ES2900535T3 - Máquina eléctrica con evacuación mejorada de calor perdido - Google Patents
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Abstract
Máquina eléctrica, - en donde la máquina eléctrica (1) presenta un rotor (2), que está dispuesto sobre un árbol de rotor (3), - en donde el árbol de rotor (3) está alojado en cojinetes (4), de modo que el rotor (2) puede rotar junto con el árbol de rotor (3) alrededor de un eje de rotación (R), - en donde el rotor (2) está rodeado radialmente en el exterior por un estator (5) y el estator (5) está rodeado radialmente en el exterior por una carcasa (7), - en donde en un primer y en un segundo extremo axial de rotor (2) y estator (5) están dispuestos un primer y un segundo elemento de cubierta (8, 9) que funcionan como intercambiadores térmicos, mediante los cuales el rotor (2) y el estator (5) están blindados con respecto al entorno de la máquina eléctrica (1), - en donde el primer elemento de cubierta (8) está rodeado, radialmente en el exterior y axialmente en el lado opuesto allí al rotor (2) y estator (5), por un elemento de conducción de aire (12) y el segundo elemento de cubierta (9) está rodeado radialmente en el exterior y axialmente en el lado opuesto allí al rotor (2) y estator (5) por un elemento anular interno (13), - en donde están dispuestos primeros y segundos canales de refrigeración (14,21) que discurren axialmente en la carcasa (7) o entre carcasa (7) y estator (5), y están dispuestos canales de rotor (20) que discurren axialmente en el árbol de rotor (3) y/o en el rotor (2), - en donde la carcasa (7) presenta radialmente en el exterior una entrada de aire (15) a través de la cual se alimenta un flujo de aire de refrigeración (16)a los primeros canales de refrigeración (14), - en donde al menos una parte (16a) del flujo de aire de refrigeración (16) a través de los primeros canales de refrigeración (14) se alimenta al elemento de conducción de aire (12) o a un espacio intermedio entre el primer elemento de cubierta (8) y el elemento de conducción de aire (12), es decir, hacia el primer extremo axial de la máquina, allí se desvía hacia dentro radialmente, después a través de los canales de rotor (20) se alimenta al elemento anular interno (13) o a un espacio intermedio entre el segundo elemento de cubierta (9) y al elemento anular interno (13), allí se desvía hacia radialmente hacia el exterior y se alimenta a los segundos canales de refrigeración (21), después mediante los segundos canales de refrigeración (21) se conduce axialmente a través de la máquina eléctrica y finalmente se escapa al entorno de la máquina eléctrica, y - en donde el elemento anular interno (13) está rodeado radialmente en el exterior al menos a lo largo de un perímetro parcial por un elemento anular externo (24), en donde están dispuestos terceros canales de refrigeración (25) que discurren axialmente en la carcasa (7) o entre carcasa (7) y estator (5), y en donde una parte adicional (16b) del flujo de aire de refrigeración (16) se alimenta al elemento anular externo (24) o a un espacio intermedio entre la carcasa (7) y al elemento anular externo (24), es decir, hacia el segundo extremo axial de la máquina, se desvía allí tangencialmente y se alimenta a los terceros canales de refrigeración (25), y finalmente mediante los terceros canales de refrigeración (25) se conduce axialmente a través de la máquina eléctrica (1) y después se escapa al entorno de la máquina eléctrica (1).
Description
DESCRIPCIÓN
Máquina eléctrica con evacuación mejorada de calor perdido
La presente invención parte de una máquina eléctrica,
- en donde la máquina eléctrica presenta un rotor, que está dispuesto sobre un árbol de rotor,
- en donde el árbol de rotor está alojado en cojinetes, de modo que el rotor puede rotar junto con el árbol de rotor alrededor de un eje de rotación,
- en donde el rotor radialmente en el exterior está rodeado por un estator, y el estator está rodeado radialmente en el exterior por una carcasa,
- en donde en un primer y en un segundo extremo axial de rotor y estator están dispuestos un primer y un segundo elemento de cubierta, mediante los cuales el rotor y el estator están blindados con respecto al entorno de la máquina eléctrica,
- en donde en la carcasa o entre carcasa y estator están dispuestos primeros canales de refrigeración que discurren axialmente.
La presente invención parte además de un chasis de un vehículo ferroviario, en particular, un bogie,
- en donde el chasis presenta un marco,
- en donde en el marco está alojado un árbol de juego de ruedas, de modo que el árbol de juego de ruedas puede rotar alrededor de un eje de árbol,
- en donde en el marco, observado en la dirección de marcha del chasis, delante o detrás del árbol de juego de ruedas está fijada una máquina eléctrica,
- en donde el árbol de rotor de la máquina eléctrica actúa a través de una transmisión sobre el árbol de juego de ruedas. Los objetos mencionados anteriormente son conocidos en general.
En máquinas eléctricas blindadas con refrigeración de aire sometidas a un alto desgaste se requiere un enfriamiento intensivo de las piezas activas (es decir, de rotor y estator) a lo largo de superficies grandes en la medida de lo posible. En el estado de la técnica, en las máquinas eléctricas blindadas de este tipo, dentro del blindaje hay con frecuencia un circuito de refrigeración interno mediante el cual se evacúa el calor producido en el rotor y parcialmente también el calor producido en las cabezas de bobinado del estator hacia el estator. El estator en sí se refrigera al suministrarse en un extremo axial aire de refrigeración en canales de refrigeración que discurren axialmente, y en el otro extremo axial sale de nuevo de los canales de refrigeración. Los canales de refrigeración se conducen en el perímetro externo del estator -es decir, radialmente en el exterior.
Las máquinas eléctricas del estado de la técnica ya funcionan bastante bien. No obstante, todavía son mejorables. Por el documento DE 202013 011 351 U1 se conoce un dispositivo de accionamiento para una rueda de una máquina de trabajo, en el que el estator de un motor eléctrico presenta espacios de cabeza de bobinado para alojar cabezas de bobinado, en donde un dispositivo de refrigeración para refrigerar el estator, y un rotor alojado de manera giratoria en el que el estator al menos comprende un trayecto de agente de refrigeración a través de los espacios de cabeza de bobinado, que puede abastecerse de agente de refrigeración desde un lado perimetral a través de una entrada de agente de refrigeración en el lado del perímetro. Por el documento GB 2336038 A se conoce una máquina eléctrica en la que, por un lado, en el estator de la máquina están previstos canales de conducción de aire en dirección axial, por otro lado, entre el lado externo de la máquina y una caperuza que abarca al menos parcialmente el lado externo en dirección axial se forman canales de conducción de aire, en donde los canales están configurados por elevaciones, en particular, como parte del estator o de la caperuza.
El objetivo de la presente invención consiste en crear posibilidades mediante las cuales la evacuación del calor perdido producido en la máquina eléctrica pueda optimizarse.
El objetivo se resuelve mediante una máquina eléctrica con las características de la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas de la máquina eléctrica son objeto de las reivindicaciones dependientes 2 a 8.
Por esto, en particular, el árbol de rotor, y a través del árbol de rotor, el rotor puede refrigerarse mejor.
En número de los primeros y segundos canales de refrigeración puede estar determinado según la demanda. Por lo tanto, el uso del plural para los primeros y segundos canales de refrigeración ha de entenderse en sentido genérico. Sin embargo, como mínimo están presentes al menos un primer y al menos un segundo canal de refrigeración. Se aplican realizaciones análogas para los canales de rotor. La denominación de los canales de rotor como tales sirve además
únicamente para diferenciarlos de los primeros y segundos canales de refrigeración y para aclarar que los canales de rotor son componentes del árbol de rotor y/o del rotor. Un significado amplio no se corresponde con la selección de las palabras.
En muchos casos la carcasa, observada ortogonalmente al eje de rotación, presenta un contorno externo cuadrado. En este caos, preferentemente, los primeros canales de refrigeración están dispuestos en al menos una zona lateral del contorno externo, en particular, en exactamente una zona lateral del contorno externo. En esta zona lateral, en este caso se encuentra también la entrada de aire. Los segundos canales de refrigeración, en el caso de un contorno externo cuadrado están dispuestos preferentemente en las zonas de esquina del contorno externo. Un contorno externo cuadrado presenta - naturalmente - cuatro zonas de esquina. El número de zonas de esquina, en las que están dispuestos los segundos canales de refrigeración, puede situarse en caso de demanda en 1, 2, 3 o 4.
De acuerdo con la invención el elemento anular interno está rodeado radialmente en el exterior al menos a lo largo de un perímetro parcial por un elemento anular externo. En este caso, en la carcasa o entre carcasa y estator están dispuestos adicionalmente también terceros canales de refrigeración que discurren axialmente. Por ello, una parte adicional del flujo de aire de refrigeración se alimenta al elemento anular externo, o a un espacio intermedio entre la carcasa y el elemento anular externo, se desvía allí tangencialmente y se alimenta a los terceros canales de refrigeración. Mediante los terceros canales de refrigeración esta parte del flujo de aire de refrigeración después axialmente se conduce a través de la máquina eléctrica antes de que se escape al entorno de la máquina eléctrica.
El elemento anular externo, en un caso concreto, puede extenderse por completo alrededor del elemento anular interno. Sin embargo, en muchos casos esto es ventajoso cuando el elemento anular externo se extiende, observado desde el eje de rotación, solo por un intervalo angular de aproximadamente 180° o menos, en particular, de aproximadamente 90° o aproximadamente 45°. Los intervalos angulares están indicados por lo tanto con "aproximadamente" porque en la práctica deben ser ligeramente mayores que el ángulo indicado en cada caso, para cubrir, observado en la dirección perimetral alrededor del eje de rotación, no solo los intervalos angulares entre los terceros canales de refrigeración, sino adicionalmente también los terceros canales de refrigeración en sí mismos.
También el número de los terceros canales de refrigeración puede estar determinado según la demanda. Por lo tanto, el uso del plural para los terceros canales de refrigeración ha de entenderse - análogamente a los primeros y segundos canales de refrigeración - en el sentido genérico. Sin embargo, como mínimo en esta configuración está presente al menos un tercer canal de refrigeración.
Al menos uno de los elementos de cubierta está fijado preferentemente de manera firme al rotor. Está fijado por tanto de manera giratoria en el rotor o en el árbol de rotor. Esto hace posible que el elemento de cubierta correspondiente en el lado externo se provea con elementos de transporte (por ejemplo, álabes o similares). Dado que el árbol de rotor gira durante el funcionamiento de la máquina eléctrica, el elemento de cubierta actúa por ello como ventilador que favorece el flujo de aire a través de árbol de rotor. Dado el caso, en caso de ausencia de un ventilador externo puede mantenerse incluso un funcionamiento de emergencia. En el caso de que haya un circuito de aire interno también el circuito de aire interno puede favorecerse mediante elementos de transporte en el lado interno del elemento de cubierta correspondiente.
Preferentemente, el elemento de conducción de aire y/o el elemento anular interno sujetan, en cada caso, uno de los cojinetes. El elemento de conducción de aire y/o el elemento anular interno están configurados por tanto preferentemente como placas de cojinete de la máquina eléctrica. Por ello, la estructura constructiva de la máquina eléctrica puede sujetarse de manera sencilla y sin complicaciones.
Preferentemente el elemento de conducción de aire y/o el elemento anular interno se componen de aluminio o de una aleación de aluminio, es decir, una aleación de distintos metales, en las que el aluminio forma el componente principal. El aluminio ofrece una resistencia de material relativamente alta y a pesar de ello al mismo tiempo una elevada conductibilidad térmica. Por ello - adicionalmente mediante la evacuación de calor a través de canales de rotor y los segundos y dado el caso también terceros canales de refrigeración - también a través del elemento de conducción de aire y/o el elemento anular interno puede desprenderse calor al entorno de la máquina eléctrica. Dado el caso también el elemento anular externo por razones similares puede componerse de aluminio o de una aleación de aluminio.
La entrada de aire está dispuesta preferentemente en el lado superior de la carcasa. Esto es ventajoso en particular por razones constructivas.
Preferentemente los elementos de cubierta se componen de aluminio, de cobre o de una aleación de aluminio o de cobre - es decir, de una aleación de distintos metales, en las que el aluminio o cobre forman el componente principal - o contienen bloques de estos materiales. Los materiales de este tipo presentan una elevada conductibilidad térmica, de modo que actúan como intercambiador térmico directo adicional entre el rotor y/o el estator, en uno de los lados y el flujo de aire de refrigeración en el otro lado. Siempre que sea necesario, los elementos de cubierta pueden presentar adicionalmente elementos que aumentan la superficie como, por ejemplo, pasadores o aletas de refrigeración.
El objetivo se resuelve además mediante un chasis de un vehículo ferroviario con las características de la reivindicación 10. Configuraciones ventajosas del chasis son objeto de las reivindicaciones dependientes 10 y 11.
De acuerdo con la invención un chasis del tipo mencionado al principio se diseña al estar configurada la máquina eléctrica como máquina eléctrica de acuerdo con la invención.
Conectados con el contorno externo cuadrado de la máquina eléctrica, preferentemente al menos en la zona de esquina inferior de las dos zonas de esquina dirigidas al árbol de juego de ruedas están dispuestos segundos canales de refrigeración. En el caso de que la máquina eléctrica presente los terceros canales de refrigeración, preferentemente al menos en la zona superior de las dos zonas de esquina opuestas al árbol de juego de ruedas están dispuestos terceros canales de refrigeración. Mediante estos diseños la máquina eléctrica de acuerdo con la invención puede emplearse sin reducir la distancia del suelo de la máquina eléctrica con respecto al suelo por el que circula el chasis.
Las propiedades, características y ventajas de esta invención que se han descrito anteriormente, así como el modo de conseguirlas se aclaran y se comprenden mejor en relación con la siguiente descripción de los ejemplos de realización que se explican con más detalle en conexión con los dibujos. En este sentido muestran en representación esquemática:
figura 1 un semicorte a través de una máquina eléctrica,
figura 2 un corte completo mucho más simplificado con respecto a la figura 1,
figura 3 una representación en perspectiva de un elemento de conducción de aire,
figura 4 un corte a través del elemento de conducción de aire de la figura 3,
figura 5 una representación en perspectiva de un elemento anular interno,
figura 6 un corte a través del elemento anular interno de la figura 3,
figura 7 una vista de la máquina eléctrica de la figura 2 desde una dirección A en la figura 2,
figura 8 una vista en perspectiva de una carcasa de la máquina eléctrica de la figura 2,
figura 9 un chasis de un vehículo ferroviario desde una dirección IX-IX en la figura 10 y
figura 10 el chasis de la figura 9 desde arriba.
De acuerdo con las figuras 1 y 2 una máquina eléctrica 1 presenta un rotor 2. El rotor 2 está dispuesto sobre un árbol de rotor 3. El árbol de rotor 3 está alojado en cojinetes 4. Por ello, el rotor 2 junto con el árbol de rotor 3 puede rotar alrededor de un eje de rotación R.
Si en lo sucesivo se emplean los términos "axial", "radial" y "tangencial", siempre se refieren al eje de rotación R. "Axial" es una dirección paralela al eje de rotación R. "Radial" es una dirección ortogonal al eje de rotación R hacia el eje de rotación R o alejándose de este. "Tangencial" es una dirección que está orientada tanto ortogonal a la dirección axial como ortogonal a la dirección radial. "Tangencial", por lo tanto, es una dirección que está dirigida con una posición axial constante y a una distancia radial constante respecto al eje de rotación R formando un círculo alrededor del eje de rotación R.
El rotor 2 está rodeado radialmente en el exterior por un estator 5. Entre el rotor 2 y el estator 5 se encuentra un espacio de aire 6 (solo distinguible en la figura 1). El estator 5, a su vez, está rodeado radialmente en el exterior por una carcasa 7.
Con respecto a la cooperación eléctrica de rotor 2 y estator 5 la máquina eléctrica 1 puede estar configurada según la demanda. Puede tratarse de una máquina asíncrona, una máquina síncrona o una máquina de corriente continua. Con frecuencia se trata de una máquina síncrona de excitación permanente de polaridad superior con normalmente de seis a dieciséis polos. En las máquinas de este tipo las culatas magnéticas de rotor 2 y estator 5 pueden estar realizadas relativamente bajas.
En un primer extremo axial de rotor 2 y estator 5 - en lo sucesivo denominado lado A -está dispuesto un primer elemento de cubierta 8. Mediante el primer elemento de cubierta 8 el rotor 2 y el estator 5 están blindados en el lado A con respecto al entorno de la máquina eléctrica 1. De manera análoga, en un segundo extremo axial de rotor 2 y estator 5 - en lo sucesivo denominado lado B - está dispuesto un segundo elemento de cubierta 9. Mediante el segundo elemento de cubierta 9 el rotor 2 y el estator 5 están blindados en el lado B con respecto al entorno de la máquina eléctrica 1. Los elementos de cubierta 8, 9 pueden, por ejemplo, estar configurados como discos. Si fuera necesario, para la estanqueidad de acuerdo con la representación en la figura 1 pueden estar presentes adicionalmente un primer y un segundo elemento de estanqueidad 10, 11 - por ejemplo, en cada caso una junta de laberinto. Los elementos de cubierta 8, 10 están fijados preferentemente fijados al rotor, es decir, se giran junto con el rotor 2. Sin embargo, en principio sería posible también una sujeción fijada al rotor. Los blindajes de este tipo de rotor 2 y estator 5 son conocidos en general por los expertos en la materia. Por tanto, el blindaje no necesita explicarse al detalle.
El primer elemento de cubierta 8 está rodeado radialmente en el exterior y axialmente en el lado opuesto al rotor 2 y estator 5 por un elemento de conducción de aire 12. La figura 3 muestra una representación en perspectiva del elemento
de conducción de aire 12, la figura 4 un corte a través del elemento de conducción de aire 12. El segundo elemento de cubierta 9 está rodeado radialmente en el exterior y axialmente en el lado opuesto al rotor 2 y estator 5 por un elemento anular interno 13. La figura 5 muestra una representación en perspectiva del elemento anular interno 13, la figura 6 un corte a través del elemento anular interno 13. El elemento de conducción de aire 12 y el elemento anular interno 13 pueden estar compuestos principalmente por cualquier material. En particular, pueden componerse de acero. Preferentemente, sin embargo,
el elemento de conducción de aire 12 y/o el elemento anular interno 13 se componen de aluminio o de una aleación de aluminio.
La máquina eléctrica 1 presenta primeros canales de refrigeración 14. Los primeros canales de refrigeración 14 están dispuestos radialmente en el exterior relativamente lejos y discurren axialmente. En el presente caso están introducidos en la carcasa 7. Como alternativa pueden formarse mediante espacios intermedios entre la carcasa 7 y el estator 5. Los primeros canales de refrigeración 14 están dispuestos, por lo tanto, en la carcasa 7 o entre carcasa 7 y estator 5. Están cerrados tangencialmente y asimismo cerrados radialmente - excepto en la zona de una entrada de aire 15 (para ello, igual). Un flujo de aire de refrigeración 16 que se alimenta a los primeros canales de refrigeración 14 a través de la entrada de aire 15, puede salir por tanto solo en los extremos axiales de los primeros canales de refrigeración 14 desde los primeros canales de refrigeración 14, pero no en dirección radial o tangencial.
La carcasa 7 presenta además radialmente en el exterior la entrada de aire 15 que acaba de mencionarse. La entrada de aire 15 está dispuesta, observada en dirección axial, de manera preferente aproximadamente en el centro entre ambos extremos de rotor 2 y estator 5. A través de la entrada de aire 15, a los primeros canales de refrigeración 14 - por ejemplo, mediante un ventilador no representado - se alimenta el flujo de aire de refrigeración 16 ya mencionado asimismo. El flujo de aire de refrigeración 16 se alimenta a través de los primeros canales de refrigeración 14 al menos parcialmente - véase la referencia 16a - al elemento de conducción de aire 12. Como alternativa el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 podría alimentarse a un espacio intermedio entre el primer elemento de cubierta 8 y el elemento de conducción de aire 12. Allí el flujo de aire de refrigeración 16, o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16, se desvía hacia dentro radialmente. Después, a través del árbol de rotor 3 se alimenta al lado B. El árbol de rotor 3 puede estar configurado para este fin, por ejemplo, como árbol hueco que presenta una llanta externa 17, un buje 18 y radios 19 entre medias. Los radios 19, observados en dirección axial pueden ser continuos o, como se representa en la figura 2, estar dispuestos solo a distancias axiales predeterminadas unos de otros. También son posibles otras configuraciones en las que en el árbol de rotor 3 están practicados, por ejemplo, taladros o similares. Los canales de rotor 20 pueden formarse como alternativa también mediante espacios intermedios entre el rotor 2 y el árbol de rotor 3 o estar dispuestos en el propio rotor 2. En cualquier caso, sin embargo, en el árbol de rotor 3 y/o en el rotor 2 están dispuestos canales de rotor 20 que discurren axialmente a través de los cuales el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se conduce hacia el lado B.
En el lado B el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se alimenta al elemento anular interno 13. En el elemento anular interno 13 el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se desvía radialmente hacia fuera y se alimenta a segundos canales de refrigeración 21. El elemento anular interno 13 puede presentar, por ejemplo, un espacio anular interno 22 que está conectado en comunicación a través de un ramal 23 respectivo con el segundo canal de refrigeración 21 respectivo. De acuerdo con la representación en la figura 5 en una única esquina solo está presente un único ramal 23. Sin embargo, podrían estar presentes ramales 23 también en varias esquinas. La conexión del ramal 23 al espacio anular 22 está oculta en la figura 5. Pero está presente.
Se distingue en las figuras 3 y 4 arriba, por ejemplo, la abertura de entrada para el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 a través de la cual el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se alimenta a un espacio anular dispuesto por debajo de la abertura de entrada. Se distinguen además aletas de refrigeración en el lado opuesto en zonas de esquina. Las aletas de refrigeración representan una prolongación de segundos y/o terceros canales de refrigeración 21, 25. Los segundos y/o terceros canales de refrigeración 21, 25 como tales se explican con más detalle más adelante.
Como alternativa a la conducción del flujo de aire de refrigeración 16 o de la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 a través del elemento anular interno 13 es posible que el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se alimente a un espacio intermedio entre el segundo elemento de cubierta 9 y al elemento anular interno 13 y la conducción del flujo de aire de refrigeración 16 o de la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se realiza a través de este espacio intermedio.
Los segundos canales de refrigeración 21 - análogamente a los primeros canales de refrigeración 14 - están dispuestos radialmente en el exterior relativamente lejos y discurren axialmente. En el presente caso están introducidos en la carcasa 7. Como alternativa pueden formarse mediante espacios intermedios entre la carcasa 7 y el estator 5. Por lo tanto, los segundos canales de refrigeración 21 están dispuestos en la carcasa 7 o entre carcasa 7 y estator 5. Están cerrados tangencial y radialmente. El aire de refrigeración que se encuentra en los segundos canales de refrigeración 21, puede salir de los segundos canales de refrigeración 21 por lo tanto solo en los extremos axiales de los segundos canales de
refrigeración 21, pero no en dirección radial o tangencial. El flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se conduce, por consiguiente, mediante los segundos canales de refrigeración 21 axialmente a través de la máquina eléctrica 1. Después el flujo de aire de refrigeración 16 o la parte correspondiente del flujo de aire de refrigeración 16 se escapa al entorno de la máquina eléctrica 1.
Las figuras 1 a 6 muestran al mismo tiempo también distintas configuraciones preferidas de la máquina eléctrica 1. En particular, el elemento anular interno 13 - véase como complemento la figura 7 - está rodeado radialmente en el exterior por un elemento anular externo 24. En algunos casos, el elemento anular externo 24 puede extenderse, observada en dirección tangencial, por completo alrededor del elemento anular interno 13. En muchos casos, sin embargo, de acuerdo con la representación en la figura 7 es suficiente y a menudo incluso ventajoso cuando el elemento anular externo 24 se extiende en dirección tangencial solo por un intervalo angular a de aproximadamente 180° o menos, en particular, de aproximadamente 90° o aproximadamente 45°. Esto resultará más evidente a partir de realizaciones posteriores. De estas realizaciones resultará también evidente que el intervalo angular a, por regla general, se sitúa algo por encima de 180°, algo por encima de 90° o algo por encima de 45°. El elemento anular externo 24 puede formar dado el caso con el elemento anular interno 13 una unidad constructiva. Por ejemplo, el elemento anular interno 13 y el elemento anular externo 24 pueden estar fabricados como pieza de fundición unitaria.
Cuando el elemento anular externo 24 está presente, están presentes además también terceros canales de refrigeración 25. Los terceros canales de refrigeración 25 se corresponden en cuanto a su disposición y funcionamiento desde el planteamiento con los segundos canales de refrigeración 21. Están dispuestos por lo tanto asimismo radialmente en el exterior relativamente lejos, discurren axialmente y están cerrados tangencial y radialmente. En el presente caso están introducidos en la carcasa 7. Como alternativa pueden formarse por espacios intermedios entre la carcasa 7 y el estator 5. Por lo tanto, los terceros canales de refrigeración 25 están dispuestos en la carcasa 7 o entre carcasa 7 y estator 5. Debido a la circunstancia de que los terceros canales de refrigeración 25 están cerrados tangencial y radialmente, el aire de refrigeración que se encuentra en los terceros canales de refrigeración 25, puede salir de los terceros canales de refrigeración 25 solo en los extremos axiales de los terceros canales de refrigeración 25, pero no en dirección radial o tangencial. Se distingue en la figura 5, por ejemplo, la abertura de entrada para la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16. Se distingue además en tres esquinas - sin referencias- ramales a través de los cuales la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 se alimenta a los terceros canales de refrigeración 25. Las conexiones de estos ramales con la abertura de entrada para la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 están ocultas en la figura 5. Pero están presentes.
Cuando el elemento anular externo 24 y los terceros canales de refrigeración 25 están presentes, solo una parte del flujo de aire de refrigeración 16 se conduce a través de los primeros canales de refrigeración 14, los canales de rotor 20 y los segundos canales de refrigeración 21. La parte restante del flujo de aire de refrigeración 16 - véase la referencia 16b -se alimenta a través de los primeros canales de refrigeración 14 directamente al lado B. En el lado B la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 se alimenta al elemento anular externo 24. En el elemento anular externo 24, la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 se desvía tangencialmente a los terceros canales de refrigeración 25 y se alimenta así a los terceros canales de refrigeración 25. Mediante los terceros canales de refrigeración 25 la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 se conduce axialmente a través de la máquina eléctrica 1. Se escapa después al entorno de la máquina eléctrica 1. Como alternativa a la conducción de la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 a través del elemento anular externo 24 es posible que la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 se alimente a un espacio intermedio entre la carcasa 7 y al elemento anular externo 24 y la conducción de la parte correspondiente 16b del flujo de aire de refrigeración 16 se realiza a través de este espacio intermedio.
En la práctica la carcasa 7 - véase las figuras 7 y 8 - presenta a menudo un contorno externo cuadrado. En este caso, los primeros canales de refrigeración 14 están dispuestos en al menos una zona lateral 26 del contorno externo, generalmente incluso solo en una única zona lateral 26. En particular, están dispuestos en la zona lateral 26 en la que se encuentra también la entrada de aire 15. La entrada de aire 15 a su vez- independientemente de la presencia de un contorno externo cuadrado - está dispuesta por regla general en el lado superior de la carcasa 7. En cambio, los primeros canales de refrigeración 14 no están dispuestos en zonas de esquina 27 del contorno externo.
En cambio, los segundos canales de refrigeración 21 y - si están presentes - también los terceros canales de refrigeración 25 - están dispuestos preferentemente en las zonas de esquina 27 del contorno externo. En cambio, en las zonas laterales 26, no están dispuestos los segundos canales de refrigeración 21, y dado el caso, tampoco los terceros canales de refrigeración 25. En el caso de que solo estén presentes los segundos canales de refrigeración 21, en todas las cuatro zonas de esquina 27 pueden estar dispuestos en cada caso uno o varios segundos canales de refrigeración 21. En el caso de que estén presentes tanto los segundos como también los terceros canales de refrigeración 21, 25, por regla general, en cada zona de esquina 27 están dispuestos o segundos canales de refrigeración 21 o terceros canales de refrigeración 25, pero no mezclados segundos y terceros canales de refrigeración 21, 25. En raros casos excepcionales, sin embargo, puede ser útil también una mezcla de este tipo.
Preferentemente, por tanto, en una de las zonas de esquina 27 están dispuestos exclusivamente segundos canales de refrigeración 21, en otra de las zonas de esquina 27 exclusivamente terceros canales de refrigeración 25. Estas dos zonas de esquina 27 están enfrentadas diametralmente entre sí, por regla general, de acuerdo con la representación en las figuras 7 y 8 diametral. En las otras dos zonas de extremo 27 pueden estar dispuestos, en caso de demanda, o segundos
o terceros canales de refrigeración 21, 25. Cuando, de acuerdo con la representación en la figura 7 solo en una única zona de esquina 27, están dispuestos segundos canales de refrigeración 21 y en tres zonas de esquina 27 están dispuestos terceros canales de refrigeración 25, el elemento anular externo 24 se extiende en dirección tangencial preferentemente por un intervalo angular a de aproximadamente 180°. Cuando en dos zonas de esquina 27 están dispuestos segundos canales de refrigeración 21 y en dos zonas de esquina 27 están dispuestos terceros canales de refrigeración 25, el elemento anular externo 24 se extiende en dirección de manera tangencial, preferentemente por un intervalo angular a de aproximadamente 90°. Cuando en tres zonas de esquina 27 están dispuestos segundos canales de refrigeración 21 y solo en una única zona de esquina 27 están dispuestos terceros canales de refrigeración 25, el elemento anular externo 24 en dirección se extiende de manera tangencial preferentemente por un intervalo angular a de aproximadamente 45°. El intervalo angular indicado en cada caso a de 180°, 90° o 45° se superará por regla general en alguna medida, concretamente en el ángulo p1, que observado desde el eje de rotación R, cubren los terceros canales de refrigeración 25 en una de las zonas de esquina 27 en cada caso, dado el caso más la mitad del ángulo p2, que observado desde el eje de rotación R cubren los primeros canales de refrigeración 14 en la una zona lateral 26.
Los elementos de cubierta 8, 9 se componen preferentemente de aluminio, cobre o de una aleación que contiene uno de estos metales. Por ello - adicionalmente a las superficies del árbol de rotor 3 y del estator 5 a lo largo de las cuales pueden fluir los flujos de aire de refrigeración 16, 16a, 16b - pueden funcionar como intercambiadores térmicos. Lo mismo se aplica cuando los elementos de cubierta 8, 9 por ejemplo se componen en concreto esencialmente de hierro fundido, contienen bloques de estos materiales. Por lo tanto, a través de los elementos de cubierta 8, 9 puede evacuarse adicionalmente calor del espacio blindado en el que se encuentran el rotor 2 y el estator 5. Si fuera necesario, los elementos de cubierta 8, 9, para aumentar la función de intercambiador térmico, pueden presentar elementos adicionales que aumentan su superficie. Ejemplos de tales elementos son pasadores y aletas de refrigeración.
El elemento de conducción de aire 12 y el elemento anular interno 13 pueden ser elementos independientes, a los cuales más allá de la conducción del flujo de aire de refrigeración 16, no les corresponde ninguna función adicional. Preferentemente, sin embargo, el elemento de conducción de aire 12 y/o el elemento anular interno 13 de acuerdo con la representación en las figuras 1 y 2 sujetan en cada caso uno de los cojinetes 4. En este caso, por lo tanto, el elemento de conducción de aire 12 y/o el elemento anular interno 13 - dado el caso la unidad formada por elemento anular interno 13 y elemento anular externo 24 - están configurados como placas de cojinete de la máquina eléctrica 1, o a la inversa, las placas de cojinete de la máquina eléctrica 1 asumen la función del elemento de conducción de aires 12 y/o del elemento anular interno 13.
Por lo que se ha explicado hasta ahora, la máquina eléctrica 1 de la presente invención puede utilizarse de manera universal. En muchos casos, sin embargo, la máquina eléctrica 1 de la presente invención, de acuerdo con la representación en las figuras 9 y 10 es componente del chasis 28 de un vehículo ferroviario. La figura 9 muestra el chasis 28 desde una dirección IX-IX (véase figura 10). La dirección IX-IX se corresponde con la dirección A en la figura 2. La figura 10 muestra el chasis 28 desde arriba.
El chasis 28 puede ser, en particular, un bogie. El chasis 28 presenta de acuerdo con las figuras 9 y 10 un marco 29. En el marco está alojado un árbol de juego de ruedas 30. El árbol de juego de ruedas 30 puede rotar alrededor de un eje de árbol W. Mediante ruedas 31 dispuestas en el árbol de juego de ruedas 30 31 el chasis 28 puede moverse, por consiguiente, sobre un suelo 32 (en particular carriles) en una dirección de marcha x.
Por regla general, en el marco 29 están alojados varios árboles de juego de ruedas 30. En el marco de la presente invención, sin embargo, solo es importante el árbol de juego de ruedas 30 que se acciona con la máquina eléctrica 1. Por lo tanto, los otros árboles de juego de ruedas 30 no están representados en las figuras 9 y 10.
La máquina eléctrica 1 está fijada en el marco 29, observada en la dirección de marcha x, delante o detrás del árbol de juego de ruedas 30. El eje de rotación R de la máquina eléctrica 1 discurre de acuerdo con la representación en las figuras 9 y 10 paralelo al eje de árbol W del árbol de juego de ruedas 30. Como alternativa podría formar con el eje de árbol W también un ángulo, en particular, ortogonalmente al eje de árbol W. Aunque el eje de rotación R con el eje de árbol W forme un ángulo, sin embargo, el eje de rotación R discurre - al menos por regla general - en horizontal. El árbol de rotor 3 de la máquina eléctrica 1 actúa a través de una transmisión 33 sobre el árbol de juego de ruedas 30. Un acoplamiento posiblemente presente no está representado en las figuras 9 y 10. La máquina eléctrica 1 es, por tanto, un accionamiento de tracción del vehículo ferroviario. La transmisión 33 comprende en el caso más sencillo únicamente una rueda dentada dispuesta sobre el árbol de rotor 3 de manera resistente al giro y una rueda dentada dispuesta sobre el árbol de juego de ruedas 30 de manera resistente al giro, en donde ambas ruedas dentadas están engranadas entre sí. No obstante, la transmisión 33 puede estar configurada también con más complejidad.
En el caso de que la carcasa 7 de la máquina eléctrica 1 presente el contorno externo cuadrado que se ha explicado con anterioridad, y además en las zonas de esquina 27 estén dispuestos tanto los segundos como los terceros canales de refrigeración 21, 25, de acuerdo con la representación en la figura 9, al menos en la zona de esquina inferior de ambas zonas de esquina 27 dirigidas al árbol de juego de ruedas 30 están dispuestos segundos canales de refrigeración 21. En cambio, en la zona superior de ambas zonas de esquina 27 opuestas al árbol de juego de ruedas 30 están dispuestos terceros canales de refrigeración 25. En las otras dos zonas de esquina 27 pueden estar dispuestos en caso de demanda segundos o terceros canales de refrigeración 21,25.
La presente invención presenta muchas ventajas. En particular, al realizarse el enfriamiento de rotor 2 y estator 5, tanto a través del árbol de rotor 3, como a través de la carcasa 7, es posible una evacuación de calor muy eficiente. Esto es posible mediante el aumento correspondiente de las superficies utilizadas para la transmisión de calor. Los cojinetes 4 desde el punto de vista térmico están desacoplados adecuadamente de las partes activas calientes (rotor 2 y estator 5).
Aunque la invención se ha ilustrado y descrito con más detalle mediante el ejemplo de realización preferido, la invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
1. Máquina eléctrica,
- en donde la máquina eléctrica (1) presenta un rotor (2), que está dispuesto sobre un árbol de rotor (3),
- en donde el árbol de rotor (3) está alojado en cojinetes (4), de modo que el rotor (2) puede rotar junto con el árbol de rotor (3) alrededor de un eje de rotación (R),
- en donde el rotor (2) está rodeado radialmente en el exterior por un estator (5) y el estator (5) está rodeado radialmente en el exterior por una carcasa (7),
- en donde en un primer y en un segundo extremo axial de rotor (2) y estator (5) están dispuestos un primer y un segundo elemento de cubierta (8, 9) que funcionan como intercambiadores térmicos, mediante los cuales el rotor (2) y el estator (5) están blindados con respecto al entorno de la máquina eléctrica (1),
- en donde el primer elemento de cubierta (8) está rodeado, radialmente en el exterior y axialmente en el lado opuesto allí al rotor (2) y estator (5), por un elemento de conducción de aire (12) y el segundo elemento de cubierta (9) está rodeado radialmente en el exterior y axialmente en el lado opuesto allí al rotor (2) y estator (5) por un elemento anular interno (13),
- en donde están dispuestos primeros y segundos canales de refrigeración (14,21) que discurren axialmente en la carcasa (7) o entre carcasa (7) y estator (5), y están dispuestos canales de rotor (20) que discurren axialmente en el árbol de rotor (3) y/o en el rotor (2),
- en donde la carcasa (7) presenta radialmente en el exterior una entrada de aire (15) a través de la cual se alimenta un flujo de aire de refrigeración (16)a los primeros canales de refrigeración (14),
- en donde al menos una parte (16a) del flujo de aire de refrigeración (16) a través de los primeros canales de refrigeración (14) se alimenta al elemento de conducción de aire (12) o a un espacio intermedio entre el primer elemento de cubierta (8) y el elemento de conducción de aire (12), es decir, hacia el primer extremo axial de la máquina, allí se desvía hacia dentro radialmente, después a través de los canales de rotor (20) se alimenta al elemento anular interno (13) o a un espacio intermedio entre el segundo elemento de cubierta (9) y al elemento anular interno (13), allí se desvía hacia radialmente hacia el exterior y se alimenta a los segundos canales de refrigeración (21), después mediante los segundos canales de refrigeración (21) se conduce axialmente a través de la máquina eléctrica y finalmente se escapa al entorno de la máquina eléctrica, y
- en donde el elemento anular interno (13) está rodeado radialmente en el exterior al menos a lo largo de un perímetro parcial por un elemento anular externo (24), en donde están dispuestos terceros canales de refrigeración (25) que discurren axialmente en la carcasa (7) o entre carcasa (7) y estator (5), y en donde una parte adicional (16b) del flujo de aire de refrigeración (16) se alimenta al elemento anular externo (24) o a un espacio intermedio entre la carcasa (7) y al elemento anular externo (24), es decir, hacia el segundo extremo axial de la máquina, se desvía allí tangencialmente y se alimenta a los terceros canales de refrigeración (25), y finalmente mediante los terceros canales de refrigeración (25) se conduce axialmente a través de la máquina eléctrica (1) y después se escapa al entorno de la máquina eléctrica (1).
2. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque la carcasa (7), observada ortogonalmente al eje de rotación (R) presenta un contorno externo cuadrado, porque los primeros canales de refrigeración (14) están dispuestos en al menos una zona lateral (26) del contorno externo, en particular, en exactamente una zona lateral (26) del contorno externo, y porque los segundos canales de refrigeración (21) están dispuestos en las zonas de esquina (27) del contorno externo.
3. Máquina eléctrica según la reivindicación 1, caracterizada porque el elemento anular externo (24) se extiende observado desde el eje de rotación (R) por un intervalo angular (a) de aproximadamente 180° o menos, en particular, de aproximadamente 90° o aproximadamente 45°.
4. Máquina eléctrica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque al menos uno de los elementos de cubierta (8,9) está fijado firmemente al rotor.
5. Máquina eléctrica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el elemento de conducción de aire (12) y/o el elemento anular interno (13) sujetan, en cada caso, uno de los cojinetes (4).
6. Máquina eléctrica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el elemento de conducción de aire (12) y/o el elemento anular interno (13) se componen de aluminio o de una aleación de aluminio.
7. Máquina eléctrica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la entrada de aire (15) está dispuesta en el lado superior de la carcasa (7).
8. Máquina eléctrica según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los elementos de cubierta (8,9) se componen de aluminio, cobre o de una aleación de aluminio o de cobre o contienen bloques de estos materiales.
9. Chasis de un vehículo ferroviario, en particular bogie,
- en donde el chasis presenta un marco (29),
- en donde en el marco (29) está alojado un árbol de juego de ruedas (30), de modo que el árbol de juego de ruedas (30) puede rotar alrededor de un eje de árbol (W),
- en donde en el marco (29) observado en la dirección de marcha (x) del chasis, delante o detrás del árbol de juego de ruedas (30) está fijada una máquina eléctrica (1),
- en donde el árbol de rotor (3) de la máquina eléctrica (1) actúa a través de una transmisión (33) sobre el árbol de juego de ruedas (30), caracterizado porque la máquina eléctrica (1) está configurada como máquina eléctrica según una de las reivindicaciones anteriores.
10. Chasis según la reivindicación 9, caracterizada porque la carcasa (7) de la máquina eléctrica (1), observada ortogonalmente al eje de rotación (R) presenta un contorno externo cuadrado y porque al menos en la zona de esquina inferior de las dos zonas de esquina (27) dirigidas al árbol de juego de ruedas (30) están dispuestos segundos canales de refrigeración (21).
11. Chasis según la reivindicación 10, caracterizado porque la máquina eléctrica (1) presenta los terceros canales de refrigeración (25) y porque al menos en la zona superior de las dos zonas de esquina (27) opuestas al árbol de juego de ruedas (30) están dispuestos terceros canales de refrigeración (25).
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