(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) ( 2 1) Numer zgłoszenia: (13)B 1 (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/AT97/00103 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , W097/44882, PCT Gazette nr 51/97 (51) IntCl7 H02K 5/20 H02K 9/19 (54) Obudowa maszyny elektrycznej z kanałami do chłodzenia cieczą (30) Pierwszeństwo: , AT, A891/96 (73) Uprawniony z patentu: ABB DAIMLER-BENZ TRANSPORTATION AUSTRIA GMBH, Wiener Neudorf, AT (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/98 (72) Twórcy wynalazku: Harald Neudorfer, Traiskirchen, AT Karl Gukenbiehl, Hinterbruehl, AT (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/02 (74) Pełnomocnik: Kamiński Zbigniew, Kancelaria Patentowa PL B1 1. Obudowa maszyny elektrycznej z ka- (57) nałami 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). Fig. 1

2 Obudowa maszyny elektrycznej z kanałami do chłodzenia cieczą 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. 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. Obudowa według zastrz. 1, znamienna tym, że usytuowany w tarczy łożyskowej pierścieniowy kanał chłodzący (16) otacza łożysko. 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. Obudowa według zastrz. 3, znamienna tym, że rura, tworząca pierścieniowy kanał chłodzący (16), jest połączona przez spawanie z pierścieniem osadczym (9). 6. Obudowa według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnia wewnętrzna tarczy łożyskowej, jest zaopatrzona w wystające w kierunku promieniowym żebra chłodzące (17). 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. Obudowa według zastrz. 7, znamienna tym, że żebra chłodzące (17) tarczy łożyskowej o większej długości są ze sobą wzajemnie połączone pierścieniem (18). * * * 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.

3 Patent austriacki nr AT 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 , publikacji zgłoszenia PCT nr WO 92/12932, opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 4,865,112, oraz z niemieckiego opisu patentowego nr DE Ponadto europejski opis patentowy nr EP 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 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 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 znany jest silnik elektryczny, którego metalowa obudowa jest zaopatrzona w nawiercone w niej podłużne kanały chłodzące. Trzy kanałowe 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 pier-

4 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

5 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.

6 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.

7 Fig. 7

8 Fig. 5 Fig. 6

9 Fig. 4

10 Fig. 3

11 Fig. 2

12 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.