Увеличение частоты вращения ротора в электродвигателе приводит к уменьшению габаритов изделия при аналогичной мощности. Однако же тепловыделения в высокооборотной и низкооборотной машине находятся приблизительно на одном уровне. Таким образом, в высокооборотной машине задача применения эффективного охлаждения двигателя становится более актуальной в виду уменьшения поверхности охлаждения.

Одним из возможных решений задачи охлаждения высокооборотного двигателя является применение так называемого «пассивного фреонового охлаждения», при использовании которого можно добиться интенсификации процесса теплообмена. Данный способ охлаждения хорошо известен и в научной литературе встречается под термином «термосифон». Основным фактором, улучшающим теплообмен, является повышение коэффициента теплоотдачи за счет организации процесса кипения на охлаждаемой поверхности, в результате чего достигается высокая плотность теплового потока.

В центре ротора экспериментального синхронного электродвигателя расположен самарий-кобальтовый магнит, который снаружи удерживается бандажом. Статор двигателя установлен в корпусе, между корпусом и специальной обечайкой имеется полость («рубашка»), заполненная жидким фреоном. При нагреве фреон закипает в рубашке электродвигателя 1, и самостоятельно из-за перепада давлений, образующегося в результате процессов кипения и конденсации в конденсаторе 2, циркулирует в замкнутом контуре 3. Сконденсированный фреон под воздействием гравитационных сил стекает по трубкам конденсатора в ресивер 4, и затем вновь поступает в рубашку электродвигателя через входной штуцер снизу. В ресивере имеется «смотровое стекло», через которое можно контролировать уровень фреона при заправке системы и в процессе эксплуатации. Штуцеры для вакуумирования контура, заправки его фреоном, а также для подключения приборов контроля давления конденсации на схеме условно не показаны.

Данная система охлаждения имеет свои преимущества и недостатки. Явными преимуществами являются: отсутствие циркуляционного насоса, возможность работы при значительных отрицательных температурах, эффективный теплосъем (даже на режимах значительной перегрузки), возможность удаления конденсатора на определенное расстояние от самого двигателя, большой ресурс работы, определяющийся ресурсом охлаждающего вентилятора. К недостаткам можно отнести: наличие герметичного контура (добавление массы и габаритов к двигателю) и сам факт использования фреона. При создании пассивного фреонового охлаждения необходимо обеспечить минимальные гидравлические потери в паровой линии между рубашкой двигателя и конденсатором, а также в жидкостной линии между конденсатором и рубашкой, с целью исключения появления негативных эффектов таких как увеличение разности температур кипения и конденсации более чем на 5 градусов, и «выдавливание» фреона из рубашки в жидкостную магистраль, за счет большой разницы давлений кипения и конденсации. Для исключения вторичных эффектов необходимо уделить особое внимание проектированию фреонового контура (выбору геометрии и марки фреона, расчету теплового режима, подбору конденсатора).

В компрессорах на газовых подшипниках серии ГАГЛИ-010 с синхронным электродвигателем реализована и успешно испытана пассивная фреоновая система охлаждения на фреоне «R141b» с расчетной температурой кипения +40 градусов, расход жидкого фреона при номинальной тепловой нагрузке составил не более 0,23 л/мин.

Температура обмоток статора двигателя в модификации с водяной рубашкой и воздушной продувкой через моторный отсек при номинальной мощности 12 кВт и частоте вращения ротора 80 тыс.об/мин достигает 130…135 градусов; а температура обмоток в том же изделие с применением фреоновой системы охлаждения и при идентичном режиме – достигает всего 95…100 градусов. Это наглядный пример увеличения интенсивности теплообмена в жидкости при закипании. Отмеченное преимущество фреоновой системы охлаждения можно «полезно использовать», а именно: либо позволяет увеличить мощность до 15-20 кВт, либо при работе на номинальном режиме (12 кВт) дает возможность уменьшить расход воздушной продувки через моторный отсек и, тем самым, повысить эффективность электрокомпрессора.

На видеоролике показан монтаж фреоновой системы охлаждения электрокомпрессора на газовых подшипниках и последующие испытания. Во время испытаний температуры на поверхности агрегатов контролировались с помощью термокамеры, внутри изделия – датчиками температуры. С помощью фонендоскопа для автомехаников можно «услышать» характерный шум от кипения фреона в охлаждающей рубашке.

Ключевые слова: пассивное фреоновое охлаждение, термосифон, синхронный электродвигатель, высокоскоростной электрокомпрессор на газовых подшипниках, газовые подшипники, foilbearings.

2018 г.