ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ФЛЮИДНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
ELECTRIC MACHINE WITH FLUID COOLING

Изобретение относится к электрической машине, охлаждаемой посредством флюида. Им является, например, масло, вода, сильно сжатый газ или сильно сжатый хладагент.
Для охлаждения электрических машин могут использоваться различные среды. При использовании воздуха электрическая машина может охлаждаться, например, посредством постороннего или собственного вентилятора. Электрические машины могут охлаждаться также жидкостью. Примером жидкости является вода или масло.
Задачей изобретения является усовершенствование охлаждения электрической машины флюидом.
В наполненных флюидом, например маслонаполненных, электрических машинах в зависимости от вида охлаждения имеются различные системы. Если электрическая машина не содержит внешнего охладителя, то ее внутреннее пространство может быть заполнено жидкостью, в частности маслом (маслонаполненный подъемный электродвигатель). Тепло отдается маслом корпусу электрической машины за счет конвекции. Если масло находится в ее воздушном зазоре, то там могут возникнуть «горячие точки». Это вызвано, в частности, вводом тепла за счет ротора и высокими потерями на трение. Вместо масла в качестве флюида может использоваться также сильно сжатый газ.
В одном варианте электрической машины с внешним охладителем масло или другая охлаждающая жидкость или флюид транспортируется насосом (внешним или внутренним) через машину. Наполненная флюидом электрическая машина, не содержащая внешнего насоса, может быть снабжена внешним или внутренним охладителем. Так, за счет конструктивной меры на роторе и/или статоре электрической машины можно вызвать флюидный поток, в частности, через воздушный зазор или один или несколько охлаждающих каналов, причем возврат может происходить через байпас. Это позволяет улучшить охлаждение наполненной флюидом электрической машины без использования внешнего флюидного насоса. За счет возникающей циркуляции флюида происходит также компенсация температуры во всем флюидном объеме. Транспортировка флюида и возникающий тем самым флюидный контур электрической машины вызваны ее движением. Это означает, что только тогда, когда электрическая машина совершает вращательное движение, флюид активно транспортируется (перекачивается) внутри нее. Чтобы улучшить охлаждение электрической машины, в контур охлаждающего флюида может быть встроен теплообменник.
Путем выполнения активной части электрической машины эффекта транспортировки (перекачки) флюида можно достичь, например, за счет центробежных сил, спирали, шнека или при необходимости за счет выполнения ребра ротора. Флюид, например жидкость, может транспортироваться, например, через воздушный зазор или ротор. При этом выполнение активной части электрической машины касается, например, следующего: статора и/или ротора с коническим или лестничным воздушным зазором, или выполнения ротора, например, с одним или несколькими осевыми и/или радиальными охлаждающими каналами, или с полым валом, или косых пазов статора.
За счет транспортировки флюида в электрической машине происходит компенсация его температуры, благодаря чему можно предотвратить, например, кипение жидкости в воздушном зазоре. В сочетании с байпасом для возврата флюида, в частности масла, в результате чего флюид продолжает охлаждаться, можно простыми средствами повысить мощность электрической машины.
Как уже сказано, циркуляция флюида внутри электрической машины может достигаться без дополнительных внешних устройств и вспомогательных агрегатов только за счет использования ее вращательного движения, причем для этого на роторе, статоре, в воздушном зазоре и т.д. необходимо принять самые разные меры, чтобы достичь эффекта перекачки или транспортировки флюида в электрической машине. При этом флюид может направляться через воздушный зазор электрической машины и/или через осевые или радиальные охлаждающие каналы. Для этого используются, например, подходящие геометрии, т.е. осевое или радиальное выполнение статорных или роторных структур, как и подходящая модификация крайних листов или использование шнека. Чтобы улучшить в электрической машине охлаждающее действие, флюид может направляться во встроенную охлаждающую конструкцию, например полые ребра. Дополнительно или в качестве альтернативы этому возможно также использование внешнего охладителя.
Охлаждаемая флюидом, в частности маслом, электрическая машина может быть выполнена таким образом, что она содержит флюидный контур и встроенный насос, причем эффект перекачки вызван вращательным движением электрической машины. Задача изобретения решается посредством охлаждаемых флюидом электрических машин, содержащих признаки по одному из пп.1-9.
Насос, встроенный в электрическую машину, может быть реализован самыми разными конструктивными мерами. В одном варианте охлаждаемой флюидом электрической машины она имеет конический, заполненный флюидом воздушный зазор. Эта коническая форма в отношении оси, оси вращения, электрической машины представляет собой встроенный насос. Благодаря коническому выполнению воздушного зазора, которое приводит к тому, что в начале воздушного зазора в осевом направлении расстояние до оси электрической машины меньше, чем на осевом конце воздушного зазора, за счет разных центробежных сил возникает подсос внутри него, так что флюид в электрической машине и в воздушном зазоре может перекачиваться через нее.
В одном варианте электрической машины конический, заполненный флюидом воздушный зазор, имеет ступенчатую форму. Она достигается, например, за счет последовательного расположения шихтованных пакетов разных диаметров. Ротор и/или статор содержит тогда частичные пакеты, которые образуют ступени воздушного зазора.
В другом варианте электрической машины статорная обмотка расположена конически. За счет конического расположения статорной обмотки и конического выполнения воздушного зазора можно поддерживать постоянным расстояние между статорной обмоткой и воздушным зазором. Если только воздушный зазор внутри электрической машины выполнен коническим, а статорная обмотка расположена тангенциально к оси электрической машины, то возникают разные расстояния между воздушным зазором и статорной обмоткой.
В другом варианте электрической машины она имеет один или несколько радиальных каналов. Радиальные каналы выполнены, в частности, в роторе и заполнены флюидом, так что при вращении ротора центробежные силы транспортируют флюид внутри радиального канала радиально наружу.
В другом варианте электрической машины она имеет одну или несколько спиральных структур. При этом может использоваться, например, червячная или спиральная конструкция, посредством которой может транспортироваться флюид. Эта спиральная структура находится, в частности, на роторе, так что во время его вращательного движения достигается транспортирующее действие. Также охлаждающие каналы или охлаждающие трубы могут быть выполнены спиралеобразными и располагаться на роторе так, что посредством них может транспортироваться флюид.
В одном варианте электрической машины она имеет один или несколько конически расположенных каналов, причем они находятся, в частности, в или на роторе.
Электрическая машина может быть выполнена синхронной или асинхронной. Кроме того, возможно выполнение в виде внешнего или внутреннего ротора.
В одном варианте электрической машины ротор содержит насос или несколько насосных лопастей. С их помощью во время вращательного движения ротора транспортируется флюид. В зависимости от выполнения лопастей можно тогда транспортировать флюид радиально наружу или радиально внутрь к оси вращения.
В одном варианте электрической машины насосные лопасти могут быть комбинированы таким образом, что на одной ее стороне насосное действие направлено радиально внутрь, а на другой, противоположной стороне, - радиально наружу, причем одна сторона электрической машины является, например, приводной стороной, а другая - ведомой стороной.
В другом варианте электрической машины статор имеет пазы, причем они выполнены косыми и образуют каналы, направляющие флюид. За счет скоса пазов статора можно не только уменьшить фиксирующий момент у возбуждаемой постоянными магнитами электрической машины, но и достичь насосного действия, чтобы транспортировать флюид от приводной стороны к ведомой или обратно. Косые пазы статора могут использоваться не только в возбуждаемых постоянными магнитами электрических машинах, но и, например, в асинхронных машинах.
Ниже изобретение более подробно описано и поясняется на примерах его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых изображают:
- фиг.1: электрическую машину, имеющую конически расположенный воздушный зазор;
- фиг.2: электрическую машину, имеющую конически расположенную статорную обмотку;
- фиг.3: электрическую машину, имеющую ступенчатый воздушный зазор;
- фиг.4: электрическую машину, имеющую радиальный канал в роторе;
- фиг.5: электрическую машину, содержащую спиральную структуру на роторе;
- фиг.6: электрическую машину, содержащую насосные лопасти;
- фиг.7: электрическую машину, имеющую радиальный канал в статоре;
- фиг.8: косой паз статора;
- фиг.9: сечение короткозамыкающего кольца;
- фиг.10: другое сечение короткозамыкающего кольца;
- фиг.11: подробный вид по фиг.6.
На фиг.1 изображен частичный разрез электрической машины 1. Она содержит статор 26 и ротор 27. Воздушный зазор 25 между ними расположен в электрической машине 1 конически, так что расстояние воздушного зазора 25 до вала 23 аксиально изменяется. Кроме того, электрическая машина 1 содержит подшипниковые вкладыши 22 и полое ребро 20, причем по охлаждающему каналу 21 в полом ребре 20 направляется флюид, в частности охлаждающая жидкость. Циркуляция флюида обозначена стрелками 19. Флюид транспортируется по воздушному зазору 25 аксиально через электрическую машину 1 и возвращается по каналу 21 в охлаждающем ребре 20 и по каналу 32 статора. За счет этой циркуляции флюида, которым является, например, масло, охлаждаются как статор 26, так и ротор 27. В данном случае ротор 27 имеет короткозамкнутую обмотку 28.
На следующих фигурах изображены другие варианты электрической машины, причем одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями, так что ниже следует остановиться, в частности, на отличиях вариантов электрической машины, содержащей встроенный насос.
На фиг.2 электрическая машина содержит конически расположенную статорную обмотку 24. Как и на фиг.1, воздушный зазор 25 расположен конически, причем на фиг.2 расстояние между воздушным зазором и статорной обмоткой постоянное. В противоположность этому на фиг.1 расстояние между воздушным зазором и статорной обмоткой разное в осевом направлении.
На фиг.3 изображен ступенчатый пакет железа ротора 27 и статора 26. Пакет 29 содержит частичные пакеты одинакового диаметра, причем их диаметры отличаются друг от друга. За счет использования ступенчатых форм для воздушного зазора 25 возникает более простая конструкция электрической машины по сравнению с непрерывным изменением диаметров используемого пакета железа ротора и статора.
На фиг.4 в роторе 27 выполнены осевые охлаждающие каналы 30 и радиальный охлаждающий канал 31. Флюид циркулирует в этих охлаждающих каналах и транспортируется через воздушный зазор 25 в зону лобовых частей статорной обмотки.
На фиг.5 электрическая машина содержит спиральную структуру 36 на роторе 27. За счет нее флюид транспортируется по стрелкам 19 через воздушный зазор 25 при вращении ротора.
На фиг.6 изображена насосная лопасть 33 в зоне входа охлаждающего канала 30 ротора. Посредством нее флюид при вращении ротора транспортируется в канал 30. На фиг.11 изображен подробный вид по фиг.6, поясняющий действие и положение насосной лопасти 33.
На фиг.7 радиальные охлаждающие каналы 31 выполнены как в роторе 27, так и в статоре 26. Поскольку статор 26 имеет также примыкающие осевые охлаждающие каналы 32, на этой основе может быть создано новое циркулирующее движение для флюида.
На фиг.8 схематично в разрезе изображен косой паз 35 статора, через который при вращении ротора, через воздушный зазор 25 и через косой охлаждающий канал транспортируется, например, масло, уже находящееся в воздушном зазоре 25.
На фиг.9 и 10 изображены фрагменты сечения короткозамыкающего кольца 28. На фиг.9 оно имеет на внешнем радиусе прямоугольные пазы, а на фиг.10 - дугообразные. Эти пазы или насечки представляют собой соответственно род прорези, которая, например, выфрезерована. Так, например, на фиг.4 и 7 оба короткозамыкающих кольца могут быть снабжены на верхней стороне небольшими прорезями (высота в миллиметровом диапазоне), в результате чего возникает направленное вверх швырятельное действие жидкости или флюида, что способствует циркуляции. Это может быть предусмотрено также на фиг.5 и 6, причем в этом случае прорези выполнены, в частности, только в одном короткозамыкающем кольце.