RU2587543C2

RU2587543C2 - Электрическая машина с внутренней вентиляцией ротора

Info

Publication number: RU2587543C2
Application number: RU2014104243/07A
Authority: RU
Inventors: Клаус БЮТТНЕР; Клаус КИРХНЕР; Михаэль Мюллер
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2016-06-20
Also published as: WO2013004559A2; BR112014000297A2; EP2715918A2; US20150069861A1; RU2014104243A; DE102011078784A1; WO2013004559A3; CN103650294B; CN103650294A; US9257883B2; EP2715918B1

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности, в электрической машине с улучшенным охлаждением. Технический результат - повышение эффективности охлаждения ротора. Электрическая машина содержит статор, ротор, корпус, окружающий статор и ротор, и полый вал, на котором расположен ротор (2). На вентиляционной стороне (В) на полом валу размещен с фиксацией от проворачивания центробежный вентилятор. При этом участок вентиляторной лопасти центробежного вентилятора продолжается дальше в осевом направлении от корпуса, чем полый вал. В полом валу размещен направляющий элемент с диском, проходящим в радиальном направлении, причем диск размещен в осевом направлении дальше от корпуса, чем торцевая сторона полого вала на вентиляционной стороне (В). Внутренний поток охладителя от участка вентиляторной лопасти центробежного вентилятора из полого вала через проход между торцевой стороной полого вала на вентиляционной стороне (В) и диском направляющего элемента может подаваться в радиальном направлении наружу. 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к электрической машине, содержащей статор, ротор, который взаимодействует магнитным способом со статором, корпус, окружающий статор и ротор, и полый вал, на котором расположен ротор и который установлен на корпусе.

Статор электрической машины, который нагревается из-за потерь, можно относительно легко непосредственно охлаждать с помощью воздушного или водяного охлаждения. Ротор электрической машины может только тогда непосредственно охлаждаться, если корпус двигателя открыт. Однако это требование открытого корпуса двигателя вступает в противоречие при некоторых обстоятельствах со специальным типом защиты электрической машины. В частности, для электрических машин с обеспечением взрывобезопасности необходимо, чтобы корпус был закрыт. В этом случае непосредственное охлаждение ротора с использованием известных до сих пор способов не может быть реализовано.

Возникающая из-за потерь в роторе тепловая энергия может также косвенным образом за счет передачи посредством воздуха передаваться на корпус двигателя. Однако этот косвенный принцип охлаждения не так эффективен, как прямая система охлаждения. Кроме того, статор нагревается из-за потерь в роторе. Результатом этого нагрева электрической машины является, среди прочего, то, что срок службы смазки и, таким образом, срок службы подшипников уменьшается.

До настоящего времени эффективное охлаждение достигается, например, в двигателях с вытяжной вентиляцией. На основе открытого корпуса при этом может выдерживаться только тип защиты IP 23. При закрытых корпусах эффективное охлаждение, например, может достигаться с помощью так называемого "термосифона" в роторе. Это эффективно выводит тепло наружу, не требуя открытия корпуса.

Кроме того, в документе US 4574210 раскрыт двигатель с внешним ротором и соответствующей системой охлаждения. Внутренний статор имеет полый вал, через который может протекать охладитель. Кроме того, охладитель протекает вокруг внешнего ротора. Трубка с фланцеподобным диском помещена в полый вал статора. Охлаждающий воздух затем протекает через трубку в полый вал и между трубкой и внутренней стенкой полого вала возвращается наружу. Там охладитель захватывается основным потоком охлаждения, который течет мимо диска к внешнему ротору.

Подобная электрическая машина описана в документе US 3445696 А. Там охладитель протекает в полый вал ротора, поворачивается внутри полого вала и вытягивается из инжекционного сопла радиально наружу в охлаждающий поток, который охлаждает внешний статор.

Задача настоящего изобретения заключается, таким образом, в том, чтобы более эффективно охлаждать ротор электрической машины.

В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью электрической машины, содержащей

статор,

ротор, который взаимодействует магнитным способом со статором,

корпус, который окружает статор и ротор, и

полый вал, на котором расположен ротор и который установлен на корпусе, причем

на вентиляционной стороне на полом валу размещен с фиксацией от проворачивания центробежный вентилятор,

участок вентиляторной лопасти центробежного вентилятора продолжается дальше в осевом направлении от корпуса, чем полый вал, и

в полом валу размещен направляющий элемент с диском, продолжающимся в радиальном направлении, при этом

диск размещен в осевом направлении дальше от корпуса, чем торцевая сторона полого вала на вентиляционной стороне, так что

внутренний поток охладителя от участка вентиляторной лопасти центробежного вентилятора из полого вала через проход между торцевой стороной полого вала на вентиляционной стороне и диском может перемещаться в радиальном направлении наружу.

Предпочтительным образом, следовательно, на вентиляционной стороне размещен центробежный вентилятор, который продолжается в осевом направлении над полым валом. Таким образом, диск создает зазор между ним и концом вала, через который поток охладителя, который выходит из полого вала, передается в радиальном направлении наружу в центробежный вентилятор. Тем самым зачастую неиспользуемая область центробежного вентилятора используется для перемещения внутреннего потока охладителя для ротора.

В одном варианте осуществления полый вал закрыт на приводной стороне, и охладитель может на вентиляционной стороне проникнуть со стороны торца в полый вал. При этом полый вал должен распространяться по всему ротору, и в полом валу находится трубка направляющего элемента, через которую охладитель перемещается от вентиляционной стороны через ротор и между наружной стенкой трубки и внутренней стенкой полого вала назад к вентиляционной стороне. Это имеет то преимущество, что на приводной стороне не должно предусматриваться пространство для подвода охладителя. Напротив, приток охладителя осуществляется полностью с вентиляционной стороны. Кроме того, ротор полностью обтекается охладителем, даже если охладитель на вентиляционной стороне втекает в полый вал и на вентиляционной стороне вновь вытекает.

Между наружной стенкой трубки и внутренней стенкой полого вала может быть образовано множество проходящих в осевом направлении охлаждающих каналов. За счет этого можно оптимизировать распределение охладителя на внутренней окружности полого вала.

Кроме того, центробежный вентилятор может быть выполнен так, чтобы поступающий в осевом направлении внешний поток охладителя для охлаждения корпуса перемещать радиально наружу. При этом центробежный вентилятор служит для перемещения двух потоков охладителя, а именно внутреннего потока охладителя и внешнего потока охладителя.

Кроме того, направляющий элемент может иметь направленные радиально к полому валу вентиляторные лопасти. Они обеспечивают то, что внутренний поток охладителя перемещается более интенсивно в радиальном направлении наружу.

Особенно предпочтительно, когда направляющий элемент является отдельной от полого вала частью и вставлен в него с вентиляционной стороны. Это обеспечивает модульный направляющий элемент, который при необходимости может вставляться или модернизироваться.

Кроме того, является предпочтительным, если направляющий элемент выполнен из пластика. Такая пластиковая деталь может легко изготавливаться в сложной структуре в виде литой под давлением детали и имеет малый вес, так что на инерцию электрической машины почти не оказывается влияния.

Кроме того, предпочтительно, если полый вал на участке на приводной стороне электрической машины выполнен не полым. Это означает, что полый вал на приводной стороне имеет цапфу вала, выполненную из массивного материала, которая является достаточно прочной, чтобы, например, закреплять на ней передаточный механизм.

Корпус вокруг статора и ротора может быть закрытым. Однако охлаждение вала электрической машины обеспечивает достаточное охлаждение ротора, не требуя того, чтобы электрическая машина подвергалась проточной вентиляции.

В конкретном варианте осуществления корпус образует вокруг статора и ротора взрывозащиту. Таким образом, для электрической машины, несмотря на эффективное охлаждение ротора, обеспечен высокий тип защиты.

Настоящее изобретение будет описано далее более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - продольный разрез электродвигателя в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - вид направляющего элемента;

фиг.3 - продольный разрез направляющего элемента по фиг.2;

фиг.4 - вид с торца направляющего элемента по фиг.2.

Варианты, проиллюстрированные ниже более подробно, представляют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.

Пример, показанный на фиг.1, относится к электродвигателю или генератору, имеющему статор 1 и ротор 2. Ротор 2 установлен внутри статора 1 на полом валу 3 с возможностью вращения.

Статор 1 и ротор 2 расположены в данном примере в закрытом корпусе 4. Корпус 4 имеет на приводной стороне А подшипниковый щит 5 приводной стороны, а на вентиляционной стороне В - подшипниковый щит 6 вентиляционной стороны. В подшипниковых щитах 5 и 6 установлен полый вал 3. Корпус 4 уплотняет внутреннее пространство двигателя, включая статор 1 и ротор 2, таким образом, что, например, обеспечивается взрывобезопасность.

Полый вал 3 выступает здесь через весь корпус 4, то есть он выступает из подшипникового щита 5 приводной стороны, а также из подшипникового щита 6 вентиляционной стороны. Кроме того, полый вал 3 имеет глухое отверстие 7, которое открыто на вентиляционной стороне В, т.е. у конца 9 вала (торцевая сторона полого вала). Глухое отверстие 7 продолжается через подшипниковый щит 6 вентиляционной стороны и весь ротор 2. На конце 8 вала приводной стороны, т.е. торцевой стороне полого вала 3 на приводной стороне A, полый вал 3 закрыт. В целом, из подшипникового щита 5 на приводной стороне А выступает цапфа 3′ вала, которая является частью полого вала 3. Цапфа 3′ вала выполнена из монолитного материала и, следовательно, имеет повышенную стабильность по сравнению с остальной частью полого вала 3. В частности, поэтому она подходит для приведения в действие передаточного механизма или тому подобного.

На конце 3” вала, который является частью полого вала 3 и выступает из подшипникового щита 6 вентиляционной стороны, находится центробежный вентилятор 10. Он имеет вентиляторные лопасти 11, выступающие радиально наружу относительно полого вала 3. Они закреплены на ступице 12, которая смонтирована на конце 3” вала.

Для того чтобы уменьшить инерцию электрической машины, конец 3” вала выполнен укороченным. Это означает, что он не выступает до внешнего в осевом направлении конца центробежного вентилятора 10. Напротив, конец 3” вала заканчивается заметно ближе перед внешним в осевом направлении концом центробежного вентилятора 10, так что участок 13 каждого лопастного колеса 11 выступает в осевом направлении над полым валом 3 или концом 3” вала. Подобным образом выполненные центробежные вентиляторы являются обычными и служат для подачи основного охлаждающего потока 14 радиально наружу. Этот основной охлаждающий поток 14 сначала попадает на кожух 15 вентилятора, который окружает центробежный вентилятор 10 и закреплен на корпусе 4. На торцевой стороне кожух 15 вентилятора имеет сквозные отверстия 16, через которые основной охлаждающий поток 14 может проникнуть к центробежному вентилятору 10. Посредством центробежного вентилятора 10 основной охлаждающий поток 14 получает радиальную компоненту, так что он направляется в радиальном направлении наружу к боковой поверхности кожуха 15 вентилятора или к боковой поверхности корпуса 4.

В глухое отверстие 7 вставлен направляющий элемент 17. Направляющий элемент 17 обеспечивает внутренний поток 18 охладителя, который вводится на вентиляционной стороне В в полый вал 3, направляется через ротор 2 и перенаправляется обратно на вентиляционной стороне В в радиальном направлении наружу к вентиляторным лопастям 11.

Направляющий элемент 17, который для уменьшения инерции электрической машины может быть выполнен из легкого пластика, показан на фиг.2. Направляющий элемент 17 служит для направления внутреннего потока 18 охладителя внутри глухого отверстия 7 и при вытекании из полого вала 3. Продольное сечение направляющего элемента 17 показано на фиг.3, а вид с торцевой стороны - на фиг.4.

Направляющий элемент 17 имеет вал 171 и дисковый участок 172. Вал 171 здесь имеет полностью проходную трубку 173. На трубке 173 в радиальном направлении наружу сформированы звездообразно ребра 174 (см. фиг.3 и фиг.4). В данном примере имеется три таких проходящих в осевом направлении ребра 174. Если направляющий элемент 17 вставлен в глухое отверстие 7 полого вала 3, посредством звездообразных ребер 174 образуются каналы охладителя между внутренней стенкой глухого отверстия 7 и наружной стенкой трубки 173, соответственно отделенные ребрами 174. В данном примере, таким образом, получаются три таких канала охлаждения, в которых внутренний поток 18 охладителя от основания глухого отверстия 7 течет обратно к вентиляционной стороне B.

На одном конце вала 171 сформирован дисковый участок 172. Он имеет диск 175, который проходит по существу радиально наружу. Диск 175 имеет в своем центре сквозное отверстие 176, в которое переходит трубка 173. Обод диска 175 направлен слегка аксиально назад к валу 171. Тем самым, он следует контуру внешних кромок вентиляторных лопастей 11 (см. фиг.1).

В частности, диск 175 примыкает заподлицо к внешним сторонам выступающих участков 13 вентиляторных лопастей 11.

Непосредственно на диске 175 дисковый участок 172 имеет радиально отстоящие вентиляторные лопасти 177. Они продолжаются на внешней радиальной кромке в осевом направлении в соответствии с участком 13 каждой из вентиляторных лопастей 11. Таким образом, вентиляторные лопасти 177 отстоят от конца 9 вала или торцевой стороны втулки 12, и в то же время диск 175 выполнен заподлицо с внешним контуром вентиляторных лопастей 11.

Направляющий элемент 17, таким образом, представляет собой дополнительный компонент, который может быть использован модульно. Он служит здесь в качестве дополнительного вентилятора ротора и вставляется в отверстие ротора. В принципе, направляющий элемент 17 также может выполняться без вентиляторных лопастей 177.

Направляющий элемент имеет следующие функции:

а. Охладитель или свежий воздух всасывается снаружи на вентиляционной стороне B в трубку 173.

b. В трубке 173 охладитель или воздух направляется через ротор 2.

с. Вблизи основания глухого отверстия 7 охладитель (внутренний поток 18 охладителя) вытекает из конца трубки 173. У основания глухого отверстия 7 внутренний поток 18 охладителя поворачивается в осевом направлении, так что он течет обратно к вентиляционной стороне B.

d. Осевое направление назад внутреннего потока 18 охладителя осуществляется в одном или более каналах, которые разделены в окружном направлении ребрами 174 направляющего элемента 17. Направление назад осуществляется, таким образом, вне трубки 173, так что внутренний поток 18 охладителя может поглощать тепло вращающегося вала 3 (т.е. тепловые потери двигателя, главным образом, ротора) через внутреннюю поверхность вала.

е. Наконец, направляющий элемент 17 имеет функцию выпуска охладителя в области центробежного вентилятора 10. При этом внутренний поток 18 охладителя системы охлаждения ротора вводится во внешний основной поток 14 охладителя центробежного вентилятора 10.

Функция вентилятора ротора (здесь центробежного вентилятора 10) поддерживается потоком охладителя основного вентилятора 10 в зоне истечения. Таким образом, в переходной области между направляющим элементом 17 и вентиляторными лопастями 11 на участке 13 возникает поддержка внутреннего потока 18 охладителя согласно принципу инжектора (сопло Вентури). При этом поток охладителя для ротора всасывается с вентиляционной стороны В, и он вновь выводится через вентиляционную сторону после нагрева в роторе.

В приведенном выше примере всасывание и выпуск охладителя осуществляются на вентиляционной стороне В. В альтернативной форме выполнения охладитель также может втекать через конец 8 вала приводной стороны. В этом случае осевой поворот потока охладителя внутри вала не требуется. Направляющий элемент 17 тогда не должен иметь трубку 173. Опционально он может, конечно, иметь звездообразно выступающие ребра 174, которые ограничивают осевые каналы потока внутри вала. Основной задачей направляющего элемента 17 является тогда отклонение внутреннего потока 18 охладителя в радиальном направлении к аксиально выступающим участкам 13 вентиляторных лопастей 11.

Примеры, приведенные выше, относятся к открытым системам охлаждения. Соответствующий изобретению принцип охлаждения также может применяться для охлаждения ротора в замкнутой системе.

Является распространенным приемом, что валы 3 в области посадки вентилятора сдвинуты назад в целях экономии материала стального вала. Это пространство используется теперь в соответствии с настоящим изобретением для вентиляторных лопастей 177 внутреннего вентилятора ротора. За счет этого возможно модульное использование или переоснащение электрической машины с внутренним охлаждением ротора, так как все компоненты остаются неизменными в размерах. Нужно только предусмотреть отверстие или глухое отверстие в валу. Динамика ротора, а также изгибная собственная частота затрагиваются принимаемыми мерами на валу только в очень малой степени.

Так как внутреннее пространство двигателя или электрической машины не открывается, дополнительное охлаждение ротора не влияет на тип защиты. Принцип вентиляции, таким образом, может применяться и для взрывозащищенных двигателей.

Также предпочтительно, что, как уже было указано выше, за счет модернизации дополнительного охлаждения ротора объем конструкции и навесных элементов не изменяется. Всего лишь необходимо выполнить или дооснастить отверстие в валу и вставить в вал внутренний вентилятор ротора (направляющий элемент 17). Предпочтительно осевая фиксация направляющего элемента 17 осуществляется, например, с помощью запора с защелкой. Фиксация должна обеспечивать демонтаж внутреннего вентилятора ротора.

Предпочтительным образом за счет соответствующего изобретению принципа вентиляции коэффициент полезного действия двигателя может быть повышен благодаря снижению температур статора и ротора. Кроме того, можно, таким образом, повысить срок службы обмотки, а также увеличить срок службы подшипников и использования смазки.

Claims

1. Электрическая машина, содержащая
статор (1),
ротор (2), который взаимодействует магнитным способом со статором (1),
корпус (4, 5, 6), который окружает статор (1) и ротор (2), и
полый вал (3), на котором расположен ротор (2) и который установлен на корпусе (4, 5, 6),
отличающаяся тем, что
на вентиляционной стороне (В) на полом валу (3) размещен с фиксацией от проворачивания центробежный вентилятор (10),
участок (13) вентиляторной лопасти центробежного вентилятора продолжается дальше в осевом направлении от корпуса, чем полый вал, и
в полом валу (3) размещен направляющий элемент (17) с диском (175), проходящим в радиальном направлении, при этом
диск (175) размещен в осевом направлении дальше от корпуса (4, 5, 6), чем торцевая сторона (9) полого вала (3) на вентиляционной стороне (В), так что
внутренний поток (18) охладителя от участка (13) вентиляторной лопасти (11) центробежного вентилятора (10) из полого вала (3) через проход между торцевой стороной (9) полого вала на вентиляционной стороне и диском (175) может подаваться в радиальном направлении наружу.

2. Электрическая машина по п. 1, причем полый вал (3) закрыт на приводной стороне (А), и охладитель может на вентиляционной стороне (В) проникать с торцевой стороны в полый вал (3), и при этом полый вал распространяется по всему ротору, и направляющий элемент имеет трубку (173), через которую охладитель может подаваться от вентиляционной стороны через ротор (2) и между наружной стенкой трубки (173) и внутренней стенкой полого вала (3) назад к вентиляционной стороне (В).

3. Электрическая машина по п. 2, причем между наружной стенкой трубки (173) и внутренней стенкой полого вала (3) образовано множество проходящих в осевом направлении охлаждающих каналов.

4. Электрическая машина по п. 1, причем центробежный вентилятор (10) выполнен так, чтобы поступающий в осевом направлении внешний поток (14) охладителя для охлаждения корпуса (4, 5, 6) перемещать радиально наружу.

5. Электрическая машина по п. 3, причем центробежный вентилятор (10) выполнен так, чтобы поступающий в осевом направлении внешний поток (14) охладителя для охлаждения корпуса (4, 5, 6) перемещать радиально наружу.

6. Электрическая машина по п. 1, причем направляющий элемент (17) имеет направленные радиально к полому валу вентиляторные лопасти (177).

7. Электрическая машина по п. 3, причем направляющий элемент (17) имеет направленные радиально к полому валу вентиляторные лопасти (177).

8. Электрическая машина по п. 5, причем направляющий элемент (17) имеет направленные радиально к полому валу вентиляторные лопасти (177).

9. Электрическая машина по любому из предыдущих пунктов, причем направляющий элемент (17) является отдельной от полого вала (3) частью и вставлен в него с вентиляционной стороны (В).

10. Электрическая машина по п. 9, причем направляющий элемент (17) выполнен из пластика.

11. Электрическая машина по п. 2, причем центробежный вентилятор (10) выполнен так, чтобы поступающий в осевом направлении внешний поток (14) охладителя для охлаждения корпуса (4, 5, 6) перемещать радиально наружу.

12. Электрическая машина по п. 2, причем направляющий элемент (17) имеет направленные радиально к полому валу вентиляторные лопасти (177).

13. Электрическая машина по п. 11, причем направляющий элемент (17) имеет направленные радиально к полому валу вентиляторные лопасти (177).

14. Электрическая машина по любому из пп. 11-13, причем направляющий элемент (17) является отдельной от полого вала (3) частью и вставлен в него с вентиляционной стороны (В).

15. Электрическая машина по п. 14, причем направляющий элемент (17) выполнен из пластика.

16. Электрическая машина по п. 2, причем направляющий элемент (17) является отдельной от полого вала (3) частью и вставлен в него с вентиляционной стороны (В).

17. Электрическая машина по любому из пп. 1-8, 10-13, 15 или 16, причем полый вал (3) на участке (3') на приводной стороне (А) электрической машины выполнен не полым.

18. Электрическая машина по любому из пп. 1-8, 10-13, 15 или 16, причем корпус (4, 5, 6) вокруг статора (1) и ротора (2) выполнен закрытым.

19. Электрическая машина по п. 18, причем корпус (4, 5, 6) образует вокруг статора (1) и ротора (2) взрывозащиту.