DE3490363T1

DE3490363T1 - Umlaufende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE3490363T1
Application number: DE19843490363
Authority: DE
Inventors: Kent Rockford Ill. Weber
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1983-08-05
Filing date: 1984-05-29
Publication date: 1985-08-08
Also published as: EP0153318A1; WO1985000935A1; IL72326A; IL72326A0; EP0153318A4; IT8448695A0; CA1209186A; GB2154378A; IT8448695A1; IT1177956B; EP0153318B1; US4496862A; SG78487G; GB8507034D0; GB2154378B

Description

-χα

Sundstrand Corporation
Rockford, Illinois 61125, V.St.A.

Umlaufende elektrische Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine umlaufende elektrische
Maschine, insbesondere mit flussigkeitsgekuhltem Läufer und
einem Lüftungskanal zur Ableitung von in der Kühlflüssigkeit mitgeführter Luft zum Ständer-Luftspalt, um die Ansammlung von Kühlflüssigkeit in diesem zu verhindern.

Um die Leistungsfähigkeit verschiedener umlaufender elektrischer Maschinen wie etwa Generatoren zu maximieren, ist eine Flüssigkeitskühlung für verschiedene Bauteile wie etwa Wicklungen erwünscht. So ist es z. B. nicht unüblich, eine Kühlflüssigkeit wie Öl auf die Endwindungen von Ständerwicklungen zu sprühen.

In vielen Fällen stellt dies kein besonderes Problem dar. Im Fall von mit hoher Drehzahl umlaufenden elektrischen Maschinen kann die Kühlflüssigkeit jedoch in den Luftspalt zwischen
Läufer und Ständer eintreten. Die resultierende Verwirbelung des Kühlmittels führt zu beträchtlichen widerstandsbedingten Verlusten der Maschine, und infolgedessen minimieren oder übersteigen die widerstandsbedingten Verluste sogar die durch die Flüssigkeitskühlung erzielte Kapazitätssteigerung.

Um dieser Schwierigkeit Herr zu werden, werden bisher typischerweise eine oder mehrere physische Sperrelemente verwendet, die zwischen den gekühlten Wicklungen und dem Spalt angeordnet sind, um die Kühlflüssigkeit am Eintritt in den Luftspalt zu hindern. Dadurch wird nicht nur der Aufbau der umlaufenden elektrischen Maschine komplexer, sondern diese Barrieren wirken sich auch auf ihren Wirkungsgrad dahingehend aus, daß häufig die Gefahr besteht, daß die Länge der Magnetflußbahn größer wird, wodurch der magnetische Wirkungsgrad der Vorrichtung in gewissem Maß reduziert wird.

Die Erfindung dient dem Zweck, eines oder mehrere der vorgenannten Probleme zu überwinden.

Hauptaufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten flüssigkeitsgekühlten Läufers einer umlaufenden elektrischen Maschine, wobei eine besondere Lüftung vorgesehen ist, um die Bildung von Kühlflüssigkeit in den Läufer-Ständer-Luftspalten zu verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt einen Ständer mit einem relativ dazu um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer. Wenigstens entweder der Ständer oder der Läufer trägt elektrische Wicklungen. Der Läufer weist ferner einen Fluideinlaßbereich auf. Eine Kühlflüssigkeits-Strömungsbahn umfassende Mittel sind im Läufer angeordnet und verbinden den Einlaß- mit einem Auslaßbereich, und die Kühlflüssigkeits-Strömungsbahn steht mit den Wicklungen wenigstens an einem Teil derselben, der in bezug auf die Rotationsachse versetzt ist, in Wärmeaustausch. Ein sich in den Luftspalt öffnender Gaskanal ist im Läufer vorgesehen und leitet Gas zum Luftspalt, um darin etwa vorhandene Flüssigkeit aus dem Luftspalt zu verdrängen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat der Gaskanal einen solchen Querschnitt, daß eine wesentliche Flüssigkeitsströmung verhindert wird.

If

Bevorzugt ist der Gaskanal mit der Kühlflüssigkeits-Strömungsbahn in solcher Weise verbunden, daß im Kühlmittel mitgeführtes Gas oder mit dem Kühlmittel in den Läufer eingeführtes Gas während des Betriebs der Vorrichtung durch Fliehkraft abgetrennt wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Dabei ist die Figur eine Schnittdarstellung einer umlaufenden elektrischen Maschine, insbesondere eines Hochdrehzahl-Synchrongenerators, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist, wobei bestimmte Bauteile etwas schematisch dargestellt sind.

Die Zeichnung zeigt ein AusfUhrungsbeispiel der umlaufenden elektrischen Maschine in Form eines Hochdrehzahl-Synchrongenerators. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung auch in anderen umlaufenden elektrischen Maschinen mit gutem Wirkungsgrad einsetzbar ist, wenn eine Läuferkühlung durch eine Kühlflüssigkeit erfolgt, in der Gase mitgeführt sein können. Die umlaufende elektrische Maschine umfaßt einen Ständer bzw. Anker 10 mit einem Stahlblechkranz 12, Wicklungen 14 und einem Luftspalt 16 zwischen Ständer und Läufer. Lager, wie sie bei 18 gezeigt und an einem Gehäusebauteil 20 angeordnet sind, haltern den Läufer 22 relativ zum Ständer 10 innerhalb des Luftspalts 16 um die Läuferachse drehbar.

Bei der gezeigten Ausführungsform einer elektrischen Maschine ist der Synchrongenerator eine bürstenlose Maschine und umfaßt Wicklungen 24, die sich vom einen Ende des Läufers 22 zum anderen erstrecken. Den Wicklungen wird ein Gleichstrom zugeführt zur Erzeugung eines Magnetfelds, das wiederum bei Rotation des Läufers umläuft und in den Wicklungen 14 des Ständers 10 einen Strom induziert.

Der Läufer weist einen Fluideinlaßbereich 26 am einen Ende und einen Fluidauslaßbereich 28 am entgegengesetzten Ende auf. Ein Fluidsystem mit einer Pumpe 30 führt die Kühlflüssigkeit im

Kreislauf vom Auslaßbereich 28 zum Einlaßbereich 26. Ein Wärmetauscher (nicht gezeigt) kann zur Kühlung des Kühlmittels ebenfalls vorgesehen sein.

Der Einlaßbereich 26 umfaßt eine Kammer 34 innerhalb des Läufers. Ein Fliehkraftfilter 36 ist im radial äußeren Teil der Kammer 34 angeordnet. Im wesentlichen radial verlaufende Einströmöffnungen 38 verbinden die Kammer 3 4 und das Austrittsende eines an die Pumpe 30 angeschlossenen Rohrs 40 über eine eine Drehkupplung aufweisende Vorrichtung.

Axial innerhalb der Einströmöffnungen 38 öffnet sich die Kammer 34 nach radial innen in Abströmöffnungen 42 zu einer eine Mittenöffnung aufweisenden Platte 44, wobei die Öffnung in der Platte 44 mit der Rotationsachse des Läufers 22 konzentrisch ist.

Radialkanäle 46 verlaufen von der Rotationsachse im wesentlichen nach radial außen, so daß Flüssigkeit in Wärmeaustausch mit den Endwindungen der Wicklungen 24 und durch Kanäle, die durch die Wicklungszwischenräume in Axialrichtung entlang dem Läufer gebildet sind, zu den entgegengesetzten Endwindungen strömen kann, wo das Kühlmittel in eine mittige Kammer 50 austritt, die um die Rotationsachse des Läufers 22 konzentrisch ist. Eine eine Drossel 52 aufweisende Strömungsbahn verbindet die Kammer 50 mit dem Auslaßbereich 28.

Wie die Figur zeigt, gehen von den Radialkanälen 46 zum Außenumfang des Läufers 22 verlaufende, im wesentlichen radiale Kanäle 53 in Ausrichtung mit den Endwindungen der Ständerwicklungen 14 aus. Durch diesen Aufbau kann Kühlmittel für Kühlzwecke zu diesen Wicklungen 14 geleitet werden. Gleichartige Kanäle 54 stehen mit der mittigen Kammer 50 am entgegengesetzten Ende des Läufers in Verbindung, so daß Kühlmittel auf die entgegengesetzten Endwindungen der Wicklungen 14 gesprüht wird.

Wie eingangs bereits erwähnt, ist es sehr erwünscht zu verhindern, daß die zum Kühlen der Endwindungen der Wicklungen 14 verwendete Kühlflüssigkeit in den Luftspalt 16 eintritt, bzw. zu bewirken, daß dieses Kühlmittel, falls es doch zum Luftspalt 16 gelangt, umgehend abgezogen wird, um hohe widerstandsbedingte Verluste infolge der Verwirbelung des Kühlmittels im Luftspalt 16 beim Betrieb der Maschine zu vermeiden. Zu diesem Zweck weist der Läufer 22 im wesentlichen mittig einen Lüftungskanal 56 mit einer Öffnung am Läuferumfang zum Luftspalt 16 auf. Der Lüftungskanal 56 weist ferner ein entgegengesetztes Ende 60 auf, das sich zur Mitte der Radialkanäle 46 öffnet und somit mit der Kammer 3 4 in Fluidkommunikation steht. Das Ende 60 liegt auf der Rotationsachse des Läufers 22 aus noch zu erläuternden Gründen.

Beim Betrieb der Maschine wird Gas, normalerweise in Form von Luft, durch den Lüftungskanal an dessen Ende 58 in der Mitte des Luftspalts 16 ausgestoßen. Diese Luft verdrängt natürlich etwa im Luftspalt angesammeltes Kühlmittel in Axialrichtung aus dem Luftspalt und hindert ferner angrenzend an den Luftspalt etwa vorhandenes Kühlmittel am Eintritt in den Luftspalt in Axialrichtung, wo es zu unerwünschten widerstandsbedingten Verlusten führen würde.

Diesem Zweck dienendes Gas ist typischerweise in Form von Luft verfügbar, die in dem im Kreislauf durch die beschriebene Strömungsbahn geführten Kühlmittel mitgeführt wird. Alternativ kann Gas auch in die Strömungsbahn durch Öffnungen 62, die mit den Kanälen 38 und einer angrenzenden Kammer 64 in Fluidverbindung stehen, eingeführt werden.

Im jedem Fall wird das so eingeleitete Gas durch Fliehkraft während des Betriebs der Maschine von der Kühlflüssigkeit getrennt. Das Kühlmittel, das normalerweise Öl ist, weist eine höhere Dichte als Luft auf, so daß das Ol aufgrund der Fliehkraft nach radial außen zu den Außenabschnitten der Strömungsbahn wandert und die Luft an einem radial innen liegenden

Abschnitt verbleibt. So hat die Luft die Tendenz, sich um die Rotationsachse des Läufers anzusammeln, wo sie unter der Druckkraft von einströmendem Öl oder irgendeiner Hilfsdruckquelle frei zum Ende 60 des Lüftungskanals strömen kann, durch den sie gepreßt wird, wonach sie aus dem Lüftungskanalauslaß 58 austritt. Somit wirken die Kammer 36 sowie die Bauteilausbildung einschließlich der Öffnung 44 und der Radialkanäle 46 als Luft-Öl-Scheider, der auf dem Läufer selbst angeordnet ist.

Es ist zu beachten, daß im Normalfall der Luftstrom ein geringer Prozentsatz des Gesamtfluidstroms ist und durch Anwendung konventioneller Rechenvorgänge für kompressible Fluidströme die Querschnittsabmessung des Lüftungskanals 56 so ausgelegt werden kann, daß der Kanal ausreichend klein ist, um einen hinreichenden Gegendruck zu erzeugen, der den Eintritt von Kühlflüssigkeit in den Kanal verhindert. In gleicher Weise sollten die Sprühkanäle 53 und 54 ausreichend klein ausgelegt sein, um einen ausreichend hohen Gegendruck gegen Kühlflüssigkeit zu erzeugen, so daß keine Luft aus diesen Kanälen austreten kann, da diese mit der durch die Kühlflüssigkeit bewirkten erwünschten Kühlwirkung in Konflikt treten würde.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß eine in dieser Weise aufgebaute umlaufende elektrische Maschine einerseits mit der erwünschten Flüssigkeitskühlung von Wicklungen bei einer umlaufenden elektrischen Hochdrehzahlmaschine arbeitet, andererseits aber die nachteiligen Auswirkungen des Eindringens von Kühlflüssigkeit in den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer vermeidet. Ferner verlangt dies nicht das Vorhandensein besonderer Sperrorgane, die den magnetischen Wirkungsgrad der Vorrichtung vermindern könnten. Außerdem wird durch die Abtrennung der Luft aus der Kühlflüssigkeit ein maximaler Kühlwirkungsgrad sichergestellt, da die Wicklungen mit einer relativ gasfreien Kühlflüssigkeit in Kontakt gelangen, deren Wärmekapazität höher als diejenige von Luft ist, so daß optimale Kühlung bei einer bestimmten Fluidmenge, die über diese Wicklungen geschickt wird, gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche

1. Umlaufende elektrische Maschine, mit

einem Ständer;

einem Läufer, dessen Außenumfang durch einen Luftspalt vom Ständer beabstandet ist und der relativ zum Ständer um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist;

elektrischen Wicklungen, die wenigstens auf dem Ständer oder dem Läufer angeordnet sind;

einem Fluideinlaßbereich am Läufer; und einem vom Fluideinlaßbereich beabstandeten Fluidauslaßbereich

am Läufer;

gekennzeichnet durch eine Kühlflüssigkeits-Strömungsbahn (46, 50, 52, 53, 54) im Läufer (22) umfassende Mittel, wodurch der Einlaßbereich (26) und der Auslaßbereich (28) miteinander verbunden sind, wobei die Kühlflüssigkeits-Strömungsbahn mit den Wicklungen (14) in Wärmeaustausch steht und wenigstens ein Teil der Strömungsbahn zur Rotationsachse versetzt angeordnet ist; und einen im Läufer (22) ausgebildeten Lüftungskanal (56) für die Kühlflüssigkeits-Strömungsbahn, wobei sich der Lüftungskanal am äußersten Rand in den Luftspalt (16) öffnet.

572-BOi432-Schö

2. Maschine nach Anspruch 1, 3490363 dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Lüftungskanals (56) so ausgelegt ist, daß ein wesentlicher Fluidstrora durch ihn verhindert ist.

3. Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lüftungskanal (56) mit dem Einlaßbereich (26) in Fluidverbindung (60) steht.

4. Umlaufende elektrische Maschine, mit einem Ständer;

einem relativ zum Ständer um eine Rotationsachse drehbar gelagerten und vom Ständer durch einen Luftspalt beabstandeten Läufer; und

elektrischen Wicklungen, die wenigstens auf dem Ständer oder dem Läufer angeordnet sind;
gekennzeichnet durch eine Kühl flussigkeits-Strömungsbahn im Läufer (22) definierende Mittel (53, 54), die mit den Wicklungen (14) in Wärmeaustausch stehen und quer zum Luftspalt (16) verlaufen; und eine Leitung (56), durch die Gas zum Luftspalt (16) leitbar ist, so daß der Eintritt von Kühlflüssigkeit in diesen verhindert wird.

5. Umlaufende elektrische Maschine, mit einem Ständer;

einem vom Ständer durch einen Luftspalt beabstandeten und relativ zum Ständer um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer; und

auf dem Ständer angeordneten elektrischen Wicklungen; gekennzeichnet durch eine Kühlflüssigkeits-Strömungsbahn im Läufer (22) definierende Mittel (46, 50, 52, 53, 54), die mit den Wicklungen in Wärmeaustausch stehen und zu der Achse versetzt sind; und

3A90363

eine Gasleitung (56) im Läufer (22) zum Luftspalt (16) und in Fluidverbindung mit der Flussigkeits-Strömungsbahn, wobei ein Abschnitt der Gasleitung im wesentlichen auf der Rotationsachse liegt und die Querschnittsfläche der Gasleitung ein kleiner Bruchteil der Querschnittsfläche der Flüssigkeits-Strömungsbahn ist, um einen wesentlichen Flüssigkeitsstrom durch sie zu verhindern, und die Flüssigkeits-Strömungsbahn und die Gasleitung miteinander in Fluidverbindung stehen über einen im wesentlichen auf der Rotationsachse liegenden Anschluß, so daß Flüssigkeit und Gas durch Fliehkraft voneinander getrennt werden und das Gas durch die Gasleitung (56) zum Luftspalt (16) strömt, um die Ansammlung von Kühlflüssigkeit in diesem zu verhindern.