САМОВЕНТИЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТОРЦОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 1999 года по МПК H02K9/06 H02K9/04 H02K17/04 

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.

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].

Известна конструкция торцовой электрической машины с внешним обдувом при самовентиляции [3].

Недостатком ее является невысокая эффективность системы охлаждения, в особенности при малых частотах вращения вала машины.

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.

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.

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.

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.

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.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности вентиляционной системы охлаждения, а тем самым и эксплуатационной надежности торцовой электрической машины.

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.

Кроме того, тарельчатый участок ротора, имеющий форму полого конуса, снабжен наружными ребрами, выполняющими роль лопаток вентилятора.

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.

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).

При этом движение части охлаждающего газового (воздушного) потока организуется по системе радиальных каналов, проложенных под опорной поверхностью магнитопровода статора.

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.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан поперечный разрез торцовой асинхронной электрической машины, конструктивные элементы системы охлаждения и направления движения газовых (воздушных) потоков.

На фиг. 2 - в развертке поперечное сечение ребер торцовой поверхности вала ротора (сеч. Е - Е, фиг. 1).

На фиг. 3 - сечение радиальных каналов, выполненных в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора (сеч. А - А, фиг. 1).

На фиг. 4 - в развертке сечение корпуса статора в зоне расположения вентиляционных каналов (сеч. В - В, фиг. 1).

На фиг. 5 - сечение ребер конусной части ротора (сеч. И - И, фиг. 1).

На фиг. 6 - сечение по ободу ротора в зоне размещения вентиляционных каналов (сеч. Б - Б, фиг. 1).

На фиг. 7 - вид снаружи на одно из окон в корпусе статора (Вид Г, фиг. 1).

Самовентиляционная система охлаждения торцовой электрической машины действует следующим образом.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

К этим же окнам устремлены газовые (воздушные) потоки, прошедшие по каналам 14 статора и через рабочий зазор между поверхностями магнитопроводов 15 и 16.

Окна 24 (фиг. 7), защищены от попадания посторонних предметов сетками-фильтрами 27, прижатыми к окнам с помощью планок 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.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам и средствам охлаждения асинхронных электрических машин с одним статором и одним ротором. Изобретение решает задачу повышения эффективности вентиляционной системы охлаждения, а тем самым и эксплуатационной надежности торцовой электрической машины. Сущность изобретения состоит в том, что в ободе ротора, проводниках его обмотки и под опорной поверхностью магнитопровода статора выполнены радиальные вентиляционные каналы. Ротор выполнен с тарельчатым участком, имеющим форму полого конуса, снабженным наружными ребрами. При этом радиальные вентиляционные каналы обода ротора и его обмотки со стороны входа в них газовых струй сообщаются с отдельными областями разрежения, примыкающими соответственно к внутренней и наружной коническим поверхностям ротора, а со стороны выхода - с общей областью нагнетания, окружающей обод ротора. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Вентиляционная система охлаждения торцовой электрической машины, реализующая принцип самовентиляции и включающая выходной вал, ротор с вентилирующими элементами, заключенный в полый корпус машины, входные и выходные окна корпуса машины и вентиляционные каналы, отличающаяся тем, что в ободе ротора, проводниках обмотки ротора и под опорной поверхностью магнитопровода статора выполнены радиальные вентиляционные каналы, а ротор выполнен с тарельчатым участком, имеющим форму полого конуса, снабженным наружными ребрами, при этом радиальные вентиляционные каналы обода ротора и обмотки ротора со стороны входа в них газовых струй сообщаются с отдельными областями разрежения, примыкающими соответственно к внутренней и наружной коническим поверхностям ротора, а со стороны выхода - с общей областью нагнетания, окружающей обод ротора. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность корпуса машины в области нагнетания снабжена радиальными направляющими ребрами, разделяющими эту область на отдельные ячейки. 3. Система по п.1. отличающаяся тем, что выходной вал электрической машины выполнен в форме фланца, снабженного на его наружной торцовой поверхности радиальными каналами для подачи в полость корпуса машины охлаждающего газа. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что радиальные вентиляционные каналы под опорной поверхностью магнитопровода статора сообщаются с областью полости корпуса машины, примыкающей к наружной конической поверхности ротора.