ДИНАМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
DYNAMO-ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к динамоэлектрической машине со статором и ротором, причем в пазах статора расположена обмоточная система, а система охлаждения содержит тепловые трубки.
Динамоэлектрические машины оборудуются воздушным или жидкостным охлаждением для отвода тепловых потерь из шихтованных пакетов статора и/или ротора, а также от обмоточных систем. Эти потери в динамоэлектрических машинах возникают, в частности, за счет потерь в железе и потерь от вихревых токов. Чтобы улучшить перенос тепла из динамоэлектрической машины, в ней используются тепловые трубки.
Так, например, в US 3801843 описаны несколько устройств из тепловых трубок в шихтованном пакете и пазах динамоэлектрической машины.
Тепловая трубка состоит, в принципе, из вакуумплотно закрытой трубки, внутренняя сторона которой имеет капиллярную структуру. Вследствие господствующего вакуума помещенная рабочая жидкость (вода или спирт) осаждается в виде насыщенного пара в капиллярной структуре. Перенос тепла внутри тепловой трубки происходит за счет испарения и конденсации. При подводе тепловой энергии к какому-либо месту тепловой трубки (зона испарения) рабочая жидкость испаряется, поглощая энергию. Пар течет в направлении перепада температур и конденсируется в более холодных местах тепловой трубки, отдавая энергию (зона конденсации). Конденсат возвращается в зону испарения за счет капиллярных сил и силы тяжести.
Тепловые трубки изготавливаются в виде трубок, в частности круглых, а также прямоугольных плоских тепловых трубок. Предпочтительно тепловые трубки расположены таким образом, что зона испарения находится под зоной конденсации. В противоположном случае, т.е. когда зона испарения находится вверху, а зона конденсации внизу, внутренние капиллярные силы должны действовать против силы тяжести.
Из JP 10174371 А известна динамоэлектрическая машина, в которой лобовая часть обмотки охлаждается посредством тепловых трубок.
В закрытых динамоэлектрических машинах с воздушным охлаждением ограничивающим мощность фактором часто является нагрев ротора. Поскольку степень защиты требует закрытой конструкции динамоэлектрической машины, тепло ротора должно отдаваться охлаждающему воздуху через защитную трубу и т.п. Тепло потерь ротора должно отдаваться защитной трубе за счет конвекции, как и тепло обмоточной системы, в частности лобовой части обмотки. Защитная труба, установленная на опорной трубе, охлаждается извне охлаждающим воздухом. Из-за этого возникают недостатки. Разность температур между внутренней стороной защитной трубы и обтекающим защитную трубу охлаждающим воздухом относительно велика.
При этом в переносе тепла роль играют следующие факторы: скорость воздуха с обеих сторон внутри и снаружи защитной трубы, количество воздуха, поверхность передачи и теплопроводность материала между обеими зонами.
В основе изобретения лежит задача улучшения отвода тепла от ротора и обмоточной системы статора закрытой динамоэлектрической машины с воздушным охлаждением без вмешательства при этом в ее основной конструктивный принцип.
Эта задача решается посредством динамоэлектрической машины со статором и ротором, причем в пазах, по меньшей мере, статора расположена обмоточная система, образующая на его торцевых сторонах лобовые части, и причем посредством тепловых трубок происходит, в основном, радиальный перенос тепла к торцевым сторонам статора.
За счет, в основном, радиального расположения тепловых трубок на торцевых сторонах статора закрытой динамоэлектрической машины обеспечивается также степень ее защиты, например IP55. В то же время обеспечивается достаточная охлаждающая мощность через расположенные на торцевых сторонах статора тепловых трубок от внутренней стороны защитной трубы наружу. Таким образом, тепловые потери ротора, обмоточной системы статора, потери в шихтованных пакетах и потери в лобовой части воспринимаются зоной испарения тепловой трубки и переносятся защитной трубой наружу в зону конденсации. Таким образом, уменьшается разность температур между внутренним пространством динамоэлектрической машины и окружающим ее внешним пространством без ограничения при этом степени ее защиты.
Кроме того, динамоэлектрическая машина не требует никаких существенных конструктивных изменений, поскольку лишь защитную трубу следует выполнить с отверстиями, в основном, соответствующими сечению тепловых трубок. В зависимости от числа отверстий в защитной трубе может быть предусмотрено соответствующее число тепловых трубок.
Предпочтительно защитная труба является также теплопроводящим материалом, благодаря чему происходит дополнительный перенос тепла из закрытой ею области, что способствует охлаждению посредством тепловых трубок.
Чтобы уменьшить уменьшенную эффективность тепловых трубок в нижней части динамоэлектрической машины, т.е. там, где капиллярные силы должны действовать против силы тяжести, число тепловых трубок можно увеличить, чтобы обеспечить такую же охлаждающую мощность, что и в верхней части динамоэлектрической машины.
В качестве альтернативы этому на радиально внутренней стороне защитной трубы, т.е. если капиллярные силы должны действовать против силы тяжести, следует предусмотреть специальные тепловые трубки, которые за счет своей капиллярной структуры обеспечивают также достаточный перенос тепла.
Предпочтительно, по меньшей мере, зона испарения и/или зона конденсации снабжена плетеной структурой, которая увеличивает поверхность зон испарения и конденсации. Плетеная структура выполнена предпочтительно в виде металлической, в частности проволочной плетеной структуры, которая является дополнительно теплопроводящим и за счет своей петлеобразной структуры обеспечивает также завихрение воздушного течения в зоне испарения или конденсации.
Эти плетеные структуры на концевых участках тепловых трубок приводят на окружающих эти концевые участки воздушных течениях к турбулентным течениям. Это турбулентное течение характеризуется большей частью трехмерными, кажущимися случайными, неустановившимися движениями частиц жидкости. Это существенно улучшает теплопоглощение из охлаждающего средства, например воздушного течения, а также теплоотдачу тепловых трубок охлаждающему средству.
Эти плетеные структуры являются, в частности, скомканными проволоками, термически связанными с тепловыми трубками. Петли внутри этих плетеных структур выбираются произвольно, однако в любом случае они должны обеспечивать воздушное течение через плетеную структуру.
Ротор динамоэлектрической машины может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора с соответствующей короткозамкнутой обмоткой, причем, в частности, короткозамыкающее кольцо имеет на торцевых сторонах ротора крылообразные формирования. При вращении ротора возникает циркуляция воздуха внутри защитной трубы, и, тем самым, происходит дальнейшее завихрение воздуха, которое способствует равномерности тепла внутри нее.
Кроме того, в одном предпочтительном варианте осевые выемки в роторе способствуют тому, что не только на торцевых сторонах образуется воздушный контур, но он образуется также по осевой длине ротора, так что между обеими торцевыми сторонами ротора устанавливается равномерная температура.
Следовательно, потери в железе ротора предпочтительным образом направляются из него в участки торцевых сторон динамоэлектрической машины.
В другом предпочтительном варианте зоны испарения и конденсации, по меньшей мере, некоторых тепловых трубок со своей плетеной структурой сосны с проходящими в шихтованных пакетах статора и ротора охлаждающими каналами, так что за счет, в частности, вынужденного осевого охлаждения в этой области возникают дополнительные теплопоглощение и теплоотдача, которые повышают кпд всего охлаждающего устройства.
Во внутренний охлаждающий контур может быть встроен подшипниковый щит, который предпочтительным образом, по меньшей мере, на этом участке снабжен охлаждающими ребрами, и, тем самым, за счет циркуляции воздуха и посредством тепловых трубок может отдавать тепло окружающему воздуху.
Изобретение и другие предпочтительные варианты раскрыты на принципиальных примерах его осуществления с помощью чертежей, на которых изображают:
- фиг. 1, 5: сечение динамоэлектрической машины;
- фиг. 2, 4: частичный продольный разрез динамоэлектрической машины;
- фиг. 3: тепловую трубку.
На фиг. 1 в принципиальном сечении изображена динамоэлектрическая машина 1, на корпус 1 которой посредством опор 17 опирается защитная труба 14. Для наглядности обмоточная система 4 и ротор 3 на фиг. 1 не показаны.
Как хорошо видно на фиг. 2, защитная труба 14 охватывает электрически восприимчивые части, например обмоточную систему 4 с ее лобовой частью и вращающийся ротор 3. Тепло ротора 3 и обмоточной системы 4 должно отдаваться наружу через защитную трубу 14. Согласно изобретению, это происходит за счет того, что в этом случае радиально по углам корпуса расположены четыре тепловые трубки 5, которые как на концевых участках зон испарения 19, так и на концевых участках зон конденсации 7 имеют плетеные структуры 8. Эти плетеные структуры 8 увеличивают поверхности теплопоглощения и теплоотдачи и, кроме того, обеспечивают турбулентность окружающего их воздушного течения, что дополнительно улучшает теплопоглощение и теплоотдачу.
Предпочтительно зоны конденсации 7 расположены соосно с выполненными в виде осевых охлаждающих каналов выемками 11 шихтованного пакета 15 статора 2. За счет этой осевой вентиляции шихтованного пакета 15 статора 2 происходит дополнительное протекание через плетеную структуру 8 зоны конденсации 7 при одновременном повышении теплоотдачи.
Защитная труба 14 проходит от шихтованного пакета 15 статора 2 до подшипникового щита 12 и образует, тем самым, закрытое воздушное пространство. Таким образом, обмоточная система 4 закрыта наружу и отвечает, тем самым, требуемому классу защиты. Внутри этого закрытого воздушного пространства возникает принудительная конвекция, в частности вызванная дополнительным вентилятором, у короткозамкнутого ротора за счет крыльев вентилятора на короткозамыкающем кольце. При этом воздух принудительным образом циркулирует и обтекает или протекает, тем самым, через лобовую часть обмотки, подшипниковый щит и, в частности, плетеную структуру 8 зоны испарения. Это вызывает равномерное теплопоглощение в этой области и существенно уменьшает разность тепла между разными областями внутри защитной трубы и снаружи нее.
Предпочтительно подшипниковый щит 12, несущий подшипники 18, содержит охлаждающие ребра 21, которые также направлены в охлаждающий контур внутри защитной трубы 14 и/или охлаждающего течения 16. На фиг. 4 ротор 3 выполняется также с осевыми охлаждающими каналами 22, благодаря чему между торцевыми сторонами динамоэлектрической машины образуется охлаждающий контур, не покидающий область защитной трубы 14.
Таким образом, получают динамоэлектрическую машину 1, которая при закрытой конструкции обладает высоким охлаждающим эффектом и по сравнению с известными до сих пор динамоэлектрическими машинами требует лишь небольших конструктивных изменений.
Они заключаются только в расположении тепловых трубок 5 с заданными промежутками внутри защитной трубы 14. Тепловые трубки 5 расположены в ее соответствующих отверстиях, однако для соблюдения в любом случае степени защиты, например IP55, отверстия, в которые вставлены тепловые трубки 5, герметизированы дополнительной заливочной массой.
На фиг. 5 в принципиальном сечении изображено расположение тепловых трубок 5 в горизонтальной по отношению к их оси ориентации, при которой, согласно изобретению, их капиллярные силы должны действовать против силы тяжести и снижают, таким образом, охлаждающий эффект.
Во избежание этого число тепловых трубок 5 в нижней области увеличено и/или снабжено тепловыми трубками 5 с подходящей для этого капиллярной структурой.
На фиг. 3 изображена тепловая трубка 5 с концевыми участками, где расположены зона испарения 19 и зона конденсации 7. Каждая из этих зон содержит плетеную структуру 8 для увеличения, во-первых, поверхности теплопереноса и, во-вторых, завихрения протекающего через плетеные структуры 8 воздуха и, тем самым, для более эффективного теплопоглощения и теплоотдачи. Эти плетеные структуры 8 термически связаны с концевыми участками тепловых трубок 5 для подвода тепла к зоне испарения 19 и его отвода от зоны конденсации 7 к плетеной структуре 8.
Предпочтительно простым образом с достаточным охлаждением может быть создана динамоэлектрическая машина 1 закрытой конструкции за счет расположения защитной трубы 14 вокруг критических элементов, таких как обмотка, ее лобовая часть и ротор, имеющей отверстия, в которых, в основном, радиально расположены тепловые трубки 5 с плетеной структурой 8.
Защитная труба 14 на торцевых сторонах 6 статора 2 защищает, при необходимости с подшипниковым щитом 12 и валом, лобовую часть или обмоточную систему, ротор 3 и т.д. от влияний окружающей среды, в частности грязи и воды.