ЗАКРЫТАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ОХЛАЖДАЕМЫМ ЖИДКОСТЬЮ СТАТОРОМ
TOTALLY-ENCLOSED ELECTRICAL MACHINE WITH STATOR COOLED WITH LIQUID

Данное изобретение относится к электрической машине, содержащей статор, ротор и закрытый корпус, который герметизирует ротор относительно статора.
Возникающее в обмотке электрических машин за счет потерь тепло необходимо отводить. Обычно это реализуется с помощью воздушного охлаждения.
В так называемых интегрированных машинах, т.е. рабочих и приводных машинах в корпусе, в котором пространство ротора и статора электрической приводной машины разделено закрытым корпусом, например трубой, охлаждение часто осуществляется с помощью технологической среды. Соответствующий электродвигатель с герметизирующим экраном в воздушном зазоре с разделительной пленочной трубой известен из публикации DE 10025190 А1. Служащий для центробежного насоса электродвигатель с герметизирующим экраном в воздушном зазоре снабжен разделительной трубой, которая разделяет выполненный в виде вращающегося в воде и соединенного без возможности проворачивания с валом двигателя ротора от соединенного без возможности проворачивания с корпусом двигателя статора. Разделительная труба выполнена из непроницаемой для жидкости пленки, и предусмотрены опорные элементы, которые удерживают и несут пленку.
Кроме того, в публикации DE 1528805 А раскрыт не содержащий сальникового ввода насос для высоких давлений, имеющий расположенный в герметичном корпусе электродвигатель с герметизирующим экраном в воздушном зазоре, в котором для выравнивания давления на разделительной трубе роторное пространство соединено с внутренним пространством пружинящего сильфона, на наружную сторону которого воздействует жидкостное наполнение в статорном пространстве. Пружинящий сильфон расположен внутри роторного корпуса в статорном пространстве. Через герметично закрываемое отверстие в статорное пространство заполняют жидкость, например изоляционное масло, которое окружает пружинящий сильфон. Машину можно охлаждать с помощью перекачиваемой жидкости, которая обтекает ротор в зазоре.
Кроме того, в публикации DE 1052541 А приведено описание закрытого асинхронного электродвигателя, который применяется в качестве подводного двигателя для привода насоса. Выступающие за торцевые концы статорного пакета части обмотки статора вместе с крепежным средством для подшипникового экрана заделаны в заливочную массу, например в литьевую смолу. На разделительной трубе в зоне ее торцевых концов в качестве уплотнительных элементов предусмотрены обеспечивающие жесткость фланцы, или кольца, или отбортованные края, которые также заделаны в заливочную массу.
Из публикации US 2285960 А известна динамоэлектрическая машина с ротором и закрытым относительно ротора статором. Статор охлаждается жидкостью в виде трансформаторного масла.
Аналогичная динамоэлектрическая машина известна из патента US 2381122 А.
Кроме того, в публикации DE 896086 С показана электрическая машина, в частности генератор с высокой скоростью вращения, содержащий отдельное, герметично закрытое пространство для статора и для ротора. Наряду с негорючим газом для охлаждения можно использовать также жидкое охлаждающее средство.
В публикациях US 2687695 A и US 3089969 A также раскрыты электрические машины, статоры которых закрыты и охлаждаются жидкостью. Для выравнивания давления в контуре охлаждения статора служит соответствующий выравнивающий резервуар.
Кроме того, в публикации WO 85/00475 показан охлаждаемый жидкостью синхронный электродвигатель с высокой скоростью вращения. Статор имеет канавки для элементов обмотки. В этих канавках размещены охлаждающие каналы.
Задачей данного изобретения является улучшение охлаждения закрытой электрической машины, так что такие машины могут работать также в диапазоне высоких скоростей вращения и с высокой мощностью.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью электрической машины в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, содержащей статор, ротор и закрытый корпус, при этом статор имеет жидкостное охлаждающее устройство, с помощью которого обеспечивается возможность отвода тепла потерь статора, и при этом закрытый корпус образует часть наружной стенки замкнутого контура охлаждения в жидкостном охлаждающем устройстве.
Таким образом, обеспечивается возможность эффективного охлаждения статора, соответственно обмотки статора. Тем самым можно изготавливать машины с высокой скоростью вращения и большой мощностью в закрытом виде. В частности, можно реализовывать очень компактные статорные обмотки, которые невозможны при воздушном охлаждении.
Охлаждающая жидкость жидкостного охлаждающего устройства является содержащей сложный эфир жидкостью. Эта охлаждающая жидкость имеет требуемые диэлектрические свойства, так что могут быть реализованы также высоковольтные приводы.
Кроме того, ротор обтекается технологической средой, и между технологической средой и охлаждающей жидкостью статора в закрытом контуре охлаждения расположено компенсационное устройство для выравнивания давления. За счет выравнивания давления обеспечивается небольшая механическая нагрузка закрытого корпуса, соответственно трубы, что облегчает выбор материала относительно механических и электрических свойств.
Кроме того, компенсационное устройство имеет электрическое регулирование для активного выравнивания давления. За счет этого можно устранять проблемы герметизации, которые возникают иногда при чисто механических решениях выравнивания давления.
Кроме того, предпочтительно, когда лобовые части обмотки статора непосредственно обтекаются жидкостью жидкостного охлаждающего устройства. Для этого необходима охлаждающая жидкость с соответствующими диэлектрическими свойствами, которая обеспечивает эффективный отвод тепла от статора.
В соответствии с особым вариантом выполнения электрической машины согласно изобретению листовой пакет статора имеет осевые охлаждающие отверстия, которые являются частью замкнутого контура охлаждения. Тем самым можно также эффективно отводить тепло из пакета статора.
Кроме того, статор может иметь канавки для элементов обмотки, в которых расположены проходящие в осевом направлении охлаждающие каналы, которые также являются частью замкнутого контура охлаждения. Таким образом, достигается также эффективное охлаждение на поверхности статора в зоне обмоток.
Замкнутый контур охлаждения предпочтительно содержит противоточный охладитель для охлаждающей жидкости. Такой противоточный охладитель обеспечивает повышение коэффициента полезного действия охлаждения.
Кроме того, замкнутый контур охлаждения может содержать насос для поддержания охлаждающего потока. За счет этого также повышается производительность охлаждения.
Предпочтительное применение электрической машины согласно изобретению состоит в реализации в качестве компрессора для транспортировки технологической среды. В этом случае можно применять создаваемое в компрессоре давление одновременно также для нагнетания технологической среды через ротор.
Ниже приводится подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - блок-схема контуров охлаждения электрической машины согласно изобретению и
фиг.2 - разрез выполненного согласно изобретению компрессора.
Примеры выполнения, описание которых приводится ниже, являются предпочтительными вариантами выполнения данного изобретения.
На фиг.1 показана блок-схема контуров охлаждения закрытой электрической машины. Электродвигатель М электрической машины имеет ротор, который охлаждается с помощью контура RK охлаждения ротора, и статор, который охлаждается с помощью контура SK охлаждения статора. В зазоре между ротором и статором находится закрытый корпус К. Этот закрытый корпус К герметизирует контур RK охлаждения ротора от контура SK охлаждения статора. С помощью аккумулятора А осуществляется регулирование давления, соответственно выравнивание давления между контуром RK охлаждения ротора и контуром SK охлаждения статора.
В показанном примере контур SK охлаждения статора имеет для управления дополнительно клапан V. Кроме того, он имеет для улучшения охлаждения теплообменник WT в виде противоточного охладителя.
Конкретный пример выполнения показан на фиг.2. На чертеже показан разрез интегрированного компрессора. Он представляет электрическую машину, которая в герметичном корпусе G содержит электродвигатель М и компрессор КП. Корпус G образует вокруг статора S двигателя М статорное пространство SR. Для охлаждения статора это статорное пространство SR заполнено охлаждающей жидкостью, которая отвечает охлаждающим и диэлектрическим требованиям. Например, в качестве охлаждающей жидкости выбрана изоляционная жидкость, которая получена на основе сложного эфира или силиконового масла. Тем самым возможно непосредственное жидкостное охлаждение обмоток и, в частности, лобовых частей обмотки. Это охлаждение на основе текучей среды обеспечивает очень компактную обмотку статора.
В данном случае в листовом пакете статора для охлаждения предусмотрены охлаждающие отверстия КВ, через которые также проходит поток охлаждающей жидкости статорного пространства. Предусмотрено также не изображенное на чертеже охлаждение проводника в канавках листового пакета, для которого между элементами обмотки в каналах расположены осевые каналы охлаждения. Через эти каналы охлаждения также проходит поток охлаждающей жидкости. Таким образом, осуществляется непосредственное охлаждение зоны канавок, что способствует компактности машины за счет, например, отсутствия радиальных щелей охлаждения в листовом пакете.
Весь контур SK охлаждения статора обозначен на фиг.2 стрелками. Он проходит частично вне корпуса G, как это показано также на фиг.1. Там на чертеже показано также место теплообменника WT, который служит для противоточного охлаждения охлаждающей жидкости. На фиг.2 не изображены трубопроводы такой установленной системы охлаждения, соответственно насосов, которые поддерживают охлаждающий поток.
Статорное пространство SR отделено закрытым корпусом К, в данном случае трубой, от роторного пространства RR. Закрытый корпус проходит через зазор между ротором R и статором S. Между закрытым корпусом К и ротором R протекает поток RK охлаждения ротора в осевом направлении электрической машины. За счет разделения контуров охлаждения для ротора R и статора S можно применять не обработанную технологическую среду, которая транспортируется через компрессор КР, непосредственно для охлаждения ротора R.
Компрессор КР транспортирует технологическую среду от входного патрубка ES к выходному патрубку AS. При этом технологическая среда соответственно сжимается.
Компрессор КР служит для приведения в действие контура RK охлаждения ротора. Для этого технологическая среда покидает компрессорное пространство через фланец F1 и направляется через трубопровод на обращенной к электродвигателю торцевой стороне корпуса G через трубопровод к фланцу F2. Там она входит в корпус G и служит сначала для охлаждения расположенного там подшипника электродвигателя. Оттуда она проходит дальше к ротору, как это уже указывалось выше.
Часть технологической среды направляется от фланца F1 через трубопроводы на обращенной к компрессору торцевой стороне корпуса G к фланцу F3. Там эта часть охлаждающего потока входит снова в корпус G и служит там для охлаждения расположенного на стороне компрессора подшипника.
Выполнение компрессора в соответствии с примером, показанным на фиг.2, приводит к эффективному охлаждению как ротора, так и статора. Таким образом, компрессор можно выполнять для высоких скоростей вращения и высоких мощностей в мегаваттном диапазоне. Кроме того, за счет показанной на фиг.2 конструкции обеспечивается как для ротора, так и для статора простая в техническом обслуживании система охлаждения, что является предпосылкой, например, для применений под водой.