CZ308049B6

CZ308049B6 - Chladicí systém magnetického obvodu elektrického stroje

Info

Publication number: CZ308049B6
Application number: CZ2018-657A
Authority: CZ
Inventors: Radek Vlach
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2019-11-20
Also published as: CZ2018657A3

Abstract

Chladicí systém magnetického obvodu elektrického stroje obsahujícího stator (1) a rotor (2), kde magnetický obvod statoru (1) je tvořen statorovým blokem (11) sestaveným z příčně uspořádaných statorových plechů (111) a magnetický obvod rotoru (2) je tvořen rotorovým blokem (21) sestaveným z příčně uspořádaných rotorových plechů (211). Plochy statorových plechů (111) i rotorových plechů (211) jsou opatřeny otvory vytvářejícími po sestavení statorových plechů do statorového bloku (11) statorový chladicí kanál (12) a po sestavení rotorových plechů do rotorového bloku (21) rotorový chladicí kanál (22). Ve statorovém bloku (11) a/nebo v rotorovém bloku (12), vytvářejících statorový chladicí kanál (12) nebo rotorový chladicí kanál (22) o průměru (D), jsou v délkových intervalech o velikosti (p) mezi standardními statorovými plechy (111) vloženy zdrsňující statorové plechy (111‘) a/nebo mezi standardní rotorové plechy (211) vloženy zdrsňující rotorové plechy (211‘), mezi jejichž zdrsňujícími okraji (4) jsou otvory o průměru (d), přičemž poměr hodnot d/D se pohybuje v rozmezí hodnot 0,90 až 0,95.

Description

Chladicí systém magnetického obvodu elektrického stroje

Oblast techniky

Předkládaný vynález spadá do oblasti dynamoelektrických strojů a týká se chladicího systému magnetického obvodu elektrického stroje.

Dosavadní stav techniky

Elektrické stroje pracující v motorickém režimu přeměňují elektrickou energii na mechanickou, zatímco pracují-li v generátorickém režimu, přeměňují mechanickou energii na elektrickou. V obou případech v závislosti na účinnosti této přeměny dochází ke ztrátám energie, která se uvnitř stroje přeměňuje na teplo, což má zásadní vliv na životnost, provozuschopnost a také účinnost elektrického stroje jako celku. Proto je třeba toto ztrátové teplo efektivně odvést z elektrického stroje do okolního prostředí účinným chlazením. Největší množství tepla se generuje v magnetickém obvodu elektrického stroje, který je tvořen svazkem plechů tvořícím nosný prvek elektrického vinutí, a to v obou základních částech, statoru i rotoru. Běžně používaný způsob chlazení využívá proudění chladicího média v kanálech vytvořených ve zmíněném magnetickém obvodu elektrického stroje, přičemž je důležité, aby byly kanály situovány přímo v místě vzniku tepla nebo tomuto místu co nejblíže. Vytvořením kanálů ve svazku plechů však dochází k ovlivnění magnetického obvodu, a tím i funkce elektrického stroje jako celku. Z hlediska chlazení by kanály měly být co největší, zatímco z hlediska elektromagnetického by naopak měly být co nejmenší, aby magnetický obvod ovlivňovaly co nejméně. Z toho plyne požadavek minimálního rozměru kanálů při zachování co nejvyššího chladicího účinku. Účinnost chladicích kanálů závisí jednak na rychlosti proudění chladivá, ale také na velikosti a tvaru chladicí plochy, která ovlivňuje velikost součinitele přestupu tepla, přičemž právě velikost této plochy je limitující s ohledem na účinnost eklektického stroje jako celku. Metoda zvětšování teplosměnné plochy ke zvýšení množství odvedeného tepla je popsána například ve spisech CN 204243928 U a CN 204145253 U. Nevýhodou je zde právě zmíněné negativní ovlivnění magnetických vlastností magnetického obvodu. Další možností je pak speciální konstrukce jádra magnetického obvodu, jak je uvedeno kupříkladu ve spise JP 2018026978, což má však za následek velkou konstrukční složitost a s ní spojené zvýšení výrobních nákladů. Vzhledem k protichůdným požadavkům na velikost kanálů je jedinou možností zvýšení součinitele přestupu tepla změnou tvaru teplosměnné plochy s cílem ovlivnit charakter turbulence proudění, a to tak, aby došlo k nárůstu zmíněného součinitele přestupu tepla. Jedním z faktorů ovlivňujících proudění chladivá v chladicím kanálu, a tím i součinitele přestupu tepla, je takzvaná ekvivalentní drsnost povrchu, která je však paradoxně snižována s rostoucí přesností výroby dílčích plechů, ze kterých je skládán magnetický obvod. Ekvivalentní drsnost však nesmí překročit určitou mez, při níž již nedochází k nárůstu součinitele přestupu tepla z důvodu nepřiměřeného nárůstu tlakové ztráty v kanálu, což má za následek pokles rychlosti proudění chiadiva, a tím i snížení velikosti součinitele přestupu tepla. Zvyšování zmíněné drsnosti vnitřního povrchu chladicích kanálů je popsáno kupříkladu v dokumentu US 2018205272, kde je zvýšení drsnosti dosahováno změnou tvaru všech plechů, kdy je každý jiný a hodnota ekvivalentní drsnosti zde není nijak korigována či kvantifikována. Součinitel přestupu tepla h je dán obecně známým vztahem:

I D. I \ , kde £ je měrná tepelná vodivost chladicího média, Dh je hydraulický průměr kanálu a Nu je Nusseltovo číslo dané funkční závislostí Nu = f (f, Re,Pr), kde Re je Reynholdovo číslo a Pr je Prandtlovo číslo, která jsou závislá na rychlosti proudění a na fyzikálních vlastnostech proudícího média, a/je součinitel tření proudícího média o stěnu kanálu. Hodnota tohoto součinitele tření / je závislá na několika parametrech z části stejných jako součinitel přestupu tepla: f = f (Re, e, Dh), kde e je parametr charakterizující takzvanou ekvivalentní

- 1 CZ 308049 B6 drsnost kanálu. Právě touto ekvivalentní drsností e je možné podstatně ovlivňovat součinitel přestupu tepla, pokud ostatní parametry, jako je zejména hydraulický průměr kanálu Dh, není možné zvyšovat z důvodu negativního ovlivnění magnetického obvodu elektrického stroje. Součinitel přestupu tepla v závislosti na ekvivalentní drsnosti e, respektive součiniteli tření/, je dán podle nejpoužívanější teorie takzvanou Petukhovovou rovnicí:

i f ~

1,07+12.7 i nebo modifikovaným vztahem Gnielinského pro nižší Reynoldsova čísla:

δ k

přičemž pro součinitel tření platí Colebrookův vztah:

ze kterého je možné stanovit vliv ekvivalentní drsnosti e na součinitel tření/respektive součinitel přestupu tepla h.

Cílem předkládaného vynálezu je představit systém chlazení magnetického obvodu elektrického stroje zvýšením ekvivalentní drsnosti vnitřního povrchu chladicích kanálů.

Podstata vynálezu

Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je chladicí systém magnetického obvodu elektrického stroje obsahujícího stator a rotor, kde magnetický obvod statoru je tvořen statorovým blokem sestaveným z příčně uspořádaných statorových plechů a magnetický obvod rotoru je tvořen rotorovým blokem sestaveným z příčně uspořádaných rotorových plechů, přičemž plochy statorových plechů i rotorových plechů jsou opatřeny otvory vytvářejícími po sestavení statorových plechů do statorového bloku statorový chladicí kanál a po sestavení rotorových plechů do rotorového bloku rotorový chladicí kanál. Podstatou vynálezu je, že ve statorovém bloku a/nebo v rotorovém bloku, vytvářejících statorový chladicí kanál nebo rotorový chladicí kanál o průměru D, jsou v délkových intervalech o velikosti p mezi standardními statorovými plechy vloženy zdrsňující statorové plechy a/nebo mezi standardní rotorové plechy vloženy zdrsňující rotorové plechy, mezi jejichž zdrsňujícími okraji jsou otvory o průměru d, přičemž poměr hodnot d/D se pohybuje v rozmezí hodnot 0,90 až 0,95.

Ve výhodném provedení pro hodnotu délkového intervalu o velikosti p platí vztah { ^d \^b

Ρ=^α· „

V ' , kde proměnné a a b jsou závislé na tloušťce t standardních statorových plechů, standardních rotorových plechů, zdrsňujících statorových plechů a zdrsňujících rotorových

-2CZ 308049 B6 plechů a nabývají hodnot v rozmezích intervalů vymezených vztahy a=0,406+0,81t+l,981p_r a b= -8,787-4,704-t-0,912-p_r + l,85-t-p_r , kde p_r je parametr variability nabývající hodnot od 0,64 do 1,92.

Předkládaným vynálezem se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že zvýšením ekvivalentní drsnosti vnitřního povrchu chladicích kanálů v nich dochází ke zvýšení součinitele přestup tepla a tím i zlepšení chladicího účinku.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklad provedení vynálezu je schematicky znázorněn na přiložených výkresech kde:

Obr. 1 je podélný řez polovinou elektrického stroje s naznačeným příčným řezem rovinou A-A, Obr. 2 je schematický nákres podélného řezu statorovým nebo rotorovým chladicím kanálem.

Příklady uskutečnění vynálezu

Elektrický stroj podle vyobrazení na obr. 1 obsahuje stator 1 a rotor 2. Magnetický obvod statoru 1 je tvořen statorovým blokem 11 sestaveným z příčně uspořádaných statorových plechů 111 a magnetický obvod rotoru 2 je tvořen rotorovým blokem 21 sestaveným z příčně uspořádaných rotorových plechů 211. V plochách statorových plechů 111 i rotorových plechů 211 jsou vytvořeny neoznačené otvory, které po sestavení plechů vytvářejí ve statorovém bloku 11 statorový chladicí kanál 12 a v rotorovém bloku 21 rotorový chladicí kanál 22. Statorový blok 11 je nosnou částí pro statorové vinutí 13, které je součástí neoznačeného elektrického obvodu elektrického stroje. Podle vyobrazení na obr. 2 jsou statorový blok 11 i rotorový blok 21 sestaveny jednak ze standardních statorových plechů 111 a standardních rotorových plechů 211 a jednak ze zdrsňujících statorových plechů 111' a zdrsňujících rotorových plechů 21Γ. přičemž standardní statorové plechy 111 a standardní rotorové plechy 211 mají stejnou tloušťku jako zdrsňující statorové plechy 111' a zdrsňující rotorové plechy 21Γ. Standardní vnitřní povrch 3 chladicích kanálů 12 a 22 je tvořen neoznačenými vnitřními okraji otvorů standardních statorových a rotorových plechů 111 a 211. přičemž otvory vytvořené ve standardních statorových a rotorových a pleších 111 a 211 v radiálním směru mají průměr D. Ze standardního vnitřního povrchu 3 vystupují zdrsňující okraje 4 zdrsňujících statorových plechů 111' a zdrsňujících rotorových plechů 21Γ. kde otvory v nich vytvořené mají v radiálním směru průměr d. Vzájemná vzdálenost zdrsňujících plechů 111' a 211' v axiálním směru je dána hodnotou p, /d\b _W ^P=0' Š kde

Poměr d/D nabývá hodnot od 0.9 do 0.95. a a b jsou proměnné závisející na tloušťce standardních a zdrsňujících plechů 111. 211. 11Γ. 21Γ. přičemž pro jejich hodnoty platí vztahy:

a=0,406+0,81-t+l,98 l-p_ra b=-8,787 -4,704-t-0,912-p_r+l,85-t-p_r kde p_rjs parametr variability nabývající hodnot od 0,64 do 1,92 a t je tloušťka plechů 111, 211, 111' a 211'.

-3CZ 308049 B6

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný při konstrukcích točivých elektrických strojů ke zvýšení účinnosti jejich chlazení.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Chladicí systém magnetického obvodu elektrického stroje obsahujícího stator (1) a rotor (2), kde magnetický obvod statoru (1) je tvořen statorovým blokem (11) sestaveným z příčně uspořádaných statorových plechů (111) a magnetický obvod rotoru (2) je tvořen rotorovým blokem (21) sestaveným z příčně uspořádaných rotorových plechů (211), přičemž plochy statorových plechů (111) i rotorových plechů (211) jsou opatřeny otvory vytvářejícími po sestavení statorových plechů (111) do statorového bloku (11) statorový chladicí kanál (12) a po sestavení rotorových plechů do rotorového bloku (21) rotorový chladicí kanál (22), vyznačující se tím, že ve statorovém bloku (11) a/nebo v rotorovém bloku (21), vytvářejících statorový chladicí kanál (12) nebo rotorový chladicí kanál (22) o průměru (D), jsou v délkových intervalech o velikosti (p) mezi standardními statorovými plechy (111) vloženy zdrsňující statorové plechy (11Γ) a/nebo mezi standardní rotorové plechy (211) vloženy zdrsňující rotorové plechy (21Γ), mezi jejichž zdrsňujícími okraji (4) jsou otvory o průměru (d), přičemž poměr hodnot d/D se pohybuje v rozmezí hodnot 0,90 až 0,95.
2. Chladicí systém magnetického obvodu elektrického stroje podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro hodnotu délkového intervalu o velikosti (p) platí vztah

kde proměnné (a) a (b) jsou závislé na tloušťce (t) standardních statorových plechů (111), standardních rotorových plechů (211), zdrsňujících statorových plechů (HT) a zdrsňujících rotorových plechů (21Γ) a nabývají hodnot v rozmezích intervalů vymezených vztahy a=0,406+0,811+1,981 -p_r a b=-8,787-4,704-t-0,912-/?_r +1,857-/¼ kde p_r je parametr variability nabývající hodnot od 0,64 do 1,92.