Охлаждающее устройство для электрической машины с поперечным магнитным потоком Российский патент 2025 года по МПК H02K1/20 H02K9/19 H02K5/20 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно к синхронным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов с поперечным магнитным потоком и жидкостной системой их охлаждения. Основная область применения изобретения: источник энергии для снабжения потребителей ветровых электростанций, а также тяговый электропривод (мотор-колесо).

Суть технической проблемы, решаемой заявляемым изобретением, заключается в следующем.

Объектом исследования является магнитоэлектрическая машина с поперечным потоком, которая включает в себя статор, содержащий ферромагнитные сердечники в форме подковы, ориентированные таким образом, что магнитный поток, который циркулирует внутри этих сердечников, направлен в основном перпендикулярно оси вращения ротора. Основное отличие электрической машины с поперечным магнитным потоком от машины с продольным потоком заключается в том, что в структуре этой машины электрическая и магнитная цепи не связаны, а разъединены, что позволяет увеличить пространство для обмоток без уменьшения доступного пространства для основного магнитного потока и изготовить машину с очень малым полюсным делением по сравнению с другими машинами. Перпендикулярная ориентация магнитного потока в сердечниках статора относительно направления вращения придает электрическим машинам с поперечным потоком высокое отношение механического вращающего момента к массе электрической машины. Кроме того, в машине с поперечным потоком низкое значение отношения активной массы к вращающему моменту обусловлено конструкцией обмотки, практически не имеющей неактивных частей.

Однако машина с поперечным потоком имеет такие недостатки, как сложная конструкция, трудности производства из-за большого количества отдельных деталей (сердечников и магнитов) и специальных методов изготовления и сборки, а также низкий коэффициент мощности, большие потоки рассеяния магнитного потока и высокое значение зубцового момента. Низкая частота вращения генератора требует для охлаждения независимой вентиляции. При увеличении мощности машины величина выделяемых потерь не позволяет применить способ охлаждения IC041, когда все потери отводятся путем конвекции и теплоизлучения.

Для обеспечения равномерности охлаждения в различных средах были разработаны электродвигатели с жидкостным охлаждением. Первоначальные конструкции электродвигателей с жидкостным охлаждением предусматривали формирование каналов для жидкости в корпусах двигателей во время литья.

Известен, например, двигатель с жидкостным охлаждением по патенту US №5448118, который содержит рубашку охлаждения статора, имеющую переднюю и заднюю поверхности и представляющую собой заготовку из алюминиевого сплава, экструдированную для образования множества каналов вдоль продольного направления указанной заготовки для прохождения охлаждающей жидкости и для образования множества отверстий для уменьшения толщины вдоль продольного направления указанной заготовки. В дальнейшем эта конструкция получила развитие.

Из патента US №7009317 известна система охлаждения для электродвигателя с охлаждающим каналом, расположенным между рубашкой охлаждения и отдельной поверхностью компонента. Охлаждающий канал может быть сконфигурирован таким образом, чтобы направлять охлаждающую жидкость вдоль, по меньшей мере, части поверхности отдельного компонента и отводить тепло от электродвигателя. Впускное отверстие может сообщаться с охлаждающим каналом по текучей среде. Впускное отверстие может быть сконфигурировано для приема охлаждающей жидкости и введения охлаждающей жидкости в канал охлаждения. Выпускное отверстие может сообщаться с каналом охлаждения.

Из патента RU №2513042 известна система охлаждения статора лобовых частей электрических машин, содержащая корпус, сердечник статора, набранный из изолированных листов электротехнической стали, с обмоткой в его пазах, охладители, насос и коллектор, отличающаяся тем, что охладители выполнены в виде цилиндра со спиралевидными каналами, плотно прилегающего ко всей внешней поверхности сердечника статора, торцевые поверхности охладителей гидравлически связаны с двумя коллекторами, выполненными в виде полого цилиндра с отверстием, внутри коллекторов находятся лобовые части электрической машины, причем коллекторы герметично прикреплены к торцевым поверхностям сердечника.

Из патента US №10158263 известен способ охлаждения электродвигателя с использованием осевых каналов охлаждения, которые являются неотъемлемой частью зубцов статора, что обеспечивает прямой контакт между циркулирующей охлаждающей жидкостью и шихтованным пакетом и обеспечивает эффективное средство отвода тепла от узла двигателя. Кроме того, когда охлаждающая жидкость вытекает из охлаждающих каналов, она попадает на концевые обмотки, обеспечивая тем самым вторичное средство охлаждения узла двигателя.

Упомянутые патенты относятся к традиционным машинам с продольным потоком, в которых сердечник статора аккумулирует тепло, выделяемое потерями в стали и потерями в меди обмотки и отводимые аксиальными каналами. Электрическая машина с поперечным потоком имеет иную конструкцию статора, когда отдельные элементы статора U-образной формы (зубцы статора) закреплены по окружности на диске, а обмотка статора выполнена в виде кольца и охватывает все элементы статора.

Из патента RU №2818077 известна электрическая машина с поперечным потоком, содержащая статор, катушку и ротор, который взаимодействует со статором как переключающее устройство, а также совокупность концентраторов потока, чередующихся с магнитами, при этом геометрические размеры ширины магнитов b_m и полюсного деления ротора τ для конструкции электрической машины с аксиальным воздушным зазором выбраны таким образом, что отношение ширины магнитов к полюсному делению ротора равно 0,4 (b_m/τ=0,4), отличающаяся тем, что ротор включает в себя два набора концентраторов потока, чередующихся с магнитами и размещенных по радиусу ротора, а статор расположен с одной стороны ротора и имеет две соединенные встречно обмотки и два набора зубцов, причем общее число зубцов статора равно числу полюсов машины. Данная электрическая машина обладает повышенным коэффициентом мощности и имеет минимальный объем за счет сокращения аксиального размера. Однако для любой конструкции электрической машины с поперечным магнитным потоком необходима иная конструкция жидкостного охлаждения, чем для машин с продольным потоком.

Из заявки US №11239712 известен статор для электрической машины, содержащий шихтованный сердечник статора, имеющий ярмо статора и ряд радиально ориентированных зубцов статора, а также пазов статора для размещения обмотки и охлаждающее устройство, имеющее ряд охлаждающих каналов, каждый из которых проходит в осевом направлении в одном из пазов статора.

Из патента US №6819016 известно охлаждающее устройство для электрических машин, которое содержит теплоаккумулирующий элемент, снабженный каналами, имеющими С-образное поперечное сечение и охлаждающую трубку, выполненную таким образом и имеющую такие размеры, чтобы ее можно было вставлять в каналы теплоаккумулирующего элемента. При этом указанная охлаждающая трубка, однажды вставленная в указанные каналы, деформируется, чтобы соответствовать каналам, и нагревается. Во время работы охлаждающая жидкость циркулирует по охлаждающей трубе для отвода тепла, накопленного в теплоаккумулирующем элементе в статоре.

Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.

Основной недостаток такого решения заключается в том, что предложенная конструкция не может быть использована для электрической машины с поперечным магнитным потоком, и рациональная идея требует иного воплощения с учетом двух обстоятельств. Во-первых, для электрической машины с поперечным потоком теплоаккумулирующими элементами являются отделенные друг от друга зубцы статора с пазами для обмотки, во-вторых, обмотка статора выполнена в виде кольцевой обмотки.

Задачей заявляемого изобретения является создание системы эффективного жидкостного охлаждения электрической машины с поперечным магнитным потоком, которая способна отвести тепло, накопленное в статоре из-за потерь энергии на гистерезис и вихревые токи, а также джоулевых потерь в кольцевой обмотке статора.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению охлаждающее устройство для электрических машин с поперечным магнитным потоком, содержащее отделенные друг от друга зубцы статора с пазами для кольцевой обмотки, представляющие собой теплоаккумулирующие элементы, снабженное каналами в виде охлаждающих трубок, отличающееся тем, что охлаждающие трубки размещены по периметру кольцевой обмотки статора и выполнены с размерами, необходимыми для размещения охлаждающих трубок на дне паза сердечника статора и обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости внутри охлаждающих трубок для отведения тепла, накопленного в теплоаккумулирующих элементах.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием дополнительного факультативного признака, а именно:

- охлаждающие каналы могут быть выполнены прямоугольного сечения;

- электрическая машина может быть выполнена в виде многофазного устройства.

Заявленная нами совокупность существенных признаков охлаждающего устройства для электрической машины с поперечным магнитным потоком обеспечивает достижение технического результата, недостижимого при использовании любого известного аналога и неочевидного для специалиста в этой области техники и заключающегося в том, что теплоаккумулирующие элементы этой электрической машины представляют отделенные друг от друга зубцы статора с пазами для кольцевой обмотки и снабжены каналами в виде охлаждающих трубок, которые размещены по периметру кольцевой обмотки статора и имеют такие размеры, чтобы разместиться на дне паза сердечника статора и путем циркуляции охлаждающей жидкости внутри охлаждающих трубок отвести тепло, накопленное в указанных теплоаккумулирующих элементах.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен теплоаккумулирующий элемент статора - ферромагнитный зубец U-образной формы с пазом для обмотки, на фиг. 2 показано размещение охлаждающих каналов в необмотанном статоре на дне пазов кольцевой обмотки по ее периметру.

На чертежах позициями обозначении: 1 - ферромагнитный зубец, 2 - обмотка статора, 3 - охлаждающие каналы, 4 - теплообменник, 5 - насос, 6 - фильтр.

Заявленное охлаждающее устройство для электрических машин с поперечным магнитным потоком работает следующим образом.

Теплоаккумулирующий элемент статора - ферромагнитный зубец 1 U-образной формы с пазом для обмотки 2 - нагревается как собственными потерями на гистерезис и вихревые токи, так и джоулевыми потерями от обмотки 2 статора. Потери, накопленные в ферромагнитном зубце 1, отводятся путем циркуляции охлаждающей жидкости внутри охлаждающих каналов 3, выполненных в виде трубок, расположенных на дне пазов сердечника статора. Впускное отверстие сообщается с охлаждающим каналом 3 по текучей среде и сконфигурировано для приема и введения охлаждающей жидкости в канал охлаждения. Выпускное отверстие сообщается с каналом охлаждения. После прохождения через теплообменник 4 и фильтр 6 охлаждающая жидкость закачивается обратно в статор с помощью насоса 5.

С тепловой точки зрения осевые каналы охлаждения оптимизированы таким образом, чтобы свести к минимуму тепловое сопротивление между участками каналов охлаждения, смачиваемыми охлаждающей жидкостью, и участком входа охлаждающей жидкости в каждый канал. При заданном количестве отводимого тепла меньшее тепловое сопротивление приводит к снижению температуры внутри двигателя.

Гидравлическое сопротивление системы жидкостного охлаждения электрической машины состоит из сопротивлений входа, выхода и трения в каналах. Полагая скорость потока жидкости на уровне 0,5 м/с, задаемся сечением каналов, определяем расход охлаждающей жидкости и превышение температуры внутренней поверхности статора S_пов над температурой хладагента

,

где P_Cu+P_Fe - потери в меди обмотки и потери в стали статора, которые должны быть отведены жидкостным охлаждением, α_пов - коэффициент теплоотдачи, определяемый через критерий Нуссельта Nu, коэффициент теплопроводности λ и гидравлический диаметр d_г:

.

Критерий подобия Нуссельта Nu=ƒ(Re, Pr) и связь его с другими критериями подобия описывают явления конвективной теплоотдачи.

Число Рейнольдса широко используется в качестве критерия ламинарного и турбулентного течения: , где V - скорость воздушного потока; d_г - гидравлический диаметр; ν - коэффициент кинематической вязкости. При Re>2300 принудительный поток находится в переходном состоянии или в состоянии турбулентности, а коэффициенты теплопередачи для принудительной конвекционной теплопередачи в трубе и трубном потоке рассчитываются по формуле Nu=0,023Re^0,8Pr^0,4. При ламинарном течении Nu=0,594Re^0,5. Число Прандтля характеризует охлаждающую среду: , где α - коэффициент температуропроводности.

Превышение температуры внутренней поверхности статора над температурой хладагента обычно не должно превышать 30°С. Перегрев статорной обмотки Δθ₀=Δθ_пов+Δθ_из+Δθ_Fe+Δθ_жидк учитывает также перепад температуры в изоляции и подогрев охлаждающей среды по зависимостям, определенным для традиционных машин с продольным потоком.

Пример. Для подтверждения эффективности предложенной конструкции приведем результаты расчета системы охлаждения синхронного ветрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов с поперечным магнитным потоком мощностью 800 Квт, напряжением 690 В, частотой вращения 150 мин^-1. Потери одного модуля P_Cu=8075 Вт, P_Fe=413 Вт. Расход 0,15 л/с, скорость потока 0,49 м/с, входной (выходной) штуцер диаметром 20 мм, два канала диаметром 14 мм, гидравлическое сопротивление водопровода 9,4⋅10¹⁰Н²с²/м⁸.

Результаты теплового расчета следующие: превышение температуры поверхности составляет 13°С, температура воды 30°С, перегрев обмотки 36°С.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно к магнитоэлектрическим машинам с поперечным магнитным потоком и системам их жидкостного охлаждения. Технический результат заключается в эффективности отвода тепла, накопленного в статоре. Охлаждающее устройство для электрических машин с поперечным магнитным потоком содержит отделенные друг от друга зубцы статора с пазами для кольцевой обмотки, представляющие собой теплоаккумулирующие элементы, снабженное каналами в виде охлаждающих трубок. Охлаждающие трубки размещены по периметру кольцевой обмотки статора и выполнены с размерами, необходимыми для размещения охлаждающих трубок на дне паза сердечника статора и обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости внутри охлаждающих трубок для отведения тепла, накопленного в теплоаккумулирующих элементах. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Охлаждающее устройство для электрических машин с поперечным магнитным потоком, содержащее отделенные друг от друга зубцы статора с пазами для кольцевой обмотки, представляющие собой теплоаккумулирующие элементы, снабженное каналами в виде охлаждающих трубок, отличающееся тем, что охлаждающие трубки размещены по периметру кольцевой обмотки статора и выполнены с размерами, необходимыми для размещения охлаждающих трубок на дне паза сердечника статора и обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости внутри охлаждающих трубок для отведения тепла, накопленного в теплоаккумулирующих элементах.

2. Охлаждающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено охлаждающими каналами в виде трубок прямоугольного сечения.

3. Охлаждающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно размещено на всех модулях многофазной электрической машины с поперечным магнитным потоком.