ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПЕРЕМЕННОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ
ELECTRIC MACHINE WITH VARIABLE COOLING SYSTEM

Изобретение относится к электрической машине с переменной системой охлаждения.
Чтобы отводить мощность потерь от электрических машин, они могут быть оснащены различными вариантами систем охлаждения. Одной из возможностей является использование воздушно-водяных охладителей в качестве охлаждающего устройства. Чтобы снизить затраты на воздушно-водяные охладители в случае машин с большими мощностями потерь, они оптимизируются для мощности потерь и располагаемого качества воды или температуры воды. Это приводит к тому, что охладители имеют, соответственно, конкретные внешние размеры (в зависимости от параметров и типов конструкций различных производителей), которые должны учитываться при выполнении корпуса машины, то есть корпуса для электрической машины. Электрическая машина представляет собой, например, синхронную машину или асинхронную машину, которая может функционировать как мотор и/или генератор. Если в ходе проектирования или изготовления электрической машины параметры конструкции изменяются, то изменяются, возможно, также геометрия охладителя и/или конструктивные параметры охлаждающего устройства, то есть воздушно-водяного охладителя. Соответственно, корпус также должен быть изменен и/или адаптирован. Изменения в корпусе электрической машины, в которую встроено охлаждающее устройство, могут потребоваться даже в том случае, если охлаждающая способность и/или параметры охлаждения остаются неизменными, но выбран другой производитель охлаждающего устройства.
Из ЕР 0 639 883 A1 известна газоохлаждаемая электрическая машина, в которой эффективное поперечное сечение потока соединения от внешней камеры горячего газа к охладителю снабжено регулируемыми элементами дросселирования. Таким образом, без какого-либо вмешательства в собственно машину, на распределение различных охлаждающих воздушных потоков внутри машины можно влиять таким образом, чтобы достигалось выравнивание температурного уровня в продольном направлении машины.
В ЕР 1 361 645 А1 описан турбогенератор с осевым вентиляторным охлаждением с регулируемым предварительным завихрением. Газоохлаждаемая вращающаяся электрическая машина, в частности, турбогенератор, имеет установленный с возможностью вращения ротор и статор, концентрично окружающий ротор, которые размещены в корпусе, причем для охлаждения машины на роторе со стороны торца, расположен по меньшей мере один осевой вентилятор, который всасывает газообразную охлаждающую среду из коаксиальной камеры всасывания и нагнетает в камеру сжатия.
В такой машине, улучшение кпд достигается тем, что в области камеры всасывания на одной стороне для изменения характеристики осевого вентилятора установлен регулируемый дефлектор, посредством которого охлаждающая среда, втекающая в камеру всасывания, по отношению к направлению вращения осевого вентилятора, избирательным образом нагружается совместным завихрением или встречным завихрением или совокупностью завихрений обоих типов.
Из ЕР 1 220 424 B1 известна электрическая вращающаяся машина с множеством вентиляционных каналов, которые образованы между корпусом статора и сердечником пакета железа статора и проходят непрерывно в окружном направлении. Множество вентиляционных каналов, образованных в сердечнике пакета железа статора, проходят непрерывно в радиальном направлении.
Задачей изобретения является создание электрической машины, имеющей улучшенную вариабельность для системы охлаждения.
Указанная задача решается электрической машиной согласно пункту 1 формулы изобретения и способом изготовления электрических машин согласно пункту 11 формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения изложены в пунктах 2-8, 9 и 10 формулы изобретения.
В электрической машине с корпусом для размещения охлаждающего устройства, корпус предназначен для соответствующего позиционирования охлаждающего устройства разных размеров. При этом размер относится, в частности, к габаритам охлаждающего устройства (например, высоте, ширине, длине). Электрическая машина включает в себя систему воздушного охлаждения, с первым элементом направления воздуха для направления охлаждающего воздуха, причем первый элемент направления воздуха может быть позиционирован во множестве положений, причем положение зависит от размера охлаждающего устройства. Первый элемент направления воздуха отделяет первый участок охлаждающего воздушного потока от второго участка охлаждающего воздушного потока, причем первый участок охлаждающего воздушного потока является противоположным второму участку охлаждающего воздушного потока. Это означает, что во время работы электрической машины охлаждающий воздух на первом участке охлаждающего воздушного потока имеет первое направление, а охлаждающий воздух на втором участке охлаждающего воздушного потока имеет второе направление, причем первое направление противоположно второму направлению. Охлаждающий воздух на первом участке охлаждающего воздушного потока представляет собой, например, охлаждающий воздух, который еще предусмотрен для охлаждения, а охлаждающий воздух на втором участке охлаждающего воздушного потока представляет собой охлаждающий воздух, который уже использовался для охлаждения, т.е. нагрет. Охлаждались, например, статор и/или ротор электрической машины.
В электрической машине с воздушным охлаждением, таким образом, предусмотрен первый элемент направления воздуха для направления охлаждающего воздуха. Первый позиционирующий элемент предусмотрен для позиционирования первого элемента направления воздуха во множестве положений. Посредством элемента направления воздуха может осуществляться направление охлаждающего воздуха. Посредством позиционирующего элемента может устанавливаться положение элемента направления воздуха по меньшей мере при изготовлении электрической машины или даже после этого. Позиционирование может изменяться в зависимости от занимаемой площади и/или занимаемого объема для деталей электрической машины в ее корпусе. Если электрическая машина имеет охлаждающее устройство, такое как воздушно-водяной охладитель в качестве теплообменника, то в корпусе электрической машины могут устанавливаться охлаждающие устройства разных размеров, и, в зависимости от занимаемой ими площади, элементы направления воздуха позиционируются так, чтобы устанавливался желательный профиль охлаждающего воздуха и чтобы, например, не возникали обходы, которые могут уменьшить охлаждающую способность. Элемент направления воздуха представляет собой, например, дефлектор или элемент из пластика.
За счет одного или нескольких изменяемым образом позиционируемых элементов направления воздуха больше не требуется в каждом случае рассчитывать специальный корпус, подходящий к воздушно-водяному охладителю. При этом, например, геометрия отверстия для монтажа охладителя, то есть для монтажа охлаждающего устройства, и защита от капель могли бы всегда согласовываться специально.
За счет переменного позиционирования одного или нескольких элементов направления воздуха, становится возможным использовать охлаждающие устройства, такие как воздушно-водяной охладитель, различной геометрии в пределах заранее заданных границ корпуса электрической машины, без необходимости конструктивного согласования корпуса. Для этого границы геометрии охладителя, например, уже заранее согласованы с электрическими машинами.
В одном варианте осуществления электрической машины, пространство для охлаждающего устройства, то есть, в частности, для воздушно-водяного охладителя, рассчитано в соответствии с максимально возможным размером охладителя. Следовательно, в этом пространстве может размещаться охладитель максимального размера, а также охладители меньших размеров.
За счет гибко согласуемого пространства, например, может осуществляться изменение конструктивных параметров, например, воздушно-водяного охладителя или допускается смена поставщиков охладителей еще на этапе проектирования при создании электрической машины, без необходимости для этого согласовывать конструкцию корпуса электрической машины. Возможно, только крышку охладителя потребуется в этом случае согласовывать. Таким образом, не требуются дорогостоящие и/или связанные с временными затратами изменения в рабочих чертежах. Кроме того, можно избежать реконструкции корпуса или даже конструирования корпуса заново, если он уже был запущен в производство. Наряду с затратами, здесь больше не создаются проблемы в связи с удлинением производственного цикла и вплоть до сдвига срока поставки.
В одном варианте осуществления электрической машины, она имеет первый держатель для позиционирующего элемента. Держатель представляет собой, например, планку, на которой может быть подвешен позиционирующий элемент. Держатель представляет собой, например, ряд отверстий, в которые может вставляться и/или ввинчиваться позиционирующий элемент. Таким образом, положение позиционирующего элемента, который имеет, например, вид крючка, может свободно выбираться в зависимости от размера охладителя, то есть охлаждающего устройства.
В одном варианте осуществления электрической машины, размещение охлаждающего устройства и, тем самым, веса охладителя и воздуховода реализуется посредством регулируемых так называемых кулис охладителя. Кулиса охладителя смещается в соответствии с геометрией охладителя и затем при необходимости фиксируется. При этом кулиса охладителя имеет, в частности, позиционирующий элемент.
Если электрическая машина имеет защиту от капель, также известную как каплеуловитель, то защита от капель может проектироваться в расчете на самый большой возможный охладитель.
Если электрическая машина имеет закрывающую крышку на корпусе для встраивания и/или подключения охлаждающего устройства, то она может согласовываться в зависимости от используемого охлаждающего устройства.
В одном варианте осуществления электрической машины, первый держатель ориентирован в осевом направлении электрической машины. Позиционирующий элемент или множество позиционирующих элементов могут, таким образом, позиционироваться по-разному в осевом направлении. Осевое направление определяется осью вала электрической машины.
В одном варианте осуществления электрической машины, первый элемент направления воздуха имеет гибкий концевой элемент. Если элемент направления воздуха вместе с позиционирующим элементом смещается или позиционируется в различных положениях, то за счет гибкого концевого элемента может достигаться хорошее воздухонепроницаемое закрытие. Гибкость достигается, например, за счет способности к изгибу листа и/или за счет гибких материалов, таких как силикон или каучук.
В одном варианте осуществления электрической машины, первый элемент направления воздуха предусмотрен для формирования контура охлаждения. Контур охлаждения представляет собой, например, перекрестную вентиляцию. Элемент направления воздуха отделяет, например, нагретый воздух от охлажденного воздуха. В одном варианте осуществления электрической машины, первый элемент направления воздуха отделяет первый участок охлаждающего воздушного потока от второго участка охлаждающего воздушного потока. При этом в одном варианте осуществления электрической машины, первый участок охлаждающего воздушного потока противоположен второму участку охлаждающего воздушного потока.
В одном варианте осуществления электрической машины, первый участок воздушного охлаждающего потока нагрет, а второй участок охлаждающего воздушного потока охлажден. Между ними, охлаждающий воздух, следовательно, протекал через охлаждающее устройство.
В одном варианте осуществления электрической машины, первый элемент направления воздуха расположен на стороне обслуживания электрической машины, а второй элемент направления воздуха расположен на стороне привода электрической машины. Таким образом, перекрестная вентиляция может быть осуществлена простым способом.
В одном варианте осуществления электрической машины, первый элемент направления воздуха или множество элементов направления воздуха размещены в радиальном положении, которое определяется расстоянием между охлаждающим устройством и статором электрической машины. Поэтому элемент направления воздуха или элементы направления воздуха находятся полностью или частично между статором и охлаждающим устройством, при наблюдении их расстояния от оси вала электрической машины.
В одном варианте осуществления электрических машин, имеется первая электрическая машина с первым корпусом и вторая электрическая машина со вторым корпусом, причем первый корпус и второй корпус имеют подобные размеры, причем в первом корпусе и во втором корпусе размещен элемент направления воздуха аналогичной функции в разных положениях. Электрические машины относятся, например, к конструктивному ряду (серии). Электрические машины имеют, в частности, различные мощности. В зависимости от мощности, охлаждение также может быть разным. Если первая электрическая машина имеет более высокую мощность (в частности, номинальную мощность и/или максимальную мощность), чем вторая электрическая машина, то для первой электрической машины может быть предусмотрено первое охлаждающее устройство с более высокой охлаждающей способностью, чем для второй электрической машины со вторым охлаждающим устройством. Таким образом, первое охлаждающее устройство имеет более высокую охлаждающую способность, чем второе охлаждающее устройство. Корпус обеих электрических машин может быть одинаковым по внешним габаритам.
В одном варианте осуществления электрических машин, место и/или положение держателя, в частности несущей планки, в первой электрической машине одинаково с второй электрической машиной. Держатель, в частности, прочно соединен с корпусом электрической машины. Это реализуется, например, сварным соединением, а также заклепочным соединением.
В одном варианте осуществления электрических машин, воздушный канал для охлаждающего устройства внутри корпуса первой или второй электрической машины является варьируемым. При этом в первой электрической машине может использоваться защита от капель иная, чем во второй электрической машине. Но также можно предусмотреть одинаковую защиту от капель в обеих электрических машинах, чтобы увеличить, например, количество идентичных деталей. Одинаковая защита от капель может быть согласована с максимальным требованием для защиты от капель. Кроме того, отверстие в корпусе электрической машины для монтажа охлаждающего устройства может быть спроектировано максимальным, чтобы при одинаковом корпусе для различных электрических машин могли встраиваться различные охлаждающие устройства.
В одном варианте осуществления электрических машин, таким образом, по меньшей мере двух электрических машин, различные расположения охлаждающих устройств, то есть первого охлаждающего устройства первой электрической машины и второго охлаждающего устройства второй электрической машины, согласованы с различными размерами охлаждающих устройств.
В способе изготовления электрических машин, один тип корпуса применяется для электрических машин различной мощности, причем элементы направления воздуха в зависимости от мощности электрической машины позиционируются в различных положениях внутри корпуса. Тип корпуса, по меньшей мере для двух электрических машин различной мощности, имеет, в частности по меньшей мере одних и тех же внешние габариты.
Изобретение поясняется ниже на примерах со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - первый внешний вид электрической машины;
Фиг. 2 - первый внутренний вид электрической машины;
Фиг. 3 - второй внешний вид электрической машины;
Фиг. 4 - второй внутренний электрической машины;
Фиг. 5 - третий внутренний вид электрической машины;
Фиг. 6 - четвертый внутренний вид электрической машины;
Фиг. 7 - пятый внутренний вид электрической машины и
Фиг. 8 - шестой внутренний вид электрической машины.
Представление согласно фиг. 1 показывает фрагментарно первый внешний вид электрической машины 1. Другие варианты осуществления электрических машин также показаны на фигурах, описанных ниже, причем аналогичные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями. Электрическая машина 1 согласно фиг. 1 имеет корпус 33 электрической машины, причем предусмотрено четыре подсоединения 37, 38, 47 и 48 для охлаждающей жидкости. Подсоединения 37 и 38 предусмотрены для первого охлаждающего устройства 45, а подсоединения 47 и 48 предусмотрены для второго охлаждающего устройства 53. Охлаждающие устройства 45 и 53 представляют собой, например, воздушно-водяные охладители (теплообменники).
Представление согласно фиг. 2 показывает первый внутренний вид электрической машины 1 с двумя охлаждающими устройствами 45 и 53. Через первый элемент 2 направления воздуха и второй элемент 3 направления воздуха может направляться охлаждающий воздух. Элементы 2 и 3 направления воздуха также могут взять на себя функцию несущей структуры для поддержки первого охлаждающего устройства 45 и второго охлаждающего устройства 53. Для того чтобы статор электрической машины, например, не повреждался в долгосрочной перспективе из-за конденсата, предусмотрен каплеуловитель 34.
Представление согласно фиг. 3 показывает фрагментарно второй внешний вид другой электрической машины 1, которая по сравнению с электрической машиной согласно фиг. 1 имеет только одно охлаждающее устройство 53. Для подсоединения к охлаждающей жидкости здесь также предусмотрены подсоединения 37 и 38. Согласно фиг. 3, также показан вал 44 электрической машины 1.
Представление согласно фиг. 4 показывает второй внутренний вид электрической машины 1 согласно фиг. 3 только с одним охлаждающим устройством 53. Охлаждающий воздух также может направляться сюда через первый элемент 2 направления воздуха и второй элемент 3 направления воздуха. Элементы 2 и 3 направления воздуха здесь также могут взять на себя функцию несущей структуры для поддержки охлаждающего устройства 53. Для того чтобы статор 42 электрической машины, которая также имеет ротор 43, не смачивался, предусмотрен каплеуловитель 34. Элементы 2 и 3 направления воздуха могут предпочтительно гибко закрепляться в различных положениях. Если рассматривать осевое положение элементов 2 и 3 направления воздуха, то они расположены в осевом направлении в области обеих лобовых частей 49 обмотки. Электрическая машина 1 также включает в себя подшипниковые щиты 50 и 51.
Представление согласно фиг. 5 показывает третий внутренний вид электрической машины 1, причем элементы 2 и 3 направления воздуха представлены в перспективе.
Представление согласно фиг. 6 показывает четвертый внутренний вид электрической машины 1, причем детально показана рама 41 корпуса 33. Также каплеуловитель 34 представлен с большей глубиной детализации. При этом видно, что каплеуловитель 34 имеет множество желобков, которые образованы посредством множества L-структур. L-структуры представляют собой, например, листы, которые изогнуты таким образом, что они имеют L-образное поперечное сечение.
Представление согласно фиг. 7 показывает пятый внутренний вид электрической машины 1. Внутри корпуса 33 с рамой 41 корпуса находятся статора 42 и ротор 43 электрической машины. На валу 44 находятся вентиляторы 35 и 36 для создания охлаждающего воздушного потока 15 и 16. Представлена перекрестная вентиляция с первым контуром 15 охлаждающего воздушного потока на стороне привода 19 электрической машины 1 и вторым контуром 16 охлаждающего воздушного потока на стороне 20 обслуживания электрической машины. При этом охлаждающий воздух направляется, в частности, к лобовым частям 49 обмотки, чтобы также охлаждать их. Вентилятор 35 расположен в вентиляционном канале 39, который направляет охлаждающий воздух как в осевом направлении, так и в радиальном направлении. Для радиального направления, вентиляционный канал 39 имеет вид дисковой структуры, которая расположена перпендикулярно валу 44 и отделяет охлажденный охлаждающий воздух от нагретого охлаждающего воздуха. Вентилятор 36 расположен в вентиляционном канале 40, который направляет охлаждающий воздух как в осевом направлении, так и в радиальном направлении. Для радиального направления, вентиляционный канал 40 также имеет вид дисковой структуры, которая расположена перпендикулярно валу 44 и отделяет охлажденный охлаждающий воздух от нагретого охлаждающего воздуха.
Первый контур 15 охлаждающего воздушного потока, а также второй контур 16 охлаждающего воздушного потока имеют первый участок 17 охлаждающего воздушного потока с нагретым охлаждающим воздухом, а также второй участок 18 охлаждающего воздушного потока с охлажденным охлаждающим воздухом. Нагретый охлаждающий воздух нагревается ротором 43 и/или статором 42. Охлажденный охлаждающий воздух охлаждается охлаждающим устройством 53, которое представляет собой воздушно-водяной охладитель. Для позиционирования охлаждающего устройства 53 предусмотрен первый позиционирующий элемент 10 и второй позиционирующий элемент 11. Позиционирующие элементы 10 и 11 находятся в держателе 9 и/или в или на держателе 8. Позиционирующие элементы 10 и 11 могут позиционироваться или смещаться вдоль держателей 8 и 9. Посредством позиционирующих элементов 10 и 11 задается опорная структура для охлаждающего устройства 53, чтобы она могла позиционироваться над каплеуловителем. Размер опорной структуры согласуется с размером охлаждающего устройства за счет переменного позиционирования позиционирующих элементов 10 и 11.
На фиг. 8 показаны первый позиционирующий элемент 10, второй позиционирующий элемент 11, третий позиционирующий элемент 12 и четвертый позиционирующий элемент 13. Кроме того, на фиг. 8 показаны первый держатель 6, второй держатель 7, третий держатель 8 и четвертый держатель 9. На фиг. 7 показаны третий держатель 8 и четвертый держатель 9. Позиционирующие элементы 10 и 11 можно подвешивать, например, в четвертом держателе 9, как на планке. Это относится соответственно к третьему держателю 8. На фиг. 7 показана аксиально ориентированная стрелка с осевыми положениями, первым осевым положением 28, вторым осевым положением 29, третьим осевым положением 30, четвертым осевым положением 31 и четвертым осевым положением 32. Первый позиционирующий элемент 10, который выполнен, например, в форме крюка, может, например, позиционироваться между вторым осевым положением 29 и третьим осевым положением 30. Эти положения находятся на стороне 20 обслуживания электрической машины, которая также обозначена посредством первого осевого положения 28. Второй позиционирующий элемент 11, который, например, также выполнен в форме крюка, может позиционироваться, например, между четвертым осевым положением 31 и пятым осевым положением 32. Эти положения находятся на стороне 19 привода электрической машины. Охлаждающее устройство 53, каплеуловитель 34 и статор 42 расположены относительно друг друга в заданных радиальных положениях. На фиг. 7, радиальное направление 21 обозначено стрелкой. Отсюда могут быть выведены различные радиальные положения, такие как первое радиальное положение 22, второе радиальное положение 23, третье радиальное положение 24 и четвертое радиальное положение 25. Посредством третьего и четвертого радиальных положений 24 и 25 определено радиальное положение охлаждающего устройства 53. Первое и второе радиальные положения 22 и 23 указывают расстояние между статором 42 и каплеуловителем 34. Для того чтобы теперь никакой нагретый охлаждающий воздух из области между статором 42 и охлаждающим устройством 53 не смешивался с охлажденным охлаждающим воздухом, предусмотрены элементы 2 и 3 направления воздуха. Первый элемент 2 направления воздуха отделяет теплый охлаждающий воздух перед прохождением через охлаждающее устройство 53 от затем охлажденного холодного охлаждающего воздуха на стороне 19 привода. Второй элемент 3 направления воздуха отделяет теплый охлаждающий воздух перед прохождением через охлаждающее устройство 53 от затем охлажденного холодного воздуха на стороне 20 обслуживания. Первый элемент 2 направления воздуха соединен со вторым позиционирующим элементом 11 и может смещаться с ним. Второй элемент 3 направления воздуха соединен с первым позиционирующим элементом 10 и может смещаться с ним. Позиционирующие элементы 10 и 11 также могут после позиционирования неразъемно соединяться с корпусом, что возможно, например, посредством сварного соединения. Элементы 2 и 3 направления воздуха, каждый, прилегают к опорной поверхности 27 и закрываются ею, так что теплый охлаждающий воздух отделяется от холодного охлаждающего воздуха. Если элементы 2 и 3 направления воздуха смещаются, то также смещается их опорное положение на соответствующей позиционирующей поверхности 27.
Представление согласно фиг. 8 показывает шестой внутренний вид электрической машины 1, который представляет область вокруг охлаждающего устройства 53 более подробно, чем на фиг. 7. Охлаждающее устройство 53 имеет подсоединения 37 и 38 для охлаждающей жидкости. Охлаждающее устройство 53 поддерживается несущей рамой 52, которая по меньшей мере частично образована позиционирующими элементами. На фиг. 8 показаны не только первый и второй позиционирующие элементы 10 и 11, но также четвертый и пятый позиционирующие элементы 12 и 13. Третий позиционирующий элемент 12 направляется первым держателем 6 и вторым держателем 7. Четвертый позиционирующий элемент 13 также направляется первым держателем 6 и вторым держателем 7. На фиг. 8 показаны первый и второй элементы 2 и 3 направления воздуха, которые имеют гибкий концевой элемент 14, например, из силиконового материала, так что область более нагретого охлаждающего воздуха отделена от области охлажденного охлаждающего воздуха и может образовывать контур циркуляции для охлаждающего воздуха. Для этой цели предусмотрен третий элемент 4 направления воздуха и четвертый элемент 5 направления воздуха, которые отделяют друг от друга охлаждающие воздушные потоки в тангенциальном направлении в виде продолжения охлаждающего устройства. С помощью показанных позиционирующих элементов 10-13 может быть образована гибко изменяемая по своим размерам несущая структура для охлаждающих устройств разных размеров. Позиционирующие элементы 10-13 с помощью держателей 6-9 поддерживаются в корпусе 33. С помощью позиционирующих элементов 10-13 соответствующие связанные элементы 2-5 направления воздуха могут смещаться. Элементы 2 и 3 направления воздуха заканчиваются на опорной поверхности 27, чтобы иметь возможность образовывать контур рециркуляции охлаждающего воздуха.