RU2702618C1

RU2702618C1 - Динамоэлектрическая машина с термосифоном

Info

Publication number: RU2702618C1
Application number: RU2018142037A
Authority: RU
Inventors: Клаус БЮТТНЕР; Клаус КИРХНЕР; Маттиас ВАРМУТ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2019-10-09
Also published as: US10910919B2; US20200303996A1; EP3437175B1; WO2017207212A1; BR112018074050A2; EP3437175A1; EP3252933A1; CN109219917B; CN109219917A

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полому валу электрической машины. Технический результат – улучшение охлаждения. Полый вал образует замкнутую полость, которая имеет испарительную зону и конденсаторную зону. Конденсаторная зона имеет обращенную внутрь микромасштабную структуру. Испарительная и конденсаторная зоны своими окружающими их в каждом случае элементами могут теплопроводно соединяться. Конденсаторная зона окружена вентилятором. Микромасштабная структура выполнена как ребристая структура и/или штифтообразная структура и/или пористая сетчатая структура. Полый вал по меньшей мере в области конденсаторной зоны содержит различные материалы: на поверхности присутствуют материалы с различными твердостью и теплопроводностью, причем теплопроводящие элементы выполнены из мягкого материала с хорошей теплопроводностью в форме утолщений или штифтов, и размещены выступающими из стенки радиально наружу, а более твердый материал предусмотрен между теплопроводящими элементами и вокруг теплопроводящих элементов. 6 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к полому валу, который образует замкнутую полость, которая имеет размещенную аксиально по меньшей мере испарительную зону и конденсаторную зону, к изготовлению подобного полого вала, а также к его применению в динамоэлектрических машинах.

Обычно во вращающихся динамоэлектрических машинах их роторы, наряду с прочим, охлаждаются создаваемым их осевым вентилятором потоком охлаждающего воздуха. Однако если тепловая нагрузка ротора является высокой, подобный поток охлаждающего воздуха оказывается уже недостаточным. При этом тогда предусматриваются полые валы, в которых содержится охлаждающая среда, которая отводит тепло от ротора и через этот вал выводит его аксиально наружу.

Так, например, патентный документ DE 10 2009 051 114 A1 показывает, помимо прочего, электрическую машину с ротором, причем ротор имеет полый вал, и причем посредством полого вала формируется замкнутая полость, причем замкнутая полость предусматривается для поступления хладагента, причем в замкнутой полости предусматривается трехмерная передающая конструкция для переноса хладагента. Тем самым выделяющееся тепло с помощью этой передающей конструкции выводится аксиально наружу, и там происходит охлаждение потоком охлаждающего воздуха.

При этом недостаток состоит в том, что для достижения охлаждения в замкнутом цикле должны предусматриваться соответственно большие поверхности охлаждения, чтобы обеспечивать достаточное охлаждение ротора.

Исходя из этого, в основу изобретения положена задача создания полого вала с достаточными поверхностями охлаждения. При этом должен быть сведен к минимуму осевой вылет полого вала. Кроме того, тем самым должна достигаться сравнительно высокая производительность динамоэлектрической машины при одновременной компактности.

Решить поставленную задачу удалось посредством полого вала, который образует замкнутую полость, которая имеет протяженные аксиально по меньшей мере испарительную зону и конденсаторную зону, причем по меньшей мере конденсаторная зона имеет микромасштабную структуру, и причем испарительная зона и конденсаторная зона своими окружающими их в каждом случае элементами могут быть теплопроводно соединены.

Решения поставленной задачи удалось достигнуть также посредством ротора с полым валом согласно пунктам 1-2 формулы изобретения, причем, в частности, испарительная зона размещается в области листового пакета ротора.

Решения поставленной задачи удалось достигнуть также посредством динамоэлектрической машины с ротором, который имеет подобный полый вал.

Решить поставленную задачу удалось также посредством способа изготовления полого вала, который образует замкнутую полость, которая имеет протяженные аксиально по меньшей мере испарительную зону и конденсаторную зону, причем по меньшей мере конденсаторная зона имеет микромасштабную структуру, и причем испарительная зона и конденсаторная зона своими окружающими их в каждом случае элементами могут быть теплопроводно соединены, со следующими этапами:

- изготовления сегмента полого вала, причем сегмент полого вала выполнен механической обработкой резанием, и имеет по меньшей мере одно центрическое сверленое отверстие,

- аксиального наращивания дополнительного участка вала аддитивным способом изготовления, в частности, способом 3D-печати, причем тем самым с осевым удлинением сегмента полого вала изготавливается микромасштабная структура.

За счет микромасштабной структуры в области конденсаторной зоны формируется сравнительно большая поверхность конденсатора, и на сравнительно небольшом, при рассматривании вдоль оси, монтажном пространстве выполняется достаточное охлаждение испаренной до сих пор охлаждающей среды. Тем самым, теперь согласно изобретению, изготавливается ротор с термосифоном, который имеет повышенную производительность в области конденсатора и, соответственно, конденсаторной зоне. Это также благоприятно сказывается на производительности и компактности динамоэлектрической машины.

Эта микромасштабная структура благоприятным образом получается аддитивным способом изготовления. При этом теперь область конденсатора выполняется «напечатанием» в виде конденсаторной зоны аксиально непосредственно на сегменте полого вала. Этот способ изготовления тем самым представляет собой сочетание классического способа изготовления с новым способом формирования, аддитивным способом изготовления.

При этом теперь сегмент полого вала, например, получается литьем, обточкой, сверлением, то есть, классическим способом изготовления, причем на нем аксиальная область, в частности, конденсаторная зона с ее выполненными аддитивным способом изготовления конструкционными элементами, образует микромасштабную структуру, такую как ребра, стойки, штифты, утолщения, поры или пустотелые элементы. Тем самым сегмент полого вала прежде всего соединяется со стенкой конденсаторной зоны, по меньшей мере механически.

В одном дополнительном варианте исполнения конденсаторная зона имеет различные материалы, чтобы обеспечивать соответствие конкретным требованиям относительно теплопроводности, твердости и прочности данных участков конденсаторной зоны (например, таких как стенка, микромасштабная структура, штифты).

Тем самым соответственно изобретению посредством внутреннего контура конденсаторной зоны с помощью специальных структур, например, таких как тонкие стержневидные элементы, пористые сетчатые структуры и т.д., достигается повышение производительности динамоэлектрической машины. Это удается согласно изобретению посредством аддитивного способа изготовления, для чего могут быть выполнены тонкие перегородки с толщиной материала от 0,1 мм до нескольких миллиметров, а также щели шириной от 0,01 мм до около 2 мм или более. Предпочтительная толщина материала перегородок составляет около 1 мм, предпочтительная ширина щелей составляет около 0,5 мм. Обусловленное этим значительное увеличение поверхности, прежде всего внутри конденсаторной зоны, повышает эффективность охлаждения этого конденсатора. Другими традиционными способами изготовления, например, способом резания, подобные микромасштабные трехмерные (3D) структуры невыполнимы или осуществимы лишь с огромным трудом.

Кроме того, аддитивным способом изготовления создается долговременная газонепроницаемость и постоянная прочность связывания между сегментом полого вала и конденсаторной зоной, прежде всего со стенкой конденсаторной зоны. Вследствие конденсации жидкости из испарителя в этой микромасштабной структуре на внутренней стороне конденсаторной зоны теперь образуется пленка. Однако эта пленка нарушает имевшийся до сих пор контакт пара, в частности, с более холодной поверхностью, вследствие чего процесс конденсации блокируется или по меньшей мере затрудняется. В результате формирования согласно изобретению тонких перегородок, ребер, щелей или пор аддитивным способом изготовления теперь в каждом случае обеспечивается то, что пар приходит в контакт со сравнительно холодным внутренним контуром, и тем самым может происходить конденсация охлаждающей среды, то есть, жидкости из испарителя.

Дополнительно внутренняя область этого конденсатора выполнена конической по направлению к испарительной зоне, чтобы направлять конденсат посредством аксиальных компонентов центробежной силы, возникающей при работе динамоэлектрической машины, по направлению к испарительной зоне. Тем самым создается более чем достаточное воздействие на охлаждающую среду для ее подачи внутри полого вала.

Окружающий конденсаторную зону охладитель, в частности, выполнен как вентилятор, который имеет высокую теплопроводность. Это вместе с создаваемым вентилятором воздушным потоком при работе динамоэлектрической машины приводит к эффективному охлаждению конденсаторной зоны.

Вентилятор предпочтительно выполнен из материала с хорошей теплопроводностью, такого как алюминий, медь, или алюминиевые сплавы или медные сплавы. Чтобы теперь отводить тепло из конденсаторной зоны, является предпочтительным, когда конденсаторная зона также состоит из материала с хорошей теплопроводностью, такого как алюминий, медь, алюминиевые сплавы или медные сплавы.

В дополнительном варианте исполнения конденсаторная зона имеет различные материалы, чтобы обеспечивать соответствие конкретным требованиям относительно теплопроводности, твердости и прочности данных участков конденсаторной зоны.

В отношении материалов, таких как алюминий, медь, алюминиевые сплавы или медные сплавы, речь идет о мягком материале. Но при замене подшипника необходимо стягивание вентилятора с полого вала в осевом направлении. Чтобы при стягивании вентилятора избежать холодного сваривания обеих краевых зон внутреннего диаметра вентилятора и наружного диаметра конденсаторной зоны, наружный слой конденсаторной зоны, то есть посадочное место вентилятора, имеет, по меньшей мере на отдельных участках, более твердую структуру, чем мягкий материал. В качестве твердого материала пригодна, например, сталь.

Тем самым предотвращается то, что при стягивании охладителя будет возникать холодное сваривание обеих краевых зон внутреннего диаметра вентилятора и наружного диаметра конденсаторной зоны.

В дополнительном варианте исполнения поверхность конденсаторной зоны имеет оба материала, то есть, материалы с хорошей теплопроводностью заменены согласно предварительно заданному образцу сравнительно более твердыми участками и, по обстоятельствам, материалами с меньшей теплопроводностью. Тем самым создается достаточное отведение тепла из конденсаторной зоны к вентилятору. Материал с хорошей теплопроводностью выступает отдельными участками - то есть, на участках, на которых не имеется более твердый материал, до наружного диаметра конденсаторной зоны. При разборке охладителя более твердый материал принимает на себя несущую функцию, причем предотвращается истирание поверхности, то есть, холодное сваривание.

Таким образом, конденсаторная зона по направлению внутрь имеет микромасштабную структуру, тогда как по направлению наружу она имеет два различных материала, чтобы предотвращать как теплопередачу к вентилятору, так и холодное сваривание при снятии вентилятора при техническом обслуживании.

Изобретение, а также дополнительные предпочтительные варианты осуществления, более подробно описываются с помощью схематически представленных примеров исполнения. При этом показано:

ФИГ. 1 представляет схематический вид в продольном разрезе вращающейся динамоэлектрической машины,

ФИГ. 2 представляет микромасштабную структуру конденсаторной зоны,

ФИГ. 3 представляет перспективный вид конденсаторной зоны,

ФИГ. 4 представляет дополнительную микромасштабную структуру конденсаторной зоны,

ФИГ. 5 представляет протяженные аксиально ребра на элементе с конической формой в конденсаторной зоне,

ФИГ. 6 представляет вид в продольном разрезе, проведенном через полый вал.

ФИГ. 1 показывает вращающуюся динамоэлектрическую машину 1, которая имеет статор 2 и ротор 5. Ротор 5 в этом варианте исполнения выполнен как короткозамкнутый ротор, однако также может представлять собой ротор с возбуждением от постоянных магнитов, ротор реактивной синхронной машины или ротор с системой обмоток.

Ротор 5 соединен с полым валом 6 без возможности прокручивания, причем полый вал 8 опирается на подшипники 11. При этом под фиксированным при вращении соединении понимается соединение с передачей крутящего момента, например, такое как горячее прессовое соединение, или шпоночное соединение, или другие соединения вала со ступицей между листовым пакетом ротора 5 и полым валом 8. Корпус электрической машины 1 несет подшипниковые щиты. На корпусе радиально снаружи относительно статора 2 находятся протяженные аксиально охлаждающие ребра 14, которые пропускают создаваемый вентилятором 12 поток охлаждающего воздуха вдоль корпуса. Вентилятор 12 при этом размещен в колпаке 13 вентилятора, который имеет необязательные отверстия 22.

Полый вал 6 в этом варианте исполнения выполнен пустотелым с центральной аксиальной выемкой 7, например, сверленым отверстием, и согласно ФИГ. 6 имеет испарительную зону 8 в области ротора 5, необязательно передающую зону 10, и конденсаторную зону 9. Протяженность испарительной зоны 8 в осевом направлении полого вала 6 соответствует по меньшей мере аксиальной протяженности листового пакета ротора 5.

В этом варианте исполнения полый вал 6 имеет центральное сверленое отверстие, но также допустимо, что имеются несколько сверленых отверстий с параллельными осями, которые впадают в сформированную тогда соответствующую конденсаторную зону 9.

В конденсаторной зоне 9 происходит охлаждение охлаждающей среды, например, жидкости из испарителя. При этом решающее значение имеет то, что в сравнительно короткой по осевому направлению области - то есть, конденсаторной зоне 9 - происходит эффективное охлаждение жидкости из испарителя, чтобы тем самым обеспечивать достаточную эффективность охлаждения всей динамоэлектрической машины 1. Кроме того, сравнительно короткий в осевом направлении участок конденсаторной зоны 9 обеспечивает компактность конструкции динамоэлектрической машины 1.

Подобная конденсаторная зона 9 может быть выполнена аддитивным способом изготовления очень микромасштабной, например, такой, как представлено в ФИГ. 2 и ФИГ. 4. Отдельные величины ширины перегородок, высоты ребер, диаметра стоек, расстояний между стойками/ребрами, находятся в миллиметровом диапазоне и/или ниже него. Тем самым создается достаточная поверхность, которая обеспечивает эффективное охлаждающее действие. ФИГ. 2 показывает сердечник конденсаторной зоны 9, который выполнен подобным щеточному валику. Эти микромасштабные конденсаторные поверхности внутренней полости 7 находятся в хорошем теплопроводном контакте со штифтами 18. Вокруг этих штифтов 18 размещается более твердый материал - то есть, например, материал вала 17. Через эти штифты 18 тепло передается на вентилятор 12.

В качестве аддитивного способа изготовления при обработке металлов для формирования конденсаторной зоны 9 пригодны прежде всего селективное лазерное спекание и селективное лазерное плавление со специальным для этого формирования подходящим подведением энергии наивысшей номинальной мощности лазера (NLP) приблизительно от 1,6 до 2,5 Вт·сек/мм². Тем самым создается достаточная герметичность и механическая стабильность между сегментом 20 полого вала и конденсаторной зоной 9. Сверх этого уровня подведения энергии следует считаться с локальными нежелательными эффектами вследствие перегрева. Ниже этого уровня подведения энергии происходит возрастающее порообразование, которое по обстоятельствам ухудшает газонепроницаемость и/или механическую прочность.

Кроме того, путем подходящего аддитивного способа изготовления может быть осуществимым исполнение конденсаторной зоны 9 из многообразных материалов, в частности, двух материалов.

ФИГ. 3 показывает напечатанную на сегменте 20 полого вала область конденсаторной зоны 9, которые тогда совместно образуют полый вал 6. На поверхности конденсаторной зоны 9 присутствуют материалы с различающимися твердостью и теплопроводностью, чтобы обеспечивать достаточно плотную посадку на конденсаторную зону 9 вентилятора 12, который действует как охладитель.

При этом как по аксиальному направлению, так и по окружному направлению штифты 18 с хорошей теплопроводностью чередуются с более твердым материалом 17 вала. При этом соотношения величин площадей обоих материалов рассчитываются сообразно необходимой теплопередаче и закреплению вентилятора 12 на конденсаторной зоне 9.

Это сочетание двух различных материалов в конденсаторной зоне 9 и, соответственно, на ней, предотвращает холодное сваривание между материалами конденсаторной зоны 9 и внутренним диаметром вентилятора 12 при стягивании вентилятора 12 с полого вала 7. Например, это необходимо, чтобы производить замену подшипника.

Конденсаторная зона 9, то есть, аксиальный участок, который примыкает к сегменту 20 полого вала, теперь выполняется следующим образом:

Имеется область охлаждения, которая имеет микромасштабную структуру 16, как описано выше, причем эта структура 16 теплопроводно соединяется со стенкой 19 конденсаторной зоны 9. Радиально снаружи относительно стенки 19 предусматриваются обсуждаемые по существу радиально размещенные теплопроводящие элементы, такие как радиальные утолщения или штифты 18. Причем эти теплопроводящие элементы могут иметь различные геометрические формы поперечного сечения. Тем самым конденсаторные зоны 9 могут иметь как идентичные формы утолщений и/или штифтов, так и различные формы утолщений.

ФИГ. 4 и 5 показывают дополнительные тонкие микромасштабные структуры 16, которые выполнены частично внутри по существу с конической формой по направлению к испарительной зоне 8, чтобы получить соответствующую обратную подачу охлаждающей среды в испарительную зону 8 полого вала 6.

При этом микромасштабная структура 16 имеет в принципе ребра и/или призмы и/или пустотелые элементы и/или увеличивающие поверхность структуры.

ФИГ. 5 показывает в продольном разрезе сегмент 20 полого вала, к которому аксиально примыкает конденсаторная зона 9. Теплопроводящие штифты выступают по существу радиально из теплопроводящей стенки 19. Между штифтами 18, как указано выше, предусматривается более твердый материал, который, как в данном случае, может быть из материала сегмента 20 полого вала, но также другим твердым материалом. ФИГ. 6 показывает протяженный аксиально участок полого вала 6, причем, в частности, напечатанный на аксиальном конце конденсаторной зоны 9. Выполненный в виде термосифона полый вал 6 имеет в осевом направлении испарительную зону 8, необязательно передающую зону 10 и конденсаторную зону 9. Сегмент 20 полого вала в этом варианте исполнения имеет испарительную зону 8 и передающую зону 10. В испарительной зоне 8 охлаждающая среда испаряется с поглощением тепла, и охлаждается в конденсаторной зоне 9. В частности, в передающей зоне 10 подходящие насадки в полом валу 6 могут улучшать перенос испаренной и/или охлажденной охлаждающей среды. Тогда это прежде всего обеспечивает преимущество, когда полый вал 6 используется в различных пространственных конфигурациях, например, в случае полых валов в транспортных средствах, которые при движении находятся в местности с тяжелыми дорожными условиями.

Конденсаторная зона 9 имеет протяженный аксиально штуцер 21, через который, например, может вводиться охлаждающая среда и/или регулироваться рабочее давление термосифона. Штуцер 21 при работе динамоэлектрической машины 1 закрыт, чтобы быть в состоянии поддерживать циркуляцию охлаждающей среды.

Ротор 5, как проводящий магнитный поток элемент, теперь имеет аксиально слоистый листовой пакет или выполненную в виде цельной детали по существу цилиндрическую проводящую магнитный поток часть. Этот проводящий магнитный поток элемент соединен без возможности прокручивания на полом валу 6, в частности, с испарительной зоной 8 или с сегментом 20 полого вала.

Подобные динамоэлектрические машины 1, помимо прочего, используются как привод, в частности, в технологии транспортных средств, в электромобилях, рельсовых транспортных средствах, грузовом транспорте в горнодобывающей промышленности, и т.д., поскольку теперь достаточное охлаждение ротора создается без необходимости в сквозном обдуве. Сквозной обдув при эксплуатации двигателя в сильно запыленном воздухе и/или в переменном режиме с перерывами на время остановки приводит к недостаточному охлаждению прежде всего ротора 5.

В технологии транспортных средств вследствие заданных там ограниченных по размеру условий размещения нужны компактные высокомощные приводы, потребность в которых теперь может быть удовлетворена с использованием компактной динамоэлектрической машины 1.

Claims

1. Полый вал (6), который образует замкнутую полость, которая имеет протяженные аксиально по меньшей мере испарительную зону (8) и конденсаторную зону (9), причем по меньшей мере конденсаторная зона (9) имеет обращенную внутрь микромасштабную структуру (16), и причем испарительная зона (8) и конденсаторная зона (9) своими окружающими их в каждом случае элементами могут теплопроводно соединяться,

причем конденсаторная зона (9) окружена вентилятором (12),

причем микромасштабная структура (16) выполнена как ребристая структура и/или штифтообразная структура и/или пористая сетчатая структура,

причем полый вал (6), по меньшей мере в области конденсаторной зоны (9), имеет различные материалы,

причем при этом на поверхности конденсаторной зоны (9), на которой размещен вентилятор, присутствуют материалы с различными твердостью и теплопроводностью,

причем теплопроводящие элементы (18) выполнены из мягкого материала с хорошей теплопроводностью в форме утолщений или штифтов, и размещены выступающими из стенки (19) радиально наружу,

причем более твердый материал предусмотрен между теплопроводящими элементами и вокруг теплопроводящих элементов.

2. Полый вал (6) по п. 1, отличающийся тем, что конденсаторная зона (9) имеет внутреннюю конусность, которая расширяется, в частности, по направлению к испарительной зоне (8).

3. Ротор (5), с полым валом (6) по одному из пп. 1 или 2, причем, в частности, испарительная зона (8) размещается в области листового пакета или другого элемента ротора (5), проводящего магнитный поток.

4. Динамоэлектрическая машина (1) со статором (2) и ротором (5) по п. 3 и охладителем.

5. Динамоэлектрическая машина (1) по п. 4, отличающаяся тем, что охладитель представляет собой вентилятор (12), который теплопроводно соединен с конденсаторной зоной (9).

6. Способ изготовления полого вала (6), который образует замкнутую полость, которая имеет протяженные аксиально по меньшей мере испарительную зону (8) и конденсаторную зону (9), причем по меньшей мере конденсаторная зона (9) имеет обращенную внутрь микромасштабную структуру (16), и причем испарительная зона (8) и конденсаторная зона (9) своими соответственно окружающими элементами могут теплопроводно соединяться посредством следующих этапов:

- аксиального наращивания дополнительного участка вала аддитивным способом изготовления, в частности способом 3D-печати, причем тем самым в осевом удлинении сегмента полого вала изготавливается микромасштабная структура (16), причем эта структура (16) теплопроводно соединена со стенкой (19) конденсаторной зоны (9),

причем на поверхности конденсаторной зоны (9), на которой размещен вентилятор (12), присутствуют материалы с различными твердостью и теплопроводностью, при этом теплопроводящие элементы (18) выполнены из мягкого материала с хорошей теплопроводностью в форме утолщений или штифтов, и размещены выступающими из стенки (19) радиально наружу,

причем более твердый материал предусматривается между теплопроводящими элементами (18) и вокруг теплопроводящих элементов (18).

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что посредством различных материалов по меньшей мере на поверхности конденсаторной зоны (9) формируется предварительно заданный шаблон.

8. Способ изготовления ротора (5), с полым валом (6), выполненным по одному из пп. 6 и 7, в котором листовой пакет или другой проводящий магнитный поток элемент ротора (5) соединен без возможности прокручивания с полым валом (6), в частности испарительной зоной (8) полого вала (6).

9. Транспортное средство, по меньшей мере, с одной динамоэлектрической машиной (1) по п. 4 или 5.

10. Транспортное средство по п. 9, представляющее собой электромобиль.

11. Транспортное средство по п. 9, представляющее собой рельсовое транспортное средство.

12. Транспортное средство по п. 9, представляющее собой грузовик в горнодобывающей промышленности.