DE1191901B

DE1191901B - Arrangement for cooling closed electrical machines by means of Peltier elements

Info

Publication number: DE1191901B
Application number: DES88342A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Heinz Nacke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-11-20
Filing date: 1963-11-20
Publication date: 1965-04-29

Description

Anordnung zur Kühlung geschlossener elektrischer Maschinen mittels Peltierelementen In elektrischen Maschinen treten während des Betriebes durch die Erwärmung Verluste auf, die mit steigender Belastung zunehmen. Die Verlustwärme fließt über Wärmewiderstände an ein Kühlmittel ab, das gasförmig oder flüssig sein kann, wenn die Wärmequelle gegenüber dem Kühlmittel eine bestimmte übertemperatur hat. Diese übertemperatur ist proportional dem Produkt aus Verlustwärme und Wärmewiderstand. Die zulässige Übertemperatur ist bei Maschinen mit herkömmlicher Kühlung durch die zulässige Temperatur der in der Maschine verwendeten Isolierstoffe begrenzt. Sie ist durch die Differenz zwischen dieser zulässigen Temperatur der Isolierstoffe und der maximal möglichen Kühlmitteltemperatur bestimmt. Da die Wännewiderstände in einer Maschine durch die Konstruktion gegeben sind und daher festliegen, ist die abführbare Verlustwärme der zulässigen übertemperatur proportional. Aus wirtschaftlichen Gründen werden die Maschinen üb- licherweise so ausgelegt, daß bei Nennleistung die Verluste in der Wicklung, die die wärmste Stelle der Maschine darstellt, die zulässige Grenztemperatur hervorrufen.Arrangement for cooling closed electrical machines by means of Peltier elements In electrical machines, losses occur due to heating during operation, which increase with increasing load. The heat loss flows through thermal resistances to a coolant, which can be gaseous or liquid if the heat source has a certain excess temperature compared to the coolant. This excess temperature is proportional to the product of heat loss and thermal resistance. The permissible excess temperature for machines with conventional cooling is limited by the permissible temperature of the insulating materials used in the machine. It is determined by the difference between this permissible temperature of the insulating materials and the maximum possible coolant temperature. Since the thermal resistances in a machine are given by the construction and are therefore fixed, the dissipated heat loss is proportional to the permissible excess temperature. For economic reasons, the machines are usually designed in such a way that at nominal power the losses in the winding, which is the warmest part of the machine, cause the permissible limit temperature.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Kühlung der Wicklungen elektrischer Maschinen die in die Wicklungen eingefügten und aus diesen herausgeführten Kühlfahnen als Peltier-Elemente auszuführen und diese einem Kühlmittelstrom auszusetzen. Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Kühlung elektrischer Maschinen, bei der erfindungsgemäß bei geschlossenen elektrischen Maschinen, die in an sich bekannter Weise mit einem äußeren gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel gekühlt werden, die warmen Kontaktkörper der Peltier-Elemente in dem Weg des äußeren Kühlmittels und die kalten Kontaktkörper der Peltier-Elemente im Wege der von der Maschine erzeugten Wärmeströmung liegen. Bei Maschinen mit einem gasförinigen oder flüssigen, im Motorraum umlaufenden Zwischenkühlmittel liegen die kalten Kontaktkörper der Peltier-Elemente im Wege des Zwischenkühlmittels. Bei den in den Unteransprüchen zum Ausdruck gebrachten zweckmäßigen Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung werden auch Mittel und Maßnahmen benutzt, die bereits bei der herkömmlichen Kühltechnik üblich sind. Bei dieser herkömmlichen Kühltechnik wird allerdings von Peltier-Elementen nicht Gebrauch gemacht.It has already been proposed to use electrical cooling for the windings Machines the cooling vanes inserted into and out of the windings to be designed as Peltier elements and to expose them to a flow of coolant. In contrast the invention relates to an arrangement for cooling electrical machines, in the case of the invention in closed electrical machines, which in per se known manner cooled with an external gaseous or liquid coolant the warm contact body of the Peltier elements in the path of the external coolant and the cold contact bodies of the Peltier elements by way of the ones generated by the machine Heat flow. For machines with a gas or liquid, in the engine compartment The cold contact bodies of the Peltier elements lie around the circulating intermediate coolant by way of the intermediate coolant. With those expressed in the subclaims expedient developments of the subject matter of the invention are also means and Measures used that are already common with conventional cooling technology. at However, this conventional cooling technology is not used by Peltier elements made.

Bekanntlich bestehen die Peltier-Elemente aus zwei verschiedenen, von einem Gleichstrom durchflossenen, miteinander verlöteten Leitern, deren Lötstellen sich je nach Stromrichtung abkühlen oder erwärmen. Die erzielbare Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Lötstelle hängt von der Thermospannung ödes Leitermaterials ab. Eine größere Anzahl von in Reihe geschalteten Peltier-Elementen können zu einem Block zusammengefaßt werden.As is known, the Peltier elements consist of two different conductors through which a direct current flows and which are soldered to one another, the soldering points of which cool or heat up depending on the direction of the current. The achievable temperature difference between the cold and the warm solder joint depends on the thermal voltage of the barren conductor material. A larger number of Peltier elements connected in series can be combined to form a block.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den F i g. 1 bis 4 der Zeichnung dargestellt.Embodiments of the invention are shown in FIGS. 1 to 4 of the drawing.

Die F i g. 1 zeigt eine röhrengekühlte elektrische Maschine. In dem aus dem zylindrischen Mantel 1 und den Lagerschilden 2 und 3 bestehenden Gehäuse sind das Ständerblechpaket 4 mit der Wicklung 5 und das Läuferblechpaket 6 mit der Wicklung 7 eingebaut. Das Ständerblechpaket 4 ist von einem Rohrsystem 8 umgeben, durch das die von einem Außenlüfter 9,durch Öffnungen 10 einer Abdeckung 11 angesaugte Außenluft strömt. Im Inneren der Maschine ist ein Innenlüfter 12 angeordnet, der die Innenluft im Umlauf hält, die zwischen den Kühlrohren 8 und entlang dem Gehäusemantel 1 und dem Ständerblechpaketrücken strömt. Auf derdem Lüfter abgekehrten Stirnseite der Maschine verläßt die Innenluft den Kühler und teilt sich in verschiedene parallelgeführte Teilströme auf, die das ganze Wärmequellengebiet im Ständer und Läufer durchziehen, insbesondere über die Wickelköpfe 5 und 7 strömen. Die Rohre 8 sind auf ihrer nahezu ganzen Länge mit Peltier-Elementen bestückt. Sie sind so angeordnet, daß die kalten Kontaktkörper an die vom Innenlüfter durchströmten Kanäle 14 und 15 angrenzen, während die warmen Kontaktkörper an den Rohren 8 anliegen. Es werden also einerseits die Innenluft durch die kalten Kontaktkörper der Peltier-Elemente und andererseits die warmen Kontaktkörper der Elemente durch idie Außenluft abgekühlt. Die Temperatur des Zwischenkühlmittels wird damit gegenüber der Temperatur des äußeren Kühlmittels abgesenkt, die Übertemperatur und das Wärinegefälle in der Maschine werden erhöht. Die F i g. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einer oberflächengekühlten Maschine. Hier ist der äußere Gehäusemantel 16 zum Teil als mit Peltier-Elementen 17 bestückter Kühler mit inneren und äußeren Kühlrippen ausgebildet, wobei die äußeren Kühlrippen 18 von den warmen Kontaktstellen und die inneren Kühlrippen 19 von den kalten Kontaktstellen gebildet sind. Entlang den äußeren Kühlrippen 18 strömt die von dem Außenlüfter 20 angesaugte Außenluft und entlang den Innenrippen 19 der vom Innenlüfter bewegte, kreislaufförmig geführte Innenluftstrom.The F i g. 1 shows a tube-cooled electrical machine. The laminated stator core 4 with the winding 5 and the laminated rotor core 6 with the winding 7 are installed in the housing consisting of the cylindrical jacket 1 and the end shields 2 and 3. The stator core 4 is surrounded by a pipe system 8 through which the outside air drawn in by an external fan 9 through openings 10 of a cover 11 flows. Inside the machine, an internal fan 12 is arranged, which keeps the internal air in circulation, which flows between the cooling tubes 8 and along the housing jacket 1 and the back of the stator core. On the face of the machine facing away from the fan, the inside air leaves the cooler and is divided into various parallel partial flows that run through the entire heat source area in the stator and rotor, in particular through the end windings 5 and 7 . The tubes 8 are equipped with Peltier elements over almost their entire length. They are arranged in such a way that the cold contact bodies adjoin the channels 14 and 15 through which the internal fan flows, while the warm contact bodies lie against the tubes 8 . On the one hand, the inside air is cooled by the cold contact bodies of the Peltier elements and, on the other hand, the warm contact bodies of the elements are cooled by the outside air. The temperature of the intermediate coolant is thus reduced compared to the temperature of the external coolant, the excess temperature and the heat gradient in the machine are increased. The F i g. Figure 2 shows the application of the invention to a surface-cooled machine. Here, the outer housing jacket 16 is partially designed as a cooler equipped with Peltier elements 17 with inner and outer cooling fins, the outer cooling fins 18 being formed by the warm contact points and the inner cooling fins 19 being formed by the cold contact points. The outside air sucked in by the outside fan 20 flows along the outer cooling fins 18 and the inside air flow, which is circulated and moved by the inside fan, flows along the inside fins 19.

Für die Rückkühlung des Zwischenkühlmittels kann auch ein von der Maschine getrennt aufgestellter Rückkühler verwendet werden. In diesem Falle ist, wie aus F i g. 3 hervorgeht, der Rückkühler 22 mit Peltier-Elementen 23 ausgerüstet. Sie sind mit der Rohrleitung 24 zusammengebaut, durch die die Innenluft des Motors 25 strömt. Die warmen Kontaktstellen der Elemente werden wieder von dem durch die Leitungen 26 fließenden Außenkühlluftstrom gekühlt.A recooler set up separately from the machine can also be used to recool the intermediate coolant. In this case, as shown in FIG. 3 , the dry cooler 22 is equipped with Peltier elements 23 . They are assembled with the pipe 24 through which the internal air of the engine 25 flows. The warm contact points of the elements are again cooled by the external cooling air flow flowing through the lines 26.

Das Ständerblechpaket kann bei oberflächengekühlten Maschinen auch unmittelbar am Gehäusemantel anliegen, wobei die Verlustwärme im wesentlichen von innen nach außen an den Gehäusemantel wandert und von dort an die Außenluft abgegeben wird. Eine solche Maschinenausführung ist in der F i g. 4 dargestellt. Das Ständerblechpaket 27 liegt unmittelbar an dem mit Peltier-Elementen 28 bestückten Gehäusemantel 29 an, der auf der Außenseite Kühlrippen 30 hat. Ein Außenlüfter 31 bläst wiederum einen Kühlluftstrom entlang den Rippen. Die kalten Kontaktstellen der Peltier-Elemente stehen mit dem Ständerblechpaket in Verbindung, während die warmen Kontaktstellen die äußeren Kühlrippen bilden.In the case of surface-cooled machines, the stator core can also rest directly on the housing shell, the heat loss essentially migrating from the inside to the outside to the housing shell and from there being given off to the outside air. Such a machine design is shown in FIG. 4 shown. The stator core 27 rests directly on the housing jacket 29 equipped with Peltier elements 28 , which has cooling fins 30 on the outside. An external fan 31 in turn blows a flow of cooling air along the ribs. The cold contact points of the Peltier elements are connected to the stator core, while the warm contact points form the outer cooling fins.

Um eine dem Laststrom der Maschine proportionale Kühlung zu erzielen, können die Peltier-Elemente unmittelbar oder mittelbar in dem Ankerstromkreis der Maschine angeordnet werden.In order to achieve a cooling proportional to the load current of the machine, the Peltier elements can be directly or indirectly in the armature circuit of the Machine to be arranged.

Claims

Patent claim: 1. An arrangement for cooling electric machines by means of Peltier elements, d a d u rch in that when closed electrical machines, which are cooled in a conventional manner with an outer gasfönnigen or liquid coolant, the warm contact body of the Peltier elements in the path of the external coolant and the cold contact bodies of the Peltier elements are in the path of the heat flow generated by the machine.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that in machines with a gaseous or liquid intermediate coolant circulating inside the motor, the cold contact bodies of the Peltier elements are in the way of the intermediate coolant. 3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the tubes are equipped with Peltier elements when designed with tube cooling. 4. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that when designed with surface cooling, the housing jacket of the machine is equipped with Peltier elements, such that the cold contact body is swept by the intermediate coolant flow and the warm. The contact body forms the outer ribs swept by the outside air flow. 5. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that a structurally separate from the machine, through which the coolant flow of the machine flows, dry cooler is provided with Peltier elements. 6. The arrangement according to claim 1, characterized in that in a surface-cooled l # Iaschme with directly on the stator core adjacent housing shell of the jacket is equipped with Peltier elements ducks, such that the cold contact points on the Blechpal, -et and warn Kontalastellen form the outer ribs of the housing shell. 7. Anordnun- according spoke 1 to 6, characterized in that the Peltier elements are fed with a current proportional to the load current of the machine. Older patents considered: C German Patent No. 1166 920.