RU2807513C1

RU2807513C1 - Electric machine

Info

Publication number: RU2807513C1
Application number: RU2023123429A
Authority: RU
Inventors: Флюр Рашитович Исмагилов; Вячеслав Евгеньевич Вавилов; Алексей Анатольевич Жеребцов; Ильдус Финатович Саяхов; Оксана Алексеевна Юшкова; Евгений Олегович Жарков; Тагир Рафаэлевич Терегулов
Filing date: 2023-09-11
Publication date: 2023-11-15

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention can be used in the manufacture of electrical machines in which wedges are used to fasten the windings in the open grooves of the magnetic circuit. The essence of the invention: an electric machine contains stator or rotor windings placed in open slots with fastening by means of wedges, and the slot wedges are made laminated from two-phase magnetic material in such a way that the non-magnetic zones are located in the centre of the wedges along the entire height of the wedges, and the thickness of the non-magnetic zone is 30-40% of the stator slot width.

EFFECT: increased energy efficiency and reliability.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при изготовлении электрических машин, в которых для крепления обмотки в открытых пазах магнитопровода используются клинья.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the manufacture of electrical machines in which wedges are used to fasten the windings in the open grooves of the magnetic circuit.

Известен пазовый клин статора крупногабаритного паротурбинного электрогенератора [патент РФ №2720589 С2, МПК Н02К 3/493, опубликовано 12.05.2020 г.], представляющий собой парную конструкцию, содержащую верхний и нижний клинья, при чем верхний клин является вспомогательным, а нижний клин является основным. Верхняя поверхность верхнего клина расположена заподлицо в выемке или верхняя поверхность верхнего клина утоплена в выемке. На верхней поверхности нижнего клина выполнен соединительный паз типа «ласточкин хвост», а на нижней поверхности верхнего клина выполнен соответствующий указанному пазу выпуклый участок, закрепленный в соединительном пазе. Другим вариантом является выполнение между верхним клином и нижним клином щели, в которой вставлен магнитный пазовый клин.The stator slot wedge of a large-sized steam turbine electric generator is known [RF patent No. 2720589 C2, MPK N02K 3/493, published on May 12, 2020], which is a paired structure containing upper and lower wedges, wherein the upper wedge is auxiliary, and the lower wedge is main The upper surface of the upper wedge is flush in the recess or the upper surface of the upper wedge is recessed in the recess. A dovetail-type connecting groove is made on the upper surface of the lower wedge, and on the lower surface of the upper wedge there is a convex section corresponding to the specified groove, fixed in the connecting groove. Another option is to make a slot between the upper wedge and the lower wedge, into which a magnetic groove wedge is inserted.

Недостатком аналога является сложность технической реализации, сложность технологии изготовления.The disadvantage of the analogue is the complexity of the technical implementation and the complexity of the manufacturing technology.

Известен трансформаторный датчик угла [Авторское свидетельство SU №1610246 A1, МПК G01B 7/30, опубликовано 30.11.1990 г.], содержащий неявнополюсный статор с равномерно распределенными по его внутренней поверхности пазами, в которые определенным образом уложены обмотка возбуждения и измерительная обмотка, безобмоточный зубчатый ротор, при этом промежутки между зубцами ротора заполнены компаундом с наполнителем в виде магнитного порошка.A transformer angle sensor is known [Copyright certificate SU No. 1610246 A1, IPC G01B 7/30, published on November 30, 1990], containing a non-salient pole stator with slots evenly distributed along its inner surface, into which the excitation winding and the measuring winding are laid in a certain way, winding-free a gear rotor, with the spaces between the rotor teeth filled with a compound filled with magnetic powder.

Недостатком аналога является сложность технологии изготовления.The disadvantage of the analogue is the complexity of the manufacturing technology.

Известен статор высокочастотной электрической машины [патент РФ №180124 U1, МПК Н02К 3/493, опубликовано 05.06.2018 г.], содержащий магнитопровод статора с пазами статора, обмотку статора, установленную в пазах посредством клиньев, состоящих из двух частей: полосы немагнитного материала с выступом вдоль осевой линии клина и обращенным от обмотки и полосы магнитного диэлектрика с несквозным пазом, обращенным к обмотке вдоль оси линии клина по форме и размеру, совпадающим с выступом на полосе из немагнитного материала.The stator of a high-frequency electric machine is known [RF patent No. 180124 U1, IPC N02K 3/493, published 06/05/2018], containing a stator magnetic circuit with stator slots, a stator winding installed in the slots by means of wedges consisting of two parts: a strip of non-magnetic material with a protrusion along the center line of the wedge and facing away from the winding and strip of magnetic dielectric with a blind groove facing the winding along the axis of the wedge line in shape and size, coinciding with the protrusion on the strip of non-magnetic material.

Известен магнитный клин [Авторское свидетельство SU №486425, МПК Н02К 3/48, опубликовано 30.09.1975 г.] для установки в открытых пазах электрических машин для крепления обмотки статора, выполненный из ферромагнитного материала, представляющий собой фигуру с геометрией, соответствующей профилю паза статора, боковые стенки и основания которой охвачены пластмассовой оболочкой, в боковых стенках клина выполнены пазы, а стенка, обращенная к воздушному зазору, снабжена ребрами жесткости и размещенными вне рабочей зоны лунками.There is a known magnetic wedge [Author's certificate SU No. 486425, MPK N02K 3/48, published on September 30, 1975] for installation in open slots of electrical machines for fastening the stator winding, made of ferromagnetic material, representing a figure with a geometry corresponding to the profile of the stator slot , the side walls and bases of which are covered by a plastic shell, grooves are made in the side walls of the wedge, and the wall facing the air gap is equipped with stiffeners and holes located outside the working area.

Недостатки указанного решения заключаются в выполнении магнитного клина в виде сплошного ферромагнитного тела, что приводит к повышению добавочных потерь, а также к местным нагревам зубцов магнитопровода в области между пазовыми клиньями ввиду наличия полей рассеяния.The disadvantages of this solution are that the magnetic wedge is made in the form of a solid ferromagnetic body, which leads to an increase in additional losses, as well as to local heating of the magnetic circuit teeth in the area between the slot wedges due to the presence of stray fields.

Известен статор электрической машины [патент РФ №180124 U1, МПК Н02К 3/493, опубликовано 05.06.2018 г.], содержащий магнитопровод статора с открытыми пазами статора, обмотку статора, установленную в пазах посредством клиньев, состоящих из двух частей: полосы немагнитного материала с выступом вдоль осевой линии клина и обращенным от обмотки и полосы магнитного диэлектрика с несквозным пазом, обращенным к обмотке вдоль оси линии клина по форме и размеру, совпадающим с выступом на полосе из немагнитного материала.The stator of an electric machine is known [RF patent No. 180124 U1, IPC N02K 3/493, published 06/05/2018], containing a stator magnetic circuit with open stator slots, a stator winding installed in the slots by means of wedges consisting of two parts: a strip of non-magnetic material with a protrusion along the center line of the wedge and facing away from the winding and strip of magnetic dielectric with a blind groove facing the winding along the axis of the wedge line in shape and size, coinciding with the protrusion on the strip of non-magnetic material.

Недостатком аналога является невысокая энергетическая эффективность.The disadvantage of the analogue is its low energy efficiency.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является электрическая машина [патент РФ №217081 U1, МПК Н02К 3/46, опубликовано 16.03.2023 г.], содержащая статорную или роторную обмотки, размещенные в пазах открытого типа с клиновым креплением, при этом пазовые клинья и внутрипазовые прокладки выполнены из цельных металлических немагнитных материалов.The closest in technical essence to the proposed technical solution is an electric machine [RF patent No. 217081 U1, IPC N02K 3/46, published on March 16, 2023], containing stator or rotor windings placed in open slots with wedge fastening, while groove wedges and intra-groove gaskets are made of solid metal non-magnetic materials.

Недостатком технического решения является невысокая энергетическая эффективность, а также местный нагрев магнитопровода в области между пазовыми клиньями ввиду наличия полей рассеяния.The disadvantage of the technical solution is low energy efficiency, as well as local heating of the magnetic circuit in the area between the slot wedges due to the presence of stray fields.

Техническим результатом является повышение энергетической эффективности и надежности.The technical result is to increase energy efficiency and reliability.

Технический результат достигается тем, что в электрической машине, содержащей статорную или роторную обмотки, размещенные в пазах открытого типа с креплением посредством клиньев, согласно изобретению, пазовые клинья выполнены шихтованными из двухфазного магнитного материала таким образом, что немагнитные зоны расположены в центре клиньев по всей высоте клиньев, а толщина немагнитной зоны составляет 30-40% от ширины паза статора.The technical result is achieved by the fact that in an electric machine containing stator or rotor windings placed in open slots with fastening by means of wedges, according to the invention, the slot wedges are made of laminated two-phase magnetic material in such a way that non-magnetic zones are located in the center of the wedges along the entire height wedges, and the thickness of the non-magnetic zone is 30-40% of the width of the stator groove.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена часть магнитопровода электрической машины с пазом и пазовым клином из двухфазного магнитного материала.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows a part of the magnetic circuit of an electric machine with a groove and a groove wedge made of two-phase magnetic material.

Предложенная электрическая машина (на фигуре не показана) содержит магнитопровод 1, обмотку 2, размещенную в пазах 3 открытого типа, с клиновым креплением, причем пазовые клинья 4 выполнены шихтованными из двухфазного магнитного материала таким образом, что немагнитные зоны 5 расположены в центре клиньев 4 по всей высоте клиньев 4, а толщина немагнитной зоны 5 составляет 30-40% от ширины паза 3 открытого типа, а магнитные зоны 6 соприкасаются с зубцами 7 магнитопровода 1.The proposed electric machine (not shown in the figure) contains a magnetic circuit 1, a winding 2, placed in open-type slots 3, with a wedge fastening, and the slot wedges 4 are made of laminated two-phase magnetic material in such a way that the non-magnetic zones 5 are located in the center of the wedges 4 along the entire height of the wedges 4, and the thickness of the non-magnetic zone 5 is 30-40% of the width of the open type groove 3, and the magnetic zones 6 are in contact with the teeth 7 of the magnetic circuit 1.

Повышение энергетической эффективности достигается за счет выполнения клиньев шихтованными, что снижает потери на вихревые токи, добавочные потери холостого хода и при нагрузке, а также снижают рассеяние магнитного поля в паз, тем самым снижая потери от вихревых токов в обмотке. Повышение надежности достигается снижением нагрева обмотки за счет ориентации магнитного потока таким образом, чтобы он замыкался через магнитные зоны клина и зубца и не замыкался по обмотке в пазу.Increased energy efficiency is achieved by making the wedges laminated, which reduces losses due to eddy currents, additional no-load and load losses, and also reduces the dissipation of the magnetic field in the groove, thereby reducing losses from eddy currents in the winding. Increased reliability is achieved by reducing the heating of the winding due to the orientation of the magnetic flux in such a way that it closes through the magnetic zones of the wedge and tooth and does not close along the winding in the groove.

Устройство работает следующим образом. При работе электрической машины (на фигуре не показана) магнитопровод 1 с обмоткой 2 пронизывается осевыми и радиальными потоками. Проходя через воздушный рабочий зазор (на фигуре не показан) и обмотки 2, магнитный поток попадает в магнитопровод 1 и ориентируется таким образом, чтобы замыкаться через зубцы 7, ограничивающие паз 3 и через магнитные зоны 6 пазовых клиньев 4, ограничивающие немагнитные зоны 5 пазовых клиньев 4. Таким образом уменьшается доля магнитного потока, попадающая в паз 3 с обмоткой 2. Толщина немагнитных зон 5 определяется аналитически при проектировании электрической машины и подтверждается конечно-элементным моделированием из условия обеспечения необходимых энергетических и магнитных характеристик электрической машины, которые достигаются в среднем при толщине немагнитных зон 5, составляющих 30-40% от ширины паза 3.The device works as follows. During operation of an electric machine (not shown in the figure), the magnetic circuit 1 with winding 2 is penetrated by axial and radial fluxes. Passing through the air working gap (not shown in the figure) and windings 2, the magnetic flux enters the magnetic circuit 1 and is oriented in such a way as to close through the teeth 7, limiting the groove 3 and through the magnetic zones 6 of the groove wedges 4, limiting the non-magnetic zones 5 of the groove wedges 4. In this way, the proportion of the magnetic flux entering the groove 3 with winding 2 is reduced. The thickness of the non-magnetic zones 5 is determined analytically when designing an electric machine and is confirmed by finite element modeling from the condition of ensuring the necessary energy and magnetic characteristics of the electric machine, which are achieved on average with a thickness non-magnetic zones 5, constituting 30-40% of the width of the groove 3.

Пример выполнения изобретения. В электрической машине с постоянными магнитами с внутренним ротором, выходной мощностью 110 кВт, частотой вращения ротора 12000 об/мин, применен открытый паз с шириной 8 мм. При такой конструкции коэффициент полезного действия электрической машины составил 90%. После установки в паз клина из двухфазного материала с шириной немагнитной зоны 3,2 мм коэффициент полезного действия электрической машины составил 92%. После установки пазовых клиньев потери в обмотке уменьшились на 9%, и, соответственно, снизился ее нагрев.An example of the invention. The internal rotor permanent magnet electric machine, output power 110 kW, rotor speed 12000 rpm, uses an open slot with a width of 8 mm. With this design, the efficiency of the electric machine was 90%. After installing a wedge made of a two-phase material with a non-magnetic zone width of 3.2 mm into the groove, the efficiency of the electric machine was 92%. After installing the slot wedges, losses in the winding decreased by 9%, and, accordingly, its heating decreased.

Таким образом, предлагаемая конструкция электрической машины позволяет повысить ее энергетическую эффективность и надежность.Thus, the proposed design of the electric machine makes it possible to increase its energy efficiency and reliability.

Claims

An electrical machine containing stator or rotor windings placed in open slots with fastening by means of wedges, characterized in that the slot wedges are made of laminated two-phase magnetic material in such a way that the non-magnetic zones are located in the center of the wedges along the entire height of the wedges, and the thickness of the non-magnetic zone is 30-40% of the stator slot width.