ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С СИСТЕМОЙ РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА

Изобретение предназначено для применения на железнодорожном и других видах транспорта, а также электрических технологических установок и относится к электрической машине, предназначенной для преобразования электрической энергии в механическую, а также преобразования одного вида движения в другой.
В настоящее время электрическая машина (ЭМ) - неотъемлемая часть любой технологической установки, а также многих видов транспорта. В виду этого они требуют постоянной модернизации в деле увеличения КПД и увеличения надежности. Однако, за всю историю, ЭМ большинство из них, не претерпели больших изменений и сохранили за собой существенные недостатки, указанные ниже.
По условиям работы, наиболее нагруженными являются тяговые электрические машины (ТЭМ). ТЭМ (в частности в режиме двигателя), служат для превращения электрической энергии в механическую. Во время работы ТЭМ подвергаются воздействию динамических сил, возникающих при движении колес по неровностям пути, вибрациям, которые особенно велики в зимних условиях, когда верхнее строение пути обладает повышенной жесткостью. ТЭМ подвержены постоянным перегрузкам по напряжению, а особенно по току и повышенной частоте вращения. Также весьма существенны влияния температуры, влажности и взвешенных частиц, присутствующих в окружающем пространстве.
За прототип предлагаемого изобретения принимается ТЭМ. Основными узлами каждой ТЭМ постоянного и пульсирующего тока (как наиболее часто использующиеся на тяговом подвижном составе) являются остов 1, главные и добавочные (дополнительные) полюса, якорь, щеткодержатели с кронштейнами 2, подшипниковые щиты 3 (рис.1) [1]. Двигатели с опорно-осевым подвешиванием имеют еще буксы моторно-осевых подшипников.
На остове 1 крепят главные и добавочные полюса, подшипниковые щиты, моторно-осевые подшипники. Остов является и магнитопроводом машины.
Главные полюса служат для создания основного магнитного потока. Основные узлы: сердечник главных полюсов 4, обмотка главных полюсов 5.
Добавочные полюса применяют для создания магнитного потока в зоне коммутации, они также имеют сердечник и обмотку.
Подшипниковые узлы передают вес якоря и вращающий момент, возникающие во время работы тягового двигателя. Моторно-осевые подшипники предназначены для подвешивания (опоры) двигателя на ось колесной пары.
Наиболее же ответственным узлом, а также узлом, который довольно часто выходит из строя является якорь тягового двигателя и поэтому он требует особого внимания.
Якорь тягового двигателя преобразует энергию одного вида в энергию другого вида. Основными частями его являются вал 6, сердечник 7, обмотка
якоря 8, коллектор 9.
Вал 6 подвержен действию значительных вращающих моментов, которые вызывают большие касательные силы и прочие воздействия, создающие особенно тяжелые условия для их работы.
Коллектор 9 двигателя служит для изменения направления тока в проводниках якоря при переходе их под главный полюс другой полярности. Коллекторы современных мощных тяговых двигателей находятся на пределе использования материалов и технологических возможностей. Они подвержены большим механическим и электрическим нагрузкам, в результате чего на их поверхности происходит интенсивное выделение тепла.
Система вентиляции тягового двигателя должна обеспечивать интенсивный воздухообмен в зоне коллекторного пространства и хорошее охлаждение, как самого коллектора, так и деталей связанных с ним.
В процессе работы ТЭМ все возникающие в них потери превращаются в тепловую энергию. Часть этой энергии отдается в окружающее пространство, часть идет на повышение температуры узлов машины, особенно якоря. Возможность реализации наибольшей мощности в течение продолжительного времени определяется условиями нагревания ВЭМ. С повышением мощности требуется усиление отвода тепла от узлов машины. Эту задачу в основном решают с помощью вентиляции - продувания охлаждающего воздуха через машину. Вентиляционный воздух воспринимает тепло нагретых частей машины и охлаждает их.
При независимой вентиляции воздух для охлаждения внутреннего пространства двигателя поступает от специального вентилятора, приводимого во вращение отдельным электродвигателем, независимо от скорости движения электровоза. В тяговых двигателях постоянного и пульсирующего тока с независимой вентиляцией воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора. Внутри ЭМ воздух чаще всего движется двумя струями. Одна из них, омывая коллектор и проходя между катушками главных и добавочных полюсов, выходит наружу через отверстия в противоположной стороне остова. Другая, направляясь через внутренние каналы якоря, охлаждает сердечник якоря и выходит наружу через отверстия, расположенные на стороне противоположной коллектору. Любая электрическая машина по своей структуре неоднородна и, следовательно, выделение тепла в объеме двигателя неравномерно, условия отвода тепла от отдельных элементов машины различны [2].
Представленные выше факты показывают, что вентиляция, используемая сейчас не способна решить поставленную задачу - равномерно и на должном уровне охладить все части машины (как внутренние, так и наружные). Как показывают опытные данные различие в температуре для различных частей машины, может достигать 70 градусов. Это особенно явно для машин с самовентиляцией, где скорость подаваемого для охлаждения воздуха, в большей мере зависит от скорости вращения, а не от мощности машины. Все это приводит к множеству проблем, при эксплуатации любой ЭМ. Основные из них:
- нагрев ТЭМ и возможный перегрев может привести в лучшем
случае к пробою изоляции и таким образом к прекращению ей выполнения своих функций, а в худшем к возгоранию, что связано с безопасностью движения;
- перегрев различных частей машины приводит к их старению, ухудшению характеристик (например, превышение допустимой температуры для изоляции на 8 градусов, сокращает ее срок службы в 2 раза) [2];
- нагрев одной части ЭМ, больше чем другой, приводит к различного рода термодинамическим процессам, приводящим к снижению мощности;
- большой расход энергии на вентиляцию;
- сложность и дороговизна проведения обслуживания и ремонта.
В виду изложенного выше, единственным решением может стать улучшение охлаждения и обеспечение равномерности этого охлаждения. Это можно достигнуть путем установки дополнительного вентилятора, обеспечение прохождения охлаждающего воздуха другими путями и установкой следящих датчиков, сигнализирующих о превышении различных частей ТЭМ. Однако эти решения, являются дорогостоящими, требующими сложной модернизации машины, и постоянного обслуживания.
Цель изобретения - обеспечение равномерного распределения тепла по всей ЭМ.
Предлагается, электрическая машины с системой равномерного распределения тепла, которая позволит исключить ряд существенных недостатков, указанных выше.
Предлагаемая конструкция ЭМ заключается в том, что в вал запрессовывается (запаивается) металлический натрий 10, обладающим свойством повышенной теплопроводности и относительно низкой (60°С) температурой плавления (рис.2).
Далее натрий полностью герметизируется для предотвращения попадания влаги к щелочному, активному металлу. Количество заменяемого металла зависит от мощности ЭМ.
Ощутимых результатов по снижению разности температур частей ЭМ, а, следовательно, и снижению общей (средней) ее температуры, можно добиться при внедрении предлагаемой электрической машины с системой равномерного распределения тепла.
Работа данной машины проходит следующим образом. В процессе работы электрической машины происходят потери, которые выливаются в ее нагрев, охлаждение воздухом от вентилятора, хорошо обеспечивается со стороны коллектора, что вызывает больший относительный нагрев отдаленных от него частей машины. Металлический натрий, имеющий достаточно низкую температура плавления, а также высокую теплопроводность производит перенос тепла (в расплавленном состоянии), с нагретой средней части машины в менее нагретые, где машина имеет лучшие места охлаждения от воздуха, нагнетаемого вентилятором. Процесс протекает постоянно и не несет за собой увеличения расхода на вентиляцию.
Технический результат при работе электрической машины достигается за счет:
- снижения общего нагрева;
- улучшения условий работы различных частей;
- равномерного распределения тепловых потерь, не приводящих к относительным деформациям и перегруженности одной части машины относительно другой;
- снижения расхода энергии на вентиляцию;
- снижения расходов на обслуживание и ремонт.
Список литературы:
1. Калинин В.К. Электровозы и электропоезда. - Москва: Транспорт, 1991. - 480 с.
2. Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. Тяговые электрические машины. - Москва: Транспорт, 1991. - 343 с.