СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМОЙ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Область техники
Предложение относится к частотно-регулируемому электроприводу и может быть применено при конструировании и изготовлении вентильно-индукторных двигателей большой мощности с замкнутой системой воздушного охлаждения.
Уровень техники
Известны трехфазные электрические машины, снабженные замкнутой системой воздушного охлаждения с принудительной вентиляцией через воздухоохладители [1-5], содержащие корпус, в котором размещены статор с фазными обмотками и ротор, вал которого установлен на подшипниках в торцевых крышках корпуса, воздухоохладители и камеры замкнутой системы охлаждения, сообщенные вентиляционными каналами, выполненными в сердечнике статора.
Общие недостатки электрических машин [1-5] - необходимость использования сложной системы воздуховодов и трудоемкой технологии изготовления, что вызвано, в частности, внутрикорпусным размещением воздухоохладителей и радиальным выполнением вентиляционных каналов в сердечнике статора. Кроме того, трехфазные электрические двигатели имеют функциональные недостатки, не связанные с охлаждением, - ограниченные возможности по регулированию вращающего момента и частоты, необходимость повышения значений фазного напряжения и тока при увеличении номинальной мощности.
Известен вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус с торцевыми крышками, в которых на подшипниках установлен вал двигателя, и закрепленные в расточке корпуса два зубчатых пакета статора, в пазах которых уложены фазные обмотки, кольцевую обмотку возбуждения между пакетами статора и два зубчатых пакета ротора, зафиксированных на валу двигателя [6]. Корпус двигателя [6] изготовлен из магнитомягкого материала и выполняет функцию станины статора, формирующей совместно с пакетами статора его магнитную цепь. Двигатель [6] свободен от вышеуказанных функциональных недостатков решений [1-5].
Недостаток конструкции двигателя [6] состоит в том, что при повышении номинальной мощности двигателя и соответствующем увеличении его размеров ухудшается теплоотвод от пакетов статора и уложенных в их пазах фазных обмоток. Поскольку основная доля тепловых потерь вентильно-индукторного двигателя выделяется в пакетах его статора, это приводит к повышению температуры во внутренних областях шихтованных пакетов статора и соответствующему снижению надежности двигателя.
Известен секционированный вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус, заполненный охлаждающей средой, и размещенные в корпусе секции двигателя, каждая из которых содержит два закрепленных в расточке станины зубчатых пакета статора, в пазах которых уложены фазные обмотки, и два зубчатых пакета ротора, зафиксированные на валу двигателя [7]. Общая мощность и, соответственно, тепловые потери распределены между секциями двигателя, что облегчает их тепловой режим. При этом секции двигателя [7] размешены вплотную друг к другу на валу из магнитного материала и применены решения, обеспечивающие разделение их магнитных потоков. Это позволило минимизировать возрастание осевого размера двигателя при наращивании его мощности увеличением числа секций, однако ухудшило условия теплоотвода и потребовало применения жидкостной (масляной) системы охлаждения, поскольку воздушное
охлаждение для известной конструкции многосекционного вентильно-индукторного двигателя [7] недостаточно эффективно.
Раскрытие существа полезной модели
Задача полезной модели - создание конструкции вентильно-индукторного двигателя большой мощности, обеспечивающей эффективный теплоотвод с помощью простой в конструктивном и технологическом отношениях системы замкнутого принудительного воздушного охлаждения. Создаваемая конструкция по функциональным и габаритным характеристикам должна обеспечить возможность замены трехфазных высоковольтных двигателей мощностью более одного мегаватта при переводе существующих электроприводов переменного тока на частотное регулирование.
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели - повышение эффективности отвода тепла от наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя, снижение их рабочей температуры и соответствующее увеличение надежности двигателя.
Предметом полезной модели является секционированный вентильно-индукторный двигатель, содержащий корпус, в котором на подшипниках установлен вал, замкнутую систему принудительного охлаждения, конструктивно сопряженную с корпусом, и секции, размещенные в корпусе, при этом каждая секция содержит зафиксированные на валу зубчатые пакеты ротора, станину, в расточке которой закреплены кольцевая обмотка возбуждения и зубчатые пакеты статора с уложенными в их пазах фазными обмотками, а система принудительного охлаждения - каналы наружного охлаждения, образованные между внутренней поверхностью корпуса и наружными поверхностями станин, каналы внутреннего охлаждения, сообщенные внутрисекционной камерой и аксиально выполненные в пакетах статора, по меньшей мере, одну межсекционную смесительную камеру и
замкнутый на корпус воздуховод, в котором размещены вентилятор и воздухоохладитель.
Приведенная совокупность признаков позволяет получить указанный выше технический результат.
Полезная модель имеет развития, направленные на дальнейшее улучшение теплоотвода, которые состоят в том, что каналы внутреннего охлаждения попарно выполнены под каждым пазом пакета статора и на наружных поверхностях станин выполнены в аксиальном направлении теплорассеивающие ребра. Другие развития уточняют конструкцию и состоят в том, что каналы наружного охлаждения образованы с помощью дистанционных распорок и воздухоохладитель установлен на корпусе двигателя.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитий.
На фиг.1 и 2 показан пример осуществления предлагаемого вентильно-индукторного двигателя из двух секций. На фиг 1 представлен общий вид двигателя, на фиг.2 - сечение корпуса двигателя со статором секции, установленным без обмоток.
Двигатель содержит корпус 1 с торцевыми крышками 2 и 3, в которых на подшипниках 4, 5 установлен немагнитный вал 6, выполненный, например, из нержавеющей стали. Крышка 2 со стороны рабочего конца вала 6 выполнена глухой, а крышка 3 - проницаемой для воздушного потока. В корпусе 1 размещены секции 7 и 8, в каждую из которых входят статор и два зубчатых пакета ротора. Статор каждой секции двигателя представляет собой сборную конструкцию, включающую станину 9, в расточке которой закреплены шихтованные из листов электротехнической стали пакеты 10 и 11 статора. Пакеты 10 и 11 имеют аксиально направленные зубцы, разделенные пазами. В пазах пакетов 10 и 11 каждой секции уложены фазные обмотки 12, охватывающие соответствующие зубцы обоих пакетов, а
между пакетами 10 и 11 с помощью промежуточной втулки 13 закреплена кольцевая обмотка 14 возбуждения.
Два зубчатых пакета 15 и 16 ротора, шихтованные из листов электротехнической стали, зафиксированы на валу 6 в каждой секции двигателя с помощью втулки 17. Втулка 17 выполнена из магнитомягкого материала, что обеспечивает магнитную связь между пакетами 15 и 16 ротора. Пакеты ротора каждой секции размещены на валу 6 напротив пакетов 10 и 11 статора соответственно и повернуты относительно друг друга на половину зубцового шага так, что напротив зубца пакета 15 располагается впадина пакета 16 и наоборот. Число зубцов пакетов статора и ротора различно.
На наружной поверхности каждой станины 9 выполнены в аксиальном направлении теплорассеивающие ребра 18 (см. фиг.2). Станины 9 каждой секции зафиксированы в корпусе 1 дистанционными распорками 19.
Двигатель имеет систему принудительного охлаждения, включающую замкнутый на корпус 1 воздуховод 20, в котором размещены вентилятор 21 и водный воздухоохладитель 22, установленный на корпусе 1 в виде надстройки. Внутренний объем корпуса 1 связан с воздуховодом 20 через отверстия, выполненные в верхней части корпуса 1 со стороны выступающего из торцевой крышки 2 рабочего конца вала 6 и в торцевой крышке 3. Вентилятор 21 может быть кинематически связан с валом 6 или иметь автономный привод.
Система охлаждения также включает примыкающие к крышкам 2 и 3 торцевые воздушные камеры 23 и 24, каналы 25 наружного охлаждения, образованные с помощью распорок 19 между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружными поверхностями станин 9, оребренными в аксиальном направлении теплорассеивающими ребрами 18, и межсекционную камеру 26. Кроме того, система охлаждения включает внутрисекционные камеры 27 и 28 между пакетами 10 и 11 каждой секции и каналы 29 внутреннего
охлаждения. Каналы 29 каждой секции сообщены через ее внутрисекционную камеру и выполнены в пакетах 10 и 11 в аксиальном направлении так, что под каждым пазом пакета статора размещена пара каналов 29.
Устройство работает следующим образом.
На обмотки 14 возбуждения и фазные обмотки 12 каждой секции, а также на электродвигатель вентилятора 21 подаются от внешних источников соответствующие питающие напряжения, а в водяной контур воздухоохладителя 22 - охлаждающая вода.
В каждой секции двигателя магнитный поток, создаваемый фазными обмотками и обмоткой возбуждения, замыкается через пакеты 15, 16 ротора. Принцип действия двигателя основан на магнитном притяжении зубца пакета ротора к ближайшему зубцу пакета статора. Соответствующие токи в фазных обмотках 12, задаваемые питающими их преобразователями, и неравенство зубцов в пакетах ротора и статора обеспечивают плавное вращение вала 6 с регулируемой частотой и требуемым вращающим моментом.
Охлаждение двигателя осуществляется следующим образом.
Вращающийся вентилятор 21 гонит охлажденный воздух из воздухоохладителя 22 в торцевую камеру 24, где он разделяется на:
- первый поток, проходящий по каналам 25 наружного охлаждения между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружными поверхностями станин 9 секций 7 и 8;
- второй поток, проходящий по каналам 29 внутреннего охлаждения и внутрисекционным камерам 27 и 28 секций 7 и 8;
- третий поток, проходящий через пазы пакетов 10 и 11 статора, пазы пакетов 15, 16 ротора и зазоры между пакетами статора и пакетами ротора.
Первый поток отбирает в каждой секции тепло у станины 9 статора, которая для лучшей теплоотдачи выполнена с теплорассеивающими ребрами, направленными аксиально, вдоль охлаждающего потока. Второй поток
отбирает тепло из внутренних областей шихтованных пакетов 10, 11 статора, от фазных обмоток 12 и от обмотки 14 возбуждения, а третий - с зубцовых поверхностей пакетов 10, 11 статора и 15, 16 ротора.
Поскольку основная доля тепловых потерь вентильно-индукторного двигателя выделяется в его статоре, охлаждающие потоки воздуха нагреваются неодинаково. Наиболее интенсивно нагревается воздух в каналах 29, проходящих через внутренние области пакетов статора, а меньше всего - воздух третьего потока. Во внутрисекционных камерах 27, 28 и межсекционной камере 26 слабо нагретый воздух третьего потока смешивается с более горячим воздухом других потоков, а именно в камерах 27, 28 - с воздухом второго потока, выходящим из каналов 29, а в межсекционной камере 26 - еще и с воздухом первого потока.
Смешивание потоков в камерах 26 и 27 приводит к тому, что в каждой секции температура второго потока на входе в пакет 10 статора оказывается ниже температуры этого потока на выходе из пакета 11 статора, а смешение потоков в камере 26 - к тому, что температура второго потока на входе в секцию 7 оказывается ниже температуры этого потока на выходе из секции 8. Это улучшает условия охлаждения следующего (по направлению воздушного потока) пакета статора и в результате снижает температуру последнего пакета 10 секции 7, примыкающего к торцевой камере 23, который работает в наиболее тяжелом тепловом режиме.
Выполнение двигателя, по меньшей мере, из двух секций, с системой охлаждения, включающей каналы наружного охлаждения, образованные между внутренней поверхностью корпуса и наружными поверхностями станин, внутрисекционные камеры и межсекционную камеру, обеспечивает в совокупности с другими существенными признаками полезной модели снижение рабочей температуры наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов вентильно-индукторного двигателя и соответствующее
увеличение надежности двигателя. При увеличении числа секций и соответственно межсекционных камер этот результат сохраняется.
Дальнейшее улучшение теплоотвода достигается выполнением в аксиальном направлении теплорассеивающих ребер и пары каналов внутреннего охлаждения под каждым пазом пакетов статора. Формирование канала наружного охлаждения с помощью дистанционных распорок упрощает изготовление двигателя, а установка воздухоохладителя в виде надстройки на корпусе позволяет избежать усложнения системы воздуховодов для подвода охлаждающего и отвода нагретого воздуха.
Источники информации
1. Патент RU 2095919, МПК Н02К 9/08, 1997 г.
2. Патент RU 2258295, МПК Н02К 9/06, Н02К 9/16, Н02К 9/18, 2005 г.
3. Патент RU 2267214, МПК Н02К 9/04, 2005 г.
4. Патент RU 2282927, МПК Н02К 9/04, 9/18, 2006 г.
5. Патент RU 2309512, МПК Н02К 9/16 Н02К 9/06, 2007 г.
6. Патент RU 2277284, МПК Н02К 19/10, 29/00, 2006 г.
7. Патент RU 2277285, МПК Н02К 16/00, 29/00, 21/14, 2006 г.