КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАКРЫТОЙ ИНДУКТОРНОЙ МАШИНЫ
COMBINED COOLING SYSTEM OF CLOSED INDUCTOR MACHINE

Изобретение относится к области электромашиностроения, а более конкретно, к системам охлаждения индукторных машин закрытого исполнения с электромагнитным возбуждением и может быть эффективно использовано в электрических машинах, предназначенных для работы в системах электроснабжения и электропривода автономных объектов (средств водного и подводного транспорта, летательных аппаратов и других объектов), где требуется отводить значительное количество выделяющегося в закрытых электрических машинах тепла, обусловленного реализацией в них повышенных значений электромагнитных нагрузок, и где значительные тепловые нагрузки испытывают обмотки возбуждения.
Известна комбинированная система охлаждения закрытой электрической машины [Патент RU 2201647 МПК H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 27.03.2003], содержащая выполненные в корпусе статора каналы системы принудительного жидкостного охлаждения, и расположенный внутри машины центробежный вентилятор, принадлежащий замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения.
Недостатками этой системы охлаждения являются неравномерность охлаждения статора в осевом направлении, вызванная подогревом охлаждающей жидкости при движении ее в этой машине по винтовому каналу, протяженность которого значительно превышает длину машины и длину окружности по наружному диаметру корпуса, и снижение эффективности ее работы в широко используемых в указанных выше областях техники индукторных машинах, имеющих пакеты статора с рабочей обмоткой и установленные на магнитопроводящей втулке пакеты зубчатого ротора (см., например, в Сугробов A.M., Русаков A.M. - М: Издательский дом МЭИ, 2012, стр. 50, рис. 1.25). Обмотки возбуждения в этих машинах размещены неподвижно между пакетами ротора и по этой причине в случае применения этой системы охлаждения они не обдуваются потоками охлаждающего воздуха и не соприкасаются с поверхностями каналов жидкостного охлаждения. Недостатком рассматриваемой комбинированной системы охлаждения в случае применения ее для охлаждения индукторных машин можно считать и наличие в ней кольцевого, размещенного вокруг корпуса и поэтому приводящего к увеличению его диаметра теплообменника, принадлежащего системе воздушного охлаждения.
Прототипом заявляемого в качестве изобретения технического решения является комбинированная система охлаждения закрытой электрической машины, описанная в патенте RU 2 539 691 МПК H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 27.01.2015, содержащая выполненные в корпусе статора каналы системы принудительного жидкостного охлаждения машины и расположенный внутри машины центробежный вентилятор, принадлежащий замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения. Каналы принудительного жидкостного охлаждения выполнены в корпусе вдоль окружностей, концентричных оси машины, с выступающими из их основания штырьками (турбулизаторами). Движение охлаждающей жидкости в каналах корпуса по окружности обеспечивает равномерное распределение температуры вдоль оси машины. Для поступления и отвода жидкости из каналов предусмотрены соответственно входной и выходной коллекторы. Циркуляция воздуха в системе воздушного охлаждения обеспечивается одним установленном на валу центробежным вентилятором.
Недостатком указанной системы охлаждения, также как и рассмотренной ранее системы, является отсутствие в ней эффективной системы охлаждения обмоток возбуждения в случае ее применения для охлаждения индукторных машин. Обеспечить нормальный тепловой режим работы обмоток возбуждения и не допустить уменьшения срока службы электрической машины при этих условиях можно лишь за счет снижения плотности тока в обмотке возбуждения, что приводит к увеличению габаритов и массы обмотки возбуждения, и электрической машины в целом. Недостатками системы возбуждения являются также наличие принадлежащего воздушной системе охлаждения теплообменника, размещенного над закрытыми герметичной оболочкой каналами жидкостного охлаждения, что приводит к увеличению наружного диаметра машины. К тому же, применение воздушного охлаждения с расположенным снаружи машины теплообменником в индукторных генераторах сопряжено с необходимостью выполнения осевых каналов для прохождения воздуха в магнитопроводящей втулке, на которой установлены пакеты ротора, что приводит к уменьшению ее сечения для прохождения по ней магнитного потока и, как следствие, к необходимости увеличения магнитодвижущей силы обмотки возбуждения и к возрастанию в ней потерь.
Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в расширении области применения комбинированных систем охлаждения, а также в упрощении конструкции, повышении надежности и срока службы индукторных машин, улучшении их массогабаритных показателей.
Достигается это тем, что в системе охлаждения электрической машины, имеющей пакеты статора с рабочей обмоткой и установленные на магнитопроводящей втулке пакеты ротора с размещенной между ними обмоткой возбуждения, содержащей выполненные в корпусе статора и закрытые с наружной его стороны металлической оболочкой каналы системы принудительного жидкостного охлаждения машины, и расположенный внутри машины центробежный вентилятор, принадлежащий замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения, имеются кольцевые полости охлаждения подшипниковых щитов, выполненные с наружной их стороны концентрично валу с выступающими из их основания турбулизаторами, связанные с жидкостной системой охлаждения корпуса не выходящими за пределы машины перепускными каналами и герметично закрытые с наружной их стороны металлической пластиной, а вентиляторы расположены с обеих сторон ротора, и каждый из них выполнен в виде закрепленного на торцевой поверхности пакета ротора вентиляционного диска, на обращенной к ротору поверхности которого, выполнены радиальные каналы и объединяющий их периферийный кольцевой канал, и кольцевой прилегающей к торцевой поверхности магнитопровода ротора вентиляционной пластины с наружным диаметром меньшим диаметра ротора, которая перекрывает обращенную к ротору поверхность вентиляционного диска и имеет выполненные в ней вентиляционные отверстия, число которых равно или кратно числу зубцов ротора и которые расположены в пределах и симметрично оси каждой из его впадин.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показан продольный разрез двухпакетной индукторной машины с электромагнитным возбуждением. Обмотка возбуждения в ней установлена между пакетами ротора. Стрелками показаны направления перемещения воздушных слоев во внутренних полостях машины. На фиг. 2 показан вид на подшипниковый щит с внешней его стороны при открытой полости жидкостного его охлаждения. На фиг. 3 приведен чертеж вентиляционного диска в двух проекциях, а на фиг. 4 - чертеж вентиляционной пластины.
Комбинированная система охлаждения закрытой индукторной машины, имеющей два размещенных в корпусе 1 пакета статора 2 с уложенной в их пазах и охватывающей зубцы обоих пакетов обмоткой 3 и два пакета ротора 4, установленных на запрессованной на вал 5 втулке 6 из магнитомягкого материала, с размещенной неподвижно между ними обмоткой возбуждения 7 (фиг. 1), содержит выполненные в корпусе статора 1 два расположенных над пакетами статора 2 канала 8 и 9 системы принудительного жидкостного охлаждения корпуса, в основании которых выполнены турбулизаторы 10. В рассматриваемом примере исполнения электрической машины турбулизаторы 10 имеют форму призм небольшой высоты ромбовидного сечения. Для входа в систему жидкостного охлаждения и выхода из нее охлаждающей жидкости на корпусе 1 машины установлены входной 11 и выходной 12 коллекторы со штуцерами 13 и 14 для подачи и слива из них охлаждающей жидкости.
Для получения сформулированного выше технического результата от изобретения в подшипниковых щитах 15 с наружной их стороны выполнены концентричные валу и герметически закрытые металлической пластиной 16 полости 17 системы принудительного жидкостного охлаждения подшипниковых щитов 15 с выступающими из их основания турбулизаторами 18. В полости 17 подшипниковых щитов 15 охлаждающая жидкость поступает из коллектора 10 по не выходящим за пределы машины перепускным каналам 19, а поступает из них в выходной коллектор по перепускным каналам 20.
Теплообмен между внутренними частями машины обеспечивается воздушной системой охлаждения с замкнутой циркуляцией воздуха внутри машины закрепленными на пакетах ротора 4 с каждой из торцевых их сторон вентиляционными дисками 21, на обращенных к ротору 4 поверхностях каждого из которых выполнены радиальные каналы 22 и объединяющий их периферийный кольцевой канал 23, при этом между поверхностями вентиляционных дисков 21 и торцевыми поверхностями ротора 4 имеются кольцевые вентиляционные пластины 24 с наружным диаметром, меньшим диаметра ротора, и с выполненными в них отверстиями 25, число которых кратно числу зубцов ротора 4, и расположены они в пределах и симметрично оси каждой из его впадин. В рассматриваемом варианте конструктивного исполнения индукторной машины число зубцов на роторе равно четырем. Вентиляционные диски 21 имеют выполненные в перегородках, разделяющих воздушные каналы, выступы 26, наружный диаметр которых равен внутреннему диаметру вентиляционных пластин 24, а высота меньше толщины этих пластин. Для обеспечения требуемой ориентации выполненных в пластинах 24 вентиляционных отверстий 25 относительно впадин ротора 4 каждая из них имеет со стороны внутренних их диаметров по одному фиксирующему выступу 27, боковые стенки которого плотно прилегают к обращенным друг к другу боковым стенкам одного из выступов 26 вентиляционного диска 21. Диски 21 закреплены на втулке 6 ротора 4 винтами (отверстия 28 под них показаны на фиг. 3).
Работа системы охлаждения происходит следующим образом.
Охлаждающая жидкость поступает под давлением во входной коллектор И через штуцер 13, и распределяется в нем по двум выполненным в корпусе 1 и расположенным над пакетами статора 2 каналам 8 и 9 жидкостной системы охлаждения, а по перепускным каналам 19 она из того же коллектора 11 поступает в полости 17 охлаждения подшипниковых щитов 15. При протекании жидкости по каналам корпуса 1 между выступающими из них штырьками (турбулизаторами) 10 и из полостей 17 охлаждения подшипниковых щитов 15 между турбулизаторами 18 происходит локальное увеличение скорости потока в каждом из указанных участков системы охлаждения с интенсивным вихреобразованием непосредственно за каждым рядом турбулизаторов 10 и 18, что приводит к разрушению пограничного слоя и повышению коэффициента теплоотдачи, и за счет этого позволяет при относительно малом расходе охладителя обеспечить эффективный теплообмен на большой площади охлаждаемых поверхностей.
Находясь в турбулизированном состоянии вследствие соприкосновения с выступающими из основания каналов турбулизаторами 10, охлаждающая жидкость обтекает наружную поверхность цилиндрического корпуса 1, отбирая при этом тепло, поступающее к нему от магнитопровода машины (пакетов статора 2) и обмоток 3 и отводя его за пределы машины через штуцер 14 выходного коллектора 12. Движение охлаждающей жидкости в корпусе 1 по окружности обеспечивает равномерное распределение температуры вдоль оси машины. В полостях 17 охлаждения подшипниковых щитов 15 поступающая из входного коллектора 11 через перепускные каналы 19 охлаждающая жидкость перемещается в сторону перепускного канала 20 и выходного коллектора 12 по двум расположенным по обе стороны от перепускных каналов 19 участкам кольцевых полостей 17. Направления движения жидкости в каналах охлаждения корпуса 1 и полостях подшипниковых щитов показаны на фиг. 1 и 2 стрелками.
Система принудительного воздушного охлаждения обеспечивает теплообмен между внутренними частями машины за счет замкнутой циркуляции воздуха во внутренних ее полостях. Каждый из двух закрепленных с торцевых сторон ротора вентиляционных дисков 21 в рассматриваемом варианте конструктивного исполнения индукторной машины имеет шестнадцать радиальных каналов 22, а в вентиляционной пластине 24 выполнены четыре отверстия 25 (по числу пазов ротора) для прохода воздуха из периферийного кольцевого канала 23 во впадины ротора. Вентиляционная пластина 24 предназначена для ограничения поступления воздуха в пазы ротора и снижения тем самым аэродинамических потерь.
При вращении ротора воздух из области I (см. фиг. 1) по радиальным каналам 22 проходит в периферийные кольцевые каналы 23 и через отверстия 25 в вентиляционных пластинах 24 поступает в пазы ротора 4 (полость III), струями обдувает боковую поверхность обмотки возбуждения 7, охлаждая ее и далее перемещается к периферии ротора IV. Струйный обдув является эффективным способом охлаждения, позволяющим достичь высоких значений коэффициента теплоотдачи. Через радиальный зазор между вентиляционной пластиной 24 и статором 2 закрученный воздух выходит в полость V, обдувает лобовые части обмотки якоря 3 и возвращается в область I, охлаждаясь от подшипникового щита 15.
Полость V является осевым зазором между ротором и статором, воздух в ней закручивается, и под действием центробежной силы возникает его циркуляция по замкнутому контуру: вблизи ротора 4 воздух движется к периферии, вблизи охлаждающего его подшипникового щита 15 - к центру (показано на фиг. 1 пунктиром). Это локальное течение оттесняет основной поток воздуха к щиту. Из-за закрутки воздуха интенсифицируются охлаждение лобовых частей рабочей обмотки 3 и теплообмен с охлаждаемым жидкостью подшипниковым щитом 15.
Производительность вентилятора пропорциональна произведению квадрата частоты вращения ротора на его диаметр, поэтому эффективность охлаждения обмоток возбуждения и других обтекаемых воздухом активных и конструктивных частей машины в случае применения предлагаемой системы охлаждения повышается с ростом частоты вращения и диаметра ротора.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Сугробов A.M., Русаков A.M. Проектирование электрических машин автономных объектов. - М: Издательский дом МЭИ, 2012.
2. Патент RU 2201647 МПК H02K 9/19, H02K 5/20.
3. Патент RU 2 539 691 МПК H02K 9/19, H02K 5/20.