DE10310307A1

DE10310307A1 - Elektrische Maschine mit integrierter leistungselektronischer Einrichtung

Info

Publication number: DE10310307A1
Application number: DE10310307A
Authority: DE
Inventors: Oliver Drubel; Reinhard Joho
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2003-10-02
Also published as: US20030193249A1; JP2003274608A; JP4272906B2; US7633195B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10) mit einem Rotor (12) und einem Stator (11), die innerhalb eines Maschinengehäuses (23) angeordnet sind und durch wenigstens einen Kühlkreislauf (16A, 16B) gekühlt werden, sowie mit Leistungshalbleitern, die Teil einer zur elektrischen Maschine (10) gehörenden leistungselektronischen Einrichtung (18) sind, und die in dem Maschinengehäuse (23) untergebracht sind und durch Kühlmittel (19, ..., 21) gekühlt werden. Bei einer solchen Maschine wird eine flexible Anordnung und Kühlung der leistungselektronischen Einrichtung (18) dadurch erreicht, dass die Kühlungsmittel (19, ..., 21) von dem wenigstens einen Kühlkreislauf (16A, 16B) des Rotors (12) und Stators (11) unabhängig ausgebildet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft eine elektrische Maschine mit integrierter leistungselektronischer Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Eine solche elektrische Maschine in Form eines Generators mit integrierter Frequenzanpassungsvorrichtung ist beispielsweise aus der EP-B1-0 707 372 bekannt.
Durch die Integration von den mit einer elektrischen Maschine zusammenwirkenden leistungselektronischen Bauteilen (Dioden, Thyristoren, IGBTs etc.) und Einrichtungen (Frequenzumrichter etc.) in die elektrische Maschine lässt sich die Komplexität des Gesamtsystems Maschine-leistungselektronische Einrichtung deutlich verringern. Da die integrierten Bauteile aufgrund ihrer Verlustleistung Wärme erzeugen, und die Maschine selbst in erheblichem Umfang Wärme erzeugt, muss dafür Sorge getragen werden, dass die Wärme in allen Betriebssituationen sicher und effektiv abgeführt wird.
Bei kleinen elektrischen Maschinen, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, reicht es zur Kühlung der integrierten Elektronik aus, die Leistungshalbleiter auf einem Kühlkörper anzuordnen, der in direktem Kontakt mit der Innenwandfläche des Statorträgers steht (siehe dazu die DE-A1-199 45 368).
Ist die elektrische Maschine selbst mit einer aktiven Kühlung ausgerüstet, ist es möglich, die integrierte Leistungselektronik so anzuordnen, dass sie vom Kühlmedium der Maschinenkühlung durchströmt und gekühlt wird. Bei einem Standard- oder Normmotor mit integriertem Frequenzumrichter und Lüfterkühlung kann das Umrichtermodul an der Lüfterhaube befestigt oder in einer Lüfterhaube integriert sein (siehe dazu die EP-A1-0 812 052). Bei einem grösseren mehrphasigen Generator kann der integrierte Frequenzumrichter so im Maschinengehäuse untergebracht sein, das zumindest Teile des Umrichters im Strom des Kühlfluid-Kreislaufs des Generators angeordnet sind (siehe dazu die EP-B1-0 707 372).
Nachteilig ist bei diesen bekannten Arten der Kühlung der integrierten leistungselektronischen Einrichtungen, dass die Anordnung der zu kühlenden Bauteile in der Maschine nicht frei wählbar ist, und dass - im Falle der Integration in den Kühlkreislauf der Maschine - die Kühlung der leistungselektronischen Einrichtung von der Kühlung der Maschine abhängig ist und nicht ohne weiteres den zum Teil abweichenden Anforderungen angepasst werden kann. So ist es nicht möglich, für die Kühlung der leistungselektronischen Einrichtung ein anderes Kühlfluid einzusetzen als es im Kühlkreislauf der Maschine verwendet wird. Auch können Probleme dadurch entstehen, dass während des Anlaufens der Maschine die leistungselektronische Einrichtung bereits voll gekühlt werden muss, die (drehzahlabhängige) Kühlung der Maschine aufgrund der niedrigen Drehzahl aber noch nicht ausreichend Kühlleistung zur Verfügung stellt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit integrierter leistungselektronischer Einrichtung so zu gestalten, dass die Nachteile bekannter Lösungen vermieden werden, und dass insbesondere hinsichtlich der Anordnung der leistungselektronischen Einrichtung in der Maschine und ihrem Kühlbetrieb eine wesentlich grössere Flexibilität erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Kühlung der leistungselektronischen Einrichtung bzw. der zugehörigen Leistungshalbleiter von dem Kühlkreislauf des Rotors und Stators der Maschine unabhängig auszubilden. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die Leistungshalbleiter innerhalb des Maschinengehäuses optimal zu plazieren und die Kühlung unabhängig vom Betriebszustand der Maschine auszulegen und zu führen.
Bevorzugt gilt dies bei Maschinen, bei denen die leistungselektronische Einrichtung ein Umrichter, insbesondere ein Frequenzumrichter, ist.
Besonders viele Vorteile ergeben sich, wenn die elektrische Maschine ein Generator ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Wicklung umfasst, und dass die Leistungshalbleiter zumindest teilweise in die Wicklung integriert sind.
Besonders flexibel lässt sich die Maschine auslegen, wenn gemäss einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Kühlungsmittel wenigstens einen eigenständigen Kühlkreislauf umfassen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer stark schematisierten Darstellung eine elektrische Maschine mit integrierter leistungselektronischer Einrichtung und separatem Kühlkreislauf gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine elektrische Maschine mit integrierter leistungselektronischer Einrichtung, von der Teile in die Wicklung integriert sind und mit separaten Kühlkreisläufen gekühlt werden; und
Fig. 3 in einer zu Fig. 1 vergleichbaren Darstellung eine elektrische Maschine mit integrierter leistungselektronischer Einrichtung, von der Teile in die Wicklung integriert sind, wobei die Wärme mittels Heat Pipes abgeführt wird.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist in einer stark schematisierten Darstellung eine elektrische Maschine 10 mit integrierter leistungselektronischer Einrichtung und separatem Kühlkreislauf 21 gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die elektrische Maschine 10 ist beispielsweise ein Generator grosser Leistung, wie er in Kraftwerken Anwendung findet. Die elektrische Maschine 10 ist in einem nach aussen geschlossenen Maschinengehäuse 23 untergebracht. Sie umfasst einen um eine Achse 22 drehbaren Rotor 12, der konzentrisch von einem Stator 11 mit einer Wicklung 13 umgeben ist. Auf der Rotorwelle des Rotors 12 sind auf beiden Seiten des Rotors 12 Ventilatoren 14, 15 angeordnet, die im Betrieb der Maschine zur Abfuhr der in Rotor 12 und Stator 11 entstehenden Wärme ein Kühlfluid (Luft oder ein anderes Gas) in einem Kühlkreislauf oder in mehreren Kühlkreisläufen 16A, 16B zirkulieren lassen. Es versteht sich von selbst, dass diese Kühlung wegen der mit dem Rotor 12 gekoppelten Ventilatoren 14, 15 eine starke Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl hat.
In einem freien Raum 17 innerhalb des Maschinengehäuses 23 ist als leistungselektronische Einrichtung ein Umrichter 18 angeordnet, der diverse Leistungshalbleiter (angedeutet durch das Diodensymbol in Fig. 1) enthält. Die Kühlung dieses Umrichters 18 erfolgt nun über einen eigenständigen Kühlkreislauf 21, der in Fig. 1 durch die strich-punktierten geschlossenen Kreisläufe mit Richtungspfeil angedeutet ist. Der Kühlkreislauf 21 kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Im Beispiel der Fig. 1 enthält er einen motorangetriebenen Ventilator 19 sowie einen Wärmetauscher (Kühler) 20, in dem die Wärme aus dem Kühlkreislauf 21 entnommen und nach draussen abgegeben wird. Es versteht sich von selbst, dass auf den Wärmetauscher 20 verzichtet werden kann, wenn der Umrichter 18 mit einfacher Umgebungsluft gekühlt wird. Durch den von den Kühlkreisläufen 16 A, 16B unabhängigen Kühlkreislauf 21 ist es möglich, die Kühlung des Umrichters 18 den durch den Umrichterbetrieb gegebenen Anforderungen anzupassen. Darüber hinaus kann der Umrichter 18 mit seinem Kühlkreislauf 21 innerhalb des Maschinengehäuses 23 ohne Rücksicht auf die Maschinenkühlung optimal plaziert werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 wiedergegeben. Hier sind Teile der leistungselektronischen Einrichtung in Form von einzelnen Leistungshalbleitern 24, 25 in die Wicklung 13 der elektrischen Maschine 10 integriert (in Fig. 2 angedeutet durch das Diodensymbol, das direkt mit der Wicklung des Stators verbunden ist). Den integrierten Leistungshalbleitern 24, 25 sind in diesem Fall ebenfalls eigene Kühlkreisläufe 30, 31 zugeordnet, die - wie in Fig. 1 - einen motorisch angetriebenen Ventilator 26, 27 und einen Wärmetauscher (Kühler) 28, 29 enthalten können. Die Ventilatoren 26, 27 - wie auch der Ventilator 19 in Fig. 1 - können an eine eigenständige Steuerung angeschlossen sein, welche den Kühlprozess für die leistungselektronische Einrichtung und deren Teile unabhängig von der Maschinenkühlung steuert.
Es ist aber auch denkbar, die in die Wicklung 13 integrierten Leistungshalbleiter 24, 25 nicht direkt in einen Kühlkreislauf einzubinden, sondern - wie in Fig. 3 gezeigt - an Flüssigkeitskreisläufe oder Heat Pipes 32, 33 anzukoppeln, in denen in bekannter Weise die Wärme aus dem freien Raum 17 heraustransportiert oder an einen an anderer Stelle angeordneten Kühlkreislauf abgegeben wird.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine elektrische Maschine, die sich durch folgende Eigenschaften und Vorteile auszeichnet:

- Dadurch, dass die leistungselektronischen Bauteile nicht direkt im Kühlkreislauf des Kühlfluids der Maschine liegen, kann die Kühlung den Bedürfnissen dieser Teile, getrennt von der Kühlung der Maschine, angepasst werden. So ist z. B. die Wahl eines unterschiedlichen Kühlfluids möglich.
- Die Lage der Bauteile ist nicht durch den Kühlkreislauf des Kühlfluids der Maschine bzw. der Wicklung bestimmt.
- Die leistungselektronischen Bauteile können während des Anlaufes der Maschine bereits gekühlt werden, während die elektrische Maschine aufgrund der niedrigen Drehzahl noch nicht ausreichend gekühlt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

11

12

13

14

15

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

Claims

1. Elektrische Maschine (10) mit einem Rotor (12) und einem Stator (11), die innerhalb eines Maschinengehäuses (23) angeordnet sind und durch wenigstens einen Kühlkreislauf (16A, 16B) gekühlt werden, sowie mit Leistungshalbleitern (24, 25), die Teil einer zur elektrischen Maschine (10) gehörenden leistungselektronischen Einrichtung (18) sind, und die in dem Maschinengehäuse (23) untergebracht sind und durch Kühlungsmittel (19, . ., 21; 26, . ., 31; 32, 33) gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungsmittel (19, . ., 21; 26, . ., 31; 32, 33) von dem wenigstens einen Kühlkreislauf (16A, 16B) des Rotors (12) und Stators (11) unabhängig ausgebildet sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Einrichtung (18) ein Umrichter, insbesondere ein Frequenzumrichter, ist.

3. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) ein Generator ist.

4. Elektrische Maschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Maschine (10) eine Wicklung (13) umfasst, und dass die Leistungshalbleiter (24, 25) zumindest teilweise in die Wicklung (13) integriert sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungsmittel Flüssigkeitskreisläufe oder Heat Pipes (32, 33) umfassen, welche Wärme von den Leistungshalbleitern (24, 25) nach aussen abführen.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungsmittel wenigstens einen eigenständigen Kühlkreislauf (21, 30, 31) umfassen.