Электромеханический преобразователь с жидкостным охлаждением и электронным управлением
ELECTROMECHANICAL CONVERTER WITH LIQUID COOLING AND ELECTRONIC CONTROL

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромеханическим преобразователям, включающим электрические машины с охлаждением, управляемые вентильными преобразователями. Касается особенностей конструктивного исполнения статоров и роторов машин переменного тока таких электромеханических преобразователей и их систем охлаждения. Может быть использовано при проектировании и производстве электромеханических преобразователей с управляемыми машинами переменного тока.
Известны электромеханические преобразователи со стержневыми волновыми обмотками [1]. Они включают сердечники статора и ротора с пазами прямоугольной формы, в каждом из которых находятся два активных проводника (стержня), причем активные проводники, расположенные в верхней части пазов сердечника, образуют верхний слой обмотки, и активные проводники (стержни), расположенные в нижних частях пазов сердечника, образуют нижний слой обмотки. Сердечники и активные проводники составляют активные части таких электромеханических преобразователей. Преобразователи включают также проводники лобовых частей обмоток. Эти части находятся у торцов сердечников и включают проводники между стержнями витков обмоток, соединяющих проводники в витковые группы, а также проводники для соединения витковых групп, образующих ветви фаз обмоток с выводами фаз. Лобовые части обмотки являются жесткими и не имеют специальной межвитковой изоляции. Однако вылет лобовых частей обмоток очень велик.
Известно техническое решение, позволяющее снизить вылет лобовых частей стержневых обмоток статоров электрических машин [2]. Каждый стержень обмотки статора, выходя из паза на некотором расстоянии от торца сердечника, дважды сгибается по линии, проходящей под углом 45 градусов к оси стержня вдоль его широкой стороны. После второго изгиба стержень находится в плоскости, перпендикулярной оси вращения, и располагается вдоль радиальной линии. Лобовые части стержней, лежащих в соседних пазах и образующих одну катушечную группу, располагаются параллельно друг другу во внешнем направлении от воздушного зазора.
Недостатком этого варианта конструкции стержневой обмотки, применимого для однослойных обмоток электромеханических преобразователей, является увеличение внешнего диаметра обмотки статора, что влечет за собой увеличение габаритов машины в радиальном направлении.
Известен также электромеханический преобразователь переменного тока (энергоэффективная электрическая машина) с лобовыми частями компактной конструкции [3]. Конструкция лобовых частей обмотки статора или фазного ротора предусматривает их размещение в плоскости, параллельной торцу сердечника, над зубцово-пазовой зоной статора. Это достигается тем, что в местах соединения лобовых проводников с активными проводниками, проводники обмотки имеют уменьшенное, по сравнению с усредненной площадью поперечного сечения активного проводника, поперечное сечение. Вылет лобовых частей обмотки статора уменьшается. При этом габариты обмотки статора в радиальном направлении сохраняются.
Недостатком этого варианта конструкции преобразователя является повышенный нагрев мест соединения лобовых и активных проводников обмотки статора при значительном уменьшении сечения этих мест соединения, что приводит к преждевременному старению изоляции обмотки статора и ее пробою.
Известен электромеханический преобразователь с жидкостным охлаждением и электронным управлением [4], выбранный за прототип. Он включает разделенные зазором статор и ротор, каждый из которых включает активную часть с двумя торцами, включающую сердечник с пазами и расположенными в них активными проводниками, а также по крайней мере одну лобовую часть для соединения активных проводников, расположенную над первым торцом активной части, включающую основные лобовые проводники, причем активные проводники и лобовые части составляют обмотку с выводами, кроме того, электронные управляемые компоненты и две проводящие электрический ток шины, расположенные над вторым торцом активной части, при этом упомянутые шины электрически соединены с внешним источником напряжения неизменной полярности, причем каждый из упомянутых электронных управляемых компонентов имеет три силовых вывода, первый из которых электрически соединен с одним из выводов обмотки, а второй и третий силовые выводы электрически соединены с упомянутыми проводящими ток шинами, а также, по крайней мере два канала для протекания охлаждающей жидкости, расположенные над торцами этой активной части, участки поверхности первого из которых, расположенного над первым торцом активной части, механически соединены с ближайшими к ним участками поверхности лобовой части.
В прототипе активные проводники обмотки статора в пазах сердечника выполнены в виде сплошных стержней, которые с первого торца активной части статора соединены лобовой частью в виде короткозамыкающего кольца. С другого торца активной части статора эти стержни имеют выводы. Лобовая часть в виде короткозамыкающего кольца и стержни с выводами составляют обмотку статора с выводами. Выводы обмотки статора соединены с первыми (средними) силовыми выводами электронных управляемых компонентов. Над торцом статора, где расположены электронные управляемые компоненты, выполнен канал для протекания охлаждающей жидкости, участки поверхности которого механически соединены с ближайшими к ним участками поверхностей электронных управляемых компонентов. Над торцом статора, где расположена лобовая часть, выполнен второй канал для протекания охлаждающей жидкости, участки поверхности которого механически соединены с ближайшими к ним участками поверхностей лобовой части, выполненной в виде короткозамыкающего кольца.
Недостатками прототипа является ограниченные функциональные возможности электромеханического преобразователя из-за возможности работы только при «сверхнизких» напряжениях источника питания [5], а также снижение надежности - из-за недостаточного охлаждения активной и лобовой частей статора.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей электромеханического преобразователя и увеличение его надежности.
Технический результат достигается тем, что в электромеханическом преобразователе с жидкостным охлаждением и электронным управлением, включающим разделенные зазором статор и ротор, каждый из которых включает активную часть с двумя торцами, включающую сердечник с пазами и расположенными в них активными проводниками, а также по крайней мере одну лобовую часть для соединения активных проводников, расположенную над первым торцом активной части, включающую основные лобовые проводники, причем активные проводники и лобовые части составляют обмотку с выводами, кроме того, электронные управляемые компоненты и две проводящие электрический ток шины, расположенные над вторым торцом активной части, при этом упомянутые шины электрически соединены с внешним источником напряжения неизменной полярности, причем каждый из упомянутых электронных управляемых компонентов имеет три силовых вывода, первый из которых электрически соединен с одним из выводов обмотки, а второй и третий силовые выводы электрически соединены с упомянутыми проводящими ток шинами, а также по крайней мере два канала для протекания охлаждающей жидкости, расположенные над торцами этой активной части, участки поверхности первого из которых, расположенного над первым торцом активной части, механически соединены с ближайшими к ним участками поверхности лобовой части, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей и надежности, активные проводники по крайней мере одной активной части выполнены в виде по крайней мере одной пары слоев с поперечным сечением проводников близким к прямоугольному, над вторым торцом этой активной части выполнена вторая лобовая часть с выводами обмотки, причем лобовые части над торцами этой активной части снабжены перемычками с уменьшенной, относительно активных проводников, площадью поперечного сечения, соединяющими активные проводники и основные лобовые проводники, а по крайней мере большинство упомянутых перемычек расположены с внешней стороны каждой пары слоев так, что основные лобовые проводники не пересекаются, а участки поверхности второго канала для протекания охлаждающей жидкости, механически соединены с ближайшими к ним участками поверхностей лобовой части, электронных управляемых компонентов, проводящих ток шин и торца сердечника, причем, при выполнении обмотки статора с несколькими ветвями, лобовые части обмотки статора включают группы из нескольких основных лобовых проводников, которые расположены один над другим, причем ближайшие друг к другу участки основных лобовых проводников по крайней мере большинства этих групп механически соединены между собой, а ближайшие друг к другу участки поверхностей по крайней мере большинства этих групп, торцов активной части, электронных управляемых компонентов и проводящих ток шин механически соединены между собой, причем, что он снабжен третьим каналом для протекания охлаждающей жидкости, расположенным над электронными управляемыми компонентами, ближайшей к ним лобовой частью и проводящими ток шинами, причем ближайшие участки их поверхностей и поверхности третьего канала механически соединены между собой, а по крайней мере один из двух первых каналов для протекания охлаждающей жидкости расположен между группами основных лобовых проводников и ближайшей к нему торцевой поверхностью активной части, причем ближайшие друг к другу участки поверхностей этого канала, активной части и лобовой части механически соединены между собой, причем, в торцевой зоне сердечника, по меньшей мере вблизи каждого первого силового вывода электронных управляемых компонентов, выполнены соединенные с пазами этого сердечника дополнительные вырезы, в каждом из которых размещен один из выводов обмотки, причем, внутри по крайней мере нескольких пазов сердечника по крайней мере одной активной части выполнены дополнительные каналы для протекания охлаждающей жидкости, причем, первый и второй каналы для протекания охлаждающей жидкости по крайней мере одной активной части соединены с дополнительными каналами в пазах сердечника этой активной части и образуют по крайней мере часть системы жидкостного охлаждения упомянутого электромеханического преобразователя.
На фиг. 1-6 показан пример конкретного выполнения электромеханического преобразователя с жидкостным охлаждением и электронным управлением на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
На фиг. 1 изображен вид сверху предложенного электромеханического преобразователя. Этот преобразователь включает статор 1 и ротор 2, разделенные воздушным зазором 3. Статор 1 включает цилиндрический сердечник 4, выполненный из листов шихтованной электротехнической стали, с пазами 5, а также обмотку 6, выполненную по схеме двухслойной волновой обмотки. Верхний слой обмотки 6 расположен ближе к воздушному зазору 3 [1]. Ротор 2 включает сердечник 7, короткозамкнутую обмотку 8 и вал 9, как в обычном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором [1].
На фиг. 2 изображен вид части статора 1 электромеханического преобразователя. Обмотка статора 6 включает активные проводники 10 в пазах 5 сердечника 4. Эти активные проводники 10 и сердечник 4 составляют активную часть 11 статора 1. Изображена лобовая часть 12 с выводами обмотки 6, электронные управляемые компоненты 13 и две проводящие электрический ток шины 14, расположенные над изображенным торцом активной части 11.
Над другим торцом активной части 11 статора 1 расположена лобовая часть, подобная лобовой части 12 [3] и первый канал для протекания охлаждающей жидкости, участки поверхности которого, механически соединены с ближайшими к ним участками поверхности лобовой части [4].
Выводы обмотки 6 электрически соединены с первыми (в центральной части компонентов 13) выводами электронных управляемых компонентов 13, таким же образом как в [4]. Проводящие ток шины 14 электрически соединены с внешним (по отношению к электромеханическому преобразователю) источником напряжения неизменной полярности, а также с вторым и третьим выводами электронных управляемых компонентов 13 (в правой и левой частях компонентов 13) так, как это описано в [4, 5]. Нижние участки поверхности электронных управляемых компонентов 13 (ближайшие к торцевой поверхности активной части 11) механически соединены (например, с помощью теплопроводящей изоляции) с ближайшими участками торцевой поверхности сердечника 4, таким же образом как в [4].
На фиг. 2 также изображен второй канал 15 для протекания охлаждающей жидкости, расположенный над вторым торцом активной части 11. Участки поверхности второго канала 15 механически соединены (например, с помощью изоляции высокой теплопроводности) с ближайшими к ним участками поверхностей лобовой части 12, электронных управляемых компонентов 13, проводящих ток шин 14 и торца сердечника статора 4 таким образом, что достигается максимальная теплопроводность между ними.
На фиг. 2 (справа) изображена часть обмотки 6 статора 1 с несколькими ветвями, включающая активные проводники 10 активной части 11, а также группу 16 основных лобовых проводников и перемычки 17 лобовых частей 12. Перемычки 17 соединяют активные проводники 10 и основные лобовые проводники группы 16. Перемычки 17 имеют поперечные сечения примерно вдвое меньшие сечений активных проводников 10. При расположении этой части обмотки 6 в нижнем слое, - перемычки 17 расположены с внешней стороны представленной на фиг. 2 пары слоев обмотки 6.
Основные лобовые проводники групп 16 расположены один над другим, причем эти лобовые проводники ближайшими друг к другу участками поверхностей (верхним участком поверхности среднего основного лобового проводника группы 16 и нижним участком поверхности расположенного над ним основного лобового проводника этой группы 16) механически (например, с помощью изоляции высокой теплопроводности) соединены друг с другом. а ближайшие к торцу активной части 11 участки поверхности групп 16 (в данном случае, - нижний участок поверхности группы 16, представляющий собой нижний участок поверхности нижнего основного лобового проводника этой группы 16) механически соединены с ближайшими к ним участками торцевой поверхности активной части 11. Ближайшие друг к другу участки поверхностей групп 16 механически соединены между собой (например, с помощью изоляции высокой теплопроводности) так, что совокупность групп 16 представляет собой лобовую часть 12 и имеет на фиг. 2 вид кольца. Подобным образом выполнена лобовая часть другого торца статора 1.
На фиг. 3 изображен статор 1 электромеханического преобразователя в разрезе, с третьим каналом 18 для протекания охлаждающей жидкости, расположенным над группами 16 основных лобовых проводников, проводящими ток шинами 14, и электронными управляемыми компонентами 13, причем ближайшие участки их поверхностей и поверхности третьего канала 18 для протекания охлаждающей жидкости механически соединены между собой (например, с помощью изоляции высокой теплопроводности).
На фиг. 3 изображен канал 19 для протекания охлаждающей жидкости (один из двух первых каналов), который расположен на фиг. 3 между группами 16 основных лобовых проводников и ближайшей к нему торцевой поверхностью активной части 11. При этом, ближайшие друг к другу участки поверхностей канала 19, групп 16 лобовой части и перемычек 17 (составляющих лобовую часть) и активной части 11 механически соединены между собой (например, с помощью изоляции высокой теплопроводности) таким образом, что достигается максимальная площадь соприкосновения и высокая теплопроводность.
На фиг. 4 изображен сектор сердечника 4 статора 1 с дополнительными вырезами 20 в торцевой зоне сердечника 4, соединенными с пазами 5 сердечника 4. Эти вырезы 20 выполнены вблизи каждого первого силового вывода электронных управляемых компонентов 13, причем в каждом из дополнительных вырезов 20 размещен один из выводов обмотки статора 6, соединенный с активным проводником в одном из пазов 5 сердечника 4. Возможно выполнены вырезов 20 для соединения дополнительных каналов 23 и второго канала 15 для протекания охлаждающей жидкости. Силовые выводы 21 и 22 электронных управляемых компонентов 13 соединены с проводящими ток шинами 14, изображенные на фиг. 2 и 3, (полярность соединений шин 14 соответствует [4]). Проводящие ток шины 14 соединены с выводами внешнего источника напряжения неизменной полярности, например, с выводами диодного выпрямителя (не входит в состав преобразователя).
На фиг. 5 изображен эскиз сектора сердечника 4 статора 1 с одним из пазов 5. Этот паз имеет трапецеидальную форму. В нем расположены активные проводники 10 с поперечным сечением прямоугольной формы. В этом пазу межу пазовой изоляцией и изоляцией активных проводников 10 выполнены дополнительные каналы 23 для протекания охлаждающей жидкости. Возможно выполнены вырезов 20 без выводов обмотки 6 для соединения дополнительных каналов 23 и второго канала 15 для протекания охлаждающей жидкости.
На фиг. 6 изображена часть системы жидкостного охлаждения статора. Она включает дополнительные каналы 23 для протекания охлаждающей жидкости в пазах 5 сердечника 4. Они соединены с каналами для протекания охлаждающей жидкости, расположенными по торцам статора 1, например, первым каналом 19 и вторым каналом 15.
Возможно выполнить ротор с электронными управляемыми компонентами, по конструкции подобным статору.
Работает электромеханический преобразователь следующим образом. В зависимости от режима работы машины, электронные управляемые компоненты 13 осуществляют изменение частоты напряжения обмотки 6 статора 1. В двигательном режиме напряжение источника подается на проводящие ток шины 14, а частота переключения тока электронными управляемыми компонентами 13 такова, что частота вращения магнитного поля в сердечниках 4 и 8 превышает частоту вращения ротора 2.
В генераторном режиме электронные управляемые компоненты 13 вырабатывают реактивную мощность для создания магнитного поля в сердечниках 4 и 8, Частота переключения тока электронными управляемыми компонентами 13 такова, что частота вращения магнитного поля в сердечниках 4 и 8 меньше частоты вращения ротора 2. Переменное напряжение обмотки 6 статора 1 выпрямляется с помощью электронных управляемых компонентов 13 и по проводящим ток шинам 14 постоянный ток поступает во внешний источник, например аккумулятор. Происходит заряд аккумулятора.
Предложенная конструкция электромеханического преобразователя позволяет ему работать в широком диапазоне напряжений источника питания, что расширяет его функциональные возможности. Это достигается увеличением числа витков в фазах обмотки 6 статора 1, что невозможно в прототипе.
Увеличение надежности предложенного электромеханического преобразователя достигается за счет снижения температуры обмотки 6 и других частей статора.
Система жидкостного охлаждения машины работает следующим образом. Холодная вода, или другая жидкость, поступает во второй канал 15 и третий канал 18, охлаждая обмотку 6 и другие части статора. Из канала 15 поступает в дополнительные каналы 23 и, протекая по ним, охлаждает активную часть 11. Затем по первому каналу 19 поступает во внешнюю систему охлаждения горячей воды. Это увеличивает эффективность охлаждения статора 1 электромеханического преобразователя и позволяет значительно уменьшить температуру в проводниках статора 1 и увеличить надежность работы преобразователя.
Источники информации:
1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л., 1978, с. 407-409.
2. Патент RU 2310965 С2, 20.11.2007.
3. Патент RU 2526835 С2, 10.02.2014.
4. Заявка на патент US 2016/0087497 А1, 24.03.2016.
5. A. Patzak, F. Bachheibl, A. Baumgardt, G. Dajaku, O. Moroz, and D. Gerling, "ISCAD - Electric High Performance Drive for Individual Mobility at Extra-Low Voltages," SAE Int. J. Alt. Power. 5(1): 148-156, 2016, doi:10.4271/2016-01-1179.