ОХЛАЖДЕНИЕ АСИНХРОННОГО РОТОРА
COOLING OF INDUCTION MOTOR ROTOR

Изобретение относится к короткозамкнутому ротору для асинхронной машины, который имеет листовой пакет ротора с прилитыми на торцевых сторонах к листовому пакету ротора короткозамыкающими кольцами. В частности, изобретение относится к охлаждению такого короткозамкнутого ротора.
Кроме того, изобретение относится к способу изготовления такого короткозамкнутого ротора, в котором предусмотрено соответствующее охлаждение.
Для повышения коэффициента полезного действия электрических машин применяют различные технологии охлаждения, с помощью которых возникающее в статоре и роторе тепло отводится в окружение. Нагревание ротора значительно больше нагревания статора. Однако труднее отводить тепло из вращающегося конструктивного элемента, каким является ротор.
Из DE 4308683 А1 известен короткозамкнутый ротор для асинхронной машины, который имеет в канавках листового пакета ротора короткозамкнутые стержни, которые на обеих торцевых сторонах соединены механически и электрически изготовленными посредством литья под давлением из алюминия короткозамыкающими кольцами.
Обычный способ отвода тепла из таких роторов состоит в выполнении короткозамыкающего кольца с лопастями с целью отвода тепла во внутреннее пространство двигателя. Эффективность такого способа охлаждения зависит от скорости вращения двигателя. В машинах с большим числом полюсов эффективность отвода тепла с помощью лопастей на короткозамыкающем кольце меньше. Кроме того, эффективность такого способа охлаждения падает с осевой длиной листового пакета ротора, поскольку в этом случае становится все трудней обеспечивать возможность достаточного отвода тепла из всего листового пакета ротора.
В основу изобретения положена задача улучшения отвода тепла от короткозамкнутого ротора асинхронной машины.
Эта задача решена с помощью короткозамкнутого ротора с признаками пункта 1 формулы изобретения. Такой короткозамкнутый ротор для асинхронного двигателя содержит:
- листовой пакет ротора,
- расположенные внутри листового пакета ротора короткозамкнутые стержни и
- прилитые к листовому пакету ротора короткозамыкающие кольца, которые соединяют электрически друг с другом короткозамкнутые стержни на торцевых сторонах листового пакета ротора,
при этом в листовой пакет ротора заделаны в осевом направлении тепловые трубы, которые на торцевых сторонах выступают из листового пакета ротора и входят в короткозамыкающие кольца.
Кроме того, задача решена с помощью способа изготовления короткозамкнутого ротора для асинхронной машины с признаками пункта 12 формулы изобретения. В таком способе тепловые трубы вкладывают в канавки листового пакета ротора и приливают короткозамыкающие кольца к торцевым сторонам листового пакета ротора и к тепловым трубам так, что они соединяют электрически друг с другом короткозамкнутые стержни короткозамкнутого ротора и что тепловые трубы выступают на торцевых сторонах из листового пакета ротора и входят в короткозамыкающие кольца.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
В основе изобретения лежит понимание того, что в короткозамкнутом роторе с прилитыми на торцевых сторонах короткозамыкающими кольцами указанные короткозамыкающие кольца можно очень хорошо использовать для отвода тепла посредством их прилива непосредственно к концам тепловых труб. Тепловые трубы, которые могут быть термосифонами или тепловыми трубками, пронизывают листовой пакет ротора по существу в осевом направлении. Они транспортируют тепло, которое возникает в листовом пакете ротора, к обоим торцевым концам ротора. На этих концах они влиты в короткозамыкающие кольца, так что обеспечивается почти оптимальный перенос тепла с тепловых труб в короткозамыкающие кольца. Имеющие большую поверхность короткозамыкающие кольца выполняют функцию конденсатора для тепловых труб, так что очень простым образом создается эффективная циркуляция тепла.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения отвод тепла из листового пакета ротора дополнительно усиливается за счет того, что тепловые трубы на противоположной листовому пакету ротора стороне выступают в осевом направлении из короткозамыкающих колец. Выступающая из короткозамыкающих колец часть тепловой трубы выполняет за счет этого функцию вентиляторных лопастей и поддерживает тем самым конвекцию.
В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения короткозамыкающие кольца выполнены из алюминия, а тепловые трубы - из меди, при этом на тепловых трубах в зонах, в которых они расположены внутри короткозамыкающих колец, образован легированный слой, который нанесен, в частности, гальванически. Короткозамыкающие кольца из алюминия имеют то преимущество, что за счет этого можно значительно сокращать момент инерции ротора по сравнению с более тяжелыми короткозамыкающими кольцами из меди. Кроме того, алюминий очень хорошо пригоден для способа литья на основании своей относительно низкой температуры плавления. Применение тепловых труб из меди имеет то преимущество, что особенно эффективна теплопроводность, поскольку медь имеет очень высокий коэффициент теплопроводности. Для оптимизации переноса тепла между тепловыми трубами и короткозамыкающими кольцами в одном варианте выполнения на тепловые трубы нанесен легированный слой смешанных кристаллов. Такое покрытие можно наносить гальванически. В качестве альтернативного решения возможно также цинкование тепловых труб с целью достижения желаемого уменьшения термического сопротивления. С помощью легированного слоя улучшается как термическое, так и механическое соединение тепловых труб с короткозамыкающими кольцами. Эффективно предотвращается отрыв тепловых труб от короткозамыкающих колец вследствие циклов термической нагрузки при работе асинхронной машины. Уменьшается также электрическое переходное сопротивление между тепловыми трубами и короткозамыкающими кольцами. Это предпочтительно, в частности, когда тепловые трубы применяются не только для отвода тепла, но также дополнительно в качестве короткозамкнутых стержней в асинхронной машине.
Один предпочтительный вариант выполнения изобретения характеризуется тем, что листовой пакет ротора имеет первые канавки, в которых расположены короткозамкнутые стержни, и вторые канавки, в которых расположены тепловые трубы. Вторые канавки могут быть предпочтительно выполнены в виде осевых отверстий. В них вдвигаются тепловые трубы перед приливом короткозамыкающих колец.
В частности, когда тепловая труба имеет более высокое электрическое сопротивление между короткозамыкающими кольцами, чем короткозамкнутый стержень, предпочтительным является вариант выполнения изобретения, в котором вторые канавки расположены дальше снаружи относительно первых канавок при рассматривании в радиальном направлении короткозамкнутого ротора. В этом случае тепловые трубы можно использовать в качестве пусковых стержней на основании их более высокого электрического сопротивления. Пусковые стержни должны быть расположены на основании скин-эффекта дальше снаружи при рассматривании в радиальном направлении, чем рабочие стержни, для выполнения их предназначения. Более высокое электрическое сопротивление пусковых стержней обеспечивает повышенный пусковой момент машины.
В противоположность этому, если тепловая труба имеет более низкое электрическое сопротивление между короткозамыкающими кольцами, чем короткозамкнутый стержень, то предпочтительным является вариант выполнения изобретения, в котором первые канавки расположены относительно первых канавок дальше снаружи при рассматривании в радиальном направлении короткозамкнутого ротора. Это относится к тому случаю, когда тепловые трубы выполнены из меди, а короткозамкнутые стержни из алюминия. Так, например, возможно, что в процессе литья под давлением алюминия первые канавки заполняют алюминиевым расплавом одновременно с приливом короткозамыкающих колец. За счет этого в одной стадии выполняют короткозамкнутые стержни и короткозамыкающие кольца. Такой короткозамкнутый ротор очень экономичен в изготовлении.
В противоположность этому рабочие стержни образуют в виде тепловых труб из меди, электрическое сопротивление которых сравнительно мало.
Независимо от того, применяются ли тепловые трубы в качестве рабочих стержней или пусковых стержней, они могут быть предпочтительно выполнены также наклонно. При этом, в частности, целесообразно выполнять короткозамкнутые стержни также наклонными. Такой короткозамкнутый ротор содержит наклонные пусковые стержни и рабочие стержни, при этом один вид этих стержней образован в зависимости от варианта выполнения тепловыми трубами. Наклон ротора сказывается положительно на пусковых характеристиках асинхронной машины. Пульсирующие моменты, которые вызываются верхними гармониками в поле воздушного зазора, компенсируются за счет наклона.
Другой предпочтительный вариант выполнения изобретения характеризуется тем, что каждая первая канавка соединена с соответствующей второй канавкой через соединительную перемычку с образованием двойной стержневой канавки. Например, при применении способа литья под давлением алюминия для изготовления короткозамыкающих колец и короткозамкнутых стержней сначала вкладывают во вторую канавку тепловую трубу. Затем снабженный тепловыми трубами листовой пакет ротора вводят в форму для литья под давлением. В нее подают под давлением алюминиевый расплав, при этом расплав проникает в первые канавки и в соединительные перемычки и заполняет эти зоны. Одновременно приливают короткозамыкающие кольца на выступающие на торцевых сторонах из листового пакета ротора тепловые трубы.
В другом особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения особенно высокий электрический коэффициент полезного действия достигается в гибридной конструкции тем, что короткозамкнутые стержни выполнены из меди, и в первых канавках расположены литые стержни, которые заполняют остаточное поперечное сечение, которое не заполнено короткозамкнутыми стержнями в первых канавках, при этом литые стержни и короткозамыкающие кольца состоят из алюминия. Короткозамкнутые стержни из меди значительно повышают проводимость и тем самым коэффициент полезного действия короткозамкнутого ротора. С помощью алюминиевого расплава, который заполняет остаточное поперечное сечение, короткозамкнутые стержни хорошо фиксируются механически внутри канавки.
Поскольку тепловые трубы расположены во вращающемся элементе, короткозамкнутом роторе, они не обязательно должны иметь капиллярную вставку, которая применяется в тепловых трубках. Капилляр не требуется, поскольку при работе асинхронной машины на тепловую трубу действуют центробежные силы, за счет чего содержащаяся в них жидкость оттесняется наружу. Поэтому в предпочтительном варианте выполнения изобретения циркуляция тепла может быть реализована за счет выполнения тепловых труб так, что заключенная в тепловой трубе среда при вращающемся короткозамкнутом роторе может циркулировать под действием центробежных сил. В листовом пакете ротора, который является наиболее горячей точкой на тепловой трубе, испаряется пленка жидкости в направлении наружу вследствие центробежной силы. Пар, который возникает при этом, оттесняется поступающей в контур циркуляции жидкостью внутрь и движется с высокой скоростью в осевом направлении к короткозамыкающему кольцу, которое выполняет при этом функцию конденсатора. Здесь происходит в конечном итоге перевод пара в жидкое состояние. Среда в жидком состоянии в конечном итоге снова прилегает снаружи к тепловой трубе вследствие центробежных сил.
В комбинации короткозамкнутого ротора, согласно одному из указанных выше вариантов выполнения, со статором получается асинхронная машина, коэффициент полезного действия которой на основании эффективного охлаждения значительно улучшен по сравнению с обычными асинхронными машинами с короткозамкнутым ротором.
Ниже приводится более подробное описание и пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез первого варианта выполнения листового пакета ротора с тепловыми трубами;
фиг.2 - поперечный разрез первого варианта выполнения;
фиг.3 - продольный разрез второго варианта выполнения листового пакета ротора с тепловыми трубами;
фиг.4 - поперечный разрез второго варианта выполнения;
фиг.5 - третий вариант выполнения листового пакета ротора с тепловыми трубами;
фиг.6 - четвертый вариант выполнения листового пакета ротора с тепловыми трубами;
фиг.7 - принцип действия тепловой трубы;
фиг.8 - асинхронная машина с листовым пакетом ротора согласно одному варианту выполнения изобретения.
На фиг.1 показан в продольном разрезе первый вариант выполнения листового пакета 1 ротора с тепловыми трубами 4. Листовой пакет 1 ротора выполнен из штабелированных в осевом направлении, изолированных электрически друг от друга листов электротехнической стали. За счет этого уменьшаются потери в стали и потери на вихревые токи в листовом пакете 1 ротора.
Кроме того, листовой пакет 1 ротора содержит первые канавки, в которых расположены короткозамкнутые стержни 2. Для достижения возможно более высокого электрического коэффициента полезного действия эти короткозамкнутые стержни 2 выполнены из меди.
Кроме того, листовой пакет 1 ротора содержит вторые канавки в виде осевых отверстий, в которых расположены тепловые трубы 4. При рассматривании в радиальном направлении листового пакета 1 ротора тепловые трубы 4 и тем самым также вторые канавки расположены дальше внутрь, чем короткозамкнутые стержни 2, соответственно, первые канавки.
При изготовлении показанного здесь короткозамкнутого ротора сначала вводят короткозамкнутые стержни 2 и тепловые трубы 4 в соответствующие канавки. Затем снабженный ими листовой пакет ротора помещают в форму для литья под давлением. В ней к листовому пакету 1 ротора на торцевых сторонах приливают короткозамыкающие кольца 3. Короткозамыкающие кольца 3 окружают торцевые концы короткозамкнутых стержней 2 и тепловых труб 4. Таким образом, в зоне этих концов возникает очень хороший механический, электрический и термический контакт между короткозамкнутыми стержнями 2 и короткозамыкающими кольцами 3, а также между тепловыми трубами 4 и короткозамыкающими кольцами 3.
Для выполнения соединения между этими элементами еще более прочным как короткозамкнутые стержни 2, так и тепловые трубы 4 перед введением в листовой пакет 1 ротора снабжают покрытием. При этом на тепловые трубы 4 и короткозамкнутые стержни 2 наносят алюминиевый слой. Этот алюминиевый слой должен быть нанесен по меньшей мере в зоне, в которой короткозамкнутые стержни 2, соответственно, тепловые трубы 4 после процесса литья под давлением выступают в короткозамыкающие кольца 3. В частности, за счет гальванизации этих элементов возникает легированный слой между короткозамкнутыми стержнями 2 и короткозамыкающими кольцами 3, а также между тепловыми трубами 4 и короткозамыкающими кольцами 3. Образуется смешанно-кристаллическая зона, которая обеспечивает особенно прочное механическое соединение. Это смешанно-кристаллическое соединение выдерживает также циклы нагрузки, которые вызывают перекосы внутри ротора.
Переходная проводимость между короткозамкнутыми стержнями 2 и короткозамыкающими кольцами 3 остается очень небольшой также после многочисленных циклов нагрузки. Переходная теплопроводность между выполненными в данном случае в качестве примера из меди тепловыми трубами 4 и короткозамыкающими кольцами 3 остается также крайне высокой, так что тепло из выполненных, например, в виде термосифона тепловых труб 4 может очень хорошо отводиться в короткозамыкающие кольца 3. Короткозамыкающие кольца 3 представляют для термосифона имеющий большую поверхность конденсатор.
На фиг.2 показан первый вариант выполнения в поперечном разрезе. Разрез выполнен через одно из короткозамыкающих колец. Количество первых канавок, в которых расположены короткозамкнутые стержни 2, значительно больше количества вторых канавок, которые предусмотрены для тепловых труб 4. Естественно, что их соотношение может при необходимости изменяться. Если необходимо отводить от ротора большее количество тепла, то предусматривается больше, чем показанные четыре тепловые трубы 4. Возможно также и соответствует изобретению применение тепловых труб 4 в качестве короткозамкнутых стержней для короткозамкнутого ротора.
На фиг.3 показан в продольном разрезе второй вариант выполнения листового пакета 1 ротора с тепловыми трубами 4. Аналогично показанному на фиг.1 варианту выполнения здесь также предусмотрены первые канавки для размещения короткозамкнутых стержней 2 и вторые канавки, которые выполнены в виде осевого отверстия, для размещения тепловых труб 4. В этом варианте выполнения вторые канавки и тем самым тепловые трубы 4 при рассматривании в радиальном направлении расположены снаружи, т.е. вблизи наружной оболочки. Короткозамкнутые стержни 2, которые и в данном случае выполнены из меди, находятся при рассматривании в радиальном направлении ротора внутри, т.е. ближе к валу ротора. В этом варианте выполнения тепловые трубы 4, которые также выполнены из меди, применяются в качестве пусковых стержней для короткозамкнутого ротора. Их площадь поперечного сечения значительно меньше, чем у короткозамкнутых стержней 2. Таким образом, электрическое сопротивление, которое образуют тепловые трубы между обоими короткозамыкающими кольцами, значительно больше, чем сопротивление короткозамкнутых стержней 2.
На основании скин-эффекта токи в роторе во время пускового момента оттесняются к наружной окружности ротора, т.е. в направлении вторых канавок. Таким образом, они протекают в хуже проводящих тепловых трубах 4. Это приводит к тому, что улучшаются пусковые характеристики асинхронной машины. При приближении ротора к номинальной скорости вращения поток тока все больше и больше замыкается через значительно лучше проводящие короткозамкнутые стержни 2. За счет этого уменьшаются потери в роторе и улучшается электрический коэффициент полезного действия. При таком выполнении нет необходимости в предусмотрении пусковых стержней, как это часто реализуется в короткозамкнутом роторе, согласно уровню техники, для улучшения пусковых характеристик. Функция пусковых стержней предпочтительно выполняется одновременно выполненными, например, в виде термосифонов тепловыми трубами 4.
На фиг.4 показан второй вариант выполнения в поперечном разрезе. Можно видеть, что для каждого короткозамкнутого стержня 2 предусмотрена одна тепловая труба 4. Таким образом, каждому рабочему стержню, который образован с помощью короткозамкнутых стержней 2, соответствует пусковой стержень в виде термосифона.
На фиг.5 показан третий вариант выполнения листового пакета ротора с тепловыми трубами 4. Здесь как тепловые трубы 4, так и короткозамкнутые стержни 2 расположены в так называемых двойных стержневых канавках. То есть при этом первая канавка, которая предусмотрена для короткозамкнутого стержня 2, соединена через тонкую соединительную перемычку со второй канавкой, которая предусмотрена для тепловой трубы 4. На чертеже показан разрез через листовой пакет ротора и тем самым через короткозамкнутые стержни 2 и тепловые трубы 4. Тепловые трубы 4 при рассматривании в радиальном направлении расположены дальше внутрь, чем короткозамкнутые стержни 2. Такое расположение имеет, в частности, смысл, когда электрическое сопротивление, которое создают тепловые трубы 4 между обоими короткозамыкающими кольцами, меньше электрического сопротивления, которое образуют короткозамкнутые стержни 2 между обоими короткозамыкающими кольцами.
Обычно поверхность поперечного сечения тепловых труб 4 меньше, чем у массивно выполненных короткозамкнутых стержней 2. Однако, если применяются короткозамкнутые стержни из алюминия, например из отливаемого под давлением алюминиевого расплава, а тепловые трубы 4 состоят из меди, то такое расположение может быть вполне целесообразным, поскольку при таком выборе материалов электрическое сопротивление тепловых труб может быть меньше, чем у короткозамкнутых стержней. При таком выполнении для улучшения пусковых характеристик следует располагать тепловые трубы 4 при рассматривании в радиальном направлении ближе внутрь, т.е. вблизи вала ротора. При этом короткозамкнутые стержни 2 из алюминия выполняют функцию пусковых стержней.
На фиг.6 показан четвертый вариант выполнения листового пакета ротора с тепловыми трубами 4. Здесь, также как на фиг.5, предусмотрены двойные стержневые канавки для размещения короткозамкнутых стержней 2 и тепловых труб 4. Однако здесь короткозамкнутые стержни 2 находятся, при рассматривании в радиальном направлении, внутри, а тепловые трубы 4, при рассматривании в радиальном направлении, снаружи. Это расположение имеет смысл, когда короткозамкнутые стержни 2 имеют лучшую электрическую проводимость между обоими короткозамыкающими кольцами, чем тепловые трубы 4. Это имеет место, в частности, когда короткозамкнутые стержни 2 и тепловые трубы 4 выполнены из одинакового материала, например, меди или алюминия. В этом случае тепловые трубы 4 служат в качестве пусковых стержней, а короткозамкнутые стержни 2 в качестве рабочих стержней.
На фиг.7 показан принцип действия тепловой трубы 4 во вращающемся короткозамкнутом роторе. Показан разрез через тепловую трубу 4, листовой пакет 1 ротора и короткозамыкающее кольцо 3, которое прилито с торцевой стороны к листовому пакету 1 ротора. Тепловая труба 4 выступает на противоположной листовому пакету 1 ротора стороне из короткозамыкающего кольца 3. Эта выступающая часть тепловой трубы 4 служит в качестве вентиляционной лопасти и тем самым дополнительно улучшает циркуляцию воздуха.
Внутри тепловой трубы 4, которая выполнена в виде термосифона, находится среда в частично жидком и частично газообразном состоянии. Жидкость 5 за счет вызванной вращением короткозамкнутого ротора центробежной силы оттесняется в направлении окружности короткозамкнутого ротора. Соответственно, при рассматривании в радиальном направлении, пар 6 находится внутри. В пакете ротора, как в самой горячей точке термосифона, испаряется направленная наружу пленка жидкости. Пар 6 оттесняется поступающей в контур циркуляции жидкостью 5 внутрь и движется с высокой скоростью в осевом направлении к короткозамыкающему кольцу 3, которое действует в качестве конденсатора. Там происходит снова превращение пара 6 в жидкость. Среда в жидком состоянии в конечном итоге снова прилегает снаружи к термосифону вследствие центробежных сил.
На фиг.8 показана асинхронная машина 7 с листовым пакетом ротора согласно одному из вариантов выполнения изобретения. Асинхронная машина 7 характеризуется в данном случае особенно высоким электрическим коэффициентом полезного действия. При этом в противоположность указанным выше вариантам выполнения применяется ротор, изготовленный из меди способом литья под давлением. При изготовлении способом литья под давлением этого ротора из меди листовой пакет ротора сначала снабжают, как указывалось выше применительно к другим вариантам выполнения, тепловыми трубами. Эти тепловые трубы укладывают в соответствующие канавки листового пакета ротора. Затем снабженный тепловыми трубами листовой пакет ротора вводят в форму для литья под давлением. В эту форму для литья под давлением подают медный расплав, который образует на торцевых сторонах короткозамыкающие кольца и заполняет другие канавки листового пакета ротора. После затвердевания расплава в других канавках возникают короткозамкнутые стержни из меди.