СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
ELECTRICAL MACHINE STATOR WITH WATER COOLING

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к электрическим машинам широкого применения.
Известны статоры электрических машин с жидкостным охлаждением, в которых реализована принудительная прокачка охлаждающей жидкостью по осевым каналам внутри магнитопровода статора [1], [2].
Главным недостатком этих изобретений является малая площадь соприкосновения охлаждающей жидкости с активными тепловыделяющими частями статора и неравномерное распределение температуры внутри статора.
Известен также статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий охлаждающую рубашку, выполненную в виде трубопроводов (каналов) с прокачиваемой охлаждающей жидкостью, равномерно охватывающих внешнюю поверхность магнитопровода [3].
Недостатком этого технического решения является низкая эффективность охлаждения. Обусловлено это тем, что наиболее нагреваемым участком наружной поверхности статоров электрических машин является его средняя часть, а внутренних частей статора - зубцовая зона мест расположения обмоток. Однако расположение трубопроводов с охлаждающей жидкостью равномерно по поверхности статора приводит к перегреву его средней части, а удаленность расположения каналов с охлаждающей жидкостью от зубцовой зоны ухудшает интенсивность охлаждения. К дополнительному ухудшению интенсивности охлаждения приводит также наличие неизбежных технологических зазоров между трубопроводом с охлаждающей жидкостью и магнитопроводом статора.
Известен также статор электрической машины, в котором охладительные элементы (охладители), выполненные в виде плоских силуминовых сегментов с залитыми в них змеевиками из стальной нержавеющей трубки с охлаждающей жидкостью, размещены между участками разделенного по длине магнитопровода [4].
Его недостатком является невысокая эффективность охлаждения, обусловленная пониженной теплопроводностью нержавеющей стали (по сравнению с теплопроводностью меди или алюминия), а также неравномерностью распределения температуры за счет технологических зазоров между отдельными сегментами охладительных элементов.
Наиболее близким к предложенному является статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий магнитопровод, набранный из изолированных листов электротехнической стали, обмотку, размещенную в пазах магнитопровода, и охладители с каналами для охлаждающей жидкости, каждый из которых состоит из медной трубки, внутри которой протекает охлаждающая жидкость, и медного корпуса, в который вложены эти трубки. При этом технологические зазоры (полости) между медной трубкой и корпусом охладителя заполнены теплопроводной пастой (компаундом). Каждый охладитель с охлаждающей жидкостью размещен без зазора между участками магнитопровода статора, разделенного по длине [5].
Недостатком этого технического решения является невысокая эффективность охлаждения по причине наличия на пути теплового потока технологических зазоров (полостей) между медной трубкой и корпусом, заполненных теплопроводной пастой. Обусловлено это тем, что теплопроводная паста, заполняющая технологические зазоры, имеет, по сравнению с металлами, значительно более высокое тепловое сопротивление.
Невысокая эффективность охлаждения, а также относительно невысокая надежность работы известного устройства обусловлены также отсутствием в техническом решении по этому патенту охлаждения лобовых и наиболее нагретых частей обмотки в пазах магнитопровода, что приводит к повышению не только среднего значения, но и разности температур отдельных частей обмотки статора. Указанная разность температур приводит, в свою очередь, к возникновению механических напряжений в обмотке за счет различных линейных расширений ее частей и соответствующему снижению надежности работы статора.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение эффективности охлаждения обмотки статора при одновременном повышении надежности ее работы за счет снижения среднего значения и разности температур отдельных частей обмотки электрической машины.
В статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащем магнитопровод, набранный из изолированных листов электротехнической стали, обмотку, размещенную в пазах магнитопровода, и охладители с каналами для охлаждающей жидкости, указанный технический результат достигается за счет того, что охладители размещены в пазах магнитопровода, и/или между магнитопроводом и лобовыми частями обмотки, и/или между участками разделенного по длине магнитопровода статора, а также за счет того, что охладители приспособлены для охлаждения обмотки и/или магнитопровода (размещены соответствующим образом) и выполнены из теплопроводного и однородного по своему химическому составу материала или конструктивно реализованы с использованием пайки или сварки их составных частей.
В других вариантах реализации изобретения этот технический результат достигается за счет обеспечения прямого теплового контакта охлаждающей жидкости с боковыми поверхностями листов электротехнической стали; за счет реализации каналов с переменным сечением (уменьшением площади каналов около наиболее нагреваемых (активных тепловыделяющих) частей магнитопровода и/или обмотки); выполнения охладителя в виде рубашки охлаждения, охватывающей наружную поверхность магнитопровода, со спиральным или зигзагообразным каналом переменного сечения; оснащения внутренней поверхности канала выступами или ребрами (за счет увеличения площади контакта охладителей с охлаждающей жидкостью), а также установки турбулизаторов внутри каналов для охлаждающей жидкости.
В частных случаях реализации предложенного устройства, а также для улучшения указанного технического результата в статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, в частности:
- охладители выполнены Т-образной формы и размещены в пазах магнитопровода таким образом, что плоская часть каждого охладителя расположена между спинкой статора и катушками обмотки, а перпендикулярная ему часть охладителя расположена между катушками обмотки статора. Канал для охлаждающей жидкости при этом может быть расположен в любой части или частях охладителя;
- конфигурация наружного контура охладителей выбрана из условия повторения контура листов электротехнической стали (за исключением частей охладителей, приспособленных для подачи и отведения охлаждающей жидкости), причем канал для охлаждающей жидкости приближен к контуру внутренней поверхности магнитопровода статора;
- охладители выполнены без боковых стенок и, соответственно, обеспечивают прямой контакт охлаждающей жидкости с боковыми поверхностями листов электротехнической стали магнитопровода. При этом охладитель может быть выполнен в форме рамки и размещен между двумя листами электротехнической стали с установкой уплотнителей между рамкой и этими листами;
- внутренняя поверхность канала для охлаждающей жидкости выполнена с выступами, в частности игольчатыми, или с ребрами, которые расположены на той части охладителя, которая приближена к зубцовой зоне мест расположения обмотки или к иной наиболее нагреваемой области магнитопровода и/или обмотки;
- турбулизатор в канале для охлаждающей жидкости выполнен в виде спирали из круглой проволоки или плоской ленты и расположен в той части охладителя, которая приближена к зубцовой зоне мест расположения обмотки или к иной наиболее нагреваемой (активной тепловыделяющей) области магнитопровода и/или обмотки, причем концы турбулизатора, с целью уменьшения гидравлического сопротивления, могут иметь вид прямолинейных отрезков;
- количество и/или толщина охладителей, размещенных между участками разделенного по длине магнитопровода статора, а также длина каждого участка магнитопровода выбраны из условия обеспечения минимальной разности температур отдельных частей обмотки;
- в охладителе, выполненном в виде рубашки охлаждения, охватывающей наружную поверхность статора, канал для охлаждающей жидкости выполнен спиральной или зигзагообразной формы и имеет переменное сечение, которое имеет наименьшее значение в средней части статора;
- охладители выполнены с использование экетрузионных профилей с отверстиями, в частности с двойными;
- на поверхности охладителей, соприкасающиеся с обмоткой и/или листами электротехнической стали, нанесен теплопроводный компаунд.
Указанные отличительные признаки изобретения обеспечивают реализацию комплекса мер по повышению эффективности охлаждения статора электрической машины, а именно:
- обеспечение кратчайшего пути теплового потока от обмотки и/или магнитопровода (от активных тепловыделяющих частей) через сечение металла охладителя до границы с охлаждающей жидкостью;
- сосредоточение элементов теплообмена (частей охладителей) максимально возможной площади в зоне наиболее высокого градиента температуры;
- обеспечение повышенной скорости охлаждающей жидкости в приграничном слое, предотвращение возникновения застойных зон и гидродинамических теней;
- использование материалов для охладителей с более высокой теплопроводностью.
Реализация отличительных признаков изобретения, характеризующихся размещением охладителя в пазах магнитопровода, между магнитопроводом и лобовыми частями обмотки, и/или между участками разделенного по длине магнитопровода статора, а также их выполнение с возможностью охлаждения как обмотки, так и магнитопровода позволяет сократить пути тепловых потоков и существить отвод тепла от наиболее нагретых частей статора, что обеспечивает повышение эффективности охлаждения обмотки статора и снижение разности температур ее отдельных частей.
В варианте изобретения, предусматривающем прямой тепловой контакт охлаждающей жидкости с боковыми поверхностями листов электротехнической стали, обеспечивается кратчайший путь теплового потока от магнитопровода до охлаждающей жидкости.
В вариантах, предусматривающих реализацию каналов охлаждения с переменным сечением (уменьшение площади каналов около наиболее нагреваемых частей магнитопровода и/или обмотки), выполнение охладителя в виде рубашки охлаждения,
охватывающей наружную поверхность магнитопровода, со спиральным или зигзагообразным каналом переменного сечения, оснащение внутренней поверхности канала для охлаждающей жидкости выступами или ребрами (для увеличения площади контакта охладителей с охлаждающей жидкостью), а также установка турбулизаторов внутри канала для охлаждающей жидкости обеспечивает повышение эффективности охлаждения за счет увеличения скорости охлаждающей жидкости в приграничном слое и предотвращения возникновения застойных зон и гидродинамических теней в каналах в тех частях охладителей, которые расположены в зонах наибольшей температуры магнитопровода и/или статора.
Реализация отличительных признаков, характеризующихся выполнением охладителей из теплопроводного однородного по химическому составу материала либо из отдельных составных частей, выполненных из этого материала и соединенных при помощи пайки или сварки, позволяет исключить расположенные на пути теплового потока воздушные технологические зазоры либо зазоры, заполненные теплопроводной пастой (компаундом). Это техническое решение, в отличие от ранее известной запрессовки или установки трубок в корпус охладителя с применением теплопроводной пасты, также позволяет повысить эффективность охлаждения и снизить перепады температур.
Поэтому реализация указанных отличительных признаков изобретения во всех вариантах его исполнения приводит к достижению одного и того же технического результата, а именно - к повышению эффективности охлаждения обмотки статора при одновременном повышении надежности ее работы за счет снижения среднего значения и разности температур отдельных частей обмотки электрической машины.
На фиг. 1-4 схематично показаны статор электрической машины с жидкостным охлаждением, его отдельные элементы и варианты исполнения.
Статор содержит кольцевой магнитопровод 1, набранный из листов электротехнической стали, обмотку 2, размещенную в его пазах, и охладители 3, 4 с каналами 5 для охлаждающей жидкости (фиг. 1). Он может содержать только охладители 3, установленные в пазах магнитопровода 1 у его спинки и приспособленные для охлаждения обмотки и магнитопровода, только охладители 4, установленные между катушками обмотки 2, либо одновременно охладители 3 и 4. Возможна также установка охладителей
3 в одних пазах магнитопровода, а охладителей 4 - в других пазах магнитопровода.
В части пазов магнитопровода охладители 3, 4 могут отсутствовать. Возможна также одновременная установка двух или более охладителей 3 и/или 4 в каждом из пазов магнитопровода.
Необходимость установки, вид охладителей (3 или 4) и их конструктивные параметры определяются на основе его теплового расчета статора.
Охладители 3, 4 выполнены из теплопроводного материала - меди, латуни, алюминия, нержавеющей стали, теплопроводного полимера и т.д. в виде прямоугольных, плоскоовальных, круглых труб или труб более сложной формы, выбранных из условия максимального заполнения пространства между катушками обмотки 2.
Охладители 3 и 4 могут иметь U-образную форму и охватывать, соответственно, отдельные зубцы магнитопровода 1 или катушки обмотки 2. Они могут иметь также зигзагообразную форму, приспособленную для укладки в пазы магнитопровода 1.
Возможно также конструктивное объединение охладителей 3 и 4 в единый охладитель, имеющий Т-образную форму с раздельными каналами или с общим каналом для охлаждающей жидкости 5 (фиг. 2). Он размещен в пазах магнитопровода таким образом, что плоская часть охладителя расположена вдоль спинки статора, а перпендикулярная ему часть охладителя расположена между катушками или частями обмотки статора. Это обеспечивает эффективный отвод тепла как от спинки магнитопровода 1, так и от катушек обмотки 2 статора при использовании одного охладителя.
Если охладитель имеет один канал охлаждения, то этот канал может быть во всем объеме охладителя, как это показано на фиг. 2, в его плоской части у спинки статора либо только у выступа охладителя, расположенного между катушками.
Каналы для охлаждающей жидкости могут быть выполнены с переменным сечением, причем каналы в частях охладителей, расположенных около более нагреваемых частей статора, имеют меньшее сечение.
Если охладитель выполнен в виде рубашки охлаждения, охватывающей наружную поверхность магнитопровода, и имеет спиральный или зигзагообразный канал для охлаждающей жидкости переменного сечения, то этот канал в частях охладителей,
расположенных около более нагреваемых частей статора, имеет меньшее сечение.
Внутренние поверхности каналов для охлаждающей жидкости могут иметь выступы или ребра, расположенные в той части охладителя, которая приближена к наиболее нагреваемой области статора. Выступы могут иметь, в частности, игольчатую форму.
Внутри этих каналов могут быть установлены турбулизаторы, выполненные в виде спирали из ленты или круглой проволоки и расположенные в тех частях охладителей, которые приближены к наиболее нагреваемой области статора.
Концы каждого турбулизатора выполнены в виде прямолинейных отрезков ленты или проволоки, а расположение этих отрезков выбрано из условия уменьшения гидравлического сопротивления турбулизатора.
Выступы на внутренней поверхности канала для охлаждающей жидкости или турбулизатор расположены/расположен в части охладителя, приближенной к зубцовой зоне мест расположения обмотки.
При работе электрической машины на охладителях 3, 4, в общем случае, возникает электрическое напряжение. Соответственно, если охладители 3, 4 выполнены из электропроводного материала (металла), то они должны иметь электроизоляционное покрытие либо изолированными должны быть участки магнитопровода 1 и катушек обмотки 2, с которыми соприкасаются эти охладители. По этой же причине, с целью предотвращения снижения КПД электрической машины, охлаждающая жидкость должна быть неэлектропроводной, а ее подача на охладители должна осуществляться с помощью трубок, выполненных из изоляционного материала, например из кремнийорганической резины (силикона).
Возможно также изготовление охладителей из теплопроводного электроизоляционного материала, например теплопроводного полимера.
Свободное пространство в пазах магнитопровода между катушками обмотки 2 и охладителями 3, 4, с целью улучшения отвода тепла от магнитопровода 1 и обмоток 2 целесообразно заполнить теплопроводным компаундом.
На фиг. 3 представлен продольный разрез статора, поясняющий другие варианты реализации изобретения.
Охладители 6 могут быть размещены между магнитопроводом 1 и лобовыми частями обмотки 2 (фиг. 3). В этом случае отвод тепла также осуществляется как от магнитопровода 1, так и от обмотки 2.
Реализация этого технического решения оправдана при относительно небольшой длине магнитопровода 1. В противном случае, для предотвращения превышения предельно допустимой температуры обмотки 2, необходима установка охладителей 3 и/или 4 в пазах магнитопровода (фиг. 1 или фиг. 2) либо реализация третьего варианта статора, в котором охладители 7 размещены между участками разделенного по длине магнитопровода 1 с возможностью охлаждения магнитопровода и обмотки.
В этом варианте магнитопровод 1 статора разделяется на несколько участков по его длине (фиг. 3). Каждый участок магнитопровода статора без зазора отделяется от соседнего участка охладителем 7 с охлаждающей жидкостью. Такие охладители выполнены, в частности, без боковых стенок и, соответственно, обеспечивают прямой контакт охлаждающей жидкости с боковыми поверхностями листов электротехнической стали магнитопровода. Каждый из этих охладителей выполнен в форме рамки, не содержащей стенки, отделяющей охлаждающую жидкость от боковой поверхностью листа электротехнической стали, и размещен между этими (двумя) листами электротехнической стали с установкой уплотнителей между рамкой и этими листами.
В этом случае охлаждение статора осуществляется, преимущественно, путем отвода тепла от листов электротехнической стали (от магнитопровода 1). При этом отвод тепла от катушек обмотки 2 осуществляется через торцевые поверхности охладителей 6 (фиг. 3). Эти поверхности, в случае необходимости повышения интенсивности отвода тепла от обмотки, могут имеют повышенную площадь, что достигается увеличением толщины охладителей 7.
На фиг. 4 показан охладитель 7, имеющий наружный контур, повторяющий контур листов электротехнической стали за исключением тех частей этого охладителя, к которым присоединяются штуцеры 8 и 9, через которые осуществляется подача и отведение охлаждающей жидкости. Каналы 5 для охлаждающей жидкости в этом случае приближены к контуру внутренней поверхности магнитопровода статора.
Во всех вариантах реализации изобретения охладители могут быть выполнены из теплопроводного однородного по химическому составу материала, преимущественно цветного металла, либо из отдельных составных частей, соединенных при помощи пайки или сварки. В этом случае, в отличие от известных технических решений, на пути теплового потока отсутствуют воздушные технологические зазоры либо зазоры, заполненные термопроводящей (теплопроводной) пастой (компаундом), что повышает эффективность охлаждения.
Вариантом исполнения охладителей является применение вместо цветных металлов теплопроводных полимеров. В этом случае возможно изготовление охладителей с использованием технологии литья под давлением.
С целью упрощения изготовления охладителей возможно также использование в качестве частей охладителей экструзионных профилей с отверстиями, в частности двойными. Такие профили могут устанавливаться, например, в качестве закладных элементов при литье охладителей, в том числе из теплопроводного полимера.
Развитие технологии позволяет также изготавливать охладители сложной формы на 3D-принтерах.
Вне магнитопровода статора охладители 3, 4, 6, 7 во всех вариантах исполнения изобретения с помощью трубок, выполненных преимущественно из кремнийорганической резины (силикона), соединяются последовательно или параллельно и подключаются к коллектору или к внешним трубопроводам, подающим и отводящим охлаждающую жидкость. Ее охлаждение осуществляется во внешнем устройстве, содержащем, например, радиатор с вентилятором и циркуляционный насос, обеспечивающий подачу охлаждающей жидкости на охладители в необходимом объеме.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Охлаждающая жидкость под давлением, создаваемым внешним циркуляционным насосом, по внешним трубопроводам подается на охладители, а также отводится от них. Наиболее эффективное охлаждение достигается в случае одновременного оснащения статора электрической машины охладителями всех видов 3, 4, 6, 7 и, соответственно, подачи охлаждающей жидкости на все охладители. С целью упрощения конструкции статора в нем могут использоваться также охладители одного вида,
например только охладители 4 или 7, либо несколько видов указанных охладителей в их любом сочетании, например охладители 4 и 6.
Охлаждающая жидкость поступает на все охладители, соединенные между собой параллельно и/или последовательно, в частности, кремнийорганическими (силиконовыми) трубками. Охлаждающая жидкость, подогретая теплом, выделяемым обмоткой и магнитопроводом статора, по отводящему трубопроводу с помощью внешнего циркуляционного насоса поступает во внешний теплообменник (радиатор) и после охлаждения вновь подается на охладители. Таким образом реализуется замкнутая система жидкостного охлаждения статора.
Эффективность охлаждения при этом увеличивается за счет увеличения площади прикосновения охладителей к активным частям (обмоткой и магнитопроводом) статора электрической машины.
Дальнейшее улучшение теплопередачи обеспечивается за счет увеличения эффективной площади контакта корпуса охладителя с охлаждающей жидкостью. Для этого в каналах для охлаждающей жидкости устанавливаются выступы или ребра.
При отсутствии турбуленции на поверхности гладких каналов формируется малоподвижная пленка жидкости, что ухудшает отдачу тепла. Эта проблема в предложенном изобретении решается с помощью турбулизаторов - спиралей из круглой проволоки или плоской ленты, размещенных в каналах для охлаждающей жидкости. При этом концы проволоки или ленты турбулизатора выполнены в виде прямолинейных отрезков, что снижает гидравлическое сопротивления турбулизатора.
Турбулизаторы разрывают пленку на стенке канала и создают вихревые потоки жидкости, что приводит к снижению теплового сопротивления охладителя на 15-20%.
Теплообмен в охладителе происходит преимущественно в тонком приповерхностном слое охлаждающей жидкости (теплоносителя). Его толщина может составлять всего лишь доли миллиметра. Поэтому фактором, определяющим эффективность охлаждения, является не объем, а скорость потока охлаждающей жидкости (чем больше скорость, тем выше интенсивность охлаждения) и режим движения (в условиях турбулентного течения интенсивность выше). Более того, при прочих равных условиях (одинаковое напорное давление циркуляционного насоса, одинаковая
длина канала) скорость теплоносителя в широком канале ниже, чем в узком (эффект Вентури). Соответственно, применение больших по объему охладителей не оправдано как в тепловом, так и в гидравлическом отношении.
С учетом этого предложены варианты исполнения настоящего изобретения, в которых каналы для охлаждающей жидкости выполнены с переменным сечением таким образом, что участки охладителей, расположенные около наиболее нагреваемых частей магнитопровода и/или обмотки, имеют меньшее сечение. В частности, на фиг. 4 показано, что сечение канала у спинки статора больше, чем в его зубцовой зоне, что обеспечивает ее более эффективное охлаждение.
При этом, если охладитель выполнен в виде рубашки охлаждения, охватывающей наружную поверхность магнитопровода, и имеет спиральный или зигзагообразный канал охлаждения, то этот канал выполнен с переменным сечением таким образом, что каналы в участках охладителей, расположенных около наиболее нагреваемых частей магнитопровода и/или обмотки, также имеют уменьшенное сечение.
Наиболее эффективное охлаждение статора электрической машины достигается при одновременной реализации всех альтернативных признаков изобретения. Однако улучшение этой эффективности (достижение указанного технического результата) достигается при реализации как одного из альтернативных отличительного признаков изобретения, так и нескольких признаков одновременно в их любом сочетании.
Для специалистов в данной области техники понятно, что, кроме описанных вариантов статора электрической машины с жидкостным охлаждением, возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.
Источники информации
1. RU 2283525 C2, H02K 9/19, 10.09.2006.
2. RU 2025869 C1, H02K 9/19, H02K 9/00, H02K 1/32, 30.12.1994.
3. RU 2223584 C2, H02K 1/20, H02K 9/02, 20.01.2003.
4. SU 1667201 A1, H02K 9/19, H02K 15/00, 30.07.1991.
5. RU 2439768 C2, H02K 9/19, H02K 1/12, 10.01.2012.