Ротор, содержащий полюсные башмаки с охлаждающими каналами

Изобретение относится к фазному ротору с улучшенным охлаждением для вращающейся электрической машины и к машине, содержащей такой ротор. Технический результат - повышение эффективности охлаждения. Ротор (1) вращающейся электрической машины вытянут вдоль продольной оси (X) и содержит явновыраженные полюсы (3), имеющие полюсные башмаки (3a), и внутренние охлаждающие каналы (5), проходящие по оси через по меньшей мере один полюсный башмак (3a). При этом охлаждающие каналы (5) разделены внутри полюсного башмака (3a) ребрами (4). 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Данное изобретение относится к фазному ротору для вращающейся электрической машины и к машине, содержащей такой ротор.

Данное изобретение применяется, в частности, но не ограничиваясь этим, для охлаждения обмоток ротора однофазных или многофазных вращающихся электрических машин с открытым охлаждающим контуром, имеющих скорость вращения, например, от 0 до 10000 оборотов в минуту, и мощность, например, от 0,1 до 25 МВт.

Под «вращающейся электрической машиной с открытым охлаждающим контуром» подразумевают машину с охлаждением потоком воздуха, забираемого снаружи машины.

Для обеспечения охлаждения ротора в нем выполняют охлаждающие каналы.

В заявке GB 2425662 раскрыто выполнение небольших вырезов в полюсных башмаках полюсов ротора с явновыраженными полюсами так, чтобы получить канал между каждым полюсом и намотанными электрическими проводниками данного полюса.

Из патента US 3846651 известно расположение каналов, проходящих в радиальном направлении через полюсные башмаки насаженных полюсов ротора, с тем, чтобы создать проходы, обеспечивающие протекание охлаждающей текучей среды.

В патенте US 3633054 описано расположение между полюсными башмаками явновыраженного полюса металлического бруска, в котором выполнены отверстия, обеспечивающие протекание охлаждающей текучей среды.

В публикации WO 2010/079455 раскрыты различные конструкции, предназначенные для охлаждения ротора с явновыраженными полюсами.

В патенте US 4139789 описаны полюсы, содержащие множество охлаждающих каналов, причем часть некоторых из данных каналов расположена в основании полюсных башмаков.

Существует необходимость дальнейшего улучшения охлаждения ротора вращающейся электрической машины.

Задачей данного изобретения является осуществление данного улучшения, которое выполнено согласно одному из аспектов данного изобретения, посредством ротора для вращающейся электрической машины, вытянутого вдоль продольной оси, содержащего:

- явновыраженные полюсы, имеющие полюсные наконечники или полюсные башмаки, и

- по меньшей мере один внутренний охлаждающий канал, проходящий по оси через по меньшей мере один полюсный башмак, предпочтительно через каждый полюсный башмак.

Под «внутренним каналом» подразумевается канал, проходящий по закрытому контуру поперечного сечения.

Изобретение позволяет улучшить термические характеристики машины и уменьшить нагрев обмоток ротора для заданного объема меди.

Изобретение позволяет также уменьшить максимальную температуру электрических проводников и изоляторов для заданного объема меди и снизить общую стоимость машины благодаря уменьшению количества активного материала идентичного теплового состояния по сравнению с известными машинами.

В нижеследующем описании охлаждающая текучая среда предпочтительно представляет собой воздух, но изобретение не ограничено использованием воздуха в качестве охлаждающей текучей среды.

Ротор обеспечивает протекание охлаждающей текучей среды по каналам.

В зависимости от желаемого охлаждения ротора через башмаки явновыраженных полюсов может проходить большее или меньшее количество охлаждающих каналов, например, от 1 до 15 каналов.

Различные охлаждающие каналы могут быть образованы между ребрами, расположенными в полюсных башмаках.

Ребра могут проходить по всей длине ротора или по ее части. В частности, ребра могут иметь прерывистый характер, и полюсный башмак, в таком случае, имеет зубчатую форму.

Ребра могут быть расположены внутри полюсного башмака различными способами.

Каждый охлаждающий канал может проходить по всей длине магнитопровода ротора. Каждый охлаждающий канал может проходить через ротор непрерывно или прерывисто вдоль продольной оси ротора.

Полюсные башмаки могут иметь зубчатую форму с образованием зубцов. Охлаждающие каналы в таком случае расположены в данных зубцах. Такая конфигурация позволяет охлаждающей текучей среде попеременно проходить через проходы внутри каналов и через проходы в расширенных зонах, проходящих в осевом направлении между зубцами. В результате возможно добиться еще большего улучшения конвективного теплообмена. Кроме того, охлаждающая текучая среда может протекать между зубцами в поперечном направлении. Наличие полюсных башмаков, расположенных на периферии ротора, обеспечивает преимущество трансформации кинетической энергии радиального направления охлаждающей текучей среды в кинетическую энергию осевого направления.

Зубчатая форма может быть достигнута путем расположения пакета магнитных листов в шахматном порядке, с чередованием загиба магнитных листов.

При перемещении вокруг продольной оси ротора две следующие друг за другом группы зубцов, которые могут принадлежать или не принадлежать одному и тому же полюсу, могут быть смещены по оси на один зубец, при этом пространство между зубцами может быть, например, равно осевому размеру зубца. Это позволяет ограничить потери давления.

Каждый полюсный башмак может иметь сечение вырезов, образованных в результате прохождения через него охлаждающих каналов, причем сечение-вырезов составляет более 25% полного сечения.

Каждый из явновыраженных полюсов содержит сердечник полюса и два полюсных башмака. Два соседних явновыраженных полюса образуют между собой межполюсное пространство.

В нижней части межполюсного пространства может быть расположен по меньшей мере один охлаждающий канал с тем, чтобы еще больше улучшить охлаждение ротора.

Таким образом, для каждого полюса можно обеспечить поток охлаждающей текучей среды внутри полюсных башмаков и поток в межполюсных пространствах.

Явновыраженные полюсы ротора могут быть образованы посредством сборки магнитных листов.

Каждый магнитный лист может быть выполнен за одно целое со всеми своими полюсами. Все листы ротора могут быть одинаковыми, при этом каждый лист имеет явновыраженные полюсы, имеющие только один полюсный башмак, причем все полюсные башмаки одного листа имеют одинаковое направление по окружности. При сборке ротора, листы собирают путем точного наложения друга на друга в пакет толщиной в один зубец, как указано выше, после чего другой пакет, образованный из пластин, развернутых в противоположном направлении, накладывается на первый, и так далее, так, чтобы получить чередование зубцов и увеличенных проходов вдоль каждого полюсного башмака.

Ротор может содержать стержни для удержания сборки магнитных листов.

На внешнем радиальном конце сердечников полюса ротор может содержать пазы для установки амортизаторов.

Ротор может содержать две концевые пластины для облегчения операции обмотки и улучшения общей механической прочности ротора.

Еще одним объектом изобретения, согласно другому аспекту, является вращающаяся электрическая машина, содержащая ротор, описанный выше.

Вращающаяся электрическая машина содержит статор, внутри которого вращается ротор.

Машина может содержать один или большее количество вентиляторов, которые могу приводиться или не приводиться в действие ротором для создания принудительного потока воздуха в разных охлаждающих каналах.

Изобретение более понятно из нижеследующего описания примеров его осуществления, не имеющих ограничительного характера, которое приводится со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

- на фиг. 1 в аксонометрии показан схематичный частичный вид примера магнитопровода ротора согласно изобретению;

- на фиг. 2 показан вид спереди в направлении II, показанном на фиг. 1;

- на фиг. 3 показан вид, аналогичный виду, показанному на фиг. 1, другого примера магнитопровода ротора согласно изобретению;

- на фиг. 4 отдельно и частично показан явновыраженный полюс согласно примеру осуществления изобретения; и

- на фиг. 5 показана деталь производства электрической машины согласно изобретению.

На фиг. 1 показан первый пример магнитной массы ротора 1, вытянутого вдоль продольной оси X и содержащего набор магнитных листов 2, образующих явновыраженные полюсы 3, в количестве четырех в показанном примере, при этом изобретение не ограничивается одной конкретной полярностью.

Как показано на фиг. 1, каждый полюс 3 содержит сердечник 3b полюса, вытянутый вдоль осевой линии Y, и два полюсных башмака 3a, выступающих наружу в окружном направлении.

Два соседних полюса 3 образуют между собой межполюсное пространство E.

Вокруг каждого полюса 3 намотаны электрические проводники, образующие обмотки 21, показанные на фиг. 5.

Каждый лист предпочтительно выполнен цельным, при этом он вырезан из одной и той же магнитной заготовки.

Ротор 1 может содержать стержни (не показаны) для удержания набора магнитных листов 2, проходящие через роторную массу благодаря отверстиям 11, выполненным в полюсах 3.

В роторной массе выполнено центральное гнездо 8, снабженное средством 9 предотвращения, поворота, для размещения в нем вала (не показан).

Роторная масса ротора 1 может также содержать, как показано на чертежах, гнезда 10 для размещения в них амортизаторов (не показаны).

Согласно изобретению, через каждый полюсный башмак 3a в осевом направлении проходит по меньшей мере один внутренний охлаждающий канал 5. Внутри листа данный канал не проходит к внешнему контуру листа, причем контур канала закрыт.

Предпочтительно, через каждый полюсный башмак 3a проходит несколько охлаждающих каналов 5, например, шесть каналов, как показано на фиг. 1 и 2.

Ребра 4, выполненные на полюсных башмаках 3a полюсов 3, разделяют разные охлаждающие каналы 5.

В примере, показанном на фиг. 1 и 2, каждый охлаждающий канал 5 проходит через всю длину L ротора 1 непрерывно, без прерываний.

Магнитная масса может быть образована путем укладки в пакеты одинаковых магнитных листов, при этом каналы 5 и ребра 4 образованы путем вырезания листа внутри полюсных башмаков.

В основании каждого межполюсного пространства Е может быть предусмотрен дополнительный охлаждающий канал 7, как показано на чертежах.

Канал 7 является, например, круглым в сечении, при этом он, например, может быть выполнен в выступе 18 в форме прямого угла, со сторонами, параллельными поверхностям 19 расположенных напротив полюсных башмаков 3a.

В-варианте, показанном на фиг. 3, каждый из полюсных башмаков За имеет зубчатую форму с образованием зубцов 6, в описанном примере в количестве пяти на полюсный башмак 3a, при этом изобретение не ограничено конкретным количеством зубцов.

Охлаждающие каналы 5 расположены в зубцах 6, при этом промежуток 20 между зубцами 6 образует проход расширенного сечения для охлаждающей текучей среды.

При перемещении вокруг продольной оси X ротора 1, две последовательные группы зубцов 6 смещены по оси на один зубец, при этом осевая длина L_a вдоль оси X одного зубца 6 может быть равна длине L_e промежутка 20 между двумя зубцами 6.

Полюсные башмаки 3b одного и того же полюса предпочтительно не имеют зубцов на двух противоположных концах 14, 15 оси, как показано на фиг. 3. Это упрощает установку катушек, при этом установка может быть выполнена с использованием предварительно изготовленных катушек.

Каждый полюсный башмак 3a имеет общее сечение s_t, показанное штриховыми линиями на фиг. 3, и сечение s_a вырезов, образованное охлаждающими каналами 5, проходящими через полюсный башмак 3а. Сечение s_a вырезов предпочтительно составляет более 25% общего сечения s_t полюсного башмака 3a. Сечение s_t ограничено внешним контуром башмака 3a и воображаемой прямой линией, продолжающей корпус 3b полюса.

Каналы 5 могут иметь различные сечения внутри одного и того же полюсного башмака 3a.

Для получения магнитной массы, показанной на фиг. 3, используют одинаковые листы, уложенные в пакеты в противоположных направлениях так, чтобы создать чередование зубцов 6 и расширенных проходов 20 между двумя последовательными зубцами 6.

Ротор 1 может быть, например, интегрирован во вращающуюся электрическую машину (не показана), содержащую центробежный вентилятор. В альтернативном варианте вентилятор представляет собой многоканальный вентилятор. В другом варианте вентилятор выполнен путем установки последовательно центробежного вентилятора и осевого вентилятора.

Всасываемый вентилятором воздух проходит через охлаждающие каналы 5, расположенные в полюсных башмаках 3а каждого явновыраженного полюса 3. Кроме того, воздух может проходить в воздушный промежуток и через каналы 7, расположенные в основании межполюсных пространств E.

Если каналы 5 внутри полярных башмаков 3а проходят прерывисто, то есть, если каждый из полюсных башмаков явновыраженных полюсов 3 имеет зубчатую форму, как показано на фиг. 3, такая прерывистость обеспечивает прохождение воздуха в поперечном направлении из промежутков 20 между двумя зубцами 6 к межполюсному пространству E.

На фиг. 5 частично показаны статор и ротор вращающейся электрической машины согласно изобретению. На данном чертеже видно, что единственный вырез в выступе 18, соответствующий каналу 7 в примерах, показанных на фиг. 1 и 3, может быть заменен множеством каналов 7, разделенных ребрами 23.

Изобретение не ограничено описанными выше примерами.

Возможно, например, комбинирование характеристик, описанных со ссылками на различные не показанные варианты осуществления изобретения.

Ребра 4 могут иметь любую форму.

Изобретение может быть использовано для роторов с насаженными полюсными башмаками. Изобретение не ограничено только конкретными явновыраженными полюсами.

Изобретение может быть применено к монолитным роторам, полученным в результате механической обработки из цельной заготовки магнитного материала.

Если не указано иное, выражение «содержит один…» следует понимать как синоним выражения «содержит по меньшей мере один…».

1. Ротор (1) для вращающейся электрической машины, вытянутый вдоль продольной оси (X), содержащий:
- явновыраженные полюсы (3), имеющие полюсные башмаки (3a), и
- внутренние охлаждающие каналы (5), проходящие по оси через по меньшей мере один полюсный башмак (3a), причем охлаждающие каналы (5) разделены внутри полюсного башмака (3a) ребрами (4).

2. Ротор по п. 1, причем каждый из полюсных башмаков (3a) явновыраженных полюсов (3) имеет от 2 до 15 охлаждающих каналов (5), проходящих через них.

3. Ротор по п. 1, причем охлаждающие каналы (5) проходят по всей длине (L) магнитной массы ротора (1).

4. Ротор по п. 1, причем охлаждающие каналы (5) проходят непрерывно через ротор (1) вдоль продольной оси (X).

5. Ротор по п. 1, причем каждый из полюсных башмаков (3a) имеет зубчатую форму с образованием зубцов (6).

6. Ротор по п. 5, причем две следующие друг за другом группы зубцов (6) при перемещении вокруг продольной оси (X) ротора (1) смещены по оси на один зубец (6).

7. Ротор по п. 5, причем осевой размер (L_a) одного зубца (6) равен осевому размеру (L_e) промежутка (20) между двумя зубцами (6).

8. Ротор по п. 1, причем каждый полюсный башмак (3а) имеет сечение (s_a) вырезов, составляющее более 25% общего сечения (s_t).

9. Ротор по п. 1, причем два соседних явновыраженных полюса (3) образуют между собой межполюсное пространство (E), при этом по меньшей мере один охлаждающий канал (7) проходит через выступ (18) в основании межполюсного пространства (E).

10. Ротор по п. 1, причем явновыраженные полюсы (3) образованы посредством сборки одинаковых и цельных магнитных листов (2).

11. Ротор по п. 1, причем он является цельным.

12. Вращающаяся электрическая машина, содержащая ротор (1) по п. 1.