ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ОХЛАЖДАЕМЫМ ВНУТРИ РОТОРОМ
ELECTRIC MACHINE WITH ROTOR COOLED INSIDE

Изобретение относится к электрической машине с охлаждаемым внутри ротором.
В электрических машинах ограничивающим мощность фактором является качество отвода тепла потерь. Особенно в вариантах выполнения, в которых горячие части внутри машины охлаждаются не непосредственно охлаждающей средой, использование применяемой активной массы является плохим. Специальными зонами, в которых отвод тепла потерь является проблематичным, являются лобовые части обмотки и ротор. Если удается целенаправленно отводить тепло из этих обеих указанных зон в окружение, то можно увеличивать мощность электрической машины при остающемся постоянным конструктивном объеме.
Из DE 4242132 А1 известна система охлаждения для электрической машины, которая является циркуляционной системой внутреннего охлаждения. При таком внутреннем охлаждении через каналы охлаждения ротора может проходить поток в обоих осевых направлениях. За счет такого использования каналов охлаждения ротора для пропускания потока в двух направлениях создается внутри машины охлаждающий контур. Для запуска этого охлаждающего контура необходимы два вентилятора на торцевых сторонах ротора.
Из DE 4443427 С2 известна внутренняя система охлаждающего контура с прохождением потока через ротор в одном направлении. За счет предусмотренных на роторе, лежащих в радиальном направлении внутри лобовой части обмотки вентиляторных лопастей лобовая часть обмотки обдувается потоком охлаждающего воздуха. Через расположенные по окружности статора охлаждающие каналы охлаждающий воздух проходит на другую сторону машины и там через лобовую часть обмотки попадает на ротор, и входит, наконец, в охлаждающие каналы ротора и оттуда попадает снова на вентиляторные лопасти.
В основу изобретения положена задача улучшения охлаждающего действия электрической машины с охлаждаемым внутри ротором без использования отдельной, монтируемой на роторе вентиляторной крыльчатки.
Эта задача решена с помощью электрической машины, содержащей пакет статора и ротор в корпусе, которая имеет внутренний охлаждающий контур из проходящих через ротор в осевом направлении и расположенных на двух концентрических окружностях каналов охлаждения ротора, который предназначен для циркуляции газообразного охлаждающего средства, при этом в машине на первой торцевой стороне ротора предусмотрены вентиляторные лопасти и первое средство для направления охлаждающего средства из каналов охлаждения ротора на одной из обеих окружностей через лобовую часть обмотки к каналам охлаждения ротора на другой из обеих концентрических окружностей.
За счет направления охлаждающего средства, которое может быть, например, воздухом или инертным газом, через каналы охлаждения ротора на различных концентрических окружностях в обоих направлениях (при этом циркуляция охлаждающего средства приводится в действие с помощью расположенных на торцевой стороне ротора вентиляторных лопастей и с помощью средств для направления охлаждающего средства направляется непосредственно на лобовую часть обмотки) обеспечивается оптимальное охлаждение, в частности, зон, в которых отвод тепла потерь является проблематичным. При этом вентиляторные лопасти из практических соображений проходят в осевом направлении от торцевой стороны ротора, однако могут иметь также любую целесообразную форму. Поскольку решение согласно изобретению обходится без отдельной вентиляторной крыльчатки, то нет необходимости в дополнительной обработке вала ротора для монтажа вентиляторной крыльчатки, за счет чего достигается, наряду с экономией средств, также меньшая осевая длина электрической машины.
В одном предпочтительном варианте выполнения первое средство для направления охлаждающего средства выполнено в виде направляющего воздух цилиндра, который расположен между двумя концентрическими окружностями, проходит в осевом направлении от первой торцевой стороны ротора до вентиляторных лопастей и имеет перед вентиляторными лопастями направленную наружу часть. При этом направляющий воздух цилиндр не должен иметь перед направленной наружу частью строго цилиндрическую форму, а может по существу соответствовать половине однослойного гиперболоида вращения. Таким образом, выходящий из каналов охлаждения ротора, например, на наружной из обеих концентрических окружностей поток охлаждающего средства простым образом направляется непосредственно на лобовую часть обмотки. За счет расположенной в осевом направлении перед вентиляторными лопастями, направленной наружу части направляющего воздух цилиндра создается пространство, которое проходит от выхода каналов охлаждения ротора на соответствующей торцевой стороне ротора до вентиляторных лопастей. Тем самым существенно улучшается направление охлаждающего средства внутреннего охлаждающего контура.
В другом предпочтительном варианте выполнения на второй торцевой стороне ротора расположено выполненное идентично с первым средством для направления охлаждающего средства второе средство для направления охлаждающего средства. За счет этого существенно улучшается направление охлаждающего средства внутреннего охлаждающего контура в зоне лобовой части обмотки также на второй торцевой стороне ротора.
В другом предпочтительном варианте выполнения вентиляторные лопасти на первой торцевой стороне ротора выполнены так, что они подают охлаждающее средство в радиальном направлении наружу. При этом действующая на охлаждающее средство в радиальном направлении наружу сила накладывается на силу инерции выходящего из каналов охлаждения ротора охлаждающего средства с образованием общей силы, которая действует на охлаждающее средство уже по существу в направлении лобовой части обмотки. За счет этого дополнительно улучшается прохождение потока, поскольку здесь по сравнению, например, с осевой подачей, при которой поток охлаждающего средства направляется лишь средствами для направления охлаждающего средства к лобовой части обмотки, возникает меньше завихрений.
В другом предпочтительном варианте выполнения на второй торцевой стороне ротора предусмотрены проходящие в осевом направлении вентиляторные лопасти, которые выполнены так, что усиливается создаваемый предусмотренными на первой торцевой стороне ротора вентиляторными лопастями поток охлаждающего средства. То есть вентиляторные лопасти на второй торцевой стороне ротора подают охлаждающее средство, когда вентиляторные лопасти на первой торцевой стороне ротора предусмотрены для направленной между радиальным и осевым направлением наружу подачи, в ориентированном между радиальным и осевым направлениями внутрь направлении.
В другом предпочтительном варианте выполнения направленная наружу часть, по меньшей мере, одного направляющего воздух цилиндра прилегает непосредственно к соответствующей проходящей в радиальном направлении торцевой кромке вентиляторных лопастей или же находится на небольшом осевом расстоянии от этих торцевых кромок. За счет этого практически полностью подавляются потоки утечки относительно проходящего через каналы охлаждения ротора потока охлаждающего средства.
В другом предпочтительном варианте выполнения направленная наружу часть, по меньшей мере, одного направляющего воздух цилиндра проходит в радиальном направлении, по меньшей мере, вплоть до лежащей в радиальном направлении снаружи окружной кромки вентиляторных лопастей. Таким образом, исключаются проходящие мимо лобовой части обмотки ответвляющиеся потоки.
В другом предпочтительном варианте выполнения при выполнении ротора в виде короткозамкнутого ротора вентиляторные лопасти сформированы на соответствующем короткозамкнутом кольце. За счет этого отпадает необходимость отдельного изготовления вентиляторных лопастей и их монтажа на роторе.
В другом предпочтительном варианте выполнения каналы охлаждения ротора имеют поперечное сечение с увеличенным по сравнению с кругом одинаковой площади поперечного сечения периметром. При этом поперечное сечение может иметь, например, волнообразный периметр или иметь многоугольную или звездообразную форму. Таким образом, обеспечивается увеличенная поверхность переноса тепла для охлаждения ротора.
В другом предпочтительном варианте выполнения на торцевой стороне ротора в каждой концентрической окружности средняя точка канала охлаждения ротора и вентиляторная лопасть расположены в радиальном направлении изнутри наружу на одной линии. Таким образом, на каждый канал охлаждения ротора воздействует как бы собственная вентиляторная лопасть, за счет чего улучшается действие подачи вентиляторной лопасти на охлаждающее средство.
В другом предпочтительном варианте выполнения сумма площадей поперечного сечения каналов охлаждения ротора на одной из обеих концентрических окружностей равна сумме площадей поперечного сечения каналов охлаждения ротора на другой из обеих концентрических окружностей. Это обеспечивает равномерный поток через каналы охлаждения ротора на различных концентрических окружностях, за счет чего исключаются завихрения за счет различных скоростей потока.
В другом предпочтительном варианте выполнения по периметру корпуса предусмотрены пропускающие охлаждающую среду первичные каналы охлаждения для наружного контура охлаждения. За счет отвода тепла в первичную охлаждающую среду, которая может быть газообразной или жидкой, значительно улучшается обратное охлаждение охлаждающего средства во внутреннем контуре.
При этом в другом предпочтительном варианте выполнения первичные охлаждающие каналы расположены по периметру корпуса спирально. За счет этого по сравнению с предусмотренными лишь в углах, например, прямоугольного корпуса первичными охлаждающими каналами обеспечивается относительно периметра корпуса более равномерное охлаждение, при этом конструкция более проста, чем, например, при выполненной в виде меандра структуре первичных охлаждающих каналов.
При этом в другом предпочтительном варианте выполнения высота хода между следующими друг за другом витками спирально расположенных первичных охлаждающих каналов в зонах лобовых частей обмотки меньше, чем в зоне между лобовыми частями обмотки. Тем самым охлаждающее действие особенно велико в зонах, в которых происходит обратное охлаждение охлаждающего средства внутреннего контура за счет первичной охлаждающей среды.
В другом предпочтительном варианте выполнения на периметре корпуса предусмотрены ребра охлаждения. За счет этого обеспечивается особенно большая поверхность для обмена тепла с окружением или с первичной охлаждающей средой.
В другом предпочтительном варианте выполнения машина выполнена в виде асинхронного двигателя. При этом вентиляторные лопасти можно отливать непосредственно на короткозамкнутом кольце, например, отлитого под давлением из алюминия ротора.
Ниже приводится подробное описание и пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - продольный разрез половины электрической машины;
фиг.2 - поперечный разрез части пакета статора и ротора.
На фиг.1 показана в продольном разрезе половина электрической машины, содержащей пакет 6 статора и ротор 2 в корпусе 3. Между валом ротора 2 и активной частью 4 расположены охлаждающие ротор каналы 1а, 1b на двух концентрических окружностях. На левой торцевой стороне ротора установлены вентиляторные лопасти 5, которые подают циркулирующее охлаждающее средство, которое выходит из лежащих на наружной окружности охлаждающих ротор каналов 1а, в радиальном направлении наружу. Вместе с движением инерции выходящего из охлаждающих ротор каналов 1а охлаждающего средства обеспечивается по существу радиально направленное движение охлаждающего средства, при этом расположенный между обеими концентрическими окружностями направляющий воздух цилиндр 7 обеспечивает непосредственный обдув лобовой части 8 обмотки охлаждающим средством и отсутствие завихрений с возвращающимся через расположенные на внутренней окружности охлаждающие ротор каналы 1b на правую сторону машины охлаждающим средством. На правой стороне также установлен направляющий воздух цилиндр 7 на торцевой стороне ротора для направления охлаждающего средства подходящим образом через пространства между корпусом 3 и активной частью 4, где происходит также обратное охлаждение охлаждающего средства с помощью первичной охлаждающей среды (не изображено). Штриховая линия показывает путь прохождения охлаждающего средства с двухсторонним прохождением потока через ротор 2. С помощью установленных на торцевой стороне ротора вентиляторных лопастей 5 охлаждающее средство, например воздух, приводится во вращение, и возникает увеличение давления в радиальном направлении. Эти вентиляторные лопасти 5 можно отливать, например, в асинхронных двигателях с отлитыми из алюминия под давлением роторами непосредственно на короткозамкнутых кольцах.
На фиг.2 показана в поперечном разрезе часть пакета 6 статора и ротора 2. Изнутри наружу на соответствующей концентрической окружности расположены охлаждающие ротор каналы 1а, 1b и вентиляторная лопасть 5. Охлаждающие ротор каналы 1а, 1b имеют для увеличения поверхности теплообмена четырехугольное вместо круглого поперечное сечение. При этом площадь поперечного сечения охлаждающих ротор каналов 1а, 1b на обеих концентрических окружностях имеет одинаковую величину, так что исключаются завихрения за счет различных скоростей потока.
Таким образом, изобретение относится к электрической машине с охлаждаемым внутри ротором. Для улучшения охлаждающего действия такой машины, без использования отдельно установленной на ротор вентиляторной крыльчатки, предлагается электрическая машина, содержащая пакет статора и ротор в одном корпусе, которая имеет внутренний охлаждающий контур из проходящих через ротор в осевом направлении и расположенных на двух концентрических окружностях каналов охлаждения ротора, который предназначен для циркуляции газообразного охлаждающего средства, при этом в машине на первой торцевой стороне ротора предусмотрены вентиляторные лопасти и первое средство для направления охлаждающего средства из каналов охлаждения ротора на одной из обеих концентрических окружностей через лобовую часть обмотки к каналам охлаждения ротора на другой из обеих концентрических окружностей. За счет этого оптимально охлаждаются, в частности, зоны, в которых отвод тепла потерь является проблематичным.