Охлаждаемый статор электрической машины

Полезная модель относится к охлаждаемым статорам электрических машин, и может быть использована в машиностроении.
Одним из наиболее перспективных методов повышения эксплуатационных характеристик в электрической машине является применение охлаждаемого статора. Применение жидкостного охлаждения увеличивает продолжительную тяговую силу машины примерно в полтора - два раза (см., например, каталог компании Kollmorgen, PLATINUM DDL, November 2004. www.DanaherMotion.com).
Известен охлаждаемый статор электрической машины, 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 плотного контакта с поверхностями обмоток и магнитопровода, образующими указанное треугольное сечение (Патент РФ 115972, U1, опубл. 22.11.2011 - прототип). При этом трубчатый теплообменник предлагается выполнять с треугольным сечением, повторяющим профиль упомянутых треугольных полостей, или со стандартным круглым сечением, заполняя при этом образующиеся пустоты теплопроводным составом.
К недостаткам прототипа следует отнести его низкую технологичность, обусловленную следующим:
- использование дорогостоящих материалов (медь);
- сложность технологии изготовления и установки медного теплообменника;
- необходимость электрической изоляции теплообменника;
- замыкание вихревых токов в материале теплообменника, что снижает тяговую силу машины;
- для предотвращения коррозии меди требуется добавление в охлаждающую воду специальных дорогостоящих антикоррозийных добавок;
- наличие обязательного слоя изоляции с низкой теплопроводностью между фазными катушками и теплообменником;
- малую площадь контакта плоских поверхностей катушек с теплообменником круглого сечения (вдоль линии касания цилиндра к плоскости);
- неравномерность контакта поверхностей фазных катушек с теплообменником из-за неровностей формы теплообменника, изготовленного из достаточно твердого и неэластичного материала, а при более сильном прижиме фазной катушки к теплообменнику возможен пробой изоляции.
Вышеперечисленное, помимо низкой технологичности, обусловливает низкую эффективность работы и высокую стоимость электрической машины в целом.
Задачей полезной модели является разработка простой и технологичной системы охлаждения статора электрической машины, позволяющей обеспечить стабильный теплообмен при исключении негативных воздействий на охлаждаемые элементы электрической машины.
Технический результат - повышение технологичности конструкции.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в охлаждаемом статоре электрической машины, содержащем 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, трубчатый теплообменник выполнен из теплопроводящего силикона так, что 4Т/π≥D≥Т, где D - внешний диаметр трубчатого теплообменника; Т - длина профиля указанного треугольного сечения по магнитопроводу.
Полезная модель поясняется изображениями:
Фиг. 1 - поперечное сечение охлаждаемого статора электрической машины в сборе;
Фиг. 2 - график зависимости температуры фазной катушки статора от внешнего диаметра трубки теплообменника.
Сущность полезной модели заключается в том, что:
- для теплообменника используется недорогая стандартная силиконовая трубка, например из полиэтилсиликона марки МАИ-1, эластичность которой позволяет легко делать прокладку теплообменника в пазах магнитопровода статора в свободном пространстве между фазными обмотками;
- из силикона легко отливать теплообменник любой формы;
- силикон хорошо держит температуру до 200°С;
- нет необходимости в электрической изоляции теплообменника, т.к. силикон сам является изолятором;
- нет замыкания вихревых токов в материале теплообменника, что не снижает тяговую силу машины;
- отсутствие коррозии материала теплообменника, что позволяет использовать в качестве охлаждающей жидкости простую воду без антикоррозионных добавок;
- повышен эффективный теплообмен по следующим факторам:
- отсутствие слоя изоляции с низкой теплопроводностью между катушками и теплообменником;
- возможность применения в статорах с разными по размерам и форме жесткими катушками, т.к. эластичная трубка принимает любую форму свободного пространства между катушками;
- отсутствие неравномерности и увеличение площади контакта поверхностей катушек с теплообменником за счет плотного прилегания стенки трубки из эластичного материала к плоской поверхности катушек.
Охлаждаемый статор электрической машины содержит магнитопровод 1 с фазными катушками 2, 3 и трубчатый теплообменник из силиконовых трубок 4 и 5, например из полиэтилсиликона марки МАИ-1. Трубки теплообменника 4, 5 уложены в свободное пространство между соседними фазными катушками 2 и 3 и магнитопроводом 1 статора. Установленные на зубьях магнитопровода 1 статора фазные катушки 2, 3 плотно прижаты, например, при помощи клиньев (на изображениях не показаны), к трубкам теплообменника 4 и 5. При этом, за счет деформации эластичных (свойство силикона) трубок теплообменников 4 и 5 увеличивается площадь контакта их стенок с поверхностью фазных катушек -наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов электрической машины (см. Фиг. 1). Между фазными катушками 2, 3, магнитопроводом 1 статора и трубками теплообменника 4 и 5 нет слоя электрической изоляции.
Эксплуатация заявленной системы охлаждения электрической машины осуществляется так же, как и в прототипе. При этом, опытным путем установлено, что оптимальный теплообмен между трубками теплообменника 4, 5 и в большей степени - фазными катушками 2, 3 проявляется при соблюдении условия 4Т/π≥D≥Т. Это можно объяснить тем, что при D<T резко уменьшается контакт трубок 4,5 с поверхностью фазных катушек 2, 3 и пазов 6 магнитопровода статора 1, а при D>4T/π потеря площади контакта происходит за счет образования складок в стенках трубок. График 7 значения температуры фазной катушки в зависимости от внешнего диаметра трубки теплообменника 4 и/или 5 в сравнении со значением 8 температуры по прототипу при прочих равных условиях, представленный на Фиг. 2, свидетельствует о достижении лучших по охлаждению электрической машины параметров именно при соблюдении заявленного диапазона. При этом отмечено повышение эффективности теплообмена до 7-12%, а за счет отсутствия замыкания вихревых токов в материале теплообменника потребление энергии линейной электрической машиной снижается до 3-7%. Таким образом, при минимальных технологических требованиях достигается не менее эффективная, чем в прототипе, конструкция охлаждаемого статора электрической машины.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что поставленная задача -разработка простой и технологичной системы охлаждения электрических машин, позволяющей обеспечить стабильный теплообмен при исключении негативных воздействий на охлаждаемые элементы электрической машины - решена, а заявленный технический результат - повышение технологичности конструкции охлаждаемого статора электрической машины - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к охлаждаемым статорам электрических машин, и может быть использован в машиностроении;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.