Статор электрической машины с жидкостным охлаждением Российский патент 2025 года по МПК H02K1/20 H02K9/19 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в электрических двигателях и генераторах, в том числе для тяговых приводов.

Для жидкостного охлаждения статора электрической машины обычно применяется рубашка охлаждения, представляющая собой несущий корпус, отлитый из алюминиевого сплава или сваренный из экструзионного профиля с внутренними каналами, по которым циркулирует хладоагент (JPS 60121941 (А), 29.06.1985; US 4700092 (А), 13.10.1987; US 5084642 (A), 28.01.1992; RU 196661 U1, 11.03.2020).

Однако отливка корпуса со сложными внутренними каналами или его изготовление с использованием экструзионного профиля требует сложной технологической оснастки и приводит к высокой стоимости изготовления статора.

Известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением, сердечник которого набран из изолированных листов электротехнической стали, при этом на внутреннем диаметре расположены пазы с обмоткой якоря, а на внешнем диаметре выполнены ориентированные вдоль продольной оси статора пазы, в которых размещена обмотка охлаждения в виде зигзагообразного змеевика из трубок прямоугольного сечения, через которые прокачивается хладоагент (RU 2223584 С2, 20.01.2003; US 8686606 В2, 01.01.2014).

Недостатком этого технического решения является низкая теплотехническая эффективность охлаждения обмоток электрической машины, что обусловлено удаленностью каналов с охлаждающей жидкостью от наиболее нагреваемой внутренней части статора - от зубцовой зоны мест расположения обмоток.

В другом известном статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, охладители размещены без зазора между участками разделенного по длине сердечника статора, набранного из изолированных листов электротехнической стали (SU 1667201 А1, 30.07.1991; RU 2439768 С2, 10.01.2012).

К его недостаткам относятся повышенные габаритные размеры, поскольку установка охладителей между участками сердечника статора приводит к увеличению его осевой длины.

Известен также статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий наружную цилиндрическую оболочку, сердечник с обмоткой и кольцеобразные нажимные элементы, расположенные с торцевых сторон сердечника. Оболочка герметично соединена с нажимными элементами по их периметру и охватывает сердечник статора с его внешней стороны, образуя наружный периметр камеры жидкостного охлаждения. Ее герметизация достигается путем склейки листов электротехнической стали шихтованного сердечника, а механическая прочность статора - за счет оболочки или аксиально ориентированных болтов, шпилек, заклепок или планок, установленных снаружи сердечника (RU 2284627 С2, 27.09.2006; RU 2706016 С1, 13.11.2019).

Этот статор имеет пониженную надежность из-за возможного нарушения герметичности склейки листов при воздействии перепадов температур, вибраций и ударов, возникающих при работе электрической машины. Другим его недостатком являются повышенные потери, поскольку при заданных габаритных размерах электрической машины для образования камеры охлаждения необходимо уменьшение активного диаметра статора с соответствующим уменьшением площадей поперечного сечения сердечника и обмоток, что при равной мощности электрической машины приводит к увеличению потерь в ней.

Известен также статор электрической машины с несущим корпусом, в котором теплоотводящие элементы встроены в тело сердечника и выполнены в виде трубок из теплопроводного материала, по которым циркулирует хладоагент (вода, масло и т.п.), охлаждаемый во внешнем теплообменнике (Филиппов И.Ф., Вопросы охлаждения электрических машин, М. - Л.: Энергия, 1964, стр. 197-199). Трубки с хладоагентом могут быть также расположены вне тела сердечника между несущим корпусом (оболочкой) и сердечником статора в выемках спинки этого сердечника (RU 2660811 С1, 10.07.2018).

Эти системы охлаждения отличаются повышенной сложностью и материалоемкостью конструкции по причине наличия как несущего корпуса (оболочки, станины), так и трубок с хладагентом. Другим их недостатком является повышенный наружный диаметр статора из-за наличия несущего корпуса.

Наиболее близким к предложенному является статор бескорпусной электрической машины с жидкостным охлаждением. В этом статоре в тело сердечника также вставлены теплоотводящие элементы, размещенные по радиальной схеме и выполненные в виде трубок из теплопроводного материала, по которым циркулирует хладоагент (вода, масло и т.п.), охлаждаемый во внешнем теплообменнике. Но при этом необходимая механическая прочность статора обеспечивается с помощью шпилек или болтов, размещенных в дополнительных отверстиях сердечника статора и стягивающих между собой подшипниковые щиты или кольцевые нажимные элементы (DE 19742255 С1, 26.11.1998; RU 2687560 С1, 15.05.2019).

Реализация бескорпусной конструкции статора обеспечивает определенное упрощение его конструкции. Причем размещение охладителей (трубок) внутри сердечника позволяет повысить эффективность охлаждения обмоток и сердечника за счет сокращения длины пути распространения теплового потока от активных тепловыделяющих частей статора до хладоагента.

Однако сложность конструкции остается повышенной, что обусловлено применением отдельных теплоотводящих и скрепляющих элементов (шпилек, болтов) и, соответственно, большого количества деталей статора и отверстий в его сердечнике. Другим недостатком известного статора являются повышенные потери, возникающие из-за того, что при работе электрической машины часть изменяющегося во времени магнитного потока в спинке сердечника распространяется в промежутке между скрепляющими элементами и наружной поверхностью статора, т.е. охватывает эти элементы, что приводит к возникновению на них ЭДС Скрепляющие элементы с торцов статора соединены между собой через нажимные фланцы (коллекторы), в результате чего образуются короткозамкнутые контуры. Протекающий по ним паразитный электрический ток приводит к увеличению потерь в статоре.

Металлические скрепляющие элементы в отверстиях сердечника статора соприкасаются с листами электротехнической стали и имеют с ними электрический контакт, что также приводит к образованию короткозамкнутых контуров, к дополнительным потерям и к ухудшению охлаждения статора электрической машины.

Из анализа известных аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания статора электрической машины с жидкостным охлаждением, в котором сочетаются простота конструкции и пониженные потери. Задачей изобретения является создание такого статора.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является одновременное упрощение конструкции статора и снижение потерь в нем.

В статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащем сердечник с обмоткой, нажимные фланцы, расположенные с торцевых сторон сердечника, и скрепляющие элементы статора, аксиально ориентированные и прикрепленные к нажимным фланцам, указанный технический результат достигается за счет того, что скрепляющие элементы выполнены из теплопроводного материала и содержат внутренние каналы жидкостного охлаждения.

В частных вариантах реализации предложенного статора указанный технический результат достигается также за счет того, что:

- количество, конструктивное исполнение и соединение скрепляющих элементов с нажимными фланцами выполнены из условия обеспечения необходимой прочности статора без применения несущего наружного корпуса электрической машины;

- скрепляющие элементы выполнены из стали, алюминиевого сплава или сплава с высоким сопротивлением, например никель-хромового;

- скрепляющие элементы прикреплены к нажимным фланцам с помощью сварки, клея, посадки с натягом, развальцовки, зачеканки и (или) резьбового соединения;

- скрепляющие элементы выполнены в виде трубок, прилегающих к сердечнику статора, или размещенных в выемках на наружной поверхности сердечника статора, или в отверстиях этого сердечника, с обеспечением теплового контакта с ним, причем трубки, размещенные в выемках сердечника, не выступают за наружный диаметр сердечника и прикреплены к нему с помощью сварки, пайки, клея или прижаты к сердечнику с помощью тонкой наружной оболочки (кожуха), а тепловой контакт трубок с сердечником статора в его отверстиях обеспечивается путем запрессовки, или развальцовки трубок, или заполнения зазоров между трубками и сердечником теплопроводящим материалом;

- крепление трубок к одному или обоим нажимным фланцам выполнено с обеспечением электрической изоляции трубок от этого фланца (фланцев);

- нажимные фланцы содержат коллекторы, обеспечивающие последовательное и (или) параллельное соединение каналов жидкостного охлаждения, и выполнены с возможностью прикрепления к ним присоединительной арматуры для подвода и отвода охлаждающей жидкости через коллекторы, или содержат эту арматуру;

- на наружной поверхности сердечника выполнены выступы в форме ребер его воздушного охлаждения.

Указанные отличительные признаки независимого и зависимых пунктов формулы изобретения обеспечивают достижение одного и того же технического результата.

Отличительные признаки независимого пункта формулы изобретения находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом за счет совмещения функций охладителей и скрепляющих элементов (болтов, шпилек и т.п.). Исключение отдельно устанавливаемых скрепляющих элементов приводит к существенному сокращению общего количества деталей (элементов) статора и отверстий в его сердечнике, что приводит к упрощению статора.

Исключение отдельно устанавливаемых скрепляющих элементов позволяет увеличить общую площадь сердечника за счет исключения отверстий для их размещения, что приводит к уменьшению величины магнитной индукции в этом сердечнике и потерь в нем. Благодаря исключению отдельно устанавливаемых скрепляющих элементов исключаются также короткозамкнутые контуры и магнитный поток, охватывающих эти элементы. Соответствующее исключение наводимой на них ЭДС и паразитного электрического тока, протекающего по скрепляющим элементам, также приводит к снижению потерь в статоре.

Отличительные признаки зависимых пунктов формулы изобретения также обеспечивают упрощение конструкции статора при одновременном снижение потерь в нем.

В том числе благодаря установке скрепляющих элементов со встроенными каналами жидкостного охлаждения в количестве и в конструктивном исполнении, обеспечивающим необходимую прочность и жесткость статора без применения несущего наружного корпуса электрической машины, обеспечивается получение указанного технического результата за счет совмещения функций охладителей и скрепляющих элементов и исключения необходимости применения этого корпуса.

Выполнение скрепляющих элементов из стали или сплава с высоким сопротивлением, например никель-хромового, обеспечивает упрощение конструкции при одновременном снижении потерь в статоре за счет повышенного электрического сопротивления скрепляющих элементов, совмещенных с теплоотводящими (охлаждающими) элементами, традиционно изготавливаемых из алюминия или меди, и соответствующего снижения паразитных электрических токов в них.

Если скрепляющие элементы (трубки с охлаждающей жидкостью), обладающие необходимой прочностью, выполнены из алюминиевого сплава, то снижении потерь в статоре достигается за счет их повышенной теплопроводности.

Присоединение скрепляющих элементов к нажимным фланцам с помощью сварки, клея, посадки с натягом, развальцовки, зачеканки и (или) резьбового соединения, в отличие, например, от изготовления неразъемных деталей, обеспечивает простоту конструкции и снижение потерь за счет обеспечения низкой величины гидравлического сопротивления каналов охлаждения в этих соединениях.

Реализация отличительных признаков следующих зависимых пунктов формулы изобретения, согласно которым скрепляющие элементы выполнены в виде трубок, прилегающих к сердечнику статора, или размещенных в выемках на наружной поверхности сердечника или в отверстиях этого сердечника с обеспечением теплового контакта с ним, либо размещенных в выемках сердечника, не выступающих за наружный диаметр сердечника и прикрепленных к нему с помощью сварки, пайки, клея или прижатых к сердечнику с помощью наружной оболочки с обеспечением теплового контакта трубок с сердечником статора в его отверстиях путем запрессовки или развальцовки трубок, или заполнения зазоров между трубками и сердечником теплопроводящим материалом, обеспечивает простоту конструкции за счет использования стандартного металлопроката круглых или профильных труб. При этом указанная установка трубок обеспечивает пониженное тепловое сопротивление между сердечником статора и охлаждающей жидкостью, что приводит к снижению температуры обмоток и соответствующее снижение потерь в статоре.

Признаки следующих отличительных признаков изобретения, согласно которым крепление трубок к одному или обоим нажимным фланцам выполнено с обеспечением электрической изоляции трубок от этих фланцев, например, путем установки изолирующих прокладок (втулок, шайб), упрощает это крепление и одновременно предотвращает протекание паразитного электрического тока по трубкам, что приводит к снижению потерь в статоре.

Устройство коллекторов для охлаждающей жидкости в нажимных фланцах, обеспечивающих последовательное и (или) параллельное соединение каналов жидкостного охлаждения, и реализация этих фланцев с арматурой для подвода и отвода охлаждающей жидкости, обеспечивает упрощение конструкции статора за счет совмещения функций коллекторов и нажимных фланцев, т.е. сокращения количества деталей. Одновременно это приводит к улучшению охлаждения статора за счет уменьшения теплового сопротивления между торцевыми поверхностями сердечника статора и охлаждающей жидкостью.

Признаки последнего зависимого пункта формулы, согласно которым на наружной поверхности сердечника выполнены выступы в форме ребер воздушного охлаждения, позволяет реализовать воздушное охлаждение статора в дополнение к его жидкостному охлаждению. Такие ребра образуются при изготовлении пластин сердечника статора методом штамповки, что не приводит к усложнению конструкции статора, но при этом обеспечивает возможность упрощения системы жидкостного охлаждения, например, путем сокращения количества каналов охлаждения, поскольку воздушное охлаждение частично замещает жидкостное. При этом дополнительное воздушное охлаждение позволяет снизить температуру статора и его обмоток и, соответственно, снизить потери в нем.

Таким образом, отличительные признаки независимого и зависимых пунктов формулы изобретения обеспечивают упрощение конструкции статора при одновременном снижении потерь в нем.

На фиг. 1 схематично показан статор электрической машины с жидкостным охлаждением с расположением скрепляющих элементов в выемках наружной поверхности сердечника статора, а на фиг. 2 - в его отверстиях. На фиг. 3 показана схема подачи охлаждающей жидкости в эти каналы.

Электрическая машина (электрический двигатель, генератор), в которой используется этот статор, может быть вентильно-индукторной (SRM), синхронной с постоянными магнитами на роторе (PMSM, BLDC или Pma-SynRM), с комбинированным (гибридным) возбуждением (HEFSM), асинхронной (ГМ) или иного типа.

Статор содержит сердечник 1, выполненный из листов (пластин) электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала. Он может быть также выполнен из магнитомягкого композиционного материала на основе железного порошка или феррита. Сердечник предназначен не только для размещения обмоток 2, но и для прохождения по нему магнитного поля. Поэтому применительно к электрическим машинам термины «сердечник» и «магнитопровод» используются как синонимы.

В пазах сердечника 1 на его зубцах размещена сосредоточенная или распределенная обмотка 2. Она может быть однослойной или многослойной, волновой или петлевой.

В выемках (канавках) 3 наружной поверхности сердечника 1 статора или в отверстиях 4 его спинки установлены аксиально расположенные скрепляющие (стягивающие сердечник статора) элементы 5, выполненные в виде трубок из теплопроводного материала с внутренними каналами жидкостного охлаждения 6.

С торцевых сторон сердечника 1 расположены кольцеобразные нажимные элементы 7, 8, изготовленные, например, из алюминиевого сплава или стали.

Скрепляющие элементы обеспечивают стягивание шихтованного сердечника 1 с необходимым усилием. Они соединены с нажимными фланцами, которые могут именоваться шайбами, кольцами, торцевыми плитами и т.д., с помощью сварки, клея, посадки с натягом, развальцовки, зачеканки и (или) резьбового соединения. Это соединение может быть изолированным. Например, за счет применения изоляционных втулок (прокладок, шайб), либо электроизоляционного покрытия.

Каналы жидкостного охлаждения 6 в скрепляющих элементах (трубках) 5 гидравлически соединены между собой с помощью коллекторов 9, 10, представляющих собой внутренние полости нажимных кольцеобразных элементов 7, 8.

К нажимным элементам прикреплены подшипниковые щиты 11. Их буртики входят в расточки нажимных элементов 7, 8, образуя внутренние замки.

Охлаждающая жидкость Q (вода, масло, антифриз и т.д.) подается в коллектор 9 и отводится от коллектора 10 с помощью присоединительной арматуры (через патрубки, штуцеры и т.п.) 12, 13 со стороны подшипниковых щитов (по аксиальной схеме), либо по радиальной схеме (фиг. 3). Соответственно, оси патрубков (присоединительной арматуры) параллельны или перпендикулярны оси электрической машины.

Нажимные элементы либо выполнены заодно с присоединительной арматурой, либо на них предусмотрены места для ее крепления. Например, резьбовые отверстия.

Скрепляющие (стягивающие) элементы 5, выполняющие функции охладителей, прилегающие к сердечнику статора или размещенные в выемках наружной поверхности сердечника статора и не выступающие за его наружный диаметр, прикреплены к сердечнику с помощью сварки 14, пайки, клея или прижаты к нему с помощью тонкой наружной оболочки (кожуха). Благодаря этому обеспечивается тепловой контакт охладителей (трубок с охлаждающей жидкостью) с сердечником.

Если охладители (трубки) размещены в отверстиях сердечника статора, то их тепловой контакт сердечником обеспечивается за счет запрессовки, развальцовки трубок, или заполнения зазоров между трубками и сердечником теплопроводящим материалом.

Каналы охлаждения 6 соединены между собой последовательно, параллельно или по смешанной схеме путем устройства выступов или установки вставок в коллекторы 9, 10, перекрывающих потоки жидкости через соответствующие участки коллекторов.

Если используется параллельное соединение всех каналов, то коллекторы 9, 10 выполнены в виде кольцевых проточек в нажимных элементах 7, 8.

Циркуляция жидкости Q, охлаждаемой во внешнем теплообменнике или радиаторе, осуществляется с помощью внешнего насоса.

В дополнение к жидкостному охлаждению может применяться конвективное (естественное) или принудительное (с помощью внешнего вентилятора) воздушное охлаждение наружной поверхности сердечника 1 статора. С целью повышения эффективности такого охлаждения на наружной поверхности сердечника статора выполнены выступы в форме ребер воздушного охлаждения (на чертеже условно не показаны).

Герметизация каналов жидкостного охлаждения осуществляется с помощью трубок 5, выполняющих одновременно функции силовых скрепляющих элементов.

С целью защиты от проникновения воды внутрь статора и повышения его механической прочности сердечник 1 может быть выполнен из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала с самоклеящимся покрытием. Склейка листов в этом случае достигается путем нагрева сердечника в сжатом состоянии.

Возможна также герметизация статора путем установки на наружную поверхность сердечника герметизирующего покрытия или применения тонкой оболочки (кожуха).

Для осуществления сборки статора на наружную поверхность скрепляющих элементов (трубок) может быть нанесен клей или паяльная паста. После этого сжатый с помощью пресса статор подвергается нагреву, необходимому для полимеризации клея или расплавления припоя.

Если скрепляющие (стягивающие) элементы соединяются с кольцеобразными нажимными элементами 7, 8 с помощью сварки, то они привариваются к скрепляющим элементам (трубкам) с их торцевой части. В этом случае для обеспечения удобства сварки нажимные элементы 7, 8 могут состоять из двух частей, свариваемых между собой после приварки трубок.

Предложенное устройство работает следующим образом.

После подачи напряжения на обмотки 2 электрической машины от внешнего преобразователя (инвертора, контроллера) по этим обмоткам начинает протекать электрический ток, что приводит к возникновению в сердечнике 1 магнитного потока и, соответственно, крутящего момента на валу электродвигателя.

При этом происходит нагрев сердечника и обмоток статора. Выделяющееся тепло распространяется радиально вдоль листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала до каналов 6 и далее передается протекающей в них охлаждающей жидкости.

Одновременно тепло через спинку сердечника 1 аксиально передается на кольцевые нажимные элементы 7, 8 и расположенные в них коллекторы 9, 10, что улучшает охлаждение статора.

Охлаждающая жидкость Q через коллектор 10 и патрубок (штуцеры) 13 по отводящему трубопроводу поступает во внешний теплообменник (радиатор) и после охлаждения подается на патрубок (штуцер) 12 статора с помощью внешнего циркуляционного насоса. Таким образом реализуется замкнутая система жидкостного охлаждения статора.

Если на наружной поверхности сердечника выполнены выступы в форме ребер, до дополнительно осуществляется конвективное или принудительное воздушное охлаждение статора.

Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов конструкции статора электрической машины с жидкостным охлаждением возможны также иные варианты его реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в одновременном упрощении конструкции статора и снижении потерь в нем. Статор бескорпусной электрической машины с жидкостным охлаждением содержит шихтованный сердечник с обмоткой, нажимные фланцы, расположенные с торцевых сторон сердечника, и скрепляющие (стягивающие) аксиально ориентированные элементы, прикрепленные к нажимным фланцам и содержащие внутренние каналы жидкостного охлаждения. Совмещение функций скрепляющих и охлаждающих элементов статора обеспечивается за счет их изготовления в виде трубок, через которые прокачивается охлаждающая жидкость. Теплопроводные скрепляющие элементы могут быть выполнены из стали, алюминиевого сплава, или сплава с высоким сопротивлением, например никель-хромового, и прикреплены к нажимным фланцам с помощью сварки, клея, посадки с натягом, развальцовки, зачеканки и (или) резьбового соединения. Скрепляющие элементы размещены в выемках наружной поверхности сердечника статора или в его отверстиях с обеспечением теплового контакта с ним. Крепление трубок к нажимным фланцам может быть выполнено с обеспечением электрической изоляции. На наружной поверхности сердечника могут быть выполнены ребра воздушного охлаждения. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий сердечник с обмоткой, нажимные фланцы, расположенные с торцевых сторон сердечника, и скрепляющие элементы статора, аксиально ориентированные и прикрепленные к нажимным фланцам, отличающийся тем, что скрепляющие элементы выполнены из теплопроводного материала и содержат внутренние каналы жидкостного охлаждения.

2. Статор по п. 1, отличающийся тем, что количество и конструктивное исполнение скрепляющих элементов, а также их соединение с нажимными фланцами, выполнены из условия обеспечения необходимой прочности статора без применения несущего наружного корпуса электрической машины.

3. Статор по п. 1, отличающийся тем, отличающийся тем, что скрепляющие элементы выполнены из стали, или из алюминиевого, или никель-хромового сплава.

4. Статор по п. 1, отличающийся тем, что скрепляющие элементы прикреплены к нажимным фланцам с помощью сварки, или клея, или посадки с натягом, или развальцовки, или зачеканки, или резьбового соединения.

5. Статор по п. 1, отличающийся тем, что скрепляющие элементы выполнены в виде трубок, прилегающих к сердечнику статора, или размещенных в выемках наружной поверхности сердечника статора, или размещенных в отверстиях этого сердечника, с обеспечением теплового контакта с ним.

6. Статор по п. 5, отличающийся тем, что трубки, размещенные в выемках сердечника, не выступают за наружный диаметр сердечника и прикреплены к нему с помощью сварки, или пайки, или клея, или прижаты к сердечнику с помощью наружной оболочки.

7. Статор по п. 5, отличающийся тем, что тепловой контакт трубок с сердечником статора в его отверстиях обеспечивается путем запрессовки или развальцовки трубок, или заполнения зазоров между трубками и сердечником теплопроводящим материалом.

8. Статор по п. 5, отличающийся тем, что крепление трубок по меньшей мере к одному нажимному фланцу выполнено с обеспечением электрической изоляции трубок от этого фланца.

9. Статор по п. 1, отличающийся тем, что нажимные фланцы содержат коллекторы, обеспечивающие последовательное и (или) параллельное соединение каналов жидкостного охлаждения, и выполнены с возможностью прикрепления к ним присоединительной арматуры для подвода и отвода охлаждающей жидкости через коллекторы, или содержат эту арматуру.

10. Статор по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что на наружной поверхности сердечника выполнены выступы в форме ребер его воздушного охлаждения.