СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАКРЫТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
SYSTEM OF CLOSED ELECTRICAL MACHINE COOLING

Изобретение относится к области электромашиностроения, а более конкретно к системам охлаждения электрических машин закрытого исполнения, и предназначено для использования в системах электроснабжения и электропривода автономных объектов (автомобилей, средств водного транспорта, летательных аппаратов), где требуется отводить значительное количество выделяющегося в закрытых электрических машинах тепла, обусловленного реализацией в них повышенных значений электромагнитных нагрузок (для обеспечения минимальной их массы и габаритов).
Известна комбинированная система охлаждения закрытой электрической машины [Патент RU 2201647, МПК H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 27.03.2003], содержащая выполненные в корпусе статора и закрытые металлической оболочкой (нижней оболочкой) каналы принудительного жидкостного охлаждения и расположенный над ними закрытый с наружной стороны машины верхней 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 машины. Внутренние полости машины сообщаются с каналами охлаждения воздуха через перепускные отверстия, выполненные по периметру статора с его торцов и изолированные от каналов охлаждения машины жидкостью, которые выполнены винтовыми и соединены гибкими шлангами с герметическими камерами подшипниковых щитов. Основания каналов жидкостного охлаждения и наружная поверхность нижней оболочки, являющейся основанием теплообменника, в этой системе охлаждения выполнены гладкими.
Недостатками построенной таким образом системы охлаждения являются: низкая эффективность теплопередачи от корпуса к охлаждающей жидкости и от нагретого поступающего из внутренних полостей машины воздуха к охлаждающей жидкости, неравномерность охлаждения статора в осевом направлении, вызванная подогревом охлаждающей жидкости при движении ее в этой машине по винтовому каналу, протяженность которого превышает длину машины, а также значительное гидравлическое сопротивление для прохождения воздуха через входные отверстия в корпусе в теплообменник, следствием чего является низкий КПД циркуляции воздуха внутри машины и ее низкая эффективность.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к изобретению является система охлаждения закрытой электрической машины, описанная в патенте RU №2234786, МПК H02K 9/19, H02K 5/20, опубл. 20. 08.2004.
Эта система охлажденния закрытой электрической машины, содержит 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 торцов и изолированные от каналов охлаждения машины жидкостью, которые так же, как и в описанной выше системе охлаждения, выполнены винтовыми. Теплообменник между воздухом и охлаждающей машину жидкостью разделен на продольные каналы, ориентированными вдоль оси машины ребрами, размещенными таким образом, что делят эти каналы на ряд групп коротких каналов, смещенных друг относительно друга по окружности. Выполненные в корпусе основания каналов жидкостного охлаждения и наружная поверхность нижней оболочки, являющейся основанием теплообменника, в этой системе охлаждения так же, как и в ранее рассмотренной системе, выполнены гладкими.
Недостатком этой системы охлаждения является слабая турболизация воздушного потока, обусловленная ламинарным характером его движения в каналах жидкостного охлаждения из-за отсутствия в них турболизирующих жидкость конструктивных элементов в пределах длины ребер (между ними), 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 не исключается возможность их длительной работы с перегрузкой, как это имеет место, например, в системах электроснабжения и электропривода летательных аппаратов и большегрузных машинах специального назначения.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплоотдачи от корпуса машины и нагретого во внутренних полостях ее воздуха охлаждающей жидкости, снижение тепловой нагрузки на постоянные магниты и исключение возможности их размагничивания, уменьшение совокупной массы и габаритов электрической машины и системы охлаждения за счет появляющейся, как следствие более интенсивного ее охлаждения, возможности реализации в ней более высоких значений электромагнитных нагрузок.
Этот технический результат достигается тем, что в системе охлаждения закрытой электрической машины, содержащей выполненные в корпусе статора с расположенными по его краям перепускными отверстиями закрытые металлической оболочкой каналы принудительного жидкостного охлаждения, а также расположенный над этой оболочкой 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, она снабжена направляющим аппаратом, расположенным за центробежным вентилятором перед корпусом, каналы жидкостного охлаждения выполнены в корпусе вдоль его окружности концентрично валу, имеют выступающие из их основания турболизаторы и разделены стенками с выступами, к которым крепятся листы металлических оболочек, разделяющих системы жидкостного и воздушного охлаждения и поверхности которых внутри теплообменника имеют рифленую поверхность, выполненную накаткой или нанесением на нее турболизаторов, подобных турболизаторам, выполненным на основании каналов жидкостного охлаждения, и при этом стенки, разделяющие каналы жидкостного охлаждения, выходят за пределы закрывающих их оболочек, разделяя теплообменник на отдельные области цилиндрической формы, но не перекрывают поперечное сечение теплообменника, так как в каждой из них выполнены равномерно распределенные вдоль окружности прорези, смещенные относительно прорезей других стенок на половину расстояния между соседними прорезями. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано поперечное сечение закрытой электрической машины. В принятом варианте устройства электрической машины для ее возбуждения используются тангенциально намагниченные постоянные магниты и сосредоточенные на зубцах катушки рабочих обмоток, на фиг.2 приведен продольный разрез этой машины, на фиг.3 - вид на нее сбоку. С правой стороны от вертикальной оси О-О на этом чертеже машина показана со снятой с нее верхней оболочкой теплообменника, а с левой стороны от этой линии - со снятыми обеими его оболочками (и верхней, и нижней).
Система охлаждения электрической машины, состоящей из пакета статора 1 с рабочими обмотками 2, ротора 3 с установленными в нем тангенциально намагниченными постоянными магнитами 4, 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 их основания турболизаторами. В рассматриваемом примере исполнения электрической машины и ее системы охлаждения 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 13 машины установлен вентилятор 14, а по его периферии в корпусе выполнены равномерно распределенные по окружности перепускные отверстия 15. Каналы жидкостного охлаждения машины 7 разделены стальными исходящими из корпуса перегородками 16, 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 17, разделенные перегородками 19. Поверхности оболочек 6, закрывающих каналы жидкостного охлаждения со стороны теплообменника 12, для увеличения поверхности теплоотдачи выполнены, например, рифлеными. Для уменьшения гидравлического сопротивления при входе воздуха в предусмотренные для него отверстия 15 в корпусе 5 и через них в теплообменник 12 и интенсификации за счет этого воздушного охлаждения внутренних полостей машины за центробежным вентилятором 14 перед входом создаваемого им воздушного потока в корпус 5 по наружному периметру вентилятора 14 установлен направляющий аппарат 18.
Работа системы охлаждения закрытой электрической машины происходит следующим образом.
Охлаждающая жидкость поступает под давлением в верхний коллектор 9, распределяется в нем по четырем разделенным стенками (перегородками) 16 каналам 7 жидкостной системы охлаждения. При протекании жидкости между выступающими из корпуса 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 турболизированном состоянии вследствие соприкосновения ее 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), обтекает наружную поверхность цилиндрического корпуса 5, отбирая при этом тепло, поступающее к нему от магнитопровода машины (статора 1) и обмоток 2, 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 жидкостного охлаждения 7. 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, в том числе и с постоянных магнитов. Возвращается воздушный поток во внутренние полости машины через перепускные отверстия 15, расположенные на фиг.3 слева, а охлаждающая жидкость, пройдя под давлением между поверхностями корпуса 5 и нижней оболочкой 6, выходит из машины через коллектор 10 (направления движения потоков жидкости отмечены на чертежах толстыми линиями).
Для возбуждения электрической машины используются тангенциально намагниченные постоянные магниты и сосредоточенные на зубцах катушки рабочих обмоток.
Движение охлаждающей жидкости по окружности в заявляемой системе охлаждения обеспечивает равномерное распределение температуры вдоль оси машины, а реализация всех ее отличительных признаков позволяет снизить температуру наиболее нагретых участков постоянных магнитов в электрической машине в 1,3 раза по сравнению с их температурой в той же машине, при реализации в ней системы охлаждения, принятой за прототип.
Использование изобретения обеспечивает повышение эффективности теплоотдачи от корпуса машины и нагретого во внутренних полостях ее воздуха охлаждающей жидкости, снижение тепловой нагрузки на постоянные магниты и исключение возможности их размагничивания, уменьшение совокупной массы и габаритов электрической машины и системы охлаждения за счет появляющейся, как следствие более интенсивного ее охлаждения, возможности реализации в ней более высоких значений электромагнитных нагрузок.