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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zwangskonvektions-Kühlanordnung
für rotierende elektrische
Maschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine einphasige Zwangskonvektions-Kühlanordnung
des kompakten Typs für
rotierende elektrische Maschinen, wie z. B. einen Elektromotor.
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Rotierende
elektrische Maschinen werden aufgrund des Joule-Effekts in den Statorelementen (Kupfer
und Eisen) und aufgrund der viskosen Reibung zwischen den Oberflächen und
dem Fluid, das in dem Raum zwischen dem Rotor und dem Stator der
rotierenden elektrischen Maschine zirkuliert, seit jeher von erheblichen
Verlusten heimgesucht.
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Mit
dem Anstieg der Umdrehungsrate der Maschinen verschlimmern sich
diese Umstände.
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Dementsprechend
besteht Notwendigkeit, ein Kühlsystem
zu schaffen, das in der Lage ist, die erzeugte Energie abzugeben
und sicherzustellen, daß die
maximalen Temperaturen, die durch den Rotor und den Stator erreicht
werden, derart sind, daß ein
Verschlechtern der elektromagnetischen Leistung der typischerweise
verwendeten Materialien verhindert wird.
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Bei
einem Dauermagnetmotor dürfen
die Dauermagneten beispielsweise keine übermäßig hohen Temperaturen erreichen,
da für
sie sonst Gefahr besteht, ihre magnetischen Eigenschaften zu verlieren
oder verschlechtern. Das System muß zudem typischerweise innerhalb
von klar definierten Temperaturwerten arbeiten, die im allgemeinen
ziemlich niedrig sind, um den Kostenaufwand niedrig zu halten.
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Der
Wärmeaustauscher
muß zudem
kompakt und hocheffizient sein.
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Dem
Problem des Entfernens der durch eine elektrische Maschine erzeugten
Wärme wird
derzeit auf verschieden Weise begegnet.
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Am
häufigsten
wird dabei so vorgegangen, daß Rippen
bzw. Lamellen verwendet werden, auf die eine Luftströmung trifft,
die durch ein Gebläse
erzeugt wird, und die gemäß den verschiedenen
Konfigurationen auf dem Gehäuse
der Maschine oder im Inneren derselben angeordnet sind.
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Wenn
ein Fluid zum Kühlen
verwendet wird, ist der Elektromotor innen oder außen von
einem Mantel umgeben, wobei bewirkt wird, daß das Fluid durch denselben
durch entsprechend geformte Leitungen gelangt. Die Kühlung kann
sowohl auf den Stator, was normalerweise der Fall ist, als auch
auf den Rotor einwirken, und erfolgt in diesem Fall normalerweise
mittels eines feststehenden Austauschers, der um den Rotor angeordnet
ist.
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Die
Wirksamkeit des Austauschers ist bei Maschinen mit großer Drehzahl
von großer
Bedeutung, deren Abmessungen kompakt sein müssen und bei denen dementsprechend
die Abmessungen der Zusatzaggregate, wie z. B. des Wärmeaustauschers, bestimmte
Werte nicht übersteigen
können.
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Bei
herkömmlichen
elektrischen Maschinen werden im allgemeinen zwei Arten von Wärmeaustauschern
verwendet.
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Ein
erster Typ weist einen konstanten Querschnitt auf, in dem die Strömung im
allgemeinen flächig
erfolgt. Um den Wirkungsgrad dieses Wärmeaustauschers zu erhöhen, ist
es erforderlich, die Drehzahl zu erhöhen, so daß turbulente Bewegungsbedingungen
erzeugt werden. Dies bringt einen erheblichen Ansteig der Druckverluste
und erhöhte Kosten
bei der Pumpleistung mit sich.
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Eine
zweite Art ist derjenige, bei dem die Bewegung durch Einfügen von
entsprechenden Hindernissen turbulent gemacht wird. Diese Lösung weist den
Vorteil auf, daß die
Wärmeaustauscheffizienz
für eine
gleichmäßige Strömungsrate
des Kühlfluids
erhöht
wird. Trotz der Tatsache, daß durch
das Vorhandensein von Hindernissen Druckverluste erhöht werden,
wodurch es dementsprechend erneut erforderlich wird, Pumpelemente
aufzuwenden, die in der Lage sind, das Fluid unter hohen Druckdifferentialen anzutreiben,
ist diese Lösung
im allgemeinen effizienter ist als die vorhergehende.
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Die
Druckschrift
GB 724 456 betrifft
eine rotierende elektrische Maschine mit einem Wärmeaustauscher mit Leitungselementen,
die mit der äußeren Oberfläche der
Leiter in Kontakt stehend angeordnet sind. Die Leiter sind in zwei
Stapeln angeordnet, die beide durch einen Stapel der Leitungselemente
voneinander getrennt sind.
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Die
Druckschrift
EP 414 927 offenbart
eine Fluidkühlerstabwicklung
für eine
Statorwieklung einer elektrischen Maschine, die eine Mehrzahl von Kühlleitungen
aufweist, die in radialen Schlitzen angeordnet sind und beide durch
Leiterelementestapel entlang einer radialen Richtung getrennt sind.
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Die
Druckschrift
DE 197 47 759 offenbart
ein gebündeltes
Mehrfaserkabel für
elektrische Maschinen, wobei ein zentraler Kühlkanal gleichzeitig mit den
Leitern des Kabels aufgewickelt werden sollte.
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Die
Druckschrift
US 59 776 79 betrifft
einen Stator, der mit einem Kühlkanal
versehen ist, der entlang dem äußeren Umfang
des Stators verläuft.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zwangskonvektions-Kühlanordnung für eine rotierende
elektrische Maschine zu schaffen, die hocheffizient und in der Lage
ist, beträchtliche
Wärmeenergieanteile,
die in den Stator- und Rotorelementen des Elektromotors erzeugt
werden, zu entfernen.
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Im
Rahmen dieser Aufgabenstellung, ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Zwangskonvektions-Kühlanordnung zu schaffen, die besonders
kompakt ausgelegt und daher für
Elektromotoren geeignet ist, die kompakt sind, jedoch einen hohen
speziellen Leistungspegel aufweisen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zwangskonvektions-Kühlanordnung für Elektromotoren
zu schaffen, die es ermöglicht, Wärme von
den Bereichen des Elektromotors zu entfernen, wo diese zu einem
Großteil
erzeugt wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Zwangskonvektions-Kühlanordnung
zu schaffen, die es ermöglicht,
die Temperatur der Innenfläche
des Stators, bei der es sich um die kritischste von allen handelt,
gemäß den Eigenschaften
der verwendeten Materialien auf einem akzeptablen Niveau zu halten.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zwangskonvektions-Kühlanordnung zu
schaffen, die es zudem ermöglicht,
die geringen Temperaturen auf der Oberfläche des Rotors beizubehalten.
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Nicht
zu vergessen ist die Aufgabe der Erfindung, eine Zwangskonvektions-Kühlanordnung zu schaffen, die
hoch zuverlässig,
verhältnismäßig einfach
herzustellen und preisgünstig
ist.
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Somit
stellt die vorliegende Erfindung eine Kühlanordnung für eine rotierende
elektrische Maschine nach Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung
bereit.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der Beschreibung der bevorzugten, jedoch nicht exklusiven Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Kühlanordnung
offenbar, die in den beigefügten
Zeichnungen nur mittel eines uneingeschränkten Beispiels dargestellt
ist. Es zeigen:
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1 eine
schematische Teilansicht einer ersten Ausführungsform der Kühlanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2 ist
eine schematische Teildraufsicht einer zweiten Ausführungsform
der Kühlanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die oben angeführten
Figuren, in denen identische Bezugszeichen identische Elemente bezeichnen,
ist die Kühlanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung wie folgt vorgesehen.
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1 ist
eine Ansicht einer Ausführungsform
der Kühlanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, in der das Bezugszeichen 1 den Abschnitt des
Statorkerns der rotierenden elektrischen Maschine bezeichnet. Das
Bezugszeichen 2 bezeichnet Kupferleiter (die beispielsweise
aus Kupfer gemacht sind) der Statorwicklungen der rotierenden elektrischen
Maschine.
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Die
Zwangskonvektions-Kühlanordnung weist
ein oder mehrere Leitungselemente 3 auf, die zwischen den
Leitern 2 angeordnet sind, um mit der äußern Oberfläche der Leiter 2 in
Kontakt zu stehen.
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Eine
Kühlflüssigkeit
fließt
in die Leitungselemente, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung mit Sammlereinrichtungen (nicht dargestellt)
zum Aufsammeln der Kühlflüssigkeit
verbunden sind, die in den Leitungselementen 3 zirkuliert.
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Die
Sammlereinrichtungen weisen bevorzugt ein erstes Sammlerelement
und ein zweites Sammlerelement auf, die jeweils mit einem ersten
Ende und einem zweiten Ende der Leitungselemente verbunden sein
können.
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Das
erste und das zweite Element sind bevorzugt aus einem nichtleitenden
Material, wie z. B. Polyketon- oder Polysulphonharzen, gefertigt.
Auf diese Weise wird die Zirkulation von Wirbelströmen verhindert,
wobei eine bemerkenswerte Verringerung der abgeführten Wärme erreicht wird.
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Erfindungsgemäß weist
die Kühlanordnung bevorzugt
Pumpeinrichtungen (nicht gezeigt) auf, die, während sie mit den Leitungselementen 3 wirksam
verbunden sind, eine Zwangskonvektion der Kühlflüssigkeit sicherstellen.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
sind die Leitungselemente 3 der Kühlanordnung so angeordnet,
daß sie
mit den Leitern 2 in Längsrichtung entlang
des Körpers
des Statorkerns ausgerichtet sind.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
tritt die Kühlflüssigkeit
mittels der Wirkung der Pumpeinrichtungen in der Nähe eines
Endes des Statorkerns ein und tritt am gegenüberliegenden Ende wieder aus, wobei
in der Praxis der zu kühlende
Statorbereich nur einmal passiert wird.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform sind
die Leitungselemente 3 der Kühlanordnung in einer gewendelten
Konfiguration in Längsrichtung
entlang des Statorkörpers
angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform
verläuft
die Hauptachse der Rohre parallel zu den Leitern 2. Zudem
kann gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung das Kühlfluid
an einem der Enden der Spule gepumpt werden, und in der Praxis können sich
mehrere Bewegungsabläufe
des Fluids an dem zu kühlenden Statorbereich
ereignen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind die Leitungselemente 3 der Kühlanordnung mit den Leitern 2 verbunden,
um ihrem Weg um den Statorkern herum zu folgen. In der Praxis können die
Leitungselemente 3 mit den Leitern 2 verbunden
sein, beispielsweise mittels einer Bandisolierung, und dann zusammen
mit den Leitern, die die Statorwicklungen ausbilden, um den Statorkern
gewickelt werden.
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Durch
Verwendung der beschriebenen Konfigurationen können die Rohre 3 in
der Nähe
der Oberfläche
des Stators angeordnet sein, der dem Rotor gegenüberliegt, wie in 1 gezeigt
ist, oder vollständig
zwischen den Leiterreihen 2 eingefügt sein, wie in 2 gezeigt
ist.
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Die
Lösungsvorschläge ermöglichen
ein Entfernen der Wärme,
wo sie erzeugt wird, und ermöglichen
auch, daß auf
der Fläche
des Stators, die dem Rotor 4 gegenüberliegt, ein Temperaturwert
erreicht werden kann, um auf dem Rotor niedrigere Temperaturen beizubehalten
als mit einer herkömmlichen
Lösung
erreichbar sind.
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Ferner
ist eine erfindungsgemäße Kühlanordnung äußerst kompakt
und kann daher selbst für kompakte
elektrische Maschinen mit hohen spezifischen Leistungswerten verwendet
werden.
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Die
Leitungselemente 3 der Kühlanordnung können aus
einem metallischen Material gefertigt sein, um einen optimalen thermischen
Kontakt mit den zu kühlenden
Oberflächen
zu erleichtern, oder aus einem elektrisch nicht leitenden Material
gefertigt sein, wie z. B. PTFE (Polytetrafluoroethylen).
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Als
Alternative besteht die Möglichkeit,
Leitungselemente 3 zu schaffen, die eine andere Konfiguration
als die kreisförmige
aufweisen, die in 1 und 2 gezeigt
ist, und die derart beschaffen sind, daß der Raum zwischen den individuellen
Leitern 2 des Stators 1 im wesentlichen ausgefüllt werden kann.
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In
der Praxis hat man festgestellt, daß die erfindungsgemäße Kühlanordnung
die gestellte Aufgabe vollständig
erfüllt.
Tatsächlich
ermöglicht
sie die Maximierung der Wärmeaustauscheffizienz
durch Eliminieren der an der Schnittstelle zwischen dem Stator und
dem Rotor einer elektrischen Maschine erzeugten Wärme, obwohl
sie kompakt aufgebaut ist und daher im allgemeinen zur Verwendung
in elektrischen Maschinen mit einem hohen spezifischen Leistungswert
einschließlich
in kompakten elektrischen Maschinen geeignet ist.
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Die
so ausgeführte
Kühlanordnung
ist für zahlreiche
Modifizierungen und Variationen geeignet, die allesamt in den Bereich
des erfinderischen Konzepts fallen, wo bei die Gesamtheit aller Details
ferner durch andere technisch äquivalente
Elemente ersetzt werden können.
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In
der Praxis können
die verwendeten Materialien, unter der Voraussetzung, daß sie mit
dem spezifischen Verwendungszweck kompatibel sind, sowie die Abmessungen
den Anforderungen und dem Stand der Technik entsprechend beliebig
sein.