DE102008064495B3

DE102008064495B3 - Elektrische Maschine mit mehreren Kühlströmen und Kühlverfahren

Info

Publication number: DE102008064495B3
Application number: DE102008064495A
Authority: DE
Inventors: Robert Danner; Jürgen DRABER; Daniel Friedl; Oliver Memminger; Friedrich SCHÖBERL; Norbert SCHÖNBAUER; Johann Stegner; Anatoli Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: EP2368310A2; WO2010072499A3; US20110278969A1; WO2010072499A2; RU2011130908A; RU2510560C2; CN102265487A; CN102265487B; US8648505B2

Abstract

Die Montage einer elektrischen Maschine und insbesondere eines Permanentmagnet-Generators soll ohne Einbuße von Kühlqualität vereinfacht werden. Dazu wird eine elektrische Maschine mit einem Stator (12), der einen Wicklungsträger (22) aufweist, welcher mindestens einen radialen Kühlschlitz (23) besitzt, und einem Rotor (11), der ebenfalls mindestens einen radialen Kühlschlitz (16) besitzt, vorgeschlagen. Der Wicklungsträger (22) des Stators (12) weist an seinem Außenmantel mehrere axial verlaufende Kühlrippen (24) auf, an denen ein axial verlaufender erster Kühlstrom (25) entlangleitbar ist. Außerdem weist der Rotor (11) axial verlaufende erste Kühlkanäle (17) auf, die in seinen mindestens einen radialen Kühlschlitz (16) münden, so dass ein zweiter Kühlstrom (26) durch die axialen ersten Kühlkanäle (17) des Rotors (11), den mindestens einen radialen Kühlschlitz (16) des Rotors (11), den Luftspalt (27) zwischen Rotor und Stator, den mindestens einen radialen Kühlschlitz (23) und in axialer Richtung an den axialen Kühlrippen (24) des Stators entlangleitbar ist. Damit lässt sich der Stator durch zwei verschiedene Kühlströme kühlen und es kann insbesondere die Anzahl radialer Kühlschlitze im Rotor (11) insbesondere auf eins reduziert werden, was die Fertigung deutlich vereinfacht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der einen Wicklungsträger aufweist, welcher mindestens einen radialen Lüftungsschlitz besitzt, und einem Rotor, der ebenfalls mindestens einen radialen Lüftungsschlitz besitzt. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer derartigen elektrischen Maschine.
Bei elektrischen Maschinen sind zur Entwärmung des Rotors und des Stators häufig sowohl im Rotor als auch im Stator radial verlaufende Kühlschlitze vorgesehen. Handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen so genannten Permanentmagnet-Generator so ist die Montage der Permanentmagnete in entsprechenden Taschen des Rotors verhältnismäßig aufwendig, wenn der Rotor zahlreiche radiale Lüftungsschlitze besitzt. Um jedoch eine ausreichende Entwärmung garantieren zu können, wird bislang der erhöhte Montageaufwand hingenommen. So werden bislang Permanentmagnet-Generatoren mit einer gleichen Anzahl an radialen Stator- und Rotorkühlluftschlitzen gefertigt, die für gleichmäßige Entwärmung sorgen. Der Rotor dient hierbei mit seinen Kühlschlitzen als Radiallüfter.
Aus der Druckschrift CH 174 436 A ist eine Einrichtung zur Kühlung eines Asynchronmotors bekannt. Der Läufer ist von axialen Kühlkanälen durchzogen. Das Ständereisenpaket ist an den Rippen des Gehäuses befestigt. Zwischen dem Gehäusemantel, den Rippen und dem Ständereisenpaket liegen Zwischenräume, durch die Kühlluft strömen kann. Zur weiteren Verbesserung der Kühlung sind in den Eisenpaketen des Läufers und Ständers radiale Kühlkanäle vorgesehen. Die Luft strömt nach dem Austritt aus dem Läufer durch die radialen Kanäle im Ständer und in die Zwischenräme zwischen dem Ständerrücken und Gehäuse der Maschine.
Weiterhin offenbart die Patentschrift DE 616 524 A eine Einrichtung zur Belüftung elektrischer Maschinen mit großer axialer Länge. Ein Teil der von einem Lüfter gelieferten Luft wird unmittelbar durch axiale Kühlkanäle in einen ersten Teil des Ständers und Läufers der Maschine sowie auch durch den Luftspalt getrieben. Ein anderer Teil streicht an dem äußeren Rand des Ständers der Maschine vorbei bis zu einem radialen Luftschlitz, der durch eine Zwischenlage in zwei Teile unterteilt ist. In dem einen Teil streicht der durch den ersten Teil der Maschine durchgedrückte Luftteil nach außen ab und wird durch einen Kanal abgeführt. Ein umgeleiteter Teil der Kühlluft, der längs der Statoraußenoberfläche zu dieser Stelle gelangt, dringt in den zweiten Teil des Inneren der Maschine ein und verteilt sich hierbei auf die Kühlluftkanäle im Ständer, dem Luftspalt und die Kühlluftkanäle des Läufers.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, den Montageaufwand einer elektrischen Maschine und insbesondere einer solchen mit permanentmagneterregtem Rotor zu reduzieren. Darüber hinaussoll ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine elektrische Maschine, die montagefreundlich ausgestaltet ist, effektiv entwärmt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine nach Anspruch 5.
In vorteilhafter Weise wirken entsprechend der vorliegenden Erfindung somit zwei Kühlströme zusammen, die für eine besonders effektive Entwärmung des Stator sorgen. Insbesondere erhält der Stator nicht ausschließlich vorgewärmtes Kühlmedium vom Rotor, sondern wird zusätzlich mit ”unverbrauchtem” Kühl mittel an axialen Kühlrippen durch einen weiteren Kühlstrom gekühlt.
Der Rotor wird nur von einem einzigen radialen Kühlschlitz durchsetzt. Generell können bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weniger radiale Kühlschlitze im Rotor vorgesehen sein als im Stand der Technik, da ein zusätzlicher axialer Kühlstrom für weitere Entwärmung sorgt. Dennoch ist eine Ausführungsform mit nur einem einzigen radialen Kühlschlitz im Rotor besonders vorteilhaft, da die Permanentmagnete dann jeweils von den Stirnseiten problemlos in den Rotor geschoben und vergossen werden können.
Weiterhin befinden sich die axialen ersten Kühlkanäle des Rotors auf der einen Seite des Kühlschlitzes, axiale zweite Kühlkanäle (mit ihren zentralen Achsen) bezogen auf die Achse des Rotors radial unterhalb der ersten Kühlkanäle und axiale dritte Kühlkanäle in radialer Höhe der ersten Kühlkanäle auf der anderen Seite des Kühlschlitzes, so dass ein dritter Kühlstrom getrennt von dem zweiten Kühlstrom durch die zweiten Kühlkanäle, den Kühlschlitz und die radialen Kühlkanäle leitbar ist. Dabei wird als Bezugspunkt für die radiale Höhe (bezogen auf die Rotorachse) eines Kühlstroms das Zentrum des Kühlstroms betrachtet. In vorteilhafter Weise kann durch den Wechsel der Kühlebenen erreicht werden, dass auch der stromabwärts gelegene Teil des Rotors mit ”unverbrauchtem” bzw. noch nicht erwärmten Kühlmittel entwärmt wird.
Zusätzlich hierzu kann ein vierter Kühlstrom vorgesehen sein, der in radialer Höhe des zweiten Kühlstroms in den Rotor eingeleitet wird, im Rotor auf eine radiale Höhe unterhalb des zweiten Kühlstroms umgeleitet wird und den Rotor auf dieser tieferen radialen Höhe verlässt. Dadurch wird der bereits angewärmte Kühlmittelstrom nach einem gewissen axialen Weg hin zur Welle geleitet, wo er kaum mehr Kühlungsaufgaben bewältigen muss. In diesem axialen Bereich kann dann der dritte Kühlstrom die Kühlaufgaben übernehmen.
In einer Ausführungsform ist der Rotor durch Permanentmagnete erregt. Damit entsteht in der Regel der Großteil der Verluste im Stator. Die erfindungsgemäße hochwirksame Kühlung des Stators wirkt sich umso positiver aus.
Weiterhin kann der Rotor eine Druckscheibe aufweisen, die Öffnungen zu den zweiten oder dritten Kühlkanälen besitzt, welche Öffnungen jeweils kleiner sind als der Querschnitt eines zweiten oder dritten Kühlkanals. Mit diesen Öffnungen lässt sich der Volumenstrom der Kühlströme im Verhältnis zu einander passend einstellen, ohne dass die Kühlkanäle im Rotor im Querschnitt verkleinert werden.
Speziell kann der Stator ein Blechpaket aufweisen, und die Kühlrippen können dadurch gebildet sein, dass jedes Einzelblech entsprechende nach außen ragende Fortsätze besitzt. Dadurch lässt sich ein Statorblechpaket mit Außenkühlrippen sehr einfach fertigen, denn die Kühlrippen sind bereits an das Blechpaket ”angestanzt”. Eine Alternative bestünde darin, die Außenkühlrippen an das Statorblechpaket anzuschweißen. Das Anschweißen stellt jedoch einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, der vermieden werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäßen permanentmagneterregten Generator zeigt.
Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Die FIG zeigt einen Generator 1 mit einem Kühler 2. Der Kühler 2 besitzt einen Lüfter 3 zum Ansaugen von Kühlluft, die er in einen Wärmetauscher 4 bläst. Die Luft strömt von dort durch eine Auslassstutzen 5 nach außen. Hierdurch ist ein äußerer Kühlkreislauf definiert.
Der Wärmetauscher 4 kühlt durch den äußeren Kühlkreislauf 6 einen inneren, geschlossenen Kühlkreislauf 7. Angetrieben wird der innere Kühlkreislauf 7 durch einen Wellenlüfter 8, der auf die B-Seite der Welle 9 des Generators 1 montiert ist. Der innere Kühlkreislauf durchströmt beginnend von dem Lüfter 8 den Wärmetauscher und dringt auf der A-Seite (Antriebsseite) des Generators in den Wickelkopfraum ein Dort umströmt er den Wickelkopf 10 sowie die Wicklungsschaltung 31 und durchströmt anschließend den Rotor 11 und den Stator 12, wie nachfolgend näher erläutert werden wird. Schließlich durchströmt das Kühlmittel (insbesondere Luft) den Wickelkopfraum auf der B-Seite (Nichtantriebsseite) des Generators und erreicht wieder den Wellenlüfter 8 bzw. einen entsprechenden Fremdlüfter.
Der Rotor 11 besitzt ein Blechpaket 13, an dessen Stirnseiten Druckscheiben oder Druckringe 14 und 15 angebracht sind. In seiner axialen Richtung ist der Rotor 11 durch einen radialen Kühlschlitz 16 zweigeteilt. Dieser Kühlschlitz 16 wird hier durch einen Abstandshalter mit den Scheiben 29 gebildet.
Der Rotor 11 weist weiterhin axial verlaufende Kühlkanäle auf, deren axiale Zentren auf zwei koaxialen Zylindern liegen. Nachfolgend wird der radiale Abstand der Zentralachse eines Kühlkanals von der Achse der Welle 9 als radiale Höhe des Kühlkanals bezeichnet. Gemäß dem vorliegenden Beispiel besitzt der Rotor 11 somit einen ersten Kühlkanal 17 und radial darunter, also in einer geringeren radialen Höhe einen zweiten axialen Kühlkanal 18. Auf der rechten Seite des radialen Kühlschlitzes 16, der den Rotor mittig teilt, befindet sich in der gleichen radialen Höhe wie der erste Kühlkanal 17 ein dritter Kühlkanal 19. Radial darunter befindet sich wieder in der gleichen radialen Höhe wie der zweite Kühlkanal 18 ein vierter Kühlkanal 20. In dem Blechpaket 13 sind in eigens dafür vorgesehenen Taschen am Umfang verteilt Permanentmagnete 21 angeordnet. Diese sind von beiden Stirnseiten her in den Rotor eingeschoben und von beiden Stirnseiten her auch vergossen. Da der Rotor 11 nur einen mittigen radialen Kühlschlitz 16 besitzt, ist das Einfügen der Magnete und das Vergießen entsprechend einfach zu bewerkstelligen.
Der Stator 12 besitzt als Wicklungsträger ein Blechpaket 22, das von zahlreichen radial verlaufenden Kühlschlitzen 23 durchzogen ist. Am Außenmantel des Blechpakets sind axial verlaufende Kühlrippen 24 an das Blechpaket 22 angeformt. Die Kühlrippen 24 ragen sternförmig von dem Stator 12 ab und können an das Blechpaket angeschweißt sein. Alternativ besitzt jedes Einzelblech des Blechpakets 22 radial abstehende Fortsetze, so dass sich bei der Paketierung der Einzelbleche die Kühlrippen 24 ergeben.
Erfindungsgemäß weist der innere Kühlkreislauf nun mindestens zwei verschiedene Kühlströme auf. Der erste Kühlstrom 25 verläuft entlang des Statormantels ausschließlich in axialer Richtung. Durch diesen Strom, der nahezu ohne Wärmeaufnahme fast unmittelbar vom Wärmetauscher 4 gespeist wird, werden die axialen Kühlrippen 24 des Stators effektiv gekühlt. Am B-seitigen Ende wird dieser erste Kühlstrom 25 noch dazu genutzt, den Wickelkopf zu kühlen.
Ein zweiter Kühlstrom 26 wird durch ein Kühlmittel bzw. Kühlluft gespeist, welches/welche im A-seitigen Wickelkopfraum den Wickelkopf 10 und die Wicklungsschaltung 31 bereits gekühlt hat. Dieser zweite Kühlstrom dringt durch den A-seitigen Druckring 14 in den ersten Kühlkanal 17 des Rotors 11. An dem radialen Kühlschlitz 16 in der Mitte des Rotors wird der zweite Kühlmittelstrom 26 radial nach außen gelenkt. Er verteilt sich axial im gesamten Luftspalt 27 zwischen Rotor 11 und Stator 12. Von dort wird er, da die Druckringe 14 und 15 einen etwas größeren Durchmesser besitzen als das Rotorblechpaket einschließlich der Permanentmagnete 21, radial nach außen durch die Kühlschlitze 23 des Stators gedrängt. An der Außenfläche des Stators verbindet sich der zweite Kühl- bzw. Luftstrom 26 mit dem ersten Luftstrom 25. Der zweite Luftstrom 26 sorgt somit für eine Kühlung des in der FIG dargestellten linken Rotorteils und des Innenteils des Stators über seiner gesamten axialen Länge. Der zweite Kühlstrom 26 besitzt somit im Wesentlichen Z-förmigen Verlauf. Er fließt zunächst axial, dann radial und schließlich wieder axial. Zusammen mit dem linearen ersten Kühlstrom kann somit eine ausreichende Entwärmung des Stators 12 erfolgen, auch wenn der Rotor lediglich über einen radialen Kühlschlitz 16 und nicht über eine Vielzahl derartiger radialer Schlitze verfügt.
Optional kann wie indem in der FIG dargestellten Beispiel ein dritter Kühlstrom 28 vorgesehen sein, der A-seitig in die zweiten Kühlkanäle 18 durch das Druckschild 14 einströmt. In dem radialen Kühlschlitz 16 des Rotors 11 befindet sich ein Abstandshalter. Im vorliegenden Beispiel sind als Abstandshalter drei Scheiben 29 eingesetzt. Die Scheiben 29 sind unterschiedlich ausgebildet und besitzen Aussparungen 30 in zueinander versetzten Positionen. Dadurch wird der dritte Kühlstrom 28 im radialen Kühlschlitz 16 in der FIG nach oben in die dritten Kühlkanäle 19 gedrängt, die sich rechts von dem Kühlschlitz 16 in größerer radialer Höhe befinden als die zweiten Kühlkanäle 18. Schließlich verlässt der dritte Kühlstrom 28 die dritten Kühlkanäle 19 durch das B-seitige Druckschild 15. In dem Druckschild 15 sind hierzu Öffnungen vorgesehen, deren Größe so bemessen ist, dass der Widerstand des dritten Kühlstroms 28 nicht zu gering ist und auch der zweite Kühlstrom 26 einen ausreichenden Volumenstrom besitzt. Nach der Öffnung im Druckschild 15 vereint sich der dritte Kühlstrom 28 mit dem ersten und zweiten Kühlstrom 25, 26 in dem Stirnseitenraum des Generators 1 vor dem Wellenlüfter 8. Der dritte Kühlstrom 28 wird somit im ersten Teil des Rotors (linke Seite in der FIG) durch den kühleren Bereich (wellennaher Bereich) des Rotors geführt. Er nimmt dabei kaum Wärme auf. Auf der rechten Seite des Rotors ist er dann nach oben geführt und dient dort zur effektiven Kühlung des rechten Rotorteils. Die linke Hälfte des Rotorteils wird, wie oben erläutert, primär durch den zweiten Kühlstrom 26 gekühlt.
Das erfindungsgemäße Kühlprinzip mit zwei voneinander getrennten Kühlströmen lässt sich hinsichtlich seiner Wirkungsweise wie folgt zusammenfassen: Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine bzw. ein erfindungsgemäßes Kühlungsverfahren ist so ausgebildet, dass es möglich ist, den Rotor der Maschine und insbesondere eines Permanentmagnet-Generators mit nur einem radialen, mittig angeordneten Kühlschlitz auszuführen. Nach üblicher Bauart wäre nur ein einziger Rotorkühlschlitz für die Verlustabführung bei Z-Belüftung nicht ausreichend. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau kann gerade wegen nur eines einzigen mittigen Kühlschlitzes nun ohne hohen Aufwand gewährleistet werden, dass die Permanentmagnete des Rotors exakt positioniert werden und dauerhaft gegen Korrosion geschützt sind (einfaches beidseitiges Begießen). Um ausreichende Kühlung zu garantieren, ist das Statorpaket für zusätzliche Entwärmung axial verrippt. Die axial verlaufenden Rippen werden mit einer erzwungenen Luftströmung eines Wellenlüfters rückgekühlt. Die Magnete des Rotors, der Bereich des Luftspalts sowie ein Teil des Stators werden durch einen weiteren Kühlluftstrom rückgekühlt, der durch den im Rotor mittig angeordneten radialen Kühlluftschlitz erzeugt wird. Gegebenenfalls wird ein dritter Kühlluftstrom durch den Unterdruck des Wellenlüfters und Öffnungen in der B-seitigen Rotordruckscheibe ermöglicht. Durch einen Wechsel der Kühlkanalebenen im Bereich des radialen Kühlschlitzes in der Mitte des Rotorpakets wird erreicht, dass die zweite Hälfte des Rotors ebenfalls mit ”kalter” Kühlluft versorgt werden kann. Diese zusätzliche Kühlung dient der Entwärmung der Magnete des zweiten Rotorpakets. Aus dem erfindungsgemäßen Kühlprinzip ergeben sich folgende, zum Teil bereits angesprochene Vorteile: Zum einen lässt sich eine Kosteneinsparung in der Fertigung erzielen, da der Rotor nur in zwei Teilpaketen und nicht beispielsweise in zehn Teilpaketen hergestellt werden muss. Darüber hinaus kann ein vollständiger Korrosionsschutz der verwendeten Permanentmagnete durch zuverlässiges Eingießen entsprechend der Vergussmasse von den Rotorstirnseiten erreicht werden. Schließlich kann trotz der an sich nicht ausreichenden radialen Kühlströmung eine hinreichende Statorkühlung aufgrund der axialen Verrippung erzielt werden.

Claims

Elektrische Maschine mit – einem Stator (12), der einen Wicklungsträger (22) aufweist, welcher mehrere radiale Kühlschlitze (23) besitzt, und – einem Rotor (11), der einen einzigen radialen Kühlschlitz (16) besitzt, wobei – der Wicklungsträger (22) des Stators (12) an seinem Außenmantel mehrere axial verlaufende Kühlrippen (24) aufweist, an denen ein axial verlaufender erster Kühlstrom (25) entlang leitbar ist, und, – der Rotor (11) axial verlaufende erste Kühlkanäle (17) aufweist, die in seinen radialen Kühlschlitz (16) münden, so dass – ein zweiter Kühlstrom (26) durch die axialen ersten Kühlkanäle (17) des Rotors (11), den radialen Kühlschlitz (16) des Rotors (11), den Luftspalt (27) zwischen Rotor (11) und Stator (12), den mehreren radialen Kühlschlitzen (23) des Stators (12) und in axialer Richtung an den axialen Kühlrippen (24) des Stators (12) entlang leitbar ist, und wobei – sich die axialen ersten Kühlkanäle (17) des Rotors (11) auf der einen Seite des Kühlschlitzes (16), axiale zweite Kühlkanäle (18) radial unterhalb der ersten Kühlkanäle (17) und axiale dritte Kühlkanäle (19) in radialer Höhe der ersten Kühlkanäle (17) auf der anderen Seite des Kühlschlitzes (16) befinden, so dass ein dritter Kühlstrom (28) getrennt von dem zweiten Kühlstrom (26) durch die zweiten Kühlkanäle (18), den Kühlschlitz (16) und die dritten Kühlkanäle (19) leitbar ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Rotor (11) durch Permanentmagnete (21) erregt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (11) einen Druckring (15) aufweist, der Öffnungen zu den zweiten oder dritten Kühlkanälen (18, 19) be sitzt, welche Öffnungen jeweils kleiner sind als der Querschnitt des zweiten oder dritten Kühlkanals.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wicklungsträger (22) ein Blechpaket aufweist, und die Kühlrippen (24) dadurch gebildet sind, dass jedes Einzelblech entsprechende nach außen ragende Fortsätze besitzt.
Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine mit einem Stator (12) und einem Rotor (11), durch – Kühlen von Kühlrippen (24) am Außenmantel des Stators (12) durch einen axial verlaufenden ersten Kühlstrom (25) und – Kühlen des Rotors (11) und Stators (12) mit einem zweiten Kühlstrom (26), der axial in den Rotor (11) eingeleitet wird, im Rotor (11) in radialer Richtung umgelenkt wird, den Rotor (11) in radialer Richtung verlässt und im Stator (12) radial weitergeleitet wird sowie am Außenmantel des Stators (12) axial weiterverläuft, wobei jeder der Kühlströme (25, 26) auch in umgekehrter Richtung durch Stator (12) und Rotor (11) leitbar ist, wobei – der Rotor (11) durch einen dritten Kühlstrom (28) gekühlt wird, der in den Rotor (11) radial unterhalb des zweiten Kühlstroms (26) eingeleitet wird, innerhalb des Rotors (11) auf die radiale Höhe des zweiten Kühlstroms geleitet wird und den Rotor (11) getrennt von dem zweiten Kühlstrom (26) in radialer Höhe des zweiten Kühlstroms verlässt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein vierter Kühlstrom in radialer Höhe des zweiten Kühlstroms (26) in den Rotor (11) eingeleitet wird, im Rotor (11) auf eine radiale Höhe unterhalb des zweiten Kühlstroms gelenkt wird und den Rotor (11) auf dieser tieferen radialen Höhe verlässt.