EP0985262A1 - Liquid-cooled electric machine - Google Patents

Liquid-cooled electric machine

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Publication number
EP0985262A1
EP0985262A1 EP98918967A EP98918967A EP0985262A1 EP 0985262 A1 EP0985262 A1 EP 0985262A1 EP 98918967 A EP98918967 A EP 98918967A EP 98918967 A EP98918967 A EP 98918967A EP 0985262 A1 EP0985262 A1 EP 0985262A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
machine
stator
winding
liquid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98918967A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günther Montenari
Werner Gassner
Ernst Hierz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elin EBG Motoren GmbH
Original Assignee
VA Tech Elin EBG Motoren GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by VA Tech Elin EBG Motoren GmbH filed Critical VA Tech Elin EBG Motoren GmbH
Publication of EP0985262A1 publication Critical patent/EP0985262A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/197—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine, consisting of a stator, a rotating shaft, with a rigidly attached rotor and a housing in which the stator is fastened, and the housing has a bearing plate on both sides with a bearing via which the shaft is mounted and optionally the housing and / or the shaft is liquid-cooled.
  • Cooler flows.
  • the circuit cooling can be specified depending on the speed or independent of the speed.
  • the object of the invention is to provide an electrical machine of the type mentioned at the outset, which has a cooling system which permits an economically optimal design of the machine.
  • the electrical machine according to the invention is characterized in that at least one cooling tube for a cooling liquid is arranged in the interior of the housing near the winding provided in the stator and / or in the area of the bearings.
  • the arrangement of the cooling tube in the area of the bearings is advantageously a real alternative to shaft cooling.
  • the arrangement of the cooling tube in the region of the end faces of the winding heads of the stator winding is an alternative to cooling the surface of the housing.
  • the cooling tube has ribs on its surface.
  • the cooling tube is arranged parallel and / or concentrically to the end faces of the winding heads of the winding provided in the stator.
  • the end faces or the area of the winding heads themselves are ideally suited to dissipating the heat loss from the active parts of the machine.
  • the cooling tube is arranged parallel and / or concentrically to the bearing of the shaft. This area is also well suited to dissipating the heat loss from the shaft. In addition, it is desirable not to overheat the storage area.
  • the cooling tube is connected to the housing surface cooling and / or to the shaft cooling. Since the cooling of the interior of the machine by means of the cooling tube can be used as a real alternative to a possible shaft cooling but also to a liquid housing surface cooling, the cooling liquid of the shaft cooling or the surface cooling can advantageously also be used for the cooling tube.
  • the connections of the cooling pipe can be integrated directly into the corresponding cooling circuit.
  • Fig. 1 shows a section through an electrical, rotating machine and Fig. 2 shows a cooling tube.
  • the electrical, rotating machine is a three-phase asynchronous machine, in this embodiment with a slip ring rotor.
  • a machine can be used, for example, as a generator in windmills or wind power plants.
  • the machine consists of a stator 1 and a rotor 2.
  • the stator 1 has a winding 3 and is surrounded by a machine housing 4, the bearing plates 5 with the bearings 6 laterally delimiting the machine.
  • the machine housing 4 is double-walled for liquid surface cooling.
  • the shaft 7 for the rotor 2 is mounted in the bearings 6.
  • the shaft 7 is passed through the end shield 5 on one side of the machine and the slip rings 8 are arranged at the extended shaft end.
  • the slip rings 8 are provided with a cover 9 fastened to the end shield 5, the terminal box also being able to be provided on the cover 9.
  • the rotor 2 consists of layered rotor plates 10, which are arranged on the shaft 7. This rotor 2 has a slip ring rotor winding 11 which is guided to the slip rings 8 via bores 12 in the shaft 7.
  • the machine housing 4 is double-walled for liquid cooling. With this jacket cooling, the cooling liquid is supplied via the connections 13.
  • a cooling tube 14 is provided in the interior of the machine, which is arranged in the area of the winding 3 of the stator 1, in particular parallel to the end faces of the winding heads of the winding 3.
  • This cooling tube 14 can be connected to the jacket cooling via connections 15 when jacket cooling is carried out.
  • the cooling pipe 16 can be connected to the jacket cooling via the connections 17 or separate connections could be provided.
  • the cooling tube 14 or 16 is provided on its surface with ribs to enlarge the surface.
  • Suitable materials for the cooling pipe 14 or 16 are, for example, aluminum or stainless steel materials. The material decision of the cooling tube 14 or 16 is certainly dependent on the coolant used.

Abstract

The invention seeks to create an electric machine with a cooling element, which enables an optimal economical design of said machine. The machine comprises a stator (1) and a rotor (2). The stator (1) has a winding (3) and is enclosed by a double-walled machine housing (4) for a liquid-surface cooling. The end shields (5) and the bearings (6) delimit the machine laterally. In this jacket cooling, cooling liquid is fed via the connectors (13). In addition, a cooling pipe (14) is fitted inside the machine, in the region of the winding (3) of the stator (1), in particular parallel to the faces of the winding (3) heads. The cooling pipe (14) can be connected with the jacket cooling via connectors (15) on configuration of the jacket cooling. The invention innovatively enables heat loss produced by the rotor winding or the stator winding to be carried directly to the exposed areas. This results in increased exploitation potential of the machine, which in turn enables smaller construction dimensions of the machine under certain circumstances

Description

FLÜSSIGKEITGEKÜHLTE ELEKTRISCHE MASCHINE LIQUID-COOLED ELECTRICAL MACHINE
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, bestehend aus einem Stator, einer rotierenden Welle, mit auf dieser starr befestigtem Rotor und einem Gehäuse in dem der Stator befestigt ist und wobei das Gehäuse beidseitig ein Lagerschild mit einem Lager aufweist, über die die Welle gelagert ist und gegebenenfalls das Gehäuse und/oder die Welle flüssigkeitsgekühlt ist.The invention relates to an electrical machine, consisting of a stator, a rotating shaft, with a rigidly attached rotor and a housing in which the stator is fastened, and the housing has a bearing plate on both sides with a bearing via which the shaft is mounted and optionally the housing and / or the shaft is liquid-cooled.
Bei elektrischen Maschinen obiger Bauart entsteht Verlustwärme, die meistens abgeführt werden muß. Dies kann durch Frischluftkühlung erfolgen, wobei dabei zwischen Selbstkühlung durch Luftbewegung oder Strahlung ohne Zuhilfenahme eines Lüfters, Eigenlüftung durch einen am Läufer angebrachten oder von ihm angetriebenen Lüfter und Fremdkühlung unterschieden wird. Die Wirkung der Selbstkühlung und der Eigenkühlung ist von der Drehzahl der Maschine abhängig, die Fremdkühlung hingegen ist davon unabhängig. Weiters ist auch eine unmittelbare Flüssigkeitskühlung durch eine in der Gehäusewandung zirkulierende Flüssigkeit möglich, welche ebenfalls drehzahlunabhängig ist. Weiters ist auch die Kühlung der Rotorwelle, beispielsweise bei einer hochtourigen elektrischen Maschine bekannt. Darüberhinaus ist eine weitere Kühlungsart, die Kreislaufkühlung bekannt, bei der das Kühlmittel z. B. Luft, Wasserstoff oder dgl. im Kreislauf durch die Maschine und einen entsprechendenIn electrical machines of the above type, heat is lost, which usually has to be dissipated. This can be done by fresh air cooling, whereby a distinction is made between self-cooling by air movement or radiation without the aid of a fan, self-ventilation by a fan attached to or driven by the rotor and external cooling. The effect of self-cooling and self-cooling depends on the speed of the machine, while external cooling is independent of this. Furthermore, direct liquid cooling is also possible by means of a liquid circulating in the housing wall, which is also independent of the speed. The cooling of the rotor shaft is also known, for example in the case of a high-speed electrical machine. In addition, another type of cooling, the circuit cooling is known, in which the coolant z. B. air, hydrogen or the like. In the circuit through the machine and a corresponding
Kühler strömt. Die Kreislaufkühlung kann drehzahlabhängig oder drehzahlunabhängig angeführt werden.Cooler flows. The circuit cooling can be specified depending on the speed or independent of the speed.
Es gibt nun Maschinentypen, bei denen gewisse Kühlungsarten, konstruktionsmäßig bedingt, nicht eingesetzt werden können. Beispielsweise tritt dies bei Schleifringläufern auf, bei denen große Läuferverluste gegeben sind. Eine Wellenkühlung ist aber bei dieser Maschinentype nur äußerst aufwendig - wenn überhaupt - möglich, da der für die Wellenkühlung notwendige Wellenstummel die Schleifringe aufweist. Um nun die von den Läuferverlusten entstandene Wärmemenge zu beherrschen, mußte die Maschine überdimensioniert werden.There are now machine types in which certain types of cooling cannot be used due to the design. For example, this occurs with slip ring rotors where there are large rotor losses. However, shaft cooling is only extremely expensive - if at all - possible with this type of machine, since the shaft stub required for shaft cooling has the slip rings. In order to control the amount of heat generated by the runner losses, the machine had to be oversized.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Kühlung aufweist, die eine wirtschaftlich optimale Auslegung der Maschine erlaubt. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Gehäuses nahe der im Stator vorgesehenen Wicklung und/oder im Bereich der Lager mindestens ein Kühlrohr für eine Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, die über die Rotor- bzw. Statorwicklung produzierte Verlustwärme an den exponierten Stellen gezielt abzuführen. Dadurch ist gewährleistet, daß die Maschinenausnützung entsprechend erhöht werden kann, was wiederum unter gewissen Umständen eine kleinere Maschinenbauweise ermöglicht.The object of the invention is to provide an electrical machine of the type mentioned at the outset, which has a cooling system which permits an economically optimal design of the machine. The electrical machine according to the invention is characterized in that at least one cooling tube for a cooling liquid is arranged in the interior of the housing near the winding provided in the stator and / or in the area of the bearings. With the invention, it is possible for the first time to specifically dissipate the waste heat produced via the rotor or stator winding at the exposed points. This ensures that the machine utilization can be increased accordingly, which in turn enables a smaller machine design under certain circumstances.
Die Anordnung des Kühlrohres im Bereich der Lager ist vorteilhafterweise eine echte Alternative zu einer Wellenkühlung. Demgegenüber ist die Anordnung des Kühlrohres im Bereich der Stirnseiten der Wicklungsköpfe der Statorwicklung eine Alternative zur Gehäuseoberflächenkühlung. Natürlich sind alle Variationen denkbar.The arrangement of the cooling tube in the area of the bearings is advantageously a real alternative to shaft cooling. In contrast, the arrangement of the cooling tube in the region of the end faces of the winding heads of the stator winding is an alternative to cooling the surface of the housing. Of course, all variations are conceivable.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist das Kühlrohr an seiner Oberfläche Rippen auf. Durch die Vergrößerung der Kühloberfläche ist eine Verbesserung desAccording to a further feature of the invention, the cooling tube has ribs on its surface. By increasing the cooling surface is an improvement in
Wirkungsgrades zu erzielen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlrohr parallel und/oder konzentrisch zu den Stirnseiten der Wicklungsköpfe der im Stator vorgesehenen Wicklung angeordnet. Wie bereits erwähnt, sind die Stirnseiten bzw. der Bereich der Wicklungsköpfe selbst, bestens geeignet, die Verlustwärme aus den Aktivteilen der Maschine abzuführen. Mit dem Kühlrohr bzw. mit einer kühlschlangenähnlichen Einrichtung ist dies problemlos möglich.To achieve efficiency. According to a special embodiment of the invention, the cooling tube is arranged parallel and / or concentrically to the end faces of the winding heads of the winding provided in the stator. As already mentioned, the end faces or the area of the winding heads themselves are ideally suited to dissipating the heat loss from the active parts of the machine. With the cooling tube or with a device similar to a cooling coil, this is easily possible.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlrohr parallel und/oder konzentrisch zur Lagerung der Welle angeordnet. Auch dieser Bereich ist gut geeignet, die entstandene Verlustwärme aus der Welle abzuführen. Darüberhinaus ist es erstrebenswert, den Lagerbereich nicht zu überhitzen.According to a further embodiment of the invention, the cooling tube is arranged parallel and / or concentrically to the bearing of the shaft. This area is also well suited to dissipating the heat loss from the shaft. In addition, it is desirable not to overheat the storage area.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Kühlrohr mit der Gehäuseoberflächenkühlung und/oder mit der Wellenkühlung verbunden. Da die Kühlung des Maschineninnenraumes mittels des Kühlrohres als echte Alternative zu einer etwaigen Wellenkühlung aber auch zu einer Flüssigkeits - Gehäuse - Oberflächenkühlung einsetzbar ist, kann vorteilhafterweise die Kühlflüssigkeit der Wellenkühlung bzw. der Oberflächenkühlung auch für das Kühlrohr Verwendung finden. Die Anschlüsse des Kühlrohres können dabei direkt in den entsprechenden Kühlkreislauf eingebunden werden. Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.According to a further feature of the invention, the cooling tube is connected to the housing surface cooling and / or to the shaft cooling. Since the cooling of the interior of the machine by means of the cooling tube can be used as a real alternative to a possible shaft cooling but also to a liquid housing surface cooling, the cooling liquid of the shaft cooling or the surface cooling can advantageously also be used for the cooling tube. The connections of the cooling pipe can be integrated directly into the corresponding cooling circuit. The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment which is illustrated in the drawing.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine elektrische, rotierende Maschine und Fig. 2 ein Kühlrohr.Fig. 1 shows a section through an electrical, rotating machine and Fig. 2 shows a cooling tube.
Gemäß der Fig. 1 ist die elektrische, rotierende Maschine eine Drehstrom- Asynchronmaschine, in dieser Ausführung mit einem Schleifringläufer. Eine derartige Maschine kann beispielsweise als Generator bei Windmühlen bzw. Windkraftanlagen eingesetzt werden. Die Maschine besteht aus einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Stator 1 weist eine Wicklung 3 auf und ist von einem Maschinengehäuse 4 umgeben, wobei seitlich die Lagerschilder 5 mit den Lagern 6 die Maschine begrenzen. Das Maschinengehäuse 4 ist doppelwandig für eine Flüssigkeits-Oberflächenkühlung ausgeführt.1, the electrical, rotating machine is a three-phase asynchronous machine, in this embodiment with a slip ring rotor. Such a machine can be used, for example, as a generator in windmills or wind power plants. The machine consists of a stator 1 and a rotor 2. The stator 1 has a winding 3 and is surrounded by a machine housing 4, the bearing plates 5 with the bearings 6 laterally delimiting the machine. The machine housing 4 is double-walled for liquid surface cooling.
In den Lagern 6 ist die Welle 7 für den Rotor 2 gelagert. Daüberhinaus wird auf einer Seite der Maschine die Welle 7 durch das Lagerschild 5 durchgeführt und am verlängerten Wellenende sind die Schleifringe 8 angeordnet. Die Schleifringe 8 sind mit einer am Lagerschild 5 befestigten Abdeckung 9 versehen, wobei auf der Abdeckung 9 auch der Klemmenkasten vorgesehen sein kann.The shaft 7 for the rotor 2 is mounted in the bearings 6. In addition, the shaft 7 is passed through the end shield 5 on one side of the machine and the slip rings 8 are arranged at the extended shaft end. The slip rings 8 are provided with a cover 9 fastened to the end shield 5, the terminal box also being able to be provided on the cover 9.
Der Rotor 2 besteht aus geschichteten Läuferblechen 10, wobei diese auf der Welle 7 angeordnet sind. Dieser Rotor 2 weist eine Schleifringläuferwicklung 11 auf, die über Bohrungen 12 in der Welle 7 zu den Schleifringen 8 geführt ist.The rotor 2 consists of layered rotor plates 10, which are arranged on the shaft 7. This rotor 2 has a slip ring rotor winding 11 which is guided to the slip rings 8 via bores 12 in the shaft 7.
Wie bereits erwähnt, ist das Maschinengehäuse 4 doppelwandig für eine Flüssigkeitskühlung ausgeführt. Bei dieser Mantelkühlung wird über die Anschlüsse 13 die Kühlflüssigkeit zugeführt. Darüberhinaus ist im Maschineninnenraum ein Kühlrohr 14 vorgesehen, das im Bereich der Wicklung 3 des Stators 1 , insbesondere parallel zu den Stirnseiten der Wicklungsköpfe der Wicklung 3 angeordnet ist. Dieses Kühlrohr 14 kann bei der Ausführung einer Mantelkühlung über Anschlüsse 15 mit der Mantelkühlung verbunden sein. Es ist aber durchaus im Rahmen der Erfindung eigene Anschlüsse für die Kühlfiüssigkeit vorzusehen. Bei der Maschinentype eines Schleifringläufers ist es auf Grund der Schleifringkonstruktion naheliegend, keine Wellenkühlung vorzusehen. Als echte Alternative dazu bietet sich die Möglichkeit an, ein Kühlrohr 16 nahe den Lagern 6 anzuordnen. Wie bereits oben aufgezeigt, kann das Kühlrohr 16 über die Anschlüsse 17 mit der Mantelkühlung verbunden sein bzw. könnten eigene Anschlüsse vorgesehen werden.As already mentioned, the machine housing 4 is double-walled for liquid cooling. With this jacket cooling, the cooling liquid is supplied via the connections 13. In addition, a cooling tube 14 is provided in the interior of the machine, which is arranged in the area of the winding 3 of the stator 1, in particular parallel to the end faces of the winding heads of the winding 3. This cooling tube 14 can be connected to the jacket cooling via connections 15 when jacket cooling is carried out. However, it is entirely within the scope of the invention to provide separate connections for the cooling liquid. With the machine type of a slip ring rotor, it is obvious, due to the slip ring construction, not to provide shaft cooling. A real alternative to this is the possibility of arranging a cooling tube 16 near the bearings 6. As already shown above, the cooling pipe 16 can be connected to the jacket cooling via the connections 17 or separate connections could be provided.
Es liegt aber durchaus auch im Rahmen der Erfindung, die Kühlrohre 14 bzw. 16 bei einer vorhandenen Wellenkühlung diese mit der Wellenkühlung über Anschlüsse zu verbinden.However, it is also within the scope of the invention to connect the cooling tubes 14 and 16, in the case of existing shaft cooling, to the shaft cooling via connections.
Gemäß der Fig. 2 ist das Kühlrohr 14 bzw. 16 an seiner Oberfläche mit Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche versehen. Als Material für das Kühlrohr 14 bzw. 16 eignet sich beispielsweise Aluminium oder aber auch Niroster-Matehalien. Abhängig ist die Materialentscheidung des Kühlrohres 14 bzw. 16 aber sicherlich vom verwendeten Kühlmittel. 2, the cooling tube 14 or 16 is provided on its surface with ribs to enlarge the surface. Suitable materials for the cooling pipe 14 or 16 are, for example, aluminum or stainless steel materials. The material decision of the cooling tube 14 or 16 is certainly dependent on the coolant used.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Elektrische Maschine, bestehend aus einem Stator, einer rotierenden Welle, mit auf dieser starr befestigtem Rotor und einem Gehäuse in dem der Stator befestigt ist, und wobei das Gehäuse beidseitig ein Lagerschild mit einem Lager aufweist, über die die Welle gelagert ist und gegebenenfalls das Gehäuse und/oder die Welle flüssigkeitsgekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Gehäuses nahe der im Stator vorgesehenen Wicklung und/oder im Bereich der Lager mindestens ein Kühlrohr für eine Kühlflüssigkeit angeordnet ist.1. Electrical machine, consisting of a stator, a rotating shaft with a rigidly attached rotor and a housing in which the stator is fastened, and wherein the housing has a bearing plate on both sides with a bearing via which the shaft is mounted and, if appropriate the housing and / or the shaft is liquid-cooled, characterized in that at least one cooling tube for a cooling liquid is arranged in the interior of the housing near the winding provided in the stator and / or in the region of the bearings.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr an seiner Oberfläche Rippen aufweist.2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the cooling tube has ribs on its surface.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr parallel und/oder konzentrisch zu den Stirnseiten der Wicklungsköpfe der im Stator vorgesehenen Wicklung angeordnet ist.3. Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling tube is arranged parallel and / or concentrically to the end faces of the winding heads of the winding provided in the stator.
4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr parallel und/oder konzentrisch zur Lagerung der Welle angeordnet ist.4. Electrical machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling tube is arranged parallel and / or concentrically to the bearing of the shaft.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr mit der Gehäuseoberflächenkühlung und/oder mit der Wellenkühlung verbunden ist. 5. Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling tube is connected to the housing surface cooling and / or to the shaft cooling.
EP98918967A 1997-05-27 1998-05-14 Liquid-cooled electric machine Withdrawn EP0985262A1 (en)

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