ES2981122T3

ES2981122T3 - Máquina eléctrica blindada

Info

Publication number: ES2981122T3
Application number: ES21163086T
Authority: ES
Inventors: Harald Neudorfer
Original assignee: Traktionssysteme Austria GmbH
Current assignee: Traktionssysteme Austria GmbH
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2024-10-07
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: EP3855602B1; PL3855602T3; ES2899887T3; DK2945262T3; PT2945262T; EP3855602C0; HUE057074T2; HRP20211815T1; EP2945262A1; EP3855602A1; PL2945262T3; EP2945262B1

Abstract

La invención se refiere a una máquina eléctrica encapsulada con un estator dispuesto en un tubo de carcasa (3) con un núcleo laminado de estator (1) con un devanado de estator (16) y con canales de refrigeración (2) para guiar un fluido refrigerante, y con un rotor con un núcleo laminado de rotor (5) conectado de manera fija en rotación a un eje de rotor (24) y con imanes permanentes (6a) o barras de cortocircuito (6b) dispuestos en el mismo, y con protectores de cojinetes (13, 14) dispuestos a ambos lados. Para mejorar la refrigeración, en el rotor se ha dispuesto un ventilador (12), en el núcleo laminado del rotor (5) se han dispuesto canales de refrigeración (7) que están conectados a las correspondientes líneas de retorno, se han dispuesto elementos de conducción de aire (22a, 22b) para separar el flujo de aire de refrigeración (20) del estator, de modo que a través de las placas de apoyo (13, 14) se forma un flujo de aire de refrigeración cerrado (20) separado de la refrigeración del estator, y en al menos una placa de apoyo (13, 14) se han dispuesto canales de refrigeración (17) para guiar un fluido de refrigeración, cuyos canales de refrigeración (17) están conectados a los canales de refrigeración (2) en el estator en paralelo o en serie a través de conexiones de manguera o tubería (28). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Máquina eléctrica blindada

La presente invención se refiere a una máquina eléctrica, blindada, con un estator dispuesto en un tubo de carcasa con un paquete de chapas de estator, con un bobinado de estator y con canales de enfriamiento para guiar un fluido de enfriamiento, y con un rotor con un paquete de chapas de rotor conectado de manera fija respecto al giro con un árbol de rotor e imanes permanentes o barras de cortocircuito dispuestos en el interior del mismo, y con placas de cojinete dispuestas a ambos lados, que están conectadas mediante cojinetes correspondientes con el árbol de rotor, estando previsto un ventilador en el rotor, y estando dispuestos canales de enfriamiento en el paquete de chapas de rotor, que están conectados con conductos de retorno correspondientes en el rotor, tal que en, como mínimo, una placa de cojinete están dispuestos canales de enfriamiento para guiar un fluido de enfriamiento, canales de enfriamiento que en la, como mínimo, una placa de cojinete están conectados en paralelo o en serie con los canales de enfriamiento en el estator.

Las máquinas eléctricas blindadas y enfriadas de este tipo se pueden utilizar tanto en el funcionamiento de motores como también en el funcionamiento de generadores. Por ejemplo, tales máquinas eléctricas se utilizan como generador en locomotoras de gran potencia para poder salvar trayectos cortos sin catenaria. En este caso, se hace girar el rotor del generador con ayuda de un motor diésel pequeño que genera la corriente para la propulsión principal normal de la locomotora. En este caso, la mayoría de las veces está disponible relativamente poco espacio para el generador, con lo que se dificulta también el enfriamiento necesario del generador. Habitualmente, el rotor de la máquina eléctrica que trabaja como generador se enfría por aire y el estator se enfría por líquido con ayuda de una carcasa de pared doble. El recubrimiento doble en el estator o los orificios para guiar el líquido de enfriamiento aumentan la resistencia térmica del estator y empeoran la evacuación del calor generado en el rotor de la máquina eléctrica.

La Patente EP 1248349 A2 describe una máquina eléctrica blindada del tipo en cuestión, en la que se utiliza un circuito de enfriamiento cerrado común para enfriar el estator y el rotor.

Por ejemplo, la Patente WO 2012/044177 A1 describe una máquina eléctrica blindada excitada por imanes permanentes, en la que una corriente de aire de enfriamiento cerrada enfría tanto el rotor como también el estator. El aire de enfriamiento se pone en movimiento mediante ventiladores propios que no están conectados de manera fija respecto al giro con el árbol de rotor de la máquina eléctrica.

La Patente JP 2004-194498 A muestra una máquina eléctrica enfriada en la que el aire de enfriamiento se aspira a través de entradas de aire y se evacúa a través de salidas de aire. Las máquinas eléctricas no blindadas de este tipo no son adecuadas para determinadas aplicaciones, entre ellas también motores de propulsión.

El objetivo de la presente invención consiste en crear una máquina eléctrica mencionada anteriormente que se puede enfriar de manera óptima a pesar de relaciones de espacio limitadas, de modo que se puede conseguir una potencia mayor con el mismo tamaño constructivo de la máquina eléctrica o un tamaño constructivo menor con la misma potencia. Se deben evitar o por lo menos reducir las desventajas conocidas de las máquinas eléctricas de este tipo.

El objetivo según la presente invención se alcanza previendo elementos de conducción de aire para separar la corriente de aire de enfriamiento del estator, de modo que, separado del enfriamiento del estator, una segunda corriente de aire de enfriamiento cerrada está formada sobre la placa de cojinete que está dispuesta en el lado axial del rotor opuesto al ventilador, y porque los canales de enfriamiento están conectados en la, como mínimo, una placa de cojinete con los canales de enfriamiento en el estator mediante conexiones de manguera o tubo. Mediante estas características se consigue un enfriamiento por aire del rotor de la máquina eléctrica, que está desacoplado térmicamente del enfriamiento del estator. Por consiguiente, el estator y el rotor de la máquina eléctrica se pueden diseñar para temperaturas diferentes y no calcularse toda la máquina eléctrica para la temperatura más reducida. Dado que el calor del rotor se evacúa mediante las placas de cojinete, se puede reducir la resistencia térmica del estator mediante la supresión de canales de enfriamiento para aire de enfriamiento en el estator y en consecuencia conseguirse una máquina eléctrica de la misma potencia con tamaño constructivo más reducido o una máquina eléctrica del mismo tamaño constructivo con potencia mayor. Para mejorar la evacuación del calor de la corriente de aire de enfriamiento del rotor en la placa de cojinete, que está dispuesta en el lado axial del rotor opuesto al ventilador están dispuestos canales de enfriamiento para guiar un fluido de enfriamiento. De esta manera, el calor absorbido por las aletas de enfriamiento interiores se evacúa de manera rápida y eficiente mediante el fluido de enfriamiento. Como fluido de enfriamiento son posibles tanto un líquido como también un gas. Los canales de enfriamiento en la una placa de cojinete, que está dispuesta en el lado axial del rotor opuesto al ventilador, están conectados en paralelo o en serie con los canales de enfriamiento en el estator. De esta manera, se combina de manera correspondiente el enfriamiento de las placas de cojinete con el enfriamiento del estator. Mediante la combinación se puede utilizar una bomba común para el guiado del fluido de enfriamiento y, por consiguiente, ahorrar de nuevo espacio. Los canales de enfriamiento en la, como mínimo, una placa de cojinete están conectados con los canales de enfriamiento en el estator mediante conexiones de manguera o tubo. Las conexiones de manguera o tubo externas de este tipo, que conectan los circuitos de fluido de enfriamiento de las placas de cojinete con el del estator se pueden producir la mayoría de las veces de manera más económica que los canales de conexión integrados en las placas de cojinete y el tubo de carcasa y posibilitan una modificación retroactiva de máquinas eléctricas existentes al concepto de enfriamiento indicado. En particular, al utilizar la máquina eléctrica como generador para la generación de una corriente para la máquina de propulsión en locomotoras para cortos trayectos sin catenaria (denominadolast mile generato/),es adecuada especialmente una máquina eléctrica enfriada de esta manera.

Para evacuar de manera óptima el calor generado en el rotor de la máquina eléctrica, están dispuestas preferentemente aletas de enfriamiento en, como mínimo, una placa de cojinete. El tamaño de las aletas de enfriamiento se debe dimensionar de manera correspondiente a la disipación de calor necesaria.

Según una característica adicional de la presente invención, están dispuestas una pluralidad de aletas de enfriamiento, dispuestas a distancias angulares regulares entre sí, en el lado de la placa de cojinete dirigido al rotor, que está dispuesta en el lado axial del rotor opuesto al ventilador, dentro de la corriente de aire de enfriamiento. Por consiguiente, la corriente de aire de enfriamiento cerrada para el enfriamiento del rotor se guía de manera óptima por las aletas de enfriamiento de la placa de cojinete y, por consiguiente, el calor contenido en la corriente de aire de enfriamiento se evacúa mediante la placa de cojinete.

El ventilador para el movimiento del aire de enfriamiento dentro del rotor puede presentar palas curvadas. Las palas del ventilador de este tipo, conformadas de manera especial, aportan ventajas en la aplicación de la máquina eléctrica como generador con un accionamiento a partir de un motor diésel con solo un sentido de giro. La curvatura de las palas se puede efectuar en un sentido tanto hacia delante como también hacia atrás. De manera ventajosa, están previstos elementos de conducción de aire para guiar la corriente de aire de enfriamiento sobre las placas de cojinete. Mediante elementos de conducción de aire de este tipo, conformados de manera especial, se puede optimizar la evacuación del calor del rotor. También estos elementos de conducción de aire pueden estar previstos mediante chapas colocadas posteriormente en la máquina eléctrica o partes ya producidas por técnica de moldeo de la máquina eléctrica.

Entre el árbol de rotor y el paquete de chapas de rotor puede estar dispuesto un tubo de rotor delimitado por discos de rotor con una cavidad. Mediante una forma constructiva de este tipo se puede conseguir un guiado de retorno óptimo del aire de enfriamiento para enfriar el rotor. Además, se puede reducir la masa del rotor mediante las cavidades en el tubo de rotor, lo que tiene un efecto positivo a su vez sobre la relación de la potencia suministrada eléctricamente con respecto a la masa de la máquina eléctrica.

El tubo de rotor está conectado, preferentemente mediante nervios dispuestos radialmente con aberturas formadas entre los mismos, con un cubo de rotor dispuesto en el árbol de rotor, y las aberturas forman los conductos de retorno para la corriente de aire de enfriamiento. De este modo, se consigue el guiado de retorno de la corriente de aire de enfriamiento dentro del rotor con un ahorro simultáneo de material para el rotor.

Si las cabezas de bobina del bobinado de estator están rellenas con masa de relleno, se puede mejorar la evacuación de calor, al utilizarse una masa de relleno con conductividad térmica mejorada con respecto al aire. Por ejemplo, se puede utilizar silicona como masa de relleno para las cabezas de bobina del bobinado de estator.

La presente invención se explica más en detalle mediante las figuras adjuntas. Muestran:

la figura 1, una sección longitudinal a través de un modo de realización de una máquina eléctrica;

la figura 2, una sección transversal a través de la máquina eléctrica según la figura 1, a lo largo de la línea de sección N-M;

la figura 3, una sección transversal adicional a través de la máquina eléctrica según la figura 1, a lo largo de la línea de sección III-III;

la figura 4, un ejemplo de un ventilador para enfriar la máquina eléctrica con palas curvadas;

la figura 5, una variante, que no es según la presente invención, de la máquina eléctrica con conexión interna de los circuitos de fluido de enfriamiento para enfriar el rotor y el estator; y

la figura 6, una variante según la presente invención de la máquina eléctrica con conexión externa de los circuitos de fluido de enfriamiento para enfriar el rotor y el estator.

La figura 1 muestra una sección longitudinal a través de un modo de realización de una máquina eléctrica en forma de un rotor interior. La máquina eléctrica comprende un estator con un paquete de chapas de estator 1 en el que está dispuesto el bobinado de estator 16. Alrededor del paquete de chapas de estator 1 está dispuesto un tubo de carcasa 3 con canales de enfriamiento 2 para guiar un fluido de enfriamiento. Un entrehierro 4 está dispuesto entre el bobinado de estator 1 y el paquete de chapas de rotor 5. Pueden estar dispuestos imanes permanentes 6a en el paquete de chapas de rotor 5 en el caso de una máquina eléctrica excitada por imanes permanentes o barras de cortocircuito 6b (véase la figura 3) en el caso de una máquina asíncrona. En el paquete de chapas de rotor 5 están dispuestos canales de enfriamiento 7 para guiar un aire de enfriamiento. Están previstas placas de cojinete 13, 14 a ambos lados de la máquina eléctrica, que portan los cojinetes 18, 19 correspondientes, mediante los que se aloja de manera giratoria el árbol de rotor 24. El árbol de rotor 24 está conectado mediante un cubo de rotor 25, en el que un tubo de rotor 8 exterior está conectado mediante nervios 11 dispuestos radialmente, con aberturas 30 formadas entre los mismos. El tubo de rotor 8 está delimitado por discos de rotor 9a, 9b y una cavidad 23 dispuesta entre los mismos entre el árbol de rotor 24 y el paquete de chapas de rotor 5. Mediante esta construcción se reduce el material y, por consiguiente, la masa y el momento de inercia de masa del rotor. Según la presente invención, un ventilador 12 está dispuesto en el rotor, que mueve el aire de enfriamiento a través de los canales de enfriamiento 7 en el paquete de chapas de rotor 5 y lo conduce de vuelta por conductos de retorno correspondientes en el rotor, de modo que se forma una corriente de aire de enfriamiento 20 cerrada que se guía sobre la placa de cojinete 14 y que es independiente y está separada del enfriamiento del estator. Por consiguiente, se consigue un enfriamiento de la máquina eléctrica que se efectúa de manera separada para el rotor y el estator, de modo que el diseño térmico del estator y del rotor de la máquina eléctrica se puede efectuar de manera independiente entre sí. En la práctica, puede suceder, por ejemplo, que el bobinado de estator 16 resista una temperatura mayor (por ejemplo 270 °C) que el bobinado de rotor (por ejemplo 200 °C). En las máquinas precedentes, en las que el enfriamiento del rotor no se efectuaba de manera independiente del enfriamiento del estator, toda la máquina eléctrica debía diseñarse para la temperatura más reducida, por ejemplo, los 200 °C del rotor. Ahora, se puede diseñar el estator para la temperatura mayor de, por ejemplo, 270 °C. En consecuencia, se puede conseguir un aumento de potencia con el mismo tamaño constructivo de la máquina eléctrica. Por ejemplo, con máquinas eléctricas con un enfriamiento según el estado de la técnica, se puede conseguir una potencia de 160 kW, mientras que con la máquina eléctrica novedosa se pueden conseguir 200 kW.

Para evacuar de manera óptima el calor de la corriente de aire de enfriamiento 20, están dispuestas aletas de enfriamiento 15 en, como mínimo, una placa de cojinete 14, sobre las que se guía la corriente de aire de enfriamiento 20. Los canales de enfriamiento 17 correspondientes en, como mínimo, una placa de cojinete 14 evacúan de manera correspondiente el calor mediante el fluido de enfriamiento. Los canales de enfriamiento 17 en la placa de cojinete 14 están conectados en serie o en paralelo con los canales de enfriamiento 2 en el tubo de carcasa 3 de la máquina eléctrica o también pueden guiarse de manera separada entre sí, lo que no forma parte de la presente invención. La corriente de aire de enfriamiento 20 para enfriar el rotor se puede guiar de forma óptima mediante elementos de conducción de aire 26 correspondientes sobre las aletas de enfriamiento 15 en la placa de cojinete 14. Los elementos de conducción de aire 26 se pueden formar mediante chapas atornilladas o soldadas posteriormente o se pueden considerar ya al producir la placa de cojinete 14. La posición angular o la velocidad de giro se pueden registrar mediante un sensor de posición o sensor de velocidad de giro 31. Para el control de una máquina eléctrica excitada por imanes permanentes es necesaria la medición de la posición angular del rotor con respecto al estator con ayuda de un sensor de posición 31 correspondiente. En motores asíncronos solo es necesario registrar la velocidad de giro del rotor con un sensor de velocidad de giro correspondiente. El sensor de posición o sensor de velocidad de giro se pueden formar mediante sensores inductivos o capacitivos.

En la figura 2 se representa una sección transversal a través de la máquina eléctrica según la figura 1, a lo largo de la línea de sección N-N. En esta vista se pueden reconocer claramente las aletas de enfriamiento 15 en la placa de cojinete 14. El dimensionamiento de las aletas de enfriamiento 15 se debe adaptar a la disipación de calor correspondiente.

De la sección transversal adicional a través de la máquina eléctrica según la figura 1, a lo largo de la línea de sección MI-MI según la figura 3, se muestra que imanes permanentes 6a o barras de cortocircuito 6b pueden estar dispuestos en el paquete de chapas de rotor 5. La representación muestra el tubo de rotor 10 interior que está conectado con el cubo de rotor 25 mediante los nervios 11. Se forman aberturas 30 entre los nervios 11, que forman los conductos de retorno para la corriente de aire de enfriamiento 20. El cubo de rotor 25 está dispuesto en el árbol de rotor 24.

La figura 4 muestra un ejemplo de un ventilador 12 para enfriar la máquina eléctrica con palas 29 curvadas, con lo que, en máquinas eléctricas con solo un sentido de giro, por ejemplo, en el caso de la aplicación como generador, se puede aumentar la eficiencia. El curvado de las palas 29 se puede efectuar en un sentido tanto hacia delante como también hacia atrás.

Una variante que no es según la presente invención de la máquina eléctrica con conexión interna de los circuitos de fluido de enfriamiento para enfriar el rotor y el estator se representa en la figura 5. En este caso, los canales de enfriamiento 17 en la placa de cojinete 14 están conectados mediante un canal de conexión 27 integrado con los canales de enfriamiento 2 en el tubo de carcasa 3.

En la figura 6 se muestra una variante según la presente invención de la máquina eléctrica con conexión externa de los circuitos de fluido de enfriamiento para enfriar el rotor y el estator. En este caso, los canales de enfriamiento 17 en la placa de cojinete 14 se conectan mediante una conexión de manguera o de tubo 28 correspondiente con los canales de enfriamiento 2 en el tubo de carcasa 3.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Máquina eléctrica blindada con un estator dispuesto en un tubo de carcasa (3) con un paquete de chapas de estator (1), con un bobinado de estator (16) y con canales de enfriamiento (2) para guiar un fluido de enfriamiento, y con un rotor con un paquete de chapas de rotor (5) conectado de manera fija respecto al giro con un árbol de rotor (24) e imanes permanentes (6a) o barras de cortocircuito (6b) dispuestos en el interior del mismo, y con placas de cojinete (13, 14) dispuestas a ambos lados, que están conectadas mediante cojinetes (18, 19) correspondientes con el árbol de rotor (24), estando previsto un ventilador (12) en el rotor, y estando dispuestos canales de enfriamiento (7) en el paquete de chapas de rotor (5) que están conectados con conductos de retorno correspondientes en el rotor, tal que en, como mínimo, la placa de cojinete (14) que está dispuesta en el lado axial del rotor opuesto al ventilador (12), están dispuestos canales de enfriamiento (17) para guiar un fluido de enfriamiento, canales de enfriamiento (17) que en la, como mínimo, una placa de cojinete (13, 14) están conectados en paralelo o en serie con los canales de enfriamiento (2) en el estator,caracterizada por queestán previstos elementos de conducción de aire (22a, 22b) para separar la corriente de aire de enfriamiento (20) del estator, de modo que, separado del enfriamiento del estator, una corriente de aire de enfriamiento (20) cerrada está formada sobre la placa de cojinete (14) que está dispuesta en el lado axial del rotor opuesto al ventilador (12), y por que los canales de enfriamiento (17) en la, como mínimo, una placa de cojinete (13, 14) están conectados con los canales de enfriamiento (2) en el estator mediante conexiones de manguera o tubo (28).

2. Máquina eléctrica, según la reivindicación 1,caracterizada por queestán dispuestas aletas de enfriamiento (15) en, como mínimo, una placa de cojinete (13, 14).

3. Máquina eléctrica, según la reivindicación 2,caracterizada por queen el lado de la placa de cojinete (14) dirigido al rotor, que está dispuesta en el lado axial del rotor opuesto al ventilador (12), están dispuestas una pluralidad de aletas de enfriamiento (15), dispuestas a distancias angulares regulares entre sí, dentro de la corriente de aire de enfriamiento (20).

4. Máquina eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,caracterizada por queel ventilador (12) presenta palas (29) curvadas.

5. Máquina eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,caracterizada por queestán previstos elementos de conducción de aire (26) para guiar la corriente de aire de enfriamiento (20) sobre las placas de cojinete (13, 14).

6. Máquina eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,caracterizada por queel tubo de rotor (8) que está delimitado por discos de rotor (9a, 9b), con una cavidad (23), está dispuesto entre el árbol de rotor (24) y el paquete de chapas de rotor (5).

7. Máquina eléctrica, según la reivindicación 6,caracterizada por queel tubo de rotor (8) está conectado con un cubo de rotor (25) dispuesto en el árbol de rotor (24) mediante nervios (11) dispuestos radialmente, con aberturas (30) formadas entre los mismos, y las aberturas (30) forman los conductos de retorno en el rotor para la corriente de aire de enfriamiento (20).

8. Máquina eléctrica, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,caracterizada por quelas cabezas de bobina (21) del bobinado de estator (16) están rellenas con masa de relleno.