ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С УЛУЧШЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК H02K1/20 H02K1/32 H02K5/20 H02K9/18 

Изобретение относится к электрической машине, содержащей полый цилиндрический статор, ротор, установленный в статоре с возможностью вращения вокруг оси вращения, корпус, имеющий первый полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещены статор и ротор, и второй полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещен первый полый цилиндрический корпусной элемент, а также оболочку теплообменника, которая размещена между первым корпусным элементом и вторым корпусным элементом.

Такая электрическая машина используется, например, в качестве электрической машины с воздушным охлаждением. Такие машины часто работают с помощью либо внешнего, либо самовентилируемого контура охлаждения.

Часто такие машины выполняются с прямоточным и трубчатым охлаждением, причем, например, охлаждающий воздух течет параллельно к близко расположенным охлаждающим трубкам вдоль оси машины.

Из DE 10 2012 213 070 A1 известна электрическая машина с охлаждающим кожухом для охлаждения протекающим в охлаждающем кожухе флюидом, причем охлаждающий кожух содержит оболочку, имеющую внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку, причем оболочка на одном осевом конце имеет отверстие. Кроме того, охлаждающий кожух содержит средство уплотнения, которое размещено в отверстии, и радиальный деформируемый элемент, соединяющий оболочку со средством уплотнения, причем радиальный деформируемый элемент проходит в отверстие.

В основе изобретения лежит задача обеспечить электрическую машину с улучшенным охлаждением.

Эта задача решается электрической машиной вышеуказанного типа тем, что оболочка теплообменника имеет по меньшей мере один направляющий элемент, проходящий по существу по винтовой траектории вокруг оси вращения, а также проходящие по существу в осевом направлении трубки, ведущие через соответствующий направляющий элемент, причем электрическая машина по меньшей мере на участках выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться в первом осевом преимущественном направлении через первый корпусной элемент, причем оболочка теплообменника по меньшей мере на участках выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться между трубками по винтовой траектории вдоль соответствующего направляющего элемента во втором, противоположном первому, осевом преимущественном направлении, причем оболочка теплообменника по меньшей мере на участках выполнена так, что вторая охлаждающая среда может направляться в осевом направлении через трубки.

Особенно эффективное охлаждение электрической машины, в частности, обеспечивается с помощью оболочки теплообменника. Во время работы первая охлаждающая среда может воспринимать отходящее тепло от электрической машины, в частности от расположенных в первом корпусном элементе статора и ротора, и с помощью оболочки теплообменника отдавать второй охлаждающей среде. При этом для улучшенной теплопередачи предусмотрен по меньшей мере один направляющий элемент, который по существу по винтовой траектории проходит вокруг оси вращения. Под винтовой траекторией при этом понимается кривая, которая по существу с постоянным шагом наматывается вокруг цилиндрической поверхности и также обозначается как спираль, винтовая линия или спиральная линия. Первая охлаждающая среда направляется вдоль соответствующего направляющего элемента, так что она по меньшей мере на участках может течь по винтовой траектории вдоль соответствующего элемента. Устанавливающийся поток первой охлаждающей среды, таким образом, включает в себя суперпозицию осевого компонента потока с компонентом потока в окружном направлении. Для впуска и выпуска первой охлаждающей среды, оболочка теплообменника имеет соответствующие выемки. При этом предусматривается, что первая охлаждающая среда может направляться внутри первого корпусного элемента по меньшей мере на участках в первом осевом преимущественном направлении и в охлаждающей оболочке вдоль второго осевого преимущественного направления. В частности, первый контур охлаждения, в котором направляется первая охлаждающая среда, может быть выполнен замкнутым, что обеспечивает дополнительное преимущество повышенной защиты от взрыва.

Вторая охлаждающая среда направляется по существу через проходящие в осевом направлении трубки через оболочку теплообменника, причем трубки практически прокалывают соответствующий направляющий элемент. Например, второй контур охлаждения, в котором направляется вторая охлаждающая среда, может выполняться замкнутым или разомкнутым, причем второй контур охлаждения проводит вторую охлаждающую среду предпочтительно мимо радиатора, так что вторая охлаждающая среда может отдавать отходящее тепло электрической машины. Предпочтительно, второй контур охлаждения при этом выполнен разомкнутым, так что вторая охлаждающая среда направляется из внешней среды электрической машины или корпуса в корпус и в итоге вновь выводится наружу из электрической машины или корпуса.

Отходящее тепло электрической машины, воспринимаемое первой охлаждающей средой, может, таким образом, через трубки отдаваться ко второй охлаждающей среде. Особое преимущество состоит в том, что первая охлаждающая среда за счет направления по винтовой траектории посредством соответствующего направляющего элемента направляется не параллельно трубкам, в которых может протекать вторая охлаждающая среда. Напротив, предусмотрено, что первая охлаждающая среда направляется наклонно, до почти перпендикулярного направления к трубкам, за счет чего может быть достигнута особенно хорошая теплопередача. Предлагаемая электрическая машина реализует, таким образом, улучшенное охлаждение, в частности, за счет улучшенного и оптимизированного направления первой охлаждающей среды. При этом теплопередача от первой охлаждающей среды через трубки ко второй охлаждающей среде выполняется особенно предпочтительным образом, в частности, по сравнению с трубками, которые параллельно обтекаются охлаждающей средой.

В качестве первой охлаждающей среды и/или второй охлаждающей среды может выбираться, например, воздух, охлаждающая вода или масло. Это особенно зависит от отводимого тепла электрической машины, доступного конструктивного пространства и, возможно, имеющихся питающих выводов. При этом предпочтительно воздух, в частности, в замкнутом первом контуре охлаждения используется в качестве первой охлаждающей среды. В качестве второй охлаждающей среды может также применяться воздух, преимущественно в разомкнутом втором контуре охлаждения, или, например, охлаждающая вода, которая подводится и отводится через соответствующие питающие линии.

Предпочтительно направляющий элемент проходит или направляющие элементы проходят совместно вдоль по меньшей мере трех четвертей осевой протяженности статора, в частности, вдоль по меньшей мере полной осевой протяженности статора. Трубки предпочтительно длиннее в осевом направлении, чем осевая протяженность направляющего элемента или направляющих элементов, причем трубки предпочтительно проходят по меньшей мере вдоль полной осевой протяженности статора, в частности, по меньшей мере вдоль полной осевой протяженности статора, включая лобовые части обмоток. Трубки могут, в принципе, иметь кольцевое поперечное сечение или, особенно для увеличения поверхности, другой тип поперечного сечения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения соответствующий направляющий элемент выполнен таким образом, что наклон угла соответствующей винтовой траектории составляет максимально 60°, предпочтительно от 10° до 30°.

Угол наклона, который также называется углом шага, зависит от шага и радиуса винтовой траектории, причем шаг является тем расстоянием в осевом направлении, на которое соответствующий направляющий элемент при полном обороте наматывается в осевом направлении. Угол наклона можно вычислить как арктангенс из частного, образованного делением шага на окружность, причем окружность получается как 2, умноженное на число пи (π) и на радиус.

Посредством угла наклона одновременно устанавливается угол встречи, под которым первая охлаждающая среда может течь относительно трубок. В случае малого или большого угла наклона, поток первой охлаждающей среды попадает почти перпендикулярно или почти параллельно на трубки. Предпочтительным образом, шаг выбирается таким образом, что угол наклона составляет максимально 60°, предпочтительно угол наклона лежит в диапазоне от 50° до выше 0°, причем особенно хорошие результаты достижимы с углом наклона от 10° до 30°. Соответственно, угол встречи составляет по меньшей мере 30°, предпочтительно угол встречи лежит в диапазоне от 40° до ниже 90°, причем особенно хорошие результаты достижимы с углом встречи от 60° до 80°.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения электрическая машина выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда герметично отделена от второй охлаждающей среды.

Герметичное разделение обеих охлаждающих сред обеспечивает особенно хорошую защиту от взрыва. За счет этого может особенно надежно предотвращаться то, что горючая пыль может проникнуть в области электрической машины с высоким напряжением, особенно вблизи статора и, при обстоятельствах, ротора. Герметичное разделение может быть реализовано, например, тем, что первый контур охлаждения, в котором направляется первая охлаждающая среда, выполнен замкнутым.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, статор содержит статорную активную часть и на своей соответствующей осевой торцевой стороне выступающую из статорной активной части лобовую часть обмотки, причем ротор имеет роторную активную часть, причем ротор по меньшей мере на первой осевой торцевой стороне имеет по меньшей мере одно роторное отверстие, причем ротор и статор имеют во множестве осевых положений открытые радиально наружу роторные охлаждающие каналы и статорные охлаждающие каналы, причем роторные охлаждающие каналы соединены с соответствующим роторным отверстием, причем между статором и первым корпусным элементом расположена по меньшей мере одна выемка, через которую первая охлаждающая среда может направляться в осевом направлении.

Внутри первого корпусного элемента, первая охлаждающая среда направляется, по меньшей мере на участках, вдоль первого осевого преимущественного направления, причем ротор здесь, по меньшей мере на его первой осевой торцевой стороне, имеет по меньшей мере одно роторное отверстие. Соответствующее роторное отверстие соединено с размещенными вдоль осевой протяженности ротора роторными охлаждающими каналами, так что первая охлаждающая среда через соответствующее роторное отверстие и охлаждающие каналы может протекать через ротор. При этом поток первой охлаждающей среды проходит через соответствующее роторное отверстие по существу в осевом направлении и через открытые радиально наружу роторные охлаждающие каналы по существу в радиальном направлении.

Для направления с низкими потерями потока первой охлаждающей среды, статорные охлаждающие каналы расположены примерно в том же осевом положении, что и роторные охлаждающие каналы, причем поток первой охлаждающей среды протекает через статор, таким образом, по существу также в радиальном направлении. К открытым радиально наружу статорным охлаждающим каналам примыкает соответствующая выемка, расположенная между статором и первым корпусным элементом, так что первая охлаждающая среда в итоге может протекать по существу в осевом направлении через соответствующую выемку.

Такое выполнение обеспечивает возможность надежного охлаждения активных частей электрической машины. При этом ротор предпочтительно имеет водило, на котором расположена роторная активная часть, например, листовой пакет ротора или узел постоянного магнита. Соответствующие роторные отверстия и подводящая линия к открытым наружу роторным охлаждающим каналам, таким образом, реализуются посредством соответствующего паза между двумя соседними перемычками (ребрами) водила. При вращающемся роторе, перемычки водила обуславливают циркуляцию первой охлаждающей среды. Это может также поддерживается с помощью так называемых пальцев для нажатия, которые размещены между двумя роторными охлаждающими каналами, которые в осевом направлении расположены приблизительно в том же положении и в окружном направлении смежно друг с другом.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, электрическая машина имеет, по меньшей мере на своей первой осевой торцевой стороне, по меньшей мере одно первое направляющее устройство, с помощью которого первая охлаждающая среда от оболочки теплообменника может направляться к соответствующему роторному отверстию и к соответствующей лобовой части обмотки.

Соответствующее первое направляющее устройство гарантирует, что первая охлаждающая среда надежно направляется через ротор и статор и дополнительно направляется к соответствующей лобовой части обмотки. В частности, с помощью соответствующего первого направляющего устройства может предотвращаться гидравлическое короткое замыкание. Предпочтительно, соответствующее первое направляющее устройство размещено в области той осевой торцевой стороны ротора, на которой предусмотрены соответствующие роторные отверстия.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения электрическая машина имеет при этом первую турбомашину для циркуляции первой охлаждающей среды, причем электрическая машина по меньшей мере на второй осевой торцевой стороне имеет по меньшей мере одно второе направляющее устройство, причем посредством соответствующего второго направляющего устройства первая охлаждающая среда может направляться от соответствующей лобовой части обмотки к первой турбомашине и от первой турбомашины к оболочке теплообменника.

Для циркуляции первой охлаждающей среды, электрическая машина содержит первую турбомашину, которая расположена в той осевой области, в которой находится также соответствующее второе направляющее устройство. Обычно, соответствующее второе направляющее устройство расположено в осевом продолжении статора или ротора внутри корпуса, в частности внутри первого корпусного элемента.

Соответствующее второе направляющее устройство обеспечивает протекание без потерь потока первой охлаждающей среды от соответствующей лобовой части обмотки к первой турбомашине и затем от первой турбомашины к оболочке теплообменника. Однако принципиально возможно также обратное направление потока первой охлаждающей среды.

В частности, только одна первая турбомашина предусмотрена для обеспечения циркуляции первой охлаждающей среды, причем первая охлаждающая среда подается в статор и ротор, например, на первой осевой торцевой стороне и отводится на второй осевой торцевой стороне. Для этого случая, первая охлаждающая среда протекает через статор и ротор по всей осевой протяженности в осевом преимущественном направлении от первой ко второй осевой торцевой стороне, причем первая турбомашина предпочтительно является радиальной турбомашиной. Предпочтительно, роторные отверстия расположены на торцевой стороне ротора, противоположной радиальной турбомашине, причем ротор на торцевой стороне радиальной турбомашины не имеет подобных роторных отверстий на своей торцевой стороне.

В случае обратного направлении потока, первая охлаждающая среда направляется от соответствующего второго направляющего устройства, в частности, от оболочки теплообменника к первой турбомашине и затем от первой турбомашины к соответствующей лобовой части обмотки. Для этого первая турбомашина предпочтительно выполнена как осевая турбомашина. Предпочтительно, соответствующее второе направляющее устройство дополнительно обеспечивает то, что первая охлаждающая среда может подаваться не только к соответствующей лобовой части обмотки, но и, при необходимости, к имеющимся роторным отверстиям. Если ротор и статор по всей их осевой протяженности вдоль второго осевого преимущественного направления от второй осевой торцевой стороны к первой осевой торцевой стороне обтекаются первой охлаждающей средой, то роторные отверстия предпочтительно расположены только на второй осевой стороне ротора. Дополнительно, на первой осевой торцевой стороне может предусматриваться по меньшей мере одно дополнительное направляющее устройство, с помощью которого первая охлаждающая среда от соответствующей лобовой части обмотки может направляться в оболочку теплообменника.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения электрическая машина имеет две первых турбомашины для циркуляции первой охлаждающей среды, причем электрическая машина на своих обеих торцевых сторонах имеет, соответственно, третье направляющее устройство, причем посредством соответствующего третьего направляющего устройства первая охлаждающая среда может направляться от оболочки теплообменника к соответствующей первой турбомашине и от соответствующей первой турбомашины к соответствующему роторному отверстию и соответствующей лобовой части обмотки.

На каждой из обеих осевых торцевых сторон расположена одна из обеих первых турбомашин для циркуляции первой охлаждающей среды, причем соответствующее третье направляющее устройство гарантирует, что первая охлаждающая среда от оболочки теплообменника может эффективно направляться к соответствующей первой турбомашине, и затем от соответствующей первой турбомашины к соответствующему роторному отверстию и к соответствующей лобовой части обмотки. Для этой цели ротор на своих обеих осевых торцевых сторонах имеет, соответственно, роторные отверстия, причем предпочтительно используется осевая турбомашина. Во время функционирования, электрическая машина имеет, таким образом, внутри первого корпусного элемента по отношению к потоку первой охлаждающей среды соответствующее осевое преимущественное направление, которое направлено от соответствующей торцевой стороны к осевому центру. Тем самым обеспечивается возможность потока первой охлаждающей среды, в частности, симметричного относительно осевого центра, так что перегрев электрической машины, например, в области ее осевого центра и особенно обеих лобовых частей обмотки, надежно предотвращается.

В принципе, также возможно обратное направление потока первой охлаждающей среды, при этом предпочтительно используется радиальная турбомашина. В частности, вышеописанное по меньшей мере одно первое направляющее устройство может быть выполнено как третье направляющее устройство.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, первый корпусной элемент в области его осевого центра имеет по меньшей мере один проход, через который может направляться первая охлаждающая среда от внутренней области первого корпусного элемента в оболочку теплообменника.

За счет размещения соответствующего прохода в области осевого центра первого корпусного элемента обеспечивается возможность потока первой охлаждающей среды, в частности, симметричного относительно осевого центра, в результате чего перегрев электрической машины, например, в области ее осевого центра и особенно обеих лобовых частей обмотки, надежно предотвращается.

Предпочтительно, оболочка теплообменника имеет два направляющих элемента, выполненные в форме винтовой траектории, которые проходят от области осевого центра к соответствующей торцевой стороне. Оба теплопроводящих элемента могут быть выполнены таким образом, что их винтовые траектории имеют одинаковое направление вращения или предпочтительно противоположное друг другу направление вращения.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения корпус имеет по меньшей мере одно первое корпусное отверстие и по меньшей мере одно второе корпусное отверстие для впуска и выпуска второй охлаждающей среды, причем электрическая машина имеет вторую турбомашину для циркуляции второй охлаждающей среды, причем вторая турбомашина и трубки оболочки теплообменника расположены гидравлически между соответствующим первым корпусным отверстием и соответствующим вторым корпусным отверстием.

Второй контур охлаждения, в котором направляется вторая охлаждающая среда, таким образом, выполняется разомкнутым, причем вторая охлаждающая среда через соответствующее первое корпусное отверстие и соответствующее второе корпусное отверстие может протекать через корпус внутрь и наружу. Вторая охлаждающая среда циркулирует, таким образом, посредством второй турбомашины, в результате чего обеспечивается надежное удаление отходящего тепла электрической машины.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере одно первое корпусное отверстие расположено в области первой осевой торцевой стороны, и по меньшей мере одно второе корпусное отверстие расположено в области второй осевой торцевой стороны.

Трубки продолжаются предпочтительно по меньшей мере вдоль полной осевой протяженности ротора или статора, причем вторая охлаждающая среда всегда течет в том же осевом направлении. Предпочтительно, остальная часть электрической машины выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда в оболочке теплообменника протекает вдоль полной осевой протяженности ротора или статора всегда в том же самом осевом направлении. Особенно хорошая теплопередача достигается тем, что реализуется противоточное охлаждение, так что направление потока второй охлаждающей среды является противоположным направлению потока первой охлаждающей среды.

Например, соответствующее корпусное отверстие может располагаться на радиальной или осевой внешней поверхности корпуса, так что вторая охлаждающая среда может течь в радиальном или осевом направлении в корпус или из корпуса.

Предпочтительно предусмотрено, чтобы направлять вторую охлаждающую среду после входа в корпус с помощью соответствующим образом выполненного направляющего блока радиально внутрь, подавать к центробежному вентилятору и с помощью направляющего блока направлять в трубки.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения, соответственно, первое корпусное отверстие расположено в области соответствующей осевой торцевой стороны, и по меньшей мере одно второе корпусное отверстие расположено в области осевого центра.

Предпочтительным образом, трубки проходят по меньшей мере от соответствующей торцевой стороны статора или ротора до области осевого центра, причем трубки на соответствующей торцевой стороне соединяются с соответствующим первым корпусным отверстием и в области осевого центра с соответствующим вторым корпусным отверстием. При этом могут быть предусмотрены две вторые турбомашины, причем одна вторая турбомашина расположена на одной осевой торцевой стороне, а другая вторая турбомашина расположена на другой осевой торцевой стороне, соответственно, между трубками и соответствующим вторым корпусным отверстием.

На соответствующем осевом участке формируется, в частности, поток второй охлаждающей среды от соответствующей осевой торцевой стороны к осевому центру, причем соответствующая вторая турбомашина предпочтительно выполнена как радиальная турбомашина. Предпочтительно, остальная часть электрической машины выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда протекает в оболочке теплообменника через соответствующий, упомянутый выше проход от осевого центра к соответствующей осевой торцевой стороне, так что реализуется противоточное охлаждение, при котором направление потока второй охлаждающей среды в обеих осевых областях, соответственно, является противоположным направлению потока первой охлаждающей среды.

В принципе, также возможно обратное направление потока второй охлаждающей среды.

Например, соответствующее первое корпусное отверстие может быть расположено на радиальной или осевой внешней поверхности корпуса, так что вторая охлаждающая среда может протекать в радиальном или осевом направлении в корпус или из корпуса.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, электрическая машина может работать с электрической мощностью по меньшей мере 1 МВт, в частности больше чем 3 МВт, электрическая машина имеет высоту оси по меньшей мере 500 мм, в частности больше чем 630 мм, и/или электрическая машина выполнена как генератор, в частности генератор ветровой энергии, или как приводной двигатель для привода насоса, привода компрессора или привода сталеплавильного цеха.

Описанные турбомашины могут иметь, в частности, соединенные без проворачивания с ротором или валом электрической машины лопасти винта, причем также могут использоваться турбомашины, эксплуатируемые независимо от числа оборотов ротора или вала.

В дальнейшем изобретение будет описано и объяснено более подробно со ссылкой на примеры выполнения, проиллюстрированные на чертежах, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - первый пример выполнения соответствующей изобретению электрической машины,

Фиг. 2 - альтернативный вид первого примера выполнения,

Фиг. 3 - второй пример выполнения соответствующей изобретению электрической машины и

Фиг. 4 - альтернативный вид второго примера выполнения.

Фиг. 1 показывает первый пример выполнения соответствующей изобретению электрической машины. Показан вид в продольном сечении вдоль оси 2 вращения электрической машины.

Электрическая машина имеет корпус 4 с первым полым цилиндрическим корпусным элементом 5 и вторым полым цилиндрическим корпусным элементом 6. В первом корпусном элементе 5 размещен полый цилиндрический статор 1 и установленный в статоре с возможностью вращения вокруг оси 2 вращения ротор 3. Первый корпусной элемент 5 размещен во втором корпусном элементе 6. Между первым корпусным элементом 5 и вторым корпусным элементом 6 размещена оболочка 7 теплообменника. Оболочка 7 теплообменника содержит направляющий элемент 8, проходящий по существу в форме винтовой траектории вокруг оси 2 вращения, и трубки 9, проходящие по существу в осевом направлении через направляющий элемент 8, что подробно показано на фиг. 2.

Электрическая машина выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться в первом осевом преимущественном направлении через первый корпусной элемент 5. В данном примере выполнения первая охлаждающая среда внутри первого корпусного элемента 5 направляется от первой осевой торцевой стороны 12, на фиг. 1 справа, к второй осевой торцевой стороне 13, на фиг. 1 слева. Для этого часть первой охлаждающей среды на первой осевом торцевой стороне 12 через по меньшей мере одно роторное отверстие 16 может проникать в осевом направлении в ротор 3 и покидать ротор 3 через роторные охлаждающие каналы 17, которые расположены в роторной активной части 15 и открыты радиально наружу. Для этого ротор 3 на второй осевой стороне 13 не имеет подобных роторных отверстий 16. К роторным охлаждающим каналам 17 примыкают в статорной активной части 11 статорные охлаждающие каналы 18, через которые первая охлаждающая среда может течь в радиальном направлении наружу. Другая часть первой охлаждающей среды может обтекать лобовую часть 14 обмотки, которая выступает на первой осевой торцевой стороне 12 в осевом направлении из статорной активной части 11. Первая охлаждающая среда затем в общем направляется в расположенную между статором 1 и первой корпусной частью 5 выемку 19 в осевом направлении к второй осевой торцевой стороне 13, чтобы направляться мимо находящейся там лобовой части 14 обмотки из первого корпусного элемента 5 к первой турбомашине 21, с помощью которой первая охлаждающая среда может циркулировать. Предпочтительно, первая турбомашина 21 выполнена как радиальная турбомашина.

Оболочка 7 теплообменника выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться между трубками 9 по винтовой траектории вдоль направляющего элемента 8 во втором, противоположном первому, осевом преимущественном направлении. В соответствии с данным примером выполнения, первая охлаждающая среда в теплообменнике 7 направляется от второй осевой торцевой стороны 13 к первой осевой торцевой стороне 12.

Для направления первой охлаждающей среды на первой осевой торцевой стороне 12 предусмотрено первое направляющее устройство 20, посредством которого первая охлаждающая среда от оболочки 7 теплообменника может направляться к соответствующему роторному отверстию 16 и соответствующей лобовой части 14 обмотки. Кроме того, второе направляющее устройство 22 предусмотрено на второй осевой торцевой стороне 13, с помощью которого первая охлаждающая среда может направляться от соответствующей лобовой части 14 обмотки к первой турбомашине 21 и от первой турбомашины 21 к оболочке 7 теплообменника.

Кроме того, оболочка 7 теплообменника выполнена таким образом, что вторая охлаждающая среда может направляться в осевом направлении через трубки 9. В данном примере выполнения корпус 4 имеет для этой цели первое корпусное отверстие 25 на первой осевой торцевой стороне 12 и второе корпусное отверстие 26 на второй осевой торцевой стороне 13, через которые вторая охлаждающая среда может входить в корпус 4 или выходить из корпуса 4. Для обеспечения циркуляции второй охлаждающей среды предусмотрена вторая турбомашина 27. При этом трубки 9 и вторая турбомашина 27 расположены гидравлически между первым корпусным отверстием 25 и вторым корпусным отверстием 26.

Фиг. 2 показывает альтернативный вид первого примера выполнения. Одинаковые ссылочные позиции, что и на фиг. 1, обозначают те же элементы. На фиг. 2 прежде всего представлены детали оболочки 7 теплообменника, которая расположена между первым корпусным элементом 5 и вторым корпусным элементом 6. Оболочка 7 теплообменника имеет проходящие, по существу, в осевом направлении трубки 9, через которые может протекать вторая охлаждающая среда. В соответствии с данным примером выполнения, вторая охлаждающая среда протекает через трубки 9 в осевом направлении от первой осевой торцевой стороны 12 к второй осевой торцевой стороне 13. Трубки 9 пронизывают направляющий элемент 8, проходящий по существу по винтовой траектории вокруг оси 2 вращения. Первая охлаждающая среда может протекать по направляющему элементу 8 вдоль трубок 9 по винтовой траектории от второй осевой торцевой стороны 13 к первой осевой торцевой стороне 12. При этом направляющий элемент 8 имеет угол 10 наклона по отношению к его винтовой траектории, которой предпочтительно составляет максимально 60°, в частности от 10° до 30°.

Фиг. 3 показывает второй пример выполнения соответствующей изобретению электрической машины. В отличие от первого примера выполнения, электрическая машина согласно второму примеру выполнения, по существу, симметрична относительно поперечного сечения через осевой центр электрической машины.

Направление первой охлаждающей среды осуществляется следующим образом. Что касается потока первой охлаждающей среды, электрическая машина содержит два участка, а именно от соответствующей осевой торцевой стороны 12 или 13 до осевого центра. На каждом из двух участков первая охлаждающая среда направляется через первый корпусной элемент 5 в первом осевом преимущественном направлении, которое в данном примере выполнения ведет от соответствующей осевой торцевой стороны 12 или 13 к осевому центру. В оболочке 7 теплообменника первая охлаждающая среда направляется во втором, противоположном первому, осевом преимущественном направлении, которое ведет от осевого центра к соответствующей осевой торцевой стороне 12 или 13.

Первая охлаждающая среда в области соответствующей осевой торцевой стороны 12 или 13 может выходить из оболочки 7 теплообменника и, направляясь соответствующим третьим направляющим устройством 23, протекать радиально внутрь к соответствующей первой турбомашине 21, с помощью которой циркулирует первая охлаждающая среда. Предпочтительно, соответствующая первая турбомашина 21 выполнена как осевая турбомашина. Затем первая охлаждающая среда направляется с помощью соответствующего третьего направляющего устройства 23 к соответствующим роторным отверстиям портов 16 и к соответствующей лобовой части 14 обмотки. Соответствующая первая часть первой охлаждающей среды может протекать сквозь ротор 3 через соответствующие роторные отверстия 16 и соответствующие роторные охлаждающие каналы 17, а также статор 1 через примыкающие статорные охлаждающие каналы 18. Вторая часть первой охлаждающей среды может обтекать соответствующую лобовую часть 14 обмотки, чтобы объединяться с соответствующей первой частью первой охлаждающей среды в выемке 19 и протекать к осевому центру. В области осевого центра первый корпусной элемент 5 имеет проход 24, через который первая охлаждающая среда может направляться из первого корпусного элемента 5 в оболочку 7 теплообменника. В оболочке 7 теплообменника, часть первой охлаждающей среды направляется к первой осевой торцевой стороне 12, а остальная часть первой охлаждающей среды направляется к второй осевой торцевой стороне 13. При этом первая охлаждающая среда в оболочке 7 теплообменника направляется, соответственно, между трубками 9 вдоль выполненного в форме винтовой траектории направляющего элемента 8.

Вторая охлаждающая среда может проникать в корпус 4 через расположенное на соответствующей осевой торцевой стороне 12 или 13 первое корпусное отверстие 25 и направляется к трубкам 9 оболочки 7 теплообменника. Оболочка 7 теплообменника выполнена таким образом, что вторая охлаждающая среда через трубки 9 может направляться от соответствующей осевой торцевой стороны 12 или 13 к осевому центру, причем вторая охлаждающая среда может покидать оболочку 7 теплообменника через расположенное в области осевого центра второе корпусное отверстие 26. Для циркуляции второй охлаждающей среды на соответствующей осевой торцевой стороне 12 или 13 размещена вторая турбомашина 27. Предпочтительно, соответствующая вторая турбомашина 27 выполнена как радиальная турбомашина. Трубки 9 и соответствующая вторая турбомашина 27 гидравлически расположены между соответствующим первым корпусным отверстием 25 и вторым корпусным отверстием 26.

На фиг. 4 показан альтернативный вид второго примера выполнения. Как и на фиг. 2 для первого примера выполнения, на фиг. 4 представлены, прежде всего, детали оболочки 7 теплообменника второго примера выполнения. Оболочка 7 теплообменника имеет по существу аксиально проходящие трубки 9, которые проходят от соответствующей осевой торцевой стороны 12 или 13 в область осевого центра и входят во второе корпусное отверстие 26. Во втором примере выполнения, вторая охлаждающая среда протекает вокруг трубок 9 в осевом направлении от соответствующей осевой торцевой стороны 12 и 13 к осевому центру. Трубки 9 пронизывают направляющий элемент 8, проходящий по существу в форме винтовой траектории вокруг оси 2 вращения. В данном примере выполнения направляющий элемент 8 имеет две винтовые траектории, которые симметричны друг другу относительно осевого центра. Первая охлаждающая среда может проникать через проход 24 из первого корпусного элемента 5 в оболочку 7 теплообменника и протекать вдоль направляющего элемента 8 мимо трубок 9 по винтовой траектории от осевого центра к соответствующей осевой торцевой стороне 12 или 13. Направляющий элемент 8 имеет угол 10 наклона по отношению к его соответствующей винтовой траектории, который предпочтительно составляет максимально 60°, в частности от 10° до 30°.

В принципе, в обоих описанных примерах выполнения могут применяться также радиальные турбомашины вместо осевых турбомашин, и наоборот, в частности, с применением соответственно сформированных направляющих элементов для эффективного направления соответствующего потока. Также возможно повернуть обратно направление потока первой охлаждающей среды и/или второй охлаждающей среды, причем предпочтительно применяются радиальные турбомашины вместо осевых турбомашин, и наоборот.

Таким образом, изобретение обеспечивает электрическую машину, содержащую полый цилиндрический статор, ротор, установленный в статоре с возможностью вращения вокруг оси вращения, корпус, имеющий первый полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещены статор и ротор, и второй полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещен первый полый цилиндрический корпусной элемент, а также и оболочку теплообменника, которая размещена между первым корпусным элементом и вторым корпусным элементом. Чтобы обеспечить электрическую машину с улучшенным охлаждением, предложено, что оболочка теплообменника имеет по меньшей мере один направляющий элемент, проходящий по существу по винтовой траектории вокруг оси вращения, а также проходящие по существу в осевом направлении, ведущие через соответствующий направляющий элемент трубки, причем электрическая машина по меньшей мере на участках выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться в первом осевом преимущественном направлении через первый корпусной элемент, причем оболочка теплообменника по меньшей мере на участках выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться между трубками по винтовой траектории вдоль соответствующего направляющего элемента во втором, противоположном первому, осевом преимущественном направлении, причем оболочка теплообменника по меньшей мере на участках выполнена так, что вторая охлаждающая среда может направляться в осевом направлении через трубки.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к охлаждению электрической машины. Технический результат – улучшение охлаждения. Электрическая машина содержит корпус, имеющий первый полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещены статор и ротор, второй полый цилиндрический корпусной элемент, в котором размещен первый полый цилиндрический корпусной элемент, и оболочку теплообменника, размещенную между первым и вторым корпусными элементами. Оболочка теплообменника имеет направляющий элемент, проходящий по винтовой траектории вокруг оси вращения, и трубки, проходящие в осевом направлении, ведущие через направляющий элемент. Электрическая машина выполнена так, что первая охлаждающая среда может направляться в первом осевом направлении через первый корпусной элемент, причем первая охлаждающая среда может направляться между трубками по винтовой траектории вдоль соответствующего направляющего элемента во втором, противоположном первому, осевом направлении, а вторая охлаждающая среда может направляться в осевом направлении через трубки. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрическая машина, содержащая

- полый цилиндрический статор (1),

- ротор (3), установленный в статоре (1) с возможностью вращения вокруг оси (2) вращения,

- корпус (4), имеющий первый полый цилиндрический корпусной элемент (5), в котором размещены статор (1) и ротор (3), и второй полый цилиндрический корпусной элемент (6), в котором размещен первый полый цилиндрический корпусной элемент (5),

- оболочку (7) теплообменника, которая размещена между первым корпусным элементом (5) и вторым корпусным элементом (6),

отличающаяся тем, что

оболочка (7) теплообменника имеет по меньшей мере один направляющий элемент (8), проходящий, по существу, по винтовой траектории вокруг оси (2) вращения, а также трубки (9), проходящие, по существу, в осевом направлении, ведущие через соответствующий направляющий элемент (8),

причем электрическая машина по меньшей мере на участках выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться в первом осевом преимущественном направлении через первый корпусной элемент (5),

причем оболочка (7) теплообменника по меньшей мере на участках выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда может направляться между трубками (9) по винтовой траектории вдоль соответствующего направляющего элемента (8) во втором, противоположном первому, осевом преимущественном направлении,

причем оболочка (7) теплообменника по меньшей мере на участках выполнена так, что вторая охлаждающая среда может направляться в осевом направлении через трубки (9).

2. Электрическая машина по п. 1, причем соответствующий направляющий элемент (8) выполнен таким образом, что угол (10) наклона соответствующей винтовой траектории составляет максимально 60°, предпочтительно от 10° до 30°.

3. Электрическая машина по любому из предыдущих пунктов, причем электрическая машина выполнена таким образом, что первая охлаждающая среда герметично отделена от второй охлаждающей среды.

4. Электрическая машина по любому из предыдущих пунктов,

причем статор (1) содержит статорную активную часть (11) и на своей соответствующей осевой торцевой стороне (12, 13) выступающую из статорной активной части (11) лобовую часть (14) обмотки,

причем ротор (3) имеет роторную активную часть (15),

причем ротор (3) по меньшей мере на первой осевой торцевой стороне (12) имеет по меньшей мере одно роторное отверстие (16),

причем ротор (3) и статор (1) имеют во множестве осевых положений открытые радиально наружу роторные охлаждающие каналы (17) или статорные охлаждающие каналы (18),

причем роторные охлаждающие каналы (17) соединены с соответствующим роторным отверстием (16),

причем между статором (1) и первым корпусным элементом (5) расположена по меньшей мере одна выемка (19), через которую первая охлаждающая среда может направляться в осевом направлении.

5. Электрическая машина по п. 4,

причем электрическая машина имеет по меньшей мере на своей первой осевой торцевой стороне (12) по меньшей мере одно первое направляющее устройство (20), с помощью которого первая охлаждающая среда от оболочки (7) теплообменника может направляться к соответствующему роторному отверстию (16) и к соответствующей лобовой части (14) обмотки.

6. Электрическая машина по п. 4 или 5,

причем электрическая машина имеет первую турбомашину (21) для циркуляции первой охлаждающей среды,

причем электрическая машина по меньшей мере на второй осевой торцевой стороне (13) имеет по меньшей мере одно второе направляющее устройство (22),

причем посредством соответствующего второго направляющего устройства (22) первая охлаждающая среда может направляться от соответствующей лобовой части (14) обмотки к первой турбомашине (21) и от первой турбомашины (21) к оболочке (7) теплообменника.

7. Электрическая машина по п. 4 или 5,

причем электрическая машина имеет две первые турбомашины (21) для циркуляции первой охлаждающей среды,

причем электрическая машина на своих обеих торцевых сторонах (12, 13) имеет соответственно третье направляющее устройство (23),

причем посредством соответствующего третьего направляющего устройства (23) первая охлаждающая среда может направляться от оболочки (7) теплообменника к соответствующей первой турбомашине (21) и от соответствующей первой турбомашины (21) к соответствующему роторному отверстию (16) и соответствующей лобовой части (14) обмотки.

8. Электрическая машина по пп. 4, 5 или 7,

причем первый корпусной элемент (5) в области своего осевого центра имеет по меньшей мере один проход (24), через который может направляться первая охлаждающая среда от внутренней области первого корпусного элемента (5) в оболочку (7) теплообменника.

9. Электрическая машина по любому из предыдущих пунктов,

причем корпус (4) имеет по меньшей мере одно первое корпусное отверстие (25) и по меньшей мере одно второе корпусное отверстие (26) для впуска и выпуска второй охлаждающей среды,

причем электрическая машина имеет вторую турбомашину (27) для циркуляции второй охлаждающей среды,

причем вторая турбомашина (27) и трубки (9) оболочки (7) теплообменника расположены гидравлически между соответствующим первым корпусным отверстием (25) и соответствующим вторым корпусным отверстием (26).

10. Электрическая машина по п. 9,

причем по меньшей мере одно первое корпусное отверстие (25) расположено в области первой осевой торцевой стороны (12) и по меньшей мере одно второе корпусное отверстие (26) расположено в области второй осевой торцевой стороны (13).

11. Электрическая машина по п. 9,

причем соответствующее первое корпусное отверстие (25) расположено в области соответствующей осевой торцевой стороны (12, 13) и по меньшей мере одно второе корпусное отверстие (26) расположено в области осевого центра.

12. Электрическая машина по любому из предыдущих пунктов,

причем электрическая машина может работать с электрической мощностью по меньшей мере 1 МВт, в частности больше чем 3 МВт,

причем электрическая машина имеет высоту оси по меньшей мере 500 мм, в частности больше чем 630 мм, и/или

причем электрическая машина выполнена как генератор, в частности генератор ветровой энергии, или как приводной двигатель для привода насоса, привода компрессора или привода сталеплавильного цеха.