Система охлаждения закрытой электрической машины
COOLING SYSTEM OF CLOSED ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к области электромашиностроения, а более конкретно к системам охлаждения индукторных электрических машин закрытого исполнения, предназначенных для использования в системах электроснабжения и электропривода автономных объектов (автомобилей, средств водного транспорта, летательных аппаратов), где применение этих машин вследствие их высокой надежности особенно эффективно, но требует отвода значительного количества выделяющегося в них тепла, обусловленного реализацией повышенных значений электромагнитных нагрузок для обеспечения минимальной их массы и габаритов.
Известна комбинированная система охлаждения закрытой электрической машины [Патент RU 2234786, МПК H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 20.08.2004], содержащая выполненные в корпусе статора и закрытые металлическими оболочками каналы системы принудительного жидкостного охлаждения, а также расположенный над этими (внутренними) оболочками закрытый с наружной стороны машины внешней металлической оболочкой и герметизированный от проникновения охлаждающей жидкости и наружного воздуха теплообменник в виде полости, принадлежащей замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения, и центробежный вентилятор, расположенный на валу внутри машины. Внутренние полости машины сообщаются с теплообменником через перепускные отверстия, выполненные по периметру статора с его концов и изолированные от каналов охлаждения машины жидкостью, которые выполнены винтовыми. Теплообменник между воздухом и охлаждающей машину жидкостью разделен на продольные каналы, ориентированными вдоль оси машины ребрами, размещенными таким образом, то делят эти каналы на ряд групп коротких каналов, смещенных относительно друг друга по окружности. Выполненные в корпусе основания каналов жидкостного охлаждения и наружная поверхность нижней оболочки, являющейся основанием теплообменника, в этой системе охлаждения выполнены гладкими.
Недостатком этой системы охлаждения является ламинарный характер движения воздушного потока в пределах длины ребер в теплообменнике и жидкости в каналах жидкостного охлаждения, в связи с чем эта система не способна обеспечить нормальный тепловой режим работы закрытых электрических машин, если предъявляются жесткие требования к их массогабаритным и энергетическим показателям и исключается возможность их длительной работы с перегрузкой, как это требуется, например, в системах электроснабжения и электропривода летательных аппаратов и большегрузных машин специального назначения.
Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является комбинированная система охлаждения закрытой электрической машины, описанная в патенте RU 2539691, МПК H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 20.08.2004. Эта система охлаждения закрытой электрической машины, содержащая выполненные в корпусе статора вдоль его окружности концентрично оси машины и закрытые металлической оболочкой каналы принудительного жидкостного охлаждения, с основаниями в виде выступающих из него штырьков (турболизаторов), а также расположенный над этой оболочкой закрытый с наружной стороны машины также металлической оболочкой и герметизированный от проникновения охлаждающей жидкости и наружного воздуха теплообменник в виде полости, принадлежащей замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения от расположенного внутри машины на ее валу центробежного вентилятора, при этом стенки, разделяющие каналы жидкостного охлаждения машины, имеют выступы, к которым крепятся листы металлических оболочек, разделяющих системы жидкостного и воздушного охлаждения, и поверхности которых, обращенные внутрь теплообменника, имеют рифленую поверхность, выполненную накаткой или нанесением на нее турболизаторов, подобных турболизаторам на основании каналов жидкостного охлаждения, при этом стенки, разделяющие каналы жидкостного охлаждения, выходят за пределы закрывающих их оболочек, разделяя теплообменник на отдельные области цилиндрической формы, но не перекрывают поток прогоняемого вентилятором нагретого воздуха через него, так как имеют для его осевого перемещения равномерно распределенные по окружности стенок прорези, к тому же за вентилятором перед входом создаваемого им воздушного потока в корпус по наружному периметру вентилятора установлен направляющий аппарат.
Недостаток этой системы охлаждения закрытой электрической машины состоит в том, что ее эффективность зависит от способа возбуждения электрической машины. Особенно эффективно ее применение в электрических машинах с возбуждением от постоянных магнитов. Применение же ее в электрических машинах с электромагнитным возбуждением сопряжено с необходимостью отвода тепла, выделяющегося в обмотках возбуждения, что приводит к необходимости применения более интенсивных систем охлаждения для обеспечения тех же параметров теплового режима или же, если этого не предпринять, к недопустимым перегревам этих обмоток.
В наиболее неблагоприятных условиях охлаждения находятся обмотки возбуждения индукторных машин при выполнении последних многопакетными и размещении указанных обмоток между пакетами статора. При затрудненном теплоотводе от расположенных таким образом обмоток возбуждения индукторных машин возникают их перегревы, препятствующие реализации в них электромагнитных нагрузок, способных обеспечить требуемые массогабаритные и энергетические показатели этих машин.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности теплоотдачи от обмоток возбуждения многопакетных индукторных машин охлаждающей жидкости.
Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении совокупной массы и габаритов электрической машины и системы ее охлаждения за счет более интенсивного охлаждения машины и, как следствие этого, возможности реализации в ней более высоких значений электромагнитных нагрузок.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано продольное сечение двухпакетной индукторной машины, со сдвинутыми на половину зубцового деления пакетами ротора и размещением обмотки возбуждения между пакетами статора. На фиг. 2 приведен поперечный разрез этой машины плоскостью А-А с нанесенными на него стрелками, указывающими направления потока жидкости, омывающей наружную поверхность корпуса машины. На фиг. 3 показано поперечное сечение обмотки возбуждения с каркасом и прилегающими к нему участками конструктивных элементов статора. На фиг. 4 показан вид на машину сбоку. С правой стороны от вертикальной оси О-О на этом чертеже машина показана со снятой с нее верхней закрывающей теплообменник оболочкой, а с левой стороны от этой линии со снятыми обеими его оболочками (и верхней и нижней). Тонкими линиями со стрелками показано направление перемещения воздуха в теплообменнике, толстыми линиями - направление перемещения вдоль поверхности корпуса охлаждающей жидкости. На фиг. 5 приведен чертеж общего вида на каркас обмотки возбуждения со снятым кожухом системы охлаждения, повернутый вокруг оси машины относительно положения, которое он занимает в ней, на 90°. На фиг. 6 показан общий вид каркаса обмотки возбуждения с разрезами и выровами, позволяющими составить наглядное представление об устройстве дополнительной системы жидкостного охлаждения, каналы и полости которой расположены в каркасе обмотки возбуждения, а также направлениях потоков охлаждающей жидкости в них. На фиг. 7 показан разрез обмотки возбуждения по средней ее части с выровами в местах входа и выхода охлаждающей жидкости в ее каналы, выполненные в каркасе. На фиг. 8 показана в масштабе 2:1 часть системы охлаждения обмотки возбуждения в области В на фиг. 7.
Система охлаждени электрической машины, состоящей из двух пакетов статора 1 с рабочими обмотками 2, секции которых охватывают противолежащие зубцы обоих пакетов, двухпакетный ротор с повернутыми на половину зубцового деления пакетами 3 и обмотку возбуждения 4, расположенную между пакетами статора 1, содержит выполненные в цилиндрическом корпусе 5 закрытые нижней металлической оболочкой 6 каналы 7 принудительного жидкостного охлаждения, в основании которых выполнены турболизаторы. Каналы 7 жидкостной системы охлаждения машины выполнены в корпусе 5 вдоль его окружности концентрично оси машины с выступающими из основания турболизаторами. В рассматриваемом примере исполнения машины турболизаторы имеют форму призм 8 ромбовидного сечения. Не исключается выполнение их в виде выступающих из поверхности корпуса 5 штырьков прямоугольного или круглого профиля. Для входа в систему охлаждения и выхода из нее охлаждающей жидкости на корпусе 5 машины установлены входной 9 и выходной 10 коллекторы. Над нижней оболочкой 6 расположен закрытый с наружной стороны машины металлической верхней оболочкой 11 теплообменник 12 в виде полости, принадлежащей замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения. На валу машины установлен вентилятор 13, а по его периферии в корпусе выполнены равномерно распределенные по окружности перепускные отверстия 14. Каналы жидкостного охлаждения машины 7 разделены стальными исходящими из корпуса 5 перегородками 15, которые выходят за пределы этих каналов в теплообменник 12, но не разделяют его на несколько изолированных друг от друга отсеков, а имеют равномерно распределенные по окружности прорези 16, разделенные перегородками 17. Поверхности оболочки 6, закрывающей каналы жидкостного охлаждения со стороны теплообменника 12, для увеличения поверхности теплоотдачи выполнены рифлеными. За центробежным вентилятором 14 по наружному периметру вентилятора 13 установлен направляющий аппарат 18.
Обмотка возбуждения машины 4 для улучшения отвода выделяющегося в ней тепла располагается в металлическом (алюминиевом) каркасе 19 с выполненными в нем каналами и полостями, принадлежащем дополнительной системе принудительного жидкостного охлаждения, охлаждающая жидкость в которую поступает из того же входного коллектора 9, что и в основную омывающую наружную поверхность корпуса 5 жидкостную систему охлаждения через выполненные в цилиндрическом корпусе 5 с центрами на верхней его образующей и принадлежащие дополнительной системе охлаждения сквозные отверстия 20 и 21, расстояние между которыми равно расстоянию между серединами цилиндрических поверхностей боковых стенок каркасов, а выходит из этой системы и поступает в нижний коллектор 10 через противолежащие им отверстия 22 и 23 на нижней образующей корпуса 5.
Дополнительная система охлаждения содержит также два выполненных в каркасе и расположенных на диаметрально противоположных его сторонах П-образных канала, верхний из которых включает в себя два расположенных соосно с отверстиями 20 и 21 в корпусе 5 радиальных отверстия 24 и 25, выполненных в верхней части боковых стенок каркаса 19, а нижний два расположенных соосно с отверстиями 23 и 24 в корпусе радиальных отверстия 26 и 27, выполненных в нижней части боковых стенок каркаса 19, при этом радиальные отверстия и в верхней и нижней частях каркаса 19 попарно соединены закрытыми с обеих торцевых сторон осевыми отверстиями 28 и 29, выполненными в цилиндрическом основании каркаса 19, а также четыре ряда отверстий 30, выполненных с наружной стороны цилиндрической поверхности каркаса 19 под углом к ней до входа их в осевые отверстия 28 и 29 и попарно разделенных ориентированными вдоль оси машины и расположенными над осевыми отверстиями 28 и 29 двумя гладкими участками 31 и 32 в виде полосок поверхности основания каркаса 19, при этом на всю остальную часть этой поверхности нанесены турболизаторы 27, закрытые по внешней своей поверхности алюминиевыми листами 33, приваренными к оставленными гладкими участкам 31 и 32 цилиндрического основания каркаса и к основаниям боковых его сторон.
Осевые отверстия 28 и 29 в приведенной конструкции электрической машины выполнены с одной стороны глухими, а с другой стороны они герметически закрыты с помощью сварки. Для предотвращения утечек охлаждающей жидкости по периметру прилегания отверстий корпуса 20, 21 и 22, 23 к отверстиям боковых стенок соответственно 23, 24 и 25, 26 каркаса 19 в эти отверстия вставлены цилиндрические гильзы 34, выполненные, например, из металла, фиксированное положение которых в системе охлаждения обеспечивается либо применением резьбовых соединений, либо с помощью специальных термостойких клеев. В обоих случаях для обеспечения надежности применяются термостойкие уплотнительные элементы, например, в форме шайб 35.
Работа системы охлаждения машины происходит следующим образом.
Охлаждающая жидкость поступает под давлением в верхний коллектор 9, распределяется в нем по четырем разделенным стенками (перегородками) каналам 7 основной жидкостной системы охлаждения. При протекании жидкости между выступающими из корпуса 5 турболизаторами 8 происходит локальное увеличение скорости потока с интенсивным вихреобразованием непосредственно за каждым рядом штырьков, что приводит к разрушению пограничного слоя и повышению коэффициента теплоотдачи и за счет этого позволяет при относительно малом расходе охладителя обеспечить эффективный теплообмен на большой площади охлаждаемой поверхности.
Находясь в турблизованном состоянии вследствие соприкосновения с выступающими из основания каналов турболизаторами 8, сечение которых в данном случае имеет форму ромба (оно может быть и другой формы, например круглой или прямоугольной), охлаждающая жидкость обтекает наружную поверхность цилиндрического корпуса 5, отбирая при этом тепло, поступающее к нему от магнитопровода машины (статора 1) и обмоток, и трансформируя его за пределы машины через коллектор 10.
Нагретый во внутренних полостях машины воздух под действием внутреннего центробежного вентилятора 14 поступает (направления его перемещения отмечены тонкими линиями) в направляющий аппарат 18, уменьшающий гидравлическое сопротивление перед входом воздуха в распределенные по окружности перепускные отверстия 15 в корпусе 5 (на фиг. 3 эти отверстия расположены справа) и в теплообменник 12, ограниченный нижней 6 и верхней 11 оболочками, и проходит в осевом направлении через прорези 17, выполненные в верхних частях перегородок, разделяющих расположенные ниже теплообменника каналы основного жидкостного охлаждения 7 машины. При этом характер перемещения воздушного потока в теплообменнике существенно отличается от ламинарного за счет расположенных на его пути зубцов 19, разделяющих прорези 17, и рифленой поверхности оболочки 6. Образующийся турбулентный поток способствует интенсивной передаче тепла от воздуха потоку перемещающейся под оболочкой 6 жидкости и выравниванию температуры во внутренних полостях машины, снижая тепловые нагрузки с пакетов 3 ротора и обмоток статора 2.
Работа дополнительной усиливающей эффект охлаждения машины системы охлаждения ее обмотки возбуждения аналогична работе жидкостной составляющей основной системы охлаждения. Охлаждающая жидкость в нее поступает под давлением через отверстия в гильзах 33, расположенных в отверстиях 23, 24, 25 и 26, в верхнее ориентированное вдоль оси отверстие 28, а из него через два верхних ряда системы отверстий 30 в полость каркаса обмотки возбуждения 19, закрытую алюминиевыми листами 33, и растекается по обе стороны от верхней гладкой полоски основания каркаса 19 обмотки возбуждения 4, двигаясь между турболизаторами 27 вниз к нижнему коллектору 10. Положительный эффект от турболизации потока жидкости на поверхности основания каркаса 19 аналогичен эффекту от турболизации ее в каналах основной системы жидкостного охлаждения, выполненных в корпусе. В нижний коллектор 10 охлаждающая жидкость попадает, пройдя последовательно через нижние ряды отверстий 30, нижнее осевое отверстие 29 и нижние радиальные отверстия в гильзах 34.
Если в индукторной машине число пакетов статора и ротора больше двух, то в ней больше число обмоток возбуждения и дополнительных систем их охлаждения, конструктивно идентичных по устройству рассмотренной дополнительной системе принудительного жидкостного охлаждения двухпакетной машины.
Использование изобретения обеспечивает повышение эффективности теплоотдачи от корпуса машины и нагретого во внутренних ее полостях воздуха охлаждающей жидкости, снижение тепловой нагрузки на изоляцию проводников обмотки возбуждения, уменьшение массы и габаритов электрической машины и системы охлаждения за счет появляющейся более интенсивного ее охлаждения и возможности за счет этого реализации в ней более высоких значений электромагнитных нагрузок.