Статор электрической машины с трубчатой системой охлаждения
ELECTRIC MACHINE STATOR WITH TUBULAR COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах охлаждения электрических машин.
Известна рубашка охлаждения электрической машины [патент РФ №169095 U1, кл. H02K 9/16, 03.03.2017], выполненная в виде спирального трубчатого элемента с патрубками входа и выхода охлаждающей жидкости и предназначенная для установки между статором и корпусом электромашины, причем спиральный трубчатый элемент выполнен в виде двух спиральных ветвей, одна из которых включает входной патрубок с одного торца и витки, выполненные так, что между ними размещены витки второй ветви с выходным патрубком с того же, что и входной патрубок, торца, при этом обе ветви гидравлически соединены между собой с противоположного патрубкам торца.
Недостатками аналога являются невысокая интенсивность теплоотвода, а также существенные перепады температуры от внешней поверхности статора к внутренней, обусловленные расположением рубашки охлаждения на внешней поверхности магнитопровода.
Известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением магнитопровода [патент РФ №2284627 С2, кл. H02K 9/19, 27.09.2006], содержащий магнитопровод в виде тороида прямоугольного сечения из ферромагнитного материала с установленной на нем обмоткой, кольцеобразные нажимные элементы корпуса с обеих торцевых сторон магнитопровода, устройство, соединяющее нажимные элементы, и кольцевую охлаждающую камеру, охватывающую статор с внешней стороны и заполненную охлаждающей жидкостью с ее охлаждением во внешнем теплообменнике, при этом магнитопровод выполнен монолитным, нажимные элементы корпуса герметически соединены с магнитопроводом и снабжены цилиндрической оболочкой с внутренним диаметром больше наружного диаметра магнитопровода, герметически соединенной с указанными нажимными элементами по их периметру, образуя охлаждающую камеру тороидальной формы прямоугольного сечения.
Недостатками аналога являются невысокая интенсивность теплоотвода, а также существенные перепады температуры от внешней поверхности статора к внутренней, обусловленные протеканием хладагента по внешней поверхности магнитопровода.
Известен электродвигатель с внешним ротором и системой охлаждения статора [патент РФ №2697511 С1, кл. H02K 1/20, H02K 5/20, H02K 9/19, 15.08.2019], включающий вал, установленный в подшипниковой опоре, концентрично которому установлен магнитопровод статора с рабочей обмоткой и ее лобовыми вылетами, причем вал выполнен статическим, электродвигатель снабжен полым цилиндром, внутри которого установлен магнитопровод статора, причем цилиндр содержит крышки, герметично соединенные с валом и соответствующими торцами цилиндра, и две внутренние перегородки, образующие полости, статический вал содержит каналы для подвода и отвода хладагента, каждый из которых сообщен с полостью цилиндра, расположенной со стороны подшипниковой опоры, а полость, расположенная со стороны свободного конца вала, снабжена штуцерами для подвода и отвода хладагента.
Недостатком аналога является необходимость герметизации статора от ротора при помощи полого цилиндра, что приводит к увеличению воздушного зазора между статором и ротором и, как следствие, увеличению размеров индуктора.
Известна электрическая машина с жидкостным охлаждением статора [патент РФ №2687560 С1, кл. H02K 1/20, H02K 9/19, 15.05.2019], содержащая сердечник статора с обмоткой, набранный из листов электротехнической стали, в спинке которого выполнены герметизированные каналы, соединенные между собой последовательно и/или параллельно с помощью коллекторов, приспособленных для подвода и отвода жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике, подшипниковые щиты и ротор с валом, в которой герметизация каналов выполнена путем заполнения зазоров между листами электротехнической стали герметизирующим компаундом или клеем и/или путем размещения в этих каналах трубок из электроизоляционного материала, и/или из магнитопроводящего материала, и/или из металла с изоляцией этих трубок от листов электротехнической стали и/или по меньшей мере от одного коллектора; и/или трубок, размещенных с заполнением зазоров между этими трубками и листами электротехнической стали теплопроводящим компаундом или клеем; и/или трубок, установленных в каналы сердечника статора с использованием развальцовки, или запрессовки, или гидроопрессовки, или пневмоопрессовки, или вплавления в поверхность этих каналов.
Недостатком аналога является то, что обмотка статора охлаждается косвенно через магнитопровод, что негативно сказывается на максимально допустимых плотностях тока и линейных токовых нагрузках.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является охлаждаемый статор электрической машины [патент РФ №169 096 U1, H02K 1/20, 03.03.2017], содержащий размещенные в пазах магнитопровода статора фазные обмотки с образованием между смежными обмотками и магнитопроводом полостей треугольного сечения, в которых размещен трубчатый теплообменник с образованием контакта с поверхностями обмоток и магнитопровода, образующими указанное треугольное сечение, при этом трубчатый теплообменник выполнен из теплопроводящего силикона так, что 4T/π≥D≥T, где D - внешний диаметр трубчатого теплообменника; Т - длина профиля указанного треугольного сечения по магнитопроводу.
Главными недостатками ближайшего аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные низкой интенсивностью охлаждения обмотки статора и малой площадью контакта меди и хладагента.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности, благодаря увеличению интенсивности охлаждения обмотки статора за счет увеличения площади контакта хладагента с медью.
Технический результат - повышение надежности, энергоэффективности, минимизация тепловыделений обмотки статора и, как следствие, повышение КПД электрической машины.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что статор электрической машины с трубчатой системой охлаждения, содержащий магнитопровод с уложенными в нем обмоткой с проводниками и силиконовыми трубками, в котором, согласно изобретению, обмотка статора расположена внутри силиконовых трубок с возможностью омывания хладагентом поверхности проводников, при этом силиконовые трубки выполняют также функции пазовой изоляции, а в области лобовых частей обмотки силиконовые трубки присоединены к тройникам, изготовленным из немагнитного материала, с возможностью прохождения хладагента через отверстия, при этом один из тройников имеет отверстие, через которое герметично выведены проводники обмотки.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана модель статора с установленной на одной из катушек предлагаемой системой охлаждения. На фиг. 2 показан продольный разрез паза статора с трубчатой системой охлаждения.
Статор электрической машины с трубчатой системой охлаждения (фиг. 1 и фиг. 2) содержит магнитопровод 1, набранный из листов электротехнической стали, в пазы которого, вместо пазовой изоляции, уложены силиконовые трубки 2. Внутрь силиконовых трубок 2 уложена обмотка статора 3, а в области лобовых частей обмотки трубка с каждого конца надета на тройники 4 и 5. Оба тройника имеют отверстия 6 и 7 для подачи хладагента. Помимо этого, тройник 5 имеет отверстия 8 для герметичного вывода проводников обмотки 9.
Статор электрической машины с трубчатой системой охлаждения работает следующим образом: при протекании тока по обмотке статора 3 в ней образуются потери, выделяющиеся в виде тепловой энергии. При прохождении переменного магнитного потока через магнитопровод 1 в нем также образуются потери, которые обуславливаются появлением вихревых токов и перемагничиванием стали. Для отведения тепла от статора через обмотку статора 3 пропускается жидкий хладагент. Хладагент подается через отверстие 7, проходит через тройник 5, изготовленный из немагнитного материала и имеющий отверстия 8 для герметичного вывода проводников обмотки 9, трубки 2, тройник 4 и выходит через отверстие 6. При этом на всем пути он проходит между проводниками обмотки статора 3, охлаждая их. Магнитопровод 1 напрямую с хладагентом не контактирует, поэтому такое охлаждение подходит только для машин с низким уровнем тепловыделений в магнитопроводе 1.
Итак, заявленное изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить надежность статора, благодаря повышению интенсивности охлаждения обмотки статора за счет увеличения площади контакта хладагента с медью, которое обуславливается переносом проводников обмотки статора непосредственно внутрь канала охлаждения. Таким образом достигается повышение энергоэффективности и минимизация тепловыделений обмотки статора.