RU2538951C2

RU2538951C2 - Имеющая высокий кпд электрическая машина с ясновыраженными полюсами, и способ ее изготовления

Info

Publication number: RU2538951C2
Application number: RU2010116992/07A
Authority: RU
Inventors: Джозеф Б. МАККЕЙБ; Брайан Н. КОКС; Луис Р. МАЕРС; Жак Андре СЕН-МИШЕЛЬ; Джон Т. ФАУЛЕР; Джошуа А. ЛОРЕНЦ
Original assignee: ЭМЕРСОН ЭЛЕКТРИК КО., эт ал.; СМИТБЭК Джерод Т.
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2015-01-10
Also published as: EP2198499A1; CN101855809B; EP2198499B1; CA2697445C; CN101855809A; CA2697445A1; RU2010116992A; US20090083966A1; US20110316375A1; WO2009045958A1; ES2547527T3; EP2198499A4; JP2010541535A; US7982359B2

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам с явновыраженными полюсами, в том числе к генераторам и двигателям. Предлагаемая электрическая машина с явновыраженными полюсами содержит узел вращающегося поля, имеющий изогнутый внешний диаметр и включающий один и более полюса ротора, обмотки и стержни для поддержки катушки, а также участок обмоток, который выступает за полюсы ротора, и, по меньшей мере, один колпак торцового витка, соединенный с узлом вращающегося поля и охватывающий стержни для поддержки катушки и участок обмоток, который выступает за полюсы ротора, так, чтобы сократить вентиляционные потери. При этом указанный колпак торцового витка выполнен с внешним диаметром, преимущественно, равным или близким внешнему диаметру узла указанного вращающегося поля, а узел вращающегося поля включает открытую воздушную область между полюсами ротора и опорами обмоток. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении к.п.д. электрических машин с явновыраженными полюсами путем снижения вентиляционных потерь. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к электрическим машинам с явновыраженными полюсами, в том числе к генераторам и двигателям.

Предпосылки к созданию изобретения

Ранее, первоначальную стоимость электрических машин с явновыраженными полюсами, таких как генераторы и двигатели, считали основным фактором при покупке электрической машины с явновыраженными полюсами необходимой мощности, принимая во внимание конструктивные особенности и ограждение, причем покупку производили среди поставщиков, которые обеспечивают высокую надежность и имеют широкий ассортимент. Электрические машины с явновыраженными полюсами обычно покупают по самой низкой цене и, в большинстве случаев, при этом не учитывают эксплуатационные расходы.

Однако следует иметь в виду, что стоимость сырой нефти стремительно растет и поэтому эксплуатационные расходы становятся важным фактором при выборе электрических машин с явновыраженными полюсами. Таким образом, нельзя не учитывать эксплуатационные расходы, связанные с выработкой электроэнергии при помощи электрических машин с явновыраженными полюсами. Кроме того, желательно обеспечить снижение выбросов парниковых газов при наиболее эффективной выработке электроэнергии.

Области производства электроэнергии представляют собой те области, в которых преимущественно могут быть использованы блоки генераторов в соответствии с настоящим изобретением, имеющие высокий к.п.д. Выгоды от повышения к.п.д. при несколько повышенной стоимости блока могут быть получены очень быстро и являются привлекательными с экономической точки зрения. Таким образом, существует необходимость повышения к.п.д. электрических машин с явновыраженными полюсами.

Вентиляционные потери представляют собой потери, связанные с охлаждающими вентиляторами и с конструкцией явновыраженных полюсов электрических машин с явновыраженными полюсами. В некоторых применениях, вентиляционные потери могут быть самым большим индивидуальным компонентом потерь блока. Это связано с необходимостью создания воздушных потоков с большими расходами воздуха, чтобы избежать чрезмерного повышения температуры. Кроме того, имеется высокое падение давления, вызванное неблагоприятной геометрией. Оба эти явления приводят к очень низкой эффективности использования вентилятора в известных устройствах, что приводит к высоким потерям. Таким образом, существует необходимость снижения вентиляционных потерь и, следовательно, повышения к.п.д. электрических машин с явновыраженными полюсами.

Сущность изобретения

Выбор электрических машин с явновыраженными полюсами, имеющих высокий к.п.д., таких как генераторы, следует производить с учетом экономии топлива, когда это необходимо. Однако имеющие высокий к.п.д. электрические машины с явновыраженными полюсами имеют и другие преимущества, кроме экономии топлива. Электрические машины с низкими потерями создают меньше теплоты и поэтому работают при более низких температурах охладителя, чем машины с более низкими к.п.д. Эти более низкие температуры позволяют существенно повысить срок службы электрической машины с явновыраженными полюсами, так как срок службы изоляционных материалов повышается при снижении температуры.

Для снижения потерь, связанных с установленными на валу охлаждающими вентиляторами, в блоке охлаждения используют новую концепцию вентилятора с приводом от небольшого индукционного двигателя. Для сведения к минимуму турбулентных потерь явновыраженного полюса, используют межполюсные колпаки из композиционного материала и колпаки торцовых витков из композиционного материала, чтобы снизить лобовое сопротивление. Кроме того, узлы вентиляторов могут быть независимыми от узла создания вращающегося поля.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается электрическая машина с явновыраженными полюсами, которая содержит узел создания вращающегося поля и по меньшей мере один межполюсный колпак, соединенный с узлом вращающегося поля, и/или по меньшей мере один колпак торцового витка, соединенный с узлом вращающегося поля. Каждый межполюсный колпак преимущественно содержит верхнюю поверхность, которая имеет изгиб и/или по меньшей мере одну полость. Колпак торцового витка может иметь по меньшей мере одну опору (один элемент поддержки). Электрическая машина с явновыраженными полюсами также может содержать по меньшей мере один узел вентилятора, независимый от узла вращающегося поля. В соответствии с предпочтительным вариантом, электрическая машина с явновыраженными полюсами содержит по меньшей мере одну монтажную плату, причем каждый узел вентилятора установлен на монтажной плате. Межполюсные колпаки и колпаки торцового витка преимущественно изготовлены из композиционных материалов, полимеров, сплавов, керамики или из природных материалов.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ изготовления электрической машины с явновыраженными полюсами, имеющей узел вращающегося поля, причем указанный способ включает в себя операцию соединения по меньшей мере одного межполюсного колпака с узлом вращающегося поля. Указанный способ также включает в себя операцию соединения по меньшей мере одного колпака торцового витка с узлом вращающегося поля и/или операцию соединения по меньшей мере одного узла вентилятора, независимого от узла вращающегося поля, с электрической машиной с явновыраженными полюсами. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, межполюсный колпак содержит верхнюю поверхность, причем верхняя поверхность каждого межполюсного колпака имеет полость.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вид в перспективе известного узла вращающегося поля.

На фиг. 2 показан вид в перспективе, частично с пространственным разделением деталей, варианта узла вращающегося поля в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 3 показан вид в перспективе в сборе варианта узла вращающегося поля в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 4 показан вид в перспективе варианта межнолюсного колпака в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 5 показан вид в перспективе с внешней стороны варианта колпака торцового витка в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 6 показан вид в перспективе, с пространственным разделением деталей, варианта по меньшей мере одного узла вентилятора в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 7 показан вид в перспективе варианта узлов вентиляторов в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 8 показан вид в перспективе варианта собранной электрической машины с явновыраженными полюсами в соответствии с настоящим изобретением.

Несмотря на то, что в описанное здесь изобретение могут быть внесены различные изменения, только некоторые специфические варианты настоящего изобретения показаны на чертежах и подробно описаны далее. Однако следует иметь в виду, что чертежи и подробное описание специфических вариантов изобретения ни в коей мере не ограничивают объем настоящего изобретения или его формулы. Скорее, чертежи и подробное описание служат для пояснения концепции изобретения специалистам в данной области, чтобы они могли реализовать и использовать концепцию изобретения.

Подробное описание изобретения

Далее описаны один или несколько пояснительных вариантов настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что не все детали реальной конструкции описаны или показаны на чертежах, чтобы упростить понимание изобретения. Следует иметь в виду, что при создании реальной конструкции, которая выполнена с использованием настоящего изобретения, могут быть сделаны различные изменения, чтобы достичь поставленной цели, в том числе связанные с построением системы, с деловой деятельностью, с постановлениями правительства и другими ограничениями, которые могут изменяться при вводе в эксплуатацию и время от времени. Несмотря на то, что затраченные при внедрении усилия могут быть сложными и занимающими много времени, такие усилия, тем не менее, отражают стандартную работу специалистов в данной области и не выходят за рамки настоящего изобретения.

Известная электрическая машина с явновыраженными полюсами, а именно, известный генератор, имеет пониженный к.п.д. в различных областях применения. На фиг. 1 показан узел 100 вращающегося поля генератора. Узел 100 вращающегося поля содержит полюса 102 ротора, обмотки 104 и стержни 106 для поддержки катушки. Обмотки 104 удерживаются на месте при помощи опор 108 обмоток. Открытая область между полюсами 102 ротора, в которой расположены опоры 108, является областью, в которой происходят вентиляционные потери.

Узел 112 вентилятора установлен на валу 110. В известной машине имеются существенные вентиляционные потери, потому что узел 112 вентилятора требует большого количества механической энергии. Механическая энергия, которая требуется для перемещения воздуха для охлаждения, образует значительную долю потерь в системе и снижает к.п.д. системы.

Участок 114 обмоток 104, который выступает за полюсы 102 ротора, является другим источником вентиляционных потерь. Когда узел 100 вращающегося поля вращается, участок 114 обмоток 104 и стержни 106 поддержки катушки создают лобовое сопротивление, которое существенно повышает потери и снижает к.п.д.

Далее описан предпочтительный вариант электрической машины с явновыраженными полюсами, а именно, генератора. Однако следует иметь в виду, что все электрические машины с явновыраженными полюсами могут быть усовершенствованы с использованием настоящего изобретения, что не выходят за рамки настоящего изобретения. Электрические машины с явновыраженными полюсами включают в себя генераторы и двигатели.

На фиг. 2 показан вариант узла 200 вращающегося поля. Открытая воздушная область между полюсами 202 ротора и опорами 208 обмоток закрыта при помощи межнолюсных колпаков 216. Стержни 206 поддержки катушки и участки 214 обмоток, выступающих за полюсы 202 ротора, закрыты при помощи колпаков 218 торцовых витков. В этом конструктивном варианте нет узла вентилятора, закрепленного на валу 210.

На фиг. 3 показан вид в перспективе в сборе варианта узла 300 вращающегося поля. Можно видеть, что открытые воздушные области между полюсами 302 ротора закрыты при помощи межнолюсных колпаков 316. Участки 314 обмоток, выступающих за полюсы 302 ротора, закрыты при помощи колпаков 318 торцовых витков. В этом конструктивном варианте нет узла вентилятора, закрепленного на валу 310.

На фиг. 4 показан вид в перспективе варианта межполюсного колпака 416. Межполюсный колпак 416 выполнен с возможностью установки на границе раздела между смежными полюсами ротора. В соответствии с предпочтительным вариантом, верхняя поверхность 420 межполюсного колпака 416 может иметь изгиб, так что после сборки полный узел вращающегося поля может образовать цилиндрическую поверхность, что является предпочтительным для снижения вентиляционных потерь. В соответствии с предпочтительным вариантом, по меньшей мере одна полость 422 может быть образована в межполюсном колпаке 416, чтобы снизить стоимость использованных материалов и уменьшить полный вес межполюсного колпака 416.

Межполюсный колпак 416 может быть изготовлен из любого материала с подходящими структурными свойствами, позволяющего выдерживать усилия, возникающие при вращении во время работы. Такими материала могут быть (но без ограничения) металлы, композиционные материалы, полимеры, сплавы, керамика, природные материалы и другие аналогичные материалы. В соответствии с предпочтительным вариантом, композиционный материал в виде упрочненной стекловолокном эпоксидной смолы является предпочтительным по электрическим свойствам, массе и прочностным свойствам. В соответствии с наиболее предпочтительным вариантом, межполюсный колпак 416 может быть изготовлен из упрочненной стекловолокном эпоксидной смолы марки G-11, однако специалисты легко поймут, что в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и другие подходящие материалы.

На фиг. 5 показан вид в перспективе варианта колпака 518 торцового витка. Внешний диаметр 524 колпака 518 торцового витка преимущественно равен внешнему диаметру узла вращающегося поля. Равенство указанных диаметров позволяет снизить вентиляционные потери за счет неровной границы раздела между поверхностями. Глубина колпака 518 торцового витка позволяет полностью закрыть выступающие участки обмоток и стержни поддержки катушки. Между обмотками преимущественно имеется необходимый внутренний зазор. Установочная поверхность 526 колпака 518 торцового витка выбрана так, что она может быть сопряжена со стержнями поддержки катушки. В соответствии с предпочтительным вариантом, колпак 518 торцового витка соединяют болтами со стержнями поддержки катушки в осевом направлении. Колпак 518 торцового витка также может иметь конструктивные опоры 528, создающие дополнительную жесткость, причем они образованы так, чтобы не мешать внутренним компонентам узла вращающегося поля.

Колпак торцового витка также может быть изготовлен из любого материала с подходящими структурными свойствами, позволяющего выдерживать усилия, возникающие при вращении во время работы. Такими материала могут быть (но без ограничения) металлы, композиционные материалы, полимеры, сплавы, керамика, природные материалы и другие аналогичные материалы. В соответствии с предпочтительным вариантом, композиционный материал в виде упрочненной стекловолокном эпоксидной смолы является предпочтительным по электрическим свойствам, массе и прочностным свойствам. В соответствии с наиболее предпочтительным вариантом, колпак 518, 618 торцового витка может быть изготовлен из упрочненной стекловолокном эпоксидной смолы марки G-11, однако специалисты легко поймут, что в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и другие подходящие материалы.

На фиг. 6 показан вид в перспективе, с пространственным разделением деталей, варианта по меньшей мере одного узла вентилятора, независимого от узла вращающегося поля. Можно видеть, что множество узлов 630 вентиляторов могут быть установлены на монтажной плате 632. Сетки 634 могут быть расположены на монтажной плате 632, на внешней стороне от узлов 630 вентиляторов. В соответствии с предпочтительным вариантом, технологический лючок 636 также может быть предусмотрен на монтажной плате 632. Такая схема построения позволяет создать меньшую нагрузку по сравнению с установленным на валу вентилятором.

На фиг. 7 показан вид в перспективе варианта узлов 730 вентиляторов. Множество узлов 730 вентиляторов установлены на монтажной плате 732. Эти узлы 730 вентиляторов преимущественно соединены болтами с монтажной платой 732. Сетки 734 могут быть расположены на монтажной плате 732, на внешней стороне от узлов 730 вентиляторов. Эти сетки 734 преимущественно соединены болтами с монтажной платой 732.

В указанном варианте использованы 4 узла вентиляторов. Однако специалисты легко поймут, что в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано любое число узлов вентиляторов, позволяющих создавать воздушный поток для охлаждения внутренних компонентов электрической машины с явновыраженными полюсами. Несмотря на то, что могут быть существенные вариации объемов (расходов) воздушного потока для охлаждения конкретной электрической машины с явновыраженными полюсами, в соответствии с наиболее предпочтительным вариантом, узлы вентиляторов создают воздушный поток с расходом, составляющим по меньшей мере около 2000 куб. футов в минуту. Вариации расходов воздушного потока зависят от размеров каркаса, длины набора, типа использованного вентилятора, параметров рабочей среды и других переменных. Монтажная плата преимущественно изготовлена из стали или другого жесткого материала, позволяющего конструктивно поддерживать каждый узел вентилятора во время работы. Для изготовления монтажной платы могут быть использованы и другие подходящие материалы, что не выходит за рамки настоящего изобретения.

На фиг. 8 показан вид в перспективе варианта собранной электрической машины 800 с явновыраженными полюсами. Электрическая машина 800 с явновыраженными полюсами имеет корпус 836 узла вентилятора, соединенный с узлом 838 якоря. Ротор 840, который здесь также называют узлом вращающегося поля, находится внутри узла 838 якоря.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что они не имеют ограничительного характера и в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.

Claims

1. Электрическая машина с явновыраженными полюсами, которая содержит:
узел вращающегося поля, имеющий изогнутый внешний диаметр и включающий один и более полюса ротора, обмотки и стержни для поддержки катушки, и участок обмоток, который выступает за полюсы ротора; и
по меньшей мере один колпак торцового витка, соединенный с узлом вращающегося поля и охватывающий стержни для поддержки катушки и участок обмоток, который выступает за полюсы ротора, так, чтобы сократить вентиляционные потери, колпак торцового витка выполнен с внешним диаметром, преимущественно равным или близким внешнему диаметру узла вращающегося поля,
причем узел вращающегося поля включает открытую воздушную область между полюсами ротора и опорами обмоток.

2. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.1, в которой каждый колпак торцового витка имеет по меньшей мере одну конструктивную опору, расположенную так, чтобы не мешать внутренним компонентам узла вращающегося поля.

3. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.2, в которой каждый колпак торцового витка изготовлен из материала, выбранного из группы, в которую входят композиционные материалы, полимеры, сплавы, керамика и природные материалы.

4. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.3, которая дополнительно содержит по меньшей мере один межполюсный колпак, соединенный с узлом вращающегося поля и установленный на границе раздела между смежными полюсами ротора.

5. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.4, в которой каждый межполюсный колпак имеет верхнюю поверхность, причем верхняя поверхность каждого межполюсного колпака имеет изгиб.

6. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.4, в которой каждый межполюсный колпак содержит по меньшей мере одну полость.

7. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.2, которая дополнительно содержит по меньшей мере один узел вентилятора, независимый от узла вращающегося поля.

8. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.6, которая дополнительно содержит по меньшей мере одну монтажную плату, причем каждый узел вентилятора установлен на монтажной плате.

9. Электрическая машина с явновыраженными полюсами по п.3, в которой каждый колпак торцового витка изготовлен из композиционного материала в виде упрочненной стекловолокном эпоксидной смолы.

10. Электрическая машина с явновыраженными по п.4, в которой каждый межполюсный колпак изготовлен из композиционного материала в виде упрочненной стекловолокном эпоксидной смолы.