Явнополюсный ротор тяговой синхронной электрической машины

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к тяжелому электромашиностроению, и касается особенностей конструктивного выполнения явнополюсных роторов тяговых синхронных электрических машин с воздушным охлаждением. Сущность изобретения состоит в том, что явнополюсный ротор тяговой синхронной машины, содержащий катушки, съемные полюсные башмаки, имеющий зазоры между катушками и полюсными сердечниками, а также пазы в изоляционных рамках под полюсными башмаками, образующие единый воздушный канал для непосредственного охлаждения катушек полюса по внутреннему контуру. Согласно данному изобретению в полюсных сердечниках ротора выполнены каналы подвода охлаждающего воздуха. При этом упомянутые зазоры между катушками и полюсными сердечниками, пазы в изоляционной рамке и каналы подвода охлаждающего воздуха образуют единый вентиляционный канал для непосредственного охлаждения поверхности катушки по ее внутреннему контуру. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, состоит в улучшении теплоотдачи полюсных катушек путем повышения интенсификации теплоотдачи с поверхности катушек по их внутреннему контуру и в увеличении удельной мощности тяговых электрических машин. 6 ил.

 

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к крупным явнополюсным синхронным электрическим машинам, в частности тяговым синхронным генераторам.

Известен ротор явнополюсной электрической машины (а.с. СССР №633113 "Ротор явнополюсной электрической машины", МПК Н 02 К 1/24, опубл. 16.11.78), содержащий ступицу крестообразной формы, на выступах которой установлены полюсные наконечники, укрепленные осевыми шпонками, установленными в зубцах и пазах наконечника и выступа.

Недостатками этого аналога являются: повышенная трудоемкость изготовления ротора из-за необходимости высокой точности механической обработки мест сопряжения зубцов, выступов и пазов полюсных наконечников, а также пазов под осевые шпонки, и увеличенные массо-габаритные показатели из-за необходимости иметь, по условиям механической прочности, значительную толщину полюсных наконечников при размещении в них осевых шпонок. Указанная конструкция может быть использована в электрических машинах небольшой мощности и невысокой скорости вращения.

Известен явнополюсный ротор синхронной машины (а.с. СССР №748675 "Явнополюсный ротор синхронной машины", МПК Н 02 К 1/24, опубл. 18.07.80. Бюл. №26), содержащий ярмо с разделенными в продольном направлении на 2 части сердечниками полюсов, одна из которых выполнена заодно с ярмом, а вторая - отъемная и снабжена хвостовиком, размещенным в пазу ярма и скрепленным с последним посредством шпонок.

Недостатком этого аналога является, во-первых, высокая трудоемкость изготовления ярма и отъемных частей полюсных сердечников с их сложной конструкцией и конфигурацией узлов и необходимость высокой точности механической обработки мест сопряжения отъемных частей сердечников и скрепляющих шпонок, невозможность исключения зазоров по сопрягаемым плоскостям, необходимость индивидуальной подгонки цилиндрических шпонок, частей полюсных сердечников в части обеспечения совместных отверстий под шпонки. Во-вторых, не гарантируется надежное закрепление и фиксация катушек на полюсе, так как высота катушек, меньшая, по сравнению с размером от башмака до основания полюса, для возможности собираемости узла ротора, предполагает дальнейшее уплотнение катушек на собранном роторе, что практически не гарантируется. В условиях повышенных вибрационных нагрузок для железнодорожного транспорта приведенная конструкция неприемлема. В-третьих, конструкция неремонтопригодна, так как замена одной катушки на полюсе потребует выемки всех остальных катушек, увеличение же расстояния между катушками у их основания, для возможности съема одной из них, без съема соседней, приведет к значительному увеличению массы и габаритов ротора и всей электрической машины.

Ближайшим аналогом, который выбран за прототип, является явнополюсный ротор синхронной электрической машины (а.с. СССР №1274074, МПК Н 02 К 1/24, опубл. 30.11.86. Бюл. №44, патент Украины №3816, МПК Н 02 К 1/24, опубл. 27.12.94. Бюл. №6-1), в котором каждый из сердечников массивных полюсов ротора разделен относительно продольной оси машины в поперечном направлении на среднюю и торцевые части, из которых средняя часть выполнена заодно целое с ярмом, при этом торцевые части, скрепленные со средней частью, содержат радиальные проходные отверстия с крепежными элементами и полки, расположенные под катушками, а в полках выполнены радиальные резьбовые отверстия с установленными в них крепежными элементами, поджимающими катушки к полюсным башмакам. Катушки на сердечниках полюсов закреплены распорными элементами, размещенными в радиальных зазорах между внутренними поверхностями катушек и наружными сторонами сердечников, а образованные тем самым каналы, по которым проходит охлаждающий воздух, снабжены выходами в расточку статора.

Недостаток прототипа в том, что особенностью современных высоконагруженных электрических машин является большая величина потерь, отнесенных к единице площади тех поверхностей машины, которые отдают тепло в окружающую атмосферу. Для предупреждения чрезмерного повышения температуры частей машины ее необходимо интенсивно охлаждать. В большинстве случаев охлаждение электрических машин осуществляется потоком воздуха. Охлаждение электрических машин посредством потока воздуха при любой конструктивной форме решения подачи воздуха в машину и омывания им нагретых частей машин принято называть вентиляцией электрических машин.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования вентиляции явнополюсного ротора тягового синхронного генератора путем повышения интенсификации теплоотдачи с поверхности полюсных катушек по внутреннему контуру, что позволяет, в сочетании с наружным охлаждением полюсных катушек, улучшить теплоотдачу последних и повысить удельную мощность, снимаемую с поверхности ротора.

Поставленная задача решается тем, что в явнополюсном роторе тягового синхронного генератора, который содержит катушки, съемные полюсные башмаки, имеется зазор между полюсными сердечниками и катушками, а также пазы в изоляционных рамках под полюсными башмаками, образующие единый воздушный канал для непосредственного охлаждения катушек полюса по внутреннему контуру, в полюсных сердечниках ротора выполнены каналы подвода охлаждающего воздуха к внутренним теплоотдающим поверхностям полюсных катушек.

Такая конструкция устройства обеспечивает свободный вход охлаждающего воздуха, в результате чего увеличивается расход воздуха через зазоры и повышается, по сравнению с прототипом, теплоотдача с внутренней поверхности катушек для непосредственного охлаждения поверхности катушки по внутреннему контуру, что, в отличие от прототипа, позволяет повысить удельную мощность, снимаемую с поверхности ротора.

На фиг.1 изображен продольный разрез явнополюсного ротора тяговой синхронной электрической машины; на фиг.2 - поперечный разрез явнополюсного ротора; на фиг.3 - поперечный разрез полюса; на фиг.4 - торцевая часть сердечника полюсного, вид со стороны башмака полюса; на фиг.3 - рамка изолирующая; на фиг.6 - явнополюсный ротор с несколькими каналами подвода охлаждающего воздуха.

Явнополюсный ротор тяговой синхронной машины включает ярмо 1 (фиг.1, 2) из колец с выступами 2 на наружном диаметре, образующими средние части сердечников полюсов, торцевые части 3, прикрепленные к торцам выступов 2 и образующие, совместно с ними, сердечники полюсов, полюсные башмаки 4, полюсные катушки 5 на изолированном металлическом каркасе 6.

В торцевых частях 3 полюсных сердечников выполнены радиальные проходные отверстия для элементов крепления (шпилек) 7, ввинченных в башмаки 4, с гайками 8, удерживающих через башмаки катушки 5.

Также в торцевых частях 3 полюсных сердечников под катушками 5 имеются полки 9 (фиг.2, 4) с радиальными резьбовыми отверстиями 10 (фиг.4). Установленные в отверстиях 10 крепежные элементы 11 (фиг.2) поджимают полюсные катушки 5 к башмакам 4.

Между сердечниками полюсов и металлическими каркасами 6 полюсных катушек 5 выполнен зазор 12 (фиг.1-3), в указанном зазоре установлены распорные элементы 13 (фиг.3), в изолирующих рамках 14 полюсных катушек 5 со стороны башмаков 4 выполнены пазы 15 (фиг.1, 2, 5), образующие с зазором 12 между каркасом 6 и полюсными сердечниками вентиляционные каналы. В сердечнике ротора выполнены каналы подвода охлаждающего воздуха 16 (фиг.1, 3, 6).

Зазоры между катушками 5 и сердечниками 2 в промежутках между распорными элементами 13, пазы 15 в изоляционной рамке 14 и каналы подвода охлаждающего воздуха 16 (фиг.6) образуют единый вентиляционный канал для непосредственного охлаждения поверхности катушки по внутреннему контуру.

Перемещение потока охлаждающего воздуха происходит в результате действия центробежных сил в зазоре между катушками и сердечниками полюсов (вентиляторного эффекта зазора).

Выполнение каналов 16 обеспечивает свободный вход охлаждающего воздуха в зазоры между катушками 5 и сердечниками 2, в результате чего увеличивается расход воздуха через зазоры и повышается теплоотдача с внутренней поверхности катушек.

Ярмо 1 с полюсными сердечниками, катушками, башмаками и элементами крепления устанавливается на сварно-литом корпусе, включающем втулку с валом 17, фланец 18 (фиг.1).

При изготовлении ротора электрической машины на заводе-изготовителе сборка ротора осуществляется следующим образом.

Кольца с выступами-сердечниками 2 ярма 1 вырезаются газовой резкой из толстолистового стального проката. Из отходов стального проката, остающихся от средней части указанных колец ярма 1 и промежутков между соседними кольцами, вырезаются торцевые части полюсного сердечника 3.

В торцовых частях сердечников 3 механической обработкой получаются радиусные части, соответствующие радиусным частям полюсных катушек, выполняются отверстия для элементов крепления 7, полки 9 с резьбовыми отверстиями 10.

В кольце с выступами 2 ярма 1 круговой механической проточкой выполняют каналы для подвода охлаждающего воздуха 16.

Кольца с выступами-сердечниками 2 свариваются непрерывным сварным швом по внутреннему диаметру. К выступам сердечниками 2 колец привариваются торцевые части полюсных сердечников 3. Сваренное указанным выше способом ярмо с полюсными сердечниками механически обрабатывается по местам прилегания полюсных башмаков и по внутреннему посадочному диаметру. Полюсные катушки 5 собираются на изолированном металлическом каркасе 6 совместно с нижними и верхними изоляционными рамками 14, пропитываются в эпоксидном компаунде (типа композиции "Монолит-2"), запекаются и, как готовый узел, надеваются на сердечники полюсные с установкой между металлическим каркасом 6 полюсной катушки и сердечником полюсным распорных элементов 13. Устанавливаются полюсные башмаки 4 с ввернутыми шпильками 7, затягиваются гайки 8. Затем полюсные катушки окончательно поджимаются болтами 11 к полюсным башмакам 4. Таким образом, осуществляется надежное закрепление полюсных катушек от любых перемещений при воздействии центробежных сил и вибрационных нагрузок. Зазоры 12 между полюсными сердечниками и внутренними каркасами катушки, пазы 15 в изоляционных рамках 14 под полюсными башмаками 4, каналы для подвода охлаждающего воздуха 16 в кольце с выступами сердечника ротора образуют единый воздушный канал для непосредственного охлаждения катушек полюса по внутреннему контуру, что позволяет, в сочетании с наружным охлаждением полюсных катушек, улучшить теплоотдачу последних и увеличить удельную мощность тяговых электрических машин.

Явнополюсный ротор электрической машины, содержащий катушки, съемные полюсные башмаки, имеющий зазоры между полюсными сердечниками и катушками, а также пазы в изоляционных рамках под полюсными башмаками, образующие единый воздушный канал для непосредственного охлаждения катушек полюса по внутреннему контуру, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсификации теплоотдачи с поверхности катушек по внутреннему контуру, в полюсных сердечниках ротора выполнены каналы подвода охлаждающего воздуха к внутренним теплоотдающим поверхностям полюсных катушек.