Высокооборотный электромеханический преобразователь энергии с воздушным охлаждением (варианты)
HIGH-REVVING ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERTER WITH AIR COOLING (VERSIONS)

Изобретение относится к области электрических машин и может быть использовано в высокооборотных электромеханических преобразователях энергии с воздушным охлаждениям.
Известна электрическая машина с улучшенным охлаждением [патент RU №2643791 C1, H02K 1/20, 06.02.2018], содержащая корпус, имеющий первый полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещены статор и ротор, второй полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещен первый полый цилиндрический корпусной элемент, и оболочку теплообменника, размещенную между первым и вторым корпусными элементами. Оболочка теплообменника имеет направляющий элемент, проходящий по винтовой траектории вокруг оси вращения, и трубки, проходящие в осевом направлении, ведущие через направляющий элемент.
Недостатками аналога является большие массогабаритные показатели, а также невозможность использования в высокооборотных электромеханических преобразователи энергии с внешним ротором.
Известен ротор электрической машины [патент RU №2277281 С2, H02K 1/32, 10.01.2006], содержащий магнитопровод, закрепленный на валу машины с помощью двух торцевых кольцеобразных пластин-фланцев с расположенными на фланцах вблизи внутренней поверхности магнитопровода отверстиями и соединяющих фланцы втулок, а теплообменник выполнен в виде охлаждаемых аксиальной продувкой воздуха тонкостенных теплоотводных трубок из теплопроводящего материала, концы которых герметично закреплены в отверстиях противоположных фланцев, и внутренний объем ротора, содержащий указанные трубки, заполнен теплопроводящей жидкостью.
Недостатком аналога является невысокая теплотехническая эффективность, а также большие массогабаритные показатели и сложность конструкции.
Известна электрическая машина [патент RU №2396671 C1, H02K 17/00, 10.08.2010], содержащая вал, обмотку статора, внешний ротор, магнитопровод статора, корпус изготавливаемый из немагнитного материала.
Недостатками данного аналога являются его невысокая эффективность и низкие удельные показатели, а также значительные потери энергии на трение ротора с воздухом, обусловленные негладкой внешней поверхностью расточки статора и внутренней поверхности ротора.
Известна электрическая машина [патент RU №2597250 С2, H02K 1/32, 10.09.2016], содержащая статор, корпус, силовую обмотку, систему принудительного воздушного охлаждения.
Недостатками данного аналога являются невысокая эффективность и низкие удельные показатели системы принудительного охлаждения, а также значительные потери энергии на трение ротора с воздухом, обусловленные негладкой внешней поверхностью расточки статора и внутренней поверхности ротора.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является электрическая машина с воздушным охлаждением [патент RU №2570066 С2, H02K 9/06, 10.12.2015], содержащая ротор, вал, силовую обмотку, систему воздушного охлаждения, вентилятор, кожух, фрикционное колесо, магнитопровода статора.
Недостатками ближайшего аналога являются большие массогабаритные показатели, сложность конструкции, низкая эффективность и удельные показатели системы охлаждения, а также значительные потери энергии на трение ротора с воздухом, обусловленные негладкой внешней поверхностью расточки статора и поверхности ротора.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, благодаря введению принудительной системы воздушного охлаждения, а также минимизация потерь энергии на трение ротора с воздухом, благодаря выполнению гладких поверхностей статора и ротора.
Техническим результатом является повышение надежности и эффективного отвода выделяемого тепла электромеханических преобразователей энергии, повышение КПД за счет предохранения постоянных магнитов ротора от теплового размагничивания.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в электрической машине с воздушным охлаждением, содержащая вал, ротор с постоянными магнитами, магнитопровод статора с обмоткой, систему воздушного охлаждения, согласно изобретению, до внешней поверхности магнитопровода статора выполнены аксиальные каналы охлаждения, а перпендикулярно им - каналы охлаждения, проходящие внутри зуба магнитопровода статора, в качестве постоянных магнитов ротора использованы высококоэрцитивные постоянные магниты, на которые установлен бандаж из немагнитного материала с гладкой поверхностью.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фигуре 1 изображена схема воздушного охлаждения электромеханического преобразователя энергии по первому варианту. На фигуре 2 изображены каналы охлаждения электромеханического преобразователя энергии по первому варианту. На фигуре 3 изображена схема воздушного охлаждения электромеханического преобразователя энергии второго варианта. На фигуре 4 изображены каналы охлаждения электромеханического преобразователя энергии второго варианта.
Предложенное устройство по первому варианту содержит (фиг. 1) внешний ротор 1 с валом 2 и установленными на нем высококоэрцитивными постоянными магнитами 3, магнитопровод статора 4 с обмотками 5 и (фиг. 2), на роторе 1 установлена бандажная оболочка с гладкой поверхностью 6, также на магнитопроводе статора 4 имеются каналы охлаждения 7.
Предложенное устройство по второму варианту содержит (фиг. 3) ротор 1 с валом 2 и установленными на нем высококоэрцитивными постоянными
магнитами 3, магнитопровод статора 4 с обмотками 5, а также на внешний ротор 1 установлена бандажная оболочка с гладкой поверхностью 6, на магнитопроводе статора 4 (фиг. 4) имеются каналы охлаждения 7, а по внешней поверхности магнитпровода статора 4 расположены аксиальные каналы охлаждения 8,
Предложенное устройство по первому варианту работает следующим образом: при вращении ротора 1 с валом 2 с высококоэрцитивными постоянными магнитами 3 в магнитопроводе статоре 4 протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в обмотке 5 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки 5, частоты вращения вала 2 с высококоэрцитивными постоянными магнитами 3 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в обмотках 5 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в обмотках 5, обусловленные их активным сопротивлением, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора 1, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, тепловые потери в магнитопроводе статора 4, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой магнитопровода статора 4 и удельными потерями материала, потери энергии на трение ротора 1 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 1, его геометрическими характеристиками, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и магнитопроводом статора 4. Отвод потерь обеспечивается по законам теплопереноса, при протекании хладагента по расточке магнитопровода статора 4 и каналам охлаждения 7, расположенным на зубцах магнитопровода статора 4, кроме того достигается интеграция системы охлаждения в магнитопровод статора 4 высокооборотного электромеханического преобразователя энергии с воздушным охлаждением, При вращении ротора 1 в воздушном зазоре образуется воздушное завихрение, что препятствует передаче тепла от магнтопровода статора 4 к ротору 1.
Предложенное устройство по второму варианту работает следующим образом: при вращении ротора 1 с валом 2 с высококоэрцитивными постоянными магнитами 3 в магнитопроводе статора 4 протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в обмотке 5 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки 5, частоты вращения вала 2 с высококоэрцитивными постоянными магнитами 3 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки в обмотках 5 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в обмотках 5, обусловленные ее активным сопротивлением, а также потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора 1, размерами обмотки и ее удельным сопротивлением, тепловые потери в магнитопроводе статора 4, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой магнитопровода статора 4 и удельными потерями материала, потери энергии на трение ротора 1 с воздухом, обусловленные частотой вращения ротора 1, его геометрическими характеристиками, температурой воздуха и давлением в зазоре между ротором 1 и магнитопроводом статора 4. Отвод потерь обеспечивается по законам теплопереноса, при протекании хладагента по расточке магнитопровода статора 4 и каналам охлаждения 7, расположенным на зубцах магнитопровода статора 4, и аксиальным каналам 8. Кроме того, достигается интеграция системы охлаждения в магнитопровод статора 4 высокооборотного электромеханического преобразователя энергии с воздушным охлаждением. При вращении ротора 1 в воздушном зазоре образуется воздушное завихрение, что препятствует передаче тепла от магнитопровода статора 4 к ротору 1.
Итак, достигается расширение функциональных возможностей, благодаря введению принудительной системы воздушного охлаждения, а также минимизация потерь энергии на трение ротора с воздухом, благодаря выполнению гладкими внутренних поверхностей расточки статора и ротора.
В результате повышение надежности и минимизация тепловыделений электромеханических преобразователей энергии, повышение КПД, и при
использовании на роторе постоянных магнитов достигается защита от их теплового размагничивания, а также за счет повышенной линейной токовой нагрузки электромеханических преобразователей энергии с воздушным охлаждением.