DE212014000175U1

DE212014000175U1 - Electric turbo machine and energy converter

Info

Publication number: DE212014000175U1
Application number: DE212014000175.7U
Authority: DE
Original assignee: VISORC Oy
Current assignee: VISORC Oy
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-04-22
Anticipated expiration: 2024-08-22
Also published as: FI20130244A; AT15743U1; WO2015028708A1; FI11339U1

Abstract

Elektrische Turbomaschine (100) umfassend einen Stator (101), einen Rotor (102), um mit dem Stator magnetisch zu interagieren, und einen ersten Impeller (103), welcher direkt mit einem ersten Ende von dem Rotor verbunden ist, wobei der erste Impeller dafür geeignet ist, als eine Turbine zum Drehen des Rotors zu arbeiten, wobei der Rotor Permanentmagneten umfasst, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen, welcher einen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator durchdringt, und wobei der Stator umfasst: – eine Statorkernstruktur (104), welche eine Mehrzahl von Statorzähnen (111–113) und Statornuten umfasst, und – eine Statorwicklung, welche eine Mehrzahl von Statorspulen (105–110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite von jeder Statorspule ein Statornutabstand ist und jede von den Statorspulen derart angeordnet ist, dass nur einer von den Statorzähnen umgeben ist, um eine Länge von Statorwickelköpfen in einer axialen Richtung von dem Rotor zu minimieren.An electric turbomachine (100) comprising a stator (101), a rotor (102) to magnetically interact with the stator, and a first impeller (103) directly connected to a first end of the rotor, the first impeller is adapted to operate as a turbine for rotating the rotor, the rotor comprising permanent magnets for generating a magnetic flux which penetrates an air gap between the rotor and the stator, and wherein the stator comprises: a stator core structure (104) comprising a plurality of stator teeth (111-113) and stator slots, and - a stator winding comprising a plurality of stator coils (105-110), characterized in that a width of each stator coil is a stator slot spacing and each of the stator coils is so is arranged so that only one of the stator teeth is surrounded to minimize a length of Statorwickelköpfen in an axial direction of the rotor.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft allgemein elektrische Rotationsmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine elektrische Turbomaschine, welche dafür geeignet ist, als ein Turbogenerator von einem Energiewandler zu arbeiten.The invention relates generally to rotary electric machines. More particularly, the invention relates to an electric turbo-machine which is adapted to operate as a turbo-generator from an energy converter.

Hintergrundbackground

Elektrische Turbomaschinen, bei denen die Turbine direkt mit einem Rotor von einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, können in vielen verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel Hochgeschwindigkeitsturbokompressoren und Energiewandlern verwendet werden. Beispielsweise können kleinformatige Energiewandler basierend auf dem Organic Rankine Cycle ”ORC”-Prozess zur Umwandlung der thermischen Energie von Abwärme in Elektrizität verwendet werden, welche leicht für unterschiedliche Zwecke verwendet wird. Die Abwärme kann aus verschiedenen wärmeerzeugenden Prozessen oder wärmeerzeugenden Maschinen, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor, erhalten werden, wo aufgrund der Temperatur von der Abwärme und/oder aufgrund der Umstände der Umgebung die Abwärme als solche oder durch herkömmliche Wärmetauscher oder entsprechende Mittel nicht verwendet werden kann.Electric turbomachinery in which the turbine is directly coupled to a rotor of an electric machine can be used in many different applications, such as high speed turbocompressors and energy converters. For example, small scale energy converters based on the Organic Rankine Cycle "ORC" process can be used to convert thermal energy from waste heat to electricity, which is easily used for different purposes. The waste heat may be obtained from various heat-generating processes or heat-generating machines, such as an internal combustion engine, where, due to the temperature of the waste heat and / or environmental conditions, the waste heat can not be used as such or by conventional heat exchangers or equivalent means.

Es kann thermodynamisch gezeigt werden, dass der ORC-Prozess eine für diese Art von Energieumwandlung verwendbare Technik ist. Die Verdampfungswärme von organischem Arbeitsfluid ist beispielsweise im Verhältnis zu der Verdunstungswärme von Wasser niedrig und ihr spezifischer Enthalpieabfall in der Turbine ist klein und die Massenströmungsrate im Verhältnis zur Ausgangsleistung ist hoch, wobei es möglich ist, eine hohe Turbineneffizienz selbst in einem kleinen Kapazitätsbereich zu erreichen. Die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstechnologie, bei der die Turbine direkt mit einem Generator gekoppelt ist, welcher mit derselben Geschwindigkeit dreht und somit Hochfrequenzstrom erzeugt, hat es möglich gemacht, den Prozess in einer Weise weiter zu vereinfachen, dass beispielsweise ein bei herkömmlichen Prozessen erforderliches separates Untersetzungsgetriebe nicht benötigt wird.It can be shown thermodynamically that the ORC process is a technique that can be used for this type of energy conversion. For example, the heat of vaporization of organic working fluid is low relative to the heat of evaporation of water and its specific enthalpy drop in the turbine is small and the mass flow rate in relation to the output is high, whereby it is possible to achieve high turbine efficiency even in a small capacity range. The use of high-speed technology, in which the turbine is directly coupled to a generator which rotates at the same speed and thus generates high-frequency current, has made it possible to further simplify the process in such a way that, for example, a separate reduction gear required in conventional processes not is needed.

Die Publikation EP0090022 beschreibt einen Energiewandler, welcher einen Boiler, eine Radialturbine, einen Kondensator, eine Förderpumpe und einen Hochgeschwindigkeitsgenerator umfasst. Der Energiewandler kann ferner einen Rekuperator und eine Vorförderpumpe umfassen. Die thermische Energie, welche dem Boiler zugeführt wird, ist dazu eingerichtet, den Organic Rankine Cycle-Prozess zu erhalten, welcher den Generator antreibt und somit Elektrizität erzeugt. Die Radialturbine und die Förderpumpe sind direkt mit dem Rotor von dem Generator verbunden. Der Rotor ist durch dynamische Gaslager drehbar getragen, welche das organische Arbeitsfluid in gasförmiger Form verwenden. Die Rückfläche von der Radialturbine ist dazu angeordnet, als eine Anlagefläche von einem statischen Gasdrucklager zu dienen.The publication EP0090022 describes an energy converter that includes a boiler, a radial turbine, a condenser, a feed pump and a high-speed generator. The energy converter may further comprise a recuperator and a feed pump. The thermal energy supplied to the boiler is adapted to receive the Organic Rankine Cycle process, which drives the generator and thus generates electricity. The radial turbine and the delivery pump are directly connected to the rotor of the generator. The rotor is rotatably supported by dynamic gas bearings which use the organic working fluid in gaseous form. The rear surface of the radial turbine is arranged to serve as a bearing surface of a static gas pressure bearing.

Die Hochgeschwindigkeitstechnologie ist jedoch nicht frei von Herausforderungen. Eine von den Herausforderungen hängt mit der Tatsache zusammen, dass sich alle rotierenden Objekte während einer Drehbewegung verlagern. Jede Unwucht in der Masse von einem rotierenden Teil bewirkt eine Ablenkung, welche eine Resonanzschwingung bei bestimmten kritischen Geschwindigkeiten erzeugen kann, welche die Eigenfrequenzen von dem rotierenden Teil erregen. Um Probleme beispielsweise mit Lagern zu vermeiden besteht ein Bestreben, den rotierenden Teil von einem Hochgeschwindigkeitsturbogenerator so zu gestalten, dass die niedrigste kritische Geschwindigkeit während des Betriebs von dem Hochgeschwindigkeitsturbogenerator nicht überschritten wird, d. h., dass der rotierende Teil unterkritisch sein sollte anstelle überkritisch zu sein.However, high-speed technology is not free of challenges. One of the challenges is related to the fact that all rotating objects shift during a rotational movement. Any imbalance in the mass of a rotating part causes a deflection which can produce resonant vibration at certain critical speeds which excite the natural frequencies of the rotating part. To avoid problems with, for example, bearings, there is a desire to design the rotating part of a high-speed turbogenerator so that the lowest critical speed during operation is not exceeded by the high-speed turbogenerator; that is, the rotating part should be subcritical rather than supercritical.

ÜbersichtOverview

Das folgende stellt eine vereinfachte Übersicht dar, um ein grundlegendes Verständnis einiger Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen. Die Übersicht ist kein umfassender Überblick über die Erfindung. Sie ist weder dazu gedacht, Schlüsselelemente oder kritische Elemente der Erfindung zu identifizieren noch den Schutzbereich der Erfindung abzugrenzen. Die folgende Übersicht zeigt lediglich einige Konzepte der Erfindung in einer vereinfachten Form als Einleitung zu einer detaillierteren Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.The following is a simplified overview to provide a basic understanding of some embodiments of the invention. The overview is not a comprehensive overview of the invention. It is not intended to identify key elements or critical elements of the invention, nor to delineate the scope of the invention. The following overview merely shows some concepts of the invention in a simplified form as an introduction to a more detailed description of embodiments of the invention.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine neue elektrische Turbomaschine vorgesehen, welche dazu geeignet ist, beispielsweise aber nicht notwendigerweise als ein Hochgeschwindigkeitsturbokompressor oder als ein Hochgeschwindigkeitsturbogenerator von einem Organic Rankine Cycle ”ORC”-Energiewandler verwendet zu werden. Eine elektrische Turbomaschine gemäß der Erfindung umfasst einen Stator, einen Rotor, um mit dem Stator magnetisch zu interagieren, und einen Impeller, welcher direkt mit einem Ende von dem Rotor verbunden ist, wobei der Impeller dafür geeignet ist, als eine Turbine zum Drehen des Rotors zu arbeiten, wobei der Rotor Permanentmagneten umfasst, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen, welcher einen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator durchdringt, und wobei der Stator umfasst:

– eine Statorkernstruktur, welche eine Mehrzahl von Statorzähnen und Statornuten umfasst, und
– eine Statorwicklung, welche eine Mehrzahl von Statorspulen umfasst.

In accordance with the invention, a new electric turbo-machine is provided which is suitable, for example, but not necessarily to be used as a high-speed turbocompressor or as a high-speed turbogenerator of an Organic Rankine Cycle "ORC" energy converter. An electric turbomachine according to the invention comprises a stator, a rotor to magnetically interact with the stator, and an impeller directly connected to one end of the rotor, the impeller being suitable as a turbine for rotating the rotor wherein the rotor comprises permanent magnets for generating a magnetic flux which penetrates an air gap between the rotor and the stator, and wherein the stator comprises:

A stator core structure comprising a plurality of stator teeth and stator slots, and
A stator winding comprising a plurality of stator coils.

Die Breite von jeder Statorspule ist ein Statornutabstand und jede von den Statorspulen ist angeordnet, um nur einen von den Statorzähnen zu umgeben, um die Länge von den Statorwickelköpfen in der axialen Richtung von dem Rotor zu minimieren.The width of each stator coil is a stator slot spacing and each of the stator coils is arranged to surround only one of the stator teeth to minimize the length of the stator winding heads in the axial direction of the rotor.

Die kurzen Wickelköpfe ermöglichen es, dass der Rotor kürzer ist und somit können die Eigenfrequenzen von dem Rotor höher sein. Als logische Folge sind auch die kritischen Geschwindigkeiten, welche die Eigenfrequenzen des Rotors anregen, höher. Daher kann die Obergrenze von der Rotationsgeschwindigkeit erhöht werden, was wiederum die maximale Leistung der elektrischen Turbomaschine erhöht.The short windings allow the rotor to be shorter and thus the natural frequencies of the rotor can be higher. As a logical consequence, the critical velocities, which stimulate the natural frequencies of the rotor, are also higher. Therefore, the upper limit of the rotational speed can be increased, which in turn increases the maximum output of the electric turbo-machine.

In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschenderweise bemerkt worden, dass die Statorstruktur, bei der jede Statorspule um einen einzigen Statorzahn gewickelt ist, für eine elektrische Hochgeschwindigkeitsmaschine geeignet ist, bei der eine Turbine direkt mit dem Rotor von der elektrischen Maschine verbunden ist, obwohl die Verwendung von der oben erwähnten Statorstruktur in einer elektrischen Hochgeschwindigkeitsmaschine gegen die traditionellen Konstruktionsprinzipien ist, nach denen die Luftspalt-Harmonischen von der Magnetflussverteilung besser und besser minimiert werden sollten, wenn die Rotationsgeschwindigkeit erhöht wird.In connection with the present invention, it has surprisingly been noted that the stator structure in which each stator coil is wound around a single stator tooth is suitable for a high-speed electrical machine in which a turbine is directly connected to the rotor of the electric machine, although the Use of the above-mentioned stator structure in a high-speed electrical machine against the traditional design principles, according to which the air-gap harmonics should be better and better minimized by the magnetic flux distribution, as the rotational speed is increased.

Gemäß der Erfindung ist auch ein neuer Energiewandler vorgesehen, welcher vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise ein Organic Rankine Cycle ”ORC”-Energiewandler ist. Ein Energiewandler gemäß der Erfindung umfasst:

– einen Boiler bzw. einen Dampferzeuger oder Verdampfer, um ein Arbeitsfluid zu verdampfen,
– eine elektrische Turbomaschine zum Umwandeln von Energie, welche in dem verdampften Arbeitsfluid enthalten ist, in elektrische Energie,
– einen Kondensator zum Kondensieren des von der elektrischen Turbomaschine abgegebenen verdampften Arbeitsfluids, und
– ein Förderpumpensystem, um das kondensierte Arbeitsfluid zu dem Boiler zu pumpen.

According to the invention, a new energy converter is also provided, which is preferably, but not necessarily, an Organic Rankine Cycle "ORC" energy converter. An energy converter according to the invention comprises:

A boiler or evaporator or evaporator to evaporate a working fluid,
An electric turbomachine for converting energy contained in the vaporized working fluid into electrical energy,
A condenser for condensing the vaporized working fluid discharged from the electric turbo-machine, and
A feed pump system to pump the condensed working fluid to the boiler.

Die elektrische Turbomaschine von dem Energiewandler umfasst einen Stator, einen Rotor, um mit dem Stator magnetisch zu interagieren, und einen Impeller an einem Ende von dem Rotor, wobei der Impeller dafür geeignet ist, als eine Turbine zum Drehen des Rotors zu arbeiten, und wobei der Stator umfasst:

The electric turbo-machine of the energy converter includes a stator, a rotor to magnetically interact with the stator, and an impeller at one end of the rotor, the impeller being adapted to operate as a turbine for rotating the rotor, and wherein the stator includes:

Eine Anzahl von nicht beschränkenden und beispielhaften Ausführungsformen bzw. Ausführungsbeispielen der Erfindung sind in begleitenden abhängigen Ansprüchen beschrieben.A number of non-limiting and exemplary embodiments of the invention are described in the accompanying dependent claims.

Verschiedene beispielhaften Ausführungsformen bzw. Ausführungsbeispiele der Erfindung sowohl hinsichtlich der Konstruktionen als auch Verfahren des Betriebs, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon werden am besten aus der folgenden Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.Various exemplary embodiments of the invention, both as to the structures and methods of operation, together with further objects and advantages thereof, will be best understood from the following description of specific embodiments when read in conjunction with the accompanying drawings.

Die Verben „zu umfassen” und „zu enthalten” werden in diesem Dokument als offene Beschränkungen verwendet, welche die Existenz von ebenso nicht genannten Merkmalen weder ausschließen noch erfordern. Die Merkmale, welche in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben sind, sind gegenseitig frei kombinierbar, sofern nichts anderes ausdrücklich angegeben ist. Darüber hinaus ist es selbstverständlich, dass die Verwendung von „ein” oder „eine” in einer Singularform in diesem ganzen Dokument eine Mehrzahl nicht ausschließt.The verbs "to include" and "to contain" are used in this document as open constraints that neither exclude nor require the existence of equally unmentioned features. The features which are given in the dependent claims are mutually freely combinable, unless otherwise specified. Moreover, it is to be understood that the use of "a" or "an" in a singular form throughout this document does not preclude a plurality.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend im Sinne von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter erläutert, in welchen:The embodiments of the invention and their advantages will now be explained in more detail by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:

1a eine Schnittansicht von einer elektrischen Turbomaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, 1a a sectional view of an electric turbomachine according to an embodiment of the invention,

1b eine perspektivische Ansicht von einem Stator von der in 1a veranschaulichten elektrischen Turbomaschine zeigt, und 1b a perspective view of a stator of the in 1a illustrated electric turbomachine shows, and

2 eine schematische Darstellung von einem Energiewandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. 2 a schematic representation of an energy converter according to an embodiment of the invention.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1a zeigt eine Schnittansicht von einer elektrischen Turbomaschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Turbomaschine umfasst einen Stator 101 und einen Rotor 102 zum magnetischen Interagieren mit dem Stator. Der Rotor 102 umfasst Permanentmagneten, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen, welcher den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator durchdringt. In diesem Fall ist die elektrische Turbomaschine imstande, als ein Permanentmagnet-Synchrongenerator „PMSG” zu arbeiten. Es ist auch möglich, dass der Rotor 102 elektrisch leitfähige Strukturen umfasst. Der Rotor ist durch Lager 103 und 131 drehbar getragen. In einem beispielhaften Fall, in welchem die elektrische Turbomaschine 100 als ein Turbogenerator von einem Organic Rankine Cycle ”ORC”-Energiewandler verwendet wird, werden die Lager 103 und 131 in vorteilhafter Weise mit dem organischen Arbeitsfluid von dem ORC-Prozess geschmiert. 1a shows a sectional view of an electric turbo machine 100 according to one Embodiment of the invention. The electric turbomachine includes a stator 101 and a rotor 102 for magnetically interacting with the stator. The rotor 102 includes permanent magnets to create a magnetic flux that penetrates the air gap between the rotor and the stator. In this case, the electric turbo-machine is capable of functioning as a permanent magnet synchronous generator "PMSG". It is also possible that the rotor 102 comprising electrically conductive structures. The rotor is through bearings 103 and 131 rotatably supported. In an exemplary case in which the electric turbomachine 100 When a turbogenerator is used by an Organic Rankine Cycle "ORC" energy converter, the bearings become 103 and 131 advantageously lubricated with the organic working fluid from the ORC process.

1b zeigt eine perspektivische Ansicht von dem Stator 101. Der Stator 101 umfasst eine Statorkernstruktur 104, welche eine Mehrzahl von Statorzähnen und Statornuten umfasst. In den 1a und 1b sind einige von den Statorzähnen mit Bezugszahlen 111, 112 und 113 bezeichnet. Die Statorkernstruktur 104 besteht vorzugsweise aus Stahlblechen, welche elektrisch voneinander isoliert sind und in der Richtung parallel zu der Achsrichtung des Rotors 102 gestapelt sind. Die Achsrichtung ist parallel zu der z-Richtung von einem Koordinatensystem 199. In dem beispielhaften Fall, welcher in 1b veranschaulicht ist, besteht die Statorkernstruktur 104 aus Segmenten 114, 115, 116, 117, 118 und 119, von denen jedes einen von den Statorzähnen umfasst. Der Stator 101 umfasst eine Statorwicklung, welche eine Mehrzahl von Statorspulen 105, 106, 107, 108, 109 und 110 umfasst. Die Breite von jeder Statorspule ist ein Statornutabstand und jede von den Statorspulen ist derart angeordnet, dass sie nur einen von den Statorzähnen umgibt. Wie in 1b veranschaulicht, kreuzen sich die Endwindungen bzw. Wickelköpfe von den Statorspulen nicht miteinander. Daher wird die Länge von den Wickelköpfen in der axialen Richtung von dem Rotor minimiert. Die Länge von den Wickelköpfen in der axialen Richtung ist in 1a mit L bezeichnet. Um die Montage von dem Stator 101 zu erleichtern können die Statorzähne geformt sein, um jeder Statorspule zu ermöglichen, installiert zu werden, indem die Statorspule so gedrückt wird, dass sie den in Betracht gezogenen Statorzahn umgibt. Elektrisch in Reihe geschaltete Windungen von den Statorspulen sind elektrisch voneinander isoliert und die erforderliche Festigkeit von der Isolation hängt von dem verwendeten Spannungsniveau ab. 1b shows a perspective view of the stator 101 , The stator 101 includes a stator core structure 104 comprising a plurality of stator teeth and stator slots. In the 1a and 1b are some of the stator teeth with reference numbers 111 . 112 and 113 designated. The stator core structure 104 is preferably made of steel sheets which are electrically insulated from each other and in the direction parallel to the axial direction of the rotor 102 are stacked. The axial direction is parallel to the z-direction of a coordinate system 199 , In the exemplary case, which is in 1b is illustrated, there is the stator core structure 104 from segments 114 . 115 . 116 . 117 . 118 and 119 each of which includes one of the stator teeth. The stator 101 comprises a stator winding which comprises a plurality of stator coils 105 . 106 . 107 . 108 . 109 and 110 includes. The width of each stator coil is a stator slot spacing, and each of the stator coils is arranged so as to surround only one of the stator teeth. As in 1b illustrated, the Endwindungen or winding heads of the stator coils do not intersect with each other. Therefore, the length of the end windings in the axial direction of the rotor is minimized. The length of the windings in the axial direction is in 1a denoted by L. To the assembly of the stator 101 To facilitate the stator teeth may be shaped to allow each stator coil to be installed by pressing the stator coil so that it surrounds the stator tooth under consideration. Electrically serially connected windings from the stator coils are electrically isolated from each other and the required strength of the insulation depends on the voltage level used.

Die elektrische Turbomaschine 100 umfasst einen ersten Impeller 103 an einem ersten Ende von dem Rotor 102. Der Impeller 103 ist dafür geeignet, als eine Radialturbine zum Drehen des Rotors zu arbeiten. Die elektrische Turbomaschine 100 umfasst ferner einen Diffusor 115, welcher den Impeller 103 enthält, wie in 1a veranschaulicht. Der Diffusor 115 umfasst einen Einlass 116 und einen Auslass 117 für gasförmiges Fluid, das sich mit dem Impeller 103 in einer Energieaustauschbeziehung befindet. Der Impeller 103 und der Diffusor 115 eignen sich vorteilhaft für den Betrieb als eine Radialturbinenstufe, deren Reaktionsgrad niedriger als 50%, zum Beispiel 30% beträgt. Somit kann die axiale Höhe von den Impellerschaufeln/-flügeln erhöht werden und damit einhergehen kann das Verhältnis von dem axialen Spiel zu der axialen Höhe von dem Impeller kleiner gemacht werden und somit kann die Effizienz verbessert werden. Der Reaktionsgrad oder das Reaktionsverhältnis ist als das Verhältnis von dem statischen Druckabfall im Impeller zu dem statischen Druckabfall in der gesamten Turbinenstufe oder als das Verhältnis von dem statischen Enthalpieabfall in dem Impeller zu dem statischen Enthalpieabfall in der gesamten Turbinenstufe definiert.The electric turbomachine 100 includes a first impeller 103 at a first end of the rotor 102 , The impeller 103 is suitable for working as a radial turbine for rotating the rotor. The electric turbomachine 100 further includes a diffuser 115 which the impeller 103 contains, as in 1a illustrated. The diffuser 115 includes an inlet 116 and an outlet 117 for gaseous fluid that contacts the impeller 103 is in an energy exchange relationship. The impeller 103 and the diffuser 115 are advantageously suitable for operation as a radial turbine stage whose degree of reaction is less than 50%, for example 30%. Thus, the axial height of the impeller blades can be increased, and concomitantly, the ratio of the axial clearance to the axial height of the impeller can be made smaller, and thus the efficiency can be improved. The degree of reaction or reaction ratio is defined as the ratio of the static pressure drop in the impeller to the static pressure drop throughout the turbine stage or as the ratio of the static enthalpy drop in the impeller to the static enthalpy drop throughout the turbine stage.

In dem beispielhaften Fall, welcher in den 1a und 1b veranschaulicht ist, umfasst die elektrische Turbomaschine 100 ferner einen zweiten Impeller 118 an einem zweiten Ende von dem Rotor 102. Der Impeller 118 ist dafür geeignet, Flüssigkeit zu pumpen, und in einem beispielhaften Fall, in welchem die elektrische Turbomaschine 100 als ein Turbogenerator von einem Organic Rankine Cycle ”ORC”-Energiewandler verwendet wird, kann der Impeller 118 als eine Förderpumpe von dem ORC-Energiewandler verwendet werden. Der Impeller 118 kann ein Gerade-Schaufel/Flügel-Radialimpeller von einer Teilemissionspumpe vom „Barske”-Typ sein. Der Impeller 118 kann mit einem Inducer 119 vom Schrauben-/Schneckentyp versehen sein, um das Risiko einer Kavitation an den Schaufeln/Flügeln von dem Impeller 118 zu reduzieren und dadurch den erforderlichen Vorförderdruck zu reduzieren. Die elektrische Turbomaschine 100 kann ferner einen dritten Impeller 150 zum Kühlen der elektrisch aktiven Teile von der elektrischen Turbomaschine umfassen.In the exemplary case, which in the 1a and 1b is illustrated includes the electric turbomachine 100 also a second impeller 118 at a second end of the rotor 102 , The impeller 118 is suitable for pumping liquid, and in an exemplary case where the electric turbomachine 100 When used as a turbogenerator by an Organic Rankine Cycle "ORC" energy converter, the impeller can 118 be used as a feed pump from the ORC energy converter. The impeller 118 may be a straight blade / vane radial impeller of a "pintke" type partial emission pump. The impeller 118 can with an inducer 119 be provided by the screw / screw type to reduce the risk of cavitation on the blades / vanes of the impeller 118 to reduce and thereby reduce the required Vorförderdruck. The electric turbomachine 100 may also have a third impeller 150 for cooling the electrically active parts of the electric turbomachine.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiewandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Energiewandler ist vorteilhafterweise ein Organic Rankine Cycle ”ORC”-Energiewandler, welcher ein geeignetes organisches Fluid als das Arbeitsfluid verwendet. Das organische Fluid kann beispielsweise, aber nicht notwendigerweise, Toluol sein. Es ist auch möglich, dass der Energiewandler ein geeignetes anorganisches Fluid als das Arbeitsfluid verwendet. Der Energiewandler umfasst einen Dampferzeuger oder Boiler 220, um das Arbeitsfluid zu verdampfen. Der Boiler kann beispielsweise durch Abwärme betrieben werden, welche von einem wärmeerzeugenden Prozess oder einer wärmeerzeugenden Maschine, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor, erhalten wird. Der Energiewandler umfasst eine elektrische Turbomaschine 200, um die von dem verdampften Arbeitsfluid enthaltene Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Die elektrische Energie wird einem Stromnetz 242 mithilfe eines Frequenzwandlers 241 zugeführt. Die elektrische Turbomaschine 200 umfasst einen Generatorabschnitt 225, einen Turbinenabschnitt 226 und einen Pumpenabschnitt 222. Der Generatorabschnitt 225 umfasst einen Stator und einen Rotor zum magnetischen Interagieren mit dem Stator. Der Stator umfasst eine Statorkernstruktur, welche eine Mehrzahl von Statorzähnen und Statornuten hat, und eine Statorwicklung, welche eine Mehrzahl von Statorspulen hat. Die Breite von jeder Statorspule ist ein Statornutabstand und jede von den Statorspulen ist angeordnet, um nur einen von den Statorzähnen zu umgeben, um die Länge von den Statorwickelköpfen in der axialen Richtung von dem Rotor zu minimieren. Der Turbinenabschnitt 226 umfasst einen Diffusor und einen ersten Impeller, welcher dafür geeignet ist, als eine Turbine zum Drehen des Rotors zu arbeiten. Der Pumpenabschnitt 222 umfasst einen zweiten Impeller, um Flüssigkeit zu pumpen. Die ersten und zweiten Impeller sind direkt mit dem Rotor von dem Generatorabschnitt gekoppelt. 2 shows a schematic representation of an energy converter according to an embodiment of the invention. The energy converter is advantageously an Organic Rankine Cycle "ORC" energy converter which uses a suitable organic fluid as the working fluid. For example, but not necessarily, the organic fluid may be toluene. It is also possible that the energy converter uses a suitable inorganic fluid as the working fluid. The energy converter includes a steam generator or boiler 220 to evaporate the working fluid. The boiler may, for example, be operated by waste heat obtained from a heat-generating process or a heat-generating machine, for example an internal combustion engine. The energy converter comprises an electric turbomachine 200 , to the convert energy contained in the vaporized working fluid into electrical energy. The electrical energy is a power grid 242 using a frequency converter 241 fed. The electric turbomachine 200 includes a generator section 225 , a turbine section 226 and a pump section 222 , The generator section 225 includes a stator and a rotor for magnetically interacting with the stator. The stator includes a stator core structure having a plurality of stator teeth and stator slots, and a stator winding having a plurality of stator coils. The width of each stator coil is a stator slot spacing and each of the stator coils is arranged to surround only one of the stator teeth to minimize the length of the stator winding heads in the axial direction of the rotor. The turbine section 226 includes a diffuser and a first impeller adapted to operate as a turbine for rotating the rotor. The pump section 222 includes a second impeller to pump liquid. The first and second impellers are coupled directly to the rotor of the generator section.

Der Energiewandler umfasst einen Kondensator 221, um das verdampfte Arbeitsfluid zu kondensieren, welches von der elektrischen Turbomaschine 200 ausgegeben wird, und ein Förderpumpensystem, um das kondensierte Arbeitsfluid zu dem Boiler 220 zu pumpen. In dem beispielhaften Fall, welcher in 2 veranschaulicht ist, umfasst das Förderpumpensystem den Pumpenabschnitt 222, welcher angeordnet ist, um als eine Förderpumpe und als eine Vorförderpumpe 223 zu arbeiten.The energy converter comprises a capacitor 221 to condense the vaporized working fluid discharged from the electric turbo-machine 200 and a feed pump system to deliver the condensed working fluid to the boiler 220 to pump. In the exemplary case, which is in 2 is illustrated, the feed pump system comprises the pump section 222 , which is arranged to serve as a feed pump and as a feed pump 223 to work.

In dem beispielhaften Fall, welcher in 2 veranschaulicht ist, umfasst der Energiewandler Kanäle 224, um das Arbeitsfluid zu den Lagern von der elektrischen Turbomaschine 200 zu leiten, um die Lager mit dem Arbeitsfluid zu schmieren. Vorteilhafterweise umfasst die elektrische Turbomaschine 200 ein hermetisches Gehäuse, um zu verhindern, dass das Arbeitsfluid in Umgebungsluft entweicht. Ferner kann der Energiewandler einen Rekuperator 227, um die Effizienz von der Energieumwandlung zu erhöhen, und einen Kondensatorbehälter 228 umfassen.In the exemplary case, which is in 2 is illustrated, the energy converter comprises channels 224 to transfer the working fluid to the bearings of the electric turbomachine 200 to direct to lubricate the bearings with the working fluid. Advantageously, the electric turbomachine includes 200 a hermetic enclosure to prevent the working fluid from escaping in ambient air. Furthermore, the energy converter can be a recuperator 227 to increase the efficiency of energy conversion, and a condenser tank 228 include.

Die spezifischen Beispiele, welche in der oben angegebenen Beschreibung vorgesehen sind, sollten nicht als einschränkend ausgelegt werden. Daher ist die Erfindung nicht nur auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.The specific examples provided in the above description should not be construed as limiting. Therefore, the invention is not limited only to the above-described embodiments.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0090022 [0004]

Claims

Electric turbomachine ( 100 ) comprising a stator ( 101 ), a rotor ( 102 ) to magnetically interact with the stator, and a first impeller ( 103 ) directly connected to a first end of the rotor, the first impeller being adapted to operate as a turbine for rotating the rotor, the rotor comprising permanent magnets for generating a magnetic flux having an air gap between the rotor and the rotor Rotor and the stator penetrates, and wherein the stator comprises: - a stator core structure ( 104 ) having a plurality of stator teeth ( 111 - 113 ) and Statornuten, and - a stator winding, which a plurality of stator coils ( 105 - 110 ), characterized in that a width of each stator coil is a stator slot pitch and each of the stator coils is disposed so as to surround only one of the stator teeth so as to minimize a length of stator winding heads in an axial direction of the rotor.

Electric turbomachine according to claim 1, wherein the stator core structure is made up of segments ( 114 - 119 ), each comprising one and only one of the stator teeth.

An electric turbo-machine according to claim 1 or 2, wherein said electric turbo-machine further comprises a diffuser ( 115 ), which contains the first impeller and an inlet ( 116 ) and an outlet ( 117 ) for gaseous fluid which is in an energy exchange relationship with the first impeller.

An electric turbo-machine according to any one of claims 1-3, wherein said electric turbo-machine further comprises a second impeller ( 118 ) at a second end of the rotor, the second impeller being adapted to pump a liquid.

Electric turbomachine according to claim 4, wherein the second impeller is a straight blade / vane radial impeller.

An electric turbo-machine according to claim 4 or 5, wherein the second impeller is provided with an inducer (10). 119 ) is provided by the screw / worm type to reduce the risk of cavitation on blades / vanes from the second impeller.

An electric turbomachine according to any of claims 3-6, wherein the first impeller and the diffuser are adapted to operate as a radial turbine stage whose degree of reaction is less than 50%.

Energy converter comprising: - a boiler ( 220 ) to vaporize a working fluid, - an electric turbo-machine ( 200 ) according to any one of claims 1-7 and for converting energy contained in the vaporized working fluid into electrical energy, - a capacitor ( 221 ) for condensing the vaporized working fluid discharged from the electric turbomachine, and - a feed pump system ( 222 . 223 ) to pump the condensed working fluid to the boiler.

Energy converter according to claim 8, wherein the energy converter channels ( 224 ) to direct the working fluid to storage from the electric turbomachine to lubricate the bearings of the electric turbomachine with the working fluid.

The energy converter of claim 9, wherein the electric turbomachine includes a hermetic enclosure to prevent the working fluid from escaping into ambient air.

An energy converter according to any one of claims 9-10, wherein the working fluid is an organic working fluid.