РОТОР СИНХРОННОЙ ЯВНОПОЛЮСНОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 1995 года по МПК H02K1/32 H02K9/19 

Изобретение относится к электромашиностроению.

Известна конструкция полюса синхронной машины, содержащего сердечник, в полюсных башмаках которого уложены стержни демпферной системы, а под башмаками размещена изолированная от полюса катушка обмотки возбуждения, состоящая из проводников, навитых слоями по ширине катушки, а по ее высоте разделенных плоскими косвенными охладителями, которые охватывают по периметру сердечник полюса и расположены перпендикулярно его магнитной оси, при этом своими теплосъемными поверхностями охладители прилегают к охлаждаемым поверхностям слоев катушки по всей длине витка, причем их число равно n-1, где n число слоев проводников обмотки возбуждения на полюсе. Косвенные охладители представляют собой плоские пластины из материала с высокой теплопроводностью, в которых выполнены гидравлические каналы. Подобная конструкция полюса описана в журнале Deutsche Electrotechnik, 1958, N 4, статья Olbrisch Н. Жидкостное охлаждение электрических машин.

Недостатки описанной конструкции. Размещение охладителей по высоте сердечника полюса увеличивает его высоту, что несколько повышает коэффициент рассеяния полюса, за счет чего возрастают ток возбуждения и переходное индуктивное сопротивление Х^I d. Косвенные охладители, размещенные между дисками катушки обмотки возбуждения, по высоте полюса снижают коэффициент заполнения междуполюсного промежутка, что увеличивает потери на возбуждение и снижает КПД машины. Применение дисковых катушек требует радиального их закрепления с помощью дополнительного устройства, занимающего до 20-25% площади междуполюсного окна, что также уменьшает коэффициент заполнения междуполюсного промежутка проводниковым материалом, а это увеличивает потери возбуждения и снижает КПД машины.

Известна конструкция ротора синхронной явнополюсной машины, содержащего явновыраженные полюса с демпферной системой в полюсных башмаках и катушками обмотки возбуждения, навитыми из ленточной меди на ребро, закрепленными в междуполюсном окне с помощью распорок-охладителей, упирающихся в кромки полюсных башмаков внешними кромками распорок-охладителей, выполненных с внутренней полостью, в которую по радиальной арматуре охлаждающая вода подается из центрального отверстия вала, на котором закреплены полюса. Распорки-охладители соседних полюсов гидравлически с помощью тангенциальных перемычек соединяются последовательно. Распорки-охладители отделены от витков катушек обмотки возбуждения диэлектрическими прокладками. Подобная конструкция ротора описана в авт. св. СССР N 400249, кл. Н 02 К 1/32, 1976.

Недостатки этого ротора следующие. Распорки-охладители, упирающиеся в кромки полюсных башмаков, занимают 30-40% площади междуполюсного окна, предназначенного для заполнения проводниковым материалом, а это увеличивает потери на возбуждение и снижает КПД машины. Подвод жидкого хладагента из центрального отверстия вала по радиальной арматуре возможен технически только для быстроходных машин малой и средней мощности. Распорки-охладители не охлаждают сердечники полюсов, в полюсных башмаках которых имеют место большие тепловыделения в демпферных стержнях и на поверхности полюсных башмаков.

Конструкция ротора с жидкостным охлаждением принята в качестве прототипа изобретения.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения катушек обмотки возбуждения увеличением контактной поверхности косвенных охладителей с проводниками катушки возбуждения за счет увеличения числа охладителей по ширине междуполюсного окна с размещением их между слоями катушки возбуждения параллельно магнитной оси полюса, повышение эффективности охлаждения катушек обмотки возбуждения путем снижения потерь в них за счет уменьшения эксплуатационной температуры и увеличения коэффициента заполнения междуполюсного окна за счет выполнения площади поперечного сечения охладителей не превышающей 10-15% активной площади междуполюсного окна, повышение эффективности охлаждения катушек обмотки возбуждения путем увеличения интенсивности циркуляции жидкого хладагента в гидравлических каналах охладителей, изготовленных в виде массива из алюминиевого сплава с встроенными в него трубчатыми элементами прямого и обратного контуров, которые изготовлены из коррозионно-стойкого металла, например никелевой стали с немагнитными свойствами, повышение интенсивности охлаждения полюсных башмаков с помощью немагнитных шайб крепления, установленных в междубашмачном промежутке, причем в каждой шайбе выполнены гидравлические контуры прямого и обратного тока в виде аксиальных трубчатых элементов из коррозионно-стойкого металла, причем трубчатые элементы прямых гидравлических контуров с холодным хладагентом расположены в непосредственной близости с охлаждаемыми кромками полюсных башмаков и соединены тангенциальными перемычками с трубчатым элементом обратного контура, расположенным по оси симметрии междуполюсного окна.

Сущностью изобретения является следующее. Косвенные охладители катушек обмотки возбуждения расположены параллельно оси полюса между слоями катушек обмотки возбуждения, изолированы от витков механически прочной диэлектрической изоляцией и состоят из высокотеплопроводящего массива из металла, внутри которого встроены коррозионно-стойкие трубчатые элементы, образующие прямой и обратный контуры, сообщающиеся с внешней сетью через напорную и сливную камеры и по которым циркулирует очищенная проточная вода или любой другой жидкий хладагент, причем охладители контактируют с витками по всему их периметру, а число их равно к=м-1} где м число слоев обмотки возбуждения по ширине междуполюсного окна; к=1, 2, 3, Обмотка возбуждения закреплена в междуполюсном окне немагнитной шайбой, внутри массива которой встроены аксиальные трубчатые элементы из коррозионно-стойкого металла, которые образуют прямой и обратный контуры циркуляции жидкого хладагента, соединенные между собой тангенциальными перемычками, причем прямые контуры с холодным хладагентом размещены вблизи контактных поверхностей кромок башмаков с шайбами, а обратные контуры ближе к оси междуполюсного окна. Для экономии материалов обратный контур может быть выполнен общим для двух прямых контуров. Косвенные охладители обмотки возбуждения при их числе, большем одного, занимают площадь сечения не более 20% площади междуполюсного окна. Косвенные охладители обмотки возбуждения выполнены с чередующимися прямыми и обратными контурами, сообщающимися с распределительными коллекторами и между собой с помощью напорных и сливных камер, к которым гидравлические каналы контуров присоединяются параллельно.

На фиг. 1 изображен ротор, вид сбоку; на фиг. 2 узел I на фиг. 1; на фиг. 3 показано продольное сечение косвенного охладителя.

На фиг. 1 ротор 1 синхронной явнополюсной машины имеет вал 2, на котором закреплены остов 3 с ярмом 4. К ярму прикреплены полюса 5 и 6, в башмаках 7 которых уложена демпферная обмотка 8, а на сердечниках 9 закреплены катушки обмотки 10 возбуждения, изолированные от сердечников 9 диэлектриком 11, 12 и 13 и состоящие из проводников 14, покрытых собственной изоляцией 15. Между столбиками проводников размещены косвенные охладители 16, состоящие из массива 17 высокотеплопроводного металла, внутри которого встроены коррозионно-стойкие трубчатые элементы прямого 18 и обратного 19 контуров. Трубчатые элементы арматурой 20 и 21 подсоединены к распределительным напорному 22 и сливному 23 коллекторам. В междубашмачных промежутках 24 размещены немагнитные шайбы 25 крепления, играющие роль охладителей и состоящие из массива 26, в который встроены трубчатые элементы прямого 27 и обратного 28 контуров, изготовленные из коррозионно-стойкого металла, соединенные между собой тангенциальными перемычками 29 и 30, причем более холодные элементы прямых контуров 27 расположены вблизи контактных поверхностей 31 с источниками тепловыделения.

На фиг. 2 представлено междуполюсное окно 32, в котором размещены четыре слоя катушек обмотки 10 возбуждения, между которыми установлены косвенные охладители 16, число которых равно к=м-1.

На фиг. 3 представлен продольный разрез косвенного охладителя 16, трубчатые элементы прямого 18 и обратного 19 контуров которого присоединены соответственно к напорной 33 и сливной 34 камерам, имеющим штуцеры 35 и 36.

Ротор работает следующим образом.

При его вращении в обмотку 10 возбуждения подается ток возбуждения, за счет которого создается магнитное поле, при этом в обмотке 10 выделяются тепловые потери, составляющие для высокоиспользованных машин 30-40% суммарных потерь в машине, которые отводятся по контактным поверхностям между слоями катушек и охладителями 16 через слои собственной изоляции 15 проводников 14, по толщине равной 0,15-0,08 мм на сторону, и изоляции 37 охладителей 16 примерно такой же толщины, проходя через высокотеплопроводный массив 17 и толщину трубчатых элементов 18 и 19 отводятся жидким хладагентом: дистиллятом, проточной водой, фреоном, который сливается через арматуру 21 в сливной коллектор 23. Немагнитная шайба 25 через полюсные башмаки 7 отводит потери, выделяющиеся в демпферных стержнях 8 и на поверхности полюсных башмаков 7, которые проходят через контактные поверхности 31, массив 26 шайбы 25 и толщину трубчатых элементов 27 и отводятся тем же хладагентом, что и в охладителях 16.

Преимущества изобретения по отношению к прототипу. За счет уменьшения толщины охладителей до 10-15% повышается коэффициент заполнения междуполюсного пространства на 25-30% что пропорционально снижает плотность тока и в квадрате уменьшает потери и мощность возбуждения до 30-20% от суммарных потерь, что значительно повышает КПД машины. Применение охладителей больше одного позволяет за счет развития поверхности охлаждения снизить рабочую температуру, что также уменьшает потери и мощность возбуждения. Применение в качестве хладагента проточной воды позволяет повысить эффективность охлаждения, снизить температуру обмотки возбуждения, потери и мощность в обмотке возбуждения и установочную стоимость системы водоподготовки и ее эксплуатационные издержки. Применение шайбы охладителя позволяет повысить эффективность охлаждения полюсных башмаков и крепления большего количества проводникового материала в междуполюсном окне, что повышает надежность ротора. Применение двух прямых контуров жидкостного охлаждения в шайбе и одного обратного уменьшает трудоемкость изготовления и монтажа, а также улучшает удобство размещения арматуры.

Изобретение может быть использовано во всех синхронных явнополюсных машинах как средство повышения эффективности процесса охлаждения, удешевления системы охлаждения и ее эксплуатации, а также как средство повышения КПД и надежности.

Использование: в электрических машинах с жидкостным охлаждением. Ротор синхронной явнополюсной машины с жидкостным охлаждением содержит вал, к которому прикреплен магнитопровод индуктора с явновыраженными полюсами, на сердечниках которых закреплены катушки обмотки возбуждения. Между слоями расположены косвенные охладители, состоящие из высокотеплопроводящего массива со встроенными в него коррозионно-стойкими немагнитными трубчатыми элементами прямого и обратного гидравлических контуров, присоединенных к распределительным камерам со штуцерами. Конструкция ротора позволяет увеличить коэффициент заполнения междуполюсного пространства проводниковым материалом на 25 35% и этим повысить КПД машины за счет уменьшения потерь на возбуждение и снизить установленную стоимость и эксплуатационные издержки обслуживания системы водоподготовки за счет использования для охлаждения прочности очищенной воды. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. РОТОР СИНХРОННОЙ ЯВНОПОЛЮСНОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, содержащий вал, на котором закреплен магнитопровод индуктора с явновыраженными полюсами, на сердечниках которых размещены катушки обмотки возбуждения, охлаждаемые с помощью косвенных охладительных элементов, изолированных от проводников обмотки возбуждения по всему периметру витков диэлектриком и имеющих гидравлические каналы с циркулирующим жидким хладагентом, в междуполюсном окне охладители размещены радиально, а их число равно K M 1, где M число слоев катушек по ширине междуполюсного окна, причем полюсные башмаки расположены с возможностью охлаждения аксиальными трубчатыми элементами, отличающийся тем, что охладители обмотки возбуждения выполнены в виде массива из металла с высокой теплопроводностью, в которой встроены трубчатые элементы из коррозионно-стойкого материала, образующие прямой и обратный контуры циркуляции, к распределительным камерам которых герметично прикреплены штуцеры, а катушки обмотки возбуждения закреплены в межполюсных окнах шайбами из немагнитного металла, установленными в межбашмачных промежутках, внутри каждой из которых встроены параллельно оси ротора трубчатые охладительные элементы из коррозионно-стойкого материала, которые выполнены с контурами прямого тока, расположенными в непосредственной близости от боковых кромок полюсных башмаков, и с контурами обратного тока, расположенными вблизи оси симметрии междуполюсного промежутка. 2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что число косвенных охладителей катушек обмотки возбуждения больше одного на каждое междуполюсное окно, а суммарная площадь, занимаемая ими, не превышает 20% площади междуполюсного окна. 3. Ротор пп.1 и 2, отличающийся тем, что два прямых контура циркуляции в шайбах соединены тангенциальными гидравлическими перемычками с общим обратным контуром. 4. Ротор по пп.1 3, отличающийся тем, что каждый охладитель катушки обмотки возбуждения выполнен с чередующимися по высоте прямым и обратным контурами.