ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С СИСТЕМОЙ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H02K1/20 H02K5/20 H02K9/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к охлаждению электрической машины, которая содержит статор, имеющий обмотку, ротор и воздушный зазор, имеющий, в общем, цилиндрическую конфигурацию.

Предшествующий уровень техники

Электрические машины требуют охлаждение для того, чтобы отводить тепло, произведенное потерями машины, и для того, чтобы обеспечить температуры в машине, которые не превышают максимальные расчетные температуры, установленные для различных частей машины. Эти потери, по существу, являются потерями в стали сердечника статора, потерями в меди обмотки, потерями в роторе, потерями на трение в воздушном зазоре и потерями в подшипнике. Если максимальная расчетная температура обмотки превышается, то существует опасность повреждения электрической изоляции обмоточных проводов.

Электрические машины, сконструированные для высокой скорости вращения, нуждаются в более сложной системе охлаждения, чем электрические машины, сконструированные, в большей степени, для обычных скоростей вращения, например менее чем 5000 мин^-1, потому, что потери произведены в меньшем объеме машины.

Отведение с высокой эффективностью из машины количества тепла, произведенного потерями, является важной задачей потому, что отвод тепла требует мощности и поэтому является фактором, снижающим общий кпд электрической машины. Очень сложное охлаждение является значительным вкладом для обеспечения высокого общего кпд электрической машины.

Краткое изложение существа изобретения

Согласно изобретению предложена электрическая машина, содержащая

(а) статор, содержащий сердечник статора и обмотку статора, которая включает в себя первую часть обмотки, размещенную в пространства сердечника статора и лобовую часть обмотки в качестве второй части обмотки, причем лобовая часть обмотки размещена вдоль оси спереди первой передней поверхности и напротив второй передней поверхности сердечника статора;

(б) корпус, в котором размещен статор;

(в) ротор, установленный с возможностью вращения;

(г) воздушный зазор, имеющий, в общем, цилиндрическую конфигурацию;

(д) множество распределенных по окружности первых каналов охлаждающего газа, которые расположены между первой и второй передними поверхностями сердечника статора и проходят, в общем, в радиальном направлении между соответственным внешним входом и воздушным зазором;

(е) указанный корпус, содержащий множество первых отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди первой передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять струи охлаждающего газа к лобовой части обмотки для ее принудительного охлаждения;

(ж) указанный корпус, содержащий множество вторых отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди второй передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять струи охлаждающего газа к лобовой части обмотки для ее принудительного охлаждения;

(з) указанный корпус, содержащий множество третьих отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди первой передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять поток охлаждающего газа через лобовую часть обмотки и к участку ротора позади лобовой части обмотки;

(и) указанный корпус, содержащий множество четвертых отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди второй передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять поток охлаждающего газа через лобовую часть обмотки и к участку ротора позади лобовой части обмотки;

(к) и, по меньшей мере, один из:

(к1) нагнетающий вентилятор, обеспечивающий поток охлаждающего газа через электрическую машину, причем нагнетающий вентилятор, находится в соединении по потоку охлаждающего газа с первыми каналами охлаждающего газа, первыми отверстиями, вторыми отверстиями, третьими отверстиями и четвертыми отверстиями;

(к2) или всасывающий вентилятор, обеспечивающий поток охлаждающего газа через электрическую машину, причем всасывающий вентилятор, находится в соединении по потоку охлаждающего газа с теми пространствами в электрической машине, которые принимают охлаждающий газ, выходящий из воздушного зазора, первых отверстий, вторых отверстий, третьих отверстий и четвертых отверстий.

Предпочтительные варианты осуществлений изобретения заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения с 2 по 24.

Согласно изобретению дополнительно предложен турбокомпрессор и турбогенератор, каждый из которых содержит электрическую машину согласно изобретению.

Технический эффект, достигаемый изобретением, заключается в следующем.

В частности, интенсивное охлаждение обеспечено для лобовой части обмотки. Аксиально-внешние оконечные участки лобовой части обмотки охлаждаются струями принудительного охлаждения охлаждающего газа, тогда как аксиально-внутренние участки лобовой части обмотки охлаждаются более медленными потоками охлаждающего газа. Это оптимально для распределения источников тепла и для геометрии лобовой части обмотки.

Конструкция охлаждения, обеспеченная изобретением, имеет относительно низкое потребление мощности по сравнению с обычными конструкциями охлаждения.

Конструкция охлаждения, обеспеченная изобретением, в частности, пригодна для электрических машин с высокими скоростями вращения по сравнению со многими обычными электрическими машинами, которые работают со скоростью вращения ниже чем 5000 мин^-1.

В предпочтительном варианте осуществления, система охлаждения включает в себя жидкостное охлаждение для внешней окружности сердечника статора и объединяет жидкостное охлаждение с охлаждением, как описано здесь, таким образом, что каналы жидкостного охлаждения не пересекаются с путями потока газового охлаждения.

Электрическая машина согласно изобретению, несмотря на свою очень сложную систему охлаждения, не предполагает значительных сложностей или высоких затрат на изготовление.

Краткое описание чертежа

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылкой на сопроводительный чертеж, на котором показаны продольное сечение и, по существу, только верхняя половина турбокомпрессора, причем схематично.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Турбокомпрессор 2, показанный на чертеже, содержит корпус 4, статор 6, размещенный в корпус 4, ротор 8, проходящий через полый статор 6, подшипники 10 и 12 ротора 8 и две крыльчатки 14 и 16 турбокомпрессора, прикрепленные к ротору 8.

Ротор 8 является, например, целиком стальным ротором или ротором, имеющим целиком стальное тело с тонкой медной втулкой. Чертеж показывает два активных радиальных магнитных подшипника 10 и на одной осевой стороне один активный осевой магнитный подшипник 12. Альтернативно могут быть использованы два активных осевых магнитных подшипника. «Активный магнитный подшипник» означает подшипник, где положение ротора 8 по отношению к стационарному подшипнику 10 или 12 постоянно определяется, причем магнитная сила подшипника постоянно изменяется, чтобы сохранять ротор 8 в заранее определенном диапазоне положения относительно подшипника.

Статор 6 содержит сердечник 18 статора, состоящий из набора кольцеобразных железных пластин, и обмотку 20 статора, образованную медными проводами. Первая часть обмотки размещена в пазообразных пространствах в сердечнике 18 статора, а вторая часть обмотки имеет форму лобовой части обмотки 22. Лобовая часть обмотки 22 содержит первую часть спереди левой первой передней поверхности 24 сердечника 18 статора и вторую часть спереди правой передней поверхности 26 сердечника 18 статора. Весь статор 6, в общем, симметричен по отношению к средней плоскости 28, проходящей перпендикулярно по отношению к оси вращения 30 ротора 8. Приблизительно в середине относительно оси сердечника статора находится множество распределенных по окружности первых каналов 21 охлаждающего газа, которые продолжаются, в основном, в радиальном направлении.

Статор 6 закреплен внутри корпуса 4. Центральный участок корпуса 4 охватывает сердечник 18 статора и содержит множество распределенных по окружности вторых каналов 32 охлаждающего газа, которые продолжаются, по существу, в осевом направлении. Корпус 4 за первой передней поверхностью 24 и за второй передней поверхностью 26 сердечника 18 статора образует, по существу, цилиндрические стенки 34 корпуса, которые окружают лобовую часть обмотки 22 с обеих сторон статора 6. Каждый участок 34 стенки содержит ряд распределенных по окружности первых отверстий 36 или вторых отверстий 38 соответственно (один ряд на каждой осевой стороне двигателя) и ряд распределенных по окружности третьих отверстий 40 или четвертых отверстий 42 соответственно (один ряд на каждой осевой стороне двигателя). Первые и вторые отверстия 36, 38 имеют относительно малый диаметр, например 5 мм, тогда как третьи и четвертые отверстия 40, 42 имеют больший диаметр, например 15 мм.

С правой стороны корпус 4 продолжается за второй лицевой стороной 26, причем имеет такую радиальную толщину, что вторые каналы 32 охлаждающего газа проходят на приблизительно такую же осевую длину, какую имеет правая часть лобовой части обмотки 22. С левой стороны находится кольцевой канал 44 охлаждающего газа, ограниченный на своем внутреннем диаметре участком 34 стенки и соединенный по потоку охлаждающего газа с входом 46 и с левыми концами второго канала 32 охлаждающего газа.

Если требуется, также кольцевой канал охлаждающего газа может быть выполнен в правом оконечном участке второго канала 32 охлаждающего газа.

Корпус 4 продолжается к левой стороне, чтобы обеспечить закрепление осевого подшипника 12 и одного из радиальных подшипников 10. С правой стороны корпус 4 продолжается, чтобы обеспечить закрепление другого из двух радиальных подшипников 10. С левой стороны находится множество распределенных по окружности третьих каналов 48 охлаждающего газа, которые имеют входы в кольцевом канале 44 и выходы в пространство с левой стороны радиального подшипника 10. С правой стороны находится аналогичное множество третьих каналов 48 охлаждающего газа, входы которых, однако, открыты в соответствующие каналы вторых каналов 32 охлаждающего газа и продолжаются до пространства с правой стороны правого радиального подшипника 10.

Схематично показанный нагнетающий вентилятор 50 находится в соединении по потоку охлаждающего газа с кольцевым каналом 44.

Течение охлаждающего газа осуществляется следующим образом.

Охлаждающий газ под давлением, созданным нагнетающим вентилятором 50 втекает в кольцевой канал 44, оттуда в первом потоке во вторые каналы 32 охлаждающего газа, оттуда во втором потоке в первые каналы 21 охлаждающего газа и в качестве третьего потока во вторые и четвертые отверстия 38, 42. С другой стороны, в качестве четвертого потока существует поток напрямую из кольцевого канала 44 через первые и третьи отверстия 36, 40. Второй поток, выходящий из первых каналов 21 охлаждающего газа, там разделяется и течет налево и направо через воздушный зазор 52.

Посредством первых и вторых отверстий 36, 38 формируются струи охлаждающего газа, которые направлены к тем областям лобовой части обмотки 22, которые более удалены от лицевых сторон 24, 26, чем остальная лобовая часть обмотки 22. Струи охлаждающего газа сталкиваются с лобовой частью обмотки 22 в тех областях и разбиваются на очень малые количества газа при столкновении. Это обеспечивает очень интенсивное охлаждение этих областей лобовой части обмотки 22.

Охлаждающий газ течет через третьи и четвертые отверстия 40, 42 с меньшей скоростью потока. Они текут через те области лобовой части обмотки 22, которые находятся ближе к лицевым сторонам 24, 26, чем более удаленные области лобовой части обмотки 22, описанные в предыдущем абзаце. Более медленные потоки могут проходить через зазоры между мотками проводов, выходящими из канавок в сердечнике 18 статора, и могут охлаждать обе области окружности ротора 8, которые находятся позади лобовой части обмотки 22 и могут существенно способствовать охлаждению ротора 8.

Потоки охлаждающего газа, направленные к радиальным подшипникам 10, проходят подшипники 10 по направлению к осевому центру двигателя. В отношении левой стороны, этот поток также охлаждает осевой подшипник 12.

Охлаждающий газ, который охладил сердечник 18 статора, воздушный зазор 52 и лобовую часть обмотки 22, покидает корпус 4 в двух потоках 54, один в левую сторону и один в правую сторону. Корпус 4 имеет пригодные, по существу, радиально продолжающиеся каналы и два охватывающих кольцевых канала 56, чтобы пропустить выходные потоки 54. Охлаждающий газ, который охладил подшипники 10, 12, соединяется с выходными потоками 54.

Часть корпуса, на которой закреплен сердечник 18 статора, снабжена круговыми выемками 56 на своей внешней окружности и рукавом рубашки 58 вокруг него. Таким образом, образована рубашка охлаждающей жидкости, в которой охлаждающая жидкость, такая как вода, может циркулировать через выемки 56. На чертеже показано, что кольцевой канал 44 размещен с левой стороны спереди входных отверстий вторых каналов 32 охлаждающего газа. Таким образом, кольцевой канал 44 находится вдоль оси за пределами рубашки для охлаждающей жидкости 56, 58, так что радиальные проходы для охлаждающего газа через рубашку охлаждающей жидкости не требуются. Варианты осуществления изобретения возможны без рубашки для охлаждающей жидкости, и в этом случае это может быть более удобным, чтобы поместить кольцевой канал 44, по существу, в местоположении средней плоскости 28, что обеспечивает симметричную конструкцию системы газового охлаждения. Следует подчеркнуть, что возможно заменить одну группу первых каналов 21 охлаждающего газа множеством таких групп, в которых каждая из групп включает в себя множество распределенных по окружности каналов 21. Группы имеют осевые расстояния между собой.

На чертеже показано, что первая крыльчатка 14 турбокомпрессора прикреплена к левому оконечному участку ротора 8, а вторая крыльчатка 16 турбокомпрессора прикреплена к правому оконечному участку ротора 8. Воздух или любой другой газ, будучи сжатым, проходит через первую крыльчатку 14 турбокомпрессора, затем через промежуточный охладитель и затем через вторую крыльчатку 16 турбокомпрессора. Первая крыльчатка 14 турбокомпрессора окружена первым корпусом компрессора (только частью, которая показана на чертеже) и вторая крыльчатка 16 турбокомпрессора окружена вторым корпусом компрессора (только частью, которая показана на чертеже).

Если заменить крыльчатки 14, 16 турбокомпрессора на рабочие колеса турбины, будет обеспечен турбогенератор для производства электроэнергии. Подчеркнуто, что электродвигатель изобретения может быть использован для приведения в действие любого произвольного оборудования и совсем не ограничен использованием приведения в действие компрессора. То же самое верно для генератора электрического тока изобретения, который может быть приведен в действие любым произвольным оборудованием.

Если заменить нагнетающий вентилятор 50 на всасывающий вентилятор, всасывающий выходные потоки 54, то будет обеспечен другой вариант осуществления изобретения. Приточный охлаждающий газ всасывается в машину, например, посредством кольцевого канала(ов) 44.

В качестве неограничивающего примера ниже приведены следующие данные варианта осуществления.

Конструкция схематично показана на чертеже; мощность двигателя 300 кВт; скорость вращения 60000 мин^-1; повышение давления, созданное нагнетающим вентилятором от 2,5 до 3 кПа выше внешнего давления; полный расход охлаждающего воздуха от 20 до 25 м³/мин; потребляемая мощность от 2 до 2,5 кВт; поток, разделенный между лобовой частью обмотки 22 и первыми каналами 21 охлаждающего газа с отношением около 80/20; среднее повышение температуры охлаждающего воздуха, прошедшего двигатель, около 50°С; температура окружающего воздуха 40°С; максимальная температура в двигателе (в лобовой части обмотки) приблизительно 160°С; скорость потока воды в рубашке 56, 58 охлаждения приблизительно 0,2 кг/с.

Самым предпочтительным охлаждающим газом является воздух. Двигатель может быть оборудован преобразователем частоты. Вентилятор может быть приведен в действие электродвигателем, снабженным преобразователем частоты.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам охлаждения электрических машин цилиндрической конструкции. Предлагаемая электрическая машина содержит статор, имеющий обмотку статора, корпус для размещения статора, ротор и воздушный зазор, имеющий, в общем, цилиндрическую конфигурацию. Множество распределенных по окружности радиальных первых каналов охлаждающего газа, обеспечено в сердечнике статора. Струи охлаждающего газа направлены в области лобовой части обмотки, которая является относительно отдаленной от сердечника статора для того, чтобы выполнять его принудительное охлаждение. Потоки охлаждающего газа направлены к участкам лобовой части обмотки, которая находится между областями с принудительным охлаждением лобовой части обмотки и соответствующей передней поверхностью сердечника статора. При этом электрическая машина содержит, по меньшей мере, один из нагнетающего и всасывающего вентиляторов, а в указанном корпусе для размещения статора выполнены первые, вторые, третьи и четвертые отверстия. Причем нагнетающий вентилятор находится в соединении по потоку охлаждающего газа с указанными первыми каналами охлаждающего газа, а также с указанными первыми, вторыми, третьими и четвертыми отверстиями указанного корпуса; а всасывающий вентилятор находится в соединении по потоку охлаждающего газа с теми пространствами в электрической машине, которые принимают охлаждающий газ, выходящий из воздушного зазора и указанных первых, вторых, третьих и четвертых отверстий. При этом указанные первые и вторые отверстия имеют меньший диаметр, чем указанные третьи и четвертые указанные отверстия корпуса для размещения статора. Технический результат - обеспечение интенсивного охлаждения лобовой части обмотки статора электрической машины и исключение повреждения изоляции обмоточных проводов, а также низкое потребление мощности в предлагаемой конструкции системы охлаждения, пригодной для электрических машин с высокими скоростями вращения. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрическая машина, содержащая:
(а) статор, содержащий сердечник статора и обмотку статора, которая включает в себя первую часть обмотки, размещенную в пространстве сердечника статора, и лобовую часть обмотки в качестве второй части обмотки, причем лобовая часть обмотки размещена вдоль оси спереди первой передней поверхности и противоположной второй передней поверхности сердечника статора;
(б) корпус, в котором размещен статор;
(в) ротор, установленный с возможностью вращения;
(г) воздушный зазор, который имеет, в общем, цилиндрическую конфигурацию;
(д) множество распределенных по окружности первых каналов охлаждающего газа, которые расположены между первой и второй передними поверхностями сердечника статора и проходят в основном в радиальном направлении между соответственным внешним входом и воздушным зазором;
(е) указанный корпус, содержащий множество первых отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди первой передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять струи охлаждающего газа к лобовой части обмотки для ее принудительного охлаждения;
(ж) указанный корпус, содержащий множество вторых отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди второй передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять струи охлаждающего газа к лобовой части обмотки для ее принудительного охлаждения;
(з) указанный корпус, содержащий множество третьих отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди первой передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять поток охлаждающего газа через лобовую часть обмотки к участку ротора позади лобовой части обмотки;
(и) указанный корпус, содержащий множество четвертых отверстий, направленных к лобовой части обмотки спереди второй передней поверхности сердечника статора, чтобы направлять поток охлаждающего газа через лобовую часть обмотки к участку ротора позади лобовой части обмотки;
(к) указанные первые и вторые отверстия, имеющие меньший диаметр, чем указанные третьи и четвертые отверстия;
(л) и, по меньшей мере, один из:
(л1) нагнетающего вентилятора, обеспечивающего поток охлаждающего газа через электрическую машину, причем нагнетающий вентилятор находится в соединении по потоку охлаждающего газа с первыми каналами охлаждающего газа, первыми отверстиями, вторыми отверстиями, третьими отверстиями и четвертыми отверстиями;
(л2) всасывающего вентилятора, обеспечивающего поток охлаждающего газа через электрическую машину, причем всасывающий вентилятор находится в соединении по потоку охлаждающего газа с теми пространствами в электрической машине, которые принимают охлаждающий газ, выходящий из воздушного зазора, первых отверстий, вторых отверстий, третьих отверстий и четвертых отверстий.

2. Электрическая машина по п.1, в которой
первые отверстия распределены по окружности и размещены на расстоянии от первой передней поверхности сердечника статора, и/или
вторые отверстия распределены по окружности и размещены на расстоянии от второй передней поверхности сердечника статора, и/или
третьи отверстия распределены по окружности и размещены на меньшем расстоянии от первой передней поверхности сердечника, статора, чем первые отверстия и/или
четвертые отверстия распределены по окружности и размещены на меньшем расстоянии от второй передней поверхности сердечника статора, чем вторые отверстия.

3. Электрическая машина по п.1 или 2, в которой все первые каналы охлаждающего газа размещены в основном в общей плоскости, проходящей перпендикулярно к оси вращения ротора.

4. Электрическая машина по п.1 или 2, которая содержит, по меньшей мере, две группы первых каналов охлаждающего газа, причем в каждой из групп первые каналы охлаждающего газа размещены в основном в общей плоскости, проходящей перпендикулярно по отношению к оси вращения ротора.

5. Электрическая машина по любому из пп.1 или 2, в которой обмотка статора и с первого по четвертое отверстия имеют конструкцию, которая, в основном, симметрична по отношению к средней плоскости, проходящей перпендикулярно к оси вращения ротора.

6. Электрическая машина по любому из пп.1 или 2, содержащая множество распределенных по окружности вторых каналов охлаждающего газа, которые проходят, в основном, в осевом направлении, при этом внешние входы первых радиальных каналов охлаждающего газа открываются в соответственные вторые каналы охлаждающего газа.

7. Электрическая машина по любому из пп.1 или 2, содержащая охлаждение в виде кольцевого канала, который находится в соединении по потоку охлаждающего газа с внешними входами первых каналов охлаждающего газа или вторых каналов охлаждающего газа.

8. Электрическая машина по п.7, в которой кольцевой канал охлаждающего газа находится на первой передней поверхности или на второй передней поверхности сердечника статора.

9. Электрическая машина по любому из пп.1, 2, 8, в которой вентилятор размещен со смещением от средней плоскости сердечника статора, проходящей перпендикулярно к оси вращения ротора.

10. Электрическая машина по любому из пп.1, 2, 8, в которой сердечник статора содержит рубашку для охлаждающей жидкости.

11. Электрическая машина по любому из пп.1, 2, 8, содержащая, по меньшей мере, один магнитный осевой подшипник и два магнитных радиальных подшипника.

12. Электрическая машина по п.11, содержащая множество распределенных по окружности третьих каналов охлаждающего газа, которые находятся в соединении по потоку охлаждающего газа с вентилятором, чтобы подводить охлаждающий газ к магнитным подшипникам.

13. Электрическая машина по любому из пп.1, 2, 8, 12, которая является асинхронным электродвигателем или асинхронным генератором тока, имеющим безобмоточный ротор.

14. Блок турбокомпрессора, содержащий электрическую машину по любому из пп.1-13 в качестве двигателя и, по меньшей мере, одну крыльчатку турбокомпрессора, прикрепленную к ротору двигателя.

15. Блок турбокомпрессора по п.14, содержащий первую радиальную крыльчатку турбокомпрессора, прикрепленную к первому оконечному участку ротора, и вторую радиальную крыльчатку турбокомпрессора, прикрепленную к противоположному второму оконечному участку ротора.

16. Блок турбокомпрессора по п.15, конструкция которого такова, что воздух, будучи сжатым, сначала проходит первую крыльчатку турбокомпрессора, затем охлаждается и затем проходит вторую крыльчатку турбокомпрессора.

17. Блок турбогенератора, содержащий электрическую машину по любому из пп.1-13 в качестве генератора тока и, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, прикрепленное к ротору генератора тока.

18. Блок турбогенератора по п.17, содержащий первое радиальное рабочее колесо турбины, прикрепленное к первому оконечному участку ротора, и второе радиальное рабочее колесо турбины, прикрепленное к противоположному второму оконечному участку ротора.

19. Блок турбогенератора по п.18, конструкция которого такова, что поток газа сначала проходит первое рабочее колесо турбины и после этого проходит второе рабочее колесо турбины.