CZ422597A3

CZ422597A3 - Kapalinové chlazení pro elektrické stroje

Info

Publication number: CZ422597A3
Application number: CZ974225A
Authority: CZ
Inventors: Harald Neudorfer; Karl Ludvig Gukenbiehl
Original assignee: Abb Daimler-Benz Transportation Austria Gmbh
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 1998-03-18
Also published as: PL183344B1; ATE204410T1; ES2163149T3; CZ287658B6; EP0858692B1; AU2756697A; WO1997044882A1; PL324455A1; EP0858692A1; ATA89196A; DE59704297D1

Description

Kapalinové chlazení (elektrických strojů·

Oblast techniky

Vynález se týká kapalinového chlazení elektrických strojů .

Dosavadní stav techniky

Známá tělesa elektrických strojů jsou vytvářena ocelovým pláštěm, uspořádaným kolem statoru stroje, na němž jsou navařeny výztužné lišty. Ocelová tělesa jsou velmi těžká a mají jen nízkou odolnost proti korozi. Kromě toho není tepelná vodivost ocele příliš vysoká. K čelním plochám ocelového pláště se přišroubovávají ložiskové štíty. Tyto ložiskové štíty obsahují ložiska, přes něž je otočně uložen hřídel rotoru (kotvy) stroje. Přišroubování ložiskových štítů zvyšuje pracnost montáže a tím i výrobní náklady. Rovněž se mohou zvyšovat náklady opravy v důsledku případných opotřebujících se dílů.

Patentový spis US 5 084 642 popisuje kapalinou chlazený elektrický stroj, ve kterém jsou v plášti tělesa uspořádány chladicí kanálky, vytvářené s tělesem v jediném pracovním pochodu litím. Tyto kanálky však neobsahují žádnou výstelku, která by byla vytvářena trubkami. Patent AT E 33 217 popisuje postup lití pro vytváření podélných kanálků v odlitcích, vytvářených vložením podélného pevného prvku před odléváním. Podélné prvky mohou být utvářeny jako trubky, které jako vymezovače místa slouží k vytváření kanálků. Kapalinou chlazené elektrické stroje s chladicími kanálky uspořádanými v tělese jsou známy i z EP 560 993, z WO 92/12932. z US 4 865 112 nebo z DE 31 30 515. Specifikace EP 110 234 popisuje litý obrobek se zaforntovaným kanálkem. Sintrováním vytvářená tělesa s integrovanými dutinami jsou popisována například v US 4 999 156 nebo SU 1052-336-A.

Úkolem tohoto vynálezu je vytvoření účinného kapalinového chlazení elektrického stroje a dosažení zvýšeného výkonu v porovnání s konstrukčně obdobnými stroji stejné velikosti, přičemž se odstraňují nevýhody výše uvedených systémů.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje kapalinové chlazení elektrických strojů podle vynálezu, který spočívá v tom, že se chladicí kanálky spolu s tělesem vyrábějí v jediném pracovním pochodu, odpadá potřeba jakéhokoliv následného vrtacího nebo frézovacího opracování chladicích kanálků. Tím je možno snížit pracnost i náklady při výrobě. Chladicí kanálky v plášti tělesa zaručují optimální chlazení elektrického stroje, čímž je možno dosáhnout vyšší výtěžnosti výkonu. Přitom je odlévání velmi hospodárný a při výrobě motorů běžný výrobní postup, při němž je možno trubky, vytvářející chladicí kanálky, založit do odlévací formy a tam i předehřát, načež se těleso stroje odlije kolem těchto trubek. Alternativně místo odlévání je možno k výrobě tělesa použít i sintrování. Při sintrování se do formy zalisovává granulát materiálu o určité teplotě při určitém tlaku. Sintrování má oproti odlévání tu výhodu, že je možno použít i jiné materiály.

• · · · ·· ·· · · · φ φ φ φ ···· ·· φ · • · · · φ · φ · φ · φ ·φ ·

Dále je možno vytvořením příslušného propojení mezi chladicími kanálky podle patentového nároku 2 dosáhnout rovnoměrného účinného chlazení tělesa elektrického stroje.

Pomocí opatření dle patentového nároku 3 je možno dosáhnout účinného chlazení i v oblasti ložiska a tím i ještě vyšší výkonové výtěžnosti stroje. Integrováním ložiskového štítu je možno snížit náročnost montáže a v důsledku toho i výrobní náklady elektrického stroje. Integrace ložiskového štítu umožňuje kapalinové chlazení bez těsnících dílů. Touto konstrukcí se stanou zbytečnými opotřebující se dílce jako těsnící kroužky, a sníží se tím i poruchovost. Vytvoření chladicího kanálku a tělesa v jediném pracovním pochodu značně sníží, jak bylo výše zmíněno, náročnost a náklady.

Zvlášť výhodná je konstrukce podle patentového nároku 4, při níž jedna část chladicí kapaliny proudí paralelně k okruhu, vytvářenému chladicími kanálky, také přes kruhový kanálek, sloužící k chlazení ložiska.

Podle patentového nároku 5 je spojením trubky s ložiskovým kroužkem, sloužícím k vyztužení ložiskového štítu v oblasti ložiska, zajištěna i jejích správná poloha v procesu výroby tělesa, například při odlévacím pochodu.

Pomocí význaku dle patentového nároku 6 se dosahuje zlepšeného chlazení vzduchu uvnitř tělesa, protože otáčející se elektrický stroj uvnitř tělesa vyvolává proudění vzduchu.

Konstrukcí podle patentového nároku 7 je možno proud vzduchu, vyvolávaný otáčejícím se elektrickým strojem, cíleně vést přes chladicí žebra a tím zvyšovat intenzitu tepelné výměny (odvodu tepla).

Výše zmíněné výhody se dosahuje také při způsobu provedení podle patentového nároku 8.

Výrobu tělesa podle vynálezu je možno dále optimalizovat opatřením podle patentového nároku

9.

V následujícím popisu jsou význaky vynálezu vysvětlovány na příkladu přednostně řešeného tělesa elektromotoru, zejména trakčního elektromotoru, s odvoláním na přiložené výkresy.

Přehled obrázků

Obr. 1 znázorňuje podélný řez odlitým tělesem elektromotoru dle vynálezu.

Obr.2 znázorňuje těleso v řezu podle linie řezu II - II z obrázku 1.

Obr.3 znázorňuje boční pohled na těleso z obrázku 1 zleva.

Obr.4 znázorňuje boční pohled na těleso z obrázku 1 zprava.

Obr.5 znázorňuje kroužek k uzavření kruhového kanálku tělesa na levé straně.

Obr.6 znázorňuje kroužek k uzavření kruhového kanálku tělesa na pravé straně.

Obr.7 znázorňuje formu provedení ocelové trubky pro přivádění chladicí kapaliny ke chlazení ložisek stroje dle tohoto vynálezu, včetně ocelového kroužku pro vyztužení ložiskového štítu v oblasti ložiska v čelním pohledu jakož i v řezu.

Příklady provedení

Obrázek 1 znázorňuje těleso £ elektromotoru v řezu. S výhodou se tělesa tohoto druhu vyrábějí odléváním. Alternativně místo toho je možno vyrábět je také sintrováním. Používání hliníku resp. hliníkových slitin na výrobu tělesa skýtá řadu výhod v porovnání s používáním ocelí. Kromě nižší hmotnosti v porovnání s ocelí se hliník vyznačuje vyšší odolností proti korozi, lepší tepelnou vodivostí a snazší opracovatelností. Do tělesa £ se ukládá elektrický stroj, jehož hřídel je držena ve vystředěné poloze dvěma ložisky. Ve znázorněném příkladu je levý ložiskový štít integrován v tělese a díky tomu se vyrábí spolu s ním pomocí jediného pracovního pochodu, s výhodou odlévacího pochodu. Ložiskový štít má kroužek 9, v němž je uspořádáno ložisko hřídele rotoru elektromotoru, Druhý ložiskový štít resp. navázání na reduktor atd (neznázoměno) se řeší pomocí šroubů a otvorů 2 vrtaných v tělese £. Vytvarování tělesa vytváří závěs motoru 3, další nálitek vytváří svorkovnicovou skříňku4, v níž se nalézají přípojné elektrické svorky stroje. Na vnější straně tělesa £ jsou pro zvýšení tuhosti tělesa £ a pro rozšíření povrchu pro účinnější odvod tepla vytvořena chladicí žebra 5. Chladicí kanálky 6 jsou vytvářeny podle vynálezu trubkami z materiálu, který má vyšší bod tání než materiál tělesa £. Trubky, které jsou přednostně z ocele a jejích slitin, se zakládají do formy, předehřívají a potom se kolem nich zalije hliník za účelem vytvoření tělesa £. Materiál trubek, vytvářejících chladicí kanálky 6 však není omezen pouze na ocel nebo ocelové slitiny, nýbrž obecně na materiály s vyšším bodem tání, než má materiál tělesa £. Stejně tak může být i průřez těchto trubek v podstatě libovolný. Ve znázorněné formě provedení mají chladicí kanálky oválný průřez (viz obr. 2 až obr. 4). Chladicí kanálky 6 nemusejí být uspořádány paralelně s osou a soustředně, nýbrž mohou být také v průřezu přesazeny a probíhat jinak než paralelně s osou. Chladicí kanálky 6 končí na levé straně v segmentech kruhového kanálku 7 a na pravé straně v segmentech kruhového kanálku 8.

Ve znázorněném řezu tělesa (obr.2) lze zřetelně vidět chladicí žebra 5 a oválné chladicí kanálky 6, které v této formě provedení jsou uspořádány paralelně s osou a soustředně. Chladicí žebra 5 jsou ve znázorněném příkladu řešena s výhodou pro čtyřdílný odlévací model, mohou mít však v zásadě libovolné utváření.

V bočních pohledech tělesa £ dle obrázku 3 vidíme ve znázorněném příkladu provedení tři segmenty kruhových kanálků 7a, 7b a 7c, do nichž jsou zaústěny chladicí kanálky 6 na jedné straně. V tomto příkladu jsou chladicí kanálky 6 uspořádány s pravidelnou úhlovou roztečí 20 stupňů, přičemž vždy šest vedle sebe ležících chladicích kanálků 6 je zaústěno vždy do jednoho z tří segmentů kruhového kanálku 7a, 7b, 7c. Na opačné straně motoru (obr.4) jsou chladicí kanálky zaústěny do odlišně uspořádaných segmentů kruhových kanálků 8a, 8b, 8c, 8d. Přitom jsou zaústěny první tři chladicí kanálky_6 (viděno ve směru hodinových ručiček) do segmentu kruhového kanálku 8a, dalších šest chladicích kanálků 6 do segmentu kruhového kanálku 8b, ještě dalších šest chladicích kanálků_6 do segmentu kruhového kanálku 8c a poslední tři chladicí kanálky 6 konečně do segmentu kruhového kanálku 8d. Ve znázorněném příkladu přitéká chladicí kapalina přes segment kruhového kanálku 8a a odtéká třemi prvními (ve směru hodinových ručiček) ve směru k segmentu kruhového kanálku 7c na protilehlé straně tělesaj_, odtud pak se převádí do následujících tří chladicích kanálků 6 a zase proudí zpět na protilehlou stranu tělesa £ do segmentu kruhového kanálku 8b, přes nějž se chladicí kapalina dále vede zase do dalších tří kanálků atd. Chladicí kapalina takto protéká v podstatě meandrovitě tělesem £ a zaručuje jeho optimální chlazení. Samozřejmě se jedná ve znázorněném případě jen o příklad vedení chladicí kapaliny. Například mohou do jednoho segmentu kruhového kanálku ústit také jen vždy dva chladicí kanálky.

Aby bylo možno uskutečnit uzavřený okruh chladicí kapaliny, musejí být segmenty kruhových kanálků 7a až 7c a 8a až 8d na obou stranách tělesa motoru uzavřeny krytem. Toho se dosahuje pomocí vhodně tvarovaných vík.

Obrázek 5 znázorňuje krycí kroužek 10 k uzavření segmentů kruhového kanálku 8a - 8d podle obrázku 4. Kroužek 10 je opatřen nátokovým otvorem 11, přes nějž je chladicí kapalina přiváděna a kudy se kapalina dostává přes segment kruhového kanálku 8a do chladicích kanálků

6. Po meandrovitém průtoku se chladicí kapalina konečně dostává do segmentu kruhového kanálku 8d a je přes odtokový otvor 12 odváděna do nádržky na chladicí kapalinu. Krycí kroužek 10 může být proveden také bez otvorů 11, 12 a chladicí kapalina může být přiváděna a odváděna přes otvory 14, 15 (viz obr.4) na tělese 1. Obrázek 6 znázorňuje krycí kroužek 13 pro uzavření segmentů kruhového kanálku 7a - 7c podle obrázku 3. Krycí kroužky 10, 13 se vyrábějí přednostně z téhož materiálu jako samo těleso 1 a upevňují se na něm, přednostně navařením.

Obrázek 7 znázorňuje formu provedení kruhového chladicího kanálku 16 dle vynálezu, jímž se chladicí kapalina vede na chlazení ložisek stroje včetně ložiskového kroužku 9. Oba otvory trubky, vytvářející kruhový chladicí kanálek 16 jsou uspořádány tak, že jsou zaústěny do segmentů kruhového kanálku 8a a 8d a díky tomu chladicí kapalina protéká kruhovým chladicím kanálkem 16 paralelně s chladicími kanálky 6. Ložiskový kroužek 9 slouží k vyztužení ložiskového štítu v oblasti ložiska elektrického stroje. Tento ložiskový kroužek 9 je spojen s trubkou kruhového chladicího kanálku 16, přednostně svařením. V případě tělesa 1 vyrobeného litím se trubka, vytvářející chladicí kanálek 16 zakládá do odlévací formy a těleso 1 se pak odlévá kolem ní jakož i kolem trubky, vytvářející chladicí kanálky 6. Při tom tato trubka resp. chladicí kanálek 16 nemusejí být nutně tvarovány kruhově, i když právě takto lze dosáhnout nejúčinnějšího chlazení oblasti ložiska. Chlazením ložiska elektrického stroje je možno výtěžnost energie příkonu ještě dále zvýšit.

Pro vnitřní chlazení elektrického stroje jsou v integrovaném ložiskovém štítu tělesa 1 uspořádána chladicí žebra 17 (obr.l a obr.3). Za chodu vyvolává otáčející se zkratový kroužek elektromotoru proudění vzduchu, které je vedeno přes ochlazovaná žebra 17. Tím je možno dosáhnout intenzivnějšího chlazení i uvnitř tělesa 1. Ještě účinnějšího vnitřního chlazení lze dosáhnout, když jsou chladicí žebra 17~ Uspořádána tak, aby bylo každé druhé žebro 17 utvářeno kratší a bylo zakončeno v kroužku 18. Tím je možno uskutečnit cíleného usměrněného proudění vzduchu a tím i účinnějšího odvodu tepla.

Vynález není omezen jen na těleso elektromotoru, zejména trakčního elektromotoru, jak znázorněno na obrázcích, nýbrž je možno jej uplatnit u libovolných kapalinou chlazených elektrických strojů s tělesem.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný při výrobě kapalinou chlazených elektrických strojů.

Claims

Patentové nároky

1. Kapalinové chlazení pro elektrické stroje s tělesem, obsahujícím chladicí kanály vytvářené trubkami, vyznačené tím, že chladicí kanálky (6) jsou vyrobeny spolu s tělesem (1) odléváním nebo sintrováním v jediném pracovním úkonu, přičemž trubky jsou z materiálu o vyšším bodu tání než má materiál tělesa (1).
2. Kapalinové chlazení podle nároku 1 vyznačené tím, že tyto chladicí kanálky (6) jsou svými konci zaústěny do segmentů kruhových kanálků (7, 7a - 7c, 8, 8a - 8d) a segmenty kruhového kanálku (7, 7a - 7c) jsou na jedné straně chladicích kanálků (6) úhlově přesazeny oproti segmentům kruhového kanálku (8, 8a - 8d) a chladicí kapalina může být přiváděna přes jeden segment kruhového kanálku (8a) a odváděna přes jiný segment kruhového kanálku (8d), takže chladicí kapalina protéká meandrovitě chladicími kanálky.
3. Kapalinové chlazení dle nároků 1 nebo 2, vyznačené tím, že v tělese (1) je spolu s ním integrován odléváním nebo sintrováním v jediném pracovním úkonu vytvořený ložiskový štít, v němž je kolem ložiska uspořádán přednostně kruhový chladicí kanálek (16), který je vyroben spolu s tělesem (1) v jediném pracovním úkonu a který je vytvářen trubkou, vymezující prostor pro chladicí kanálek (16) a zhotovenou z materiálu o vyšší teplotě tání, než má materiál tělesa (1),
4. Kapalinové chlazení podle nároku 3 vyznačené tím, že konce chladicího kanálku (16) jsou zaústěny do dvou oddělených segmentů kruhového kanálku (8a, 8d) a přes chladicí kanálek (16) protéká chladicí kapalina.
5. Kapalinové chlazení podle nároku 4, vyznačené tím, že trubka, vymezující prostor pro přednostně kruhový chladicí kanál, je spojena s ložiskovým kroužkem (9) přednostně svařením.
6. Kapalinové chlazení podle nároku 3 až 5 vyznačené tím, že v tělese (1) v oblasti ingtegrovaného ložiskového štítu jsou uvnitř v radiálním směru uspořádána chladicí žebra (17).
7. Kapalinové chlazení podle nároku 6, vyznačené tím, že některá z vnitřních chladicích žeber (17) jsou vytvořena delší než jiná chladicí žebra (17) a končí v kroužku (18).
8. Kapalinové chlazení podle nároku 7, vyznačené tím, že každé druhé vnitřní chladicí žebro (17) je vytvořeno delší než ostatní chladicí žebra (17) a končí v kroužku (18).
9. Kapalinové chlazení podle aspoň jednoho z nároků 1 až 8, vyznačené tím, že všechny nástavbové části, jako například závěs motoru (3), skříňka svorkovnice (4), výztužná resp. chladicí žebra (5) apod., jsou integrovány do tělesa (1) a s ním i v jediném pracovním pochodu vyráběny.