Результат интеллектуальной деятельности: Электрическая машина с интенсивной системой охлаждения

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано при изготовлении электродвигателей и генераторов.

Известна электромашина [патент РФ №2477916 С2, кл. Н02K 5/16, 23.05.2011 г.], содержащая герметичный корпус, в полости которой размещен шихтованный сердечник статора из электротехнической стали с открытыми пазами, в которых размещены обмотки, а в цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор электромашины, при этом сердечник статора снабжен радиальными межпакетными вентиляционными каналами, аэродинамически сообщенными продольными каналами корпуса с внешней средой. Проводники обмотки каждого паза статора зафиксированы клином и контактирующей с ним шпоночной вставкой, поперечное сечение которой выполнено с возможностью фиксации спинки шпоночной вставки под клином паза, а сечение выступа соответствует сечению паза, поверхность спинки шпоночной вставки по всей ее длине снабжена продольным желобом, сообщенным с межпакетными вентиляционными каналами сердечника статора, причем объемы шпоночных вставок, выступающие над поверхностью полости сердечника статора, объединены в трубчатую втулку, предпочтительно составленную из сегментов, с образованием внутренней поверхности цилиндрической формы, в полости корпуса соосно с полостью сердечника статора установлены цилиндрические втулки, выполненные из изоляционного материала, например, стеклотекстолита, скрепленные своими торцами с торцами крайних пакетов статора.

Недостатками данного аналога являются ограниченная область применения из-за отсутствия возможности использовать жидкостное охлаждение, а также невысокий коэффициент заполнения стали из-за использования шпоночных пазов и втулок. Кроме того, в таком устройстве отсутствует защита от межвиткового короткого замыкания.

Известно устройство [патент РФ №2354029 С2, кл. Н02K 1/00, 07.07.2004 г.], состоящее из электрического двигателя, в корпусе которого содержится пакет статорных дисков. Диски имеют расположенные в линию пазы, образующие в статоре отверстия. В каждый из пазов помещают изготовленную из диэлектрической пленки трубу со сплошной боковой цилиндрической стенкой. Труба имеет слой диэлектрической пленки, изготовленной из неплавкого материала, который служит изоляцией, выдерживающей высокие температуры.

Недостатками данного аналога являются повышенный немагнитный воздушный зазор и отсутствие защиты от межвиткового короткого замыкания.

Известно устройство [патент РФ №2580951 С2, кл. Н02K 9/19, 02.09.2014 г.], состоящее из статора, внутри которого установлен ротор с валом с возможностью вращения на подшипниках, маслораспределительные кольца ротора с радиальными и осевыми отверстиями и маслораспределительные шайбы статора, в которых выполнены по периметру секторные пазы, два штуцера подачи масла и два штуцера отвода масла. В сердечнике статора по его периметру выполнены сквозные отверстия, параллельные оси электрической машины. В валу ротора по его оси выполнено глухое осевое отверстие и радиальные отверстия на шейках вала.

Недостатками данного аналога являются ограниченные функциональные возможности за счет применения только масляного охлаждения. Кроме того, отсутствует защита от межвиткового короткого замыкания.

Известна электрическая машина (патент DE 10330295; Мкл. Н02K 9/19; опубл. 20.01.2005), содержащая корпус, в котором расположены статор и ротор. Корпус машины частично заполнен охлаждающей жидкостью, которая под действием центробежной силы выталкивается из зазора, при этом за счет использования на торцах ротора теплоотводов обеспечивается теплообмен между поверхностью ротора и охлаждающей жидкостью.

Недостатком данного аналога является недостаточная эффективность системы охлаждения статора и ротора из-за отсутствия контакта с охлаждающей жидкостью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство [заявка WO2018/145807 Al, Н02K 3/12, 16.08.2018], содержащее корпус, в котором расположены статор и ротор. В статоре обмотки имеют плоскую форму и укладываются друг над другом, таким образом, они образуют параллельные ряды из обмоток. Открытая часть паза, в которую устанавливают клин, используется для охлаждения за счет того, что клин представлен в виде полой трубки из высокотеплопроводного материала, по которому протекает жидкость и отводит тепло от обмоток.

Недостатком ближайшего аналога является недостаточная эффективность системы охлаждения, обусловленная тем, что самая нагретая часть обмотки расположена на дне паза и не взаимодействует с полой трубкой, по которой протекает хладагент, кроме того у данного аналога отсутствует защита от межвиткового короткого замыкания.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей электрических машин благодаря увеличению эффективности системы охлаждения и использованию защиты от межвиткового короткого замыкания.

Технический результат - повышение надежности электрических машин благодаря защите от межвиткового короткого замыкания, а также уменьшение уровня нагрева электрической машины за счет использования эффективной системы охлаждения.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается в электрической машине, содержащей корпус, в котором расположены статор и ротор, согласно изобретению, внутреннее пространство паза статора выполнено в виде ячеек сотовой конструкции, стенки ячеек изготовлены из прочного, высокотеплопроводного изоляционного материала, в каждую отдельную ячейку помещен проводник, причем ячейки выполнены с возможностью протекания по ним охлаждающей жидкости.

В результате от каждого проводника обмотки отводится тепло, кроме того за счет соприкосновения стенок ячеек с пазом в статоре производится эффективный теплообмен между ними и происходит охлаждение статора и всей машины. Также обеспечивается защита проводника от контакта с другими проводниками, и исключается возможность межвиткового короткого замыкания.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен поперечный разрез электрической машины с интенсивной системой охлаждения. На фиг. 2 изображен паз с обмоткой.

Электрическая машина с интенсивной системой охлаждения содержит корпус 1, в котором расположен статор 2 и ротор 3. Внутреннее пространство паза 4 статора 2 выполнено в виде ячеек 5, сотовой конструкции, стенки ячеек 5 изготовлены из прочного высокотеплопроводного изоляционного материала, в каждую отдельную ячейку помещен проводник 6 обмотки, тем самым обеспечивается защита его от контакта с другими проводниками, и исключается возможность межвиткового короткого замыкания. Ячейки 5 выполнены с возможностью протекания по ним охлаждающей жидкости 7, в результате от каждого проводника обмотки отводится тепло, кроме того за счет соприкосновения стенок ячеек 5 с пазом 4 в статоре 2 происходит эффективный теплообмен между ними.

Электрическая машина с интенсивной системой охлаждения работает следующим образом: частота вращения ротора 3 электрической машины в режиме генератора составляет 60000 об/мин, при этом под действием магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 8, на проводниках 6 обмотки статора 2 индуцируется ЭДС. При подключении нагрузки к генератору на проводниках 6 обмотки статора 2 протекает электрический ток и выделяется тепловая энергия:

Q=I²R,

где Q - количество теплоты, выделяемое обмоткой статора, Вт;

I - ток в обмотке статора, А;

R - сопротивление в обмотке статора, Ом.

При работе устройства обмотка статора нагревается. Протекающая в ячейках 5 паза 4 жидкость 7 отводит тепло от каждого проводника 6 обмотки электрической машины, за счет этого достигается максимальная эффективность охлаждения. Защита от межвиткового короткого замыкания обеспечивается тем, что каждый проводник 6 окружен стенками ячейки 5, которые выполняют функцию дополнительной изоляции и делают невозможным замыкание проводников 6 обмотки между собой.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности электрической машины благодаря увеличению эффективности системы охлаждения и использованию защиты от межвиткового короткого замыкания.

Таким образом, достигается повышение надежности электрических машин благодаря уменьшению уровня нагрева электрической машины за счет использования эффективной системы охлаждения, а также благодаря защите от межвиткового короткого замыкания.