DE102007021723A1 - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine - Google Patents
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Abstract
Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) mit zumindest im Stator (2) und im Rotor (3) verlaufenden Kühlkanälen (8, 9) und Mitteln (6, 10) zur Eigen- und Fremdbelüftung, wobei diese Mittel (6, 10) in den zumindest teilweise gemeinsamen Kühlkanälen (8, 9) einen Kühlluftstrom bewirken und wobei in den Kühlkanälen Rückschlagklappen (11) vorhanden sind, um Belüftungskurzschlüsse zu vermeiden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor und Mitteln zur Eigen- und Fremdbelüftung.
- Luftgekühlte rotierende elektrische Maschinen werden entweder mit Hilfe eines fremd- oder eines selbstbelüfteten Kühlkreislaufes betrieben. Selbstbelüftete Maschinen, insbesondere mit einem Wellenlüfter haben den Vorteil der Ausfallsicherheit, da die Lüfter direkt mit der Welle gekoppelt sind. Sie sind aber in der Betriebsdrehzahl an die Drehzahl der elektrischen Maschine gebunden und sind daher meist nicht für niedrige Drehzahlen der elektrischen Maschine einsetzbar, da dort der notwendige Luftdurchsatz fehlt.
- Fremdbelüftete Maschinen weisen statt eines Wellenlüfters externe Zusatzlüfter auf, die im Betrieb der elektrischen Maschine unabhängig von ihrer Drehzahl arbeiten, aber ein Risiko bezüglich eines Ausfalls während des Betriebs der elektrischen Maschine darstellen.
- Kombinationen von Fremd- und Selbstbelüftung sind der
JP 2002 0147577 - Aus der
JP 3040733 A2 - Aus der
US 1 599 065 ist ebenfalls eine elektrische Maschine bekannt, bei der zusätzlich zu einem Wellenlüfter ein parallel dazu arbeitender Fremdlüfter eingesetzt ist. - Nachteilig dabei ist, dass sich durch verschiedene Betriebszustände der elektrischen Maschine, d. h. unterschiedliche Drehzahlen der Wellenlüfter dementsprechende Luftmengen bereitstellt. Des Weiteren stellen die Fremdlüfter bei konstanter Regelung einen konstanten Luftdurchsatz bereit, unabhängig von der Drehzahl der Maschine. Dadurch können sich zwischen den jeweiligen Belüftungssystemen Belüftungskurzschlüsse einstellen, die die Kühleffizienz der Maschine herabsetzen und so das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine verschlechtern.
- Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der auch durch Kombination von Eigen- und Fremdbelüftung eine hohe Kühleffizienz der elektrischen Maschine gewährleistet ist.
- Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine luftgekühlte rotierende elektrische Maschine mit zumindest im Stator und im Rotor verlaufenden Kühlkanälen und Mitteln zur Eigen- und Fremdbelüftung, wobei diese Mittel in den zumindest teilweise gemeinsamen Kühlkanälen einen Kühlluftstrom bewirken und wobei in den Kühlkanälen Rückschlagklappen vorhanden sind um Belüftungskurzschlüsse zu vermeiden und/oder die Kühlluft in vorgebbare Bereiche der elektrischen Maschine, wie z. B. Wickelkopf oder Rotor zu führen.
- Die Mitteln zur Eigen- und Fremdbelüftung sind bezüglich der Eigenbelüftung als Wellenlüfter, insbesondere an den Stirnseiten der elektrischen Maschine angeordnet, wobei die Fremdbelüftung Zusatzlüfter sind, die insbesondere als zusätzliches Modul sich am oder im Gehäuse der elektrischen Maschine befinden und somit auch im Störungsfall des Zusatzlüfters leicht zugänglich sind bzw. leicht ausgetauscht werden können.
- Diese Fremd- und Wellenlüfter sind strömungstechnisch parallel geschaltet, wobei Belüftungskurzschlüsse durch Rückströmungen in den jeweils schwächeren Lüfter, die sich je nach Betriebsart der elektrischen Maschine einstellen durch Rückschlagklappen vermieden werden. Diese Rückschlagklappen öffnen bzw. schließen selbstständig entsprechend den jeweiligen sich zwischen Eigen- und Fremdbelüftung einstellenden Druckdifferenzen der jeweiligen Lüfter oder sind vorteilhafterweise zusätzlich elektrisch ansteuerbar, d. h. je nach Lüftungsbedarf und angestrebtem Temperaturprofil der elektrischen Maschine regelbar.
- Dabei nehmen vorteilhafterweise Sensoren an vorgegebenen Punkten der elektrischen Maschine, z. B. Wickelkopf, Blechpaket die Temperaturen auf und leiten sie an ein Temperatursteuermodul weiter, das dann basierend auf einem dort hinterlegten angestrebten Temperaturprofil u. a. die Stellung der Rückschlagklappen und/oder die Drehzahl des oder der Fremdlüfter steuert.
- In einer weiteren darauf aufbauenden Ausführungsform wird zumindest ein Teil der erwärmten Kühlluft über einen oder mehrere Rückkühler geführt, die selbst entweder Wasser- oder luftgekühlt ausgebildet ist.
- Die Rückschlagklappen sind vorteilhafterweise als Gummimembrane oder Rückschlagventile ausgebildet, deren Öffnung bzw. Durchlass über die Druckdifferenz oder elektromotorisch einstellbar ist.
- Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Figuren näher beschrieben.
-
1 und2 prinzipielle Darstellungen erfindungsgemäßer elektrischer Maschinen. - Diese Figuren zeigen einen prinzipiellen Längsschnitt einer elektrischen Maschine
1 , die einen Stator2 , einen Rotor3 aufweist, wobei sich der Rotor3 auf einer Welle4 befindet. Sowohl im Rotor3 als auch im Stator2 sind axiale und radiale Kühlkanäle8 ,9 vorhanden. Weitere Kühlkanäle werden durch Zusammenspiel von Begrenzungselementen15 , Führungselementen13 und dem Gehäuse16 ausgebildet. - Die Begrenzungselemente
15 und Führungselemente13 sind in den Figuren lediglich beispielhaft dargestellt, sind demnach je nach Strömungsverhältnissen und Anwendungszweck verschieden ausgeprägt und dem jeweiligen Einzelfall angepasst. - Im Stator
2 ist ein Wicklungssystem vorgesehen, das auf den Stirnseiten des Stators2 Wickelköpfe5 ausbildet. Der Rotor3 selbst ist als Käfigläufer, als elektrisch erregter oder als permanenterregter Rotor3 ausgebildet. Ungeachtet dessen befinden sich im Rotor3 axiale und/oder radiale Kühlkanäle8 . Radial außerhalb des Stators2 sind Rückkühler7 angeordnet, die zumindest einen Teil des erwärmten Kühlluftstroms über weitere, nicht näher dargestellte Kühlschlangen, rückkühlen, und diese rückgekühlte Kühlluft dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine1 wieder zur Verfügung stellen. - Die Anordnung der Rückkühler
7 am oder unmittelbar an der Oberfläche des Gehäuses16 ist dabei jeweils so, dass eine leichte Zugänglichkeit und demnach eine einfache Austauschbarkeit der Rückkühler7 zwecks Wartungszwecken gegeben ist. - Dieser in der
1 beispielhaft dargestellte Kühlkreislauf wird im Wesentlichen durch einen linksseitigen und einen rechtsseitigen Wellenlüfter6 gebildet. Zusätzlich ist dabei noch zumindest ein Zusatzlüfter10 vorgesehen, der sich außerhalb des Gehäuses16 befindet und einen zusätzlichen Kühlluftstrom vorteilhafterweise über in der elektrischen Maschine1 bewirkt. Dieser zusätzliche Kühlluftstrom unterstützt vorteilhafterweise den von den Wellenlüfter erzeugten Kühlluftstrom, d. h. die Wellenlüfter6 erzeugen einen Kühlluftstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine1 , da die Wellenlüfter6 direkt auf der Welle4 angeordnet sind. Dabei wird durch in der elektrischen Maschine1 angeordnete Sensoren festgestellt, ob zusätzliche Kühlleistung erforderlich ist. Über den Zusatzlüfter10 wird nun ggf. ein zusätzlicher Volumenstrom erzeugt und somit der gesamte Kühlluftstroms gesteigert. - Der Wellenlüfter
6 übernimmt somit die durch die Drehzahl der elektrischen Maschine1 begrenzte Kühlgrundlast und der Zusatzkühler10 übernimmt die, aufgrund der wechselnden Umgebungstemperatur und unterschiedlicher Betriebszustand der elektrischen Maschine1 verbleibende wechselnde Kühllast. - Vorteilhafterweise kühlt zumindest ein Teil des vom Zusatzlüfter
10 erzeugten Kühlluftstroms über zusätzliche Führungselemente13 separat zuerst beispielsweise den Wickelkopf5 . Anschließend werden die Kühlluftströme zusammengeführt um anschließenden über die vorhandenen Kühlkanäle8 ,9 dem Rückkühler7 und/oder gegebenenfalls einem weiteren Zwischenkühler zugeführt zu werden. - Insbesondere bei geschlossenen elektrischen Maschinen
1 wird die Kühlluft über Rückkühler7 rückgekühlt. Durch den Volumendurchsatz im Kühlsystem der Rückkühlern7 kann das Temperaturniveau des erwärmten Kühlluftstroms weiter gesenkt werden, es sind dabei aber Kondensationseffekte zu beachten. - Die elektrische Maschine
1 kann sowohl einseitig als auch beidseitig belüftet sein, wobei bei beidseitiger Belüftung in Mitte von Rotor3 und/oder Stator2 eine Trennwand12 vorzusehen ist. - Der Betrieb der elektrischen Maschine
1 ist auch ohne eine Trennwand12 möglich, die Strömungsverhältnisse stellen sich dann gemäß den innerhalb von Rotor3 und/oder Stator2 vorhandenen Druck- und/oder Temperaturverhältnissen selbstständig ein. - Jeder Betriebszustand der elektrischen Maschine
1 verursacht aufgrund der damit verbundenen Drehzahl unterschiedliche Kühlluftströme der Wellenlüfter6 . Dazu wird in der Regel ein normalerweise konstanter Kühlluftstrom des Zusatzlüfters10 angestrebt. Um nun u. a. strömungsmäßige Kurzschlüsse zwischen den beiden Kühlluftströmen zu vermeiden, sind Rückschlagklappen11 in den Kühlluftströmen vorgesehen. Diese Rückschlagklappen11 sind als Membrane, Gummimanschetten oder Rückschlagventile ausgebildet und bewirken durch ihren Einsatz eine Steigerung der Kühleffizienz der elektrischen Maschine1 . - Die Rückschlagklappen
11 werden entweder über die zwischen dem Wellenlüfter6 und den Zusatzlüfter10 anliegende Druckdifferenz gesteuert oder aber über eigene Stellmotoren elektrisch betätigt. - Mit den Rückschlagklappen
11 kann außerdem über eine nicht näher dargestellte Steuerung eine gezielte Kühlwirkung von Heißpunkten der elektrischen Maschine1 bewirkt werden. - Die Ausführungsform nach
2 zeigt eine Anordnung des Zusatzlüfters10 im Gehäuse16 . Durch die Anordnung gemäß2 kann beispielsweise die Rückschlagklappe17 geschlossen werden und der Zusatzlüfter10 dazugeschaltet werden. Damit stellt sich eine Reihenschaltung ein. - Ebenso ist auch das Schließen der Rückschlagklappe
18 möglich, so dass dann eine Eigenbelüftung durch die Wellenlüfter6 mit Rückkühlung der Kühlluft vorliegt. - Derartige Rückschlagklappen
11 bei kombinierten Fremd- und Eigenbelüftung elektrischer Maschinen1 sind insbesondere bei einer Drehzahlvariabilität von elektrischen Maschinen äußerst vorteilhaft. Es wird damit bei unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrischen Maschine1 immer eine ausreichende Kühlleistung bereitgestellt. Das Zusammenspiel von Eigen- und Fremdbelüftung unter dem erfinderischen Einsatz der Rückschlagklappen11 und deren Ansteuerung über die Druckdifferenz der dort erzeugten Kühlluftströme oder der Ansteuerung über Stellmotoren ermöglicht die Einstellung eines optimalen Temperaturprofils der elektrischen Maschine1 und somit die Erhaltung eines optimalen an den jeweiligen Betriebszustand angepassten Wirkungsgrades. - Insbesondere bei großen elektrischen Maschinen ist es aus Gründen einer thermischen Vergleichmäßigung vorteilhaft derartige Zusatzlüfter und deren Rückkühler am Umfang der elektrischen Maschine
1 mehrfach vorzusehen. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- - JP 20020147577 [0004]
- - JP 3040733 A2 [0005]
- - US 1599065 [0006]
Claims (7)
- Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (
1 ) mit zumindest im Stator (2 ) und im Rotor (3 ) verlaufenden Kühlkanälen (8 ,9 ) und Mitteln (6 ,10 ) zur Eigen- und Fremdbelüftung, wobei diese Mittel (6 ,10 ) in den zumindest teilweise gemeinsamen Kühlkanälen (8 ,9 ) einen Kühlluftstrom bewirken und wobei in den Kühlkanälen Rückschlagklappen (11 ) vorhanden sind um Belüftungskurzschlüsse zu vermeiden. - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagklappen (11 ) druckgesteuert und/oder elektrisch geregelt sind. - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenbelüftung durch zumindest einen Wellenlüfter (6 ) realisiert ist. - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdbelüftung durch zumindest einen separaten Zusatzlüfter (10 ) im oder am Gehäuse (16 ) ausgebildet ist. - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rückkühler (7 ) der Kühlluft im Gehäuse (16 ) angeordnet sind. - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagklappen (11 ) als Membrane oder Rückschlagventile ausgebildet sind. - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1 ) über zumindest einen Stromrichter speisbar ist, so dass die elektrische Maschine (1 ) drehzahlvariabel ausgeführt ist.
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