ИНДУКТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ВОЗДУШНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ
INDUCTOR GENERATOR WITH AIR COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области электромашиностроения, а более конкретно - к индукторным электрическим машинам с воздушной системой охлаждения, предназначенным для работы в автономных системах электроснабжения, например, в составе дизель-генераторных электроэнергетических установок.
Известен индукторный генератор с воздушной системой охлаждения (Патент US 3944863 МПК H02K 19/26, опубл. 16.03.76), содержащий установленный в ферромагнитном корпусе статор, выполненный в виде двух шихтованных и зубчатых по расточке пакетов с установленными между ними и закрепленными неподвижно на корпусе проставками, уложенную в пазы пакетов статора и охватывающую зубцы обоих пакетов обмотку якоря, два установленных на закрепленной на валу втулке и сдвинутых друг относительно друга на 180 электрических градусов пакета зубчатого ротора с установленной между ними на закрепленном на проставках каркасе обмоткой возбуждения с зазорами между боковыми ее поверхностями и основанием каркаса и обращенными к ним поверхностями соответственно пакетов ротора и втулки, а также установленный на валу генератора вентилятор системы воздушного охлаждения с принадлежащими ей окнами, выполненными в конструктивных элементах статора (в рассматриваемой конструкции - в корпусе) для принудительного всасывания во внутренние полости генератора и выброса из них охлаждающего потока воздуха.
Проставки, фиксирующие положение обмотки возбуждения относительно внутренних обращенных друг к другу боковых поверхностей ротора и поверхностью вала, выполнены в виде брусков прямоугольной формы, расположенных соосно с зубцами статора, имеющих толщину меньшую или равную ширины этих зубцов и закрепленных на статоре винтами. Для крепления обмотки возбуждения к проставкам используются выступы каркаса, прилегающего к ней с торцевых ее сторон и к основанию.
Недостатком построенной таким образом конструкции генератора является недостаточно эффективное охлаждение обмотки возбуждения, обусловленное отбором выделяющегося в ней тепла охлаждающим воздухом в основном с наружной обращенной к статору ее поверхности и лишь частично, с боковых ее сторон и с поверхности, обращенной к втулке. По этой причине для исключения перегревов изоляции проводников, расположенных в центральной части поперечного сечения этой обмотки, приходится при выборе сечения проводников ориентироваться на тепловое состояние изоляции именно в этой области обмотки, следствием чего являются серьезные ограничения на выбор плотности тока в проводниках обмотки возбуждения, увеличение сечения ее проводников и габаритных размеров, а также габаритов генератора. Указанный результат имеет место несмотря на неполное заполнение проводниками обмотки возбуждения пространства, ограниченного поверхностями вала и расточкой ротора (см. рис. 2 в описании указанного выше патента). Образующиеся при этом каналы для сквозного прохождения воздуха сквозь активную часть генератора поверх наружной цилиндрической поверхности обмотки возбуждения несколько улучшают тепловой режим ее работы, но не настолько, чтобы полностью избежать перечисленных выше негативных факторов.
Серьезный недостаток рассматриваемой системы охлаждения состоит также в том, что ее влияние на тепловое состояние генератора ограничено лишь принудительным теплосъемом с внутренних поверхностей его активной части. Что же касается наружных его поверхностей, то их охлаждение происходит естественным путем, и поэтому является малоэффективным для электрических машин средней и большой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является индукторный генератор с воздушным охлаждением, устройство которого приведено в [Сугробов A.M. Проектирование электромашинных преобразователей для систем электрооборудования автономных объектов. - М.: Издательство МЭИ, 2005 г.]. Этот генератор содержит установленный в ферромагнитном корпусе статор, выполненный в виде двух шихтованных и зубчатых по расточке пакетов с установленной между ними в отличие от рассмотренной выше конструкции генератора одной проставкой в виде полого цилиндра из немагнитного материала с выполненными в нем пазами, расположенными соосно с пазами в пакетах статора, и охватывающую зубцы обоих пакетов обмотку якоря, два установленных на валу и сдвинутых на 180 электрических градусов пакета зубчатого ротора и расположенную между ними обмотку возбуждения в виде двух электрически соединенных между собой катушек, разделенных немагнитным закрепленным на проставке немагнитным каркасом с зазорами между наружными боковыми и нижними их поверхностями и обращенными к ним поверхностями соответственно пакетов ротора и вала, и являющихся составной частью одного из двух каналов воздушного охлаждения генератора, а именно канала внутреннего его охлаждения, который помимо внутренних полостей генератора включает в себя закрепленный на корпусе с торцевой его стороны кожух с патрубком, отверстия в конструктивных элементах статора (в рассматриваемой конструкции генератора - в подшипниковых щитах) и вентилятор, обеспечивающий также функционирование второго канала охлаждения генератора - канала наружного его охлаждения, в виде охватывающей корпус и закрытой металлической оболочкой полости, открытой для поступления в нее охлаждающего потока воздуха из патрубка и выброса его в окружающее генератор пространство с противоположной ее (полости) также открытой стороны.
Для улучшения теплоотдачи с наружной поверхности корпуса на ней имеются распределенные вдоль окружности ребра охлаждения.
Серьезный недостаток генератора состоит в том, что обеспечивающий поступление в него охлаждающего воздуха вентилятор расположен в автономной, расположенной за его пределами установке, что приводит к возрастанию габаритов и общей массы генератора с системой его охлаждения. Помимо этого выделяющееся тепло в обеих катушках обмотки возбуждения отводится в основном лишь с наружных их поверхностей, что приводит к снижению эффективности системы охлаждения. К недостаткам генератора следует отнести также то обстоятельство, что температура проходящего через наружный канал охлаждения воздуха в месте выброса его в окружающее пространство ниже температуры воздуха проходящего через внутренние полости генератора при выбросе его из генератора. Этот факт свидетельствует о том, что охлаждающие возможности воздуха, проходящего через наружный канал охлаждения недоиспользованы.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении интенсивности системы охлаждения генератора.
Технический результат заключается в уменьшении за счет этого совокупной массы и габаритов генератора.
Достигается это тем, что в известной индукторной машине, содержащей установленный в ферромагнитном корпусе статор, выполненный в виде двух шихтованных и зубчатых по расточке пакетов с установленной между ними проставкой в виде полого цилиндра из немагнитного материала с выполненными в нем пазами, расположенными соосно с пазами в пакетах статора, и охватывающую зубцы обоих пакетов обмотку якоря, два установленных на валу и сдвинутых на 180 электрических градусов пакета зубчатого ротора и расположенную между ними обмотку возбуждения в виде двух электрически соединенных между собой катушек, разделенных закрепленным на проставке немагнитным каркасом с зазорами между наружными боковыми и нижними их поверхностями и обращенными к ним поверхностями соответственно пакетов ротора и вала, и являющихся составной частью одного из двух каналов воздушного охлаждения генератора, а именно канала внутреннего его охлаждения, который помимо внутренних полостей генератора включает в себя закрепленный на корпусе с торцевой его стороны кожух с патрубком, отверстия в конструктивных элементах статора (в рассматриваемой конструкции генератора - в подшипниковых щитах) и вентилятор, обеспечивающий также функционирование второго канала охлаждения генератора - канала наружного его охлаждения, в виде охватывающей корпус и закрытой металлической оболочкой полости, открытой для поступления в нее охлаждающего потока воздуха из патрубка и выброса его в окружающее генератор пространство, вентилятор системы воздушного охлаждения расположен на валу внутри генератора, имеет дополнительные каналы охлаждения, образованные системой радиальных отверстий и прорезей в каркасе и выемок в проставке, а также отверстий в корпусе для поступления воздуха из наружного канала охлаждения во внутренние полости генератора. Отверстия для выброса воздуха из наружного канала охлаждения непосредственно в окружающее пространство в предлагаемом в качестве изобретения генераторе не предусмотрено.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого в качестве изобретения двухпакетного индукторного генератора при совпадении осевых линий зубцов статора и ротора в одном из его пакетов и с выровом в металлической оболочке наружного канала охлаждения. Стрелками на этой фигуре показано направление движения охлаждающего воздуха внутри генератора и с наружной его стороны. На фиг. 2 показан поперечный разрез генератора плоскостью, проходящей через среднюю часть разделяющего катушки обмотки возбуждения каркаса. На фиг. 3 показано поперечное сечение одного из пакетов генератора (правого на фиг. 1) по В-В.
Индукторный генератор с воздушной системой охлаждения, содержащий установленный в ферромагнитном корпусе 1 статор 2 с пазами 3, выполненный в виде двух шихтованных и зубчатых по расточке пакетов 4 с установленной между ними проставкой 5 в виде полого цилиндра из немагнитного материала с выполненными в нем пазами, расположенными соосно с пазами в пакетах статора 6 и выполненными с внутренней зубчатой его поверхности под углом к оси генератора выемками 7, охватывающую зубцы обоих пакетов статора 2 обмотку якоря 8, два пакета 9 зубчатого ротора, установленных на расположенной на валу 10 втулке 11 и расположенную между ними обмотку возбуждения в виде двух электрически соединенных между собой катушек 12 и 13, установленных на немагнитном закрепленном на проставке 5 каркасе 14 из немагнитного материала с выполненными на его наружной обращенной к проставке поверхности соосно с ее пазами прорезями 15 (фиг. 2), и с принадлежащими системе охлаждения радиальными отверстиями 16, расположенными под каждой выемкой 7 в проставке 5 и с зазорами между наружными боковыми и нижними их поверхностями и обращенными к ним поверхностями соответственно пакетов ротора 9 и втулки 11, и являющихся составной частью одного из двух каналов воздушного охлаждения генератора, а именно канала внутреннего его охлаждения, который помимо внутренних полостей генератора включает в себя закрепленный на корпусе 1 с тыльной его стороны кожух с патрубком 17, каналы охлаждения 18, расположенные на заднем щите, отверстия 19, 20 и 21 в конструктивных элементах статора (в рассматриваемой конструкции генератора - в корпусе 1 с обеих его сторон и в переднем подшипниковом щите 22) и закрепленный на валу за задним подшипниковым щитом 23 вентилятор 24, обеспечивающий также функционирование второго канала охлаждения генератора - канала наружного его охлаждения, в виде охватывающей корпус 1 и закрытой металлической оболочкой 25 полости 26, открытой для поступления из нее охлаждающего потока воздуха в каналы 18, 16 и выброса его в окружающее генератор пространство через отверстия 21 в подшипниковом щите 22. При этом для улучшения теплоотдачи на наружной поверхности корпуса 1 имеются турболизаторы в виде распределенных вдоль оси генератора концентрично ей выступов 27. Для электрического соединения катушек возбуждения 12 и 13 между собой в теле каркаса 14 с наружной его стороны имеется выемка 28. Для выводов концов обмотки возбуждения из генератора выполнены сквозные радиальные отверстия 29 и 30, исходящие из второй выполненной в каркасе с наружной его стороны выемки 31.
В рассматриваемой конструкции генератора для обеспечения фиксированного положения проставки 5 и каркаса обмотки возбуждения 14 с катушками возбуждения 12 и 13 относительно пазов в пакетах 4 статора 2 используются семь болтов 32 при числе зубцов статора равном 36. Число зубцов проставки 5 с выполненными в них принадлежащими системе охлаждения генератора выемками 7 равно двадцати шести.
Фиксация металлической оболочки 25, ограничивающей сечение наружного канала охлаждения генератора относительно наружной поверхности корпуса 1 генератора обеспечивается установкой ее на приваренные к корпусу металлические бобышки 33 в виде полого цилиндра требуемой высоты и крепления ее к корпусу винтами 34.
Работа генератора с системой охлаждения происходит следующим образом.
При вращении генератора охлаждающий воздух забирается вентилятором 24 из окружающей среды через полость 26 и по каналам 18 под давлением поступает в осевую часть канала наружного охлаждения генератора, где разделяется на два потока, один из которых через отверстия 19 входит во внутреннюю полость генератора. Другой поток движется в осевом направлении, обдувая корпус 1 снаружи и далее через отверстия 20 также входит во внутреннюю полость генератора. В полости наружного канала охлаждения, имеющей наименьшее сечение на поверхности корпуса 1 имеются кольцевые выступы (турболизаторы) 27, обеспечивающие интенсификацию теплообмена и получения оптимального соотношения между расходами воздуха снаружи и внутри генератора. Вошедший внутрь генератора через отверстия 19 воздух обдувает лобовую часть обмотки якоря 8 и, перемещаясь далее между пакетом 9 ротора, расположенным на фиг. 1 справа, и задним подшипниковым щитом 23, проникает в пазы этого пакета и обдувает боковую поверхность катушки 13 обмотки возбуждения и перемещается по зазорам между основанием каркаса 14 и поверхностью втулки 11, а также между периферийной поверхностью каркаса и поверхностью проставки 5. За счет насосного эффекта, вызванного вращающимся ротором, между этими участками системы охлаждения создается перепад давления, обеспечивающий продув воздуха через радиальные отверстия 16 каркасе 14. Для входа воздуха в эти отверстия в проставке статора 14 выполнены специальные выемки 7. Часть воздушного потока, поступающего в периферийный зазор через прорези 15 в каркасе 14, поступает в пазы левого пакета 9 ротора, отобрав при этом часть тепла, выделяющегося в обмотке якоря 8. Пройдя пазы этого пакета, подкрученный воздух обдувает переднюю лобовую часть обмотки якоря 8 с внутренней ее стороны. С наружной стороны эта лобовая часть обдувается воздухом, поступающим во внутренние полости генератора через отверстия 20 в корпусе 1. Выбрасывается охлаждающий генератор воздух через отверстия 21 в переднем подшипниковом щите 22.
Введение в конструкцию генератора - прототипа дополнительных каналов охлаждения, образованных системой радиальных отверстий 16 в каркасе 14 и выемок 7 в проставке 5, а также прорезей 15 в каркасе 14, размещение вентилятора 24 системы воздушного охлаждения внутри генератора и выполнение отверстий для поступления воздуха из наружного канала охлаждения во внутренние полости генератора через отверстия 19, а не выброс его окружающее пространство повышает интенсивность системы его охлаждения и позволяет уменьшить массу и габариты генератора за счет возможности реализации в нем более высоких значений электромагнитных нагрузок.