СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
ELECTRIC MACHINE STATOR WITH LIQUID COOLING

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в электрических двигателях и генераторах, в том числе для тяговых приводов.
Известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий охлаждающую рубашку с каналами, равномерно охватывающими внешнюю поверхность сердечника статора, через которые прокачивается охлаждающая жидкость (RU 2223584 С2, Н02К 1/20, Н02К 9/02,20.01.2003; US 8686606 В2, Н02К 9/00, 01.01.2014).
Недостатком этого технического решения является низкая теплотехническая эффективность охлаждения обмоток электрической машины, что обусловлено удаленностью каналов с охлаждающей жидкостью от наиболее нагреваемой внутренней части статора - от зубцовой зоны мест расположения обмоток.
Известен статор электрической машины, в котором элементы его жидкостного охлаждения (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 А1, Н02К 9/19, Н02К 15/00, 30.07.1991).
К его недостаткам относятся повышенные габаритные размеры, поскольку установка охладителей между участками сердечника статора приводит к увеличению его осевой длины. Кроме того, пониженная теплопроводность нержавеющей стали по сравнению с теплопроводностью меди или алюминия, а также наличие технологических зазоров между отдельными сегментами охладителей, приводят к снижению теплотехнической эффективности охлаждения.
Кроме того известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением, в котором охладители с охлаждающей жидкостью размещены без зазора между участками разделенного по длине сердечника статора, набранного из изолированных листов электротехнической стали. Охладители состоят 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, Н02К 9/19, Н02К 1/12, 10.01.2012).
Этот статор и электрическая машина на его основе также имеют повышенные габаритные размеры из-за увеличения длины сердечника статора на суммарную толщину охладителей и 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.
Известен также статор электрической машины с жидкостным охлаждением, в котором реализована принудительная прокачка охлаждающей жидкости по осевым каналам внутри его магнитопровода. Он содержит систему 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) внутри магнитопровода вблизи обмоток позволяет повысить эффективность охлаждения обмоток и магнитопровода за счет сокращения длины пути распространения теплового потока от активных тепловыделяющих частей статора до границы с охлаждающей жидкостью.
Однако наличие множества отверстий в сердечнике статора с установленными в них трубками приводит к усложнению конструкции статора и снижению технологичности его изготовления. Кроме того, при работе электрической машины часть изменяющегося во времени магнитного потока в спинке сердечника распространяется в промежутке между каналами с охлаждающей жидкостью и наружной поверхностью статора, что приводит к возникновению на них ЭДС, протеканию по ним паразитного электрического тока и, соответственно, к увеличению потерь в статоре и к его дополнительному нагреву.
Известен также статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий цилиндрическую оболочку, монолитный магнитопровод из ферромагнитного материала с установленной на нем обмоткой и кольцеобразные нажимные элементы, расположенные с торцевых сторон магнитопровода. Оболочка имеет внутренний диаметр, превышающий наружный диаметр магнитопровода, герметично соединена с нажимными элементами по их периметру и охватывает магнитопровод статора с его внешней стороны, образуя наружный периметр охлаждающей камеры тороидальной формы с каналами охлаждения прямоугольного сечения, заполненными жидкостью, охлаждаемой во внешнем теплообменнике. Каналы образованы выступами на внешней поверхности магнитопровода за счет сборки пакета магнитопровода из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, имеющих различную конфигурацию их внешнего контура. Герметизация каналов достигается путем склейки листов. Механическая прочность статора обеспечивается за счет установки снаружи магнитопровода аксиально ориентированных болтов, шпилек, заклепок или планок, или гильзы, выполненной из прочного материала (например, стали), в которую запрессован магнитопровод, или применения указанной оболочки охлаждающей камеры, имеющей прочность, достаточную для ее использования в качестве несущей конструкции (RU 2284627 С2, Н02К 9/19, 27.09.2006).
Недостатком этого статора является повышенная сложность его конструкции, обусловленная необходимостью применения в его магнитопроводе листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, имеющих различную конфигурацию наружного контура. Его другим недостатком, по сравнению со статорами с аналогичными габаритными размерами и каналами охлаждения, расположенными внутри магнитопровода, являются повышенные потери. Обусловлено это тем, что наличие выступов на наружной поверхности магнитопровода, необходимых для образования каналов охлаждения, приводит к необходимости уменьшения активного диаметра статора с соответствующим уменьшением сечения магнитопровода и обмоток, что при равной мощности электрической машины приводит к увеличению потерь в ней.
Наиболее близким к предложенному является статор индукторной электрической машины, имеющий фазные обмотки, выполненные в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах сердечника (магнитопровода) статора в его пазах, и каналы жидкостного охлаждения, выполненные в виде трубок, расположенных между корпусом (оболочкой) и сердечником статора в выемках спинки этого сердечника напротив его зубцов. Каналы охлаждения соединены между собой собой последовательно и/или параллельно с помощью коллекторов, приспособленных для подвода и отвода жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике (RU 2660811 C1, H02R 19/24, Н02К 9/16, 10.07.2018).
Недостатком этого статора является повышенная сложность и пониженная технологичность его изготовления, что обусловлено наличием трубок, установленных в каналах жидкостного охлаждения. К недостаткам этого статора относится также пониженная теплотехническая эффективность его охлаждения из-за тепловых сопротивлении трубок и технологических зазоров между трубками и сердечником статора, расположенных на путях отвода тепла, а также отсутствие охлаждения сердечника статора с его торцевых сторон.
Из анализа известных аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания статора электрической машины, в котором сочетаются высокая теплотехническая эффективность охлаждения, простота конструкции и отсутствие потерь, обусловленных наведением ЭДС на проводниках, образованных охлаждающей жидкостью, протекающей в каналах жидкостного охлаждения. Задачей изобретения является создание такого статора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является одновременное улучшение охлаждения и технологичности конструкции статора.
Под технологичностью статора в данном случае подразумевается совокупность свойств его конструкции, определяющих ее приспособленность к достижению минимальных затрат в процессе производства по сравнению с однотипными конструкциями при одинаковых условиях их изготовления и тех же показателях качества.
В статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащем сердечник из ферромагнитного материала с установленной на нем обмоткой, размещенный в оболочке, кольцеобразные нажимные элементы, расположенные с обеих торцевых сторон сердечника и прикрепленные к оболочке, герметизированные каналы, расположенные аксиально между оболочкой и наружной поверхностью сердечника в канавках, выполненных на наружной поверхности сердечника напротив его зубцов, и соединенные между собой последовательно и/или параллельно с помощью коллекторов, приспособленных для подвода и отвода охлаждающей жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике, указанный технический результат достигается за счет того, что коллекторы выполнены в кольцеобразных нажимных элементах, места соединений кольцеобразных нажимных элементов с сердечником загерметизированы за счет заполнения зазоров уплотняющим материалом и/или применения дополнительных деталей из упругого материала, а герметизация каналов выполнена без применения трубок.
В частных вариантах реализации предложенного статора указанный технический результат достигается также за счет того, что:
- сердечник собран из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, изготовленных с применением квалитета от IT 13 до IT 17 для их наружного контура, по меньшей мере в областях расположения герметизированных каналов;
- сердечник выполнен из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала с самоклеящимся покрытием, обеспечивающим герметичность сердечника после склеивания листов путем сжатия и нагревания сердечника, в частности, с обеспечением его прочности, достаточной для использования сердечника в качестве несущей конструкции электрической машины;
-к наружной поверхности сердечника прикреплена герметизирующая теплопроводящая пленка или фольга;
- на внутренней поверхности оболочки выполнены канавки, расположенные напротив канавок сердечника;
- оболочка выполнена согнутой из металлического листа или с искусственно созданными неровностями на ее внутренней поверхности, например, рифлением, и прикреплена к кольцевым нажимным элементам, в частности, с помощью сварки, развальцовки и/или клея.
Указанные отличительные признаки независимого и зависимых пунктов формулы изобретения обеспечивают достижение одного и того же технического результата.
В том числе, реализация первого отличительно признака независимого пункта формулы изобретения, предусматривающего выполнение коллекторов в кольцеобразных нажимных элементах с герметизацией мест их соединений с сердечником за счет заполнения зазоров уплотняющим материалом и/или путем применения дополнительных деталей из упругого материала, обеспечивает улучшение охлаждения статора благодаря более интенсивному охлаждению наружных торцевых поверхностей спинки статора и лобовых частей обмотки, прилегающих к этим нажимным элементам. Одновременно достигается улучшение технологичности конструкции за счет исключения необходимости изготовления отдельных коллекторов и трубопроводов, соединяющих каналы с коллекторами.
Реализация второго отличительного признака независимого пункта формулы изобретения, согласно которому герметизация каналов выполнена без применения трубок, позволяет улучшить охлаждение статора за счет исключения теплового сопротивления как самих трубок, так технологического зазора между сердечником и этими трубками. Одновременно обеспечивается улучшение технологичности конструкции статора за счет исключения необходимости изготовления и установки этих трубок.
В частных альтернативных вариантах реализации изобретения, указанных в зависимых пунктах его формулы, также достигается указанный технический результат.
В частности, реализация отличительного признака зависимого пункта формулы изобретения, предусматривающего сборку сердечника из листов электротехнической стали, изготовленных с низкой точностью - с применением квалитета (International Tolerance) от IT 13 до IT 17 для их наружного контура, по меньшей мере в областях расположения герметизированных каналов, приводит к увеличению разброса размеров (расшихтовки) листов на наружной поверхности сердечника. Это обеспечивает, с одной стороны, улучшение охлаждения статора за счет увеличения площади теплового контакта охлаждающей жидкости с сердечником статора и турбулизации этой жидкости, а с другой стороны - к улучшению технологичности изготовления статора за счет снижения требований к точности изготовления листов его сердечника.
В случае реализации отличительных признаков 3-го и 4-го зависимых пунктов формулы изобретения, согласно которым сердечник изготавливается из листов электротехнической стали с самоклеящимся покрытием, обеспечивающим герметичность сердечника после склеивания листов путем его сжатия и нагревания, в частности, с обеспечением прочности сердечника, достаточной для его использования в качестве несущей конструкции электрической машины, улучшение охлаждения статора обеспечивается за счет прямого контакта охлаждающей жидкости с поверхностью сердечника. Склеивание листов обеспечивает также улучшение охлаждения статора за счет улучшения передачи тепла вдоль оси электрической машины через спинку статора на нажимные элементы, в которых выполнены коллекторы. Одновременно повышается технологичность конструкции за счет исключения необходимости установки герметизирующих трубок и силовых элементов, обеспечивающих жесткость и прочность статора.
Герметизация каналов для охлаждающей жидкости путем приклейки (крепления) герметизирующей теплопроводящей пленки или фольги на наружную поверхность сердечника статора, предусмотренная следующим отличительным признаком зависимого пункта формулы, по сравнению с герметизацией каналов с помощью трубок или наружной рубашки охлаждения, позволяет улучшить охлаждение статора за счет уменьшения толщины этого герметизирующего элемента и, соответственно, его теплового сопротивления. Одновременно достигается улучшение технологичности конструкции статора за счет более простого изготовления и монтажа пленки или фольги по сравнению с другими герметизирующими элементами.
Устройство на внутренней поверхности оболочки канавок, расположенных напротив аксиальных канавок сердечника, обеспечивает улучшение охлаждения за счет увеличения сечения каналов для охлаждающей жидкости и, соответственно, площади соприкосновения охлаждающей жидкости с конструктивными элементами статора. Увеличение этого сечения приводит также к улучшению технологичности конструкции статора за счет снижения требований к точности изготовления элементов статора, образующих эти каналы.
Выполнение оболочки из металлического листа или с искусственно созданными неровностями на ее внутренней поверхности, а также крепление оболочки к кольцевым нажимным элементам с помощью сварки, развальцовки и/или клея, реализованное в соответствии с последними отличительными признаками зависимых пунктов формулы изобретения, в отличие от традиционно применяющейся расточки внешнего корпуса или оболочки электрической машины, обеспечивает улучшение охлаждения статора за счет увеличения площади контракта охлаждающей жидкости с этой оболочкой за счет более шероховатой поверхности или искусственно созданных на ней выступов и впадин. Применение такой оболочки, а также ее соединение с нажимными элементами без дополнительных крепежных элементов, обеспечивает также повышение технологичности конструкции статора.
На фиг. 1 схематично показан статор электрической машины с жидкостным охлаждением. На фиг. 2 приведена упрощенная гидравлическая схема его системы охлаждения. На фиг. 3 показаны каналы охлаждения, расположенные аксиально между оболочкой и наружной поверхностью сердечника статора, а на фиг. 4 - вариант реализации этих каналов с увеличенным сечением.
Электрическая машина может быть электрическим двигателем и/или генератором. Она может быть вентильно-индукторной (вентильной реактивной, вентильной индукторно-реактивной) 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), a также асинхронной: «IM» (Induction motor) с короткозамкнутым или фазным ротором.
Статор содержит сердечник 1, выполненный из листов (пластин) электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала. Он может быть также выполнен из магнитомягкого композиционного материала на основе железного порошка или феррита.
В пазах сердечника на его зубцах размещена сосредоточенная или распределенная обмотка 2. Она может быть однослойной или многослойной, волновой или петлевой.
Сердечник размещен в оболочке 3, которая может быть изготовлена с использованием гибки (вальцовки) и сварки металлического листа или обработки трубы. На всей ее внутренней поверхности или в области расположения каналов для охлаждающей жидкости могут быть выполнены неровности, искусственно созданные с помощью фрезерования, штамповки, накатки и т.п.
С обеих торцевых сторон сердечника 1 расположены кольцеобразные нажимные элементы 4, 5, изготовленные (отлитые) из алюминиевого сплава или из стали и прикрепленные к оболочке 3 с помощью сварки 6, развальцовки и/или клея.
В канавках спинки сердечника 1 напротив его зубцов выполнены аксиальные герметизированные каналы 7. Их число выбрано равным числу зубцов сердечника 1.
С целью увеличения сечения и площади внутренней поверхности каналов для охлаждающей жидкости, на внутренней поверхности оболочки могут быть выполнены канавки 8, расположенные напротив канавок сердечника. Они могут быть образованы, в частности, штамповкой листа перед его гибкой.
Каналы 7 (8) гидравлически соединены между собой с помощью коллекторов 9, 10, представляющих собой внутренние полости нажимных кольцеобразных элементов 4, 5.
К нажимным элементам прикреплены подшипниковые щиты 11, 12. Их буртики входят в расточки нажимных элементов 4, 5, образуя внутренние замки.
Охлаждающая жидкость Q (вода, масло, антифриз и т.д.) подается на статор через патрубки (штуцеры) 13 на коллектор 9 со стороны подшипниковых щитов (фиг. 1) (по аксиальной схеме), либо непосредственно на кольцевые нажимные элементы 4, 5 (по радиальной схеме). В этих схемах оси патрубков, соответственно, параллельны или перпендикулярны оси электрической машины.
Каналы охлаждения 7 (8) соединены между собой последовательно, параллельно или по смешанной схеме. Возможный вариант их соединений с помощью коллекторов 9, 10 показан на фиг. 2. На этом чертеже у статора с 12-ю каналами охлаждения образованы две группы каналов, каждая из которых содержит по 6 последовательно соединенных каналов. Далее эти группы соединены между собой параллельно.
Если используется параллельное соединение всех каналов, то патрубки (штуцеры) 13 установлены на обоих кольцевых нажимных элементах 4, 5, а коллекторы 9,10 выполнены в виде кольцевых проточек в этих элементах.
Циркуляция жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике или радиаторе 14, осуществляется с помощью внешнего насоса 15. В случае необходимости, для передачи тепловой энергии от радиатора (теплообменника) окружающей среде (воздуху) используется вентилятор 16.
В дополнение к жидкостному охлаждению может применяться воздушное конвективное (естественное) или принудительное (с помощью внешнего вентилятора) охлаждение наружной поверхности оболочки 3 статора.
Если сердечник 1 выполнен из листов (пластин) электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, то эти листы могут быть изготовлены с невысокой точностью - с применением квалитета от IT 13 до IT 17 для их наружного контура, по меньшей мере в областях расположения герметизированных каналов 7.
Герметизация каналов выполнена без применения трубок. С этой целью сердечник выполнен из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала с самоклеящимся покрытием, обеспечивающим герметичность сердечника после склеивания листов путем сжатия и нагревания сердечника. Склейка может осуществляться также 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.
Возможна также герметизация каналов путем установки на наружную поверхность сердечника герметизирующей теплопроводящей пленки или фольги, покрывающей наружную поверхность сердечника и исключающей возможность протекания охлаждающей жидкости между листами. В частности, установки клеевой ленты на основе алюминиевой или медной фольги с клеем, обладающим повышенной теплопроводностью.
С целью повышения надежности статора возможно также одновременное применение склеивания листов сердечника и установки на его наружную поверхность герметизирующей пленки или фольги.
Склеивании листов сердечника может осуществляться с использованием клея, обеспечивающего достижение прочности сердечника, достаточной для его использования в качестве несущей конструкции электрической машины.
При отсутствии склейки или в дополнение к ней, листы электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала сердечника статора могут быть скреплены между собой с помощью дополнительных силовых элементов (шпилек, болтов, планок, накладок и т.п.), размещенных аксиально снаружи оболочки или в отверстиях сердечника и стягивающих между собой подшипниковые щиты 11, 12, либо кольцевые нажимные элементы 4, 5.
Герметизация коллекторов 9, 10 выполнена за счет заполнения зазоров между кольцеобразными нажимными элементами 4, 5 и сердечником 1 уплотняющим материалом (пастой, замазкой, мастикой, самоклеящейся лентой и т.п.), и/или применения дополнительных деталей из упругого материала (уплотнительных прокладок, колец и т.п.) 17. Если подвод и/или отвод охлаждающей жидкости осуществляется через патрубки (штуцеры) 13, прикрепленные к подшипниковым щитам 11, 12 или выполненные заодно с ними, то аналогичным образом осуществляется герметизация соединений кольцеобразных нажимных элементов с этими щитами.
Ротор 18, отделенный от статора воздушным зазором, закреплен на валу и установлен в подшипниках, запрессованных в подшипниковые щиты 11, 12. Ротор может быть явнополюсным (зубчатым) пассивным, если электрическая машина является индукторной реактивной (SRM). Он 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).
Предложенное устройство работает следующим образом.
После подачи напряжения на обмотки 2 электрической машины от внешнего преобразователя (инвертора, контроллера) по этим обмоткам начинает протекать электрический ток, что приводит к возникновению в сердечнике 1 магнитного потока и, соответственно, крутящего момента на валу электродвигателя.
При этом происходит нагрев сердечника и обмоток статора. Выделяющееся тепло распространяется радиально вдоль листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала до каналов 7 (8) и далее передается протекающей в них охлаждающей жидкости.
Одновременно тепло через спинку сердечника аксиально передается на кольцевые нажимные элементы 4, 5 и расположенные в них коллекторы 9, 10, что улучшает охлаждение статора.
Охлаждающая жидкость Q из каналов 7 (8) через коллекторы 9, 10 и патрубки (штуцеры) 13 по отводящему трубопроводу поступает во внешний теплообменник (радиатор) 14 и после охлаждения вновь подается на электрическую машину с помощью внешнего циркуляционного насоса 15. Таким образом реализуется замкнутая система жидкостного охлаждения статора.
С целью обеспечения одновременного улучшения охлаждения и технологичности конструкции статора, в нем реализованы указанные выше различные альтернативные технические решения, либо их сочетания.
В частности, сборка сердечника из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, изготовленных с невысокой точностью, приводит к неравномерному выступанию этих пластин на наружном контуре сердечника. Это приводит к увеличению площади контакта охлаждающей жидкости с сердечником, а также к турбулизации ее потока. Благодаря этому достигается улучшение охлаждения статора при одновременном улучшении технологичности его конструкции.
В случае реализации каналов для охлаждающей жидкости с повышенным сечением за счет канавок, расположенных на оболочке, а также применения оболочки, изготовленной методом вальцовки из металлического листа или с искусственно созданными неровностями на ее внутренней поверхности, достигается увеличение площади контракта охлаждающей жидкости с оболочкой, что также обеспечивает улучшение охлаждения статора при одновременном упрощении ее конструкции.
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов конструкции статора электрической машины с жидкостным охлаждением возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.