EA016647B1

EA016647B1 - Теплообменник электрической машины обращенного вида

Info

Publication number: EA016647B1
Application number: EA201101261A
Authority: EA
Inventors: Алексей Сергеевич АДАЛЕВ; Алексей Сергеевич КИБАРДИН; Владимир Георгиевич КУЧИНСКИЙ; Владимир Федорович СОЙКИН; Андрей Михайлович ЧИЖОВ
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Нпо "Русский Электропривод"
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-06-29
Also published as: EA201101261A1

Abstract

Раскрыта электрическая машина обращенного типа, содержащая корпус с примыкающими к нему торцевыми щитами, ротор, который может быть установлен на подшипниках, размещенных в торцевых щитах. Машина также содержит по меньшей мере один воздушный теплообменник, расположенный внутри корпуса машины с наружной стороны ротора и содержащий теплопередающие элементы, а также статор, установленный внутри ротора и прикрепленный к одному из торцевых щитов. Электрическая машина согласно настоящему изобретению отличается тем, что теплопередающие элементы воздушного теплообменника имеют форму дуг.

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 г.), которые содержат корпус с примыкающими к нему торцевыми щитами. Также внутри корпуса располагаются теплообменник, статор, ротор и подшипники. Теплообменник состоит из теплопередающих 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, вентилятор и вал, опирающийся на подшипники.

При работе электрической машины в ней как в целом, так и в ее узлах возникают вынужденные колебания, вызванные переменными электромагнитными процессами и механическими факторами, вызванными вращением ротора. Спектр этих колебаний часто большой и особенно увеличивается в многофазных регулируемых машинах и может находиться в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц и более. Поэтому обеспечение отстройки величин собственных частот у многочисленных элементов машины от величин возмущающих частот достаточно сложно и не всегда удается обеспечить достаточное удаление величины собственных частот элементов от величин возмущающих частот, чтобы не вызывать повышенные амплитуды колебаний (близкие к резонансным амплитудам колебаний). Колебания создают переменные механические напряжения в элементах, которые, в свою очередь, должны быть не более требуемого уровня, чтобы обеспечить необходимый ресурс работы элементов (усталостную прочность) в период заданного срока работы машины. Наличие широкого диапазона возмущающих частот приводит к тому, что ряд элементов (деталей или узлов), особенно плоские (с небольшой толщиной) и протяженные элементы имеют ограниченный ресурс работы из-за относительно высокой переменной составляющей механических напряжений и соответственно небольшую усталостную прочность и требуют замены их при капитальных ремонтах или даже чаще. В частности, это элементы крепления лобовых участков обмоток, элементы теплообменников, опорные шарикоподшипники и т.п. Это понижает надежность машины и увеличивает стоимость эксплуатационных затрат. Решение этих недостатков путем использования более массивных элементов, у которых начальные величины собственных частот будут в разы выше величин возмущающих частот, приводит к увеличению частично габаритов узлов, увеличению массы машины и соответственно к увеличению стоимости машины.

В патенте ЕА 012865, выбранном в качестве прототипа, описана еще одна конструкция электрической машины. Указанная машина обращенного типа содержит корпус с примыкающими к нему торцевыми щитами, на которых установлены подшипники; ротор с установленным в нем вентилятором; воздушный теплообменник, расположенный внутри корпуса машины с наружной стороны ротора. Теплообменник содержит теплопередающие элементы (ТЭ) с внешними ребрами, закрепленные на водяных объединяющих коллекторах, которые, в свою очередь, закреплены на внутренней поверхности корпуса машины. Статор установлен внутри ротора, прикреплен к одному из торцевых щитов и содержит явно полюсный магнитопровод с катушками.

Для обеспечения эффективного охлаждения воздуха внутри машины ТЭ расположены вдоль продольной оси машины и имеют соответствующую протяженность. И чем больше мощность машины, тем больше становится длина машины и соответственно длина ТЭ.

Большая протяженность ТЭ приводит к понижению величин спектра собственных частот ТЭ, что повышает амплитуду вынужденных колебаний ТЭ, амплитуду переменных механических напряжений и соответственно уменьшает ресурс работы теплообменника, надежность машины в целом. Использование теплообменников с более короткими ТЭ и соответственно с более высоким по амплитуде спектром собственных частот приведет к уменьшению амплитуды переменных механических напряжений. Но тогда необходимо будет устанавливать несколько таких теплообменников для сохранения общей расчетной длины теплообменника. Это приводит к увеличению количества водяных коллекторов, длины сварных швов, увеличивает количество соединительных элементов между элементами и усложняет систему гидравлических соединений водяных трактов, что в общем приводит к усложнению конструкции теплообменника, понижению надежности машины, увеличению эксплуатационных затрат и стоимости машины.

Сущность изобретения

Задачами настоящего изобретения являются повышение прочностных характеристик теплообменника при одновременном сохранении или увеличении длины его элементов, упрощение конструкции теплообменника и повышение его ресурса работы, повышение надежности машины в целом, снижение эксплуатационных затрат и стоимости машины.

Задачи изобретения решаются с помощью электрической машины обращенного типа, содержащей корпус с примыкающими к нему торцевыми щитами, ротор, который может быть установлен на подшипниках, размещенных в торцевых щитах. Машина также содержит по меньшей мере один воздушный теплообменник, расположенный внутри корпуса машины с наружной стороны ротора и содержащий теплопередающие элементы, а также статор, установленный внутри ротора и прикрепленный к одному из

- 1 016647 торцевых щитов. В рассматриваемом варианте продольное направление теплопередающих элементов предпочтительно является, по существу, параллельным оси вращения ротора или, в другой формулировке, теплопередающие элементы, по существу, лежат в плоскостях, к которым принадлежит ось вращения ротора; в то же время могут быть предусмотрены другие варианты ориентации и расположения теплопередающих элементов. Электрическая машина согласно настоящему изобретению отличается тем, что теплопередающие элементы воздушного теплообменника имеют форму дуг.

В предпочтительном варианте выполнения теплопередающие элементы снабжены упругими элементами, причем теплопередающие элементы в корпусе и упругие элементы на теплопередающих элементах расположены так, что выпуклые стороны теплопередающих элементов обращены к внутренней поверхности корпуса двигателя, а упругие элементы опираются на внутреннюю поверхность корпуса, при этом обеспечены зазоры между теплопередающими элементами и внутренней поверхностью корпуса. При этом в преимущественном варианте теплопередающие элементы в корпусе и упругие элементы на теплопередающих элементах расположены так, что упругие элементы находятся в сжатом состоянии, что обеспечивает дополнительное улучшение свойств теплообменника и электрической машины в целом.

Теплопередающие элементы могут иметь внешние ребра, причем упругие элементы могут быть расположены на теплопередающих элементах между ребрами. В другом варианте теплопередающие элементы могут иметь по меньшей мере по одному участку без ребер, а упругие элементы могут быть расположены на теплопередающих элементах на указанных участках без ребер.

Упругие элементы предпочтительно выполнены в виде кольцевых втулок из эластичного материала. Дополнительного улучшения свойств настоящего изобретения можно достичь, если упругие элементы имеют нелинейную жесткость.

В преимущественном варианте осуществления настоящего изобретения воздушный теплообменник содержит, по меньшей мере, один водяной коллектор, с которым соединены теплопередающие элементы. Циркуляция воздуха в корпусе машины предпочтительно обеспечивается вращением ротора, причем с целью увеличения эффективности теплообмена в роторе или на роторе может быть установлен вентилятор. В предпочтительном варианте настоящего изобретения статор содержит явно полюсный магнитопровод с катушками.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочностных характеристик теплообменника при одновременном сохранении или увеличении длины его элементов за счет изменения формы элементов и осуществления их предварительного напряжения. Кроме того, также обеспечено улучшенное демпфирование перемещений элементов теплообменника, что также приводит к упрощению конструкции теплообменника и повышению его ресурса работы, повышению надежности машины в целом и снижению эксплуатационных затрат и стоимости машины.

Перечень фигур

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

На фиг. 2 схематично изображено поперечное сечение примерного варианта осуществления электрической машины обращенного типа по настоящему изобретению.

На фиг. 3 схематично изображен воздушный теплообменник в продольном направлении примерного варианта осуществления электрической машины обращенного типа по настоящему изобретению (вид сверху).

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 и 4. Ротор 5 установлен внутри корпуса 1, на котором установлены вентиляционные лопатки 6 и магнитная система 7.

К силовому кольцу 8 прикреплен диск 9, который, в свою очередь, посажен на вал 10. Вал 10 с одной стороны проходит через отверстие статора 11 и своими концами опирается на подшипниковые узлы 3 и 4. Статор 11 установлен внутри ротора 5 и присоединен к одному из торцевых щитов 2.

Статор 11 имеет магнитопровод 12 и обмотку возбуждения в виде катушек 13, уложенных в пазы магнитопровода 12.

Воздушный теплообменник 14 (см. также фиг. 3) расположен снаружи силового кольца 8 концентрично по отношению к нему и закреплен на корпусе 1. Воздушный теплообменник 14 состоит из теплопередающих элементов 15 с ребрами 16, замкнутых по концам водяными коллекторами 17. Теплопередающие элементы 15 расположены преимущественно в продольном направлении по отношению к машине. Теплопередающие элементы 15 имеют участки без ребер 18, на которых установлены упругие элементы 19, например, выполненные в виде кольцевых втулок. Упругие элементы 19 выполнены из эластичного материала с нелинейной характеристикой механической жесткости. Воздушный теплообменник 14 размещен и закреплен с помощью узлов крепления 20 на внутренней поверхности корпуса 1. Причем конфигурация воздушного теплообменника 14 выполнена так, что при фиксации теплообменника 14 на корпусе 1 обеспечивается сжатие упругих элементов 19 и отсутствует касание теплопередающих

- 2 016647 элементов 15 корпуса 1.

Положительный эффект от исполнения теплопередающих элементов 15 в виде дуг, установки упругих элементов 19 и обеспечения сжатия упругих элементов заключается в следующем. Для повышения ресурса работы теплопередающих элементов 15 и воздушного теплообменника 14 в целом целесообразно, чтобы теплопередающий элемент 15 имел первую и последующие собственные частоты по величине больше 1000-1200 Гц и более. С ростом величины собственных частот амплитуда вынужденных колебаний и уровень переменных механических напряжений существенно уменьшаются. Это позволяет увеличить количество циклов колебаний ТЭ 15, что соответственно приводит к увеличению длительности (ресурса) работы ТЭ 15 и повышению надежности машины в целом. Поэтому для увеличения уровня собственных частот ТЭ 15 он выполняется в виде дуги, так как участок дуги имеет уровень собственных частот выше, чем такой же прямолинейный участок, из-за повышения жесткости за счет наличия дополнительной кольцевой жесткости. Также уровень собственных частот повышается из-за образования механического напряжения сжатия ТЭ 15 в продольном направлении ввиду образования поперечной силы действующей на ТЭ 15 из-за сжатия упругого элемента. То есть создана предварительно напряженная конструкция, в которой уровень собственных частот выше, чем у механически не напряженных конструкций. Введение промежуточной опоры на ТЭ 15 позволяет уменьшить длину пролета ТЭ 15, что также существенно повышает уровень собственных частот элемента, так как величина частоты растет пропорционально кубу от уменьшения длины пролета между опорами. А наличие упругой опоры 19 позволяет демпфировать вынужденные колебания ТЭ 15, снизить амплитуду вынужденных колебаний, снизить величину переменных механических напряжений в ТЭ 15.

Таким образом, в предлагаемой конструкции электрической машины обращенного типа за счет полученных положительных эффектов достигается возможность применения более упрощенной конструкции теплообменника, особенно для мощных машин, обеспечивается повышение надежности машины за счет повышения ресурса работы воздушного теплообменника и машины в целом, а также снижение стоимости эксплуатационных затрат и машины в целом за счет повышения ресурса работы.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрическая машина обращенного типа, содержащая корпус с примыкающими к нему торцевыми щитами, ротор, по меньшей мере один воздушный теплообменник, расположенный внутри корпуса машины с наружной стороны ротора и содержащий теплопередающие элементы, статор, установленный внутри ротора и прикрепленный к одному из торцевых щитов, отличающаяся тем, что теплопередающие элементы воздушного теплообменника имеют форму дуг.
2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что теплопередающие элементы снабжены упругими элементами, причем теплопередающие элементы в корпусе и упругие элементы на теплопередающих элементах расположены так, что выпуклые стороны теплопередающих элементов обращены к внутренней поверхности корпуса двигателя, а упругие элементы опираются на внутреннюю поверхность корпуса, при этом обеспечены зазоры между теплопередающими элементами и внутренней поверхностью корпуса.
3. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что теплопередающие элементы в корпусе и упругие элементы на теплопередающих элементах расположены так, что упругие элементы находятся в сжатом состоянии.
4. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что теплопередающие элементы имеют внешние ребра, причем упругие элементы расположены на теплопередающих элементах между ребрами.
5. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что теплопередающие элементы имеют внешние ребра, причем теплопередающие элементы имеют по меньшей мере по одному участку без ребер, причем упругие элементы расположены на теплопередающих элементах на указанных участках без ребер.
6. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что упругие элементы выполнены в виде кольцевых втулок из эластичного материала.
7. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что упругие элементы имеют нелинейную жесткость.