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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einem Wandler, der in dem Gehäuse angeordnet ist, einem Anschlusskasten, der an dem Gehäuse angeordnet ist, und einer Kühleinrichtung zum aktiven Erzeugen eines Kühlstroms in dem Gehäuse für eine Kühlung des Wandlers. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer derartigen elektrischen Maschine. Unter dem aktiven Erzeugen eines Kühlstroms wird hier das Erzeugen des Kühlstroms mit Hilfe eines Lüfters oder Rotors verstanden, nicht jedoch das rein passive Erzeugen eines Kühlstroms mittels reiner Konvektion.
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Elektrische Maschinen, insbesondere Motoren und Generatoren, besitzen häufig einen sogenannten Anschlusskasten, über den die elektrische Maschine an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen wird. Auch die Generatoren von Windkraftanlagen besitzen in der Regel solche Anschlusskästen, über die sie Energie in ein entsprechendes Netz einspeisen.
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Durch Kosten- und Bauraumoptimierung der Windkraftanlagen werden Generatoren und ihre Komponenten immer kompakter. Dies führt dazu, dass die Statoranschlusskästen direkt an das Generatorgehäuse ohne Zwischenraum montiert werden. Diese direkte Anbindung führt zu einem erhöhten Wärmedurchgang vom Generatorinneren zum Anschlusskasten. Zudem haben kompakt gebaute Anschlusskästen ein geringeres Luftvolumen und eine schlechtere freie Konvektion im Anschlusskasteninnenraum. Ferner wird die Gehäuseoberfläche des Anschlusskastens, welche als Kühlfläche dient, reduziert. Alle diese Faktoren führen dazu, dass die Innenlufttemperatur der Anschlusskästen auf einen kritischen Wert ansteigen kann.
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Bei bisher bekannten Anlagen wurden in den Anschlusskästen Kabel und Anschlusslitzen für hohe Temperaturen verwendet. Gegebenenfalls wurden zusätzlich Schrumpfschläuche auf die Litzen aufgebracht, um die Temperatureinwirkungen auf die Litzen zu vermindern. Außerdem wurden sogenannte Fremdbelüftungen zum Belüften von Anschlusskästen eingesetzt. Dabei handelt es sich um separate Gebläse, die ausschließlich zur Kühlung des jeweiligen Anschlusskastens montiert und betrieben werden. Diese Maßnahmen führen zu höheren Materialkosten und zusätzlichem Energieverbrauch (durch die Fremdbelüftung). Dadurch wird der Wirkungsgrad des Generators gesenkt.
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Aus der gattungsgemäßen Druckschrift
DE 196 18 996 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer in einen an deren Maschinengehäuse angeordneten Klemmkasten eingebauten Leistungselektronik bekannt, deren Verlustwärme über die Oberfläche des Klemmkastens abgeführt wird. Zudem wird durch einen Maschinenlüfter ein Kühlluftstrom erzeugt, wobei ein Teilluftstrom mittels eines Abzweigkanals vom Kühlluftstrom abgezweigt und gezielt auf den Klemmkasten gelenkt wird.
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In der Druckschrift WO 2013/ 007 225 A1 ist ein Elektromotor mit einem Gehäuse beschrieben, in dem ein koaxial zu einer Motorwelle angeordneter Stator und ein Rotor angeordnet sind, und mit einem an einer Umfangswandung des Gehäuses angeordneten Klemmkasten, in dem elektronische Bauteile angeordnet sind, wobei zum einen zwischen dem Klemmkasten und dem Gehäuse ein Durchbruch und zum anderen in dem Gehäuse ein fest mit der Motorwelle verbundenes Hilfslüfterrad vorgesehen sind, derart, dass im Betrieb des Elektromotors ein Luftstrom von einem Innenraum des Gehäuses in einen Innenraum des Klemmkastens und/oder umgekehrt strömbar ist.
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In der Druckschrift
US 4 119 873 A ist eine dynamoelektrische Maschine beschrieben, in welcher Kühlluft, welche von der Umgebung in das System eingesogen wird, innerhalb der Maschine mit Hilfe eines Lüfters zirkuliert.
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Aus der Druckschrift
GB 2 214 722 A ist ein elektrischer Motor mit einem Lüfter bekannt, welcher dazu dient Kühlluft über die Oberfläche des Motors und des Controllers zu leiten. Der Lüfter ist an einem Ende des Motors angebracht und leitet die Luft axial entlang eines Kanals zwischen dem Motorgehäuse und dem Gehäuse des Controllers.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschine so zu gestalten, dass der Wärmehaushalt in einem Anschlusskasten bei geringen Materialkosten günstiger reguliert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine nach Patentanspruch 1.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine nach Patentanspruch 6.
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In vorteilhafter Weise wird also für die Kühlung des Anschlusskastens ein Kühlstrom genutzt, der ohnehin zur Kühlung des Wandlers der elektrischen Maschine erzeugt wird. Es wird also die Kühleinrichtung, die zur Kühlung des Wandlers (z.B. Motor oder Generator) vorgesehen ist, gleichzeitig zur Kühlung des Anschlusskastens verwendet. Dadurch lässt sich nicht nur Material für eine zusätzliche Kühlung des Anschlusskastens einsparen, sondern auch Energie für eine Fremdbelüftung.
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Ein Teil des Kühlstroms wird aus dem Anschlusskasten wieder zurück in das Gehäuse geführt. Dadurch ist für die elektrische Maschine einschließlich des Anschlusskastens ein geschlossenes Kühlsystem realisierbar. Alternativ kann der vom Gehäuse der elektrischen Maschine in den Anschlusskasten geleitete Kühlstrom auch direkt aus dem Anschlusskasten ins Freie geleitet werden.
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Der Wandler ist ein Motor oder Generator jeweils mit einem Rotor und Stator. Prinzipiell lässt sich die Erfindung jedoch auch auf Linearmotoren anwenden.
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Der Rotor wird als kühlmittelförderndes Element eingesetzt. Wenn nämlich der Rotor radiale Kühlkanäle besitzt, ist der Kühlstrom durch Zentrifugalkraft erzeugbar. Hierdurch kann auf separate Lüfter am Rotor, aber auch auf eine spezielle Belüftung verzichtet werden, sofern die Leistung der Rotorlüftung ausreichend ist.
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Der wesentliche Anteil des Kühlstroms wird bei Betrieb des Rotors in dem Gehäuse in beide axialen Stirnseiten des Rotors, im Rotor radial nach außen, radial durch den Stator und außerhalb des Stators von dessen Außenmantelfläche zurück zu den axialen Stirnseiten des Rotors geführt. Damit ergibt sich eine sogenannte zweiseitige Belüftung, die auch „X-Belüftung“ genannt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Rotor und Stator von beiden Stirnseiten her gleichmäßig gekühlt wird.
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In einer Ausführungsform ist außerhalb des Gehäuses ein Kühlkanal zum Führen des Kühlstroms in den Anschlusskasten angeordnet. Dadurch erhöht sich die Flexibilität bei der Anordnung des Anschlusskastens gegenüber dem optimalen Ort zum Auskoppeln des Kühlstroms aus dem Gehäuse bzw. zum Einkoppeln des Kühlstroms zurück in das Gehäuse der elektrischen Maschine.
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Die Kühleinrichtung kann in dem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet sein, sodass der Wandler und die Kühleinrichtung ein gemeinsames Gehäuse besitzen. Alternativ besitzt die Kühleinrichtung ein separates Gehäuse und ist an das Gehäuse des Wandlers der elektrischen Maschine montiert.
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Die Kühleinrichtung kann einen Lüfter aufweisen. Damit lässt sich sehr effizient ein leistungsfähiger Kühlstrom erzeugen.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung erfolgt eine sogenannte einseitige Belüftung, die auch „Z-Belüftung“ genannt wird. Dabei wird der restliche Anteil des Kühlstroms (also ohne den Anschlusskastenkühlstrom) in einer einzigen Richtung axial durch den gesamten Rotor geführt. In der Regel wird der Kühlstrom dabei auch axial in der gleichen Richtung durch den gesamten Stator geführt. Dies hat den Vorteil, dass das Kühlsystem verhältnismäßig einfach aufgebaut werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
- 1 eine Anschlusskastenkühlung bei einseitiger Belüftung;
- 2 eine zweiseitige Belüftung einer elektrischen Maschine;
- 3 eine Anschlusskastenkühlung bei der Maschine von 2 und
- 4 eine Stirnseitenansicht der elektrischen Maschine von 2 und 3.
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Die nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel gibt eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse 1 wieder. In dem Gehäuse ist hier ein elektromechanischer Wandler angeordnet. Generell kommt als Wandler der elektrischen Maschine aber auch ein elektromagnetischer Wandler, z. B. Transformator in Frage. Bei dem elektromechanischen Wandler handelt es sich um einen Motor oder Generator. Der Motor kann ein rotatorischer oder linearer Motor sein.
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Das Beispiel von 1 bezieht sich auf eine Windkraftanlage. Demzufolge handelt es sich bei dem Wandler in dem Gehäuse 1 um einen Generator 2. Der Generator 2 besitzt einen Stator 3 und einen Rotor 4. Der Rotor 4 ist auf eine Welle 5 montiert, die auf einer DE-Seite der elektrischen Maschine aus dem Gehäuse 1 ragt. An dieser Seite kann beispielsweise ein Getriebe oder ein Windrad an den Generator 2 angeschlossen werden. Auf der gegenüberliegenden NDE-Seite ragt die Welle 5 hier nicht aus dem Gehäuse 1, aber sie ist dort gelagert.
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In der Teilschnittzeichnung von 1 ist außerdem ein Anschlusskasten 6 mit zahlreichen Eingängen oder Anschlussklemmen 7 zu erkennen. Der Anschlusskasten 6 befindet sich an einer Außenseite des Gehäuses 1 und ist mit diesem Gehäuse 1 mechanisch verbunden. In den Anschlusskasten sind alle Steuer- und Energieleitungen vom bzw. zum Generator 2 gelegt. Diese Leitungen sind in üblicher Weise im Anschlusskasten 6 an weiterführende Leitungen anschließbar, welche die Energie nach außen, z.B. in ein Versorgungsnetz, führen bzw. Steuersignale zum Generator leiten.
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An dem Gehäuse 1 ist außerdem ein Kühler 8 befestigt, der einen Kühlstrom 9 für den Wandler, hier den Generator 2, liefert. Der Kühler 8 stellt eine Kühleinrichtung dar, die außerhalb des Gehäuses 1 oder in dem Gehäuse 1 angeordnet sein kann. Im vorliegenden Beispiel weist sie ein eigenes Gehäuse außerhalb des Gehäuses 1 auf.
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Auf der NDE-Seite der elektrischen Maschine befindet sich auf der Welle 5 ein zur Kühleinrichtung zu zählender Innenlüfter 10. Dieser ist dazu ausgelegt, den Kühlstrom 9 zu fördern. Konkret wird die Kühlluft hier an der DE-Seite aus dem Kühler 8 angesaugt und durch axiale Kanäle des Rotors auf die NDE-Seite geführt. Dort wird die Kühlluft von dem Innenlüfter 10 radial nach außen zurück in den Kühler 8 getrieben.
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Der Anschlusskasten 6 besitzt eine erste Durchströmöffnung 11 für einen Anschlusskastenkühlstrom von dem Gehäuse 1 der elektrischen Maschine in den Anschlusskasten 6. Diese Durchströmöffnung 11 ist so angeordnet, dass möglichst kühle Luft in den Anschlusskasten 6 einströmen kann. Im vorliegenden Beispiel befindet sich die Durchströmöffnung möglichst nahe an dem Kühlluftausgang 12 des Kühlers 8, der sich auf der DE-Seite der elektrischen Maschine befindet.
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Der Anschlusskasten 6 weist eine zweite Durchströmöffnung 13 auf, die sich hier möglichst nahe an der NDE-Seite befindet. Dort strömt das erwärmte Kühlmittel zurück von dem Anschlusskasten 6 in das Gehäuse 1 und wird von dem Innenlüfter 10 in den Kühler 8 gedrückt. Innerhalb des Anschlusskastens 6 ergibt sich somit von der ersten Durchströmöffnung 11 zu der zweiten Durchströmöffnung 13 der Anschlusskastenkühlstrom 14, der mehrere Strömungszweige besitzen kann.
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Der gesamte Kühlstrom 9, der in die Einströmöffnung 12 des Gehäuses 1 auf der DE-Seite einströmt zweigt sich auf der DE-Seite in einen Generatorkühlstrom 15 und den Anschlusskastenkühlstrom 14 auf. Der Generatorkühlstrom 15 bildet den größten Teil des Gesamtkühlstroms 9. Auf der NDE-Seite vereinigt sich der Anschlusskastenkühlstrom 14 wieder mit dem Generatorkühlstrom 15 zum Gesamtkühlstrom 9, der das Gehäuse 1 durch einen Kühllufteingang 16 in den Kühler 8 hinein verlässt. Somit wird also zum Kühlen des Anschlusskastens ein Teil von dem Gesamtkühlstrom 9, der im Wesentlichen zur Kühlung des Generators verwendet wird, abgezweigt und zur Kühlung des Anschlusskastens verwendet. Es sind dazu lediglich die Durchströmöffnungen 11 und 13 und, falls notwendig, einer oder mehrere Luftführungskanäle 17 in dem Gehäuse 1 vorzusehen, um den Anschlusskasten 6 mitzukühlen. Ein eigener Lüfter ist also für den Anschlusskasten 6 nicht notwendig.
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In den 2 bis 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Auch hier ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit als Wandler ein Generator 2 dargestellt, der sich in einem Gehäuse 1 befindet. Der auf der Welle 5 befindliche Rotor 4 ist von dem Stator 3 umgeben. In der Teilschnittansicht von 2 ist nur in der unteren Hälfte der Anschlusskasten 6 angedeutet. In der oberen Hälfte ist die zweiseitige Belüftung des Generators 2 dargestellt.
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Der Rotor 4 besitzt mehrere radiale Kühlkanäle 17. Der Stator 3 besitzt hierzu korrespondierende radiale Kühlkanäle 18. Durch Zentrifugalkraft wird das Kühlmittel (vorzugsweise Kühlluft) in den Kühlkanälen 17 radial nach außen in die Kühlkanäle 18 des Stators 3 gedrückt. Dabei wird sowohl der Rotor als auch der Stator gekühlt. Das erwärmte Kühlmedium dringt radial aus dem Stator in einen Kühler 19, der hier innerhalb des Gehäuses 1, den Stator ganz oder teilweise umgebend angeordnet ist.
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In der Kühleinrichtung bzw. dem Kühler 19 wird das Kühlmittel abgekühlt und verlässt diesen in radialer Richtung. Radial über dem Kühler 19 sammelt sich das abgekühlte Kühlmittel zu einem ersten Kühlmittelteilstrom 20 für die DE-Seite und einem zweiten Kühlmittelteilstrom 21 für die NDE-Seite. Auf der DE-Seite wird der Kühlmittelteilstrom 20 auf die linke Stirnseite des Rotors 4 gelenkt. Dementsprechend ergibt sich vor dem Rotor 4 eine Saugseite 22. Gleiches gilt für die NDE-Seite, wo sich für den Kühlmittelteilstrom 21 vor dem Rotor 4 eine Saugseite 23 ergibt. Die Kühlmittelteilströme 20 und 21 dringen jeweils von den Stirnseiten axial in den Rotor 4 ein und werden dort in Teilströmen 24 radial nach außen gelenkt. Auf der radial außerhalb des Motors gelegenen Druckseite 26 werden die Teilströme 24 in der linken Hälfte, die der DE-Seite zugewandt ist, radial oberhalb des Lüfters dann wieder zu dem gesamten Kühlmittelteilstrom 20 und die Teilströme 24 in der rechten Hälfte (NDE-Seite) zu dem Kühlmittelteilstrom 21 vereint. Damit ergibt sich eine symmetrische Kühlung des Generators 2 von beiden Seiten, mithin eine zweiseitige Kühlung bzw. Belüftung.
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In 3 ist nicht das Gehäuse 1 aufgeschnitten, sondern lediglich ein Teil des Anschlusskastens 6. In 4 ist ein Schnitt durch diese elektrische Maschine entsprechend der Schnittlinie IV in 3 dargestellt.
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Über einen externen, d.h. außerhalb des Gehäuses 1 verlaufenden Bypass 25 wird kalte Luft auf der Druckseite 26, die sich über dem Kühler 19 befindet (vgl. 2) aus dem Kühlkreislauf, d.h. den Kühlmittelströmen 20 und 21 entnommen und in den Anschlusskasten 6 geleitet. Für den Bypass 25 weist das Gehäuse 1 eine entsprechende Durchströmöffnung 27 auf. Der unmittelbar an dem Gehäuse 1 anliegende Anschlusskasten 6 weist eine zweite Durchströmöffnung 28 auf, durch die hindurch ein Kühlmittelstrom von dem Anschlusskasten 6 in das Gehäuse 1 erfolgen kann. Es ergibt sich damit zur Kühlung des Anschlusskastens 6 ein vom Gesamtkühlstrom 20, 21 abgezweigter Anschlusskastenkühlstrom von der Druckseite 26 durch die erste Durchströmöffnung 27 vorzugsweise in der axialen Mitte der elektrischen Maschine, durch den Bypass 26, den Anschlusskasten 6 und schließlich durch dessen zweite Durchströmöffnung 28 zurück an die Saugseite 23 vor dem Rotor der elektrischen Maschine innerhalb des Gehäuses 1. Der Anschlusskastenkühlstrom verläuft hier also kommend von der Durchströmöffnung 27 zunächst senkrecht zur Achse der elektrischen Maschine und wird im Anschlusskasten 6 parallel zu der Achse hin zur Saugseite 22 auf der DE-Seite gelenkt. Natürlich kann der Anschlusskastenkühlstrom 29 auch bei einer anderen Ausführungsform auf die NDE-Seite gelenkt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anschlusskastenkühlung durch Ausnutzung des Generatorkühlstroms wird also der Anschlusskasten aktiv gekühlt. Die Temperaturen im Anschlusskasten werden dadurch deutlich reduziert. Eine niedrige Innenlufttemperatur im Anschlusskasten erlaubt einen Einsatz der Kabel für niedrige Temperaturbereiche. Der Einsatz von Schrumpfschläuchen wird damit überflüssig. Zudem ist bei dieser Art von Kühlung eine Fremdbelüftung zur Erzeugung von Volumenstrom nicht notwendig.
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Durch die zirkulierende Luft findet anstelle freier Konvektion erzwungene Konvektion statt. Dadurch steigt der Wirkungsgrad der Entwärmung im Anschlusskasten. Dadurch wird nicht nur die Innentemperatur im Anschlusskasten erheblich gesenkt, sondern auch die Temperatur der Kabel- und Anschlussschienen.
