ПОЛУЗАКРЫТЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SEMIENCLOSED ELECTRIC AC MOTOR

Предпосылки создания изобретения
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к тяговым двигателям, применяемым в железнодорожной промышленности, а конкретнее к полу или частично закрытому двигателю, в котором сборка ротора охлаждается вентилятором, всасывающим воздух в ротор, и сборка ротора встроена в корпус статора и полностью охватывается им.
Полностью закрытые двигатели с принудительной вентиляцией (TEFC) применялись в индустрии на протяжении многих лет в качестве малообслуживаемых, устойчивых к дождю и снегу двигателей. Они герметизированы относительно окружающей среды чехлом, поэтому пыль, грязь и вода не могут проникнуть в двигатель и повредить изоляцию. В обычном TEFC двигателе наружный и внутренний воздух не смешиваются. Такие двигатели распространены в промышленных применениях. Недавно TEFC двигатели стали применять в поездах, где плотность энергии доведена до максимума.
TEFC двигатель определяют как двигатель, в котором токоведущие и тепловыделяющие части машины полностью окружены герметичным кожухом (каркасом). Кожух охватывает статор, ротор и подшипники. Между сборкой ротора с обмотками статора и стенками кожуха имеется внутренний воздушный зазор. Тепло проходит от вращающейся сборки ротора во внутренний воздушный поток, обычно нагнетаемый внутренним вентилятором, а затем выходит наружу через вал или в стенки кожуха. Тепло статора проходит от неподвижных обмоток, подвешенных в полунеподвижном воздухе, обратно в стальной сердечник статора и наружу в кожух. Наружный вентилятор гонит воздух по кожуху (каркасу), охлаждая его. Кожух не имеет выходящих наружу отверстий, и наружный воздух не смешивается с внутренним воздухом.
Двигатель с принудительным охлаждением охлаждается наружным воздухом, прогоняемым сквозь внутреннее пространство двигателя и непосредственно по поверхностям статора и ротора. Наружный воздух смешивается с внутренним воздухом.
Двигатель с самоохлаждением подобен двигателю с принудительным охлаждением за исключением того, что воздушный поток создается внутренним вентилятором, установленным на валу.
Все тепло, выделяемое TEFC двигателем, должно пройти сквозь стенки кожуха. Тепло, получающееся в результате потерь ротора и статора, оказывается заключенным внутри машины и, следовательно, возникают проблемы, связанные с нагретыми роторами, статорами и подшипниками.
Потери в TEFC двигателе могут быть сведены к минимуму; это достигается увеличением в конструкции содержания железа и меди для любой заданной мощности (кВт). Следовательно, TEFC двигатели имеют крупные размеры по сравнению с машинами с принудительным охлаждением или с самоохлаждением, имеющими те же характеристики. В поездах пространство для двигателя жестко ограничено и вес оказывает отрицательное влияние на эксплуатационные показатели поезда. Существующие TEFC двигатели тяжелее и крупнее, чем другие двигатели с технологией принудительного охлаждения и самоохлаждения.
Двигатели с принудительным охлаждением и с самоохлаждением позволяют грязному влажному воздуху попадать внутрь кожуха и касаться изолированных поверхностей обмотки статора. Поглощение пыли, грязи или влаги может привести к повреждению изоляции обмоток статора. Трещины, образующиеся в слоях изоляции, и попадание влаги, грязи и льда приводят к замыканию на замлю.
Предпринятые ранее попытки изготовления более компактного и легкого TEFC двигателя были сосредоточены на улучшении теплопередачи от ротора через нагнетаемый внутренний воздушный поток и к стенкам кожуха или посредством рассеивания большего количества тепла от стенок кожуха.
Сущность изобретения
Если говорить вкратце, согласно настоящему изобретению обеспечен частично закрытый асинхронный двигатель. Двигатель содержит цилиндрическую металлическую сборку ротора, имеющую цельный вал и обычную короткозамкнутую обмотку. Сборка ротора имеет осевые каналы для охлаждающего воздуха, проходящие из конца в конец. Сборка ротора окружает сборку ротора. Сборка статора имеет в общем случае цилиндрический пластинчатый стальной сердечник с осевыми пазами для размещения прямых секций обмоток статора. Обмотки статора имеют загибы лобовых частей, продолжающиеся вдоль оси за пластинчатый сердечник. Сборка статора практически имеет ротационную симметрию относительно оси ротора. Металлический каркас определяется корпусом, имеющим в общем случае цилиндрическую форму с корпусами подшипников, прикрепленными или установленными на каркасе с каждого осевого конца таким образом, что корпуса подшипников поддерживают вал сборки ротора и образуют ось вращения сборки ротора. Внутренняя часть каркаса выполнена с возможностью плотно охватывать пластинчатый сердечник и повторяет контур загибов лобовых частей сборки статора.
Между сборкой статора и сборкой ротора расположено корпусное уплотнение для герметичного уплотнения сборки ротора относительно сборки ротора. Теплопроводящий материал заполняет зазоры в обмотке статора и пространство между сборкой статора и каркасом.
Согласно первому варианту осуществления каркас образован из двух отливок, которые при сборке вместе образуют практически ротационно симметричную внутреннюю область, плотно охватывающую стальной сердечник и обмотки.
Согласно второму варианту осуществления каркас выполнен из двух механически выдавленных заготовок с двумя присоединенными к ним в осевом направлении дискообразными концевыми шайбами для образования практически ротационно симметричной внутренней части, плотно охватывающей стальной сердечник и повторяющей контуры обмоток.
Согласно третьему варианту осуществления каркас выполнен из отливки, двух торцевых клиньев и двух разъемных колец, собранных вместе для образования практически ротационно симметричной внутренней части, плотно охватывающей стальной сердечник и повторяющей контуры обмоток.
Вентилятор приводится в действие валом ротора, а кожух вентилятора направляет воздух, выталкиваемый вентилятором, вдоль уплотнения и сквозь сборку ротора. Таким образом, заключенная в оболочку сборка ротора охлаждается как изнутри, так и снаружи поверхностей кожуха, при этом обмотки не подвержены влиянию атмосферы, которое могло бы привести к порче изоляции на обмотках.
Согласно предпочтительному варианту осуществления металлический каркас выполнен из двух полуцилиндров, которые при сборке вместе образуют металлический каркас. Таким образом, внутренняя часть каркаса может быть образована таким образом, чтобы плотно охватывать сборку статора и повторять контуры обмоток. Предпочтительно, чтобы металлический каркас имел продольные и радиальные ребра на наружной поверхности и представлял собой чугунную, стальную или алюминиевую отливку.
Согласно предпочтительному варианту осуществления теплопроводящий формовочный материал, связанный с обмоткой статора, представляет собой смолу с теплопроводящим наполнителем. Более предпочтительно, чтобы формовочный материал состоял из первого негибкого слоя, заполняющего зазоры между обмотками и охватывающего их, и второго негигроскопичного слоя, причем формовочный материал плотно заполняет пространство между сборкой статора и каркасом, обеспечивая максимальную теплопередачу. Наиболее предпочтительно, чтобы формовочный материал представлял собой силиконовую смолу, эпоксидную смолу, термопласт или керамическое связывающее вещество.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления второй вентилятор, приводимый в действие ротором, и связанный с ним кожух направляют воздух между ребрами снаружи каркаса.
Краткое описание чертежей
Другие задачи и признаки изобретения станут ясными в ходе чтения его последующего описания.
Фиг.1 - вид первого варианта осуществления настоящего изобретения в продольном осевом разрезе по линии I-I на фиг.2.
Фиг.2 - вид в разрезе по линии II-II на фиг.1 перпендикулярно оси ротора через центр двигателя.
Фиг.3 - вид в разрезе по линии I-I на фиг.2.
Фиг.4 - вид сборки ротора, представленной на фиг.1.
Фиг.5 - увеличенный вид в разрезе загибов лобовых частей обмотки статора, представленной на фиг.1, включая герметизирующие слои.
Фиг.6 - вид с торца одной стороны литого или выдавленного и разрезанного каркаса согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг.7 - вид в разрезе по линии VII-VII на фиг.6.
Фиг.8 - вид с торца литого и механически обработанного каркаса согласно третьему варианту осуществления изобретения.
Фиг.9 - местный вид в разрезе по линии IX-IX на фиг.8.
Фиг.10 - вид с торца разъемного кольца для применения согласно третьему варианту осуществления изобретения.
Фиг.11 - вид сбоку разъемного кольца, представленного на фиг.10.
Фиг.12 - вариант осуществления с вентиляцией «последовательным потоком».
Фиг.13 - вариант осуществления с вентиляцией «двойным вентилятором».
Фиг.14 - вариант осуществления с вентиляцией «параллельным потоком».
Фиг.15 - вариант осуществления с вентиляцией «смешанным потоком».
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1-5 посвящены первому варианту осуществления, в котором каркас изготовлен из двух отливок. На фиг.1 и 2 проиллюстрированы собранные сборка 1 статора и сборка 2 ротора. Сборка статора отдельно проиллюстрирована на фиг.3, а сборка ротора - на фиг.4. Сборка 2 ротора состоит из обычного короткозамкнутого ротора, отличающегося наличием стального сердечника 3, изготовленного из штампованных слоев высококачественной электростали, либо с паянной, сварной или литой медной или алюминиевой клеткой 4 ротора. Сборка 2 ротора прикреплена к стальному валу 5, который опирается обоими концами на подшипниковые сборки 7 и 8. Подшипниковые сборки 7 и 8 установлены в корпусах 9 и 10 подшипников, предназначенных для обеспечения возможности вставки сборки 2 ротора через цилиндрическое отверстие сборки 1 статора. Сборка 1 статора включает в себя пластинчатый стальной сердечник 12, полностью заключенный в корпус 17 по наружному диаметру и в корпусное уплотнение 11 по внутреннему диаметру. Пластинчатый стальной сердечник 12 изготовлен из штампованных пластин высококачественной электростали, сваренных по наружному диаметру для упрочнения сердечника (на фиг.1 и 3 представлены лишь примеры пластин). Обмотки 13 вставлены в пазы стального сердечника 12, подсоединены и изолированы. Корпусное уплотнение 11 образует цилиндр, закрывающий обмотки 13, размещенные в пазах, пробитых в пластинах стального сердечника. Электроизолирующий силиконовый герметик 14 (см. фиг.5) залит в карман, образованный корпусным уплотнением 11, обмотками 13 и пластинчатым стальным сердечником 12. Данная смесь изолирует стык и обеспечивает сопротивление коронному разряду между обмотками и сердечником. Упругое и сжимаемое конформное покрытие 15 нанесено на выступающие части обмотки. Конформное покрытие 15 представляет собой модифицированный силикон, полиэстер или эпоксидную смолу с добавками для улучшения теплопроводности.
Для обеспечения возможности сборки каркас 17 разделен на две секции 17А, 17В, которые нагревают, скрепляют болтами вместе, сохраняя промежуток между каркасом 17 и стальным сердечником 12, затем позволяют охладиться и дать усадку вокруг стального сердечника 12, повторяя контур обмоток. Нет необходимости разделять секции по одной диаметральной плоскости. Затем к каркасу 17 прикрепляют болтами корпусное уплотнение 11. Полученная уплотненная сборка подвергается процессу, в ходе которого пустоты у загибов 13ЕТ лобовых частей обмотки, каркаса 17, корпусного уплотнения 11 и стального сердечника 12 заполняются модифицированной термореактивной смесью 16, включающей в себя добавки для улучшения теплопередачи. Подшипниковые сборки 7 и 8 и корпуса 9 и 10 подшипников добавляют в сборку 2 ротора, а затем сборку 2 ротора пропускают через отверстие и скрепляют болтами 32 с каркасом 17 с каждого конца в осевом направлении. Внешний вентилятор 23 с осевыми воздушными каналами 18 насаживают в горячем состоянии на конец вала 5. Каркас 17 имеет множество радиально проходящих ребер 25. Воздух из внешнего вентилятора 23 направляется вдоль оси поверх ребер с помощью диффузора 19 вентилятора и через осевой канал 21 давлением, создаваемым внешним вентилятором 23.
Что касается герметика 14, предпочтительным решением является текучий продукт на основе силикона. В других вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы смеси на основе эпоксидной смолы, керамики или термопластов. Важной для осуществления настоящего изобретения характеристикой является то, что данная смесь обеспечивает хорошие диэлектрические свойства и сопротивления коронному разряду.
Что касается конформного покрытия 15, предпочтительным решением является мастика на основе силикона. В других вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы смеси на основе эпоксидной смолы, полиэстера или керамики, а также можно использовать во время формования обмотки силиконовую ленту. Важной характеристикой настоящего изобретения является упругость покрытия и его способность расширяться и сжиматься под действием термического расширения и сжатия обмоток, оставаясь при этом прочно связанной с обмотками 13 и стальным сердечником 12.
Существует множество примеров термореактивных смесей 16. Среди них можно назвать силиконовые смолы с наполнителем, силикагель с наполнителем, керамику с наполнителем, термопласты с наполнителем и эпоксидные смолы с наполнителем. Предпочтительными наполнителями являются минералы, стекло, окиси алюминия и металлы. Для осуществления настоящего изобретения важным требованием является то, что смеси после наполнения не должны содержать пустот или воздушных карманов, должны обладать хорошей теплопроводностью и образовывать прочную связь с каркасом 17 и корпусным уплотнением 11.
Примером заливочной смеси 14, конформного покрытия 15 и термореактивной смеси 16 также может быть единственная смесь, применяемая во всех трех местах и соответствующая всем требованиям настоящего изобретения.
Корпусное уплотнение 11 может представлять собой временный установочный настил, который удаляют после нанесения и отверждения термореактивной смеси 16.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения каркас 17 изготовлен из двух литых половин 17А и 17В из чугуна с шаровидным графитом или сфероидального чугуна, которые скрепляют друг с другом по кромкам, параллельным валу, с помощью болтов, образуя цилиндрический каркас.
Согласно второму варианту осуществления изобретения со ссылкой на фиг.6 и 7, каркас 17 представляет собой выдавленную алюминиевую или чугунную половину каркаса, механически обработанную после выдавливания с целью размещения стального сердечника 12 и обмоток 13. Каркас 17 выдавливают в двух частях, которые скрепляют вместе болтами по кромкам, параллельным валу, в результате чего получается цилиндрический каркас. Два дополнительных концевых корпуса, механически изготовленных из стального листа 38, 39 или литого чугуна с шаровидным графитом, используют для завершения концов корпуса. Плотно заштрихованная область на фиг.7 показывает объем, удаленный с выдавленной заготовки в процессе механообработки.
Фиг.8-11 относятся к третьему варианту осуществления, содержащему каркас, две концевые детали и два разъемных кольца, собранных вместе и образующих каркас, согласно настоящему изобретению. Фиг.8 - вид с торца литого каркаса 31, не требующего или почти не требующего механической обработки. На фиг.9 проиллюстрированы все детали, которые содержат собранный каркас, каркас 31, концевые детали 33, 34 и разъемные кольца 35, 36. Данный третий вариант осуществления требует больше деталей, чем первый и второй варианты осуществления, но его преимущество состоит в том, что его можно собрать без применения специальных машин и можно сделать разъемное замыкающее кольцо меньшего размера.
Предпочтительным способом воздушного охлаждения является внутренний вентилятор 6 малого размера (см. Фиг.4) для охлаждения ротора и внешний вентилятор 23 (см. Фиг.1) для продувания воздуха по радиальным ребрам 25, как показано на фиг.2. Существуют и другие возможные варианты осуществления для воздушного потока, показанные на фиг.12, 13, 14 и 15. Для «последовательного воздушного потока» по фиг.12 требуется один вентилятор 23, который втягивает воздух через канал 20, роторный канал 21 и канал 22, а затем выпускает его через радиальные ребра каркаса. Впускные и выпускные отверстия для воздуха находятся с одного конца двигателя. Для «двойного вентилятора» по фиг.13 требуется по вентилятору с обоих концов. Один вентилятор 26А всасывает воздух через роторный канал 21. Другой вентилятор 27А продувает воздух через радиальные ребра каркаса. Впускные отверстия для воздуха расположены с противоположного конца двигателя относительно выпускных отверстий. Для «параллельного потока» по фиг.14 требуется один вентилятор 27, всасывающий воздух от ребер каркаса и из роторного канала 21, а затем выпускающий его наружу. Впускные отверстия для воздуха расположены с противоположного конца двигателя относительно выпускных отверстий. Для «смешанного потока» по фиг.15 требуется вентилятор 27В с лопастями, расположенными с обеих сторон ступицы вентилятора. Внутренний комплект лопастей всасывает воздух из роторного канала 21. Внешний комплект лопастей продувает воздух по радиальным ребрам в каркасе после смешивания с воздухом из ротора. Впускные и выпускные отверстия для воздуха находятся с одного конца машины.
Отлитый под давлением из алюминия или паяный, сваренный из меди ротор устойчив к попаданию дождя и снега. Заключение его в каркасную конструкцию не приносит пользы. Если открыть ротор для окружающего потока воздуха, его тепловые потери будут рассеиваться в воздушный поток прямо с поверхностей ротора, повышая эффективность рассеивания тепла. Воздух также будет проходить по корпусам подшипников, охлаждая подшипники.
Попадание пыли, грязи или влаги на обмотки статора может привести к повреждению изоляции двигателя. Заключая обмотки статора в закрытый корпус, полностью окружающий обмотки, можно реализовать преимущество полностью герметичной обмотки TEFC двигателя, при этом воздух может идти как по внутренним, так и по наружным поверхностям кожуха, увеличивая вдвое поверхность кожуха, используемую для рассеивания тепла. Заключение обмоток в закрытую оболочку, окружающую обмотки, позволяет герметично закрыть изоляцию обмоток от грязи и влаги.
Настоящее изобретение может быть реализовано сборкой цилиндрического статора, соосной со сборкой ротора, прикрепленной болтами к корпусам подшипников. Сборка ротора охлаждается небольшим радиальным вентилятором, всасывающим воздух с корпуса подшипника, сквозь осевые воздушные зазоры или вентиляционные отверстия ротора и выпускающим его через противоположный корпус подшипника. Части статора расположены внутри цилиндрического каркаса, который окружает эти части. Обмотки заключены и встроены в каркасную конструкцию с использованием теплопроводящих смесей. Первый теплопроводящий слой заполняет зазоры между обмотками и охватывает обмотки упругой, теплопроводящей и электроизолирующей смесью. Первый слой покрыт вторым слоем, который представляет собой негигроскопичный материал с высокой теплопроводностью. Второй слой заполняет внутренний воздушный зазор между обмотками и кожухом с максимальным контактным давлением и обеспечивает хорошую теплопередачу стенкам кожуха. Данная конструкция повышает эффективную площадь поверхности загибов лобовых частей обмоток, повышая коэффициент теплопередачи к кожуху. Первый слой является гибким, что дает возможность перемещения и теплового расширения обмоток. Сборка статора имеет множество ребер, продолжающихся в радиальном направлении от каркаса. Внешний вентилятор и кожух вентилятора направляют воздух через ребра. Под ступицей внешнего вентилятора имеются воздушные каналы, позволяющие воздуху проходить к сборке ротора.
Одним из признаков настоящего изобретения является получение герметичного кожуха статора со слоем, обладающим хорошей теплопроводностью, что позволяет направлять тепло от загибов лобовых частей обмотки непосредственно к стенкам кожуха, не давая ему идти назад в стальной сердечник. Поверхность теплопередачи, т.е. сумма сердечника, взаимодействующего с кожухом, и оболочки, обволакивающей поверхность, должна быть большой, чтобы превысить теплоемкость оболочки.
Уникальным признаком изобретения является выбор материалов для достижения требуемых коэффициентов теплопередачи, чтобы реализовать двигатель, размер которого аналогичен размеру самоохлаждающегося открытого двигателя. Использование открытого ротора и герметичного статора уникально для транспортной промышленности. Соединение первого и второго слоев, позволяющее обеспечить возможность термического расширения и механического перемещения загибов лобовых частей обмотки, сохраняя при этом долговременно коэффициенты теплопередачи, также ранее было недостижимо.
Теперь, после подробного описания нашего изобретения в соответствии с требованиями патентного права, в нижеследующей формуле изобретения будет изложено то, что мы хотим защитить патентом.