DE102010041586A1

DE102010041586A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102010041586A1
Application number: DE102010041586A
Authority: DE
Inventors: Franz Bauer; Martin Stark; Josef Watzinger; Josef Zwack
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Eine elektrische Maschine (1), weist als Mittel zur Regulierung der Temperatur der elektrischen Maschine (1) ein Phasenwechselmaterial (3) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmanagement bei einer elektrischen Maschine.
Elektrische Maschinen erzeugen im Betrieb Verlustwärme. Damit durch die Verlustwärme eine zulässige Temperatur der elektrischen Maschine nicht in unzulässiger Weise überschritten wird, können Maßnahmen zur Kühlung der elektrischen Maschine getroffen werden. Die Temperatur der elektrischen Maschine kann beispielsweise durch eine Luftkühlung und/oder durch eine Wasserkühlung reguliert werden. Die elektrische Maschine ist beispielsweise eine Synchronmaschine, eine Asynchronmaschine oder auch eine Gleichstrommaschine.
Aufgrund wirtschaftlicher Aspekte wird speziell bei Motoren im mobilen Einsatz auf ein niedriges Gewicht (Leistungsgewicht) sowie geringe Abmaße geachtet. Elektrische Maschinen im mobilen Einsatz finden sich beispielsweise bei Schiffen, Autos, Flugzeugen, usw. Die Leistung einer elektrischen Maschine bei Kurzzeitbetrieb (z. B. S2 – 30 min bei Bugstrahlruderantrieben, S2 – 1 min bei unterbrechungsfreien Stromversorgungen, ...) wird durch die Effektivität der Kühlung und die Masse der Maschine (Speicherfähigkeit) begrenzt. Durch eine Verbesserung der Kühlung kann die Leistung bei gleicher Baugröße gesteigert bzw. die Baugröße bei gleich bleibender Leistung gesenkt werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es die Kühlung der elektrischen Maschine bzw. deren Wärmeverhalten (insbesondere bzgl. einer Wärmespeicherfähigkeit) zu verbessern.
Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einem Gegenstand gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5.
Eine elektrische Maschine, ist derart ausgestaltet, dass diese ein Phasenwechselmaterial aufweist. Als Phasenwechselmaterial ist vorteilhaft ein Material verwendet, welches in einem Temperaturbereich die Phase wechselt, welcher beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehen kann.
Durch den Einsatz eines Phasenwechselmaterials kann eine Effizienzsteigerung bei einem Kurzzeitbetrieb von z. B. luftgekühlten bzw. unbelüfteten elektrischen Maschinen erzielt werden. Wird Phasenwechselmaterial derart eingesetzt, dass dieses thermisch mit Quellen der Verlustwärme der elektrischen Maschine verbunden ist, kann sich hieraus eine geänderte Auslegung der elektrischen Maschine ergeben. Beispielsweise kann es im Vergleich zu einer herkömmlichen Auslegung (z. B. bezüglich der Notwendigkeit einer Leistungsreduzierung für luftgekühlte/unbelüftete Motoren) zum Einsatz einer nächst kleineren Baugröße oder Verkürzung der Maschine (weniger aktives Material) kommen. Unter Umständen kann man in Fällen, bei denen bislang eine Wassermantelkühlung notwendig ist, auf diese dann verzichten.
Der Einsatz eines latenten Energiespeichers mit Hilfe von Phasenwechselmaterialien (phase change material”, kurz PCM) bei elektrischen Maschinen (elektrischer Motor/elektrischer Generator) ist insbesondere für einen Kurzzeitbetrieb von Interesse. Durch geeignete Auswahl der Materialien kann die Schwellentemperatur auf einen geeigneten Wert festgelegt werden (z. B. 50–60°C), der über der normalen Umgebungstemperatur liegt. Im Betrieb der elektrischen Maschine wird nach Erreichen dieses Schwellenwertes beispielsweise ein überwiegender Teil der entstehenden Wärme durch die Phasenumwandlung (z. B. fest zu flüssig) vom PCM aufgenommen und zwischengespeichert. Beim Phasenübergang werden beispielsweise bei Paraffin ca. 200 bis 240 kJ/kg für eine geringe Erwärmung von unter 20° Kelvin benötigt (vgl. Eisen: ca. 9 kJ/kg für 60°C auf 80°C). Auf das Volumen umgerechnet bedeutet dies ca. 180–215 kJ/l bei Paraffin bzw. ca. 70 kJ/l bei Eisen, die zum Speichern von Wärme zur Verfügung stehen. Wenn die elektrische Maschine dann abgeschaltet wird oder einen Betriebszustand erreicht in welchem weniger Verlustwärme entsteht, kann diese Wärme z. B. über einen Wärmetauscher oder über Konvektion wieder an die Umgebung abgegeben werden. Dies bedeutet, dass eine elektrische Maschine mit Phasenwechselmaterial im Vergleich zu einer elektrischen Maschine ohne Phasenwechselmaterial bei gleicher Leistung und gleicher Baugröße deutlich kälter bleiben kann. Dadurch lassen sich bei vorgegebener Maximaltemperatur das Gewicht und somit die Herstellungs- und Anlagekosten reduzieren. Weiterhin ist es möglich eine Leistungssteigerung bzw. Reduzierung des Motorvolumens (Gewichtsreduzierung) gegenüber luftgekühlten oder unbelüfteten Motoren bei Kurzzeitbetrieb durch Verbesserung der kurzfristigen Wärmespeicherfähigkeit zu erzielen.
Das Phasenwechselmaterial füllt beispielsweise Zwischenräume in einem Metallkörper der elektrischen Maschine aus. Schmilzt das Phasenwechselmaterial, also z. B. ein Wachs oder Paraffin, so wird der elektrischen Maschine Wärmeenergie entzogen. Zur Abgabe der Energie verhärtet sich das Wachs wieder und gibt die Wärme wieder zurück an das Eisen bzw. das Kühlmedium der elektrischen Maschine.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese einen Wärmetauscher auf, wobei der Wärmetauscher das Phasenwechselmaterial aufweist.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist ein Wickelkopfraum einen Verguss auf, wobei der Verguss das Phasenwechselmaterial aufweist. Insbesondere bei Wickelköpfen können hohe Temperaturen auftreten, so dass eine Wärmesenke durch das Phasenwechselmaterial vorteilhaft ist.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese ein Volumenausgleichsvolumen auf. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Phasenwechselmaterial in einer Kammer ist und das Volumen abhängig vom Phasenzustand unterschiedlich ist.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist ein Gehäuse eine Kammer auf, in welcher sich das Phasenwechselmaterial befindet. Das Gehäuse ist vorzugsweise das Gehäuse der elektrischen Maschine oder auch ein Gehäuse, welches thermisch mit diesem verbunden ist.
Das Gehäuse der elektrischen Maschine kann beispielsweise eines ohne Innenumluft oder mit Innenumluft oder auch mit einem eingebautem Wärmetauscher (z. B. wassermantelgekühlter Motor) sein. Die Wasserkammer eines Wärmetauschers kann beispielsweise mit dem Phasenwechselmaterial gefüllt sein. Das Gehäuse ist dabei mit oder ohne Kühlrippen ausgestaltbar.
In einer gekapselten Ausführung der elektrischen Maschine kann bei dieser der Wickelkopfraum mit Phasenwechselmaterial gefüllt sein. Dabei kann der Wickelkopfraum vom Läufer durch ein Spaltrohr getrennt sein. Ohne Spaltrohr ist ein spezieller Wicklungsverguss vorzusehen.
Die beschriebenen Variationen können miteinander kombiniert werden. Volumenausgleiche sind dort vorzusehen, wo diese notwendig sind. Auch kann das Phasenwechselmaterial in freies Volumen eines übergeordneten Systemgehäuses integriert sein.
Die Erfindung wird am Beispiel von Ausführungsvarianten näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine erste elektrische Maschine;
2 eine zweite elektrische Maschine; und
3 eine dritte elektrische Maschine.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, welche einen Stator 11 und einen Rotor 10 aufweist. Der Rotor ist mit einer Welle 16 mechanisch verbunden und weist zur Kühlung Luftkühlkanäle 8 auf. Der Stator 11 weist Wickelköpfe 2 und Luftkühlkanäle 12 auf, wobei ein Kühlluftverlauf mit Pfeilen 4 angedeutet ist. Der Stator 11 ist ein Teil des Gehäuses 13 der elektrischen Maschine 1 und weist eine Kammer 15 auf, in welcher sich ein Phasenwechselmaterial 3 befindet. Phasenwechselmaterial könnte beispielsweise auch als Partikel im Lagerschild 17 der elektrischen Maschine 1 integriert sein.
Die Darstellung gemäß 2 zeigt ähnlich wie 1 eine elektrische Maschine 1, welche gemäß 2 jedoch einen Wärmetauscher 5 aufweist. Der Wärmetauscher 5 ist mit dem Stator 11 wärmeleitend verbunden. Zur Kühlung weist der Wärmetauscher 5 Kühlkanäle auf, durch welche ein Kühlluftstrom 4 geführt werden kann. Der Wärmetauscher weist eine Kammer 15 auf, in welcher sich Phasenwechselmaterial 3 befindet. Da die Kammer 15 nicht ganz mit Phasenwechselmaterial 3 gefüllt ist, bildet sich ein Volumenausgleichsvolumen 11 aus. Durch dieses Volumen 11 kann eine durch eine Temperaturänderung bedingte Volumenänderung des Phasenwechselmaterials 3 kompensiert werden.
Im Wickelkopfraum 7 sind gemäß 2 die Wickelköpfe 2 vergossen, wobei der Verguss 9 innen Phasenwechselmaterial 3 aufweist. Dadurch dass das Phasenwechselmaterial 3 (in der Figur als Punkte dargestellt) von Vergussmasse 9 umgeben ist, kann das Phasenwechselmaterial 3 bei Verflüssigung nicht auslaufen.
Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 11 und einem Rotor 10 auf der Welle 16. Der Stator 11 weist Kammern 15 auf, welche mit Phasenwechselmaterial 3 befüllt sind. Dieses trägt zum Temperaturausgleich bei hohen Spitzenbelastungen der elektrischen Maschine 1 bei. Die Kammern 15 können beispielsweise durch Endbleche verschlossen sein, welche in der 3 allerdings nicht dargestellt sind.

Claims

Elektrische Maschine (1), welche ein Phasenwechselmaterial (3) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, welche einen Wärmetauscher (5) aufweist, wobei der Wärmetauscher (5) das Phasenwechselmaterial (3) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Wickelkopfraum (7) einen Verguss (9) aufweist, wobei der Verguss (9) das Phasenwechselmaterial (3) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Volumenausgleichsvolumen (11) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Gehäuse (13) eine Kammer (15) aufweist, in welcher sich das Phasenwechselmaterial (3) befindet.