DE10018470A1

DE10018470A1 - Electrical machine e.g. AC generator for vehicle has internal cooling system integrated in closed housing for cooling of rotating and fixed components with liquid-gas mixture as cooling medium

Info

Publication number: DE10018470A1
Application number: DE10018470A
Authority: DE
Inventors: Axel Blahak; Uwe Knappenberger; Hans-Peter Groeter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-25
Also published as: WO2001080402A1

Abstract

An electrical machine is described with an internal cooling system integrated in a closed housing for the cooling of rotating and fixed components. It comprises a liquid-gas mixture as a cooling medium. The liquid possesses a portion of the volume of the free internal space (24) inside the generator housing (18) in the range of 1% to 30% as a degree of filling. The liquid actually possesses a portion of 5% to 25% of the volume of the free internal space. The liquid is an oil. The electrical machine is an AC generator, especially a claw-pole generator.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse inte grierten Innenkühlung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllgrades einer Flüssigkeit an einem Flüssigkeits- Gas-Gemisch für die Innenkühlung der elektrischen Maschine mit den im Anspruch 7 genannten Merkmalen.The invention relates to an electrical machine one in a hermetically sealed housing inte grated internal cooling with those mentioned in claim 1 Features and a method for determining a Filling levels of a liquid at a liquid Gas mixture for the internal cooling of the electrical Machine with the features mentioned in claim 7.

State of the art

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen unterschiedlichster Bauart bekannt. So sind bei spielsweise Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge entwickelt worden, die sicherstellen, dass bei allen im Fahrbetrieb vorkommenden Betriebsbedingungen genü gend Strom an ein Bordnetz geliefert wird beziehungs weise eine Batterie als Energiespeicher immer ausrei chend geladen ist. Je nach Auslegung der elektrischen Maschine müssen zu einem optimalen Betrieb bestimmte Temperaturbereiche eingehalten werden. Dazu ist es bekannt, der elektrischen Maschine eine Kühlung zuzuordnen. Eine Dimensionierung der Kühlung muss so aus gelegt sein, dass die Temperaturen der Komponenten der elektrischen Maschine unter allen möglichen Rand bedingungen spezifische Grenzwerte nicht überschrei ten. Weiterhin muss eine im Betrieb auftretende Ver lustwärme im Inneren der elektrischen Maschine mög lichst optimal abgeführt werden, da zu hohe Tempera turen auch eine Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine negativ beeinflussen. Zur Bewältigung dieser Aufgabe sind einerseits Kühlungen bekannt, die auf Basis eines kühlenden Luftstromes und andererseits auf Basis eines kühlenden Flüssigkeitsstromes reali siert wurden.Electrical machines are state of the art different designs known. So are at for example three-phase generators for motor vehicles have been developed to ensure that at all operating conditions occurring during driving are sufficient sufficient electricity is supplied to an electrical system always use a battery as energy storage is loaded accordingly. Depending on the design of the electrical Machine must be determined for optimal operation Temperature ranges are observed. It is for that known to assign cooling to the electrical machine. A dimensioning of the cooling must be like this that the temperatures of the components of the electrical machine under every possible edge conditions do not exceed specific limit values Furthermore, a Ver heat can be generated inside the electrical machine optimally dissipated as the temperature is too high ture also an efficiency of the electrical Negatively affect the machine. To deal with this Task are known cooling on the one hand, on Base of a cooling air flow and on the other based on a cooling liquid flow reali were settled.

Luftkühlungen - wie sie beispielsweise Anwendung finden bei luftgekühlten Drehstromgeneratoren von Kraftfahrzeugen - werden praktisch immer von an- beziehungsweise eingebauten Radiallüftern mit Kühl luft versorgt. Beispielhaft seien hier Ausführungsva rianten wie ein Klauenpolgenerator, ein Compact-Gene rator oder ein Generator mit Leitstückläufer genannt. Die Kühlluft kann dabei je nach Ausführungsvariante auch durch einen Innenraum des Generatorgehäuses geführt werden und dabei die zu kühlenden rotierenden und feststehenden Komponenten umströmen. Zwar sind naturgemäß die Reibungsverluste bei Luftkühlung sehr gering, jedoch ist aufgrund der ungünstigen spezifi schen Wärmeleitfähigkeit von Luft eine Abfuhr der Verlustwärme stark begrenzt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Generatorgehäuse hermetisch ver schlossen werden soll, um beispielsweise schädigende Umwelteinflüsse zu vermeiden. Air cooling - as used for example found in air-cooled three-phase generators from Motor vehicles - are practically always used by other or built-in radial fans with cooling air supplied. Exemplary are execution va like a claw pole generator, a compact gene rator or a generator with Leitstückläufer called. The cooling air can vary depending on the design variant also through an interior of the generator housing be guided and the rotating to be cooled and flow around fixed components. Although are naturally the friction losses with air cooling very much low, but due to the unfavorable specifi the thermal conductivity of air a removal of the Heat loss is very limited. This is particularly so the case when the generator housing hermetically ver should be concluded, for example, harmful Avoid environmental influences.

Die Flüssigkeitskühlung ermöglicht zwar prinzipiell eine sehr hohe Kühlleistung, weil die spezifischen Wärmeleitfähigkeiten der Kühlflüssigkeit entsprechend hoch sind, jedoch ist es aus bautechnischen Gründen zumeist nicht möglich die Flüssigkeitskühlung unmit telbar an die zu kühlenden Komponenten zu legen. Ins besondere bei hermetisch geschlossenen Generatorge häusen kann dann lediglich eine Außenummantelung von der Kühlflüssigkeit umströmt werden (Wassermantelküh lung). Zusätzlich notwendig sind bei dieser Kühl variante Kühlmittelanschlüsse, zum Beispiel über Schläuche, was wiederum einen erhöhten Bauraumbedarf verursacht beziehungsweise die Kühlmittelbereitstel lung im Rahmen der Applikation aufwendiger gestaltet.In principle, liquid cooling enables a very high cooling capacity because of the specific Thermal conductivity of the coolant accordingly are high, but it is for structural reasons mostly not possible to liquid cooling immediately to be placed directly on the components to be cooled. Ins especially with hermetically sealed generator can only house an outer casing of of the cooling liquid are flowed around (water jacket cooling lung). This also requires cooling variant coolant connections, for example via Hoses, which in turn requires more installation space caused or the coolant supply designed more complex in the context of the application.

Advantages of the invention

Durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer zur Kühlung rotierender und feststehender Kom ponenten der elektrischen Maschine in einem geschlos senen Gehäuse integrierten Innenkühlung nach den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie das erfindungs gemäße Verfahren zur Bestimmung eines Füllgrades der Innenkühlung nach den im Anspruch 7 genannten Merk malen lassen sich die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwinden. Die Innenkühlung um fasst als Kühlmedium dazu ein Flüssigkeits-Gas- Gemisch. Nach Inbetriebnahme der elektrischen Maschi ne wird mit Hilfe der rotierenden Komponenten ein Aerosol aus dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch erzeugt. Das Aerosol hat dabei den Vorteil, dass zum einen eine Scherbeanspruchung der Komponenten gering bleibt, also die Reibungsverluste, die bei der Verwendung einer Kühlflüssigkeit auftreten würden, vermieden werden. Zum anderen besitzt das Aerosol gegenüber Luft eine sehr viel höhere spezifische Wärmeleit fähigkeit, so dass eine sehr viel bessere Wärme ableitung rotorseitig über das geschlossene Genera torgehäuse möglich ist.With the electric machine according to the invention a rotating and stationary comm for cooling components of the electrical machine in one closed its housing integrated internal cooling according to the Claim 1 mentioned features and the Invention Appropriate procedures for determining a degree of filling of the Internal cooling according to the Merk in claim 7 can paint the disadvantages of Overcome the state of the art. The internal cooling around holds a liquid-gas Mixture. After commissioning the electrical machine ne is using the rotating components Aerosol generated from the liquid-gas mixture. The Aerosol has the advantage that on the one hand Shear stress on the components remains low, so the frictional losses when using a coolant would occur avoided become. On the other hand, the aerosol has opposite Air a much higher specific thermal conductivity ability, so that a much better warmth discharge on the rotor side via the closed genera door housing is possible.

Nach dem Verfahren wird ein Füllgrad des freien In nenraumes im Gehäuse anhand von Auswahlkriterien be stimmt, die die Materialeigenschaften der Flüssigkeit und einen applikationsgemäßen Drehzahlbereich der elektrischen Maschine umfassen. Als Materialeigen schaften der Flüssigkeit kommen dabei in Frage Visko sität, Entflammbarkeit, Temperaturresistenz, spezifi sche Wärmeleitfähigkeit und Aerosolbildungsfähigkeit. Auf diese Weise kann die Auswahl der Flüssigkeit der jeweiligen Applikation angepasst werden. Als beson ders geeignet haben sich in diesem Zusammenhang ins besondere Öle herausgestellt.According to the method, a degree of filling of the free In internal space in the housing based on selection criteria true, the material properties of the liquid and an application-specific speed range of electrical machine include. As own material The viscosity of the liquid comes into question sity, flammability, temperature resistance, spec thermal conductivity and aerosol formation ability. In this way, the selection of the liquid of the be adapted to the respective application. As a special have suited themselves in this context highlighted special oils.

Unter Berücksichtigung der vorab genannten Auswahl kriterien für den Füllgrad wurden als besonders vor teilhaft Bereiche aufgefunden, in denen ein Verhält nis der Flüssigkeit zum freien Innenraumvolumen 1 bis 30%, bevorzugt 5 bis 25%, insbesondere 15 bis 22%, beträgt.Taking into account the aforementioned selection Criteria for the degree of filling were considered to be special partially found areas in which a relationship nis of the liquid to the free interior volume 1 to 30%, preferably 5 to 25%, in particular 15 to 22%, is.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. He further preferred embodiments of the invention give up from the rest, in the subclaims mentioned features.

drawing

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die eine Schnittansicht durch einen Drehstromgenerator zeigt, näher erläutert.The invention is in one embodiment example based on the associated drawing, the one Shows sectional view through a three-phase generator, explained in more detail.

Description of the embodiment

Die einzige Figur zeigt eine Schnittansicht durch ei nen Drehstromgenerator 10 mit einem Leitstückläufer 12, wie er Anwendung im Kraftfahrzeugbau findet. Der Drehstromgenerator 10 weist eine feststehende Erre gerwicklung 14 und eine Ständerwicklung 16 auf, die im Inneren eines Generatorgehäuses 18 untergebracht sind. Bei dieser Bauart versorgt ein Gleichrichter die Erregerwicklung 14 direkt über einen Regler 20 mit Strom. Weist die eingesetzte elektrische Maschine ein Schließsystem auf, so kann diese einerseits in das Gehäuse integriert werden - unter Berücksich tigung gegebenenfalls notwendiger Anpassungen an das Kühlmedium - oder andererseits außerhalb des Gehäuses 18 (B-seitig) realisiert werden. Funktionsweise, und Aufbau derartiger Drehstromgeneratoren 10 sind allge mein bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.The single figure shows a sectional view through egg NEN three-phase generator 10 with a Leitstückläufer 12 , as used in motor vehicle construction. The three-phase generator 10 has a stationary Erger winding 14 and a stator winding 16 which are housed inside a generator housing 18 . In this design, a rectifier supplies the excitation winding 14 with current directly via a regulator 20 . If the electrical machine used has a locking system, this can be integrated into the housing on the one hand - taking into account any necessary adaptations to the cooling medium - or on the other hand outside of the housing 18 (B-side). Operation, and structure of such three-phase generators 10 are generally known to me and are therefore not explained in more detail here.

Das Generatorgehäuse 18 ist - abgesehen von einem Druckausgleich - hermetisch verschlossen, das heißt eine Kühlung der rotierenden und feststehenden Komponenten im Innenraum 22 kann nur über eine Wärme ableitung durch die Wandungen des Generatorgehäuse 18 erfolgen. Dazu ist vorgesehen, einen freien Anteil des Innenraumes 22 (freier Innenraum 24) mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch zu befüllen. Der freie Innenraum 24 ergibt sich durch Abzug der Volumina der Komponenten von dem Volumen des Innenraumes 22. Ein Füllgrad gibt den prozentualen Anteil der Flüssigkeit an den freien Innenraum 24 ab.The generator housing 18 is - apart from a pressure equalization - hermetically sealed, that is to say cooling of the rotating and stationary components in the interior 22 can only take place via heat dissipation through the walls of the generator housing 18 . For this purpose it is provided to fill a free portion of the interior 22 (free interior 24 ) with a liquid-gas mixture. The free interior 24 is obtained by subtracting the volumes of the components from the volume of the interior 22 . A degree of filling gives the percentage of liquid to the free interior 24 .

Gemäß dem Ausführungsbeispiel wurde der Drehstromge nerator 10 auf einem Prüfstand bei verschiedenen Füllgraden und in Abhängigkeit von einer Drehzahl hinsichtlich seiner Leistung und der an einzelnen Komponenten auftretenden Temperaturen vermessen. Als Flüssigkeit diente ein synthetisches Motorenöl. Als Messpunkte dienten A- und B-seitige Kugellager 26, 28, ein A- beziehungsweise B-seitiger Bereich des Polkerns 30, 32, der Regler 20, ein Ständereisenpaket 34 sowie die Erreger- beziehungsweise Leistungsdioden 36, 38. Weiterhin wurden Leistung und Wirkungsgrad des Drehstromgenerators 10 erfasst.According to the exemplary embodiment, the three-phase generator 10 was measured on a test bench at different filling levels and as a function of a rotational speed with regard to its performance and the temperatures occurring on individual components. A synthetic motor oil served as the liquid. A- and B-side ball bearings 26 , 28 , an A- and B-side region of the pole core 30 , 32 , the controller 20 , a stator iron package 34 and the excitation and power diodes 36 , 38 served as measuring points. Furthermore, the power and efficiency of the three-phase generator 10 were recorded.

Es wurde eine signifikante Erhöhung der Kühlleistung nachgewiesen, insbesondere im Bereich A- und B-seitig des Polkernes 30, 32 als auch im Bereich des Ständereisenpaketes 34. Ein Optimum liegt in diesem Fall bei einem Füllgrad von 20%. Weiterhin steigt die Stromabgabe-Fähigkeit des Drehstromgenerators 10 mit zunehmendem Füllgrad an und durchläuft wiederum ein Maximum bei einem Füllgrad von 20%. A significant increase in cooling capacity was demonstrated, particularly in the area of the A and B sides of the pole core 30 , 32 and also in the area of the stator iron package 34 . In this case, the optimum is at a fill level of 20%. Furthermore, the power delivery capability of the alternator 10 increases with an increasing degree of filling and in turn passes a maximum at a degree of filling of 20%.

An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass der optimale Füllgrad einerseits stark vom kon struktiven Aufbau sowie den spezifischen Betriebsbe dingungen der elektrischen Maschine und andererseits von der Beschaffenheit der Flüssigkeit abhängt. Als Auswahlkriterien für den Füllgrad lassen sich demnach Größen heranziehen, wie ein applikationsgemäßer Dreh zahlbereich der elektrischen Maschine und die Mate rialeigenschaften der Flüssigkeit. Eine Auswahl der Flüssigkeit kann unter Berücksichtigung von Größen, wie einer Viskosität, Temperaturresistenz, Entflamm barkeit, Aerosolbildungsfähigkeit sowie spezifischer Wärmeleitfähigkeit, erfolgen. Im Allgemeinen wird eine hohe Temperaturresistenz, schwere Entflammbar keit, niedrige Viskosität, hohe spezifische Wärme leitfähigkeit und gute Aerosolbildungsfähigkeit ange strebt.At this point it should be pointed out again that the optimal degree of filling depends on the con structural structure as well as the specific operational conditions of the electrical machine and on the other hand depends on the nature of the liquid. As Selection criteria for the degree of filling can therefore be Use sizes like an application-specific twist Number range of the electrical machine and the mate rial properties of the liquid. A selection of the Liquid can take into account sizes, such as viscosity, temperature resistance, ignition Ability, aerosol formation ability and more specific Thermal conductivity. Generally will high temperature resistance, flame retardant speed, low viscosity, high specific heat conductivity and good aerosol formation ability strives.

Claims

1. Electrical machine with a rotie for cooling render and fixed components in one ge closed housing integrated internal cooling, the comprises a liquid-gas mixture as the cooling medium.

2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the liquid sits in the volume of the free interior ( 24 ) within the generator housing ( 18 ) in the range of 1 to 30% be (degree of filling).

3. Electrical machine according to claim 2, characterized in that the liquid sits a share of 5 to 25% of the volume of the free interior ( 24 ) be.

4. Electrical machine according to claim 3, characterized in that the liquid has a share of 15 to 22% of the volume of the free interior ( 24 ).

5. Electrical machine according to one of the preceding Claims, characterized in that the liquid is an oil.

6. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical cal machine is a three-phase generator ( 10 ), in particular a claw pole generator.

7. Electrical machine according to one of the preceding Claims, characterized in that the electri cal machine has a grinding system that except is half of the aerosol-filled volume.

8. Method for determining a degree of filling Liquid on a liquid-gas mixture for internal cooling of an electrical machine, wherein the internal cooling for cooling fixed and rotie render components and in a housing is tegrated and in which the degree of filling is dependent from an application-specific speed range of electrical machine and the material properties the liquid is determined.

9. The method according to claim 8, characterized in that the properties of the liquid their aerosol ability to form, viscosity, temperature resistance, Flammability and specific thermal conductivity include.