Электрическая машина с охлаждаемым ротором

Полезная модель относится к области электромашиностроения, а именно к электрическим машинам c системой охлаждения ротора.
Известна электрическая машина с повышенной степенью защиты с улучшенным охлаждением ротора [патент РФ №2497260 C2, МПК H02K 1/20, H02K 1/32, H02K 9/10, H02K 5/20, опубликовано 27.10.2013 г.], содержащая статор и роторный вал, установленный относительно статора с возможностью вращения вокруг оси вала, так что ось вала определяет осевое направление, радиальное направление и тангенциальное направление. На роторном валу установлен ротор, который электрически взаимодействует со статором. Ротор имеет, по меньшей мере, один проходящий в осевом направлении осевой канал. На пакет статора по оси с обеих сторон установлены соответствующие кожухи. Кожухи выполнены таким образом, что они во взаимодействии с пакетом статора образуют, соответственно, по меньшей мере, один проходящий в радиальном направлении радиальный канал. Радиальные каналы соединяют, по меньшей мере, один осевой канал статора по потоку с внутренней полостью ротора, а в остальном являются закрытыми. Для принудительной конвекции на роторном валу аксиально внутри кожухов размещен, по меньшей мере, один элемент, действующий как вентилятор.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях ввиду наличия вентилятора на валу.
Известен ротор электрической машины с жидкостным охлаждением [патент РФ №114566 U1, МПК H02K 9/10, опубликовано 27.03.2012 г.], содержащий вал ротора с отверстиями внутри и трубы для протекания охлаждающей жидкости. Отличием является то, что подвод и отвод охлаждающей жидкости осуществляется по замкнутой автономной системе. Внутри вала ротора проходят два осевых эксцентричных отверстия. Одно осевое эксцентричное отверстие и радиальные отверстия для подвода охлаждающей жидкости расположены под одним углом в плоскости, перпендикулярной оси электрической машины. Другое осевое эксцентричное отверстие и радиальные отверстия для отвода охлаждающей жидкости, расположены под другим углом в плоскости, перпендикулярной оси электрической машины.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях из-за наличия замкнутой автономной системы для подвода и отвода охлаждающей жидкости, а также сложной технологии сборки электрической машины ввиду наличия труб для протекания охлаждающей жидкости.
Известна электрическая машина с охлаждением ротора [патент US №7646119 B2, МПК H02K 1/32, опубликовано 12.01.2010 г.], содержащая вал, определяемый осью, многослойный сердечник, установленный на валу и имеющий осевые отверстия для прохождения хладагента, впускное сопло и два прижимных кольца ротора вместе со стенками, направляющими охлаждающую жидкость, установленные на валу для закрепления многослойного сердечника ротора между ними, при этом по меньшей мере одно из двух прижимных колец ротора выполнено с возможностью входа и выхода хладагента через осевые отверстия в роторе. Наличие отводов для хладагента образуют звездообразную конфигурацию нажимного кольца ротора. Таким образом достигается эффект вентилятора, который перемещает хладагент радиально наружу в каждом направлении вращения.
Недостатки аналога заключаются в усложнении конструкции электрической машины ввиду наличия прижимных колец со стенками, направляющими хладагент с обеих сторон сердечника ротора, а также трудоемком изготовлении магнитопровода ротора с осевыми отверстиями.
Известен ротор электрической машины [патент US №7514827 B2, МПК H02K 1/32, опубликовано 07.04.2009 г.], содержащий корпус, осевой канал в роторе, образующий цилиндрическое глухое отверстие, одно или несколько средств генерирования магнитного поля, расположенных вокруг внешней периферии корпуса, первый канал охлаждения в осевом направлении к корпусу и по меньшей мере, один конец к центральной области и один или несколько вторых каналов, проходящих радиально наружу между первым каналом и радиально внешней поверхности ротора, для протекания хладагента между ними. Ротор может дополнительно содержать один или несколько третьих каналов охлаждения, каждый из которых проходит в осевом направлении в ротор от одного или другого конца ротора и расположен вблизи средства генерации магнитного поля, и один или несколько четвертых каналов в центральной области, каждый из которых проходит радиально наружу между первым каналом и соответствующим третьим каналом для протекания между ними хладагента. На стопорных втулках, необходимых для удержания постоянных магнитов на роторе при высоких частотах вращения предусмотрен наружный нагнетатель хладагента.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях из-за применения наружного нагнетателя хладагента, а также в сложной технологии изготовления ротора электрической машины из-за наличия множества каналов охлаждения, выполненных в осевом и радиальном направлениях, осевого канала на роторе, образующего цилиндрическое глухое отверстие.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является электрическая машина с охлаждаемым внутри ротором [патент РФ №2399141 C1, МПК H02K 1/32, H02K 9/08, опубликовано, 10.09.2010 г.], содержащая пакет статора и ротор в корпусе, которая имеет внутренний охлаждающий контур из проходящих через ротор в осевом направлении и расположенных на двух концентрических окружностях каналов охлаждения ротора, который предназначен для циркуляции газообразного хладагента, при этом в машине на первой торцевой стороне ротора предусмотрены вентиляторные лопасти и первое средство в виде направляющего воздух цилиндра для направления хладагента из каналов охлаждения ротора на одной из обеих концентрических окружностей через лобовую часть обмотки к каналам охлаждения ротора на другой из обеих концентрических окружностей, на второй торцевой стороне ротора расположен, выполненный идентично с первым направляющим воздух цилиндром, второй цилиндр. Циркуляция охлаждающего средства приводится в действие с помощью расположенных на торцевой стороне ротора вентиляторных лопастей и с помощью направляющих воздух цилиндров направляется непосредственно на лобовую часть обмотки.
Недостатки ближайшего аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях ввиду наличия дополнительных направляющих воздух цилиндров, а также в невысоких энергетических характеристиках.
Задача полезной модели - снижение массогабаритных показателей электрической машины за счет выполнения ротора с протяженными цельными прорезями в форме гидравлических конфузоров.
Техническим результатом является повышение энергетических характеристик электрической машины за счет уменьшения массогабаритных показателей и повышения интенсивности охлаждения ротора.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в электрической машине с охлаждаемым ротором, содержащей пакет статора с обмотками и ротор, согласно полезной модели, ротор выполнен внешним с протяженными цельными прорезями в форме гидравлических конфузоров в зазорах между постоянными магнитами, при этом прорези выполнены чередующимися рядами - ряд прорезей выполнен с лопастями и большим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора с возможностью всасывания хладагента в полость электрической машины, следующий ряд выполнен без лопастей и меньшим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора с возможностью отвода хладагента из полости электрической машины.
Существо полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен поперечный разрез электрической машины. На фиг. 2 изображен ротор с чередующимися рядами протяженных цельных прорезей в форме гидравлических конфузоров.
Электрическая машина с охлаждаемым ротором содержит (фиг. 1, фиг. 2) пакет статора 1 с обмотками 2, ротор 3 с постоянными магнитами 4 и с чередующимися рядами протяженных цельных прорезей в форме гидравлических конфузоров в зазорах 5 между постоянными магнитами 4 - ряд прорезей выполнен с лопастями 6 и большим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора 3, следующий ряд без лопастей 7 и меньшим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора 3.
Электрическая машина с охлаждаемым ротором работает следующим образом: при подаче на обмотку 2 пакета статора 1 напряжения, по нему начинает протекать ток, который создает вращающийся магнитный поток. Постоянные магниты 4 образуют постоянное магнитное поле. Магнитное поле постоянных магнитов 4 при взаимодействии с переменным током обмоток 2 пакета статора 1, создает крутящий момент, который приводит во вращение ротор 3.
При выполнении ротора 3 с чередующимися рядами протяженных цельных прорезей в форме гидравлических конфузоров (фиг. 2) хладагент засасывается через цельные прорези в форме гидравлических конфузоров с лопастями 5 и отводится через цельные прорези в форме гидравлических конфузоров без лопастей 6. За счет ряда прорезей с лопастями 5, выполненного с большим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора 3, достигается всасывание хладагента в полость электрической машины. В гидравлическом конфузоре скорость хладагента в его узкой части значительно выше скорости в расширенной части, и, соответственно, в зазорах 5 между постоянными магнитами 4 скорость хладагента является максимальной высокой, вследствие чего, в полости электрической машины устанавливается зона повышенного давления, что позволяет обеспечить вытеснение потока хладагента. А за счет ряда прорезей без лопастей 6, выполненного с меньшим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора 3, достигается отвод хладагента из полости электрической машины, вследствие чего улучшается теплоотвод. Благодаря выполнению ротора 3 с чередующимися рядами протяженных цельных прорезей в форме гидравлических конфузоров 5, 6 обеспечивается эффективное охлаждение ротора 3 при наименее трудоемкой технологии изготовления.
Прорези в форме гидравлических конфузоров на роторе выполняют сразу две функции: эффективное охлаждение ротора электрической машины без увеличения массогабаритных показателей и уменьшение массы электрической машины за счет выполнения ротора с протяженными цельными прорезями в форме гидравлических конфузоров.
Итак, заявляемая конструкция позволяет повысить энергетические характеристики электрической машины за счет повышения интенсивности охлаждения ротора и уменьшения массогабаритных показателей электрической машины благодаря выполнению ротора с протяженными цельными прорезями в форме гидравлических конфузоров.