ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
VALVE-RELUCTANCE MOTOR

Изобретение относится к производству, преобразованию и распределению электрической энергии, в частности, к электрическим машинам, а именно, к устройствам охлаждения или вентиляции для машин с закрытым корпусом и с замкнутым контуром охлаждения на основе охлаждающей жидкости, например масла, а также к синхронным двигателям с обмотками на статоре и безобмоточным ротором из мягкого железа с переменным магнитным сопротивлением, например индукторным двигателям.
Из существующего уровня техники известен вентильно-индукторный двигатель (Патент RU 2720064 C1, 23.04.2020, H02K1/20, H02K9/22, H02K9/19, H02K19/10), содержащий электронную систему управления, два зубчатых статора с фазными обмотками на зубцах, два зубчатых пакета ротора, закрепленных на общем валу и смещенных друг относительно друга на 45°, систему охлаждения, причём, система охлаждения включает металлические пластины, размещенные на торцевой поверхности статоров и плотно прилегающие к ней, а также, размещенные на пластинах трубы для подачи охлаждающей жидкости, прилегающие к обмоткам зубцов статора.
Из уровня техники также известна электрическая машина закрытого исполнения с жидкостной системой охлаждения (Патент RU 2713195 C1, 04.02.2020, H02K19/20, H02K5/20, H02K9/19, H02K1/14, H02K1/20, H02K1/24), содержащая двухпакетный зубчатый по расточке статор с расположенными на его зубцах катушками обмотки якоря, установленный в корпусе с выполненными с его наружной поверхности концентрично оси машины и закрытыми металлической оболочкой каналами, принадлежащими жидкостной системе принудительного жидкостного охлаждения, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки зубчатый ротор, расположенную неподвижно между пакетами ротора обмотку возбуждения, подшипниковые щиты с втулками для установки в них подшипников, а также входной и выходной коллекторы жидкостной системы охлаждения, причём, пакеты статора выполнены из магнитомягкого композиционного материала Somaloy в виде прилегающих друг к другу отдельных симметрично расположенных относительно продольной оси симметрии машины сегментов, имеющих при этом выполненные с торцевых их сторон фиксирующие элементы для обеспечения необходимой взаимной ориентации сегментов статора в машине по окружности и выполненные с наружной поверхности каждого из сегментов статора принадлежащие системе охлаждения полости и выступающие по их краям ориентированные вдоль продольной оси машины выступы прямоугольной формы, а расположенные же по окружности, концентричной валу, полости с внешней стороны корпуса выполнены не сплошными, а в виде отдельных не соприкасающихся друг с другом и смещенных к наружным торцам сегментированных пакетов статора отдельных полостей овальной или прямоугольной формы, расположенных симметрично линиям соприкосновения сегментов статора и имеющих к тому же выполненные в них под острым углом к основанию полостей в сегментах статора по два сквозных входящих в каждую полость отверстия, обеспечивающих последовательное перемещение жидкости из полости одного сегмента статора в полость следующего по окружности сегмента, при этом поступает охлаждающая жидкость в каналы корпуса из полостей сегментов статора, расположенных под верхним коллектором с выходом из него в эти полости через два отверстия в корпусе, смещенные к ближним к его средней части краям полостей, а выводится охлаждающая жидкость в нижний коллектор через два отверстия в нижней части корпуса, на внутренней же поверхности корпуса имеются пазы для размещения в них выступов, выполненных на внешней поверхности сегментированных пакетов статора, а на внутренней поверхности каждого из пакетов ротора, напротив, выполнены несколько выступов прямоугольной формы, на внешней же поверхности магнитопроводящей втулки с обеих ее сторон под пакетами ротора имеется столько же пазов для их размещения, но большей по сравнению с высотой входящих в них выступов глубиной, и каждая из образовавшихся таким образом под каждым выступом ротора щелей, предназначенных для протекания по ним охлаждающей жидкости, имеет два исходящих из нее выхода, один из которых в виде щели, образован неполным перекрытием пакетом ротора пазов во втулке со стороны обмотки возбуждения, а второй выполнен в виде отверстия в магнитопроводящей втулке, направлен под углом к оси машины и выходит из этой втулки со стороны подшипникого щита с выполненным в нем каналом доставки примерно 40% жидкости из нижнего коллектора по внешним трубопроводам после охлаждения ей статора в выполненные в подшипниковых щитах герметически охватывающие втулки подшипников цилиндрические полости с исходящими из них отверстиями с выходом в сторону торцевой поверхности магнитопроводящей втулки и исходящими из этой же полости и направленными внутрь подшипников соосными отверстиями во втулке подшипника и во внешнем его кольце, выход же охлаждающей жидкости из внутренних областей машины, так же как и шестидесяти процентов ее объема, использованного только для охлаждения статора, производится принудительно струйным насосом, но через специально выполненное для этого в нижней части корпуса отверстие.
Наиболее близким техническим решением является вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением с жидкостной системой охлаждения (Патент RU 2741053 C1, 22.01.2021, H02K9/19, H02K3/46, H02K1/20, H02K19/12), содержащий размещенные в корпусе два статора с фазными обмотками, соединенных между собой магнитопроводом, зубчатый двухпакетный ротор, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки, катушку независимого возбуждения, расположенную неподвижно между пакетами ротора, каналы принудительного жидкостного охлаждения, а также микроконтроллер с силовыми ключами, обеспечивающий подачу напряжения на обмотки статора и катушку независимого возбуждения, причём, катушка крепится на двух круглых деталях, изготовленных из композитного материала на основе керамики, которые образуют герметичный отсек для катушки, сообщающийся с каналами жидкостного охлаждения и наполняемый охлаждающей жидкостью.
Основным недостатком вышеописанных технических решений является отсутствие эффективной возможности модульного последовательного подключения нескольких двигателей на одном валу вследствие повышения их характеристик по шуму и вибрации, а также необходимость подключения инвертора, как отдельного устройства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение пылевлагозащищенности, а также расширение его эксплуатационных и компактно-компоновочных возможностей.
Указанный технический результат достигается за счет того, что вентильно-индукторный двигатель содержит корпус, в котором расположены два зубчатых статора с фазными обмотками на зубцах, зубчатый с двухпакетным магнитопроводом ротор, жёстко закрепленный на валу, установленном в корпусе на подшипниках, и водяная система охлаждения.
Причём, корпус состоит из передней и задней торцевых крышек с подшипниковыми опорами, защитного кожуха с плитой охлаждения инвертора и цилиндрического кожуха водяной системы охлаждения, которая содержит два независимых полуцилиндрических контура водяной рубашки с сообщающимися каналами, выполненными в упомянутых торцевых крышках, плите охлаждения инвертора и цилиндрическом кожухе.
В частности, корпус может содержать переднюю и заднюю торцевые прямоугольной формы с подшипниковыми опорами крышки, на верхней части которых под защитным кожухом закреплена плита охлаждения с инвертором и между которыми закреплён цилиндрический кожух водяной двухконтурный системы охлаждения, содержащей два независимых полуцилиндрических контура водяной рубашки с сообщающимися каналами, выполненными в упомянутых торцевых крышках, плите охлаждения инвертора и цилиндрическом кожухе.
При этом на внутренней части каждой из упомянутых торцевых крышек может быть выполнен неподвижный радиатор воздушного охлаждения в форме крыльчатки с внешним диаметром, равным внешнему диаметру пакетов магнитопровода ротора.
Кроме этого, для каждого полуцилиндрического контура водяной рубашки каналы в торцевых крышках возле подшипниковых опор могут быть выполнены концентричной формы в виде сообщающихся между собой через малые полукруглые канальцы, по меньшей мере, трёх дуговых канальцев, форма каждого из которых образована пересечением лучей от одного центрального угла с двумя дугами от данного угла двух концентрических окружностей.
Причём, для каждого полуцилиндрического контура водяной рубашки каналы в цилиндрическом кожухе могут быть выполнены в виде последовательно в разноимённом порядке сообщающихся между собой продольных и поперечных канальцев.
При этом для каждого полуцилиндрического контура водяной рубашки каналы в плите охлаждения инвертора могут быть выполнены в виде последовательно сообщающихся между собой одного круглого и двух прямоугольных с вертикальными цилиндрическими ребрами канальцев.
Кроме этого, каждый из пакетов магнитопровода ротора может быть выполнен, по меньшей мере, с шестью равными по типоразмеру отверстиями, расположенными равномерно с равным угловым шагом, и каждое из которых образованно пересечением лучей от одного центрального угла с двумя дугами от данного угла двух концентрических окружностей.
Причём, между пакетами магнитопровода на валу ротора может быть жёстко закреплена, по меньшей мере, одна крыльчатка воздушного охлаждения.
При этом два зубчатых пакета магнитопровода ротора могут быть закреплены на валу ротора с угловым смещением друг относительно друга на 45° вокруг центральной оси вала ротора.
Кроме этого, вентильно-индукторный двигатель может быть выполнен в модульном варианте исполнения, таким образом, что, по меньшей мере, два упомянутых двигателя могут быть соединены на одном валу посредством шлицевого соединения валов ротора.
Причём, все упомянутые элементы корпуса могут быть выполнены из алюминия, или титана, или нержавеющей стали.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлен частный случай исполнения заявляемого вентильно-индукторного двигателя:
на фигуре 1 представлен общий вид вентильно-индукторного двигателя в изометрической проекции; на фигуре 2 - общий вид четырех вентильно-индукторных модульных двигателей, соединенных на одном валу, в изометрической проекции; на фигуре 3 - вид спереди без передней торцевой крышки и защитного кожуха вентильно-индукторного двигателя; на фигуре 4 - вид спереди с вырезом четверти вентильно-индукторного двигателя в изометрической проекции; на фигуре 5 - общий вид двух статоров с валом ротора в изометрической проекции; на фигуре 6 - общий вид крыльчатки воздушного охлаждения в изометрической проекции; на фигуре 7 - общий вид зубчатого с двухпакетным магнитопроводом ротора с крыльчаткой воздушного охлаждения, которые закреплены на валу, в изометрической проекции; на фигуре 8 - общий разнесенный вид вентильно-индукторного двигателя и водяной рубашки двухконтурный системы охлаждения без защитного кожуха и инвертора в изометрической проекции; на фигуре 9 - общий вид задней крышки корпуса с внутренней стороны вентильно-индукторного двигателя в изометрической проекции; на фигуре 10 - общий вид в разрезе передней крышки корпуса с внутренней стороны вентильно-индукторного двигателя в изометрической проекции; на фигуре 11 - вид спереди в разрезе цилиндрического кожуха водяной системы охлаждения; на фигуре 12 - общий вид плиты охлаждения инвертора с внутренней стороны вентильно-индукторного двигателя в изометрической проекции, где:
1 - корпус;
2 - статоры;
3 - фазные обмотки статоров;
4 - зубцы статора;
5 - двухпакетный магнитопровод ротора;
6 - ротор;
7 - вал ротора;
8 - подшипники вала ротора;
9 - водяная система охлаждения;
10 - передняя торцевая крышка;
11 - задняя торцевая крышка;
12 - подшипниковые опоры;
13 - защитный кожух;
14 - плита охлаждения инвертора;
15 - инвертор;
16 - цилиндрический кожух;
17, 18 - два независимых полуцилиндрических контура водяной рубашки;
19 - водяная рубашка;
20 - сообщающиеся каналы водяной системы охлаждения;
21 - неподвижный радиатор воздушного охлаждения;
22 - малые полукруглые канальцы водяной рубашки торцевых крышек;
23 - дуговые канальцы водяной рубашки торцевых крышек;
24 - продольные канальцы водяной рубашки цилиндрического кожуха;
25 - поперечные канальцы водяной рубашки цилиндрического кожуха;
26 - круглые канальцы водяной рубашки плиты охлаждения инвертора;
27, 28 - два прямоугольных канальца водяной рубашки плиты охлаждения инвертора;
29 - цилиндрические ребра двух прямоугольных канальцев водяной рубашки плиты охлаждения инвертора;
30 - отверстия пакетов магнитопровода ротора;
31 - крыльчатка воздушного охлаждения;
32 - шлицевое соединение валов ротора.
Частный случай реализации вентильно-индукторного двигателя может быть выполнен следующим образом: вентильно-индукторный двигатель содержит корпус 1, в котором расположены два зубчатых статора 2 с фазными обмотками 3 на зубцах 4, зубчатый с двухпакетным магнитопроводом 5 ротор 6, жёстко закрепленный на валу 7, установленном в корпусе 1 на подшипниках 8, и водяная система охлаждения 9.
Причём, корпус 1 состоит из передней 10 и задней 11 торцевых крышек с подшипниковыми опорами 12, защитного кожуха 13 с плитой 14 охлаждения инвертора 15 и цилиндрического кожуха 16 водяной системы охлаждения 9, которая содержит два независимых полуцилиндрических контура 17,18 водяной рубашки 19 с сообщающимися каналами 20, выполненными в упомянутых торцевых крышках 10,11, плите 14 охлаждения инвертора 15 и цилиндрическом кожухе 16.
Корпус 1 может содержать переднюю 10 и заднюю 11 торцевые прямоугольной формы с подшипниковыми опорами 12 крышки, на верхней части которых под защитным кожухом 13 закреплена плита 14 охлаждения с инвертором 15 и между которыми закреплён цилиндрический кожух 16 водяной двухконтурный системы охлаждения 9, содержащей два независимых полуцилиндрических контура 17,18 водяной рубашки 19 с сообщающимися каналами 20, выполненными в упомянутых торцевых крышках 10,11, плите 14 охлаждения инвертора 15 и цилиндрическом кожухе 16.
При этом на внутренней части каждой из упомянутых торцевых крышек 10,11 может быть выполнен неподвижный радиатор 21 воздушного охлаждения в форме крыльчатки с внешним диаметром, равным внешнему диаметру пакетов магнитопровода 5 ротора 6.
Кроме этого, для каждого полуцилиндрического контура 17,18 водяной рубашки 19 каналы 20 в торцевых крышках 10,11 возле подшипниковых опор 12 могут быть выполнены концентричной формы в виде сообщающихся между собой через малые полукруглые канальцы 22, по меньшей мере, трёх дуговых канальцев 23, форма каждого из которых образована пересечением лучей от одного центрального угла с двумя дугами от данного угла двух концентрических окружностей.
Причём, для каждого полуцилиндрического контура 17,18 водяной рубашки 19 каналы 20 в цилиндрическом кожухе 16 могут быть выполнены в виде последовательно в разноимённом порядке сообщающихся между собой продольных 24 и поперечных 25 канальцев.
При этом для каждого полуцилиндрического контура 17,18 водяной рубашки 19 каналы 20 в плите 14 охлаждения инвертора 15 могут быть выполнены в виде последовательно сообщающихся между собой одного круглого 26 и двух прямоугольных 27,28 с вертикальными цилиндрическими ребрами 29 канальцев.
Кроме этого, каждый из пакетов магнитопровода 5 ротора 6 может быть выполнен, по меньшей мере, с шестью равными по типоразмеру отверстиями 30, расположенными равномерно с равным угловым шагом, и каждое из которых образованно пересечением лучей от одного центрального угла с двумя дугами от данного угла двух концентрических окружностей.
Причём, между пакетами магнитопровода 5 на валу 7 ротора 6 может быть жёстко закреплена, по меньшей мере, одна крыльчатка 31 воздушного охлаждения.
При этом два зубчатых пакета магнитопровода 5 ротора 6 могут быть закреплены на валу 7 ротора 6 с угловым смещением друг относительно друга на 45° вокруг центральной оси вала 7 ротора 6.
Кроме этого, вентильно-индукторный двигатель может быть выполнен в модульном варианте исполнения, таким образом, что, по меньшей мере, два упомянутых двигателя могут быть соединены на одном валу посредством шлицевого соединения 32 валов 7 ротора 6.
Причём, все упомянутые элементы корпуса 1 могут быть выполнены из алюминия, или титана, или нержавеющей стали.
Вентильно-индукторный двигатель работает следующим образом: в зависимости от назначения и типа транспортного средства осуществляют монтаж вентильно-индукторного двигателя или группы таких двигателей (модульный вариант исполнения), выполненных в корпусе 1, в качестве силовой установки для данного транспортного средства. При этом в модульном варианте исполнения двигатели соединяются между собой на одном валу посредством шлицевых соединений 32 валов 7 ротора 6. При включении силовой установки на фазные обмотки 3, выполненные на зубцах 4 двух статоров 2, через инвертор 15 в защитном кожухе 13 корпуса 1 подают напряжение. Причём, ротор 6, выполненный на валу 7, установленном в подшипниковых опорах 12 торцевых крышек 10, 11 корпуса 1 на подшипниках 8, состоит из магнитного материала с малыми потерями на перемагничивание и выполнен в виде зубчатого двухпакетного магнитопровода 5. Количество зубцов и фаз влияет на пульсации момента на валу 7 и частоту коммутации фаз. Ротор 6 ориентируется в магнитном поле, создаваемом фазными обмотками 3, так, чтобы оказать наименьшее сопротивление магнитному потоку, а момент, создаваемый на валу 7 ротора 6, появляется за счёт изменении индуктивности фаз при вращении ротора 6. Работа двигателя осуществляется за счёт четкого позиционирования зубцов ротора 6 по отношению к формируемому пику электромагнитного импульса на фазных электрических обмотках 3. При вращении зубцов ротора 6 датчики инвертора 15 обрабатывают информацию об их положении и меняют пропускную способность реактивных преобразователей. Таким образом, управление вращением ротора 6 осуществляется без использования скользящих контактов.
В конструкции двигателя реализовано комбинированное охлаждение двух типов: воздушное и водяное.
Воздушное охлаждение осуществляется, как пассивным способом посредством отвода тепла через неподвижные радиаторы 21, выполненные на внутренней части торцевых крышек 10,11 корпуса 1, так и принудительным способом с помощью крыльчатки 31, жестко установленной между пакетами магнитопровода 5 на валу 7 ротора 6. При этом при вращении крыльчатки 31 создаётся воздушный поток от пакетов магнитопровода 5 к внутренней части торцевых крышек 10,11, т.е. непосредственно на радиаторы 21, а, благодаря отверстиям 30 на пакетах магнитопровода 5 ротора 6 и зазору зубьями пакетов ротора 6, появляется возможность равномерной циркуляции воздуха внутри двигателя.
Водяное охлаждение двигателя осуществляется путем циркуляции и подачи в сообщающиеся каналы 20 водяной двухконтурной системы охлаждения 9, содержащей два независимых полуцилиндрических контура 17,18 водяной рубашки 19, охлаждающей жидкости, которая подводится к двигателю, например, посредством внешней системы охлаждения с циркуляционным насосом и внешним радиатором. При этом сообщающиеся каналы 20 с циркулирующей жидкостью располагаются в наиболее ответственно значимых элементах, необходимых для эффективного охлаждения двигателя, корпуса 1: торцевых крышках 10,11, плите 14 охлаждения инвертора 15 и цилиндрическом кожухе 16. Причём, для каждого полуцилиндрического контура 17,18 водяной рубашки 19 каналы 20 в торцевых крышках 10,11 возле подшипниковых опор 12 выполнены концентричной формы в виде сообщающихся между собой через малые полукруглые канальцы 22, по меньшей мере, трёх дуговых канальцев 23, форма каждого из которых образована пересечением лучей от одного центрального угла с двумя дугами от данного угла двух концентрических окружностей. Для каждого полуцилиндрического контура 17,18 водяной рубашки 19 каналы 20 в цилиндрическом кожухе 16 выполнены в виде последовательно в разноимённом порядке сообщающихся между собой продольных 24 и поперечных 25 канальцев. А для каждого полуцилиндрического контура 17,18 водяной рубашки 19 каналы 20 в плите 14 охлаждения инвертора 15 выполнены в виде последовательно сообщающихся между собой одного круглого 26 и двух прямоугольных 27,28 с вертикальными цилиндрическими ребрами 29 канальцев.
Таким образом, такое конструктивное исполнение позволяет в полной мере осуществить возможность отвода тепла комбинированным способом, т.е. через радиаторы 21 с нагнетанием на них тёплого воздушного потока от крыльчатки 31 с последующим дополнительным охлаждением посредством водяной двухконтурной системы охлаждения 9, как непосредственно от торцевых крышек 10,11, в особенности в местах локального расположения подшипниковых опор 12, так и от плиты 14 охлаждения инвертора 15, а также от цилиндрического кожуха 16, опоясывающего статоры 2 с фазными обмотками 3.
Указанный технический результат достигается за счет того, что конструктивное выполнение основных элементов корпуса: передней и задней торцевых крышек, защитного кожуха с плитой охлаждения инвертора и цилиндрического кожуха водяной системы охлаждения, в максимально закрытой модификации рабочих элементов двигателя от внешней среды позволяет в полной мере обеспечить максимальную защищенность от пыли и влаги, вследствие чего в полной мере реализуется возможность эксплуатации двигателя в сложных условиях. Реализация в конструкции устройства модульного подключения нескольких двигателей, а также конструктивная особенность формы двигателя позволяют обеспечить, как компактность размещения и монтажа/демонтажа устройства внутри транспортного средства, так и вариативность использования двигателя в широком диапазоне мощностей. А конструктивная реализация в устройстве комбинированной системы воздушно-водяного охлаждения позволяет в полной мере эффективно обеспечить отвода тепла от ответственных работающих элементов двигателя, что существенно повышает надёжность устройства и сроки его эксплуатации.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень».