БЕСКОРПУСНАЯ ТЯГОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
BODYLESS TRACTION ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к бескорпусной тяговой электрической машине со статором, который изготовлен из соответствующего пластинчатого сердечника статора, и валом ротора с ротором, установленном на валу и изготовленном из пластинчатого сердечника ротора, причем пластинчатый сердечник статора расположен между двумя наружными прижимными пластинами и по меньшей мере одним экраном подшипника, который в каждом случае содержит подшипник для вала ротора.
Изобретение относится к бескорпусным тяговым электрическим машинам, другими словами, к приводным электродвигателям, предпочтительно для рельсовых транспортных средств, таких как трамваи и поезда.
В частности, в низкопольных рельсовых транспортных средствах, которые позволяют пассажирам легко входить в транспортное средство и выходить из него, существует очень небольшое пространство, доступное для тележки, трансмиссии и приводных двигателей, из-за низкого уровня пола. В рельсовых транспортных средствах отдельные колеса или колесные пары в каждом случае могут приводиться в движение одним двигателем. Соответственно, тележка с четырьмя колесами обычно содержит два или четыре приводных двигателя. Поскольку рельсовые транспортные средства обычно проектируются для двух направлений движения, электрические машины должны проектироваться для обоих направлений вращения.
Например, в документе EP0548044B1 описано рельсовое транспортное средство, тележка которого, в частности, спроектирована для низкопольных рельсовых транспортных средств с низкой высотой пола и, таким образом, ограниченным пространством для тележки, трансмиссии и приводных двигателей. Здесь привод предпочтительно оснащен двигателями в колесных ступицах, которые расположены непосредственно под корпусами колес.
Низкопольные рельсовые транспортные средства известного типа из-за крупногабаритной конструкции приводных двигателей, трансмиссии и тележек имеют области с большой высотой пола, другими словами, области, которые не доступны для пассажиров; разумеется, это обусловливает недостатки в транспортировании пассажиров, в частности, в городских районах.
Помимо конструкции электрических машин, которые должны иметь как можно меньшие размеры, но вместе с тем максимально возможную мощность, их охлаждение представляет большую проблему, поскольку траектория охлаждающей текучей среды и рассеивания потери тепла также должны располагаться в ограниченном пространстве, доступном в низкопольном рельсовом транспортном средстве. Соответственно, компоненты охлаждающих систем часто расположены на крыше рельсового транспортного средства.
В документе CN1937365A, например, описывается тяговая электрическая машина с водяным охлаждением для приведения в движение рельсового транспортного средства, которая имеет корпус и, таким образом, имеет бóльшие габариты, чем бескорпусные тяговые электрические машины.
Таким образом, задача изобретения заключается в создании вышеупомянутой бескорпусной тяговой электрической машины, которая была бы спроектирована так, чтобы она занимала минимально возможное пространство, но вместе с тем имела максимально возможную мощность, так чтобы, в частности, ее можно было использовать для низкопольных рельсовых транспортных средств. Недостатки электрических машин известного типа должны быть исключены или по меньшей мере уменьшены.
Задача согласно изобретению решается тем, что вдоль секции периферии пластинчатого сердечника статора, на расстоянии от пластинчатого сердечника статора, между прижимными пластинами расположена по меньшей мере одна крышка, выполненная в виде планки, работающей на растяжение, для формирования по меньшей мере одной охладительной камеры с основанием на поверхности пластинчатого сердечника статора, причем по меньшей мере одно промежуточное пространство между основанием и по меньшей мере одной крышкой охладительной камеры предназначено для прохождения охлаждающей текучей среды. Тот факт, что крышка для формирования охладительной камеры расположена только вдоль секции периферии пластинчатого сердечника статора, обусловливает получение бескорпусной тяговой электрической машины, которая имеет меньший размер в одном направлении, например, по высоте, чем в другом направлении, например, по ширине. Таким образом, может быть внедрена бескорпусная тяговая электрическая машина, которая является особо компактной и, таким образом, особенно пригодна для приведения в движение рельсовых колес низкопольного трамвая. Поскольку по меньшей мере одна крышка, предназначенная для формирования по меньшей мере одной охладительной камеры, в то же самое время выполняет функцию планки, работающей на растяжение, между зажимными пластинами, отдельные планки, работающие на растяжение, могут быть опущены без снижения механической прочности машины. Ниже по меньшей мере одной охладительной камеры на поверхности пластинчатого сердечника статора расположено основание, которое образует соединение с поверхностью нижележащей части пластинчатого сердечника статора. Таким образом, для оптимального рассеивания потери тепла пластинчатого сердечника статора с помощью охлаждающей текучей среды должна быть обеспечена наилучшая возможная теплопроводность. Электрическая машина согласно изобретению комбинирует характеристики охлаждения и механической прочности. По меньшей мере одна охладительная камера выполнена с возможностью прохождения охлаждающей текучей среды, другими словами, охлаждающей жидкости или охлаждающего газа, так, чтобы потеря тепла, генерируемая во время работы электрической машины, могла быстро рассеиваться, и можно было эффективно предотвращать перегрев электрической машины. Если имеется несколько охладительных камер, они могут снабжаться последовательно или параллельно охлаждающей жидкостью. Любые соединительные линии между охладительными камерами для охлаждающей текучей среды могут быть предварительно встроены в конструкцию электрической машины. В пределах множества электродвигателей также может быть выполнено последовательное соединение охладительных камер. Благодаря небольшим габаритам электрической машины и низкой инерционной массе ротора могут быть достигнуты особо высокие частоты вращения, например, более 12000 об/мин. Электрическая машина предпочтительно выполнена как асинхронная машина или синхронная машина, возбуждаемая постоянными магнитами. В частности, электрическая машина может быть установлена в низкопольных рельсовых транспортных средствах так, чтобы вал ротора был расположен ниже оси вращения приводимого в движение рельсового колеса. Это может быть достигнуто с помощью небольшого размера электрической машины и ведет к улучшению пространственных характеристик и, таким образом, к получению низкой высоты пола в рельсовом транспортном средстве.
Две охладительные камеры преимущественно расположены симметрично относительно друг друга, в каждом случае на протяжении вписанного угла 60 - 135°, в предпочтительно, по существу, 90°. Расположение двух охладительных камер на протяжении такого вписанного угла обусловливает особенно небольшие габаритные размеры электрической машины. Симметричное расположение двух охладительных камер улучшает эффект охлаждения.
В промежуточном пространстве каждой охладительной камеры могут быть расположены перегородки, и в по меньшей мере одной прижимной пластине расположены по меньшей мере один впуск и по меньшей мере один выпуск для охлаждающей текучей среды для изгибания траектории прохождения охлаждающей текучей среды между перегородками в промежуточном пространстве. Эти элементы, которые могут быть внедрены просто и без лишних затрат, обусловливают улучшение рассеивания тепла и, тем самым, оптимальное охлаждение электрической машины, в результате чего могут быть достигнуты высокие плотности энергии, несмотря на небольшой размер.
Отверстия для охлаждающей текучей среды могут быть расположены в прижимной пластине. Таким образом, область снаружи прижимной пластины, где обычно расположены головки обмоток статора, также может охлаждаться соответствующим образом с помощью охлаждающей текучей среды.
Снаружи прижимной пластины с отверстиями для охлаждающей текучей среды может быть расположено устройство для отклонения охлаждающей текучей среды. Это устройство для отклонения может быть образовано элементом в форме чаши, которая соединена, предпочтительно сварена, с прижимной пластиной. Таким образом, охлаждающая текучая среда из охладительной камеры также направляется в области снаружи прижимной пластины, и эти области также охлаждаются соответствующим образом.
Основание охладительной камеры предпочтительно выполнено из материала, который может обрабатываться надлежащим образом для получения фактически связанного соединения с пластинчатым сердечником статора; например, он пригоден для сварки или адгезивного соединения, имеет хорошую теплопроводность и удовлетворяет необходимым техническим требованиям. Основание может быть изготовлено, например, из конструкционной стали.
Основание предпочтительно соединено с пластинчатым сердечником статора с помощью связывания материалов, по меньшей мере в нескольких местах, так, чтобы достичь оптимального теплового соединения охладительной камеры с пластинчатым сердечником статора. В качестве способов соединения особенно пригодны способы сварки и способы клеевого соединения.
Сходным образом основание также может быть соединено с помощью геометрического замыкания с пластинчатым сердечником статора, по меньшей мере в нескольких местах. В этой разновидности варианта выполнения основание выполняют и обрабатывают так, что в ходе изготовления между поверхностью пластинчатого сердечника статора и основанием достигается геометрическое замыкание. Это может быть сделано, например, с помощью сварного соединения на периферии основания или с разделенным основанием. Здесь геометрическое замыкание достигается с помощью тепловой деформации, обусловленной подводом тепла с помощью надлежащим образом контролируемого процесса сварки.
Для улучшения рассеивания тепла основание может иметь отверстия. Эти отверстия, например, могут быть в форме продолговатых отверстий, но в принципе могут иметь любую форму.
Как вариант, основание также может быть выполнено без отверстий, и между основанием и поверхностью пластинчатого сердечника статора может быть расположена теплопроводная мембрана. Таким образом, можно компенсировать неровности и отклонения между пластинчатым сердечником статора и основанием и достичь лучшего теплового контакта между охлаждающей текучей средой в охладительной камере и статором электрической машины. Здесь основание предпочтительно присоединено, в частности приварено сбоку или по всей периферии к поверхности пластинчатого сердечника статора, и между ними расположена теплопроводная мембрана. Теплопроводная мембрана состоит из материала, имеющего надлежащую теплопроводность и наилучшую приспособляемость формы, другими словами, она имеет так называемое свойство «заполнителя зазоров». Теплопроводные мембраны могут быть изготовлены, например, из пенорезины, или могут быть силиконовыми мембранами с армированием стекловолокном.
Прижимные пластины имеют, по существу, прямоугольную конструкцию. Таким образом, электрическая машина является особо компактной и особенно пригодна для использования в качестве приводного двигателя в низкопольных рельсовых транспортных средствах.
Охлаждающая текучая среда предпочтительно является охлаждающей водой, которая при необходимости содержит соответствующие добавки. Теоретически, также могут использоваться охлаждающие газы. Охлаждающая среда направляется в охладительную камеру или камеры каждой электрической машины с помощью соответствующих линий, и тепло, генерируемое в электрической машине, рассеивается с помощью теплообменников, которые, например, могут быть расположены на крыше низкопольного рельсового транспортного средства. Отдельные охладительные камеры ряда электрических машин могут быть соединены последовательно для получения наиболее коротких соединительных линий для охлаждающей текучей среды между электрическими машинами.
На приводной стороне вала ротора бескорпусной тяговой электрической машины может быть установлена муфта для соединения с трансмиссией. Муфта с криволинейными зубьями, например, особо пригодна для компенсации любых относительных перемещений между электрической машиной и трансмиссией. Другие формы варианта выполнения предлагают электрические машины только с одной подшипниковой опорой на валу ротора в самой электрической машине и второй опорой в трансмиссии с помощью диафрагменной муфты. Кроме того, вал ротора электрической машины может комбинироваться с валом-шестерней трансмиссии в одном компоненте.
По меньшей мере один подшипник для поддерживания вала ротора по меньшей мере в одном экране подшипника может иметь форму радиально-упорного шарикоподшипника. Шарикоподшипники этого типа, которые, по существу, известны, особо пригодны для поддерживания вала ротора электрической машины, поскольку они имеют особенно хорошие эксплуатационные характеристики в верхнем диапазоне частоты вращения.
Если в пластинчатом сердечнике ротора расположена по меньшей мере одна тепловая трубка со свободным концом или соединенным с теплопоглотителем, ротор электрической машины может дополнительно охлаждаться. Так называемые «тепловые трубки» являются металлическими сосудами продолговатой формы, которые содержат герметично уплотненный объем, в котором помещена рабочая среда, например, вода или аммиак, которые заполняют объем в незначительной степени в жидком состоянии и в большей степени в газообразном состоянии. Благодаря использованию теплоты испарения среды большие количества тепла могут транспортироваться на небольшой площади сечения. Таким образом, ротор может охлаждаться с помощью по меньшей мере одной тепловой трубки посредством транспортирования тепла к свободному концу тепловой трубки, где при необходимости она может рассеиваться теплопоглотителем.
Высота бескорпусной тяговой электрической машины предпочтительно составляет 60 – 300 мм, ширина 60 – 300 мм и длина 110 – 1000 мм. Такие размеры особенно пригодны для применения электрической машины в качестве приводного двигателя для низкопольных рельсовых транспортных средств.
Вал ротора предпочтительно имеет диаметр 20 – 100 мм и длину 100 – 980 мм. Такие размеры особенно пригодны для приводного двигателя в рельсовых транспортных средствах, особенно в низкопольных транспортных средствах.
Изобретение подробно описано далее со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 схематично показана бескорпусная тяговая электрическая машина согласно изобретению, вид в перспективе;
на фиг. 2 представлена бескорпусная тяговая электрическая машина согласно изобретению, другой вид в перспективе;
на фиг. 3 – бескорпусная тяговая электрическая машина на фиг. 2, вид сбоку с частичным разрезом;
на фиг. 4 – бескорпусная тяговая электрическая машина на фиг. 3, вид в разрезе по линии IV-IV;
на фиг. 5 – бескорпусная тяговая электрическая машина на фиг. 4, вид в разрезе по линии V-V;
на фиг. 6a - 6c – различные формы оснований с целью формирования охладительных камер, вид в плане и вид сбоку; и
на фиг. 7 – схематично показана бескорпусная тяговая электрическая машина, соединенная с трансмиссией, вид в перспективе.
На фиг. 1 схематично показана бескорпусная тяговая электрическая машина 1 согласно изобретению, вид в перспективе. Тяговая электрическая машина 1, спроектированная как двигатель с внутренним ротором, состоит из статора 2, который сформирован из соответствующего пластинчатого сердечника 3 статора, и подвижной части, ротора 5, который сформирован из вала 4 ротора и пластинчатого сердечника 6 ротора, установленного на последнем. Пластинчатый сердечник 3 статора 2 расположен между двумя наружными прижимными пластинами 7 и 8. Снаружи каждой из прижимных пластин 7 и 8 расположен экран 29 и 30 подшипника, содержащий соответствующие подшипники 22 (обозначенные пунктирными линиями) для поддерживания вала 4 ротора. Тяговая электрическая машина 1 также может содержать только один подшипник 24 в одном экране 29 или 30 подшипника, и второй подшипник для вала 4 ротора может быть встроен в муфту 21 или трансмиссию 22 (см. фиг. 7).
Согласно изобретению вдоль секции периферии пластинчатого сердечника 3 статора, на расстоянии от пластинчатого сердечника 3 статора, между прижимными пластинами 7 и 8 расположена по меньшей мере одна крышка 9, спроектированная в виде планки, работающей на растяжение, с целью формирования охладительной камеры 10. В показанном примере варианта выполнения две крышки 9, спроектированные в виде планок, работающих на растяжение, образуют две охладительные камеры 10. Внутрь промежуточного пространства 11 каждой охладительной камеры 10 между пластинчатым сердечником 3 статора и соответствующей крышкой 9 может направляться охлаждающая текучая среда K для рассеивания тепла, генерируемого в тяговой электрической машине 1.
На фиг. 2 схематично показана бескорпусная тяговая электрическая машина 1 согласно изобретению, другой вид в перспективе. Согласно изобретению, тяговая электрическая машина 1 имеет высоту h, которая меньше ширины b. Охлаждающая текучая среда K может транспортироваться в охладительную камеру 10 и из охладительной камеры 10 с помощью соответствующих впусков 13 и выпусков 14 в прижимной пластине 7 и/или 8. Например, впуск 13 для охлаждающей текучей среды K расположен в каждой охладительной камере 10, а выпуск 14 для охлаждающей текучей среды K расположен в прижимной пластине 7 или 8. В противоположной прижимной пластине 8 или 7 могут быть выполнены отверстия 15 для охлаждающей текучей среды K, где охлаждающая текучая среда K выходит из охладительной камеры 10 и направляется обратно в последнюю. Соответствующие устройства 16 для отклонения служат для изменения направления охлаждающей текучей среды снаружи прижимной пластины 8 или 7.
w
На фиг. 3 показана тяговая электрическая машина 1 на фиг. 2, вид с частичным разрезом. Показан ротор 5 тяговой электрической машины 1, состоящий из вала 4 ротора и пластинчатого сердечника 6 ротора. Охлаждающая текучая среда K проходит из охладительной камеры 10 с помощью отверстия 15 в устройство 16 для отклонения, где охлаждающая текучая среда K направляется обратно в охладительную камеру 10 с помощью другого отверстия 15 (см. также фиг. 5). В валу 4 ротора может быть расположена тепловая трубка 26, свободный конец которой может быть соединен с теплопоглотителем 27. Длина l вала 4 ротора может составлять 100 – 980 мм. Длина l всей электрической машины может составлять, например, 110 – 1000 мм. На бесприводной стороне NA тяговой электрической машины 1 может быть расположен круговой датчик положения вала (не показан), который может использоваться для контроля числа оборотов. Зубчатый диск, который генерирует сигналы для такого кругового датчика положения вала, может использоваться в качестве теплопоглотителя для тепловой трубки 26.
На фиг. 4 показана бескорпусная тяговая электрическая машина на фиг. 3, вид в разрезе по линии IV-IV. На этом виде в разрезе показана охладительная камера 10 с впуском 13, выпуском 14 и перегородкой 12. Тепло от пластинчатого сердечника 3 статора и основания 17 передается охлаждающей текучей среде K в охладительной камере 10 с помощью теплопроводящей мембраны 20 и соответствующим образом рассеивается. Наряду с этим с целью формирования охладительной камеры 10 спроектирована крышка 9 между прижимными пластинами 7 и 8 тяговой электрической машины 1 в виде планки, работающей на растяжение. В показанном примере варианта выполнения охладительная камера 10 проходит на вписанный угол α немного меньше 90°. Расстояние между крышкой 9 и пластинчатым сердечником 3 статора предпочтительно составляет 6 – 60 мм. Диаметр вала 4 ротора составляет, например, 20 – 100 мм.
На фиг. 5 показана бескорпусная тяговая электрическая машина на фиг. 4, вид в разрезе по линии V-V. Охлаждающая текучая среда K поступает в подотсек охладительной камеры 10 с помощь впуска 13, причем этот подотсек отделен от другого подотсека перегородкой 12. С помощью отверстия 15 в прижимной пластине 8 охлаждающая текучая среда K также поступает в область снаружи охладительной камеры 10 для обеспечения возможности охлаждения, например, головок обмоток. С помощью устройства 16 для отклонения, которое спроектировано в форме чаши, расположенной на прижимной пластине 8 и приваренной к последней, охлаждающая текучая среда K направляется с помощью другого отверстия 15 прижимной пластины 8 в нижнюю часть охладительной камеры 10 и выходит из тяговой электрической машины 1 с помощью выпуска 14 в прижимной пластине 7.
На фиг. 6a – 6c показаны различные формы оснований 17 с целью формирования охладительных камер 10, вид в плане и вид сбоку. На фиг. 6a, 6b и 6c показаны различные формы варианта выполнения основания 17, которое расположено на верхней стороне пластинчатого сердечника 3 статора и соединено с ним, например, с помощью связывания материалов, в частности, с помощью сварки. На фиг. 6a основание 17 имеет конструкцию со сплошной поверхностью. На фиг. 6b в основании 17 выполнены отверстия 18 любой формы. В варианте на фиг. 6c в основании 17 выполнены отверстия 18 в форме продолговатых отверстий 19. При соединении основания 17 с поверхностью пластинчатого сердечника 3 статора образуется связь материалов, предпочтительно на периферии основания и на периферии отверстий 18 или продолговатых отверстий 19. Вместо связи материалов основание 17 также может быть, по меньшей мере частично, соединено с помощью посадки с геометрическим замыканием с пластинчатым сердечником 3 статора.
И, наконец, на фиг. 7 схематично показана бескорпусная тяговая электрическая машина 1, соединенная с трансмиссией 22, вид в перспективе. На приводной стороне A вала 4 ротора расположена муфта 21 для соединения с трансмиссией 22. Муфта 21 может, например, выполнена в виде муфты 23 с криволинейными зубьями.