DE10307813A1

DE10307813A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10307813A1
Application number: DE2003107813
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Brach; Thomas Hofmann; Manfred KRÜGER-GOTZMANN; Christian Meyer; Christian Schiller; Günter Zwarg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: DE10307813B4

Abstract

Um eine elektrische Maschine (1) auf beengtem Bauraum ausreichend zu kühlen, wird ein geschlossener Kühlkreislauf zumindest des Läufers (5) vorgeschlagen, wobei der Ständer (4) gegebenenfalls ergänzend einen Kühlmantel (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer, mit magnetfeldführenden und magnetfeldbildenden Mitteln.
Elektrische Maschinen mit einem Ständer und einem Läufer weisen im Betrieb Verluste auf, insbesondere Wicklungsverluste, Eisen und Magnetisierungsverluste, die durch geeignete Kühlverfahren abzuführen sind, um die Nennleistung der Maschine bereitstellen zu können.

Aus der DE 935 620 ist eine flüssigkeitsgekühlte geschlossene elektrische Maschine bekannt, mit einer durch Lüfter umwälzten Innenluft rückkühlenden Vorrichtung, die aus dem an dem Ständerblechpaket unmittelbar anliegenden doppelwandigen Gehäuse und einem an dem Läuferblechpaket unmittelbar anliegenden hohlausgeführten Wellenteil besteht, bei der als Lüfterflügel dienende mit großer Wärmeübergangsfläche mit der Hohlwelle verbundene Kühlrippen sich etwa über den freien Raum zwischen Läuferwicklung und Lager erstrecken. Dadurch wird versucht, die Kühlwirkung einer elektrischen Maschine zu steigern.

Des Weiteren beschreibt die DE 199 19 040 C2 eine Synchronmaschine mit Schenkelpolläufern oder Vollpolläufer für große Windenergieanlagen, insbesondere im Off-shore-Bereich. Diese Maschine weist einen Ständer und einen Läufer auf, wobei im Ständer Ständerkanäle und im Läufer Läuferkanäle als Teil eines Kühlkreislaufes für ein Kühlmedium zum Kühlen von Ständer und Läufer angeordnet sind. Dabei sind die Ständerkanäle als Ausnehmungen im Ständer mit einem die Ständerkanäle begrenzenden Steg am Außenumfang des Ständers ausgebildet und Kühlkanäle für ein weiteres Kühlmedium in einem Ständergehäuse schraubenförmig und mehrgängig um das Ständergehäuse geführt.

Damit nimmt das Kühlmedium im Bereich der Läuferkanäle Wärme aus dem Läufer auf und gibt diese im Bereich der Ständerkanäle an den Ständer ab.

Nachteilig dabei ist jeweils dass ein verhältnismäßig großes Bauvolumen der elektrischen Maschine eingenommen wird.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die Kühlwirkung gegenüber dem Stand der Technik weiter zu steigern. Außerdem soll dabei der zu verfügende Bauraum der elektrischen Maschine weiter optimiert werden, ohne dass Abstriche in der Kühleffizient hinzunehmen sind.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer, mit magnetfeldführenden und magnetfeldbildenden Mitteln, wobei lediglich der Läufer axial durchgehende Kühlkanäle aufweist, die zumindest einen Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufs bilden, mit einem Läuferrohr, das sich auf einer Welle befindet, sowie Funktionsteile zum Betrieb der elektrischen Maschine, wie z.B. Fördereinrichtungen zur Umwälzung eines Kühlmediums und/oder Erregereinrichtungen des Läufers.

Dabei wird nunmehr der Läufer durch den Kühlkreislauf gekühlt, wobei der Kühlkreislauf im wesentlichen durch die axialen Kühlkanäle sowie den Luftspalt und der Rückführung der Kühlluft durch das Läuferrohr gebildet wird. Die Verluste des Ständers werden dabei entweder über den Luftspalt zum Läufer oder radial nach außen über das Blechpaket des Ständers abgeführt.

Vorteilhafterweise ist das Blechpaket des Ständers von einem Kühlmantel umgeben, der die Kühlung des Ständers übernimmt. Der Kühlmantel weist schraubenförmig verlaufende und/oder mäanderförmige Kühlkanäle auf, die vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmedium insbesondere Wasser durchströmt sind. Als Kühlmedium sind aber ebenso gasförmige Kühlmedien, wie z.B.

Luft denkbar. Der Kühlmantel wird auf das Blechpaket des Ständers vorzugsweise geschrumpft, so dass eine mechanisch feste Verbindung zwischen Blechpaket des Ständers und Kühlmantel entsteht. Diese Verbindung stellt außerdem eine gut wärmeleitfähige Verbindung zwischen Blechpaket des Ständers und Kühlmantel dar, die gegebenenfalls durch Wärmeleitpaste noch verbessert werden kann.

Der Ständer mit Kühlmantel wird vorteilhafterweise in eine Gehäusetragstruktur eingeschrumpft, wobei das Blechpaket des Ständers keine Kühlschlitze aufweist. Die Kühlung des Läufers und in vorteilhafter Weise der Ständerwickelköpfe und gegebenenfalls weiterer Funktionsteile der elektrischen Maschine, wie z.B. Erregermaschine oder Schleifringanordnung erfolgt über ein inneres geschlossenes Belüftungssystem. Dabei wird als gasförmiges Kühlmittel vorzugsweise Luft eingesetzt. Damit ist das Eindringen von Teilchen in die elektrischen Maschine, die grundsätzlich eine Betriebsgefährdung darstellen, ausgeschlossen.

Um eine Vergleichmäßigung der Kühlwirkung innerhalb der geschlossenen Maschine zu erhalten, sind Luftleitelemente angeordnet, die eine gleichmäßige Aufteilung des Kühlluftstroms auf die zu kühlenden Teile gewährleisten. Das Kühlmittel nimmt bei der im wesentlichen axialen Durchströmung des Läufers die Verluste des Läufers, der Wickelköpfe des Ständers und eventuell weiterer Funktionsteile auf. Dieses nunmehr erwärmte Kühlmittel wird bei Rückführung über Durchtrittsöffnungen des Läuferrohrs z.B. axiale Kanäle innerhalb oder unterhalb des Läuferjochs über einen im Läuferrohr befindlichen Wärmetauscher geführt. Dort erfolgt eine Rückkühlung des umgewälzten Kühlmediums, wobei unmittelbar an der elektrischen Maschine angeordnete Fremdlüfter vorzugsweise Radiallüfter für die Umwälzung des Kühlmediums sorgen. Damit ist eine kompakte Bauweise der elektrischen Maschine bei ausreichender Kühlung gewährleistet.

Die Wärmetauscher die vorzugsweise als Ringwärmetauscher ausführbar sind, befinden sich stationär innerhalb des Läuferrohrs, d.h. bei Betrieb der elektrischen Maschine dreht sich der Wärmetauscher nicht. Die Fremdlüfter sind in Umfangsrichtung betrachtet an vorgegebenen Stellen der elektrischen Maschine angeordnet um eine Vergleichmäßigung des geförderten Kühlluftstroms innerhalb der Maschine zu gewährleisten.

Bei Asynchronmaschinen sind vorteilhafterweise zusätzliche axiale Kühlkanäle im Bereich des Blechpaketes des Läufers vorgesehen, um dieses Blechpaket zusätzlich mit Kühlluft zu versorgen.

Durch Integration des Wärmetauschers und weiterer Funktionsteile wie Erregermaschine oder Schleifringe innerhalb des Läuferrohres wird der vorhandene Bauraum optimal genutzt. Die Ausbildung des Kühlmantels erfolgt ausschließlich zur Wärmeübertragung und greift nicht in die mechanisch hochbelastete Struktur von Ständer und Gehäuse ein. Damit ist für ausreichende Entwärmung des Ständers gesorgt, bei ausreichend hoher Festigkeit der Tragstruktur.

Durch die Radiallüfter, die am Umfang der elektrischen Maschine nach vorgebbaren Kriterien verteilt angeordnet sind, wird der innere Druckabfall innerhalb der elektrischen Maschine überwunden und ein vergleichmäßigter Kühlmittelstrom am Umfang der Maschine erreicht.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 bis 3 Längsschnitte erfindungsgemäßer elektrischer Maschinen
1 zeigt eine geschlossene elektrische Maschine 1 mit einem Gehäuse 2, in das Öffnungen 14, 15 zum Kühlmedien Ein- und Auslass des Kühlmantels 3 vorgesehen sind. Der Kühlmantel 3 umgibt in Umfangsrichtung den Ständer 4, der geblecht ausgeführt ist und an seinen Stirnseiten die Wickelköpfe 10 aufweist. Ein Läufer 5 befindet sich auf einem Läuferrohr 6, das über eine Tragkonstruktion 23 mit der Nabe 7, die auf eine Welle 8 aufgeschrumpft ist, verbunden ist. Durch axiale Öffnungen 21 des Läufers 5 und Öffnungen 22 in der Tragkonstruktion 23 ergibt sich ein geschlossener Kühlkreislauf innerhalb der elektrischen Maschine 1, wie durch die die Luftströmung angedeuteten Pfeile.
Der geschlossene Kühlkreislauf weist unter anderem einen Wärmetauscher 9 auf, der zur Rückkühlung des umgewälzten Kühlmediums dient. Die Umwälzung erfolgt im wesentlichen durch Fremdlüfter 12 und/oder natürliche Konvektion. Die Fremdlüfter 12 sind insbesondere als Radiallüfter ausgeführt. Vorteilhafterweise sind dabei in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine 1 mehrere Fremdlüfter 12 in vorgebbarer Art und Weise angeordnet. Dies dient der Vergleichmäßigung des Kühlluftstroms. Der umgewälzte Kühlluftstrom tritt durch die Eintrittsöffnung 13 in die elektrische Maschine 1 ein und trifft dort auf Luft-Leitelemente 11, die zur weiteren Vergleichmäßigung des Kühlluftstroms beitragen. Diese Vergleichmäßigung führt zu einem Kühlluftstrom, der u.a. über die Wickelköpfe führt und somit dort zu einer gezielten Kühlung führt.
2 zeigt in Ergänzung zu 1 weitere Elemente innerhalb des Läuferrohres 6 die mitgekühlt werden, so ist insbesondere eine Erregermaschine 16 dargestellt.
3 zeigt eine Schleifringanordnung 17 innerhalb des Läuferrohrs 6 durch die ebenfalls zumindest ein Teil des Kühlluftstroms geführt wird.
Sämtliche radial innerhalb des Läuferrohrs 6 befindliche Elemente die Wärmetauscher, Schleifringanordnung 17, Erregermaschine 16 sind bezüglich des Läuferrohrs 6 stationär angeordnet, d.h. im Betrieb der elektrischen Maschine drehen sie sich nicht mit.
Durch Integration der Fremdlüfter 12 in die elektrische Maschine kann eine weitere Verringerung des Bauvolumens der elektrischen Maschine erreicht werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird insbesondere bei Windkraftanlagen als Generator und bei Gondelantrieben von Schiffen als Motor eingesetzt.
Die elektrische Maschine ist außerdem überall dort einzusetzen, wo es auf ein ungünstiges Masse/Volumen Verhältnis ankommt, das eine ausreichende Kühlung der elektrischen Maschine auch auf beengtem Bauraum gewährleistet.

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem Ständer (4) und einem Läufer (5), mit magnetfeldführenden und magnetfeldbildenden Mitteln, wobei lediglich der Läufer (5) axial durchgehende Kühlkanäle aufweist, die zumindest einen Teil eines geschlossenen Kühlkreislaufs bilden, mit einem Läuferrohr (6), das sich auf einer Welle (8) befindet, sowie Funktionsteile (12, 16, 17) zum Betrieb der elektrischen Maschine (1), wie z.B. Fördereinrichtungen zur Umwälzung eines Kühlmediums (12) und/oder Erregereinrichtungen 16) des Läufers (5).
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (4) einen ihn zumindest teilweise umgebenden Kühlmantel (3) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (3) schraubenförmig und/oder mäanderförmige Kühlkanäle aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) einen geschlossenen Kühlluftkreislauf aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf der Eintrittsseite (13) der Kühlluft in die elektrische Maschine (1) Luft-Leitelemente (11) vorhanden sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühler der umgewälzten Luft zumindest ein Wärmetauscher (9) im Läuferrohr (8) vorhanden ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (9) bezüglich des Läuferrohrs (8) stationär angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (9) als Ringwärmetauscher ausgeführt ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft durch zumindest einen Radiallüfter umwälzbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlenden Elemente Wickelköpfe (10), Läufer (5) und eventuelle weitere Funktionsteile (16,17) sind.
Anwendung einer elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, bei Windkraftanlagen und bei Gondelantrieben für Schiffe.