ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ СТАТОРА
ELECTRIC MACHINE WITH LIQUID COOLING OF STATOR

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано при создании двигателей и генераторов промышленного назначения с вращающимся ротором, в том числе для тяговых приводов.
Известна электрическая машина с жидкостным охлаждением статора, содержащая охлаждающую рубашку, выполненную в виде трубопроводов (каналов), равномерно охватывающих внешнюю поверхность сердечника статора, через которые прокачивается охлаждающая жидкость (RU 2223584 С2, Н02K 1/20, Н02K 9/02, 20.01.2003; US 8686606 В2, Н02K 9/00, 01.01.2014).
Недостатком этого технического решения является низкая теплотехническая эффективность охлаждения обмоток электрической машины. Обусловлено это удаленностью каналов с охлаждающей жидкостью от наиболее нагреваемой внутренней части статора - от зубцовой зоны мест расположения обмоток.
Известна электрическая машина, в которой элементы жидкостного охлаждения статора (охладители), выполненные в виде плоских силуминовых сегментов с залитыми в них змеевиками из стальной нержавеющей трубки с охлаждающей жидкостью, размещены между участками разделенного по длине сердечника статора (SU 1667201 A1, Н02K 9/19, Н02K 15/00, 30.07.1991).
К недостаткам этой электрической машины относятся ее повышенные габаритные размеры, поскольку установка охладителей между отдельными участками сердечника статора приводит к увеличению его осевой длины. Кроме того, пониженная теплопроводность нержавеющей стали по сравнению с теплопроводностью меди или алюминия, а также неравномерность распределения температуры за счет технологических зазоров между отдельными сегментами охладителей, приводит к снижению теплотехнической эффективности охлаждения.
Известна также электрическая машина с жидкостным охлаждением статора, в которой охладители с охлаждающей жидкостью размещены без зазора между участками разделенного по длине сердечника статора, набранного из изолированных листов электротехнической стали. Охладители состоит из медных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, и медных корпусов, в который вложены эти трубки. Технологические зазоры между трубками и корпусом охладителей заполнены теплопроводной пастой (RU 2439768 С2, Н02К9/19, Н02К1/12,10.01.2012).
Эта электрическая машина также имеет повышенные габаритные размеры из-за увеличения длины сердечника статора на суммарную толщину охладителей, а также относительно невысокую теплотехническая эффективность охлаждения по причине наличия на пути теплового потока технологических зазоров между медной трубкой и корпусом, заполненных теплопроводной пастой, которая имеет, по сравнению с металлами, более высокое тепловое сопротивление.
Наиболее близкой к предложенной является электрическая машина с жидкостным охлаждением статора, в которой реализована принудительная прокачка охлаждающей жидкости по осевым каналам внутри магнитопровода статора.
В этой электрической машине жидкостное охлаждение статора реализовано в виде системы трубок (охладителей), выполненных из металла и вложенных в тело сердечника статора, по которым циркулирует хладоагент (вода, масло и т.п.), охлаждаемый во внешнем теплообменнике. Трубки (охладители) размещены в каналах сердечника статора по аксиальной или радиальной схеме и приближены к его обмоткам (US 20130076167 Al, Н02К 9/19, 28.03.2013; Филиппов И.Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. - М.-Л.: Энергия, 1964, стр. 197-199).
Размещение охладителей (трубок) вблизи обмоток позволяет повысить эффективность охлаждения как обмоток, так и магнитопровода, и увеличить надежность работы электрической машины без ухудшения ее массогабаритных показателей.
Однако при работе электрической машины часть изменяющегося во времени магнитного потока в спинке сердечника распространяется в промежутке между охладителями (трубками) и наружной поверхностью статора, т.е. охватывает эти трубки, что приводит к возникновению на них ЭДС. Трубки с торцов статора соединены между собой через коллекторы, что приводит к образованию короткозамкнутых контуров. Протекающий по ним паразитный электрический ток приводит к увеличению потерь в статоре электрической машине и к его дополнительному нагреву.
Металлические трубки в отверстиях каналов охлаждения соприкасаются с листами электротехнической стали и имеют с ними электрический контакт, что также приводит к образованию короткозамкнутых контуров, дополнительным потерям и к ухудшению охлаждения статора электрической машины.
К ухудшению охлаждения и увеличению потерь в статоре известной электрической машины приводит также наличие технологических зазоров между трубками и каналами сердечника статора, обладающих повышенным тепловым сопротивлением. Перепад температур на этих зазорах приводит к увеличению температуры сердечника статора и, соответственно, его обмоток. Увеличение температуры обмоток, вследствие положительного температурного коэффициента электрического сопротивления обмоточного провода, сопровождается увеличением электрического сопротивления обмоток и соответствующим увеличением потерь в обмотках и в целом в статоре.
Снижение эффективности охлаждения статора известной электрической машины обусловлено также отсутствием передачи тепла от статора через узлы крепления этой электрической машины на механизмы, к которым она присоединена.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является улучшение охлаждения статора при одновременном снижении потерь в нем.
При этом под улучшением охлаждения подразумевается снижение температуры статора - его сердечника и обмоток, обусловленное улучшением отвода тепла от них через сердечник статора, и/или уменьшением потерь - снижением выделения тепла в сердечнике, обмотке и/или в элементах системы охлаждения (трубках, каналах).
В электрической машине с жидкостным охлаждением статора, содержащей сердечник статора с обмоткой, набранный из листов электротехнической стали, в спинке которого выполнены герметизированные каналы, соединенные между собой последовательно и/или параллельно с помощью коллекторов, приспособленных для подвода и отвода жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике, подшипниковые щиты и ротор с валом, указанный технический результат достигается за счет того, что для обеспечения герметизации каналов зазоры между листами электротехнической стали заполнены герметизирующим компаундом или клеем и/или в этих каналах размещены трубки с дополнительной реализацией одного или одновременно нескольких следующих технических решений:
- трубки выполнены из электроизоляционного, и/или из магнитопроводящего материала, и/или из металла, изолированного от листов электротехнической стали и/или по меньшей мере от одного коллектора;
- трубки размещены с заполнением зазоров между этими трубками и листами электротехнической стали теплопроводящим компаундом или клеем;
- трубки выполнены из материала, допускающего их установку в каналы с использованием развальцовки, или запрессовки, или гидроопрессовки, или пневмоопрессовки, или вплавления в поверхность этих каналов и, соответственно, установлены с обеспечением теплового контакта с листами электротехнической стали с помощью этой технологии.
В изобретении, реализованном в соответствии с другим независимым пунктом его формулы, указанный технический результат достигается за счет того, что электрическая машина присоединена непосредственно к редуктору или к корпусу маховика двигателя внутреннего сгорания (ЛВС) с помощью болтов или шпилек, проходящих через отверстия спинке сердечника статора, приспособленные для такого присоединения.
Кроме того, для достижения указанного технического результата, в частности:
а) коллекторы размещены или реализованы внутри подшипниковых щитов около их наружных поверхностей или прикреплены к этим поверхностям;
б) каналы выполнены аксиальными, а их число выбрано равным числу зубцов сердечника статора, причем каналы размещены напротив этих зубцов, а участки пазов сердечника статора, обращенные к каналам, скруглены;
в) между подшипниковыми щитами и торцевыми поверхностями спинки сердечника статора размещены кольцевые нажимные элементы с отверстиями, расположенными в направлении продолжения каналов в этом сердечнике, причем между поверхностями соприкосновения этих элементов со спинкой сердечника статора и подшипниковыми щитами нанесен герметизирующий компаунд и/или установлены прокладки;
г) каналы и размещенные в них трубки в их поперечном сечении имеют круглую, плоскоовальную или треугольную форму со скругленными или острыми углами;
д) трубки выполнены из теплопроводящего электроизоляционного материала, или из магнитомягкой стали, или из магнитомягкого композиционного материала, или из магнитопроводящего эластомера, термопласта или реактопласта;
е) наружные размеры трубок до их установки в каналы сердечника статора выбраны равными размерам этих каналов в нагретом состоянии сердечника статора или меньше размеров этих каналов на величину, не превышающую величину их теплового расширения;
ж) трубки впрессованы в каналы статора, вклеены в эти каналы с использованием теплопроводного клея или компаунда, вплавлены в поверхность этих каналов или развальцованы в них;
з) трубки выполнены из металла и имеют оксидную пленку или изоляционное покрытие их поверхностей, соприкасающихся с листами электротехнической стали, и/или по меньшей мере с одним коллектором и/или кольцевым нажимным элементом;
и) статор имеет бескорпусную конструкцию, а листы электротехнической стали его сердечника склеены между собой или скреплены аксиально установленными шпильками или болтами;
к) количество и взаимное расположение отверстий в сердечнике статора, приспособленных для присоединения электрической машины к корпусу маховика ДВС, совпадает с количеством и взаимным расположением отверстий под крепежные болты на корпусе маховика ДВС, в частности, их количество равно 8, 12 или 16, а расположение соответствует спецификации стандарта SAE J617 в части размеров корпуса маховика ДВС;
л) отверстия, приспособленные для присоединения электрической машины к редуктору или к корпусу маховика ДВС, расположены в спинке статора вблизи его наружной поверхности между зубцами его сердечника;
м) каналы выполнены аксиальными и размещены напротив зубцов сердечника статора, а количество отверстий, приспособленных для присоединения электрической машины к редуктору или к корпусу маховика ДВС, равно числу или меньше числа зубцов сердечника статора в целое число раз;
н) статор имеет бескорпусную конструкцию, а листы электротехнической стали его сердечника склеены между собой и/или скреплены втулками, размещенными в отверстиях сердечника статора, причем внутри этих втулок расположены шпильки или болты, приспособленные для присоединения электрической машины к редуктору или к корпусу маховика ДВС
Указанные отличительные признаки изобретения обеспечивают повышение эффективности охлаждения статора, в том числе его обмоток, при одновременном снижения потерь в сердечнике и/или в обмотках за счет размещения каналов с охлаждающей жидкостью непосредственно внутри сердечника статора с обеспечением кратчайшего пути распространения теплового потока от активных тепловыделяющих частей статора до границы с охлаждающей жидкостью, а также за счет сокращения теплового сопротивления на пути распространения этого теплового потока.
В том числе, реализация первого альтернативного признака изобретения, предусматривающего герметизацию каналов сердечника статора путем заполнения зазоров между листами электротехнической стали герметизирующим компаундом или клеем без установки дополнительных трубок, обеспечивает улучшение охлаждения статора благодаря достижению минимально возможного теплового сопротивления между листами электротехнической стали и охлаждающей жидкостью за счет их непосредственного контакта. Заполнение воздушных зазоров между листами электротехнической стали компаундом или клеем приводит также к небольшому (ввиду малой величины этих зазоров) улучшению отвода тепла от обмоток за счет того, что компаунд или клей имеют, по сравнению с воздухом, значительно более высокую теплопроводность.
Улучшение охлаждения статора с соответствующим снижением температуры его сердечника и обмоток обеспечивает также снижение потерь в обмотках по причине снижения величины их электрического сопротивления, поскольку провод в обмотках имеет положительный температурный коэффициент электрического сопротивления.
Реализация второго альтернативного признака изобретения, согласно которому трубки с охлаждающей жидкостью выполнены из электроизоляционного материала, преимущественно с высокой теплопроводностью, или из металла, изолированного от листов электротехнической стали и/или по меньшей мере от одного коллектора (благодаря применению трубок из металла, имеющих оксидную пленку или изоляционное покрытие), позволяет исключить короткозамкнутые контуры, образованные этими трубками. Благодаря этому исключаются паразитные электрические токи, которые в прототипе вызваны тем, что при работе электрической машины трубки, расположенные внутри сердечника статора, частично охватываются переменным магнитным потоком, протекающим в его спинке. Исключение дополнительного нагрева этими токами приводит к снижению потерь в статоре и к улучшению его охлаждения.
В случае реализации следующего альтернативного отличительного признака, заключающегося в выполнении трубок из магнитопроводящего материала, в частности, из магнитомягкой стали, магнитомягкого композиционного материала или магнитопроводящего эластомера, термопласта или реактопласта, часть магнитного потока в спинке сердечника статора протекает в теле этих трубок. В результате перераспределения магнитного потока происходит снижение величины индукции в спинке статора и уменьшение соответствующих потерь на перемагничивание электротехнической стали. Одновременно со снижением потерь достигается снижение температуры статора электрической машины, т.е. улучшение его охлаждения.
Заполнение теплопроводящим компаундом или клеем зазоров между трубками с охлаждающей жидкостью и листами электротехнической стали в каналах, в которых размещены эти трубки, предусмотренное еще одним альтернативном отличительным признаком изобретения, позволяет уменьшить тепловое сопротивление между сердечником статора и этими трубками и, соответственно, обеспечивает улучшение охлаждения статора. Снижение температуры его обмоток приводит к уменьшению их активного сопротивления и, соответственно, к снижению потерь в статоре, поскольку провод в обмотках имеет положительный температурный коэффициент электрического сопротивления.
По этим же причинам улучшение охлаждения статора при одновременном снижении потерь в нем достигается при реализации следующего альтернативного отличительного признака изобретения, согласно которому трубки выполнены из материала, допускающего их установку в каналы с использованием развальцовки, запрессовки, гидроопрессовки, пневмоопрессовки или вплавления в поверхность этих каналов. Реализация любой из этих технологий установки трубок в аксиальные каналы сердечника статора обеспечивает минимальное тепловое сопротивление между листами электротехнической стали и трубками и, соответственно, минимальный перепад температур между охлаждающей жидкостью и сердечником статора. Соответствующее снижение температуры обмоток приводит к снижению температуры обмоток, потерь в них и в статоре в целом.
Реализация отличительных признаков второго независимого пункта формулы изобретения, предусматривающего выполнение в спинке сердечника статора дополнительных отверстий, приспособленных для присоединения электрической машины непосредственно к редуктору или к корпусу маховика ДВС с помощью болтов или шпилек, проходящих через эти отверстия, обеспечивает улучшение охлаждения статора за счет передачи тепла от статора через передний подшипниковый щит на корпус редуктора или маховика ДВС. В этом случае в дополнение к жидкостному охлаждению статора осуществляется также его охлаждение путем передачи тепла через достаточно большие поверхности соприкосновения подшипникового щита с корпусом редуктора или маховика ДВС. Улучшение охлаждения статора и соответствующее снижение температуры его обмоток обеспечивает также снижение потерь в статоре за счет снижения электрического сопротивления его обмоток.
В частных альтернативных вариантах реализации изобретения, указанных в зависимых пунктах его формулы, также достигается указанный технический результат.
В частности, размещение или реализация коллекторов внутри подшипниковых щитов около их наружных поверхностей, либо их крепление к этим поверхностям, а также размещение между подшипниковыми щитами и торцевыми поверхностями спинки сердечника статора кольцевых нажимных элементов с отверстиями, расположенными в направлении продолжения каналов в этом сердечнике, с установкой прокладок и/или с заполнением неровностей и зазоров герметизирующим компаундом, обеспечивает улучшение охлаждения статора и соответствующее снижение потерь в нем за счет интенсификации отвода тепла с торцевых поверхностей этой спинки.
Реализация аксиальных каналов, число которых равно числу зубцов сердечника статора, с их размещением напротив зубцов трапецеидальной формы со скруглением участков пазов сердечника статора, обращенных к этим каналам, позволяет, во-первых, максимально приблизить каналы с охлаждающей жидкостью к тепловыделяющим участкам статора и, во-вторых, увеличить сечение магнитопровода в промежутках между пазами статора и каналами. Это приводит к улучшению охлаждения статора и снижению потерь в нем за счет уменьшения потерь на перемагничивание электротехнической стали в указанных промежутках.
К улучшению охлаждения статора и снижению потерь в нем приводит также реализация каналов и размещенных в них трубок треугольной формы со скругленными или острыми углами. Периметр треугольника больше, чем длина окружности круга равной площади. Благодаря этому увеличивается площадь контакта трубок с сердечником статора и, соответственно, эффективность его охлаждения. Кроме того, реализация каналов и трубок треугольной формы с максимальным расположением их сторон параллельно магнитным силовым линиям приводит к минимизации влияния каналов на прохождение магнитного потока в сердечнике, что увеличивает его эффективное сечение и снижает потери на перемагничивание электротехнической стали.
Установка в каналы сердечника статора трубок, наружные размеры которых до этой установки меньше или равны размерам этих каналов в нагретом состоянии сердечника статора, предусмотренное другим частным альтернативным признаком изобретения, приводит к улучшению теплового контакта трубок с сердечником статора, за счет того, что сердечник статора более плотно охватывает указанные трубки после своего сжатия при охлаждении. Это также обеспечивает улучшение охлаждение статора и соответствующее снижение потерь в нем за счет снижения температуры обмоток.
Реализация бескорпусной конструкции статора, при которой листы электротехнической стали его сердечника склеены между собой или скреплены аксиально установленными шпильками или втулками, размещенными в отверстиях этого сердечника, позволяет уменьшить тепловое сопротивление между сердечником статора и окружающей средой за счет отсутствия внешнего корпуса. В данном случае улучшение охлаждения статора достигается за счет того, что в дополнение к жидкостному охлаждению статора реализуется естественная или принудительная воздушная вентиляция его наружной поверхности.
Выбор количества (8, 12 или 16) и взаимного расположения отверстий в сердечнике статора, использующихся для присоединения электрической машины к корпусу маховика ДВС, в соответствии со спецификацией стандарта SAE J617, а также расположение этих отверстий в спинке сердечника статора вблизи его наружной поверхности между зубцами сердечника напротив его пазов, позволяет минимизировать влияние этих отверстий на распространение магнитного потока в спинке сердечника статора, что приводит к уменьшению величины индукции магнитного поля в этой спинке, к соответствующему снижению потерь на перемагничивания в электротехнической стали и температуры статора (к улучшению его охлаждения).
Выбор количества отверстий, использующихся для присоединения электрической машины к корпусу редуктора или маховика ДВС, равным числу или меньше числа зубцов сердечника статора в целое число раз обеспечивает максимальное удаление этих отверстий от зубцов статора. Это также обеспечивает минимизацию влияния этих отверстий на распространение магнитного потока в спинке сердечника статора и достижение того же технического результата по аналогичным причинам.
Поэтому реализация различных альтернативных отличительных признаков изобретения, приведенных как в независимых, так и в зависимых пунктах его формулы, приводит к достижению одного и того же технического результата - к улучшению охлаждения статора при одновременном снижении потерь в нем.
При этом улучшение охлаждения статора, т.е. снижение его температуры, достигается благодаря реализации как одного из указанных (любого), так и одновременно нескольких отличительных признаков предложенного изобретения их любом сочетании.
Например, если для герметизации каналов зазоры между листами электротехнической стали заполнены герметизирующим компаундом или клеем, то в дополнение к этому в каналах могут быть размещены изолированные трубки. В этом случае непосредственный контакт охлаждающей жидкости с листами электротехнической стали отсутствует. Однако заполнение зазоров между листами герметизирующим компаундом или клеем позволяет улучшить охлаждение статора и снизить потери в нем за счет того, передача тепла от обмоток осуществляется не только вдоль листов электротехнической стали, но и по компаунду или клею между этими листами, имеющему по сравнению с воздухом более высокую теплопроводность.
Если в дополнение к этому трубки выполнены их магнитопроводящего материала, то происходит снижение потерь в сердечнике статора и дополнительное улучшение его охлаждения за счет перераспределения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание электротехнической стали.
Реализация одного из этих технических решений или их комбинации не исключает возможности дополнительно заполнить зазоры между трубками и листами электротехнической стали теплопроводящим компаундом или клеем, улучшив тем самым охлаждение статора и уменьшив потери в нем. Кроме того, независимо от наличия между трубками и каналами и между листами электротехнической стали компаунда или клея, может быть реализована развальцовка, запрессовка, гидроопрессовка, пневмоопрессовка или вплавление трубок в поверхность этих каналов с соответствующим дополнительным улучшением охлаждения и снижением потерь в статоре электрической машины.
Реализация различных вариантов герметизации каналов не препятствует также выполнению в спинке статора отверстий, использующихся для присоединения электрической машины непосредственно к редуктору или к корпусу маховика ДВС с соответствующим улучшением охлаждения статора и снижением потерь в нем за счет передачи тепла от спинки статора через подшипниковый щит на корпус маховика.
На фиг.1 и фиг.2 схематично показана электрическая машина с жидкостным охлаждением статора и ее отдельные элементы.
Электрическая машина может быть электрическим двигателем и/или генератором. По принципу своего действия она может быть вентильно-индукторной (вентильной реактивной, вентильной индукторно-реактивной) (ВРД, ВИД, ВИРД) без постоянных магнитов и обмоток на роторе, именуемой в зарубежной технической литературе как электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением: «SRM» (Switched Reluctance Motor), синхронной с постоянными магнитами на роторе, именуемой в зарубежной литературе: «PMSM» (Permanent Magnet Synchronous Motor), «BLDC» (Brushless Direct Current Motor) или «РМа-SynRM» (Permanent magnet-assisted synchronous reluctance machines), с комбинированным (гибридным) электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением: «HEFSM» (Hybrid excitation flux switching motor), а также асинхронной: «IM» (Induction motor) с короткозамкнутым или фазным ротором.
Она содержит сердечник 1 статора, набранный из листов (пластин) 2 электротехнической стали, с сосредоточенной или распределенной обмоткой 3, размещенной в пазах 4 этого сердечника на его зубцах (между зубцами) 5.
В спинке сердечника 1 выполнены аксиальные герметизированные каналы 6. Их число выбрано равным числу зубцов 5 сердечника 1. Каналы размещены напротив этих зубцов, а участки пазов 4 сердечника, обращенные к этим каналам, скруглены.
Каналы 6 гидравлически соединены между собой с помощью коллекторов 7, 8, представляющих собой кольцевые камеры с поперечными перегородками или без них. Коллекторы расположены, преимущественно, внутри подшипниковых щитов 9, 10 ближе к их наружным поверхностям, либо прикреплены к ним с наружной стороны электрической машины. Они могут быть изготовлены в виде отдельных деталей или представлять собой внутренние полости подшипниковых щитов 9, 10, отлитых из алюминиевого сплава.
Каналы 6 соединены между собой последовательно, параллельно или по смешанной схеме. Если сердечник статора имеет, например, 16 каналов, то все эти каналы могут быть соединены между собой последовательно, или параллельно, или объединены в 8 ветвей, каждая их которых содержит по 2 последовательно соединенных канала, или объединены в 4 ветви по 4 последовательно соединенных канала в каждой, или в 2 ветви по 8 последовательно соединенных каналов. Выбор соединения осуществляется путем установки перегородок (перемычек) в коллекторах.
Подвод и отвод охлаждающей жидкости Q (вода, масло, антифриз и т.д.) осуществляется через подводящий (входной) и отводящий (выходной) штуцеры (патрубки, фитинги) 11, 12. Охлаждающая жидкость прокачивается через каналы 6, коллекторы 7, 8 и внешний теплообменник с помощью циркуляционного насоса (на чертежах условно не показаны).
В дополнение к жидкостному охлаждению может применяться воздушное конвективное (естественное) или принудительное (с помощью внешнего вентилятора) охлаждение наружной поверхности сердечника 1 статора.
Между подшипниковыми щитами 9, 10 и торцевыми поверхностями спинки сердечника 1 статора могут быть размещены кольцевые нажимные элементы (плиты, кольца) 13, 14 с радиальными отверстиями, расположенными соосно с каналами 6 сердечника статора (в направлении продолжения этих каналов) и обеспечивающими протекание охлаждающей жидкости.
Буртики подшипниковых щитов 9, 10 входят в расточки нажимных элементов 13, 14, образуя внутренние замки.
Зазоры 15, 16 между этими элементами и торцевыми поверхностями спинки 1 сердечника статора и подшипниковых щитов, возникающие вследствие неплоскостности и шероховатости прилегающих поверхностей, могут быть заполнены герметизирующим компаундом или клеем. Если необходимо обеспечить технологичность разборки электрической машины, вместо компаунда или клея установлены прокладки.
Ротор 17 может иметь различную конструкцию. Его магнитопровод, как правило, набран из листов электротехнической стали. Он может быть явнополюсным (зубчатым) пассивным, если электрическая машина является индукторной реактивной (SRM). Ротор может также содержать постоянные магниты, в частности интегрированные в тело ротора по V-образной схеме, или короткозамкнутую обмотку, если электрическая машина является, соответственно, машиной с постоянными магнитами (BLDC, PMSM) или асинхронной (IM).
Пакет магнитопровода ротора 17 закреплен на валу 18, защищен от проворота шпонкой и сжат кольцами 19, 20, прикрепленными к валу 18 с помощью винтов.
Электрическая машина может иметь бескорпусную конструкцию. В этом случае необходимая механическая прочность статора обеспечивается путем склейки между собой листов электротехнической стали 2 сердечника статора.
Склейка может осуществляться путем предварительного несения клея (компаунда) на каждую сторону отдельного листа, последующей сборки листов в пакет на оправку, сжатия пакета и его термообработки для отверждения клея.
Возможно также склеивание этого пакета капиллярным способом. В этом случае используется теплостойкий зазорозаполняющий клей, например ВК-64, эпоксидный компаунд, например типа ЭК-1М или УП-505, обладающий одновременно клеющими и пропиточными (капиллярными) свойствами. Вязкость клея (компаунда) должна обеспечивать его проникновение в зазоры между соседними листами (не более нескольких микрон). При использовании этой технологии листы набираются в пакет на оправку и сжимаются по торцам тарированной пружиной с небольшим усилием. После этого к боковой поверхности пакета подводится клей (компаунд). Благодаря капиллярным свойствам (силам), клей приникает в зазоры между листами, смачивая их боковые поверхности. Для ускорения процесса проникновения клея оправка с пакетом может предварительно нагреваться. После этого пакет дополнительно подпрессовывается и далее подвергается термообработке в соответствии с режимом отверждения клея.
Склейка листов электротехнической стали кроме повышения механической прочности статора обеспечивает герметизацию каналов 6 в его сердечнике.
При отсутствии склейки, либо в дополнение к ней, листы электротехнической стали сердечника статора могут быть скреплены между собой аксиально установленными шпильками или болтами 21. Для этого в спинке 1 сердечника статора, предпочтительно вблизи его наружной поверхности между зубцами 5, дополнительно выполнены отверстия 22.
Шпильки или болты 21 через эти отверстия стягивают между собой подшипниковые щиты 9, 10, либо кольцевые нажимные элементы 13, 14.
С помощью этих шпилек или болтов электрическая машина может быть соединена непосредственно с корпусом внешнего редуктора, например, колесного или бортового редуктора, с корпусом коробки передач трансмиссии и т.д.
В случае соединения с корпусом 23 маховика 24 ДВС, количество и взаимное расположение отверстий 22 в сердечнике статора и в переднем подшипниковом щите 9 совпадает с количеством и взаимным расположением отверстий под крепежные болты в корпусе 23 маховика ДВС. Количество этих отверстий равно 8, 12 или 16, а их взаимное положение соответствует спецификации стандарта SAE J617 в части размеров корпуса маховика ДВС.
С целью уменьшения влияния отверстий 22 на распространение магнитного потока в спинке сердечника статора, они расположены преимущественно напротив пазов 4 сердечника статора, а их количество равно числу или меньше числа зубцов этого сердечника в целое число раз.
В эти отверстия могут быть вставлены и развальцованы, запрессованы или вклеены втулки 25, внутри которых проходят указанные шпильки или болты 21. Втулки обеспечивают необходимую прочность статора до присоединения электрической машины к редуктору или к ДВС. Например, при ее транспортировании. На фиг. 1 показан вариант реализации статора без втулок, на фиг. 2 - с втулками 25.
Соединение вала 18 с первичным валом редуктора или с маховиком 24 может осуществляться непосредственно, через торсион или упругую муфту 26.
Герметизация каналов 6, в зависимости от варианта реализации изобретения, может обеспечиваться как путем склейки между собой листов электротехнической стали, так и путем установки в эти каналы трубок 27. Причем эти трубки могут устанавливаться как при наличии, так и при отсутствии склейки листов.
Каналы 6 и размещенные в них трубки 27 в поперечном сечении могут иметь любую форму - круглую, плоскоовальную или треугольную со скругленными или острыми углами и т.д. Если каналы не круглые, то их расположение в спинке сердечника статора выбрано таким образом, чтобы их стороны были максимально приближены к направлению магнитных силовых линий в спинке статора и, соответственно, чтобы их наличие не приводило к существенному увеличению магнитного сопротивления магнитопровода статора. В частности, плоская сторона плоскоовальных каналов или одна из сторон треугольного канала расположена параллельно или симметрично наружной поверхности статора, а одна из вершин треугольного канала направлена в сторону зуба статора по его оси.
Материал трубок выбран с повышенной теплопроводностью.
Трубки 27, в зависимости от варианта реализации изобретения, могут быть выполнены из электроизоляционного материала - теплопроводного (термопроводящего) полимерного материала. Может применяться сшитый полиэтилен, теплопроводный сополиэфирный эластомер, теплопроводный жидкокристаллический полимер, термически проводящий полиамид, термически проводящий полипропилен, термически проводящий полифениленсульфид или термопроводящий термопластичный эластомер. Трубки могут быть выполнены также из металла и/или из магнитопроводящего материала.
Если трубки, выполнены из металла - меди, латуни, алюминия или его сплавов, нержавеющей или магнитомягкой стали и т.д., то эти трубки, с целью исключения короткозамкнутых контуров, целесообразно изолировать от листов электротехнической стали 2 в каналах 6, а также от коллекторов 7, 8 и от кольцевых нажимных элементов 13, 14 (при их наличии). С этой целью применяются трубки с оксидной пленкой (например, из алюминия) или с изоляционным, предпочтительно теплопроводящим, покрытием их наружных поверхностей.
В качестве магнитопроводящего материала трубок 27 может использоваться магнитомягкая сталь, магнитомягкий композиционный материал, а также магнитопроводящий эластомер, термопласт или реактопласт.
Трубки могут быть изготовлены путем заливки в каналы алюминия (с изоляцией от листов электротехнической стали или без изоляции) и последующего сверления.
Указанное в формуле изобретения сочетание союзов «и/или», что эквивалентно «и (или)», означает, что в каналах 6 могут устанавливаться трубки, выполненные как из одного материала, так и из различных материалов в их любом сочетании. Например, часть трубок может быть выполнена из электроизоляционного материала, а часть трубок - из металла с его изоляцией от листов электротехнической стали и коллекторов. При этом все трубки или их часть могут быть выполнены из магнитопроводящего материала.
Трубки 27 независимо от материала, из которого они изготовлены, могут быть размещены в каналах 6 с заполнением зазоров (неровностей, шероховатостей, расшихтовки листов электротехнической стали и т.п.) между этими трубками и листами электротехнической стали теплопроводящим зазорозаполняющим компаундом или клеем, например, с использованием технологии капельной пропитки, либо теплопроводящей (теплопроводной) пастой.
Кроме того, эти трубки могут быть установлены в каналы 6 сердечника статора с использованием технологии, обеспечивающей достижение минимального теплового сопротивления между этими трубками и листами электротехнической стали 2 на внутренней поверхности каналов 6, а именно, с использованием развальцовки, запрессовки, гидроопрессовки, пневмоопрессовки или вплавления трубок в поверхность этих каналов.
В частности, трубки, вставленные с минимальным зазором в каналы 6, расширяются изнутри раскаткой роликами специального инструмента - вальцовки, путем подачи жидкости или газа под высоким давлением. При установке может использоваться нагрев трубок или сердечника статора.
Причем любая из указанных технологий может применяться при установке трубок в каналы как без теплопроводящего зазорозаполняющего компаунда или клея, так и с ним. В последнем случае, наряду с обеспечением прямого механического и теплового контакта трубок с торцами выступающих листов электротехнической стали в каналах 6, компаунд или клей заполняет зазоры между этими трубками и оставшимися утопленными листами электротехнической стали, возникающие из-за расшихтовки этих листов - несовпадения отверстий в отдельных листах электротехнической стали, образующих каналы 6, из-за технологических допусков на эти отверстия при их изготовлении. Благодаря этому снижается отрицательное влияние расшихтовки на тепловое сопротивление между сердечником статора и трубками 27.
Наружные размеры трубок 27 до их установки в каналы сердечника статора могут быть выбраны равными размерам этих каналов в нагретом состоянии сердечника статора, либо меньше этих размеров на величину, не превышающую величину теплового расширения сердечника. В этом случае перед установкой трубок в каналы 6 сердечник статора нагревается до температуры порядка 700°С, что приводит к расширению этих каналов. Трубки свободно вставляются в каналы 6. После охлаждения сердечника статора и соответствующего термического сжатия каналов 6 происходит более плотное прижатие наружных поверхностей трубок 27 к внутренним поверхностям каналов 6. Причем указанная установка трубок в нагретом состоянии сердечника статора может сочетаться с применением компаунда или клея, а также развальцовки специальным инструментом, запрессовки с предварительной калибровкой каналов, гидроопрессовки, пневмоопрессовки или вплавления трубок в поверхность каналов 6.
Предложенная электрическая машина с жидкостным охлаждением статора работает следующим образом.
После подачи электрического напряжения на обмотки 3 электрической машины от внешнего преобразователя, инвертора или контроллера, по этим обмоткам начинает протекать электрических ток, что приводит к возникновению в сердечнике статора магнитного потока и, соответственно, крутящего момента на валу 18.
При этом происходит нагрев сердечника и обмоток статора. Тепло, выделяющееся в статоре, распространяется вдоль листов электротехнической стали до каналов 6 и далее передается протекающей в них охлаждающей жидкости.
Охлаждающая жидкость, этим теплом, из каналов 6 через штуцеры 11, 12 и коллекторы 7, 8 по отводящему трубопроводу поступает во внешний теплообменник (радиатор) и после охлаждения вновь подается на электрическую машину с помощью внешнего циркуляционного насоса. Таким образом реализуется замкнутая система жидкостного охлаждения статора.
С целью улучшение охлаждения и снижения потерь в статоре в предложенной электрической машине реализованы указанные выше различные альтернативные технические решения, либо их сочетания, направленные на снижение теплового сопротивления между источниками тепла и охлаждающей жидкостью, а также на снижение или предотвращение потерь, обусловленных протеканием электрического тока по короткозамкнутым контурам, увеличением сопротивления обмоток при их нагреве, а также перемагничиванием электротехнической стали.
При этом обеспечивается снижение теплового сопротивления между листами электротехнической стали 2 сердечника 1 статора и трубками 27. Дополнительно реализован отвод тепла от спинки сердечника статора на корпус редуктора или маховика ДВС.
В случае выполнения трубок 27 из магнитопроводящего материала, осуществляется перераспределение магнитного потока в спинке сердечника. Часть этого потока протекает по трубкам, что приводит к снижению величины магнитной индукции в электротехнической стали и потерь на ее перемагничивание.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов конструкции электрической машины с жидкостным охлаждением статора возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.