Электрическая машина многороторная с комбинированной системой охлаждения
MULTI-ROTOR ELECTRIC MACHINE WITH COMBINED COOLING SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике, в частности к многороторным электродвигателям, и может быть использовано для привода различных механизмов и приводов, а также в качестве генератора электрической энергии.
Известна электрическая машина с комбинированным охлаждением, где лобовые части обмотки статора и ротора имеют воздушное охлаждение, так что зоны холодного воздуха охладителей соединены с холодными зонами лобовых частей обмотки статора и холодными зонами вентиляционных каналов ротора, а зоны нагретого воздуха лобовых частей статора и зоны нагретого воздуха ротора, образованные зазором между статором и ротором, примыкают к вытяжным зонам вентиляторов, сердечник статора выполнен с высоковольтной обмоткой и снабжен собственной жидкостной системой охлаждения в виде плоских охладительных элементов, расположенных между аксиальными пакетами (Патент РФ на изобретение №2226027, опубл. 20.03.2004, бюл. №8).
Недостатками изобретения является то, что лобовая часть обмотки ротора имеет воздушное охлаждение, сложная и дорогая система жидкого охлаждения статора, требующая снабжения плоскими охладительными элементами и расположения их между аксиальными пакетами.
Известно изобретение, система охлаждения электрической машины, в которой, по оси полого вала выполнен трубчатый канал для прохода холодного потока от делящей вихревой трубы, а пространство, образованное наружной поверхностью трубчатого канала и внутренней поверхностью полого вала, является тепловой трубой, конденсационная область которой - наружная поверхность трубчатого канала, а испарительная область - внутренняя поверхность полого вала (Патент РФ на изобретение №2279172, опубл. 27.06.2006, бюл. №18).
Недостатками аналога являются высокая сложность конструкции вала, охлаждение только через наружную поверхность вала, охлаждение только воздухом.
Известен сдвоенный асинхронный электродвигатель, выбранный в качестве прототипа, роторы которого расположены на разных валах, подвижный статор жестко соединен с ротором, относящимся к неподвижному статору, а каждый из статоров подключен к сети через индивидуальный преобразователь частоты, включающий измерительную систему и регулятор скорости (Патент РФ на изобретение №2410821, опубл. 27.01.2011, бюл. №3).
Недостатками прототипа является то, что для каждого двигателя требуется частотный преобразователь, расположение роторов на разных валах требующее высокой отцентровки соединения между ними, усложнение конструкции путем жесткого соединение статора с ротором, механическая связка с неподвижной внешней опорой, повышенные масса и габариты в целом, отсутствие эффективного охлаждения активных частей, что снижает область применения.
Техническая задача изобретения заключается в создании универсальных надежных электрических машин, обладающих повышенной мощностью и вращающим моментом на валу по сравнению с другими машинами аналогичных размеров, оснащенных эффективной и независимой комбинированной системой охлаждения, защищенной от влияния внешней среды.
Техническая задача обеспечивается тем, что в электрической машине многороторной с комбинированной системой охлаждения, содержащей в себе корпус, статор, ротор, возбуждающие обмотки, вал, подвижные и неподвижные активные части в пространстве электрической машины установлены раздельно в общем корпусе и на общем валу, где точки подключения возбуждающих обмоток каждой неподвижной активной части расположены равномерно по окружности относительно оси вала; между подвижными активными частями установлены конструктивные узлы, поддерживающие полый вал; для реверсивного и раздельного охлаждения торцевых сторон активных частей жидкой и газообразной охлаждающими средами в конструкции двигателя выполнены качающие узлы.
На фиг. 1 изображен общий вид электрической машины в эскизе, фиг. 2 -вид спереди, фиг. 3 - разрез А-А, фиг. 4 - вид сзади, фиг. 5 - вид справа, фиг. 6 - разрез Б-Б, фиг. 7 - разрез В-В, фиг. 8 - крышка вентилятора (вид сзади в эскизе), фиг. 9 - вентилятор в эскизе, на фиг. 10 - крышка передняя (вид сзади в эскизе).
В корпусе 1 установлены неподвижные активные части (статоры) 30, 31, 32 с обмотками 18 и каналом 52 с отверстием 27, на полом валу 2 установлены подвижные активные части (роторы) 33, 34, 35, опоры 16, 17 со вкладышами 48, 49, подшипники 44, 45, задняя крышка 4 с обратными клапанами 53, 54 и шестернями 50 качающего узла жидкой охлаждающей среды, клапанная крышка 14 с обратными клапанами 15 и 51, поддон 6 со штуцером 10, передняя крышка 3 со штуцерами 7, 8 и углублением 57, каналами 58, 59, вентилятор 47 с выступом 61, крышка 13 с углублением 46 и каналами 42, 43 с выпускными отверстиями 55, 56, разделители 19, 20, 23, 24 охлаждающих сред с крышками 25, 26, 28, 29, уплотняющие манжеты 21, 22, 36, 37, 38, 39, 40, 41, крышки 11, 12, поддон 5 со штуцером 9, полость 60 вала 2.
Устройство работает следующим образом.
Питающее переменное напряжение подается на возбуждающие обмотки 18 неподвижных активных частей 30, 31, 32. Точки подключения возбуждающих обмоток 18 каждой неподвижной активной части 30, 31, 32 расположены равномерно по окружности относительно оси полого вала 2, что позволяет одновременно создавать магнитные поля в неподвижных активных частях 30,31, 32, расположенные равномерно по окружности относительно оси полого вала 2.
Неподвижные активные части 30, 31, 32, состоящие из магнитопровода и возбуждающих обмоток 18, установлены неподвижно в корпусе 1. Подвижные активные части 35, 34, 33 со своими короткозамкнутыми обмотками являются вращающимися активными частями, т.к. в них наводится ЭДС от магнитных полей неподвижных активных частей 30, 31, 32, что приводит к вращению подвижных активных частей 35, 34, 33 с полым валом 2.
Например, в трехроторной электрической машине напряжение подается на возбуждающую обмотку 18 неподвижной активной части 30, точка подключения которой расположена вертикально (90°). В этой части возбуждающей обмотки 18 возникает магнитное поле на пару с противоположным полюсом которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке короткозамкнутой подвижной активной части 35 и провоцирует возникновение магнитного поля в короткозамкнутой подвижной активной части 35. Одновременно напряжение подается на возбуждающую обмотку 18 неподвижной активной части 31, точка подключения которой сдвинута на 120° относительно возбуждающей обмотки 18 неподвижной активной части 30. В этой части возбуждающей обмотки 18 неподвижной активной части 31 также возникает магнитное поле на пару с противоположным полюсом, которое индуцирует ЭДС в обмотке короткозамкнутой подвижной активной части 34 и провоцирует возникновение магнитного поля в короткозамкнутой подвижной активной части 34. Точка подключения возбуждающей обмотки 18 неподвижной активной части 32 сдвинута на 240° относительно возбуждающей обмотки 18 статора 30. В этой части возбуждающей обмотки 18 неподвижной активной части 32 также возникает магнитное поле на пару с противоположным полюсом, которое индуцирует ЭДС в обмотке короткозамкнутой подвижной активной части 33 и провоцирует возникновение магнитного поля в короткозамкнутой подвижной активной части 33, что в итоге приводит к вращению подвижных активных частей 35, 34, 33 а значит и полого вала 2.
Так как вращающие моменты на полом валу 2 от короткозамкнутых подвижных активных частях 35, 34, 33 прикладываются в равноудаленных точках вдоль вала 2 относительно оси его вращения, то это позволяет равномерно распределить вращающий момент по длине вала 2 и исключить его деформации.
Комбинированная система охлаждения обеспечивает охлаждение конструкции электрической машины жидкой и газообразной охлаждающими средами.
Качающий узел, расположенный в задней крышке 4 подает жидкую охлаждающую среду от рассеивателя тепла (не показан) через штуцер 10 и поддон 6 при вращении шестерен 50 в зависимости от направления вращения вала 2 по каналам через обратные клапаны 53, 54, далее через обратные клапаны 15, 51 клапанной крышки 14 в полость 60 вала 2, далее по каналам из полости 60 жидкая охлаждающая среда поступает в пространства между подвижными активными частями 33, 34, 35, между подвижной активной частью 33 и задней крышкой 4, подвижной активной частью 35 и передней крышкой 3. Под воздействием центробежных сил жидкая охлаждающая среда снимает тепло с торцевых частей подвижных активных частей 33, 34, 35, стекает по внутренней части разделителей 19, 20, 23, 24 жидкой и газообразной охлаждающих сред, которые установлены при помощи уплотняющих манжет 21, 22, 36, 37, 38, 39, 40, 41, одновременно предотвращающие протекание жидкой охлаждающей среды в пространство между подвижными активными частями 33, 34, 35 и неподвижными активными частями 30, 31, 32. Жидкая охлаждающая среда далее попадает в поддон 5 и через штуцер 9 подается к рассеивателю тепла (не показан). Крышки 25, 26 предотвращают попадание жидкой охлаждающей среды на возбуждающие обмотки 18 неподвижных активных частей 30, 31, 32.
При вращении полого вала 2 вращается вентилятор 47, у которого имеются две секции противоположно направленных лопастей, разделенных выступом 61, позволяющие реверсивную циркуляцию газообразной охлаждающей среды от рассеивателя теплоты (не показан), например, через штуцер 8 передней крышки 3 и отверстия 56 крышки 13 по каналу 43 и каналу 52 в корпусе 1 к отверстию 27. Далее, снимая тепло с торцевых частей неподвижных активных частей 30, 31, 32 и возбуждающих обмоток 18, газообразная охлаждающая среда поступает по каналу 42 к отверстию 55 и через штуцер 7 к рассеивателю тепла (не показан), что защищает элементы электрической машины от негативного влияния внешней среды.
Для технического обслуживания имеются технологические отверстия с крышками 11, 12 и крышками 28, 29, обеспечивающие доступ к опорам 16, 17 со вкладышами 48, 49. Разнонаправленные потоки газообразной охлаждающей среды разделяются выступом 44, установленным в углублениях 46 и 57. Для вращения вала 2 также установлены подшипники 44, 45 в передней крышке 3 и задней крышке 4. Жидкая охлаждающая среда должна объединять в себе как охлаждающие, так и смазывающие свойства. Следует отметить что для уменьшения нагрева охлажденных сред, в области соприкосновения нагретой жидкой среды с крышками 3 и 4 следует установить тепло отталкивающие прокладки (не показаны). Для предотвращения утечек требуются прокладки (не показаны) в соединениях корпуса 1 и крышек 3 и 4, клапанной крышки 14 и крышки 4, поддона 6 и крышки 4, поддона 5 и корпуса 1, крышек 11, 12 и корпуса 1, уплотняющих манжет между валом 2 и передней крышкой 3 и задней крышкой 4. Разделители 19, 20, 23, 24 охлаждающих сред с крышками 25, 26, 28, 29 должны быть изготовлены из эластичного и теплоотталкивающего материала.
Так как электрическая машина может работать, вращаясь как в правую сторону, так и в левую, то направление охлаждающих сред может меняться на противоположную, обеспечивая таким образом непрерывное реверсивное (изменение направления) движение охлаждающих сред. Система охлаждения раздельная т.е. торцевые части обмоток 18 неподвижных активных частей 30, 31, 32 охлаждаются газообразной охлаждающей средой, а торцевые части подвижных активных частей 35, 34, 33 охлаждаются жидкой охлаждающей средой. Это необходимо для предотвращения неожиданного взаимодействия электрических систем подвижных и неподвижных активных частей электрической машины.
Раздельность системы охлаждения позволяет применять различные современные охлаждающие среды с различными теплоотводящими параметрами в электрической машине, что определяет комбинированность (сочетание) системы охлаждения так как в своей комбинации предлагаемая конструкция электрической машины позволяет применять охлаждающие среды с лучшими теплоотводящими характеристиками, что позволяет повысить эффективность системы охлаждения, обеспечить универсальность при эксплуатации электрической машины в различных условиях и режимах работы, в т.ч. при больших и длительных нагрузках, экстремальных температурах окружающей среды.
По сравнению с электрической машиной длинной серии (однороторное исполнение), применение предлагаемой конструкции с использованием отдельных активных частей коротких серий, обеспечивает повышение мощности.
Таким образом, изобретение позволяет создание электрической машины, объединяющей в себе все преимущества электрических машин длинных и коротких серий, обладающей повышенной мощностью с равномерно распределенным вращающим моментом на валу, оснащенной комбинированной реверсивной системой охлаждения, а соответственно высокой надежностью и эффективностью. Конструкция предлагаемой электрической машины позволяет использовать ее на стационарных и мобильных транспортно-технологических комплексах.