DK2591542T3 - Elektrisk maskine - Google Patents

Description

Nærværende opfindelse angår en elektrisk maskine, især kølingen af en elektrisk maskine.

Elektriske maskiner, som omformer elektrisk energi til rotationsenergi henholdsvis rotationsenergi til elektrisk energi, er kendt fra teknikkens stade. Sådanne maskiner har ofte en på en aksel placeret rotor. Rotoren har alt efter type af den elektriske maskine eksempelvis permanent magneter eller viklinger af et elektrisk ledende materiale. Rotoren er i forbindelse med sådanne elektriske maskiner som regel omgivet af en stator. Statoren har i omkredsretningen såkaldte statorviklinger af et elektrisk ledende materiale. Statoren har ved sin indvendige side i radial og aksial retning forløbende noter, hvori statorviklingerne forløber. For enden bliver de individuelle statorviklinger ført ud af én not og ind i en anden not, for således at forbinde forskellige noter indbyrdes. Spoleteknikken for statorspolerne er i den forbindelse udformet således, at der til elektrisk isolation foreligger en afstand imellem endesiden på rotoren og de ud af noten udførte dele af statorviklingen. Disse ud af noterne udragende dele af statorviklingen betegnes også som spolehoveder. Hyppigt bliver der som elektrisk ledende materiale til statorviklingerne og i givet fald for rotorviklingerne anvendt kobber.

En elektrisk maskine kan alt efter udformning af rotoren eksempelvis udformes som asynkron maskine. Asynkron maskiner har en rotor med kortslutningsviklinger, som realiseres via en kortslutningsring ved endesiden af rotoren. Sådanne rotorer betegnes også som kortslutningsløbere. I forbindelse med en synkron maskine stiller rotoren et magnetfelt til rådighed, eksempelvis ved hjælp af på rotoren anbragte permanentmagneter.

Afgørende indflydelse på ydelsesforholdene har i den forbindelse den termiske håndtering i den elektriske maskine, idet temperaturen på kraftigt belastede dele som eksempelvis spolehovederne eller kortslutningsringen er særligt relevant. Til køling af de elektriske maskiner er der i huset udformet aksialt forløbende ventilationsslidser. Igennem disse sker der en udskiftning af kølemedie. Til cirkulation af kølemediet, eksempelvis af luft, bliver der ifølge den kendte teknik hyppigt anbragt vinger på rotoren. I forbindelse med asynkron maskiner bliver sådanne rotorvinger hyppigt udformede i ét stykke med kortslutningsringen. Sådanne vinger strækker sig såvel i aksial som også i radial retning. Via rotationen af ventilationsvingerne sammen med rotoren under drift af den elektriske maskine bliver kølemediet transporteret i radial retning udad, hvorved et undertryk opstår ved den indvendige diameter af rotorvingerne. Det radialt transporterede kølemedie strømmer i den forbindelse i retning mod spolehovederne. På grund af den her opstående turbulens bliver en stor del af kølemediet atter indsuget af undertrykket, som opstår ved indersiden af ventilationsvingerne. Således opstår der i området ved ventilationsvingerne en kortslutningsstrømning, idet kølemediet cirkuleres af ventilatoren henholdsvis transporteres i cirkel, dvs. cirkulært. Kun en ringe del af det af ventilatoren transporterede kølemedie transporteres forbi spolehovederne og/eller kortslutningsringen og ud af huset for den elektriske maskine. Tilsvarende bliver også kun en ringe andel af frisk kølemedie indsuget af ventilatoren. Således er det hensigten med nærværende opfindelse, at stille en forbedret køling af en elektrisk maskine til rådighed.

Dette opnås ved en elektrisk maskine ifølge krav 1. Yderligere fordelagtige videreudviklinger fremgår af underkravene.

En elektrisk maskine ifølge opfindelsen omfatter en rotor, en stator med rundtgående anbragte statorviklinger af et elektrisk ledende materiale og et hus med en første og en anden i omkredsretningen forløbende åbning. På rotoren er derfor endesiden anbragt en ventilator, som er drejefast forbundet med denne og som omfatter radialt forløbende vinger. Af ventilatoren bliver et kølemedie indsuget via den første åbning og udblæst via den anden åbning, idet kølemediet imellem den første og anden åbning føres hurtig forbi i det mindste ved delområder af statorviklingen.

Den elektriske maskine ifølge opfindelse kan, afhængigt af den respektive anvendelse, drives som motor og/eller som generator, og har fra den kendte teknik kendte udførelsesformer for rotoren henholdsvis statoren. For opfindelsestanken er det uvæsentligt, om det i forbindelse med den elektriske maskine eksempelvis drejer sig om en synkroneller asynkron maskine. Statorviklingen er fortrinsvis ført igennem noter på indersiden af statoren. Alt efter udførelsesform og anvendelsesområde for den elektriske maskine varierer antallet af noter. Statorviklingerne bliver ved endesiden af statoren ført ud af disse noter og ifølge den kendte spoleteknik atter indført i én af de øvrige noter. Med hensyn til valget af det elektrisk ledende materiale for rotor- henholdsvis statorviklingerne foreligger der ikke nogen begrænsninger for nærværende opfindelses tanke. Til elektrisk isolation imellem statorviklingerne og statoren foreligger der en afstand ved endesiden imellem stator og statorvikling. De ud af statoren ved dennes endesider fremstående områder af statorviklingen betegnes også som spolehoveder. Imellem de individuelle, ud af noterne i statoren udstikkende statorviklinger og statoren som sådan foreligger der mellemrum. Disse mellemrum har en ikke uvæsentlig indflydelse på strømningsforholdene for kølemediet, som transporteres af ventilatoren.

Som kølemedie tjener som regel en gasformet medie, som eksempelvis omgivelsesluften. Der foreligger imidlertid også muligheden for at der under specielle randbetingelser kan anvendes forskellige gasser eller gas-væske-blandinger, som eksempelvis en olie-luft-blanding.

Den på rotoren for enden anbragte blæser omfatter individuelle vinger. Vingerne strækker sig fortrinsvis i radial retning og har således en i radial og aksial retning forløbende vingeflade. Ved en enkel udførelsesform er denne vingeflade udformet som plan flade. Vingerne og således vingefladerne kan imidlertid supplerende udformes i omkredsretningen krumme, eksempelvis som en i forhold til radialretningen skrånende flade eller også som konkav- henholdsvis konveks flade. Ventilatoren er fortrinsvis udformet i ét stykke med en del af rotoren, eksempelvis i ét stykke med kortslutningsringen for en asynkron maskine. Et sådant konstruktionselement kan eksempelvis udformes som støbedel. Ventilatoren kan imidlertid også udformes i flere dele og eksempelvis sammenskrues med rotoren eller forbindes drejefast med denne via en formbetinget forbindelse.

Huset, som eksempelvis via et centreringsbryst er forbundet med statoren, har den første og anden åbning og omslutter som regel spolehovederne på statoren samt ventilatoren. Supplerende kan der i huset integreres i det mindste en del af lejringen af akslen og dermed rotoren for den elektriske maskine. Den første og anden åbning i huset strækker sig i den forbindelse i omkredsretningen. I den forbindelse er det uvæsentligt om åbningerne befinder sig ved omkredsen eller en endeside af huset. Udformningen af åbningerne bliver målrettet for såvidt bestemt af strømningsmekanikken, således at åbningerne strømningsteknisk er optimerede. Fortrinsvis har hver første åbning en tilsvarende anden åbning, som strækker sig over et tilsvarende omkredsområde af huset. Den første åbning, via hvilken kølemediet kan indsuges, kan anbringes såvel ved statorsideenden af huset som også ved den frie ende af huset. For læren ifølge opfindelsen spiller indsugningen via den første åbning og hurtig udblæsning via den anden åbning en afgørende rolle. Med hurtig forstås, at den første og anden åbning er anbragt således, og strømningsgeometrien er udformet således, at kølemediet uden større opholdstid gennemstrømmer huset. Især skal geometrien optimeres således, at ingen kortslutningsstrømninger eller luft henholdsvis kølemedie udskiftningsforhindrende hvirvler i nævneværdig omfang opstår og en så stor del som mulig af kølemediet udskiftes. Dette betyder, at "hurtig" vedrører strømningsvejen og strømningstiden. I den forbindelse er det uvæsentligt, om kølemediet før indføring i ventilatoren eller efter udtræden fra ventilatoren føres forbi de dele af den elektriske maskine, som eksempelvis spolehovederne eller kortslutningsringen, som skal køles. Kølemediet bliver transporteret fra den første åbning igennem mellemrum imellem spolehovederne og statoren til den anden åbning. Et sådant strømningsbillede kan fremstilles ved, at luft via ventilatoren indsuges fra den første åbning og ventilatoren er anbragt og udformet således, at det ud af ventilatoren udtrængende kølemedie transporteres i disse mellemrum. Kølemediet bliver imellem den første og anden åbning ført forbi ved kortslutningsringen på rotoren. En sådan kølemediestrømning kan fremstilles ved, at kølemediet efter udhængningen fra ventilatoren transporteres imellem spolehovederne og kortslutningsringen frem til mellemrummet imellem spolehovederne og statoren og videre til den anden åbning.

Ventilatoren omfatter en ledering, som er anbragt i radial retning udvendigt for vingerne. En sådan med en ledering udformet ventilator kan også betegnes som indvendig ventilator. I den forbindelse bliver kølemediet indsuget fra bestemte områder af huset og ført i en bestemt retning og dermed udblæst mod bestemte konstruktionselementer. Via en sådan ledering kan yderligere dannelsen af kortslutningshvirvler yderligere reduceres. Yderligere kan der ved et sådan ledehjul, det ud fra ventilatoren udtrængende kølemedie målrettet rettes mod bestemte områder som eksempelvis kortslutningsringen eller spolehovederne, især mellemrummene imellem spolehovederne og statoren. Alt efter form af lederingen kan gennemstrømningen i ventilatoren ændres, dvs. især kan eksempelvis indsugnings- henholdsvis udblæsningsretningen for ventilatoren ændres kontinuerligt fra radial til aksial.

Lederingen har en konusformet indvendig overflade. Derved bliver kølemediet i ventilatoren accelereret i aksial såvel som radial retning og således udblæst i en på forhånd definerbar vinkel i forhold til den elektriske maskines akse, eksempelvis i afhængighed af hældningsvinkel for den konusformede indvendige overflade. Ved hjælp af den aksiale komponent bliver den hurtige gennemstrømning af huset forbedret og tilførslen af frisk kølemedie forøget såvel som faren for kortslutningsstrømninger reduceret.

Ifølge krav 1 er den første åbning anbragt således i huset, at kølemediet af ventilatoren indsuges i det væsentlige i radial retning. En sådan strømningsføring bevirkes ved, at den i omkredsretningen forløbende første åbning er anbragt på omkredsen af huset. Derved bliver kølemediet i det væsentlige indsuget i radial retning og i det væsentlige udblæst radialt via den anden åbning, som er anbragt på omkredsen. Via en mere eller mindre kraftigt udformet aksial komponent for strømningen reduceres kortslutningsstrømninger. En radial indsugning af kølemediet kan alternativt eksempelvis udformes således, at de første åbninger er anbragt i området ved kortslutningsringen og kølemediet udblæses i aksial retning via andre åbninger, som er anbragt ved endesiden af huset (ikke en del af den kravsatte opfindelse).

Ifølge krav 2 er den første åbning anbragt således, at indsugningsretningen i det væsentlige forløber aksialt. Eksempelvis kan en sådan strømningsudformning tilvejebringes ved, at den første åbning er anbragt ved endesiden af huset.

Den anden åbning er anbragt i huset i området ved mellemrummene. Således bliver det af ventilatoren transporterede kølemedie, som fortrinsvis gennemstrømmer mellemrummene i radial retning, hurtigt ledt ud af huset. Særligt foretrukkent er en sådan udformning udformet således, at den anden åbning er anbragt radialt udvendigt for mellemrummene, således at kølemediet, som gennemstrømmer mellemrummene, kun uvæsentligt omdirigeres til gennemstrømning af den anden åbning. Derved tilvejebringes en særlig strømningsoptimeret udstrømning af kølemediet ud af huset, hvilket forbedrer luftgennemstrømningen og således varmebortføringen.

Fortrinsvis består den første og/eller anden åbning af adskillige delåbninger. Eksempelvis strækker den første og anden åbning sig over tilsvarende delområder af husomkredsen. Hertil er huset eksempelvis deleligt i segmenter med modsvarende størrelse, som hver især omfatter en første og/eller anden åbning. En sådan udformning er uafhængig af, om åbningerne er anbragt på endesiden eller på omkredssiden på huset. Således tilvejebringes fortrinsvis et strømningsbillede, i hvilket kølemediet indføres i en delåbning i den første åbning og via den tilsvarende delåbning i den anden åbning trænger ud af huset.

Yderligere er den elektriske maskine fortrinsvis udformet således, at der ved hver af de to endesider af rotoren er anbragt en ventilator. I den forbindelse har den elektriske maskine fortrinsvis ved hver af de to endesider et hus med første og anden åbning. I den forbindelse er det uafhængigt af om et hus er udformet i ét stykke med statoren eller som separat konstruktionselement.

Yderligere har akslen på den elektriske maskine, hvorpå rotoren er anbragt, fortrinsvis ved begge ender en indgangs- henholdsvis udgangsaksel. Alt efter udformning af den elektriske maskine kan denne drives som motor og/eller generator. Tilsvarende har akslen ved sine ender en indgangs- og/eller udgangsaksel. Alternativt rager akslen kun ud af huset ved én af de to endesider og danner en indgangs- henholdsvis udgangsaksel.

Yderligere træk og fordele ved opfindelsen fremgår af de efterfølgende udførelseseksempler i forbindelse med figurerne. I den forbindelse viser:

Fig. 1: en elektrisk maskine ifølge den kendte teknik; fig. 2: en snitafbildning af en elektrisk maskine ifølge fig. 1; fig. 3: en første udførelsesform for en elektrisk maskine ifølge opfindelsen; fig. 4: en rotor for en elektrisk maskine ifølge opfindelsen; fig. 5: en stator for en elektrisk maskine ifølge opfindelsen; fig. 6: en snitafbildning af en elektrisk maskine ifølge fig. 3; og fig. 7: en anden udførelsesform for en elektrisk maskine ifølge opfindelsen. I fig. 1 er vist en perspektivisk afbildning af en elektrisk maskine 2 ifølge den kendte teknik. Den elektriske maskine 2 omfatter en ikke vist rotor 10, som er anbragt på en aksel 16, og en stator 20. Et hus 30 er via et centreringsbryst 38 forbundet med statoren 20. Huset 30 med aksiale ventilationsslidser 36 er i den forbindelse anbragt for enden af statoren 20 og tjener som holder for et leje for akslen 16. I fig. 2 er skematisk vist et strømningsbillede for et kølemedie 46 igennem huset 30. Huset 30 omfatter ved omkredsen anbragte aksiale ventilationsslidser 36. Af en ved endesiden 14 af rotoren 10 anbragt ventilator 40, bliver under drift af den elektriske maskine 2, luft indsuget som kølemedie 46 igennem de aksiale ventilationsslidser 36. Ventilatoren 40 har i radialretningen forløbende vinger 42. Kølemediet 46 bliver ført rundt om spolehoveder 24 på statoren 20 og igennem mellemrum 26 imellem statoren 20 med statorviklinger 22 og spolehovederne 24 blæst ud via de aksiale ventilationsslidser 36. Således tjener de aksiale ventilationsslidser 36 såvel som indløb som også som udløb for kølemediet 46 i huset 30. Som vist i fig. 2 bliver, på grund af den strømningsmekaniske udformning af huset 30 samt de omstrømmede konstruktionselementer, en størstedel af den transporterede luft cirkuleret som kortslutningsstrømning i området ved ventilatoren 40. Denne kortslutningsstrømning yder kun et ringe bidrag til varmefjernelsen fra spolehovederne 24 samt kortslutningsringen 12 på rotoren 10. I fig. 3 er en første udførelsesform for en elektrisk maskine 2 ifølge opfindelsen vist. Afvigende fra den i fig. 1 viste elektriske maskine 2 har den elektriske maskine 2 ifølge opfindelsen i overensstemmelse med fig. 3 ingen aksiale ventilationsslidser 36. I huset 30 foreligger der i stedet for dette i omkredsretningen udformede første og andre åbninger 32, 34. Disse første og andre åbninger 32, 34 er udformede i modsvarende områder af omkredsen, således at der dannes en optimal strømning fra én af de første åbninger 32 til en tilsvarende anden åbning 34.

Yderligere har den på aksen 16 anbragte rotor 10 i den elektriske maskine ifølge opfindelsen, som vist i fig. 4, ved begge endesider en ventilator 40 med radialt forløbende vinger 42 og en rundtgående ledering 44. En sådan ventilator 40 kan også betegnes som indvendig ventilator. Den indvendige ventilator er udformet i ét stykke med kortslutningsringen 12 på rotoren 10. Via den konusformede udformede ledering 44 dannes en styret strømning af kølemediet 46 igennem ventilatoren 40. Herved bliver blandt andet en kortslutningsstrømning indvendigt i ventilatoren undgået. Desuden er den ført udtrængende strømning af kølemediet 46 ud af ventilatoren 40 rettet mod mellemrummene 26 imellem statoren 20 og statorviklingerne 22 i området ved spolehovederne 24, som vist i fig. 5. Således bliver der ved temperaturkritiske områder i den elektriske maskine 2, såsom spolehoveder 24 og kortslutningsringen 12, dannet en høj gennemstrømning af kølemediet 46 med høje strømningshastigheder.

Et strømningsbillede for kølemediet 46 i en elektrisk maskine 2 ifølge opfindelsen er vist i snitafbildningen i fig. 6.1 den forbindelse bliver kølemediet 46 af ventilatoren 40 via den første åbning 32 indsuget i det væsentlige radialt. Ventilatoren 40 med lederingen 44 transporterer kølemediet 46 målrettet mod temperaturkritiske områder for spolehovederne 24 samt kortslutningsringen 12. Via mellemrummene 26 imellem spolehovederne 24 og statoren 20 bliver kølemediet 46 bortført radialt. De andre åbninger 34, via hvilke kølemediet 46 trænger ud af huset 30, er anbragt strømningsgunstigt i radial retning i umiddelbar nærhed af mellemrummene 26. Ved hjælp af den her viste strømningsgunstige udformning af luftføringen bliver der tilvejebragt en høj gennemstrømning af kølemediet 26 igennem de områder af den elektriske maskine 2, som skal køles. Desuden bliver, ved hjælp af den passende udformning af det gennemstrømmede område, kølemediet 46 hurtigt, især uden stor hvirveldannelse, ledt igennem huset 30. I fig. 7 er en anden udførelsesform for en elektrisk maskine 2 ifølge opfindelsen vist. Afvigende fra den i fig. 3 viste elektriske maskine er de første åbninger 32 ikke anbragt på omkredsen af huest 30, men for enden af huset 30. De første åbninger 32 er i den forbindelse ligeledes udformede langs en delcirkel i omkredsretningen. Således bliver kølemediet 46 af ventilatoren 40 i det væsentlige indsuget i aksial retning. En sådan udførelsesform viser sig fordelagtig i bestemte indbygningstilstande med passende konstruktionsrumsbetingede randbetingelser. Yderligere fordelagtigt ved en sådan udformning er den større afstand imellem de første og andre åbninger 32, 34, hvilket fører til en større gennemstrømning af frisk kølemedie, eftersom indsugning af udtrængende kølemedie 46 reduceres.

HENVISNINGSTALSLISTE 2 elektrisk maskine 10 rotor 12 kortslutningsring 14 endeside af rotoren 16 aksel 20 stator 22 statorvikling 24 spolehoved 26 mellemrum 30 hus 32 første åbning 34 anden åbning 36 aksial ventilationsslids 38 centreringsbryst 40 ventilator 42 vinge 44 ledering 46 kølemedie

Claims (5)

1. Elektrisk maskine (2) med en rotor (10), en stator (20) med rundtgående anbragte statorviklinger (22) af et elektrisk ledende materiale og et hus (30), hvor der på endesiden af rotoren (10) er anbragt en ventilator (40), som er rotationsfast forbundet med rotoren (10) og som omfatter radialt forløbende vinger (42), kendetegnet ved, at huset har en første og anden i omkredsretningen forløbende åbning (32, 34) og af ventilatoren (40) indsuges et kølemedie (46) via den første åbning (32) og blæses hurtigt forbi en kortslutningsring (12) på rotoren (10), igennem mellemrum (26) imellem spolehovederne (24) på statorviklingen (22) og statoren (20) og udblæses via den anden åbning (34); at ventilatoren (40) omfatter en ledering (44), som er anbragt i radial retning udvendigt for vingerne (42) og som omfatter en konusformet indvendig flade; at den første åbning (32) er anbragt således, at kølemediet (46) af blæseren (40) i det væsentlige indsuges i radial retning; og at den anden åbning (34) i huset (30) er anbragt i området ved mellemrummene (26) således, at kølemediet (46) fra mellemrummene (26) strømmer bort radialt.

2. Elektrisk maskine (2) med en rotor (10), en stator (20) med rundtgående anbragte statorviklinger (22) af et elektrisk ledende materiale og et hus (30), hvor der ved endesiden af rotoren (10) er anbragt en ventilator (40), som er drejefast forbundet med rotoren (10) og som omfatter radialt forløbende vinger (42), kendetegnet ved, at huset har en første og en anden i omkredsretningen forløbende åbning (32, 34) og af ventilatoren (40) indsuges et kølemedie (46) via den første åbning (32) og blæses hurtigt forbi en kortslutningsring (12) på rotoren (10), igennem mellemrum (26) imellem spolehovederne (24) på statorviklingen (22) og statoren (20) og udblæses via den anden åbning (34); at ventilatoren (40) omfatter en ledering (44), som er anbragt i radial retning udvendigt for vingerne (42) og som har en konusformet indvendig flade; at den første åbning (32) er anbragt således, at kølemediet (46) af ventilatoren (40) i det væsentlige indsuges i aksial retning; og at den anden åbning (34) i huset (30) er anbragt i området ved mellemrummene (26) således, at kølemediet (46) fra mellemrummene (26) strømmer bort radialt.

3. Elektrisk maskine (2) ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den første og/eller den anden åbning (32, 34) består af adskillige delåbninger.

4. Elektrisk maskine ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at der ved hver af de to endesider (14) på rotoren (10) er anbragt en ventilator (40).

5. Elektrisk maskine ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at en aksel (16), hvorpå rotoren (10) er anbragt, ved begge ender har et indgangs- og/eller udgangsdrev.