Ротор коллекторной электрической машины Советский патент 1982 года по МПК H02K9/20 

Изобретение относится к эпектромаши нестроению и может найти применение в конструкции роторов (якорей) коппекторных эпектрических машин большой мощности (свыше 1ООО кВт), например транспортных электрических машин. Известна конструкция ротора электрической машины, включающая сердечник (магнитопровод) с расположенной на нем обмоткой, и торцовые элементы, охлаждаемые при помощи тепловых трубок 11Такая констру кция ротора не обеспечи вает исключение температурных напряжений, обусловленных разницей в температуре торцовых элементов. Наиболее близким техническим рещением к предлагаемому является конструкция ротора коллекторной электрической машины, имеющая сердечник с расположенной на нем обмоткой и коллектор, содержащие аксиальные каналы для движения охлаждающей среды. Охлаждение этой конструкции ротчра осушествляется путем продувания охчаждаюшего воздуха через аксиальные каналы коллектора и сердечника от независимого вентилятора 21. i Недостатки этой конструкции ротора заключается в том, что мощность электрической машины ограничена, что обусловлено высокими температурными напряжениями в коллекторе (свыше 2О% от напряжений,-обусловленных силами арочного распора), ограничивающими допустимую нагрузку мащины, и низкой эффективностью теплоотдачи от середечника с обмоткой к вентилирующему в аксиальных каналах воздуху (теплоотдача к воздуху менее эффективна, чем к жидкости); в коллекторе возникают значительные температурные напряжения, обусловленные большой разностью температуры меди круговой арки коллектора и стального корпуса (температура меди в продолжительном номинальном режиме отличается от температуры корпуса более чем в 5 раз) и коэффициентов температурного расширения этих элементов конструкции колч лектора (коэффициенты температурного 305 раглиирюния меди и стапи отпичаются более, чем в 1,5 раза), 11опь изобретения - снижение величины температурных напряжений в коппекторе и повышение мощности эпектрической машины. Поставгтенная цель достигается тем, что в конструкции ротора, имеющей сердечник с расположенной на нем обмоткой и коллектор, содержащие аксиапьньге ка- налы для движения охлаждающей среш, ротор -снабжен тепловыми трубками, холодные участки которых закреплены на поверхности корпуса коппектора, в горячие участки расположены в сердечнике вдоль обмотки. При этом участки длины тепловых тру бок на коллекторе и в сердечнике размещены параллельно и пи под углом к оси ротора ка разном радиусе от оси. Предпочтительным является размещение участ ков тепловых трубок под углом от 5 до 60 к оси ротора. Па чертеже изображен ротор предлагаемой конструкции, продольный разрез Ротор имеет сердечник 1 с расположенной на нем обмоткой 2 и коллектор, состоящий из комплекта металлических коллекторных пластин 3, корпусной изопя дни 4 и металлического корпуса 5 с аксиальными каналами 6. Комппекщ коллекторных пластин 3 электрически соединен с обмоткой 2 сердечника 1, содержащего аксиальные каналы 7. Сердечник 1 с обмоткой 2 и корпус 5 коллектора размещены на обшем валу 8. Ротор снабжен тепловыми трубками 9 , длина которых соответствует длине ротора, размещенными симметрично по длине его окружности Каждая тепловая трубка имеет заглушенные концы {А, С) и заполнена теплоноси телам. Один участок длины каждой тепло вой трубки (АВ) закреппен.на поверхности корпуса коллектора, а другой участок длины каждой тепловой трубки (ВС) расположен в сердечнике вдоль его обмотки. Тепловые трубки, копичество и размеры которых определяют тепловым расчетом электрической машины, закладывают в сердечник при сборке ротора и закрепляют, например, путем сварки. Для этого чтобы разместить участки тепловых трубок Б сердечнике, в нем изготавливают отверстия, размер и расположение кото рых определены размером и расположением этого участка длины тепловых трубок. После установки собранного коллектора на вал ротора холодные участки длины тепловых трубок закрепляют на поверхнос 04. ти корпуса коллектора, например, путем сварки. Охлаждение сердечника с обмоткой и передачи тепла к корпусу коллектора происходит за. счет изменения агрегатного состояния теплоносителя в тепловых трубках. Тепло, выделяющееся на рабочей поверхности пластин коллектора и в проводниках обмотки, нагревает эти элементы конструкции и передается путем теплопропроводпости к корпусу коллектора и сердечнику. В связи с большой толщиной корпусной изоляции 4 коллектора, рассчитанной на полное рабочее напряжение машины (свыше 1ООО В) и низким коэффициентом ее теплопроводности (О,О02 Вт/см ), температура корпуса 5 коллектора всегда ниже, чем комплекта коллекторных пластин 3 (более, чем в 5 раз).Охлаждение корпуса коллектора при вращении путем теплоотдачи с поверхности к воздуху еще более увеличивает разницу в температурах меди круговой арки коллектора и корпуса. Температура проводников обмотки, закрытых изоляцией, всегда выше (почти в 3 раза), чем температура комплекта- коллекторных пластин, рабочая поверхность которых открыта для доступа охлаждающего воздуха. Температура сердечника ротора выше (почти в Ю раз) чем температура корпуса коллектора Так как ротор снабжен тепловыми трубками, то теплоноситель (например вода, ацетон, метанол и другие), заполняющий тепловые трубки, .испаряется на горячем участке длины трубок (ВС). Более тяжелая жидкая фаза теплоносителя под действиемцентробежных сил перемещается на горячие участки (ВС) длины тепловых трубок, расположенные на большем радиусе от оси ротора (центробежная сила пропорциональна весу, радиусу и квадрату частоты вращения), вытесняя оттуда более легкую газообразную фазу теплоносителя на холодные участки (АВ) длины тепловых трубок, расположенные на меньшем радиусе от оси. На холодном участке длины тепловых трубок происходит кон- . денсация газообразной фазы теплоносителя и передача тепла более холодному корпусу. коллектора. Образующаяся на холодном участке дпины тепловых трубок ишдкая фаза теплоносителя под действием центробежных сил перемещается на горячий участок длины тепловых трубок, где забирает-тепло от сердечника и испаряется. Таким образом происходит непрерывный процесс отвода тепла от сердечника с обмоткой и передача тепли корпусу кол5. - 951

лектора. Температура корпуса коллектора выравнивается с температурой комппекта пластин (может быть и выше температуры пластин), что ведет к снижению температурных напряжетшй в коллекторе (воз-5 можно свести их до нуля). Температура сердечника с обмоткой снижается и выравнивается с температурой элементов коллектора, что ведет к снижению температурных напряжений в роторю и позвоЛя- О ет повысить допустимую нагрузку машины и ее мощность без увеличения габаритов (почти на 20%).

Технико-экономическая эффективность предлагаемой конструкции ротора закпюча-15 ется в следующем: без увеличения габаритных размеров машины повышается ее мощность (для машины мощности 100О кВт примерно на 15-20%); снижается величина температурных напряжений в коллекто- 20 ре (почти на 2О%); повышается интенсивость отвода тепла от обмотки и сердечника ротора.

706

Формула изобретения

Ротор коллекторной электрической машины, содержащий сердечник с обмоткой и аксиальными каналами и коллектор, имеющий корпус и аксиальные каналы, отличающийся тем, что, с цепью улучшения эксплуатационных характеристик путем снижения температурных напряжений, он снабжен тепловыми трубками, одна часть каждой из которых расположена в сердечьгаке вдоль обмотки, а другая, оставшаяся - на поверхности корпуса коллектора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Чехословакии № 158096, кл. 21 d 56/01, 1974.

2. Находкин М. Д. Проектирование тяговых электрических машин, М., 1976 с. 527.