ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
ELECTRIC ENGINE

Изобретение касается электродвигателя, имеющего статор, ротор и циркуляционный контур охлаждения ротора, включающего в себя корпус, имеющий оболочку по существу в форме боковой поверхности цилиндра, при этом в оболочке выполнена распространяющаяся относительно цилиндра в осевом направлении, направленная наружу выемка.
Электродвигатели служат для получения механической, обычно вращательной энергии из электричества. В электродвигателях сила, действующая со стороны магнитного поля на провода катушки, по которым протекает ток, преобразуется в движение. Для этого они включают в себя статический статор и вращающийся в нем, опертый в соответствующих подшипниках ротор. Обмотки катушек могут быть при этом расположены либо на роторе, либо, у электродвигателей с внутренними постоянными магнитами, на статоре.
Широко используемые электродвигатели, в частности последней конструкции, сегодня выполняются с водяным охлаждением, так как возникающие тепловые потери при классе защиты IP55 (защищен от количества пыли, вызывающего повреждение, полная защита от прикосновения, защита от водяных струй под любым углом) и выше могут отводиться только посредством интенсивного водяного охлаждения. Потери возникают как в статоре, так и в роторе.
При концепциях двигателей без дополнительного внутреннего циркуляционного контура охлаждения при этом, как правило, максимально допустимая температура ротора или подшипников ограничивает максимальное использование машины. Во избежание этого ограничения при многих концепциях двигателей делаются попытки реализации внутреннего циркуляционного контура охлаждения с помощью простых вентиляторов, лопастей или с помощью отдельного внутреннего вентилятора/вентилятора на валу. Однако обычно это означает значительные конструктивные издержки и приводит к очень дорогим и сложным корпусам статоров, так как интеграция дополнительных воздушных каналов для воздуха ротора, в зависимости от концепции охлаждения, является трудоемкой.
Распространены, например, двигатели, имеющие корпус с водяной рубашкой, у которых стальной корпус изготавливается из двух частей, причем эти две части свариваются друг с другом. Стальной корпус состоит из внутреннего цилиндра, на который навариваются или в котором вырабатываются ребра для направления воды, и наружного цилиндра. То есть вода течет между внутренним и наружным цилиндром. При таком корпусе можно расположить снаружи дополнительные каналы для внутреннего циркуляционного контура охлаждения, однако это приводит к значительным дополнительным издержкам при изготовлении. Двухстенная концепция имеет также другие недостатки, такие как, например, требование изготовления из стали, так как литые конструкции являются неплотными, сокращение активного объема и недостаточная гибкость в отношении расположения клеммной коробки, так как для этого требуется отдельная стальная конструкция (кабель-канал).
Другие концепции охлаждения используют насадные охладители, из-за чего, однако, двигатели не могут выполняться компактно, или трубы охлаждения из нержавеющей стали, которые прокладываются в пакете листов. При этом вариант осуществления с трубами охлаждения может применяться как у двигателей без корпуса, так и у двигателей с одинарными корпусами. Впрочем, такие концепции охлаждения допускают интеграцию внутреннего циркуляционного контура охлаждения только со значительными издержками.
Из EP 072999 A1 и US 2012/062057 A1 известно, что в оболочке может быть выполнена распространяющаяся относительно цилиндра в осевом направлении, направленная наружу выемка. В US 2012/062057 A1, например, на фиг.10, показана концепция охлаждения с помощью насадного охладителя, с помощью которого охлаждается воздух циркуляционного контура охлаждения ротора. Электродвигатели с различными концепциями охлаждения известны, например, из WO 2012/159661 A2.
Итак, задачей изобретения является предложить электродвигатель вышеназванного рода, который допускает технически особенно простую интеграцию внутреннего циркуляционного контура охлаждения ротора.
Эта задача решается в соответствии с изобретением таким образом, что внутри корпуса расположен имеющий форму полого цилиндра пакет листов статора, имеющий расположенные на наружной стороне пазы, при этом в пазах расположены каналы охлаждения, и при этом пакет листов статора имеет расположенные на наружной стороне, распространяющиеся в осевом направлении углубления, которые являются частью циркуляционного контура охлаждения ротора. При этом изобретение исходит из размышления о том, что особенно простое внутреннее охлаждение может реализовываться путем интеграции путей охлаждения охлаждающего воздуха в корпус. Чтобы особенно просто реализовать это, пути охлаждения реализуются в виде выемок в оболочке, направлены наружу и распространяются в осевом направлении. Так как корпус охватывает статор, и выемки непосредственно примыкают к статору электродвигателя, при этом получается эффективная поверхность для охлаждающего воздуха для охлаждения конструктивных элементов, находящихся внутри корпуса. Благодаря осевой протяженности выемок они легко достижимы с осевых концов корпуса и так могут интегрироваться в соответствующий циркуляционный контур охлаждения.
При этом электродвигатель включает в себя также расположенный внутри корпуса, имеющий форму полого цилиндра пакет листов статора, снабженный расположенными на наружной стороне пазами, причем в этих пазах расположены каналы охлаждения. Благодаря такой концепции пакета листов статора, с одной стороны, эффективно охлаждается пакет листов статора, с другой стороны, каналы охлаждения примыкают непосредственно к выемкам и так обеспечивают возможность особенно эффективного теплообмена.
Кроме того, пакет листов статора включает в себя расположенные на наружной стороне углубления, которые являются частью циркуляционного контура охлаждения ротора. При этом, с одной стороны, имеется теплопередача от выемок в корпусе к проложенным в пазах каналах охлаждения, которые меандрообразно извиваются через пакет листов статора с целью охлаждения статора, а с другой стороны, к углублениям с целью охлаждения ротора. Когда охлаждающий воздух направляется через выемки, которые подводятся или, соответственно, отводятся от отверстий в плоских крышках, как статор через каналы охлаждения, так и ротор через углубления эффективно охлаждается подключенным к нему внутренним циркуляционным контуром охлаждения. Благодаря этому особенно простым образом достигается внутреннее охлаждение ротора.
Предпочтительно при этом выполнены несколько однотипных выемок, распределенных в окружном направлении. Благодаря этому поверхность теплообмена дополнительно увеличивается и вместе с тем улучшается охлаждающее действие. Также достигается равномерная теплопередача по всему периметру корпуса.
В особенно простом варианте осуществления четыре выемки выполнены на равных расстояниях. Таким образом, эти четыре выемки образуют квадрат в радиально-азимутальной поверхности сечения.
В дополнительном или альтернативном предпочтительном варианте осуществления корпус включает в себя осевую концевую область, имеющую два угла, которые соединены прямой кромкой, расположенной в радиальном направлении по другую сторону периметра цилиндра. Другими словами, в принципе цилиндрический корпус в своей осевой концевой области переходит в многоугольную форму. Так как кромка распространяется за пределы периметра цилиндра в радиальном направлении, она может непосредственно использоваться в качестве установочной кромки или для крепления опорных ножек корпуса. Благодаря этому корпус позволяет осуществлять особенно простой монтаж на месте применения.
В особенно простом предпочтительном варианте осуществления осевая концевая область в поперечном сечении является по существу квадратной и заключает в себе периметр цилиндра. Квадратная форма части, заканчивающей цилиндр корпуса на двух осевых концах, сравнительно проста в изготовлении и, кроме того, предоставляет дополнительное пространство для установки вспомогательных клеммных коробок или приборов мониторинга.
В предпочтительном варианте осуществления корпус изготовлен литьем. Это делает возможным значительно более экономичное и более простое изготовление, чем конструкция из стали. Описанная простая конструкция без двухстенной цилиндрической оболочки для наружного охлаждения делает возможной простую литую конструкцию.
Соответствующий паз выполнен при этом предпочтительно в виде зажимного паза, т.е. отверстие паза уже, чем его внутреннее пространство, так что каналы охлаждения могут запрессовываться и затем с геометрическим замыканием удерживаться в пазу. Это позволяет осуществлять простой монтаж электродвигателя.
В другом предпочтительном варианте осуществления электродвигатель включает в себя насадной охладитель. Описанная концепция двигателя простым образом позволяет использовать насадной охладитель, который подключен к отверстиям в плоских крышках и может быть выполнен в виде теплообменника воздух/воздух или воздух/вода. Насадной охладитель может простым образом подключаться к отверстиям, расположенным в плоских крышках.
Достигнутые изобретением преимущества заключаются, в частности, в том, что благодаря выполнению осевых выемок в одностенной оболочке электродвигателя при использовании каналов охлаждения и, в частности, углублений в пакете листов статора достигается особенно простая интеграция внутреннего циркуляционного контура охлаждения ротора электродвигателя. Эта концепция может применяться для двигателей высокого и низкого напряжения, для обмоток из круглого провода, а также из плоского провода. Каналы охлаждения могут очень просто защелкиваться в пакет листов статора и для лучшей теплопередачи дополнительно спрессовываться или заливаться. Благодаря простому меандрообразному исполнению они могут изготавливаться предварительно, так что становится возможен экономичный монтаж, и могут включаться как последовательно, так и параллельно. Эта концепция двигателя позволяет гибко располагать клеммную коробку на обоих осевых концах, при этом также остается сравнительно много пространства для расположения приборов мониторинга или вспомогательных клеммных коробок.
Один из примеров осуществления изобретения поясняется подробнее с помощью чертежа. На нем показано:
фиг.1: корпус для электродвигателя с расположенным внутри пакетом листов статора;
фиг.2: корпус без пакета листов статора и крышек подшипников с вырывом;
фиг.3: корпус с пакетом листов статора с вставленными каналами охлаждения и крышками подшипников с вырывом;
фиг.4: пакет листов статора;
фиг.5: корпус с пакетом листов статора с вставленными каналами охлаждения в радиально-азимутальном сечении;
фиг.6: корпус с насадным охладителем, и
фиг.7: канал охлаждения, запрессованный в паз.
Одинаковые части на всех фигурах снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями.
На фиг.1 показан корпус 1 для электродвигателя на виде сверху. Корпус 1 изготовлен в виде отливки, но альтернативно может быть также изготовлен из стали. Он включает в себя одностенную оболочку 2, которая выполнена по существу в форме боковой поверхности цилиндра. На осевых концах цилиндра расположены крышки 4 подшипников, которые образуют закрывающую поверхность или, соответственно, поверхность основания цилиндра. В осевых краевых областях оболочка 2 переходит в квадратную форму, чтобы обеспечить возможность крепления крышек 4 подшипников. При этом боковая длина квадратных в поперечном сечении осевых концевых областей превышает периметр цилиндра оболочки.
Боковая поверхность осевой концевой области образует при этом установочную кромку, на которую устанавливается корпус. Для этого дополнительно на нижней стороне в области кромок на обеих сторонах предусмотрены четыре опорные ножки 5. Крышки 4 подшипников включают в себя центральное круглое отверстие 6 для опоры не показанного ротора электродвигателя. В области каждого из углов крышек 4 подшипников расположены крепежные отверстия 8, с помощью которых фиксируются крышки 4 подшипников. Через центральное отверстие 6 виден пакет 10 листов статора, который ниже еще будет поясняться детально.
Корпус 1 включает в себя четыре выпучивающиеся наружу в радиальном направлении выемки 12 в цилиндрической части, которые распространяются прямо в осевом направлении. Выемки 12 выполнены одинаково и заканчиваются каждая в области углов крышек 4 подшипников или, соответственно, осевых концевых областей корпуса 1.
На фиг.2 показан корпус 1 без пакета 10 листов статора и крышек 4 подшипников из того же направления взгляда, что и на фиг.1, при этом на правой стороне фиг.2 часть корпуса вырвана. На фиг.2 показан переход корпуса 1 от цилиндрической к квадратной форме поперечного сечения в направлении осевых концов. В углах на осевых концах выполнены отверстия 14.
На фиг.3 показан корпус 1 с пакетом 10 листов статора и крышками 4 подшипников, при этом на правой стороне фиг.3 часть корпуса 1 тоже вырвана и открывает вид на пакет 10 листов статора. Пакет 10 листов статора построен по существу в форме полого цилиндра и на внутренней стороне имеет пазы 16 для катушечных обмоток статора. Соответственно этому электродвигатель выполнен для внутренних постоянных магнитов или асинхронного ротора.
Кроме того, пакет 10 листов статора включает в себя распространяющиеся на наружной стороне в осевом направлении пазы 18 и углубления 20. Пазы 18 выполнены в виде зажимных пазов, в которые введены каналы 22 охлаждения, в которых направляется охлаждающая вода. Каналы 22 охлаждения изготовлены из нержавеющей стали, меди или алюминия. Каналы 22 охлаждения распространяются по пазу 18, до присоединения после осевого выхода из пакета 10 листов статора полукруглой части, которая снова впадает в другой паз 18. Таким образом, каналы 22 охлаждения меандрообразно извиваются вокруг пакета 10 листов статора. Углубления 20 являются частью не показанного подробнее циркуляционного контура охлаждения ротора.
Принцип действия охлаждения поясняется ниже. Охлаждающий воздух направляется в выемки 12. Выемки 12 непосредственно примыкают к пакету 10 листов статора и частично находятся также в непосредственном контакте с каналами 22 охлаждения и углублениями 20. При этом охлаждающая вода охлаждается в каналах 22 охлаждения для охлаждения статора. Углубления 20 частично находятся в непосредственном контакте с выемками 12 частично теплообмен происходит через пакет 10 листов статора. Так как углубления 20 являются частями циркуляционного контура охлаждения ротора, таким образом также достигается эффективное охлаждение.
На фиг.4 показан на виде сверху пакет 10 листов статора, имеющий пазы 16 на внутренней стороне для катушечных обмоток, пазы 18 на наружной стороне для каналов 22 охлаждения и углубления 20 на наружной стороне для внутреннего циркуляционного контура охлаждения ротора.
На фиг.5 показан корпус 1 с пакетом 10 листов статора с вставленными каналами 22 в радиально-азимутальном сечении в осевой, квадратной концевой области. При этом на правой стороне часть корпуса 1 снова вырвана. На фиг.5 еще раз показано положение пакета 10 листов статора заподлицо в цилиндрической части оболочки 2, а также контакт выемок 12 в оболочке 2 с каналами 22 охлаждения и углублениями 20 в пакете листов.
На фиг.6 показан вид сверху корпуса 1 с расположенным на нем насадным охладителем 24. Насадной охладитель 24 имеет примерно те же размеры, что и корпус 1, и насажен на него. Насадной охладитель 24 выполнен в виде теплообменника воздух/воздух или воздух/вода.
На фиг.7 в качестве примера показано крепление канала 22 охлаждения в пазу 18. Паз 18 выполнен в виде зажимного паза и при этом сужается в направлении своего выхода. Таким образом, паз 18 имеет отверстие, которое образуется узким местом паза 18. Канал 22 охлаждения, который имеет больший диаметр, чем ширина отверстия в окружном направлении, запрессовывается в паз 18 через узкое место. Для лучшей теплопередачи между пакетом 10 листов статора и каналом 22 охлаждения при запрессовке каналов 22 охлаждения на канал 22 охлаждения действует большая сила. При этом канал 22 охлаждения деформируется с той стороны, которая обращена к выходу паза 18, так что получается запрессованный, проходящий в направлении основной протяженности канала 22 охлаждения паз 26.