ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, ИМЕЮЩАЯ РОТОР ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
ELECTRIC MACHINE WITH ROTOR FOR ELECTRIC MACHINE COOLING

Изобретение касается электрической машины, в частности асинхронной машины, имеющей ротор для охлаждения электрической машины. Кроме того, изобретение касается системы охлаждения для охлаждения электрической машины и транспортного средства, которое включает в себя систему охлаждения для охлаждения электрической машины.
Электрическая машина применяется для преобразования электрической энергии в механическую энергию и наоборот.
При преобразовании механической энергии в электрическую энергию электрическая машина применяется в качестве генератора.
При преобразовании электрической энергии в механическую энергию электрическая машина применяется в качестве двигателя.
В обоих случаях хотят достичь высокого коэффициента полезного действия при высокой удельной мощности. Высокий коэффициент полезного действия необходим, чтобы обеспечить возможность поставки энергии по оптимальной стоимости и со сбережением ресурсов. Высокая удельная мощность необходима, так как хотят изготавливать электрические машины с низким расходом материала при более низких затратах или, в случаях применения электрической машины с повышенными требованиями к весу, строить ее с более низкой массой.
Примерами случаев применения с повышенными требованиями к весу являются те случаи применения, в которых несущая структура для электрической машины является дорогостоящей, или в этом случае применения электрическая машина транспортируется с места на место.
В качестве двух примеров случаев применения с повышенными требованиями к весу здесь следует назвать ветровые энергетические установки или транспортные средства с электрическим приводом.
Для достижения высокого коэффициента полезного действия при высокой удельной мощности совершенствуются принципы и конструкции электрических машин, а также их охлаждение.
Поэтому в основе изобретения лежит задача, предоставить электрическую машину с возможностью эффективного охлаждения.
Эта задача решается с помощью электрической машины с признаками по п. 1 формулы изобретения.
Предлагаемая изобретением электрическая машина, которая, в частности, представляет собой асинхронную машину, включает в себя
- статор,
- опертый с возможностью вращения вокруг оси вращения ротор, который при эксплуатации электрической машины находится в магнитном взаимодействии со статором,
- вал, на котором закреплен ротор и который имеет осевое сверление,
- подводящий элемент, который распространяется в осевое сверление так, что охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, может течь из подводящего элемента в осевое сверление.
Эта задача решается также с помощью системы охлаждения с признаками по п. 9 формулы изобретения.
Предлагаемая изобретением система охлаждения включает в себя предлагаемую изобретением электрическую машину и циркуляционный контур охлаждающего средства для перемещения охлаждающего средства, в частности охлаждающей жидкости, через осевое сверление.
Кроме того, задача решается с помощью транспортного средства по п. 10 формулы изобретения. Предлагаемое изобретением транспортное средство включает в себя предлагаемую изобретением систему охлаждения.
Предлагаемая изобретением электрическая машина имеет статор и опертый с возможностью вращения вокруг оси вращения ротор. Ротор закреплен на валу; вал оперт с возможностью вращения с помощью подшипников в корпусе электрической машины. В качестве подшипников могут, например, применяться подшипники скольжения или подшипники качения. У подшипников качения опирание с возможностью вращения осуществляется посредством тел качения, которые расположены между внутренним и наружным кольцом. Внутреннее кольцо при этом установлено на валу, а наружное кольцо установлено в корпусе электрической машины так, чтобы вал был оперт в корпусе с возможностью вращения. У шарикоподшипника, например, тела качения представляют собой шарики. Для уменьшения трения между внутренним кольцом и телами качения или, соответственно, наружным кольцом и телами качения могут применяться смазочные средства.
У подшипника скольжения наружное кольцо вращается относительно внутреннего кольца. При этом могут применяться смазочные средства для уменьшения трения между наружным и внутренним кольцом.
При эксплуатации электрической машины ротор может приводиться во вращение, и благодаря магнитному взаимодействию между ротором и статором механическая энергия преобразуется в электрическую. Электрическая энергия может отбираться на обмотке в статоре путем подключения электрического потребителя.
При эксплуатации электрической машины через обмотку статора может также подводиться электрическая энергия и благодаря магнитному взаимодействию между статором и ротором преобразовываться в механическую энергию. При этом ротор приводится во вращение, и на валу механическая энергия может отдаваться механическому потребителю в форме вращательного движения.
Чтобы обеспечить возможность магнитного взаимодействия между статором и ротором при эксплуатации электрической машины, ротор имеет постоянные магниты, или он имеет обмотку, с помощью которой может создаваться магнитное поле. Обмотка ротора может состоять из нескольких витков или, как в случае асинхронного двигателя, из одного витка. Обмотка может быть соединена с электрическим контуром тока или быть короткозамкнутой. Одним из примеров электрической машины с короткозамкнутой обмоткой на роторе является асинхронная машина, имеющая короткозамкнутый ротор, при этом короткозамкнутый ротор имеет функцию ротора.
Статор может иметь несколько обмоток, которые расположены на статоре в окружном направлении. С помощью этих обмоток при эксплуатации электрической машины может создаваться вращающееся магнитное поле. При применении электрической машины в качестве двигателя, т.е. для преобразования электрической энергии в механическую энергию, обмотки могут снабжаться электрической энергией со сдвигом фаз, чтобы так простым образом приводить ротор во вращательное движение. Настройка обмоток может осуществляться путем отбора электрической энергии из сети трехфазного тока или из преобразователя. Преобразователь позволяет настраивать обмотки статора с любым сдвигом фаз и разными частотами электрических токов или, соответственно, напряжений, так что частота вращения вала при эксплуатации электрической машины может изменяться.
Ротор может также иметь несколько обмоток, если это необходимо для магнитного взаимодействия со статором или для пуска электрической машины в эксплуатацию, для поддержания эксплуатации или для останова электрической машины.
При применении электрической машины в качестве генератора могут применяться те же самые системы обмоток, что и у электрической машины, которая применяется в качестве двигателя.
Для достижения эффективного охлаждения электрической машины вал имеет осевое сверление. Под «осевым» понимается при этом направление по оси вращения вала. Посредством подводящего элемента, который распространяется в осевое сверление, охлаждающее средство может течь в осевое сверление. Так можно также достигать эффективного охлаждения у электрической машины путем применения охлаждающей жидкости в качестве охлаждающего средства. Применение охлаждающей жидкости вследствие высокой теплоемкости обеспечивает возможность улучшенного отвода отходящего тепла, создаваемого электрической машиной, по сравнению с охлаждением газом, например воздухом.
Кроме того, у предлагаемой изобретением электрической машины предпочтительно, что подводящий элемент и осевое сверление обеспечивают возможность эффективного охлаждения электрической машины посредством охлаждающей жидкости без соприкосновения охлаждающей жидкости с частями электрической машины, которые при эксплуатации электрической машины проводят электрический ток. Контакт охлаждающей жидкости с токоведущими компонентами электрической машины негативно влиял бы на эксплуатацию электрической машины или совсем разрушил бы ее, так как охлаждающие жидкости, как правило, обладают определенной электрической проводимостью.
Кроме того, предотвращается, чтобы охлаждающая жидкость вследствие ее массы препятствовала вращательному движению ротора при эксплуатации электрической машины. Это происходило бы, например, тогда, когда охлаждающая жидкость находилась бы между ротором и статором.
Кроме того, предпочтительно снабдить электрическую машину подводящим элементом и осевым сверлением в валу, когда конструкция ротора электрической машины приводит к повышенному нагреву ротора при эксплуатации, в частности при определенном рабочем состоянии. Рабочее состояние с повышенным нагревом ротора может, например, наступать при начале эксплуатации, при рабочей фазе, которая требует повышенной отдачи энергии, или в конце эксплуатации электрической машины.
Так, в частности, у асинхронной машины предпочтительно, если она имеет вал, снабженный осевым сверлением, и подводящий элемент распространяется в осевое сверление, так что ротор может охлаждаться охлаждающей жидкостью.
Предлагаемая изобретением система охлаждения, наряду с уже приведенными преимуществами, обладает, в частности, также тем преимуществом, что охлаждение предлагаемой изобретением электрической машины охлаждающим средством может осуществляться независимо от ее эксплуатации или рабочего состояния.
Предлагаемое изобретением транспортное средство, наряду с уже приведенными преимуществами обладает, в частности, также тем преимуществом, что у неподвижного транспортного средства или у транспортного средства с пониженной скоростью недостаточное для электрической машины или, соответственно, отсутствующее охлаждение встречным потоком воздуха может компенсироваться с помощью охлаждения посредством системы охлаждения. Это возможно благодаря тому, что система охлаждения у предлагаемой изобретением электрической машины может охлаждать даже неподвижный ротор, так как охлаждающее средство может перемещаться независимо от частоты вращения ротора, т.е. независимо от эксплуатации электрической машины, через подводящий элемент и осевое сверление ротора. Это относится также к случаю, когда электрическая машина используется для привода транспортного средства.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Так, предпочтителен один из вариантов осуществления предлагаемой изобретением электрической машины, при котором электрическая машина включает в себя камеру, которая расположена на открытом конце вала так, что охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, может течь из осевого сверления в эту камеру, и камера в осевом направлении ограничена осевым обрамлением, которое обеспечивает возможность спиралеобразного направления охлаждающего средства, в частности охлаждающей жидкости, вокруг оси вращения в выход охлаждающего средства. Охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, вследствие вращения ротора при эксплуатации электрической машины испытывает завихрение. Это завихрение предпочтительно используется осевым обрамлением, чтобы направлять охлаждающее средство, в частности охлаждающую жидкость, по осевому обрамлению в выход охлаждающего средства. Таким образом, не нужна или нужна меньшая энергия, чтобы охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, могло течь через электрическую машину, в частности ротор. Тем самым достигается более эффективное охлаждение электрической машины.
Этот вариант осуществления обеспечивает возможность эффективного охлаждения также у электрических машин, которые эксплуатируются в двух направлениях вращения вокруг оси вращения. Эксплуатация электрической машины в определенном случае применения происходит, как правило, с большей долей времени в одном из двух направлений вращения. Осевое обрамление может быть выполнено так, чтобы это осевое обрамление для направления вращения с большей долей времени обеспечивало возможность спиралеобразного направления охлаждающего средства, в частности охлаждающей жидкости, вокруг оси вращения в выход охлаждающего средства.
Осевое обрамление в осевом направлении находится с противоположной осевому сверлению стороны камеры, чтобы там ограничивать камеру таким образом, чтобы охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, не могло выходить из камеры с противоположной стороны в осевом направлении.
Выход охлаждающего средства может быть расположен в радиальном обрамлении камеры, чтобы осевое обрамление при содействии центробежной силы направляло охлаждающее средство, в частности охлаждающую жидкость, в выход охлаждающего средства.
Выход охлаждающего средства может распространяться через вырез в радиальном обрамлении камеры в камеру. Так охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, может направляться в выход охлаждающего средства через осевое обрамление без содействия центробежной силы.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины подводящий элемент имеет осевое отверстие. Так охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, может входить в камеру или осевое сверление в осевом направлении параллельно оси вращения.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины подводящий элемент имеет впускную трубу, которая распространяется в осевое сверление.
В частности, впускная труба распространятся в осевое сверление настолько, чтобы при охлаждении охлаждающей жидкостью охлаждающая жидкость текла из подводящего элемента вблизи компонентов, которые расположены вокруг второго конца, в осевом направлении противоположного открытому концу вала, и охлаждаются практически так же хорошо, как и компоненты, которые находятся вблизи открытого конца вала. Это компоненты, которые нуждаются в охлаждении, так как при слишком сильном нагреве они приводят к электрической или механической неисправности электрической машины. В качестве примера компонента, нагрев которого может приводить к механической неисправности, можно привести подшипник для опирания ротора на втором конце вала. В качестве примера компонента, нагрев которого может приводить в электрической неисправности, можно привести обмотку ротора.
Когда впускная труба должна распространяться далеко в осевое сверление, это предпочтительно простым образом достигается за счет того, что подводящий элемент выполнен в виде впускной трубы.
Предпочтительно осевое сверление закрыто вблизи второго конца. Тогда второй конец является закрытым концом. Это позволяет охлаждающей жидкости при охлаждении электрической машины через впускную трубу до закрытого конца осевого сверления и оттуда через канал выходить из осевого сверления на открытом конце вала, причем этот канал образуется обрамлением осевого сверления и наружной поверхностью впускной трубы. В частности, наружная поверхность впускной трубы с обрамлением осевого сверления может образовывать полый цилиндрический канал. Этот полый цилиндрический канал может распространяться на конце вала в камеру, которая может представлять собой концентрическую полому цилиндрическому каналу полую цилиндрическую камеру для вмещения охлаждающей жидкости, текущей из осевого сверления. При этом выход охлаждающего средства может по меньшей мере частью своего поперечного сечения распространяться через вырез радиального обрамления полой цилиндрической камеры в полую цилиндрическую камеру. Так, охлаждающая жидкость через осевое обрамление может направляться в выход охлаждающего средства без содействия центробежной силы. Охлаждающая жидкость выходит, в частности, из полго цилиндрического канала или полой цилиндрической камеры через выход охлаждающего средства.
Было установлено, что предлагаемая изобретением электрическая машина с возрастающей частотой вращения ротора не оказывает текущей охлаждающей жидкости большего сопротивления, а это сопротивление даже уменьшается.
Так можно эффективно охлаждать предлагаемую изобретением электрическую машину при высокой частоте вращения ротора, в частности в пределах от прибл. 4000 об/мин до 20000 об/мин. Вследствие высокой частоты вращения ротора электрическая машина может отдавать большую мощность при небольшом конструктивном объеме. Охлаждающая жидкость, в зависимости от потребности электрической машины в охлаждении, нагнетается в осевое сверление через впускную трубу. Вследствие того известного факта, что предлагаемая изобретением электрическая машина с возрастающей частотой вращения ротора, в частности при высоких частотах вращения, вызывает в охлаждающей жидкости меньшую потерю давления, охлаждающая жидкость может течь от открытого конца осевого сверления до далеко отстоящего второго закрытого конца, там изменять свое направление и снова течь назад к открытому концу вала, без того, чтобы при высоких частотах вращения это приводило к более высокой затрате энергии на нагнетание охлаждающей жидкости. При этом возможно эффективное охлаждение электрической машины. Вследствие меньших потерь давления возможна также недорогостоящая конструкция, так как охлаждающая жидкость только с одной стороны втекает в опертый с возможностью вращения вал или, соответственно, вытекает из него.
Впускная труба вследствие своей простой формы может изготавливаться при низких затратах. Даже в состоянии останова двигателя, т.е. когда ротор не движется, охлаждающая жидкость может беспрепятственно нагнетаться через впускную трубу и осевое сверление, и при этом предоставляется возможность эффективного охлаждения в состоянии останова электрической машины.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины наружная поверхность впускной трубы представляет собой гладкую поверхность. Вследствие меньшего трения между охлаждающей жидкостью и наружной поверхностью впускной трубы эффективность охлаждения дополнительно улучшается.
При низких затратах это может, например, достигаться за счет того, что впускная труба представляет собой деталь, отлитую под давлением.
Впускная труба может быть также изготовлена так, чтобы средняя арифметическая шероховатость наружной поверхности была лучше 50 мкм, в частности лучше 3,2 мкм.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины внутренняя поверхность впускной трубы представляет собой гладкую поверхность. Так достигается меньшее трение между нагнетаемой через впускную трубу охлаждающей жидкостью и внутренней поверхностью. При этом предоставляется возможность охлаждения с улучшенной эффективностью.
Соответствующая внутренняя поверхность впускной трубы становится возможной при изготовлении впускной трубы, которое обеспечивает среднюю арифметическую шероховатость наружной поверхности лучше 50 мкм, в частности лучше 3,2 мкм.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины впускная труба обладает высокой теплопроводностью. Текущее в канале обратно охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, вследствие своего непосредственного контакта с обрамлением осевого сверления поглощает отходящее тепло ротора. Чем ближе охлаждающее средство подходит в канале к открытому концу осевого сверления, тем выше его температура и тем меньше отходящего тепла может оно поглощать от ротора через вал. Это приводит к тому, что электрическая машина по меньшей мере при эксплуатации имеет различные температуры по своей осевой протяженности. Так как впускная труба обладает высокой теплопроводностью, охлаждающее средство в канале может также непосредственным путем через впускную трубу передавать отходящее тепло охлаждающему средству, которое находится во впускной трубе. При этом достигается более равномерное распределение температуры электрической машины по ее осевой протяженности и вместе с тем обеспечивается возможность более эффективного охлаждения. Для этого впускная труба должна обладать теплопроводностью, которая по меньшей мере соответствует теплопроводности вала или лучше. В частности, впускная труба должна состоять из материала, который обладает удельной теплопроводностью, соответствующей удельной теплопроводности материала вала или лучшей. Так, например, для вала может применяться сталь, а для впускной трубы - алюминий.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины закрытый конец осевого сверления имеет передаточный элемент, который на обращенной к подводящему элементу стороне имеет выемку для изменения направления охлаждающего средства, в частности охлаждающей жидкости. Посредством передаточного элемента снижается падение давления в циркуляционном контуре охлаждающего средства, который включает в себя подводящий элемент и осевое сверление, так как сдерживаются турбулентности в охлаждающем средстве. При меньшем падении давления в циркуляционном контуре охлаждающего средства необходима более низкая мощность насоса для охлаждающего средства, и, таким образом, экономится энергия. Когда подводящий элемент имеет впускную трубу, выемка может быть кольцеобразной.
Для варианта осуществления, в котором подводящий элемент имеет впускную трубу, предпочтительна выемка, вращательно-симметричная относительно оси вращения.
В частности, предпочтительно выполнить выемку так, чтобы центробежная сила содействовала изменению направления охлаждающего средства. Это может обеспечиваться посредством того, чтобы обрамление выемки было ориентировано так, чтобы на выдавливаемые наружу центробежной силой частички охлаждающего средства действовала осевая компонента движения.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины передаточный элемент обладает высокой теплопроводностью. Так как передаточный элемент находится на валу в положении, которое должно выполнять более низкие требования в отношении механической прочности, для передаточного элемента может выбираться материал более высокой теплопроводности, независимо от требования к прочности. Толщина передаточного элемента, т.е. его протяженность в направлении оси вращения, также может выбираться очень большой, так что по поперечному сечению передаточного элемента также может достигаться высокая теплопроводность.
Так, в качестве материала для передаточного элемента может применяться медь.
Под высокой теплопроводностью здесь также понимается, что передаточный элемент проводит тепло так же хорошо или лучше, чем вал. При одинаковом поперечном сечении передаточного элемента и вала, через которое протекает отходящее тепло, это означало бы, что удельная теплопроводность материала передаточного элемента равна или лучше удельной теплопроводности материала вала.
Предпочтительно передаточный элемент может содержать материал, который не только обладает более высокой удельной теплопроводностью, чем материал вала, но и более высоким коэффициентом теплового расширения. Тем самым достигается, что при повышенных температурах передаточный элемент расширяется сильнее, чем вал, и при этом при повышенных температурах имеется лучший контакт между передаточным элементом и валом. Тем самым достигается лучшая теплопередача.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины ротор включает в себя пакет активной стали из первого материала и прилитое закорачивающее кольцо из второго материала, которое обладает большей удельной теплопроводностью, чем удельная теплопроводность первого материала, причем это прилитое закорачивающее кольцо имеет область крепления, которая непосредственно соединена с валом. Первый материал пакета активной стали ротора задан электромагнитными свойствами электрической машины. Для пакета активной стали применяются, как правило, листы электротехнической стали. В качестве первого материала применяются, как правило, сплавы железа и кремния. Однако было обнаружено, что закорачивающее кольцо может включать в себя второй материал, удельная теплопроводность которого меньше, чем удельная теплопроводность первого материала, без ухудшения электромагнитных свойств электрической машины. В частности, было обнаружено, что предпочтительно применять закорачивающее кольцо для передачи отходящего тепла ротора на вал.
Предпочтительно второй материал представляет собой алюминий.
Предпочтительно также, если закорачивающее кольцо в осевом направлении находится в непосредственной близости к передаточному элементу. Так коротким путем с помощью материалов высокой теплопроводности отходящее тепло может передаваться охлаждающему средству в осевом сверлении.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины область крепления расположена между стяжным кольцом и валом. Так как стяжное кольцо с возрастающим нагревом растягивается в меньшей мере, чем область крепления прилитого закорачивающего кольца, стяжное кольцо прижимает область крепления к валу. Так, в частности при высоких температурах, сохраняется поверхность соприкосновения между прилитым закорачивающим кольцом и валом. При этом отходящее тепло ротора может предпочтительно передаваться на вал. Это обеспечивает возможность эффективного охлаждения.
Предпочтительно стяжное кольцо из материала, который имеет по меньшей мере вдвое меньший коэффициент линейного расширения, чем второй материал. В качестве примера здесь можно привести стяжное кольцо из стали.
Кроме того, предпочтительно стяжное кольцо имеет балансировочное сверление. У ротора электрической машины во многих случаях должен компенсироваться дисбаланс, который вызывается несимметричным распределением массы. Стяжное кольцо предпочтительно позволяет получить определенную массу по периметру ротора, так что по периметру стяжного кольца может определяться место, в котором при удалении массы может устраняться дисбаланс. Удаление массы может предпочтительно осуществляться путем сверления отверстия надлежащей глубины.
Предпочтительно возможность эффективного охлаждения посредством отвода отходящего тепла из ротора через область крепления прилитого закорачивающего кольца может использоваться у ротора, у которого в пазах пакета активной стали заложены медные стержни. Эти медные стержни обладают высокой теплопроводностью, так что отходящее тепло предпочтительно передается от медных стержней в закорачивающее кольцо, и оттуда предлагаемым изобретением путем через область крепления может передаваться в охлаждающее средство.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины на валу установлены уплотнение и камера утечек так, что уплотнение может препятствовать втеканию охлаждающего средства, в частности охлаждающей жидкости, в камеру утечек до некоторой остаточной утечки. Уплотнение и камера утечек обеспечивают возможность охлаждения электрической машины охлаждающей жидкостью в качестве охлаждающего средства и, таким образом, эффективное охлаждение. Уплотнение на валу должно, с одной стороны, предотвращать проникновение охлаждающей жидкости, а с другой стороны, не препятствовать вращательному движению вала. Это требования, взаимно исключающие друг друга. В частности, когда ротор и вместе с тем вал вращается с высокой частотой вращения, т.е. от 4000 до 20000 об/мин, уплотнение подвергается высокому износу или препятствует вращательному движению ротора, когда оно состоит из дорогого износостойкого материала.
Могут применяться все варианты известных уплотнений. Уплотнение может быть выполнено, например, в виде радиального уплотнения вокруг оси вращения или в виде осевого уплотнения на открытом конце вала. Для уплотнения может также применяться, например, уплотнительная система, которая включает в себя несколько частей, взаимодействующих, чтобы препятствовать втеканию охлаждающего средства, в частности охлаждающей жидкости, в камеру утечек до некоторой остаточной утечки.
При расположении камеры утечек позади уплотнения при этих требованиях становится возможным, обеспечить эффективное охлаждение охлаждающей жидкостью. Потому что охлаждающая жидкость, которая в виде остаточной утечки проникает между уплотнением и валом, попадает в камеру утечек. Вероятность, что охлаждающая жидкость вызовет механическую неисправность в подшипниках или электрическую неисправность в обмотке ротора и статора, снижается. Таким образом, у электрической машины, несмотря на применение охлаждающей жидкости, которая течет внутри вала, можно гарантировать достаточный срок службы для работы электрической машины.
Камера утечек может иметь размер, который, в зависимости от уплотнения, рассчитан так, чтобы в течение предписанного срока службы он мог вмещать охлаждающую жидкость, проходящую между уплотнением и валом. Так, камера утечек может предпочтительно препятствовать проникновению охлаждающей жидкости в корпус, в частности подшипники, обмотку ротора или в обмотку статора, без необходимости наличия в камере утечек отверстия для стекания охлаждающей жидкости.
Камера утечек может также иметь отверстие для стекания охлаждающей жидкости. При этом камера утечек может выполняться меньше, и нет необходимости знать предполагаемый срок службы электрической машины для выбора соответствующих размеров камеры утечек.
Камера утечек может также иметь удаляемую пробку. При этом предпочтительно до переполнения камеры утечек скопившаяся там охлаждающая жидкость может сливаться путем удаления пробки. Пробка может удаляться перед угрожающим переполнением камеры утечек или в рамках технического обслуживания, чтобы заставить возможно скопившуюся охлаждающую жидкость сливаться из электрической машины. Затем камера утечек может снова закрываться пробкой.
Камера утечек может быть частично обрамлена компонентами электрической машины. Примерами этих компонентов являются подшипниковый щит или обойма уплотнения. Также диафрагма в качестве разделителя относительно пространства, в котором расположен подшипник, может обрамлять камеру утечек. Тогда эта диафрагма предпочтительно образует дополнительное препятствие, которое должна преодолевать охлаждающая жидкость, чтобы попадать в подшипник, к ротору или к статору. Диафрагма может быть закреплена в корпусе электрической машины, держателе подводящего элемента или подшипниковом щите с геометрическим замыканием или с силовым замыканием. Диафрагма может быть также цельно соединена с корпусом, держателем подводящего элемента или подшипниковым щитом. Диафрагма может быть выполнена в виде закрывающего диска.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины уплотнение установлено на валу так, что на обращенную к текучей среде поверхность уплотнения может действовать текучая среда, уменьшая втекание остаточной утечки.
Текучая среда может действовать на обращенную к текучей среде поверхность так, чтобы уплотнение прижималось к валу. Когда уплотнение представляет собой уплотнительную систему, которая включает в себя несколько частей, взаимодействующих, чтобы препятствовать втеканию охлаждающего средства, в частности охлаждающей жидкости, в камеру утечек до некоторой остаточной утечки, текучая среда может действовать на обращенную к текучей среде поверхность так, чтобы разные части прижимались друг к другу.
Когда охлаждающая жидкость из-за удерживающего элемента не может действовать на обращенную к текучей среде поверхность уплотнения, текучая среда представляет собой газ, в частности воздух, который находится в полости между удерживающим элементом и уплотнением. В этом случае удерживающий элемент находится между открытым концом осевого сверления и полостью. Удерживающий элемент препятствует или, соответственно, уменьшает проникновение охлаждающей жидкости в полость. Удерживающий элемент может представлять собой уплотнение, в частности уплотнение зазора.
Если удерживающего элемента нет, охлаждающая жидкость направляется по уплотнению и прижимает его к валу. В этом случае текучая среда представляет собой охлаждающую жидкость.
В обоих случаях с возрастающей частотой вращения ротора, в частности при высоких частотах вращения двигателя, осуществляется усиленное давление текучей среды на уплотнение.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины камера утечек по меньшей мере частично обрамлена радиальной поверхностью вала, и на радиальной поверхности вала имеется отбрасывающий диск. Отбрасывающий диск соединен с валом так, что при вращении вала он приводится в движение. При движении отбрасывающего диска охлаждающая жидкость, которая проникает между уплотнением и валом, отбрасывается к обрамлению камеры утечек, так что охлаждающая жидкость не может проникать в электрическую машину, в частности, в подшипник, ротор или статор. На обрамлении камеры утечек скапливается проникнувшая охлаждающая жидкость, которая может там храниться или может стекать через отверстие камеры утечек.
Отбрасывающий диск выполнен, в частности, так, что охлаждающая жидкость, в частности капли охлаждающей жидкости, центробежной силой, возникающей при вращении отбрасывающего диска, перемещаются радиально к наружному краю отбрасывающего диска и там отбрасываются отбрасывающим диском.
Охлаждающая жидкость или капли охлаждающей жидкости могут, в частности, попадать на отбрасывающий диск, когда они текут по радиальной поверхности вала до отбрасывающего диска.
Отбрасывающий диск может быть выполнен за счет разности диаметров в валу. Эта разность диаметров может быть выполнена с помощью пазов или уступов в валу. Они могут быть очень просто созданы на валу на токарном станке.
Отбрасывающий диск может также иметь больший диаметр и при этом дополнительно закрывать подшипник или отверстия во внутреннее пространство электрической машины, подобно экрану.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины в направлении взгляда от открытого конца вала по оси вращения перед ротором расположено уплотнение, а позади уплотнения камера утечек, при этом камера утечек по меньшей мере частично обрамлена радиальной поверхностью вала и уплотнения. Благодаря тому, что позади уплотнения расположена камера утечек, которая по меньшей мере частично обрамлена радиальной поверхностью вала и уплотнения, обеспечивается возможность компактного охлаждения электрической машины охлаждающей жидкостью в качестве охлаждающего средства. Так достигается более эффективное охлаждение электрической машины.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением электрической машины уплотнение установлено на валу так, что текучая среда может действовать на обращенную к текучей среде поверхность уплотнения, которая находится ближе к открытому концу осевого сверления, чем обращенная к камере утечек поверхность уплотнения, так что текучая среда может прижимать уплотнение к валу. Благодаря тому, что текучая среда прижимает уплотнение к валу, меньшее количество охлаждающей жидкости может попадать между уплотнением и валом и так входить в камеру утечек.
Когда охлаждающая жидкость из-за удерживающего элемента не может действовать на обращенную к текучей среде поверхность уплотнения, эта текучая среда представляет собой газ, в частности воздух, который находится в полости между удерживающим элементом и уплотнением. В этом случае удерживающий элемент находится между открытым концом осевого сверления и полостью. Удерживающий элемент препятствует или, соответственно, уменьшает проникновение охлаждающей жидкости в полость. Удерживающий элемент может представлять собой уплотнение, в частности уплотнение зазора.
Если удерживающего элемента нет, охлаждающая жидкость направляется по уплотнению и прижимает его к валу. В этом случае текучая среда представляет собой охлаждающую жидкость.
В обоих случаях с возрастающей частотой вращения ротора, в частности при высоких частотах вращения двигателя, осуществляется усиленное давление текучей среды на уплотнение.
В обоих случаях также уплотнение тем сильнее прижимается к валу, чем выше давление в охлаждающей жидкости.
Уплотнение на обращенной к текучей среде поверхности может иметь выемки, которые улучшают прижатие уплотнения к валу текучей средой.
Уплотнение может также иметь изогнутые области, которые обеспечивают возможность улучшенного прижатия уплотнения к валу текучей средой. Изогнутые области могут также представлять собой запасы, которые подстраиваются при износе уплотнения, так чтобы уплотнение, несмотря на износ, все еще хорошо прилегало к валу.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением системы охлаждения циркуляционный контур охлаждающего средства включает в себя насос для охлаждающего средства для перемещения охлаждающего средства от насоса для охлаждающего средства к входу охлаждающего средства электрической машины и от выхода охлаждающего средства электрической машины к насосу для охлаждающего средства. Так охлаждающее средство может перемещаться насосом для охлаждающего средства, независимо от эксплуатации электрической машины. Так с помощью насоса для охлаждающего средства может устанавливаться необходимая для эффективного охлаждения скорость течения охлаждающего средства, т.е. расход охлаждающего средства, для отвода отходящего тепла.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемой изобретением системы охлаждения охлаждающее средство включает в себя воду и антифриз. При этом благодаря высокой теплоемкости охлаждающего средства достигается эффективное охлаждение. Даже при низких температурах при этом достаточно небольшого количества энергии для перемещения охлаждающего средства. Это обеспечивает возможность эффективного охлаждения электрической машины.
Предпочтительным является антифриз, который предотвращает или только в ограниченной мере допускает коррозию системы охлаждения, в частности в электрической машине. Так, в частности, антифриз может сдерживать или предотвращать коррозию компонентов электрической машины, материалом которых является сталь.
Один из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением транспортного средства включает в себя предлагаемую изобретением систему охлаждения.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения становятся яснее и отчетливее понятны в контексте последующего описания примеров осуществления, которые изображены и поясняются подробнее на фигурах. Показано:
фиг. 1: первый пример осуществления электрической машины;
фиг. 2: измеренное падение давления в зависимости от частоты вращения у системы охлаждения в предлагаемой изобретением электрической машине;
фиг. 3: увеличенная отдельная область фиг. 1 вокруг открытого конца вала;
фиг. 4: другой пример осуществления электрической машины, при этом показана область вокруг открытого конца вала;
фиг. 5: один из примеров осуществления системы охлаждения;
фиг. 6: один из примеров осуществления транспортного средства.
На фиг. 1 показан один из примеров осуществления электрической машины 1, которая включает в себя статор 2 и ротор 4. Статор 2 закреплен в корпусе 101. Ротор 4 оперт с возможностью вращения вокруг оси 3 вращения, при этом вал 5 оперт посредством подшипника 8 в корпусе 101. Подшипник 8 в этом примере осуществления представляет собой шарикоподшипник.
Для охлаждения в качестве охлаждающего средства 15 применяется охлаждающая жидкость 15, которая состоит из воды и глисантина G30 в соотношении 50:50.
Вал 5, на котором закреплен ротор 4, имеет осевое сверление 6. Подводящий элемент 7 распространяется от открытого конца вала 5 в осевое сверление 6 так, что охлаждающая жидкость 15 может течь из подводящего элемента 7 в осевое сверление 6. Подводящий элемент 7 имеет впускную трубу 9, которая закреплена в держателе 37 подводящего элемента 7. Держатель 37 закреплен на корпусе 101 электрической машины 1.
Стрелка 21 задает осевое направление электрической машины 1. Стрелка 22 задает радиальное направление электрической машины 1.
Для охлаждения электрической машины 1 охлаждающая жидкость 15 течет через вход 34 охлаждающего средства во впускную трубу 9. Во впускной трубе 9 охлаждающее средство 15 течет в направлении закрытого конца осевого сверления 6, где оно выходит из впускной трубы 9 и изменяет свое направление посредством передаточного элемента 13. Передаточный элемент 13 имеет для этого выемку 14, которая выполнена вращательно-симметрично относительно оси 3 вращения, так что охлаждающая жидкость имеет только небольшие турбулентности, обусловленные изменением направления охлаждающей жидкости. Передаточный элемент 13 из алюминия, так что он может в хорошей мере передавать отходящее тепло, которое он поглотил на обрамлении 12 осевого сверления 6 или на закрытом конце осевого сверления 6, охлаждающей жидкости 15. Вал 5 традиционным образом был изготовлен из стали. Вследствие большего коэффициента теплового расширения передаточного элемента 13 по сравнению с традиционной сталью вала 5 передаточный элемент прижимается к обрамлению 12 осевого сверления 6, так что с возрастающей температурой имеется лучшая теплопередача между обрамлением 12 осевого сверления 6 и передаточным элементом 13. После того, как охлаждающая жидкость 15 изменила свое направление посредством передаточного элемента 13, охлаждающая жидкость 15 течет в полый цилиндрический канал 31, который образуется обрамлением 12 осевого сверления 6 и наружной поверхностью 10 впускной трубы 9. На открытом конце вала 5 охлаждающая жидкость 15 течет затем из полого цилиндрического канала 31 в полую цилиндрическую камеру 32. Оттуда охлаждающая жидкость 15 выходит из полой цилиндрической камеры 32 через выход 33 охлаждающего средства, который частью своего поперечного сечения распространяется через вырез радиального обрамления полой цилиндрической камеры 32, в полую цилиндрическую камеру 32.
Ротор 4 имеет пакет активной стали 16, а также медные стержни 23, которые расположены в пазах 4 пакета 16 активной стали. Медные стержни 23 замкнуты накоротко посредством прилитых из алюминия закорачивающих колец 17. На фиг.1 остаточное поперечное сечение в радиальном направлении рядом с медными стержнями 23 изображено на чертеже другой штриховкой, чем закорачивающие кольца 17. Остаточное поперечное сечение пазов 4 может заливаться, независимо от прилива закорачивающих колец 17, или при приливе закорачивающих колец 17 заливаться алюминием.
Прилитые закорачивающие кольца 17 имеют область крепления 18. Она непосредственно соединена с валом 5. Это значит, что поверхность закорачивающего кольца 17 вблизи области 18 крепления касается поверхности вала 5. Для обеспечения этого контакта между закорачивающим кольцом 17 и валом 5 в большом диапазоне температуры у закорачивающего кольца 17 расположено так стяжное кольцо 19, чтобы область 18 крепления находилась между стяжным кольцом 19 и валом 5. Это стяжное кольцо 19 из стали, которая с возрастающей температурой расширяется менее сильно, чем алюминий закорачивающего кольца 17. Стяжное кольцо 19 используется при балансировке ротора для выполнения балансировочных сверлений 20. Количество и глубина балансировочных сверлений 20, а также их расположение на стяжном кольце зависит от индивидуального дисбаланса ротора 4.
Теперь, когда компоненты ротора 4, в частности закорачивающие стержни 23, при эксплуатации электрической машины 1 нагреваются, отходящее тепло, благодаря хорошей теплопроводности медных стержней 23, передается в закорачивающие кольца 17 и от закорачивающих колец 17 через их область 18 крепления в вал 5.
На фиг. 1 для одного из закорачивающих колец 17 это воспроизведено стрелкой 35, которая указывает направление передачи тепла в передаточный элемент 13. От передаточного элемента 13 охлаждающая жидкость забирает отходящее тепло и может передавать его к выходу 33 охлаждающего средства.
У другого из закорачивающих колец 17 тепло от вала 5 непосредственно передается охлаждающей жидкости, как это указывает стрелка 36.
Впускная труба представляет собой отлитую под давлением деталь из алюминия. Благодаря хорошей теплопроводности алюминия достигается равномерное охлаждение вала 5 по оси 3 вращения. Отходящее тепло, которое поглощает охлаждающая жидкость в полом цилиндрическом канале 31, именно благодаря хорошей теплопроводности впускной трубы 9 может в большей мере передаваться охлаждающей жидкости 15 внутри впускной трубы 9. Так, относительно холодная охлаждающая жидкость 15 внутри впускной трубы 9 вблизи открытого конца осевого сверления 6 поддерживает охлаждающую жидкость 15 в полом цилиндрическом канале 31, так как она через алюминий впускной трубы 9 уже забирает у нее определенное количество отходящего тепла.
На фиг. 3 показана увеличенная отдельная область фиг. 1 вокруг открытого конца вала 5.
На противоположной осевому сверлению 6 стороне можно видеть осевое обрамление 320, которое ограничивает полую цилиндрическую камеру 32 и обеспечивает возможность спиралеобразного направления охлаждающего средства 15, в частности охлаждающей жидкости 15, вокруг оси 3 вращения от расположенной в осевом направлении вблизи вала 5 части 321 осевого обрамления 320 к расположенной в осевом направлении удаленно от вала 5 части 322 осевого обрамления 320. Так охлаждающее средство 15 направляется по осевому обрамлению 320 в выход 33 охлаждающего средства.
Выход 33 охлаждающего средства распространяется через вырез в радиальном обрамлении 324 полой цилиндрической камеры 32 в полую цилиндрическую камеру 32. На фиг. 3 это видно по тому, что обрамление 323 выхода 33 охлаждающего средства находится внутри полой цилиндрической камеры 32.
На фиг. 1 и на фиг. 3 можно видеть камеру 25 утечек, которая по меньшей мере частично обрамлена радиальной поверхностью 26 вала 5 и уплотнением 27. На фиг. 1 и 3 можно видеть также отбрасывающий диск 28, а также сливное отверстие 29, через которое может сливаться охлаждающая жидкость 15, скапливающаяся в камере 25 утечек.
Отбрасывающий диск 28 осуществляет отбрасывание охлаждающей жидкости 15 от вала 5. Отбрасывающий диск 28 образуется пазом 301 и уступом 30 в валу 5. Уступ 30 имеет дополнительно выполненный паз. Уплотнение 27 установлено на валу 5 так, что охлаждающая жидкость 15 может прижимать уплотнение 27 к валу 5.
На фиг. 3 показано также, что камера утечек частично обрамлена диафрагмой 39. Диафрагма 39 отделяет камеру утечек от пространства, в котором распложен подшипник 8. Таким образом, диафрагма 39 предпочтительно образует дополнительное препятствие, которое должна преодолевать охлаждающая жидкость 15, чтобы попадать в подшипник 8 к ротору 4 или к статору 2.
На фиг. 4 показан другой пример осуществления электрической машины 1, при этом показана область вокруг открытого конца вала 5. На фиг. 4 показан при этом только тот фрагмент электрической машины 1, который изменился по сравнению с примером осуществления электрической машины 1 фиг. 1. Все остальные компоненты электрической машины выполнены, как на фиг.1.
Охлаждающая жидкость 15 входит через вход 45 охлаждающего средства в держатель 437 подводящего элемента 7 и подпадает оттуда во впускную трубу 9. После того, как охлаждающая жидкость протекла по впускной трубе 9, она течет, изменив направление посредством передаточного элемента 13, в полый цилиндрический канал 41. Оттуда охлаждающая жидкость 15 течет через полую цилиндрическую камеру 42 в выход 43 охлаждающего средства.
На противоположной осевому сверлению 6 стороне можно видеть осевое обрамление 420, которое ограничивает полую цилиндрическую камеру 42 и обеспечивает возможность спиралеобразного направления охлаждающей жидкости 15 вокруг оси 3 вращения от расположенной в осевом направлении вблизи вала 5 части 421 осевого обрамления 420 к расположенной в осевом направлении удаленно от вала 5 части 422 осевого обрамления 420. Так охлаждающее средство 15 направляется по осевому обрамлению 420 в выход 43 охлаждающего средства.
Выход 43 охлаждающего средства расположен в радиальном обрамлении 424 полой цилиндрической камеры 42, чтобы осевое обрамление 420 направляло охлаждающую жидкость 15 при содействии центробежной силы в выход 43 охлаждающего средства.
В примере осуществления фиг. 4 на переходе от вала 5 к держателю 437 предусмотрен удерживающий элемент в виде уплотнения 49 зазора. Уплотнение 27 воздухом 340, который находится в полости между удерживающим элементом, т.е. уплотнением 49 зазора, и уплотнением 27, прижимается к валу 15.
Отбрасывающий диск 48 в этом примере осуществления выполнен с большим диаметром, который распространяется глубоко в камеру 45 утечек. При этом отбрасывающий диск имеет задачей не только отбрасывать проникающую охлаждающую жидкость глубоко в камеру 45 утечек, а также закрывает оставшееся отверстие диафрагмы 409 в направлении подшипника 8.
Камера утечек в этом примере осуществления закрыта пробкой 451, так что охлаждающая жидкость 15 скапливается в камере утечек в месте 46 скопления и в рамках необходимых мероприятий по техническому обслуживанию может стекать при удалении пробки 451.
измер.
измер.
На фиг. 2 показано измеренное падение давления Δp в зависимости от частоты вращения n ротора электрической машины 1 у системы 50 охлаждения на предлагаемой изобретением электрической машине 1. Точки измерения были определены при первом нарастании давления примера осуществления в соответствии с фиг. 4.
На фиг. 2 показано, что с возрастающей частотой вращения падение давления не увеличивается. Более того, точки измерения показывают, что даже, начиная с частоты вращения, равной прибл. 4000 об/мин, падение давления уменьшается.
На фиг. 5 показан один из примеров осуществления системы 50 охлаждения. Система 50 охлаждения включает в себя циркуляционный контур 55 охлаждающего средства для перемещения охлаждающей жидкости 15 через осевое сверление 6. Циркуляционный контур 55 охлаждающего средства включает в себя насос 52 для охлаждающего средства для перемещения охлаждающей жидкости 15 от насоса 15 для охлаждающего средства к входу 54 охлаждающего средства электрической машины 51 и от выхода 53 охлаждающего средства электрической машины 51 к насосу 52 для охлаждающего средства.
Таким образом, насос 52 для охлаждающего средства нагнетает охлаждающую жидкость 15 от насоса 52 для охлаждающего средства к входу 54 охлаждающего средства электрической машины 51 и оттуда через выход 53 охлаждающего средства снова обратно к насосу 52 для охлаждающего средства.
Вход 54 охлаждающего средства в примере осуществления фиг. 1, 3 и 4 соответствует одинаково названному входу охлаждающего средства со ссылочными обозначениями 34 и 44, так чтобы охлаждающая жидкость могла течь во впускную трубу 9. Аналогично этому выход 53 охлаждающего средства соответствует одноименному выходу охлаждающего средства со ссылочными обозначениями 33 и 43.
На фиг. 6 показан один из примеров осуществления транспортного средства 61. Транспортное средство 61, которое представляет собой автомобиль, едет, приводимое в движение электрической машиной 1, в направлении 63 с первой скоростью. Это приводит к тому, что встречный поток 62 воздуха проходит по электрической машине 52, которая закреплена внутри или на транспортном средстве 61. Это приводит к тому, что электрическая машина 52 в некоторой мере подвергается охлаждению. Электрическая машина 52 охлаждается, кроме того, системой 50 охлаждения. Система 50 охлаждения, благодаря предлагаемому изобретением исполнению электрической машины 52, может осуществлять охлаждение независимо от эксплуатации или рабочего состояния электрической машины 52.
В примере осуществления фиг. 4 на переходе от вала 5 к держателю 437 вместо удерживающего элемента в виде уплотнения 49 зазора может быть также предусмотрено осевое уплотнение, включающее в себя две части, которые прижимаются друг к другу. Тогда уплотнение 27 могло бы отсутствовать или сохраняться в качестве дополнительного уплотнения.
Хотя изобретение было в деталях подробнее проиллюстрировано и описано на предпочтительных примерах осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, и специалистом вполне могут быть выведены другие варианты без выхода из объема охраны изобретения.