РОТОР РЕАКТИВНОЙ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2006 года по МПК H02K9/06 

Изобретение относится к области электромашиностроения и касается устройства ротора реактивной синхронной электрической машины с общим воздушным охлаждением осевой продувкой.

Важнейшее и бесспорное преимущество реактивных синхронных электрических машин в сравнении с машинами общепромышленного назначения других типов - наибольшая простота и обусловленная ею надежность. Столь же важен их главный недостаток, общий для синхронных машин всех видов, - постоянство скорости вращения при питании от сети. Этим ограничена область их непосредственного применения только нерегулируемым приводом.

Кроме этого, "естественный" cosϕ таких машин мал. Существенно улучшить его конструктивным совершенствованием машины нельзя. Из-за отсутствия независимого (нереактивного) возбуждения ротора и тем самым возможности регулирования cosϕ - реактивные синхронные машины не могут служить компенсаторами реактивной мощности в энергосистемах. Поэтому в прошлом они находили крайне ограниченное применение в маломощных электроприводах узкоспециального назначения.

В последние десятилетия развитие технических средств силовой и управляющей электроники привело к созданию мощных быстродействующих полностью управляемых полупроводниковых приборов. На их основе разработаны и уже достаточно широко применяются эффективные системы бесступенчатого изменения частоты питающего электроприводы переменного тока практически в любых диапазонах, включая стоповый и околостоповые режимы. Это сняло главный - кинематический - недостаток реактивных синхронных машин. Эволюция параметров оперативных накопителей электроэнергии позволила создать средствами схемотехники системы электропривода с использованием реактивных синхронных и автосинхронных машин с электронной коммутацией, автоматически обеспечивающие не только cosϕ=1, но и работу в режимах компенсации.

Эти достижения открывают возможность для самого широкого полезного применения реактивных синхронных машин в содержащих электроприводы энергосистемах практически любой мощности и любого назначения, что, в свою очередь, стимулирует интенсивные поисковые разработки по улучшению их технико-экономических характеристик.

Одно из таких наиболее продуктивных направлений - совершенствование системы воздушного охлаждения.

При простейшей и потому распространенной системе воздушного охлаждения осевой продувкой машины интенсивность охлаждения ее элементов даже при одинаковом тепловыделении в них существенно различна. В частности, несмотря на высокую теплопроводность обмотки статора в осевом направлении, входная ее лобовая часть, охлаждаемая "свежим" воздухом, имеет температуру значительно ниже температуры выходной.

Например, в асинхронных электрических машинах средней мощности с КЗ-обмоткой ротора при обычном для них минимальном зазоре по расточке и при небольшой глубине надклиновых шлицев в пазах статора общий осевой продув через эти каналы и, соответственно, теплоотвод в них на воздух невелики. Из-за этого температура обмотки статора на входе и выходе охлаждающего воздуха в некоторых конструкциях таких машин различается на десятки градусов.

Устранить эту разницу при только осевом общем движении охлаждающего воздуха через машину нельзя. Лимитирует же срок службы изоляции обмотки в целом по тепловому старению ее наиболее нагретая область (в данном случае лобовая часть обмотки статора со стороны выхода охлаждающего воздуха из машины или примыкающий к ней участок пазовой части), что и обусловливает большое недоиспользование работоспособности изоляции всей остальной части обмотки (включая пазовую зону) со стороны входа охлаждающего воздуха в машину.

Принципиальная отличительная особенность реактивных синхронных машин - явнополюсный безобмоточный ротор - при незначительной ВГ-пульсации главного магнитного потока бегущего поля статора обусловливает весьма малые потери в роторе от вихревых токов. Других собственных источников нагрева в нем нет. Поэтому он практически не нуждается в охлаждении. Это создает возможность эффективного использования ротора реактивной синхронной машины как основы внутримашинного устройства интенсивного воздушного охлаждения активной части статора. Конструктивно для этого могут быть использованы оба торца ротора и вся его пазовая часть, т.е. практически вся внешняя поверхность, кроме рабочей поверхности полюсов в зазоре по расточке. При этом требующая указанного интенсивного воздушного охлаждения система - активная часть статора - в данном случае естественно подразделяется на три основных элемента. Эти элементы:

а) входной, главным в теплотехническом отношении которого узлом является блок лобовых частей обмотки;

б) пазовая часть на всей длине магнитопровода статора;

в) выходной, где, как и во входном, теплотехнически главный узел - блок лобовых частей обмотки.

Соответственно этому активная аэродинамическая система ротора также должна иметь три основных элемента. Они должны быть размещены на торцах ротора и в его пазовой части. Их охлаждающие характеристики можно подобрать такими, что будет обеспечена практически одинаковая температура обмотки статора на всем ее осевом протяжении - от наружного торца лобовой части со стороны входа воздуха в машину до наружного торца лобовой части со стороны его выхода. Это - предел, который, в частности, обеспечивает наибольшее по сроку службы использование изоляции и к которому стремятся конструкторы систем охлаждения электрических машин. Одновременно может быть значительно усилен общий теплоотвод от обмотки статора, а также от магнитопровода статора в его пазовой части.

Возможный путь такого комплексного решения указанной задачи составляет содержание данной заявки.

Идея использования ротора синхронных машин в качестве устройства для охлаждения воздухом статора известна и находит практическое применение в ряде конструктивных схем.

Известна, в частности, схема вентиляции синхронной машины при помощи установленных на торце ротора центробежных вентиляторов так называемого ковшового типа, в которой осевой поток воздуха, поступающий извне на ротор, направляется вентиляторами на лобовую часть обмотки статора и в зазор по расточке (при явнополюсном роторе также в осевые каналы межполюсных окон), откуда по радиальным каналам в магнитопроводе статора выводится наружу (Филиппов И.Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. М.-Л.: Энергия, 1964. Стр.19, рис.2-8).

Главный недостаток указанного устройства - неравномерность охлаждения статора в продольном направлении, обусловленная подачей воздуха во все радиальные каналы статора из общего продольного питающего канала постоянного сечения. Аксиальное расслоение магнитопровода статора значительно усложняет его конструкцию и систему отвода нагретого в статоре воздуха, увеличивает осевой размер всей активной части статора и машины в целом.

Известно устройство реактивной автосинхронной электрической машины типа РИД (реактивный индукторный двигатель) с явнополюсным безобмоточным ротором, в которой осевой поток охлаждающего воздуха создается установленным на валу машины отдельно от ротора центробежным вентилятором. Указанный общий воздушный поток проходит отдельными осевыми потоками в межполюсных окнах ротора, зазор по расточке и щелевые каналы между содержащими обмотки полюсами статора (Щербаков В.Г., Захаров В.И., Павлюков В.М. Результаты разработки и описание конструкции тягового индукторного электродвигателя НТИ-350. Сб. "Электровозостроение", т.43. Новочеркасск, 2001, стр.62-67. См. стр.65, рис.1).

Недостаток этого устройства - низкая общая теплотехническая эффективность, обусловленная топологией охлаждающего тракта в виде системы номинально параллельных осевых потоков вдоль охлаждаемых поверхностей, что определяет значительный перепад температур охлаждаемых поверхностей по ходу воздуха в указанных каналах. Неорганизованная турбулизация осевых воздушных потоков в пазах быстровращающегося ротора мало способствует устранению этого недостатка. В наиболее тяжелых для статора по теплу стоповом и околостоповых режимах этот эффект вообще не работает. Наконец, принцип работы электромагнитной системы РИД даже в номинальном режиме порождает большое тепловыделение в самом роторе при его высокочастотном перемагничивании, что требует изготовления магнитопровода ротора шихтованным из высококремнистой тонколистовой (0,35 мм вместо обычных 0,5 мм) электротехнической стали и интенсивного охлаждения. Поэтому использовать ротор как основу для устройства системы интенсивного охлаждения активной части статора здесь практически нельзя.

Известна электрическая машина с аксиальным воздушным охлаждением, содержащая явнополюсный ротор с размещенными на его полюсах катушками возбуждения, особенность структурной конфигурации воздушных потоков системы охлаждения которой состоит, в частности, в том, что поток охлаждающего воздуха, поступающий на один из торцов ротора, разделяется на три концентрических кольцевых составляющих. Воздух наружной составляющей проходит вдоль межполюсных каналов, средней - поворотом в меридиональных плоскостях по оси полюсов преобразуется в систему радиальных потоков, охлаждающих лобовые части катушек возбуждения на входной стороне ротора, с выходом этих потоков через радиальные отверстия в наружных козырьках обмоткодержателей на соответствующие лобовые части обмотки статора. Внутренняя составляющая по аксиальным каналам (в тех же плоскостях по оси полюсов) проходит на противоположную сторону ротора и после такого же, как и в предыдущем случае, поворота обдувает лобовые части катушек возбуждения на выходной стороне ротора с уходом из ротора в осевом направлении благодаря второму - обратному - отклонению наружными козырьками обмоткодержателей этой системы ротора. На лобовые части обмотки статора, расположенные в той же радиальной плоскости лобовых частей катушек на роторе, эта составляющая осевого потока воздуха, идущего на ротор, не попадает (Авт. свид. СССР №1170556, кл. Н 02 К 9/19).

Главный недостаток рассмотренного устройства - удивительная по своей ненужности сложность реализации в конструктивной схеме известного и чрезвычайно продуктивного принципа - разделения общего осевого потока воздуха, поступающего на ротор, на три концентрических кольцевых составляющих (см. выше). Используются и не все потенциальные возможности этого принципа. В частности:

а) общий осевой поток внешнего кольца, проходящий аксиально по межполюсным каналам, охлаждает практически только роторную часть - установленные на полюсах ротора катушки возбуждения и распорки между ними. Однако этот поток при соответствующем дооборудовании межполюсного пространства (см. ниже) может быть использован для интенсивного обдува активной системы статора в ее наиболее нагреваемой части - со стороны зазора по расточке;

б) из двух систем радиальных потоков выбрасываемого ротором отработавшего на его катушках охлаждающего воздуха в дальнейшем используется только одна система - для охлаждения лобовой части обмотки статора на входном торце. На выходном торце ротора аналогичные радиальные потоки воздуха специальными козырьками обмоткодержателя поворачиваются на 90° в меридиональных плоскостях и теплотехнически бесполезно отбрасываются в осевом направлении на выход. В статорное пространство машины они не попадают. Лобовые части обмотки статора на выходном торце обдуваются кольцевым осевым потоком, проходящим внутри статора с его противоположной стороны. Для этого магнитопровод статора размещен в корпусе машины с внутренними продольными ребрами, образующими аксиальные каналы для прохода воздуха. В результате наружный диаметр машины непроизводительно увеличивается на удвоенный радиальный размер указанных каналов. Это недостаток машины-прототипа. Кроме того, воздух в каналах неизбежно нагревается от контакта с нагретой наружной поверхностью магнитопровода и внутренней поверхностью корпуса, который, очевидно, тоже нельзя считать холодным;

в) в третьем варианте машины-прототипа предусмотрена установка металлического (например, алюминиевого) вытяжного вентилятора для охлаждения ротора. Выбрасываемые им радиальные потоки воздуха ничего не охлаждают. Они теплотехнически бесполезно турбулизируют воздух в выходной камере-сборнике, тем самым лишь увеличивая общее аэродинамическое сопротивление продува машины.

Система осевых потоков воздуха вдоль ротора во внутреннем кольце выполнена в виде каналов между гладкой наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью ярма с продольными ребрами на ней (основной вариант) или между гладкой внутренней поверхностью ярма и разделением каналов продольными ребрами на поверхности вала (альтернативный вариант). Но, во-первых, в обоих случаях это технологически сложно; во-вторых, из общего машиностроения известно: надежное силовое соединение ротора с валом по условиям работы их сопряжения на посадке в таких конструкциях получить практически нельзя. Конструктивное же осуществление второго альтернативного варианта "Указанные ребра также могут быть ... оформлены в виде отдельной промежуточной детали типа ступицы" (см. описание к авт. свид., колонка 1, строки 48-53) представить невозможно: "ребра ... в виде ... ступицы" - что это? В конструкциях электрических машин средней мощности эта задача решается, например, применением для таких целей литой ступицы в виде двух соосных втулок с достаточным радиальным зазором между ними, соединенных продольными ребрами (спицами), расположенными в меридиональных плоскостях, и с цилиндрическими посадками такой ступицы внутренней втулкой на вал, наружной - в ярмо. Но это, конечно, не "ребра в виде ступицы".

В "Правилах составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение" определено (п.3.2.4.2):

В качестве аналога изобретения указывается средство того же назначения, известное из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения".

Назначение ротора в целом по а.с. 1170556 - создание бегущего поля возбуждения синхронной машины, заявляемого - электромагнитного момента под воздействием бегущего поля статора такой машины. Поэтому оба ротора, будучи одинаково явнополюсными, имеют соответственно принципиально различные конструктивные схемы - с обмоткой возбуждения на полюсах и без нее.

Назначение аэродинамической системы ротора по а.с. 1170556 - охлаждение обмоток ротора, заявляемого - статора.

Следовательно, в строгом соответствии с указанным пунктом "Правил" сопоставляемые технические решения (устройства) аналогами быть не могут.

Однако их объединяет общий принцип (см. выше критику прототипа) построения аэродинамических систем ротора - разделение осевого потока воздуха, идущего на ротор, на коаксиальные кольцевые составляющие с использованием их парциальных потоков поворотом на 90° в меридиональных плоскостях симметрии полюсов на торцах ротора и непосредственно - в его пазовых каналах. Такого уровня общность допускает, по-видимому, возможность условно рассматривать устройство по а.с. 1170556 как ближайший аналог заявляемого (прототип) - условно потому, что в соответствии с пп.(2) п.3.2.4.3 "Правил" принципы патентно защищаемыми признаками не являются.

Задача изобретения - обеспечение максимально одинаковой температуры обмотки статора реактивной синхронной электрической машины с воздушным охлаждением осевой продувкой на всем осевом протяжении обмотки - от наружного торца лобовой части со стороны входа воздуха в машину до наружного торца лобовой части со стороны его выхода - при одновременном усилении теплоотвода от нее. Это позволяет (совместно или альтернативно):

а) увеличить плотность тока в обмотках и тем самым улучшить массогабаритные характеристики машины;

б) уменьшить температуру обмоток и тем самым

- увеличить срок службы изоляции,

- применить изоляцию менее теплостойкую и поэтому более дешевую или технологически доступную,

- повысить КПД машины.

Решение задачи изобретения достигается путем использования аэродинамических возможностей явнополюсного безобмоточного ротора указанной машины по принципу разделения осевого потока охлаждающего воздуха, поступающего на один из торцов ротора, - на три кольцевых составляющих, одна из которых используется для охлаждения активной части статора в пределах поверхности магнитопровода, обращенной к зазору по расточке, а две другие - для охлаждения соответствующих лобовых частей с обеих торцевых сторон статора.

Для этого ротор снабжен направляющим аппаратом, преобразующим осевой поток охлаждающего воздуха, поступающий на один из торцов ротора, в единую систему аксиально-последовательно расположенных звездообразно расходящихся радиальных потоков, интенсивно охлаждающих со стороны расточки всю поверхность активной части статора на всем ее осевом протяжении, включая лобовые части обмотки.

В соответствии с указанной общей топологией аэродинамической системы предлагаемого устройства ротора он содержит рабочую часть в виде укрепленного на валу машины с помощью промежуточной втулки-ступицы или непосредственно зубчатого тора из ферромагнитного материала, а его направляющий аппарат состоит из следующих конструктивных элементов:

а) тангенциально установленных пазах между полюсами лопастей из немагнитного материала, каждая из которых имеет форму пластины с аксиально прямолинейной частью от наружного края со стороны входного по воздуху торца ротора и с отгибом в сторону статора на конце, противоположном по направлению движения воздуха вдоль паза входному, причем длина лопастей и зазор между наружной кромкой отгиба и цилиндрической геометрической поверхностью по наружному диаметру ротора у каждой из лопастей, расположенных ближе к оси ротора, больше, чем у соседней с нею, расположенной на большем диаметре;

б) козырьков-отражателей, имеющих форму получаши с плоским разъемом по ее оси, контур которого соответствует контуру паза, и закрепленных против каждого паза на торце ротора со стороны выхода охлаждающего воздуха;

в) радиальных желобов, закрепленных со стороны входа на ротор охлаждающего воздуха на торцевой поверхности ротора по оси каждого полюса и имеющих с внешней торцевой стороны входные осевые отверстия, расположенные в кольцевой зоне с наружным диаметром, не превышающим диаметр впадин межполюсных пазов, и радиальные выходные, расположенные на цилиндрической геометрической поверхности с диаметром ротора по расточке;

г) аксиальных каналов, кольцеобразно расположенных в меридиональных плоскостях объема бочки ротора по оси полюсов, открытых со стороны входа в ротор охлаждающего воздуха при расположении входных отверстий в кольцевой зоне с наружным диаметром, не превышающим внутренний диаметр кольцевой зоны входных отверстий желобов, расположенных на входной стороне ротора и соединенных каждые на выходной стороне ротора с радиальным желобом, закрепленным на торцевой поверхности ротора по оси каждого полюса и имеющим выходные отверстия, расположенные на цилиндрической геометрической поверхности с диаметром ротора по расточке.

Приведенное общее определение заявляемого устройства допускает ряд полезных частных вариантов выполнения. Основные из них:

лопасти внутрипазовой части направляющего аппарата закреплены на образующих паз смежных зубцах ротора независимо (например, сваркой);

часть направляющего аппарата, состоящая из комплекта лопастей каждого паза, выполнена в виде установленного в пазу отдельного блока;

система радиальных желобов направляющего аппарата со стороны входа на ротор охлаждающего воздуха выполнена в виде закрепленного на входном торце ротора единого блока;

козырьки-отражатели направляющего аппарата и система радиальных желобов со стороны выхода из ротора охлаждающего воздуха выполнены в виде закрепленного на выходном торце ротора единого блока.

На фиг.1 показана электромагнитная система 4-полюсной реактивной синхронной электрической машины с установленным на роторе направляющим аппаратом (разрез по плоскости симметрии паза ротора); стрелкой А условно показана часть потока охлаждающего воздуха, поступающая в зазор по расточке; стрелкой Б - часть осевого потока охлаждающего воздуха, поступающего на ротор по наружной кольцевой зоне и проходящего далее по пазам;

на фиг.2 - то же, что на фиг.1, разрез по плоскости симметрии полюса; стрелкой В показана часть осевого потока охлаждающего воздуха, идущего на ротор по средней кольцевой зоне и проходящего далее по желобам этой стороны ротора на обдув соответствующей лобовой части обмотки статора; стрелкой Г - то же, что и стрелкой В, но по внутренней кольцевой зоне с последующим аксиальным проходом на противоположную сторону ротора и далее на обдув лобовой части обмотки статора противоположной стороны машины;

на фиг.3 - вид ротора со стороны входа охлаждающего воздуха (показан на фиг.1 и 2 стрелками А, Б, В, Г);

на фиг.4 - вид ротора со стороны, противоположной стороне входа охлаждающего воздуха.

Предлагаемый ротор как один из основных элементов электромеханического преобразования энергии в реактивной синхронной электрической машине выполнен в виде зубчатого тора 1 (магнитопровода) прямоугольного меридионального сечения из ферромагнитного материала (фиг.1). Он укреплен на валу машины 2 с помощью промежуточной втулки-ступицы 3 или непосредственно.

Для организации теплотехнически рационального общего движения охлаждающего воздуха в активной части машины ротор снабжен направляющим аппаратом, составными частями которого являются:

а) тангенциально установленные в пазах 4 между полюсами 5 лопасти 6 из немагнитного материала. Каждая из них имеет форму пластины с аксиально прямолинейной частью 7 от наружного края со стороны входного (по потоку воздуха) торца ротора 8 и с отгибом 9 в сторону статора на конце, противоположном входному по направлению движения воздуха вдоль из паза 4. Длина лопастей 6 и зазор между наружной кромкой отгиба 8 и цилиндрической геометрической поверхностью по наружному диаметру ротора у каждой из лопастей 6, расположенных ближе к оси ротора, больше, чем у соседней с нею, расположенной на большем диаметре;

б) козырьки-отражатели 10, имеющие форму получаши с плоским разъемом по ее оси, контур которого соответствует контуру паза 4, и закрепленные против каждого паза 4 на торце ротора 11 со стороны выхода охлаждающего воздуха (фиг.1 и 4);

в) радиальные желоба 12, закрепленные со стороны входа на ротор охлаждающего воздуха на этой торцевой поверхности 8 ротора по оси каждого полюса 5. Желоба 12 имеют с внешней торцевой стороны входные осевые отверстия 13, расположенные в кольцевой зоне с наружным диаметром, не превышающим диаметр впадин межполюсных пазов 4 (фиг.2 и 3). При этом радиальные выходные отверстия 14 указанных желобов 12 расположены на цилиндрической геометрической поверхности с диаметром ротора по расточке;

г) аксиальные каналы 15 (фиг.2 и 3), кольцеобразно расположенные в меридиональных плоскостях объема бочки ротора по оси полюсов 5, открытые со стороны входа в ротор охлаждающего воздуха на торце 8. Входные отверстия 16 каналов 15 расположены в кольцевой зоне с наружным диаметром, не превышающим внутренний диаметр кольцевой зоны входных отверстий 13 желобов 12, расположенных на входном торце ротора 8. На выходной стороне ротора 11 каждый из указанных аксиальных каналов 15 соединен с радиальным желобом 17, закрепленным на торцевой поверхности ротора 11 по оси каждого полюса 5. Выходные отверстия 18 желобов 17 расположены на цилиндрической геометрической поверхности с диаметром ротора по расточке.

Перечисленные основные элементы направляющего аппарата ротора реактивной синхронной электрической машины и указанная их взаимная системообразующая компоновка допускают возможность выполнения в виде частных конструктивных компоновочных вариантов направляющего аппарата. Их отличительные особенности:

- лопасти в внутрипазовой части направляющего аппарата закреплены на образующих паз 4 смежных зубцах ротора (полюсы 5) независимо (например, сваркой). Это наиболее целесообразный вариант при монолитном стальном магнитопроводе 1 ротора, выполненном в виде отливки, поковки или аксиально шихтованного сварного пакета толстолистовой стали в сочетании с лопастями 6 из тонколистовой немагнитной стали;

- часть направляющего аппарата, состоящая из комплекта лопастей 6 каждого паза 4, выполнена в виде установленного в пазу 4 отдельного блока. Вариант конструктивно легко осуществим при блочном выполнении торцевых аэродинамических систем направляющего аппарата (см. ниже) в виде, например, конструкций из армированного стекловолокном полимера или тонкостенного прецизионного литья из алюминиевых сплавов;

- система радиальных желобов 17 направляющего аппарата ротора со стороны входа на ротор охлаждающего воздуха объединена в закрепленный на входном торце ротора 8 единый блок. Рациональная конструктивная схема - сочетание: а) аксиально прямолинейных направляющих лопаток 19 входной части направляющего аппарата ротора, выполненных по форме профиля паза 4 магнитопровода 1 ротора с образованием тангенциальных стенок желобов 12 и одновременно организующих вход воздушного потока в пазовую часть (фиг.1 и 3); б) входных камер В и Г для радиальных желобов 12 и аксиальных каналов 15 соответственно (фиг.2 и 3), образованных с применением кольцевых разделительных диафрагм 20 (наружной) и 21 (внутренней) типа цилиндрической оболочки, и радиальных перегородок 22 (наружной) и 23 (внутренней), установленных в меридиональных плоскостях по оси межпазовых впадин внутри кольцевых камерных пространств В и Г;

- козырьки-отражатели 10 направляющего аппарата и система радиальных желобов 17 со стороны выхода из ротора охлаждающего воздуха объединены в закрепленный на выходном торце ротора 11 единый блок.

Работает предлагаемая система следующим образом.

Общий осевой поток охлаждающего воздуха, поступающий во входную торцевую полость машины, может быть представлен разделяющимся в машине с помощью направляющего аппарата ротора на сумму составляющих потоков:

А - через зазор по расточке и по межзубцовым надклиновым каналам в статоре;

Б - по пазам 4 ротора;

В - радиального обдува лобовой части обмотки статора 24 со стороны входа в машину охлаждающего воздуха;

Г - то же, лобовой части обмотки статора 25 с противоположной стороны машины.

Для более четкой организации указанного распределения во входной полости машины может быть установлен распределительный аппарат. Схемы и конструкции их известны.

Поток А - обычный для вращающихся электрических машин. Его общая теплотехническая эффективность сравнительно невелика. Аксиально-одинаковую температуру активной части статора он обеспечить не может (см. выше).

Поток Б, аксиально входящий в пазы 4, установленными в них лопастями 6 пазовой части направляющего аппарата радиально-послойно разделяется на элементарные пазовые потоки. Каждый такой элементарный поток-слой охлаждающего воздуха, пройдя аксиально прямолинейную часть 7 лопасти 6, ее отгибом 9 отклоняется на 90° в сторону статора. Этим создается зона интенсивного локального обдува внутренней рабочей поверхности статора, ограниченная по длине ротора шагом длины лопастей 6. Аксиально непрерывное последовательное расположение указанных зон обусловливает столь же непрерывное по длине магнитопровода 1 ротора интенсивное охлаждение внутренней поверхности статора по расточке и, главное, магнитопроводной (активной) части 26 обмотки. При этом возможно так подобрать соотношение геометрических параметров элементов внутрипазовой части направляющего аппарата, что обусловленное таким оптимальным соотношением распределение интенсивности охлаждения указанной части 26 обмотки статора по ее длине обеспечит одинаковую по этой координате температуру.

Потоки А и Б при выходе на торец ротора 11 соединяются и, повернутые козырьками-отражателями 10 на 90° в сторону статора, создают поток интенсивного радиального обдува лобовых частей 25 обмотки статора.

Поток В (фиг.2 и 3), создаваемый системой радиальных желобов 12 входной стороны ротора 8, охлаждает, подобно выходной части объединенного потока А+Б, соответствующую лобовую часть обмотки статора 24. Количество воздуха, подаваемого этими потоками на лобовые части 24 и 25 обмотки статора, по конструктивным соображениям приблизительно одинаково. Однако эти потоки теплотехнически неравноценны: лобовая часть 24 обдувается холодным воздухом, лобовая часть 25 - воздухом с подогревом теплом, снятым с магнитопроводной части статора и (в сравнительно небольшом количестве) с магнитопровода 1 ротора. При таких условиях температура лобовой части 25 будет всегда выше температуры лобовой части 24. Поэтому для достижения одинакового теплового состояния лобовых частей 24 и 25 последняя дополнительно обдувается звездообразной системой радиальных потоков, создаваемых входным потоком Г (фиг.2 и 3) после прохода по аксиальным каналам 15 в теле ротора и - после поворота на 90° в сторону статора - по радиальным желобам 17 выходной стороны ротора 11 (фиг.2 и 4).

Лобовые части 24 и 25 обмотки статора синхронных электрических машин в общем случае конструктивно неодинаковы. Количество выделяемого в них тепла различно. Неодинаковы и аэродинамические условия теплоотвода.

Поток Г несложными конструктивными мерами можно сделать таким, что создаваемый им дополнительный радиальный поток охлаждающего воздуха на лобовые части обмотки 25 в сочетании с суммарной подачей туда воздуха потоками А и Б (см. выше) образует теплоотвод от лобовых частей 25, обеспечивающий их температуру равной температуре лобовых частей 24.

Приведенное доказательство возможности обеспечения с помощью направляющего аппарата предлагаемого ротора реактивной синхронной электрической машины одинаковой температуры лобовых частей 24 и 25 обмотки статора на сторонах входа 8 и выхода 11 воздуха, охлаждающего машину, не накладывает никаких технических ограничений на абсолютное значение этой температуры. Следовательно, она может быть, в частности, такой же, как и обеспечиваемая пазовой частью направляющего аппарата одинаковая температура всей магнитопроводной части 26 обмотки статора. Но это значит, что обеспечивается одинаковая температура всей обмотки. Тем самым решается первая, главная, часть задачи изобретения.

Охлаждение обмотки статора на всем ее осевом протяжении - магнитопроводной зоны 26 и обеих лобовых частей 24 и 25 - выполняется с помощью направляющего аппарата предлагаемого ротора в виде аксиально непрерывной системы звездообразно расходящихся радиальных потоков охлаждающего воздуха. Во всех элементах указанной системы радиальный обдув обмотки осуществляется с использованием квазистатического напора от действия центробежных сил, что дополняет действие статического напора внешнего продува. Этими мерами значительно усиливается (сравнение с традиционными системами осевой продувки охлаждающего воздуха) теплоотвод от обмотки. Тем самым решается вторая часть задачи изобретения.

Описанный принцип работы предлагаемой системы ротора реактивной синхронной электрической машины с осевой продувкой охлаждающего воздуха содержит в себе возможность практической реализации иных, дополнительных к указанным ранее основным, полезных конструктивных исполнений деталей системы, свойств и особенностей работы. Наиболее существенные из них:

а) радиальный обдув лобовых частей обмотки статора 24 и 25, создаваемый направляющим аппаратом ротора, делает целесообразным выполнение их радиально продуваемым, что резко увеличивает теплоотвод от них;

б) этому способствует и радиальный выход потоков охлаждающего воздуха, отработавшего на лобовых частях обмотки статора, напрямую через соответствующие отверстия 27 и 28 в корпусе машины 29 (фиг.1), благодаря наименьшему при этом аэродинамическому сопротивлению выхода. Однако выходное отверстие 27 находится во входной (по воздуху) полости машины с избыточным (при нагнетательной общей системе продувки) по сравнению с окружающей средой давлением. Поэтому в указанные отверстия 27 пойдет не только радиальный поток воздуха, пришедшего сюда из направляющего аппарата ротора, но и поток холодного воздуха непосредственно из входной полости машины. Он будет дополнительно охлаждать лобовые части обмотки статора 24, усиливая различие "естественных" (т.е. без учета оптимизирующего действия направляющего аппарата) аэродинамического и теплотехнического состояний входной 24 и выходной 25 лобовых частей и - как главное следствие этого - неравенство их температур. По результатам исследования этого явления может оказаться более целесообразной схема без отверстия 27, с проходом соответствующего потока воздуха по аксиальному каналу 30 на периферии магнитопровода статора 31 (фиг.2) и последующим выходом наружу через отверстия 28. Снижение в этом случае качества машины по радиальному габариту (см. выше критику прототипа) при его компоновочной допустимости в условиях системы электропривода может быть, в частности, продиктовано необходимостью интенсивного охлаждения магнитопровода статора 31 из-за повышенных по какой-либо причине потерь в нем. Возможны и другие схемы организации выхода из машины отработавшего воздуха, соответствующие общему принципу работы предлагаемой рациональной системы охлаждения обмотки статора с использованием направляющего аппарата ротора, например без отверстий 28, напрямую через выходную полость машины;

в) ценными полезными свойствами предлагаемого устройства ротора с установленным на нем направляющим аппаратом являются:

- реверсивность (все характеристики системы от направления вращения машины не зависят);

- способность одинаково теплотехнически эффективно работать как в обычных нагнетательных, так и в вытяжных системах общей продувки машины;

- работоспособность в режиме самовентиляции, что обеспечивает сохранение ограниченной работоспособности привода при полном отказе внешней системы охлаждения;

- возможность равноэффективного применения в автосинхронных реактивных электрических машинах бегущего поля с электронной коммутацией - вентильных реактивных.

Раскрытие в описании изобретения особенности конструкции, принципа работы и характеристик предлагаемого устройства ротора реактивной синхронной электрической машины с направляющим аппаратом определяют возможность и полезность его широкого применения. В частности, реверсивность и применимость в вентильных реактивных машинах делают целесообразным его использование в системах тягового электропривода. Эта область обширна. Как показывают исследования, рациональное применение в ней вентильных реактивных тяговых двигателей - лучших из бесколлекторных электрических машин для этой области электропривода - может быть очень эффективным.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в конструкциях роторов электромашин с воздушным охлаждением. Ротор снабжен направляющим аппаратом из тангенциально установленных между полюсами лопастей из немагнитного материала, козырьков-отражателей в форме получаши, радиальных желобов, расположенных на торцевой поверхности ротора, и аксиальных каналов, соединенных с соответствующими радиальными каналами. Технический результат заключается в улучшении охлаждения всех частей статора и ротора электромашины, снижении температуры обмоток и их срока службы, возможности повышения плотностей тока и, соответственно, повышении КПД электромашины. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ротор реактивной синхронной электрической машины с осевой продувкой охлаждающего воздуха, содержащий рабочую часть в виде укрепленного на валу машины с помощью промежуточной втулки-ступицы или непосредственно зубчатого тора из ферромагнитного материала, отличающийся тем, что снабжен направляющим аппаратом, состоящим из тангенциально установленных в пазах между полюсами лопастей из немагнитного материала, каждая из которых имеет форму пластины с аксиально прямолинейной частью от наружного края со стороны входного по воздуху торца ротора и с отгибом в сторону статора на конце, противоположном по направлению движения воздуха вдоль паза, причем длина лопастей и зазор между наружной кромкой отгиба и цилиндрической геометрической поверхностью по наружному диаметру ротора у каждой из лопастей, расположенных ближе к оси ротора, больше, чем у соседней с ней, расположенной на большем диаметре, козырьков-отражателей, имеющих форму получаши с плоским разъемом по ее оси, контур которого соответствует контуру паза, и закрепленных против каждого паза на торце ротора со стороны выхода охлаждающего воздуха, радиальных желобов, закрепленных со стороны входа на ротор охлаждающего воздуха на торцевой поверхности ротора - по оси каждого полюса и имеющих с внешней торцевой стороны входные осевые отверстия, расположенные в кольцевой зоне с наружным диаметром, не превышающим диаметр впадин межполюсных пазов, и радиальные выходные, расположенные на цилиндрической геометрической поверхности с диаметром ротора по расточке, аксиальных каналов, кольцеобразно расположенных в меридиональных плоскостях объема бочки ротора по оси каждого полюса, открытых со стороны входа в ротор охлаждающего воздуха при расположении входных отверстий в кольцевой зоне с наружным диаметром, не превышающим внутренний диаметр кольцевой зоны входных отверстий желобов, расположенных на входной стороне ротора, и соединенных каждый на выходной стороне ротора с радиальным желобом, закрепленным на торцевой поверхности ротора по оси каждого полюса и имеющим выходные отверстия, расположенные на цилиндрической геометрической поверхности с диаметром ротора по расточке.2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что лопасти внутрипазовой части направляющего аппарата закреплены на образующих паз смежных зубцах ротора независимо.3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что часть направляющего аппарата, состоящая из комплекта лопастей каждого паза, выполнена в виде установленного в пазу отдельного блока.4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что система радиальных желобов направляющего аппарата со стороны входа на ротор охлаждающего воздуха выполнена в виде закрепленного на входном торце ротора единого блока.5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что козырьки-отражатели направляющего аппарата и система радиальных желобов со стороны выхода из ротора охлаждающего воздуха выполнены в виде закрепленного на выходном торце ротора единого блока.