RU2128391C1

RU2128391C1 - Self-cooling system for face-mounted electrical machine

Info

Publication number: RU2128391C1
Application number: RU96115880A
Authority: RU
Inventors: В.И. Загрядцкий; Е.Т. Кобяков
Original assignee: Орловский государственный технический университет
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 1999-03-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; single-stator and single- rotor induction machines. SUBSTANCE: radial cooling ducts are made in rotor rim, its winding conductors, and under bearing surface of stator magnetic core. Rotor has plate-type section in the form of hollow cone provided with external ribs. Radial cooling ducts in rotor rim and in its winding communicate on gas jet inlet side with separate vacuum spaces abutting against inner and outer conical surfaces of rotor, respectively, and on outlet side, with common delivery space around rotor rim. EFFECT: improved efficiency of cooling system which ensures improved reliability of machine. 4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам и средствам охлаждения асинхронных электрических машин с одним статором и одним ротором, в которых для создания направленного движения охлаждающего газа (воздуха) по вентиляционным каналам или обдува внешней поверхности машины используются конструктивные элементы или устройства, реализующие принцип самовентиляции. The invention relates to electrical engineering, and in particular to methods and means of cooling asynchronous electric machines with one stator and one rotor, in which structural elements or devices that implement the principle of self-ventilation are used to create a directed movement of cooling gas (air) through the ventilation ducts or blow off the outer surface of the machine .

Внешний самообдув и внутренняя самовентиляция при разомкнутом цикле циркуляции охлаждающего воздуха широко применяются в системах охлаждения электродвигателей с коаксиальным расположением магнитопроводов статора и ротора [1,2]. External self-blowing and internal self-ventilation with an open cycle of cooling air circulation are widely used in cooling systems of electric motors with a coaxial arrangement of the stator and rotor magnetic circuits [1,2].

Известна конструкция торцовой электрической машины с внешним обдувом при самовентиляции [3]. A known design of the end electric machine with external blowing during self-ventilation [3].

Недостатком ее является невысокая эффективность системы охлаждения, в особенности при малых частотах вращения вала машины. Its disadvantage is the low efficiency of the cooling system, especially at low rotational speeds of the machine shaft.

Известны также торцовые синхронные генераторы [4], имеющие ротор, в котором полюсная система используется в качестве вентилятора. Это достигается благодаря наличию внутренней полости, вследствие чего охлаждающий воздух, поступающий в эту полость через специальные отверстия ротора, при вращении последнего выбрасывается в окна, выполненные по периферии ротора. Mechanical synchronous generators [4] are also known, having a rotor in which the pole system is used as a fan. This is achieved due to the presence of an internal cavity, as a result of which cooling air entering this cavity through special holes of the rotor, when the latter rotates, is ejected into windows made on the periphery of the rotor.

Недостатками этого средства реализации внутренней самовентиляции являются сложность конструкции ротора и технологии его изготовления, а также неизбежность появления дисбалансов ротора технологического характера из-за использования при его изготовлении сварочных операций. Кроме того, поскольку радиальная протяженность внутренней полости ротора невелика, скорости движения охлаждающих воздушных потоков внутри машины могут оказаться недостаточно высокими из-за малого аэродинамического напора, создаваемого ротором при вращении, что снижает эффективность системы охлаждения. The disadvantages of this means of implementing internal self-ventilation are the complexity of the design of the rotor and the technology of its manufacture, as well as the inevitability of imbalances in the rotor of a technological nature due to the use of welding operations in its manufacture. In addition, since the radial length of the inner cavity of the rotor is small, the speeds of the cooling air flow inside the machine may not be high enough due to the small aerodynamic pressure created by the rotor during rotation, which reduces the efficiency of the cooling system.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является вентиляционная система охлаждения, реализующая принцип внутренней самовентиляции в торцовом электродвигателе [5], имеющая дополнительное короткозамыкающее кольцо, прилегающее к нерабочей торцовой поверхности ярма магнитопровода и снабженное ребрами переменной высоты, выполняющими роль лопастей центробежного вентилятора. При этом охлаждающий воздушный поток поступает внутрь машины через вентиляционные окна корпуса, расположенные со стороны радиальных ребер, а выбрасывается наружу через окна корпуса со стороны периферийных лобовых частей обмотки возбуждения. Closest to the claimed invention is a ventilation cooling system that implements the principle of internal self-ventilation in a mechanical motor [5], having an additional short-circuit ring adjacent to a non-working end surface of the yoke of the magnetic circuit and equipped with ribs of variable height, acting as centrifugal fan blades. In this case, the cooling air flow enters the machine through the ventilation windows of the housing located on the side of the radial ribs, and is thrown out through the windows of the housing from the side of the peripheral frontal parts of the field coil.

Недостатком этой системы охлаждения является невысокая эффективность. В частности, внутренние лобовые части обмотки возбуждения, расположенные со стороны вала машины, плохо "омываются" воздушным потоком. Охлаждающий воздушный поток "омывает", главным образом, периферийные элементы обмоток статора и ротора. The disadvantage of this cooling system is its low efficiency. In particular, the inner frontal parts of the field winding located on the side of the machine shaft are poorly washed by the air flow. The cooling air stream "washes" mainly the peripheral elements of the stator and rotor windings.

Кроме того, радиальная протяженность ребер дополнительного кольца (лопаток вентилятора) может оказаться недостаточной для создания требуемого аэродинамического напора (необходимых скоростей движения воздушных потоков), а увеличение длины ребер приведет к увеличению радиальных габаритов машины. Эта вентиляционная система охлаждения не имеет специальной разветвленной сети каналов для протекания охлаждающего воздуха, что существенно затрудняет охлаждение тепловыделяющих элементов, в особенности тех, которые находятся во внутренней области машины, окружающей вал. In addition, the radial length of the ribs of the additional ring (fan blades) may not be sufficient to create the required aerodynamic pressure (the necessary speeds of air flow), and increasing the length of the ribs will increase the radial dimensions of the machine. This ventilation cooling system does not have a special branched network of channels for the flow of cooling air, which significantly complicates the cooling of fuel elements, especially those located in the inner area of the machine surrounding the shaft.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности вентиляционной системы охлаждения, а тем самым и эксплуатационной надежности торцовой электрической машины. The claimed invention solves the problem of increasing the efficiency of the ventilation cooling system, and thereby the operational reliability of the end electric machine.

Это достигается тем, что в вентиляционной системе охлаждения, реализующей принцип самовентиляции, содержащей ротор с вентилирующими элементами, заключенный в полый корпус, входные и выходные окна корпуса и вентиляционные каналы, согласно изобретению ротор снабжен системой вентиляционных каналов, имеющих форму радиальных отверстий увеличенной длины, выполненных в ободе ротора и проводниках его короткозамкнутой обмотки, причем радиальные каналы обода ротора расположены по отношению к нерабочей торцовой плоскости магнитопровода так, что эта плоскость частично попадает в рабочее пространство каналов. This is achieved by the fact that in a ventilation cooling system that implements the principle of self-ventilation, comprising a rotor with ventilation elements enclosed in a hollow body, input and output windows of the housing and ventilation ducts, according to the invention, the rotor is equipped with a system of ventilation ducts having the form of radial holes of increased length, made in the rim of the rotor and the conductors of its short-circuited winding, and the radial channels of the rim of the rotor are located relative to the non-working end plane of the magnetic circuit so, h then this plane partially falls into the working space of the channels.

Кроме того, тарельчатый участок ротора, имеющий форму полого конуса, снабжен наружными ребрами, выполняющими роль лопаток вентилятора. In addition, the disk-shaped portion of the rotor, having the shape of a hollow cone, is provided with external ribs acting as fan blades.

При этом радиальные каналы обода ротора и его короткозамкнутой обмотки со стороны входа в них газовых (воздушных) струй сообщаются с отдельными областями разрежения (всасывания), примыкающими, соответственно, к внутренней и наружной коническим поверхностям ротора, а со стороны выхода - с общей областью нагнетания, окружающей обод ротора. In this case, the radial channels of the rotor rim and its short-circuited winding from the inlet side of the gas (air) jets communicate with separate rarefaction (suction) regions adjacent, respectively, to the inner and outer conical surfaces of the rotor, and from the outlet side, to the common discharge region surrounding the rim of the rotor.

Причем внутренняя поверхность корпуса машины в области нагнетания снабжена радиальными направляющими ребрами, имеющими малый радиальный зазор с ободом ротора и разделяющими область избыточного давления на отдельные ячейки, а участок выходного вала электрической машины, имеющий форму фланца, на его торцовой поверхности снабжен радиальными, открытыми со стороны крышки корпуса каналами для подачи в полость машины охлаждающего газа (воздуха). Moreover, the inner surface of the machine body in the discharge area is equipped with radial guide ribs having a small radial clearance with the rim of the rotor and dividing the overpressure region into separate cells, and the output shaft section of the electric machine, having the shape of a flange, is provided on its end surface with radial open from the side housing covers with channels for supplying cooling gas (air) into the cavity of the machine.

При этом движение части охлаждающего газового (воздушного) потока организуется по системе радиальных каналов, проложенных под опорной поверхностью магнитопровода статора. In this case, the movement of a part of the cooling gas (air) stream is organized by a system of radial channels laid under the supporting surface of the stator magnetic circuit.

Создание необходимого аэродинамического напора на выходе из вентиляционного тракта и увеличение производительности вентиляционной системы обеспечивается как за счет высокой пропускной способности большого числа радиальных каналов, так и за счет эффективного всасывающе-нагнетательного действия, оказываемого на движущиеся газовые (воздушные) потоки конструктивными элементами вращающегося ротора. The creation of the necessary aerodynamic pressure at the outlet of the ventilation duct and the increase in the ventilation system productivity are ensured both due to the high throughput of a large number of radial channels and due to the effective suction-discharge action exerted on the moving gas (air) flows by the structural elements of the rotating rotor.

Сущность изобретения поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показан поперечный разрез торцовой асинхронной электрической машины, конструктивные элементы системы охлаждения и направления движения газовых (воздушных) потоков. In FIG. 1 shows a cross-sectional view of an end-face asynchronous electric machine, structural elements of a cooling system, and directions of gas (air) flow.

На фиг. 2 - в развертке поперечное сечение ребер торцовой поверхности вала ротора (сеч. Е - Е, фиг. 1). In FIG. 2 - in a scan, the cross section of the ribs of the end surface of the rotor shaft (section. E - E, Fig. 1).

На фиг. 3 - сечение радиальных каналов, выполненных в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора (сеч. А - А, фиг. 1). In FIG. 3 - section of radial channels made in the conductors of the short-circuited rotor winding (section A - A, Fig. 1).

На фиг. 4 - в развертке сечение корпуса статора в зоне расположения вентиляционных каналов (сеч. В - В, фиг. 1). In FIG. 4 is a cross-sectional view of the stator housing in the area of the ventilation ducts (section B - B, Fig. 1).

На фиг. 5 - сечение ребер конусной части ротора (сеч. И - И, фиг. 1). In FIG. 5 - section of the ribs of the conical part of the rotor (sec. I - I, Fig. 1).

На фиг. 6 - сечение по ободу ротора в зоне размещения вентиляционных каналов (сеч. Б - Б, фиг. 1). In FIG. 6 - section along the rim of the rotor in the area of the ventilation ducts (section. B - B, Fig. 1).

На фиг. 7 - вид снаружи на одно из окон в корпусе статора (Вид Г, фиг. 1). In FIG. 7 is an external view of one of the windows in the stator housing (View G, FIG. 1).

Самовентиляционная система охлаждения торцовой электрической машины действует следующим образом. Self-ventilation cooling system of the end electric machine operates as follows.

Охлаждающие газовые (воздушные) потоки поступают внутрь корпуса машины с двух сторон:
через полость, образованную поверхностями вала 1 и крышки 2, - с одной стороны (на фиг. 1 - слева) и через отверстия 3, имеющиеся в крышке 4, - с другой (на фиг. 1 - справа).The cooling gas (air) flows enter the machine body from two sides:
through the cavity formed by the surfaces of the shaft 1 and cover 2, on the one hand (in Fig. 1 - on the left) and through the holes 3 available in the cover 4 - on the other (in Fig. 1 - on the right).

Газовые (воздушные) потоки, поступающие в машину слева, захватываются ребрами 5 (фиг. 2), имеющимися на торцовой поверхности вала 1, и вовлекаются во вращательное движение. При этом за счет центробежных сил инерции воздушные струи, находящиеся в каналах 6, образованных ребрами 5, продвигаются от оси вращения вала и попадают кольцевую щель 7 между корпусом 8 статора и ступицей ротора 9. Тем самым заполняется охлаждающим газом (воздухом) полость корпуса машины со стороны внутренних лобовых частей обмоток статора и ротора. Поступившие в эту полость газовые (воздушные) массы продолжают движение по системе радиальных каналов 10, выполненных в короткозамкнутой обмотке ротора 9, состоящей из радиальных проводников 11 и замыкающих колец 12, 13 (фиг. 3), а также - по системе радиальных каналов 14, проходящих под нерабочей поверхностью магнитопровода 15 статора (фиг. 4). Кроме того, часть потока протекает через кольцевую щель между рабочими поверхностями магнитопроводов 15 и 16 статора и ротора. Ребра 17, имеющиеся на конической поверхности ротора, образуют наклонные каналы 18, по которым охлаждающий газ (воздух) подается к соответствующим радиальным каналам 10 обмотки ротора. Положительное значение ребер 17 проявляется в том, что они увеличивают поверхность охлаждения ротора и повышают его механическую жесткость. Кроме того, при вращении ротора поступившие в полость корпуса газовые (воздушные) массы приводятся в движение и отбрасываются в направлении от оси вращения к периферии. При этом создается дополнительный аэродинамический напор, что улучшает условия охлаждения внутренних лобовых частей обмотки статора и ротора и способствует продвижению газовых (воздушных) струй по радиальным каналам к периферийной части полости машины. Gas (air) flows entering the machine on the left are captured by the ribs 5 (Fig. 2) available on the end surface of the shaft 1 and are involved in rotational motion. In this case, due to centrifugal inertia forces, the air jets located in the channels 6 formed by the ribs 5 move from the axis of rotation of the shaft and fall the annular gap 7 between the stator housing 8 and the rotor hub 9. Thus, the cavity of the machine body is filled with cooling gas (air) side of the inner frontal parts of the stator and rotor windings. The gas (air) masses arriving in this cavity continue to move along the system of radial channels 10 made in the short-circuited winding of the rotor 9, consisting of radial conductors 11 and closing rings 12, 13 (Fig. 3), as well as along the system of radial channels 14, passing under the idle surface of the stator magnetic circuit 15 (Fig. 4). In addition, part of the flow flows through the annular gap between the working surfaces of the magnetic circuits 15 and 16 of the stator and rotor. The ribs 17, located on the conical surface of the rotor, form inclined channels 18 through which cooling gas (air) is supplied to the corresponding radial channels 10 of the rotor winding. The positive value of the ribs 17 is manifested in the fact that they increase the cooling surface of the rotor and increase its mechanical rigidity. In addition, when the rotor rotates, the gas (air) masses entering the body cavity are driven and discarded in the direction from the axis of rotation to the periphery. This creates an additional aerodynamic pressure, which improves the cooling conditions of the inner frontal parts of the stator and rotor windings and promotes the advancement of gas (air) jets along radial channels to the peripheral part of the cavity of the machine.

Газовые (воздушные) потоки, поступающие внутрь машины справа (фиг. 1), сначала через отверстия 3 заполняют кольцевую полость 19 между крышкой 4 и наружной поверхностью корпуса 20, а затем через отверстия 21 корпуса 20 заполняют полость 22, образованную внутренними поверхностями ротора 9 и корпуса 20. При этом радиальные каналы 23 обода ротора 9, проходящие под нерабочей поверхностью его магнитопровода 16 (фиг. 6), заполняются охлаждающим газом (воздухом) из полости 22. Gas (air) flows entering the machine to the right (Fig. 1), first through the openings 3 fill the annular cavity 19 between the cover 4 and the outer surface of the housing 20, and then through the openings 21 of the housing 20 fill the cavity 22 formed by the inner surfaces of the rotor 9 and case 20. In this case, the radial channels 23 of the rim of the rotor 9, passing under the idle surface of its magnetic circuit 16 (Fig. 6), are filled with cooling gas (air) from the cavity 22.

При вращении ротора 9 находящиеся в радиальных каналах 10 и 23 газовые (воздушные) массы перемещаются в направлении от оси вращения к периферии, в результате чего возникает непрерывное движение охлаждающих газовых (воздушных) потоков по поверхностям тепловыделяющих элементов ротора. When the rotor 9 rotates, the gas (air) masses located in the radial channels 10 and 23 move in the direction from the axis of rotation to the periphery, as a result of which there is a continuous movement of cooling gas (air) flows along the surfaces of the rotor fuel elements.

Использование всасывающе-нагнетательного эффекта множества вращающихся радиальных каналов ротора, имеющих удлиненную форму и сообщающихся с областями всасывания полости машины, позволяет резко увеличить производительность вентиляционной системы и улучшить условия охлаждения всех элементов машины. The use of the suction-discharge effect of many rotating radial channels of the rotor, having an elongated shape and communicating with the suction areas of the cavity of the machine, can dramatically increase the performance of the ventilation system and improve the cooling conditions of all elements of the machine.

Под действием давления, создаваемого выходящими из радиальных каналов газовыми (воздушными) струями, происходит вытеснение нагретых газовых (воздушных) масс из периферийной части полости машины к окнам 24, расположенным со стороны внешних лобовых частей обмотки возбуждения в корпусе статора. При этом направленное движение выходящих воздушных потоков к окнам 24 организуется с помощью ребер 25, выполненных на внутренней поверхности корпуса 20 и имеющих малый радиальный зазор с ободом ротора. Ребра 25 исключают вращение выходящих из радиальных каналов ротора газовых (воздушных) струй и задают направление перемещения отработавшим (нагретым) газовым (воздушным) массам из ячеек 26, образованных этими ребрами, к выходным окнам 24. Under the pressure created by the gas (air) jets emerging from the radial channels, the heated gas (air) masses are displaced from the peripheral part of the machine cavity to the windows 24 located on the side of the external frontal parts of the field winding in the stator housing. In this case, the directed movement of the outgoing air flows to the windows 24 is organized using ribs 25 made on the inner surface of the housing 20 and having a small radial clearance with the rim of the rotor. The ribs 25 exclude the rotation of the gas (air) jets emerging from the radial channels of the rotor of the rotor and specify the direction of movement of the spent (heated) gas (air) masses from the cells 26 formed by these ribs to the exit windows 24.

К этим же окнам устремлены газовые (воздушные) потоки, прошедшие по каналам 14 статора и через рабочий зазор между поверхностями магнитопроводов 15 и 16. Gas (air) streams directed through the stator channels 14 and through the working gap between the surfaces of the magnetic circuits 15 and 16 are directed towards the same windows.

Окна 24 (фиг. 7), защищены от попадания посторонних предметов сетками-фильтрами 27, прижатыми к окнам с помощью планок 28. Windows 24 (Fig. 7) are protected from foreign objects by mesh filters 27 pressed to the windows with the help of strips 28.

Совместное воздействие вентилирующих элементов вращающегося ротора, имеющего оригинальную конструкцию, на поступающий в полости машины охлаждающий газ (воздух) в сочетании с созданием густой сети радиальных вентиляционных каналов, выполненных так, что проходящие по ним охлаждающие газовые (воздушные) струи находятся в непосредственном соприкосновении с тепловыделяющими элементами, а также рациональная общая компоновка машины позволяют существенно повысить эффективность ее самовентиляции за счет увеличения производительности вентиляционной системы и улучшения условий охлаждения нагревающихся элементов, что будет способствовать повышению надежности машины и ее ресурса. The combined effect of the ventilating elements of a rotating rotor having an original design on the cooling gas (air) entering the cavity of the machine in combination with the creation of a dense network of radial ventilation ducts, made so that the cooling gas (air) jets passing through them are in direct contact with the heat-generating elements, as well as a rational overall layout of the machine, can significantly increase the efficiency of its self-ventilation due to increased ventilation performance an irrigation system and improving the cooling conditions of heating elements, which will contribute to increasing the reliability of the machine and its resource.

Claims

1. The ventilation system of cooling of the end face electric machine, which implements the principle of self-ventilation and includes an output shaft, a rotor with venting elements enclosed in a hollow body of the machine, input and output windows of the machine body and ventilation ducts, characterized in that in the rim of the rotor, the conductors of the rotor winding and under the supporting surface of the stator magnetic circuit, radial ventilation channels are made, and the rotor is made with a dish-shaped section having the shape of a hollow cone, equipped with external ribs, while the radial s ventilation channels of the rotor rim and the rotor winding from the upstream side in the gas jets are in communication with separate areas of rarefaction adjacent respectively to the inner and outer conical surfaces of the rotor and the output-side - with a total discharge area surrounding the rotor rim.

2. The system according to claim 1, characterized in that the inner surface of the machine body in the discharge area is provided with radial guide ribs dividing this area into separate cells.

3. The system according to claim 1. characterized in that the output shaft of the electric machine is made in the form of a flange equipped with radial channels on its outer end surface for supplying cooling gas to the cavity of the machine body.

4. The system according to claim 1, characterized in that the radial ventilation ducts under the supporting surface of the stator magnetic circuit communicate with a region of the cavity of the machine body adjacent to the outer conical surface of the rotor.