DE10257905A1 - Elektrische Maschine - Google Patents

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DE10257905A1
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DE
Germany
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electrical machine
rotor
winding
cooling channel
main insulation
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Withdrawn
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DE10257905A
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English (en)
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Maria Bade
Axel Dr. Möhle
Günter Zwang
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Elektrische Maschine mit einem Ständer (2) und einem Rotor (3), wobei der Ständer (2) und/oder Rotor (3) eine Wicklungsanordnung (6) aufweisen, die über ihre Hauptisolierung (8) mit kühlkanalbildenden Elementen (7) in direktem wärmeleitenden Kontakt steht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer.
  • Bei elektrischen Maschinen sind zur Abfuhr der Verlustwärme u.a. aufgrund der Wicklungs- und Eisenverluste aus Ständer und Rotor Kühlmittel vorzusehen. Diese Kühlmittel sind insbesondere bei axial gekühlten elektrischen Maschinen als Ausstanzungen im Blechpaket zur Führung eines Kühlstromes ausgeführt. Insbesondere die Wicklungsverluste müssen dabei über das Blechpaket an das Kühlmedium abgeführt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit die Verlustwärme abzuführen besteht darin, einen Teil eines Kühlluftstroms axial durch Streustege der Nuten zu führen, um damit die Wicklungsverluste abzuführen. Dabei wird durch den Nutverschlusskeil, der zur Fixierung der Leiter in der Nut erforderlich ist, die Entwärmung erschwert.
  • Aus der DE 948 713 ist eine Stabwicklung bekannt, bei der Kühlrohre innerhalb der Hauptisolierung verlaufen. Als Kühlmedium wird dabei Öl oder eine andere isolierende Flüssigkeit eingesetzt. Der Kühlbereich erstreckt sich über den Eisenbereich in den Wickelkopfbereich der elektrischen Wicklung. Als Kühlrohre werden dabei, aufgrund des anliegenden Spannungspotentials, isolierte Metallkühlrohre eingesetzt. Nachteilig dabei sind u.a. die Wirbelstromverluste im Metallrohr.
  • In der DE 287 182 ist eine Kühlart beschrieben, die innerhalb der Hauptisolierung der Wicklung verläuft. Es handelt sich dabei um eine direkte Kühlung durch Öle oder andere isolierende Flüssigkeiten. Die Kanäle verlaufen dabei im Wicklungskupfer selbst.
  • Des Weiteren ist aus der EP 12 15 800 A2 eine elektrische Maschine bekannt, bei der Spulen oder Träufelwicklungen Kühlkanäle aufweisen, die sich zwischen den jeweiligen Wicklungen befinden und sich somit durch eine von einer Wicklung nicht beanspruchte Nutquerschnittsfläche auszeichnen. Nachteilig ist dabei insbesondere die jeweils unterschiedlichen Querschnitte der Kühlkanäle, die zu einer ungleichmäßigen Kühlwirkung führen.
  • Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer gleichmäßigen und effizienten Kühlung zu schaffen, die mit geringem Montageaufwand realisierbar ist.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Rotor, wobei der Ständer und/oder Rotor eine Wicklungsanordnung aufweisen, die über ihre Hauptisolierung mit kühlkanalbildenden Elementen in direktem wärmeleitendem Kontakt steht.
  • Als Wicklungsanordnungen sind dabei sämtliche bekannten Wicklungsarten wie z.B. Luftspaltwicklungen oder in Nuten gebettete Wicklungen und elektrisch leitfähigen Leitermaterialien wie z.B. Kupfer einsetzbar. Des weiteren kann die Wicklungsanordnung sowohl aus flexiblen Leitern als auch Stäbe aufweisen.
  • Die erfindungsgemäßen kühlkanalbildenden Elemente werden vorzugsweise aus einem Stück gefertigt, das der axialen Länge des jeweiligen Blechpaketes anpassbar ist. Dabei sind die kühlkanalbildenden Elemente an einer oder mehreren Stellen innerhalb einer Nut oder einer Wicklungsanordnung einzusetzen.
  • So sind sie z.B. im Zahnkopf bei Zwischenschiebern oder am Nutgrund oder auch links und rechts der Wicklung einzusetzen. Die kühlkanalbildenden Elemente sind elektrisch nicht lei tend, so dass keine Zusatzverluste in ihnen entstehen und das Blechpaket von ihnen nicht kurzgeschlossen wird. Weitere Elemente können auch in entsprechende Ausnehmungen des Blechpakets selbst eingebracht werden, um die Eisenverluste abzuführen. Durch den direkten wärmeleitenden Kontakt der kühlkanalbildenden Elemente mit der Hauptisolierung der Wicklungsanordnung können die Verluste effizienter abgeführt werden, wodurch die Ausnutzung der elektrischen Maschine gesteigert wird.
  • Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen kühlkanalbildenden Element hat nunmehr jedes Kühlrohre den gleichen definierten Querschnitt und eine vergleichbare reproduzierbare Rauhigkeit. Dies führt zu einer vergleichmäßigten Kühlstromaufteilung, insbesondere bei parallelen Kühlkanälen. Bei gestanzten Kühlkanälen treten dagegen durch Toleranzen beim Schichten größere Querschnittsunterschiede auf, so dass eine gleichmäßige Kühlstromaufteilung nicht gewährleistet ist.
  • Die kühlkanalbildenden Elemente stehen in direktem wärmeleitenden Kontakt mit der Hauptisolierung und dem Blechpaket. Als Hauptisolierung wird dabei die Isolierung der Wicklungsanordnung gegenüber dem üblicherweise geerdeten Blechpaket betrachtet. Innerhalb der Hauptisolierung befinden sich ein oder mehrere Teilleiter die jeweils separat gegeneinander isoliert sind, was als sogenannte Teilleiterisolierung bezeichnet wird. Als gut wärmeleitendes Material hat sich Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von 25 W/(mK) herausgestellt.
  • Um eine parallele oder serielle Aufteilung der kühlkanalbildenden Elemente zu erreichen, die vorzugsweise axial ausgerichtet sind, werden diese kühlkanalbildenden Elemente insbesondere durch Umlenkplatten an den Stirnseiten des Blechpakets dementsprechend strömungstechnisch geschaltet. Dabei lassen sich besondere maschineninterne Wärmequellen wie Blechpaket, Wicklungen, etc. intensiv kühlen.
  • Die Umlenkplatten sind vorzugsweise auch aus Keramik, um aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von kühlkanalbildenden Elementen und Umlenkplatten keine Undichtigkeiten zu erhalten.
  • Bei unterschiedlichen Materialien sind dementsprechende an sich bekannte Dichtungsmaßnahmen zu ergreifen.
  • Weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den schematisch dargestellten Figuren zu entnehmen. Darin zeigt:
  • 1 den prinzipiellen Aufbau einer elektrischen Maschine,
  • 2 und 3 die Nutgestaltung einer elektrischen Maschine,
  • 4 Gestaltungsvarianten der kühlkanalbildenden Elemente,
  • 5 Oberflächenvergrößerungen der kühlkanalbildenden Elemente,
  • 6 kühlkanalbildendes Element aus zusammengesetzten axialen Abschnitten.
  • 1 zeigt schematisch eine prinzipielle elektrische Maschine 1 mit einem Ständer 2 und einem Rotor 3. Sowohl Ständer 2 als auch Rotor 3 sind in Richtung Luftspalt mit Nuten 4,5 versehen. Die Nuten 4,5 in diesem Ausführungsbeispiel sind als offene Nuten 4,5 dargestellt, es kann sich genauso um geschlossene oder halboffene Nuten handeln. Ebenso ist es möglich, die elektrische Maschine mit einem nutenlosen Ständer zu versehen und eine Wicklungsanordnung mit ihren elektrischen Leitern 6 als Luftspaltwicklung auszuführen.
  • 2 und 3 zeigen die Ausbildung einer Nut 4 des Rotors 3 oder einer Nut 5 des Ständers 2, die mehrere Leiter 6 aufweist, die von kühlkanalbildenden Elementen 7 umgeben sind. Jeder Leiter 6 besteht dabei aus Einzelleitern 9, die mit ei ner Teilleiterisolierung 10 gegeneinander isoliert sind. Jeder Leiter 6 ist durch eine Hauptisolierung 8 umgeben. Direkt an die Hauptisolierung 8 wärmetechnisch gekoppelt sind die kühlkanalbildenden Elemente 7. Ein Nutverschlusskeil 16 fixiert optional diese Anordnung in einer Nut 4 des Rotors 3 oder auch in einer Nut 5 des Ständers 2.
  • 4 zeigt kühlkanalbildenden Elemente 7, die unterschiedliche Querschnittsformen ihrer Kanäle 11 aufweisen. Es sind sowohl runde als auch eckige Querschnittsformen oder deren Kombinationen möglich.
  • 5 zeigt einzelne Ausführungen wie eine Oberflächenvergrößerung im Kanal 11 und/oder auch der kühlkanalbildenden Elemente 7 zur Hauptisolierung 8 erreicht wird. Die Hauptisolierung 8 ist in ihrer Formgestaltung dann dementsprechend anzupassen, um einen ausreichenden Wärmekopplung an die kühlkanalbildenden Elemente 7 zu erhalten.
  • 6 zeigt die Bildung eines Kühlkanals über die axiale Länge des Rotors 3 durch Aneinanderreihung mehrerer kühlkanalbildender Elemente 7. Der Kühlkanal ist dabei in mehrere Abschnitte 15 unterteilt. Dabei ist jedes Element 7 vorteilhafterweise mit einer Anfassung 12 oder Abrundung versehen, um einen strömungstechnisch günstigen Übergang zum nächsten Element 7 zu erhalten. Die kühlkanalbildenden Elemente 7 werden vorteilhafterweise aus Keramik gebildet, wobei ein Rohling mit mehreren Bohrungen oder Kanälen 11 gebrannt wird und danach z.B. durch Schleifen exakt den vorliegenden Platzverhältnissen anpassbar ist. Damit ergibt sich eine äußerst präzise mechanische Anlage und damit eine äußerst günstige wärmetechnische Kopplung zwischen Hauptisolierung 8 und z.B. dem Blechpaket des Rotors 3. Dabei ist auf ausreichende Wandstärken zu achten.
  • Keramik hat den Vorteil, dass es mechanisch vergleichsweise stabil ist, die Wärme gut überträgt und keine Wirbelstromver luste aufweist, außerdem besitzt es eine hohe Spannungsfestigkeit. Als Wärmeleitfaktor sind dabei 25 W/(mK) angesetzt.

Claims (7)

  1. Elektrische Maschine mit einem Ständer (2) und einem Rotor (3), wobei der Ständer (2) und/oder Rotor (3) eine Wicklungsanordnung (6) aufweisen, die über ihre Hauptisolierung (8) mit kühlkanalbildenden Elementen (7) in direktem wärmeleitendem Kontakt steht.
  2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (2) und/oder Rotor (3), ein mit Nuten (4,5) versehenes Blechpaket aufweist, in welchen Nuten (4,5) sich die Wicklungsanordnung (6) befindet.
  3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Elemente (7) durch geeignete Mittel parallel und/oder seriell strömungstechnisch schaltbar sind.
  4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Umlenkelemente insbesondere an den Stirnseiten der Blechpakete ausgebildet sind.
  5. Elektrische Maschine nach einem oder mehrere der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (7) in axialer Richtung modular aufgebaut sind.
  6. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest am Eintritt und/oder am Austritt eines Elements (7) eine Anfasung (12) oder Abrundung vorhanden ist.
  7. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (7) intern und/oder extern oberflächenvergrößernde Strukturen aufweisen.
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US20100090549A1 (en) * 2008-10-10 2010-04-15 General Electric Company Thermal management in a fault tolerant permanent magnet machine
WO2023157521A1 (ja) * 2022-02-15 2023-08-24 株式会社 東芝 回転電機における冷却構造

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EP1251624A2 (de) * 2001-04-20 2002-10-23 Alstom Kühlung von Luftspaltelektrischermaschinewicklungen

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