DE10052427A1

DE10052427A1 - Schnelllaufende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10052427A1
Application number: DE2000152427
Authority: DE
Inventors: Ralf Jakoby
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2002-05-02
Also published as: AU2002210806A1; WO2002035687A1

Abstract

Eine schnelllaufende elektrische Maschine (10) umfasst einen drehbar gelagerten Rotor (11), welcher Rotor (11) durch einen Luftspalt (14) getrennt von einem Stator (12) mit zwei Wickelköpfen (18, 19) konzentrisch umgeben ist, sowie Mittel (20, ..., 28) zum Kühlen des Rotors (11) und Stators (12), mittels derer ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, in einen Kreislauf durch den Rotor (11) und den Stator (12) geschickt und die dabei von dem Kühlmedium bzw. der Kühlluft aufgenommene Wärme in einem Kühler (20) wieder entzogen wird. DOLLAR A Bei einer solchen Maschine wird die Abfuhr der Verlustwärme dadurch verbessert, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in weitgehend voneinander unabhängigen, vorzugsweise parallelen, ersten und zweiten Kühlkreisen (27a, b bzw. 26a, b) für den Stator (12) und den Rotor (11) geführt wird, und dass die ersten und zweiten Kühlkreise (26a, b; 27a, b) symmetrisch zur Maschinenmitte (43) ausgebildet bzw. angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft eine schnelllaufende elektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Die Kühlung schnellaufender elektrischer Maschinen, insbesondere Asynchron motoren, im Leistungsbereich von 1 bis 20 MW stellt aufgrund der hohen Um fangsgeschwindigkeiten des Rotors hohe Anforderungen an die Auswahl eines geeigneten Kühlkonzepts, wie auch an die Auslegung der Einzelkomponenten. Die abzuführende elektrische Verlustleistung erreicht in der Regel auch im Rotor Werte, welche eine interne Kühlung erfordern. Eine Wärmeabfuhr allein über den Luftspalt zwischen Rotor und Stator und über die Stirnflächen des Rotors ist zur Einhaltung der durch die jeweilige Isolationsklasse bestimmten Temperaturgrenz werte oftmals nicht ausreichend. Eine Sonderstellung nehmen hierbei Maschinen ein, welche mit einem unter hohem Druck stehenden Medium gekühlt werden können. Hier sind beispielsweise Motoren zum Antrieb von Pipelinekompressoren zu nennen, die in die Erdgasleitung integriert sind und vom Fördermedium (Methan) unter einem Druck zwischen 40 und 70 bar durchströmt werden. In die sem Fall kann u. U. auf eine Kühlung des Rotorinneren verzichtet werden.

Bei Anwendungen, die eine Durchströmung des Rotors benötigen, sind zwei ge gensätzliche Forderungen zu erfüllen, die insbesondere bei Rotorumfangsge schwindigkeiten im transsonischen Bereich von entscheidender Bedeutung sind. Einerseits ist durch die erforderliche Bereitstellung eines ausreichenden Kühlmit telmassenstroms eine zuverlässige Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Demgegen über steht die Forderung nach einer Begrenzung der Ventilationsverluste, die pro portional zum Massenstrom und zur zweiten bzw. dritten Potenz der Rotorum fangsgeschwindigkeit sind und die den Gesamtwirkungsgrad der Maschine signifi kant beeinträchtigen können. Weiterhin kann das Kühlmittel bei der Durchströ mung des Rotors derart erwärmt werden, dass die Austrittstemperatur über der zulässigen Materialtemperatur des Stators liegt. Somit können die etablierten Kühlschemata von im Drehzahlbereich zwischen 3000 und 3600 U/min operieren den Standardmaschinen, die eine sequentielle Durchströmung von Rotor und Stator vorsehen, nicht angewendet werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zur Kühlung hochdrehender elektrischer Ma schinen, insbesondere Asynchronmaschinen, ein Lösungskonzept anzugeben, welches sowohl eine effiziente Abfuhr der Wärmeverluste wie auch eine weitge hende Minimierung der Ventilationsverluste ermöglicht. Darüber hinaus sollen sich durch dieses Lösungskonzept auch erhebliche Vorteile hinsichtlich der Betriebs kosten der Maschine ergeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, für die Kühlung des Stators und Rotors von einander getrennte erste und zweite Kühlkreise vorzusehen, die symmetrisch zur Maschinenmitte ausgebildet bzw. angeordnet sind. Vorzugsweise wird dabei zur Zirkulation des Kühlmediums bzw. der Kühlluft dem Kühler ein unabhängig von der Maschine regelbarer Zusatzventilator vor- oder nachgeschaltet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen zur Kühlung des Rotors durch im Rotor untergebrachte axiale Kanäle gegenläufig von den Stirn seiten zur Mitte des Rotors strömt, und dass zum Ausgleich der bei der Rotor durchströmung entstehenden Druckverluste an den Stirnseiten des Rotors jeweils eine Beschaufelung angebracht ist.

Die axialen Kanäle der zweiten Kühlkreise sind dabei entweder gegeneinander versetzt angeordnet und erstrecken sich von den Stirnseiten des Rotors im we sentlichen durch den ganzen Aktivteil des Rotors und münden am Ende in den Luftspalt. Oder sie erstrecken sich von den Stirnseiten des Rotors bis zu einem in der Maschinenmitte angeordneten, mit dem Luftspalt in Verbindung stehenden radialen Spalt und münden in den radialen Spalt.

Da eine weitere Verwendung des erwärmten Kühlmediums aus dem Rotor nicht sinnvoll ist, wird vorzugsweise innerhalb der zweiten Kühlkreise das (die) aus den axialen Kanälen in den Luftspalt ausgetretene erwärmte Kühlmedium (Kühlluft) an den stirnseitigen Enden des Luftspaltes über durch den Stator verlaufende radiale Kanäle zum Kühler zurückgeführt.

Die Kühlung wird weiterhin vereinfacht, wenn das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen vor dem Eintritt in den Rotor jeweils über die Wickelköpfe geleitet wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Maschine ein Maschinengehäuse aufweist, welches das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den ersten und zweiten Kühlkreisen aus dem Kühler in das Innere des Maschinengehäuses austritt, und dass der Luftspalt an den Stirnseiten durch Dichtungen abgedichtet ist. Hierdurch wird der Aufbau des Kühlsystems wesentlich vereinfacht.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Stators im Stator radiale Kühlschlitze vorgesehen sind, wel che durch eine tangentiale Segmentierung in Schlitzsegmente unterteilt sind, dass mittels einer auf dem Rücken des Stators angeordneten Sammel- und Ver teileinrichtung in den ersten Kühlkreisen jedem Schlitzsegment kaltes Kühlmedium bzw. kalte Kühlluft aus dem Kühler zugeführt und erwärmtes Kühlmedium bzw. erwärmte Kühlluft aus dem Schlitzsegment weg und zum Kühler zurückgeführt wird, und dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft innerhalb der Schlitzsegmente in einer Segmenthälfte von aussen nach innen strömt, unterhalb der Leiterstäbe des Stators umgelenkt wird und in einer zweiten Segmenthälfte wieder aus dem Schlitzsegment herausströmt.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in einem schematisierten Längsschnitt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach der Erfin dung;

Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung ein zweites bevor zugtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach der Erfindung; und

Fig. 3 im Querschnitt eine beispielhafte segmentierte Statorkühlung der Maschine nach Fig. 1 oder 2.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist in einem schematisierten Längsschnitt ein erstes bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel einer schnelllaufenden elektrischen Maschine nach der Erfindung dargestellt. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Rotor 11, der mit einer Rotorwelle 13 um eine Drehachse 17 drehbar in zwei Lagern 15 und 16 gelagert ist. Der Rotor 11 ist koaxial umgeben von einem an den Stirnseiten mit Wickel köpfen 18 und 19 versehenen Stator 12, von dem in Fig. 1 der Einfachheit halber nur die obere Hälfte dargestellt ist. Rotor 11 und Stator 12 sind durch einen Luftspalt 14 voneinander getrennt. Im oberen Bereich der Maschine 10 ist inner halb eines Maschinengehäuses 33 ein Kühler 20 angeordnet, der von einem Kühlmedium, vorzugsweise Luft, durchströmt wird. Die Strömung der Kühlluft durch den Kühler 20 wird durch einen Zusatzventilator 21 bewirkt, der im gezeig ten Beispiel in Strömungsrichtung hinter dem Kühler 20 plaziert ist, aber auch vor dem Kühler 20 angeordnet sein kann.

Ein wesentliches Merkmal des in Fig. 1 dargestellten Kühlkonzepts ist die Ver wendung weitgehend voneinander unabhängiger erster und zweiter Kühlkreise 26a, b und 27a, b für den Rotor 11 und den Stator 12. Die beiden ersten Kühlkreise 26a und 26b ebenso wie die beiden zweiten Kühlkreise 27a und 27b sind dabei symmetrisch zur Maschinenmitte 43 aufgebaut bzw. angeordnet. Auf diese Weise wird jede der beiden Komponenten 11, 12 direkt und optimal mit kalter Luft ver sorgt. Der Zusatzventilator (Fremdventilator) 21, der dem Kühler 20 nachgeschal tet ist, bläst die Kaltluft hierbei frei in das Innere des Maschinengehäuses 33 aus. Die Einströmung in den Stator 12 erfolgt über den Statorrücken, auf dem eine ent sprechende Sammel- und Verteileinrichtung 28 vorgesehen ist. Der Rotor 11 wird über je eine stirnseitig auf der Rotorwelle 13 angebrachte Beschaufelung 29 bzw. 30 mit Kühlluft gespeist. Die vom Rotor 11 angesaugten Luftströme werden zuvor über die Wickelköpfe 18, 19 geleitet, um auch hier eine zuverlässige Ableitung der elektrischen Verlustleistung zu gewährleisten.

Der Eintritt des Kühlmediums in den Rotor 11 ist bei Maschinen mit hohen Um fangsgeschwindigkeiten stets eine kritische Komponente. Hohe Differenzge schwindigkeiten zwischen dem Fluid und den rotierenden Wänden können starke Strömungsablösungen und damit hohe Druckverluste verursachen. Diese über steigen den Druckaufbau der üblicherweise eingesetzten Fremdventilatoren u. U. um ein Vielfaches, so dass der für die Kühlung erforderliche Massenstrom letzt endlich nicht in den Rotor 11 eingespeist werden kann. Um einerseits die Eintritts verluste möglichst gering zu halten und andererseits auch einen Druckaufbau zu erzeugen, der die Reibungsverluste im Rotor 11 kompensiert, wird eine radiale oder diagonale, auf der Rotorwelle 13 befestigte Beschaufelung 29 bzw. 30 an den Stirnseiten des Rotoraktivteils angebracht. Die Durchströmung und Kühlung des Rotors 11 erfolgt mittels axialer Kanäle 36, 37. Die von der linken bzw. rech ten Maschinenseite ausgehenden Kühlkanäle 36 bzw. 37 sind im Ausführungsbei spiel der Fig. 1 gegeneinander versetzt, so dass beide Teilströme der ersten Kühl kreise 26a, b nahezu den gesamten Aktivteil durchströmen und am jeweils gegen über liegenden Maschinenende radial in den Luftspalt 14 austreten (siehe die ent sprechenden Strömungspfeile im Rotor 11 der Fig. 1). Diese Anordnung ist be sonders für laminierte oder aus Scheiben bestehende Rotoren 11 geeignet und führt zu einer sehr homogenen Temperaturverteilung in axialer Richtung.

Eine weitere Variante zur Anordnung der Kühlkanäle im Rotor 11 ist im Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 2 dargestellt. Hierbei müssen die links- und rechtsseitigen axialen Kanäle 36' bzw. 37' nicht gegeneinander versetzt sein. Die axialen Kanäle 36', 37' enden in der Maschinenmitte 43 und münden in einen radialen Spalt 38, so dass der Austritt der Rotorkühlluft in der Mitte des Luftspalts 14 erfolgt.

Da die Temperatur der Rotorkühlluft im Bereich der zulässigen Materialtemperatu ren des Stators 12 liegen kann, ist eine weitere Verwendung der Rotorkühlluft für die Bauteilkühlung nicht sinnvoll. Aus diesem Grund erfolgt die Ableitung der war men Luft durch radiale Kanäle 34, 35 im Bereich der Pressplatten des Stators 12. Die effektive Querschnittsfläche dieser radialen Kanäle 34, 35 ist dabei möglichst groß zu bemessen, um die Druckverluste und auch den Wärmeaustausch mit dem Statormaterial zu minimieren.

Am Austritt der radialen Kanäle 34, 35 im Stator 12 strömt das Kühlmedium in je einen Ringsammler 22 bzw. 23. Die Ringsammler 22, 23 wiederum sind über Rohrleitungen 24, 25 mit dem Kühler 20 und dem Fremdventilator 21 verbunden.

Im Luftspalt schnellaufender Elektromaschinen treten hohe Luftreibungsverluste auf, die ebenso wie die elektrischen Verluste abgeführt werden müssen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abfuhr der Reibleistung über die in der Maschinenmitte 43 austretende Rotorkühlluft. Bei dem in Fig. 1 darge stellten Konzept hingegen muss vermieden werden, dass sich die im Luftspalt 14 befindliche Luft unkontrolliert aufheizt. Aus diesem Grund erfolgt dort in der Ma schinenmitte 43 eine zusätzliche Eindüsung von Kaltluft, die sich mit dem heißen Rotorluftstrom an den Luftspaltenden vermischt.

Da das Druckniveau im Luftspalt 14 geringer als ausserhalb im Maschinenge häuse 33 ist, wird jeweils eine Dichtung 31, 32 an beiden Enden des Luftspalts 14 benötigt. Hierbei soll verhindert werden, dass kalte Luft direkt in die Warm luftsammler (Ringsammler 22, 23) gelangt. Die Dichtungen 31, 32 können bei spielsweise als Labyrinthdichtungen ausgebildet sein.

Bei der Kühlung des Stators 12 sind verschiedene Konzepte einsetzbar, die je doch als "gemeinsamen Nenner" eine Abdichtung zum Luftspalt 14 aufweisen sollten, so dass die Trennung der Rotor- und Statorkühlmittelströme gewährleistet ist. Das Prinzip soll hier am Beispiel einer tangentialen Segmentierung der radia len Kühlschlitze des Stators aufgezeigt werden. Ebenso ist jedoch auch eine - wie im Turbogeneratorenbau übliche - axiale Kammerung möglich.

Die Kühlluftzufuhr zum Stator erfolgt bei der in Fig. 3 dargestellten "Tangential kühlung" aus dem Maschinengehäuse 33 radial in das Statorinnere. Der Kaltluft 41 strömt in einzelnen Schlitzsegmenten 40 an den Leiterstäben 39 vorbei bis zu ei ner inneren Begrenzungsfläche, welche die Schlitzsegmente 40 gegenüber dem Luftspalt 14 abdichtet. Diese innere Begrenzung kann beispielsweise durch einen zylindrischen Einsatz ("Luftspaltzylinder") geschaffen werden. Unterhalb der Lei terstäbe 39 erfolgt eine Umlenkung der Strömung um 180°. Die Ausströmung der Warmluft 42 aus dem Stator 12 erfolgt in ähnlicher Weise wie die Einströmung. Das ausströmende Kühlmedium wird schließlich in über den Umfang verteilten Sammelkanälen der Sammel- und Verteileinrichtung 28 zusammengeführt und von dort in die Ringsammler 22, 23 eingeleitet, die im Bereich der Pressplatten angeordnet sind (vgl. Fig. 1 und 2).

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine schnelllaufende elektrische Ma schine, die sich durch eine effiziente Abfuhr der Wärmeverluste sowie eine weit gehenden Minimierung der Ventilationsverluste auszeichnet und hinsichtlich der Betriebskosten erhebliche Vorteile aufweist.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

elektrische Maschine (schnelllaufend)

11

Rotor

12

Stator

13

Rotorwelle

14

Luftspalt

15

,

16

Lager (Rotor)

17

Drehachse

18

,

19

Wickelkopf

20

Kühler

21

Zusatzventilator

22

,

23

Ringsammler (Heissluft)

24

,

25

Rohrleitung (Heissluft)
26a, b Kühlkreis (Rotor)
27a, b Kühlkreis (Stator)

28

Sammel- und Verteileinrichtung

29

,

30

Beschaufelung (Rotor)

31

,

32

Dichtung

33

Gehäuse

34

,

35

radialer Kanal

36

,

37

axialer Kanal

36

',

37

' axialer Kanal

38

radialer Spalt

39

Leiterstab

40

Schlitzsegment

41

Kaltluft

42

Warmluft

43

Maschinenmitte

Claims

1. Schnelllaufende elektrische Maschine (10), umfassend einen drehbar gelagerten Rotor (11), welcher Rotor (11) durch einen Luftspalt (14) getrennt von einem Stator (12) mit zwei Wickelköpfen (18, 19) konzentrisch umgeben ist, sowie Mittel (20, . ., 28) zum Kühlen des Rotors (11) und Stators (12), mittels derer ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, in einen Kreislauf durch den Rotor (11) und den Stator (12) geschickt und die dabei von dem Kühlmedium bzw. der Kühlluft aufgenommene Wärme in einem Kühler (20) wieder entzogen wird, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in weitgehend voneinander unabhängigen, vorzugsweise parallelen, ersten und zweiten Kühlkreisen (27a, b bzw. 26a, b) für den Stator (12) und den Rotor (11) geführt wird, und dass die er sten und zweiten Kühlkreise (26a, b; 27a, b) symmetrisch zur Maschinenmitte (43) ausgebildet bzw. angeordnet sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zirkula tion des Kühlmediums bzw. der Kühlluft dem Kühler (20) ein unabhängig von der Maschine (10) regelbarer Zusatzventilator (21) vor- oder nachgeschaltet ist.

3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen (26a, b) zur Kühlung des Rotors (11) durch im Rotor (11) untergebrachte axiale Kanäle (36, 37 bzw. 36', 37') gegenläufig von den Stirnseiten zur Mitte des Rotors (11) strömt, und dass zum Ausgleich der bei der Rotordurchströmung entstehenden Druck verluste an den Stirnseiten des Rotors (11) jeweils eine Beschaufelung (29, 30) angebracht ist.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Kanäle (36, 37) der zweiten Kühlkreise (26a, b) gegeneinander versetzt angeord net sind und sich von den Stirnseiten des Rotors (11) im wesentlichen durch den ganzen Aktivteil des Rotors (11) erstrecken und am Ende in den Luftspalt (14) münden.

5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die axialen Kanäle (36', 37') der zweiten Kühlkreise (26a, b) von den Stirnseiten des Rotors (11) bis zu einem in der Maschinenmitte (43) angeordneten, mit dem Luftspalt (14) in Verbindung stehenden radialen Spalt (38) erstrecken und in den radialen Spalt (38) münden.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der zweiten Kühlkreise (26a, b) das (die) aus den axialen Kanälen (36, 37; 36', 37') in den Luftspalt (14) ausgetretene erwärmte Kühlmedium (Kühl luft) an den stirnseitigen Enden des Luftspaltes (14) über durch den Stator (12) verlaufende radiale Kanäle (34, 35) zum Kühler (20) zurückgeführt wird.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen (26a, b) vor dem Eintritt in den Rotor (11) jeweils über die Wickelköpfe (18, 19) geleitet wird.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (10) ein Maschinengehäuse (33) aufweist, dass das Kühlme dium bzw. die Kühlluft in den ersten und zweiten Kühlkreisen (26a, b; 27a, b) aus dem Kühler (20) in das Innere des Maschinengehäuses (33) austritt, und dass der Luftspalt (14) an den Stirnseiten durch Dichtungen (31, 32) abgedichtet ist.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Stators (12) im Stator (12) radiale Kühlschlitze vorgesehen sind, welche durch eine tangentiale Segmentierung in Schlitzsegmente (40) unter teilt sind, dass mittels einer auf dem Rücken des Stators (12) angeordneten Sam mel- und Verteileinrichtung (28) in den ersten Kühlkreisen (27a, b) jedem Schlitz segment (40) kaltes Kühlmedium bzw. kalte Kühlluft aus dem Kühler (20) zuge führt und erwärmtes Kühlmedium bzw. erwärmte Kühlluft aus dem Schlitzsegment (40) weg und zum Kühler (20) zurückgeführt wird, und dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft innerhalb der Schlitzsegmente (40) in einer Segmenthälfte von aussen nach innen strömt, unterhalb der Leiterstäbe (39) des Stators (12) umgelenkt wird und in einer zweiten Segmenthälfte wieder aus dem Schlitzsegment (40) herausströmt.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl schlitze des Stators (12) gegenüber dem Luftspalt (14) abgedichtet sind.