СТАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ИНТЕНСИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2023 года по МПК H02K1/20 H02K9/19 

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов.

Известен статор электрической машины [патент US №5903082 А, H02K 1/12, H02K 21/12, H02K 37/12, Н02Р 9/18, H02K 21/24, H02K 1/14, H02K 1/02, H02K 1/04, H02K 29/10, H02K 1/18, опубл. 11.05.1999], содержащей отдельно сформированные аморфное ярмо и аморфные полюса, которые совместно установлены в корпусе из диэлектрика, образовывая при этом магнитопровод статора электрической машины.

Недостатками аналога являются сложность изготовления и низкие магнитные свойства магнитопровода статора из аморфного железа, обусловленные значительными нарушениями геометрии магнитопровода статора из аморфного железа при сборки отдельных полюсов и ярма, а также низкий теплоотвод потерь энергии от магнитопровода статора из аморфного железа.

Известен статор электродвигателя транспортного средства [патент DE 102012207508 A1, H02K 1/06, H02K 1/12, H02K 15/02, опубл. 11.07.2013], содержащий П-образные сердечники, которые ламинированы из нескольких листов электротехнической стали. Из n П-образных сердечников набирается магнитопровод статора электрической машины.

Недостатками данного аналога являются сложность изготовления и установки в корпусе электрической машины магнитопровода статора, а также значительные аэродинамические потери энергии на трение ротора с воздухом.

Известен статор электрической машины [патент US 6960860 В1, H02K 1/14, H02K 1/12, H02K 15/02, опубл. 01.11.2005], содержащий n подковообразных сердечников магнитопровода статора, набранных из ленты аморфного железа и установленных в диэлектрическом остове.

Недостатками данного аналога являются низкая эффективность и низкие удельные показатели магнитопровода статора из аморфного железа в составе электрической машины с внешним жидкостным охлаждением поверхности статора через рубашку охлаждения, обусловленные повышенными габаритными размерами магнитопровода статора из-за низкой индукции насыщения ленты аморфного железа, а также значительные потери энергии на трение ротора с воздухом, обусловленные негладкой внутренней поверхностью расточки статора.

Известен магнитопровод статора электромеханических преобразователей энергии электрической машины с интенсивным охлаждением [патент RU 2570834 С1 (по второму варианту), H02K 1/20, H02K 3/24, H02K 15/02, опубл. 10.12.2015], содержащий n подковообразных сердечников магнитопровода статора, набранных из ленты аморфного железа, установленных в диэлектрическом остове и образующих пазы и зубцы магнитопровода статора, обмотку, уложенную в пазах статора. В данном изобретении диэлектрический остов выполнен в виде рубашки охлаждения с аксиальными трубками, при этом форма трубок профилирует форму пространства между подковообразными сердечниками, а по периметру диэлектрического остова введены дополнительные каналы охлаждения, причем по всей осевой длине боковых поверхностей пазов установлена система из охлаждающих трубок, одна из поверхностей которой плотно прилегает к обмотке, а другая - к зубцу, дно пазов с уложенной в них обмоткой и трубками охлаждения залиты неэлектропроводящим немагнитным материалом с высокой теплопроводностью, а внутренняя поверхность пазов залита неэлектропроводящим немагнитным материалом с низкой теплопроводностью таким образом, что внутренняя поверхность расточки статора гладкая.

Недостатками аналога являются ограниченные функциональные возможности, вызванные сложностью изготовления n подковообразных сердечников, сложностью монтажа охлаждающих трубок, низким значением коэффициента заполнения паза обмоткой, т.к. в пазу, помимо обмотки, находятся охлаждающие трубки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является статор электрической машины с интенсивным охлаждением [Xu Z., La Rocca A., Pickering S.J., Eastwick С., Gerada С., Bozhko S. Mechanical and thermal design of an aeroengine starter/generator // 2015 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). USA, 2016. Paper No. 15801201. P. 1-6. DOI: 10.1109/IEMDC.2015.7409278], содержащий корпус, расположенный внутри него магнитопровод статора, в пазах которого уложена обмотка с лобовыми вылетами и пазовая изоляция, на внешней части магнитопровода статора расположены аксиальные каналы охлаждения, во внутренней части магнитопровода статора - стакан охлаждения, который с торцов герметично соединен со щитами, а щиты герметично соединены с корпусом, при этом корпус имеет отверстия для входа и выхода хладагента.

Недостатками ближайшего аналога являются увеличенное значение немагнитного зазора из-за наличия герметичного стакана. Увеличение немагнитного зазора способствует увеличению полей рассеивания, что приводит к уменьшению коэффициента мощности и КПД. А в электрических машинах, которые очень чувствительны к незначительному увеличению немагнитного зазора, к примеру, в асинхронных двигателях, нецелесообразно применение данного технического решения.

Задача изобретения - уменьшение полей рассеивания и увеличение коэффициента мощности электрической машины, возможность использования данного изобретения в электрических машинах, чувствительных к увеличению немагнитного зазора (к примеру, в асинхронных машинах), за счет установки герметичного стакана охлаждения не в немагнитном зазоре, а в нижней области паза магнитопровода статора.

Техническими результатами являются повышение энергоэффективности (КПД), минимизация тепловыделений и снижение массы и габаритов статора электрической машины.

В отличие от ближайшего аналога, стакан охлаждения представляет из себя цилиндр, выполненный из листового пластичного немагнитопроводящего диэлектрического материала и имеющий зубчатую форму, а зубцы стакана охлаждения расположены в нижней части паза магнитопровода статора (не в немагнитном зазоре).

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что статор электрической машины с интенсивным охлаждением, содержащий корпус, расположенный внутри него магнитопровод статора, в пазах которого уложена обмотка с лобовыми вылетами и пазовая изоляция, на внешней части магнитопровода статора расположены аксиальные каналы охлаждения, во внутренней части магнитопровода статора - стакан охлаждения, который с торцов герметично соединен с щитами, а щиты герметично соединены с корпусом, согласно изобретению, во внутренней части магнитопровода статора, в выемках пазов находится герметичный стакан охлаждения, выполненный в виде цилиндра, из листового пластичного немагнитопроводящего диэлектрического материала, имеющего зубчатую форму, с зубцами, расположенными в нижней части паза магнитопровода статора, и состоящего из двух частей, герметично соединенных с магнитопроводом статора, причем в отверстия корпуса, герметично установлены входные и выходные штуцеры с возможностью соответственно входа и выхода хладагента, также в отверстия герметично установлен электропроводящий выводной болт с гайкой, соединенный с выводными концами обмотки.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез статора электрической машины с интенсивным охлаждением, стрелками показано движение хладагента; на фиг. 2 изображен поперечный разрез статора электрической машины с интенсивным охлаждением, знаком показано направление движения хладагента; на фиг. 3 представлено изображение паза статора электрической машины с интенсивным охлаждением; на фиг.4 отдельно показана 3D-модель стакана охлаждения.

Статор электрической машины с интенсивным охлаждением (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4) содержит ротор 1 с n-полюсной магнитной системой, магнитопровод статора 2 с зубцами 3 и пазами 4, имеющими выемки в нижней части 4', в пазы 4 уложена пазовая изоляция 5 и обмотка 6, которая имеет лобовые вылеты 7 и 8, во внутренней части магнитопровода статора 2, в выемках пазов 4' находится герметичный стакан охлаждения, состоящий из двух частей 9 и 10 (фиг. 3), представляющий из себя цилиндр, выполненный из листового пластичного немагнитопроводящего диэлектрического материала и имеющий зубчатую форму, части герметичного стакана охлаждения 9 и 10 и магнитопровод статора 2 между собой герметично соединены. Внешняя часть магнитопровода статора 2 имеет каналы охлаждения 11. Поверх магнитопровода статора расположен корпус 12, имеющий отверстия 13 и 14, в которые герметично установлены входные и выходные штуцеры 15 и 16 для соответственно входа и выхода хладагента, а также отверстие 17, в которое герметично установлен электропроводящий выводной болт 18 с гайкой 19. Электропроводящий выводной болт 18 соединен с выводными концами 20 обмотки 6, с торцов магнитопровода статора 2 расположены щиты 21 и 22, которые герметично соединены с корпусом 12 и герметичным стаканом охлаждения 9 и 10. Герметизация обеспечивается посредством резиновых прокладок: герметизация штуцеров 15 и 16 с корпусом 12 обеспечивается прокладками 23 и 24 соответственно, герметизация щитов 21 и 22 с корпусом 12 обеспечивается прокладками 25 и 26 соответственно, герметизация герметичного стакана 9 и 10 с щитами 21 и 22 обеспечивается прокладками 27 и 28 соответственно, герметизация электропроводящего выводного болта 18 с корпусом 12 обеспечивается прокладкой 29.

Предложенное устройство работает следующим образом: при вращении ротора 1 по магнитопроводу статора 2 протекает магнитный поток возбуждения. При этом по закону электромагнитной индукции в обмотке 6 наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от числа витков обмотки, частоты вращения ротора 1 и магнитного потока возбуждения. При подключении нагрузки к выводными концам 20 в обмотке 6 начинает протекать ток, при этом создаются тепловые потери в обмотке 6, обусловленные током в обмотках 6 и ее активным сопротивлением, потери на вихревые токи, обусловленные частотой вращения ротора 1, размерами обмотки 6 и ее удельным сопротивлением, а также тепловые потери в магнитопроводе статора 2, обусловленные величиной магнитного потока возбуждения, массой магнитопровода статора 2 и удельными потерями материала магнитопровода статора 2. Отвод всех вышеперечисленных потерь обеспечивается по законам теплопереноса при протекании хладагента под давлением по телу магнитопровода статора 2, обмоток 6 и лобовых вылетов 7 и 8. Хладагент протекает следующим образом: из входного штуцера 15 хладагент под давлением попадает во внутреннюю часть корпуса 12, в которой омывает (охлаждает) лобовый вылет 7 и торец магнитопровода статора 2. Далее хладагент протекает (омывает) в аксиальном направлении по каналам охлаждения 11 и по пазам 4, в которых находится обмотка 6, причем коэффициент заполнения паза обмоткой должен быть не более 0,4 для беспрепятственного прохождения хладагента. Затем хладагент попадает в другой торец магнитопровода статора 2, где омывает лобовый вылет 8, после чего хладагент под давлением выходит из внутренний части корпуса 12 через выходной штуцер 16. При этом хладагент не поступает в ротор 1, тем самым не создает дополнительного механического трения, также хладагент не поступает в подшипниковые узлы, в результате чего отсутствует смешение подшипниковой смазки с хладагентом. Чтобы исключить попадание хладагента в тело ротора 1, а также вытекание хладагента, во внутренней части магнитопровода статора 2 расположен герметичный стакан 9 и 10, представляющий из себя цилиндр, выполненный из листового пластичного немагнитопроводящего диэлектрического материала и имеющий зубчатую форму, при этом щиты 21 и 22 плотно (герметично) прилегают к корпусу 12 и герметичному стакану 9 и 10. Также для обеспечения герметизации выводные концы 20 соединены с электропроводящим выводным болтом 18 и гайкой 19, а электропроводящий выводной болт 18 герметично установлен в отверстии 17. Герметизация обеспечивается посредством резиновых прокладок: герметизация штуцеров 15 и 16 с корпусом 12 обеспечивается прокладками 23 и 24 соответственно, герметизация щитов 21 и 22 с корпусом 12 обеспечивается прокладками 25 и 26 соответственно, герметизация герметичного стакана 9 и 10 с щитами 21 и 22 обеспечивается прокладками 27 и 28 соответственно, герметизация электропроводящего выводного болта 18 с корпусом 12 обеспечивается прокладкой 29.

Особо важно, что герметичный стакан 9 и 10 не занимает область немагнитного зазора (между магнитопроводом статора 2 и ротором 1), тем самым величина магнитной индукции в немагнитном зазоре значительно выше в сравнении с величиной магнитной индукции в немагнитном зазоре прототипа (при одинаковых прочих условиях). Как было сказано ранее, герметичный стакан 9 и 10, имеют зубчатую форму и располагаются не в немагнитном зазоре, а в нижней части области паза 4.

Итак, заявляемое изобретение позволяет уменьшить поля рассеивания (индуктивность пазового рассеивания на 2-50 мкГн), увеличить коэффициент мощности (на 0,01-0.02) и КПД электрической машины (на 0,5%), снизить тепловыделения (на 0,05), массу и габариты электрической машины (на 0,5 кВт/кг).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов. Технический результат - повышение КПД, минимизация тепловыделений и снижение массы и габаритов статора. Статор электрической машины с интенсивным охлаждением содержит корпус, расположенный внутри него магнитопровод статора, в пазах которого уложена обмотка с лобовыми вылетами и пазовая изоляция. На внешней части магнитопровода статора расположены аксиальные каналы охлаждения, а во внутренней части магнитопровода статора - стакан охлаждения, который с торцов герметично соединен с щитами, а щиты герметично соединены с корпусом во внутренней части магнитопровода статора. Особенностью заявленного изобретения является расположение стакана охлаждения в выемках пазов и его выполнение в виде цилиндра из листового пластичного немагнитопроводящего диэлектрического материала, имеющего зубчатую форму. Зубцы расположены в нижней части паза магнитопровода статора. Стакан охлаждения состоит из двух частей, герметично соединенных с магнитопроводом статора. В отверстия корпуса герметично установлены входные и выходные штуцеры с возможностью соответственно входа и выхода хладагента, а также электропроводящий выводной болт с гайкой, соединенный с выводными концами обмотки. 4 ил.

Статор электрической машины с интенсивным охлаждением, содержащий корпус, расположенный внутри него магнитопровод статора, в пазах которого уложена обмотка с лобовыми вылетами и пазовая изоляция, на внешней части магнитопровода статора расположены аксиальные каналы охлаждения, во внутренней части магнитопровода статора - стакан охлаждения, который с торцов герметично соединен с щитами, а щиты герметично соединены с корпусом, отличающийся тем, что во внутренней части магнитопровода статора в выемках пазов находится герметичный стакан охлаждения, выполненный в виде цилиндра из листового пластичного немагнитопроводящего диэлектрического материала, имеющего зубчатую форму, с зубцами, расположенными в нижней части паза магнитопровода статора, и состоящего из двух частей, герметично соединенных с магнитопроводом статора, причем в отверстия корпуса герметично установлены входные и выходные штуцеры с возможностью соответственно входа и выхода хладагента, также в отверстия герметично установлен электропроводящий выводной болт с гайкой, соединенный с выводными концами обмотки.