ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С РАДИАЛЬНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА Российский патент 2013 года по МПК H02K1/20 H02K1/32 H02K9/20 

Настоящее изобретение относится к электрической машине.

Электрические машины являются общеизвестными.

Известная электрическая машина содержит корпус. В корпусе в подшипниках установлен роторный вал, так что он может вращаться вокруг оси вала. Корпус имеет две торцевые поверхности и боковую поверхность. Торцевыми поверхностями корпус ограничивает внутреннее пространство корпуса в осевом направлении. Боковой поверхностью корпус ограничивает внутреннее пространство корпуса в радиальном направлении. На роторном валу без проворачивания установлен листовой пакет ротора. Листовой пакет ротора имеет проходящие в осевом направлении каналы охлаждения и радиально проходящие каналы охлаждения. Радиально проходящие каналы охлаждения листового пакета ротора радиально наружу открыты и продолжаются радиально внутрь по меньшей мере до проходящих в осевом направлении каналов охлаждения. Корпус имеет две осевые металлические перегородки, которые продолжаются, исходя от боковой поверхности радиально внутрь, но заканчиваются перед роторным валом. Металлические перегородки, при рассмотрении в осевом направлении, расположены между листовым пакетом ротора и торцевыми поверхностями. Корпус имеет осевые ребра, которые расположены по окружности боковой поверхности распределенным образом, проходят по меньшей мере между осевыми металлическими перегородками в осевом направлении и продолжаются радиально внутрь. Они несут листовой пакет статора. Листовой пакет статора электрически взаимодействует с листовым пакетом ротора. Листовой пакет статора имеет радиально проходящие каналы охлаждения, которые радиально внутрь и радиально наружу открыты и взаимодействуют с радиально проходящими каналами охлаждения листового пакета ротора. Листовой пакет статора несет обмотку статора. Обмотка статора имеет головки обмотки, которые в осевом направлении с обеих сторон выступают из листового пакета статора. Осевые металлические перегородки продолжаются настолько радиально внутрь, что они, при наблюдении в радиальном направлении, перекрывают головки обмотки. Боковая поверхность имеет в первой тангенциальной области два впускных отверстия и выпускное отверстие для охлаждающего воздуха. Впускные отверстия, при наблюдении в радиальном направлении, размещены между соответствующей одной из торцевых поверхностей и соответствующей одной из осевых металлических перегородок. Выпускное отверстие размещено, при наблюдении в радиальном направлении, между осевыми металлическими перегородками.

В электрических машинах согласно уровню техники охлаждающий воздух вводится с обеих сторон в осевом направлении в листовой пакет ротора. Охлаждающий воздух сначала протекает через листовой пакет ротора, а затем листовой пакет статора. Из листового пакета статора охлаждающий воздух выводится радиально наружу. Затем охлаждающий воздух выходит либо непосредственно через выпускное отверстие наружу или протекает по оси в область, в которой размещены головки обмотки. Там охлаждающий воздух течет тангенциально, пока не достигнет первой тангенциальной области. Там охлаждающий воздух протекает через выпускное отверстие и выходит из электрической машины.

Вторая часть охлаждающего воздуха течет не через листовой пакет ротора, а непосредственно через головки обмотки. Эта часть охлаждающего воздуха после протекания через головки обмотки выходит непосредственно радиально наружу и смешивается с первой частью охлаждающего воздуха. При этом первая и вторая части охлаждающего воздуха частично препятствуют друг другу.

В уровне техники известно, что с этим взаимным препятствием мирятся и учитывают связанное с этим худшее использование электрической машины. Кроме того, известно, что используются относительно мощные вентиляторы, которые создают соответственно большой поток охлаждающего воздуха. Кроме того, известно, что применяются полностью другие направляющие потока охлаждающего воздуха.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы электрическую машину вышеуказанного типа выполнить таким образом, чтобы при сохранении принципиальной структуры можно было достичь более эффективного направления воздуха.

Эта задача решается посредством электрической машины с признаками пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с изобретением дополнительно к вышеназванным признакам предусмотрено, что корпус содержит две радиальные металлические перегородки, которые размещены, при рассмотрении в радиальном направлении, между головками обмотки статорной обмотки и осевыми ребрами. Радиальные металлические перегородки продолжаются в осевом направлении от листового пакета статора к соответствующей одной из осевых металлических перегородок, а в тангенциальном направлении по второй тангенциальной области, которая по существу комплементарна к первой тангенциальной области.

Соответствующая изобретению электрическая машина может выполняться различным образом.

Так, например, возможно, что осевые металлические перегородки имеют радиально внутренние концы, которые, при наблюдении в радиальном направлении, расположены радиально внутрь дальше, чем головки обмотки, и на радиально внутренних концах осевых металлических перегородок размещены уплотняющие кольца, которые, при наблюдении в осевом направлении, продолжаются к листовому пакету статора, но находятся на расстоянии от листового пакета статора.

В качестве альтернативы или дополнительно к вышеназванному выполнению, является возможным, что на роторном валу в области осевых металлических перегородок размещены вентиляторы.

В качестве альтернативы или дополнительно к одной (или обеим) вышеназванным формам выполнения, является возможным, что осевые ребра в области радиальных металлических перегородок имеют меньшую радиальную протяженность, чем в области листового пакета статора.

Другие преимущества и детали следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения в связи с чертежами, на которых в схематичном изображении показано следующее:

фиг.1 - продольное сечение соответствующей изобретению электрической машины,

фиг.2 - сечение вдоль линии А-А на фиг.1, и

фиг.3 - сечение вдоль линии В-В на фиг.1.

Фиг.1-3 далее поясняются совместно, так как они представляют одну и ту же электрическую машину. Прежде всего, при этом поясняется основной принцип предложенного изобретения и его способ функционирования, а затем возможные формы выполнения.

Согласно фиг.1-3 электрическая машина имеет корпус 1. В корпусе 1 в опоре установлен роторный вал 2, так что он имеет возможность вращения вокруг оси 3 вала. Как правило, опора выполнена в подшипниках. Подшипники часто выполнены как подшипники качения, например как шарикоподшипники. Однако подшипники также могут быть выполнены иным образом, например как цилиндрические или конические подшипники или как активные или пассивные магнитные подшипники.

В том виде, как далее используются понятия «осевой», «радиальный» и «тангенциальный», они всегда относятся к оси 3 вала. При этом понятие «осевой» означает направление, параллельное оси 3 вала. Понятие «радиальный» означает направление, ортогональное осевому направлению, а именно, к оси 3 вала или от оси 3 вала. Понятие «тангенциальный» означает направление, ортогональное к осевому направлению и ортогональное к радиальному направлению, то есть на радиальном расстоянии от оси 3 вала и вокруг оси 3 вала.

Корпус 1 имеет две торцевые поверхности 4 и боковую поверхность 5. Торцевыми поверхностями 4 корпус 1 ограничивает внутреннее пространство 6 корпуса в осевом направлении. Боковой поверхностью 5 корпус 1 ограничивает внутреннее пространство 6 корпуса в радиальном направлении.

На роторном валу 2 без проворачивания установлен листовой пакет 7 ротора. Листовой пакет 7 ротора имеет проходящие в осевом направлении каналы 8 охлаждения и радиально проходящие каналы 9 охлаждения. Проходящие в осевом направлении каналы 8 охлаждения могут располагаться вблизи роторного вала 2. Радиально проходящие каналы 9 охлаждения листового пакета 7 ротора радиально наружу открыты и продолжаются радиально внутрь по меньшей мере до проходящих в осевом направлении каналов 8 охлаждения. Радиально проходящие каналы 9 охлаждения могут продолжаться соответственно изображению на фиг.1 через проходящие в осевом направлении каналы 8 охлаждения листового пакета 7 ротора радиально внутрь. Однако это не является обязательным. Достаточно, если радиальные каналы 9 охлаждения листового пакета 7 ротора продолжаются до проходящих в осевом направлении каналов 8 охлаждения. Роторный вал 2 и листовой пакет 7 ротора на фиг.2 и 3 не показаны, чтобы не усложнять изображение на фиг.2 и 3.

Если радиально проходящие каналы 9 охлаждения листового пакета 7 ротора продолжаются через проходящие в осевом направлении каналы 8 охлаждения листового пакета 7 ротора радиально внутрь, то степень, в которой осуществляется это продолжение через проходящие в осевом направлении каналы 8 охлаждения, в принципе может свободно выбираться. В частности, радиально проходящие каналы 9 охлаждения листового пакета 7 ротора могут, в качестве альтернативы, продолжаться до роторного вала 2 или заканчиваться на некотором радиальном расстоянии перед роторным валом 2.

Корпус 1 имеет две осевые металлические перегородки 10, которые продолжаются, исходя от боковой поверхности 5 радиально внутрь, но заканчиваются перед роторным валом 2. Осевые металлические перегородки 10, при рассмотрении в осевом направлении, расположены между листовым пакетом 7 ротора и торцевыми поверхностями 4. Осевые металлические перегородки 10, при рассмотрении в тангенциальном направлении, замкнуты, то есть проходят вокруг. Особенно четко это видно на фиг.2 и 3. Осевые металлические перегородки 10 характеризуются как «осевые» потому, что они отделяют друг от друга с точки зрения потока различные осевые участки электрической машины.

Корпус 1 имеет осевые ребра 11, которые расположены по окружности боковой поверхности 5 распределенным образом. Осевые ребра 11 проходят по меньшей мере между осевыми металлическими перегородками 10 в осевом направлении и продолжаются радиально внутрь. Осевые ребра 11 несут листовой пакет 12 статора. Листовой пакет 12 статора электрически взаимодействует с листовым пакетом 7 ротора. Листовой пакет 12 статора имеет радиально проходящие каналы 13 охлаждения. Радиально проходящие каналы 13 охлаждения листового пакета 12 статора радиально внутрь и радиально наружу открыты и взаимодействуют с радиально проходящими каналами 9 охлаждения листового пакета 7 ротора. Листовой пакет статора также не представлен на фиг.2 и 3.

Листовой пакет 12 статора несет обмотку 14 статора. Обмотка 14 статора имеет головки 15 обмотки, которые в осевом направлении с обеих сторон выступают из листового пакета 12 статора. Осевые металлические перегородки 10 продолжаются настолько радиально внутрь, что они, при наблюдении в радиальном направлении, перекрывают головки 15 обмотки.

Боковая поверхность 5 имеет, согласно фиг.2 и 3, в первой тангенциальной области 16 два впускных отверстия 17 и выпускное отверстие 18 для охлаждающего воздуха 19. Впускные отверстия 18, при наблюдении в осевом направлении, размещены между соответствующей одной из торцевых поверхностей 4 и соответствующей одной из осевых металлических перегородок 10. Выпускное отверстие 18, при наблюдении в осевом направлении, размещено между осевыми металлическими перегородками 10.

Корпус 1 имеет две радиальные металлические перегородки 20, которые, при наблюдении в радиальном направлении, размещены между головками 15 обмотки статорной обмотки 14 и осевыми ребрами 11. Они продолжаются в осевом направлении от листового пакета 12 статора к соответствующей одной из осевых металлических перегородок 10, а при рассмотрении в тангенциальном направлении - по второй тангенциальной области 21, которая по отношению к первой тангенциальной области 16, по существу, является комплементарной. Радиальные металлические перегородки 20 при этом характеризуются как «радиальные», так как они в радиальном направлении отделяют друг от друга различные участки электрической машины.

Как правило, первая тангенциальная область 16 является свободной по перекрытию по отношению ко второй тангенциальной области 21. При этом возможно, что первая тангенциальная область 16 и вторая тангенциальная область 21 дополняют друг друга до полного круга. Однако часто остаются две остаточные тангенциальные области 22. Если остаточные тангенциальные области 22 имеются, то они, как правило, одинаковой величины. Однако в исключительных случаях они могут иметь и разную величину. Также возможно, что имеется только одна из остаточных тангенциальных областей 22.

Радиальные металлические перегородки 20 продолжаются, согласно фиг.3, по меньшей мере до обоих осевых ребер 11, которые являются непосредственно смежными с первой тангенциальной областью 16. Согласно примеру выполнения, в котором имеются восемь осевых ребер 11, и первая тангенциальная область 16 перекрывает одно из осевых ребер 11, справедливы следующие числовые значения: первая тангенциальная область 16 перекрывает в тангенциальном направлении максимально 90°, согласно примеру выполнения около 45°. Вторая тангенциальная область 21 перекрывает по меньшей мере 270°. Это также показано в примере выполнения.

Если первая тангенциальная область 16, например, не перекрывает никаких осевых ребер 11, то первая тангенциальная область 16 продолжалась бы между двумя осевыми ребрами 11 и, таким образом, перекрывала бы максимально 45°. Вторая тангенциальная область 21 перекрывала бы этом случае по меньшей мере 315°.

В приведенных выше числовых значениях пренебрегали тангенциальной протяженностью осевых ребер 11. Ввиду тангенциальной протяженности осевых ребер 11, на практике могут получаться незначительно отличающиеся числовые значения.

Далее поясняется, каким образом электрическая машина охлаждается.

В процессе работы электрической машины роторный вал 2 вращается вокруг оси 3 вала. Охлаждающий воздух 19 всасывается через впускные отверстия 17. Первая часть охлаждающего воздуха 19 протекает сначала через проходящие в осевом направлении каналы 8 охлаждения листового пакета 7 ротора, затем проходящие в радиальном направлении каналы 9 охлаждения листового пакета 7 ротора и, наконец, проходящие в радиальном направлении каналы 13 охлаждения листового пакета 12 статора.

Когда первая часть охлаждающего воздуха 19 выходит из листового пакета 12 статора, осуществляется выход либо в первой тангенциальной области 16, либо вне первой тангенциальной области 16. Если осуществляется выход вне первой тангенциальной области 16, то охлаждающий воздух 19 сначала должен протекать по оси к осевым областям, в которых находятся головки 15 обмотки. Там соответствующая часть охлаждающего воздуха 19 протекает тангенциально, пока не будет достигнута первая тангенциальная область 16. Затем охлаждающий воздух 19 протекает к выпускному отверстию 18. Оттуда он выходит радиально наружу из электрической машины.

Вторая часть охлаждающего воздуха 19 протекает сначала через головки 15 обмотки. При этом протекание может осуществляться альтернативно во второй тангенциальной области 21, либо вне второй тангенциальной области 21. Если протекание осуществляется вне второй тангенциальной области 21, то соответствующая часть охлаждающего воздуха 19 протекает непосредственно радиально наружу и далее через выпускное отверстие 18 из электрической машины. Перед выходом из электрической машины при этом происходит смешивание с первой частью охлаждающего воздуха 19, которая перед этим протекала тангенциально к первой тангенциальной области 16.

Если вторая часть охлаждающего воздуха 19 внутри второй тангенциальной области 21 проникает через головки 15 обмотки, то соответствующая часть охлаждающего воздуха 19 посредством радиальных металлических перегородок 20 отклоняется в тангенциальном направлении, так что соответствующая часть охлаждающего воздуха 19 сначала протекает тангенциально вдоль радиальных металлических перегородок 20, пока не выйдет из второй тангенциальной области 21. Только затем осуществляется смешивание с первой частью охлаждающего воздуха 19. Посредством радиальных металлических перегородок 20, таким образом, достигается то, что первая и вторая части охлаждающего воздуха 19 могут смешиваться друг с другом только вне второй тангенциальной области 21, в которой их направления протекания по существу одинаковы. Поэтому соответствующие части охлаждающего воздуха 19 не создают помех друг другу, ввиду чего достигается более эффективное охлаждение электрической машины.

Вышеописанный основной принцип предложенного изобретения может быть реализован различными путями. Формы выполнения представлены на фиг.1-3. В принципе, электрическая машина, соответствующая изобретению, может быть реализована и без этих форм выполнения. Кроме того, могут быть реализованы поясненные далее в комбинации формы выполнения независимо друг от друга, то есть по отдельности, попарно или совместно.

В первой форме выполнения осевые металлические перегородки 10 имеют радиально внутренние концы 23. Радиально внутренние концы 23, при рассмотрении в радиальном направлении, расположены радиально внутрь дальше, чем головки 15 обмотки. На радиально внутренних концах 23 осевых металлических перегородок 10 расположены уплотняющие кольца 24. Уплотняющие кольца 24, при наблюдении в осевом направлении, продолжаются к листовому пакету 12 статора. Однако они находятся на расстоянии от листового пакета 12 статора. За счет этого выполнения достигается улучшенное направление воздуха. В частности, предотвращается то, что существенная часть охлаждающего воздуха 19 будет протекать на слишком большом расстоянии от головок 15 обмотки, так что она не будет способствовать охлаждению электрической машины.

Степень, в которой уплотняющие кольца 24 продолжаются к листовому пакету 12 статора, не должна быть слишком большой. Как правило, эта мера составляет максимально 20% от осевого расстояния от осевых металлических перегородок 10 до листового пакета 12 статора. Кроме того, осевая протяженность уплотняющих колец 24 составляет, как правило, максимально 15% от осевого выступа головок 15 обмотки над листовым пакетом 12 статора.

Во второй возможной форме выполнения на роторном валу 2 в области осевых металлических перегородок 10 размещены вентиляторы. За счет такого выполнения может достигаться активное и усиленное нагнетание охлаждающего воздуха 19 и, тем самым, лучшая степень охлаждения.

В другом предпочтительном выполнении осевые ребра 11 в области радиальных металлических перегородок 20 имеют меньшую радиальную протяженность, чем в области листового пакета 12 статора. За счет такой меры обеспечивается конструктивно более простое выполнение электрической машины.

Посредством соответствующей изобретению электрической машины, при сохранении испытанного принципа воздушных потоков, обеспечивается возможность лучшего охлаждения электрической машины. Поэтому электрическая машина, при неизменной в остальном структуре, может эксплуатироваться с более высокой длительной номинальной мощностью или пиковой номинальной мощностью, чем согласно уровню техники.

Приведенное выше описание служит исключительно пояснению предложенного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения должен определяться исключительно приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. Предлагается электрическая машина с радиально-щелевым охлаждением в листовом пакете (12) статора и листовом пакете (7) ротора, причем основной поток охлаждающего воздуха с двух сторон по оси направляется в листовой пакет (7) ротора и радиально через щели листового пакета (7) ротора и листового пакета (12) статора. Частичный воздушный поток протекает также через головки (15) обмотки. Корпус (1) электрической машины имеет выпускное отверстие (18), там нагретый отработавший воздух может выпускаться. На закрытых сторонах корпуса (1) электрической машины отработавший воздух должен протекать только в осевом направлении между осевыми ребрами (11) до конца листового пакета (12) статора, чтобы иметь возможность выпускаться в направлении открытой стороны корпуса (1). Чтобы при этом избежать взаимных препятствий со стороны отработавшего воздуха и частичного потока охлаждающего воздуха, предусмотрены металлические перегородки (10, 20). Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении наиболее эффективного направления охлаждающего воздуха в электрической машине с воздушным охлаждением. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрическая машина,
- причем электрическая машина содержит корпус (1),
- причем в корпусе (1) в подшипниках установлен роторный вал (2), так что он может вращаться вокруг оси (3) вала,
- причем корпус (1) имеет две торцевые поверхности (4), которыми корпус (1) ограничивает внутреннее пространство (6) корпуса в осевом направлении,
- причем корпус (1) имеет боковую поверхность (5), которой корпус (1) ограничивает внутреннее пространство (6) корпуса в радиальном направлении,
- причем на роторном валу (2) установлен листовой пакет (7) ротора,
- причем листовой пакет (7) ротора имеет проходящие в осевом направлении каналы (8) охлаждения и радиально проходящие каналы (9) охлаждения,
- причем радиально проходящие каналы (9) охлаждения листового пакета (7) ротора радиально наружу открыты и продолжаются радиально внутрь, по меньшей мере, до проходящих в осевом направлении каналов (8) охлаждения,
- причем корпус (1) имеет две осевые металлические перегородки (10), которые продолжаются, исходя от боковой поверхности (5) радиально внутрь, но заканчиваются перед роторным валом (2),
- причем осевые металлические перегородки (10), при рассмотрении в осевом направлении, расположены между листовым пакетом (7) ротора и торцевыми поверхностями (4),
- причем корпус (1) имеет осевые ребра (11), которые распложены по окружности боковой поверхности (5) распределенным образом, проходят, по меньшей мере, между осевыми металлическими перегородками (10) в осевом направлении и продолжаются радиально внутрь,
- причем осевые ребра (11) несут листовой пакет (12) статора, электрически взаимодействующий с листовым пакетом (7) ротора,
- причем листовой пакет (12) статора имеет радиально проходящие каналы (13) охлаждения, которые радиально внутрь и радиально наружу открыты и взаимодействуют с радиально проходящими каналами (9) охлаждения листового пакета (7) ротора,
- причем листовой пакет (12) статора несет обмотку (14) статора,
- причем обмотка (14) статора имеет головки (15) обмотки, которые в осевом направлении с обеих сторон выступают из листового пакета (12) статора,
- причем осевые металлические перегородки (10) продолжаются настолько радиально внутрь, что они, при наблюдении в радиальном направлении, перекрывают головки (15) обмотки,
- причем боковая поверхность (5) имеет в первой тангенциальной области (16) два впускных отверстия (17) и выпускное отверстие (18) для охлаждающего воздуха (19),
- причем впускные отверстия (17), при наблюдении в осевом направлении, размещены между соответствующей одной из торцевых поверхностей (4) и соответствующей одной из осевых металлических перегородок (10),
- причем выпускное отверстие (18), при наблюдении в осевом направлении, размещено между осевыми металлическими перегородками (10),
- причем корпус (1) содержит две радиальные металлические перегородки (20),
- причем радиальные металлические перегородки (20), при рассмотрении в радиальном направлении, размещены между головками (15) обмотки и осевыми ребрами (11), продолжаются при рассмотрении в осевом направлении от листового пакета (12) статора к соответствующей одной из осевых металлических перегородок (10), а при рассмотрении в тангенциальном направлении - по второй тангенциальной области (21), которая по отношению к первой тангенциальной области (16) является свободной по перекрытию,
- причем первая и вторая тангенциальные области (16, 21) дополняют друг друга с максимально двумя остаточными тангенциальными областями (22) до полного круга,
- причем осевые ребра (11) в области радиальных металлических перегородок (20) имеют меньшую радиальную протяженность, чем в области листового пакета (12) статора.

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что осевые металлические перегородки (10) имеют радиально внутренние концы (23), которые, при наблюдении в радиальном направлении, расположены радиально внутрь дальше, чем головки (15) обмотки, и на радиально внутренних концах (23) осевых металлических перегородок (10) размещены уплотняющие кольца (24), которые, при наблюдении в осевом направлении, продолжаются к листовому пакету (12) статора, но находятся на расстоянии от листового пакета (12) статора.

3. Электрическая машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что на роторном валу (2) в области осевых металлических перегородок (10) размещены вентиляторы (25).