БЕСЩЕТОЧНЫЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике и электромашиностроению и касается особенностей конструкции бесщеточного возбудителя синхронной машины. Полезная модель может быть использована в синхронных машинах с бесщеточным возбуждением, в частности, в гидрогенераторах, генераторах дизель-электрических агрегатов и генераторах агрегатов автономных электроустановок.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные конструктивные решения бесщеточных возбудителей, обеспечивающие, в том числе и решение проблемы охлаждения возбудителя.
Возникающие при работе электрической машины потери переходят в тепло, которое необходимо непрерывно отводить. Существуют ряд способов отвода тепла, т.е. охлаждения машины. Вентиляция электрических машин может быть естественной без применения особых охлаждающих устройств, как-то вентиляторов и т.п. и искусственной с применением таких устройств.
Естественное охлаждение применяется, как правило, только в машинах малой мощности (Сергеев П.С. и др. «Проектирование электрических машин.» Изд. 3-е, переработ. и доп. М., «Энергия»,1970 г.).
Однако, для охлаждения машин большой (более 1 кВт) мощности естественного охлаждения становится недостаточно, в результате чего возникает необходимость использования дополнительных устройств, например, вентиляторов, создающих общий воздушный поток для охлаждения индуктора и якоря возбудителя электрической машины.
Такие технические решения имеют следующие недостатки. В этом случае давление в месте общего входа воздуха является одинаковым для всех параллельных воздушных потоков охлаждения возбудителя, так же как и давление в месте их выхода и, соответственно, перепад давлений для всех параллельных воздушных потоков охлаждения также будет одинаковым. Но из-за разного аэродинамического сопротивления воздушному потоку через участки с большим аэродинамическим сопротивлением проходит меньше охлаждающего воздуха и соответственно эти участки получают недостаточное охлаждение, что ведет к повышенному нагреву этих участков и соответственно к снижению его надёжности и срока службы.
бесщеточный возбудитель синхронной машины
Из уровня техники известен (Патент РФ № 2011271, H02K 19/36, H02K 3/51, 1991 г.)., состоящий из индуктора, якоря, шихтованный сердечник которого закреплен на цилиндрическом остове, и вентильных колес с полупроводниковыми вентилями, расположенными на втулке-буксе, при этом в цилиндрическом остове якоря выполнены продольные вентиляционные пазы, осевая длина которых равна сумме ширины пакета железа и радиальных вентиляционных каналов, вентильные колеса с полупроводниковыми вентилями размещены внутри остова якоря на цилиндрической втулке-бандаже, имеющей проемы для прохода воздуха, скрепляющей, например, горячей посадкой с натягом через изоляцию на наружной поверхности вентильных колес колеса друг с другом, причем между колесами образован изолирующий зазор для прохода воздуха, который расположен напротив средней части вентиляционных пазов в остове. Таким образом, для формирования воздушного потока в данном техническом решении используют конструктивные элементы якоря возбудителя.
Однако известное устройство имеет следующие недостатки.
1. Ввиду необходимости применения радиальных вентиляционных каналов, необходимых  для создания достаточного для охлаждения сердечника якоря воздушного потока, увеличивается длина обмотки якоря, что способствует увеличению омического сопротивления обмотки якоря и, соответственно, и увеличению тепловых потерь в обмотке якоря.
2. Полюса индуктора якоря охлаждаются уже горячим воздухом, подогретым потерями в якоре, что может привести к перегреву катушек полюсов индуктора и снижению надежности возбудителя.
Данное решение обладает наибольшим сходством по конструктивному исполнению с заявляемым решением, и выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие полезной модели
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемой полезной модели, заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам и прототипу, а именно в необходимости повышения надежности и эксплуатационных характеристик бесщеточного возбудителя, за счет обеспечения оптимальных условий охлаждения как сердечника якоря, так и индуктора, вне зависимости от их аэродинамического сопротивления.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной  модели, заключается в повышении степени охлаждения элементов бесщеточного возбудителя за счет создания отдельных воздушных потоков охлаждающего воздуха, что позволит улучшить эксплуатационные характеристики заявляемого устройства за счет снижения температуры нагрева якоря и индуктора бесщеточного возбудителя и соответственно повышению его надёжности и срока службы. Также, за счет охлаждения сердечника якоря через аксиальные каналы уменьшается как длина сердечника якоря, так и катушек якоря и индуктора, что способствует уменьшению габаритных размеров устройства и его весовых показателей.
согласно техническому решению
,
Поставленная задача решается тем, что бесщеточный возбудитель синхронной машины, включающий индуктор и якорь с обмоткой и шихтованным сердечником, который закреплен на остове и имеет аксиальные вентиляционные отверстия, и выпрямитель с полупроводниковыми элементами с защитными цепями, расположенный на цилиндрической втулке, закрепленной на остове,  снабжен центробежным вентилятором, закрепленным на торцевой поверхности нажимного диска сердечника якоря, имеющим лопатки, несущий и покрывающий диски, при этом покрывающий диск центробежного вентилятора направлен в сторону обмотки якоря, половина межлопаточных полостей выполнена с возможностью формирования воздушного потока для охлаждения сердечника якоря через аксиальные вентиляционные отверстия, а другая половина межлопаточных полостей выполнена с возможностью формирования воздушного потока для охлаждения полюсов индуктора и наружной поверхности якоря, при этом для разделения воздушных потоков охлаждающего воздуха входное отверстие покрывающего диска перекрыто буртиком, выполненным на цилиндрической поверхности нажимного диска сердечника якоря, на торцевой поверхности которого со стороны размещения несущего диска центробежного вентилятора выполнены радиальные пазы от центра аксиальных вентиляционных отверстий до наружной цилиндрической поверхности нажимного диска сердечника якоря глубиной равной междисковому расстоянию центробежного вентилятора, которые перекрыты в осевом направлении несущим диском центробежного вентилятора,  и число лопаток центробежного вентилятора равно удвоенному числу аксиальных вентиляционных отверстий в сердечнике якоря, причем лопатки центробежного вентилятора расположены попарно с обеспечением охвата радиальных пазов  нажимного диска сердечника якоря, и в покрывающем диске центробежного вентилятора выполнены отверстия, расположенные в межлопаточных полостях не являющихся продолжением радиальных пазов нажимного диска сердечника якоря.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что для улучшения охлаждения индуктора и якоря бесщеточного возбудителя и уменьшения его габаритов половина межлопаточных полостей центробежного вентилятора обеспечивает создание воздушного потока для охлаждения сердечника якоря через аксиальные каналы, а другая половина межлопаточных полостей центробежного вентилятора обеспечивает создание воздушного потока для охлаждения полюсов индуктора и наружной поверхности якоря. В результате чего получают отдельные охлаждающие воздушные потоки, создаваемые одним центробежным вентилятором, и, соответственно, независимо от аэродинамического сопротивления участков возбудителя охлаждаемым потокам воздуха получают оптимальное охлаждение всех участков возбудителя.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами, где
на фиг. 1 представлен вид на бесщеточный возбудитель с торца противоположного генератору;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1,
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг. 1
Позициями на чертежах обозначены:
1. индуктор,
2. якорь,
3. сердечник
4. нажимной диск со стороны пайки обмотки якоря
5. нажимной диск со стороны установки центробежного вентилятора
6. аксиальные вентиляционные отверстия
7. ребра ступицы
8. центробежный вентилятор
9. покрывающий диск
10. обмотка якоря
11. буртик
12. токособирательные кольца
13. полупроводниковые элементы
14. защитные цепи
15. радиальные пазы
16. несущий диск
17.  отверстия в покрывающем диске для входа воздушного потока,  охлаждающего полюса индуктора и наружную поверхность якоря.
Бесщеточный возбудитель синхронной машины состоит индуктора 1 с обмоткой возбуждения возбудителя и якоря 2. У якоря  шихтованный сердечник 3, зажат между нажимными дисками 4 и 5, имеет аксиальные вентиляционные отверстия 6 и закреплен на ребрах 7 ступицы. На нажимном диске 5 закреплен центробежный  вентилятор 8 причем покрывающий диск 9 центробежного вентилятора направлен в сторону обмотки якоря 10 и его входное отверстие перекрыто буртиком 11 на нажимном диске 5.
На ступице якоря также закреплены токособирательные кольца 12 и выпрямитель с полупроводниковыми элементами 13 и защитными цепями 14. При этом фазные выводы обмотки якоря шинами соединены с радиаторами выпрямителя, а катоды у катодной группы и аноды у анодной группы выпрямителя соединены с помощью шин с соответствующими (катодное и анодное) токособирательными кольцами, к которым с помощью шин подключена обмотка возбуждения синхронной машины.
Осуществление полезной модели
Возбудитель представляет собой обращенный трехфазный синхронный генератор с расположенным на якоре вращающимся выпрямителем.
В обмотку возбуждения возбудителя, расположенную на индукторе возбудителя,  подается постоянный ток от шкафа управления возбуждением.
Трехфазная обмотка якоря соединена в "звезду"(Y) и питает вращающийся выпрямитель. Выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме. С выхода выпрямителя ток поступает в обмотку возбуждения синхронной машины.
Параллельно диодам выпрямителя подключены R-C цепи,  служащие для снижения коммутационных перенапряжений, обусловленных работой выпрямителя.
Возникающие при работе возбудителя потери нагревают активные части, которые непрерывно охлаждаются воздушными потоками, создаваемыми центробежным вентилятором, расположенным на якоре возбудителя.
Для разделения воздушных потоков охлаждающего воздуха (см. фиг. 2) входное отверстие  покрывающего диска 9 центробежного вентилятора перекрыто буртиком 11 на цилиндрической поверхности нажимного диска сердечника якоря.
Для создания отдельного воздушного потока для охлаждения сердечника якоря через аксиальные вентиляционные отверстия (см. фиг. 2) на торцевой  поверхности нажимного диска 5 сердечника якоря выполнены радиальные пазы 15  от центра аксиальных вентиляционных отверстий 6 до наружной поверхности нажимного диска 5 с глубиной равной междисковому расстоянию центробежного вентилятора 8, причем несущий диск 16 центробежного вентилятора 8 перекрывает аксиальные вентиляционные отверстий 6 и радиальные пазы 15 на торцевой части нажимного диска сердечника якоря, а лопатки центробежного вентилятора количество которых равно удвоенному числу аксиальных вентиляционных отверстий 6 в сердечнике якоря расположены попарно так, что охватывают радиальные пазы  нажимного диска сердечника якоря.
Для создания отдельного воздушного потока для охлаждения полюсов индуктора и наружной поверхности якоря (см. фиг. 3) в покрывающем диске 9 центробежного вентилятора для входа воздуха выполнены отверстия 17, расположенные в межлопаточных полостях не являющихся продолжением радиальных пазов нажимного диска сердечника якоря.
Пример конкретного выполнения
Полезная модель применена в бесщеточном возбудителе ВБД для гидрогенератора. В вышеуказанном возбудителе для охлаждения сердечника якоря выполнено 48 аксиальных вентиляционные отверстий, а на торцевой части нажимного диска сердечника якоря от центра аксиальных вентиляционных отверстий до наружной поверхности нажимного диска сердечника якоря выполнены 48 радиальных пазов, причем радиальные пазы закрыты в аксиальном направлении, закрепленным здесь же несущим диском центробежного вентилятора. Центробежный вентилятор имеет 96 лопаток, которые образуют 96 межлопаточных полостей. Половина, т.е. 48 межлопаточных полостей, являющихся продолжением пазов нажимного диска в радиальном направлении, создают воздушный поток для охлаждения сердечника якоря через аксиальные каналы. Другие 48 межлопаточных полостей создают воздушный поток для охлаждения полюсов индуктора и наружной поверхности якоря, они чередуются с межлопаточными полостями, являющимися продолжением пазов нажимного диска в радиальном направлении, и для входа воздушного потока, охлаждающего  полюсов индуктора и наружную поверхность якоря, в покрывающем диске  центробежного вентилятора напротив этих полостей выполнены 48  отверстий.
Проведенные испытания бесщеточного возбудителя доказывают эффективность данного технического решения. По результатам тепловых испытаний возбудителя получили, что нагрев обмотки якоря не превышает 50% от допустимого значения, а обмотки возбуждения возбудителя - 60 %. При таких низких значениях нагрева активных частей, полученными за счет применения данного технического решения, гарантируется длительная и безотказная работа бесщеточного возбудителя ВБД.