Явнополюсний ротор тягової синхронної електричної машини

Дане технічне рішення відноситься до електромашинобудування, а саме до великих явнополюсних синхронних електричних машин, зокрема, тягових синхронних генераторів. Відомий ротор явнополюсної електричної машини [а.с. СРСР №633113 "Ротор явнополюсної електричної машини" МПК Н02К1/24, опубл. 16.11.78], що містить маточину хрестоподібної форми, на виступах якої встановлені полюсні наконечники, укріплені осьовими шпонками, встановленими в зубцях і пазах наконечника і виступу. Недоліками цього аналога являються підвищена працезатрата виготовлення ротора через необхідність високої точності механічної обробки місць сполучення зубців виступів і пазів полюсних наконечників, а також пазів під осьові шпонки, і збільшені ваго-габаритні показники через необхідність мати, за умовами механічної міцності, значну товщину полюсних наконечників при розміщенні в них осьових шпонок. Вказана конструкція може бути використана в електричних машинах невеликої потужності і невисокої швидкості обертання. Відомий явнополюсний ротор синхронної машини [а.с. СРСР №748675 "Явнополюсний ротор синхронної машини" МПК Н02К1/24, опубл. 18.07.80, Бюл. №26], що містить ярмо з розділеними в подовжньому напрямку на 2 частини сердечниками полюсів, одна з яких виконана заодно з ярмом, а друга окрема і постачена хвостовиком, розміщеним у пазу ярма і скріпленим з останнім за допомогою шпонок. Недоліком цього аналога є, по-перше, висока трудомісткість виготовлення ярма й окремих частин полюсних сердечників з їхньою складною конструкцією і конфігурацією вузлів і необхідність високої точності механічної обробки місць сполучення окремих частин сердечників і скріпних шпонок, неможливість виключення зазорів по площинах, що сполучаються, необхідність індивідуального припасування циліндричних шпонок, частин полюсних сердечників у частині забезпечення спільних отворів під шпонки. По-друге, не гарантується надійне закріплення і фіксація котушок на полюсі, тому що висота котушок, менша в порівнянні з розміром від башмака до основи полюса, для можливості збирання вузла ротора, припускає подальше ущільнення котушок на зібраному роторі, що практично не гарантується. В умовах підвищених вібраційних навантажень для залізничного транспорту наведена конструкція неприйнятна. Потретє, конструкція неремонтопридатна, тому що заміна однієї котушки на полюсі зажадає виїмки всіх інших котушок, збільшення ж відстані між котушками біля їхньої основи, для можливості знімання однієї з них без знімання сусідньої, призведе до значного збільшення маси і габаритів ротора і всієї електричної машини. Найближчим аналогом, що обраний за прототип, є явнополюсний ротор синхронної електричної машини [а.с. СРСР №1274074 МПК Н02К1/24, опубл. 30.11.86 Бюл. №44, патент України №3816 МПК Н02К1/24, опубл. 27.12.94 Бюл. №6-1), у якому кожний із сердечників масивних полюсів ротора розділений щодо подовжньої осі машини в поперечному напрямку на середню і торцеві частини, з яких середня частина виконана заодно ціле із ярмом, при цьому торцеві частини, скріплені із середньою частиною, містять радіальні прохідні отвори з кріпильними елементами і полки, розташовані під котушками, а в полках виконані радіальні різьбові отвори з встановленими в них кріпильними елементами, що підгортають котушки до полюсних башмаків. Котушки на сердечниках полюсів закріплені розпірними елементами, розміщеними в радіальних зазорах між внутрішніми поверхнями котушок і зовнішніх сторін сердечників, а утворені тим самим канали, по яких проходить охолодне повітря, постачені виходами в розточення статора. Недоліком прототипу є те, що особливістю сучасних високонавантажених електричних машин є велика величина втрат, віднесених до одиниці площі ти х поверхонь машини, що віддають тепло в навколишню атмосферу. Для попередження надмірного підвищення температури частин машини її необхідно інтенсивно охолоджувати. У більшості випадків охолодження електричних машин здійснюється потоком повітря. Охолодження електричних машин за допомогою потоку повітря при будь-якій конструктивній формі вирішення подачі повітря в машину й омивання ним нагрітих частин машин прийнято називати вентиляцією електричних машин. В основу винаходу поставлена задача удосконалення вентиляції явнополюсного ротора тягового синхронного генератора, шляхом підвищення інтенсифікації тепловіддачі з поверхні полюсних котушок по внутрішньому контурі, що дозволяє в сполученні з зовнішнім охолодженням полюсних котушок поліпшити тепловіддачу останніх і підвищити питому потужність, що знімається з поверхні ротора. Поставлена задача вирішується тим, що в явнополюсному роторі тягового синхронного генератора, що містить котушки, знімні полюсні башмаки, мається зазор між полюсними сердечниками і котушками, а також пази в ізоляційних рамках під полюсними башмаками, що утворюють єдиний повітряний канал для безпосереднього охолодження котушок полюса по внутрішньому контурі, у полюсних сердечниках ротора виконані канали підведення охолоджуючого повітря до внутрішніх тепловіддавальних поверхонь полюсних котушок. Така конструкція пристрою забезпечує вільний вхід охолодного повітря, у результаті чого збільшується витрата повітря через зазори і підвищується, у порівнянні з прототипом, тепловіддача з внутрішньої поверхні котушок для безпосереднього охолодження поверхні котушки по внутрішньому контуру, що, у відмінності від прототипу, дозволяє підвищити питому потужність, що знімається з поверхні ротора. На Фіг.1 зображений поздовжній розріз явнополюсного ротора тягової синхронної електричної машини; на Фіг.2 - поперечний розріз явнополюсного ротора; на Фіг.3 - поперечний розріз полюса; на Фіг.4 - торцева частина сердечника полюсного, вид з боку башмака полюса; на Фіг.5 - рамка ізолююча; на Фіг.6 явнополюсний ротор із кількома каналами підведення охолоджуючого повітря. Явнополюсний ротор тягової синхронної машини включає ярмо 1 (Фіг.1, 2) з кілець з виступами 2 на зовнішньому діаметрі, утворюючими середні частини сердечників полюсів, торцеві частини 3, прикріплені до торців виступів 2 і утворюючими разом з ними сердечники полюсів, полюсні башмаки 4, полюсні котушки 5 на ізольованому металевому каркасі 6. У торцевих частинах 3 полюсних сердечників виконані радіальні прохідні отвори для елементів кріплення (шпильок) 7, угвинчених у башмаки 4, з гайками 8, що утримують через башмаки, котушки 5. Також у торцевих частинах 3 полюсних сердечників під котушками 5 маються полки 9 (Фіг.2, 4) з радіальними різьбовими отворами 10 (Фіг.4). Встановлені в отворах 10 кріпильні елементи 11 (Фіг.2) підгортають полюсні котушки 5 до башмаків 4. Між сердечниками полюсів і металевих каркасів 6 полюсних котушок 5 виконаний зазор 12 (Фіг.1-3), у зазначеному зазорі встановлені розпірні елементи 13 (Фіг.3), в ізолюючих рамках 14 полюсних котушок 5 з боку башмаків 4 виконані пази 15 (Фіг.1, 2, 5), утворюючі із зазором 12 між каркасом 6 і полюсними сердечниками вентиляційні канали. У сердечнику ротора виконані канали підведення охолоджуючого повітря 16 (Фіг.1, 3, 6). Зазори між котушками 5 і сердечниками 2 у проміжках між розпірними елементами 13, пази 15 в ізоляційній рамці 14 і канали підведення охолоджуючого повітря 16 (Фіг.6), утворюють єдиний вентиляційний канал для безпосереднього охолодження поверхні котушки по внутрішньому контурі. Переміщення потоку охолоджуючого повітря відбувається в результаті дії відцентрових сил у зазорі між котушками і сердечниками полюсів (вентиляторного ефекту зазору). Виконання каналів 16 забезпечує вільний охолоджуючого повітря в зазори між котушками 5 і сердечниками 2, у результаті чого збільшується витрата повітря через зазори і підвищується тепловіддача з внутрішньої поверхні котушок. Ярмо 1 із полюсними сердечниками, котушками, башмаками і елементами кріплення встановлюється на зварно-литому корпусі, включаючому втулку з валом 17, фланець 18 (Фіг.1). При виготовленні ротора електричної машини на заводі-виготовлювачі, складення ротора здійснюється в такий спосіб: Кільця з виступами 2 ярма 1 вирізуються газовим різанням з товстолистового сталевого прокату. З відходів сталевого прокату, що залишаються від середньої частини зазначених кілець ярма 1 і проміжків між сусідніми кільцями, вирізаються торцеві частини полюсного сердечника 3. У торцевих частинах сердечників 3 механічною обробкою виходять радіусні частини, що відповідають радіусним частинам полюсних котушок, виконуються отвори для елементів кріплення 7, полки 9 з різьбовими отворами 10. У кільці з виступами 2 ярма 1 круговою механічною проточкою виконують канали для підведення охолоджуючого повітря 16. Кільця з виступами 2 зварюються безперервним зварним швом по внутрішньому діаметрі. До виступів 2 кілець приварюються торцеві частини полюсних сердечників 3. Зварене зазначеним вище способом ярмо з полюсними сердечниками механічно обробляється по місцях прилягання полюсних башмаків і по внутрішньому посадковому діаметрі. Полюсні котушки 5 збираються на ізольованому металевому каркасі 6 разом з нижніми і верхніми 14 ізоляційними рамками, просочуються в епоксидному компаунді (типу композиції "Моноліт-2"), запікаються і як готовий вузол надіваються на сердечники полюсні з установкою між металевим каркасом 6 полюсної котушки і сердечником полюсним розпірних елементів 13. Установлюються полюсні башмаки 4 з укрученими шпильками 7, затягуються гайки 8. Потім полюсні котушки остаточно підгортаються болтами 11 до полюсних башмаків 4. У такий спосіб здійснюється надійне закріплення полюсних котушок від будь-яких переміщень при впливі відцентрових сил і вібраційних навантажень. Зазори 12 між полюсними сердечниками і внутрішніми каркасами котушки, пази 15 в ізоляційних рамках 14 під полюсними башмаками 4, канали для підведення охолоджуючого повітря 16 у кільці з виступами сердечника ротора утворюють єдиний повітряний канал для безпосереднього охолодження котушок полюса по внутрішньому контурі, що дозволяє в сполученні з зовнішнім охолодженням полюсних котушок, поліпшити тепловіддачу останніх і збільшити питому потужність тягових електричних машин.