БЛОК КОНТАКТНЫХ КОЛЕЦ ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
SLIP RING ASSEMBLY FOR ROTATING ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к области вращающихся электрических машин. Оно касается блока контактных колец для вращающейся электрической машины в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения и способа его охлаждения.
Во вращающихся электрических машинах с контактными кольцами, например в асинхронном двигателе трехфазного тока в виде фазного ротора, через вращающиеся с валом контактные кольца посредством соответствующих щеток передаются токи. Пример такой вращающейся электрической машины изображен в виде фрагмента на фиг.1. Машина 10 включает в себя вращающийся вокруг ее оси 17 ротор с центральным телом 11, конец которого переходит в вал 16. На центральном теле 11 установлен пакет железа 12 ротора, в котором размещена роторная обмотка 13 с лобовой частью 13' на конце. Ротор 11, 12, 13 концентрично окружен пакетом железа 15 статора, в котором размещена статорная обмотка 15 с соответствующей лобовой частью 15'. На внешней стороне вала 16 расположены несколько (четыре) контактных колец 14, служащих для передачи тока между ротором и окружающим пространством. Разумеется, в машине, представленной на фиг.1, мощность потерь необходимо отводить посредством специальных охлаждающих устройств (не показаны).
В высоконагружаемых машинах этого рода зону контактных колец в отношении охлаждения следует рассматривать отдельно. Из-за высоких электрической и механической (трение) нагрузок щеток (не показаны) и контактных колец 14 происходит повышение температуры в этой зоне. Поскольку щетки при отклонении от оптимальной рабочей температуры реагируют на это повышенным износом или, начиная с определенной предельной температуры, могут быть полностью разрушены, следует предусмотреть соответствующее охлаждение этих деталей.
В традиционной конструкции зоны контактных колец согласно фиг.2 предусмотрен сплошной вал 16, на котором установлены контактные кольца 14. В этой конструкции охлаждение контактных колец 14 возможно лишь условно. Контактные кольца 14 должны обтекаться извне охлаждающим воздухом или другой охлаждающей средой. Однако это затруднено вследствие вращения контактных колец 14. Охлаждение изнутри, при котором воздух течет изнутри вала 16 радиально наружу, невозможно из-за того, что он закрыт. С другой стороны, снабжение вала 16 соответственно большим числом отверстий представляет проблему из-за снижения механической прочности.
Из ЕР-А 1-0052385 известен блок контактных колец для электрических машин, контактные кольца которого снабжены осевыми отверстиями для охлаждающего газа. Последний поступает, поглощая тепло, радиально снаружи через канавки или пазы в отверстия и отводится по ним посредством всасывающего вентилятора. Однако такая конфигурация охлаждения конструктивно очень сложна.
В DE-A1-3232102 для улучшения охлаждения в зоне блока контактных колец предложено разделить каждое контактное кольцо на несколько отдельных контактных колец, насаженных в горячем состоянии на изолированные от их вала промежуточные усадочные кольца. На них перед контактными кольцами и за ними расположены вентиляторы охлаждающего воздуха. Также это решение требует сложной конструкции и очень точного ведения охлаждающего воздуха.
Задачей изобретения является создание блока контактных колец, который в отношении охлаждения позволил бы избежать недостатков известных блоков контактных колец и отличался бы очень простым и эффективным охлаждением, а также способа охлаждения этого блока.
Эта задача решается посредством совокупности признаков пунктов 1 и 11 формулы изобретения. Существенным для предложенного решения является то, что блок контактных колец выполнен самонесущим. За счет самонесущей конструкции блока контактных колец можно отказаться от несущего вала в этой зоне. Благодаря этому, с одной стороны, контактные кольца хорошо доступны со всех сторон для контактирования с охлаждающей средой. С другой стороны, конструкция блока контактных колец может быть гибкой и с большим уменьшением массы, что дает значительные преимущества в отношении опирания вала машины.
Один вариант предложенного блока контактных колец отличается тем, что контактные кольца соединены между собой с образованием проточных отверстий для охлаждающей среды, в частности охлаждающего воздуха, и удерживаются на расстоянии друг от друга с помощью расположенных между ними дистанционных средств.
В частности, дистанционные средства могут включать в себя дистанционные кольца, имеющие распределенные по периферии дополнительные распорки.
Особенно оптимальное ведение охлаждающей среды возникает тогда, когда дополнительные распорки отстоят в осевом направлении с обеих сторон соответствующего дистанционного кольца и отформованы на нем.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, возможно также, чтобы дистанционные средства имели распределенные по периферии распорки.
Блок контактных колец скреплен преимущественно несколькими распределенными по периферии осевыми стяжками, причем стяжки пропущены через контактные кольца и распорки.
Особенно стабильным блок контактных колец является тогда, когда контактные кольца и расположенные между ними распорки сжаты стяжками между двумя действующими в качестве прижимных фланцев концевыми кольцами.
Другой вариант осуществления изобретения отличается тем, что контактные кольца разделены соответственно на несколько отдельных, расположенных концентрично и в осевом направлении друг за другом частичных колец, которые соединены между собой, образуя проточные отверстия для охлаждающей среды, в частности охлаждающего воздуха, и удерживаются на расстоянии друг от друга с помощью расположенных между ними дистанционных средств. За счет этого контактные кольца могут охлаждаться еще эффективнее.
Преимущественно дистанционные средства для частичных колец включают в себя распределенные по периферии распорки.
Другой вариант осуществления изобретения отличается тем, что блок контактных колец охватывает внутреннее пространство и что внутри него от контактных колец к концу блока со стороны машины проходят разрядники. За счет этого можно распространить эффективное охлаждение также на разрядники.
Предложенный способ охлаждения блока контактных колец отличается тем, что охлаждающая среда, в частности охлаждающий воздух, подается в осевом направлении внутрь блока контактных колец и снова выходит радиально наружу между ними или частичными кольцами.
Изобретение более подробно поясняется ниже на примерах его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
- фиг.1: фрагмент примера вращающейся электрической машины с традиционным блоком контактных колец;
- фиг.2: разрез традиционного блока контактных колец;
- фиг.3: сопоставимый с фиг.2 вид блока контактных колец в соответствии с первым примером осуществления изобретения;
- фиг.4: подробный вид блока контактных колец из фиг.3;
- фиг.5: перспективный вид сбоку блока контактных колец в соответствии со вторым примером осуществления изобретения;
- фиг.6: разрез блока контактных колец из фиг.5.
На фиг.3 и 4 изображен сопоставимый с фиг.2 вид блока контактных колец в соответствии с первым примером осуществления изобретения. В новой конструкции блока 20 контактных колец полностью отсутствует вал в качестве держателя контактных колец 18. Контактные кольца 18 расположены концентрично друг над другом, т.е. в осевом направлении друг за другом, и пространственно отделены друг от друга лежащими между ними дистанционными кольцами 21. Контактные 18 и дистанционные 21 кольца образуют самонесущий блок контактных колец. На дистанционных кольцах 21 равномерно по периферии отформованы отстоящие с обеих сторон каждого из них распорки 22, благодаря которым между дистанционными кольцами 21 и примыкающими контактными кольцами 18 образуются соответственно кольцевые щели, через которые охлаждающая среда может радиально протекать с боков мимо контактных колец 18 и поглощать тепло.
Однако в блоке 20, представленном на фиг.3, 4 отдельные контактные кольца 18 не только отделены друг от друга дистанционными кольцами 21, но и отдельные контактные кольца 18 состоят из нескольких, частичных колец 19, отделенных друг от друга равномерно распределенными по периферии распорками 23. За счет этого охлаждающая среда или охлаждающий воздух может вытекать не только между контактными 18 и дистанционными 21 кольцами, но и протекать «через» сами контактные кольца 18, т.е. через образованные распорками 23 кольцевые щели между частичными кольцами 19. Таким образом, с одной стороны, достигается более равномерное распределение охлаждающего воздуха, а с другой стороны, заметно увеличивается поверхность, через которую отдается тепло.
За счет самонесущего выполнения блока контактных колец можно также удовлетворить требованию охлаждения разрядников, располагаемых на внутренней стороне вала или контактных колец. Это видно на изображенном на фиг.5, 6 примере осуществления изобретения. Блок 30 выполнен также самонесущим из четырех контактных колец 18, которые, в свою очередь, разделены соответственно на три частичных кольца 19. Вместо дистанционных колец 21 на фиг.3 используются распределенные по периферии распорки 24 в виде бобышек, которые образуют необходимые промежутки и проточные отверстия 31 между отдельными контактными кольцами 18. За счет этого в данной зоне достигается большее открытое сечение для охлаждающего воздуха.
Также в этом примере частичные кольца 19 отстоят друг от друга за счет распорок (не показаны), в результате чего образуются проточные отверстия в виде узких кольцевых щелей, через которые может протекать охлаждающий воздух. Самонесущий блок 30 контактных колец скреплен несколькими распределенными по периферии осевыми стяжками 27, которые пропущены через контактные 18 или частичные 19 кольца и распорки 24. Контактные 18 или частичные 19 кольца и расположенные между контактными кольцами 18 распорки 24 сжаты стяжками 27 между двумя действующими в качестве прижимных фланцев концевыми кольцами 25, 26, образуя механически стабильный блок. Проточные отверстия 31 предусмотрены также между внешними контактными 18 и концевыми 25, 26 кольцами, обеспечивая на внешней стороне достаточное охлаждение.
Блок 30 контактных колец охватывает внутреннее пространство 28, в которое для охлаждения аксиально подается охлаждающий воздух, выходящий затем радиально наружу через проточные отверстия 31, 32 (охлаждающая среда 33 на фиг.5). Во внутреннем пространстве 28 могут предпочтительно располагаться электрически соединенные с контактными кольцами разрядники 29. Поскольку весь охлаждающий воздух течет мимо разрядников 29, они охлаждаются.
Разумеется, для электрической изоляции контактных колец 18 распорки 24 или дистанционные кольца 21 должны быть выполнены изолирующими. То же относится к стяжкам 27.
Помимо улучшения возможности охлаждения описанным образом можно также экономить материал за счет того, что больше не требуется вал, несущий контактные кольца 18. Экономия материала приводит к сокращению издержек и способствует разгрузке подшипников машины. Поскольку контактные кольца 18, как правило, расположены не между местами опоры, а снаружи, они представляют собой большую нагрузку для подшипников (качающиеся движения). За счет уменьшения массы в этой зоне можно предпочтительно уменьшить действующие на подшипники усилия.
Перечень ссылочных позиций
10 - вращающаяся электрическая машина, например асинхронная
11 - центральное тело
12 - пакет железа ротора
13 - роторная обмотка
13' - роторная обмотка
14, 18 - контактное кольцо
15 - пакет железа статора
15' - статорная обмотка
16 - вал
17 - ось машины
19 - частичное кольцо
20, 30 - блок контактных колец
21 - дистанционное кольцо
22, 23, 24 - распорка
25 - внутреннее концевое кольцо
26 - внешнее концевое кольцо
27 - стяжка
28 - внутреннее пространство
29 - разрядник
31, 32 - проточное отверстие
22 - охлаждающая среда.