Статор электрической машины с жидкостным охлаждением (варианты)
ELECTRIC MACHINE STATOR WITH LIQUID COOLING (VERSIONS)

Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к высокооборотным и сверхвысокооборотным электрическим машинам.
Известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением [патент РФ №2283525, Н02K 9/19, опубл. 10.09.2006], содержащий охладители, каждый из которых состоит из трубки, внутри которой протекает охлаждающая жидкость, и корпуса охладителя. При этом он снабжен охладителями, каждый из которых состоит из медного корпуса охладителя и медной трубки, вложенной в корпус охладителя, насосом, коллектором и теплообменником, причем каждый охладитель с охлаждающей жидкостью размещен без зазора между участками магнитопровода статора, разделенного по длине, при этом насос соединен с коллектором, выполненным с возможностью подачи охлаждающей жидкости параллельно во все охладители, а охладители выполнены с возможностью поступления подогретой, выделяемой теплом статора электрической машины, охлаждающей жидкости по медным трубкам в отводную часть коллектора, причем коллектор соединен с теплообменником, который выполнен с возможностью подачи после охлаждения жидкости снова во входную часть коллектора.
Известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением [патент РФ №2223584, Н02K 1/20, Н02K 9/02, опубл. 20.01.2003], сердечник которого набран из изолированных листов электротехнической стали, при этом на внутреннем диаметре сердечника расположены пазы с обмоткой якоря, а на внешнем диаметре расположены ориентированные вдоль продольной оси статора пазы, в которых размещена обмотка охлаждения в виде зигзагообразного змеевика, при этом пазы на внешнем диаметре сердечника выполнены открытыми, имеют прямоугольную форму, обмотка охлаждения выполнена из трубок прямоугольного сечения и состоит как минимум из двух параллельно соединенных по охлаждающему агенту ветвей, прямолинейные элементы которых расположены в пазах в два слоя, а потоки охлаждающего агента в ветвях направлены по окружности статора навстречу друг другу.
Также известна рубашка охлаждения статора электромашины [патент РФ №169095, Н02K 9/16, опубл. 03.03.2017], выполненная в виде спирального трубчатого элемента с патрубками входа и выхода охлаждающей жидкости и предназначенная для установки между статором и корпусом электромашины, причем спиральный трубчатый элемент выполнен в виде двух спиральных ветвей, одна из которых включает входной патрубок с одного торца и витки, выполненные так, что между ними размещены витки второй ветви с выходным патрубком с того же, что и входной патрубок, торца, при этом обе ветви гидравлически соединены между собой с противоположного патрубкам торца.
Общим недостатком этих аналогов является малая площадь соприкосновения охлаждающей жидкости с активными тепловыделяющими частями статора (обмотками), а также ограниченные функциональные возможности относительно беспазовых электрических машин с тороидальными обмотками. Применение подобных статоров для электрических машин с тороидальными обмотками будет неэффективно, так как необходимо охлаждение и внешней, и внутренней частей обмоток.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является статор электрической машины с жидкостным охлаждением [патент РФ №2651581, H01К 1/20, Н01К 9/16, опубл. 11.04.2018], содержащий магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали, обмотку, размещенную в пазах магнитопровода, и по меньшей мере один охладитель, имеющий по меньшей мере один канал для охлаждающей жидкости, при этом в нем реализовано по меньшей мере одно из следующих технических решений:
а) по меньшей мере один охладитель размещен в пазах магнитопровода и приспособлен для охлаждения обмотки и магнитопровода;
б) по меньшей мере один охладитель размещен между магнитопроводом и лобовыми частями обмотки;
в) по меньшей мере один охладитель размещен между участками разделенного по длине магнитопровода статора с возможностью охлаждения магнитопровода и обмотки;
г) по меньшей мере один охладитель выполнен из теплопроводного и однородного по химическому составу материала или конструктивно реализован с использованием пайки или сварки его составных частей;
д) по меньшей мере один охладитель выполнен с возможностью прямого теплового контакта боковых поверхностей листов электротехнической стали с охлаждающей жидкостью;
е) каналы для охлаждающей жидкости выполнены с переменным сечением, причем каналы в частях охладителей, расположенных около более нагреваемых частей статора, имеют меньшее сечение;
ж) охладитель выполнен в виде рубашки охлаждения, охватывающей наружную поверхность магнитопровода, и имеет спиральный или зигзагообразный канал для охлаждающей жидкости переменного сечения, причем этот канал в частях охладителей, расположенных около более нагреваемых частей статора, имеет меньшее сечение;
з) внутренняя поверхность канала для охлаждающей жидкости по меньшей мере одного охладителя имеет выступы или ребра;
и) внутри канала для охлаждающей жидкости по меньшей мере одного охладителя установлен по меньшей мере один турбулизатор.
Недостатком ближайшего аналога являются ограниченные функциональные возможности, поскольку его невозможно применить для беспазовых электрических машин с тороидальными обмотками.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей в отношении беспазовых электрических машин с тороидальными обмотками, повышение срока службы изоляции обмоток.
Техническим результатом является повышение эффективности охлаждения электрических машин и снижение тепловой заметности электрических машин.
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается по первому варианту тем, что в статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащем магнитопровод, обмотку и по меньшей мере один охладитель, имеющий по меньшей мере один канал для охлаждающей жидкости, согласно изобретению, статор электрической машины выполнен беспазовым с тороидальными обмотками, а канал для охлаждающей жидкости выполнен в виде змеевика, расположенного на внутренней и/или внешней поверхности магнитопровода статора с тороидальными обмотками и плотно прилегающий к тороидальным обмоткам.
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается по второму варианту тем, что в статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащем магнитопровод, обмотку и по меньшей мере один охладитель, имеющий по меньшей мере один канал для охлаждающей жидкости, согласно изобретению, статор электрической машины выполнен беспазовым с тороидальными обмотками, а каждый канал для охлаждающей жидкости расположен с возможностью прохождения по внешней и внутренней поверхностям магнитопровода статора с тороидальными обмотками и плотно прилегающий к обмоткам.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена схема статора электрической машины с жидкостным охлаждением. На фиг. 2 изображена 3-D модель двух каналов охлаждения (внешнего и внутреннего) статора электрической машины с жидкостным охлаждением по первому варианту. На фиг. 3 изображена 3-D модель одного канала охлаждения статора электрической машины с жидкостным охлаждением по первому варианту. На фиг. 4 изображена 3-D модель каналов охлаждения статора электрической машины с жидкостным охлаждением по второму варианту.
Предложенный статор электрической машины с жидкостным охлаждением по первому и второму вариантам содержит (фиг. 1) беспазовый магнитопровод статора 1 с тороидальными обмотками 2 и по меньшей мере один канал для охлаждающей жидкости 3.
Статор электрической машины с жидкостным охлаждением работает следующим образом. При работе электрической машины происходит нагрев активных частей электрической машины. В канале для охлаждающей жидкости 3 создается поток охлаждающей жидкости. В качестве охлаждающей жидкости используется, например, вода. По мере движения по каналу для охлаждающей жидкости 3 охлаждающая жидкость забирает тепло от статора электрической машины, а также ротора. При этом плотное прилегание тороидальных обмоток 2 к каналу для охлаждающей жидкости 3 обеспечивает высокую эффективность охлаждения. Кроме того, отвод тепла от статора и ротора приводит к уменьшению тепловой заметности электрической машины.
Итак, заявляемое устройство позволяет расширить функциональные возможности в отношении беспазовых электрических машин с тороидальными обмотками.
В результате повышается эффективность охлаждения электрических машин, повышается срок службы изоляции обмоток, а также снижается тепловая заметность электрических машин.