RU2638562C2

RU2638562C2 - Электрическая машина с комбинированным воздушно-водяным охлаждением

Info

Publication number: RU2638562C2
Application number: RU2015126783A
Authority: RU
Inventors: Феликс НОАК; Мартин СИНДЕЛКА; Себастьян ВАЙСС
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2017-12-14
Also published as: WO2014086627A1; CN104838563B; CA2893457A1; US20160204680A1; US10158272B2; CN104838563A; EP2741397B1; BR112015012113A2; RU2015126783A; EP2741397A1

Abstract

Электрическая машина содержит корпус (1), в котором расположены статор (2) и ротор (4). Корпус (1) проходит, если смотреть в направлении оси вращения (5), от переднего конца (6) к заднему концу (7). Корпус (1) имеет либо вблизи переднего конца (6) воздуховпускное отверстие (10) и вблизи заднего конца (7) воздуховпускное отверстие (11), либо вблизи переднего и заднего концов (6, 7) по одному воздуховпускному отверстию (10), а между ними на параллельной оси вращения (5) стороне (9) - воздуховыпускное отверстие (11). На параллельную оси вращения (5) сторону (9) корпуса (1) надета насадка (13), которая закрывает воздуховпускные отверстия (10) и воздуховыпускное отверстие (11). По меньшей мере, некоторые из труб (14), если смотреть в направлении оси вращения (5), выдаются за статор (2) в направлении переднего и заднего концов (6, 7), так что они при работе отбирают у всасываемого, протекающего внутри корпуса (1) воздуха тепло. Техническим результатом является оптимизация охлаждения. 24 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к электрической машине,

причем она содержит корпус, в котором расположен статор и в котором с возможностью вращения вокруг оси вращения установлен ротор,

причем корпус проходит, если смотреть в направлении оси вращения, от переднего конца к заднему концу,

причем корпус имеет либо вблизи переднего конца воздуховпускное отверстие и вблизи заднего конца воздуховпускное отверстие, либо вблизи переднего и заднего концов по одному воздуховпускному отверстию, а между ними на параллельной оси вращения стороне – воздуховыпускное отверстие,

причем электрическая машина при работе всасывает через воздуховпускные отверстия воздух и выталкивает всасываемый воздух из воздуховыпускного отверстия,

причем на параллельную оси вращения сторону корпуса надета насадка, которая наподобие колпака закрывает воздуховпускные и воздуховыпускное отверстия, так что выталкиваемый через воздуховыпускное отверстие из корпуса воздух снова подается в воздуховпускные отверстия.

Такие электрические машины общеизвестны. Чисто в качестве примера следует сослаться на DE 3724186 А1.

В электрических машинах описанного выше рода в насадке обычно расположены трубы, через которые протекает газообразная или жидкая охлаждающая среда, как правило, воздух или вода и которые за счет этого отбирают у охлаждающего электрическую машину воздуха тепло. Из-за необходимого для труб конструктивного пространства насадка требует, как правило, значительной конструктивной высоты. Кроме того, охлаждение электрической машины, правда, эффективное, однако неоптимальное.

Задачей изобретения является усовершенствование электрической машины описанного выше рода таким образом, чтобы оптимизировать охлаждение и чтобы она имела более компактную конструкцию.

Эта задача решается посредством электрической машины с признаками п. 1 формулы. Предпочтительные варианты электрической машины являются объектом зависимых пунктов.

Согласно изобретению электрическая машина описанного выше рода отличается тем, что

в статоре расположены трубы для жидкой охлаждающей среды, с помощью которой статор при работе непосредственно охлаждается, и

по меньшей мере, некоторые из труб, если смотреть в направлении оси вращения, выдаются за статор в направлении переднего и заднего концов, так что они при работе отбирают у всасываемого, протекающего внутри корпуса воздуха тепло.

За счет этого статор может высокоэффективно охлаждаться непосредственно жидкой охлаждающей средой. Охлаждение ротора, по меньшей мере, так же эффективно, как и в уровне техники. Кроме того, электрическая машина может иметь компактную конструкцию.

В статоре расположена система статорных обмоток, которая имеет, если смотреть в направлении оси вращения на передний конец, переднюю лобовую часть, а на задний конец – заднюю лобовую часть. В одном предпочтительном варианте трубы перекрывают, если смотреть в направлении оси вращения, по меньшей мере, 50%, а лучше, по меньшей мере, 75% лобовых частей. Как правило, трубы проходят по лобовым частям неполностью. Однако в отдельных случаях возможна также полная протяженность по лобовым частям или даже за их пределы.

Как правило, трубы, если смотреть вокруг оси вращения, распределены равномерно. Возможно, чтобы трубы выдавались к переднему и заднему концам одинаково далеко за статор, т.е. чтобы трубы имели одинаковую длину независимо от того, в каком месте периферии статора они расположены. В качестве альтернативы возможно, чтобы, по меньшей мере, трубы, расположенные в обращенной от насадки зоне электрической машины, меньше выдавались за статор к переднему и заднему концам, чем трубы, расположенные в обращенной к насадке зоне электрической машины.

Как правило, трубы в тех зонах, где они выдаются за статор к переднему и заднему концам, обтекаются всасываемым, протекающим внутри корпуса воздухом. В этом случае на трубах в тех зонах, где они выдаются за статор к переднему и заднему концам, преимущественно расположены отстоящие от труб охлаждающие ребра.

Далее возможно, чтобы на трубах были расположены радиаторы, которые, если смотреть в направлении оси вращения, проходят за пределы труб к концам корпуса. Это выполнение может быть реализовано независимо от того, обтекаются ли сами трубы всасываемым, протекающим внутри корпуса воздухом или нет и расположены ли на трубах охлаждающие ребра.

Далее возможно, чтобы трубы были соединены между собой на своих осевых концах посредством соответствующего кольцевого коллектора. В этом случае на коллекторах могут быть расположены радиаторы, которые, если смотреть в направлении оси вращения, проходят за пределы кольцевых коллекторов к концам корпуса.

В одном особенно предпочтительном варианте предусмотрено, что

ротор имеет, по меньшей мере, один проходящий в направлении оси вращения продольный канал для охлаждающего воздуха, от которого, если смотреть в направлении оси вращения, в заданных осевых положениях радиально наружу ответвляются проходящие радиально к оси вращения поперечные каналы ротора для охлаждающего воздуха,

статор имеет, если смотреть в направлении оси вращения между заданными осевыми положениями, соответственно участок и в заданных осевых положениях проходящие радиально к оси вращения поперечные каналы статора для охлаждающего воздуха, а

всасываемый при работе через воздуховпускные отверстия воздух затекает внутри корпуса, по меньшей мере, частично в направлении оси вращения, по меньшей мере, в один продольный канал для охлаждающего воздуха, а затем течет радиально наружу через поперечные каналы ротора и статора для охлаждающего воздуха.

Благодаря этому выполнению можно, в частности, оптимизировать охлаждающее действие.

Описанные выше свойства, признаки и преимущества изобретения, а также то, как они достигаются, становятся более понятными в связи с нижеследующим описанием примеров его осуществления, которые более подробно поясняются со ссылкой на чертежи, на которых схематично изображают:

фиг. 1, 2: варианты электрической машины в продольном разрезе;

фиг. 3: статор в сечении.

На фиг. 1 и 2 электрическая машина содержит корпус 1. В нем расположен статор 2. Кроме того, в корпусе 1 в подшипниках 3 установлен ротор 4, так что он установлен с возможностью вращения вокруг оси 5. Если смотреть в направлении оси вращения 5, то корпус проходит от переднего конца 6 к заднему концу 7. Он опирается нижней стороной 8 на фундамент (не показан).

Ось вращения проходит, как правило, горизонтально. Нижеследующие рассуждения относятся к этим выполнениям. В отдельном случае ось вращения могла бы, однако, проходить в качестве альтернативы вертикально.

Преимущественно ротор имеет, по меньшей мере, один продольный канал 4а для охлаждающего воздуха. Он проходит в направлении оси вращения 5. В заданных осевых положениях, т.е. в заданных положениях, если смотреть в направлении оси вращения 5, от (по меньшей мере, одного) канала 4а радиально наружу ответвляются поперечные каналы 4b ротора для охлаждающего воздуха. Они проходят радиально к оси вращения 5 и открыты радиально наружу, т.е. к статору 2. Кроме того, статор 2 имеет в заданных осевых положениях поперечные каналы 2b для охлаждающего воздуха. Они проходят радиально к оси вращения 5. Между заданными осевыми положениями статор 2 имеет соответственно участок 2а.

Возможно, чтобы корпус 1 имел (единственное) воздуховпускное отверстие 10 и воздуховыпускное отверстие 11. В этом случае воздуховпускное отверстие 10 расположено вблизи переднего конца 6, а воздуховыпускное отверстие 11 - вблизи заднего конца 7. Большей частью воздуховпускное 10 и воздуховыпускное 11 отверстия расположены в этом случае на верхней стороне 9 (или, вообще, на параллельной оси вращения 5 стороне 9) корпуса 1. Однако в отдельных случаях они могут быть расположены на торцевых сторонах корпуса 1. Это выполнение изображено на фиг. 1. В качестве альтернативы возможно, чтобы корпус 1 имел на верхней стороне 9 два воздуховпускных 10 и одно воздуховыпускное отверстие 11. В этом случае по одному воздуховпускному отверстию 10 расположено вблизи переднего 6 и заднего 7 концов. В этом случае воздуховыпускное отверстие 11 расположено между обоими воздуховпускными отверстиями 10. Этот вариант изображен на фиг. 2. Большей частью также в этом случае воздуховпускные отверстия 10 расположены на верхней стороне 9 или на параллельной оси вращения 5 стороне 9. Однако в отдельных случаях они могут быть расположены на торцевых сторонах корпуса 1. Воздуховыпускное отверстие 11 расположено всегда на верхней стороне 9 или на параллельной оси вращения 5 стороне 9.

Ниже везде употребляется термин «воздуховпускные отверстия 10» (во множественном числе). Однако он употребляется лишь в родовом смысле. Соответствующие рассуждения относятся, следовательно, в равной степени к выполнению на фиг. 1 с единственным воздуховпускным отверстием 10.

Независимо от того, какое из обоих выполнений реализовано (с единственным воздуховпускным отверстием 10 или с двумя воздуховпускными отверстиями 10), электрическая машина всасывает при работе через воздуховпускные отверстия 10 воздух, направляет его через корпус 1 (в частности, через статор 2 и ротор 4) и выталкивает его из воздуховпускного отверстия 11. Соответствующие воздушные контуры обозначены на фиг. 1 и 2 штриховыми линиями 12. На фиг. 1 и 2, в частности, видно, что всасываемый при работе электрической машины через воздуховпускные отверстия 10 воздух внутри корпуса (по меньшей мере, частично) затекает в направлении оси вращения 5, по меньшей мере, в один продольный канал 4а, а затем вытекает радиально наружу через поперечные каналы 4b ротора и поперечные каналы 2b статора.

На верхнюю сторону 9 или на параллельную оси вращения 5 сторону 9 корпуса 1 надета насадка 13. Она закрывает наподобие колпака воздуховпускные 10 и воздуховыпускное 11 отверстия. За счет насадки 13 воздух, выталкиваемый из воздуховыпускного отверстия 11, снова подается в воздуховпускные отверстия 10. Следовательно, воздух циркулирует в замкнутом охлаждающем контуре. Он охлаждает ротор 4 и частично также статор 22 за счет конвекции.

В статоре 2 – это относится как к выполнению на фиг. 1, так и к выполнению на фиг. 2 - расположены трубы 14. Они проходят на фиг. 1-3 в направлении оси вращения 5. В качестве альтернативы они могут иметь легкую закрутку вокруг оси вращения 5. Трубы 14 направляют жидкую охлаждающую среду 15, обычно воду. С помощью жидкой охлаждающей среды 15 статор 2 при работе электрической машины охлаждается непосредственно, т.е. имеет непосредственное жидкостное охлаждение. Перенос тепла от статора 2 на трубы 14 происходит за сет теплопроводности. На фиг. 3 трубы 14 могут быть, например, запрессованы на внешней периферии статора 2 в пазы 16. В качестве альтернативы или дополнительно трубы 14 могут быть помещены в отверстия.

На фиг. 1 и 2 трубы 14 - по меньшей мере, некоторые из них - выдаются, если смотреть в направлении оси вращения 5, за статор 2 в направлении переднего 6 и заднего 7 концов. За счет этого возможно, чтобы трубы 14 при работе электрической машины отбирали у всасываемого через воздуховпускные отверстия 10, протекающего внутри корпуса 1 воздуха тепло.

В простейшем случае для этой цели ведение протекающего внутри корпуса 1 воздуха происходит таким образом, что воздух обтекает трубы 14 в тех зонах, где они выдаются за статор 2 к переднему 6 и заднему 7 концам. В частности, в этом случае на трубах 14 в тех зонах, где они выдаются за статор 2 к переднему 6 и заднему 7 концам, могут быть расположены охлаждающие ребра 17, отстоящие от труб 14. Охлаждающие ребра 17 могут быть, например, зажаты на трубах 14.

В качестве альтернативы или дополнительно к непосредственному обтеканию труб 14 протекающим внутри корпуса 1 воздухом на трубах могут быть расположены радиаторы 18. Они проходят в этом случае, если смотреть в направлении оси вращения 5, за пределы труб к концам 6, 7 корпуса 1.

Возможно, чтобы трубы 14 имели на фиг. 1 U-образные участки, так что охлаждающая среда 15 в первой части труб 14 течет в направлении от переднего конца 6 к заднему концу 7, а в их второй части - в направлении от заднего конца 7 к переднему концу 6. В качестве альтернативы в соответствии с фиг. 2 возможно, чтобы трубы 14 были соединены между собой на обеих сторонах статора 2, т.е. на своих осевых концах, посредством соответствующего кольцевого коллектора 19. При наличии в этом случае радиаторов 18 они расположены на фиг. 2 на коллекторах 19.

В статоре 2 расположена система статорных обмоток. Как таковая она не видна на фиг. 1 и 2, поскольку она закрыта статором 2. Система имеет переднюю 20 и заднюю 21 лобовые части. Они изображены на фиг. 1 и 2. Передняя лобовая часть 20 проходит от статора 2, если смотреть в направлении оси вращения 5, к переднему концу 6. Аналогичным образом задняя лобовая часть 21 проходит от статора 2, если смотреть в направлении оси вращения 5, к заднему концу 7. На фиг. 1 и 2 трубы 14 перекрывают, если смотреть в направлении оси вращения 5, по меньшей мере, 50% лобовых частей 20, 21. Преимущественно они перекрывают, по меньшей мере, 75% лобовых частей 20, 21. Степень перекрытия относится к отношению осевой длины L1 выступания труб 14 за статор 2 к выступанию L2 лобовых частей 20, 21 за статор 2.

Как правило, трубы 14 перекрывают лобовые части 20, 21, если смотреть в направлении оси вращения 5, неполностью. Однако в отельных случаях может быть возможным также полное перекрытие или даже выступание лобовых частей 20, 21.

На фиг. 3 трубы 14, если смотреть вокруг оси вращения 5, распределены преимущественно равномерно вокруг нее. Возможно, чтобы трубы 14 одинаково далеко выдавались за статор 2 к переднему 6 и заднему 7 концам. Это выполнение предпочтительно, в частности, тогда, когда концы труб 14 соединены кольцевыми коллекторами 19. В качестве альтернативы возможно, чтобы, по меньшей мере, расположенные в нижней части или, вообще, в обращенной от насадки 13 части электрической машины трубы 14 меньше выдавались за статор 2 к переднему 6 и заднему 7 концам, чем в верхней части или, вообще, в обращенной к насадке 13 части электрической машины.

Изобретение имеет много преимуществ. В частности, простым образом может быть реализовано компактное комбинированное водо-воздушное охлаждение электрической машины. Возможно также повышение мощности.

Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано предпочтительным примером его осуществления, оно не ограничено раскрытыми примерами и специалист может вывести другие варианты, не выходящие за объем охраны изобретения.

Claims

1. Электрическая машина,

причем она содержит корпус (1), в котором расположен статор (2) и в котором с возможностью вращения вокруг оси вращения (5) установлен ротор (4),

причем корпус (1) проходит, если смотреть в направлении оси вращения (5), от переднего конца (6) к заднему концу (7),

причем корпус (1) имеет либо вблизи переднего конца (6) воздуховпускное отверстие (10) и вблизи заднего конца (7) воздуховпускное отверстие (11), либо вблизи переднего конца(6) и заднего конца (7) по одному воздуховпускному отверстию (10), а между ними на параллельной оси вращения (5) стороне (9) - воздуховыпускное отверстие (11),

причем электрическая машина при работе всасывает через воздуховпускные отверстия (10) воздух и выпускает всасываемый воздух из воздуховыпускного отверстия (11),

причем на параллельную оси вращения (5) сторону (9) корпуса (1) надета насадка (13), которая наподобие колпака закрывает воздуховпускные отверстия (10) и воздуховыпускное отверстие (11), так что воздух, выталкиваемый через воздуховыпускное отверстие (11) из корпуса (1), снова подается в воздуховпускные отверстия (10),

отличающаяся тем, что

в статоре (2) расположены трубы (14) для жидкой охлаждающей среды (15), с помощью которой статор (2) при работе непосредственно охлаждается,

при этом, по меньшей мере, некоторые из труб (14), если смотреть в направлении оси вращения (5), выдаются за статор (2) в направлении переднего и заднего концов (6, 7), так что они при работе отбирают у всасываемого, протекающего внутри корпуса (1) воздуха тепло.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что в статоре (2) расположена система статорных обмоток, причем система статорных обмоток содержит, если смотреть от статора (2) в направлении оси вращения (5) к переднему концу (6) переднюю лобовую часть (20)

обмотки, а к заднему концу (7) - заднюю лобовую часть (21) обмотки, при этом трубы (14), если смотреть в направлении оси вращения (5), перекрывают, по меньшей мере, 50%, лучше, по меньшей мере, 75% лобовых частей (20, 21) обмотки.

3. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что трубы (14), если смотреть вокруг оси вращения (5), размещены с равномерным распределением, и при этом трубы (14) на одинаковое расстояние выдаются за статор (2) к переднему концу (6) и заднему концу (7).

4. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что трубы (14), если смотреть вокруг оси вращения (5), размещены с равномерным распределением, и при этом, по меньшей мере, трубы (14), расположенные в обращенной от насадки (13) зоне электрической машины, выдаются на меньшее расстояние за статор (2) к переднему концу (6) и заднему концу (7), чем трубы (14), расположенные в обращенной к насадке (13) зоне электрической машины.

5. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что трубы (14) в тех зонах, где они выдаются за статор (2) к переднему концу (6) и заднему концу (7), обтекаются всасываемым, протекающим внутри корпуса (1) воздухом.

6. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что трубы (14) в тех зонах, где они выдаются за статор (2) к переднему концу (6) заднему концу (7), обтекаются всасываемым, протекающим внутри корпуса (1) воздухом.

7. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что трубы (14) в тех зонах, где они выдаются за статор (2) к переднему концу (6) и заднему концу (7), обтекаются всасываемым, протекающим внутри корпуса (1) воздухом.

8. Машина по п. 5, отличающаяся тем, что на трубах (14) в тех зонах, где они выдаются за статор (2) к переднему концу (6) и заднему концу (7), расположены отстоящие от труб (14) охлаждающие ребра (17).

9. Машина по п. 6 или 7, отличающаяся тем, что на трубах (14) в тех зонах, где они выдаются за статор (2) к переднему концу (6) и заднему концу (7), расположены отстоящие от труб (14) охлаждающие ребра (17).

10. Машина по одному из пп. 1, или 2, или 6, или 7, или 8, отличающаяся тем, что на трубах (14) расположены радиаторы (18), которые, если смотреть в направлении оси вращения (5), проходят за пределы труб (14) к концам (6, 7) корпуса (1).

11. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что на трубах (14) расположены радиаторы (18), которые, если смотреть в направлении оси вращения (5), проходят за пределы труб (14) к концам (6, 7) корпуса (1).

12. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что на трубах (14) расположены радиаторы (18), которые, если смотреть в направлении оси вращения (5), проходят за пределы труб (14) к концам (6, 7) корпуса (1).

13. Машина по п. 5, отличающаяся тем, что на трубах (14) расположены радиаторы (18), которые, если смотреть в направлении оси вращения (5), проходят за пределы труб (14) к концам (6, 7) корпуса (1).

14. Машина по п. 9, отличающаяся тем, что на трубах (14) расположены радиаторы (18), которые, если смотреть в направлении оси вращения (5), проходят за пределы труб (14) к концам (6, 7) корпуса (1).

15. Машина по одному из пп. 1, или 2, или 6, или 7, или 8, отличающаяся тем, что трубы (14) на своих осевых концах соединены между собой посредством соответствующего кольцевого коллектора (19).

16. Машина п. 3, отличающаяся тем, что трубы (14) на своих осевых концах соединены между собой посредством соответствующего кольцевого коллектора (19).

17. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что трубы (14) на своих осевых концах соединены между собой посредством соответствующего кольцевого коллектора (19).

18. Машина по п. 5, отличающаяся тем, что трубы (14) на своих осевых концах соединены между собой посредством соответствующего кольцевого коллектора (19).

19. Машина по п. 9, отличающаяся тем, что трубы (14) на своих осевых концах соединены между собой посредством соответствующего кольцевого коллектора (19)

20. Машина по п. 15, отличающаяся тем, что на кольцевых коллекторах (19) расположены радиаторы (18), которые, если смотреть в направлении оси вращения (5), проходят за пределы кольцевых коллекторов (19) к концам (6, 7) корпуса (1).

21. Машина по п. 16, или 17, или 18, или 19, отличающаяся тем, что на кольцевых коллекторах (19) расположены радиаторы (18), которые, если смотреть в направлении оси вращения (5), проходят за пределы кольцевых коллекторов (19) к концам (6, 7) корпуса (1).

22. Машина по одному из пп. 1, 2, 6–8, 11–14, 16-20, отличающаяся тем, что

ротор (4) имеет, по меньшей мере, один проходящий в направлении оси вращения (5) продольный канал (4а) для охлаждающего воздуха, от которого, если смотреть в направлении оси вращения (5), в заданных осевых положениях радиально наружу ответвляются проходящие радиально к оси вращения (5) поперечные каналы (4b) ротора для охлаждающего воздуха,

статор (2) имеет, если смотреть в направлении оси вращения (5) между заданными осевыми положениями, соответственно участок (2а) и в заданных осевых положениях проходящие радиально к оси вращения (5) поперечные каналы (2b) статора для охлаждающего воздуха,

при этом всасываемый при работе через воздуховпускные отверстия (10) воздух втекает внутри корпуса (1), по меньшей мере, частично в направлении оси вращения (5), по меньшей мере, в один продольный канал (4а) для охлаждающего воздуха, а затем течет радиально наружу через поперечные каналы (4b, 2b) ротора и статора для охлаждающего воздуха.

23. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что

24. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что

25. Машина по п. 5, отличающаяся тем, что