ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ОХЛАЖДАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ
COOLING DEVICE OF ELECTRIC ENGINE AND ELECTRIC ENGINE WITH COOLING DEVICE

Изобретение относится к охлаждающему устройству электродвигателя согласно ограничительной части пункта 1, пункта 3 формулы изобретения, а также к электродвигателю по пункту 15 формулы изобретения.
Электродвигатели имеют статор и ротор. Статор электродвигателя с внешним ротором окружен ротором. В статоре и/или роторе находятся детали, которые при эксплуатации электродвигателя производят тепло. Для отвода тепла статор и ротор снабжены охлаждающими фланцами в виде охлаждающего фланца статора, соответственно охлаждающего фланца ротора, на каждом из которых могут быть расположены охлаждающие ребра. Совокупность охлаждающего фланца статора и охлаждающего фланца ротора называют охлаждающим устройством. Охлаждающие фланцы расположены напротив друг друга на небольшом расстоянии друг от друга. При эксплуатации электродвигателя ротор, а, следовательно, охлаждающий фланец ротора, вращаются вокруг их оси, создавая охлаждающий воздушный поток, который протекает между обоими охлаждающими фланцами и расположенными на них охлаждающими ребрами и отводит поглощаемое охлаждающими фланцами тепло от охлаждающего устройства. Охлаждающие ребра распределены вдоль окружности и обладают прямолинейной конфигурацией. Охлаждающие ребра, как правило, ориентированы в радиальном направлении, однако они могут располагаться также под определенным углом к радиальному направлению.
Снабженные охлаждающими ребрами охлаждающие фланцы охлаждающего устройства могут выполнять, в частности, две функции. Во-первых, охлаждающий фланец может служить для непосредственной отдачи тепла (теплоотдающий охлаждающий фланец), которое вводится в соответствующий теплоотдающий охлаждающий фланец в другом месте. Во-вторых, охлаждающий фланец может выполнять аэродинамическую функцию. При эксплуатации электродвигателя охлаждающий фланец с аэродинамической функцией служит для того, чтобы предпочтительно во взаимодействии с противолежащим охлаждающим фланцем влиять на соотношение воздушных потоков в системе охлаждения, предпочтительно оказывая существенное благоприятное воздействие на теплоотдачу системы охлаждения. Охлаждающий фланец одновременно может выполнять как функцию теплоотдачи, так и аэродинамическую функцию. Однако охлаждающий фланец может выполнять также только аэродинамическую функцию или только теплоотдающую функцию.
Система охлаждения при данном максимальном конструктивном пространстве способна отдавать лишь ограниченное количество тепла. Кроме того, охлаждающие ребра при работающем электродвигателе обусловливают интенсивное генерирование шума, так называемого рабочего гула, который часто обладает раздражающим действием. В частности, если противолежащие охлаждающие ребра, находящиеся как на охлаждающем фланце статора, так и на охлаждающем фланце ротора, обладают прямолинейной конфигурацией и располагаются не под углом друг к другу или располагаются лишь под очень малым углом друг к другу, например, если все охлаждающие ребра ориентированы строго в радиальном направлении, противолежащие охлаждающие ребра охлаждающего фланца статора и охлаждающие ребра охлаждающего фланца ротора при вращательном движении ротора перемещаются мимо друг друга параллельно друг другу вдоль большой радиальной протяженности. Это является причиной генерирования сильного рабочего гула.
В основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать охлаждающее устройство и электродвигатель указанного в начале описания типа таким образом, чтобы не претендуя на увеличение конструктивного пространства повысить охлаждающую способность и уменьшить генерирование рабочего гула.
Указанная задача согласно изобретению решается с помощью охлаждающего устройства указанного в начале описания типа с отличительными признаками, приведенными в пункте 1 формулы изобретения, а также с помощью электродвигателя, отличительные признаки которого приведены в пункте 16 формулы изобретения.
По меньшей мере некоторые из охлаждающих ребер предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства обладают не прямолинейной конфигурацией, а отличающейся от прямолинейной волнистой конфигурацией. Это обусловливает увеличение предоставляемой в распоряжение поверхности охлаждающих ребер теплоотдающих охлаждающих фланцев, благодаря чему оказывается возможным значительное повышение теплоотдачи. В отличие от прямолинейного сравнительного охлаждающего ребра, которое имеет сопоставимую с волнистым охлаждающим ребром конфигурацию, в частности, аналогичную радиальную и аксиальную протяженность, а также аналогичную толщину, волнистое охлаждающее ребро обладает  отдающей тепло поверхностью. Непрямолинейная конфигурация охлаждающих ребер не требует дополнительного конструктивного пространства, благодаря чему может быть обеспечено компактное конструктивное исполнение охлаждающего устройства, а, следовательно, и электродвигателя в целом. Кроме того, благодаря конфигурации охлаждающих ребер, отличающейся от прямолинейной, при вращении охлаждающего фланца ротора генерируется лишь слабый рабочий гул. Это достигается благодаря тому, что при вращательном движении ротора соответствующие противолежащие охлаждающие ребра охлаждающего фланца статора и охлаждающего фланца ротора уже не перемещаются мимо друг друга параллельно друг другу вдоль большой радиальной протяженности, в частности, поскольку в момент перемещения противолежащих охлаждающих ребер мимо друг друга угол между их крупными участками, протяженность которых предпочтительно составляет более 50 % от общей радиальной протяженности охлаждающих ребер, существенно превышает 0° и предпочтительно составляет более 5°. Кроме того, указанный угол между охлаждающими ребрами варьируется вдоль их радиальной протяженности.
Следовательно, посредством простого придания охлаждающим ребрам определенной формы при сохранении компактного конструктивного пространства можно предпочтительным образом не только повысить охлаждающую способность благодаря соответствующему увеличению поверхности охлаждающих ребер, но и одновременно свести к минимуму генерирование шума.
Волнистая конфигурация охлаждающих ребер обусловливает особенно значительное увеличение их поверхности при заданной радиальной протяженности охлаждающего фланца. Благодаря волнистой конфигурации охлаждающих ребер при эксплуатации электродвигателя достигается высокая степень турбулентности, что благоприятно отражается на отводе тепла посредством охлаждающего воздуха. Под волнистостью подразумевается существенное отклонение средней линии хода охлаждающего ребра в соответствующей плоской проекции относительно базовой прямой, переменное в положительном и отрицательном окружном направлении. Под функцией волнистости (также в плоской проекции) подразумевается отклонение (разница) хода охлаждающих ребер от соответствующих им базовых прямых в зависимости от соответствующего положения на базовых прямых. Функция волнистости для большей части, предпочтительно по меньшей мере для 80 % находящихся на охлаждающем фланце охлаждающих ребер, предпочтительно имеет по меньшей мере два локальных экстремума. Базовая прямая охлаждающего ребра может быть ориентирована в радиальном направлении охлаждающего фланца или под углом к радиальному направлению.
Посредством регулирования фазового положения по меньшей мере для пары волнистых охлаждающих ребер, предпочтительно для большей части, в частности, для всех соседних волнистых охлаждающих ребер может быть реализована чрезвычайно высокая охлаждающая способность, которая не зависит от направления вращения вращающегося охлаждающего фланца.
Под волнистым конструктивным исполнением подразумевается не только чисто волнистая, но и, например, пилообразная конфигурация.
Функции волнистости характеризуются амплитудами, длинами волн и фазовыми положениями. Амплитуды и длины волн могут быть переменными вдоль протяженности охлаждающего ребра. Фазовое положение определяется относительно огибающей окружности, которой соответствует радиально-внутренний край охлаждающего фланца.
Отношение длины волны волнистых охлаждающих ребер к радиальной протяженности соответствующего охлаждающего фланца предпочтительно составляет величину от 0,7 до 1,7. Следствием подобного конструктивного исполнения является оптимальная большая поверхность охлаждающих ребер при данной радиальной ширине несущей детали, на которой находятся эти охлаждающие ребра, причем дополнительно предоставляется возможность аэродинамически благоприятного формирования проточных каналов между охлаждающих ребрами.
Отношение амплитуды волнистого охлаждающего ребра охлаждающего фланца к усредненной длине волны этого охлаждающего ребра предпочтительно находится в интервале от примерно 0,1 до примерно 0,3.
Амплитуда волнистых охлаждающих ребер предпочтительно может варьироваться вдоль окружности. Таким образом, в распоряжение предоставляется дополнительный параметр регулирования, позволяющий обеспечить максимальную охлаждающую способность.
Компактному конструктивному исполнению предпочтительно способствует то обстоятельство, что среднее расстояние между охлаждающими ребрами соответствует примерно 2-х - 6-ти кратной средней толщине охлаждающего ребра. Несмотря на компактность подобного конструктивного исполнения расстояние между охлаждающими ребрами достаточно велико, чтобы проходящий между охлаждающими ребрами охлаждающий воздушный поток мог протекать по поверхности системы охлаждения.
Расстояние между охлаждающими ребрами предпочтительно соответствует по меньшей мере двукратной средней толщине охлаждающих ребер. В зависимости от размера электродвигателя данное расстояние может находиться в интервале от примерно 1,5 мм до примерно 18 мм.
Компактному конструктивному исполнению и хорошей пригодности для изготовления методом литья под давлением способствует то обстоятельство, что толщина охлаждающих ребер предпочтительно находится в интервале от примерно 1,5 до примерно 3 мм.
Охлаждающие ребра могут иметь постоянную по их высоте толщину, однако возможно также уменьшение толщины охлаждающих ребер в направлении к их торцу. Подобное конструктивное исполнение способствует более легкому извлечению охлаждающего фланца из литьевой формы при его изготовлении методом литья под давлением.
Охлаждающие ребра предпочтительно расположены на охлаждающем фланце таким образом, что оба конца охлаждающего ребра находятся в зоне между внутренней и наружной огибающими окружностями, причем обе эти огибающие окружности расположены соосно(коаксиально) относительно друг друга.
Для обеспечения не слишком большой протяженности охлаждающих фланцев в радиальном направлении отношение наружной огибающей окружности к внутренней огибающей окружности предпочтительно находится в интервале от примерно 1,1 до примерно 1,6. В этом случае охлаждающий фланец не является препятствием для воздушного потока, в особенности если электродвигатель используют для осевого вентилятора.
Для обеспечения охлаждающей способности, не зависящей от направления вращения вращающегося охлаждающего фланца, предпочтительно предусматривается варьирование фазового положения охлаждающих ребер вдоль окружности охлаждающего фланца, снабженного волнистыми охлаждающими ребрами. В этом случае соседние охлаждающие ребра располагаются не параллельно друг другу, а смещены относительно друг друга в соответствии с фазовым сдвигом.
Это позволяет оптимизировать волнистость охлаждающих ребер (их варьируемое фазовое положение) таким образом, чтобы независимо от направления вращения охлаждающего фланца ротора могла быть обеспечена высокая охлаждающая способность в сочетании с высокой скоростью охлаждающего воздушного потока и высокой степенью турбулентности. Подобная оптимизация может быть обеспечена, например, благодаря тому, что выраженные в дуговых единицах фазовые положения функции волнистости всех волнистых охлаждающих ребер охлаждающего фланца примерно равномерно распределены в интервале от 0 до 2π, то есть влияние фазовых положений отдельных волнистых охлаждающих ребер охлаждающего фланца усредняется по окружности. Первое условие преимущественного отсутствия зависимости охлаждающей способности системы охлаждения от направления вращения заключается в том, что сумма функций волнистости всех охлаждающих ребер охлаждающего фланца характеризуется амплитудой, которая не превышает 20 % от средней амплитуды функций волнистости этих охлаждающих ребер (то есть при аддитивном наложении функций волнистости преобладают обусловленные фазовым положением эффекты гашения).
Второе условие, соблюдение которого позволяет дополнительно оптимизировать отсутствие зависимости охлаждающей способности от направления вращения и которое предпочтительно подлежит соблюдению в сочетании с первым условием, заключается в том, что абсолютное среднее значение относящегося к знакопеременному направлению вращения фазового сдвига между фазовыми положениями для всех пар соответственно непосредственно соседних охлаждающих ребер охлаждающего фланца, безразмерно выраженное в дуговых единицах, не превышает π/6. Благодаря этому влияние знака фазового сдвига между соседними охлаждающими ребрами примерно усредняется по окружности.
При этом фазовый сдвиг между двумя непосредственно соседними охлаждающими ребрами охлаждающего фланца предпочтительно не бывает слишком большим. Абсолютное значение выраженного в дуговых единицах фазового сдвига между двумя соседними охлаждающими ребрами охлаждающего фланца предпочтительно не превышает π/3. Благодаря этому оказывается возможным формирование оптимальных проточных каналов между соответствующими соседними охлаждающими ребрами.
В зависимости от конструкции охлаждающего устройства непосредственно соседние охлаждающие ребра не обязательно должны характеризоваться отличающимися друг от друга фазовыми положениями. Так, например, фазовое положение охлаждающего ребра может отличаться от фазового положения соответствующего базового волнистого охлаждающего ребра лишь для каждого третьего или каждого пятого охлаждающего ребра.
Другое условие отсутствия зависимости охлаждающего эффекта от направления вращения заключается в том, что знакопеременный угол между базовыми прямыми и радиальными направлениями для всех охлаждающих ребер охлаждающего фланца в среднем составляет 0°, предпочтительно менее 5°. В случае если все базовые прямые ориентированы в направлении, примерно совпадающем с радиальным направлением, данное условие соблюдается автоматически.
Для обеспечения максимально возможного отсутствия зависимости охлаждающей способности охлаждающих устройств с волнистыми охлаждающими фланцами от направления вращения особенно большое значение имеет соблюдение указанных выше условий, касающихся фазовых положений и базовых прямых охлаждающих ребер, для всех отдающих тепло охлаждающих фланцев. Однако для идеального отсутствия зависимости охлаждающей способности от направления вращения соответствующие условия должны соблюдаться и в случае чисто аэродинамических охлаждающих фланцев.
Объект настоящего изобретения представлен в формуле изобретения, а также поясняется на чертежах и с помощью приведенных в описании параметров и отличительных признаков. В случае если последние по отдельности или в комбинации отличаются от уровня техники новизной, их следует считать существенными признаками настоящего изобретения, даже если они не представлены в формуле изобретения.
Другие отличительные признаки настоящего изобретения представлены в других пунктах формулы изобретения, в его описании и на прилагаемых к описанию чертежах.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 осевой вид сверху (со стороны ротора) гильзы статора с охлаждающим фланцем предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства,
на фиг. 1a осевое сечение электродвигателя с предлагаемым в изобретении охлаждающим устройством,
на фиг. 2 осевое сечение показанной на фиг. 1 гильзы статора (показан также охлаждающий фланец ротора предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства),
на фиг. 3 другой вариант конструктивного исполнения предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства с показанной на фиг. 2 гильзой статора,
на фиг. 4 перспективное изображение (вид спереди) показанной на фиг. 1 гильзы статора,
на фиг. 5 осевой вид сверху гильзы статора с охлаждающим фланцем предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства (другой вариант конструктивного исполнения статора),
на фиг. 6 перспективное изображение показанной на фиг. 5 гильзы статора,
на фиг. 7 осевой вид сверху гильзы статора с охлаждающим фланцем предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства (другой вариант конструктивного исполнения статора),
на фиг. 8 перспективное изображение показанной на фиг. 7 гильзы статора,
на фиг. 9 схематическое изображение отдельного охлаждающего ребра на охлаждающем фланце,
на фиг. 10 схематически показанное на фиг. 9 охлаждающее ребро в увеличенном масштабе (средняя линия охлаждающего ребра с характеристическими параметрами),
на фиг. 11a-11d схематически представленное в увеличенном масштабе поперечное сечение охлаждающих ребер разной формы,
на фиг. 12 вид сверху охлаждающего фланца предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства в другом варианте конструктивного исполнения (все волнистые охлаждающие ребра характеризуются одинаковым фазовым положением, охлаждающая способность зависит от направления вращения),
на фиг. 13 вид сверху охлаждающего фланца предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства в другом варианте конструктивного исполнения (соответствующие соседние охлаждающие ребра отличаются друг от друга переменным фазовым положением +π и -π, выраженным в дуговых единицах, и охлаждающая способность в основном не зависит от направления вращения),
на фиг. 14 вид сверху охлаждающего фланца предлагаемого в изобретении охлаждающего устройства в другом варианте конструктивного исполнения (пилообразная конфигурация волнистых охлаждающих ребер).
На фиг. 1a в качестве примера показан электродвигатель в виде электродвигателя с внешним ротором, причем речь может идти, например, об электронно коммутируемом электродвигателе постоянного тока. Электродвигатель имеет гильзу 1 статора, которая снабжена охлаждающим фланцем 2, причем из центральной части гильзы 1 выступает опорная втулка 3. Опорная втулка 3 простирается внутри ротора 40, снабженного валом 41, который известным образом смонтирован в опорной втулке 3 с возможностью вращения. Ротор 40 имеет корпус 42, на внутренней стороне которого закреплены постоянные магниты 43. Магниты 43 расположены вокруг известным образом снабженного обмоткой 45 сердечника 44 статора, образуя кольцеобразный воздушный зазор. Сердечником 44 предпочтительно является шихтованный пакет из листовой стали.
На фиг. 1 представлен осевой вид сверху гильзы 1 статора (со стороны ротора), причем гильза 1 является частью статора электродвигателя с внешним ротором. Гильза 1 имеет показанный на фиг. 2 фланец 200 статора, выступающий в радиальном направлении из опорной втулки 3, которая предпочтительно выполнена как одно целое с фланцем 200, и в которой с возможностью вращения смонтирован вал 41 ротора 40. В данном примере конструктивного исполнения шихтованный пакет 44 с обмоткой 45 смонтирован на наружной поверхности 201 (фиг. 2) опорной втулки 3.
На определенном расстоянии от наружного края 5 фланца 200 статора расположена проходящая вдоль окружности стенка 6, которая ориентирована в перпендикулярном фланцу 200 направлении и включает базирующее пространство 7, предназначенное для размещения электрических/электронных деталей. В радиально-наружной зоне фланца 200 предусмотрен охлаждающий фланец 2 статора, выполненный как одно целое с фланцем 200. Охлаждающий фланец 2 статора снабжен охлаждающими ребрами 8, распределенными вдоль окружности охлаждающего фланца 2. Как показано на фиг. 1, охлаждающие ребра 8 распределены вдоль окружности охлаждающего фланца 2 статора предпочтительно примерно равномерно. Охлаждающие ребра 8 простираются в радиальном направлении почти от наружного края 5 фланца 200 статора до кольцеобразного выступа 9, который расположен коаксиально относительно опорной втулки 3 и, например, обладает наружным диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр стенки 6. Кольцеобразный выступ 9 и стенка 6 расположены по разные стороны от фланца 200 статора. Стенка 6 и кольцеобразный выступ 9 предпочтительно выполнены как одно целое с фланцем 200 статора. Радиально-внутренний край охлаждающего фланца 2 статора определяется кольцеобразным выступом 9, соответственно радиально-внутренними концами охлаждающих ребер 8.
В данном примере конструктивного исполнения тепло, которое генерируется в электрических или электронных компонентах статора, отводится в окружающую атмосферу через поверхность 203 охлаждающего фланца 2 статора. Указанное тепло, источником которого может являться, например, обмотка, может вводиться в гильзу 1 статора через поверхность 201, и/или оно может генерироваться в зоне находящейся в базирующем пространстве 7 электроники и вводиться в гильзу 1 статора через поверхность 202. Поверхностью 202 в данном примере конструктивного исполнения является внутренняя поверхность стенки 6. Гильза 1 статора выполнена из хорошо проводящего тепло материала, например, алюминия. Благодаря этому возможен эффективный отвод тепла к охлаждающему фланцу 2 статора. Монолитное конструктивное исполнение охлаждающего фланца 2 статора вместе с гильзой 1 статора в данном примере конструктивного исполнения способствует оптимальному отведению тепла от поглощающих тепло поверхностей 201, 202 к отдающей тепло поверхности 203 охлаждающего фланца 2 статора.
Как показано на фиг. 2, а также в показанном на фиг. 3 примере конструктивного исполнения, на наружной стороне ротора 40 предусмотрен охлаждающий фланец 4, который при эксплуатации электродвигателя вращается вокруг оси 208 опорной втулки 3 совместно с ротором 40. На фиг. 2 и 3 показана только часть ротора 40, а именно охлаждающий фланец 4 ротора с расположенными на нем и выполненными как одно целое с ним охлаждающими ребрами 10. Охлаждающие ребра 10 простираются от наружного края 11 охлаждающего фланца 4 до кольцеобразного выступа 12. Оба охлаждающие фланца 2 и 4 располагаются напротив друг друга на незначительном расстоянии друг от друга. При этом охлаждающие ребра 8 и 10 обращены друг к другу. Охлаждающий фланец 4 ротора может быть выполнен как одно целое с ротором 40 или может являться отдельной деталью, которая прикреплена к остальным деталями ротора 40. Согласно изобретению охлаждающее устройство 205 состоит из двух противолежащих охлаждающих фланцев 2, 4, снабженных охлаждающими ребрами 8 и 10. При эксплуатации электродвигателя оба охлаждающие фланца 2, 4 совершают вращательное движение относительно друг друга. Каждый из охлаждающих фланцев 2, 4 может служить для отдачи тепла от его поверхности 203, 204 в окружающую атмосферу и/или в значительной степени способствовать передаче тепла от охлаждающего устройства 205 к одному из охлаждающих фланцев 2, 4 благодаря аэродинамически эффективному взаимодействию, обусловленному движением охлаждающих фланцев 2, 4 относительно друг друга. В случае если охлаждающий фланец 2, 4 служит для отдачи тепла от его поверхности 203, 204 в окружающую атмосферу, он выполнен из хорошо проводящего тепло материала предпочтительно как одно целое с другими частями, поглощающими тепло в других местах. В случае если охлаждающий фланец 2, 4 служит только для аэродинамического взаимодействия, он может быть выполнен также, например, в виде отдельного полимерного элемента. Функцию теплоотдачи при необходимости может выполнять охлаждающий фланец 2 статора, охлаждающий фланец 4 ротора или оба охлаждающие фланца 2, 4.
Описанная выше принципиальная конструкция электродвигателя с внешним ротором известна, в связи с чем необходимость в ее более детальном рассмотрении отсутствует.
Высота Н охлаждающих ребер 8, 10 (фиг. 11), измеренная примерно перпендикулярно базовой поверхности 33 (фиг. 1) охлаждающего фланца 2, 4, предпочтительно не превышает высоту соответствующего кольцеобразного выступа 9, 12.
В показанном на фиг. 2 примере конструктивного исполнения охлаждающие ребра 10 охлаждающего фланца 4 ротора обладают меньшей радиальной длиной, чем охлаждающие ребра 8 охлаждающего фланца 2 статора. Кроме того, в показанном на данном чертеже примере охлаждающий фланец 2 статора выступает в радиальном направлении над охлаждающим фланцем 4 ротора. Размерные характеристики охлаждающих ребер 8, 10, кольцеобразного выступа 12, а также охлаждающего фланца 2 статора и охлаждающего фланца 4 ротора не ограничиваются указанными выше параметрами. Так, например, охлаждающие ребра 8, 10 могут обладать также одинаковой радиальной протяженностью. Кроме того, охлаждающий фланец 2 статора и охлаждающий фланец 4 ротора могут обладать одинаковым наружным диаметром. Согласно данному примеру конструктивного исполнения охлаждающие ребра 8 охлаждающего фланца 2 статора характеризуются значительно  размерными параметрами по сравнению с охлаждающими ребрами 10 охлаждающего фланца 4 ротора, поскольку охлаждающие ребра 8 предназначены для теплоотдачи, которой способствует  площадь контакта между отдающей тепло деталью и окружающей атмосферой, в то время как охлаждающие ребра 10 охлаждающего фланца 4 ротора в данном примере конструктивного исполнения выполняют лишь аэродинамическую функцию, а, следовательно, в значительной степени способствуют теплоотдаче охлаждающего устройства 205.
При эксплуатации электродвигателя с внешним ротором вследствие вращения охлаждающего фланца 4 ротора относительно охлаждающего фланца 2 статора между охлаждающими ребрами 8 и 10 возникает воздушный поток, который поглощает тепло и отводит его от поверхностей 203 и/или 204 охлаждающих фланцев. При этом в данном примере конструктивного исполнения охлаждающий фланец 4 с охлаждающими ребрами 10 функционирует подобно крыльчатке радиального центробежного вентилятора, с высокой скоростью перемещая и отбрасывая поглотивший тепло воздух от поверхностей 203 и/или 204 охлаждающих фланцев в направлении изнутри наружу, соответственно удаляя его в радиальном направлении прочь от электродвигателя. Вследствие этого в радиально-внутренней области охлаждающего устройства 205 возникает разрежение, причем в зоне снабженного охлаждающими ребрами 8 охлаждающего фланца 2 в радиальном направлении извне во-внутрь всасывается свежий окружающий воздух, который поглощает отводимое тепло. Кроме того, благодаря непосредственному взаимодействию противолежащих охлаждающих ребер 8 и 10 возникает повышенная турбулентность, что является дополнительным фактором, способствующим передаче тепла воздуху. Однако подобное взаимодействие противолежащих охлаждающих ребер может быть причиной генерирования сильного рабочего гула прежде всего в том случае, если все охлаждающие ребра 8 и 10 ориентированы радиально и обладают прямолинейной конфигурацией (уровень техники), или в случае, если соответствующие охлаждающие ребра 8 и 10 выполнены таким образом, что при данном относительном положении охлаждающего фланца 2 статора и охлаждающего фланца 4 ротора они располагаются строго напротив друг друга и параллельно друг другу вдоль всей их радиальной протяженности, то есть если противолежащие прямолинейные ребра обладают конфигурацией, которая характеризуется отсутствием угла между ними, или расположены лишь под очень малым углом друг к другу. Благодаря предлагаемой в изобретении волнистой конфигурации охлаждающих ребер 8, 10 удается в значительной степени уменьшить генерирование рабочего гула.
В показанном на фиг. 1 примере конструктивного исполнения охлаждающие ребра 8 охлаждающего фланца 2 статора выполнены волнистыми. На фиг. 9 схематически представлен вид сверху охлаждающего фланца 2, 4, который может являться охлаждающим фланцем ротора или охлаждающим фланцем статора, причем на данном чертеже показано единственное волнистое охлаждающее ребро 8, 10. Радиально-внутренняя ограничительная линия 13 (огибающая окружность) охлаждающего фланца 2, 4, которая может определяться радиально-внутренним концом охлаждающего ребра 8, 10, обладает радиусом Ri. Радиально-наружная ограничительная линия 14 (огибающая окружность) охлаждающего фланца 2, 4, которая может определяться радиально-наружным концом охлаждающего ребра 8, 10, обладает радиусом Ra. Следовательно, радиальная протяженность охлаждающего фланца 2,4 составляет B = Ra - Ri.
Внешние контуры (очертания) охлаждающего ребра 8, 10 обозначены пунктирными линиями, причем расстояние между этими линиями внешнего контура всегда приблизительно характеризует толщину (d) охлаждающего ребра 8, 10. Толщине (d) охлаждающего ребра соответствует диаметр шарика 206, вписывающегося в радиальном и осевом месте внутрь соответствующего охлаждающего ребра 8, 10 (фиг. 9), причем подобный шарик может быть плотно вписан между обоими стенками охлаждающего ребра. Усредненной толщиной (dmr) охлаждающего ребра называют толщину (d), усредненную для каждого охлаждающего ребра 8, 10. Средней толщиной (dm) охлаждающих ребер охлаждающего фланца 2, 4 называют толщину (dmr), усредненную для всех охлаждающих ребер охлаждающего фланца 2, 4. На фиг. 9 нанесена также средняя линия 8a, 10a охлаждающего ребра 8, 10, позволяющая более точно охарактеризовать волнистость охлаждающего ребра 8, 10. Данная средняя линия 8a, 10a охлаждающего ребра может быть проведена посредством соединения друг с другом центров тяжести поверхности всех секущих плоскостей охлаждающего ребра 8, 10 с боковыми поверхностями цилиндров разных радиусов, коаксиальных относительно оси вращения М ротора.
На фиг. 10 в увеличенном масштабе схематически показан ход средней линии 8a, 10a охлаждающего ребра 8, 10 охлаждающего фланца 2, 4. Средняя линия 8a, 10a представлена на фиг. 10 в проекции на плоскость, которая в данном примере ориентирована перпендикулярно оси вращения электродвигателя. Для пояснения определения охлаждающего ребра «волнистое» дополнительно представлена базовая прямая R, которая по меньшей мере дважды, предпочтительно трижды пересекает среднюю линию 8a, 10a охлаждающего ребра. Следовательно, в случае если средняя линия 8а, 10а охлаждающего ребра обладала бы преимущественно прямолинейным неволнистым ходом, она не отклонялась бы от базовой прямой R или отклонялась от нее весьма незначительно. Однако волнистая средняя линия 8а, 10а охлаждающего ребра вдоль ее радиального хода характеризуется переменным отклонением в положительном и отрицательном окружном направлении θ. При этом базовая прямая R всегда должна располагаться таким образом, чтобы отклонения средней линии 8a, 10a от базовой прямой R в положительном и отрицательном окружном направлении θ были возможно более симметричными. Для более точного пояснения данного требования дополнительно используют определение «максимальное отклонение 207 средней линии 8a, 10a охлаждающего ребра», причем речь идет о локальном экстремальном отклонении. При этом внутренний и наружный концы средней линии 8а, 10а расценивают в качестве максимального отклонения только в том случае, если из рассмотрения хода кривой можно заключить, что ее воображаемое продолжение имеет локальный максимум в указанных местах средней линии 8а, 10а. Базовую прямую R можно охарактеризовать таким образом, что два соседние максимальные отклонения всегда обладают одинаковой величиной или, если рассматривать в среднем все максимальные отклонения средней линии 8а, 10а, они как можно меньше отличаются друг от друга. Согласно показанному на фиг. 10 примеру базовая прямая R ориентирована точно в радиальном направлении, однако она может располагаться также под определенным углом к нему. В качестве функции волнистости каждого охлаждающего ребра 8, 10 указывают отклонение его средней линии 8а, 10а от базовой прямой R как функцию длины хода средней линии 8а, 10а вдоль базовой прямой R. При этом нулевой точкой 211 считается точка сопряжения базовой прямой R с внутренней огибающей окружностью 13. Волнистое охлаждающее ребро 8, 10 характеризуется функцией волнистости по меньшей мере с двумя, предпочтительно по меньшей мере с тремя (локальными) экстремумами вдоль хода охлаждающего ребра 8, 10.
Как показано на фиг. 10, волнистая конфигурация охлаждающего ребра 8, 10 может быть охарактеризована посредством его средней линии 8а, 10а и определяемой средней линией 8а, 10а функции волнистости прежде всего амплитудой А, длиной волны Λ и фазовым положением ΔΦ. В качестве амплитуды А волнистости средней линии 8а, 10а охлаждающего ребра всегда указывают локальное экстремальное значение функции волнистости. Длиной волны Λ является расстояние между двумя последовательными локальными максимумами или двумя последовательными локальными минимумами функции волнистости средней линии 8а, 10а. Величина амплитуды А или длины волны Λ может быть постоянной или может варьироваться вдоль средней линии 8а, 10а. Поскольку амплитуда А и/или длина волны Λ могут варьироваться вдоль средней линии 8а, 10а, каждое охлаждающее ребро 8, 10, соответственно его средняя линия 8а, 10а, дополнительно характеризуются усредненной амплитудой (Аmr), соответственно усредненной длиной волны (Λmr), причем речь идет о соответствующих средних значениях всех определимых значений амплитуды (А), соответственно длины волн (Λ), для каждой средней линии 8а, 10а. Фазовое положение ΔΦ описывает положение первого максимума (в положительном окружном направлении θ, не минимума) функции волнистости охлаждающего ребра 8, 10 относительно соответствующей исходной, соответственно нулевой точки 211. Фазовое положение Δϕ в дуговых единицах определяется соотношением Δϕ = 2*π*ΔΦ / Λmr, причем π означает число π и Λmr означает усредненную длину волны соответствующего ребра.
Волнистое исполнение охлаждающих ребер 8, 10 при соблюдении определенных граничных условий позволяет увеличить поверхность, в частности, поверхность 203, 204 отдающего тепло охлаждающего фланца 2, 4, по сравнению с прямолинейными, соответственно радиально направленными прямолинейными охлаждающими ребрами, что обусловливает значительное повышение эффективности отдачи тепла охлаждающим фланцем 2, 4. Граничные условия прежде всего определяются имеющимся в распоряжении конструктивным пространством в радиальном и аксиальном направлениях, а также минимальной толщиной (d) охлаждающих ребер 8, 10, обусловленной производственно-техническими причинами и минимальным расстоянием (s) (смотри фиг. 1) между соседними охлаждающими ребрами 8, 10, причем необходимо учитывать также аэродинамические факторы. А именно необходимо обеспечить достаточно большую поверхность обтекания воздухом, пропускаемым между соответствующими соседними охлаждающими ребрами 8, 10, примерно перпендикулярную направлению воздушного потока, в частности, достаточно большое расстояние (s) между соседними охлаждающими ребрами. Расстояние (s) между двумя соседними охлаждающими ребрами 8, 10 в любом месте определяется диаметром шарика, который может вписаться между боковыми поверхностями двух соседних охлаждающих ребер 8, 10 (смотри фиг. 1). Оба последние граничные условия, а именно толщина (d) охлаждающего ребра и расстояние (s) между охлаждающими ребрами, обусловливают отсутствие возможности произвольного увеличения числа расположенных по окружности охлаждающих ребер с целью обеспечения более эффективной теплоотдачи.
С помощью базовой прямой R может быть охарактеризовано любое волнистое охлаждающее ребро 8, 10, а также прямолинейное (неволнистое) сравнительное охлаждающее ребро. Подобное прямолинейное сравнительное охлаждающее ребро, воображаемая средняя линия которого совпадает с базовой прямой R, обладает аксиальной и радиальной протяженностью, аналогичной соответствующему волнистому охлаждающему ребру, а также аналичным характером изменения толщины. В отличие от прямолинейного сравнительного охлаждающего ребра волнистое охлаждающее ребро 8, 10 обладает гораздо большей поверхностью, что благоприятно отражается на теплоотдаче. Отношение поверхности волнистого охлаждающего ребра 8, 10 к поверхности прямолинейного сравнительного охлаждающего ребра, отнесенное к радиальной протяженности (В) охлаждающего ребра 8, 10, в значительной степени определяется амплитудой (А) и длиной волны (Λ). Это отношение для волнистого охлаждающего ребра 8, 10 предпочтительно составляет по меньшей мере 1,05.
Помимо повышения эффективности теплоотдачи, обусловленного увеличением поверхности, волнистая конфигурация охлаждающих ребер 8, 10 позволяет обеспечить другие преимущества теплоотдачи по сравнению с прямолинейной конфигурацией охлаждающих ребер, обусловленные более высокими скоростями потоков и более высокой турбулентностью.
Во многих вариантах конструктивного исполнения волнистыми охлаждающими ребрами 8, соответственно 10, достаточно снабдить один из обоих охлаждающих фланцев 8 или 10. В частности, если функцию отдачи тепла выполняет только один из охлаждающих фланцев, может быть достаточным снабжение волнистыми охлаждающими ребрами 8, соответственно 10, именно этого охлаждающего фланца.
Благодаря надлежащему конструктивному исполнению волнистых охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающего фланца 4 ротора и/или охлаждающего фланца 2 статора удается значительно уменьшить генерирование рабочего гула по сравнению с прямолинейной или неволнистой конфигурацией всех охлаждающих ребер.
Для обеспечения высокой эффективности теплоотдачи длины волн Λ, амплитуды А и фазовые положения ΔΦ должны быть приведены в соответствие с толщиной (d) охлаждающих ребер (фиг. 1), количеством охлаждающих ребер, внутренним и наружным радиусами Ri и Rа охлаждающего фланца 2, 4 и определяемой радиусами Ri и Rа радиальной протяженностью В (В = Rа - Ri) охлаждающего фланца 2, 4, а также высотой Н охлаждающих ребер 8, 10. При этом высотой Н охлаждающих ребер 8, 10 является их протяженность в направлении, приблизительно перпендикулярном базовой поверхности 33 охлаждающего фланца 2, 4 (смотри также фиг. 11). Для решения подобных задач оптимизации предлагается использовать метод числового моделирования динамики текучих сред (CFD), с помощью которого характеристики охлаждения охлаждающего устройства 205 можно моделировать на компьютерной модели. При этом, в частности, можно варьировать параметры Λ, А и ΔΦ охлаждающего фланца 2 статора и охлаждающего фланца 4 ротора, а также соседних охлаждающих ребер 8, 10. Для амплитуды А и длины волны Λ дополнительно вводятся их средние значения Аm и Λm по всему охлаждающему фланцу 2, 4, которые представляют собой средние значения амплитуды А, соответственно длины волны Λ, для всех радиальных положений, а также для всех средних линий 8a, 10a охлаждающих ребер охлаждающего фланца 2, соответственно 4. Радиальная протяженность (В) отдающего тепло охлаждающего фланца 2, 4 особенно предпочтительно составляет от 20 до 45 % от радиуса (Ri) внутренней огибающей окружности 13. Не отдающиe тепло охлаждающие фланцы 2, 4 предпочтительно обладают меньшей радиальной протяженностью (В), составляющей от 10 до 30 % от радиуса (Ri).
В предпочтительном варианте конструктивного исполнения отдающего тепло охлаждающего фланца длина волны (Λ) составляет от 70 до 170 % от радиальной протяженности (В). Хотя более низкиe значения длины волны и обусловливали бы дополнительное увеличение поверхности охлаждающих ребер 8, 10, однако это негативно отразилось бы на воздушном потоке. Амплитуда (А) предпочтительно от 0,1-кратна до 0,3-кратна длине волны (Λ). Выбор указанной амплитуды обусловливает предпочтительную теплоотдачу отдающего тепло охлаждающего фланца 2, 4, а также генерирование гораздо меньшего рабочего гула в случае, если охлаждающие ребра 8, 10 по меньшей мере одного из обоих охлаждающих фланцев 2, 4 выполнены с соблюдением указанных выше параметров. Средняя толщина (dm) охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающего фланца 2, 4 предпочтительно меньше среднего расстояния (sm) между охлаждающими ребрами охлаждающего фланца 2, 4, которое характеризует ширину образующегося между двумя соседними охлаждающими ребрами 8, 10 проточного канала 15, причем предпочтительным является соблюдение соотношения 6>sm:dm>1,5.
Как следует из представленного на фиг. 1 примера конструктивного исполнения, фазовое положение ΔΦ охлаждающих ребер 8 варьируется вдоль окружности охлаждающего фланца 2 статора. На фиг. 1 в качестве примера показаны фазовые положения ΔΦ для трех охлаждающих ребер 8.
Варьирование фазового положения ΔΦ, соответственно Δϕ, волнистых охлаждающих ребер 8, 10 вдоль окружности охлаждающего фланца 2, 4 позволяет обеспечить высокую охлаждающую способность вне зависимости от направления вращения (θ) охлаждающего фланца 4 ротора относительно охлаждающего фланца 2 статора. В показанном на фиг. 1 примере количество (n) волнистых охлаждающих ребер 8, расположенных вдоль окружности охлаждающего фланца 2 статора, равно 48. Пунктирная линия нагядно поясняет ход варьирования фазового положения отдельных охлаждающих ребер 8 вдоль окружности охлаждающего фланца 2. При этом показанный на фиг. 1 ход варьирования фазового положения охлаждающих ребер 8 следует рассматривать лишь в качестве примера. Ход варьирования фазового положения охлаждающих ребер 8 выбирают таким образом, чтобы необходимый охлаждающий эффект мог быть обеспечен независимо от направления вращения θ охлаждающего фланца 4 ротора.
В отсутствие варьирования фазового положения волнистых охлаждающих ребер 8, 10 имеет место направление вращения, которое является предпочтительным в отношении охлаждающей способности охлаждающего устройства 205, то есть при подобной конфигурации волнистых охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающий эффект охлаждающего устройства 205, достигаемый при том или ином направлении вращения, оказывается выше, чем при противоположном направлении вращения. Масштаб соответствующего отличия при зависящей от направления вращения охлаждающей способности выше, если фазовое положение ΔΦ для волнистых охлаждающих ребер 8, 10 отводящего тепло охлаждающего фланца 2,4 не варьируется, как в случае только аэродинамически эффективного охлаждающего фланца 2, 4. Так, например, возможен вариант, при котором в случае лишь аэродинамически эффективного охлаждающего фланца 2, 4 можно использовать волнистые охлаждающие ребра 8, 10 без варьирования фазового положения ΔΦ, причем зависимость охлаждающего эффекта от направления вращения не достигает критического уровня.
В общем случае для электродвигателей, очевидно, можно использовать также охлаждающее устройство 205 с расположенными на охлаждающем фланце 2 статора и/или на охлаждающем фланце 4 ротора волнистыми охлаждающими ребрами 8, соответственно 10, которое при том или ином направлении вращения обладает лучшей охлаждающей способностью, чем при противоположном направлении вращения. Подобная ситуация имеет место прежде всего в том случае, если электродвигатель эксплуатируют лишь при определенном направлении вращения.
На фиг. 12 показан охлаждающий фланец 2, 4, снабженный волнистыми охлаждающими ребрами 8, 10 с постоянным фазовым положением. В случае если подобным образом выполнен отводящий тепло охлаждающий фланец 2, 4, теплоотвод в значительной степени зависит от направления вращения θ электродвигателя. В частности, при соответствующем предпочтительном направлении вращения может быть обеспечен чрезвычайно эффективный теплоотвод. Однако для электродвигателей, подлежащих эксплуатации с вращением в обоих направлениях, подобный охлаждающий фланец 2, 4 оказался бы менее пригоден.
На фиг. 14 также показан охлаждающий фланец 2, 4, снабженный волнистыми охлаждающими ребрами 8, 10 с постоянным фазовым положением. В отличие от представленного на фиг. 12 варианта конструктивного исполнения функция волнистости охлаждающих ребер 8, 10 имеет иную форму. В то время как в показанном, например, на фиг. 10 варианте в области максимальных отклонений 207 функции волнистости охлаждающих ребер 8, 10 имеет место преимущественно округлый контур, причем ход функции волнистости преимущественно близок к синусоидальной форме, в показанном на фиг. 14 варианте конструктивного исполнения функция волнистости охлаждающих ребер 8, 10 в области максимальных отклонений 207 преимущественно обладает имеющей вершины или углы формой. Ход функции волнистости преимущественно имеет зубчатую форму. Средняя линия 8а, 10а волнистого охлаждающего ребра 8, 10 попеременно отклоняется от базовой прямой R в радиальном направлении в положительном и отрицательном окружном направлении θ. В частности, функция волнистости характеризуется по меньшей мере двумя локальными экстремумами (максимумом или минимумом). При этом ход функции волнистости может принимать самые разные формы, например, форму сочлененных сегментов с коническим сечением, зубчатую форму, пилообразную форму, синусоидальную форму, соответствующие производные формы или ступенчатую форму.
Соответствие фазовых положений ΔΦ всех волнистых охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающего фланца 2, 4, в частности, отводящего тепло охлаждающего фланца 2, 4, первому критерию позволяет при обоих направлениях вращения реализовать одинаковый охлаждающий эффект охлаждающего устройства 205. Первый критерий означает, что безразмерно выраженные в дуговых единицах фазовые положения Δϕ функций волнистости всех охлаждающих ребер 8, соответственно 10 охлаждающего фланца 2,4 приблизительно равномерно распределены в интервале от 0 до 2π. Результатом усреднения функций волнистости всех охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающего фланца 2, соответственно 4, то есть результатом суммирования функций волнистости и деления полученной суммы на количество охлаждающих ребер (n), явилась бы средняя функция волнистости со сравнительно небольшой амплитудой, поскольку преобладают эффекты гашения. Амплитуда усредненной функции волнистости предпочтительно составляет не более 20 % от средней амплитуды (Аm) всех охлаждающих ребер 8, соответственно 10.
Возможность конструктивного исполнения, отвечающего указанному выше первому критерию, реализуют благодаря тому, что каждому охлаждающему ребру 8, соответственно 10, благодаря формированию пары ставится в соответствие точно одно другое охлаждающее ребро 8', соответственно 10', того же охлаждающего фланца 2, соответственно 4, которое характеризуется примерно таким же радиальным ходом амплитуды А и примерно таким же радиальным ходом длины волн Λ, но отличается от охлаждающего ребра 8, соответственно 10, по фазовому положению ΔΦ примерно на π. Пара подобных охлаждающих ребер 8 и 8' статора в качестве примера показана соответственно на фиг. 1 и 5.
Соответствие фазовых положений ΔΦ всех волнистых охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающего фланца 2, 4, в частности, отводящего тепло охлаждающего фланца 2, 4, второму критерию в сочетании с соответствием фазовых положений ΔΦ первому критерию позволяет при обоих направлениях вращения обеспечивать почти идентичный охлаждающий эффект охлаждающего устройства 205. Для пояснения данного обстоятельства рассматривается фазовый сдвиг ΔΔΦ для пары непосредственно соседних охлаждающих ребер 8, 8'', соответственно 10, 10'', причем ΔΔΦ означает знакопеременную разницу между фазовыми положениями ΔΦ двух соседних охлаждающих ребер: ΔΔΦ = ΔΦ (8'', соответственно 10'') - ΔΦ (8 соответственно 10). При этом 8'', соответственно 10'', всегда означает охлаждающее ребро, расположенное относительно соседнего охлаждающего ребра 8, соответственно 10, в направлении вращения θ. Соответствие второму критерию имеет место в том случае, если усредненные знакопеременные фазовые сдвиги ΔΔΦ для всех возможных пар соседних охлаждающих ребер 8,8'', соответственно 10,10'', охлаждающего фланца 2, соответственно 4, близки нулю, то есть положительныe и отрицательные фазовые сдвиги вдоль окружности почти полностью взаимно уничтожаются. Подобный безразмерно выраженный в дуговых единицах средний фазовый сдвиг по абсолютной величине предпочтительно не превышает π/6.
Возможность отвечающего второму критерию конструктивного исполнения реализуется благодаря тому, что каждому фазовому сдвигу ΔΔΦ (1) непосредственно соседних охлаждающих ребер ставится в соответствие точно один другой фазовый сдвиг ΔΔΦ (2), идентичный по абсолютной величине, но имеющим другой знак. Функции волнистости охлаждающих ребер с фазовым сдвигом ΔΔΦ (1), попарно сравниваемые с охлаждающими ребрами с фазовым сдвигом ΔΔΦ (2), предпочтительно характеризуются соответственно примерно одинаковым ходом амплитуды и ходом длины волн и предпочтительно смещены относительно друг другу по фазе на величину Δϕ, примерно равную π.
На фиг. 5 в качестве примера показаны два подобных комплементарных фазовых сдвига ΔΔΦ (1) и ΔΔΦ (2).
Дополнительное условие отсутствия зависимости охлаждающей способности от направления вращения заключается в том, что знакопеременный угол базовых прямых R относительно радиальных направлений составляет в среднем для всех охлаждающих ребер охлаждающего фланца 0°, предпочтительно менее 5°. В случае примерно радиального ориентирования всех базовых прямых указанное условие соблюдается автоматически.
На фиг. 13 представлен другой вариант конструктивного исполнения охлаждающего фланца 2, 4 с волнистыми охлаждающими ребрами 8, 10. Охлаждающие ребра пар 8,8'', соответственно 10,10'', характеризуются всегда попеременными безразмерными фазовыми сдвигами ΔΔϕ, примерно равными +π и -π, то есть имеющими размерность фазовыми сдвигами ΔΔΦ, равными примерно половине длины волны. Конструктивное исполнение охлаждающего фланца 2, 4 с подобным фазовым положением ΔΦ всех волнистых охлаждающих ребер 8, 10 (включая 8'', 10'') позволяет обеспечить охлаждающую способность охлаждающего фланца 2, 4, которая в основном не зависит от направления вращения, поскольку подобная конструкция особенно хорошо удовлетворяет обоим указанным выше условиям 1 и 2, необходимым для отсутствия зависимости от направления вращения.
Согласно представленному на фиг. 13 варианту конструктивного исполнения охлаждающего фланца сравнительно сильно варьируется расстояние (s) между двумя соседними охлаждающими ребрами 8, 10 вдоль радиального направления. На фиг. 13 в качестве примера показаны расстояния s1 и s2 между двумя соседними охлаждающими ребрами 8, 10 в разных местах охлаждающего фланца. Расстояния s1 и s2 существенно отличаются друг от друга. Обнаружено, что подобное сильное варьирование расстояния между охлаждающими ребрами в радиальном направлении преимущественно негативно отражается на пропускании охлаждающего воздушного потока через проточные каналы, соответственно промежуточный объем между двумя соседними ребрами, а, следовательно, может обусловливать уменьшение охлаждающей способности.
В отличие от этого в показанном на фиг. 1, 5, 7 варианте конструктивного исполнения охлаждающего фланца, согласно которому хотя и имеет место варьирование фазового положения ΔΦ разных охлаждающих ребер 8 охлаждающего фланца 2 статора с целью обеспечения соответствия обоим критериям отсутствия зависимости охлаждающей способности от направления вращения, расстояния между соответствующими соседними охлаждающими ребрами 8 варьируются в радиальном направлении гораздо менее сильно, чем в показанном на фиг. 13 примере. При этом нужно учитывать, что уже и без того следует считаться с увеличением расстояния между охлаждающими ребрами, обусловленным радиально направленным расширением внутренней огибающей окружности 13 охлаждающего фланца к его наружной огибающей окружности 14, однако одно это не играет негативной роли. Для не слишком сильного радиального варьирования расстояния между соседними охлаждающими ребрами 8, 10 чрезвычайно предпочтительной оказывается величина максимального фазового сдвига ΔΔϕ (max) между двумя соседними охлаждающими ребрами, составляющая π/3. Данное условие должно соблюдаться предпочтительно по меньшей мере для 80 % всех возможных пар непосредственно соседних охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающего фланца 2,4, причем в случае, если это условие для некоторых пар (максимум 20 %) непосредственно соседних охлаждающих ребер 8, 10 не соблюдается, негативный эффект отсутствует.
Кроме того, для генерирования менее сильного рабочего гула во время эксплуатации электродвигателя может быть целесообразным незначительное нарушение равномерности распределения охлаждающих ребер 8, 10 вдоль окружности. Подобное неравномерное распределение прежде всего могло было проявляться в виде неравномерного распределения соответствующих базовых прямых R. Предпочтительным является отношение наибольшего углового смещения двух соседних базовых прямых R к наименьшему угловому смещению двух соседних базовых прямых R, находящееся в интервале от 1,2 до 2.
Охлаждающие ребра 8, 10 предпочтительно выполнены без ориентированного в осевом направлении внутреннего паза. Благодаря этому оказывается возможным чрезвычайно простое изготовление охлаждающего фланца 2, 4 с охлаждающими ребрами 8, 10 методом литья под давлением и легкое извлечение готового изделия из формы. В частности, оказывается возможным предпочтительное изготовление методом литья под давлением всей гильзы статора (смотри фиг. 1-8), включая интегрированный во фланец 200 охлаждающий фланец 2, опорную втулку 3, стенку 6 и охлаждающие ребра 8.
Показанный на фиг. 3 вариант конструктивного исполнения отличается от показанного на фиг. 2 примера прежде всего тем, что на охлаждающих ребрах 10 охлаждающего фланца 4 ротора расположен плоский разделительный диск 16, перекрывающий охлаждающие ребра 10 по наибольшей части их радиальной протяженности. Кольцеобразный разделительный диск 16 расположен напротив охлаждающих ребер 8 охлаждающего фланца 2 статора на определенном расстоянии от них. Радиально-внутренний край 17 разделительного диска 16 находится на определенном расстоянии от кольцеобразного выступа 12. Вследствие этого между кольцеобразным выступом 12 и внутренним краем 17 разделительного диска 16 образуется зона входа воздуха 18.
Разделительный диск 16 в данном примере конструктивного исполнения расположен таким образом, что его плоская наружная сторона 19, обращенная к охлаждающим ребрам 8 охлаждающего фланца 2 статора, лежит в общей радиально ориентированной плоскости с торцом 20 кольцеобразного выступа 12. Это позволяет обеспечить оптимальные условия для протекания охлаждающего воздуха. Разделительный диск 16 предназначен для формирования охлаждающего воздушного потока между охлаждающими ребрами 8 и 10. Охлаждающий воздух, всасываемый ротационным охлаждающим фланцем 4 ротора, по проточным каналам 15 течет между охлаждающими ребрами 8 в радиальном направлении извне во-внутрь и попадает в зону входа воздуха 18, а затем вытекает между охлаждающими ребрами 10 охлаждающего фланца 4 ротора в радиальном направлении изнутри наружу.
Кольцеобразный выступ 9 охлаждающего фланца 2 статора примыкает к кольцеобразному выступу 12 охлаждающего фланца 4 ротора таким образом, что охлаждающий воздух на кольцеобразном выступе 9 изменяет аксиальное направление и через зону входа воздуха 18 поступает к охлаждающим ребрам 10. Разделительный диск 16 перекрывает находящиеся между охлаждающими ребрами 10 проточные каналы 15 в направлении к охлаждающим ребрам 8, что обеспечивает отличное пропускание воздуха через охлаждающее устройство 205.
Показанный на фиг. 3 вариант конструктивного исполнения в остальном аналогичен варианту, показанному на фиг. 1 и 2.
В показанном на фиг. 5 и 6 варианте конструктивного исполнения охлаждающие ребра 8 длиннее, чем в предыдущих примерах. В частности, охлаждающие ребра 8 обладают относительно большой радиальной протяженностью (В), составляющей около 40 % от внутреннего радиуса (Ri) охлаждающего фланца 2. Отношение длины волны (Λ) охлаждающих ребер 8 к их радиальной протяженности (В) меньше, чем в показанном на фиг. 1 примере, и составляет около 60 %.
В данном варианте конструктивного исполнения соседние охлаждающие ребра 8 также характеризуются отличающимися друг от друга фазовыми положениями ΔΦ, соответственно безразмерно выраженными в дуговых единицах значениями Δϕ.
В промежуточных зонах между некоторыми охлаждающими ребрами 8 предусмотрены куполообразные выступы 21, которые интегрированы с охлаждающим фланцем 2 статора и предназначены для крепления статора к системе подвески. Система подвески крепится к статору винтами, которые можно известным образом ввертывать в куполообразные выступы 21 со стороны 209 фланца 2, обращенной к стенке 6 (смотри фиг. 6).
Для обеспечения возможности оптимального использования окружающих куполообразный выступ 21 зон с охлаждающими ребрами 8 и формируемыми между ребрами 8 зонами течения куполообразные выступы 21 расположены, а находящиеся по соседству с куполообразными выступами 21 охлаждающие ребра 8 выполнены таким образом, чтобы волновые участки 22 соседних охлаждающих ребер 8 соответствовали форме куполообразных выступов 21 в плане. Поскольку в данном примере конструктивного исполнения куполообразные выступы 21 обладают кольцеобразным поперечным сечением, волновые участки 22 по меньшей мере примерно выполнены таким образом, чтобы они проходили почти концентрично относительно боковой поверхности куполообразных выступов 21. Это позволяет обеспечить необходимое для охлаждения оптимальноe расстояние между соседними ребрами 8 и куполообразными выступами 21, то есть между куполообразными выступами 21 и соседними охлаждающими ребрами 8 формируется эффективный проточный канал 212 (фиг. 5).
В показанном на фиг. 5 и 6 примере конструктивного исполнения усредненная амплитуда (Аmr) отдельных охлаждающих ребер 8 варьируется по окружности. В зоне куполообразных выступов 21 усредненная амплитуда (Аmr) имеет меньшую величину, причем ее выбирают таким образом, чтобы между куполообразными выступами 21 и соответствующим соседним охлаждающим ребром 8 формировался оптимальный проточный канал 212. В удаленной от куполообразных выступов 21 промежуточной зоне выбирают  величину усредненной амплитуды (Аmr) охлаждающих ребер 8, в частности, чтобы можно было получить излучающие тепло поверхности большей площади. Отношение наибольшей средней амплитуды (Аmr) к наименьшей средней амплитуде (Аmr) находится в примерном интервале от 1,2 до 2. Для формирования оптимальных проточных каналов отношение средних значений амплитуды (Аmr) охлаждающих ребер, расположенных непосредственно рядом с куполообразными выступами 21, предпочтительно следует выбирать таким образом, чтобы оно не превышало 1,1:1.
Кроме того, фазовый сдвиг ΔΔΦ между соседними охлаждающими ребрами 8 выбирают таким образом, чтобы был обеспечен оптимальный переход к соседним куполообразным выступам 21. Благодаря этому несмотря на наличие куполообразных выступов 21 охлаждающий эффект не зависит от направления вращения не показанного на чертежах охлаждающего фланца 4 ротора.
Благодаря описанному выше конструктивному исполнению наружные поверхности куполообразных выступов 21 во взаимодействии с волновыми участками 22 расположенных рядом с ними охлаждающих ребер 8 также служат для пропускания воздушного потока и для теплоотдачи.
Куполообразные выступы 21 соединены с кольцеобразным выступом 9 посредством радиально ориентированных перемычек 23. Перемычки 23 продолжаются от базовой поверхности охлаждающего фланца 2 в направлении, примерно совпадающем с осевым направлением охлаждающего фланца 2. Перемычки 23 предпочтительно обладают высотой, примерно аналогичной высоте куполообразных выступов 21 и охлаждающих ребер 8.
Куполообразные выступы 21 и перемычки 23 также выполнены без внутреннего паза, что позволяет без проблем извлекать из литьевой формы комплектную гильзу 1 статора.
В отличие от предыдущих примеров конструктивного исполнения кольцеобразный выступ 9 выполнен не в виде сплошного кольца, а разделен на отдельные сегменты посредством аксиально ориентированных прорезей 24. Прорези 24 выполнены таким образом, чтобы они находились в зоне соответствующих проточных каналов 15 между соседними охлаждающими ребрами.
Аксиальные прорези 24 расположены в зоне между соседними куполообразными выступами 21 (вид по оси на фиг. 5). Куполообразные выступы 21 включают известным образом проходящие сквозь фланец 2 статора отверстия 25 (фиг. 7), в которых предпочтительно выполнена резьба, в которую можно ввертывать винты, используемые для соединения статора с системой подвески.
Фазовое положение ΔΦ варьируется вдоль окружности фланца статора 2, как указано выше, что позволяет обеспечить охлаждение охлаждающих ребер 8, 10, которое не зависит от направления вращения охлаждающего фланца 4 ротора. Кроме того, поскольку охлаждающие ребра 8 обладают волнистой конфигурацией, при эксплуатации электродвигателя имеет место значительное уменьшение рабочего гула охлаждающего устройства 205 по сравнению с прямолинейными охлаждающими ребрами на обоих охлаждающих фланцах 2 и 4.
На фиг. 7 и 8 показан вариант конструктивного исполнения, который в основом аналогичен показанному на фиг. 5 и 6 примеру. В связи с этим ниже рассматриваются лишь соответствующее отличие. Оно состоит в том, что расположенные рядом с куполообразным выступом 21 охлаждающие ребра 8 выполнены таким образом, что показанные на фиг. 5 искривленные волновые участки 22, коаксиально расположенные относительно куполообразного выступа 21, отсутствуют, а рядом с куполообразным выступом 21 проходят охлаждающие ребра 8 с параллельными друг другу прямолинейными участками 26. Прямолинейные участки 26 простираются от внешней огибающей окружности 14 в радиальном направлении во-внутрь, проходя вблизи от куполообразного выступа 21. Затем прямолинейные участки 26 переходят в искривленныe волновые участки 27, почти коаксиально расположенные относительно соответствующего куполообразного выступа 21. Благодаря подобной конфигурации обоих охлаждающих ребер 8, расположенных рядом с соответствующими куполообразными выступами 21, при изготовлении гильзы 1 статора предоставляется возможность ее зацепления посредством соответствующего захватного приспособления. Соответствующее захватное приспособление может зацепляться сбоку между радиально ориентированными прямолинейными участками 26 охлаждающих ребер.
Как следует из показанных на фиг. 6 и 8 примеров конструктивного исполнения, в зоне 28 между двумя охлаждающими ребрами 8, расположенными рядом с куполообразным выступом 21, выполнена несущая перегородка охлаждающего фланца 2 с большей толщиной стенки. Наличие данной перегородки позволяет уменьшить возникающие в деталях напряжения, обусловленные прикрепленной к куполообразным выступам 21 системой подвески.
Остальные охлаждающие ребра 8 выполнены и расположены, как описано выше.
В показанном на фиг. 7 и 8 варианте конструктивного исполнения вдоль окружности гильзы 1 статора распределены шестьдесят пять волнистых охлаждающих ребер 8. Средняя толщина этих охлаждающих ребер 8 предпочтительно составляет от примерно 1,5 до 2,5 мм. Благодаря приданию охлаждающим ребрам 8 волнистой конфигурации формируется большая отводящая тепло поверхность без необходимости чрезмерного сокращения расстояния между соседними охлаждающими ребрами 8. При этом среднему расстоянию (sm) между соседними охлаждающими ребрами охлаждающего фланца соответствует по меньшей мере однократная средняя толщина (dm) охлаждающих ребер охлаждающего фланца. Среднему расстоянию (sm) между соседними охлаждающими ребрами 8 предпочтительно соответствует средняя толщина (dm) охлаждающих ребер, находящаяся в интервале от двукратной до шестикратной. На практике среднее расстояние (sm) между соседними охлаждающими ребрами 8 предпочтительно составляет от примерно 3 до 18 мм.
Наружный радиус (Rа) (фиг. 9) при использовании электродвигателя с рабочими колесами осевого вентилятора предпочтительно выбирают не слишком большим, поскольку охлаждающий фланец 2, 4 может оказаться препятствием на пути воздушного потока осевого вентилятора. Внутренний радиус (Ri), как правило, определяется конструктивным исполнением остальных компонентов электродвигателя. Отношение наружного радиуса (Rа) к внутреннему радиусу (Ri) зоны фланца 29 предпочтительно находится в интервале от примерно 1,1 до 1,6 и предпочтительно составляет примерно 1,4. Радиальная протяженность (В) охлаждающего фланца определяется радиусами (Rа) и (Ri).
Как схематически показано на фиг. 9, волнистое охлаждающее ребро 8 располагается между наружным радиусом (Rа) и внутренним радиусом (Ri) охлаждающего фланца 2, 4. Наружный радиус (Rа) соответствует радиусу наружной огибающей окружности 14, а внутренний радиус (Ri) радиусу внутренней огибающей окружности 13 (фиг. 1 и 7). При этом охлаждающее ребро 8 расположено таким образом, что оно ориентировано преимущественно в радиальном направлении. Позиция ϴ обозначает окружное направление зоны фланца 29. Позиция М обозначает ось вращения ротора.
На фиг. 11a-11d показаны разные варианты конструктивного исполнения охлаждающих ребер 8, 10 в поперечном сечении, примерно перпендикулярном воображаемой средней линии 8а, 10а охлаждающего ребра.
В показанном на фиг. 11a варианте конструктивного исполнения охлаждающее ребро 8, 10 обладает прямоугольным поперечным сечением и толщиной (d). Охлаждающее ребро 8, 10 обладает постоянным по высоте Н поперечным сечением, соответственно постоянной по высоте Н толщиной d. Отношение Н/d предпочтительно находится в интервале между примерно 2 и 8. Толщина (d) предпочтительно составляет примерно от 1 до 4 мм.
В показанном на фиг. 11b варианте конструктивного исполнения охлаждающее ребро 8, 10 обладает трапециевидным поперечным сечением. Охлаждающее ребро 8,10 в основании обладает толщиной d1, а в верхней части толщиной d2, которая меньше толщины d1. Переход от торца 30 охлаждающего ребра 8, 10 к его боковым сторонам 31, 32 закруглен. В связи с трапециевидным поперечным сечением охлаждающее ребро 8, 10 плавно сужается в направлении от основания к верхней части, соответственно торцу 30, то есть толщина (d) в направлении от верхней части к основанию изменяется. При данном конструктивном исполнении отношение Н/d по всей высоте охлаждающего ребра 8, 10 также предпочтительно находится в интервале между примерно 2 и 8.
Показанное на фиг. 11c охлаждающее ребро 8, 10 в принципе обладает конструктивным исполнением, аналогичным показанному на фиг. 11b. Единственное отличие состоит в том, что торец 30 переходит в боковые стороны 31, 32 без закругления соответствующих граней.
Наклонное расположение боковых сторон 31, 32 охлаждающих ребер 8, 10, показанных на фиг. 11b и 11c, является предпочтительным для формирования теплового потока, поскольку в этом случае имеет место непрерывное сужение поперечного сечения ребра в главном направлении теплового потока от зоны базовой поверхности 33 к верхней части 30. Однако прежде всего преимущество подобной конфигурации поперечного сечения состоит в возможности беспроблемного извлечения охлаждающего фланца 2, 4 из литьевой формы. Боковые стороны 31, 32 образуют скосы, которые облегчают извлечение охлаждающего фланца 2, 4 из литьевой формы.
Показанное на фиг. 11d охлаждающее ребро 8, 10 отличается от показанных на фиг. 11b и 11c охлаждающих ребер 8, 10 тем, что торец 30 выполнен не плоским, а полностью закругленным.
Во всех показанных на фиг. 11a-11d вариантах конструктивного исполнения закругления могут быть предусмотрены также в местах перехода от боковых сторон 31, 32 к базовой поверхности 33.
Закругления с торцевой и базовой сторон могут быть предусмотрены также для показанных на фиг. 11a охлаждающих ребер 8, 10 с прямоугольным поперечным сечением.
Во всех описанных выше вариантах волнистые охлаждающие ребра 8, 10 могут быть предусмотрены только у одного из охлаждающих фланцев 2, 4, предпочтительно у одного отдающего тепло охлаждающего фланца 2, 4. При этом охлаждающие ребра 8, 10 другого охлаждающего фланца 2, 4 могут обладать обычной прямолинейной конфигурацией, причем соответствующие прямолинейные охлаждающие ребра 8, 10 могут быть ориентированы в радиальном направлении или под определенным углом к нему.
Кроме того, волнистые охлаждающие ребра могут быть предусмотрены не только у одного охлаждающего фланца 2, 4, но и у обоих охлаждающих фланцев 2, 4. При этом волнистые охлаждающие ребра 8, 10 обоих охлаждающих фланцев 8, 10 могут обладать разными характеристическими параметрами (например, Rа, Ri, В, Λ, ΔΦ, А).
Кроме того, предпочтительно может быть выполнен охлаждающий фланец 2, 4 с волнистыми охлаждающими ребрами 8, 10, не все из которых обладают волнистой конфигурацией. При этом волнистой конфигурацией предпочтительно обладают по меньшей мере 50 %, более предпочтительно 80 % всех охлаждающих ребер 8, 10 охлаждающего фланца 2, 4.