СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С НАМОТАННЫМ РОТОРОМ
SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH WOUND ROTOR

Изобретение относится к синхронной электрической машине с намотанным ротором.
В области синхронных электрических машин, как правило, роторы являются либо роторами с постоянными магнитами, либо намотанными роторами.
Намотанные роторы имеют ряд преимуществ, в частности, позволяют повысить КПД двигателя за счет оптимизации одновременно тока ротора и тока статора, а также обеспечивают более простое регулирование скорости за счет прямого воздействия на токи обмоток ротора.
Однако хорошо известным недостатком намотанных роторов является нагрев при прохождении электрического тока в обмотках ротора.
Учитывая, что примерно 30-40% нагрева обмоток намотанного ротора происходит вблизи головок обмоток, находящихся на продольных концах ротора, известный способ охлаждения состоит в нагнетании масла или любой другой диэлектрической охлаждающей жидкости-теплоносителя на головки обмоток.
Однако охлаждающая жидкость, нагнетаемая на продольные концы ротора, скапливается в кольцах механического крепления обмоток.
Действительно, чтобы обеспечить прочное удержание конструкции ротора, в частности, когда ротор вращается с высокой скоростью, на каждом продольном конце ротора устанавливают кольца механического удержания, препятствующие разъединению набора листов конструкции под действием центробежной силы.
Эти кольца образуют на каждом конце ротора полый цилиндр, ограничивающий центральное отверстие, ведущее к головкам роторных обмоток.
Когда на головки обмоток нагнетают охлаждающую жидкость, эти кольца задерживают жидкость, которая скапливается, в частности, на внутренних окружных стенках центрального отверстия, образованного выступающим от ротора кольцом.
Однако скапливающаяся в кольце охлаждающая жидкость под действием центробежной силы образует гладкую пленку на внутренней окружной стенке кольца, которая за счет эффекта капиллярности проникает в воздушный зазор.
Проблема состоит в том, что присутствующая в воздушном зазоре охлаждающая жидкость, производит эффект трения между статором и ротором, что приводит к снижению КПД электрической машины.
Следовательно, существует потребность в решении, позволяющем улучшить охлаждение роторных обмоток синхронной машины с намотанным ротором и не имеющем недостатков известных решений.
Для этого изобретением предложен ротор, содержащий конструкцию, образующую чередование зубьев и вырезов в окружном направлении, при этом на каждом зубе выполнена продольная обмотка, предназначенная для создания роторного полюса; каждая обмотка образует на каждом продольном конце ротора выступающую головку обмотки, при этом указанный ротор содержит также вал, проходящий через указанную конструкцию в продольном направлении, при этом указанный ротор выполнен с возможностью своего охлаждения охлаждающей жидкостью, нагнетаемой на указанные головки обмоток, при этом указанный ротор дополнительно содержит кольцо механического удержания указанных роторных обмоток, установленное на продольном конце ротора, образуя центральное отверстие, выходящее на головки обмоток, отличающийся тем, что указанное кольцо содержит по меньшей мере один выпускной канал, выполненный с возможностью удаления указанной охлаждающей жидкости, нагнетаемой в центральное отверстие, на указанные головки обмоток.
Таким образом, путем использования канала удаления охлаждающей жидкости в кольце можно заставить эту жидкость выходить в одном направлении таким образом, чтобы это масло не заходило в воздушный зазор машины. Иначе говоря, выпускной канал позволяет контролировать удаление охлаждающей жидкости, которая до этого поступила под давлением внутрь кольца, что позволяет оптимизировать КПД электрической машины, в частности, избежать инфильтрации масла в воздушный зазор электрической машины.
Предпочтительно и не ограничительно указанное кольцо плотно посажено на продольный конец конструкции до упора конструкции. Это позволяет относительно надежно и просто установить кольцо на конструкции ротора.
Предпочтительно и не ограничительно указанный выпускной канал выполнен в виде отверстия, проходящего радиально через указанное кольцо. Таким образом, выпускной канал можно выполнить относительно недорого в виде отверстия непосредственно в кольце, например, посредством сверления, или во время формования детали.
Предпочтительно и не ограничительно указанное кольцо содержит по меньшей мере два диаметрально противоположных канала. Это позволяет улучшить удаление охлаждающей жидкости и оптимизировать расход удаления, в частности, в направлении головок статорных обмоток, называемых также «статорными шиньонами», что позволяет улучшить общее охлаждение электрической машины.
Предпочтительно и не ограничительно указанное кольцо содержит восемь каналов, и его продольный конец имеет постоянное уменьшение своего наружного диаметра. Это позволяет добиться лучшего удаления, в частности, лучшего окружного, а также продольного распределения удаления. В частности, восемь каналов равномерно распределены по окружности кольца, и продольный конец кольца имеет плоский наклон, обеспечивая быстрое удаление жидкости, когда ротор вращается с высокой скоростью.
Объектом изобретения является также электрическая машина, содержащая описанный выше намотанный ротор и средства нагнетания охлаждающей жидкости на указанный продольный конец ротора, на котором установлено указанное удерживающее кольцо.
Предпочтительно и не ограничительно намотанный ротор установлен в статоре, содержащем множество статорных обмоток, каждая из которых образует на продольном конце статора головку обмотки статора, при этом указанные каналы кольца намотанного ротора выполнены таким образом, что выходят вблизи концов статорных обмоток, и, когда охлаждающая жидкость удаляется через каналы кольца, охлаждающая жидкость нагнетается непосредственно на головки статорных обмоток.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частного варианта выполнения изобретения, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - вид в перспективе намотанного ротора согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 2 - другой вид в перспективе намотанного ротора согласно варианту выполнения изобретения, показанному на фиг. 1.
Фиг. 3 - вид кольца намотанного ротора согласно варианту выполнения изобретения, показанному на фиг. 1 и 2.
Поскольку фиг. 1 и 2 относятся к одному варианту выполнения изобретения, они будут описаны одновременно.
Синхронная электрическая машина содержит намотанный ротор 1, установленный в не показанном статоре.
Намотанный ротор 1, называемый также просто ротором 1, содержит продольную конструкцию 16, которая выполнена в виде набора листовых деталей и через которую по ее длине проходит вал 5.
Таким образом, вал 5, который связан во вращении с конструкцией 16, расположен в продольном направлении Х. Это же продольное направление Х образует главную ось Х вращения ротора 1.
Конструкция 16 образует окружную последовательность зубьев и вырезов.
Роторные обмотки расположены в вырезах, охватывая зубья, будучи намотанными на них в продольном направлении.
Таким образом, ротор 1 содержит множество обмоток, проходящих в продольном направлении Х.
На каждом продольном конце 30, 30' ротора 1 роторные обмотки образуют головки 40 обмоток.
Совокупность головок 40 обмоток на продольном конце 30, 30' ротора называют также шиньоном.
Чтобы охлаждать обмотки ротора 1, нагревающиеся при прохождении тока, система охлаждения содержит контур 20, 20' циркуляции масла, содержащий на каждом продольном конце 30, 30' ротора 1 охлаждающие насадки 21 и 21'.
В этом варианте выполнения на каждом продольном конце 30, 30' ротора 1 предусмотрены две охлаждающие насадки 21, 21'.
Однако изобретение не ограничивается двумя насадками на каждый продольный конец 30, 30’. Можно также предусмотреть только одну насадку для нагнетания охлаждающей жидкости на каждом продольном конце 30, 30' или более двух охлаждающих насадок на каждом продольном конце 30, 30' в зависимости от нагрева роторных обмоток.
Можно также предусмотреть охлаждение только на одном продольном конце 30, 30’ ротора 1.
Нагнетательные насадки 21, 21' ориентированы таким образом, чтобы обеспечивать нагнетание охлаждающей жидкости, в данном случае охлаждающего масла, на головки 40 обмоток ротора 1, соответствующие концу 30, 30', на котором установлена насадка 21, 21’.
Нагнетание может представлять собой, например, распыление масла в виде мелких капель.
Чтобы удерживать роторные обмотки неподвижно относительно конструкции 16 ротора 1, когда ротор 1 вращается, в частности, чтобы противостоять центробежной силе, на каждом продольном конце 30, 30' ротора 1 установлено кольцо 10, 10' механического удержания.
Удерживающее кольцо 10, 10’ установлено на конструкции 16 ротора 1. В частности, оно может быть плотно посажено до продольного упора 17, 17' конструкции 16 и, в случае необходимости, может быть закреплено на продольном конце 30, 30' ротора 1 вокруг конструкции 16, охватывая роторные обмотки вблизи головок 40 обмоток.
Таким образом, удерживающее кольцо 10, 10' проходит в окружном направлении в виде продольного выступа на каждом продольном конце 30, 30' ротора 1, и его часть образует выступающий конец ротора в виде полого цилиндра, ограничивающего центральное отверстие 101, 101', открывающееся на головки 40 обмоток.
Иначе говоря, когда кольца 10, 10’ установлены на продольных концах ротора 1, они образуют центральное отверстие 101, 101’, соответствующее по существу цилиндрической выемке, выходящей на головки 40 обмоток от соответствующего продольного конца 30, 30' ротора 1.
Нагнетательные насадки 21 и 21' установлены таким образом, чтобы нагнетать масло внутрь центрального отверстия 101, 101' соответствующего кольца 10, 10'.
Таким образом, когда ротор 1 приводится во вращение, нагнетаемое масло заполняет внутреннее пространство кольца 10, 10', скапливаясь на внутренней окружной стенке кольца 10, 10'.
Однако масло, нагнетаемое в центральное отверстие 101, 101' кольца 10, 10', может просачиваться между кольцом 10, 10' и конструкцией 16 на стыке между упором 17, 17' конструкции и соответствующим кольцом 10, 10', что может привести к протечке масла в воздушный зазор электрической машины.
Такая протечка является нежелательной, поскольку она создает усилия трения, отрицательно сказывающиеся на КПД электрической машины.
Чтобы масло, скапливающееся в центральном отверстии 101, 101' кольца 10, 10', не просачивалось на уровне стыка между упором 17, 17' конструкции 16 ротора 1 и кольцом 10, 10', в каждом кольце 10, 10' выполняют один и предпочтительно несколько выпускных каналов 11, 11'.
Каждый выпускной канал 11, 11' соответствует отверстию 11, 11', просверленному в окружной стенке кольца 10 на его участке, выступающем в продольном направлении от конструкции 16 ротора 1.
Отверстия 11, 11' являются сквозными радиальными отверстиями, которые имеют достаточный диаметр для обеспечения перетекания масла из центрального отверстия 101, 101' кольца 10, 10' наружу кольца 10, 10'.
Эти отверстия 11, 11' не только обеспечивают удаление масла из центрального отверстия 101, 101' кольца 10, 10', но также препятствуют образованию гладкой пленки между кольцом 10, 10' и соответствующим упором 17, 17' конструкции 16, что снижает риск действия эффекта капиллярности, приводящего к инфильтрации масла в воздушный зазор.
В частности, каналы 11, 11' выполнены с возможностью удаления масла в направлении головок обмоток статора.
Отверстия 11, 11' расположены на кольцах 10, 10’ в окружном направлении ротора 1 таким образом, что находятся напротив или вблизи головок статорных обмоток, обеспечивая удаление масла из кольца 10, 10' непосредственно на головки статорных обмоток.
Это позволяет увеличить диапазоны скорости нагнетания масла на шиньоны статора, что улучшает их охлаждение и, следовательно, повышает КПД электрической машины.
В этом варианте выполнения каждое кольцо 10, 10' содержит восемь выпускных каналов 11, 11’, то есть восемь сквозных радиальных отверстий 11, 11'.
Сквозные радиальные отверстия 11, 11' равномерно распределены по окружности колец 10, 10’.
На фиг. 3 показана версия выполнения колец 10, 10' ротора 1. Для большей ясности на фигуре показано только одно кольцо 10, при этом другое кольцо 10’ выполнено аналогично. В этой версии выполнения изобретения кольцо 10 имеет постоянное уменьшение своего наружного диаметра на продольном конце 18 кольца 10. Это предпочтительно плоское уменьшение позволяет маслу, находящемуся в этом конце кольца, находящемся сразу после отверстий 11, 11’ в продольном направлении Х, легче выходить за пределы воздушного зазора, если оно не вышло через эти отверстия 11, 11'.
При помощи такого устройства может получить выигрыш относительно момента сопротивления электрической машины порядка 15% по сравнению с известным техническим решением.
Изобретение не ограничивается использованием масла, и можно использовать любую диэлектрическую охлаждающую жидкость-теплоноситель, позволяющую охлаждать электрическую машину.
Число отверстий 11, 11' в каждом кольце 10, 10' может меняться в зависимости от количества масла, удаляемого за единицу времени.
Так, в зависимости от характеристик ротора 1, от его размеров и от количества масла, нагнетаемого на каждую головку 40 обмотки, можно увеличить количество отверстий 11, 11' или увеличить диаметр каждого отверстия, чтобы контролировать поток удаления масла из кольца 10, 10'.
В частности, отверстия 11, 11' одного кольца 10, 10' могут иметь одинаковые или разные диаметры.
Кольцо 10, 10' выполняют из штампованного листа, или посредством формования, или посредством механической обработки в массе. Используемым материалом является, например, алюминиевый сплав или сталь. Предпочтительно его выполняют из штампованного листа алюминиевого сплава, чтобы уменьшить вес ротора.