EA012865B1

EA012865B1 - Система охлаждения статора вентильной машины обращенного типа

Info

Publication number: EA012865B1
Application number: EA200900548A
Authority: EA
Inventors: Андрей Сергеевич ДРУЖИНИН; Алексей Сергеевич КИБАРДИН; Сергей Васильевич Кривошапкин; Владимир Георгиевич КУЧИНСКИЙ; Владимир Федорович СОЙКИН; Александр Витальевич Шилов
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2009-12-30
Also published as: EA200900548A1

Abstract

Предложена электрическая машина обращенного типа, содержащая корпус, ротор с установленным в нем вентилятором, воздушный теплообменник, расположенный внутри корпуса машины с наружной стороны ротора и содержащий радиаторы с внешними ребрами, статор, установленный внутри ротора и прикрепленный к корпусу. Предлагаемая машина отличается тем, что продольная ось радиаторов воздушного теплообменника направлена под таким углом по отношению к продольной оси машины, чтобы направление воздушного потока, образуемого в результате вращения ротора из воздуха, окружающего поверхность ротора, при набегании на боковую плоскость ребер радиатора совпадало с направлением воздушного потока, образуемого от установленного в роторе вентилятора.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электротехнике, а именно к многофазным электрическим машинам обращенного типа.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны электрические многофазные машины (В .В. Домбровский, Г.М. Хуторецкий «Основы проектирования электрических машин переменного тока». Л. «Энергия», 1974, далее [1]), которые содержат корпус с примыкающими к нему торцевыми щитами. Внутри корпуса располагаются теплообменник, статор, ротор и подшипники. Теплообменник состоит из теплоснимающих трубчатых элементов с ребрами. Статор установлен на внутренней поверхности корпуса и содержит магнитопровод с уложенными в его пазах катушками и охладителями катушек. Подшипники расположены в торцевых щитах. Ротор содержит магнитопровод с катушками возбуждения, вентилятор и вал, опирающийся на подшипники.

При частотах 200-400 Гц и более такой тип машин имеет следующие недостатки: существенное увеличение тепловых потерь в проводниках катушек, повышение температуры электрической изоляции обмоток, снижение ресурса работы электрической изоляции, увеличение расходов хладагента, увеличение габаритных размеров системы охлаждения, соответственно увеличение габаритных размеров машины и ее стоимости.

Также увеличивается скорость коррозии проводников с водой из-за значительных токов утечки, вызванных наведенной ЭДС на проводниках.

Существует класс электрических машин обращенного типа (А.И. Бертинов «Электрические машины авиационной автоматики», М. «Оборонгиз», 1961). Машины обращенного типа имеют аналогичный состав и конструктивно отличаются тем, что статор находится внутри полости ротора и крепится к торцевому щиту.

При работе электрической машины происходят потери энергии, складывающиеся из электрических, механических и магнитных потерь, что соответственно приводит к нагреву узлов машины (магнитопровод и обмотка ротора, магнитопровод и обмотка статора, подшипниковые узлы и т.п.). При невысоких тепловыделениях в узлах двигателя они охлаждаются наружным воздухом за счет конвективного теплообмена. При высоких тепловыделениях (что соответствует высоконагруженным машинам) для ограничения температуры узлов двигателя на допустимом уровне производится принудительное воздушное или водяное охлаждение двигателя.

При низких тепловыделениях катушки обмотки статора обдувают воздухом, при высоких тепловыделениях применяют полые проводники в катушках, которые охлаждают непосредственно водой (как более эффективный хладагент). Вода проходит непосредственно в канале проводника.

Для электрических машин, работающих с рабочей частотой 200-400 Гц и более, в качестве проводников для катушек 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 с большими сечениями. Поэтому для таких обмоток применяют систему охлаждения на основе независимых охладителей, которые либо располагаются рядом с катушкой, либо интегрируются непосредственно в конструкцию катушек.

Встроенные охладители, как правило, располагают приблизительно в середине катушки по её высоте с целью выравнивания величины температуры секций катушек. Наиболее эффективной конструкцией охладителя является плоский пакет, набранный из полых прямоугольного трубок. Применение прямоугольных трубок позволяет обеспечить максимальную площадь прилегания охладителя к охлаждаемым поверхностям катушки.

С целью сокращения количества входов-выходов охладителей их соединяют последовательно. При этом охладители образуют контур, в котором наводится напряжение от переменного электромагнитного поля. Для того чтобы по контуру охладителей не протекал ток и не появлялись дополнительные тепловыделения, секции соединяют через диэлектрические рукава.

Такой тип машин также имеет следующие недостатки: увеличение расходов хладагента из-за повышенных тепловых потерь, вызванных токами утечки, увеличение габаритных размеров системы охлаждения, соответственно увеличение габаритных размеров машины и ее стоимости. Снижается КПД машины.

Также увеличивается скорость химической коррозии проводников с водой из-за значительных токов утечки, вызванных наведенной переменным магнитным полем ЭДС на проводниках.

Для охлаждения других узлов машины, таких как магнитопроводы статора и ротора широко применяют воздушное охлаждение по замкнутому циклу [1]. Вентилятор, установленный на роторе, при вращении создает напор, и воздух, проходя по гидравлическим трактам замкнутого контура (зазор между статором и ротором, между пакетами магнитопроводов, в лобовых зонах), охлаждает их. Для охлаждения воздуха внутри машины устанавливают теплообменник, через который прокачивается вода. Наличие вентилятора в машине также создает следующие недостатки: увеличивает величину механических потерь в машине и её габаритные размеры, снижает КПД машины.

- 1 012865

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение более эффективного воздушного охлаждения внутренних узлов машины, улучшение охлаждения лобовых зон статорных катушек, упрощение гидравлической схемы протекания охлаждающей воды по машине, за счет чего обеспечивается повышенный ресурс работы системы охлаждения машины, большая надежность работы, меньшие габаритные размеры воздушной системы охлаждения и, соответственно, улучшенные массо-габаритные параметры машины.

Предлагаемая электрическая машина обращенного типа содержит корпус, ротор с установленным в нем вентилятором, воздушный теплообменник, расположенный внутри корпуса машины с наружной стороны ротора и содержащий радиаторы с внешними ребрами, статор, установленный внутри ротора и прикрепленный к корпусу.

Предлагаемая машина отличается тем, что продольная ось радиаторов воздушного теплообменника направлена под таким углом по отношению к продольной оси машины, чтобы направление воздушного потока, образуемого в результате вращения ротора из воздуха, окружающего поверхность ротора, при набегании на боковую плоскость ребер радиатора совпадало с направлением воздушного потока, образуемого от установленного в роторе вентилятора.

В предпочтительном варианте корпус содержит торцевые щиты, причем в торцевых щитах установлены подшипники, а статор прикреплен к одному из торцевых щитов.

В одном из вариантов статор содержит явнополюсный магнитопровод, катушки статорной обмотки, расположенные на полюсах магнитопровода, причем на каждом полюсе находится не менее двух катушек, охладители катушек, размещенные между катушками, расположенными на каждом полюсе, причем каждый охладитель состоит из двух идентичных с учетом зеркальной симметрии блоков, расположенных по обе стороны полюса.

В предпочтительном варианте каждый блок охладителя состоит из четного числа охлаждающих каналов, направленных вдоль оси машины и расположенных как на пазовой, так и части лобовой зон катушек. Охлаждающие каналы могут быть соединены по протоку охладителя последовательно и уложены бифилярно с разделением между собой электроизоляционными прокладками.

Электрическая машина по настоящему изобретению обеспечивает более эффективное воздушное охлаждение внутренних узлов машины и улучшает охлаждение лобовых зон статорных катушек за счет отклонения воздушного потока, вызванного вращением ротора, в сторону движения в зоне теплообменника воздушного потока от вентилятора машины, а также упрощает гидравлическую схему протекания охлаждающей воды по машине в результате того, что каждый охладитель состоит из двух идентичных блоков. Предлагаемая конструкция обеспечивает повышенный ресурс работы системы охлаждения машины, большую надежность работы, меньшие габаритные размеры воздушной системы охлаждения и соответственно улучшены массо-габаритные параметры машины. Повышен ресурс работы машины и соответственно снижены эксплуатационные затраты на обслуживание машины.

Перечень чертежей

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение примерного варианта осуществления электрической машины обращенного типа по настоящему изобретению;

на фиг. 2 - поперечное сечение примерного варианта осуществления электрической машины обращенного типа по настоящему изобретению;

на фиг. 3 - охладитель катушек примерного варианта осуществления электрической машины обращенного типа по настоящему изобретению (вид сверху);

на фиг. 4 - поперечное сечение охладителя катушек примерного варианта осуществления электрической машины обращенного типа по настоящему изобретению;

на фиг. 5 - вид сверху воздушного охладителя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Далее описан один из возможных вариантов осуществления электрической машины по настоящему изобретению. Электрическая машина обращенного типа (см. фиг. 1, 2) имеет корпус 1, на торцах которого установлены торцевые щиты 2. В торцевых щитах 2 установлены подшипники скольжения 3. Ротор 4 установлен внутри корпуса 1 и состоит из силового кольца 5, на котором установлены вентиляционные лопатки 6, и магнитной системы 7 с постоянными магнитами 8 (как вариант). Силовое кольцо 5 в зоне вентиляционных лопаток 6 имеет вентиляционные отверстия 9.

К силовому кольцу 5 прикреплен диск 10, который в свою очередь посажен на вал 11. Вал 11 с одной стороны проходит через отверстие статора 12 и своими концами опирается на подшипниковые узлы 13. Статор 12 установлен внутри ротора 4 и присоединен к одному из торцевых щитов 2.

Статор 12 имеет магнитопровод 15 и обмотку возбуждения в виде катушек 14, уложенных в пазы магнитопровода 15. Каждая катушка 14 охватывает соответствующий полюс 16 магнитопровода 15.

Воздушный охладитель 17 (см. также фиг. 5) расположен снаружи силового кольца 5 концентрично по отношению к нему и закреплен на корпусе 1. Воздушный охладитель состоит из теплоснимающих трубок 18 с ребрами 19, замкнутых по концам водяными коллекторами 20. Теплоснимающие трубки 18 расположены так, что их продольная ось 31 образует угол 32 по отношению к продольной оси 30 маши

- 2 012865 ны, при этом направление вращения ротора и движения воздуха, вызванного этим вращением, показано стрелкой 34, а направление движения воздуха, вызванное вентилятором ротора, показано стрелкой 33.

На фиг. 3 и 4 изображен водяной охладитель 21 катушек 14, состоящий из охлаждающих каналов в виде прямоугольных трубок 22, которые уложены вокруг полюса 16. В каждой пазовой части прямоугольные трубки 21 уложены бифилярно и по количеству имеют четное число. Между трубками проложены электроизоляционные прокладки 24.

Воздушная система охлаждения узлов двигателя работает следующим образом. Вентиляционные лопатки 6 при вращении создают повышенное давление по отношению к окружающей среде. Под действием этого давления воздух проходит через вентиляционные отверстия 9 и движется вдоль наружной поверхности силового кольца 5 и воздушного теплообменника 17. Далее, заворачиваясь в лобовой зоне статора, проходя, в том числе, и через систему электрических шин, соединяющей катушки, попадает в воздушный зазор 23. Далее, двигаясь по нему, попадает на вход вентиляторного узла (лопатки 6) и, получая динамический напор с помощью лопаток 6, снова через вентиляционные отверстия 9 попадает в воздушный зазор между корпусом 1 и ротором 4. При своем прохождении воздух охлаждает горячие узлы машины, омывая их, нагревается от них и в зоне темплообменника охлаждается до первоначальной температуры и, продолжая двигаться под действием напора, создаваемого вентилятором, снова поступает к горячим узлам.

Положительный эффект разворота плоскостей ребер 19 теплоснимающих элементов 18 теплообменника по отношению к направлению движения основного охлаждающего воздушного потока заключается в следующем (см. фиг. 4). При вращении ротора 4 воздух, окружающий его поверхность, и в частности наружную поверхность силового кольца 5, приобретает вращательное движение, достигающее на поверхности ротора 4 скорость движения, близкую к линейной скорости движения поверхности силового кольца 5, и направление движения этого воздуха перпендикулярно по отношению к продольной оси машины. У мощных двигателей линейная скорость ротора достигает 50-180 м/с и более.

При развороте плоскости ребра 19 теплоснимающего элемента 18 теплообменника под некоторым углом по отношению к движению воздушного потока, создаваемый вращением ротора 4 (силовым кольцом 5), воздух «набегает» на плоскость ребер 19 теплоснимающих элементов 18 и происходит отклонение части воздуха этого потока в направлении совпадения его движения с направлением движения основного воздушного охлаждающего потока, создаваемого вентилятором (лопатками 6). Создание такого воздушного потока создает дополнительный воздушный напор на данном участке в воздушном тракте (т.е. эффект «наличия» дополнительного вентилятора, роль которого выполняет вращающееся силовое кольцо 5), образованном вдоль поверхности ротора 4, помогающий движению и преодолению гидравлического сопротивления основного воздушного охлаждающего потока. Поэтому, соответственно, можно снизить величину напора основного воздушного потока, создаваемого вентилятором, на величину дополнительного воздушного напора, создаваемого за счет поворота плоскостей ребер 19 теплоснимающих элементов 18 теплообменника, тем самым уменьшить габаритные размеры вентилятора, снизить величину механических потерь от вентилятора, соответственно уменьшить габаритные размеры и стоимость двигателя и повысить коэффициент полезного действия двигателя.

Разворот плоскости ребра 19 теплоснимающего элемента 18 при набегании воздушного потока на него так же повышает величину коэффициента теплоотдачи от горячего воздуха к ребру 19 и тем самым повышает эффективность охлаждения горячего воздуха на данном участке, что позволяет уменьшить размеры теплообменника двигателя. Это приводит соответственно также к снижению стоимости изготовления теплообменника, его массы и стоимости двигателя в целом.

Как выше указывалось, на прямолинейных участках трубок охладителя наводится ЭДС от внешнего переменного магнитного поля. Так как трубки в пазу расположены бифилярно (зигзагообразно) и имеют четное число трубок, то наводимое ЭДС на каждой трубке всегда находится в противофазе по отношению к ЭДС у любой рядом лежащей трубки, и суммарное наводимое напряжение практически равно нулю за счет взаимной компенсации. Это приводит к отсутствию токов утечки и электрохимической коррозии трубок.

Соответственно отсутствуют дополнительные тепловые потери из-за отсутствия тока утечки, повышается КПД машины, меньше требуется хладагента и соответственно уменьшается система охлаждения машины. Повышается срок службы охладителей и надежность машины.

Для обеспечения отсутствия замыканий рядом лежащих трубок охладителя, что может привести к образованию единого металлического массива с площадью большей, чем у одиночной трубки охладителя и наведения соответственно больших вихревых токов и дополнительного тепловыделения в трубке, каждая трубка охладителя в пазовой части отделена от любой соседней трубки охладителя электроизоляционным материалом.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрическая машина обращенного типа, содержащая корпус, ротор с установленным в нем вентилятором, воздушный теплообменник, расположенный внутри корпуса машины с наружной стороны ротора и содержащий радиаторы с внешними ребрами, статор, установленный внутри ротора и прикрепленный к корпусу, отличающаяся тем, что продольная ось радиаторов воздушного теплообменника направлена под таким углом по отношению к продольной оси машины, чтобы направление воздушного потока, образуемого в результате вращения ротора из воздуха, окружающего поверхность ротора, при набегании на боковую плоскость ребер радиатора совпадало с направлением воздушного потока, образуемого от установленного в роторе вентилятора.
2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус содержит торцевые щиты, причем в торцевых щитах установлены подшипники, а статор прикреплен к одному из торцевых щитов.
3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что статор содержит явнополюсный магнитопровод, катушки статорной обмотки, расположенные на полюсах магнитопровода, причем на каждом полюсе находится не менее двух катушек, охладители катушек, размещенные между катушками, расположенными на каждом полюсе, причем каждый охладитель состоит из двух идентичных с учетом зеркальной симметрии блоков, расположенных по обе стороны полюса.
4. Электрическая машина по п.3, отличающаяся тем, что каждый блок охладителя состоит из четного числа охлаждающих каналов, направленных вдоль оси машины и расположенных как на пазовой, так и части лобовой зон катушек.
5. Электрическая машина по п.4, отличающаяся тем, что охлаждающие каналы соединены по протоку охладителя последовательно и уложены бифилярно с разделением между собой электроизоляционными прокладками.