CN1685590B - 带有冷却装置的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机(2)，其包括一个转子(3、9)和一个在机壳(8)内的定子(4)，该电机有一个用于冷却机壳内部的一些部件的装置。该冷却装置在电机的至少一个端侧应当有一个闭合的管路***(20)，它包括一个处于机壳外部的冷凝器(21)、一个处于机壳内部的汽化器(22)和在冷凝器与汽化器之间延伸的连接管(23、24)，以及，在此***(20)内按温差环流效应实现冷却剂(k_f、k_g)的循环。

Description

带有冷却装置的电机

本发明涉及一种电机，其包括

-一个可旋转地支承的转子和一个与之配属的在机壳内位置固定的定子，以及

-一个用于冷却机壳内部一些部件的装置。

由DE 4242123A1可知这样一种相应的电机。

在所有功率等级但尤其大功率的电机中产生大量的热，为了提高电机效率和/或延长使用寿命，采取冷却技术方面的措施将热量散出。例如，对于大型电机，如发电机，已知用H₂气冷却定子和转子(例如参见“Proceedingsof the American Power Conference”，Vol.39，Chicago 1977，255至269页)。在这里，H₂气在一个封闭的外壳内循环。在这种情况下不仅需要复杂的密封措施，而且还应采取许多安全措施。

此外，水冷式发电机也是标准的，其中水在通道内循环，通道主要通过所谓的定子线棒或定子铁芯延伸。在这种情况下需要使用泵。此外出自于防腐的原因必须使水具有一定的温度。

除此之外还已知一些尤其功率小于300MVA的风冷式电机，如电动机，在这些电机中冷却通过比较大的空气流量进行。气流尤其可通过细小的通道网路流动(参见前言提及的DE 4242123A1或EP 0823370A1)。在这些类型的电机中，气流本身由于在通道内的摩擦损失导致不期望的生热。

对于没有从外部供入流过电机的带电部件的冷却剂的封闭式电机实施外部通风，如在杂志“Drive and Control”(Heft 1，1992，10至12页)中介绍的那样，外部通风导致电机内不均匀的温度分布。在这种电机中，通常在非驱动侧轴承和定子绕组的绕组端部的热负荷低于其温度极限。反之，在驱动侧产生更高的温度，它们使驱动侧的轴承和驱动侧的绕组端部承受相应的热负荷。

因此按先有技术对于此类电机通过附加的气流平衡两侧之间的温度差并由此保证更好地冷却。有一种可能性在于实施机壳的外部通风，机壳在其外侧设散热片，借助风扇产生轴向气流，风扇在非驱动侧的顶端处由轴驱动(见例如DE 2951859C2)。由此，尽管来自定子铁芯的热可以传输给通常直接围绕它们的外壳，但是由定子绕组的从定子铁芯端侧伸出的绕组端部区的排热是不充分的。因此人们认为不得不规定也在机壳内部设特殊的通道***用于空气冷却转子和绕组端部(参见前言提及的DE 4242123A1)。

此外，转子也产生导致温升的损耗，损耗中一部分通过导热经围绕转子的气隙首先传给定子，并从那里同样排给与定子连接的机壳和冷却它的气流。然而气隙在这里意味着是一个大的热阻。转子损耗的另一个部分经电机轴向外导出并加热轴的轴承。这部分导致明显缩短轴承使用寿命，因为平均的轴承温度过大或在通常环形的轴承里面部分与外面部分之间的温差过大。

然而所述损耗的大部分，尤其在定子两侧伸入机壳内腔的绕组端部的部分，只能通过对流传给机壳的端侧。为了改善这种对流，转子可以在端侧设毛粒或翼，它们促使气流在机壳内部造成不确定的涡流。但是在这种情况下不允许过多的热传给机壳的端侧，因为在那里的轴承温度不允许超过预定的最高值。

因此本发明的目的是将具有前言所述特征的电机设计为，可以用比较低的成本尤其还对至少一个产生热量的在端侧的绕组端部有效地冷却。

按本发明此目的通过在权利要求1中说明的措施达到。据此，具有前言所述特征的电机冷却装置应在机壳的至少一个端侧含有一个闭合的管路***，它有至少

-一个处于机壳外部的冷凝器，

-一个处于机壳内部的汽化器，以及

-在冷凝器与汽化器之间延伸的连接管，

以及在该管路***内按温差环流效应实现冷却剂的循环。

这种温差环流管路***有至少一条闭合的管路，它在冷却装置的一个构成冷却源的冷区与电机要冷却的部件之间有落差地延伸。处于此管路***中的冷却剂在也称为冷凝区的冷区内(再)凝结，以及从那里流入要冷却的电机部件区域内，即流入所谓的汽化区，在那里冷却剂通过吸收损耗热加热并与此同时通常汽化。大多如此汽化的冷却剂接着在管路***内部重新流回冷凝区的范围内。因此，冷却剂的这种相应的循环基于所谓的“温差环流效应”按一种包括沸腾和汽化的自然循环进行。所述的温差环流管路***充填普通的冷却剂。这种以液体-蒸汽混合物形式存在的冷却剂是饱和的，亦即在管路***中的压力由管路***与之热接触的最低温度确定，也就是说在这里取决于在冷凝器内将吸收的热量排出时的温度。若电机的损耗热传给汽化器，则冷却剂立即蒸发，因为它处于沸腾状态。在这里的前提条件是，冷凝器处于比汽化器低的温度水平。由此引发一个循环运动，它基于冷却剂蒸汽与液体之间的密度差仅通过重力维持。为此要求将冷凝器布置在汽化器之上或至少与之等高。按本发明将此已知的原则应用在电机至少一个在端侧的部分的冷却中，优选地应用在定子绕组至少一个在那里的绕组端部上。

通过使用这种温差环流管路***，其中通过冷却剂经过相变的内部热传递，保证有非常高效的热导率，可以使损耗热在一定程度上直接从在机壳内部相关的热源，向外排给冷却空气或另一个冷却源，例如水，它在船用电动机中可以是海水。在这种情况下可有利地不必克服更大的热阻，如机壳壁或气隙。与之相关联的是有利地减小了另一些电机构件例如轴承的热负荷。冷却装置的温差环流部分没有运动部件，因而可免维护和自调节。

与单纯空气冷却的电机相比，通过借助温差环流将部分热直接在损耗热的形成地散去，可以减少空气容积流量。由此还达到降低通过气流造成的生热，从而可以进一步减小空气容积。因此得到更高的电机效率，并且如果在同样的效率水平时不打算提高功率，便可以相应地节省生产成本，尤其在定子绕组和叠片铁芯方面。除此之外，减少空气容积流量导致减少噪声的发生。

本发明电机的有利设计包含在从属权利要求中。

例如可在两个端侧机壳内部各设一温差环流管路***，以便借助其汽化器保证基本上均匀地冷却尤其定子绕组部分的绕组端部和/或轴的轴承。

取代之，也可以在两个端侧机壳内部设属于一个公共的温差环流管路***的一个汽化器。相应的温差环流管路***的特征在于其部件数量较少。

有利地，汽化器和/或冷凝器采取措施增大传热表面。以此方式保证在汽化器处通过对流良好导热。相应的措施尤其可以是散热片或冷却盘管。

按一项有利的实施形式，汽化器可与定子绕组至少一个端侧的绕组端部导热连接。以此方式可使在各自绕组端部产生的热直接排给温差环流管路***内的冷却剂，无需担忧不可允许地加热其他机器部件，尤其配设的各轴承。

汽化器也可以有利地组合在机壳的一个端侧机壳盖内或与机壳盖另外导热连接。因为机壳盖通常与轴承导热连接，从而可轻易地防止轴承不可允许地加热。

除此之外，电机的冷却装置有附加的用于空气冷却的流动路径。在这里尤其规定借助气流对机壳进行外部冷却，气流由在端侧的风扇造成。除了通过电机本身自通风外，当然也可以实施外来风冷。特别有利的是可在此气流中设温差环流管路***的至少一个冷凝器。

按本发明的电机其他有利的设计可由上面没有论及的从属权利要求得出。

下面借助附图更进一步说明按本发明的电机优选的实施例。附图分别示意表示：

图1表示在电机的机壳内部组合有两个温差环流管路***的电机；

图2表示此温差环流管路***另一个视图；

图3表示另一种在两侧有两个温差环流管路***的电机；

图4表示另一种两侧只有一个温差环流管路***的电机；

图5表示按图4的电机其温差环流管路***的另一种实施形式；

图6表示另一种有一个组合在其机壳盖内的温差环流管路***的电机；以及

图7表示按图4的电机局部，它具有轴与温差环流管路***的热耦合。

附图中对应的部分总是采用同一附图标记。

按本发明的电机，以中等或更大功率范围的已知类型为出发点，例如以发电机或低压电动机为出发点。在附图中只表示对本发明重要的电机部分。所有其余的部分基本上与德国西门子公司的标准或特种电动机对应，例如与一种两极或四极的低压电动机TYP 1LA5 183相对应。在此已知的电机中，与由前言提及的DE 4242132A1得知的电机不同，取消了专用的转子冷却通道。当然，这些通道也可以附加地设置用于按本发明设计的电机。

在图1的纵剖面内用2表示电机、用3表示转子铁芯和用4表示定子铁芯，它在保持一个窄的气隙5的情况下围绕着转子铁芯。用6a、6a′和6b、6b′表示定子绕组的两个在端侧的绕组端部，按所选择的这种实施例在每一侧假定有一个整体或多部分组成的绕组端部，它的在下面处于低温水平的部分分别加上一个撇号。此外用8表示与定子铁芯4紧邻的机壳、用9表示转子轴、用10a和10b表示轴承、用11a和11b表示端侧的轴承盖或机壳盖、用13表示用于定子绕组电接头的接线匣、用AS表示电机的驱动侧以及用NS表示电机非驱动侧。在此非驱动侧NS，一个固定在轴9上的风扇叶轮16处于一个设有端侧通风孔14i的风扇外壳15内，它在侧面固定在机壳8上。借助此风扇叶轮按鼓风机的方式沿机壳8的外侧产生轴向气流，它用箭头17表示。因此，为了增大换热表面，机壳在其外侧按已知的方式设计有在图中未详细说明的纵向散热肋片18j。

当然，也可以取代这种机壳8的外部冷却采用别的冷却方式，例如外来风冷。

在图1所示的冷却装置中，除借助轴向气流17外部风冷机壳8外，还在机壳8的至少一个在端侧的机壳内腔19a、19b中设一个冷却装置。为此以这样的方式设计至少一个闭合的、总体用20表示的位置固定的管路***，即，使得冷却剂可以在管路***内在充分利用所谓温差环流效应的情况下循环(也可参见DE 4108981A1或DE 10018169A1)。在图1的实施形式中，管路***20包括至少一个在冷凝区内的冷凝器21、一个在蒸发区内的汽化器22以及在冷凝器21与汽化器22之间延伸的连接管23和24。这些连接管穿过相关的机壳壁并也可以设计为软管，以保证电机的安装与位置无关。所需要的冷却容量在冷凝器21处制备。冷凝器可以设计为冷却盘管的形式，它例如承受冷却空气的冷气流26。为此设一自己的鼓风机。当然，其他冷却剂例如水也是适用的，因此冷凝器是例如可规定用于船用驱动装置的水换热器的组成部分。

冷却剂在冷凝器21的冷却盘管内凝结，并基于在冷凝器21与汽化器22之间的地理位置落差，以用k_f表示的液态的形式经连接管23流入汽化器22。在那里冷却剂通过吸收在汽化区内的热量加热到例如至少部分汽化。由此成为气态的用k_g表示的冷却剂，从此汽化器经连接管24流回冷凝器21，在那里它在其冷却盘管内(再)凝结。这样一种包括沸腾和蒸发的自然循环构成温差环流原理。

作为冷却剂实际上可考虑所有在冷却技术中常用的冷却剂。例如可根据要选择的温度水平的要求，采用可液化的气体，例如丙烷、丁烷、丙酮或氖或在标准冷却技术中使用的共沸混合物。

图2在横截面内详细表示所述的温差环流管路***20。由此图可以看出，不仅冷凝器21而且汽化器均可以采取措施增大传热表面。例如冷凝器21可由设有散热片的带肋体35构成。按相应的方式，汽化器22也可以由设有散热肋36的加肋管构成。

在图1所示的电机2实施形式中，在机壳8端侧的内腔19a内部环形地围绕转子绕组9的汽化器22，在转子铁芯3前处于定子绕组在那里的绕组端部6a、6a′附近。汽化器因而可以充分吸收由转子和定子产生的热量。在这里从绕组端部6a、6a′散出的热量可通过用q表示的箭头示意地表示。因为热量在这里间接地通过强迫对流传给汽化器，所以为了改善传热恰当的是再设一个装在转子或其叠板铁芯3端侧并因而随转子一起旋转的叶轮28a，如由透平发电机已知的那样。以此方式可使处于机壳内腔在端侧的部分19a中的空气产生涡旋。但与此同时汽化器22也保护轴承10a免遭不允许的热量传入。

由图1还可看出，可有利地在非驱动侧NS也设一相应的温差环流管路***30。它的螺旋形冷凝器31处于在风扇外壳15内部的风扇叶轮16的气流之中，而其汽化器32设在机壳8在端侧的内腔部分19b内，尤其用于冷却绕组端部6b和6b′。一个在转子铁芯3上的端侧叶轮28b用于使在部分空腔19b内的空气打旋。

在按图1的实施形式中的出发点是，至少一个汽化器22处于机壳8在端侧的内腔19a中，以及从热源，例如从绕组端部6a、6b′，以及从其他部件如转子铁芯3，只通过处于此内腔中的空气进行吸热。当然也可以规定在相应的汽化器与这些要由汽化器冷却的部件之一之间直接热连接。图3表示电机37的这种实施形式。它在端侧的温差环流管路***20A或30A各有一个汽化器22A或32A，它们直接贴靠在各自的绕组端部6a、6a＇或6b、6b′上。以此方式，汽化器可以直接通过导热连接吸收在这些部件上散出的热量。汽化器22A和32A除此之外还可以设计有散热片38a或38b，以便改善从各自机壳内腔19a或19b的吸热。

图3所示的电机37实施形式的出发点是，在每一侧为在那里存在的绕组端部6a、6a′和6b、6b′设一个自己的温差环流管路***20A或30A。当然，这些温差环流管路***也可以综合为一个公共的管路***，包括仅一个冷凝器和在每个端侧各一个汽化器。图4表示一种相应的实施例。在那里总体用39表示的电机与按图3的实施形式一样仍包括一个为在一个端侧的绕组端部6a、6a′配设的第一汽化器22A以及一个为在另一个端侧的绕组端部6b、6b′配设的第二汽化器32A。但在总体用40表示的电机39温差环流管路***中，两个汽化器通过至少一根在下方用于凝结的冷却剂k_f地理位置处于较低水平的总管41以及通过至少一根在上方用于汽化的冷却剂k_g地理位置处于较高水平的总管42互相连接。在这里总管41通往在绕组端部6a′或6b′区域内的汽化器22A和22B的下部。按相应的方式，总管42从在绕组端部6a或6b区域内的汽化器22A和22B的上部出发引入。这些总管可分别沿机壳8例如在散热片通道内延伸。它们在上方和下方经相应的连接管33或34导向冷凝器43，后者在端侧设在风扇叶轮16前。冷凝器因而可组合在一个加长的鼓风机或风扇外壳15内，并由此防止外来的机械损伤。作为冷却空气的气流26的流动导引可以是抽吸式的，或当冷凝器设在风扇叶轮前的情况下可以是压入式的。

当然，不仅在电机的这种实施形式中可以规定所述至少一个冷凝器的另一种布局。例如冷凝器可以相应于图1至3的冷凝器21处于机壳8的外部。或者按图1和3中所示的冷凝器它有一种具有沿轴向延伸的螺旋轴线的螺旋形。也可以在外部沿气流设在轴承盖或机壳盖11a、11b前或上。当然也可以将一个温差环流管路***的多个冷凝器的上述多种布局可能性组合在一起。

与图4所示电机39的实施形式不同，也与图1至3所示的实施形式不同，至少一个汽化器必要时也可以处于至少一个绕组端部与外壳之间的空腔内。图5表示了一种相应的实施形式。在那里总体用44表示的电机中仍设一个包括液体总管41和气体总管42的温差环流管路***45。这些管路与汽化器22B或32B连接，它们分别设在绕组端部6a、6a′或6b、6b′沿径向在外面的那一侧并与绕组端部导热连接。温差环流管路***45的冷凝器46在非驱动侧NS处于机壳8端侧上，例如直接在其机壳盖11b上。为了改善热交换，冷凝器还设计有平行于轴线延伸的散热片47，它们处于在风扇外壳15内部的风扇叶轮16的气流之中。

另一个如在图6中表示在电机49中的可能性在于，设在机壳内腔19a和19b中温差环流管路***53和54的汽化器51和52直接组合在各自端侧的机壳部分或机壳盖(它们同时设计为轴承盖11a和11b)内或另外与之导热连接。因为在这里损耗热由各自的温差环流管路***通过面积比较大的盖直接吸收并排出，所以轴承10a或10b没有过热的危险。

如已提及的那样，尤其可为每个汽化器配备促进热交换的附加的表面部分，如散热片。这些表面部分还可以设计为，借助它们改善从转子轴的区域吸热。图7表示了一种相应的实施例，在图中只画了电机在其驱动侧的局部。为此电机可例如设按图4的温差环流管路***40。由图7可以看出，在汽化器22A和转子轴9上安装基本上盘状的导热体56或57。这些导热体通过沿轴向延伸的管状或环状突起56a或57a不接触和梳状地互相***。以此方式不仅增大了汽化器换热面积，而且还通过导热体达到从绕组端部6a、6a＇与转子轴9以及与和转子轴9热连接的部件，如转子绕组或转子铁芯4的热耦合。也就是说，由此可以有利地减小在轴与各自绕组端部之间的热阻或温度差。当然也可以在电机相对置的图中未示出的非驱动侧，采取改善热交换的相应的措施。

Claims (10)

1.一种电机，它具有

-一个可旋转地支承的转子和一个与之相配置的在机壳内位置固定的定子，以及

-一个用于冷却机壳内部的一些部件的装置，该冷却装置在机壳(8)的至少一个端侧包括一个闭合的管路***(20、30、30A、40、45、53、54)，该管路***具有至少一个处于机壳内部的汽化器(22、22A、32、32A、51、52)和至少一个处于机壳外部与汽化器相比在更高的地理位置的冷凝器(21、31、43、46)，以及在冷凝器与汽化器之间延伸的连接管(23、24、33、34)，并且在该管路***内基于一冷却剂的蒸汽(k_g)与液体(k_f)之间的密度差按温差环流效应在该冷却剂(k_f，k_g)的闭合回路内进行循环，

其中，在该管路***内所述冷却剂的液体-蒸汽混合物是饱和的，

其特征在于，用于将冷却剂(k_f)输入汽化器(22、22A、32、32A、51、52)中的连接管(23、33)具有比用于将冷却剂(k_g)从汽化器导出的连接管(24、34)更小的管子截面，所述至少一个汽化器(22A、32A)与一定子绕组至少一个端侧的绕组端部(6a、6a′或6b、6b′)直接导热连接。

2.按照权利要求1所述的电机，其特征为：在机壳(8)的两个端侧分别设有一温差环流管路***(20、20A、53或30、30A、54)。

3.按照权利要求1所述的电机，其特征为：在机壳(8)的两个端侧分别设有属于一公共的温差环流管路***的一个汽化器(22A、22B、32A、32B)。

4.按照上述任一项权利要求所述的电机，其特征为：所述至少一个汽化器(22、22A、22B、32、32A、32B、51、52)和/或所述至少一个冷凝器(21、31、43、46)带有增大传热表面的措施。

5.按照权利要求4所述的电机，其特征为：所述至少一个冷凝器(21、31、43、46)设计为冷却盘管和/或设有散热片(35、47)。

6.按照权利要求4所述的电机，其特征为：所述至少一个汽化器(22、22A、22B、32、32A、32B、51、52)上设有散热片(36、38a、38b)。

7.按照权利要求1至6之一所述的电机，其特征为：所述至少一个汽化器(51、52)组合在机壳(8)的一个端侧机壳盖(11a、11b)内或与该机壳盖另外导热连接。

8.按照上述任一项权利要求所述的电机，其特征为：所述冷却装置有附加的用于空气冷却的流动路径。

9.按照权利要求8所述的电机，其特征为：设有借助空气流(17、26)对机壳(8)实施外部冷却的装置，该空气流由一端侧的风扇形成。

10.按照权利要求9所述的电机，其特征为：在所述空气流(17、26)中设有一温差环流管路***(30、40、45)的至少一个冷凝器(31、43、46)。

Images