ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRICAL MACHINE

Изобретение относится к электрической машине. Ротор и/или статор электрической машины, например асинхронной машины или синхронной машины, нуждается в охлаждении. Обычно электрические машины охлаждаются с помощью воздушного потока. На валу машины находится, например, крыльчатка вентилятора для создания охлаждающего воздушного потока. Охлаждающий воздушный поток отклоняется к имеющимся на корпусе машины охлаждающим ребрам. В одном варианте выполнения электрической машины для ее охлаждения предусмотрено охлаждающее средство. Из DE 10 2007 043 656 А1 известен пример такой электрической машины.
Задачей данного изобретения является улучшение охлаждения электрической машины.
Решение этой задачи обеспечивается, например, в соответствии с одним из пунктов 1-14 формулы изобретения.
Электрическая машина имеет, например, установленный на полом валу ротор, при этом полый вал образует внутри замкнутое полое пространство, предназначенное для циркуляции охлаждающего средства на основании эффекта термосифона между теплым и холодным концом полого вала. Электрическая машина содержит статор, который расположен, в частности, внутри корпуса и окружает ротор. Статор термически соединен с корпусом. Корпус имеет, например, доступные с торцевой стороны охлаждающие каналы для подачи охлаждающего воздушного потока на имеющиеся на наружной стороне корпуса ребра охлаждения.
В электродвигателях улучшенное охлаждение ротора может приводить к увеличению коэффициента полезного действия. Охлаждения ротора можно достигать с помощью термосифона в валу ротора. За счет охлаждения вала охлаждается также ротор электродвигателя, что приводит к желаемому повышению коэффициента полезного действия. Отводимое от ротора тепло передается через термосифон, например, в другое охлаждающее устройство.
Дополнительно к охлаждению корпуса и тем самым статора электрической машины можно устанавливать ротор электрической машины на полом валу, в котором циркулирует охлаждающее средство по принципу термосифона. За счет такого выполнения вала ротора можно отводить, в частности, возникающее в роторе тепло центрально через вал электрической машины. Таким образом, отвод тепла из электрической машины можно осуществлять как через статор, так и через ротор.
Согласно одному варианту выполнения для образования термосифона в валу предусмотрена проходящая в продольном направлении выемка, в которой может циркулировать рабочая среда (охлаждающее средство) на основании изменения агрегатного состояния между жидким и газообразным. При этом целесообразно, когда выемка проходит по всей ширине ротора электродвигателя с целью обеспечения возможно лучшего переноса тепла в рабочую среду в термосифоне. Кроме того, выемка может быть образована в зоне мест опоры электродвигателя. Дополнительно к охлаждению ротора выравниваются и уменьшаются температуры подшипников в местах опоры трансмиссии, за счет чего повышается срок службы этих высоконагружаемых подвергаемых износу частей.
Для создания охлаждающего воздушного потока, который направляется на наружную сторону корпуса, и одновременного охлаждения конца полого вала машины так, что поддерживается циркуляция имеющегося в полом валу охлаждающего средства по принципу термосифона, можно использовать вентилятор.
При охлаждаемом воздухом приводе, например, направляют окружающий воздух с помощью вентилятора вдоль снабженного ребрами корпуса привода. За счет этого машина охлаждается снаружи. Для отвода тепла могут служить различные пути прохождения. Во-первых, тепловые потери в статоре можно отводить в корпус непосредственно за счет теплопроводности. Тепло, которое возникает в роторе, отдается посредством излучения и конвекции в воздушном зазоре в статор. Оттуда тепло может передаваться через корпус в окружение. Для улучшения отвода тепла ротора машины существует возможность передачи тепла через встроенную в вал систему термосифона непосредственно в вентилятор и оттуда в воздух.
Электрическая машина с установленным на полом валу ротором может быть выполнена так, что полый вал образует внутри замкнутое полое пространство, предназначенное для циркуляции хладагента (охлаждающего средства) по принципу термосифона между горячим и холодным концом полого вала. Электрическая машина имеет окружающий ротор статор, который расположен внутри корпуса и термически соединен с ним. Корпус машины имеет доступные на торцевой стороне охлаждающие каналы для подачи охлаждающего воздушного потока к имеющимся на наружной стороне корпуса ребрам охлаждения. На торцевой стороне ротора электрической машины на холодном конце полого вала установлено рабочее колесо вентилятора для транспортировки холодного воздуха в охлаждающие каналы, которое термически соединено, с холодным концом полого вала. Рабочее колесо вентилятора полностью закрыто, например, колпаком, который на торцевой стороне герметично соединен с корпусом. Колпак имеет, например, осевое приточное отверстие, при этом рабочее колесо вентилятора в своих лежащих радиально внутри зонах имеет выступающие в приточное отверстие поверхности переноса тепла. С помощью рабочего колеса вентилятора можно создавать воздушный поток, который подается к имеющимся на наружной стороне ребрам охлаждения. С помощью того же вентилятора можно охлаждать холодный конец полого вала, так что во внутреннем пространстве можно поддерживать эффект термосифона.
Когда диаметр термосифона небольшой, то это может приводить к потере давления, которая может отрицательно влиять на действие термосифона. При вращающихся термосифонах, в частности, с небольшим диаметром полого пространства, полого вала ротора электрической машины, может быть предусмотрено средство для транспортировки конденсата и/или пара охлаждающего средства.
Электрическая машина, которая имеет ротор и статор, причем ротор имеет полый вал, при этом полый вал по меньшей мере частично выполнен с замкнутым полым пространством, при этом замкнутое полое пространство предусмотрено для размещения охлаждающего средства, имеет в замкнутом полом пространстве трехмерную транспортировочную структуру для транспортировки охлаждающего средства. За счет этого может быть улучшена эффективность охлаждения термосифона.
В одном варианте выполнения электрической машины в полом пространстве полого вала предусмотрено наполнительное тело, при этом наполнительное тело имеет трехмерную транспортировочную структуру для транспортировки охлаждающего средства в первом агрегатном состоянии. При этом наполнительное тело не полностью заполняет полое пространство полого вала.
За счет транспортировки пара и/или конденсата можно активно улучшать охлаждающую способность. Эту транспортировку можно обеспечивать не только с помощью наполнительного тела в полом пространстве полого вала. Наполнительное тело не полностью заполняет полое пространство полого вала, а оставляет свободными проходы для транспортировки охлаждающего средства. Наполнительное тело может быть выполнено, например, в виде скрученной винтовой структуры. При этом наклон этого винта изменяется от стенки в направлении центра так, что наружная часть винта транспортирует конденсат от конденсатора в направлении испарителя, а внутренняя часть винта транспортирует пар в направлении конденсатора. Изготовление таких структур можно выполнять, например, с помощью способа литья и/или способа фрезерования. Можно применять также другие способы изготовления, такие как rapid prototyping (быстрое макетирование) или selective laser melting (избирательное плавление лазером).
С помощью трехмерной транспортировочной структуры можно, например, увеличивать рабочий диапазон термосифона. Рабочий диапазон термосифона зависит от коэффициентов переноса тепла в испарителе и в конденсаторе, а также от процессов транспортировки. Под процессами транспортировки можно понимать обратную транспортировку конденсата и транспортировку возникающего пара. Транспортировке конденсата способствуют центробежные силы. Дополнительно к этому транспортировка может быть улучшена за счет конической формы конденсатора. Транспортировка пара может быть также обусловлена всасывающим действием процесса конденсации.
В одном варианте выполнения электрической машины наполнительное тело в полом пространстве полого вала имеет наряду с первой трехмерной транспортировочной структурой вторую трехмерную транспортировочную структуру для транспортировки охлаждающего средства во втором агрегатном состоянии.
В одном варианте выполнения электрической машины внутренняя стенка полого пространства полого вала имеет первую трехмерную транспортировочную структуру для транспортировки охлаждающего средства в первом агрегатном состоянии. Внутренняя стенка может иметь дополнительно также вторую трехмерную транспортировочную структуру для транспортировки охлаждающего средства во втором агрегатном состоянии. Оба агрегатных состояния являются жидким или газообразным (паром). Таким образом, отдельно введенное в полое пространство и закрепленное там наполнительное тело не является обязательно необходимым.
В одном варианте выполнения электрической машины полый вал может также иметь трехмерную транспортировочную структуру для транспортировки конденсата охлаждающего средства, при этом эта структура представляет, например, первую транспортировочную структуру, а введенное в полое пространство и закрепленное там наполнительное тело имеет вторую транспортировочную структуру для второго агрегатного состояния. При этом первая транспортировочная структура предусмотрена для транспортировки конденсата в полый вал, а вторая транспортировочная структура предусмотрена на наполнительном теле, для транспортировки пара из полого вала.
За счет трехмерной формы транспортировочной структуры обеспечивается возможность транспортировки охлаждающего средства при вращении ротора. Трехмерная транспортировочная структура вращается вместе с ротором электрической машины.
Примерами трехмерной транспортировочной структуры являются лопасти, винтовая структура и шнековая структура. Плоские элементы для шнековой структуры, соответственно, винтовой структуры могут быть выполнены с разрывами или сплошными.
В одном варианте выполнения электрической машины трехмерная транспортировочная структура имеет множество лопастей, при этом, в частности, первое множество лопастей имеет первое положение лопастей и при этом, в частности, второе множество лопастей имеет второе положение лопастей, при этом первое положение лопастей предусмотрено для транспортировки охлаждающего средства в первом агрегатном состоянии и при этом второе положение лопастей предусмотрено для транспортировки охлаждающего средства во втором агрегатном состоянии. При этом лопасти во втором положении лопастей представляют, например, первую трехмерную транспортировочную структуру, а лопасти во втором положении лопастей представляют вторую трехмерную транспортировочную структуру.
В одном варианте выполнения электрической машины трехмерная транспортировочная структура имеет винтообразную структуру или шнекообразную структуру, при этом, в частности, первая винтообразная структура или шнекообразная структура имеет первое направление витков и при этом, в частности, вторая винтообразная структура или шнекообразная структура имеет второе направление витков, при этом первое направление витков предусмотрено для транспортировки охлаждающего средства в первом агрегатном состоянии и при этом второе направление витков предусмотрено для транспортировки охлаждающего средства во втором агрегатном состоянии. Таким образом, различные трехмерные транспортировочные структуры различаются направлением витков. В одном варианте выполнения оба направления витков имеют различный подъем. При этом наполнительное тело может иметь обе структуры или лишь одну, при этом другая структура находится, например, на внутренней стенке полого пространства, полого вала.
Другими примерами трехмерных транспортировочных структур являются микроскопические соплообразные решетчатые структуры, которые выполнены, например, аналогично пене с открытыми порами, или спиральные каналы. Независимо от выполнения трехмерной транспортировочной структуры по меньшей мере одна частичная зона структуры служит для транспортировки текучей среды (жидкой, соответственно, газообразной) в определенном направлении. Таким образом, например, наполнительное тело способно за счет вращения вокруг своей продольной оси в заданном направлении вращения транспортировать текучую среду, такую как, например, пар, вблизи оси вращения в заданном направлении вдоль оси вращения и одновременно транспортировать ту же или другую текучую среду, такую как, например, конденсат, вдали от оси вращения в противоположном направлении.
Наполнительное тело, которое частично заполняет полый вал, за счет вращения вокруг своей продольной оси в заданном направлении обеспечивает, например, транспортировку текучей среды, такой как, например, пар, вблизи оси вращения в заданном направлении вдоль оси вращения и одновременно транспортировку той же или другой текучей среды, такой как, например, конденсат, вдали от оси вращения в противоположном направлении.
Трехмерная транспортировочная структура для транспортировки охлаждающего средства термосифона электрической машины может быть изготовлена с помощью аддитивного нанесения материала. Например, применяют способ порошковой подушки с использованием облучения.
Аддитивные способы изготовления обеспечивают высокие степени свободы при выполнении конструктивных элементов и трехмерных структур, которые не всегда достигаются с помощью обычных способов изготовления. В этих способах конструктивные элементы изготавливают, например, в металлической порошковой подушке с помощью энергетического луча в качестве инструмента (такого как, например, лазерный луч или электронный луч). При этом луч служит для избирательного плавления тонких слоев порошка. Эти способы изготовления базируются предпочтительно на обработке данных автоматизированного проектирования, которые описывают трехмерные объекты с помощью объемных моделей или поверхностных моделей. Для обработки в процессе изготовления эти данные переводят в данные слоев, при этом каждый слой соответствует поперечному сечению конструктивного элемента с конечной толщиной слоя. Эту геометрию поперечного сечения выполняют во время изготовления, например, посредством линейного освещения наружных контуров или поверхностного освещения подлежащей заполнению поверхности поперечного сечения. Линейное освещение реализуют на основании точечной характеристики луча с помощью соответствующего движения луча. Поверхностное освещение осуществляют, например, за счет последовательности процессов линейного освещения.
С помощью аддитивных способов изготовления, таких как, например, известный под названием “selective laser melting” (избирательное лазерное плавление) процесс, можно экономично изготавливать, в частности, сложные геометрии из металлических материалов небольшими или большими сериями. Наполнительное тело, которое изготовлено с помощью аддитивного способа, в частности, из металлических материалов, в частности с помощью способа порошковой подушки с использованием облучения, такого как избирательное плавление, лазером, можно подвергать воздействию высоких температур при работе электрической машины.
Изготовление наполнительного тела, соответственно, трехмерной транспортировочной структуры можно выполнять также с помощью других материалов, таких как, например, керамические материалы, или из пластмассы. Это можно осуществлять также с помощью способов, не базирующихся на облучении, таких как, например, способы трехмерной печати, или же с помощью способов, в которых не требуется порошковая подушка, таких как, например, лазерное наплавление.
Указанное выше выполнение термосифона с наполнительным телом для транспортировки в противоположных направлениях конденсата и потока пара требует изготовления трехмерной транспортировочной структуры, которая является химически стойкой относительно используемого охлаждающего средства.
Основанные на порошковой подушке с использованием облучения аддитивные способы изготовления позволяют, например, посредством линейных узоров освещения изготавливать тонкостенные структуры, которые могут быть, например, в виде лопастей, составляющей частью наполнительного тела. Однако такие узоры освещения не должны основываться на уже имеющихся данных автоматизированного проектирования. Поэтому может быть необходимо использование приспособленных узоров освещения. С помощью аддитивных способов изготовления обеспечиваются, в частности, преимущества при выполнении термосифона с небольшим диаметром отверстия.
При изготовлении наполнительного тела с помощью избирательного плавления лазером можно применять вместо поверхностных узоров освещения линейные узоры освещения для изготовления самых тонких стенок. За счет этого можно изготавливать, например, лопастные элементы наполнительного тела. Такие структуры не должны следовать непосредственно из имеющихся конструктивных данных автоматизированного проектирования, их можно создавать за счет непосредственного управления лазерным лучом над порошковой подушкой.
Другие предпочтительные варианты выполнения электрической машины следуют из приведенного ниже более подробного пояснения примеров выполнения электрической машины, согласно изобретению, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - продольный разрез первой электрической машины;
фиг. 2 - рабочее колесо вентилятора для электрической машины;
фиг. 3 - полый вал электрической машины;
фиг. 4 - продольный разрез второй электрической машины;
фиг. 5 - первая трехмерная транспортировочная структура;
фиг. 6 - вторая трехмерная транспортировочная структура; и
фиг. 7 - третья трехмерная транспортировочная структура.
На фиг. 1 показана электрическая машина 100, согласно первому примеру выполнения. Электрическая машина 100 содержит ротор 101, который удерживается на полом валу 102. Полый вал 102 через подшипники 106 опирается на корпус 108 электрической машины. Внутри полого вала 102 образовано полое пространство 103, предназначенное для циркуляции охлаждающего средства по принципу термосифона. Полый вал 102 имеет в зоне ротора 101 горячий конец 104 и в зоне рабочего колеса 120 вентилятора - холодный конец 105. Ротор 101 электрической машины 100 окружен статором 107. Статор 107 в свою очередь удерживается в корпусе 108 и окружен им. Корпус 108 имеет на своей наружной стороне охлаждающие ребра 110, которые через охлаждающие каналы 109 обдуваются охлаждающим воздушным потоком при работе электрической машины.
На холодном конце 105 полого вала находится рабочее колесо 120 вентилятора. Рабочее колесо 120 вентилятора полностью закрыто замкнутым колпаком 121. Колпак 121 герметично по потоку соединен с корпусом 108. Колпак 121 имеет приточное отверстие в осевой зоне электрической машины 100.
Рабочее колесо 120 вентилятора имеет вентиляционные лопасти 124 для создания охлаждающего воздушного потока, а также поверхности 123 переноса тепла.
Входящий через приточное отверстие 122 поток холодного воздуха после входа в возможно имеющую форму сопла горловинную зону 125 колпака 121 отклоняется на поверхности 123 переноса тепла. Поверхности 123 переноса тепла находятся в термическом соединении с холодным концом 105 полого вала 102. Возможно, слегка нагретый за счет теплообмена поток холодного воздуха проходит через охлаждающие каналы 109 к имеющимся на наружной стороне корпуса 108 электрической машины 100 охлаждающим ребрам 110. При этом воздушный поток приводится в движение по существу вентиляционными лопастями 124. Внутренняя стенка полого пространства 103 имеет трехмерную транспортировочную структуру 240, которая служит для транспортировки конденсата охлаждающего средства.
На фиг. 2 показано рабочее колесо 120 вентилятора на виде спереди. В лежащих радиально внутри зонах вблизи полого вала 102 рабочее колесо 120 вентилятора имеет поверхности 123 переноса тепла. В лежащей радиально снаружи зоне рабочее колесо 120 вентилятора имеет лопасти 124 вентилятора. Рабочее колесо 120 вентилятора может быть выполнено и действовать, в частности, относительно вентиляционных лопастей 124, как радиальный вентилятор.
На фиг. 3 показан полый вал 102 электрической машины 100, согласно другому примеру выполнения. Полый вал 102 имеет внутри полое пространство 103, наполнительное тело 201, а также окруженное наполнительным телом 201 другое полое пространство 202. Полое пространство 103 и другое полое пространство 202 соединены друг с другом, например, через отверстия в наполнительном теле 201, которые не изображены на фиг. 3. Наполнительное тело имеет первую трехмерную транспортировочную структуру 200 для транспортировки охлаждающего средства в первом агрегатном состоянии. Первое агрегатное состояние относится, например, к жидкости. Наполнительное тело 200 имеет также вторую трехмерную транспортировочную структуру 220 для транспортировки охлаждающего средства во втором агрегатном состоянии. Второе агрегатное состояние относится, например, к газу.
За счет вращающегося термосифона может быть достигнуто улучшение рабочего диапазона машины. За счет установленного во вращающемся термосифоне наполнительного тела 201 транспортировка содержащейся в нем текучей среды вызывается не только конусностью отверстия и действием центробежных сил на конденсат и обусловленного этим всасывающего действия на пар. Дополнительно к этому текучая среда активно направляется за счет формы соответствующих направляющих элементов, т.е. трехмерной системы, которая является, в частности, составляющей частью геометрии наполнительного тела. За счет этого обеспечивается возможность транспортировки текучей среды также при вращающемся термосифоне с небольшим диаметром отверстия. Наполнительное тело 201 имеет первую трехмерную транспортировочную структуру 200 для транспортировки конденсата и вторую трехмерную транспортировочную структуру 220 для транспортировки пара, при этом количество лопастей может быть различным в зависимости от транспортируемой текучей среды.
За счет использования наполнительного тела 201 достигается улучшение действия охлаждения также при установленных вертикально валах ротора. Даже когда конденсатор расположен внизу, а испаритель в более высокой плоскости, активно осуществляется транспортировка текучей среды.
На фиг. 4 показана в продольном разрезе электрическая машина 100, при этом показаны также тепловые потоки. Подлежащая отводу тепловая энергия обозначена стрелками 300. Охлаждающий воздух обозначен стрелками 301.
На фиг. 5 схематично показана первая трехмерная транспортировочная структура 200 для транспортировки конденсата 260 и вторая трехмерная транспортировочная структура 220 для транспортировки пара 270, при этом получается симметрия относительно оси 500.
На фиг. 6 показана винтообразная первая трехмерная транспортировочная структура 600 для транспортировки и спиральная вторая трехмерная транспортировочная структура 620 для транспортировки вокруг спирального сердечника 630, который является частью наполнительного тела 201 для полого пространства, полого вала ротора электрической машины.
На фиг. 7 показано наполнительное тело 201 с лопастями 700 с первым углом установки в качестве первой трехмерной транспортировочной структуры и лопастями 720 со вторым углом установки в качестве второй трехмерной транспортировочной структуры.