RU2249898C2 - Liquid-filled electrical machine - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; induction-motor drives of systems handling continuous starting loads at low speed, such as training simulators.

SUBSTANCE: proposed electrical machine is designed for continuous running in working area while carrying maximal loads as heating of stator winding due to enhanced current is compensated for by dielectric liquid 2, such as oil, that fills sealed chamber 1 accommodating wound stator 3 and rotor 4. Through holes 7 are provided on butt-end and cylindrical surfaces 5 and 6, respectively, of stator frame 3 for admitting cold dielectric liquid 2 and discharging hot liquid under action of centrifugal forces. Additionally disposed between sealed chamber 1 and stator frame 3 is closed pipeline 8 carrying cooling agent and provided with delivery pump 14 and cooler 15. Electrical machine running continuously at low speed and repetitive starting loads close to maximal ones is made possible due to effective cooling of its active components.

EFFECT: enhanced power output and torque of electrical machine.

5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электромашиностроению, а именно к конструкции электрических двигателей, и может быть использовано в электроприводе с большой продолжительностью пусковых нагрузок при работе на низких оборотах с частыми пусками и остановками, например для привода тренажерной и стендовой техники.The invention relates to electrical engineering, in particular to the design of electric motors, and can be used in an electric drive with a long duration of starting loads when operating at low speeds with frequent starts and stops, for example, to drive simulator and bench equipment.

Известна электрическая машина с жидкостным охлаждением, содержащая статор с обмоткой, ротор и напорный насос, установленный на валу ротора /А.С. СССР №1236583, Н 02 К 9/19, от 04.10.84, оп. бюл. №21.Known electric liquid-cooled machine containing a stator with a winding, a rotor and a pressure pump mounted on the rotor shaft / A.C. USSR No. 1236583, H 02 K 9/19, dated 04.10.84, op. bull. No. 21.

В известной конструкции охлаждение происходит за счет перепада давления хладагента вдоль зазора между статором и ротором, что позволяет прокачивать через зазор большое количество охлаждающей жидкости (хладагента).In the known construction, cooling occurs due to the difference in pressure of the refrigerant along the gap between the stator and the rotor, which allows a large amount of coolant (coolant) to be pumped through the gap.

Известное устройство сложно в изготовлении, нетехнологично и требует больших затрат на его изготовление.The known device is difficult to manufacture, low-tech and requires high costs for its manufacture.

Известна герметичная электрическая машина с корпусом, заполненным охлаждающей жидкостью, содержащая статор, ротор, защитную гильзу, установленную между статором и ротором, напорный насос, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости через полую ось ротора в трубопроводе, образующем замкнутый контур с радиатором /А.С. СССР №983909, Н 02 К 9/19, от 18.01.80, oп. бюл. №47/.Known sealed electric machine with a housing filled with coolant containing a stator, a rotor, a protective sleeve installed between the stator and the rotor, a pressure pump that circulates the coolant through the hollow axis of the rotor in the pipeline, forming a closed loop with a radiator / A.C. USSR No. 983909, N 02 K 9/19, dated 18.01.80, op. bull. No. 47 /.

Недостатком известной машины является сложность обеспечения герметичности жидкости во вращающихся деталях и их недолговечность. Поскольку площадь циркуляции хладагента ограничена, охлаждения обмотки статора недостаточно для работы двигателя в сложных условиях при частых пусках, на низких оборотах.A disadvantage of the known machine is the difficulty of ensuring the tightness of the liquid in the rotating parts and their fragility. Since the refrigerant circulation area is limited, cooling of the stator winding is not enough for the engine to work in difficult conditions with frequent starts, at low revs.

Наиболее близким к предложенному является устройство, направленное на увеличение мощности для обеспечения работы электрической машины в определенном интервале оборотов путем повышения эффективности охлаждения. Известная электрическая машина, заполненная жидкостью, содержащая статор с обмоткой, ротор, напорный насос, теплообменник, выполненный в виде герметичной камеры с размещенным в нем корпусом статора с отверстиями на его торцовых поверхностях /А.С. СССР №1555765, Н 02 К 9/19, от 04.01.88, oп. бюл. №13/ - прототип.Closest to the proposed is a device aimed at increasing power to ensure the operation of an electric machine in a certain speed range by increasing cooling efficiency. Known electric machine filled with liquid, containing a stator with a winding, a rotor, a pressure pump, a heat exchanger, made in the form of a sealed chamber with a stator housing with holes on its end surfaces / A.C. USSR No. 1555765, N 02 K 9/19, dated 04.01.88, op. bull. No. 13 / - prototype.

Недостатком изобретения является его конструктивная сложность, например, обеспечение герметичности во вращающихся деталях подшипниковых узлов, не только сложно в изготовлении, но и недолговечно в эксплуатации, так как,как правило, требует частой смены сальников.The disadvantage of the invention is its structural complexity, for example, ensuring tightness in the rotating parts of the bearing assemblies, is not only difficult to manufacture, but also short-lived in operation, since, as a rule, it requires frequent change of seals.

Кроме того, в известной конструкции площадь герметичной камеры, а значит, и площадь теплоотдачи ограничена, циркуляция хладагента осуществляется в малом замкнутом пространстве, что не дает высокой эффективности охлаждения, достаточной для работы в сложных условиях не только низких оборотов, но и с большой продолжительностью пусковых нагрузок.In addition, in the known construction, the area of the sealed chamber, and hence the heat transfer area is limited, the refrigerant is circulated in a small confined space, which does not provide high cooling efficiency, sufficient to work in difficult conditions not only at low revs, but also with a long starting time loads.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, а именно обеспечение работы электрической машины на малых оборотах, с большой продолжительностью и частым повторением пусковых нагрузок, близких к максимальным, путем повышения эффективности охлаждения активно нагревающихся элементов.The objective of the invention is the expansion of technological capabilities, namely, ensuring the operation of an electric machine at low speeds, with long duration and frequent repetition of starting loads close to maximum, by increasing the cooling efficiency of actively heating elements.

Поставленная задача достигается тем, что в известной электрической машине, заполненной жидкостью, содержащей статор с обмоткой, с отверстиями на его торцевых поверхностях, ротор, напорный насос, теплообменник, выполненный в виде герметичной камеры с размещенным в ней корпусом статора, в качестве жидкости, заполняющей машину, применена диэлектрическая жидкость, а теплообменник дополнительно снабжен замкнутым с напорным насосом и радиатором трубопроводом с циркулирующим в нем хладагентом, размещенным между корпусом статора и герметичной камерой, при этом отверстия выполнены по всей поверхности корпуса статора.The problem is achieved in that in a known electric machine filled with liquid containing a stator with a winding, with holes on its end surfaces, a rotor, a pressure pump, a heat exchanger, made in the form of a sealed chamber with a stator housing located in it, as a liquid filling the machine, a dielectric fluid was used, and the heat exchanger is additionally equipped with a pipeline closed with a pressure pump and radiator with a refrigerant circulating in it, placed between the stator housing and hermetically th camera, while the holes are made over the entire surface of the stator housing.

Часть трубопровода, образующая замкнутый контур с напорным насосом и радиатором, расположена за пределами герметичной камеры.The part of the pipeline forming a closed loop with a pressure pump and a radiator is located outside the sealed chamber.

Часть трубопровода выполнена в виде змеевика, огибающего корпус статора.Part of the pipeline is made in the form of a coil enveloping the stator housing.

При этом циркуляция хладагента направлена в верхнюю часть герметичной камеры.In this case, the circulation of the refrigerant is directed to the upper part of the sealed chamber.

В качестве диэлектрической жидкости, заполняющей машину, применено масло.Oil is used as a dielectric fluid filling the machine.

Установка статора с обмоткой и ротора электрической машины в герметичной камере, заполненной техническим маслом, обеспечивает эффективное охлаждение всей поверхности статора как снаружи корпуса, так и изнутри, благодаря наличию в нем сквозных отверстий, выполненных по всей его поверхности. При этом масло, являясь диэлектрическим материалом, обеспечивает безопасность эксплуатации машины.The installation of a stator with a winding and a rotor of an electric machine in a sealed chamber filled with technical oil ensures effective cooling of the entire surface of the stator both from the outside of the housing and from the inside, due to the presence of through holes in it made over its entire surface. At the same time, oil, being a dielectric material, ensures the safe operation of the machine.

Трубопровод, выполненный в виде змеевика с циркулирующим в нем хладагентом, благодаря большой охлаждающей площади эффективно охлаждает находящееся между камерой и корпусом статора масло.The pipeline, made in the form of a coil with refrigerant circulating in it, thanks to its large cooling area, effectively cools the oil located between the chamber and the stator housing.

В отверстия, расположенные на торцевой поверхности корпуса статора, происходит забор охлажденного масла, поскольку ротор по отношению к торцевой поверхности работает как заборный механизм. При этом центробежные силы, возникающие при вращении ротора, отбрасывают охлажденное масло на внутреннюю цилиндрическую поверхность статора, что обеспечивает отбор тепла от обмотки и приводит к эффективному ее охлаждению.Cooled oil is drawn into the holes located on the end surface of the stator housing, since the rotor acts as an intake mechanism in relation to the end surface. In this case, the centrifugal forces arising from the rotation of the rotor discard the cooled oil on the inner cylindrical surface of the stator, which ensures the selection of heat from the winding and leads to its effective cooling.

Нагретое на обмотке масло с учетом свойства конвекции, проходя через отверстия, выполненные на цилиндрической поверхности корпуса статора, поднимается в верхнюю часть герметичной камеры, где происходит его эффективное охлаждение циркулирующим в трубопроводе хладагентом, поступающим в верхнюю часть герметичной камеры из радиатора.The oil heated on the winding, taking into account the convection properties, passes through the holes made on the cylindrical surface of the stator housing and rises to the top of the sealed chamber, where it is effectively cooled by the refrigerant circulating in the pipeline, which enters the top of the sealed chamber from the radiator.

Вынесение привода и радиатора, обеспечивающих циркуляцию и эффективное охлаждение хладагента, за пределы герметичной камеры позволяет увеличить площадь циркуляции до требуемых размеров и решить поставленную задачу наиболее простым способом и с наименьшими затратами.The removal of the drive and radiator, providing circulation and efficient cooling of the refrigerant, outside the sealed chamber allows you to increase the circulation area to the required size and solve the problem in the simplest way and at the lowest cost.

Расположение отверстий по всему корпусу статора позволяет производить эффективное охлаждение как внутри наиболее нагревающихся элементов - обмотки статора, так и снаружи.The location of the holes throughout the stator housing allows efficient cooling both inside the most heated elements - the stator winding, and outside.

Таким образом, предложенное изобретение благодаря эффективному интенсивному охлаждению позволяет достаточно увеличить мощность и момент электрической машины для использования ее при работе на низких оборотах с большой продолжительностью пусковых нагрузок.Thus, the proposed invention, thanks to effective intensive cooling, can sufficiently increase the power and torque of an electric machine to use it when operating at low speeds with a long duration of starting loads.

Предложенное изобретение поясняется чертежами.The proposed invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена электрическая машина, заполненная жидкостью;Figure 1 presents an electric machine filled with liquid;

На фиг.2 - вид сбоку на фиг.1;Figure 2 is a side view of figure 1;

На фиг.3 - разрез А-А на фиг 2;Figure 3 is a section aa in figure 2;

На фиг.4 - электрическая машина с замкнутым контуром трубопровода с приводом напорного насоса и радиатором;Figure 4 - electric machine with a closed circuit of the pipeline with a pressure pump drive and a radiator;

На фиг.5 - радиатор с вентилятором;Figure 5 - radiator with fan;

На фиг.6 - вид сбоку на фиг.5;Fig.6 is a side view of Fig.5;

На фиг.7 - график показателей работы электрической машины, заполненной жидкостью, выполненной согласно предложенного изобретения.7 is a graph of performance indicators of an electric machine filled with liquid, made in accordance with the proposed invention.

Электрическая машина содержит герметичную камеру 1, заполненную жидким диэлектрическим маслом 2, статор 3 с обмоткой и ротор 4 (см. фиг.1-3). В корпусе статора на его торцевой 5 и цилиндрической 6 поверхностях выполнены сквозные отверстия 7. Между герметичной камерой 1 и корпусом статора 3 размещен трубопровод 8, выполненный в форме змеевика, огибающего корпус 3.The electric machine contains a sealed chamber 1 filled with liquid dielectric oil 2, a stator 3 with a winding and a rotor 4 (see Fig.1-3). Through holes 7 are made in the stator housing on its end 5 and cylindrical 6 surfaces 7. Between the sealed chamber 1 and the stator housing 3 is a pipe 8 made in the form of a coil enveloping the housing 3.

На верхней стенке герметичной камеры 1 расположены: дренажная трубка 9, электропровод питания 10 и заливная горловина 11. Сквозь боковую стенку герметичной камеры 1, выполненную разборной, проходит трубопровод 8. Места соединений уплотнены герметичным материалом 12.On the upper wall of the sealed chamber 1 are located: a drainage pipe 9, a power supply cable 10 and a filler neck 11. A pipe 8 passes through the side wall of the sealed chamber 1, made of a collapsible one. The joints are sealed with a sealed material 12.

Трубопровод 8 с циркулирующим в нем хладагентом 13 (см. фиг.4), огибая корпус статора 3, выходит за пределы герметичной камеры 1 и образует замкнутый контур с установленным на верхней трубе трубопровода 8 напорным насосом 14 и радиатором 15.The pipeline 8 with the refrigerant 13 circulating in it (see Fig. 4), enveloping the stator housing 3, extends beyond the hermetic chamber 1 and forms a closed loop with a pressure pump 14 and a radiator 15 mounted on the upper pipe of the pipeline 8.

Перед боковой стенкой радиатора 15 установлен вентилятор 16 с приводным электродвигателем 17, а на верхней стенке расположена заливная горловина 18.A fan 16 with a drive motor 17 is installed in front of the side wall of the radiator 15, and a filler neck 18 is located on the upper wall.

Герметичная камера 1 и радиатор 15 снабжены расширительными бочками 19, 20. (фиг.5, 6).The sealed chamber 1 and the radiator 15 are equipped with expansion barrels 19, 20. (Figs. 5, 6).

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Предварительно в герметичную камеру 1 заливают техническое масло через горловину 11, а в радиатор 15 через горловину 18 - хладагент, например воду (не показано).First, technical oil is poured into the sealed chamber 1 through the neck 11, and a coolant, such as water (not shown), into the radiator 15 through the neck 18.

При пуске асинхронных двигателей, к которым относится электрическая машина, выполненная согласно изобретению, пусковой ток в обмотке статора возрастает в 5-7 раз по сравнению с номинальным. При продолжительной работе на таком режиме происходит сильный перегрев обмоток и выход из строя двигателя.When starting induction motors, which include an electric machine made according to the invention, the starting current in the stator winding increases 5-7 times compared to the nominal. With prolonged operation in this mode, the windings overheat and the motor fails.

В предложенной конструкции насос 14 подает охлажденную воду 13 из радиатора 15 в верхнюю часть герметичной камеры 1. Циркуляция холодной воды 13 обозначена прямолинейными стрелками. Охлажденное масло 2 засасывается в отверстия 7, выполненные в торцевой поверхности 5, при этом центробежные силы отбрасывают охлажденное масла 2 в радиальном направлении на обмотки статора 3, через отверстия 7, выполненные на цилиндрической поверхности 6, в герметичную камеру 1 выбрасывается уже нагретое масло 2. Движение нагретых частиц показано дуговыми стрелками.In the proposed design, the pump 14 delivers chilled water 13 from the radiator 15 to the upper part of the sealed chamber 1. The circulation of cold water 13 is indicated by straight arrows. The cooled oil 2 is sucked into the holes 7 made in the end surface 5, while centrifugal forces cast the cooled oil 2 radially to the stator windings 3, through the holes 7 made on the cylindrical surface 6, already heated oil 2 is ejected into the sealed chamber 1. The movement of heated particles is shown by arc arrows.

На фиг.7 на графике приведены рабочие характеристики электрической машины, а именно асинхронного двигателя: крутящих моментов М и токов I в зависимости от мощности Р, где:Figure 7 on the graph shows the operating characteristics of an electric machine, namely an induction motor: torques M and currents I depending on the power P, where:

PЗ₁ - рабочая зона типового асинхронного электродвигателя;PZ ₁ - working area of a typical asynchronous electric motor;

PЗ₂ - рабочая зона асинхронного электродвигателя, выполненного согласно приведенной полезной модели;PZ ₂ - working area of an asynchronous electric motor, made in accordance with the given utility model;

РЗ_макс - рабочая зона с максимальными характеристиками.RZ _max - working area with maximum performance.

На графике наглядно показано, что при применении предложенного изобретения рабочая зона асинхронного двигателя РЗ₁ увеличивается до РЗ₂, при этом I_ном стремится к I_макс. Из этого следует, что предложенная электрическая машина может неограниченно долго работать в РЗ_макс., так как нагрев обмотки статора, возникающий при увеличении силы тока I, компенсируются предложенной в изобретении системой охлаждения.The graph clearly shows that when applying the proposed invention, the working area of the induction motor RE ₁ increases to RE ₂ , while I _nom tends to I _max . It follows that the proposed electric machine can work indefinitely in RP _max ., Since the heating of the stator winding, which occurs when the current I increases, is compensated by the cooling system proposed in the invention.

Поскольку момент М и мощность Р двигателя являются функциями от силы тока I с квадратичной зависимостью:Since the moment M and engine power P are functions of current I with a quadratic dependence:

M=f(I)² и P=f(I)²,M = f (I) ² and P = f (I) ² ,

это означает, что при интенсивном охлаждении асинхронного двигателя можно поддерживать максимальное значение полезного момента М и полезной мощности Р двигателя, что имеет широкое практическое применение в приводах различных систем. Таким образом, предложенная конструкция позволяет эффективно обеспечить охлаждение активно нагреваемых элементов обмотки статора и всей электрической машины в целом и получить требуемые характеристики для эффективной работы преимущественно асинхронных двигателей на малых оборотах ротора и частых пусках, что позволяет использовать асинхронный двигатель на пусковых режимах в течение длительного времени.this means that with intensive cooling of an induction motor, it is possible to maintain the maximum value of the useful moment M and the useful power P of the motor, which has wide practical application in drives of various systems. Thus, the proposed design makes it possible to effectively provide cooling of actively heated elements of the stator winding and the entire electric machine as a whole and to obtain the required characteristics for the effective operation of predominantly asynchronous motors at low rotor speeds and frequent starts, which allows the use of an asynchronous motor in starting conditions for a long time .

Изобретение предлагается использовать в конструкции приводов стендов и тренажеров.The invention is proposed to be used in the construction of drives of stands and simulators.

Claims (5)

1. Электрическая машина, заполненная жидкостью, содержащая статор с обмоткой, с отверстиями на его торцевой поверхности, ротор, напорный насос, теплообменник, выполненный в виде герметичной камеры с размещенным в ней корпусом статора, отличающаяся тем, что в качестве жидкости, заполняющей машины, применена диэлектрическая жидкость, а теплообменник дополнительно снабжен замкнутым с напорным насосом и радиатором трубопроводом с циркулирующим в нем хладагентом, размещенным между корпусом статора и герметичной камерой, при этом отверстия выполнены по всей поверхности корпуса статора.1. An electric machine filled with liquid, containing a stator with a winding, with holes on its end surface, a rotor, a pressure pump, a heat exchanger made in the form of a sealed chamber with a stator housing located in it, characterized in that as a liquid filling machine, a dielectric fluid is used, and the heat exchanger is additionally equipped with a pipeline closed with a pressure pump and a radiator, with refrigerant circulating in it, placed between the stator housing and the sealed chamber, with Full over the entire surface of the stator housing. 2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что часть трубопровода, образующая замкнутый контур с напорным насосом и радиатором, расположена за пределами герметичной камеры.2. The electric machine according to claim 1, characterized in that the part of the pipeline forming a closed loop with a pressure pump and a radiator is located outside the sealed chamber. 3. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что часть трубопровода выполнена в виде змеевика, огибающего корпус статора.3. The electric machine according to claim 1 or 2, characterized in that the portion of the pipeline is made in the form of a coil enveloping the stator housing. 4. Электрическая машина по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что циркуляция хладагента от радиатора направлена в верхнюю часть герметичной камеры.4. The electric machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the circulation of the refrigerant from the radiator is directed to the upper part of the sealed chamber. 5. Электрическая машина по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрической жидкости, заполняющей машины, применено масло.5. An electric machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that oil is used as the dielectric fluid filling the machine.

Images