RU2706016C1 - Electric machine stator with liquid cooling - Google Patents
Electric machine stator with liquid cooling Download PDFInfo
- Publication number
- RU2706016C1 RU2706016C1 RU2019113190A RU2019113190A RU2706016C1 RU 2706016 C1 RU2706016 C1 RU 2706016C1 RU 2019113190 A RU2019113190 A RU 2019113190A RU 2019113190 A RU2019113190 A RU 2019113190A RU 2706016 C1 RU2706016 C1 RU 2706016C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- core
- stator
- shell
- sheets
- channels
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
- H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
- H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в электрических двигателях и генераторах, в том числе для тяговых приводов.The invention relates to electrical engineering and can be used in electric motors and generators, including for traction drives.
Известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий охлаждающую рубашку с каналами, равномерно охватывающими внешнюю поверхность сердечника статора, через которые прокачивается охлаждающая жидкость (RU 2223584 С2, Н02К 1/20, Н02К 9/02,20.01.2003; US 8686606 В2, Н02К 9/00, 01.01.2014).Known stator of an electric liquid-cooled machine, containing a cooling jacket with channels evenly covering the outer surface of the stator core through which coolant is pumped (RU 2223584 C2, Н02К 1/20, Н02К 9 / 02,20.01.2003; US 8686606 B2, Н02К 9/00, 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.The disadvantage of this technical solution is the low heat engineering efficiency of cooling the windings of an electric machine, which is due to the remoteness of the channels with the coolant from the most heated inner part of the stator - from the tooth zone of the location of the windings.
Известен статор электрической машины, в котором элементы его жидкостного охлаждения (охладители), выполненные в виде плоских силуминовых сегментов с залитыми в них змеевиками из стальной нержавеющей трубки с охлаждающей жидкостью, размещены между участками разделенного по длине сердечника статора (SU 1667201 А1, Н02К 9/19, Н02К 15/00, 30.07.1991).A stator of an electric machine is known in which the elements of its liquid cooling (coolers), made in the form of flat silumin segments with coils filled from them from a stainless steel tube with cooling liquid, are placed between sections of the stator core divided along the length (SU 1667201 A1, Н02К 9 / 19, Н02К 15/00, 07/30/1991).
К его недостаткам относятся повышенные габаритные размеры, поскольку установка охладителей между участками сердечника статора приводит к увеличению его осевой длины. Кроме того, пониженная теплопроводность нержавеющей стали по сравнению с теплопроводностью меди или алюминия, а также наличие технологических зазоров между отдельными сегментами охладителей, приводят к снижению теплотехнической эффективности охлаждения.Its disadvantages include increased overall dimensions, since the installation of coolers between sections of the stator core leads to an increase in its axial length. In addition, the reduced thermal conductivity of stainless steel compared with the thermal conductivity of copper or aluminum, as well as the presence of technological gaps between the individual segments of the coolers, lead to a decrease in the thermal technical efficiency of cooling.
Кроме того известен статор электрической машины с жидкостным охлаждением, в котором охладители с охлаждающей жидкостью размещены без зазора между участками разделенного по длине сердечника статора, набранного из изолированных листов электротехнической стали. Охладители состоят из медных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость, и медных корпусов, в который вложены эти трубки. Технологические зазоры между трубками и корпусом охладителей заполнены теплопроводной пастой (RU 2439768 С2, Н02К 9/19, Н02К 1/12, 10.01.2012).In addition, the stator of an electric liquid-cooled machine is known, in which coolers with a cooling liquid are placed without a gap between the sections of a stator core divided along the length, drawn from insulated sheets of electrical steel. Coolers consist of copper tubes, inside which coolant flows, and copper housings in which these tubes are embedded. Technological gaps between the tubes and the cooler case are filled with heat-conducting paste (RU 2439768 C2, Н02К 9/19, Н02К 1/12, 10.01.2012).
Этот статор и электрическая машина на его основе также имеют повышенные габаритные размеры из-за увеличения длины сердечника статора на суммарную толщину охладителей и относительно невысокую теплотехническая эффективность охлаждения по причине наличия на пути теплового потока технологических зазоров между медной трубкой и корпусом, заполненных теплопроводной пастой, которая имеет, по сравнению с металлами, более высокое тепловое сопротивление.This stator and the electric machine based on it also have increased overall dimensions due to the increase in the length of the stator core by the total thickness of the coolers and the relatively low thermal performance of cooling due to the presence of technological gaps in the path of the heat flux between the copper tube and the housing filled with heat-conducting paste, which has, in comparison with metals, higher thermal resistance.
Известен также статор электрической машины с жидкостным охлаждением, в котором реализована принудительная прокачка охлаждающей жидкости по осевым каналам внутри его магнитопровода. Он содержит систему трубок (охладителей), выполненных из металла и вложенных в тело сердечника статора, по которым циркулирует хладоагент (вода, масло и т.п.), охлаждаемый во внешнем теплообменнике. Трубки (охладители) размещены в каналах сердечника статора по аксиальной или радиальной схеме и приближены к его обмоткам (US 20130076167 Al, Н02К 9/19, 28.03.2013; Филиппов И.Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. - М.-Л.: Энергия, 1964, стр. 197-199).Also known is the stator of an electric liquid-cooled machine, which implements forced pumping of coolant through axial channels inside its magnetic circuit. It contains a system of tubes (coolers) made of metal and embedded in the body of the stator core, through which a coolant (water, oil, etc.) circulates, cooled in an external heat exchanger. Tubes (coolers) are placed in the channels of the stator core according to the axial or radial scheme and are close to its windings (US 20130076167 Al, Н02К 9/19, 03/28/2013; Filippov IF Issues of cooling electrical machines. - M.-L .: Energy, 1964, pp. 197-199).
Размещение охладителей (трубок) внутри магнитопровода вблизи обмоток позволяет повысить эффективность охлаждения обмоток и магнитопровода за счет сокращения длины пути распространения теплового потока от активных тепловыделяющих частей статора до границы с охлаждающей жидкостью.Placing coolers (tubes) inside the magnetic circuit near the windings allows to increase the cooling efficiency of the windings and the magnetic circuit by reducing the length of the heat flux propagation path from the active heat-generating parts of the stator to the boundary with the coolant.
Однако наличие множества отверстий в сердечнике статора с установленными в них трубками приводит к усложнению конструкции статора и снижению технологичности его изготовления. Кроме того, при работе электрической машины часть изменяющегося во времени магнитного потока в спинке сердечника распространяется в промежутке между каналами с охлаждающей жидкостью и наружной поверхностью статора, что приводит к возникновению на них ЭДС, протеканию по ним паразитного электрического тока и, соответственно, к увеличению потерь в статоре и к его дополнительному нагреву.However, the presence of many holes in the stator core with tubes installed in them leads to a complication of the stator design and a decrease in the manufacturability of its manufacture. In addition, during the operation of the electric machine, part of the time-varying magnetic flux in the core back propagates between the channels with coolant and the outer surface of the stator, which leads to the emergence of an emf on them, the passage of stray electric current through them and, consequently, to an increase in losses in the stator and to its additional heating.
Известен также статор электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащий цилиндрическую оболочку, монолитный магнитопровод из ферромагнитного материала с установленной на нем обмоткой и кольцеобразные нажимные элементы, расположенные с торцевых сторон магнитопровода. Оболочка имеет внутренний диаметр, превышающий наружный диаметр магнитопровода, герметично соединена с нажимными элементами по их периметру и охватывает магнитопровод статора с его внешней стороны, образуя наружный периметр охлаждающей камеры тороидальной формы с каналами охлаждения прямоугольного сечения, заполненными жидкостью, охлаждаемой во внешнем теплообменнике. Каналы образованы выступами на внешней поверхности магнитопровода за счет сборки пакета магнитопровода из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, имеющих различную конфигурацию их внешнего контура. Герметизация каналов достигается путем склейки листов. Механическая прочность статора обеспечивается за счет установки снаружи магнитопровода аксиально ориентированных болтов, шпилек, заклепок или планок, или гильзы, выполненной из прочного материала (например, стали), в которую запрессован магнитопровод, или применения указанной оболочки охлаждающей камеры, имеющей прочность, достаточную для ее использования в качестве несущей конструкции (RU 2284627 С2, Н02К 9/19, 27.09.2006).Also known is the stator of an electric liquid-cooled machine, containing a cylindrical shell, a monolithic magnetic core of ferromagnetic material with a winding mounted on it, and ring-shaped pressure elements located on the end sides of the magnetic circuit. The shell has an inner diameter greater than the outer diameter of the magnetic circuit, is hermetically connected to the pressure elements along their perimeter, and encompasses the stator magnetic circuit on its outer side, forming the outer perimeter of the toroidal cooling chamber with rectangular cooling channels filled with liquid cooled in an external heat exchanger. The channels are formed by protrusions on the outer surface of the magnetic circuit due to the assembly of the magnetic circuit package from sheets of electrical steel or amorphous ferromagnetic material having a different configuration of their external contour. Channel sealing is achieved by gluing sheets. The mechanical strength of the stator is ensured by installing axially oriented bolts, studs, rivets or planks, or a sleeve made of durable material (for example, steel) into which the magnetic circuit is pressed, or by using the specified shell of the cooling chamber having a strength sufficient for it use as a supporting structure (RU 2284627 C2, Н02К 9/19, 09/27/2006).
Недостатком этого статора является повышенная сложность его конструкции, обусловленная необходимостью применения в его магнитопроводе листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, имеющих различную конфигурацию наружного контура. Его другим недостатком, по сравнению со статорами с аналогичными габаритными размерами и каналами охлаждения, расположенными внутри магнитопровода, являются повышенные потери. Обусловлено это тем, что наличие выступов на наружной поверхности магнитопровода, необходимых для образования каналов охлаждения, приводит к необходимости уменьшения активного диаметра статора с соответствующим уменьшением сечения магнитопровода и обмоток, что при равной мощности электрической машины приводит к увеличению потерь в ней.The disadvantage of this stator is the increased complexity of its design, due to the need to use in its magnetic circuit sheets of electrical steel or an amorphous ferromagnetic material having a different configuration of the outer contour. Its other drawback, in comparison with stators with similar overall dimensions and cooling channels located inside the magnetic circuit, is increased losses. This is due to the fact that the presence of protrusions on the outer surface of the magnetic circuit, necessary for the formation of cooling channels, leads to the need to reduce the active diameter of the stator with a corresponding decrease in the cross section of the magnetic circuit and windings, which with equal power of the electric machine leads to an increase in losses in it.
Наиболее близким к предложенному является статор индукторной электрической машины, имеющий фазные обмотки, выполненные в виде сосредоточенных катушек, размещенных на зубцах сердечника (магнитопровода) статора в его пазах, и каналы жидкостного охлаждения, выполненные в виде трубок, расположенных между корпусом (оболочкой) и сердечником статора в выемках спинки этого сердечника напротив его зубцов. Каналы охлаждения соединены между собой собой последовательно и/или параллельно с помощью коллекторов, приспособленных для подвода и отвода жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике (RU 2660811 C1, H02R 19/24, Н02К 9/16, 10.07.2018).Closest to the proposed one is the stator of an induction electric machine having phase windings made in the form of concentrated coils placed on the teeth of the stator core (magnetic circuit) in its grooves and liquid cooling channels made in the form of tubes located between the body (shell) and the core stator in the recesses of the back of this core opposite its teeth. The cooling channels are interconnected sequentially and / or in parallel with the help of manifolds adapted for supplying and discharging liquid cooled in an external heat exchanger (RU 2660811 C1, H02R 19/24, Н02К 9/16, 07/10/2018).
Недостатком этого статора является повышенная сложность и пониженная технологичность его изготовления, что обусловлено наличием трубок, установленных в каналах жидкостного охлаждения. К недостаткам этого статора относится также пониженная теплотехническая эффективность его охлаждения из-за тепловых сопротивлении трубок и технологических зазоров между трубками и сердечником статора, расположенных на путях отвода тепла, а также отсутствие охлаждения сердечника статора с его торцевых сторон.The disadvantage of this stator is the increased complexity and reduced manufacturability of its manufacture, which is due to the presence of tubes installed in the liquid cooling channels. The disadvantages of this stator are also the reduced thermal efficiency of its cooling due to the thermal resistance of the tubes and technological gaps between the tubes and the stator core located on the heat removal paths, as well as the lack of cooling of the stator core from its end sides.
Из анализа известных аналогов и прототипа следует, что в предшествующем уровне техники не решена техническая проблема создания статора электрической машины, в котором сочетаются высокая теплотехническая эффективность охлаждения, простота конструкции и отсутствие потерь, обусловленных наведением ЭДС на проводниках, образованных охлаждающей жидкостью, протекающей в каналах жидкостного охлаждения. Задачей изобретения является создание такого статора.From the analysis of known analogues and the prototype, it follows that in the prior art the technical problem of creating a stator of an electric machine, which combines high thermal technical efficiency of cooling, simplicity of design and the absence of losses due to the induction of EMF on conductors formed by the cooling fluid flowing in the channels of the liquid cooling. The objective of the invention is the creation of such a stator.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является одновременное улучшение охлаждения и технологичности конструкции статора.The technical result to which this invention is directed is the simultaneous improvement of cooling and manufacturability of the stator structure.
Под технологичностью статора в данном случае подразумевается совокупность свойств его конструкции, определяющих ее приспособленность к достижению минимальных затрат в процессе производства по сравнению с однотипными конструкциями при одинаковых условиях их изготовления и тех же показателях качества.In this case, the manufacturability of the stator means the totality of the properties of its design, which determine its adaptability to achieve minimum costs in the production process compared to similar designs with the same conditions for their manufacture and the same quality indicators.
В статоре электрической машины с жидкостным охлаждением, содержащем сердечник из ферромагнитного материала с установленной на нем обмоткой, размещенный в оболочке, кольцеобразные нажимные элементы, расположенные с обеих торцевых сторон сердечника и прикрепленные к оболочке, герметизированные каналы, расположенные аксиально между оболочкой и наружной поверхностью сердечника в канавках, выполненных на наружной поверхности сердечника напротив его зубцов, и соединенные между собой последовательно и/или параллельно с помощью коллекторов, приспособленных для подвода и отвода охлаждающей жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике, указанный технический результат достигается за счет того, что коллекторы выполнены в кольцеобразных нажимных элементах, места соединений кольцеобразных нажимных элементов с сердечником загерметизированы за счет заполнения зазоров уплотняющим материалом и/или применения дополнительных деталей из упругого материала, а герметизация каналов выполнена без применения трубок.In the stator of an electric liquid-cooled machine containing a core made of ferromagnetic material with a winding installed on it, housed in a shell, ring-shaped push elements located on both ends of the core and attached to the shell, sealed channels located axially between the shell and the outer surface of the core in grooves made on the outer surface of the core opposite its teeth, and connected to each other in series and / or in parallel using a collector c, adapted for supplying and discharging coolant cooled in an external heat exchanger, the specified technical result is achieved due to the fact that the collectors are made in ring-shaped pressure elements, the joints of the ring-shaped pressure elements with the core are sealed by filling gaps with sealing material and / or using additional parts of elastic material, and the sealing of the channels is made without the use of tubes.
В частных вариантах реализации предложенного статора указанный технический результат достигается также за счет того, что:In private embodiments of the proposed stator, the specified technical result is also achieved due to the fact that:
- сердечник собран из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, изготовленных с применением квалитета от IT 13 до IT 17 для их наружного контура, по меньшей мере в областях расположения герметизированных каналов;- the core is assembled from sheets of electrical steel or an amorphous ferromagnetic material, manufactured using a qualification of
- сердечник выполнен из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала с самоклеящимся покрытием, обеспечивающим герметичность сердечника после склеивания листов путем сжатия и нагревания сердечника, в частности, с обеспечением его прочности, достаточной для использования сердечника в качестве несущей конструкции электрической машины;- the core is made of sheets of electrical steel or an amorphous ferromagnetic material with a self-adhesive coating, which ensures the tightness of the core after gluing the sheets by compressing and heating the core, in particular, ensuring its strength sufficient to use the core as a supporting structure of an electric machine;
-к наружной поверхности сердечника прикреплена герметизирующая теплопроводящая пленка или фольга;- a sealing heat-conducting film or foil is attached to the outer surface of the core;
- на внутренней поверхности оболочки выполнены канавки, расположенные напротив канавок сердечника;- on the inner surface of the shell grooves are located located opposite the grooves of the core;
- оболочка выполнена согнутой из металлического листа или с искусственно созданными неровностями на ее внутренней поверхности, например, рифлением, и прикреплена к кольцевым нажимным элементам, в частности, с помощью сварки, развальцовки и/или клея.- the shell is made bent from a metal sheet or with artificially created irregularities on its inner surface, for example, corrugation, and is attached to the annular pressing elements, in particular by welding, flaring and / or glue.
Указанные отличительные признаки независимого и зависимых пунктов формулы изобретения обеспечивают достижение одного и того же технического результата.These distinctive features of the independent and dependent claims provide for the achievement of the same technical result.
В том числе, реализация первого отличительно признака независимого пункта формулы изобретения, предусматривающего выполнение коллекторов в кольцеобразных нажимных элементах с герметизацией мест их соединений с сердечником за счет заполнения зазоров уплотняющим материалом и/или путем применения дополнительных деталей из упругого материала, обеспечивает улучшение охлаждения статора благодаря более интенсивному охлаждению наружных торцевых поверхностей спинки статора и лобовых частей обмотки, прилегающих к этим нажимным элементам. Одновременно достигается улучшение технологичности конструкции за счет исключения необходимости изготовления отдельных коллекторов и трубопроводов, соединяющих каналы с коллекторами.In particular, the implementation of the first distinguishing feature of the independent claim, which provides for the execution of collectors in annular pressure elements with sealing of their joints with the core by filling gaps with sealing material and / or by using additional parts from elastic material, provides improved stator cooling due to more intensive cooling of the outer end surfaces of the back of the stator and the frontal parts of the winding adjacent to these pressure elements. At the same time, an improvement in the manufacturability of the structure is achieved by eliminating the need to manufacture individual collectors and pipelines connecting the channels to the collectors.
Реализация второго отличительного признака независимого пункта формулы изобретения, согласно которому герметизация каналов выполнена без применения трубок, позволяет улучшить охлаждение статора за счет исключения теплового сопротивления как самих трубок, так технологического зазора между сердечником и этими трубками. Одновременно обеспечивается улучшение технологичности конструкции статора за счет исключения необходимости изготовления и установки этих трубок.The implementation of the second distinguishing feature of the independent claim, according to which the sealing of the channels is carried out without the use of tubes, allows to improve the cooling of the stator by eliminating the thermal resistance of both the tubes themselves and the technological gap between the core and these tubes. At the same time, the technological design of the stator is improved by eliminating the need to manufacture and install these tubes.
В частных альтернативных вариантах реализации изобретения, указанных в зависимых пунктах его формулы, также достигается указанный технический результат.In private alternative embodiments of the invention indicated in the dependent claims, the indicated technical result is also achieved.
В частности, реализация отличительного признака зависимого пункта формулы изобретения, предусматривающего сборку сердечника из листов электротехнической стали, изготовленных с низкой точностью - с применением квалитета (International Tolerance) от IT 13 до IT 17 для их наружного контура, по меньшей мере в областях расположения герметизированных каналов, приводит к увеличению разброса размеров (расшихтовки) листов на наружной поверхности сердечника. Это обеспечивает, с одной стороны, улучшение охлаждения статора за счет увеличения площади теплового контакта охлаждающей жидкости с сердечником статора и турбулизации этой жидкости, а с другой стороны - к улучшению технологичности изготовления статора за счет снижения требований к точности изготовления листов его сердечника.In particular, the implementation of the distinguishing feature of the dependent claim, which provides for the assembly of the core from sheets of electrical steel made with low accuracy, using International Tolerance qualifications from
В случае реализации отличительных признаков 3-го и 4-го зависимых пунктов формулы изобретения, согласно которым сердечник изготавливается из листов электротехнической стали с самоклеящимся покрытием, обеспечивающим герметичность сердечника после склеивания листов путем его сжатия и нагревания, в частности, с обеспечением прочности сердечника, достаточной для его использования в качестве несущей конструкции электрической машины, улучшение охлаждения статора обеспечивается за счет прямого контакта охлаждающей жидкости с поверхностью сердечника. Склеивание листов обеспечивает также улучшение охлаждения статора за счет улучшения передачи тепла вдоль оси электрической машины через спинку статора на нажимные элементы, в которых выполнены коллекторы. Одновременно повышается технологичность конструкции за счет исключения необходимости установки герметизирующих трубок и силовых элементов, обеспечивающих жесткость и прочность статора.In the case of the implementation of the distinguishing features of the 3rd and 4th dependent claims, according to which the core is made of sheets of electrical steel with a self-adhesive coating, which ensures the tightness of the core after gluing the sheets by compressing and heating it, in particular, ensuring sufficient core strength for its use as a supporting structure of an electric machine, improved stator cooling is ensured by direct contact of the coolant with the surface core. The bonding of the sheets also provides improved cooling of the stator by improving the transfer of heat along the axis of the electric machine through the back of the stator to the pressure elements in which the collectors are made. At the same time, the manufacturability of the structure is increased due to the elimination of the need to install sealing tubes and power elements that provide stator stiffness and strength.
Герметизация каналов для охлаждающей жидкости путем приклейки (крепления) герметизирующей теплопроводящей пленки или фольги на наружную поверхность сердечника статора, предусмотренная следующим отличительным признаком зависимого пункта формулы, по сравнению с герметизацией каналов с помощью трубок или наружной рубашки охлаждения, позволяет улучшить охлаждение статора за счет уменьшения толщины этого герметизирующего элемента и, соответственно, его теплового сопротивления. Одновременно достигается улучшение технологичности конструкции статора за счет более простого изготовления и монтажа пленки или фольги по сравнению с другими герметизирующими элементами.Sealing the channels for the coolant by gluing (attaching) a sealing heat-conducting film or foil to the outer surface of the stator core, provided for by the following distinguishing feature of the dependent claim, in comparison with sealing the channels with tubes or an external cooling jacket, improves stator cooling by reducing the thickness this sealing element and, accordingly, its thermal resistance. At the same time, an improvement in the manufacturability of the stator design is achieved due to a simpler manufacture and installation of a film or foil in comparison with other sealing elements.
Устройство на внутренней поверхности оболочки канавок, расположенных напротив аксиальных канавок сердечника, обеспечивает улучшение охлаждения за счет увеличения сечения каналов для охлаждающей жидкости и, соответственно, площади соприкосновения охлаждающей жидкости с конструктивными элементами статора. Увеличение этого сечения приводит также к улучшению технологичности конструкции статора за счет снижения требований к точности изготовления элементов статора, образующих эти каналы.The device on the inner surface of the shell of the grooves located opposite the axial grooves of the core provides improved cooling by increasing the cross-section of the channels for the coolant and, accordingly, the area of contact of the coolant with the structural elements of the stator. An increase in this cross section also leads to an improvement in the manufacturability of the stator structure due to a decrease in the accuracy requirements for the manufacture of stator elements forming these channels.
Выполнение оболочки из металлического листа или с искусственно созданными неровностями на ее внутренней поверхности, а также крепление оболочки к кольцевым нажимным элементам с помощью сварки, развальцовки и/или клея, реализованное в соответствии с последними отличительными признаками зависимых пунктов формулы изобретения, в отличие от традиционно применяющейся расточки внешнего корпуса или оболочки электрической машины, обеспечивает улучшение охлаждения статора за счет увеличения площади контракта охлаждающей жидкости с этой оболочкой за счет более шероховатой поверхности или искусственно созданных на ней выступов и впадин. Применение такой оболочки, а также ее соединение с нажимными элементами без дополнительных крепежных элементов, обеспечивает также повышение технологичности конструкции статора.The execution of the shell of a metal sheet or with artificially created irregularities on its inner surface, as well as the fastening of the shell to the annular pressure elements by welding, beading and / or glue, implemented in accordance with the latest distinguishing features of the dependent claims, in contrast to the traditionally used the bores of the outer casing or shell of the electric machine, provides improved stator cooling by increasing the area of the coolant contract with this a lacquer due to a rougher surface or artificially created protrusions and depressions on it. The use of such a shell, as well as its connection with the pressure elements without additional fasteners, also provides an increase in the manufacturability of the stator structure.
На фиг. 1 схематично показан статор электрической машины с жидкостным охлаждением. На фиг. 2 приведена упрощенная гидравлическая схема его системы охлаждения. На фиг. 3 показаны каналы охлаждения, расположенные аксиально между оболочкой и наружной поверхностью сердечника статора, а на фиг. 4 - вариант реализации этих каналов с увеличенным сечением.In FIG. 1 schematically shows the stator of an electric liquid-cooled machine. In FIG. 2 shows a simplified hydraulic diagram of its cooling system. In FIG. 3 shows cooling channels axially located between the shell and the outer surface of the stator core, and in FIG. 4 is an embodiment of these channels with an enlarged section.
Электрическая машина может быть электрическим двигателем и/или генератором. Она может быть вентильно-индукторной (вентильной реактивной, вентильной индукторно-реактивной) без постоянных магнитов и обмоток на роторе, именуемой в зарубежной технической литературе как электродвигатель с переменным магнитным сопротивлением: «SRM» (Switched Reluctance Motor), синхронной с постоянными магнитами на роторе, именуемой в зарубежной литературе: «PMSM» (Permanent Magnet Synchronous Motor), «BLDC» (Brushless Direct Current Motor) или «РМа-SynRM» (Permanent magnet-assisted synchronous reluctance machines), с комбинированным (гибридным) электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением: «HEFSM» (Hybrid excitation flux switching motor), a также асинхронной: «IM» (Induction motor) с короткозамкнутым или фазным ротором.The electric machine may be an electric motor and / or generator. It can be a valve-inductor (valve reactive, valve inductor-reactive) without permanent magnets and windings on the rotor, referred to in the foreign technical literature as an electric motor with variable magnetic resistance: "SRM" (Switched Reluctance Motor), synchronous with permanent magnets on the rotor , referred to in foreign literature: “PMSM” (Permanent Magnet Synchronous Motor), “BLDC” (Brushless Direct Current Motor) or “PMA-SynRM” (Permanent magnet-assisted synchronous reluctance machines), with combined (hybrid) electromagnetic and magnetoelectric excitation : “HEFSM” (Hybrid exci tation flux switching motor), as well as asynchronous: “IM” (Induction motor) with squirrel-cage or phase rotor.
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.The stator contains a
В пазах сердечника на его зубцах размещена сосредоточенная или распределенная обмотка 2. Она может быть однослойной или многослойной, волновой или петлевой.A concentrated or
Сердечник размещен в оболочке 3, которая может быть изготовлена с использованием гибки (вальцовки) и сварки металлического листа или обработки трубы. На всей ее внутренней поверхности или в области расположения каналов для охлаждающей жидкости могут быть выполнены неровности, искусственно созданные с помощью фрезерования, штамповки, накатки и т.п.The core is placed in a
С обеих торцевых сторон сердечника 1 расположены кольцеобразные нажимные элементы 4, 5, изготовленные (отлитые) из алюминиевого сплава или из стали и прикрепленные к оболочке 3 с помощью сварки 6, развальцовки и/или клея.On both ends of the
В канавках спинки сердечника 1 напротив его зубцов выполнены аксиальные герметизированные каналы 7. Их число выбрано равным числу зубцов сердечника 1.In the grooves of the back of the
С целью увеличения сечения и площади внутренней поверхности каналов для охлаждающей жидкости, на внутренней поверхности оболочки могут быть выполнены канавки 8, расположенные напротив канавок сердечника. Они могут быть образованы, в частности, штамповкой листа перед его гибкой.In order to increase the cross section and the area of the inner surface of the channels for the coolant,
Каналы 7 (8) гидравлически соединены между собой с помощью коллекторов 9, 10, представляющих собой внутренние полости нажимных кольцеобразных элементов 4, 5.The channels 7 (8) are hydraulically interconnected using
К нажимным элементам прикреплены подшипниковые щиты 11, 12. Их буртики входят в расточки нажимных элементов 4, 5, образуя внутренние замки.Bearing shields 11, 12 are attached to the pressure elements. Their shoulders enter the bores of the
Охлаждающая жидкость Q (вода, масло, антифриз и т.д.) подается на статор через патрубки (штуцеры) 13 на коллектор 9 со стороны подшипниковых щитов (фиг. 1) (по аксиальной схеме), либо непосредственно на кольцевые нажимные элементы 4, 5 (по радиальной схеме). В этих схемах оси патрубков, соответственно, параллельны или перпендикулярны оси электрической машины.Coolant Q (water, oil, antifreeze, etc.) is supplied to the stator through nozzles (fittings) 13 to the
Каналы охлаждения 7 (8) соединены между собой последовательно, параллельно или по смешанной схеме. Возможный вариант их соединений с помощью коллекторов 9, 10 показан на фиг. 2. На этом чертеже у статора с 12-ю каналами охлаждения образованы две группы каналов, каждая из которых содержит по 6 последовательно соединенных каналов. Далее эти группы соединены между собой параллельно.The cooling channels 7 (8) are interconnected in series, parallel or in a mixed manner. A possible embodiment of their
Если используется параллельное соединение всех каналов, то патрубки (штуцеры) 13 установлены на обоих кольцевых нажимных элементах 4, 5, а коллекторы 9,10 выполнены в виде кольцевых проточек в этих элементах.If a parallel connection of all channels is used, then the nozzles (fittings) 13 are installed on both
Циркуляция жидкости, охлаждаемой во внешнем теплообменнике или радиаторе 14, осуществляется с помощью внешнего насоса 15. В случае необходимости, для передачи тепловой энергии от радиатора (теплообменника) окружающей среде (воздуху) используется вентилятор 16.The fluid cooled in the external heat exchanger or
В дополнение к жидкостному охлаждению может применяться воздушное конвективное (естественное) или принудительное (с помощью внешнего вентилятора) охлаждение наружной поверхности оболочки 3 статора.In addition to liquid cooling, air convective (natural) or forced (using an external fan) cooling of the outer surface of the
Если сердечник 1 выполнен из листов (пластин) электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, то эти листы могут быть изготовлены с невысокой точностью - с применением квалитета от IT 13 до IT 17 для их наружного контура, по меньшей мере в областях расположения герметизированных каналов 7.If the
Герметизация каналов выполнена без применения трубок. С этой целью сердечник выполнен из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала с самоклеящимся покрытием, обеспечивающим герметичность сердечника после склеивания листов путем сжатия и нагревания сердечника. Склейка может осуществляться также путем предварительного несения клея (компаунда) на каждую сторону отдельного листа, последующей сборки листов в пакет на оправку, сжатия пакета и его термообработки для отверждения клея.Sealing the channels without tubes. For this purpose, the core is made of sheets of electrical steel or an amorphous ferromagnetic material with a self-adhesive coating, which ensures the tightness of the core after gluing the sheets by compressing and heating the core. Gluing can also be carried out by first carrying glue (compound) on each side of a single sheet, then assembling the sheets into a bag onto a mandrel, compressing the bag and heat treatment it to cure the glue.
Возможна также герметизация каналов путем установки на наружную поверхность сердечника герметизирующей теплопроводящей пленки или фольги, покрывающей наружную поверхность сердечника и исключающей возможность протекания охлаждающей жидкости между листами. В частности, установки клеевой ленты на основе алюминиевой или медной фольги с клеем, обладающим повышенной теплопроводностью.It is also possible to seal the channels by installing a sealing heat-conducting film or foil on the outer surface of the core covering the outer surface of the core and eliminating the possibility of coolant flowing between the sheets. In particular, the installation of adhesive tape based on aluminum or copper foil with an adhesive having high thermal conductivity.
С целью повышения надежности статора возможно также одновременное применение склеивания листов сердечника и установки на его наружную поверхность герметизирующей пленки или фольги.In order to increase the reliability of the stator, it is also possible to simultaneously glue the sheets of the core and install a sealing film or foil on its outer surface.
Склеивании листов сердечника может осуществляться с использованием клея, обеспечивающего достижение прочности сердечника, достаточной для его использования в качестве несущей конструкции электрической машины.The gluing of the core sheets can be carried out using glue to ensure that the core is strong enough to be used as the supporting structure of the electric machine.
При отсутствии склейки или в дополнение к ней, листы электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала сердечника статора могут быть скреплены между собой с помощью дополнительных силовых элементов (шпилек, болтов, планок, накладок и т.п.), размещенных аксиально снаружи оболочки или в отверстиях сердечника и стягивающих между собой подшипниковые щиты 11, 12, либо кольцевые нажимные элементы 4, 5.In the absence of gluing, or in addition to it, sheets of electrical steel or amorphous ferromagnetic material of the stator core can be bonded to each other with the help of additional strength elements (studs, bolts, strips, overlays, etc.) placed axially outside the shell or in the holes core and tightening between each other bearing shields 11, 12, or ring
Герметизация коллекторов 9, 10 выполнена за счет заполнения зазоров между кольцеобразными нажимными элементами 4, 5 и сердечником 1 уплотняющим материалом (пастой, замазкой, мастикой, самоклеящейся лентой и т.п.), и/или применения дополнительных деталей из упругого материала (уплотнительных прокладок, колец и т.п.) 17. Если подвод и/или отвод охлаждающей жидкости осуществляется через патрубки (штуцеры) 13, прикрепленные к подшипниковым щитам 11, 12 или выполненные заодно с ними, то аналогичным образом осуществляется герметизация соединений кольцеобразных нажимных элементов с этими щитами.The
Ротор 18, отделенный от статора воздушным зазором, закреплен на валу и установлен в подшипниках, запрессованных в подшипниковые щиты 11, 12. Ротор может быть явнополюсным (зубчатым) пассивным, если электрическая машина является индукторной реактивной (SRM). Он может также содержать постоянные магниты, в частности интегрированные в тело ротора по V-образной схеме, или короткозамкнутую обмотку, если электрическая машина является, соответственно, машиной с постоянными магнитами (BLDC, PMSM) или асинхронной (IM).The
Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
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.After applying voltage to the
При этом происходит нагрев сердечника и обмоток статора. Выделяющееся тепло распространяется радиально вдоль листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала до каналов 7 (8) и далее передается протекающей в них охлаждающей жидкости.In this case, the core and stator windings are heated. The generated heat spreads radially along sheets of electrical steel or amorphous ferromagnetic material to channels 7 (8) and is then transferred to the coolant flowing into them.
Одновременно тепло через спинку сердечника аксиально передается на кольцевые нажимные элементы 4, 5 и расположенные в них коллекторы 9, 10, что улучшает охлаждение статора.At the same time, heat is axially transmitted through the back of the core to the
Охлаждающая жидкость Q из каналов 7 (8) через коллекторы 9, 10 и патрубки (штуцеры) 13 по отводящему трубопроводу поступает во внешний теплообменник (радиатор) 14 и после охлаждения вновь подается на электрическую машину с помощью внешнего циркуляционного насоса 15. Таким образом реализуется замкнутая система жидкостного охлаждения статора.The cooling liquid Q from the channels 7 (8) through the
С целью обеспечения одновременного улучшения охлаждения и технологичности конструкции статора, в нем реализованы указанные выше различные альтернативные технические решения, либо их сочетания.In order to ensure simultaneous improvement of cooling and manufacturability of the stator design, it implements the various alternative technical solutions mentioned above, or their combinations.
В частности, сборка сердечника из листов электротехнической стали или аморфного ферромагнитного материала, изготовленных с невысокой точностью, приводит к неравномерному выступанию этих пластин на наружном контуре сердечника. Это приводит к увеличению площади контакта охлаждающей жидкости с сердечником, а также к турбулизации ее потока. Благодаря этому достигается улучшение охлаждения статора при одновременном улучшении технологичности его конструкции.In particular, the assembly of the core from sheets of electrical steel or an amorphous ferromagnetic material made with low accuracy leads to an uneven projection of these plates on the outer contour of the core. This leads to an increase in the contact area of the coolant with the core, as well as to turbulization of its flow. Due to this, an improvement in cooling of the stator is achieved while improving the manufacturability of its design.
В случае реализации каналов для охлаждающей жидкости с повышенным сечением за счет канавок, расположенных на оболочке, а также применения оболочки, изготовленной методом вальцовки из металлического листа или с искусственно созданными неровностями на ее внутренней поверхности, достигается увеличение площади контракта охлаждающей жидкости с оболочкой, что также обеспечивает улучшение охлаждения статора при одновременном упрощении ее конструкции.In the case of the implementation of channels for coolant with an increased cross section due to grooves located on the shell, as well as the use of a shell made by rolling from a metal sheet or with artificially created irregularities on its inner surface, an increase in the area of the contract of the coolant with the shell is achieved, which also provides improved cooling of the stator while simplifying its design.
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.For specialists in this field of technology it is clear that in addition to the described design options for the stator of an electric liquid-cooled machine, other options for its implementation are also possible based on the features set forth in the claims.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113190A RU2706016C1 (en) | 2019-04-29 | 2019-04-29 | Electric machine stator with liquid cooling |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019113190A RU2706016C1 (en) | 2019-04-29 | 2019-04-29 | Electric machine stator with liquid cooling |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2706016C1 true RU2706016C1 (en) | 2019-11-13 |
Family
ID=68579903
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019113190A RU2706016C1 (en) | 2019-04-29 | 2019-04-29 | Electric machine stator with liquid cooling |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2706016C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2720064C1 (en) * | 2019-11-26 | 2020-04-23 | Вячеслав Авазович Чукреев | Switched reluctance motor |
RU200923U1 (en) * | 2019-12-06 | 2020-11-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | ELECTRIC MACHINE FROM COMPOSITE MATERIALS |
RU201583U1 (en) * | 2020-09-15 | 2020-12-22 | Валерий Мефодьевич Ткачев | PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR INDUCTOR |
CN112865395A (en) * | 2021-03-03 | 2021-05-28 | 江苏华永复合材料有限公司 | Cooling system for high power density automobile motor |
WO2022166226A1 (en) * | 2021-02-02 | 2022-08-11 | 山东省章丘鼓风机股份有限公司 | Phase-change cooling type permanent magnet direct-drive blower |
RU2798501C1 (en) * | 2023-01-27 | 2023-06-23 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Эмкб" | Electric machine stator with intensive cooling |
WO2024105210A1 (en) * | 2022-11-17 | 2024-05-23 | Elringklinger Ag | Stator device and electric machine |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1302383A1 (en) * | 1984-10-29 | 1987-04-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Электромашиностроения | Stator for electric machine |
SU1667201A1 (en) * | 1989-03-09 | 1991-07-30 | Ленинградское Производственное Электромашиностроительное Объединение "Электросила" Им.С.М.Кирова | Stator of liquid-cooled electrical machine and method of manufacturing same |
RU2223584C2 (en) * | 2001-02-16 | 2004-02-10 | ОАО "Энергомашкорпорация" | Electrical machine stator |
RU2284627C2 (en) * | 2004-07-19 | 2006-09-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ") | Electrical machine stator with liquid-cooled magnetic circuit |
RU2439768C2 (en) * | 2009-12-01 | 2012-01-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Liquid-cooling system for electric machinery stators |
US20130076167A1 (en) * | 2011-09-23 | 2013-03-28 | Remy Technologies, Llc | Cooling system and method for electronic machines |
RU2660811C1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Induction electrical machine |
-
2019
- 2019-04-29 RU RU2019113190A patent/RU2706016C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1302383A1 (en) * | 1984-10-29 | 1987-04-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт Электромашиностроения | Stator for electric machine |
SU1667201A1 (en) * | 1989-03-09 | 1991-07-30 | Ленинградское Производственное Электромашиностроительное Объединение "Электросила" Им.С.М.Кирова | Stator of liquid-cooled electrical machine and method of manufacturing same |
RU2223584C2 (en) * | 2001-02-16 | 2004-02-10 | ОАО "Энергомашкорпорация" | Electrical machine stator |
RU2284627C2 (en) * | 2004-07-19 | 2006-09-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ") | Electrical machine stator with liquid-cooled magnetic circuit |
RU2439768C2 (en) * | 2009-12-01 | 2012-01-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Liquid-cooling system for electric machinery stators |
US20130076167A1 (en) * | 2011-09-23 | 2013-03-28 | Remy Technologies, Llc | Cooling system and method for electronic machines |
RU2660811C1 (en) * | 2017-03-21 | 2018-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Резонанс" (ООО НПП "Резонанс") | Induction electrical machine |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2720064C1 (en) * | 2019-11-26 | 2020-04-23 | Вячеслав Авазович Чукреев | Switched reluctance motor |
RU200923U1 (en) * | 2019-12-06 | 2020-11-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | ELECTRIC MACHINE FROM COMPOSITE MATERIALS |
RU201583U1 (en) * | 2020-09-15 | 2020-12-22 | Валерий Мефодьевич Ткачев | PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR INDUCTOR |
WO2022166226A1 (en) * | 2021-02-02 | 2022-08-11 | 山东省章丘鼓风机股份有限公司 | Phase-change cooling type permanent magnet direct-drive blower |
CN112865395A (en) * | 2021-03-03 | 2021-05-28 | 江苏华永复合材料有限公司 | Cooling system for high power density automobile motor |
WO2024105210A1 (en) * | 2022-11-17 | 2024-05-23 | Elringklinger Ag | Stator device and electric machine |
RU2798501C1 (en) * | 2023-01-27 | 2023-06-23 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Эмкб" | Electric machine stator with intensive cooling |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2706016C1 (en) | Electric machine stator with liquid cooling | |
EP0587812B1 (en) | Electrical machines | |
US6954010B2 (en) | Lamination cooling system | |
US8072100B2 (en) | Stator for an electrical machine with liquid cooling | |
JP5656556B2 (en) | Rotating electric machine | |
US20220166275A1 (en) | High performance electromagnetic machine and cooling system | |
US6169353B1 (en) | Method for manufacturing a rotor having superconducting coils | |
CN102593975A (en) | Cooling structure of motor stator and manufacture method thereof | |
RU2687560C1 (en) | Electric machine with liquid cooling of stator | |
KR20110103955A (en) | Electrical machine and method for the manufacturing of stator sections therefor | |
JPWO2016035533A1 (en) | Rotating electric machine stator and rotating electric machine equipped with the same | |
CN115296498A (en) | Cooling structure, stator, axial magnetic field motor and assembling method | |
US20220416613A1 (en) | Electric motor with integrated cooling system | |
RU2283525C2 (en) | Electrical machine with liquid-cooled stator | |
US20230082277A1 (en) | Electric motor with integrated cooling system | |
US11183907B2 (en) | Electrical apparatus and methods for forming an electrical machine and an electrical apparatus | |
WO2021199376A1 (en) | Stator and dynamo-electric machine | |
RU2422969C1 (en) | Electromechanical converter with liquid cooling | |
CN110535315B (en) | Horseshoe-shaped winding permanent magnet motor | |
CN111817465A (en) | Rotor for an electric machine | |
DK181556B1 (en) | A cooling arrangement for cooling of an electrical synchronous machine comprising a two-layer single coil winding | |
RU227089U1 (en) | ELECTRIC MACHINE WITH IMPROVED COOLING | |
EP4412044A1 (en) | Electric machine having rotor with integrated fan | |
RU2741053C1 (en) | Switched reluctance motor with independent excitation with liquid cooling system | |
US20210273502A1 (en) | Cooling system for variable torque generation electric machine |