ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, ЗАПОЛНЕННАЯ ЖИДКОСТЬЮ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, ЗАПОЛНЕННАЯ ЖИДКОСТЬЮ


RU (11) 2249898 (13) C2

(51) 7 H02K9/20, H02K9/19 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2002126814/09 
(22) Дата подачи заявки: 2002.10.09 
(30) Приоритетные данные: a20010883 2001.10.23 BY 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.10.09 
(43) Дата публикации заявки: 2004.06.20 
(45) Опубликовано: 2005.04.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1555765 А1, 07.04.1990. SU 983909 А, 23.12.1982. SU 1236583 А, 04.10.1984. SU 1317565 А, 15.06.1987. US 3217193 А, 09.11.1965. 
(72) Автор(ы): Елисеев Александр Викторович (BY) 
(73) Патентообладатель(и): Елисеев Александр Викторович (BY) 
Адрес для переписки: 220033, г.Минск, а/я 94, Т.Н. Дунай 

(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, ЗАПОЛНЕННАЯ ЖИДКОСТЬЮ

Изобретение относится к области электротехники и касается выполнения электрических машин, заполненных жидкостью, преимущественно асинхронных двигателей, и может быть использована в электроприводе систем с большой продолжительностью пусковых нагрузок при работе на низких оборотах, например в тренажерной технике. Предложенная электрическая машина может неограниченно долго работать в рабочей зоне с максимальными нагрузками, поскольку нагрев обмотки статора, возникающий при увеличении силы тока, компенсируется за счет того, что согласно изобретению в качестве жидкости, заполняющей герметичную камеру 1 с размещенными в ней статором с обмоткой 3 и ротором 4 электрической машины использована диэлектрическая жидкость 2, например масло. При этом на торцевой 5 и цилиндрической 6 поверхностях корпуса статора 3 выполнены сквозные отверстия 7, через которые забирается холодная диэлектрическая жидкость 2 и выбрасывается центробежными силами нагретая. Между герметичной камерой 1 и корпусом статора 3 дополнительно размещен замкнутый с напорным насосом 14 и радиатором 15 трубопровод 8 с циркулирующим в нем хладагентом. Технический результат - повышение мощности и момента электрической машины, то есть обеспечение ее работы на малых оборотах с большой продолжительностью и частым повторением пусковых нагрузок, близких к максимальным, путем эффективности охлаждения активно нагревающихся элементов электрической машины. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


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.

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.

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).

Известное устройство сложно в изготовлении, нетехнологично и требует больших затрат на его изготовление.

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/.

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.

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.

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.

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. 

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.

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. 

Часть трубопровода, образующая замкнутый контур с напорным насосом и радиатором, расположена за пределами герметичной камеры. 

Часть трубопровода выполнена в виде змеевика, огибающего корпус статора.

При этом циркуляция хладагента направлена в верхнюю часть герметичной камеры.

В качестве диэлектрической жидкости, заполняющей машину, применено масло.

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.

Трубопровод, выполненный в виде змеевика с циркулирующим в нем хладагентом, благодаря большой охлаждающей площади эффективно охлаждает находящееся между камерой и корпусом статора масло. 

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.

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.

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.

Расположение отверстий по всему корпусу статора позволяет производить эффективное охлаждение как внутри наиболее нагревающихся элементов - обмотки статора, так и снаружи.

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.

Предложенное изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена электрическая машина, заполненная жидкостью;

На фиг.2 - вид сбоку на фиг.1;

На фиг.3 - разрез А-А на фиг 2;

На фиг.4 - электрическая машина с замкнутым контуром трубопровода с приводом напорного насоса и радиатором;

На фиг.5 - радиатор с вентилятором; 

На фиг.6 - вид сбоку на фиг.5;

На фиг.7 - график показателей работы электрической машины, заполненной жидкостью, выполненной согласно предложенного изобретения.

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.

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.

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.

Перед боковой стенкой радиатора 15 установлен вентилятор 16 с приводным электродвигателем 17, а на верхней стенке расположена заливная горловина 18.

Герметичная камера 1 и радиатор 15 снабжены расширительными бочками 19, 20. (фиг.5, 6).

Устройство работает следующим образом.

Предварительно в герметичную камеру 1 заливают техническое масло через горловину 11, а в радиатор 15 через горловину 18 - хладагент, например воду (не показано).

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.

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.

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:

PЗ1 - рабочая зона типового асинхронного электродвигателя;

PЗ2 - рабочая зона асинхронного электродвигателя, выполненного согласно приведенной полезной модели;

РЗ макс - рабочая зона с максимальными характеристиками.

На графике наглядно показано, что при применении предложенного изобретения рабочая зона асинхронного двигателя РЗ1 увеличивается до РЗ2, при этом Iном стремится к Iмакс. Из этого следует, что предложенная электрическая машина может неограниченно долго работать в РЗмакс ., так как нагрев обмотки статора, возникающий при увеличении силы тока I, компенсируются предложенной в изобретении системой охлаждения.

Поскольку момент М и мощность Р двигателя являются функциями от силы тока I с квадратичной зависимостью:

M=f(I) 2 и 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.

Изобретение предлагается использовать в конструкции приводов стендов и тренажеров.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


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. 

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что часть трубопровода, образующая замкнутый контур с напорным насосом и радиатором, расположена за пределами герметичной камеры.

3. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что часть трубопровода выполнена в виде змеевика, огибающего корпус статора.

4. Электрическая машина по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что циркуляция хладагента от радиатора направлена в верхнюю часть герметичной камеры.

5. Электрическая машина по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрической жидкости, заполняющей машины, применено масло.