ИНКАПСУЛИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЖИДКОСТНЫМ ВНЕШНИМ ОХЛАЖДАЮЩИМ КОНТУРОМ
ENCAPSULATED ELECTRIC MACHINE WITH LIQUID EXTERNAL COOLING CIRCUIT

Данное изобретение касается электрической машины,
- причем электрическая машина имеет ротор и статор,
- причем ротор установлен с возможностью вращения вокруг оси вращения электрической машины,
- причем, если смотреть вокруг оси вращения, то этот ротор окружен статором, а статор окружен внешней оболочкой,
- причем эта внешняя оболочка, если смотреть в направлении оси вращения, проходит от передней торцевой части до задней торцевой части, так что передняя и задняя торцевая часть и статор ограничивают содержащую ротор внутреннюю область, а передняя и задняя торцевая часть, статор и внешняя оболочка ограничивают наружную область, окружающую радиально снаружи внутреннюю область,
- причем внутренняя область и наружная область соединены друг с другом посредством выемок, сообщаясь друг с другом, так что воздух может течь из внутренней области в наружную область, а оттуда снова обратно во внутреннюю область,
- причем проходящие аксиально трубы закреплены соответственно в передней и в задней торцевой части, так что эти проходящие аксиально трубы проходят соответственно от передней торцевой части по наружной области до задней торцевой части.
В некоторых случаях применения используемые электрические машины должны быть инкапсулированы (закрыты, герметизированы) по типу взрывозащиты Ex d. Однако, такого рода электрические машины также требуются во все бόльших конструктивных формах.
При больших конструкциях таких электрических машин указанные электрические машины зачастую выполнены так, как описано выше. Указанные электрические машины охлаждаются воздухом. С этой целью на одной из обеих торцевых сторон, на обращенной от внешней оболочки стороне установлен вентилятор, посредством которого для вторичного охлаждения холодный воздух продувается через проходящие аксиально трубы.
Воздух является сравнительно плохой охлаждающей средой. Было бы лучше охлаждать электрическую машину в рамках вторичного охлаждения жидкой охлаждающей средой, в частности, водой.
Электрическая машина указанного вначале рода известна, например, из US 3 457 439 A или из CN 101 938 191 A. В публикации WO 2016/008 709 A1 тоже раскрыта электрическая машина такого рода.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы создать электрическую машину указанного вначале рода, которая охлаждается жидкой охлаждающей средой.
Эта задача решается посредством электрической машины с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения электрической машины являются предметом зависимых пунктов 2-11 формулы.
Согласно изобретению, электрическая машина указанного вначале рода характеризуется тем,
- что на переднюю и на заднюю торцевые части на их соответственно обращенной от внешней оболочки стороне непроницаемо для жидкости установлен передний и задний защитные элементы, так что передняя торцевая часть и передний защитный элемент охватывают переднее полое пространство, а задняя торцевая часть и задний защитный элемент охватывают заднее полое пространство,
- что проходящие аксиально трубы выходят в переднее и в заднее полые пространства,
- что переднее полое пространство посредством перегородки разделено на по меньшей мере две подобласти,
- что часть проходящих аксиально труб выходит в одной из этих подобластей, а другая часть проходящих аксиально труб выходит в другой из этих подобластей,
- что в одной подобласти расположено соединение (штуцер) для подвода жидкого хладагента, и
- что соединение для отвода жидкой охлаждающей среды расположен в другой подобласти.
Указанные по меньшей мере две подобласти отделены друг от друга посредством перегородки непроницаемо для жидкости. Указанное переднее полое пространство закрыто непроницаемо для жидкости, за исключением соединений для подвода и для отвода жидкой охлаждающей среды, а также доступов к проходящим аксиально трубам. Заднее полое пространство закрыто непроницаемо для жидкости, за исключением доступов к проходящим аксиально трубам.
Предпочтительно передняя и задняя торцевые части и внешняя оболочка инкапсулируют ротор и статор по типу взрывозащиты Ex d. Благодаря этому электрическая машина может также использоваться в подверженном опасности взрыва окружении.
Проходящие аксиально трубы имеют внутренний диаметр и внешний диаметр. Предпочтительно проходящие аксиально трубы находятся от статора на соответствующем радиальном расстоянии, которое по меньшей мере такое же, как внутренний диаметр, в частности, даже по меньшей мере такое же, как внешний диаметр. Благодаря этому простым образом создается область, в которой может быть размещено уплотнение для герметизации обоих защитных элементов относительно торцевых частей.
Возможно, что проходящие аксиально трубы выполнены как двустенные трубы, имеющие каждая расположенную внутри, проводящую жидкую охлаждающую среду внутреннюю трубу и внешнюю трубу, которая окружает эту внутреннюю трубу, и наружную область которой обтекает воздух, текущий из внутренней области в наружную область. Этот вариант выполнения, хотя и является относительно сложным, однако, обладает, зато тем преимуществом, что простая негерметичность одной из внутренних труб не сможет привести к накапливанию жидкости во внутренней области.
Альтернативно возможно, что проходящие аксиально трубы выполнены как одностенные трубы, которые проводят внутри жидкую охлаждающую среду, а снаружи их обтекает воздух, вытекший из внутренней области в наружную область.
В обоих случаях будет преимуществом, если во внутренней области и/или в наружной области расположить детекторное устройство для обнаружения жидкости. Благодаря этому можно своевременно заметить опасность короткого замыкания до того, как возникнет вызываемое жидкой охлаждающей средой электрическое короткое замыкание, и предупредить об этом, соответственно, возможно даже автоматически отключить электрическую машину.
о
Предпочтительно проходящие аксиально трубы, если смотреть вокруг оси вращения, распределены вокруг оси вращения под углом, большему, чем 180. Благодаря этому несмотря на относительно компактную конструкцию может быть обеспечено эффективное охлаждение. В других случаях этот угол может и не достигаться.
Предпочтительно статор без промежутка окружен внутренней оболочкой, и внутренняя оболочка находится на радиальном расстоянии от внешней оболочки.
Вышеописанные свойства, признаки и преимущества данного изобретения, а также способ, каким они достигаются, станут понятнее и яснее из дальнейшего описания примеров выполнения, которые рассматриваются более подробно в сочетании чертежами. При этом на чертежах схематично представлено следующее.
Фиг. 1 продольное сечение электрической машины,
Фиг. 2 сечение по линии II-II на Фиг. 1,
Фиг. 3 фрагмент с Фиг. 1,
Фиг. 4 отдельная труба,
Фиг. 5 отдельная труба,
Фиг. 6 участок внешней оболочки, и
Фиг. 7 участок внутренней оболочки.
Согласно Фиг. 1 электрическая машина имеет ротор 1 и статор 2. Ротор 1 установлен на роторном валу 3, который установлен с возможностью вращения. Этот роторный вал 3 и с ним ротор 1 благодаря этому могут вращаться вокруг оси 4 вращения электрической машины.
Во всех случаях, когда в дальнейшем используются термины «аксиально», «радиально» и «тангенциально», они всегда рассматриваются относительно оси 4 вращения. «Аксиально» - это в направлении, параллельном оси 4 вращения. «Радиально» - это направление, ортогональное оси 4 вращения, прямо на ось 4 вращения, к ней или от нее. «Тангенциально» - это направление, которое проходит как ортогонально аксиальному направлению, так и ортогонально радиальному направлению. Таким образом, «тангенциально» - это направление, которое при постоянной аксиальной позиции и на постоянном радиальном расстоянии от оси 4 вращения направлено по окружности вокруг оси 4 вращения.
В рамках данного изобретения статор 2 расположен радиально снаружи, а ротор 1 радиально внутри. Далее, статор 2 соответственно изображению на Фиг. 1 без промежутка окружен внутренней оболочкой 5. Однако, это не является обязательно необходимым. Альтернативно статор 2 мог бы быть окружен лишь несколькими кольцами, причем по меньшей мере на обоих аксиальных концах статора 2 расположено по одному кольцу. Однако, статор 2 окружен внешней оболочкой 6. Внешняя оболочка 6 находится на радиальном расстоянии a1 от статора 2, соответственно, в данном случае от внутренней оболочки 5.
Внешняя оболочка 6 как правило имеет цилиндрическую форму. То же касается как правило и внутренней оболочки 5, если она имеется. Указанное радиальное расстояние a1 зачастую является постоянным, если смотреть в тангенциальном направлении. Однако, как для внешней оболочки 6, так и для внутренней оболочки 5, если она имеется, возможны отклонения от цилиндрической формы. Также может варьироваться и радиальное расстояние a1.
Внешняя оболочка 6 проходит в аксиальном направлении соответственно от передней торцевой части 7 до задней торцевой части 8. Обе торцевые части 7, 8 как правило выполнены в виде единой детали или состоят каждая из нескольких частей, соединенных друг с другом с замыканием по материалу. Обе торцевые части 7, 8 и статор 2, соответственно, внутренняя оболочка 5, если она имеется, ограничивают внутреннюю область 9. Эта внутренняя область 9 содержит ротор 1. Далее, обе торцевые части 7, 8, статор 2 и внешняя оболочка 6 ограничивают наружную область 10, которая окружает внутреннюю область 9 радиально снаружи. Предпочтительно, далее, обе торцевые части 7, 8 и внешняя оболочка 6 капсулируют ротор 1 и статор 2 по типу взрывозащиты Ex d. Термин «тип взрывозащиты Ex d» имеет для специалиста устойчивое значение. Соответствующие реализации такого капсулирования тоже являются обычными для специалиста.
Внутренняя область 9 и наружная область 10 соединены друг с другом и коммуницируют через выемки 11, так что воздух 12 может течь из внутренней области 9 в наружную область 10, и оттуда снова обратно во внутреннюю область 9. Если имеется внутренняя оболочка 5, то выемки 11 могут иметься во внутренней оболочке 5. Воздух 12, текущий из внутренней области 9 в наружную область 10 и обратно, образует внутренний контур охлаждения электрической машины.
Внутренний контур охлаждения является как правило однопоточным или двухпоточным, но в принципе возможны и исключения. При однопоточном внутреннем контуре охлаждения в соответствии с Фиг. 1 вблизи обеих торцевых частей 7, 8 имеется по одной выемке 11. Через одну из обеих выемок 11 течет воздух 12 из внутренней области 9 в наружную область 10, через другую из обеих выемок 11 воздух течет из наружной области 10 во внутреннюю область 9. При двухпоточном внутреннем контуре охлаждения (не представлен, но тоже может быть реализован) дополнительно имеется еще одна выемка 11 примерно посредине между обеими торцевыми частями 7, 8. В этом случае воздух 12 через обе выемки 11 вблизи обеих торцевых частей 7, 8 течет из наружной области 10 во внутреннюю область 9, а через расположенную между ними выемку течет из внутренней области 9 в наружную область 10. Эти, а при необходимости и другие варианты выполнения внутреннего контура охлаждения специалистам широко известны. Поэтому они не требуют более подробного разъяснения.
В обеих торцевых частях 7, 8 трубы 13 закреплены. Эти трубы 13 проходят аксиально. Трубы 13 проходят соответственно от передней торцевой части 7 по наружной области 10 до задней торцевой части 8. Трубы 13 в торцевых частях 7, 8 как правило закреплены таким образом, что они не могут больше извлекаться из торцевых частей 7, 8 без разрушения. Например, они могут быть приварены к торцевым частям 7, 8.
Трубы 13 в соответствии с изображением на Фиг. 2 как правило, если смотреть в тангенциальном направлении, расположены с распределением под углом более 180° вокруг оси 4 вращения. Представленная конкретно на Фиг. 2 конструкция, а также представленное на Фиг. 2 количество труб 13, однако, следует понимать только в качестве примера. На Фиг. 2 лишь несколько труб 13 снабжены ссылочными обозначениями, чтобы не загромождать Фиг. 2. Зачастую трубы 13, если смотреть в тангенциальном направлении, расположены с распределением вокруг оси 4 вращения под углом даже больше, чем 270°, иногда даже в соответствии с изображением на Фиг. 2, по существу, по всей окружности. Как правило трубы 13 расположены, далее, относительно вертикальной плоскости E, содержащей ось 4 вращения, по существу, равными частями с обеих сторон этой плоскости E.
На переднюю торцевую часть 7 на ее обращенной от внешней оболочки 6 стороне - т.е. в аксиальном направлении - насажен передний защитный элемент 14. На Фиг. 3 это показано на фрагменте. Выполнение места соединения между передней торцевой частью 7 и передним защитным элементом 14 такое, что получается непроницаемая для жидкости защита. Передняя торцевая часть 7 и передний защитный элемент 14 охватывают, тем самым, переднее полое пространство 15.
Для непроницаемой для жидкости защиты между передней торцевой частью 7 и передним защитным элементом 14 могут быть расположены уплотнительные элементы 16. Эти уплотнительные элементы 16 могут быть выполнены, например, как кольцевые уплотнения. При необходимости передний защитный элемент 14 и/или передняя торцевая часть 7 могут иметь углубления 17 для уплотнительных элементов 16. Однако, возможны и другие виды герметизации. Например, передний защитный элемент 14 может быть приварен к передней торцевой части 7.
Аналогичным образом на заднюю торцевую часть 8 на ее обращенной от внешней оболочки 6 стороне насажен задний защитный элемент 18, так что задняя торцевая часть 8 и задний защитный элемент 18 охватывают заднее полое пространство 19. Такое выполнение места соединения между задней торцевой частью 8 и задним защитным элементом 18 как правило аналогично выполнению соединения между передней торцевой частью 7 и передним защитным элементом 14. В частности, здесь тоже могут иметься уплотнительные элементы 20, включая углубления 21 для уплотнительных элементов 20, если они необходимы, и здесь тоже возможно приваривание.
Трубы 13, согласно изображению на Фиг. 1 и Фиг. 3, выходят в обоих полых пространствах 15, 19. Далее, переднее полое пространство 15 имеет соединение 22, через которое в переднее полое пространство 15 может подаваться жидкая охлаждающая среда 23. Эта жидкая охлаждающая среда 23 как правило является водой. В отдельных случаях, однако, речь может идти и о другой среде, например, о масле. Соединение 22 может быть установлено при необходимости. На изображениях Фиг. 1 и Фиг. 3 осуществляется радиальный подвод в переднее полое пространство 15. Однако, точно так же возможен аксиальный подвод в переднее полое пространство 15.
Трубы 13 в соответствии с изображением на Фиг. 3 имеют внутренний диаметр d1 и внешний диаметр d2.
Трубы 13 находятся на радиальном расстоянии a2 от статора 2. Если имеется внутренняя оболочка 5, то это расстояние a2 предпочтительно определяется от внутренней оболочки 5. Предпочтительно соответствующее радиальное расстояние a2 по меньшей мере такое же, как внутренний диаметр d1. Еще лучше, если соответствующее радиальное расстояние a2 по меньшей мере такое же, как внешний диаметр d2. Благодаря этому, в частности, обеспечивается, что обе торцевые части 7, 8 в своей радиально внутренней области имеют достаточно большую радиальную протяженность до статора 2, в которой не расположено никаких труб 13, так что там может быть расположен соответствующий защитный элемент 14, 18 - при необходимости, включая уплотнительный элемент 16, 20.
На Фиг. 4 показано возможное выполнение одной из труб 13. Для других, не показанных на Фиг. 4 труб 13 справедливы аналогичные рассуждения.
В соответствии с изображением на Фиг. 4 труба 13 выполнена как двустенная труба 13. Таким образом, она имеет расположенную внутри внутреннюю трубу 25 и внешнюю трубу 26, окружающую эту внутреннюю трубу 25. Внутренняя труба 25 проводит жидкую охлаждающую среду 23. Внешняя труба 26 в наружной области 10 обтекается воздухом 12, т.е. воздухом 12 внутреннего контура охлаждения. Расстояние между внутренней трубой 25 и внешней трубой 26 должно быть как можно меньшим. При необходимости между внутренней трубой 25 и внешней трубой 26 может располагаться относительно хорошо проводящая тепло среда 27, например, масло, гель или клей.
На Фиг. 5 тоже показано возможное выполнение одной из труб 13. Этот вариант выполнения является альтернативным выполнению по Фиг. 4. Для других, не представленных на Фиг. 5 труб 13, как и прежде, справедливы аналогичные рассуждения.
В соответствии с изображением на Фиг. 5 труба 13 выполнена как одностенная труба 13. Она проводит внутри жидкую охлаждающую среду 23 и снаружи обтекается протекающим в наружной области 10 воздухом 12, т.е. воздухом 12 внутреннего контура охлаждения.
В случае выполнения по Фиг. 5 предпочтительно, в соответствии с изображением на Фиг. 6, в наружной области 10 расположено детекторное устройство 28. Это детекторное устройство 28 служит для того, чтобы определять, находится ли в наружной области 10 жидкость, т.е. жидкая охлаждающая среда 23. Такие детекторные устройства 28 широко известны среди специалистов. Например, в относительно глубокой области внешней оболочки 6 может быть расположено маленькое углубление 29, в котором может собираться жидкая охлаждающая среда 23, если она выходит из труб 13 и, тем самым, входит в наружную область 10. В углублении 29 в качестве детекторного устройства 28 могут быть расположены концы проводников 30, которые в результате такого накапливания жидкой охлаждающей среды 23 соединяются друг с другом проводящим образом.
Аналогичное выполнение может быть использовано согласно Фиг. 7 для внутренней области 9. Выполнение по Фиг. 7 при необходимости может быть реализовано альтернативно или дополнительно к выполнению по Фиг. 6.
Выполнение по Фиг. 6 и/или Фиг. 7 в принципе может также комбинироваться с выполнением труб 13 по Фиг. 4. В случае выполнения двустенных труб 13 это, однако, не требуется.
В рамках данного изобретения жидкая охлаждающая среда 23 как подается в переднее полое пространство 15, так и отводится из него. Ниже это рассматривается более подробно в сочетании с Фиг. 2.
Согласно Фиг. 2 передний защитный элемент 14 имеет по меньшей мере одну перегородку 31. Эта перегородка 31 может проходить, например, вертикально, в соответствии с изображением на Фиг. 2. Посредством перегородки 31 переднее полое пространство 15 разделено на по меньшей мере две подобласти 32, 33. Часть труб 13 выходит в подобласть 32, другая часть труб 13 выходит в подобласть 33. Подобласть 32 имеет соединение 22, через которое в переднее полое пространство 15 - точнее, в подобласть 32 переднего полого пространства 15 - подводится жидкая охлаждающая среда 23. Другая подобласть 33 имеет соединение 34, через которое жидкая охлаждающая среда 23 отводится из переднего полого пространства 15, точнее, из другой подобласти 33 переднего полого пространства 15. Таким образом, эта жидкая охлаждающая среда 23 течет сначала через соединение 22 в подобласть 32, затем течет через выходящие в подобласть 32 трубы 13 в заднее полое пространство 19, затем течет по выходящим в подобласть 33 трубам 13 обратно в подобласть 33, а оттуда через соединение 34 отводится из переднего полого пространства 15.
Обе эти подобласти отделены, тем самым, друг от друга посредством перегородки 31 непроницаемо для жидкости. Далее, переднее полое пространство 15 - за исключением соединений 22, 24 для подвода и для отвода жидкой охлаждающей среды 23 и доступов к проходящим аксиально трубам 13 - закрыто непроницаемо для жидкости. Точно так же и заднее полое пространство 19, за исключением доступов к проходящим аксиально трубам 13, закрыто непроницаемо для жидкости.
Резюмирую, можно сказать, что данное изобретение касается следующего аспекта.
Электрическая машина имеет ротор 1 и статор 2, причем ротор 2 установлен с возможностью вращения вокруг оси 4 вращения. Ротор 1 радиально снаружи окружен статором 2, а статор 2 на радиальном расстоянии a1 окружен внешней оболочкой 6. Внешняя оболочка 6 проходит аксиально соответственно от передней торцевой части 7 до задней торцевой части 8, так что эти торцевые части 7, 8 и статор 2 ограничивают содержащую ротор 1 внутреннюю область 9, и эти торцевые части 7, 8, статор 2 и внешняя оболочка 6 ограничивают наружную область 10, окружающую внутреннюю область 9 радиально снаружи. Внутренняя область 9 и наружная область 10 соединены друг с другом и коммуницируют друг с другом через выемки 11, так что воздух 12 из внутренней области 9 может течь в наружную область 10, а оттуда снова назад. В торцевых частях 7, 8 закреплены проходящие аксиально трубы 13, которые проходят между торцевыми частями 7, 8 в наружной области 10. На эти торцевые части 7, 8 на их обращенных от внешней оболочки 6 сторонах непроницаемо для жидкости насажено по одному защитному элементу 14, 18, так что эти торцевые части 7, 8 и эти защитные элементы 14, 18 закрывают соответственно одно полое пространство 15, 19. Переднее полое пространство 15 посредством перегородки 31 разделено на по меньшей мере две подобласти 32, 33. По одной части этих труб 13 выходит в одну или в другую подобласть 32, 33. В каждой из подобластей 32, 33 расположено по одному  соединению 22, 34 для подвода или, соответственно, для отвода жидкой охлаждающей среды 23.
Данное изобретение обладает многими преимуществами. В частности, может быть значительно улучшено охлаждение электрической машины. Благодаря этому при одинаковых конструктивных размерах и одинаковом или даже сниженном весе электрическая машина может эксплуатироваться с большей мощностью. В ходе экспериментов было установлено, что без проблем может быть реализовано повышение мощности примерно на 25%. Далее, может быть снижено шумовыделение электрической машины.
Хотя данное изобретение было описано и проиллюстрировано подробно на предпочтительном примере выполнения, однако, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами, и специалист может вывести отсюда другие вариации, не выходя за объем защиты данного изобретения.