ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ЗАКРЫТОГО ИСПОЛНЕНИЯ С ЖИДКОСТНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ
CLOSED ELECTRIC MACHINE WITH LIQUID COOLING SYSTEM

Изобретение относится к области электромашиностроения, а более конкретно, к устройству индукторных электрических машин повышенной и высокой частоты закрытого исполнения, имеющих электромагнитное возбуждение и интегрированную в конструкцию машины жидкостную систему охлаждения и может быть эффективно использовано в системах электроснабжения и электропривода автономных объектов (средств водного и подводного транспорта, летательных аппаратов и других объектах), где требуется отводить значительное количество тепла, обусловленного реализацией в этих машинах повышенных значений электромагнитных нагрузок и применении их при повышенных частотах вращения с целью снижения их массы и где значительные тепловые нагрузки испытывают не только активные части машины (элементы магнитопровода и обмотки якоря и возбуждения), но и элементы ее конструкции, особенно подшипники.
Известна индукторная машина закрытого исполнения с системой охлаждения [Патент RU 2609466, МПК H02K 9/19, H02K 5/20. опубл. 03.02.2007]. Эта машина содержит установленный в корпусе зубчатый по расточке двухпакетный статор, установленные соосно с пакетами статора на закрепленной на валу магнитопроводящей втулке пакеты зубчатого по расточке ротора, обмотку якоря и обмотку возбуждения. Секции обмотки якоря в приведенной в описании к указанному выше патенту варианте исполнения индукторной машины охватывают зубцы обоих пакетов статора, а обмотка возбуждения установлена неподвижно между пакетами статора над обмоткой якоря. Пакеты статора и ротора рассматриваемой машины выполнены из листовой электротехнической стали. Для отвода, выделяющегося в машине тепла используется система принудительного жидкостно-воздушного охлаждения. Для реализации жидкостного охлаждения в корпусе статора с внешней его стороны вдоль окружностей концентричных оси машины выполнены каналы, закрытые металлической оболочкой, в которые из входного коллектора под давлением поступает охлаждающая жидкость и после перемещения по каналам выходит из машины через выходной коллектор. Для повышения эффективности рассматриваемой жидкостной системы охлаждения в основании каналов выполнены турболизаторы в виде призм ромбовидного сечения. Эта же жидкость используется и для охлаждения обмотки возбуждения с использованием для этого отверстий в каркасе, в котором она расположена и кольцевой полости в его основании. Воздушная составляющая системы охлаждения включает в себя расположенный во внутренней полости машины вентилятор и расположенный над каналами принудительного жидкостного охлаждения статора и соприкасающийся с его наружной поверхностью теплообменник. Недостатком рассмотренной индукторной машины с комбинированной жидкостно-воздушной системой охлаждения при выполнении ее для генерирования электроэнергии повышенной и высокой частоты, и к тому же на повышенные частоты вращения сопряжено с необходимостью применения тонколистовых электротехнических сталей для изготовления магнитопровода, что приводит к уменьшению коэффициента его заполнения сталью и, как следствие этого, к росту габаритов машины. К росту габаритов рассматриваемой машины и усложнению ее конструкции, причем более значительному приводит и использованная в ней воздушная составляющая системы охлаждения за счет введения в конструкцию машины вентилятора, расположенного над корпусом теплообменника и направляющего аппарата. Существенный недостаток системы охлаждения этой машины состоит также в том в том, что она практически не обеспечивает отвод тепла от подшипников. Более рациональным и эффективным на этом фоне представляется применение для охлаждения всех определяющих уровень теплового состояния машины конструктивных элементов только одним хладагентом, а именно жидкостью, так как при прочих равных условиях она обеспечивает лучший теплообмен с поверхностями этих элементов и практически не вызывает увеличения размеров машины при увеличении расхода жидкости, необходимого для сохранения теплового состояния машины при исключении из нее элементов воздушного охлаждения.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой в качестве изобретения закрытой электрической машине с жидкостной системой охлаждения является электрическая машина, описанная в заявке на изобретение [RU 2016129451 МПК H02K 9/19, МПК HO2K/20], решение о выдаче патента по которой вынесено ФИПС 19.032019.
Эта машина содержит 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
Охлажденение подшипников осуществляется отбором тепла от них путем теплопередачи его через подшипниковые щиты жидкости, поступающей из входного коллектора в выполненные в щитах с внешних их поверхностей углублений цилиндрической формы с выступающими из их основания турболизаторами и герметически закрытых приваренными к корпусу пластинами. Для охлаждения обмотки возбуждения и обмотки якоря в рассматриваемой машине используется вспомогательная система воздушного охлаждения, обеспечивающая передачу выделяемого в этой обмотке тепла путем теплопередачи его охлаждающей жидкости также через стенки подшипниковых щитов. Пакеты статора и ротора, учитывая обозначенные выше частоты тока и вращения, выполнены также, как и в рассмотренной выше машине шихтованными из листов тонколистовой электротехнической стали.
К недостаткам этой машины, относятся: трудоемкость изготовления шихтованного статораи наличие отходов при его изготовлении; низкий коэффициент заполнения пакетов статора сталью, что является причиной увеличения размеров активной части машины и габаритных ее размеров; повышенные потери в стальных участках магнитопровода при повышенных и высоких частотах несмотря на изготовление пакетов статора и ротора шихтованными с применением листовой электротехнической стали небольшой толщины и по этой причине относительно низкий КПД машины; сложность системы охлаждения, обусловленная наличием двух подсистем - жидкостной и воздушной.
Учитывая недостатки ограниченной герметичными внутренними полостями машины системы воздушного охлаждения и ограниченную площадь соприкосновения циркулирующего внутри анализируемой машины воздуха с поверхностями обмотки возбуждения и якоря, замена комбинированной системы охлаждения жидкостной при соответствующем расположении ее каналов в подшипниковых щитах, магнитопроводе статора и ротора и в корпусе является более рациональным решением проблемы отвода выделяющегося в этой машине тепла при эксплуатации ее в перечисленных выше областях техники.
При разработке электрических машин повышенной и высокой частоты следует принимать во внимание также то обстоятельство, что с точки зрения магнитных свойств и особенно потерь в магнитопроводе серьезную конкуренцию электротехническим сталям могут составить полученные прессованием под высоким давлением магнитомягкие композиционные материалы типа Samoloy
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, проявляется в безотходности изготовления статора, уменьшении совокупной массы и габаритов электрической машины за счет исключения из нее объемных конструктивных элементов воздушной системы охлаждения и полной компенсацией отводимого ей тепла встроенной в конструкцию машины более интенсивной жидкостной системой охлаждения, позволяющей реализовать к тому же, более высокие значения электромагнитных нагрузок, а также в уменьшении потерь в стали и, как следствие этого, повышении КПД машины.
Этот технический результат достигается тем, что в закрытой электрической машине с жидкостной системой охлаждения, содержащей 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, пакеты статора выполнены из магнитомягкого композиционного материала Somaloy не целостными, как в рассмотренных выше машинах, а в виде прилегающих друг к другу отдельных симметрично расположенных относительно продольной оси симметрии машины сегментов, идентичных по устройству сегментам шихтованного статора индукторной машины традиционного исполнения, заключенными между плоскостями, проходящими через осевые линии соседних пазов и осью машины, но имеющими при этом выполненные с торцевых сторон фиксирующие элементы для обеспечения необходимой взаимной ориентации сегментов статора в машине по окружности. С наружной, обращенной к корпусу поверхности каждого из сегментов статора, имеются полости и выступающие по краям сегментов ориентированные вдоль продольной оси машины выступы прямоугольной формы.
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 эту полость через два отверстия в корпусе, смещенные к ближним к его средней части краям впадин. Выводится же охлаждающая жидкость в нижний коллектор через два отверстия, расположенных в нижней части корпуса. На внутренней поверхности корпуса выполнены 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 них выходов, 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 жидкости внутрь машины по внешним трубопроводам из нижнего коллектора после охлаждения ей статора в выполненные в подшипниковых щитах герметически охватываюшуие 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 производится принудительно через специально выполненное для этого в корпусе машины отверстие струйным насосом.
Выполнение магнитопровода статора в виде собранных в единую конструкцию сегментов из магнитомягкого композиционного материала сопряжено с усложнением сборки статора, но вместе с тем обеспечивает безотходность его изготовления, уменьшение потерь в нем при повышенных частотах тока и более высокий по сравнению с целостными шихтованными статорами, выполненными из листов электротехнической стали КПД.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез двухпакетной индукторной машины закрытого исполнения с электромагнитным возбуждением с шестью зубцами на роторе и восемнадцатью зубцами на статоре и интегрированной в нее жидкостной системой охлаждения. Стрелками показаны направления движения охлаждающей жидкости в каналах корпуса, каналах и полостях выполненных в статоре и роторе машины, во внутренних воздушных ее полостях, в подшипниковых щитах, а также на входе в машину и выходе из нее. На фиг. 2 показана в увеличенном масштабе часть продольного разреза машины в области размещения одного из подшипниковых щитов и расположенных напротив него магнитопроводящей втулки и пакета ротора. На фиг. 3 показан поперечный разрез машины с сегментированным статором, а на фиг. 4 две проекции одного из составляющих его сегментов. На фиг. 5 показана часть продольного разреза машины по линии симметрии сквозных отверстий, выполненных в корпусе и входящих под углом к продольной оси машины в полости охлаждения, выполненные на наружной поверхности сегмента статора. На фиг. 6 показан вид на машину сбоку при удаленной части корпуса. Пунктирными линиями со стрелками воспроизводят общую картину перемещения охлаждающей жидкости в полостях на внешней поверхности сегментов статора и овальных полостях корпуса. В пределах удаленной части корпуса на этой фигуре показана близкая к реальной картина движения слоев жидкости в полостях сегментов статора. Сплошными линиями в пределах овальных полостей статора показано направление движения охлаждающей жидкости в полостях корпуса.
Закрытая электрическая машина с жидкостной системой охлаждения, содержит два пакета 1 зубчатого по расточке статора, расположенные на его зубцах катушки 2 обмотки якоря, установленный в корпусе 3 с выполненными с его наружной поверхности концентрично оси машины и закрытыми металлическими оболочками 4 каналами 5 (см. рис. 3), принадлежащими жидкостной системе принудительного жидкостного охлаждения, закрепленный на валу 6 магнитопроводящей втулки 7, два пакета 8 зубчатого по расточке ротора, расположенную неподвижно между пакетами ротора обмотку 9 возбуждения, подшипниковые щиты 10 с втулками 11 для установки в них подшипников 12, а также входной 13 и выходной 14 коллекторы жидкостной системы охлаждения
Для получения сформулированного выше результата от изобретения пакеты 1 статора выполнены не из листовой электротехнической стали и не целостными, а из магнитомягкого композиционного материала Somaloy, в виде прилегающих друг к другу сегментов 15 (см. рис. 1 и 4), идентичных по устройству сегментам шихтованного статора индукторной машины традиционного исполнения, заключенными между плоскостями, проходящими через осевые линии соседних пазов и осью машины, но имеющими при этом выполненные с торцевых их сторон фиксирующие элементы, обеспечивающие необходимую взаимную ориентацию сегментов 15 в машине по окружности. В рассматриваемом варианте исполнения электрической машины фиксирующие элементы выполнены в виде овальной формы выступа с одной торцевой стороны сегмента 15 и впадины на противоположной торцевой его стороне. С наружной, обращенной к корпусу поверхности каждого из сегментов 15 статора, имеются полости 16 (см.рис. 4 и 6) и выступающие по их краям и ориентированные вдоль продольной оси машины выступы прямоугольной формы 17.
Расположенные же по окружности концентричной валу каналы 5 (рис. 6) с внешней стороны корпуса 3 выполнены не сплошными, как в корпусах машин-аналогов заявляемой машины, а в виде отдельных не соприкасающихся друг с другом и смещенных к наружным торцам сегментированных пакетов 1 статора полостей 18 овальной (можно и прямоугольной) формы, расположенных симметрично линиям соприкосновения сегментов 15 статора, имеющих выполненные в них под острым углом к основанию полостей 16 в сегментах 15 статора, по два сквозных входящих в каждую полость отверстия 19 и 20 (рис. 5), обеспечивающих последовательное перемещение жидкости из полости 16 одного сегмента 15 статора в полость следующего по окружности сегмента. При этом поступает охлаждающая жидкость в каналы 5 корпуса из полостей 16 сегментов 15 статора, расположенных под верхним коллектором 13 с выходом из него в эти полости через два отверстия 21 и 22 (см. рис. 1) в корпусе, смещенные к ближним к его средней части краям полостей 16. Выводится же охлаждающая жидкость в нижний коллектор 14 через два отверстия 23 и 24 в корпусе.
На внутренней поверхности корпуса 3 выполнены пазы 25 (рис. 1) для размещения в них выступов 17 на внешней поверхности сегментов 15 пакетов 1 статора, а на внутренней поверхности каждого из пакетов 8 ротора, напротив, выполнены несколько выступов прямоугольной формы. На внешней же поверхности магнитопроводящей втулки 7 с обеих ее сторон под пакетами 8 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 26, предназначенных для протекания по ним охлаждающей жидкости, имеет два исходящих из нее выхода 27 и 28, первый из которых в виде щели, образован неполным перекрытием пакетами 1 ротора пазов во втулке со стороны обмотки возбуждения 9, а второй выполнен в виде отверстия в магнитопроводящей втулке, направлен под углом к оси машины и выходит из этой втулки со стороны подшипникого щита 10 с выполненным в нем каналом 29 доставки жидкости внутрь машины по внешним трубопроводам 30 из расположенных в нижней части корпуса 3 отверстий 23 и 24 после охлаждения ей статора в выполненные в подшипниковых щитах 10 герметически охватывающие втулки 11 подшипников 12 цилиндрические полости 31 с исходящими из них отверстиями с выходом в сторону торцевой поверхности магнитопроводящей втулки 7 и исходящими из этой же полости и направленными внутрь подшипников соосными отверстиями во втулке 11 подшипника 12 и во внешнем его кольце. Выход же охлаждающей жидкости из внутренних областей машины производится принудительно через специально выполненное для этого в корпусе машины отверстие 32 струйным насосом 33.
Работа, заявляемой в качестве изобретения электрической машины при рассмотренной выше картине распределения в ней каналов, полостей, отверстий и щелей системы жидкостного охлаждения, по характеру протекающих в ее активной части электромагнитных процессов не отличается от работы электрических машин, магнитопровод статора которых выполнен целостным из электротехнической стали. Что же касается системы охлаждения, то обеспечение нормального теплового режима работы машины происходит за счет отбора выделяемого в ней тепла при поступлении охлаждающей жидкости под давлением из верхнего коллектора 13 через отверстия 21 и 22 в корпусе 3 в полости 16, выполненные на верхней обращенной к корпусу 3 поверхности сегментов 15 статора, расположенных под этим коллектором. Из этих полостей охлаждающая жидкость поступает через выполненные в корпусе 3 под углом к их основанию отверстий 19 (рис. 5) в расположенные по обе стороны от осевой линии коллектора 13 две полости 18 овальной формы и перемещается по этим полостям в сторону выполненных в них отверстий 20 с дальнейшим выходом через эти отверстия в соседние с ними полости 16 в сегментах 15 статора, а из этих полостей через отверстия 19 в следующие по окружности корпуса овальные полости в нем. Перемещаясь в такой же последовательности по овальным полостям 18 в корпусе, отверстиям 19 и 20 в нем и полстям 16 на поверхности сегментов 15, охлаждающая жидкость поступает с обеих сторон каждого пакета 3 статора в отверстия, исходящие из двух полостей 16, расположенных в нижней части корпуса и выводится в нижний коллектор 14 через отверстия 23 и 24 в корпусе 3. Примерно 60% поступившей в этот коллектор жидкости идет на питание струйного откачивающего насоса 33 а остальные 40% используется повторно для охлаждения расположенных внутри машины активных ее частей и подшипниковых щитов 10. Этот объем жидкости поступает из нижнего коллектора 14 по внешним трубопроводам 30 в выполненный в каждом подшипниковом щите 10 каналу 29 доставки жидкости в герметически охватывающую втулку 11 цилиндрическую полость 31 и исходящие из нее направленные внутрь подшипников 12 соосные отверстия во втулках 11 и во внешних кольцах подшипников 12. Из отверстий во втулках 11, выполненных с внутренних торцевых их сторон, охлаждающая жидкость попадает на торцевые поверхности магнитопроводящих втулок 7. С этих поверхностей под действием центробежной силы она через отверстия 28 попадает в щелевые полости 26 под выступами пакетов 8 ротора, выходит через щели 27, образованные неполным перекрытием пакетами 1 роторов впадин на поверхности магнитопроводящей втулки 7 и под действием центробежных сил разбрызгивается на обмотки возбуждния 9 и якоря 5, а также на поверхности пакетов 1 статора. Выход охлаждающей жидкости из внутренних областей машины производится принудительно через специально выполненное для этого в корпусе машины отверстие 32 струйным насосом 33.
Применение предлагаемой системы охлаждения закрытой электрической машины обусловлен технологическими свойствами используемого для изготовления статора магнитомягкого композиционного материала (самолоя). Выполнение штыревых интенсификаторов на поверхности сегментов статора прессованием, как в системах охлаждения электрических машин - аналогов заявляемой машине, технологически сложно и не может быть осуществлено с удовлетворительным качеством. Выполнение интенсификаторов механической обработкой неприемлемо сложно. Вместе с тем образующееся за счет поступающей в полости сегментов статора охлаждающей жидкости под острым углом образуется циклонно-вихревое движение ее слоев, которое с точи зрения коэффициента теплоотдачи не уступает перемещению жидкости по каналам с штыревыми интенсификаторами.
С целью обеспечения надежной работы подшипников в подшипниковые щиты машины установлены подшипники шведской фирмы SKF с диаметрально расположенными отверстиями в наружном кольце, обеспечивающие непосредственный контакт сепараторов с шариками с поступающей через эти отверстия охлаждающей жидкостью, и за счет этого более интенсивное их охлаждение.
Литература:
1. Патент RU 2609466, МПК H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 03.02.2007
2. Заявка на изобретение [RU 2016129451 МПК H02K 9/19, МПК HO2K/20], решение о выдаче патента по которой вынесено ФИПС 19.032019.