PL183344B1 - Obudowa maszyny elektrycznej z kanałami do chłodzenia cieczą - Google Patents

Abstract

1. Obudowa maszyny elektrycznej z ka- nalami do chlodzenia ciecza, utworzonymi przez rury, tworzace równolegle do osi obudowy kanaly chlodzace, wykonane z materialu o wyzszej temperaturze topienia od materialu obudowy i korzystnie wyko- nywane jednoczesnie z obudowa podczas procesu odlewania, wzglednie spiekania, jak równiez w polaczone obustronnie z tymi kanalami chlodzacymi podzielone na segmenty kanaly pierscieniowe wykonane w pokrywach obudowy, znamienna tym, ze jest wyposazona w stanowiaca jedna z nia calosc tarcze lozyskowa, zaopatrzona w otaczajacy ja pierscieniowy kanal chlodzacy (16), utworzony przez rure z materialu o wyzszej temperaturze topienia, niz material obudowy (1). Fig. 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest obudowa maszyny elektrycznej z kanałami do chłodzenia cieczą, utworzonymi przez rury tworzące te kanały chłodzące i wykonane z materiału o wyższej temperaturze topienia od materiału obudowy. Kanały chłodzące są wykonywane jednocześnie z obudową podczas procesu odlewania, względnie spiekania.

Znane obudowy maszyn elektrycznych, zwłaszcza silników, mają zwykle postać stalowego płaszcza otaczającego stojan silnika i wyposażonego w listwy wzmacniające lub żebra połączone z tym płaszczem przez spawanie. Stalowe obudowy są jednak ciężkie i nieodporne na korozję, natomiast współczynnik przewodnictwa cieplnego stali ma stosunkowo dużą wartość. Na powierzchniach czołowych płaszcza obudowy są mocowane do niej za pomocą śrub tarcze łożyskowe z łożyskami, w których jest obrotowo ułożyskowany wał maszyny. Mocowanie tarcz powiększa czas montażu maszyny i odpowiednio powiększa koszty jej wytwarzania. Ponadto konstrukcja ta ma również wpływ na wzrost kosztów napraw, związanych z wymianą zużytych części.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 5,084,642 znane jest chłodzenie cieczą obudowy maszyn elektrycznych, przy czym płaszcz obudowy jest wyposażony w równoległe do osi kanały chłodzące w postaci przelotowych otworów, wykonanych w trakcie odlewania obudowy.

183 344

Patent austriacki nr AT 33 217 opisuje sposób wykonywania podłużnych kanałów w odlewach, polegający na umieszczeniu w formie odlewniczej podłużnych, sztywnych odcinków rur.

Maszyny zasilane energią elektryczną, chłodzone cieczą i wyposażone w obudowy z kanałami chłodzącymi są znane także z opisów patentowych: europejskiego nr EP 0560 993, publikacji zgłoszenia PCT nr WO 92/12932, opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 4,865,112, oraz z niemieckiego opisu patentowego nr DE 31 30 515. Ponadto europejski opis patentowy nr EP 110 234 omawia odlewaną obudowę z ukształtowanymi w jej wnętrzu otworami tworzącymi kanały chłodzące.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 4,999,156, oraz z opisu patentowego byłego Związku Radzieckiego nr SU 1052 336 znane są także obudowy silników wykonane w postaci spieków i wyposażone w zamknięte wnęki, do których jest doprowadzona ciecz chłodząca.

Z brytyjskiego opisu patentowego nr GB 818,443 znany jest bezszczotkowy samolotowy generator prądu stałego, składający się z generatora prądu zmiennego, wzbudnicy i prostownika, którego dwuczęściowa, wykonana z lekkiego metalu obudowa, jest chłodzona za pomocą oleju, przepływającego przez wężownicowy zespół podłużnych i obwodowych metalowych płaskich rur. Zespół ten jest umieszczany w odlewniczej formie obudowy i zalewany metalem. Olej przepływający do wnętrza wału generatora i chłodzący zarówno wał jak i łożysko porusza również silnik hydrauliczny napędzający generator. Wężownica chłodząca ma bardzo skomplikowany układ przestrzenny, dostosowany do rozbudowanej konstrukcyjnie obudowy generatora, wskutek czego jej wykonanie jest bardzo pracochłonne i kosztowne.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 250 7846 znany jest agregat pompowy, zanurzony w pompowanej cieczy. Elektryczny silnik napędowy agregatu jest chłodzony olejem przepływającym przez wężownicę umieszczoną w płaszczu jego obudowy. Olej tłoczony przez łopatki wirnika umieszczone na wale pompy przepływa w obiegu zamkniętym i jest chłodzony w wężownicy umieszczonej w ściance obudowy pompy stykającej się z chłodną pompowaną cieczą. Wężownica, która składa się z obwodowych i podłużnych przewodów rurowych, jest umieszczona w formie odlewniczej obudowy silnika i zostaje zalana metalem. Alternatywnie, obudowa silnika może być zaopatrzona w kanały chłodzące otwarte na zewnątrz, które następnie są otoczone przez tuleję, nasuniętą na obudowę. Rozwiązania te są jednak bardzo skomplikowane i drogie wykonawczo, a ponadto wymagają zastosowania zintegrowanego zespołu chłodzenia cieczy chłodzącej płynącej w obiegu zamkniętym.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 585 644 znany jest silnik elektryczny, którego metalowa obudowa jest zaopatrzona w nawiercone w niej podłużne kanały chłodzące. Trzykanałowe sekcje podłużnych kanałów chłodzących są ze sobą połączone kanałami obwodowymi, usytuowanymi w tarczach łożyskowych, powodującymi meandrowy przepływ cieczy chłodzącej przez obudowę silnika. Tarcze łożyskowe stanowią poza tym osobne elementy silnika, są przykręcone i uszczelnione względem obudowy. Łożyska silnika są chłodzone wyłącznie strumieniem powietrza wymuszonym przez łopatki wirnika wentylacyjnego. Wykonanie dużej liczby wierconych kanałów podłużnych jest bardzo pracochłonne i kosztowne, a brak chłodzenia cieczą łożysk ogranicza ogólną, sprawność chłodzenia silnika.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji obudowy silnika lub maszyny elektrycznej przystosowanej do chłodzenia cieczą, zapewniającej większą wydajność chłodzenia w porównaniu do znanych rozwiązań, a tym samym możliwość odpowiedniego powiększenia mocy silnika lub maszyny elektrycznej, z równoczesnym uniknięciem wad i niedogodności znanych rozwiązań.

Cel ten zrealizowano w konstrukcji obudowy maszyny elektrycznej z kanałami do chłodzenia cieczą, która charakteryzuje się tym, że jest wyposażona w stanowiącą jedną z nią całość tarczę łożyskową, zaopatrzoną w otaczający ją pierścieniowy kanał chłodzący, utworzony przez rurę z materiału o wyższej temperaturze topienia, niż materiał obudowy.

Kanały chłodzące obudowy według wynalazku są obustronnie połączone z segmentami kanałów pierścieniowych, przy czym segmenty kanału pierścieniowego znajdujące się po jednej stronie kanałów chłodzących są przestawione kątowo względem segmentów kanału pier4

183 344 ścieniowego znajdujących się po drugiej stronie kanałów chłodzących, a ponadto jeden wejściowy segment jest połączony z przewodem zasilającym w ciecz chłodzącą, a drugi wyjściowy segment z przewodem odprowadzającym ciecz chłodzącą zapewniając równomierne chłodzenie całej obudowy.

Usytuowany w tarczy łożyskowej pierścieniowy kanał chłodzący korzystnie otacza łożysko. Uzyskuje się skuteczne chłodzenie tarczy łożyskowej i przez to dalsze podwyższenie użytecznej mocy urządzenia.

Obydwa wloty pierścieniowego kanału chłodzącego są korzystnie połączone z dwoma oddzielnymi segmentami kanału pierścieniowego, wskutek czego część cieczy chłodzącej przepływa do wykonanego w postaci pierścienia kanału chłodzącego łożysko.

Rura tworząca pierścieniowy kanał chłodzący może być korzystnie połączona z pierścieniem osadczym przez spawanie.

Powierzchnia wewnętrzna tarczy łożyskowej obudowy według wynalazku jest korzystnie zaopatrzona w wystające w kierunku promieniowym żebra chłodzące, poprawiające chłodzenie wnętrza obudowy.

Układ żeber chłodzących tarczy łożyskowej korzystnie składa się na przemian z żebra chłodzącego o większej długości i żebra chłodzącego o mniejszej długości.

Żebra chłodzące tarczy łożyskowej o większej długości są korzystnie wzajemnie połączone za pomocą pierścienia.

Dzięki temu, że kanały chłodzące obudowy według wynalazku są wykonane w jednej operacji wytwórczej wraz z całą obudową, nie jest konieczna ich późniejsza obróbka skrawaniem, powodując, zmniejszenie kosztów wytwarzania obudowy, zaś ukształtowanie tych kanałów w płaszczu obudowy gwarantuje optymalne chłodzenie maszyny elektrycznej. Dzięki integracji tarczy łożyskowej z obudową i umieszczeniu w niej pierścieniowego kanału chłodzącego zostają znacząco zmniejszone koszty montażu maszyny elektrycznej oraz wyeliminowane uszczelki.

Obudowa silnika lub maszyny elektrycznej według wynalazku z kanałami do chłodzenia cieczą jest uwidoczniona w przykładzie rozwiązania konstrukcyjnego na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia obudowę trakcyjnego silnika elektrycznego z zespołem chłodzenia cieczą, w przekroju podłużnym, fig. 2 - tę samą obudowę, w przekroju poprzecznym wzdłuż linii II na fig. 1, fig. 3 - tę samą obudowę, w widoku z lewej strony na fig. 1, fig. 4 - tę samą obudowę, w widoku z prawej strony na fig. 1, fig. 5 - pierścień zakrywający z lewej strony pierścieniowy kanał w obudowie, fig. 6 - pierścień zakrywający z prawej strony pierścieniowy kanał w obudowie, a fig. 7 - konstrukcję rury doprowadzającej ciecz chłodzącą do łożyska silnika, w widoku z boku, oraz w przekroju osiowym.

Figura 1 przedstawia podłużny przekrój osiowy obudowy 1 silnika elektrycznego. Obudowy tego rodzaju są wykonywane sposobem odlewania ze stopów aluminium, które mają mniejszy ciężar właściwy, są mniej podatne na korozję i charakteryzują się lepszym przewodnictwem ciepła, oraz łatwiejszą obróbką w porównaniu ze stalą. W obudowie 1 jest ułożyskowany w dwóch łożyskach, osadzonych na końcach obudowy, wał silnika. W przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym obudowy, przedstawionym na rysunku, lewa tarcza łożyskowa tworzy jedną całość z obudową i stanowi część odlewu obudowy. Ponadto jest ona wyposażona w pierścień osadczy 9, w którym jest osadzone łożysko wału silnika. Druga tarcza łożyskowa, w której jest osadzone drugie łożysko, jest przymocowana do obudowy 1 silnika za pomocą śrub, wkręconych w gwintowane otwory 2 obudowy 1. Obudowa 1 silnika jest ponadto wyposażona w kołnierz mocujący 3 i puszkę zaciskową 4, stanowiące jedną całość z odlewem obudowy. Puszka zaciskowa 4 służy do zamocowania zasilających przewodów elektrycznych.

Zewnętrzna powierzchnia obudowy 1 jest zaopatrzona w stanowiące z nią jedną całość żebra chłodzące 5, które zwiększają powierzchnię odprowadzania ciepła. W odlew obudowy 1 są ponadto wtopione rury o przekroju owalnym, wykonane z trudnotopliwego materiału, na przykład ze stali stopowej i tworzące kanały chłodzące 6. Rury są umieszczone w formie odlewniczej, wstępnie ogrzane i następnie zalane stopem aluminiowym, z którego jest wykonana obudowa 1. Przekrój kanałów chłodzących 6 przedstawiony na rysunku jako owalny może

183 344 być w zasadzie dowolny. Kanały chłodzące 6 rozmieszczone na rysunku współśrodkowo i równolegle do osi silnika, mogą być jednak również przestawione względem siebie. Na końcach obudowy 1 silnika kanały chłodzące są połączone z lewej strony kanałem pierścieniowym 7, a z prawej strony kanałem pierścieniowym 8.

W przekroju poprzecznym, przedstawionym na fig. 2, uwidocznione są zarówno żebra chłodzące 5, jak i owalne kanały chłodzące 6, rozmieszczone symetrycznie i równolegle do osi silnika. W przykładowym rozwiązaniu przedstawionym na fig. 2 żebra 5 mają przy tym postać trójkątnych występów i są rozmieszczone symetrycznie w formie odlewniczej, jednakże mogą one mieć w zasadzie dowolny kształt.

W przedstawionej na fig. 3 obudowie 1 widoczne są z lewej strony, segmenty 7a, 7b, 7c pierścieniowego kanału 1, połączonych z kanałami chłodzącymi 6. W przedstawionym na rysunku przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym kanały chłodzące 6 są rozmieszczone symetrycznie pod kątem środkowym wynoszącym około 20°, przy czym sześć sąsiadujących ze sobą kanałów chłodzących 6 jest połączonych z jednym z trzech segmentów 7a, 7b, 7c pierścieniowego kanału 1. Drugie końce kanałów chłodzących 6 (fig. 4) są natomiast połączone z czterema segmentami 8a, 8b, 8c, 8d pierścieniowego kanału 8, znajdującego się z prawej strony obudowy 1, przy czym pierwsze trzy kanały chłodzące 6 (patrząc zgodnie z ruchem wskazówek zegara) są połączone z segmentem 8a, następnych sześć kanałów chłodzących 6 - z segmentem 8b, kolejnych sześć kanałów chłodzących 6 - z segmentem 8c, a ostatnie trzy kanały chłodzące 6 z segmentem 8d pierścieniowego kanału 8.

Obieg cieczy chłodzącej w przedstawionym przykładowo na rysunku rozwiązaniu konstrukcyjnym obudowy 1 jest następujący: ciecz chłodząca wpływa przez segment pierścieniowy 8a i przepływa przez pierwsze trzy (patrząc w kierunku ruchu wskazówek zegara) kanały chłodzące 6 w kierunku umieszczonego po przeciwległej stronie obudowy silnika segmentu 7c, którym jest doprowadzana do kolejnych trzech kanałów chłodzących 6. Następnie ciecz chłodząca przepływa z powrotem do segmentu 8b, którym jest doprowadzana do następnych trzech kanałów chłodzących 6 itd. W końcowym efekcie ciecz chłodząca przepływając przez całą obudowę 1, gwarantuje optymalne warunki chłodzenia. Oczywiście opisany wyżej obieg cieczy chłodzącej w obudowie silnika elektrycznego ma jedynie charakter przykładowy, bowiem w odmiennym rozwiązaniu z jednym segmentem kanałów pierścieniowych mogą być połączone na przykład tylko dwa kanały chłodzące 6.

W celu uzyskania zamkniętego obiegu cieczy chłodzącej, segmenty 7a-7c, oraz 8a-8d kanałów pierścieniowych 7 i 8, znajdujące się po obydwu stronach obudowy 1 silnika muszą być zamknięte od strony czołowej, na przykład za pomocą odpowiednio ukształtowanych pokryw. Na fig. 5 przedstawiono przykładowo przymocowany do powierzchni czołowej obudowy 1 pierścień 10 zakrywający segmenty 8a-8d kanału pierścieniowego 8 (fig. 4). Pierścień 10 jest zaopatrzony w równoległy do osi silnika otwór zasilający 11, przez który doprowadzana jest ciecz chłodząca. Po przejściu przez całą obudowę 1 ciecz chłodząca zostaje odprowadzana z segmentu 8d przez otwór odprowadzający 12 z powrotem do zbiornika. Zamiast przez otwory 11 i 12 w pierścieniu 10 ciecz chłodząca może być doprowadzana i odprowadzana do kanału pierścieniowego 8 przez otwory 14 i 15 (fig. 4) w obudowie 1.

Figura 6 przedstawia pierścień 13 zakrywający segmenty 7a-7c w lewej części obudowy 1 (fig. 3), wykonany korzystnie z tego samego materiału co obudowa 1 i przymocowany do niej przez spawanie.

Figury 7 i 8 przedstawiają utworzony za pomocą rurki kanał chłodzący 16, doprowadzający ciecz chłodzącą do pierścienia 13 łożyska silnika. Wyloty rurki tworzącej pierścieniowy kanał chłodzący 16 są połączone odpowiednio z segmentami 8a i 8d kanału pierścieniowego 8, co umożliwia równoległy przepływ cieczy chłodzącej przez kanały chłodzące 6 i przez pierścieniowy kanał chłodzący 16.

Dzięki chłodzeniu łożyska możliwe jest odpowiednie podwyższenie mocy silnika.

Pierścień 9 łożyska jest połączony z rurką pierścieniowego kanału chłodzącego 16 na przykład przez spawanie, albo też rurka tworząca ten pierścieniowy kanał chłodzący 16 jest umieszczana w formie odlewniczej obudowy 1 i zalewana płynnym metalem, podobnie jak rurki tworzące kanały chłodzące 6.

183 344

Wewnętrzna powierzchnia tarczy łożyskowej, stanowiącej część odlewu obudowy 1, jest korzystnie zaopatrzona w żebra chłodzące 17 (fig. 1 i fig. 3). Podczas pracy urządzenia wirujące elementy silnika powodują powstanie opływającego je strumienia powietrza, umożliwiając poprawę warunków chłodzenia również we wnętrzu obudowy 1 silnika. Korzystnie co drugie żebro 17 jest dłuższe i połączone z pierścieniem 18.

Rozwiązanie obudowy według wynalazku nie jest oczywiście ograniczone do trakcyjnych silników elektrycznych, lecz może być stosowane dla dowolnych chłodzonych cieczą maszyn elektrycznych.

183 344

Fig

183 344

y	1

II 10

Fig. 5

Fig. 6

183 344

Fig. 4

183 344

Fig. 3

183 344

183 344

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Obudowa maszyny elektrycznej z kanałami do chłodzenia cieczą, utworzonymi przez rury, tworzące równoległe do osi obudowy kanały chłodzące, wykonane z materiału o wyższej temperaturze topienia od materiału obudowy i korzystnie wykonywane jednocześnie z obudową podczas procesu odlewania, względnie spiekania, jak również w połączone obustronnie z tymi kanałami chłodzącymi podzielone na segmenty kanały pierścieniowe wykonane w pokrywach obudowy, znamienna tym, że jest wyposażona w stanowiącą jedną z nią całość tarczę łożyskową, zaopatrzoną w otaczający ją pierścieniowy kanał chłodzący (16), utworzony przez rurę z materiału o wyższej temperaturze topienia, niż materiał obudowy (1).
2. 2. Obudowa według zastrz. 1, znamienna tym, że segmenty (7a-7c) kanału pierścieniowego (7), znajdujące się po jednej stronie kanałów chłodzących (6), są przestawione kątowo względem segmentów (8a-8d) kanału pierścieniowego (8) znajdujących się po drugiej stronie kanałów chłodzących (6), przy czym segment (8a) kanału pierścieniowego (8) jest połączony z przewodem zasilającym w ciecz chłodzącą, zaś segment (8d) tego kanału pierścieniowego (8) z przewodem odprowadzającym ciecz chłodzącą.
3. 3. Obudowa według zastrz. 1, znamienna tym, że usytuowany w tarczy łożyskowej pierścieniowy kanał chłodzący (16) otacza łożysko.
4. 4. Obudowa według zastrz. 1, albo 2, znamienna tym, że oba wloty pierścieniowego kanału chłodzącego (16) są połączone z dwoma oddzielnymi segmentami (8a) oraz (8d) kanału pierścieniowego (8).
5. 5. Obudowa według zastrz. 3, znamienna tym, że rura, tworząca pierścieniowy kanał chłodzący (16), jest połączona przez spawanie z pierścieniem osadczym (9).
6. 6. Obudowa według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnia wewnętrzna tarczy łożyskowej, jest zaopatrzona w wystające w kierunku promieniowym żebra chłodzące (17).
7. 7. Obudowa według zastrz. 6, znamienna tym, że układ żeber chłodzących (17) tarczy łożyskowej składa się na przemian z żeber chłodzących o większej i o mniejszej długości.
8. 8. Obudowa według zastrz. 7, znamienna tym, że żebra chłodzące (17) tarczy łożyskowej o większej długości są ze sobą wzajemnie połączone pierścieniem (18).