СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СЕКЦИОНИРОВАННОГО ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С СИСТЕМОЙ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02K9/10 H02K29/00 

Область техники

Изобретение относится к частотно-регулируемому электроприводу и может быть применено при конструировании и изготовлении вентильно-индукторных двигателей большой мощности, снабженных системой воздушного охлаждения с замкнутым циклом принудительной вентиляции. Такие двигатели могут быть использованы, в частности, для замены трехфазных высоковольтных двигателей мощностью более одного мегаватта при переводе существующих электроприводов переменного тока на частотное регулирование.

Уровень техники

Известны способы воздушного охлаждения трехфазных электрических машин с замкнутым циклом принудительной вентиляции и конструкции, осуществляющие эти способы [1-5]. Решения [1-5] характеризуются охлаждением машины несколькими воздушными потоками, а конструкции машин содержат корпус, в котором размещены статор с фазными обмотками и ротор, вал которого установлен на подшипниках в торцевых крышках корпуса, воздухоохладители, камеры системы охлаждения и вентиляционные каналы в сердечнике статора.

Общие недостатки указанных выше способов охлаждения и конструкций трехфазных электрических машин, осуществляющих эти способы, - необходимость использования сложной системы воздуховодов и трудоемкой технологии изготовления, что вызвано, в частности, внутрикорпусным размещением воздухоохладителей и радиальным выполнением вентиляционных каналов в сердечнике статора. Кроме того, трехфазные электрические двигатели имеют ограниченные возможности по регулированию вращающего момента и частоты и при увеличении номинальной мощности требуют повышения значений фазного напряжения и тока.

Известен вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус с торцевыми крышками, в которых на подшипниках установлен вал двигателя, и закрепленные в его расточке два зубчатых пакета статора, в пазах которых уложены фазные обмотки, кольцевую обмотку возбуждения между пакетами статора и два зубчатых пакета ротора, зафиксированных на валу двигателя [6]. Корпус двигателя [6] изготовлен из магнитомягкого материала и выполняет функцию станины статора, формирующей совместно с пакетами статора его магнитную цепь. Двигатель [6] свободен от вышеуказанных недостатков решений [1-5].

Недостаток конструкции [6], состоит в том, что при повышении номинальной мощности двигателя и соответствующем увеличении его размеров ухудшается теплоотвод от пакетов статора, на который приходится основная доля тепловых потерь в двигателе [6]. Это приводит к повышению температуры фазных обмоток, обмотки возбуждения, внутренних областей пакетов статора и соответствующему снижению надежности двигателя.

Известны способ охлаждения и конструкция секционированного вентильно-индукторного двигателя, содержащего корпус, заполненный охлаждающей средой, и установленные на общем валу секции, каждая из которых содержит два закрепленных в станине пакета статора, в пазах которых уложены фазные обмотки, и два зубчатых пакета ротора [7]. Общая мощность и, соответственно, тепловые потери распределены между секциями двигателя, что облегчает их тепловой режим. При этом секции двигателя [7] размещены вплотную друг к другу на общем валу из магнитного материала и применены решения, обеспечивающие разделение магнитных потоков секций. Это позволило минимизировать осевые размеры двигателя при наращивании его мощности увеличением числа секций, однако ухудшило условия теплоотвода и потребовало применения жидкостной (масляной) системы охлаждения, поскольку воздушное охлаждение для секционированного вентильно-индукторного двигателя [7] недостаточно эффективно.

Раскрытие существа изобретения

Задача, решаемая изобретениями, образующими группу, - обеспечить эффективный теплоотвод от греющихся частей вентильно-индукторного двигателя с помощью простой в конструктивном и технологическом отношениях системы замкнутого принудительного воздушного охлаждения.

Технический результат изобретений, образующих группу, - повышение эффективности отвода тепла от наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя, снижение их рабочей температуры и соответствующее увеличение надежности двигателя.

Заявляемый способ охлаждения многосекционного вентильно-индукторного двигателя заключается в том, что охлаждают последовательно все секции двигателя воздухом от воздухоохладителя с помощью вентилятора и возвращают нагретый воздух в воздухоохладитель, при этом каждую секцию охлаждают, по меньшей мере, тремя потоками воздуха через пазы пакетов статора и ротора, каналы внутреннего охлаждения пакетов статора и канал наружного охлаждения секции, а после охлаждения каждой секции, кроме последней, смешивают указанные потоки в межсекционной камере.

Секционированный вентильно-индукторный двигатель, в котором осуществлен заявляемый способ, содержит корпус, в котором на подшипниках установлен вал, замкнутую систему принудительного воздушного охлаждения, конструктивно сопряженную с корпусом, и секции, размещенные в корпусе, при этом каждая секция содержит зафиксированные на валу зубчатые пакеты ротора, станину, в расточке которой закреплены кольцевая обмотка возбуждения и зубчатые пакеты статора с уложенными в их пазах фазными обмотками, а система принудительного воздушного охлаждения - каналы наружного охлаждения, образованные между внутренней поверхностью корпуса и оребренной в аксиальном направлении наружной поверхностью станины каждой секции, каналы внутреннего охлаждения, сообщенные внутрисекционной камерой и попарно выполненные в аксиальном направлении под пазами пакетов статора каждой секции, по меньшей мере, одну межсекционную камеру и замкнутый на корпус воздуховод, в котором размещены вентилятор и воздухоохладитель.

Приведенные совокупности признаков позволяют получить указанный выше технический результат.

Изобретение имеет развития, которые уточняют конструкцию двигателя и состоят в том, что каналы наружного охлаждения образованы с помощью дистанционных распорок, воздухоохладитель установлен на корпусе, а вентилятор может быть кинематически связан с валом двигателя или иметь автономный привод.

Осуществление изобретения с учетом развитии.

На фиг.1 и 2 показан пример осуществления предлагаемого способа в двухсекционном вентильно-индукторном двигателе. На фиг.1 представлен общий вид двигателя, на фиг.2 - сечение корпуса двигателя со статором секции, установленным без обмоток.

Двигатель содержит корпус 1 с торцевыми крышками 2 и 3, в которых на подшипниках 4, 5 установлен немагнитный общий вал 6, выполненный, например, из нержавеющей стали. Крышка 2 со стороны рабочего конца вала 6 выполнена глухой, а крышка 3 - проницаемой для воздушного потока. В корпусе 1 размещены секции 7 и 8, каждая из которых имеет статор и два зубчатых пакета ротора. Статор каждой секции двигателя представляет собой сборную конструкцию, включающую станину 9, в расточке которой закреплены шихтованные из листов электротехнической стали пакеты 10 и 11 статора. Пакеты 10 и 11 имеют аксиально направленные зубцы, разделенные пазами. В пазах пакетов 10 и 11 каждой секции уложены фазные обмотки 12, охватывающие соответствующие зубцы обоих пакетов, а между пакетами 10 и 11 с помощью промежуточной втулки 13 закреплена кольцевая обмотка 14 возбуждения.

Два зубчатых пакета 15 и 16 ротора, шихтованные из листов электротехнической стали, зафиксированы на валу 6 в каждой секции двигателя с помощью втулки 17. Втулка 17 выполнена из магнитомягкого материала, что обеспечивает магнитную связь между пакетами 15 и 16 ротора. Пакеты 15 и 16 ротора каждой секции размещены на валу 6 напротив пакетов 10 и 11 статора соответственно и повернуты относительно друг друга на половину зубцового шага так, что напротив зубца пакета 15 располагается впадина пакета 16, и наоборот. Число зубцов пакетов статора и ротора различно.

На наружной поверхности каждой станины 9 выполнены в аксиальном направлении теплорассеивающие ребра 18 (см. фиг.2). Станины 9 каждой секции зафиксированы в корпусе 1 дистанционными распорками 19.

Двигатель имеет систему принудительного охлаждения, включающую замкнутый на корпус 1 воздуховод 20, в котором размещены вентилятор 21 и водяной воздухоохладитель 22, установленный на корпусе 1 в виде надстройки. Внутренний объем корпуса 1 связан с воздуховодом 20 через отверстия, выполненные в верхней части корпуса 1 со стороны выступающего из торцевой крышки 2 рабочего конца вала 6 и в торцевой крышке 3. Вентилятор 21 может быть кинематически связан с валом 6 или иметь автономный привод.

Система охлаждения также включает примыкающие к крышкам 2 и 3 торцевые воздушные камеры 23 и 24, каналы 25 наружного охлаждения, образованные с помощью распорок 19 между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружными поверхностями станин 9, оребренными в аксиальном направлении теплорассеивающими ребрами, и межсекционную камеру 26. Кроме того, система охлаждения включает внутрисекционные камеры 27 и 28 между пакетами 10 и 11 каждой секции и каналы 29 внутреннего охлаждения. Каналы 29 каждой секции сообщены через ее внутрисекционную камеру и выполнены в пакетах 10 и 11 в аксиальном направлении так, что под каждым пазом пакета статора размещена пара каналов 29.

Устройство работает следующим образом.

На обмотки 14 возбуждения и фазные обмотки 12 каждой секции, а также на электродвигатель вентилятора 21 подаются от внешних источников соответствующие питающие напряжения, а в водяной контур воздухоохладителя 22 - охлаждающая вода.

В каждой секции двигателя магнитный поток, создаваемый фазными обмотками и обмоткой возбуждения, замыкается через пакеты 15, 16 ротора. Принцип действия двигателя основан на магнитном притяжении зубца пакета ротора к ближайшему зубцу пакета статора. Соответствующие токи в фазных обмотках 12, задаваемые питающими их преобразователями, и неравенство зубцов в пакетах ротора и статора обеспечивают плавное вращение вала 6 с регулируемой частотой и требуемым вращающим моментом.

Охлаждение двигателя осуществляется следующим образом.

Вращающийся вентилятор 21 гонит охлажденный воздух из воздухоохладителя 22 в торцевую камеру 23, где он разделяется на:

- первый поток, проходящий по каналам 25 наружного охлаждения между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружными поверхностями станин 9 секций 7 и 8;

- второй поток, проходящий по каналам 29 внутреннего охлаждения и внутрисекционнонным камерам 27, 28 секций 7 и 8;

- третий поток, проходящий через пазы пакетов 10 и 11 статора, пазы пакетов 15, 16 ротора и зазоры между пакетами статора и пакетами ротора.

Первый поток отбирает в каждой секции тепло у станины 9 статора, которая для лучшей теплоотдачи выполнена с теплорассеивающими ребрами, направленными аксиально, вдоль охлаждающего потока. Второй поток отбирает тепло из внутренних областей шихтованных пакетов 10, 11 статора, от фазных обмоток 12 и от обмотки 14 возбуждения, а третий - с зубцовых поверхностей пакетов 10, 11 статора и 15, 16 ротора.

Поскольку основная доля тепловых потерь вентильно-индукторного двигателя выделяется в его статоре, охлаждающие потоки воздуха нагреваются неодинаково. Наиболее интенсивно нагревается воздух в каналах 29, проходящих через внутренние области пакетов статора, а меньше всего - воздух третьего потока. Во внутрисекционных камерах 27, 28 и межсекционной камере 26 слабо нагретый воздух третьего потока смешивается с более горячим воздухом других потоков, а именно в камерах 27, 28 - с воздухом второго потока, выходящим из каналов 29, а в межсекционной камере 26 - еще и с воздухом первого потока.

Охлаждение каждой секции тремя потоками воздуха через пазы пакетов статора и ротора, каналы внутреннего охлаждения пакетов статора и каналы наружного охлаждения и смешение потоков после охлаждения каждой секции, кроме последней, в межсекционной камере в совокупности с другими признаками заявляемого способа приводят к тому, что температура второго потока на входе в очередной пакет статора оказывается ниже температуры этого потока на выходе из предыдущего пакета.

Это улучшает условия охлаждения следующего по направлению воздушного потока пакета статора и в результате снижает температуру последнего пакета 10 секции 7, примыкающего к торцевой камере 2, который работает в наиболее тяжелом тепловом режиме.

Выполнение двигателя из двух и более секций, с системой охлаждения, включающей, каналы наружного охлаждения, образованные между внутренней поверхностью корпуса и оребренными в аксиальном направлении наружными поверхностями станин, внутрисекционные камеры, каналы внутреннего охлаждения, попарно выполненные в аксиальном направлении под пазами пакетов статора каждой секции, и межсекционную камеру обеспечивает в совокупности с другими существенными признаками двигателя, в котором осуществлен заявленный способ, снижение рабочей температуры наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя и соответствующее увеличение надежности двигателя.

Формирование канала наружного охлаждения с помощью дистанционных распорок упрощает изготовление двигателя, а установка воздухоохладителя на корпусе направлена на сокращение осевого габарита двигателя и упрощение конструкции воздуховода,

Источники информации

1. Патент RU 2095919, МПК Н02К 9/08, 1997 г.

2. Патент RU 2258295, МПК Н02К 9/06, Н02К9/16, Н02К 9/18, 2005 г.

3. Патент RU 2267214, МПК Н02К 9/04, 2005 г.

4. Патент RU 2282927, МПК Н02К 9/04, 9/18, 2006 г.

5. Патент RU 2309512, МПК Н02К 9/16 Н02К 9/06, 2007 г.

6. Патент RU 2277284, МПК Н02К 19/10, 29/00, 2006 г.

7. Патент RU 2277285, МПК Н02К 16/00, 29/00, 21/14, 2006 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к секционированным вентильно-индукторным двигателям большой мощности с замкнутой системой принудительного воздушного охлаждения. Технический результат изобретения - повышение эффективности отвода тепла от наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя, снижение их рабочей температуры и соответствующее увеличение надежности двигателя. Согласно изобретению секции (7, 8) предлагаемого вентильно-индукторного двигателя последовательно охлаждают воздухом от воздухоохладителя (22) с помощью вентилятора (21) и возвращают нагретый воздух в воздухоохладитель. Каждую секцию охлаждают тремя потоками воздуха через пазы пакетов статора и ротора, каналы внутреннего охлаждения пакетов статора и каналы наружного охлаждения секции, а после охлаждения каждой секции, кроме последней, смешивают указанные потоки в межсекционной камере (26). В корпусе (1) двигателя на подшипниках установлен вал (6). Замкнутая система принудительного воздушного охлаждения конструктивно сопряжена с корпусом, в котором размещены секции двигателя. Каждая секция содержит зафиксированные на валу зубчатые пакеты (15, 16) ротора, станину (9), в расточке которой закреплены кольцевая обмотка (14) возбуждения и зубчатые пакеты (10, 11) статора с уложенными в их пазах фазными обмотками (12). Система охлаждения включает каналы (25) наружного охлаждения, образованные между внутренней поверхностью корпуса и оребренной в аксиальном направлении наружной поверхностью станины каждой секции, каналы (29) внутреннего охлаждения, которые сообщаются посредством внутрисекционной камеры (27, 28) и попарно выполнены в аксиальном направлении под пазами пакетов статора каждой секции, межсекционную смесительную камеру 26 и замкнутый на корпус воздуховод (20), в котором размещены вентилятор и воздухоохладитель. Канал наружного охлаждения образован с помощью дистанционных распорок (19). Воздухоохладитель, установлен на корпусе. Вентилятор может быть кинематически связан с валом двигателя или иметь автономный привод. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ охлаждения секционированного вентильно-индукторного двигателя, заключающийся в том, что охлаждают последовательно все секции двигателя воздухом от воздухоохладителя с помощью вентилятора и возвращают нагретый воздух в воздухоохладитель, при этом каждую секцию охлаждают, по меньшей мере, тремя потоками воздуха через пазы пакетов статора и ротора, каналы внутреннего охлаждения пакетов статора и каналы наружного охлаждения секции, а после охлаждения каждой секции, кроме последней, смешивают указанные потоки в межсекционной камере.

2. Секционированный вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус, в котором на подшипниках установлен вал, замкнутую систему принудительного воздушного охлаждения, конструктивно сопряженную с корпусом, и секции, размещенные в корпусе, при этом каждая секция содержит зафиксированные на валу зубчатые пакеты ротора, станину, в расточке которой закреплены кольцевая обмотка возбуждения и зубчатые пакеты статора с уложенными в их пазах фазными обмотками, а система принудительного воздушного охлаждения - каналы наружного охлаждения, образованные между внутренней поверхностью корпуса и оребренной в аксиальном направлении наружной поверхностью станины каждой секции, каналы внутреннего охлаждения, сообщенные внутрисекционной камерой и попарно выполненные в аксиальном направлении под пазами пакетов статора каждой секции, по меньшей мере, одну межсекционную камеру и замкнутый на корпус воздуховод, в котором размещены вентилятор и воздухоохладитель.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что воздухоохладитель установлен на корпусе.

4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что каналы наружного охлаждения образованы с помощью дистанционных распорок.

5. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что вентилятор снабжен автономным приводом.

6. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что вентилятор кинематически связан с валом двигателя.