Электрическая машина с замкнутым, автономным контуром охлаждающей среды

Изобретение касается электрической машины с жидкостным охлаждением. Технический результат - повышение эффективности охлаждения. Электрическая машина имеет основное тело, роторный вал и теплообменник. В основном теле, содержащем статор, расположены охлаждающие каналы для жидкой охлаждающей среды. Роторный вал выполнен в виде полого вала, через который протекает жидкая охлаждающая среда и который имеет внутреннюю трубу. При этом теплообменник, роторный вал и охлаждающие каналы гидравлически соединены друг с другом с образованием замкнутого контура для жидкой охлаждающей среды. На роторном валу без возможности проворота расположен транспортирующий элемент, который встроен в замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды и посредством которого жидкая охлаждающая среда при вращении роторного вала принуждается к циркуляции в замкнутом контуре для жидкой охлаждающей среды. Жидкая охлаждающая среда вследствие принудительной циркуляции посредством транспортирующего элемента течет от теплообменника к роторному валу, там аксиально течет во внутренней трубе, на конце внутренней трубы выходит из внутренней трубы и течет обратно в противоположном направлении в промежуточном пространстве между роторным валом и внутренней трубой, оттуда течет к охлаждающим каналам, а оттуда обратно к теплообменнику. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение касается электрической машины,

- причем электрическая машина имеет основное тело и роторный вал,

- причем основное тело включает в себя, по меньшей мере, статор,

- причем в основном теле расположены охлаждающие каналы для жидкой охлаждающей среды,

- причем роторный вал установлен в основном теле таким образом, что он может вращаться вокруг оси вращения.

Подобного рода электрические машины являются общеизвестными. В качестве примера можно сослаться на DE 91 12 631 U1.

С помощью жидкой охлаждающей среды, в частности воды, возможно значительно более эффективное охлаждение электрических машин, чем с помощью газообразной охлаждающей среды, в частности воздуха. Поэтому, во многих случаях электрические машины оснащаются водным охлаждением.

В уровне техники для реализации подобного рода охлаждения имеются подключения для подвода и отвода жидкой охлаждающей среды. Однако циркуляция жидкой охлаждающей среды не обеспечивается электрической машиной как таковой. Также даже охлаждающая среда должна предоставляться в распоряжение как таковая снаружи. Далее в уровне техники - по меньшей мере, как правило - только основное тело выполнено водоохлаждаемым. Охлаждение ротора осуществляется, как правило, только воздухом.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить электрическую машину названного в начале типа таким образом, что простым образом осуществляется эффективное охлаждение электрической машины.

Эта задача решается посредством электрической машины с признаками пункта 1. Предпочтительные выполнения электрической машины являются предметом зависимых пунктов 2-6.

В соответствии с изобретением предусмотрено выполнение электрической машины названного в начале типа таким образом,

- что электрическая машина дополнительно к основному телу и роторному валу имеет теплообменник,

- что роторный вал выполнен в виде полого вала, через который может протекать жидкая охлаждающая среда,

- что теплообменник служит для отдачи содержащегося в жидкой текучей среде тепла в окружающую среду электрической машины,

- что теплообменник, роторный вал и охлаждающие каналы гидравлически попарно соединены друг с другом так, что получается замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды, и

- что на роторном вале без возможности проворота расположен транспортирующий элемент, который встроен в замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды и посредством которого жидкая охлаждающая среда при вращении роторного вала вокруг оси вращения принуждается к циркуляции в замкнутом контуре для жидкого охлаждающего средства.

Посредством этого достигается, что отводимое из основного тела и роторного вала количество теплоты может значительно возрасти без того, чтобы потребовалось подключение к находящемуся за пределами машины устройству снабжения охлаждающим средством.

Большая часть подлежащего отводу количества теплоты скапливается в статоре электрической машины. Поэтому предпочтительным образом жидкая охлаждающая среда вследствие принудительной циркуляции посредством транспортирующего элемента течет от теплообменника к роторному валу, оттуда к охлаждающим каналам, а оттуда обратно к теплообменнику.

Предпочтительным образом транспортирующий элемент встроен между роторным валом и охлаждающими каналами в замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды. Посредством этого мероприятия возможно, в частности, конструктивно простое выполнение при реализации транспортирующего элемента. В частности, для реализации транспортирующего элемента может быть предусмотрено,

- что транспортирующий элемент выполнен в виде окружающего роторный вал радиально снаружи, транспортирующего жидкую охлаждающую среду радиально наружу лопастного колеса,

- что транспортирующий элемент окружен расположенным без возможности проворота на основном теле транспортирующим корпусом,

- что роторный вал в окруженной транспортирующим корпусом области имеет, по меньшей мере, одну радиальную выемку, и

- что соединение от роторного вала к охлаждающим каналам выполнено в виде, по меньшей мере, одной отходящей радиально наружу от транспортирующего корпуса соединительной линии.

Возможно, что соединение от теплообменника к роторному валу выполнено таким образом, что жидкая охлаждающая среда аксиально подается к роторному валу. Это выполнение является гидравлически оптимальным.

Альтернативно возможно, чтобы соединение от теплообменника к роторному валу было выполнено таким образом, что жидкая охлаждающая среда подается радиально к роторному валу. Это выполнение может быть необходимым на практике, если на роторном валу расположена вращающаяся часть чувствительного устройства для зависящего от положения, числа оборотов или ускорения сигнала.

Другие преимущества и особенности следуют из приведенного ниже описания примеров осуществления в сочетании с чертежами, на которых в принципиальном представлении показано:

Фиг.1 - электрическая машина,

Фиг.2 - схематически часть электрической машины из фиг.1,

Фиг.3 - альтернативное выполнение показанной на фиг.2 части электрической машины с фиг.1.

Согласно фиг.1 электрическая машина имеет основное тело 1. Основное тело 1 включает в себя, по меньшей мере, один статор 2. При необходимости, основное тело 1 в дополнение к статору 2 может включать в себя другие элементы, например корпус 3. Альтернативно, электрическая машина может быть выполнена в виде бескорпусной электрической машины. В основном теле 1 - будь то в статоре 2, будь то в возможно имеющемся корпусе 3 электрической машины - расположены охлаждающие каналы 4 для жидкой охлаждающей среды. Течение охлаждающей среды в охлаждающих каналах 4 обозначено на фиг.1 соответствующими стрелками, которые на фиг.1 обозначены ссылочной позицией А. Жидкая охлаждающая среда, как правило, представляет собой воду.

Охлаждающие каналы 4 могут быть расположены в соответствии с потребностью. Например, они могут быть выполнены в виде аксиально проходящих охлаждающих каналов. При этом понятие "аксиально" - также как и везде - относится к оси 5 вращения электрической машины. Оно обозначает направление, параллельное оси 5 вращения.

В случае аксиального прохождения охлаждающие каналы могут представлять собой простые сквозные охлаждающие каналы 4 так, что подача жидкой охлаждающей среды осуществляется на одном аксиальном конце, а отвод охлаждающей среды - на другом аксиальном конце. Однако, как правило, подвод и отвод жидкой охлаждающей среды осуществляется на одном и том же аксиальном конце электрической машины.

Альтернативно аксиальному прохождению охлаждающих каналов 4 они могут проходить тангенциально. Понятие "тангенциально" также относится к оси 5 вращения. Оно означает направление на постоянном удалении от оси 5 вращения и вокруг этой оси 5 вращения.

Точное выполнение охлаждающих каналов 4 как таковое не является предметом настоящего изобретения. Наоборот, охлаждающие каналы 4 и их возможные выполнения и расположения являются общеизвестными в уровне техники.

Далее электрическая машина имеет роторный вал 6. Роторный вал 6 установлен в опорах 7 электрической машины. Поэтому роторный вал 6 выполнен с возможностью вращения вокруг оси 5 вращения.

Роторный вал 6 согласно фиг.1 выполнен в виде полого вала. Он также выполнен с возможностью протекания через него жидкой охлаждающей среды. Это обозначено на фиг.1 стрелками, которые снабжены ссылочной позицией В.

Выполнение роторного вала 6 в виде полого вала может осуществляться в соответствии с потребностью. Принципиально возможно жидкую охлаждающую среду на одном аксиальном конце роторного вала 6 подавать в роторный вал 6, а на другом аксиальном конце отводить из него. Однако, как правило, подобного рода выполнение связано со значительными дальнейшими недостатками. Поэтому обычно роторный вал имеет внутреннюю трубу 8, так что - как представлено на фиг.1 - жидкая охлаждающая среда сначала аксиально течет во внутренней трубе 8, затем на конце внутренней трубы 8 выходит из внутренней трубы 8, а потом в промежуточном пространстве между роторным валом и внутренней трубой течет обратно в противоположном направлении.

Переход охлаждающей среды из внутренней трубы 8 к роторному валу 6 может быть выполнен в зависимости от потребности. Например, внутренняя труба 8, как представлено на фиг.1, может быть открыта на своем расположенном с передней стороны конце. Альтернативно или дополнительно внутренняя труба 8 может иметь радиальные отверстия или другие радиальные выемки. Понятие "радиально" здесь - точно так же, как и понятия "аксиально" и "тангенциально" - относятся к оси 5 вращения. Понятие "радиально" обозначает направление, перпендикулярное оси 5 вращения, а именно на оси 5 вращения к ней, соответственно, от нее.

Выполненный в виде полого вала роторный вал 6 с находящейся внутри внутренней трубой 8 известен сам по себе. Поэтому детальное пояснение для такого выполнения роторного вала 6 не является необходимым.

Вследствие протекания жидкой охлаждающей среды через роторный вал 6 этот роторный вал 6 охлаждается. Вследствие охлаждения роторного вала 6 опосредованно охлаждается и расположенный без возможности проворота на роторном валу 6 ротор 9 электрической машины.

Электрическая машина имеет, кроме того, теплообменник 10. Теплообменник 10 служит для того, чтобы отводить содержащееся в жидкой охлаждающей среде тепло в окружающую среду - чаще всего в окружающий воздух.

Теплообменник 10 может быть выполнен в зависимости от потребности. Часто теплообменник 10 выполнен в виде пластинчатого охладителя. Пластинчатый охладитель как таковой является общеизвестным у охлаждаемых водой автомобильных двигателей. Пластинчатый охладитель может, при необходимости, быть расположен альтернативно либо горизонтально, либо вертикально. Кроме того, с ним при необходимости может быть согласован вентилятор, чтобы оптимизировать охлаждающую мощность теплообменника 10.

Если электрическая машина имеет вентилятор, который без возможности проворота расположен на роторном валу 6, то также возможно, чтобы теплообменник 10 был установлен непосредственно снаружи на основном теле 1, соответственно, иным образом интегрирован в основное тело 1.

Теплообменник 10, роторный вал 6 и охлаждающие каналы 4 гидравлически попарно соединены друг с другом. То есть теплообменник 10 с одной стороны соединен с роторным валом 6, а с другой стороны связан с охлаждающими каналами 4. Точно также роторный вал 6 с одной стороны соединен с теплообменником 10, а с другой стороны соединен с охлаждающими каналами 4. Точно также в аналогичной манере охлаждающие каналы 4 с одной стороны соединены с теплообменником 10, а с другой стороны соединены с роторным валом 6.

Чтобы достичь принудительной циркуляции жидкой охлаждающей среды, имеется транспортирующий элемент 11, который встроен в замкнутый охлаждающий контур для жидкой охлаждающей среды. Транспортирующий элемент 11 согласно фиг.1-3 без возможности проворота расположен на роторном валу 6 так, что при вращении роторного вала 6 он тоже вращается. Посредством транспортирующего элемента 11 обеспечивается принудительная циркуляция жидкой охлаждающей среды при вращении роторного вала в замкнутом контуре для жидкой охлаждающей среды. Направление транспортировки жидкой охлаждающей среды предпочтительно является таким, что жидкая охлаждающая среда вследствие принудительной циркуляции посредством транспортирующего элемента 11 течет от теплообменника 10 к роторному валу 6, от роторного вала 6 к охлаждающим каналам 4 и из охлаждающих каналов 4 обратно к теплообменнику 10. Разумеется, жидкая охлаждающая среда после того, как протекла от теплообменника 10 к роторному валу 6, протекает сквозь роторный вал 6, прежде чем она потечет к охлаждающим каналам 4. Точно также жидкая охлаждающая среда, разумеется, протекает сквозь охлаждающие каналы 4, прежде чем потечь обратно к теплообменнику 10.

Транспортирующий элемент 11 принципиально может быть встроен в любое место замкнутого контура для жидкой охлаждающей среды. Предпочтительным образом транспортирующий элемент 11 соответственно представлению на фиг.1-3 встроен между роторным валом 6 и охлаждающими каналами 4 в замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды. В этом случае согласно фиг.1-3 в механически-конструктивном отношении, в частности, транспортирующий элемент 11 может быть выполнен в виде лопастного колеса, которое радиально снаружи окружает роторный вал 6 и транспортирует жидкую охлаждающую среду радиально изнутри радиально наружу. Транспортирующий элемент 11 в этом выполнении окружен транспортирующим корпусом 12, который без возможности проворота расположен на основном теле 1. В этом случае роторный вал 6 в области, которая окружена транспортирующим корпусом 12, имеет, по меньшей мере, одну радиальную выемку 13. Далее в этом случае соединение роторного вала 6 с охлаждающими каналами 4, через которое жидкая охлаждающая среда течет от роторного вала 6 к охлаждающим каналам 4, выполнено в виде соединительной линии 14, которая отходит радиально наружу от транспортирующего корпуса 12.

Соединение от теплообменника 10 к роторному валу 6 - точнее, как правило, к внутренней трубе 8 - может быть выполнено в соответствии с потребностью. С точки зрения гидравлики (т.е. потока) является оптимальным, если жидкая охлаждающая среда аксиально подается к роторному валу 6 соответственно представлению согласно фиг.2. Однако во многих случаях согласно представлению на фиг.3 имеется чувствительное устройство 15, которое служит для генерирования сигнала, зависящего от положения, числа оборотов или ускорения. Например, чувствительное устройство 15 может быть выполнено в виде счетно-решающего устройства или в виде инкрементного датчика или аналогичного чувствительного устройства. В этом случае невозможна аксиальная подача жидкой охлаждающей среды к роторному валу 6. В этом случае подача жидкой охлаждающей среды к роторному валу 6 в соответствии с представлением на фиг.3 осуществляется не аксиально, а радиально.

Настоящее изобретение имеет множество преимуществ. В частности, простым образом достигается хорошее термическое охлаждение электрической машины без того, чтобы требовалось какое-либо внешнее подключение для охлаждающей среды. Также эта конструкция является простой, надежной и почти не требующей технического обслуживания.

Приведенное выше описание служит исключительно для пояснения настоящего изобретения. Объем защиты настоящего изобретения, напротив, должен быть определен исключительно посредством приложенной формулы изобретения.

1. Электрическая машина,
- причем электрическая машина имеет основное тело (1), роторный вал (6) и теплообменник (10),
- причем основное тело (1) включает в себя, по меньшей мере, один статор (2),
- причем в основном теле (1) расположены охлаждающие каналы (4) для жидкой охлаждающей среды,
- причем роторный вал (6) установлен в основном теле (1) таким образом, что роторный вал (6) выполнен с возможностью вращения вокруг оси (5) вращения,
- причем роторный вал (6) выполнен в виде полого вала, через который протекает жидкая охлаждающая среда и который имеет внутреннюю трубу (8),
- причем теплообменник (10) служит для отвода содержащегося в жидкой охлаждающей среде тепла в окружающую среду электрической машины,
- причем теплообменник (10), роторный вал (6) и охлаждающие каналы (4) гидравлически соединены друг с другом так, что образуется замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды,
- причем на роторном валу (6) без возможности проворота расположен транспортирующий элемент (11), который встроен в замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды и посредством которого жидкая охлаждающая среда при вращении роторного вала (6) вокруг оси (5) вращения принуждается к циркуляции в замкнутом контуре для жидкой охлаждающей среды,
- причем жидкая охлаждающая среда вследствие принудительной циркуляции посредством транспортирующего элемента (11) течет от теплообменника (10) к роторному валу (6), там аксиально течет во внутренней трубе (8), на конце внутренней трубы (8) выходит из внутренней трубы (8) и течет обратно в противоположном направлении в промежуточном пространстве между роторным валом (6) и внутренней трубой (8), оттуда течет к охлаждающим каналам (4), а оттуда обратно к теплообменнику (10).

2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что транспортирующий элемент (11) встроен между роторным валом (6) и охлаждающими каналами (4) в замкнутый контур для жидкой охлаждающей среды.

3. Электрическая машина по п.2, отличающаяся тем, что
- транспортирующий элемент (11) выполнен в виде окружающего радиально снаружи роторный вал (6) и транспортирующего жидкую охлаждающую среду радиально наружу лопастного колеса,
- транспортирующий элемент (11) окружен расположенным без возможности проворота на основном теле (1) транспортирующим корпусом (12),
- роторный вал (6) в окруженной транспортирующим корпусом (12) области имеет, по меньшей мере, одну радиальную выемку (13),
- соединение от роторного вала (6) к охлаждающим каналам (4) выполнено в виде по меньшей мере одной отходящей радиально наружу от транспортирующего корпуса (12) соединительной линии (14).

4. Электрическая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что соединение от теплообменника (10) к роторному валу (6) выполнено таким образом, что жидкая охлаждающая среда аксиально направляется к роторному валу (6).

5. Электрическая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что соединение от теплообменника (10) к роторному валу (6) выполнено таким образом, что жидкая охлаждающая среда радиально направляется к роторному валу (6).