ЗАКРЫТАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА И СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАКРЫТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
CLOSED ELECTRICAL MACHINE AND COOLING SYSTEM OF CLOSED ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к электрическим машинам с высокими показателями удельной мощности и удельного крутящего момента, и может быть использовано в качестве генераторов и двигателей транспортных средств с гибридной силовой установкой, с топливными элементами на электромобилях.
Известна закрытая электрическая машина, содержащая в корпусе статора контуры охлаждения в виде одноходных винтовых каналов для охлаждающей жидкости, которые соединены гибкими шлангами высокого давления с герметичными камерами подшипниковых щитов, а по периметру оболочки корпуса жестко установлены перепускные воздушные каналы, соединенные окнами с внутренним объемом корпуса статора (патент РФ №2201647, Мкл. H02K 5/20, H02K 9/19, опубл. 27.03.2003).
В этом устройстве обеспечивается жидкостное охлаждение опорных подшипников двигателя, а охлаждение ротора и статора обеспечивается циркуляцией воздуха в герметизированном объеме машины с дальнейшей передачей тепла охлаждающей жидкости.
7
Известна электрическая машина с горизонтальной осью вращения. Корпус машины частично заполнен охлаждающей жидкостью, которая выталкивается из зазора под действием центробежной силы. На торцах ротора имеются элементы для отвода тепла от ротора к охлаждающей жидкости (патент DE 10330295; Мкл H02K 9/19; опубл. 20.01.2005).
Известны электрические машины с принудительной прокачкой охлаждающей жидкости по осевым каналам внутри магнитопровода статора и (или) внутри проводов обмотки, и заполнением пространств с торцевыми камерами у подшипниковых щитов (в районе лобовых частей обмоток) охлаждающей жидкостью (патент RU 2283525, Мкл. H02K 9/19, опубл. 20.04.2006), с принудительной прокачкой охлаждающей жидкости по осевым каналам внутри магнитопровода статора (патент RU 2025869 Мкл. Н02K 9/19, Н02K 9/00, Н02K 1/32, опубл. 30.12.1994), а также с прокачкой охлаждающей жидкости по трубопроводам, охватывающим внешнюю поверхность магнитопровода статора (Патент RU 2223584, Мкл Н02K 1/20, опубл. 20.01.2003).
Наиболее близким к предложенному техническому решению является закрытая электрическая машина, содержащая корпус с винтовым каналом для охлаждающей жидкости и продольные каналы, размещенные на корпусе, для внутреннего воздуха, который, нагретый в аксиальных каналах ротора с помощью вентилятора через отверстия, расположенные по диаметру корпуса, поступает в продольные каналы на корпусе, в которых по их длине расположены ребра, которые делят эти каналы на ряд групп коротких каналов, смещенных друг относительно друга (патент РФ №2234786, Мкл. Н02K 9/19, Н02K 5/20, опубл. 20.08.2004).
Общим недостатком этих технических решений является малая эффективность охлаждения ротора и статора циркуляцией воздуха в герметизированном объеме машины с дальнейшей передачей тепла охлаждающей жидкости. Весь тепловой поток от активных частей отводится через рубашку жидкостного охлаждения, охватывающую сердечник статора. Температура обмотки статора, а также подшипников в ходе эксплуатации может превышать допустимую, что сокращает ресурс изоляции электрической машины и ее подшипников.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности охлаждения, увеличение удельной мощности и повышение долговечности электрической машины.
Для решения этой технической задачи предлагается закрытая электрическая машина, содержащая установленный в картере статор, внутри которого установлен ротор с валом с возможностью вращения на подшипниках, два маслораспределительных кольца ротора П-образного сечения с радиальными и осевым отверстиями и две маслораспределительные шайбы статора, в которых выполнены по периметру секторные пазы, два штуцера подачи масла и два штуцера отвода масла, в сердечнике статора по его периметру выполнены сквозные отверстия, параллельные оси электрической машины, в валу ротора по его оси выполнено глухое осевое отверстие и радиальные отверстия на шейках вала, открытые в глухое осевое отверстие ротора, маслораспределительные кольца ротора закреплены на шейках вала с возможностью сообщения полостей колец с радиальными отверстиями на шейках вала, маслораспределительные шайбы статора закреплены на торцах статора с возможностью сообщения секторных пазов со сквозными отверстиями по периметру статора со смещением на угол, равный половине угла секторного паза, один штуцер подачи масла подключен ко входу глухого осевого отверстия по оси ротора, один штуцер отвода масла подключен к сливному отверстию картера. Одна маслораспределительная шайба может быть выполнена с двумя наружными присоединительными отверстиями в двух диаметрально расположенных пазах статора, к которым присоединены соответственно другой штуцер подачи масла и другой штуцер отвода масла, диаметрально расположенные наружные присоединительные отверстия одной шайбы размещены соответственно вверху и внизу статора, или на каждой маслораспределительной шайбе статора может быть выполнено наружное присоединительное отверстие, другой штуцер подвода масла подключен к наружному присоединительному отверстию одной маслораспределительной шайбы, а другой штуцер отвода масла подключен к наружному присоединительному отверстию другой маслораспределительной шайбы, на картере может быть установлен сапун; и система охлаждения закрытой электрической машины, содержащая последовательно включенные насос и теплообменник, вход насоса образует вход системы охлаждения, отстойник, вход которого подключен к выходу теплообменника, а выход образует выход системы охлаждения. Система охлаждения закрытой электрической машины может содержать два управляемых клапана и расходный бачок, вход которого через один управляемый клапан соединен с отстойником, выход расходного бачка через другой управляемый клапан подключен ко входу системы охлаждения.
Совокупности существенных признаков заявляемых закрытой электрической машины и системы охлаждения закрытой электрической машины не следуют явным образом из изученного уровня техники, имеют существенные отличия от рассмотренных аналогов. Закрытая электрическая машина и система охлаждения закрытой электрической машины могут быть изготовлены с применением известных конструктивных узлов, материалов и технологических операций. Поэтому заявитель считает, что заявляемые закрытая электрическая машина и система охлаждения закрытой электрической машины соответствуют критериям охраноспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».
Сущность предложения поясняется чертежами, на которых представлен пример его реализации с выполнением двух диаметрально расположенных пазов на одной маслораспределительной шайбе статора с диаметрально расположенными наружными присоединительными отверстиями. Представленный пример не охватывает все возможные варианты изготовления и использования предложения в соответствии с концепцией. Например, вместо маслораспределительных колец ротора П-образного сечения могут быть установлены плоские кольца, под которыми выполняются канавки на валу в месте выхода радиальных отверстий вала на поверхность.
На фиг. 1 показана схема охлаждения закрытой электрической машины, на фиг. 2 - сердечник статорный со снятыми крышками, на фиг. 3 - развертка сечения сердечника по отверстиям, на фиг. 4 - выполнение подшипникового узла и шейки вала ротора, на фиг. 5 - вид статорного листа, на фиг. 6 - внешний вид закрытой электрической машины.
Закрытая электрическая машина содержит установленный в картере 1 статор 2, внутри которого на подшипниках 3 установлен на валу 4 с возможностью вращения ротор 5, маслораспределительные кольца 6, 7 ротора 5 выполнены П-образного сечения с радиальными 8 и осевым 9 отверстиями, в маслораспределительных шайбах 10, 11 статора 2 выполнены по периметру секторные пазы 12, два диаметрально расположенных паза на шайбе 10 выполнены с наружными присоединительными отверстиями 13, (пазы 12 на шайбе 11 выполнены без отверстий), штуцеры один 14 и другой 15 подачи масла, штуцеры один 16 и другой 17 отвода масла, в сердечнике статора 2 (в статорных листах фиг. 5) по его периметру выполнены сквозные отверстия 18, параллельные оси19 электрической машины, в валу 4 ротора 5 по оси 19 выполнены осевое отверстие 20 и радиальные отверстия 21 на шейках 22вала 4, открытые в осевое отверстие 20 ротора 5, маслораспределительные кольца 6, 7 ротора 5 закреплены на шейках 22 вала 4 с возможностью сообщения полостей 23 колец 6, 7 с радиальными отверстиями 21 на шейках 22 вала 4, маслораспределительные шайбы 10, 11 статора 2 закреплены на торцах статора 2 с возможностью сообщения секторных пазов 12 со сквозными отверстиями 18 по периметру статора 2 со смещением на угол, равный половине угла секторного паза, один штуцер 14 подачи масла подключен ко входу осевого отверстия 20 ротора 5, другой штуцер 15 подачи масла подключен к наружному присоединительному отверстию 13 маслораспределительной шайбы 10, один штуцер 16 отвода масла подключен к наружному присоединительному отверстию 13 маслораспределительной шайбы 10, другой штуцер 17 отвода масла подключен к сливному отверстию 24 картера 1.
Система охлаждения закрытой электрической машины содержит последовательно включенные насос 25 и теплообменник 26, вход насоса 25 образует вход системы охлаждения, отстойник 27, вход которого подключен к выходу теплообменника 26, а выход образует выход системы охлаждения, расходный бачок 28, вход которого через один управляемый клапан 29 соединен с отстойником 27, выход расходного бачка 28 через другой управляемый клапан 30 подключен ко входу системы охлаждения. На входе системы охлаждения может быть установлен масляный фильтр 31. На корпусе статора 1 может быть установлен сапун 32.
Закрытая электрическая машина с системой охлаждения работает следующим образом:
Заполнение системы охлаждения закрытой электрической машины выполняется через расходный бачок 28, сообщающийся с атмосферой, в следующей последовательности:
1. Открывают управляемые клапаны 29 и 30.
2. Масло наливают в расходный бачок 28 до уровня масла в картере 1 закрытой электрической машины (двигателе) до расточки статора.
3. Управляемые клапаны 29 и 30 закрывают.
В процессе работы уровень масла в электрической машине должен находиться на середине нижнего паза статора 2. В случае утечек управляемый клапан 30 открывают и пополняют систему маслом до прежнего уровня.
Снижение содержания воздуха в масле при истечении масла из отверстий ротора 5 обеспечивает отстойник 27 масла, что предотвращает вспенивание масла, снижение его теплоемкости и обеспечивает эффективность охлаждения масла в теплообменнике 26. Объем отстойника 27 должен быть примерно равен объему масла, подаваемому насосом 25 за минуту. Подвод масла в отстойник 27 масла - сверху, а отвод масла - снизу.
При работе насоса 25 масло под давлением поступает через один штуцер 14 подачи масла в осевое отверстие 20 и оттуда через радиальные отверстия 21 на шейках 22 вала 4, открытые в осевое отверстие 20 ротора 5, в полости 23 колец 6, 7. Через радиальные 8 и осевые 9 отверстия маслораспределительных колец 6, 7 масло под давлением поступает соответственно на лобовые части обмотки ротора 5 и подшипники 3, а затем стекает на дно картера 1, откуда удаляется через другой штуцер 17 отвода масла. Масло, проходящее через этот контур, отбирает тепло от лобовых частей обмотки статора 2, от ротора 5 и охлаждает подшипники 3. Через другой штуцер 15 подачи масла, расположенный внизу статора 2, масло поступает и проходит через сквозные отверстия 18, расположенные по периметру статора 2, а отводится через один штуцер 16 отвода масла вверху статора 2. Такое расположение штуцеров 15, 16 облегчает удаление воздуха при заполнении системы. Масло, проходящее через этот контур, отбирает тепло от железа статора 2.
Масло струей вытекает из отверстий маслораспределительных колец 6, 7 под давлением порядка 1 атм. и при вращении ротора 5 полностью омывает внутреннюю поверхность лобовых частей обмотки статора, затем масло стекает с обмотки ротора 5 и подшипников 3 (подшипниковых щитов) в картер 1, откуда засасывается насосом 25. Подача масла в вал 4 под давлением обеспечивает высокую скорость струи, падающей на обмотку, независимо от частоты вращения ротора 5, что позволяет эффективно отводить тепло от обмотки статора при частоте вращения ротора, близкой к нулю. Установленный на картере 1 сапун 32 предотвращает течи масла через сальники на валу 4 и уплотнения крышек подшипников 3 (не показаны). Нормальный уровень масла в процессе работы двигателя - середина лобовой части обмотки.
С целью проверки эффективности предлагаемых закрытой электрической машины и системы охлаждения закрытой электрической машины и исследования влияния режима работы двигателя и настроек системы охлаждения на эффективность охлаждения были произведены испытания закрытой электрической машины (асинхронного двигателя) с системой охлаждения с питанием от синусоидального напряжения с частотой 57,1 Гц. В системе охлаждения было использовано трансформаторное масло Т-1500 (Т-750) по ГОСТ 982-80.
Результаты экспериментов приведены в табл. 1 и графике. Режим работы S1, установившееся тепловое состояние.