УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ РОТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК H02K1/32 H02K9/19 

Настоящее изобретение касается электрической машины, имеющей статор, ротор, вал, который механически соединен с ротором, и устройства охлаждения, которое расположено в валу. Кроме того, настоящее изобретение касается системы машины.

При эксплуатации электрических машин в роторе вследствие омического сопротивления возникают потери. Эти потери приводят к нагреву ротора. Это тепло потерь должно отводиться наружу, так как слишком высокие температуры в электрической машине обычно приводят к более низкому коэффициенту полезного действия или, соответственно, к ограничению мощности. Кроме того, электрическая машина может повреждаться вследствие перегрева.

У электрических машин по уровню техники часть тепла потерь течет через вал двигателя наружу. Недостаток при этом заключается в том, что, в частности, внутренние кольца шарикоподшипника, с помощью которого оперт ротор, нагреваются. Другая часть тепла потерь отдается через воздушный зазор между ротором и статором пакету активной стали статора и оттуда передается корпусу электрической машины. Методы усовершенствования отвода тепла в электрических машинах достаточно известны. Так, например, в электрической машине используются внутренние циркуляционные контуры охлаждения, чтобы можно было лучше отводить возникающее в роторе тепло. С этой целью ротор электрической машины может иметь соответствующие отверстия, через которые направляется воздух.

Альтернативно этому может также непосредственно охлаждаться вал электрической машины. С этой целью в валу могут быть, например, предусмотрены термосифоны или headpipes. Такая headpipe или соответственно тепловая трубка наполнена охлаждающей средой. Вследствие нагрева охлаждающая среда испаряется. Испаренная охлаждающая среда отдает свою тепловую энергию соответствующему охладителю, вследствие чего она снова конденсируется. При этом охлажденный конденсат снова течет по стенкам headpipe в направлении источника тепла. При этом headpipe или термосифон без возможности вращения соединен с электрической машиной. Это способствует переносу испаренной охлаждающей среды в направлении стенок вследствие центробежных сил. Недостатком при этом является, впрочем, то, что у устройства охлаждения такого рода, которое вращается вместе с валом, должны предусматриваться дорогостоящие уплотнения, чтобы соответственно уплотнять устройство охлаждения.

Поэтому задачей настоящего изобретения является указать способ особенно простого и эффективного охлаждения вала электрической машины.

Эта задача решается с помощью электрической машины по п. 1 формулы изобретения и с помощью системы машины по п. 8 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования настоящего изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Предлагаемая изобретением электрическая машина включает в себя статор, вал, который механически соединен с ротором, и устройство охлаждения, которое расположено в валу, при этом вал имеет полость, в которой расположено устройство охлаждения, и при этом вал выполнен с возможностью вращения относительно устройства охлаждения. Устройство охлаждения в этом случае выполнено таким образом, что при эксплуатации электрической машины оно не вращается вместе с валом. Другими словами, устройство охлаждения выполнено неподвижно относительно вала. При этом можно обойтись без дорогостоящих уплотнений. Кроме того, не нужны никакие муфты, и может простым образом гарантироваться, что устройство охлаждения останется уплотненным в течение длительного времени.

В одном из вариантов осуществления полость выполнена в виде отверстия, которое вырезано в валу с его первой торцевой стороны. Такого рода отверстие может просто вырезаться в валу. Отверстие, в частности, вырезается в валу в середине. Отверстие может быть выполнено в виде проходного отверстия. В частности, отверстие выполнено в виде глухого отверстия. В этом случае устройство охлаждения предпочтительно выполнено в форме цилиндра или, соответственно, в форме трубы. При этом простым и оптимальным по стоимости образом может создаваться соответствующее устройство охлаждения для вала электрической машины.

Предпочтительно устройство охлаждения расположено в полости таким образом, что в промежуточном пространстве между устройством охлаждения и полостью образуется воздушный зазор. При этом устройство охлаждения может быть расположено в полости вала таким образом, чтобы по периметру устройства охлаждения между наружной поверхностью устройства охлаждения и полостью образовывался равномерный воздушный зазор. Этот воздушный зазор может препятствовать механическому соединению между устройством охлаждения и валом двигателя. При этом полость и устройство охлаждения выполнены, в частности, так, что воздушный зазор имеет наименьшую возможную протяженность в радиальном направлении вала. При этом тепло вала может особенно эффективно передаваться устройству охлаждения.

В другом варианте осуществления электрическая машина имеет опорное устройство, с помощью которого устройство охлаждения непосредственно оперто на полость. Для обеспечения возможности точного позиционирования устройства охлаждения в полости вала между полостью вала и устройством охлаждения может быть предусмотрено по меньшей мере одно опорное устройство. Для этого устройство охлаждения предпочтительно имеет обособленную область, например, в виде выступа или выемки, в которой расположено указанное по меньшей мере одно опорное устройство. Опорное устройство может быть выполнено в виде шарикоподшипника, в виде подшипника скольжения или тому подобного. Тем самым простым образом может гарантироваться соответствующее опирание и направление устройства охлаждения относительно вала при эксплуатации электрической машины.

Предпочтительно устройство охлаждения выполнено для пропускания потока охлаждающей среды. При этом охлаждающая среда может представлять собой воздух. Также может применяться соответствующая охлаждающая жидкость. Для этой цели устройство охлаждения может быть соединено с внешней системой охлаждения или системой охлаждения электрической машины. При этом особенно простым и эффективным образом тепло, передаваемое валом устройству охлаждения, может отводиться посредством охлаждающей среды.

В одном из вариантов осуществления устройство охлаждения включает в себя подводящее устройство для подвода охлаждающей среды и отводящее устройство для отвода охлаждающей среды, при этом отводящее устройство расположено таким образом, что оно охватывает подводящее устройство по периметру. Устройство охлаждения, которое предпочтительно выполнено в форме цилиндра или соответственно в форме трубы, включает в себя соответствующий подвод и отвод для охлаждающей среды. Для этого устройство охлаждения может быть выполнено в виде полого цилиндра, причем внутри этого полого цилиндра находится второй, концентрически расположенный полый цилиндр, который служит подводящим устройством для охлаждающей среды. Промежуточное пространство между концентрически расположенными полыми цилиндрами служит в этом случае отводящим устройством для охлаждающей среды. Так, простым образом может создаваться подвод и отвод для охлаждающей среды. Кроме того, может осуществляться равномерное охлаждение по всей наружной поверхности устройства охлаждения.

Предпочтительно подводящее устройство и отводящее устройство гидравлически соединены в области устройства охлаждения, предусмотренной на второй торцевой стороне вала, противолежащей первой торцевой стороне. Вторая торцевая сторона, в частности, предусмотрена на свободном конце вала. Благодаря этому соединению может простым образом создаваться соответствующий циркуляционный контур охлаждения. С этой целью может быть предусмотрен соответствующий проем или соответственно переход от подводящего устройства к отводящему устройству, через который может течь охлаждающая среда.

Предлагаемая изобретением система машины включает в себя описанную выше электрическую машину и систему охлаждения, при этом устройство охлаждения электрической машины гидравлически соединено с циркуляционным контуром охлаждающего средства системы охлаждения. При этом устройство охлаждения электрической машины может быть соединено с внешней системой охлаждения, которая выполнена в виде жидкостного или воздушного охладителя. Циркуляционное охлаждение охлаждающей среды может осуществляться в отдельном охладителе. Предпочтительно устройство охлаждения электрической машины механически соединено с системой охлаждения. При этом система охлаждения может простым образом соединяться с уже имеющейся системой охлаждения. Если электрическая машина применяется, например, в электрическом транспортном средстве, устройство охлаждения может соединяться с системой охлаждения электрического транспортного средства. Также возможно, чтобы устройство охлаждения соединялось с системой охлаждения электрической машины.

Предпочтительно система охлаждения включает в себя насос для перемещения охлаждающей среды в циркуляционном контуре охлаждения. Благодаря соответствующему насосу возможен перенос охлаждающей среды простым образом.

В другом варианте осуществления система охлаждения и устройство охлаждения образуют термосифонное охлаждение. В этом варианте осуществления охлаждающая среда вследствие разностей плотности переносится за счет силы тяжести. При этом возможно особенно энергетически эффективное охлаждение системы машины. Кроме того, система машины отличается совершенно закрытой системой охлаждения. Таким образом может создаваться электрическая машина с высоким классом защиты.

Преимущества и усовершенствования, описанные выше в связи с предлагаемой изобретением электрической машиной, могут равным образом переноситься на предлагаемую изобретением систему машины.

Теперь изобретение будет поясняться подробнее с помощью прилагаемого чертежа. При этом на фигуре показана система машины на виде сбоку в сечении.

Подробнее изложенный ниже пример осуществления представляет собой один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фигуре показана система 10 машины на виде сбоку в сечении. Система 10 машины включает в себя электрическую машину 12 и систему 14 охлаждения, которые описываются подробнее ниже.

Система 10 машины может быть, например, установлена в электрическом транспортном средстве для привода одного или нескольких приводных колес. При этом система 14 охлаждения может быть предусмотрена для циркуляционного контура охлаждения электрического транспортного средства. Система 14 охлаждения может быть также предусмотрена для циркуляционного контура охлаждения электрической машины 12.

Электрическая машина 12 включает в себя статор 16 и ротор 18. Ротор 18 механически соединен с валом 20. При этом вал 20 включает в себя полость 22. Полость 22 предпочтительно выполнена в валу 20 в виде отверстия с первой торцевой стороны 24 этого вала. При этом полость 22 выполнена в виде глухого отверстия, которое вырезано в валу 20 в середине.

В полости 22 вала 20 расположено устройство 26 охлаждения. При этом устройство 26 охлаждения расположено в полости 22 таким образом, что в промежуточном пространстве между полостью 22 и устройством 26 охлаждения образуется равномерный воздушный зазор 28. Устройство 26 охлаждения предпочтительно выполнено или соответственно расположено так, что оно распространяется по всей осевой протяженности ротора 18.

Кроме того, вал 20 выполнен с возможностью вращения относительно устройства 26 охлаждения. С этой целью устройство 26 охлаждения может быть механически соединено с системой 14 охлаждения. Также устройство 26 охлаждения может быть соединено с корпусом 30 электрической машины 12 или соответствующей навесной частью корпуса 30.

Устройство 26 охлаждения имеет выступ 32, между которым и валом 20 расположено опорное устройство 34. Опорное устройство 34 может быть выполнено в виде шарикоподшипника, в виде подшипника скольжения или тому подобного. С помощью опорного устройства 34 устройство 26 охлаждения может точно позиционироваться в полости 22 вала 20. Кроме того, устройство 26 охлаждения посредством опорного устройства 34 соответственно оперто на вал 20.

Устройство 26 охлаждения предпочтительно выполнено в форме цилиндра или соответственно в форме трубы. Устройство 26 охлаждения включает в себя подводящее устройство 36 и отводящее устройство 38. Устройство 26 охлаждения может быть выполнено в виде полого цилиндра. Во внутреннем пространстве этого полого цилиндра расположен дополнительный полый цилиндр или соответственно труба, который образует подводящее устройство 36. Промежуточное пространство между наружными стенками подводящего устройства 36 и внутренними стенками устройства 26 охлаждения образует отводящее устройство 38. Для обеспечения потока охлаждающего средства подводящее устройство 36 предпочтительно гидравлически соединено с отводящим устройством 38 в области устройства 26 охлаждения, предусмотренной на второй торцевой стороне 40 вала 20.

Подводящее устройство 36 и отводящее устройство 38 устройства 26 охлаждения соединены с циркуляционным контуром 42 охлаждающего средства системы 14 охлаждения. При этом циркуляционный контур 42 охлаждающего средства системы 14 охлаждения соединен с дополнительным охладителем 44, посредством которого может отводиться тепло.

При эксплуатации электрической машины 12 ротор 18 нагревается вследствие потерь. Созданное в роторе 18 тепло передается валу 20. От вала 20 тепло через воздушный зазор 28 передается устройству 26 охлаждения. Тепловой поток от ротора 18 к устройству 26 охлаждения на фигуре схематично изображен стрелками 46. Передаваемая в устройство 26 охлаждения тепловая энергия посредством отводящего устройства 38 передается циркуляционному контуру 42 охлаждающего средства системы 14 охлаждения. В системе 14 охлаждения нагретая охлаждающая среда охлаждается посредством охладителя 44. Охлажденная охлаждающая среда течет от циркуляционного контура 42 охлаждающего средства в подводящее устройство 36 устройства 26 охлаждения. От подводящего устройства 36 охлаждающая среда снова течет в отводящее устройство 38, чтобы отдавать там имеющееся тепло.

Изобретение касается электрической машины и устройства её охлаждения. Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения вала. Электрическая машина (12) содержит статор (16), ротор (18) и вал (20), который механически соединен с ротором (18). При этом вал (20) содержит полость (22), в которую по меньшей мере отдельными областями введено устройство (26) охлаждения. Вал (20) выполнен с возможностью вращения относительно устройства (26) охлаждения. При этом устройство (26) охлаждения расположено в полости (22) с образованием воздушного зазора (28). 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрическая машина (12), имеющая
- статор (16),
- ротор (18) и
- вал (20), который механически соединен с ротором (18), при этом
- вал (20) имеет устройство (26) охлаждения,
- вал (20) имеет полость (22), в которую по меньшей мере отдельными областями введено устройство (26) охлаждения, при этом вал (20) выполнен с возможностью вращения относительно устройства (26) охлаждения,
отличающаяся тем, что
- устройство (26) охлаждения расположено в полости (22) с образованием воздушного зазора (28) между ними.

2. Электрическая машина (12) по п.1, отличающаяся тем, что полость (22) выполнена в виде отверстия, которое размещено в валу (20) с его первой торцевой стороны (24).

3. Электрическая машина (12) по п.1, отличающаяся тем, что электрическая машина (12) имеет опорное устройство (34), с помощью которого устройство (26) охлаждения непосредственно оперто на вал (20).

4. Электрическая машина (12) по п.2, отличающаяся тем, что электрическая машина (12) имеет опорное устройство (34), с помощью которого устройство (26) охлаждения непосредственно оперто на вал (20).

5. Электрическая машина (12) по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что устройство (26) охлаждения выполнено для пропускания потока охлаждающей среды.

6. Электрическая машина (12) по п.5, отличающаяся тем, что устройство (26) охлаждения включает в себя подводящее устройство (36) для подвода охлаждающей среды и отводящее устройство (38) для отвода охлаждающей среды, при этом отводящее устройство (38) расположено таким образом, что оно охватывает подводящее устройство (36) по периметру.

7. Электрическая машина (12) по п.6, отличающаяся тем, что подводящее устройство (36) и отводящее устройство (38) гидравлически соединены в области устройства (26) охлаждения, предусмотренной на второй торцевой стороне (40) вала (20), противолежащей первой торцевой стороне (24).

8. Система (10) машины, включающая в себя
- электрическую машину (12) по любому из пп.1-7 и
- систему (14) охлаждения, при этом
- устройство (26) охлаждения электрической машины (12) гидравлически соединено с циркуляционным контуром (42) охлаждающего средства системы (14) охлаждения.

9. Система (10) машины по п.8, отличающаяся тем, что система (14) охлаждения включает в себя насос для перемещения охлаждающей среды в циркуляционном контуре (42) охлаждающего средства.

10. Система (10) машины по п.8, отличающаяся тем, что система (14) охлаждения и устройство (26) охлаждения образуют термосифонное охлаждение.