DE102006044785A1

DE102006044785A1 - Anordnung zur Kühlung einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine mit Korrosionsschutz durch Hochtemperaturverzinken

Info

Publication number: DE102006044785A1
Application number: DE102006044785A
Authority: DE
Inventors: Christian Markert; Markus Oestreich
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008034682A1; WO2008034682A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine mit einem Kühlsystem, wobei das Kühlsystem einen Kühlgrundkörper und einen Kühlmantelkörper aufweist und wobei zwischen Kühlgrundkörper und Kühlmantelkörper eine Kühlstruktur angeordnet ist, wobei die Kühlstruktur eine korrosionsbeständige Oberflächenschicht aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine mit einem Kühlsystem, wobei das Kühlsystem einen Kühlgrundkörper und einen Kühlmantelkörper aufweist und wobei zwischen Kühlgrundkörper und Kühlmantelkörper eine Kühlstruktur angeordnet ist.
Kühlsysteme dienen dazu, Bauteile vor thermischer Überlastung zu schützen, indem die überschüssige Wärme abgeleitet wird. Das Kühlsystem beinhaltet beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung, wobei das wärmeabführende Kühlmittel beispielsweise Wasser ist. Die entstehende Wärme wird dabei durch das Kühlmittel aufgenommen und beispielsweise über einen Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager oder einen Kühler, beispielsweise an die Umgebungsluft, abgegeben. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise auch eine Pumpe für eine pumpengesteuerte Zwangsumlaufkühlung aufweisen.
Kühlsysteme für flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschinen sind beispielsweise aus Eisen oder Stahl hergestellt. Durch den Einsatz von beispielsweise Wasser als Kühlmittel ist das Kühlsystem Korrosion ausgesetzt, wodurch eine Beschädigung bis hin zur Zerstörung des Bauteils, d.h. des Kühlsystems, erfolgt. Das Korrosionsprodukt, welches aus Eisen oder Stahl zusammen mit Wasser und Sauerstoff entsteht, wird als Rost bezeichnet. Um ein Bauteil, beispielsweise das Kühlsystem, möglichst lange zu erhalten, ist es aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes hinsichtlich des Umgangs mit natürlichen Ressourcen notwendig, das Bauteil durch Beschichten vor Korrosion und Rost zu schützen.
Bisherige Kühlsysteme bzw. Kühlkörper von Elektromotoren werden beispielsweise durch ein Kühlmedium, beispielsweise Was ser, beaufschlagt, wobei dem Kühlmedium entsprechende Inhibitoren, d.h. korrosionshemmende Substanzen, zugegeben werden. Die Sauerstoffkorrosion in geschlossenen Kühlsystemen ist durch den sukzessiven Verbrauch des Sauerstoffs begrenzt. Nachteilig dabei ist, dass solche Inhibitoren für Kühlsysteme, die beispielsweise mit Brunnen- oder Seewasser betrieben werden, aus Umweltaspekten nicht geeignet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine bereitzustellen, welches einen ausreichenden Korrosionsschutz aufweist und wobei der Korrosionsschutz möglichst einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die Anordnung eines Kühlsystems wird eine Überhitzung der elektrischen Maschine im Betrieb vermieden. Eine Überhitzung ist nicht erwünscht, da diese die Bauelemente belastet und deren Lebensdauer verkürzt. Dies führt zu zusätzlichen Kosten für die Reparatur bzw. Neuanschaffung der Bauelemente.
Erfindungsgemäß beinhaltet die Anordnung zur Kühlung einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine ein Kühlsystem, wobei das Kühlsystem einen Kühlgrundkörper und einen Kühlmantelkörper aufweist. Zwischen Kühlgrundkörper und Kühlmantelkörper ist eine Kühlstruktur angeordnet. Die Kühlstruktur weist eine korrosionsbeständige Oberflächenschicht auf.
Beim Einsatz des Kühlsystems für eine rotatorische Maschine ist der Kühlgrundkörper beispielsweise als zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet, wobei auf der äußeren Fläche des Hohlzylinders die Kühlstruktur angeordnet ist. An bzw. auf der Kühlstruktur ist der Kühlmantelkörper angeordnet. Das Kühlsystem ist am Stator der elektrischen Maschine angeordnet, d.h. das Kühlsystem umschließt den Stator der elektri schen Maschine, wobei die elektrische Maschine vorzugsweise als Innenläufermaschine ausgebildet ist. Das Kühlsystem ist somit als Oberflächenkühlung ausgebildet, wobei der Stator vom Kühlmittel umströmt wird.
Das gesamte Kühlsystem ist ebenso hohlzylindrisch ausgebildet. Das Kühlsystem, welches als Kühlmantelsystem ausgebildet ist, wird im Ganzen durch Aufschrumpfen auf den Stator aufgebracht. Das Kühlmantelsystem wird erwärmt, wodurch es sich ausdehnt, und bei entsprechender Ausdehnung auf den Stator aufgeschoben. Nach Abkühlung ist das Kühlsystem fest am Stator angeordnet.
Die Kühlstruktur weist vorzugsweise eine Wendelnut auf oder die Kühlstruktur selbst ist als Wendelnut ausgebildet. Die Wendelnut ist am Kühlgrundkörper schraubenförmig bzw. radial umlaufend um die äußere Fläche des Kühlgrundkörpers, der beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, angeordnet, wobei die Wendelnut in Richtung des Kühlmantelkörpers offen ist. Kühlgrundkörper und Kühlstruktur können dabei ein- oder zweiteilig ausgebildet sein. Bei einteiliger Ausbildung von Kühlgrundkörper und Kühlstruktur kann die Wendelnut beispielsweise durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen oder Fräsen, hergestellt werden. Auch könnte die Kühlwendelnut durch Umformen des Kühlgrundkörpers hergestellt werden. Bei zweiteiliger Ausbildung kann eine Wendelnut beispielsweise durch einen umlaufenden Steg, welcher an den Kühlgrundkörper angeschweißt wird, gebildet werden. In den Zwischenräumen der einzelnen Stegabschnitte entsteht zwangsläufig eine Nut.
Die radial in Umfangsrichtung des Kühlgrundkörpers ausgebildete Kühlwendelnut kann auch derart ausgebildet sein, dass die Wendelnut in axialer Richtung (in Bezug auf die Drehwelle der elektrischen Maschine) verläuft. Die Kühlwendel könnte beispielsweise mäanderförmig um den Kühlgrundkörper herum angeordnet sein.
Auch kann die Kühlwendel verschiedene Steigungen und/oder verschiedene axiale Abstände aufweisen. Besteht beispielsweise ein hoher Kühlbedarf, so ist der axiale Abstand zwischen den einzelnen Wendelnutabschnitten klein ausgebildet, d.h. die einzelnen Nutabschnitte liegen axial eng nebeneinander.
Vorteilhafterweise ist die korrosionsbeständige Oberflächenschicht als Zinkschicht mittels Hochtemperaturverzinkung (HTV) ausgebildet.
Das Hochtemperaturverzinken (HTV) ist eine spezielle Form des Feuerverzinkens. Unter Feuerverzinken versteht man das Überziehen von Stahlteilen mit einem massiven, metallischen Zinküberzug durch Eintauchen der vorbehandelten Stahlteile in eine Schmelze aus flüssigem Zink. Das Feuerverzinken selbst vollzieht sich in einem Zinkbad, dessen Betriebstemperatur zwischen 440°C und 460°C liegt. Da die Schmelztemperatur von Zink bei 419°C liegt, ist dieser Wert im Allgemeinen ausreichend.
Die Haltbarkeit zeichnet das Feuerverzinken vor anderen Korrosionsschutzverfahren aus. Selbst unter extremen Belastungen schützt eine Feuerverzinkung den Stahl jahrzehntelang. Der Grund für die Langlebigkeit einer Feuerverzinkung ist die untrennbare Verbindung, die Zink und Stahl eingehen. Beim Feuerverzinken läuft eine metallurgische Reaktion ab, bei der Stahl und Zink gemeinsame Eisen-Zink-Legierungsschichten bilden, über die sich in der Regel noch eine Reinzinkschicht legt. Die Schichtdicke liegt üblicherweise zwischen 50 μm und 150 μm. Durch die Legierung wird dieser Korrosionsschutz unerreicht hart, abriebfest und widerstandsfähig und hält deshalb auch starken mechanischen Belastungen mühelos stand.
Die Hochtemperaturverzinkung weist entscheidende Vorteile gegenüber dem konventionellen Verzinken auf. Es handelt sich um ein Tauch-Verzinkungsverfahren, bei dem die speziellen Eigenschaften der Legierungsphasen Zink (Zn) und Eisen (Fe) bei Temperaturen von 530°C bis 620°C ausgenutzt werden. Durch die hohen Temperaturen verändert sich der Aufbau der Legierungsschichten. Es kommt zu einem homogenen Schichtwachstum. Die so entstehende Oberfläche zeichnet sich durch eine hohe Mikrohärte aus. Ferner wird durch die hohen Temperaturen eine besonders dünne und gleichmäßige Legierungsschicht gewährleistet.
Die bekannten Qualitätsmerkmale der Feuerverzinkung wie Langlebigkeit, katholischer Selbstheilungseffekt und Preiswürdigkeit sind der HTV ebenfalls gegeben.
Wie bereits beschrieben, weist das Kühlsystem eine schwer zugängliche innen liegende Kühlstruktur mit komplexer Geometrie auf. Entsprechend der Spezifikation des Kühlmittels, nämlich Wasser, ergibt sich eine hohe korrosive Beanspruchung für das Kühlsystem.
Das Kühlsystem ist vorzugsweise eine mechanisch geschlossene und somit flüssigkeitsdichte Schweißkonstruktion aus Stahl, insbesondere St52, mit einer komplexen und schwer zugänglichen, d.h. innen liegenden, Kühlstruktur. Das Kühlsystem wird zunächst mit Kühlgrundkörper, Kühlstruktur und Kühlmantelkörper gefertigt. Anschließend wird das gesamte Kühlsystem in ein Hochtemperaturzinkbad getaucht. Da das Kühlsystem, insbesondere der Kühlmantelkörper, einen Zulauf und eine Ablauf für das Kühlmittel aufweist, können dieser Zu- und Ablauf gleichzeitig als Zu- und Ablauf für das flüssige Zink dienen. Das flüssige Zink, welches eine sehr niedrige Viskosität aufweist, tritt durch den Zulauf in die Kühlstruktur ein, beschichtet die Kühlstruktur und tritt anschließend durch den Ablauf aus dem Kühlsystem heraus.
Das Kühlsystem kann auch aus zwei Teilen bestehen, wobei das Kühlsystem beispielsweise durch einen axialen Schnitt (in Bezug auf die Drehwelle des Elektromotors) in zwei Teile geteilt wird. Der Vorteil besteht darin, dass eine Beschichtung der Kühlstruktur im Zinkbad einfacher ist, da die Kühlwendelnut leichter für das Beschichtungsmaterial zugänglich ist.
Nachteilig ist jedoch, dass die Teile später zu einem Kühlsystem zusammengefügt werden muss, beispielsweise durch Schweißen, wodurch aber die Verzinkung beschädigt werden kann.
Durch die Hochtemperaturverzinkung (HTV) ist es möglich, die komplexe Innenkontur durchgängig und aufgrund der niedrigen Viskosität des Beschichtungsmaterials bis in die kleinsten Hohlräume zu beschichten. Beim herkömmlichen Feuerverzinken würde die Schmelze beim Gang durch die lange Kühlwendelnut frühzeitig erstarren und ein Verstopfen dieser Nuten verursachen.
Durch die Oberflächenveredelung mittels Zinkschicht ist ein temporärer Korrosionsschutz gewährleistet. Dadurch ergibt sich eine verlängerte Lebensdauer des Kühlsystems beim Einsatz in einem geschlossenen Kühlkreislauf.
Der Vorteil des HTV liegt in der kurzen Prozessdauer und den niedrigen Kosten des Prozesses. Der prinzipielle Vorteil des Verzinkens ist der so genannte Selbstheilungsprozess der Oberflächenschicht. Etwaige Verletzungen (Fehlstellen) der Oberflächenschicht würden sich aufgrund der Potentialunterschiede (Zink unedler als Stahl) in gewissen Grenzen selbst schließen.
In vorteilhafter Weise ist das Kühlmittel Wasser, wie beispielsweise kaltes Stadtwasser oder gefiltertes Brunnen-, See- oder Flusssüßwasser. Das Kühlmittel kann aber auch jede andere Kühlflüssigkeit sein.
Vorzugsweise ist das Kühlsystem für Durchflusssysteme geeignet. Durchflusssysteme zeichnen sich dadurch aus, dass als Kühlmittel nicht nur reines oder destilliertes Wasser, sondern auch Brunnen-, See- oder Flusswasser verwendet werden kann, d.h. Wasser, welches üblicherweise Schmutzpartikel enthält. Das Kühlmittel wird durch einen Zulauf in das Kühlsystem hinein geleitet, strömt dann durch die Kühlwendelnut und nimmt dabei die Verlustwärme der elektrischen Maschine auf und tritt anschließend aus einem Ablauf aus dem Kühlsystem aus. Das Kühlwasser gibt die Wärme über einen Wärmetauscher oder Radiator an die Umgebungsluft ab. Das nun wieder abgekühlte Wasser durchläuft erneut das Kühlsystem, wobei beispielsweise eine Pumpe für die Wasserzirkulation sorgt.
Die Anordnung zur Kühlung des flüssigkeitsgekühlten Elektromotors kann auch mehrere separate Kühlsysteme aufweisen, beispielsweise wenn der Elektromotor eine große axiale Länge aufweist. Die mehreren Kühlsysteme sind dann nebeneinander in axialer Länge angeordnet und miteinander verbunden, wobei die Kühlsysteme parallel und/oder seriell verschaltet sein können.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kühlsystem gleichzeitig als Gehäuse für die elektrische Maschine ausgebildet. Ein Gehäuse schützt die elektrische Maschine vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Schmutz. Wie bereits geschildert, umschließt das Kühlsystem den Stator der elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine vorzugsweise als Innenläufermaschine ausgebildet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kühlsystem in seiner axialen Ausdehnung nun so ausgebildet, dass es länger als der Stator ausgebildet ist und auch, sofern vorhanden, Wickelköpfe des Stators überdeckt. Somit werden die Wickelköpfe gleichzeitig geschützt und durch das Kühlsystem gekühlt. Ein zusätzliches Gehäusebauteil ist somit nicht notwendig, wodurch Material eingespart und die Produktionskosten gesenkt werden.
Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als rotatorischer permanenterregter Synchronmotor bzw. Servosynchronmotor ausgebildet, wobei der Synchronmotor als Innenläufer- oder Außenläufermaschine ausgebildet sein kann.
Das Kühlsystem der wassergekühlten elektrischen Maschine ist so ausgelegt sein, dass ein Betrieb der elektrische Maschine bzw. des Elektromotors in einem Durchflusssystem mit Schutz vor Korrosion betrieben werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Kühlung einer elektrischen Maschine;
2 eine Schnittdarstellung der Anordnung gemäß 1;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Kühlwendelnut; und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Kühlwendelnut.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kühlsystems 1 zur Kühlung einer nicht dargestellten elektrischen Maschine. Das Kühlsystem 1 weist den Kühlgrundkörper 2 und den Kühlmantelkörper 4 auf. Zwischen Kühlgrundkörper 2 und Kühlmantelkörper 4 ist eine Kühlstruktur 3 angeordnet, welche korrosionsbeständig oberflächenbeschichtet ist.
Gemäß 1 ist das Kühlsystem 1 für eine nicht dargestellte rotatorische Maschine vorgesehen. Der Kühlgrundkörper 2 ist als zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet, wobei auf der äußeren Fläche 2a des hohlzylindrischen Kühlgrundkörpers 2 die Kühlstruktur 3 angeordnet ist. An bzw. auf der Kühlstruktur 3 ist der Kühlmantelkörper 4 angeordnet. Das Kühlsystem 1 ist an einem nicht gezeigten Stator einer nicht gezeigten elektrischen Maschine angeordnet, d.h. das Kühlsystem 1 umschließt den Stator der elektrischen Maschine. Das komplette Kühlsystem 1 ist ebenso hohlzylindrisch ausgebildet.
Die Kühlstruktur 3 ist als Kühlwendelnut 3a ausgebildet. Die Wendelnut 3a ist am Kühlgrundkörper 2 schraubenförmig bzw. radial umlaufend um die äußere Fläche 2a des Kühlgrundkörpers 2 angeordnet, wobei die Wendelnut 3a in Richtung des Kühlmantelkörpers 4 offen ist. Kühlgrundkörper 2 und Kühlstruktur 3 sind eineilig ausgebildet. Die Kühlstruktur 3 ist durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen oder Fräsen, hergestellt. Die Kühlstruktur 3 bzw. die Kühlwendel 3a weist eine korrosionsbeständige Zinkschicht auf, welche mittels Hochtemperaturverzinkung (HTV) ausgebildet ist.
Das Kühlsystem 1, insbesondere der Kühlmantelkörper 4, weist ferner einen Zulauf 5a und einen Ablauf 5b für ein Kühlmittel auf. Der Zulauf 5a kann selbstverständlich auch als Ablauf 5b und der Ablauf 5b als Zulauf 5a dienen. Weiterhin können Zu- und Ablauf 5a, 5b gleichzeitig als Zu- und Ablauf für das Hochtemperaturverzinken, d.h. für das flüssige Zink, dienen. Das flüssige Zink, welches eine sehr niedrige Viskosität aufweist, tritt beispielsweise durch den Zulauf 5a in die Kühlwendelnut 3a ein, beschichtet diese und tritt anschließend durch den Ablauf 5b aus dem Kühlsystem 1 heraus.
2 zeigt eine Schnittdarstellung der Anordnung gemäß 1. Die Darstellung nach 2 zeigt einen axialen Schnitt durch das Kühlsystem 1 parallel zu einer nicht gezeigten Drehwelle einer nicht gezeigten elektrischen Maschine. 2 zeigt, dass Kühlgrundkörper 2 und Kühlstruktur 3, welche als Kühlwendelnut 3a ausgebildet ist, einteilig ausgebildet sind. Oberhalb der Kühlwendelnut 3a ist der Kühlmantelkörper, welcher beispielsweise als einfaches Blech ausgebildet ist, angeordnet und schließt somit das Kühlsystem 1 nach außen hin ab. Das Kühlsystem 1 ist auf den angedeuteten Stator 6 eines nicht näher dargestellten Elektromotors aufgeschrumpft. Der elektrische Antrieb ist beispielsweise als permanenterregter Synchronmotor bzw. Servosynchronmotor ausgebildet.
3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele für eine Kühlstruktur 3. 3 zeigt eine radial umlaufende Kühlwendelnut 3a, wie sie auch in 1 dargestellt ist. Die radial in Umfangsrichtung des Kühlgrundkörpers 2 ausgebildete Kühlwendelnut 3a gemäß 3 kann auch derart ausgebildet sein, dass die Wendelnut 3a in axialer Richtung in Bezug auf die angedeutete Drehwelle 7 einer nicht naher gezeigten elektrischen Maschine verlauft (4). Die Kühlwendel 3a nach 4 ist mäanderförmig um den Kühlgrundkörper 2 herum angeordnet. Weiterhin zeigen 3 und 4 eine angedeutete Drehwelle 7 eines Elektromotors sowie angedeuteten Zu- und Ablauf 5a, 5b für das Kühlmittel.

Claims

Anordnung zur Kühlung einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine mit einem Kühlsystem (1), wobei das Kühlsystem (1) einen Kühlgrundkörper (2) und einen Kühlmantelkörper (4) aufweist und wobei zwischen Kühlgrundkörper (2) und Kühlmantelkörper (4) eine Kühlstruktur (3) angeordnet ist, da durch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (3) eine korrosionsbeständige Oberflächenschicht aufweist.
Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (3) zumindest eine Kühlwendelnut (3a) aufweist.
Anordnung zur Kühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionsbeständige Oberflächenschicht eine Zinkschicht ist, wobei die Zinkschicht durch Hochtemperaturverzinken (HTV) ausgebildet ist.
Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (1) eine flüssigkeitsdichte Schweißkonstruktion ist.
Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantelkörper (4) zumindest einen Zulauf (5a) und einen Ablauf (5b) für ein Kühlmittel aufweist.
Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (1) als Kühlmittel Wasser aufweist.
Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (1) gleichzeitig als Gehäuse für die elektrische Maschine ausgebildet ist.
Anordnung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als rotatorischer permanenterregter Synchronmotor ausgebildet ist.