ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ОСЕВЫМ, РАДИАЛЬНО СМЕЩЕННЫМ ОХЛАЖДАЮЩИМ ПОТОКОМ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
ELECTRIC MACHINE WITH AXIAL OFF-CENTRE COOLANT FLOW AND RESPECTIVE METHOD

Настоящее изобретение относится к электрической машине с ротором, который имеет по меньшей мере один радиальный охлаждающий паз и аксиально проходящие охлаждающие каналы, которые сообщаются с его меньшей мере одним радиальным охлаждающим пазом. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу охлаждения электрической машины с ротором путем охлаждения ротора охлаждающим потоком, который вводится аксиально в ротор.
В принципе, существует потребность охлаждать ротор электрической машины равномерно охлаждающим воздухом (или охлаждающим средством). Одновременно должна быть возможной без высоких затрат труда заливка карманов магнитов для защиты магнитов от коррозии и перемещения.
До сих пор один тип синхронных машин с возбуждением постоянными магнитами конструировался с только одним частичным пакетом. Это имеет недостаток, заключающийся в том, что статор в средней области в недостаточной степени может снабжаться охлаждающим воздухом. Также ротор в случае однопоточного охлаждающего потока охлаждается лишь неравномерно. В другом типе синхронных машин с возбуждением постоянными магнитами магниты закреплялись на отдельных частичных пакетах (например, посредством приклеивания). При этом, хотя достигалось более равномерное охлаждение, однако является довольно затратным посредством заливки защищать магниты при смещении или от коррозии.
Из публикации DE 101 07 298 C1 известна электрическая машина с ротором, который имеет радиальный охлаждающий паз. Ротор содержит, кроме того, аксиально проходящие охлаждающие каналы, которые сообщаются с радиальным охлаждающим пазом. Первые охлаждающие каналы из аксиально проходящих охлаждающих каналов проходят со своей центральной осью на другой радиальной высоте относительно оси ротора, чем вторые охлаждающие каналы из аксиально проходящих охлаждающих каналов. Короткозамыкающее кольцо оснащено замкнутой кольцевой камерой для реверсирования направления течения.
Подобные электрические машины с радиальным охлаждающим пазом и аксиальными охлаждающими каналами, которые проходят на различных радиальных уровнях, известны из публикаций WO 97/39513 A1, US 3684906 A и DE 2834988 A1. Там также описаны проставки, с помощью которых первый охлаждающий поток направляется из охлаждающего канала в радиально более высокий или более низкий охлаждающий канал.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение охлаждения ротора электрической машины, несмотря на более простой монтаж, более равномерным образом. Кроме того, должен быть создан соответствующий способ охлаждения для ротора электрической машины.
В соответствии с изобретением эта задача решается электрической машиной согласно пункту 1 формулы изобретения.
Кроме того, в соответствии с изобретением предусмотрен способ согласно пункту 6 формулы изобретения.
Предпочтительным образом, охлаждающий поток в соответствии с изобретением направляется в роторе от одной радиальной высоты на другую радиальную высоту. При рассмотрении в радиальном сечении, можно также говорить о смене уровней охладителя в роторе. Это оказывается особенно тогда предпочтительным, когда ротор на различных радиальных высотах нагревается по-разному. Таким образом, внутри ротора охлаждающий поток, который воспринял еще мало тепла, может отклоняться целенаправленно в радиальное положение, которое должно охлаждаться очень эффективно.
Предпочтительным образом проставка имеет несколько дисков, которые имеют, соответственно, сквозные отверстия, причем сквозные отверстия дисков размещены таким образом, что они отклоняют первый охлаждающий поток в радиальном направлении. Диски проставки приобретают, таким образом, дополнительную функцию, наряду с обеспечением радиального охлаждающего паза: они радиально отклоняют охлаждающий поток.
В роторе имеется только один единственный охлаждающий паз. Это имеет преимущество, состоящее в том, что помещение магнитов в карманы магнитов обоих частичных пакетов может быть выполнено сравнительно легко. Кроме того, заливка карманов магнитов изолирующей заливочной массой в случае двух частичных пакетов может быть выполнена относительно несложно.
Второй охлаждающий поток вводится в один из аксиально проходящих охлаждающих каналов и посредством проставки отклоняется радиально наружу. На месте, в котором второй охлаждающий поток отклоняется радиально наружу, может теперь первый охлаждающий поток, если он отклоняется в радиальное положение второго охлаждающего потока, брать на себя его функции охлаждения во втором частичном пакете, то есть в другой осевой области ротора.
Первые охлаждающие каналы размещены на меньшей радиальной высоте в роторе, чем вторые охлаждающие каналы. Тем самым, первый охлаждающий поток протекает сначала вблизи вала, где он воспринимает лишь малое количество тепла. После некоторого осевого пути распространения первый охлаждающий поток может тогда реализовать «неизрасходованное» высокое охлаждающее действие, когда он отклоняется во вторые охлаждающие каналы.
Ротор может возбуждаться постоянными магнитами. Они вводят лишь сравнительно малые потери в ротор, так что достаточно ротор разделить на два частичных пакета и предусмотреть только один единственный паз для охлаждающего воздуха в середине ротора. За счет этого ротор с возбуждением постоянными магнитами может легче изготавливаться. С другой стороны, если ротор оснащен короткозамыкающими стержнями, то может предусматриваться и больше частичных пакетов, причем охлаждающий поток тогда может вводиться через более чем два различных уровня в роторе.
Кроме того, частичный пакет (содержащий первые охлаждающие каналы), по отношению к второму, содержащему вторые охлаждающие каналы, частичному пакету, может быть смещен в окружном направлении. Это служит снижению пульсаций вращающего момента ротора и может быть реализовано посредством нескольких дисков проставки без особого труда, так как смещение, как правило, должно быть лишь очень незначительным. Поэтому функция проставки, а именно функция радиального отклонения не ухудшается заметным образом из-за смещения.
Настоящее изобретение далее поясняется более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг.1 - частичное поперечное сечение генератора с постоянными магнитами с воздушным охлаждением;
Фиг.2 - увеличенный фрагмент из фиг.1 для более четкого представления смены уровня охлаждающего потока в роторе;
Фиг.3 - вид в перспективе ротора по фиг.1 и
Фиг.4 - вид сверху фрагмента радиального охлаждающего паза ротора по фиг.3.
Описанные далее более подробно примеры выполнения представляют предпочтительные формы выполнения предложенного изобретения.
Фиг.1 показывает генератор 1 с охладителем 2. Охладитель 2 содержит вентилятор 3 для всасывания холодного воздуха, который он нагнетает в теплообменник 4. Воздух протекает оттуда через выпускной патрубок 5 наружу. Тем самым определяется внешний контур охлаждения.
Теплообменник 4 охлаждает посредством внешнего контура 6 охлаждения внутренний, замкнутый охлаждающий контур 7. Внутренний контур 7 приводится в действие вальным вентилятором 8, который смонтирован на В-стороне вала 9 генератора 1. Внутренний охлаждающий контур циркулирует, начиная от вентилятора 8 теплообменника, и выводится на А-стороне (приводную сторону) генератора в полость лобовой части обмотки. Там он обтекает лобовую часть 10 обмотки, а также обмоточную схему 31 и протекает затем через ротор 11 и статор 12, как описано более подробно ниже. Наконец, охладитель (в частности, воздух) обтекает полость лобовой части обмотки на В-стороне (неприводной стороне) генератора и достигает вновь вального вентилятора 8.
Ротор 11 содержит листовой пакет 13, на торцевых сторонах которого размещены нажимные кольца 14 и 15. В своем осевом направлении ротор 11 разделен пополам посредством радиального охлаждающего паза 16. Этот охлаждающий паз 16 образован здесь проставкой с дисками 29.
Ротор 11 также имеет аксиально проходящие охлаждающие каналы, осевые центры которых лежат на двух коаксиальных цилиндрах. Далее радиальное расстояние центральной оси охлаждающего канала от оси вала 9 будет обозначаться как радиальная высота охлаждающего канала. Согласно представленному примеру, ротор 11 содержит, таким образом, (третий) охлаждающий канал 17 и радиально под ним, то есть на меньшей радиальной высоте, первый аксиальный охлаждающий канал 18. На правой стороне радиального охлаждающего паза 16, который делит ротор посередине, находится на той же радиальной высоте, что и у первого охлаждающего канала 17, второй охлаждающий канал 19. Радиально под ним находится вновь на той же радиальной высоте, что и у второго охлаждающего канала 18, четвертый охлаждающий канал 20. В листовом пакете 13 в предусмотренных для этого карманах размещены распределенные по окружности постоянные магниты 21. Он с обеих торцевых сторон вдвинуты в ротор и залиты также от обеих торцевых сторон. Так как ротор 11 имеет только один средний радиальный охлаждающий паз 16, вставка магнитов и заливка производятся соответственно просто.
Статор 12, в качестве держателя обмоток, содержит листовой пакет 22, который пересекается многочисленными радиально проходящими охлаждающими пазами 23. На внешней боковой поверхности листового пакета сформированы аксиально проходящие охлаждающие ребра 24 на листовом пакете 22. Охлаждающие ребра 24 выступают звездообразно от статора 12 и могут быть приварены к листовому пакету. В качестве альтернативы, каждый отдельный лист листового пакета 22 имеет радиально отстоящие выступы, так что при пакетировании отдельных листов получаются охлаждающие ребра 24.
Охлаждающий поток 25 статора протекает, таким образом, вдоль боковой поверхности статора исключительно в осевом направлении. Посредством этого потока, который почти без поглощения тепла почти непосредственно подается в теплообменник 4, эффективно охлаждаются осевые охлаждающие ребра 24 статора. На торце В-стороны этот первый охлаждающий поток 25 еще используется для того, чтобы охлаждать лобовую часть обмотки.
В соответствии с изобретением, как в примере, представленном на фиг.1, предусмотрен первый охлаждающий поток 28, который на А-стороне вводится в первые охлаждающие каналы 18 через нажимной щиток 14. В радиальном охлаждающем пазу 16 ротора 11 находится проставка. В данном примере в качестве проставки использованы три диска 29. Диски 29 выполнены различными и имеют вырезы 30 в смещенных относительно друг друга позициях. Тем самым первый охлаждающий поток 28 в радиальном охлаждающем пазу 16 на фиг.1 вытесняется вверх во вторые охлаждающие каналы 19, которые справа от охлаждающего паза 16 расположены на большей радиальной высоте, чем первые охлаждающие каналы 18. Наконец, первый охлаждающий поток 28 выходит из вторых охлаждающих каналов 19 через нажимной щиток 15 на В-стороне. В нажимном щитке 15 для этого предусмотрены отверстия, величина которых рассчитана таким образом, что сопротивление первого охлаждающего потока 28 не слишком мало, и также второй охлаждающий поток 26 имеет достаточный объемный расход. После отверстия в нажимном щитке 15 первый охлаждающий поток 28 объединяется с вторым и третьим охлаждающим потоком 26, 25 в полости торцевой стороны генератора 1 перед вальным вентилятором 8. Первый охлаждающий поток 28, таким образом, направляется в первой части ротора (левая сторона на чертеже) через более холодную область (ближнюю к валу область) ротора. При этом он почти не поглощает тепло. На правой стороне ротора он направляется вверх и служит там для эффективного охлаждения правой части ротора. Левая половина части ротора, как пояснено выше, главным образом охлаждается посредством второго охлаждающего потока 26.
Второй охлаждающий поток 26 через ротор вводится посредством охладителя или охлаждающего воздуха, который в полости лобовой части обмотки 10 и обмоточной схемы 31 уже охлажден. Этот второй охлаждающий поток 26 проникает через нажимной диск 14 А-стороны в третий охлаждающий канал 17 ротора 11. У радиального охлаждающего паза 16 в середине ротора второй поток 26 охладителя отклоняется радиально наружу. Он распределяется аксиально по всему воздушному зазору 27 между ротором 11 и статором 12. Оттуда он, так как нажимные диски 14 и 15 имеют несколько больший диаметр, чем листовой пакет ротора, включая постоянные магниты 21, вытесняется радиально наружу через охлаждающий паз 23 статора. На внешней поверхности статора второй охлаждающий или воздушный поток 26 объединяется с третьим охлаждающим потоком 25. Второй охлаждающий поток 26 обеспечивает, таким образом, охлаждение представленной на фиг.1 левой роторной части и внутренней части статора по всей его осевой длине. Второй охлаждающий поток 26 имеет, таким образом, по существу Z-образную траекторию. Он протекает сначала аксиально, потом радиально и, наконец, снова аксиально. Вместе с линейным охлаждающим потоком статора может, таким образом, осуществляться достаточное охлаждение статора 12, и в том случае, если ротор имеет только радиальный охлаждающий паз 16 и не имеет множества подобных радиальных пазов.
На фиг.2 показан фрагмент ротора 11 с охлаждающим пазом 16 по фиг.1 в увеличенном виде. Ротор разделен охлаждающим пазом 16 аксиально на два частичных пакета Т1 и Т2. Радиальный охлаждающий паз 16 образован дисками 29, которые служат проставками между обоими частичными пакетами Т1 и Т2. Из увеличенного представления на фиг.2 видно, что диски 29 имеют вырезы или отверстия 30, так что охлаждающий поток может пройти через соответствующий диск 29. В данном случае первый охлаждающий поток 28 проходит через охлаждающий паз 16 или диски 29 через отверстия 30 из одного первых охлаждающих каналов 18 в один из вторых охлаждающих каналов 19. Центр соответствующего отверстия 30 повышается в направлении охлаждающего потока от одного диска к следующему в радиальном направлении. Тем самым первый охлаждающий канал 18 со вторым охлаждающим каналом 19 находится в соединении по потоку.
Диски 29 имеют другие вырезы 32, которые позволяют второму охлаждающему потоку 26, который проникает через третьи охлаждающие каналы 17 в ротор, протекать радиально наружу. При этом, при обстоятельствах, является предпочтительным, если обращенный к второму охлаждающему каналу 19 правый диск 29 уплотняет второй охлаждающий канал 19 по отношению к третьему охлаждающему каналу 17, так что второй охлаждающий поток 26, который при достижении охлаждающего паза 16, как правило, уже заметно нагрет, не проникает во второй охлаждающий канал 19. Скорее, введенный в первый частичный пакет Т1 первый охлаждающий поток 28 может, из-за радиальной смены уровней, охлаждать второй частичный пакет Т2 в области постоянных магнитов 21, то есть во внешней области ротора. В принципе, также возможны направления течения каждого охлаждающего потока, соответственно, в обратном направлении.
Фиг.3 показывает соответствующий изобретению ротор в пространственном изображении. Как уже описывалось в связи с фиг.1, на валу рядом с частичными пакетами Т1 и Т2 ротора 11 на В-стороне находится вальный вентилятор 8. Частичные пакеты Т1 и Т2 отделены друг от друга радиальным охлаждающим пазом 16. Из него второй охлаждающий поток 26 вытесняется наружу. Частичные пакеты Т1 и Т2 в окружном направлении смещены относительно друг друга. На фиг.4 это смещение V показано в увеличенном виде. За счет смещения V в окружном направлении снижается волнистость вращающего момента ротора 11. При этом вырезы 32 дисков 29 обеспечивают достаточный радиальный охлаждающий паз.
В итоге, можно заключить, что изобретение позволяет обеспечить охлаждение при двух или более частичных пакетах ротора с возбуждением постоянными магнитами. Кроме того, возможно, за счет использования различных уровней охлаждения снабжать ротор по всей длине почти неизрасходованным охлаждающим воздухом. Кроме того, обеспечивается многочисленные дополнительные преимущества. С одной стороны, ввиду более простой доступности карманов постоянных магнитов, возможна упрощенная заливка. Тем самым обеспечивается надежная фиксация магнитов и высококачественная защита от коррозии. Кроме того, нажимные диски 29 ротора, которые отделяют друг от друга частичные пакеты ротора, применяются для охлаждения статора, так как они обладают вентилирующим действием. При необходимости, согласно описываемому выполнению, за счет смещения частичных пакетов, может снижаться блокирующий момент. Дополнительное преимущество обеспечивается тем, что формы листов обоих частичных пакетов могут быть идентичными.