ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
ELECTRIC MACHINE WITH LIQUID COOLING

Изобретение касается электрической машины, в частности асинхронной машины, имеющей охлаждаемый ротор.
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 том и другом случаях хотят достичь высокого коэффициента полезного действия при высокой удельной мощности. Высокий коэффициент полезного действия необходим для обеспечения возможности экономичного и ресурсосберегающего предложения энергии. Высокая удельная мощность необходима в связи с желанием более экономичного изготовления электрических машин с более низким расходом материала или, в случаях применения электрической машины с повышенными требованиями к весу, построения ее с более низкой массой. Примерами случаев применения с повышенными требованиями к весу являются случаи применения, в которых несущая структура для электрической машины является дорогостоящей, или электрическая машина транспортируется в этом случае применения с места на место. Это касается, например, транспортного машиностроения, то есть, в частности, электрической машины в электромобиле или же гибридном автомобиле. Для достижения высокого коэффициента полезного действия при высокой удельной мощности совершенствуются принципы и конструкции электрических машин, а также их охлаждение.
Из DE 10 2012 203 697 A1 известна, например, электрическая машина, которая имеет вал, снабженный осевым отверстием. Потоконаправляющий элемент распространяется в это осевое отверстие так, что охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, может течь из потоконаправляющего элемента в осевое отверстие. Для герметизации предусмотрено уплотнение, которое расположено на валу так, что охлаждающая жидкость может прижимать это уплотнение к валу. Уплотнение прижимается к валу воздухом, который находится в полости между удерживающим элементом, т.е. уплотнением зазора, и другим уплотнением.
Задачей изобретения является предложить электрическую машину с эффективной герметизацией охлаждающей среды.
Решить эту задачу удается с помощью электрической машины с признаками по п.1 формулы изобретения и с помощью способа эксплуатации электрической машины по п.9 формулы изобретения. Другие варианты осуществления решения вытекают из зависимых пунктов 2-8 формулы изобретения.
Электрическая машина, которая, в частности, представляет собой асинхронную машину, имеет статор и ротор. Ротор оперт с возможностью вращения и соединен с валом без возможности вращения. Таким образом, вал является частью ротора. Вал имеет осевое отверстие. Для охлаждения электрической машины предусмотрена охлаждающая среда, которая, в частности, представляет собой охлаждающую жидкость. Охлаждающая среда охлаждает ротор и вместе с тем электрическую машину, в частности, через вал ротора. Охлаждающая среда может вводиться в осевое отверстие вала. Это достигается посредством потоконаправляющего элемента. Потоконаправляющий элемент направляет поток охлаждающей среды в осевом отверстии. Потоконаправляющий элемент распространяется в осевое отверстие, напр., так, что охлаждающее средство, в частности охлаждающая жидкость, может вытекать из потоконаправляющего элемента в осевое отверстие или в потоконаправляющий элемент из осевого отверстия. Имеется контактное кольцевое уплотнение для герметизации отверстия осевого отверстия. Герметизация касается, например, герметичности относительно пространства электрической машины, имеющей воздушный зазор между статором и ротором или, соответственно, в котором находится лобовая часть обмотки статора. Это контактное кольцевое уплотнение представляет собой стойкое к механическим воздействиям уплотнение, имеющее долгий срок службы, так что нет необходимости предусматривать замену уплотнения в течение срока службы электрической машины. Контактное кольцевое уплотнение герметизирует обладающий возможностью вращательного движения вал, имеющий осевое отверстие, относительно вращательно неподвижного по отношению к нему элемента. Этот элемент представляет собой, например, присоединительный фланец для подвода или отвода охлаждающей среды.
В одном из вариантов осуществления электрической машины контактное кольцевое уплотнение имеет контактное кольцо и ответное кольцо, при этом контактное кольцо соединено с валом, а ответное кольцо - с элементом, неподвижным относительно ротора. Этот неподвижный элемент представляет собой, например, подшипниковый щит или кронштейн для крепления потоконаправляющего элемента, или присоединительный элемент, то есть присоединительный фланец для ввода в вал электрической машины и/или вывода охлаждающей среды. Между контактным кольцом и ответным кольцом образуется поверхность, которая герметизирует пространство, содержащее охлаждающую среду, от пространства, не содержащего охлаждающую среду. Контактное кольцо обладает возможностью движения вместе с валом относительно ответного кольца. То есть контактное кольцо и ответное кольцо обладают возможностью движения друг относительно друга.
В одном из вариантов осуществления электрической машины первое уплотнительное кольцо герметизирует контактное кольцо относительно вала. Первое уплотнительное кольцо и контактное кольцо могут двигаться вместе с валом. Таким образом, первое уплотнительное кольцо является неподвижным относительно контактного кольца.
В одном из вариантов осуществления электрической машины второе уплотнительное кольцо герметизирует ответное кольцо относительно неподвижного элемента. Таким образом, второе уплотнительное кольцо является неподвижным относительно неподвижного элемента.
В одном из вариантов осуществления электрической машины охлаждающая жидкость содержит воду и/или гликоль или состоит из них. Отношение воды к гликолю составляет, например, 50% к 50%.
В одном из вариантов осуществления электрической машины контактное кольцо контактного кольцевого уплотнения расположено относительно ответного кольца, действуя в осевом направлении. Вал зафиксирован подшипниками в осевом, а также в радиальном направлении. Поэтому положение ответного кольца по отношению к контактному кольцу, которое закреплено на валу, может легко устанавливаться таким образом, что для этого, например, может регулироваться осевое положение ответного кольца, напр., относительно кронштейна. Так осевое давление между контактным кольцом и ответным кольцом может изменяться путем варьируемого осевого позиционирования ответного кольца по отношению к кронштейну ответного кольца. Когда давление между контактным кольцом и ответным кольцом отсутствует, то осевой зазор между контактным кольцом и ответным кольцом может изменяться. Позиционирование ответного кольца относительно его кронштейна осуществляется, напр., с помощью дистанционных элементов, таких как винты или вкладыши различной толщины.
В одном из вариантов осуществления электрической машины ответное кольцо контактного кольцевого уплотнения содержит керамику, в частности агломерированную керамику. Керамика мало подвержена износу и, таким образом, способствует долгому сроку службы электрической машины.
В одном из вариантов осуществления электрической машины она имеет сенсор влажности. Сенсор влажности предусмотрен в полости, что означает, что сенсор влажности установлен в или на электрической машине по меньшей мере таким образом, что с его помощью возможно измерение влажности в полости электрической машины. Так, например, может констатироваться угроза коррозии. Если констатируется слишком высокая влажность, то в электрической машине может, например, включаться обогрев, что, в частности, может быть необходимо в периоды простоя электрической машины.
В способе эксплуатации электрической машины, в одном из описанных вариантов осуществления, определяется значение влажности в полости электрической машины. Затем это определенное значение может подвергаться аналитической обработке.
В одном из вариантов осуществления способа это значение передается в устройство аналитической обработки, при этом посредством устройства аналитической обработки определяется необходимость замены контактного кольцевого уплотнения. Если контактное кольцевое уплотнение протекает, то охлаждающее средство может проникать в сухую часть электрической машины и вызывать повреждение. Это может предотвращаться с помощью устройства аналитической обработки. Это достигается, в частности, тем, что эксплуатация электрической машины при слишком высоких значениях влажности (при превышении некоторого порогового значения) уже невозможна, и невозможна постановка ее под напряжение.
Электрическая машина представляет собой, например, привод для транспортного средства. Это транспортное средство представляет собой, напр., электромобиль или гибридный автомобиль, движущая сила которого может создаваться посредством электрической машины. Применение контактного кольцевого уплотнения в сочетании с охлаждением ротора через вал, имеющий отверстие, позволяет получить компактную конструкцию. Эта компактная конструкция пригодна для тесных монтажных пространств в транспортном средстве.
Благодаря применению контактного кольцевого уплотнения могут достигаться разные положительные эффекты, такие как, напр.:
- удобная в техническом обслуживании система уплотнения;
- легко заменяемая система уплотнения, так как одна часть является съемной в осевом направлении;
- хорошая герметизация при более высокой окружной скорости;
- хорошая пригодность к герметизации смеси воды/гликоля в качестве охлаждающей среды;
- хорошая возможность компенсации отклонения формы и/или длины и/или положения между валом двигателя и системой уплотнения и
- хорошая возможность адаптации системы уплотнения к измененному давлению в системе, которое, например, было вызвано изменением дизайна.
Контактное кольцевое уплотнение имеет преимущества по сравнению с герметизацией системы охлаждения ротора с помощью кольца для радиального уплотнения вала. Вследствие высоких окружных скоростей и отклонений формы и положения и недостаточной смазки у кольца для радиального уплотнения вала возможно возникновение повышенного износа уплотнительной кромки. Впрочем, эта уплотнительная кромка может быть усилена специальными наполнителями для обеспечения пригодности к высокой окружной скорости. Однако эти наполнители могут приводить к повышенному износу поверхности вала, что приводит к необходимости дополнительных дорогих обрабатывающих шагов, таких как закаливание, шлифование и полирование. Для предотвращения повреждения при монтаже кольца для уплотнения вала необходимо монтажное приспособление или, соответственно, специальная геометрия вала.
Такие проблемы могут уменьшаться и/или устраняться благодаря применению контактного кольцевого уплотнения. Система уплотнения контактного кольцевого уплотнения при обычной смазке не подвержена износу и хорошо пригодна для герметизации охлаждающих сред вода/гликоль при высоких частотах вращения (>20000/мин.). При надлежащем исполнении геометрии уплотнения может получаться система уплотнения, действующая независимо от давления в системе. Эта система уплотнения действует в осевом направлении на ответное кольцо из агломерированной технической специальной керамики. Системы уплотнения, такие как, напр., кольцо для уплотнения вала, действуют непосредственно радиально на вал двигателя и поэтому приводят к его износу, что, в свою очередь, при определенных обстоятельствах приводит к необходимости замены. При контактном кольцевом уплотнении износ вала двигателя отсутствует. Контактное кольцевое уплотнение может легко монтироваться и демонтироваться.
Ниже изобретение описывается на примерах посредством фигур. На фигурах для однотипных элементов используются одинаковые ссылочные обозначения. При этом показано:
фиг.1: электрическая машина, имеющая контактное кольцевое уплотнение;
фиг.2: фрагмент первой электрической машины;
фиг.3: радиальное уплотнение вала;
фиг.4: контактное кольцевое уплотнение и
фиг.5: электрическая машина с изображением потока охлаждающей среды.
На изображении фиг.1 показана электрическая машина 1, имеющая корпус 101. В корпусе 101 находится статор 2 и ротор 4, при этом ротор 4 обладает возможностью вращения вокруг оси 3 посредством подшипников 8 и 8'. Статор 2 имеет пакет 16 листовой стали, а ротор - пакет 16' листовой стали. Электрическая машина представляет собой асинхронную электрическую машину, имеющую короткозамыкающее кольцо 17. Вал 5 ротора 4 имеет осевое отверстие 6, в которое вдается потоконаправляющий элемент 7 для направления охлаждающего средства, причем этот потоконаправляющий элемент 7 имеет впускную трубу 9. Впускная труба 9 питается охлаждающим средством через вход 34 для охлаждающего средства в поддерживающем трубу 9 кронштейне 37, который представляет собой неподвижный элемент. Охлаждающее средство снова выходит из электрической машины 1 через выход 33 для охлаждающего средства, который присоединяется к полому цилиндрическому пространству 32. Герметизация отверстия вала 6 относительно других частей ротора 4 и относительно статора 2 достигается посредством контактного кольцевого уплотнения 40, которое показано в деталях на фиг.4. Поток охлаждающей среды внутри вала 5 изображен на фиг.5.
На изображении фиг.2 показано, наряду с элементами с фиг.1, контактное кольцевое уплотнение 40 (см. фиг.4), имеющее контактное кольцо 41 и ответное кольцо 42. Контактное кольцо 41 соединено с валом 5, при этом между валом 5 и контактным кольцом 41 имеется первое уплотнительное кольцо 48. Контактное кольцо 41 содержит, например, связанный в пластике уголь для достижения хорошего эффекта скольжения. Ответное кольцо 42 соединено с кронштейном 37, при этом между кронштейном 37 и ответным кольцом 42 имеется второе уплотнительное кольцо 49. Уплотнительные кольца 48 и 49 представляют собой, например, круглые кольца. Ответное кольцо 42 содержит, например, SiC. Ответное кольцо 42 располагает, в частности, опорой 21 крутящего момента и отдельными пружинами 22 для прилегания ответного кольца 42 к контактному кольцу 41. Наряду с камерой 46 утечек электрическая машина имеет также полость 55, при этом сенсор 56 измеряет влажность в этой полости 55. Измеренное сенсором значение подвергается аналитической обработке в устройстве 57 аналитической обработки. Сенсор может быть также размещен в области лобовых частей обмотки статора, что на фиг.2, однако, не изображено. Охлаждающее средство может дополнительно выводиться из электрической машины через шаровой клапан 47.
На изображении фиг.3 в качестве альтернативы контактному кольцевому уплотнению показано радиальное уплотнение 53 вала по уровню техники. Радиальное уплотнение 53 вала имеет угловое усиление 54 и пружину 52, которая прижимает уплотнение к валу 5.
На изображении фиг.4 показано контактное кольцевое уплотнение (40), у которого контактное кольцо 41 соединено с валом с помощью обладающего упругостью резины держателя 43. Контактное кольцо 41 примыкает по поверхности к ответному кольцу 42, при этом ответное кольцо 42 соединено с кронштейном 37 с помощью обладающего упругостью резины сильфона 44. Этот кронштейн является неподвижным и не обладает возможностью вращательного движения посредством подшипников. Сильфон 44 представляет собой, в частности, эластомерный сильфон. Пружина 45, в частности спиральная пружина, прижимает ответное кольцо 42 к контактному кольцу 41. Пружина 45 представляет собой, в частности, отдельную пружину. При этом пружина 45 по меньшей мере опосредствованно опирается на кронштейн 37. Изображенное разгруженное контактное кольцевое уплотнение может крепиться в виде предварительно смонтированного узла.
На фиг.4 показана электрическая машина 1 с потоком охлаждающей среды. Ротор 4 оперт с возможностью вращения вокруг оси 3 вращения, при этом вал 5 оперт в корпусе 101 посредством подшипников 8, 8'. Подшипник 8 и 8' в этом примере осуществления представляет собой шарикоподшипник. Применимы, но не изображены, также другие подшипники, такие как подшипники с бочкообразными роликами, игольчатые роликоподшипники и пр. Для охлаждения в качестве охлаждающего средства 15 применяется охлаждающая жидкость, которая состоит из воды и глизантина G30 в соотношении 50:50 или содержит эти вещества.
Вал 5 ротора 4 имеет осевое отверстие 6. Потоконаправляющий элемент 7 распространяется от открытого конца вала 5 в осевое отверстие 6, чтобы охлаждающая жидкость 15 могла течь из потоконаправляющего элемента 7 в осевое отверстие 6. Потоконаправляющий элемент 7 имеет впускную трубу 9, которая закреплена в или, соответственно, на кронштейне 37 потоконаправляющего элемента 7. Кронштейн 37 закреплен на корпусе 101 электрической машины 1.
Для охлаждения электрической машины 51 охлаждающая жидкость 15 течет через вход 34 для охлаждающего средства во впускную трубу 9. Во впускной трубе 9 охлаждающее средство 15 течет в направлении закрытого конца осевого отверстия 6, где оно выходит из впускной трубы 9 и с помощью перепускного элемента 13 изменяет направление на противоположное. Для этого перепускной элемент 13 имеет выемку 14, которая выполнена вращательно-симметрично относительно оси 3 вращения, так что охлаждающая жидкость имеет только небольшие турбулентности, вызванные изменением направления охлаждающей жидкости на противоположное. Перепускной элемент 13 из алюминия, так что он может в хорошей мере передавать отходящее тепло, которое он поглотил на краю 12 осевого отверстия 6 или на закрытом конце осевого отверстия 6, охлаждающей жидкости 15. Вал 5 был изготовлен обычным образом из стали. Вследствие большего коэффициента теплового расширения перепускного элемента 13 по сравнению с обычной сталью вала 5 перепускной элемент прижимается к краю 12 осевого отверстия 6, так что с увеличивающейся температурой имеет место лучший теплообмен между краем 12 осевого отверстия 6 и перепускным элементом 13. После того, как охлаждающая жидкость 15 с помощью перепускного элемента 13 изменила свое направление на противоположное, охлаждающая жидкость 15 течет в полый цилиндрический канал 31, который образован краем 12 осевого отверстия 6 и наружной поверхностью 10 впускной трубы 9. Затем на открытом конце вала 5 охлаждающая жидкость 15 течет из полого цилиндрического канала 31 в полое цилиндрическое пространство 32. Оттуда охлаждающая жидкость 15 выходит из полого цилиндрического пространства 32 через выход 33 для охлаждающего средства, который частью своего поперечного сечения распространяется через вырез радиального края полого цилиндрического пространства 32 в полое цилиндрическое пространство 32.
Статор 2 имеет пакет 16 листовой стали, а ротор 4 - пакет 16' листовой стали. Ротор 4 имеет также медные стержни 23, которые расположены в пазах 25 пакета 16' листовой стали. Эти медные стержни 23 замкнуты накоротко прилитыми из алюминия короткозамыкающими кольцами 17. На чертеже фиг.5 остаточное поперечное сечение в радиальном направлении рядом с медными стержнями 23 показано другой штриховкой, чем короткозамыкающие кольца 17. Остаточные поперечные сечения пазов 25 могут заливаться независимо от прилива короткозамыкающих колец 17 или заливаться алюминием 24 при приливе короткозамыкающих колец 17.
Прилитые короткозамыкающие кольца 17 имеют область 18 крепления. Она непосредственно присоединена к валу 5. Это значит, что поверхность короткозамыкающего кольца 17 вблизи области 18 крепления касается поверхности вала 5. Чтобы гарантировать этот контакт между короткозамыкающим кольцом 17 и валом 5 в большом диапазоне температуры, на короткозамыкающем кольце 17 расположено усадочное кольцо 19 так, что область 18 крепления находится между усадочным кольцом 19 и валом 5. Усадочное кольцо 19 из стали, которая с увеличивающейся температурой расширяется менее сильно, чем алюминий короткозамыкающего кольца 17. Усадочное кольцо 19 используется при балансировке ротора для выполнения балансировочных отверстий 20. Количество и глубина балансировочных отверстий 20, а также их расположение на усадочном кольце зависит от индивидуального дисбаланса ротора 4.
Итак, когда составные части ротора 4, в частности короткозамыкающие стержни 23, при эксплуатации электрической машины 1 нагреваются, отходящее тепло за счет хорошей теплопроводности медных стержней 23 переносится в короткозамыкающие кольца 17, а от короткозамыкающих колец 17 через область 18 их крепления в вал 5.
На фиг.5 это воспроизведено для одного из короткозамыкающих колец 17 стрелкой 35, которая указывает направление теплопередачи в перепускной элемент 13. Охлаждающая жидкость 16 отбирает тепло у перепускного элемента 13 и может переносить его к выходу 33 для охлаждающего средства. У другого из короткозамыкающих колец 17 тепло от вала 5 передается непосредственно охлаждающей жидкости 15, как это указывает стрелка 36.
Впускная труба 9 представляет собой отлитую под давлением деталь из алюминия. Благодаря хорошей теплопроводности алюминия достигается более равномерное охлаждение вала 5 по оси 3 вращения. Отходящее тепло, которое отбирает охлаждающая жидкость 15 в полом цилиндрическом канале 31, может, в частности благодаря хорошей теплопроводности впускной трубы 9, в более высокой мере передаваться охлаждающей жидкости 15 внутри впускной трубы 9. Так относительно холодная охлаждающая жидкость 15 внутри впускной трубы 9 вблизи открытого конца осевого отверстия 6 поддерживает охлаждающую жидкость 15 в полом цилиндрическом канале 31, когда она через алюминий впускной трубы 9 уже отбирает у нее известное количество отходящего тепла.