Электрическая машина с повышенной степенью защиты с улучшенным охлаждением ротора - RU2497260C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к электрической машине,

- причем электрическая машина содержит статор и роторный вал,

- причем роторный вал относительно статора установлен с возможностью вращения вокруг оси вала, так что ось вала определяет осевое направление, радиальное направление и тангенциальное направление,

- причем на роторном валу установлен ротор, который электрически взаимодействует со статором,

- причем ротор имеет по меньшей мере один проходящий в осевом направлении осевой канал ротора,

- причем статор имеет листовой пакет статора, который в осевом направлении продолжается над ротором,

- причем листовой пакет статора, при наблюдении в секущей плоскости, ортогональной осевому направлению, полостью окружает ротор, так что, при наблюдении в секущей плоскости, образуется замкнутая внутренняя полость ротора,

- причем на листовой пакет статора по оси с обеих сторон установлен соответствующий кожух,

- причем по меньшей мере один из кожухов содержит центральную выемку для прохождения роторного вала,

- причем листовой пакет статора имеет по меньшей мере один проходящий в осевом направлении осевой канал статора, который, при наблюдении в секущей плоскости, является полностью замкнутым.

Подобные электрические машины предлагаются, в числе прочего, со степенью защиты IP 55. В этом выполнении электрические машины, как правило, выполнены бескорпусными.

Согласно уровню техники, через осевые каналы статора протекает охладитель, чаще всего воздух. Посредством охладителя статор охлаждается.

Однако отходящее тепло возникает не только в статоре, но и в роторе. Согласно уровню техники, невозможно ротор охлаждать непосредственно. Поэтому возникающее в роторе отходящее тепло должно отводиться через воздушный зазор между статором и ротором, а также за счет геометрии статора. В результате возникающее в роторе отходящее тепло может отводиться только в ограниченной степени. Ввиду этого обстоятельства электрические машины по сравнению с сопоставимыми электрическими машинами, в которых ротор охлаждается непосредственно, могут эксплуатироваться только со значительно сниженной мощностью машины. Такое снижение в мощности машины составляет до 60%.

В уровне техники плохое охлаждение часто принимается в расчет, так как не известно решения, чтобы простым образом реализовать лучшее охлаждение ротора, без того, чтобы потребовалось бы отказаться от высокой степени защиты IP55.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы электрическую машину вышеуказанного типа выполнить таким образом, чтобы ротор мог лучше охлаждаться простым способом.

Эта задача решается посредством электрической машины с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения электрической машины являются предметом зависимых пунктов 2-9.

В соответствии с изобретением предусмотрено выполнить электрическую машину вышеназванного типа таким образом,

- что кожухи выполнены таким образом, что они во взаимодействии с листовым пакетом статора образуют, соответственно, по меньшей мере один проходящий в радиальном направлении радиальный канал,

- что радиальные каналы соединяют по меньшей мере один осевой канал статора по потоку с внутренней полостью ротора, а в остальном являются закрытыми, и

- что для вынуждения принудительной конвекции на роторном валу аксиально внутри кожухов размещен по меньшей мере один элемент, действующий как вентилятор.

Минимально, в отдельном случае может быть достаточным единственный осевой канал статора. Как правило, однако, имеется несколько осевых каналов статора. В частности, в обычном случае может быть, что листовой пакет статора, при наблюдении в секущей плоскости, имеет квадратный внешний контур, вблизи каждого угла квадратного внешнего контура размещен, соответственно, по меньшей мере один осевой канал статора. При этом осевые каналы могут, в частности, располагаться по диагоналям квадратного внешнего контура статора.

Часто листовой пакет статора имеет дополнительные, проходящие в осевом направлении осевые каналы статора, которые по потоку отделены от внутренней полости ротора. Эти осевые каналы статора, если они имеются, применяются для охлаждения листового пакета статора внешним воздухом (или иным охладителем, например, водой). Возможна принудительная конвекция, но это не является обязательным.

Если предусмотрены дополнительные осевые каналы статора, они предпочтительно расположены не точно по диагоналям квадратного внешнего контура.

Как правило, кожухи и листовой пакет статора герметизируют внутреннюю полость ротора в случае степени защиты IP55 или лучше. Однако в отдельных случаях также возможна меньшая степень защиты.

Является возможным осуществить установку в опорах роторного вала независимо от кожухов. Однако предпочтительно роторный вал установлен в кожухах.

Ротор может быть выполнен в соответствии с потребностью. Например, ротор может иметь листовой пакет ротора, который, со своей стороны, несет обмотку ротора или постоянные магниты.

Предпочтительным образом, элемент, действующий как вентилятор, сплошным образом (неразъемно) соединен с роторным валом или ротором. За счет этого может быть реализовано особенно стабильное и надежное в длительной эксплуатации соединение. Например, этот элемент может быть прилит к ротору.

Другие преимущества и детали следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения в связи с чертежами, на которых в схематичном изображении показано следующее:

Фиг.1 - продольное сечение электрической машины, соответствующей уровню техники,

Фиг.2 - поперечное сечение электрической машины по фиг.1 вдоль линии II-II на фиг.1,

Фиг.3 - продольное сечение соответствующей изобретению электрической машины,

Фиг.4-7 - различные пространственные представления кожуха для электрической машины по фиг.3 и

Фиг.8 - деталь с фиг.3 при наблюдении с направления VIII-VIII на фиг 3.

Согласно Фиг.1 и 2, электрическая машина имеет статор 1. Статор 1 несет обмотку 2 статора.

Электрическая машина также имеет роторный вал 3. Роторный вал 3 установлен в подшипниках 4 вала. Ввиду установки в подшипниках 4 вала роторный вал 3 имеет возможность вращения вокруг оси 5 вала относительно статора 1.

Ось 5 вала определяет осевое направление, радиальное направление и тангенциальное направление. При этом понятие «осевой» означает направление, параллельное оси 5 вала. Понятие «радиальный» означает направление, ортогональное осевому направлению, а именно к оси 5 вала или от оси 5 вала. Понятие «тангенциальный» означает направление, ортогональное к осевому направлению и ортогональное к радиальному направлению, то есть на радиальном расстоянии от оси 5 вала вокруг оси 5 вала.

На роторном валу 3 установлен ротор 6. Ротор 6 электрически взаимодействует со статором 1. Например, ротор 6 может иметь листовой пакет 7 ротора, который, со своей стороны, несет обмотку 7а ротора или постоянные магниты. Постоянные магниты не показаны на фиг.1 и 2.

Ротор 6 имеет по меньшей мере один осевой канал 8 ротора. Осевой канал 8 ротора проходит при этом в осевом направлении. Согласно фиг.2, имеется даже несколько таких осевых каналов 8 ротора. Число осевых каналов 8 ротора может выбираться в зависимости от потребности. Например, может иметься восемь подобных осевых каналов 8 ротора.

Статор 1 имеет листовой пакет 10 статора. Листовой пакет 10 статора продолжается в осевом направлении через весь ротор 6, таким образом, через весь листовой пакет 7 ротора. Отдельные листы железа листового пакета 10 статора имеют при этом, как показано на фиг.2, при наблюдении в секущей плоскости, ортогональной осевому направлению, квадратный внешний контур. Это выполнение является обычным, но не обязательно требуемым.

Согласно фиг.2, листовой пакет 10 статора при наблюдении в секущей плоскости полностью окружает ротор 6. Таким образом, при наблюдении в секущей плоскости получается замкнутая внутренняя полость 11 ротора.

Листовой пакет 10 статора имеет множество осевых каналов 12 статора. В осевом направлении осевые каналы 12 статора являются сквозными. При наблюдении в секущей плоскости они полностью замкнуты. Осевые каналы 12 статора при работе электрической машины обтекаются охладителем, например охлаждающим воздухом, и таким образом охлаждают статор 1 электрической машины.

Электрическая машина на фиг.1 и 2 имеет, кроме того, в углах внешнего контура выемки 13 для крепления.

Выемки 13 для крепления служат для позиционирования осевых болтов, посредством которых отдельные листы железа листового пакета 10 статора связаны друг с другом. Осевые болты на фиг.1 и 2 не показаны.

Согласно фиг.1, на листовой пакет 10 статора, кроме того, аксиально с обеих сторон надеты кожухи 14. По меньшей мере один из кожухов 14 имеет центральную выемку 15, так что роторный вал 3 может проходить через центральную выемку 15. Посредством кожухов 14 и листового пакета 10 статора внутренняя полость 11 ротора герметично закрывается. Герметизация соответствует, как правило, степени защиты IP55 или лучше.

Согласно фиг.1, подшипники 4 вала, в которых установлен роторный вал 3, размещены в кожухах 14. Поэтому роторный вал 3 установлен в кожухах 14. Однако такое выполнение не является обязательно необходимым.

Соответствующая изобретению электрическая машина, которая поясняется далее со ссылками на фиг.3-8, выполнена с самого начала так же, как это было пояснено выше для электрической машины согласно уровню техники. Поэтому далее для тех же элементов электрической машины, соответствующей изобретению, применяются те же ссылочные позиции. Только для осевых каналов статора вместо ссылочной позиции 12 применяются ссылочные позиции 12' и 12”. При этом ссылочной позицией 12' здесь обозначены первые осевые каналы статора, а ссылочной позицией 12” - вторые каналы статора. Причина этого различия будет очевидна из последующих выводов.

Согласно фиг.3-8, кожухи 14 выполнены таким образом, что они во взаимодействии с листовым пакетом 10 статора образуют по меньшей мере один радиальный канал 16, который проходит в радиальном направлении. В обычном случае, когда листовой пакет 10 статора, при наблюдении в секущей плоскости, имеет квадратный внешний контур, предпочтительно в направлении каждого угла квадратного внешнего контура проходит, соответственно, радиальный канал 16. Радиальные каналы 16 соединяют первые осевые каналы 12' статора по потоку с внутренней полостью 11 ротора. В случае квадратного внешнего контура листового пакета 10 статора, в котором радиальные каналы 16 проходят в направлении и диагоналей квадратного внешнего контура, в соответствии с этим первые осевые каналы 12' статора размещены предпочтительно вблизи углов квадратного внешнего контура, а именно, предпочтительно на диагоналях квадратного внешнего контура.

Каждый радиальный канал 16 соединяет по меньшей мере один из первых осевых каналов 12' статора по потоку с внутренней полостью 11 ротора. Согласно фиг.5-9, каждым радиальным каналом 16 перекрываются даже три подобных первых осевых канала 12' статора. При этом перекрытые осевые каналы 12' статора, при наблюдении в радиальном направлении, размещены друг за другом.

Степень защиты, в соответствии с которой кожухи 14 герметизируют внутреннюю полость 11 ротора, должна сохраняться. Поэтому радиальные каналы 16 хотя и соединяют гидравлически первые осевые каналы 12' статора с внутренней полостью 11 ротора, в остальном, однако, являются замкнутыми.

На основе вышеописанного выполнения возможен замкнутый контур циркуляции воздуха, который сначала проходит по оси через осевые каналы 8 ротора, затем через радиальные каналы 16 одного кожуха 14 радиально наружу, затем по оси через первые осевые каналы 12' статора и, наконец, через радиальные каналы 16 другого кожуха 14 радиально внутрь. Чтобы обеспечить принудительную циркуляцию в этом контуре циркуляции воздуха, то есть вызвать принудительную конвекцию, на роторном валу 3 аксиально внутри кожухов 14 размещен по меньшей мере один действующий как вентилятор элемент 17. В исключительных случаях аксиально с обеих сторон листового пакета 7 ротора могут быть размещены подобные элементы 17. При этом элемент 17 или элементы 17 могут быть неразъемно соединены, в частности, с роторным валом 3. Например, элемент 17 или элементы 17 могут быть прилиты к ротору 6.

В процессе работы электрической машины, то есть при вращении роторного вала 3 вокруг его оси 5 вала, ввиду наличия элемента 17 или элементов 17 вызывается описанная выше конвекция. Соответствующий воздушный поток обозначен на фиг.4 пунктиром.

На основе соответствующего изобретению выполнения обеспечивается значительно лучший, чем согласно уровню техники, отвод возникающего в роторе 6 отходящего тепла к статору 1. Оттуда оно может относительно легко выводиться наружу. На основе соответствующего изобретению выполнения, по сравнению, например, с сопоставимыми электрическими машинами, согласно уровню техники, возможно повышение производительности на 15-20%.

Вторые осевые каналы 12” статора не должны обязательно предусматриваться при соответствующем изобретению выполнении электрической машины. Однако они могут иметься. Если они имеются, то они по потоку отделены от внутренней полости 11 ротора. Как, в частности, видно из фиг.8, дополнительные осевые каналы 12” статора при наблюдении в секущей плоскости предпочтительно размещены не непосредственно на диагоналях квадратного внешнего контура.

Согласно фиг.8, первые осевые каналы 12' статора при наблюдении в радиальном направлении, размещены друг за другом. По сравнению с этим осевые каналы 12 статора электрической машины согласно уровню техники (см. фиг.2) размещены несколькими концентрическими кругами, причем осевые каналы 12 статора от круга к кругу размещены в промежутках по отношению друг к другу. Однако это не существенно для изобретения.

Приведенное выше описание служит исключительно пояснению предложенного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения должен определяться исключительно приложенной формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам. Предлагаемая электрическая машина содержит статор (1) и роторный вал (3), установленный относительно статора (1) с возможностью вращения вокруг оси (5) вала, так что ось (5) вала определяет осевое направление, радиальное направление и тангенциальное направление. На роторном валу (3) установлен ротор (6), который электрически взаимодействует со статором (1). Ротор (6) имеет, по меньшей мере, один проходящий в осевом направлении осевой канал (8) ротора. Статор (21) имеет листовой пакет (10) статора, который в осевом направлении продолжается над ротором (6) и при наблюдении в секущей плоскости, ортогональной осевому направлению, полостью окружает ротор (6), так что, при наблюдении в секущей плоскости, образуется замкнутая внутренняя полость (11) ротора. На листовой пакет (10) статора по оси с обеих сторон установлен соответствующий кожух (14). По меньшей мере, один из кожухов (14) содержит центральную выемку (15) для прохождения роторного вала (3). Листовой пакет (10) статора имеет, по меньшей мере, один проходящий в осевом направлении осевой канал (12′) статора, который, при наблюдении в секущей плоскости, является полностью замкнутым. Кожухи (14) выполнены таким образом, что они во взаимодействии с листовым пакетом (10) статора образуют, соответственно, по меньшей мере, один проходящий в радиальном направлении радиальный канал (16). Радиальные каналы (16) соединяют, по меньшей мере, один осевой канал (12′) статора по потоку с внутренней полостью (11) ротора, а в остальном являются закрытыми. Для вынуждения принудительной конвекции на роторном валу (3) аксиально внутри кожу

Формула