ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2019 года по МПК H02K9/18 H02K5/20 H02K5/18 

Изобретение касается электрической машины и ее охлаждения.

Электрические машины, в частности, динамоэлектрические машины, как например, электрический двигатель или электрический генератор для повышения эффективности охлаждаются, чтобы отводить тепло потерь.

Из US 2,536,815 известна электрическая машина, которая содержит раму, установленную на расстоянии от пакета статорных пластин, причем в образующемся за счет этого пространстве проходит охлаждающая труба.

Из DE 28 36 903 A1 известна защищенная электрическая машина с трубчатым охлаждением, статор которой с зазором окружен корпусом из стального листа, который в свою очередь герметично соединен с опирающимися на статор несущими кольцами для зафиксированных на них подшипниковых щитах, и эти несущие кольца отверстиями с уплотнением прочно соединены с охлаждающими трубами, расположенными вокруг статора симметрично относительно продольной оси. Тем самым образуется замкнутое внутреннее пространство, в котором внутренний охлаждающий воздух частично течет по своему контуру через статор между охлаждающими трубами, по которым течет наружный воздух, причем эти несущие кольца поддерживаются исключительно охлаждающими трубами, и эти охлаждающие трубы удерживаются в тесном тепловом контакте со статором.

Из GB 516,161 A известна динамоэлектрическая машина, содержащая вентилятор, причем внутренний горячий воздух циркулирует по продольным трубам, а холодный окружающий воздух проходит над этими трубами и статором.

Из US 3,461,328 A известна вращающаяся электрическая машина, которая на своей внешней стороне имеет опоры из соединенных в виде призмы раскосов. Между раскосами в этих опорах обеспечиваются проходы для охлаждающего воздуха.

Задача данного изобретения заключается в улучшении охлаждения электрической машины.

Решение этой задачи обеспечивается электрической машиной согласно независимому пункту 1 формулы изобретения. Еще одно решение этой задачи обеспечивается способом охлаждения электрической машины согласно независимому пункту 12 формулы. Другие варианты этих решений охарактеризованы в зависимых пунктах 2-11 и 13 и 14 формулы изобретения.

У электрических машин с корпусом имеется труба. Эта труба находится в канале, причем вокруг этой трубы протекает первая охлаждающая среда, а через эту трубу протекает вторая охлаждающая среда. Таким образом, труба может находиться в контакте с двумя отделенными друг от друга охлаждающими средами. По меньшей мере одна из этих охлаждающих сред или обе охлаждающие среды могут быть привязаны при этом, например, к одному контуру охлаждения или к нескольким различным контурам охлаждения. Одна охлаждающая среда может быть, например, окружающим воздухом, который всасывается и, нагреваясь, отводится.

Внутренний воздух электрической машины тоже может направляться через вентиляционные каналы, которые проходят в потоке воздуха поверхностного охлаждения машины. Охлаждение происходит таким образом через стенки этих вентиляционных каналов. Определяющими факторами такого рода охлаждения являются участвующие в теплопередаче поверхности и толщина стенок.

Если в электрическую машину интегрирована одна труба или, соответственно, там интегрировано множество труб, то в этом случае обмен тепловой энергией между охлаждающими средами может улучшиться.

Благодаря интеграции одной или нескольких труб, в частности, тонкостенных труб во внутренний вентиляционный канал электрической машины, первая охлаждающая среда может протекать вокруг этой трубы, соответственно, этих труб, а вторая охлаждающая среда может протекать через эту трубу, соответственно, через эти трубы.

За счет уплотнения труб относительно стенок внутреннего вентиляционного канала или упомянутого множества внутренних вентиляционных каналов может поддерживаться защита электрической машины. Теплопередача для охлаждения внутреннего воздуха электрической машины может происходить через трубы и дополнительно также через их стенки.

В одном варианте выполнения электрической машины длина трубы по меньшей мере равна длине статорного пакета, соответственно, статорного пакета этой электрической машины. Чем длиннее труба, тем больше поверхность, которая может быть предоставлена для процесса теплопередачи.

Труба, предназначенная для теплопередачи, может иметь различное поперечное сечение. Ее сечение может быть круглым, овальным и/или угловатым.

В одном варианте выполнения электрической машины длина канала равна длине статорного пакета или больше нее. Длина канала и длины труб, в частности, согласованы друг с другом. В одном варианте трубы длиннее, чем канал.

В одном варианте выполнения электрической машины канал имеет первое отверстие в области первой торцевой стороны электрической машины, а второе отверстие - в области второй торцевой стороны электрической машины. Таким образом охлаждающая среда может в области торцевых сторон электрической машины входить в этот канал, а с противоположной торцевой стороны снова выходить из него.

В одном варианте выполнения электрической машины корпус имеет в окружном направлении ребра охлаждения, причем, в частности, указанный канал находится между ребрами охлаждения. За счет ребер охлаждения может быть дополнительно улучшено охлаждение электрической машины. Если канал расположен между ребрами охлаждения, то это поможет обеспечить компактность конструкции.

В одном варианте выполнения электрической машины предусмотрен перепускной трубопровод для направления первой охлаждающей среды. Через этот перепускной трубопровод различные каналы могут быть связаны друг с другом в области одной торцевой стороны статорного пакета.

В одном варианте выполнения электрической машины одна стенка канала является наружной стенкой электрической машины. Благодаря этому, может быть, например, повышена эффективность охлаждения. Однако, таким образом можно также реализовать компактную конструкцию электрической машины.

В одном варианте выполнения электрической машины предусмотрена опорная стойка или несколько опорных стоек. При этом по меньшей мере одна опорная стойка выполнена таким образом, что между опорной стойкой и пакетом статорных пластин имеется канал. Это обеспечивает компактность электрической машины, и в канале остается не маленький контур охлаждения для охлаждающей среды.

В одном варианте выполнения электрической машины указанный канал имеет несущую конструкцию для восприятия веса статора и передачи этой силы веса в опорную стойку. Тем самым, этот канал может выполнять различные функции и помимо проведения охлаждающей среды служить для по меньшей мере частичного приема труб, а также для стабильности конструкции электрической машины.

В одном варианте выполнения электрической машины указанный канал закрыт с торцевой стороны, причем указанная труба или трубы с торцевой стороны проходят через этот канал.

Электрическая машина может иметь один или несколько каналов с трубами. Если эти каналы находятся в области опорных стоек электрической машины, то она имеет, в частности, два канала с трубами.

В одном варианте выполнения электрической машины указанный канал в осевом направлении имеет различную длину, причем в частности, эта аксиальная длина возрастает к статору. Благодаря этому канал может открываться к торцевым сторонам статорного пакета.

В одном варианте выполнения электрической машины в канале имеется множество труб. Благодаря этому может сохраняться большая поверхность для теплопередачи между охлаждающими средами в канале.

В одном варианте выполнения электрической машины предусмотрено по меньшей мере два канала в крепежной зоне электрической машины. Таким образом, центр тяжести электрической машины не нужно смещать неблагоприятным образом.

В способе охлаждения электрической машины первая охлаждающая среда (например, газ, такой как воздух, или жидкость, такая как вода) пропускается в контуре охлаждения внутри электрической машины, причем вторая охлаждающая среда (например, газ, такой как воздух, или жидкость, такая как вода) пропускается через электрическую машину, причем первая охлаждающая среда пропускается, в частности, через ротор и/или статор электрической машины.

Этот способ может применяться в электрической машине согласно одному из вышеописанных вариантов выполнения или согласно рассматриваемому далее варианту выполнения.

Благодаря этим описанным вариантам выполнения электрической машины и, соответственно, благодаря описанным способам удается улучшить охлаждение электрической машины. Решающими факторами хорошего охлаждения являются, в частности, участвующие в теплопередаче поверхности, а также толщина стенок. Так, в частности, путем интеграции одной или нескольких тонкостенных труб, например, во внутренний вентиляционный канал электрической машины можно улучшить ее охлаждение. По трубам протекает охлаждающая среда. Защита машины поддерживается за счет уплотнения труб относительно стенок внутреннего вентиляционного канала. Теплопередача для охлаждения внутреннего воздуха дополнительно происходит также через стенки труб. Пропускание охлаждающей среды через внутренний вентиляционный канал ведет к гибридной конструкции вследствие комбинации трубчатого охлаждения и поверхностного охлаждения. Поверхностное охлаждение происходит, например, через ребра охлаждения на корпусе электрической машины.

При такой концепции охлаждения могут быть достигнуты отдельные преимущества или комбинации различных преимуществ. Так, может быть обеспечено значительное повышение теплоотвода без дополнительных охлаждающих агрегатов или модулей. Могут появиться также возможности оптимизации охлаждения за счет варьирования размера, формы и числа охлаждающих каналов, соответственно, охлаждающих труб.

Благодаря этому обеспечиваются не только возможные преимущества в издержках (€/кВт), но и улучшается использование материала (в частности, для активной часть, т.е. для статора в асинхронной машине). Можно обеспечить больше охлаждаемой поверхности без дополнительной занимаемой площади, соответственно, добиться снижения металлоемкости на единицу охлаждаемой поверхности. Это может привести к повышению выхода мощности этой машины. Электрическая машина для улучшения эффективности охлаждения может содержать внутренний вентилятор и/или внешний вентилятор. Такими вентиляторами являются встроенный вентилятор и/или вентилятор с приводом от постороннего двигателя.

В одном варианте осуществления способа охлаждения электрической машины охлаждающая среда протекает через трубу, соответственно, через трубы в том же направлении, в котором среда протекает вокруг трубы или труб. Возможно протекание и в противоположных направлениях. В таком варианте осуществления способа среда будет протекать через трубу в направлении, противоположном направлению протекания вокруг трубы.

В одном варианте осуществления способа охлаждения электрической машины охлаждающая среда протекает по трубе, соответственно, по трубам в направлении, обратном тому, в котором среда протекает вокруг трубы, соответственно, труб.

В одном варианте осуществления способа охлаждения электрической машины в качестве первой охлаждающей среды применяется газообразная охлаждающая среда, причем в качестве второй охлаждающей среды применяется газообразная или жидкая охлаждающая среда, причем, в частности, статор охлаждается в основном через ребра охлаждения. В таком случае охлаждение ротора происходит в основном через трубы, по которым и вокруг которых протекает охлаждающая среда.

В дальнейшем данное изобретение рассматривается более подробно на примерах его осуществления с использованием чертежей. На чертежах показано следующее:

фиг. 1 - корпус электрической машины в поперечном сечении;

фиг. 2 - корпус электрической машины, вид сбоку;

фиг. 3 - корпус электрической машины в поперечном сечении, в перспективе;

фиг. 4 - корпус электрической машины в продольном разрезе; и

фиг. 5 - часть сечения электрической машины.

На фиг. 1 показан в поперечном сечении корпус 2 электрической машины, причем корпус 2 содержит ребра 4 охлаждения и опорные стойки 16 и 18. Опорные стойки 16 и 18 имеют множество отверстий, через которые могут вводиться трубы для системы охлаждения. Трубы, показанные, например, на фиг. 2, герметично закрываются с отверстиями. Опорные стойки помимо своей прежней функции крепления электрической машины приобретают еще одну, а именно они несут трубы (охлаждающие трубы) для охлаждения электрической машины, и/или в них завершается или, соответственно, ограничивается канал (охлаждающий канал).

На фиг. 2 показан вид сбоку корпуса 2 электрической машины 1. В области опорных стоек 16 и 17 электрической машины 1 показаны выступающие из этих опорных стоек 16 и 17 трубы 3. Трубы 3 предназначены для того, чтобы внутри электрической машины вокруг них протекала первая охлаждающая среда, а снаружи они снабжались второй охлаждающей средой, т.е. чтобы эта вторая охлаждающая среда протекала по этим трубам. Внутри электрической машины 1 предусмотрен перепускной трубопровод 14, посредством которого первая охлаждающая среда может протекать между торцевыми сторонами электрической машины 1.

На фиг. 3 показан корпус 2 электрической машины 1 в поперечном сечении, вид в перспективе. Трубы 3 при этом введены в каналы 5 и 25. Канал 5 заканчивается или, соответственно, начинается в области опорной стойки 16. Канал 25 заканчивается или, соответственно, начинается в области опорной стойки 18. В эти каналы 5, 25 введены трубы. В рабочем режиме электрической машины по всей длине указанных труб 3 протекает первая охлаждающая среда. Через присоединительные отверстия 21 и 22 может быть подключена клеммная коробка. Можно предусмотреть также кабельные вводы через эти присоединительные отверстия 21 и 22 или, соответственно, осуществить кабельную разводку.

На фиг. 4 в продольном разрезе показан корпус 2 электрической машины 1. Показаны также оба канала 5 и 25, в которые входят трубы 3. Каналы 5 и 25 открыты в области торцевых сторон пакета статорных пластин соответственно, в области лобовых частей обмотки (показано на фиг. 5). Через перепускной трубопровод 14 в противоположной опорным стойкам области электрической машины первая охлаждающая среда может пропускаться в осевом направлении. В области одной торцевой стороны пакета статорных пластин охлаждающая среда через перепускной трубопровод 15 может проводиться от одной области опорной стойки к противоположной области опорной стойки на этой же торцевой стороне. Канал 5 имеет первое отверстие 12 в области опорной стойки 16. Отверстие 12 обращено к торцевой стороне электрической машины. Таким образом, канал 5 открыт в области, в которой имеется, например, лобовая часть обмотки электрической машины. Канал 5 имеет к тому же второе отверстие 13 в области опорной стойки 17. Это отверстие 13 тоже обращено к торцевой стороне электрической машины. Т.е. канал 5 и здесь открыт в области, в которой имеется, например, лобовая часть обмотки электрической машины. Канал 5, как и не представленный здесь канал 25, в расположенной с торцевой стороны области электрической машины в зоне опорной стойки 16 имеет затвор 19. Через этот затвор 19 канала 5 проходят трубы 3. В области опорной стойки 17 канал 5 имеет торцевой затвор 20, через который проходят трубы 3.

На фиг. 5 показан еще один вид сечения электрической машины 1. На фиг. 5 представлена часть сечения электрической машины 1, причем помимо вала 23 с осью 24 схематично показаны также пакет 10 роторных пластин и пакет 8 статорных пластин. Ротор электрической машины 1 в данном примере с торцевой стороны имеет вентилятор 11. Статор электрической машины с торцевой стороны имеет лобовые части 9 и 26 обмотки. По этим лобовым частям 9 и 26 обмотки в первом контуре 6 охлаждения пропускается первое охлаждающее средство 6, которое по каналу 5 проходит от одной торцевой стороны электрической машины к противоположной торцевой стороне. В канале 5 находятся трубы 3, вокруг которых пропускается первая охлаждающая среда 6 и через которые протекает вторая охлаждающая среда 7. Через трубы 3 первая охлаждающая среда 6 отдает тепловую энергию во вторую охлаждающую среду 7. Первая охлаждающая среда 6 является, например, газообразной, в вторая охлаждающая среда 7 представляет собой, например, жидкость. Первая и вторая охлаждающие среды 6, 7 отделены друг от друга и не смешиваются.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в улучшении охлаждения. Электрическая машина (1) содержит корпус (2) и трубу (3), расположенную в канале (5, 25) и установленную с возможностью протекания вокруг нее первой охлаждающей среды (6) и второй охлаждающей среды (7). Первая охлаждающая среда (6) пропускается в контуре охлаждения внутри электрической машины (1) через ее ротор (3), а вторая охлаждающая среда (2) - через электрическую машину. Тем самым возможно компактное и эффективное охлаждение электрической машины. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрическая машина (1), содержащая корпус (2) и трубу (3), причем труба (3) расположена в канале (5, 25), причем труба (3) установлена с возможностью протекания вокруг нее первой охлаждающей среды (6) и протекания по ней второй охлаждающей среды (7), отличающаяся тем, что предусмотрен перепускной трубопровод (14, 15) для направления первой охлаждающей среды (6), причем канал (5, 25) является несущей конструкцией для восприятия веса статора и для передачи силы его веса на опорную стойку (16, 17, 18) и причем между опорной стойкой (16, 17, 18) и пакетом статорных пластин (8) по меньшей мере частично расположен канал (5, 25).

2. Электрическая машина (1) по п. 1, причем длина трубы (3) равна или больше длины статорного пакета (8).

3. Электрическая машина (1) по п. 1 или 2, причем длина канала (5, 25) равна или больше длины статорного пакета (8).

4. Электрическая машина (1) по любому из пп. 1-3, причем канал (5) имеет первое отверстие (12) в области первой торцевой стороны электрической машины (1) или соответственно статора электрической машины (1), а второе отверстие (13) в области второй торцевой стороны электрической машины (1) или соответственно статора электрической машины (1).

5. Электрическая машина (1) по любому из пп. 1-4, причем корпус (2) в окружном направлении имеет ребра (4) охлаждения, причем, в частности, канал (5, 25) расположен между ребрами (4) охлаждения.

6. Электрическая машина (1) по любому из пп. 1-5, причем одна стенка канала (5, 25) является наружной стенкой электрической машины (1).

7. Электрическая машина (1) по любому из пп. 1-6, причем канал (5, 25) с торцевой стороны (19, 20) закрыт, причем труба (3) проходит в канал (5, 25) с торцевой стороны.

8. Электрическая машина (1) по любому из пп. 1-7, причем канал (5, 25) в осевом направлении имеет различную длину, причем эта осевая длина увеличивается к статору.

9. Электрическая машина (1) по любому из пп. 1-8, причем в канале (5) размещено множество труб (3).

10. Электрическая машина (1) по любому из пп. 1-9 по меньшей мере с двумя каналами (5, 25) в крепежной зоне (16, 17, 18) электрической машины (s).

11. Способ охлаждения электрической машины (1), при котором первая охлаждающая среда (6) пропускается в контуре охлаждения внутри электрической машины (1), причем вторая охлаждающая среда (7) пропускается через электрическую машину, причем первая охлаждающая среда (6) пропускается через ротор (3) электрической машины (1), причем внутри электрической машины (1) предусматривают перепускной трубопровод (14), посредством которого первая охлаждающая среда циркулирует между торцевыми сторонами электрической машины (1), причем в качестве электрической машины (1) используют электрическую машину (1) по любому из пп. 1-10.

12. Способ по п. 11, при котором охлаждающую среду пропускают по трубе (3) в том же направлении, в котором она протекает вокруг трубы (3), или охлаждающую среду пропускают по трубе (3) в направлении, противоположном тому, в котором охлаждающую среду пропускают вокруг трубы (3).

13. Способ по п. 11 или 12, при котором в качестве первой охлаждающей среды (6) используют газообразную охлаждающую среду, причем в качестве второй охлаждающей среды используют газообразную или жидкую охлаждающую среду, причем статор (8) охлаждается в основном через ребра (4) охлаждения.