RU2422969C1 - Electromechanical converter with liquid cooling - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: invention relates to features of an electromechanical converter design with liquid cooling, which is mainly designed for slow-speed devices and may be used, for instance, as an electric motor in drum hoists or motor-wheels of light vehicles, as an electric generator in wind-driven power plants or as a starter generator in petroleum and diesel generator stations, electric vehicles with a combined power plant, as a synchronous compensator, a motor for elevators and in other devices, where high specific characteristics are required, or expanded functional capabilities. The electromechanical converter with liquid cooling of stator windings comprises at least one stator-rotor pair, in which a stator has a power frame arranged in the form of a flange of the fixed converter axis, along a circular perimetre of which there are teeth of material with high heat conductivity, between which there are stator windings arranged in cores with high magnetic permeability. At the same time according to this invention the specified stator teeth include holes for passage of cooling liquid, and the stator flange body contains discharge and drain headers of a cooling liquid, which communicate with the following holes. ^ EFFECT: increased efficiency of the electromechanical converter stator winding cooling, increase of its specific capacity and rotation torque at its lower angular frequencies of rotation and specified dimensions with simultaneous reduction of weight, increase of its efficiency factor and expansion of the application field. ^ 3 cl, 3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к электротехнике и касается выполнения электромеханического преобразователя (ЭМП) для преимущественно низкооборотных устройств, который может быть использован, например, в качестве электродвигателя в барабанных лебедках или в мотор-колесах легких транспортных средств, а также в качестве электрогенератора в ветроэнергоустановках или в качестве стартер-генератора в бензо- или дизельгенераторных станциях. Он может быть также использован в электромобилях с комбинированной энергоустановкой, в качестве синхронного компенсатора, в качестве двигателя для лифтов, а также в других устройствах, где требуются высокие удельные характеристики или расширенные функциональные возможности. Более конкретно, изобретение относится к ЭМП с жидкостным охлаждением статора.The invention relates to electrical engineering and for the implementation of an electromechanical converter (EMF) for mainly low-speed devices, which can be used, for example, as an electric motor in drum winches or in the motor wheels of light vehicles, as well as an electric generator in wind turbines or as a starter -generator in petrol or diesel generator stations. It can also be used in electric vehicles with a combined power plant, as a synchronous compensator, as an engine for elevators, as well as in other devices where high specific characteristics or advanced functionality are required. More specifically, the invention relates to a liquid-cooled stator EMF.

Уровень техникиState of the art

Известны 3 типа систем охлаждения электрических машин.There are 3 types of cooling systems for electrical machines.

Первый из них представляет собой замкнутую систему. Замкнутые системы с заполнением хладагентом всего внутреннего гидравлически неразделенного объема машины имеют низкую теплотехническую эффективность из-за практической невозможности организации мощного теплового потока через корпус машины. Интенсивное циркуляционное возмущение охлаждающей жидкости при работе машины (вообще при любом вращении ротора) порождает ее гидродинамический нагрев, т.е. сама охлаждающая жидкость в таких системах является дополнительным источником тепла. Остается труднорешаемой задача герметизации внутреннего объема по подшипниковым узлам.The first of them is a closed system. Closed systems with refrigerant filling the entire internal hydraulically unseparated volume of the machine have low thermal efficiency due to the practical impossibility of organizing a powerful heat flow through the machine body. The intense circulation perturbation of the coolant during the operation of the machine (generally during any rotation of the rotor) generates its hydrodynamic heating, i.e. the coolant itself in such systems is an additional source of heat. The task of sealing the internal volume along the bearing assemblies remains difficult.

По этим причинам применение таких систем жидкостного охлаждения машин ограничено специальными устройствами, в частности мотор-насосами, в которых охлаждающей жидкостью служит прокачиваемый продукт.For these reasons, the use of such liquid cooling systems of machines is limited by special devices, in particular motor pumps, in which the pumped product serves as the cooling liquid.

Второй тип - это так называемые гильзованные системы, в которых охлаждающая жидкость циркулирует в гильзах, размещенных внутри электрической машины, в частности в зазоре между статором и ротором.The second type is the so-called sleeve systems in which coolant circulates in the sleeves located inside the electric machine, in particular in the gap between the stator and the rotor.

Примером такой системы может быть электрическая машина по патенту РФ №2283525 с жидкостным охлаждением статора, содержащая корпус с подшипниковыми щитами и установленными в них подшипниковыми узлами, магнитопровод статора с обмоткой в его пазах, ротор и размещенную в зазоре между ротором с статором гильзу, герметично и прочно закрепленную в подшипниковых щитах, образуя на периферии машины кольцевое пространство с торцевыми камерами у подшипниковых щитов и активной частью статора посередине, заполненное охлаждающей жидкостью с ее прокачкой через указанное пространство и охлаждением во внешнем теплообменнике.An example of such a system can be an electric machine according to RF patent No. 2283525 with liquid cooling of the stator, comprising a housing with bearing shields and bearing assemblies installed in them, a stator magnetic circuit with a winding in its grooves, a rotor and a sleeve placed in the gap between the rotor and the stator, hermetically and firmly fixed in the bearing shields, forming on the periphery of the machine an annular space with end chambers at the bearing shields and the active part of the stator in the middle, filled with coolant with its pumping through the indicated space and cooling in an external heat exchanger.

Применение гильз нецелесообразно у тихоходных малых и средних машин с D_я=8-40 см, где воздушный зазор между ротором и статором принимается возможно меньшим, соответственно не более 0,05-0,25 см.The use of sleeves is impractical for low-speed small and medium-sized machines with D _i = 8-40 cm, where the air gap between the rotor and stator is taken as small as possible, respectively, no more than 0.05-0.25 cm.

Третий тип систем характеризуется выполнением каналов для циркуляции хладагента в корпусных деталях электрической машины. Примером использования системы этого типа может служить индукторная машина по патенту Великобритании №1102753, содержащая корпус, состоящий из двух частей, соединенных между собой стягивающей втулкой из магнитопроводящего материала; пакеты железа статора, охваченные втулками, запресованными в корпусе с образованием в нем каналов для циркуляции охлаждающей жидкости; подшипниковые щиты, закрывающие машину с торцов, на подшипники которых опирается ротор, не имеющий обмотки; обмотку якоря, уложенную в пазы железа статора, кольцевую обмотку возбуждения, выполненную как монолитное тело и уложенную с образованием каналов для циркуляции жидкости в камеру, расположенную между пакетами железа статора и образованную стягивающей втулкой и демпферным кольцом, приваренным к корпусу.The third type of system is characterized by the implementation of channels for the circulation of refrigerant in the body parts of an electric machine. An example of the use of this type of system is the induction machine of Great Britain Patent No. 1102753, comprising a housing consisting of two parts interconnected by a tightening sleeve of a magnetically conductive material; stator iron packets covered by bushings pressed into the housing with the formation of channels for the circulation of coolant in it; bearing shields covering the machine from the ends, the bearings of which are supported by a rotor that does not have a winding; the armature winding, laid in the grooves of the stator iron, an annular excitation winding, made as a monolithic body and laid with the formation of channels for circulating liquid in the chamber located between the stator iron packets and formed by a tightening sleeve and a damper ring welded to the body.

Охлаждение статора и обмотки возбуждения осуществляется жидкостью, циркулирующей в каналах корпуса и камеры обмотки возбуждения. Отвод тепла от обмотки статора осуществляется через пазовую часть обмотки, железо статора, корпус, воздушные прослойки, образующиеся в местах сопряжения корпуса и пакетов железа статора, проводников обмотки, пазовой изоляции и пакетов железа статора.The stator and the field winding are cooled by a fluid circulating in the channels of the housing and the field coil chamber. Heat is removed from the stator winding through the groove part of the winding, the stator iron, the housing, and the air spaces formed at the junctions of the housing and stator iron packages, winding conductors, slot insulation, and stator iron packages.

Индукторная машина отличается низкой эффективностью охлаждения, так как повышенные термические сопротивления на пути теплового потока ведут к значительным перепадам температуры между проводниками обмотки якоря и поверхностью теплообмена. Лобовые части обмотки якоря работают в тяжелом тепловом режиме, поскольку отвод тепла от лобовых частей обмотки статора осуществляется в основном теплопроводностью через пазовую часть обмотки.The induction machine is characterized by low cooling efficiency, since increased thermal resistance in the path of the heat flux leads to significant temperature drops between the conductors of the armature winding and the heat exchange surface. The frontal parts of the armature winding operate in difficult thermal conditions, since heat is removed from the frontal parts of the stator winding mainly through thermal conductivity through the groove part of the winding.

К системам такого типа относится и система индукторного охлаждения по патенту РФ на полезную модель №79356, в котором каналы охлаждения выполнены попарно под каждым пазом пакетов статора. Такое расположение каналов не обеспечивает эффективного отвода тепла от обмоток статора.This type of system also includes the inductor cooling system according to the patent of the Russian Federation for utility model No. 79356, in which the cooling channels are made in pairs under each groove of the stator packets. This arrangement of the channels does not provide effective heat removal from the stator windings.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению по конструктивному исполнению является электромеханический преобразователь по патенту РФ №2302692, содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор состоит из сердечников из материала с высокой магнитной проницаемостью, торцами прикрепленных к опорному статорному кольцу и ориентированных параллельно основному магнитному потоку, и между которыми расположены проводники многофазной обмотки, ротор выполнен в виде двух коаксиально расположенных наружного и внутреннего индукторов-магнитопроводов из материала с высокой магнитной проницаемостью в форме полых цилиндров, закрепленных с возможностью вращения относительно статора, несущих расположенные по окружности полюса с чередующейся полярностью, обращенные через рабочие зазоры к статору и охватывающие его, при этом полярность полюсов, расположенных на внутреннем и наружном индукторах друг напротив друга, согласная. Недостатком известного ЭМП являются недостаточные получаемые величины удельной мощности и вращающего момента при заданных габаритах из-за низкой эффективности охлаждения, так как повышенные термические сопротивления на пути теплового потока ведут к значительным перепадам температуры между обмоткой якоря и поверхностью теплообмена с окружающей средой.The closest in technical essence to the present invention in design is an electromechanical converter according to RF patent No. 2302692, containing at least one stator-rotor pair, in which the stator consists of cores of a material with high magnetic permeability, the ends attached to the supporting stator ring and oriented parallel to the main magnetic flux, and between which are located the conductors of the multiphase winding, the rotor is made in the form of two coaxially located on hollow and internal magnetic inducers made of a material with a high magnetic permeability in the form of hollow cylinders, rotatably mounted relative to the stator, bearing poles with alternating polarity located around the circumference, facing the stator through working gaps and covering it, while the polarity of the poles located on internal and external inductors opposite each other, consonant. A disadvantage of the known EMF is the insufficient received specific power and torque values for the given dimensions due to the low cooling efficiency, since increased thermal resistances in the heat flow path lead to significant temperature drops between the armature winding and the heat exchange surface with the environment.

Задачей данного изобретения является создание электромеханического преобразователя с повышенной удельной мощностью и вращающим моментом при низких угловых частотах вращения при заданных габаритах. Другой задачей изобретения является создание ЭМП компактного исполнения и уменьшенного веса. Еще одной задачей изобретения является повышение экономичности и КПД ЭМП, расширение области его применения.The objective of the invention is to provide an electromechanical transducer with increased specific power and torque at low angular frequencies of rotation for a given size. Another objective of the invention is the creation of a compact EMF and reduced weight. Another objective of the invention is to increase the efficiency and efficiency of EMF, expanding its scope.

Указанные задачи решаются в соответствии с настоящим изобретением благодаря созданию ЭМП в конструктивном выполнении, подобном выполнению указанного ЭМП, но в котором осуществлено жидкостное охлаждение статора, что дает возможность уменьшить габариты при заданной мощности без повышения температуры отдельных частей и, в частности, обмоток статора.These problems are solved in accordance with the present invention by creating an electromagnetic field in a structural embodiment similar to that of the specified electromagnetic field, but in which the stator is liquid-cooled, which makes it possible to reduce the dimensions at a given power without increasing the temperature of individual parts and, in particular, the stator windings.

Согласно изобретению электромеханический преобразователь содержит по меньшей мере одну статорно-роторную пару, в которой статор имеет силовой каркас, выполненный в виде фланца неподвижной оси преобразователя, по круговому периметру которого перпендикулярно фланцу закреплены зубцы из материала с высокой теплопроводностью, между которыми расположены на сердечниках с высокой магнитной проницаемостью обмотки статора и в которых (в зубцах) выполнены отверстия для прохода охлаждающей жидкости, а в теле фланца выполнены напорный и сливной коллекторы охлаждающей жидкости, сообщающиеся с указанными отверстиями в зубцах.According to the invention, the electromechanical transducer contains at least one stator-rotor pair, in which the stator has a power frame made in the form of a flange of the fixed axis of the transducer, along the circular perimeter of which perpendicular to the flange are fixed teeth made of a material with high thermal conductivity, between which are located on cores with high magnetic permeability of the stator winding and in which (in the teeth) holes are made for the passage of coolant, and pressure and drain are made in the body of the flange coolant manifolds in communication with said openings in the teeth.

Охлаждение лобовой части каждой обмотки, примыкающей к фланцу статора, усиливается благодаря ее размещению в выемке во фланце, примыкающей к напорному коллектору фланца.The cooling of the frontal part of each winding adjacent to the stator flange is enhanced by its placement in a recess in the flange adjacent to the pressure manifold of the flange.

Преобразователь может быть обратимым.The converter may be reversible.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 представлен ЭМП согласно изобретению на виде сбоку, в разрезе.Figure 1 shows the EMF according to the invention in side view, in section.

На фиг.2 изображен ЭМП согласно изобретению на виде с торца, с частичным вырывом.Figure 2 shows the EMF according to the invention in end view, with a partial tear.

На фиг.3 изображена укладка обмоток статора.Figure 3 shows the laying of the stator windings.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Предлагаемый электромеханический преобразователь представляет собой бесконтактную электрическую машину с возбуждением от постоянных магнитов двухзазорного типа. Он состоит из статора 1, ротора 2 и крышки 3. Ротор вращается на оси 4, фланец которой является частью статора 1. В одном из возможных вариантов двигателя ось имеет элементы крепежа для установки на подвеску транспортного средства. На вращающемся роторе предусмотрены шпильки 5 для крепления диска колеса. Через фланец оси проходят силовые кабели, кабель управления и осуществляется подвод и слив охлаждающей жидкости.The proposed electromechanical converter is a non-contact electric machine with excitation from permanent magnets of a double-gap type. It consists of a stator 1, a rotor 2 and a cover 3. The rotor rotates on an axis 4, the flange of which is part of the stator 1. In one of the possible engine variants, the axis has fasteners for mounting on a vehicle suspension. On a rotating rotor, studs 5 are provided for mounting the wheel disc. Power cables, a control cable pass through the axis flange and coolant is supplied and drained.

Статор представляет собой трехфазную обмотку, в которой катушки соединены в тройки и подключены параллельно. Статор состоит из силового каркаса 6, катушек с сердечниками 7, изоляторов 8, распаечного кольца 9, замыкающего кольца 10, вращающегося трансформатора 11. Силовой каркас 6 выполнен из алюминиевого сплава в виде фланца с зубцами, расположенными по периметру. На каркасе имеются напорный 12 и сливной 13 каналы системы охлаждения, закрытые герметично крышками 14 и 15. В каждом зубце имеются отверстия 16 для охлаждающей жидкости, соединяющие напорный и сливной каналы. Таким образом, зубцы охлаждаются жидкостью и отбирают тепло от обмоток статора. Жидкость в напорный канал поступает через отверстие 17 в оси 4 и сливается также через отверстие в оси. Катушки с сердечниками 7 установлены в силовом каркасе на изоляторах 8, чтобы исключить токи короткого замыкания между силовым каркасом и сердечниками. Коммутация троек выполняется на распаечном кольце 9, закрепленном на каркасе. Замыкающее кольцо 10 служит для фиксации катушек с обмотками статора. Ось 4 служит для установки подшипников, на которых вращается ротор и для закрепления мотор-колеса на подвеске транспортного средства. Внутри оси установлен вращающийся трансформатор 11, валик которого жестко связан с ротором и служит для отсчета угловых перемещений ротора.The stator is a three-phase winding in which the coils are connected in triples and connected in parallel. The stator consists of a power frame 6, coils with cores 7, insulators 8, a spacer ring 9, a closing ring 10, a rotating transformer 11. The power frame 6 is made of aluminum alloy in the form of a flange with teeth located around the perimeter. On the frame there are pressure head 12 and drain 13 channels of the cooling system, sealed with covers 14 and 15. Each tooth has holes 16 for coolant connecting the pressure and drain channels. Thus, the teeth are cooled by a liquid and take away heat from the stator windings. The fluid enters the pressure channel through the opening 17 in the axis 4 and also drains through the opening in the axis. Coils with cores 7 are installed in the power frame on the insulators 8, in order to exclude short-circuit currents between the power frame and the cores. The commutation of triples is performed on the spacer ring 9, mounted on the frame. The locking ring 10 serves to fix the coils with the stator windings. Axis 4 is used to install bearings on which the rotor rotates and to fix the motor-wheel to the vehicle suspension. A rotary transformer 11 is installed inside the axis, the roller of which is rigidly connected to the rotor and serves to count the angular movements of the rotor.

Ротор состоит из двух магнитопроводов: внутреннего и наружного, на которых установлены магниты из редкоземельных металлов и ступицы с подшипниками.The rotor consists of two magnetic circuits: internal and external, on which magnets of rare-earth metals and hubs with bearings are mounted.

Герметичность электромеханического преобразователя от окружающей среды достигается с помощью крышки 3, установленной на ротор. Уплотнение обеспечивается манжетой 19 на оси статора.The tightness of the electromechanical converter from the environment is achieved using the cover 3 mounted on the rotor. The seal is provided by a cuff 19 on the axis of the stator.

Управление электромеханического преобразователя в варианте двигателя осуществляется с помощью датчиков Холла 20, установленных на зубцах статора, и вращающимся трансформатором 11, установленным в неподвижной оси. На обмотках катушек установлены температурные датчики 21 для блокировки системы управления при перегреве. Лобовые части обмоток, обращенные к фланцу 6, размещены в образованных в нем выемках 22, примыкающих к коллектору 13.The control of the electromechanical converter in the engine variant is carried out using Hall sensors 20 mounted on the teeth of the stator and a rotating transformer 11 mounted in a fixed axis. Temperature coils 21 are installed on the windings of the coils to block the control system during overheating. The frontal parts of the windings facing the flange 6 are placed in the recesses 22 formed therein adjacent to the collector 13.

Каждая обмотка катушки статора наматывается непосредственно на сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью. Лобовые части обмотки плотно прилегают к сердечнику, благодаря чему улучшается теплопроводность обмотки и условия ее охлаждения. Одна из 2-х лобовых частей обмотки сердечников дополнительно охлаждается благодаря плотному контакту с выемкой во фланце статора, охлаждаемом коллекторами охлаждающей жидкости.Each stator coil winding is wound directly onto a core of high magnetic permeability material. The frontal parts of the winding fit snugly against the core, which improves the thermal conductivity of the winding and its cooling conditions. One of the 2 frontal parts of the core winding is additionally cooled due to tight contact with a recess in the stator flange, cooled by coolant collectors.

В каждом зубце выполнены отверстия для циркуляции охлаждающей жидкости, соединяющие напорный и сливной коллекторы. Отвод тепла от обмотки статора осуществляется через материал зубцов и фланца статора с высокой теплопроводностью. Например, теплопроводность статора из алюминия 2,05 Вт/см·град, при теплопроводности электротехнической стали вдоль листа 0,63 Вт/см·град, а поперек листа в пакете 0,015 Вт/см·град [см. Я.С.Гурин и М.Н.Курочкин. Проектирование машин постоянного тока. Госэнергоиздат, 1961 г., стр.230, таблица 12-5]. Равные условия охлаждения каждой обмотки обеспечиваются равенством гидравлических сопротивлений каждой из параллельно включенных между коллекторами ветвей охлаждения зубцов за счет одинаковых путей по коллекторам: при меньшем пути по напорному коллектору увеличивается путь по сливному и наоборот. Самовентиляция ротора обеспечивается за счет вращения ротора в наружном воздухе благодаря обратимой конструкции ЭМП.In each tooth, holes are made for the circulation of the coolant, connecting the pressure and drain manifolds. Heat is removed from the stator winding through the material of the teeth and the stator flange with high thermal conductivity. For example, the thermal conductivity of the stator made of aluminum is 2.05 W / cm · deg, while the thermal conductivity of electrical steel along the sheet is 0.63 W / cm · deg, and across the sheet in the package is 0.015 W / cm · deg [see Ya.S. Gurin and M.N. Kurochkin. Designing DC machines. Gosenergoizdat, 1961, p. 230, table 12-5]. Equal cooling conditions for each winding are ensured by the equality of the hydraulic resistance of each of the teeth cooling branches connected in parallel between the collectors due to the same paths along the collectors: with a smaller path along the pressure header, the drain path increases and vice versa. Self-ventilation of the rotor is ensured by rotation of the rotor in the outside air due to the reversible design of the EMF.

Claims (3)

1. Электромеханический преобразователь с жидкостным охлаждением, содержащий, по меньшей мере, одну статорно-роторную пару, в которой статор имеет силовой каркас, выполненный в виде фланца неподвижной оси преобразователя, по круговому периметру которого перпендикулярно фланцу закреплены зубцы из материала с высокой теплопроводностью, между которыми расположены на сердечниках с высокой магнитной проницаемостью обмотки статора, отличающийся тем, что в зубцах статора выполнены отверстия для прохода охлаждающей жидкости, а в теле фланца статора - напорный и сливной коллекторы охлаждающей жидкости, сообщающиеся с указанными отверстиями.1. Electromechanical converter with liquid cooling, containing at least one stator-rotor pair, in which the stator has a power frame made in the form of a flange of the fixed axis of the transducer, on the circular perimeter of which perpendicular to the flange are fixed teeth made of a material with high thermal conductivity, between which are located on the cores with high magnetic permeability of the stator winding, characterized in that in the stator teeth holes are made for the passage of coolant, and in the body of the flange with Ator - the pressure and drain the coolant manifolds communicating with these holes. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что лобовая часть каждой обмотки статора, обращенная к фланцу статора, располагается в выемке во фланце, прилегающей к коллектору охлаждающей жидкости.2. The Converter according to claim 1, characterized in that the frontal part of each stator winding facing the stator flange is located in a recess in the flange adjacent to the coolant manifold. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он является обратимым. 3. The Converter according to claim 1, characterized in that it is reversible.

Images