ДИНАМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ВОЗДУШНО-ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
AIR TO WATER COOLED DYNAMO-ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к динамоэлектрической машине со статором и ротором с замкнутым контуром охлаждения.
Для охлаждения динамоэлектрических машин в качестве охлаждающих сред используются газы, в частности воздух и жидкости. Для достижения эффективного охлаждения в динамоэлектрических машинах предусмотрены также комбинации этих принципов охлаждения.
Из DE 299 13 314 U1 известна электрическая машина с корпусом, со статором и ротором и с водяным охлаждением, причем листовой пакет статора посажен в корпус в горячем состоянии и располагается в корпусе по всей длине пакета. Между внутренней и наружной оболочками предусмотрена спираль охлаждения, причем воздухонаправляющая рубашка, предусмотренная снаружи радиальной, представляет собой замкнутую систему.
При этом недостаток заключается в том, что циркулирующий внутренний воздушный поток посредством внутреннего вентилятора подается на воздухонаправляющую рубашку, направляющую внутренний воздушный поток на охлаждающие ребра. При этом воздухонаправляющая рубашка нагревается так же, как и воздух, поступающий из ротора. Эти горячие области представляют собой, в частности, большую проблему для обслуживающего персонала в стесненных условиях его размещения, например в гондолах ветроэлектрических генераторов.
Дополнительно окружающая среда динамоэлектрической машины нагревается за счет выделяемого тепла. Кроме того, эффективность охлаждения такого исполнения ограничена, поскольку часть статора, омываемая охлаждающей водой, занимает лишь малую долю всей длины корпуса.
Исходя из этого, в основу изобретения положена задача создания динамоэлектрической машины, которая, в частности, при стесненных условиях размещения, с одной стороны, обеспечивает достаточное охлаждение и одновременно не представляет никакой опасности для обслуживающего персонала при стесненных условиях размещения, имеющих место, например, в гондолах ветроэлектрических генераторов.
Решение поставленной задачи удается с помощью динамоэлектрической машины, в частности ветрогенератора с выполненным в виде листового пакета статором с системой обмотки, образующей на торцах статора лобовые части обмотки, и с выполненным в виде листового пакета ротором, соединенным с валом без возможности проворота,
причем статор и ротор установлены в одном корпусе,
причем вал установлен на подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах,
причем листовой пакет статора и ротора содержит каналы охлаждения, проходящие аксиально,
причем подшипниковые щиты образуют вместе с корпусом замкнутое внутреннее пространство, содержащее по меньшей мере один замкнутый внутренний контур охлаждения,
причем корпус содержит наружную оболочку и местами дистанцированную от нее внутреннюю оболочку, обращенную к статору,
причем наружная и внутренняя оболочки вместе образуют охлаждающую рубашку, в частности жидкостную охлаждающую рубашку, аксиальная протяженность которой соответствует по меньшей мере аксиальной протяженности листового пакета статора.
Благодаря установке согласно изобретению теперь температура корпуса становится для обслуживающего персонала некритической, поскольку охлаждающая рубашка имеет тем самым лишь максимально допустимую температуру.
Для дальнейшего повышения эффективности охлаждения охлаждающей рубашки внутренняя оболочка содержит аксиально проходящие в направлении наружной окружности статора охлаждающие ребра, которые тем самым увеличивают поверхность теплопередачи охлаждающей рубашки. Эти ребра и тем самым внутренняя оболочка опираются на наружную окружность статора лишь в заданных опорных точках, которые, однако, не снижают охлаждающей способности. Эти охлаждающие ребра приварены или прилиты с внутренней стороны внутренней оболочки.
Для дальнейшего повышения эффективности охлаждения для обратного охлаждения внутреннего воздуха должна использоваться вся длина корпуса статора. Кроме того, теперь охлаждающей водой может омываться вся наружная поверхность внутренней оболочки, отчего эффективность охлаждения существенно повышается. По наружной поверхности внутренней оболочки в созданной теперь между внутренней и наружной оболочками охлаждающей рубашке циркулирует жидкость. Каналы охлаждения охлаждающей рубашки проходят вокруг внутреннего пространства динамоэлектрической машины в виде или спирали, или меандра. Для получения возможно более плотной охлаждающей рубашки наружная и внутренняя оболочки соединяются в ходе единого термического и гидравлического процесса посадки в горячем состоянии.
Теперь принципиальное устройство показывает, что жидкостное охлаждение происходит радиально снаружи, в то время как охлаждающие ребра для обратного охлаждения циркулирующего внутреннего воздуха установлены между спинкой ярма статора и жидкостной охлаждающей рубашкой.
По этой причине теперь температура поверхности динамоэлектрической машины во время работы никогда не становится выше максимально допустимой температуры охлаждающей воды динамоэлектрической машины. Таким образом, предотвращается дополнительный нагрев окружающей среды и других приборов, в частности, в тесной гондоле ветросиловой установки. Тем самым появление горячих поверхностей также предотвращается и обслуживающий персонал подвергается опасности в меньшей степени.
Предпочтительным образом с помощью устройства с пальцем для нажатия, т.е. специальных промежуточных элементов, между частичными листовыми пакетами статора и ротора создаются радиальные каналы охлаждения ротора и статора. В идеале эти каналы охлаждения ротора и статора совпадают, так что воздушный поток из аксиально проходящего канала охлаждения ротора входит через электромагнитный воздушный зазор в радиальный канал охлаждения статора, а затем снова выходит на наружной окружности листового пакета статора и ударяется об охлаждающую рубашку, где подвергается обратному охлаждению.
В идеале этот круговорот внутреннего воздуха создается за счет естественной конвекции, т.е. достигается без вентилятора, однако для достижения дополнительной циркуляции воздуха на валу предусмотрен по меньшей мере один вентилятор.
Предпочтительным образом воздухонаправляющие элементы установлены внутри внутреннего контура охлаждения, так что происходит достаточное дополнительное охлаждение лобовой части обмотки, а также подшипниковых щитков. Таким образом, для обслуживающего персонала некритической является не только цилиндрическая наружная поверхность динамоэлектрической машины, а термически некритическими являются тем самым также подшипниковые щиты, имеющиеся на торцах динамоэлектрической машины. Это ведет к одновременному охлаждению подшипников, так что там опасность расщепления жиров из-за чрезмерной температуры уменьшается.
Изобретение, а также другие предпочтительные варианты выполнения изобретения более подробно поясняются на принципиально изображенном примере выполнения.
Фиг. 1 изображает частичный продольный разрез динамоэлектрической машины,
фиг. 2 - частичный поперечный разрез динамоэлектрической машины.
На фиг. 1 изображен частичный продольный разрез динамоэлектрической машины, в частности, используемой для ветроэлектрических генераторов.
Статор 1, листовой пакет которого собран из частичных листовых пакетов 2, содержит более подробно не показанную систему обмотки, установленную в пазах, так что на торцах листового пакета статора 1 образуются лобовые части 16 обмотки. Будучи дистанцирован более подробно не показанным воздушным зазором от статора 1, в радиальном направлении установлен ротор 3, позиционированный на валу 7 без возможности проворота, в частности, насаженный на него в горячем состоянии или соединенный с ним посредством шпоночных соединений.
Ротор 3 в данном случае в качестве примера выполнен в виде короткозамкнутого ротора и содержит на этом основании короткозамкнутые стержни 6, соединенные между собой на торцах ротора 3 посредством электропроводящих короткозамкнутых колец 5.
Ротор 3 содержит также листовой пакет, разделенный на частичные листовые пакеты. Частичные листовые пакеты 2 статора 1 и частичные листовые пакеты 4 ротора 3 аксиально дистанцированы друг от друга посредством промежуточных элементов 17, а именно, таким образом, чтобы между частичными листовыми пакетами 2 и 4 создавались радиальные каналы охлаждения.
Предпочтительным образом эти радиальные каналы охлаждения статора 1 и ротора 3, как показано на фиг. 1, расположены радиально совпадающими. Таким образом, охлаждающий воздушный поток 13, аксиально приводимый в движение в результате естественной конвекции или с помощью вентилятора 14, поступает в аксиально проходящие каналы 15 охлаждения ротора 3 и/или статора 1. После каждого частичного листового пакета часть аксиально поступающего воздушного потока отклоняется в радиальном направлении. При этом воздушная масса, изменившая направление, благодаря соответствующему расчету размеров промежуточных элементов 17 и диаметров аксиальных каналов 15 охлаждения 15 выбрана таким образом, чтобы на аксиальной протяженности ротора 3 и/или статора 1 во время работы динамоэлектричесой машины устанавливалось равномерное распределение температуры.
Уже нагретые воздушные массы, покидающие ротор 3 в радиальном направлении, поступают через воздушный зазор динамоэлектрической машины в соответствующие противолежащие радиальные каналы охлаждения статора 1. Там воздух снова нагревается и покидает статор 1 в радиальном направлении. Если статор 1 содержит аксиально проходящие каналы охлаждения, то в радиальных каналах охлаждения статора 1, кроме того, происходит перемешивание воздушных масс.
На охлаждающих ребрах 10 внутренней оболочки 19 происходит обратное охлаждение радиально исходящих воздушных масс.
Чем дальше простирается внутренняя оболочка 19 в аксиальном направлении и тем самым образует вместе с наружной оболочкой 12 охлаждающую рубашку 11, тем лучше происходит обратное охлаждение внутренних воздушных потоков.
Аксиальная протяженность охлаждающей рубашки должна по меньшей мере соответствовать аксиальной протяженности статора 1. Значительно лучше подходит протяженность охлаждающей рубашки от одного конца лобовой части обмотки до другого или даже вся аксиальная протяженность динамоэлектрической машины, т.е. от одного подшипникового щита 12 до другого.
Одновременно это уменьшает опасность получения ожога от корпуса.
Поскольку со входом в листовой пакет ротора 3 и/или статора 1 обратно охлажденный охлаждающий воздух уже снова поглощает тепло и таким образом эффективность охлаждения в направлении центра листовых пакетов падает, зазоры между промежуточными элементами 17 в направлении центра уменьшаются. Это повышает эффективность охлаждения всей динамоэлектрической машины.
Предпочтительным образом динамоэлектрическая машина выполнена двухпоточной, т.е. охлаждение воздушного потока производится как с левой, так и с правой стороны, так что аксиально по центру статора 1 и ротора 3 предусмотрены средства для разделения воздушного потока. Это ведет к дальнейшему повышению эффективности охлаждения динамоэлектрической машины.
На фиг. 2 изображен частичный поперечный разрез структуры динамоэлектрической машины, причем ротор 3 со своими частичными листовыми пакетами 4 позиционирован на оси 7. Каждый частичный пакет имеет охлаждающие каналы 15, предпочтительным образом проходящие аксиально. К ротору 3 радиально снаружи примыкает листовой пакет статора 1, содержащий пазы, в которых находится система наружной обмотки.
На наружной окружности листового пакета статора 1, т.е. на спинке ярма, находятся точки 18 опоры внутренней оболочки 19, содержащие обращенные внутрь в основном аксиально проходящие охлаждающие ребра 10. Точки 18 опоры реализованы, например, в виде накладок, распределены по окружности спинки ярма, например три точки 18 опоры расположены со смещением через каждые 120°. В аксиальном направлении статора 1 с заданным аксиальным интервалом предусмотрены другие точки 18 опоры. Альтернативно точки 18 опоры выполнены в виде аксиально расположенных планок, предпочтительным образом содержащих проемы. Проемы в планке имеются или с радиальной внутренней стороны и/или с радиальной наружной стороны, так что получается или гребенчатая форма или чередующаяся смена проемов с внутренней и наружной сторон.
Проемы так же, как и почти выборочные точки опоры 18, обеспечивают также воздушный поток с составляющей в направлении окружности. Таким образом, равномерное охлаждение динамоэлектрической машины в аксиальном направлении и в направлении окружности обеспечено.
При этом охлаждающие ребра 10, соответственно, не прилегают к спинке ярма.
Охлаждающая рубашка 11, образованная внутренней оболочкой 19 и наружной оболочкой 11, охлаждает воздух, выходящий из листового пакета статора 1. Охлаждающее действие усиливается за счет присутствия охлаждающих ребер 10 на внутренней оболочке 19 благодаря ее структуре, увеличивающей поверхность.
Воздух, вытекающий из статора 1, охлаждается при прохождении вдоль охлаждающих ребер 10 внутренней оболочки 11 в направлении подшипниковых щитков с помощью охлаждающей рубашки 11. Этот охлажденный воздух снова притекает к лобовой части 16 обмотки или протекает через нее и/или с внутренней стороны подшипникового щита 8 в аксиальные каналы ротора 3 и/или статора 1.