ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ С ЖИДКОСТНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ
SWITCHED RELUCTANCE MOTOR WITH INDEPENDENT EXCITATION WITH LIQUID COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильно-индукторным двигателям с независимой катушкой возбуждения, и может быть использовано в качестве двигателей транспортных средств.
Известна система охлаждения закрытой электрической машины (патент на изобретение № RU2609466 от 22.12.2015), 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 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, причем 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, и к тому же за вентилятором перед входом создаваемого им воздушного потока в корпус по наружному периметру вентилятора установлен направляющий аппарат, отличающая тем, что снабжена дополнительными системами принудительного жидкостного охлаждения катушек обмотки возбуждения, расположенных в металлическом каркасе цилиндрической формы между пакетами статора, каждая из которых включает в себя выполненные в цилиндрическом корпусе машины с центрами на верхней и нижней его образующих по два сквозных отверстия, расстояние между которыми равно расстоянию между серединами цилиндрических поверхностей боковых стенок каркасов, а также выполненные в каркасе и расположенные на диаметрально противоположных его сторонах Π-образные каналы, верхний из которых содержит два расположенных соосно с отверстиями в корпусе радиальных отверстия, выполненных в верхней части боковых стенок каркаса, а нижний два расположенных соосно с отверстиями в корпусе радиальных отверстия, выполненных в нижней части боковых стенок каркаса, причем радиальные отверстия и в верхней и нижней частях каркаса попарно соединены закрытыми с обеих торцевых сторон осевыми отверстиями, выполненными в цилиндрическом основании каркаса, а каждое из этих осевых отверстий контактирует с двумя рядами выполненных с наружной стороны цилиндрической поверхности каркаса под углом к ней и разделенных ориентированными вдоль оси машины и расположенными над осевыми отверстиями, двумя гладкими участками в виде полосок поверхности основания каркаса, при этом на всю остальную часть этой поверхности нанесены турболизаторы, закрытые по внешней своей поверхности металлическими листами, приваренными к оставленными гладкими участкам цилиндрического основания каркаса и к основаниям боковых его сторон.
В описанной системе охлаждения двигателя для отвода тепла от катушки возбуждения используют П-образные каналы, что является не достаточно эффективным, а также требует большего пространства и, как следствие, увеличения габаритов двигателя.
Известна также комбинированная система охлаждения закрытой индукторной машины (патент на изобретение № RU2695320 от 19.07.2016), имеющей пакеты статора с рабочей обмоткой и установленные на магнитопроводящей втулке пакеты ротора с размещенной между ними обмоткой возбуждения, содержащая выполненные в корпусе статора и закрытые с наружной его стороны металлической оболочкой каналы системы принудительного жидкостного охлаждения машины и расположенный внутри машины центробежный вентилятор, принадлежащий замкнутой системе принудительного воздушного охлаждения, отличающаяся тем, что имеются кольцевые полости охлаждения подшипниковых щитов, выполненные с наружной их стороны концентрично валу с выступающими из их основания турбулизаторами, связанные с жидкостной системой охлаждения корпуса не выходящими за пределы машины перепускными каналами и герметично закрытые с наружной их стороны металлической пластиной, а вентиляторы расположены с обеих сторон ротора и каждый из них выполнен в виде закрепленного на торцевой поверхности магнитопроводящей втулки вентиляционного диска, на обращенной к ротору поверхности которого выполнены радиальные каналы и объединяющий их периферийный кольцевой канал, и кольцевой прилегающей к торцевой стороне магнитопровода ротора вентиляционной пластины с наружным диаметром, меньшим диаметра ротора, которая перекрывает обращенную к ротору поверхность вентиляционного диска и имеет выполненные в ней вентиляционные отверстия, число которых равно или кратно числу зубцов ротора и которые расположены в пределах и симметрично оси каждой из его впадин.
В конструкции описанного аналога жидкостью охлаждают только корпус машины, а охлаждение внутренних элементов осуществляется движением воздуха внутри машины с помощью использования в ней воздушной составляющая системы охлаждения - турбулизаторов, что приводит к росту габаритов рассматриваемого устройства и усложнению его конструкции. Кроме того, потери тепла на центральной катушке индуктивности в номинальном режиме составляют 6кВт/ч, а при пиковых нагрузках этот параметр возрастает до 15кВт/ч, отвести такое количество тепла воздухом в замкнутой системе крайне сложно. Более того, отвод тепла осуществляется только с торцов катушки, на практике приведет к перегреву с последующим выходом из строя катушки.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является закрытая электрическая машина с жидкостной системой охлаждения (патент на изобретение № RU 2713195 от 01.08.2019), содержащая двухпакетный зубчатый по расточке статор с расположенными на его зубцах катушками обмотки якоря, установленный в корпусе с выполненными с его наружной поверхности концентрично оси машины и закрытыми металлической оболочкой каналами, принадлежащими жидкостной системе принудительного жидкостного охлаждения, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки зубчатый ротор, расположенную неподвижно между пакетами ротора обмотку возбуждения, подшипниковые щиты с втулками для установки в них подшипников, а также входной и выходной коллекторы жидкостной системы охлаждения, отличающаяся тем, что пакеты статора выполнены из магнитомягкого композиционного материала Somaloy в виде прилегающих друг к другу отдельных симметрично расположенных относительно продольной оси симметрии машины сегментов, имеющих при этом выполненные с торцевых их сторон фиксирующие элементы для обеспечения необходимой взаимной ориентации сегментов статора в машине по окружности и выполненные с наружной поверхности каждого из сегментов статора принадлежащие системе охлаждения полости и выступающие по их краям ориентированные вдоль продольной оси машины выступы прямоугольной формы, а расположенные же по окружности, концентричной валу, полости с внешней стороны корпуса выполнены не сплошными, а в виде отдельных не соприкасающихся друг с другом и смещенных к наружным торцам сегментированных пакетов статора отдельных полостей овальной или прямоугольной формы, расположенных симметрично линиям соприкосновения сегментов статора и имеющих к тому же выполненные в них под острым углом к основанию полостей в сегментах статора по два сквозных входящих в каждую полость отверстия, обеспечивающих последовательное перемещение жидкости из полости одного сегмента статора в полость следующего по окружности сегмента, при этом поступает охлаждающая жидкость в каналы корпуса из полостей сегментов статора, расположенных под верхним коллектором с выходом из него в эти полости через два отверстия в корпусе, смещенные к ближним к его средней части краям полостей, а выводится охлаждающая жидкость в нижний коллектор через два отверстия в нижней части корпуса, на внутренней же поверхности корпуса имеются пазы для размещения в них выступов, выполненных на внешней поверхности сегментированных пакетов статора, а на внутренней поверхности каждого из пакетов ротора, напротив, выполнены несколько выступов прямоугольной формы, на внешней же поверхности магнитопроводящей втулки с обеих ее сторон под пакетами ротора имеется столько же пазов для их размещения, но большей по сравнению с высотой входящих в них выступов глубиной, и каждая из образовавшихся таким образом под каждым выступом ротора щелей, предназначенных для протекания по ним охлаждающей жидкости, имеет два исходящих из нее выхода, один из которых в виде щели, образован неполным перекрытием пакетом ротора пазов во втулке со стороны обмотки возбуждения, а второй выполнен в виде отверстия в магнитопроводящей втулке, направлен под углом к оси машины и выходит из этой втулки со стороны подшипникого щита с выполненным в нем каналом доставки примерно 40% жидкости из нижнего коллектора по внешним трубопроводам после охлаждения ей статора в выполненные в подшипниковых щитах герметически охватывающие втулки подшипников цилиндрические полости с исходящими из них отверстиями с выходом в сторону торцевой поверхности магнитопроводящей втулки и исходящими из этой же полости и направленными внутрь подшипников соосными отверстиями во втулке подшипника и во внешнем его кольце, выход же охлаждающей жидкости из внутренних областей машины, так же как и шестидесяти процентов ее объема, использованного только для охлаждения статора, производится принудительно струйным насосом, но через специально выполненное для этого в нижней части корпуса отверстие.
Система охлаждения прототипа имеет три основных недостатка:
- такая система работает только когда происходит вращение ротора, то есть, когда автомобиль стоит на месте, система не способна отводить достаточное количество тепла, что очень важно, так-как температура возрастает постепенно и при активных разгонах и торможениях с использованием рекуперации произойдет перегрев на следующем светофоре;
- охлаждение катушки возбуждения жидкостью происходит только снаружи, что не позволит сделать ее достаточно большой;
- большие кинетические потери возникают в процессе разбрызгивания масла.
Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении эффективности охлаждения катушки независимого возбуждения вентильно-индукторного двигателя, а также сокращении электромагнитных потерь двигателя.
Для достижения указанного технического результата предлагается вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением с жидкостной системой охлаждения, содержащий размещенные в корпусе два статора с фазными обмотками, соединенных между собой магнитопроводом, зубчатый двухпакетный ротор, закрепленный на валу магнитопроводящей втулки, катушку независимого возбуждения, расположенную неподвижно между пакетами ротора, а также микроконтроллер с силовыми ключами, обеспечивающий подачу напряжения на обмотки статора и катушку независимого возбуждения, при этом двигатель содержит каналы принудительного жидкостного охлаждения, а катушка крепится на двух круглых деталях изготовленных из композитного материала на основе керамики, которые образуют герметичный отсек для катушки, сообщающийся с каналами жидкостного охлаждения и наполняемый охлаждающей жидкостью.
Подача жидкости в каналы принудительного жидкостного охлаждения осуществляется через отверстия в нижней части магнитопровода статора, а отвод жидкости через отверстия в верхней части двигателя.
Сущность изобретения поясняется рисунками двигателя и системы охлаждения двигателя.
На фигуре 1 представлен разрез общего вида двигателя, на фигуре 2 представлена 3D модель двигателя и системы его охлаждения, где:
1 – обмотки статора;
2 – катушка независимого возбуждения;
3 – корпус;
4 – статоры;
5 – магнитопровод статоров;
6 – пакеты ротора;
7 – вал ротора;
8 – каналы принудительного жидкостного охлаждения;
9 – детали крепления катушки;
10 – магнитопроводящая втулка роторов.
Двигатель преобразует потенциальную электрическую энергию в механическую работу, используемую для передвижения транспортных средств, и состоит из силовой части, в которой происходит упомянутое преобразование энергии из одного вида в другой, и микроконтроллера (на фигуре не показан) с силовыми ключами, обеспечивающего подачу электроэнергии в обмотки статора 1 и катушку независимого возбуждения 2.
Данный двигатель имеет жидкостную систему охлаждения, содержит размещенные в корпусе 3 два статора 4 с фазными обмотками 1, соединенных между собой магнитопроводом 5, зубчатый двухпакетный ротор 6, закрепленный на валу 7 магнитопроводящей втулки 10, катушку независимого возбуждения 2, расположенную неподвижно между пакетами ротора 6, а также микроконтроллер с силовыми ключами (на фигуре не показан), обеспечивающий подачу напряжения на обмотки статора 1 и катушку независимого возбуждения 2, при этом двигатель содержит каналы принудительного жидкостного охлаждения 8, а катушка 2 крепится на двух круглых деталях 9 изготовленных из композитного материала на основе керамики, которые образуют герметичный отсек для катушки 2, сообщающийся с каналами жидкостного охлаждения 8 и наполняемый охлаждающей жидкостью, таким образом катушка возбуждения 2 полностью погружена в охлаждающую жидкость (например трансформаторное масло).
Подача жидкости осуществляется через отверстия в нижней части магнитопровода статора (на фигуре не показаны), далее жидкость проходит по каналам 8 в детали из керамики 9, попадает в центральную часть и наполняет отсек, в котором находится катушка независимого возбуждения 2, жидкость отбирает тепло непосредственно от катушки 2, которая разделена на шесть сегментов, для более эффективного охлаждения, и удаляется через отверстия в верхней части двигателя (на фигуре не показаны).
Тяговые характеристики данного двигателя позволяют устанавливать в транспортные средства без использования КПП. Возможно использование одновременно нескольких двигателей в одном транспортном средстве. Двигатель также может работать в режиме рекуперации, используя силу торможения для генерации электрической энергии.
Устройство работает следующим образом.
На фазные обмотки статоров и на катушку независимого возбуждения подается напряжение. Магнитные потоки, создаваемые фазными обмотками, замыкаются через магнитопроводы и пакеты ротора и статоров.
Охлаждение двигателя осуществляется путем подачи охлаждающей жидкости в каналы  системы охлаждения, которая подводится к двигателю с помощью внешнего циркуляционного насоса. Охлаждение жидкости производится во внешнем радиаторе. Жидкость подают через отверстия в нижней части магнитопровода статора. По каналам жидкость поступает также в центральную часть двигателя и наполняет отсек, в котором находится катушка независимого возбуждения, полностью погружая катушку в жидкость, жидкость отбирает тепло непосредственно от катушки, и откачивается внешним насосом через отверстия в верхней части двигателя.
Применяемые композитные материалы на основе керамики позволяют сократить электромагнитные потери, что приведет к увеличению КПД и мощности двигателя, обеспечивают надежную работу двигателя при высоких температурах, расширяя его эксплуатационные характеристики. Керамика эффективна при работе с высокими температурами, способствует лучшему отводу тепла и является абсолютным диэлектриком. Погружение катушки в охлаждающую жидкость в емкости из материала на основе керамики позволяет обеспечить максимально эффективный отвод тепла от нее, это позволит сделать катушку большего размера, чем в устройствах-аналогах, в том числе это становится возможным благодаря разделению катушки независимого возбуждения на секции. Такое решение позволит использовать данный тип двигателей в легковых транспортных средствах и исключает необходимость использования воздушного или комбинированного охлаждения, приводящего к увеличению габаритов двигателя.
Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».