DE10107298C1 - Surface-cooled enclosed electrical machine has short-circuit ring providing closed annular chamber for reversal of cooling medium flow direction at one end of rotor - Google Patents
Surface-cooled enclosed electrical machine has short-circuit ring providing closed annular chamber for reversal of cooling medium flow direction at one end of rotorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine elektrische Maschine mit Oberflächenkühlung und hoher Leistungsdichte, deren Gehäuse den Innenraum umfaßt und einen Kühlmedienaustausch aus dem Innenraum heraus ausschließt (DE 299 13 314 U1)According to the preamble of claim 1, the invention relates to an electrical machine with surface cooling and high power density, the housing of which covers the interior and excludes a cooling medium exchange from the interior (DE 299 13 314 U1)
Diese Ausführung ist bestimmend für die Gestaltung der Industriemotore, die nahezu universell einsetzbar sind und nach dem Wirkprinzip Asyn chronmotoren mit Kurzschlußrotor darstellen.This version is decisive for the design of the industrial motors, which are almost universally applicable and based on the Asyn principle Represent chronomotor with short-circuit rotor.
Verbesserte Einsatzbereiche und verringerte Kosten, aber auch Bemü hungen, verlustärmere Motoren mit erhöhtem Wirkungsgrad zu fertigen, sind Triebkräfte, die Leistungsdichte zu erhöhen. Diese Zielstellung schließt ein, die Leistungsgrenze der bewährten Lösungen erheblich zu erweitern.Improved areas of application and reduced costs, but also effort manufacturing low-loss motors with increased efficiency, are drivers of increasing the power density. This goal includes, the performance limit of the proven solutions significantly expand.
Die Wachstumsgesetze der elektrischen Maschine in der Ausführung der oberflächengekühlten Asynchronmaschine belegen ein bezogen auf die Wellenleistung geringeres Wachstum der zur Kühlung nutzbaren äuße ren Oberfläche bei wachsenden Strecken der Verlustwärmeübertragung.The growth laws of the electrical machine in the execution of the surface-cooled asynchronous machines prove a related to the Shaft power less growth of the outer usable for cooling Ren surface with increasing distances of the heat transfer.
Reserven der weiteren Erzeugnisentwicklung bestehen bei möglichst optimaler Verteilung der Wärmequellen in einer Angleichung der Tempe raturgradienten innerhalb der Maschine und in einer günstigsten Nut zung der zur Kühlung bzw. zur Wärmeabführung zur Verfügung stehen den Oberfläche und deren Gestaltung.If possible, there are reserves for further product development optimal distribution of the heat sources in an adjustment of the tempe rature gradients within the machine and in an inexpensive groove tion for cooling or heat dissipation are available the surface and its design.
Lösungen zur Nutzung dieser Reserven verwenden Innenventilatoren in Verbindung mit Stegwellen oder Öffnungen im Rotorkörper und Kühlka nälen im Statorgehäuse. Die Wärmeübertragung an das Gehäuse wird mittels dieses Kühlmedienkreislaufes verbessert. Solche Lösungen sind in den DD-PS 213 561 und DE-OS 29 49 645 gezeigt. Solutions for using these reserves use indoor fans in Connection with web shafts or openings in the rotor body and cooling box channels in the stator housing. The heat transfer to the case will improved by means of this cooling medium circuit. Such solutions are shown in DD-PS 213 561 and DE-OS 29 49 645.
Die Kühlkanäle im Statorgehäuse reduzieren teilweise die wirksame äu ßere Oberfläche. Thermische, mechanische und elektromagnetische Symmetrien bleiben nicht unbeeinflußt. Dem Gewinn einer verbesserten Wärmeübertragung stehen neben den bereits genannten Nachteilen er hebliche Kosten und Mehraufwendungen entgegen. Diese Fakten schließen eine solche Lösung für den mittleren Leistungsbereich aus.The cooling channels in the stator housing partially reduce the effective external outer surface. Thermal, mechanical and electromagnetic Symmetries are not unaffected. Gaining an improved Heat transfer stand alongside the disadvantages already mentioned considerable costs and additional expenses. These facts exclude such a solution for the medium performance range.
Es ist darüber hinaus aus der DE 42 42 132 A1 bekannt, einen inneren Kühlmedienkreislauf im geschlossenen Gehäuse über Öffnungen im Rotorkörper oder durch Verwendung einer Stegwelle realisieren. Dabei werden die Öffnungen wechselseitig geschlossen, so daß abwechselnd Kühlkanäle für die Hinleitung und für die Rückleitung wirksam sind. Die Öffnungen, die bezogen auf die Mittelachse des Rotorkörpers auf einem Teilkreis angeordnet sind, unabhängig von der Gestaltung einer Steg welle oder Öffnungen im Rotorkörper, erschweren die Ankopplung der Kühlkanäle an den den Kühlmedienkreislauf treibenden Lüfter und an die Rückführung.It is also known from DE 42 42 132 A1, an inner Coolant circuit in a closed housing through openings in the Realize the rotor body or by using a web shaft. there the openings are mutually closed, so that alternately Cooling channels for the forward line and for the return line are effective. The Openings that are based on the central axis of the rotor body Pitch circle are arranged, regardless of the design of a web shaft or openings in the rotor body, complicate the coupling of the Cooling channels to the fan driving the cooling medium circuit and the repatriation.
Es ist unübersehbar, daß der Lüfter dem erforderlichen und gewünschten Strömungsverhalten unter diesen konstruktiven Gegebenheiten nicht op timal angepaßt ist und weitgehend als Wirbler wirkt. Die Lösung mit die sem kühlungstechnischen Nachteil wird weiterhin nur durch aufwendige Elemente zur Ankopplung der Kühlkanäle an den Lüfter bzw. an die Rückführung realisierbar.It is obvious that the fan is the required and desired Flow behavior under these constructional conditions not op is timally adapted and largely acts as a swirler. The solution with that sem cooling-technical disadvantage is only by expensive Elements for coupling the cooling channels to the fan or to the Feedback possible.
Auch die aus dem DE-GM 299 13 314 U1, der DE-OS 199 05 540 A1 sowie der DE-PS 42 44 644 C2 bekannten Lösungen vermögen nicht, einen wirklich effizienten Wärmeausgleich zu garantieren. In dem DE-GM 299 13 314 U1 dient die Wasserkühlung nur zur Abführung der Wärme aus dem Ständer der Maschine und erhöht durch den notwendigen Dop pelmantel des Ständers den Herstellungsaufwand der Maschine be trächtlich. Also from DE-GM 299 13 314 U1, DE-OS 199 05 540 A1 and the solutions known from DE-PS 42 44 644 C2 are not able to to guarantee a really efficient heat balance. In DE-GM 299 13 314 U1 water cooling only serves to dissipate the heat from the stand of the machine and increased by the necessary dop pelmantel the stand the manufacturing cost of the machine be considerable.
Auch in der DE-OS 199 05 540 A1 wird eine Wasserkühlung unter Ver wendung einer Stegwelle vorgeschlagen: Auch hier spricht ein erhöhter Fertigungsaufwand gegen die Lösung, die überdies nicht bei kleinen Leistungen realisierbar ist.DE-OS 199 05 540 A1 also describes water cooling under Ver Proposed use of a bridge shaft: Here, too, speaks an increased Manufacturing effort against the solution, which moreover not with small ones Achievements is realizable.
Die DE-PS 42 44 644 C2 zeigt eine Maschine, deren in sich geschlosse ne Rotorkammer aus Gründen exponierten Einsatzes so gestaltet ist - ei ne Verbesserung des Wärmeaustausches bzw. -ausgleiches ist hier nicht zu erwarten.DE-PS 42 44 644 C2 shows a machine, the self-contained ne rotor chamber is designed for exposed use - egg ne improvement of heat exchange or compensation is not here expected.
Die in der JP 57016548 A gezeigte Lösung weist schließlich eine in die Maschinenkonstruktion eingeschlossene Wärmepumpe auf - hier ist der Nachteil wiederum in einem hohen Fertigungsaufwand zu sehen.The solution shown in JP 57016548 A finally has one in the Machine construction enclosed heat pump - here is the Disadvantage again seen in a high manufacturing cost.
Aufgabe der Erfindung ist es, den inneren Kühlmedienkreislauf durch den Rotorkörper zu realisieren, die Adaptierung der Kühlmedienkanäle an den Lüfter kostenminimiert zu gestalten und den strömungstechni schen Anforderungen angepaßt, der Gestaltung des Lüfters Freiraum zu gewähren.The object of the invention is through the inner cooling medium circuit to realize the rotor body, the adaptation of the cooling media channels to design the fan to be cost-minimized and the flow technology adapted requirements, the design of the fan free space grant.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Gestaltung der elektri schen Maschine gelöst, die entsprechend der Merkmale des Patentan spruchs 1 ausgeführt ist.According to the invention, the task is performed by designing the electri machine solved according to the characteristics of the patent claim 1 is executed.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.An advantageous embodiment is marked in the subclaim.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass eine Kopplung an die Leit- und Fördereinrichtungen des Kühlmediums mittels geometrisch einfa cher Gestaltung als Adapter erreicht wird und eine ringförmige Kammer den Kühlmedienkreislauf schließt.The essence of the invention is that a coupling to the control and conveying devices of the cooling medium by means of geometrically simple cher design is achieved as an adapter and an annular chamber closes the cooling medium circuit.
Die Leiteinrichtungen sind dergestalt ausgeführt, daß der Kühlmedien strom durch den Wickelkopfraum über die Teilgehäuseinnenwand und über die Innenoberfläche des Lagerschildes geleitet wird. Eine auf der thermischen Belastung fußende Lösung schließt gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung den Kühlmedienkreislauf auf der dem Lüfter zugewandten Seite innerhalb einer im Kurz schlußring vorwiegend im Gußprozeß eingeformten ringförmigen Kam mer.The guide devices are designed such that the cooling media current through the winding head space over the part housing inner wall and is passed over the inner surface of the end shield. One on the Solution based on thermal stress closes the cooling medium circuit according to the advantageous embodiment on the side facing the fan within a short closing ring predominantly molded in the casting process mer.
Die erfindungsgemäße Lösung mit der Zielstellung der Homogenisierung des Temperaturfeldes schließt vorteilhafterweise Möglichkeiten optimaler Übergänge vom "heißen Punkt" zum Kühlmedium und vom Kühlmedium zum "kalten Punkt" mit Reserven zum Wärmestromübergang an das äu ßere Kühlsystem ein. Die Anordnung der das Kühlmedium führenden Kühlkanäle ist den aktuellen Verteilungen des Temperaturfeldes im Ver gleich zu den bisher bekannten Lösungen effektiver anpaßbar.The solution according to the invention with the aim of homogenization the temperature field advantageously closes possibilities more optimally Transitions from the "hot point" to the cooling medium and from the cooling medium to the "cold point" with reserves for heat flow transfer to the outside outer cooling system. The arrangement of the coolant leading Cooling channels is the current distributions of the temperature field in the ver more adaptable to the previously known solutions.
Auch bei intensiver Kühlung der Gehäuseoberfläche im äußeren Kühlsy stem durch z. B. Flüssigkeits- oder Deponiekühlung läßt sich die erfin dungsgemäße Lösung mit der umfassenden Wirksamkeit ihrer Vorteile nutzen. Die mögliche örtliche Anpassung läßt durch Abbau der überwie gend höchsten Temperaturen im Rotor die Einsatzgrenzen erweitern.Even with intensive cooling of the housing surface in the outer cooling system stem by z. B. liquid or landfill cooling can be invented solution according to the invention with the comprehensive effectiveness of its advantages use. The possible local adjustment leaves by dismantling the above The highest temperatures in the rotor expand the application limits.
Ein optimaler Temperaturausgleich läßt energiespezifisch geringste Verluste realisieren. Diese Wirkung wird durch einen guten Wirkungs grad der inneren Lüfter unterstützt. Die direkte Kopplung des inneren Kühlmedienkreislaufes mit dem Kurzschlußring gewährleistet bei günsti gen Strömungsbedingungen eine Wärmeübertragung auf kürzestem Weg, also mit kleinsten Temperaturgradienten.An optimal temperature compensation leaves the lowest energy specific Realize losses. This effect is through a good effect degree of internal fans supported. The direct coupling of the inner Coolant circuit with the short-circuit ring ensures at favorable heat transfer on the shortest possible basis Way, with the smallest temperature gradients.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert werden. In the following, the invention is to be illustrated using an exemplary embodiment Reference to the drawings will be explained.
Dabei zeigen die Zeichnungen inThe drawings show in
Fig. 1: einen schematisierten Längsschnitt durch eine geschlossene elektrische Maschine mit Oberflächenkühlung und Innenküh lung, Fig. 1: averaging a schematic longitudinal section through a closed electrical machine with surface cooling and Innenküh,
Fig. 2: einen schematisierten Längsschnitt des Rotorkörpers mit ein seitig angeordnetem Innenlüfter und erfindungsgemäßer Um kehr der Strömungsrichtung im Kurzschlußring. Fig. 2: a schematic longitudinal section of the rotor body with an internal fan arranged on the side and inventive reversal of the flow direction in the short-circuit ring.
Gemäß der Fig. 1 und 2 weist die geschlossene elektrische Maschi
ne mit Oberflächenkühlung u. a. folgende Bestandteile auf:
D-seitiges Lagerschild 1, Rotorkörper 2, Innenlüfter 3a und 3b, N-seitiges
Lagerschild 4, Außenlüfter 5, Wickelkopfraum 6a und 6b, Kühlmedienka
näle 7a und 7b, Adapter 8a und 8b, Kurzschlußring 9, Gehäuse 10.According to FIGS. 1 and 2, the closed electrical machine with surface cooling has the following components, among others:
D-side bearing plate 1 , rotor body 2 , internal fan 3 a and 3 b, N-side bearing plate 4 , external fan 5 , winding head space 6 a and 6 b, cooling media channels 7 a and 7 b, adapter 8 a and 8 b, short-circuit ring 9 , Housing 10 .
Der Rotor besitzt im Bereich des Rotorkörpers 2 die Kühlmedienkanäle 7a und 7b, die auf unterschiedlichen Teilkreisen angeordnet sind. Die Kühlmedienkanäle sind über die Adapter 8a und 8b dem jeweiligen In nenlüfter 3a und 3b zugeordnet. Die Innenlüfter 3a und 3b sind als Ra diallüfter ausgeführt und fördern das aus den Kühlmedienkanälen 7a und 7b strömende Kühlmedium auf der D-Seite über das D-seitige La gerschild 1, die verrippte Gehäuseinnenwand 10 und den Wickelkopf raum 6a und auf der N-Seite über den Wickelkopfraum 6b und die verrippte Gehäuseinnenwand 10 und das N-seitige Lagerschild 4. Der Kühlkanal 7a führt das Kühlmedium von der D-Seite zur N-Seite, wäh rend der Kühlkanal 7b den Kühlmedienkreis von der N-Seite zur D-Seite schließt.The rotor has in the area of the rotor body 2 the cooling media channels 7 a and 7 b, which are arranged on different pitch circles. The cooling media channels are assigned via adapters 8 a and 8 b to the respective internal fans 3 a and 3 b. The internal fans 3 a and 3 b are designed as radial fans and promote the cooling medium flowing from the cooling media channels 7 a and 7 b on the D side via the D-side bearing plate 1 , the ribbed housing inner wall 10 and the end winding space 6 a and on the N side via the winding head space 6 b and the ribbed housing inner wall 10 and the N-side bearing plate 4 . The cooling channel 7 a leads the cooling medium from the D side to the N side, while the cooling channel 7 b closes the cooling medium circuit from the N side to the D side.
Fig. 2 läßt die Ausführung des Kurzschlußringes 9 mit einer geschlosse nen ringförmigen Kammer zur Umkehr der Strömungsrichtung erkennen. Fig. 2 shows the design of the short-circuit ring 9 with a closed closed annular chamber for reversing the direction of flow.
Geschlossene elektrische Maschine mit Oberflächenkühlung
Closed electrical machine with surface cooling
11
D-seitiges Lagerschild
D-side end shield
22
Rotorkörper
rotor body
33
a und a and
33
b Innenlüfter
b internal fan
44
N-seitiges Lagerschild
N-sided end shield
55
Außenlüfter
external fan
66
a und a and
66
b Wickelkopfraum
b winding head space
77
a und a and
77
b Kühlmedienkanäle
b Coolant channels
88th
a und a and
88th
b Adapter
b adapter
99
Kurzschlußring
Short ring
1010
Gehäuse
casing
Claims (2)
im Rotorkörper Kühlmedienkanäle vorhanden sind, die auf unter schiedlichen Teilkreisen um die Mittelachse des Rotorkörpers an geordnet sind und
der Kühlmedienkreislauf über Verteil- und Fördereinrichtung geschlossen wird,
gekennzeichnet dadurch,
daß in den Kühlmedienkanälen (7a; 7b) die Strömungsrichtungen ("V", "R") unterschiedlich sind, die Verteil- und Fördereinrichtung aus einem Adapter (8a, 8b) besteht, der den jeweiligen Kühlmedienka nälen (7a; 7b) angepasst sowie daran angekoppelt ist und die Um kehr der Strömungsrichtung auf der Rotorseite ohne Adapter innerhalb einer geschlossenen ringförmigen Kammer erfolgt.1. Closed electrical machine with surface cooling and several times through the rotor cooling medium circuit, whereby
in the rotor body cooling media channels are available, which are arranged on under different pitch circles around the central axis of the rotor body and
the cooling medium circuit is closed via the distribution and conveyor system,
characterized by
that in the cooling media channels ( 7 a; 7 b) the flow directions ("V", "R") are different, the distribution and delivery device consists of an adapter ( 8 a, 8 b) which channels the respective cooling media channels ( 7 a ; 7 b) is adapted and coupled thereto and the reversal of the flow direction on the rotor side takes place without an adapter within a closed annular chamber.
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| DE10107298A DE10107298C1 (en) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | Surface-cooled enclosed electrical machine has short-circuit ring providing closed annular chamber for reversal of cooling medium flow direction at one end of rotor |
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