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ANWENDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung offenbart einen Radialgebläserotor eines internen Lüftungssystems für eine umlaufende elektrische Maschine, gebildet durch eine vorzugsweise flächige Profilscheibe, die konzentrisch zur Achse der rotierenden elektrischen Maschine und axial auf den Rotorschaufeln der rotierenden elektrischen Maschine gekoppelt ist. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine rotierende elektrische Maschine umfassend das hier vorgeschlagene System offenbart.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei rotierenden elektrischen Maschinen ist die Anwesenheit eines effizienten Wärmeaustauschssytems für die Aufrechterhaltung der Temperatur der rotierenden elektrischen Maschinenkomponenten innerhalb der im Projekt spezifizierten Nennbetriebsbedingungen wesentlich. Obwohl rotierende elektrische Maschinen mit hohem Durchsatz arbeiten, wird ein Teil der elektrischen Energie bei der Umwandlung in mechanische Energie, oder umgekehrt in thermische Energie am Ende umgewandelt.
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Die Entfernung von Wärmeenergie aus dem Inneren einer rotierenden elektrischen Maschine kann direkt oder indirekt auftreten.
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Die direkte Entfernung von Wärmeenergie erfolgt in rotierenden elektrischen Maschinen in der ”innen gekühlten” Ausführung – aus dem englischen stammender Begriff open drip-proof (ODP) – durch den direkten Kontakt von einem Kühlfluid (in der Regel Luft) mit den Komponenten der Maschine, insbesondere Wickelköpfen, Stator, Rotor und Kurzschlussringen, da bei diesen Komponenten die Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie auftritt. Somit wird die Wärmeenergie direkt auf das Kühlungsfluid übertragen, die kontinuierlich erneuert wird. Der wichtigste physikalische Mechanismus, durch den die Migration von Wärmeenergie der Komponenten der Maschine auf das Kühlungsfluid erfolgt, wird erzwungene Konvektion genannt und hängt im wesentlich von der Fläche der Wärmeaustauschoberfläche in Kontakt mit dem Kühlungsfluid, und von der Geschwindigkeit dieses Kühlungsfluids auf der Oberfläche ab, wobei verschiedene Kombinationen dieser beiden Paramater zu unterschiedlichen Werten der Wärmeübergangskoeffizienten führen.
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Die indirekte Entfernung von Wärmeenergie erfolgt in rotierenden elektrischen Maschinen in der ”vollkommen geschlossenen” Ausführung – aus dem englischen stammender Begriff ”totally enclosed” (TE). In diesem Fall gibt es normalerweise zwei Kühlungskreisläufe: einen internen und einen anderen externen an die Maschine, und die Fluide (gewöhnlich Luft) jeder Schaltung haben keinen Kontakt miteinander.
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In dem internen Kreislauf wird die Luft durch die von dem internen Belüftungssystems erzeugte Druckdifferenz bewegt, indem der Kontakt des Kühlungsfluids mit den Komponenten der Maschine, insbesondere mit den Wickelköpfen, dem Stator, dem Rotor und den Kurzschlussringen, gefördert wird. Das Kühlungsfluid entfernt thermische Energie von der Oberfläche dieser Komponenten und überträgt diese an die Oberfläche eines Feststoffes, der in der Regel ein Gehäuse und Abdeckungen der rotierenden elektrischen Maschine umfasst. Im Gegenzug haben das Gehäuse und die Abdeckungen Kontakt mit dem externen Kühlungskreislauf. Noch immer bezüglich des internen Belüftungskreislaufs sollte erwähnt werden, dass dieser Kreislauf die Kommunikation zwischen dem Teil des inneren Kühlungsfluids, der im vorderen Bereich liegt, und dem Teil des inneren Kühlungsfluids, der im hinteren Bereich liegt, der rotierenden elektrischen Maschine fördern kann oder nicht. In dem inneren Kreislauf ist auch der Hauptmechanismus zur Entfernung der thermischen Energie aus den Komponenten der rotierenden elektrischen Maschine die gezwungene Konvektion.
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Das Vorhandensein des internen Ventilationskreislaufs hilft die Temperaturverteilung innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine zu reduzieren und zu vereinheitlichen, und damit lokalisierte Konzentrationen von Wärmeenergie, die zu heißen Stellen oder hot spots (aus dem Englisch stammender Begriff) führen, zu verhindern.
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Das externe Kühlungssystem hat in der Regel eine externe Kühlungsanlage, die eine Druckdifferenz erzeugt, was zu einer Verschiebung des Kühlungsfluids (in der Regel Luft) auf der festen Oberfläche, die das Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine bildet, führt. Die Wärmeenergie wird von der Festkörperoberfläche entfernt und auf das externe Kühlungsfluid übertragen. Die Übertragung der Wärmeenergie von dem inneren Kreislauf auf den externen Kühlungskreislauf erfolgt durch den Festkörper mittels des Wärmeleitungsmechanismus.
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BESCHREIBUNBG DES STANDES DER TECHNIK
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Im Stand der Technik gibt es verschiedene Vorschläge für das interne Ventilationssystem für den Einsatz in rotierenden elektrischen Maschinen. Üblicherweise umfassen die internen Lüftungssysteme, in denen die Kommunikation zwischen dem Teil des internen Kühlungsfluids, der im vorderen Bereich liegt, und dem Teil, der im hinteren Bereich liegt, der rotierenden elektrischen Maschine besteht, einen Gebläserotor mit spezifischer Geometrie und einen Verlängerungskanal, der zum Ziel hat, den Rotor des Lüfters mit dem Rotor der rotierenden elektrischen Maschine zu verbinden. Wiederum besitzt der Rotor der Maschine Löcher für den Durchgang des Kühlungsfluids, die die Kommunikation zwischen dem Teil des Kühlungsfluids, der im vorderen Bereich liegt und dem Teil, der im hinteren Bereich liegt, oder umgekehrt, der rotierenden elektrischen Maschine ermöglichen. Der Rücklauf des Kühlungsfluids von dem Teil, der im vorderen Bereich liegt, zu dem Teil, der im hinteren Bereich liegt, oder umgekehrt, wird durch einen Kommunikationskanal im Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine gewährleistet.
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Das Dokument
US5747900 schlägt eine luftgekühlte rotierende elektrische Maschine vor und beschreibt ein internes Lüftungssystem, das aus einem an der Rückseite der rotierenden elektrischen Maschinen angeordneten Lüfterrotor besteht. Im Inneren ist die rotierende elektrische Maschine mit Rohrleitungen in ihrem Gehäuse, Stator und Rotor ausgestattet, die die Luftströmung ermöglichen. Sowohl in dem vorderen Bereich als auch in dem hinteren Bereich des Gehäuses der rotierenden elektrischen Maschine gibt es Platten mit mehreren Löchern. Somit wird die rotierende elektrische Maschine durch die gezwungene Konvektion der Umgebungsluft gekühlt.
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Das Gebrauchsmuster
CN202183712 zeigt einen Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine, modifiziert mit Lüftungsrohrleitungen auf dem Maschinenrotor selbst, mit dem ein Lüfterrotor an einem der Enden verbunden ist. Mit diesem Format wird die Lüftungsanlage an den Rotor der rotierenden elektrischen Maschine gekoppelt, was die Anzahl der Teile reduziert und den Aufbau vereinfacht.
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In die gleiche Richtung zeigt das Gebrauchsmuster
CN201403011 eine Lüftungsstruktur für den Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine. Die Rotorkonstruktion besitzt Lüftungskanäle und Aluminiumlamellen, die in den Rotor integriert sind. In dieser Ausführung ist der Rotor der rotierenden elektrischen Maschine zuständig für die Bewegung des Lüftungsfluids in dem geschlossenen Lüftungskreislauf, und eliminiert damit die Notwendigkeit nach einer speziellen Komponente.
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Das Gebrauchsmuster
CN201260067 zeigt eine rotierende elektrische Maschine mit gleichzeitigem Wärmeaustausch in der Vorder- und Rückseite des Motors, was den Maschinenwirkungsgrad erhöht. In dieser Konstruktion sind die Vorsprünge an den beiden Enden des Rotorkäfigs mit den Strukturen der inneren Schaufeln integriert, und damit wird die Kühlung durch die Luftströmung in den Kanälen erhöht.
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Alternativ beschreibt das Gebrauchsmuster
CN202160076 eine Scheibe mit Löchern zum Ausgleich der Struktur der rotierenden elektrischen Maschine, die verwendet wird, um die Motorschwingung während des Betriebs zu reduzieren.
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In Anbetracht des oben Genannten, bieten die Dokumente Lösungen, die das Kühlungssystem ändern, mit dem Ziel, die Komplexität, die Anzahl der Teile und die Kosten für Bau und Wartung von Elektromotoren zu reduzieren.
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Es besteht somit ein Bedarf an Methoden, die eine Lösung in Bezug auf den Wärmeaustausch bereitstellen können, ohne daß negative Auswirkungen auf Herstellungsprozess- und kosten bei den rotierenden elektrischen Maschinen ausgeübt werden.
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Aus dem dynamischen Sicht, werden die Lüfterrotoren nach dem Stand der Technik getrennt gefertigt und dann zusammengebaut. Die Geometrie dieser Rotoren ist in der Regel komplex und die Rotoren haben beträchtliche Dimensionen, die zu restlichen Unwuchten führen. Somit sind Vorabkontrollen zum Auswucht des Lüfterrotors vor seiner Montage auf die rotierenden elektrische Maschine notwendig.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht im Querschnitt der rotierenden elektrischen Maschine mit dem inneren Belüftungssystem.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Rotormontage (0) bei der rotierenden elektrischen Maschine, und des Lüfterrotors des inneren Belüftungssystems.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht im Schnitt der Rotormontage (0) der rotierenden elektrischen Maschine, und des Lüfterrotors des inneren Belüftungssystems.
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4 zeigt einen Querschnitt der rotierenden elektrischen Maschine mit einem internen Strömungsschema des Kühlungsfluids durch das innere Belüftungssystem.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt wird, umfasst das genannte System eine vorzugsweise flächige Profilscheibe (3) mit mehreren Löchern (4), die mit den Rippen (1) des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine gekoppelt ist.
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1 illustriert die Rotorposition (0) der rotierenden elektrischen Maschine, wobei das innere Belüftungssystem innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine konzentrisch zur Achse (2) der Maschine angeordnet ist.
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Die 2 und 3 zeigen eine bevorzugte Rotorkonstruktion (0) des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine umfassend eine vorzugsweise flächige Profilscheibe (3), die mit den Rippen (1) konzentrisch zur Achse (2) des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine gekoppelt ist. In dieser Konfiguration dienen die Rippen (1) des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine als Schaufeln eines radialen Lüfterrotors.
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4 zeigt die Kühlungsfluidsströmung im Inneren des Maschinengehäuses, wenn die Luft als Kühlungsfluid vom System verwendet wird.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Die Erfindung ist darauf ausgerichtet, ein Problem des Standes der Technik zu lösen, indem sie ein inneres Belüftungssystem mit einfachem Aufbau bereitstellt, bei dem ein Teil des Lüfterrotors aus dem Rotor (0) der rotierenden elektrischen Maschine, und zwar aus den Rippen (1), und der vorzugsweise flächigen Profilscheibe (3) besteht.
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Die vorliegende Erfindung offenbart einen radialen Lüfterrotor eines inneren Belüftungssystems einer rotierenden elektrischen Maschine. Der Rotor besteht aus einer vorzugsweise flächigen Profilscheibe (3), die konzentrisch zur Achse der rotierenden elektrischen Maschine (2) und axial mit den Rippen (1) des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine gekoppelt ist. Die Verbindung dieser Scheibe mit den Rippen (1) des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine bildet einen radialen Lüfterrotor, der dementsprechend wenig komplex und kostengünstig ist, da die Rippen bereits während des Spritzgießens des Käfigläufers (0) der rotierenden elektrischen Maschine oder durch irgendwelche Methoden gebildet werden können, die die Erhaltung der genannten Rippen ermöglichen.
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Während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine wird der Lüfterrotor durch die Rotationsbewegung des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine gleichzeitig angetrieben, der aus der vorzugsweise flächigen Profilscheibe (3) und aus den Rippen (1) des Rotors (0) besteht. Die Rotationsbewegung führt zur Verringerung des sich strömaufwärts befindenden Drucks (10) des Rotors des Lüfters und zur Erhöhung des sich stromabwärts befindenden Drucks (11). Diese Druckdifferenz fördert die Verschiebung des sich im Inneren der rotierenden elektrischen Maschine befindenden Kühlungsfluids. Die vom Kühlungsfluid zurückgelegte Strecke umfasst den Durchgang des Rotors (0) innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine, welcher zum Lüfterrotor geführt ist. Der Lüfterrotor ist von der vorzusweise flächigen Profilscheibe (3) und von den Rippen (1) des Rotors (0) gebildet. Darauf wird diese Strömung in Richtung der Abdeckung (5) der rotierenden elektrischen Maschine vorangetrieben und zu einer anderen sich am Gehäuse der Maschine befindenden Rohrleitung (6) abgelenkt. Die Rohrleitung (6) richtet die Strömung zu dem gegenüberliegenden Teil der rotierenden elektrischen Maschine, wo die Strömung wieder umgeleitet wird, um durch das Innere des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine zu gehen, und der Zyklus wiederholt sich.
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Weiterhin kann dieselbe vorzugsweise flächige Profilscheibe (3) die Funktion einer Ausgleichsscheibe durch Zugabe einer Vielzahl von Löchern (4) übernehmen.
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Vom fluiddynamischen Gesichtspunkt her ist die vorliegende Erfindung einfach, da der Lüfterrotor nur von den Schaufeln (1) des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine und von einer vorzugsweise flächigen Profilscheibe (3), die miteinander gekoppelt sind, gebildet ist. Somit ist der Lüfterrotor nicht mehr eine getrennte Komponente, sondern er ist das Ergebnis der Verbindung zweier Komponenten, und zwar die Verbindung der vorzugsweise flächigen Profilscheibe (3) mit den Rippen (1) des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine.
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Die Rippen (1) des Rotors der rotierenden elektrischen Maschine werden vorzugsweise durch ein Druckspritzgussverfahren erhalten und das zum Umformen dieser Rippen verwendete (1) Formwerkzeug wird vorzugsweise durch eine Präzisionsbearbeitung hergestellt, was zu einer sehr geringen restlichen Unwucht führt. Die vorzugsweise flächige Profilscheibe (3) hat eine einfache Geometrie, was auch zu einer sehr geringen Unwucht führt. Dies beseitigt die Notwendigkeit nach einem Vorauswuchten beim Endmontageverfahren des Rotors (0) der rotierenden elektrischen Maschine.
