DE19908246A1

DE19908246A1 - Surface-cooled rotating electrical machine, has different coolant flow direction in input parts from that in output parts in intermediate rotor volume, and transport devices on rotor packet ends

Info

Publication number: DE19908246A1
Application number: DE19908246A
Authority: DE
Inventors: Joerg-Hinrich Krebs
Original assignee: Krebs & Aulich GmbH
Current assignee: Krebs & Aulich GmbH
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2000-08-31

Abstract

The machine has part of an intermediate volume in the rotor (2) that can be used as cooling channels in the form of a coolant feed and another part has a coolant outlet, so that the direction of flow of the coolant in the input parts is different from that in the output parts. Transport devices mounted on one or more rotor packet ends are connected to the input or output parts of the intermediate rotor volume and to a winding head volume (6,7).

Description

Die Erfindung betrifft oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Asynchronmaschinen hoher Leistungsdichte, deren Verlust wärme über die Oberfläche des Gehäuses abgeführt wird und deren Gehäu seausführung einen Stoffaustausch zwischen Gehäuseinnerem und -äußerem nahezu vollständig unterbindet.The invention relates to surface-cooled rotating electrical machines, especially asynchronous machines of high power density, their loss heat is dissipated over the surface of the housing and its housing Execution of a mass transfer between the interior of the housing and - almost completely prevents the outside.

Vergleicht man elektrische Maschinen unterschiedlicher geometrischer Grö ße und Maschinenleistung, aber gleichen Wirkprinzips und gleicher Aus nutzung und führt für den Vergleich einen Vergrößerungsfaktor k ein, der das Verhältnis der Abmessungen (Länge, Breite, Höhe, Durchmesser der Statorbohrung) beschreibt, so zeigt sich für wachsendes k ein quadratisches Wachstum der Maschinenoberfläche und ein kubisches Wachstum der Wellenleistung. Betrachtet man weiterhin die elektrische Maschine verein facht als homogenen Körper mit homogen verteilter Quelldichte der Verlust leistung, so wird deutlich, daß sowohl die Leistungsdichte des Wärmedurchganges als auch dessen Weglänge zum Erreichen der Gehäu seoberfläche mit dem Faktor k ansteigen. Bei gleichen Wärmedurchgangs- und -übergangskoeffizienten ergeben sich somit etwa um den Faktor k wachsende Temperaturdifferenzen innerhalb der Maschine.Comparing electrical machines of different geometrical sizes and machine performance, but the same principle of action and the same outcomes use and introduces a magnification factor k for the comparison, the the ratio of dimensions (length, width, height, diameter of the Stator bore), then a quadratic is shown for growing k Growth of the machine surface and a cubic growth of the Shaft power. If you continue to look at the electrical machine as a homogeneous body with a homogeneously distributed source density, the loss performance, it is clear that both the power density of the Heat transfer as well as its path length to reach the housing sea surface increase with the factor k. With the same heat transfer and transition coefficients thus result approximately by the factor k growing temperature differences within the machine.

Um auch bei oberflächengekühlten Maschinen großer Leistung das Tempe raturniveau unterhalb der werkstofflichen Grenzen zu halten, wird oft ein innerer Kühlkreislauf realisiert. Bezüglich der Ausführung solcher Kühl kreisläufe sind unterschiedliche Lösungen bekannt, deren gemeinsames Prinzip darauf beruht, axiale Kanäle sowohl in den Läufer als auch in das Statorgehäuse einzubringen, das Kühlmedium durch ein Gebläse umzuwäl zen und über erzwungen-konvektive Austauschvorgänge einen Wärme transport vom Läuferinneren in die Gehäusewandung zu ermöglichen. To keep the tempe even with surface-cooled machines of great performance Keeping the temperature level below the material limits is often a problem inner cooling circuit realized. Regarding the execution of such cooling circuits are known different solutions, their common Principle is based on axial channels both in the rotor and in the Insert stator housing, circulate the cooling medium through a fan zen and a warmth through forced-convective exchange processes to enable transport from the inside of the rotor into the housing wall.

Die Realisierung der axialen Kanäle im Gehäuse der Maschine erfordert jedoch sowohl bei geschweißten als auch bei gegossenen Gehäusen einen erheblichen konstruktiven und fertigungstechnischen Mehraufwand.The realization of the axial channels in the housing of the machine requires however, one for both welded and cast housings considerable constructive and manufacturing additional effort.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen inneren Kühlkreislauf zu realisie ren, ohne das Motorengehäuse zu verändern und/oder in seiner Herstel lung zu verteuern.The object of the invention is therefore to realize an internal cooling circuit without changing the motor housing and / or in its manufacture to make it more expensive.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine oberflächengekühlte rotierende elek trische Maschine erreicht, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruches ausgeführt ist, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung aus den Unteransprüchen ergeben.According to the invention, this is achieved by a surface-cooled rotating elec trical machine achieved according to the features of the claim is carried out, with advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß sich der innere Kühlkreislauf nicht über Kanäle im Gehäuse, sondern vollständig in den Läuferzwischen räumen und den Wickelkopfräuman schließt. Der Wärmetransport erfolgt nicht vom Läufer in den zylindrischen Gehäusemantel, sondern vom Läufer zum N-seitigen oder zu beiden Wickelkopfräumen und den dortigen Gehäu seelementen, so daß die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Be zugspunkten der Maschine wesentlich herabgesetzt wird und über den Einbezug der genannten Gehäuseelemente in die Oberflächenbelüftung der Maschine deren Übertemperaturniveau insgesamt gesenkt werden kann.The essence of the invention is that the internal cooling circuit not via channels in the housing, but completely in the runner between clear and closes the winding head space. The heat transfer takes place not from the rotor in the cylindrical casing, but from the rotor to the N-sided or to both winding head spaces and the housing there elements, so that the temperature difference between these two loading traction points of the machine is significantly reduced and over the Inclusion of the housing elements mentioned in the surface ventilation of the Machine whose overtemperature level can be reduced overall.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.In the following, the invention is to be illustrated using an exemplary embodiment and with Reference to the accompanying drawings will be explained.

Dabei zeigen die Zeichnungen inThe drawings show in

Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch eine rotierende elektri sche Maschine mit erfindungsgemäßer Innenkühlung und Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through a rotating electrical cal machine with internal cooling according to the invention and

Fig. 2 einen schematisierten Querschnitt durch die gleiche Maschine. Fig. 2 shows a schematic cross section through the same machine.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist die Maschine u. a. folgende Bestandteile auf:
D-seitiges Lagerschild 1, Läufer 2, Radialgebläse 3, N-seitiges Lagerschild 4, Lüfter 5, Wickelkopfräume 6 und 7, Läuferkanäle 8.Referring to FIG. 1 and 2, the machine includes, among others, the following constituents:
D-side bearing plate 1 , rotor 2 , radial blower 3 , N-side bearing plate 4 , fan 5 , winding head spaces 6 and 7 , rotor channels 8 .

Der Läufer 2 besitzt axiale Zwischenräume oder Läuferkanäle 8, die in zwei Gruppen aufgeteilt sind. Die eine Gruppe der Läuferkanäle 8 ist auf der N- Seite des Läufers 2 mit einem sich an das Läuferpaket anschließenden Ra dialgebläse 3 verbunden und endet auf der D-Seite im Wickelkopfraum 7. Das Radialgebläse 3 ist im vorliegenden Beispiel so gestaltet, daß jeder zweite der axialen Läuferkanäle 8 einen an seiner N-Seite aufgesetzten Rohrstutzen besitzt, der bei Drehbewegung des Läufers 2 einen saugenden Kühlmitteltransport bewirkt. Die andere Gruppe der Läuferkanäle 8 hat Öff nungen zu den Wickelkopfräumen 6 und 7. Mit der Rotation des Läufers 2 setzt auch die Förderwirkung des Radialgebläses 3 ein, so daß sich ein Kühlmittelvolumenstrom ergibt; der sich über eine Gruppe der Läuferkanäle 8 und das Radialgebläse 3, den N-seitigen Wickelkopfraum 6, die andere Gruppe der Läuferkanäle 8 und den D-seitigen Wickelkopfraum 7 schließt. Sowohl in den Läuferkanälen 8 als auch an der Innenwandung von Gehäuse und Lagerschilden 6 und 7 ergibt sich ein konvektiver Wärmeaustausch, der entspechend der Zielstellung den Temperaturgradienten innerhalb der Ma schine wesentlich herabsetzt. Dies gilt insbesondere dann, wenn bei der Gestaltung der Eigen- oder Fremdbelüftung, z. B. mit einem Lüfter 5, darauf geachtet wird, insbesondere das sich diesbezüglich anbietende N-seitige Lagerschild 4 ausreichend mit dem Kühlmedium zu beaufschlagen.The rotor 2 has axial spaces or rotor channels 8 , which are divided into two groups. One group of the runner channels 8 is connected on the N side of the runner 2 to a Ra dial blower 3 connected to the runner package and ends on the D side in the end winding space 7 . The radial fan 3 is designed in the present example so that every second of the axial rotor channels 8 has a pipe socket attached to its N side, which causes the coolant to be transported by suction when the rotor 2 rotates. The other group of rotor channels 8 has openings to the winding head spaces 6 and 7 . With the rotation of the rotor 2 , the delivery effect of the radial fan 3 also begins, so that a coolant volume flow results; which closes via a group of the runner channels 8 and the radial fan 3 , the N-side winding head space 6 , the other group of the runner channels 8 and the D-side winding head space 7 . Both in the rotor channels 8 and on the inner wall of the housing and end shields 6 and 7 , there is a convective heat exchange which, in accordance with the objective, significantly reduces the temperature gradient within the machine. This applies in particular if, when designing your own or forced ventilation, e.g. B. with a fan 5 , care is taken, in particular to apply the N-side shield 4 , which is appropriate in this regard, sufficiently with the cooling medium.

Als weitere Abwandlung dieser Anordnung kann ein zweites Gebläse auf der D-Seite des Läuferpaketes angebracht und mit der nicht an das N-seitige Radialgebläse 3 angeschlossenen Gruppe der Läuferkanäle 8 verbunden werden, um die Summe der Differenzdrücke und damit den umgewälzten Volumenstrom des Kühlmittels zu vergrößern.As a further modification of this arrangement, a second fan can be attached to the D side of the rotor package and connected to the group of rotor channels 8 not connected to the N-side radial fan 3 in order to increase the sum of the differential pressures and thus the circulated volume flow of the coolant .

Die erfindungsgemäße Gestaltung der rotierenden elektrischen Maschine mit kühlmitteldurchströmtem Läufer ist auch sehr gut für flüssigkeitsgekühlte Maschinen geeignet. The inventive design of the rotating electrical machine with a coolant-flowed rotor is also very good for liquid-cooled Suitable for machines.

Reference numerals

11

D-seitiges Lagerschild
D-side end shield

22nd

Läufer
runner

33rd

Radialgebläse
Radial fan

44th

N-seitiges Lagerschild
N-sided end shield

55

Lüfter
Fan

66

und and

77

Wickelkopfräume
Changing head rooms

88th

Läuferkanäle
Runner channels

Claims

1. Surface-cooled rotating electrical machine, having rotor spaces which can be used as cooling channels, characterized in that
that part of the spaces of the rotor ( 2 ) which can be used as cooling channels are designed as coolant supply and another part of the spaces are designed as coolant discharge,
wherein the direction of flow of the coolant in the supply parts differs from that in the discharge parts of the rotor spaces.

2. Surface-cooled rotating electrical machine according to claim 1, characterized in that at least one package end of the rotor ( 2 ) one or more conveyor devices are attached, on the one hand with either the leading or the laxative parts of the rotor spaces and on the other hand with the winding head space ( 6 and / or 7 ) are connected.

3. Surface-cooled rotating electrical machine according to claim 1 and 2, characterized by that one or more blowers is present as the conveying device or which are at one or both ends of the rotor pair ketes connects or connects.

4. Surface-cooled rotating electrical machine according to claim 3, characterized in that each space of the rotor ( 2 ) with a maximum of one fan is connected.

5. Surface-cooled rotating electrical machine according to claim 1 to 3, characterized in that the or the fan as a direction-independent or rotational direction-independent radial fan ( 3 ) is or are, which or which is respectively connected to the discharge channels or are.

6. Surface-cooled rotating electrical machine according to claim 1,. characterized by that at least one of the end shields of the electrical machine on the Ribbed inside and outside and open when coolant is applied the inside and the outside is suitable, a convective heat out to ensure exchange between the interior and exterior of the housing.

7. Surface-cooled rotating electrical machine according to claim 1, characterized by that the direction of flow opposes the coolant in the supply opposite to that in the laxative parts of the runner gaps runs.