ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
ELECTROMECHANICAL CONVERTER WITH LIQUID COOLING

Область техники
Изобретение относится к электротехнике и касается выполнения электромеханического преобразователя (ЭМП) для преимущественно низкооборотных устройств, который может быть использован, например, в качестве электродвигателя в барабанных лебедках или в мотор-колесах легких транспортных средств, а также в качестве электрогенератора в ветроэнергоустановках или в качестве стартер-генератора в бензо- или дизельгенераторных станциях. Он может быть также использован в электромобилях с комбинированной энергоустановкой, в качестве синхронного компенсатора, в качестве двигателя для лифтов, а также в других устройствах, где требуются высокие удельные характеристики или расширенные функциональные возможности. Более конкретно, изобретение относится к ЭМП с жидкостным охлаждением статора.
Уровень техники
Известны 3 типа систем охлаждения электрических машин.
Первый из них представляет собой замкнутую систему. Замкнутые системы с заполнением хладагентом всего внутреннего гидравлически неразделенного объема машины имеют низкую теплотехническую эффективность из-за практической невозможности организации мощного теплового потока через корпус машины. Интенсивное циркуляционное возмущение охлаждающей жидкости при работе машины (вообще при любом вращении ротора) порождает ее гидродинамический нагрев, т.е. сама охлаждающая жидкость в таких системах является дополнительным источником тепла. Остается труднорешаемой задача герметизации внутреннего объема по подшипниковым узлам.
По этим причинам применение таких систем жидкостного охлаждения машин ограничено специальными устройствами, в частности мотор-насосами, в которых охлаждающей жидкостью служит прокачиваемый продукт.
Второй тип - это так называемые гильзованные системы, в которых охлаждающая жидкость циркулирует в гильзах, размещенных внутри электрической машины, в частности в зазоре между статором и ротором.
Примером такой системы может быть электрическая машина по патенту РФ №2283525 с жидкостным охлаждением статора, содержащая корпус с подшипниковыми щитами и установленными в них подшипниковыми узлами, магнитопровод статора с обмоткой в его пазах, ротор и размещенную в зазоре между ротором с статором гильзу, герметично и прочно закрепленную в подшипниковых щитах, образуя на периферии машины кольцевое пространство с торцевыми камерами у подшипниковых щитов и активной частью статора посередине, заполненное охлаждающей жидкостью с ее прокачкой через указанное пространство и охлаждением во внешнем теплообменнике.
я
Применение гильз нецелесообразно у тихоходных малых и средних машин с D=8-40 см, где воздушный зазор между ротором и статором принимается возможно меньшим, соответственно не более 0,05-0,25 см.
Третий тип систем характеризуется выполнением каналов для циркуляции хладагента в корпусных деталях электрической машины. Примером использования системы этого типа может служить индукторная машина по патенту Великобритании №1102753, содержащая корпус, состоящий из двух частей, соединенных между собой стягивающей втулкой из магнитопроводящего материала; пакеты железа статора, охваченные втулками, запресованными в корпусе с образованием в нем каналов для циркуляции охлаждающей жидкости; подшипниковые щиты, закрывающие машину с торцов, на подшипники которых опирается ротор, не имеющий обмотки; обмотку якоря, уложенную в пазы железа статора, кольцевую обмотку возбуждения, выполненную как монолитное тело и уложенную с образованием каналов для циркуляции жидкости в камеру, расположенную между пакетами железа статора и образованную стягивающей втулкой и демпферным кольцом, приваренным к корпусу.
Охлаждение статора и обмотки возбуждения осуществляется жидкостью, циркулирующей в каналах корпуса и камеры обмотки возбуждения. Отвод тепла от обмотки статора осуществляется через пазовую часть обмотки, железо статора, корпус, воздушные прослойки, образующиеся в местах сопряжения корпуса и пакетов железа статора, проводников обмотки, пазовой изоляции и пакетов железа статора.
Индукторная машина отличается низкой эффективностью охлаждения, так как повышенные термические сопротивления на пути теплового потока ведут к значительным перепадам температуры между проводниками обмотки якоря и поверхностью теплообмена. Лобовые части обмотки якоря работают в тяжелом тепловом режиме, поскольку отвод тепла от лобовых частей обмотки статора осуществляется в основном теплопроводностью через пазовую часть обмотки.
К системам такого типа относится и система индукторного охлаждения по патенту РФ на полезную модель №79356, в котором каналы охлаждения выполнены попарно под каждым пазом пакетов статора. Такое расположение каналов не обеспечивает эффективного отвода тепла от обмоток статора.
Сущность изобретения
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению по конструктивному исполнению является электромеханический преобразователь по патенту РФ №2302692, содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружности полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная. Недостатком известного ЭМП являются недостаточные получаемые величины удельной мощности и вращающего момента при заданных габаритах из-за низкой эффективности охлаждения, так как повышенные термические сопротивления на пути теплового потока ведут к значительным перепадам температуры между обмоткой якоря и поверхностью теплообмена с окружающей средой.
Задачей данного изобретения является создание электромеханического преобразователя с повышенной удельной мощностью и вращающим моментом при низких угловых частотах вращения при заданных габаритах. Другой задачей изобретения является создание ЭМП компактного исполнения и уменьшенного веса. Еще одной задачей изобретения является повышение экономичности и КПД ЭМП, расширение области его применения.
Указанные задачи решаются в соответствии с настоящим изобретением благодаря созданию ЭМП в конструктивном выполнении, подобном выполнению указанного ЭМП, но в котором осуществлено жидкостное охлаждение статора, что дает возможность уменьшить габариты при заданной мощности без повышения температуры отдельных частей и, в частности, обмоток статора.
Согласно изобретению электромеханический преобразователь содержит по меньшей мере одну статорно-роторную пару, в которой статор имеет силовой каркас, выполненный в виде фланца неподвижной оси преобразователя, по круговому периметру которого перпендикулярно фланцу закреплены зубцы из материала с высокой теплопроводностью, между которыми расположены на сердечниках с высокой магнитной проницаемостью обмотки статора и в которых (в зубцах) выполнены отверстия для прохода охлаждающей жидкости, а в теле фланца выполнены напорный и сливной коллекторы охлаждающей жидкости, сообщающиеся с указанными отверстиями в зубцах.
Охлаждение лобовой части каждой обмотки, примыкающей к фланцу статора, усиливается благодаря ее размещению в выемке во фланце, примыкающей к напорному коллектору фланца.
Преобразователь может быть обратимым.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен ЭМП согласно изобретению на виде сбоку, в разрезе.
На фиг.2 изображен ЭМП согласно изобретению на виде с торца, с частичным вырывом.
На фиг.3 изображена укладка обмоток статора.
Подробное описание изобретения
Предлагаемый электромеханический преобразователь представляет собой бесконтактную электрическую машину с возбуждением от постоянных магнитов двухзазорного типа. Он состоит из статора 1, ротора 2 и крышки 3. Ротор вращается на оси 4, фланец которой является частью статора 1. В одном из возможных вариантов двигателя ось имеет элементы крепежа для установки на подвеску транспортного средства. На вращающемся роторе предусмотрены шпильки 5 для крепления диска колеса. Через фланец оси проходят силовые кабели, кабель управления и осуществляется подвод и слив охлаждающей жидкости.
Статор представляет собой трехфазную обмотку, в которой катушки соединены в тройки и подключены параллельно. Статор состоит из силового каркаса 6, катушек с сердечниками 7, изоляторов 8, распаечного кольца 9, замыкающего кольца 10, вращающегося трансформатора 11. Силовой каркас 6 выполнен из алюминиевого сплава в виде фланца с зубцами, расположенными по периметру. На каркасе имеются напорный 12 и сливной 13 каналы системы охлаждения, закрытые герметично крышками 14 и 15. В каждом зубце имеются отверстия 16 для охлаждающей жидкости, соединяющие напорный и сливной каналы. Таким образом, зубцы охлаждаются жидкостью и отбирают тепло от обмоток статора. Жидкость в напорный канал поступает через отверстие 17 в оси 4 и сливается также через отверстие в оси. Катушки с сердечниками 7 установлены в силовом каркасе на изоляторах 8, чтобы исключить токи короткого замыкания между силовым каркасом и сердечниками. Коммутация троек выполняется на распаечном кольце 9, закрепленном на каркасе. Замыкающее кольцо 10 служит для фиксации катушек с обмотками статора. Ось 4 служит для установки подшипников, на которых вращается ротор и для закрепления мотор-колеса на подвеске транспортного средства. Внутри оси установлен вращающийся трансформатор 11, валик которого жестко связан с ротором и служит для отсчета угловых перемещений ротора.
Ротор состоит из двух магнитопроводов: внутреннего и наружного, на которых установлены магниты из редкоземельных металлов и ступицы с подшипниками.
Герметичность электромеханического преобразователя от окружающей среды достигается с помощью крышки 3, установленной на ротор. Уплотнение обеспечивается манжетой 19 на оси статора.
Управление электромеханического преобразователя в варианте двигателя осуществляется с помощью датчиков Холла 20, установленных на зубцах статора, и вращающимся трансформатором 11, установленным в неподвижной оси. На обмотках катушек установлены температурные датчики 21 для блокировки системы управления при перегреве. Лобовые части обмоток, обращенные к фланцу 6, размещены в образованных в нем выемках 22, примыкающих к коллектору 13.
Каждая обмотка катушки статора наматывается непосредственно на сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью. Лобовые части обмотки плотно прилегают к сердечнику, благодаря чему улучшается теплопроводность обмотки и условия ее охлаждения. Одна из 2-х лобовых частей обмотки сердечников дополнительно охлаждается благодаря плотному контакту с выемкой во фланце статора, охлаждаемом коллекторами охлаждающей жидкости.
В каждом зубце выполнены отверстия для циркуляции охлаждающей жидкости, соединяющие напорный и сливной коллекторы. Отвод тепла от обмотки статора осуществляется через материал зубцов и фланца статора с высокой теплопроводностью. Например, теплопроводность статора из алюминия 2,05 Вт/см·град, при теплопроводности электротехнической стали вдоль листа 0,63 Вт/см·град, а поперек листа в пакете 0,015 Вт/см·град [см. Я.С.Гурин и М.Н.Курочкин. Проектирование машин постоянного тока. Госэнергоиздат, 1961 г., стр.230, таблица 12-5]. Равные условия охлаждения каждой обмотки обеспечиваются равенством гидравлических сопротивлений каждой из параллельно включенных между коллекторами ветвей охлаждения зубцов за счет одинаковых путей по коллекторам: при меньшем пути по напорному коллектору увеличивается путь по сливному и наоборот. Самовентиляция ротора обеспечивается за счет вращения ротора в наружном воздухе благодаря обратимой конструкции ЭМП.