машина по п.8, отличающаяся тем, что части охладителей, выходящие из пазов магнитопровода, имеют поперечное сечение трубки охладителя в виде D-образной формы, у которой овальная часть обращена в противоположную сторону от поверхности обмоток.