ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ДВОЙНЫМ ОСЕВЫМ ВЕНТИЛЯТОРОМ
ELECTRIC MACHINE WITH DOUBLE AXIAL FAN

Настоящее изобретение касается электрической машины, включающей статор, ротор, имеющий вал, который снабжен радиальными, а также осевыми каналами охлаждения и действует подобно роторному вентилятору, и осевой вентилятор, который расположен на одной оси с валом и подает охлаждающее средство в осевые каналы охлаждения. Осевой вентилятор, в свою очередь, снабжен первым венцом лопаток, который заключен внутри воронкообразной трубы и соединен с ней без возможности вращения. Меньшее отверстие воронкообразной трубы находится в непосредственной связи с осевыми каналами охлаждения ротора.
Электрические машины высокой мощности должны оснащаться эффективными системами охлаждения. Только с высокопроизводительным охлаждением, при необходимости с двухсторонним обдувом, удается достичь высокой степени использования электрической машины. Во многих случаях сам ротор электрической машины создает определенный эффект вентиляции, если он снабжен проходящими в радиальном направлении каналами. Осевые каналы, которые соединены с этими радиальными каналами, обеспечивают возможность потока воздуха от торцевых сторон ротора к соответствующим радиальным каналам. Созданный таким образом поток воздуха охлаждает не только сам ротор, но и, при определенных обстоятельствах, также пакет пластин статора.
Охлаждающее действие роторного вентилятора определяется диаметром входа и выхода воздуха, жидкостным трением и динамическими потерями давления в местах сопротивления в роторе. Одним из этих мест сопротивления является место впуска обычно неподвижного воздуха во вращающиеся осевые каналы.
Для оптимизации вентиляционного эффекта ротора до сих пор обращалось внимание только на то, чтобы соблюдать оптимальное соотношение между осевой площадью притока и радиальной площадью оттока, а в остальном не создавать никаких ненужных узких мест для воздуха или, соответственно, охлаждающего средства. Оптимизации сопротивления впуску воздуха чаще всего не происходит.
Чтобы также охлаждать лобовую часть обмотки электрической машины, часто осевой вентилятор монтируется на валу машины на определенном расстоянии от торцевой стороны ротора. Во избежание проблем взаимного влияния осевого вентилятора и роторного вентилятора существуют варианты осуществления, в которых сторона всасывания роторного вентилятора отделяется от напорной стороны осевого вентилятора трубой, на которой надета ступица осевого вентилятора.
Такого рода электрическая машина известна из документа SU 1473018 A1. Она снабжена пакетом статорных пластин и пакетом роторных пластин соответственно с радиальными каналами охлаждения. Ротор снабжен дополнительно осевыми каналами охлаждения для направления охлаждающего средства от торцевой стороны ротора к радиальным каналам охлаждения. С торцевой стороны ротора расположен вентилятор с воронкообразным корпусом, который подает охлаждающее средство в осевые каналы ротора. Охлаждающее средство течет из пространства, в котором находится лобовая часть обмотки, в вентилятор. Благодаря протеканию через лобовую часть обмотки охлаждающее средство нагревается уже до того, как оно потечет в вентилятор или, соответственно, ротор. Достаточное охлаждение ротора, таким образом, может быть обеспечено не во всех случаях.
Кроме того, в документе DE 19653839 A1 показан ротор турбогенератора с непосредственным охлаждением газа. Между плитой роторного бандажного кольца и роторным валом предусмотрена двухступенчатая лопастная решетка для обтекания ротора и роторной обмотки охлаждающим воздухом. Первая в направлении потока ступень лопастной решетки представляет собой диффузорную решетку, выполняющую функцию повышения давления, следующая в направлении потока ступень лопастной решетки представляет собой диффузорную решетку, выполняющую функцию изменения направления.
Кроме того, в документе DE 7900792 U1 описана электрическая машина с естественным охлаждением. Для нагнетания потока охлаждающего воздуха служит осевой вентилятор, который установлен на полой ступице, внутренний диаметр которой больше, чем диаметр, на котором находятся осевые каналы охлаждения ротора. Для усиления механической жесткости между ступицей и роторным валом предусмотрены несколько ребер.
Далее, в патентном описании DE 196321 C1 описано устройство охлаждения, в частности, для турбогенераторов. Охладитель соединен через подводящие каналы с ротором, в котором выполнены каналы охлаждения для охлаждения проводов ротора. По меньшей мере, в одном подводящем канале предусмотрен, по меньшей мере, один венец лопаток, который придает охлаждающей жидкости тангенциальную компоненту скорости в направлении вращения ротора, и таким образом способствует притоку к ротору охлаждающей жидкости.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы улучшить охлаждение электрической машины с проходящими в радиальном направлении каналами охлаждения.
В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью электрической машины, включающей статор, ротор, имеющий вал, который снабжен радиальными, а также осевыми каналами охлаждения и действует подобно роторному вентилятору, и осевой вентилятор, который расположен на одной оси с валом и подает охлаждающее средство в осевые каналы охлаждения, при этом осевой вентилятор снабжен первым венцом лопаток, который заключен внутри воронкообразной трубы и соединен с ней без возможности вращения, при этом меньшее отверстие воронкообразной трубы находится в непосредственной связи с осевыми каналами охлаждения ротора, и при этом осевой вентилятор снабжен вторым венцом лопаток, который неподвижно установлен на наружном периметре трубы и служит для нагнетания охлаждающего средства к статору.
Предпочтительным образом при этом образуется двойной осевой вентилятор с разделенными отводами для ротора и статора. Благодаря этому в обеих активных частях удается достичь очень эффективного охлаждения.
Предпочтительно лопатки первого венца лопаток осевого вентилятора проходят с обращенной к ротору стороны в осевом направлении. Это означает, что они расположены в плоскости, которая задана радиальным направлением и осевым направлением. Предпочтительным при такой ориентации является то, что охлаждающее средство благодаря лопаткам приобретает в этом случае окружную скорость осевых каналов охлаждения.
Первый венец лопаток может быть соединен с валом без возможности вращения. Благодаря этому отсутствует необходимость в независимом приводе для осевого вентилятора.
Кроме того, большое отверстие трубы, в которой заключен первый венец лопаток, может служить впускным отверстием для охлаждающего средства и находиться в непосредственном соединении с впускным соплом, через которое охлаждающее средство может подводиться к первому и второму венцу лопаток. С помощью этого впускного сопла охлаждающее средство целенаправленно направляется в область осевого вентилятора.
Кроме того, статор может включать пакет статорных пластин с радиальными каналами охлаждения, которые соответствуют радиальным каналам охлаждения ротора. При этом создаваемый осевым вентилятором и роторным вентилятором поток охлаждающего средства используется и для статора.
Соответственно другому варианту осуществления статор может иметь лобовую часть обмотки, к которой второй венец лопаток непосредственно нагнетает охлаждающее средство. При этом возможно эффективное охлаждение часто очень сильно нагревающейся лобовой части обмотки.
Электрическая машина может, кроме того, иметь корпус, в котором впускное сопло направляет подводимое снаружи охлаждающее средство исключительно к осевому вентилятору. При этом можно предотвратить нагрев охлаждающего средства в пространстве, в котором находится лобовая часть обмотки, до того как оно будет подведено к ротору.
По другому варианту осуществления электрической машины с обеих сторон ротора может быть расположено по вышеназванному осевому вентилятору. При этом возможно применение эффективной предлагаемой изобретением схемы охлаждения также для электромашин с двухсторонним обдувом.
Теперь настоящее изобретение поясняется более подробно с помощью прилагаемого чертежа, на котором изображено частичное продольное сечение электрической машины с предлагаемым изобретением принципом охлаждения.
Изображенный ниже более подробно пример осуществления представляет собой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения.
Основными составными частями изображенной на фигуре части электрической машины являются статор 1 и ротор 2, включая вал 3. Вал установлен с помощью подшипника 4 на подшипниковом щите 5.
Статор 1 состоит из нескольких частичных пакетов 6 статорных пластин, между которыми выполнены радиальные каналы 7 охлаждения статора. С торцевой стороны статора 1 находится лобовая часть 8 обмотки.
Ротор 2 аналогично изготовлен из нескольких частичных пакетов 9 роторных пластин, между которыми выполнены радиальные каналы 7 охлаждения ротора. Отдельные частичные пакеты 9 роторных пластин в осевом направлении имеют отверстия, так что образуются осевые каналы 11 охлаждения, которые соединены с радиальными каналами охлаждения ротора.
С торцевой стороны ротора 2 на валу 3 смонтирован без возможности вращения осевой вентилятор 12. Соединение с валом 3 осуществляется через ступицу 13, которая напрессована на вал 3. На наружном периметре ступицы 13 находится первый венец 14 лопаток с равномерно распределенными по периметру лопатками вентилятора. Лопатки вентилятора имеют угол выхода 90°, т.е. обращенная к ротору 2 часть лопаток вентилятора лежит в плоскости, которая проходит через проходящую в радиальном направлении и проходящую в осевом направлении прямую. Таким образом, поток охлаждающего средства после прохождения лопатки вентилятора перпендикулярно приходит на торцевую сторону ротора.
Внутренний или, соответственно, первый венец 14 лопаток заключен в конусообразную или, соответственно, воронкообразную трубу 15. Эта труба 15 также является частью осевого вентилятора 12 и вращается вместе с ним, а также с ротором 2. Кроме того, воронкообразная труба 15 имеет большое впускное отверстие 16, а на противоположном конце выпускное отверстие 17 меньшего размера. Внутренний радиус выпускного отверстия 17, по меньшей мере, равен размеру крайнего в радиальном направлении места осевых каналов 11 охлаждения. Кроме того, осевые каналы 11 охлаждения в осевом направлении примыкают непосредственно к выпускному отверстию 17. Тем самым обеспечивается нагнетание подаваемого через воронкообразную трубу 15 охлаждающего средства исключительно в осевые каналы охлаждения, но не в пространство 18, где находится лобовая часть обмотки.
На наружном корпусе трубы 15, в радиальном направлении над первым венцом 14 лопаток находится наружный или, соответственно, второй венец 19 лопаток. Он состоит из наружных лопаток вентилятора, которые смонтированы на трубе 15 без возможности вращения, распределяясь равномерно в окружном направлении. Они служат для того, чтобы подавать охлаждающее средство вне трубы 15 в направлении лобовой части 8 обмотки. Чтобы охлаждающее средство, не нагреваясь предварительно от лобовой части обмотки, подавалось непосредственно к впускному отверстию осевого вентилятора, предусмотрено впускное сопло 20 между подшипниковым щитом 5 и лобовой частью 8 обмотки. Впускное сопло 20 образует кольцеобразный канал вокруг вала 3, в котором расположен осевой вентилятор 12.
В электрической машине создается, таким образом, поток охлаждающего средства, начинающийся снаружи или, соответственно, от охладителя, проходящий между подшипниковым щитом 5 и впускным соплом 20 к двойному осевому вентилятору 12. Там часть потока охлаждающего средства через внутренний первый венец 14 лопаток подается к осевым каналам 11, и проникает затем через радиальные каналы 10 охлаждения ротора, а также находящиеся на одной оси с ними радиальные каналы 7 охлаждения статора наружу. Другая часть потока охлаждающего средства направляется наружным, вторым венцом 19 лопаток двойного осевого вентилятора 12 вне трубы 15 в пространство 18, где находится лобовая часть обмотки или, соответственно, к лобовой части 8 обмотки. При этом «неизрасходованное» охлаждающее средство проникает равным образом к лобовой части 8 обмотки и к ротору 2.
Далее поясняется более подробно принцип действия предлагаемого изобретением двойного осевого вентилятора с разделенными отводами для ротора и статора. Для сокращения до минимума сопротивления воздуха на впуске роторного вентилятора создается завихренный поток охлаждающего средства и в таком виде подается к ротору. Это достигается с помощью включенного перед роторным вентилятором осевого вентилятора 12, лопатки которого предпочтительно имеют угол выхода 90°. Другой способствующий охлаждению эффект создается сужением трубы после осевого вентилятора 12. При прохождении потока через сужение осевая компонента потока увеличивается, благодаря чему общий вектор потока ориентируется в большей степени в осевом направлении, так как тангенциальные и радиальные компоненты не увеличиваются. Тем самым может быть также обеспечен завихренный приток к роторному вентилятору при углах выхода менее 90°. Угол входа, т.е. угол притока охлаждающего средства относительно лопаток вентилятора, адаптируется к частоте вращения и ожидаемому расходу воздуха.
Осевой вентилятор 12 здесь, как упомянуто, выполнен в виде двойного осевого вентилятора. Благодаря трубе 15, расположенной между двумя его венцами лопаток, он создает два независимых потока охлаждающего средства для ротора и статора или, соответственно, лобовых частей обмоток. Труба 15 наряду с функцией разделения двух потоков охлаждающего средства выполняет дополнительно уже упомянутую функцию повышения давления охлаждающего средства, так как труба имеет коническую или, соответственно, воронкообразную форму. Второй, наружный осевой вентилятор двойного осевого вентилятора служит для того, как уже также было указано, чтобы лобовые части обмоток электромашины достаточно снабжались охлаждающим средством. Таким образом, двойной осевой вентилятор наряду с созданием двух независимых потоков охлаждающего средства дополнительно выполняет третью функцию повышения давления. Предлагаемая изобретением конструкция электрической машины обладает, таким образом, преимуществом улучшенной контролируемости разделения потоков охлаждающего средства, проходящих через область пакета пластин и лобовых частей обмоток. Кроме того, достигается оптимальный приток, обеспечиваемый роторным вентилятором, обусловленный уменьшенным сопротивлением впуску охлаждающего средства, благодаря чему улучшается эффективность роторного вентилятора. Предвключенный осевой вентилятор обеспечивает также дополнительное повышение давления у роторного вентилятора. Наконец, благодаря улучшенному охлаждению возможно увеличение мощности электромашины.
Электрическая машина может быть реализована, например, в виде электродвигателя, но также в виде генератора. Кроме того, этот принцип охлаждения может также применяться для электрических машин, имеющих иную конструкцию, чем в вышеупомянутом примере. Так, лобовые части обмоток могут быть также расположены на роторе, так что, например, создаваемый наружным венцом 19 лопаток поток охлаждающего средства или, соответственно, поток охлаждающего воздуха направлялся на лобовые части обмоток ротора и дополнительно на торцевую сторону статора. Разумеется, возможны также любые другие конструкции электрической машины. В частности, предпочтительно также обдувать электрические машины с двух сторон такого рода двойными осевыми вентиляторами.