ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА
ELECTRIC MACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ, И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к электрической машине, содержащей статор, имеющий корпус статора с обмоткой статора, намотанной вокруг него и выполненной с возможностью электрически создавать множество полюсов статора, расположенных по внутренней периферии корпуса статора, средство, выполненное с возможностью соединять упомянутую обмотку статора с источником или приемником переменного тока, ротор с возможностью вращения расположенный внутри упомянутого статора и имеющий корпус ротора, содержащий многослойную сборку взаимно изолированных круговых пластин, пакетированных в осевом направлении в отношении оси вращения ротора, причем упомянутый корпус ротора имеет множество постоянных магнитов, вмещенных в него, и средство для герметизации ротора и пространства, по периферии окружающего ротор и разделяющего ротор и статор, для предотвращения попадания воздушного потока из окружающей среды машины в ротор и упомянутое пространство.
Такая электрическая машина может функционировать в качестве двигателя и/или генератора, хотя это раскрытие главным образом будет сфокусировано на ее работе в качестве двигателя.
За счет использования множества постоянных магнитов для создания магнитного потока ротора получают синхронный двигатель, называемый синхронным двигателем с постоянными магнитами. Такой двигатель имеет более низкие потери в роторе по сравнению с асинхронным двигателем и, следовательно, более высокую эффективность. Он также может быть создан с большим количеством полюсов по сравнению с асинхронным двигателем без потери в производительности таким образом, что он может иметь возможность более высокого крутящего момента.
Настоящее изобретение, в частности, применимо к электрическим машинам в форме двигателей такого типа, как определено во вступительной части, для создания силы тяги рельсового транспортного средства, в особенности рельсовой тележки, и это применение такой электрической машины главным образом будет рассматриваться ниже, не имея целью ограничить им изобретение. Такой двигатель, который, конечно, может функционировать в качестве генератора при торможении транспортного средства, является чрезвычайно предпочтительным для такого транспортного средства, для которого возможность высокого крутящего момента в отношении определенного размера двигателя представляет собой важный признак.
Эффективность охлаждения такой электрической машины определяет максимальную мощность работы, когда такая электрическая машина функционирует в качестве двигателя, и максимальную мощность, которая может быть передана посредством нее в случае функционирования в качестве генератора, когда охлаждение постоянных магнитов является наиболее критичным. Если температура постоянных магнитов поднимется выше конкретного уровня обычно в диапазоне 200°C, магниты будут, по меньшей мере частично, безвозвратно размагничены, поэтому должно быть обеспечено то, чтобы такой температурный уровень никогда не мог быть достигнут. Кроме того, эффективность электрической машины при ее обычной работе также будет немного уменьшаться с увеличением температуры постоянных магнитов, делая эффективное охлаждение важным признаком.
Для электрических машин других типов, отличных от машин с постоянным магнитом, охлаждающий воздушный поток может проходить через всю внутреннюю часть машины, т.е. достигать статора, а также ротора и пространства, разделяющего ротор и статор. Однако в результате от пыли может возникнуть засорение и загрязнение, в особенности металлической пылью, попадающей в ротор и налипающей на него как следствие присутствия постоянных магнитов, что является причиной присутствия упомянутого герметизирующего средства в электрической машине такого типа, как определено во вступительной части. В особенности в случае такой электрической машины, использованной для создания силы тяги в рельсовом транспортном средстве, такой двигатель расположен в жесткой окружающей среде, в которой создается большое количество пыли, такой как металлическая пыль от тормозных дисков, которая может посредством охлаждающего воздуха попасть в ротор и повлиять на надлежащее функционирование машины. Известные электрические машины этого типа, например, известные из документа ЕР 2256907 A1, обычно имеют основную систему охлаждения для принудительного охлаждения за счет охлаждения корпуса статора циркуляцией охлаждающей воды, посредством которой ротор в таком случае охлаждается передачей тепла от него к корпусу статора. Однако такое принудительное охлаждение может выйти из строя и тогда подача питания к электрической машине будет отключена, но при расположении в рельсовом транспортном средстве работа будет осуществляться по-прежнему. Это означает, что электрическая машина будет по-прежнему производить потери холостого хода, но принудительное охлаждение не будет действовать, что является критичным для охлаждения ротора для защиты магнитов от высоких температур. В известных электрических машинах этого типа к валу ротора может быть присоединен импеллер для создания потока охлаждающего воздуха для статора, даже если основная система охлаждения выходит из строя. Однако это может привести лишь к неудовлетворительному охлаждению ротора и соответственно его постоянных магнитов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения - обеспечить электрическую машину такого типа, как определено во вступительной части, улучшенную, по меньшей мере, в некотором аспекте в отношении подобных уже известных электрических машин.
Эта задача согласно изобретению решается за счет обеспечения такой электрической машины с признаками, перечисленными в независимом пункте 1.
Поток охлаждающего воздуха через корпус ротора приводит к эффективному охлаждению корпуса ротора и посредством компоновки упомянутых первых и вторых каналов корпуса ротора, известных для корпуса ротора по документу WO 2008/059852 A1, будет обеспечено охлаждение постоянных магнитов, вмещенных в него, даже, если основная система охлаждения выйдет из строя, так как поток воздуха будет сохранен, поскольку ротор вращается и двигатель производит потери. Таким образом, постоянные магниты будут эффективно защищены от такого выхода из строя основной системы охлаждения. Более того, эффективное охлаждение корпуса ротора означает, что может быть увеличена мощность, при которой может работать электрическая машина при функционировании в качестве двигателя, и мощность, выдаваемая ей в случае функции генератора. Кроме того, для конкретного уровня такой мощности постоянные магниты могут находиться при более низком температурном уровне, чем находился бы корпус ротора только при опосредованном охлаждении через охлаждение статора, что приведет к более высокой эффективности электрической машины.
Кроме того, посредством признаков формирования корпуса ротора одинаковым образом сконструированными пластинами, имеющими, по меньшей мере, одно сквозное отверстие для упомянутого первого канала и, по меньшей мере, одну щель, проходящую из положения на том же расстоянии, как упомянутое сквозное отверстие, от центра пластины и к ее периферии, и пакетирования упомянутых пластин повернутыми в отношении друг друга вокруг их центра таким образом, чтобы определять расположение, количество и поперечное сечение упомянутых вторых каналов, могут быть получены многие важные преимущества. Применение таких одинаковым образом сконструированных пластин для создания корпуса ротора имеет положительное влияние на стоимость производства ротора. Эта особенность упомянутых пластин также приводит в результате к высокой гибкости относительно позиционирования и длины упомянутых каналов при сборке упомянутых пластин для формирования корпуса ротора.
Согласно варианту осуществления изобретения упомянутые вторые каналы проходят по существу радиально в отношении упомянутой оси вращения ротора от соответствующего первого канала к отверстию на периферии корпуса ротора. Такое прохождение упомянутых вторых каналов приводит к эффективному созданию воздушного потока через эти каналы и посредством них также в упомянутых первых каналах, соединенных с ними, силами инерции, воздействующими на воздух, присутствующий во вторых каналах при вращении ротора.
Согласно другому варианту осуществления изобретения ротор содержит множество вторых каналов для каждого первого канала, имеющих соединения с ним и распределенных вдоль протяжения первого канала. Так можно избежать создания горячих областей на любых участках ротора.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутые соединения упомянутых вторых каналов по существу равномерно распределены на протяжении соответствующего первого канала, что повышает эффективное охлаждение всего ротора, пока он вращается.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутые первые каналы проходят по существу в осевом направлении через корпус ротора в отношении упомянутой оси вращения ротора. Одно из преимуществ такой протяженности первых каналов представляет собой то, что обычно присутствие этих каналов не будет иметь значительного влияния на магнитный поток внутри ротора, нежели чем если бы имело место иное протяжение. Более того, скорость потока внутри каналов может поддерживаться на высоком уровне, когда каналы имеют прямое протяжение.
Согласно другому варианту осуществления изобретения ротор имеет множество полюсов, определенных упомянутыми постоянными магнитами и размещенных в корпусе ротора вокруг упомянутой оси вращения, при этом упомянутые первые каналы проходят в отношении поперечного сечения корпуса ротора через участки корпуса ротора, разделяющие два смежных полюса ротора. Это приводит к минимальному нарушению магнитного потока внутри ротора, вызванного присутствием упомянутых первых каналов.
Согласно другому варианту осуществления изобретения корпус ротора имеет упомянутый первый канал в каждом упомянутом участке, разделяющем смежные полюсы ротора, и, таким образом, предпочтительно, если корпус ротора имеет то же самое количество упомянутых первых каналов, как и количество полюсов ротора. Это приводит к эффективному охлаждению ротора. Количество полюсов ротора типично имеет значение 2-24 или 6-12, а в конкретном варианте осуществления - 8.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутые первые каналы по существу равномерно распределены вокруг упомянутой оси вращения ротора, что также повышает эффективное и равномерное охлаждение ротора.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один из упомянутых первых каналов имеет отверстие во внешнюю область корпуса ротора в торцевой поверхности корпуса ротора на обоих осевых концах корпуса ротора. Это означает, что воздух может быть втянут в упомянутый первый канал с обеих сторон ротора, и соответственно воздух с обеих его сторон может быть использован для охлаждения ротора, и посредством этого воздух, текущий через ротор, может иметь более низкую температуру, чем если бы он поступал только через один его конец. Это также облегчает эффективное охлаждение всего корпуса ротора.
Согласно другому варианту осуществления изобретения на упомянутой торцевой поверхности корпуса ротора размещено множество выступов, таких как ребра, и выполнено с возможностью перемешивать воздух, входящий в упомянутые первые каналы при вращении ротора. Такое перемешивающее действие будет позитивно влиять на воздушный поток, охлаждающий ротор.
Изобретение также относится к ротору для электрической машины рельсового транспортного средства, имеющему признаки ротора в электрической машине согласно настоящему изобретению, как определено выше. Преимущества такого ротора в электрической машине рельсового транспортного средства являются очевидными из приведенного выше обсуждения. То же самое применимо к электрической машине рельсового транспортного средства, к которой также относится настоящее изобретение.
Изобретение также относится к приводному устройству для рельсового транспортного средства, содержащему электрическую машину согласно изобретению, использованию электрической машины согласно изобретению в приводном устройстве для выработки силы тяги рельсового транспортного средства, а также рельсовому транспортному средству, имеющему приводное устройство для выработки силы тяги транспортного средства, включающего в себя, по меньшей мере, одну электрическую машину согласно настоящему изобретению. Кроме того, предпочтительные признаки и преимущества такого приводного устройства, использование и транспортное средство являются очевидными из приведенного выше обсуждения различных вариантов осуществления электрической машины согласно настоящему изобретению.
Дополнительные преимущества, а также предпочтительные признаки изобретения станут очевидными из последующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Обращаясь к прилагаемым чертежам, ниже следует специфическое описание вариантов осуществления, приведенных в качестве примеров.
Фиг. 1 представляет собой весьма схематичный вертикальный вид сбоку, иллюстрирующий статор и ротор электрической машины такого типа, к которому относится настоящее изобретение,
Фиг. 2 - общий вид электрической машины такого типа, к которому относится настоящее изобретение, на Фиг. 3 показана машина согласно Фиг. 2 на виде с продольным сечением,
Фиг. 4 - вертикальный вид сбоку, иллюстрирующий пластину, используемую для образования корпуса ротора электрической машины согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
Фиг. 5 - общий вид в частичном разрезе части электрической машины согласно упомянутому первому варианту осуществления настоящее изобретения,
Фиг. 6 - увеличенный вид части электрической машины, показанной на Фиг. 5, и
Фиг. 7 - очень упрощенный общий вид осевой конечной части ротора электрической машины согласно второму варианту осуществления изобретения.
ПРОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 схематично на осевом виде сбоку показаны некоторые из основных частей электрической машины рельсового транспортного средства такого типа, к которому относится настоящее изобретение и которые более подробно раскрыты в ЕР 2264860. Эта электрическая машина имеет статор 1 с корпусом 2 статора с обмоткой статора (не показана), намотанной вокруг него и выполненной с возможностью электрически создавать множество полюсов статора, расположенных на внутренней периферии корпуса статора. Упомянутая обмотка статора вмещается в радиальные пазы 3 в корпусе статора, проходящие по всей длине этого корпуса. Таким образом, 48 пазов равномерно распределено по внутренней периферии корпуса 2 статора так, что 12 упомянутых пазов принадлежат одному полюсу статора в случае четырехполюсной электрической машины как в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1. Общее количество пазов и количество пазов на каждый полюс, конечно, может быть любым другим возможным.
Электрическая машина дополнительно содержит ротор 4 с корпусом 5 ротора, который как корпус статора выполнен из многослойной сборки взаимно электрически изолированных круговых пластин из магнитной стали, уложенных в осевом направлении в отношении оси 6 вращения ротора для поддержания на невысоких уровнях в этих корпусах потерь от вихревых токов. Корпус 5 ротора неподвижно присоединен в отношении вращения к валу 7 ротора, который должен быть соединен с валом колеса транспортного средства, возможно посредством коробки передач.
Корпус 5 ротора содержит множество продольных пазов 8, 9, проходящих параллельно упомянутой оси 6 вращения корпуса ротора. На Фиг. 1 показано, как размещено четыре таких паза для каждого полюса ротора, два паза 8 с меньшим поперечным сечением и два паза 9 с большим поперечным сечением. Пазы 9 в настоящем случае, который представляет собой наглядный пример одной возможности из множества, имеют прямоугольное поперечное сечение приблизительно 10×55 мм с длиной приблизительно 300 мм. Постоянные магниты 10 здесь с поперечным сечением 10×13 мм и длиной 37 мм размещены в каждом упомянутом пазе в форме комплекта постоянных магнитов, размещенных в один слой в одной плоскости бок-о-бок в поперечном и продольном направлении паза, причем направление магнитной полярности постоянных магнитов, размещенных в одном пазе, по существу перпендикулярно упомянутому одному слою, образованному упомянутым комплектом, при этом на Фиг. 1 стороны северного N и южного S полюсов этих магнитов указаны для двух пазов 8, 9. Восемь постоянных магнитов взаимосвязано размещены концом к концу в продольном направлении в каждом таком комплекте постоянных магнитов, при этом два постоянных магнита размещены бок-о-бок в поперечном направлении паза 8 и четыре в этом направлении паза 9.
Электрическая машина также имеет средство, выполненное с возможностью соединять обмотку статора с источником или приемником переменного тока, который в настоящем случае представляет собой линию питания переменного тока или генератор с дизельным приводом схематично указанного транспортного средства 14. Однако потенциально возможным является любой тип источника переменного тока, при этом переменный ток может быть создан удовлетворительным образом инвертором, соединенным с источником постоянного напряжения с другой его стороны и, например, управляемым согласно принципу широтно-импульсной модуляции. Блок 15 на Фиг. 2 указывает аппаратуру управления для электрической машины, такую как конвертер, при этом упомянутый источник переменного тока здесь указан блоком 16. В настоящем раскрытии "приемник переменного тока" ссылается к электрической машине, работающей в режиме генератора.
На Фиг. 3 показан другой возможный внешний вид ротора в электрической машине согласно настоящему изобретению, при этом постоянные магниты 10 расположены отличным образом в отношении Фиг. 1, утоплено в корпус ротора на его периферии. Эта электрическая машина имеет средство, выполненное с возможностью создавать поток воздуха для охлаждения частей электрической машины, при этом такое средство включает в себя импеллер 17 с лопастями 18, зафиксированный на валу 7 ротора на одном конце 19 корпуса статора таким образом, чтобы создавать поток воздуха по существу в осевом направлении в отношении оси вращения ротора по направлению к другому концу 20 корпуса статора. Электрическая машина имеет устройство для направления потока воздуха, созданного импеллером 17, которое содержит средство 21, герметизирующее ротор и пространство 22, по периферии окружающее ротор 4 и разделяющее ротор и статор, для предотвращения достижения ротора и упомянутого пространства воздушным потоком из окружающего пространства машины. Упомянутое средство 21 направляет совместно с оболочкой 23 вентилятора упомянутый охлаждающий воздушный поток к лобовым частям 24, 25 обмотки статора для их охлаждения. Электрическая машина также может иметь основную систему охлаждения, которая не показана, для циркуляции воды в статоре, это означает, что ротор также будет охлажден ей посредством передачи тепла от ротора к статору. Однако эта принудительная операция охлаждения может иметь недостаток, когда транспортное средство, в котором размещена машина, по-прежнему перемещается, и машина по-прежнему выдает потери холостого хода в результате присутствия постоянных магнитов при вращении ротора.
Ключевым является то, чтобы температура постоянных магнитов никогда не могла достигнуть уровня, с которого будет начато необратимое размагничивание магнитов. Такой уровень критичной температуры обычно составляет около 200°C, и в этом случае целью является обеспечение того, чтобы температура постоянных магнитов не могла никогда превысить 180°C независимо от выхода из строя упомянутой системы для принудительного охлаждения в любых рабочих условиях, таких как температура окружающей среды или фактическая скорость вращения ротора при возникновении такого выхода из строя.
На Фиг. 4 проиллюстрирован внешний вид упомянутой круговой пластины 26, использованной для образования корпуса ротора за счет пакетирования в осевом направлении на другие такие или подобным образом сконструированные пластины. Показано, что пластина снабжена пазами 8′, 9′ для вмещения постоянных магнитов и за счет этого определения восьми полюсов 27 ротора, равномерно распределенных по окружности ротора. Пластина 26 снабжена сквозным отверстием 28, причем часть 29 разделяет пазы для смежных полюсов ротора. Два из этих 8 сквозных отверстий 28′ и 28″ соединены с щелью 30, проходящей к периферии пластины.
За счет пакетирования однообразно сконструированных таких пластин, наряду с периодическим поворачиванием их на n×45°, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6 или 7, в отношении друг друга, можно получить ротор, имеющий первые каналы 31, проходящие в осевом направлении в отношении упомянутой оси вращения ротора, и вторые каналы 32, соединяющие соответствующие первые каналы с упомянутым пространством 22, по периферии окружающим ротор, за счет отверстия на периферии корпуса ротора. Такое пакетирование предпочтительно выполняется таким образом, чтобы первые каналы были снабжены по существу одним и тем же числом вторых каналов, при этом вторые каналы были равномерно распределены вдоль продольного протяжения соответствующего первого канала, а следовательно, и ротора. Каждый из первых каналов предпочтительно имеет отверстие 33 во внешнюю область корпуса ротора на торцевой поверхности корпуса ротора на обоих осевых концах корпуса ротора. Типичные размеры ротора, образованного такими пластинами 26, показанного на Фиг. 5 и 6, являются такими, как следует ниже. Диаметр ротора - 359 мм, поперечное сечение первых каналов - 12×20 мм, диаметр вторых каналов 5 мм и расстояние между смежными вторыми каналами вдоль протяжения первых каналов - 15 мм.
Конструкция упомянутого ротора с упомянутыми первыми и вторыми каналами оказывает следующее влияние на охлаждение ротора. До тех пор пока ротор вращается, воздух, присутствующий в упомянутых первых каналах 31 и вторых каналах 32, будет центробежными силами выбрасываться из вторых каналов 32 в упомянутое пространство 22, при этом создавая поток воздуха через корпус ротора от упомянутых отверстий 33 первых каналов к отверстиям 35 вторых каналов в это пространство. Тем самым воздух будет принимать тепло от ротора и передавать его к корпусу статора, окружающему ротор, при перемещении в упомянутом пространстве 22 по направлению к упомянутым торцевым поверхностям 34, где он будет снова втянут в первые каналы для постоянного охлаждения корпуса ротора. Таким образом, это охлаждающее действие не требует какой-либо подачи энергии или точной работы любой аппаратуры управления, но будет обеспечено, когда ротор вращается, а упомянутые постоянные магниты создадут потери холостого хода, нагревающие ротор. Кроме того, охлаждение будет очень эффективным, поскольку оно произойдет внутри ротора в положениях, почти равномерно распределенных в продольном направлении, а также в поперечном направлении в отношении оси вращения ротора. Отверстия 35 упомянутых вторых каналов предпочтительно имеют скругленное протяжение, соединяющее канал с поверхностью периферии ротора для увеличения выходного воздушного потока из ротора.
На Фиг. 7 очень схематично проиллюстрирована часть ротора, видимая с одного его осевого конца в электрической машине согласно второму варианту осуществления изобретения. Толщина пластин 26′, пакетированных для образования ротора, не приведена в масштабе, и в действительности они будут тоньше в отношении других размеров ротора. Показано, что первые каналы 31′ этого ротора имеют круговое поперечное сечение типично с диаметром в порядке 10-15 мм. На торцевой поверхности 34′ корпуса ротора размещено множество выступов в форме ребер 36 и выполнено с возможностью перемешивать воздух, входящий в первые каналы 31′ при вращении ротора. Это приводит к смешиванию воздуха вблизи упомянутой торцевой поверхности ротора и в результате этого к более эффективной передаче тепла от ротора к воздуху, текущему через упомянутые каналы для охлаждения ротора. Такие выступы могут иметь совершенно другие формы в отличие от тех, которые показаны на Фиг. 7, и даже могут быть образованы головками винтов.
При обеспечении ротора согласно изобретению с первыми и вторыми каналами в момент определения размеров, плотностей и расположений этих каналов, должны быть приняты во внимание следующие соображения. Увеличение площади поперечного сечения этих каналов увеличивает расход воздуха в упомянутых каналах и за счет этого охлаждающий эффект этого воздушного потока. Другой позитивный результат такого увеличения поперечного сечения представляет собой уменьшение веса ротора. Однако для наиболее эффективного магнитного потока внутри ротора упомянутая площадь поперечного сечения должна сохраняться насколько это возможно небольшой. Таким образом, цель - найти лучший компромисс, принимая во внимания эти факты, при размещении этих каналов.
Изобретение, конечно, не ограничено каким-либо образом вариантами осуществления, описанными выше, при этом специалисту в данной области техники будет очевидно множество возможностей для их модификаций, не отступая от объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
Для электрической машины, имеющий очень короткий ротор, принципиально может быть достаточно иметь упомянутые отверстия первых каналов на одной торцевой поверхности корпуса ротора, при этом они закрыты на его другой торцевой поверхности. Тогда каждый первый канал может иметь только лишь один или два вторых канала, соединенных с ним.
Количество первых и вторых каналов может быть произвольным, при этом количество первых каналов может, например, иметь значение половины или удвоенного количества полюсов ротора. В случае длинного ротора может быть предпочтительным разместить вторые каналы с большей плотностью в срединной области (если смотреть в осевом направлении) ротора, в отличие от областей более близких к его концам, чтобы иметь больший выход воздуха из ротора в серединной области и течение в упомянутом пространстве вдоль периферии ротора для теплообмена с ним.