EP1425841A1 - Method for cooling a transverse flow synchronous machine and transverse flow synchronous machine - Google Patents

Method for cooling a transverse flow synchronous machine and transverse flow synchronous machine

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Publication number
EP1425841A1
EP1425841A1 EP02779337A EP02779337A EP1425841A1 EP 1425841 A1 EP1425841 A1 EP 1425841A1 EP 02779337 A EP02779337 A EP 02779337A EP 02779337 A EP02779337 A EP 02779337A EP 1425841 A1 EP1425841 A1 EP 1425841A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
rotor
synchronous machine
coolant
transverse flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02779337A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Lange
Wolfram Angerer
Uwe Mühlberger
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.)
Voith Turbo GmbH and Co KG
Original Assignee
Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Turbo GmbH and Co KG filed Critical Voith Turbo GmbH and Co KG
Publication of EP1425841A1 publication Critical patent/EP1425841A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a synchronous machine with transverse flow guidance, in particular a transverse flow machine; also a synchronous machine with transverse flow guidance.
  • the rotor includes at least one stator with at least one armature winding and a rotor opposite the armature winding.
  • the rotor consists of at least two ring elements arranged next to one another, separated by an intermediate layer of magnetically and electrically non-conductive material, which have a plurality of alternately arranged polarized magnets and soft iron elements in the circumferential direction. Such an arrangement of two ring elements forms a pole structure.
  • Transverse flux machines are preferably constructed symmetrically. These then comprise two pole structures separated by a central carrier disk.
  • DE 43 35 848 A1 discloses a large number of possibilities for improving the cooling effect, in particular to design a cooling arrangement in such a way that it has at least one cooling channel which is installed in the region or in the vicinity of the carrier disk in the stator and through which a cooling fluid flows becomes.
  • Each cooling channel is only one of the carrier disc
  • Channel cover of minimal thickness and the air gap between the rotor and stator separated is also known from this publication.
  • the spacer is radially opposite the carrier disc, is arranged symmetrically to the carrier disc and is thermally insulated from the stator sections.
  • This consists of a material that is magnetically passive and has good thermal conductivity.
  • the disadvantage of the known designs is that large cooling effects can only be achieved with a high manufacturing expenditure.
  • the most stressed and heated areas of the rotor can often not be optimally and above all not evenly cooled. Due to the structure of the transverse flux machine, cooling of some areas of the rotor is only possible indirectly, in particular the connection points between the individual ring elements of a pole structure and / or the connection between the carrier disk and the pole structures. However, these are the areas most exposed to warming.
  • the transverse flux machine is partially filled such that, at least in the installed position below the rotor axis, a coolant sump is formed in a non-operating manner in such a way that when the AC machine is operated, the coolant is partially entrained and atomized by the rotor rotation and the atomized particles in at least one of the spaces and thus in can reach the area of the rotor.
  • the filling takes place in such a way that a coolant sump is formed below the rotor axis in the radially outer space, also referred to as an air gap, in the installed position between the rotor and the stator.
  • the operation of the alternating current machine essentially occurs depending on the speed of the rotor shaft and the
  • the invention is therefore based on the object of carrying out a cooling arrangement for a synchronous machine with transverse flow guidance in such a way that, in addition to ensuring effective cooling of the synchronous machine with transverse flow guidance, in particular the rotor as a particularly heavily stressed component, a low constructional and cost-effective expenditure is recorded is.
  • the solution according to the invention for optimal rotor cooling for synchronous machines with transverse flow guidance is characterized by the use of a cooling method in which, due to the rotor rotation, a coolant located in the coolant sump is atomized into a coolant-air mixture for a special stator construction and a rotor design.
  • the stator construction is characterized in that only the inner stator carries an armature winding, while the outer stator is made up of a large number of individual stator elements, which are designed as solid profile components, preferably made of powder-metallurgically manufactured and pressed materials.
  • stator units in particular the, exist in conventional designs of synchronous machines with transverse flux guidance
  • External stator made up of a plurality of soft iron units arranged one behind the other, which are embedded in the stator housing and thus illustrate an essentially smooth stator structure.
  • the rotor structure is characterized by a non-smooth outer surface.
  • the rotor has a stepped structure which is produced by changing radial dimensions of the magnet arrangements and soft iron elements arranged alternately in the circumferential direction. This rotor structure significantly favors the atomization of the coolant.
  • the synchronous machine with transverse flow guidance is partially filled with a coolant in such a way that in the installed position in the mathematical sense below the rotor axis, in particular in the
  • the area of the outer air gap between the rotor and the outer stator forms a coolant sump when not in operation, which is entrained, swirled and atomized on the individual stator elements and the atomized particles first because of the staged structure of the rotor immersed in the coolant sump when not in operation and then because of the negative pressure that arises during rotor rotation reach the area of the rotor from the gaps.
  • the rotor therefore only plunges directly into the coolant sump when it is not in operation and after commissioning for a short period of time.
  • the coolant is entrained due to the pressure conditions caused by the structure of the rotor.
  • the rotor is therefore not cooled directly by the coolant, but by the swirl and
  • the coolant is atomized into many individual droplets, under normal pressure and normal Temperature conditions in the synchronous machine.
  • the droplet mist is distributed over the entire interior of the machine.
  • the rotor is cooled by heat transfer to the stator elements. No additional sealing is required. This process is carried out free of hydraulic friction. Due to the gaps caused by the stator construction, the
  • the available stator area, in particular on the outer stator, is considerably enlarged, which on the one hand has a positive effect on the atomization and on the other hand also considerably increases the surface area available for heat dissipation with regard to the possible cooling. Since the coolant-air mixture essentially only takes on the heat transport, it is not necessary to provide additional devices for cooling the coolant. A single partial filling with coolant, which remains inside the AC machine, is sufficient.
  • the spaces between the rotor and the stator are defined with respect to their radial position based on the theoretical symmetry or the axis which corresponds to the axis of rotation of the rotor.
  • the low viscosity coolant i.e. used with a low internal friction due to force effects between the molecules, for example in the form of low-viscosity oil.
  • the solution according to the invention offers the possibility of dissipating heat even at the critical areas of the rotor, which could previously only be insufficiently cooled by means of conventional cooling arrangements.
  • the heat can be removed from the stator by means of conventional simple stator cooling devices, for example cooling channels in the stator housing.
  • the solution according to the invention can also be used as an additional measure
  • Cooling can be used in combination with conventional cooling measures. For machines with low output, however, partial filling in combination with simple stator cooling is sufficient.
  • the stator can be cooled in different ways, directly or indirectly using different cooling media. In the simplest case, this is connected to corresponding cooling devices or coolant channels which can be filled with coolant are provided in the stator main body.
  • Rotor and stator is separated.
  • the cooling channel can extend axially and be installed in a spacer which is arranged between a pair of stator sections.
  • the spacer is arranged symmetrically in the radial direction opposite the carrier disk and thermally insulated from the stator sections.
  • the spacer is preferably made of a material that is magnetically passive and has good thermal conductivity.
  • On both sides of the cooling channel it has essentially radially extending, large-area cavities which provide thermal insulation from the neighboring ones Form areas of the stator.
  • the cavities can be filled with air or other insulation materials.
  • cooling channel can be arranged in the base body of the stator.
  • the coolant is preferably filled as a constant filling before the synchronous machine is put into operation for the first time and later for replacement after the old coolant has been emptied at specific, preferably predefined or freely selectable time intervals.
  • a) on the end faces of the housing of the synchronous machine and / or b) in the element supporting the outer stator in the region of its end face or on the circumference closable through openings and / or channels are provided, which a space outside the radial outer space between the rotor and
  • FIGS. 1a and 1b illustrate the basic principle of the method according to the invention in two views on the basis of a sectional illustration of a transverse flux machine.
  • FIG. 1 a uses a section from an axial section of a synchronous machine 1 with a transverse flux guide to illustrate the structure of a stator unit 2 designed for the solution according to the invention.
  • This has at least one stator unit 4 carrying at least one armature winding 3. This is designed as an element of the overall internal stator assembly.
  • the stator unit 4 is arranged in a stator housing 5.
  • a rotor 6 of the synchronous machine 1 with a transverse flow guide is also rotatably mounted.
  • the stator assembly 2 further comprises a second stator unit 8, which functions as an external stator 7.
  • This comprises a plurality of individual stator elements 9.1 to 9.n arranged one behind the other in the circumferential direction, which in the axial section according to FIG. 1a also have an essentially U-shaped cross section, however, at least are designed as tooth elements or teeth 15 supporting elements.
  • the stator elements 9.1 to 9.n form with the outer surface 10 of the rotor 6 in
  • the stator unit 8 is preferably free of an armature winding.
  • the individual stator elements 9.1 to 9.n are arranged one behind the other in the circumferential direction at a certain distance from one another. These thus form spaces 12.1 to 12.n.
  • the rotor G comprises a central carrier disk 17 and at least one, preferably two pole structures extending in the axial direction from the carrier disk 17, shown here a pole structure 18, each comprising two rows, from in
  • the rows are designated 19 and 20.
  • the magnet arrangements of the series 19 are designated by 21.
  • the series 19 soft iron units are designated 22 in this view.
  • the magnet arrangements of the series 20 are designated by 23 and the soft iron elements by 21.
  • the rows 19 and 20 are each by an intermediate layer, here the
  • Liner 25 made of magnetically and electrically non-conductive material separated from each other.
  • the radially outer dimensions of the magnet arrangements 21 and 23 and the soft iron elements 22 and 24 arranged between them are different and thus produce a structure of the rotor G which is stepped in the circumferential direction and thus an uneven outer surface on the outer circumference 14 of the rotor.
  • TA21, TA 23 for the magnet arrangements of both rows 19 and 20 and ⁇ A 22 and ⁇ A 24 for the soft iron elements 22 and 24 of rows 19 and 20 are shown.
  • FIGS. 1a and 1b describe a particularly compact configuration of a stator assembly 2, in particular a stator unit in the form of an outer stator.
  • a stator assembly 2 in particular a stator unit in the form of an outer stator.
  • the individual individual stator element 9.1 to 9.n is designed as an element with a broadened back, which is preferably produced by powder metallurgy, that is to say pressed and is therefore produced in one piece.
  • the individual stator element is designed as a full part and is preferably only connected to the stator housing 5 in a non-positive and positive manner by means of connecting elements.
  • the stator housing comprises an annular housing part.
  • the fastening elements are guided through the housing wall of the ring-shaped housing part and brought into operative connection with corresponding counter elements on the individual stator elements.
  • each individual stator element 9.1 to 9.n has at least one thread machined into it. The thread extends from the outer surface facing away from the rotor in the direction of the rotor 6.
  • the synchronous machine 1 with transverse flow guidance are here means not shown in detail for filling the interior 16 with a
  • the interior 16 is filled at least over a portion of the outer spaces 11 in the radial direction.
  • the coolant level 13 which is set when not in operation is at least touched by the outer circumference 14 of the rotor 6, preferably this is partially immersed therein.
  • the external stator 7 can be cooled, for example, via cooling channels (not shown) in the housing 5. Other options are possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention concerns a method for cooling a transverse flow synchronous machine comprising a rotor and a stator forming at least respectively an outer intermediate gap in the radial direction. The outer stator, which is associated with the rotor so as to be spaced apart therefrom by a ventilating interstice in the radial direction, comprises in the circumferential direction a plurality of substantially efficient individual elements spaced apart from one another by specific distances and associated with the rotor in corresponding and complementary manner. According to said method, at least a partial zone of the stator is cooled, and the inside of the synchronous machine is partly filled at least with a cooling medium. The invention is characterized in that when the synchornous machine is not operating and is being mounted, a layer of cooling medium is formed whereof the surface is at least at the zone of the outer intermediate gap located beneath the axis of symmetry of the synchronous machine, between the rotor and the stator, and when the synchronous machine is operating, the rotation of the rotor drives the cooling medium, which is then sprayed in the intermediate gaps between the individual elements of the stator.

Description

Verfahren zur Kühlung einer Synchronmaschine mit transversaler Flußführung und Synchronmaschine mit transversaler FlußführungMethod for cooling a synchronous machine with transverse flow guidance and synchronous machine with transverse flow guidance
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Synchronmaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere einer Transversalflußmaschine; ferner eine Synchronmaschine mit transversaler Flußführung.The invention relates to a method for cooling a synchronous machine with transverse flow guidance, in particular a transverse flow machine; also a synchronous machine with transverse flow guidance.
Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung sind beispielsweise in folgenden Druckschriften (1 ) DE 35 36 538 A1Synchronous machines with transverse flow guidance are described, for example, in the following documents (1) DE 35 36 538 A1
(2) DE 3705089 C1(2) DE 3705089 C1
(3) DE 3904516 C1(3) DE 3904516 C1
(4) DE 4125779 C1 offenbart. Diese beschreiben im wesentlichen das Grundprinzip und den Aufbau.(4) DE 4125779 C1. These essentially describe the basic principle and the structure.
Diese umfassen wenigstens einen Stator mit mindestens einer Ankerwicklung und einen der Ankerwicklung gegenüberliegenden Rotor. Der Rotor besteht dabei aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten, durch eine Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material getrennten, Ringelementen, die in Umfangsrichtung eine Vielzahl von wechselweise angeordneten polarisierten Magneten und Weicheisenelementen aufweisen. Eine derartige Anordnung zweier Ringelemente bildet eine Polstruktur. Vorzugsweise sind Transversalflußmaschinen symmetrisch aufgebaut. Diese umfassen dann zwei durch eine zentrale Trägerscheibe getrennte Polstrukturen.These include at least one stator with at least one armature winding and a rotor opposite the armature winding. The rotor consists of at least two ring elements arranged next to one another, separated by an intermediate layer of magnetically and electrically non-conductive material, which have a plurality of alternately arranged polarized magnets and soft iron elements in the circumferential direction. Such an arrangement of two ring elements forms a pole structure. Transverse flux machines are preferably constructed symmetrically. These then comprise two pole structures separated by a central carrier disk.
Bei einer derartigen Maschine wird im Betrieb sowohl im Rotor als auch im Stator aufgrund der durch die Wicklungen und die Magnetkerne auftretenden und durch induzierte Wirbelströme bedingten Verlustleistungen Wärme erzeugt. Diese begrenzt bei Nichtergreifung geeigneter Maßnahmen die Belastbarkeit und damit auch die Verfügbarkeit bzw. Betriebsdauer der Wechselstrommaschine. Dabei sind insbesondere die Situationen kritisch, bei denen eine derartige Maschine bei hoher Last und vor allem hoher Drehzahl arbeitet. Zur Vermeidung dieses nachteiligen Effektes ist es grundsätzlich bekannt, den Stator an Kühleinrichtungen anzuschließen. Auf diese Weise kann eine Erwärmung der Maschine und deren Komponenten verringert werden.With such a machine, heat is generated in operation both in the rotor and in the stator due to the power losses which occur due to the windings and the magnetic cores and are caused by induced eddy currents. If suitable measures are not taken, this limits the resilience and thus also the availability or operating time of the AC machine. The situations in which such a machine works under high load and above all at high speed are particularly critical. In order to avoid this disadvantageous effect, it is generally known to connect the stator to cooling devices. In this way, heating of the machine and its components can be reduced.
Aus der DE 43 35 848 A1 sind eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verbesserung der Kühlwirkung bekannt, im einzelnen eine Kühlanordnung derart auszuführen, daß diese mindestens einen Kühlkanal aufweisen, welcher im Bereich oder in der Nähe der Trägerscheibe in den Stator eingebaut und von einem Kühlfluid durchströmt wird. Jeder Kühlkanal ist dabei von der Trägerscheibe nur durch eineDE 43 35 848 A1 discloses a large number of possibilities for improving the cooling effect, in particular to design a cooling arrangement in such a way that it has at least one cooling channel which is installed in the region or in the vicinity of the carrier disk in the stator and through which a cooling fluid flows becomes. Each cooling channel is only one of the carrier disc
Kanalabdeckung minimaler Dicke und den Luftspalt zwischen Rotor und Stator getrennt. Ebenfalls aus dieser Druckschrift bekannt, ist eine Ausführung mit mindestens axial verlaufendem Kühlkanal in einer Distanzscheibe, welche zwischen einem Paar von Statorabschnitten vorgesehen ist. Die Distanzscheibe liegt der Trägerscheibe radial gegenüber, ist symmetrisch zur Trägerscheibe angeordnet und gegenüber den Statorabschnitten thermisch isoliert. Diese besteht aus einem Material, das magnetisch passiv ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.Channel cover of minimal thickness and the air gap between the rotor and stator separated. Also known from this publication is an embodiment with an at least axially extending cooling channel in a spacer which is provided between a pair of stator sections. The spacer is radially opposite the carrier disc, is arranged symmetrically to the carrier disc and is thermally insulated from the stator sections. This consists of a material that is magnetically passive and has good thermal conductivity.
Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Wärmereduzierung besteht darin, dieAnother known way to reduce heat is to use the
Trägerscheibe und die im Bereich der Kühlkanäle dieser gegenüberliegenden Bereiche des Stators mit ineinandergreifenden komplementären Zähnen zu versehen, welche im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Flächen haben und durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.To provide the carrier disk and the areas of the stator located opposite each other in the area of the cooling channels with interlocking complementary teeth which have surfaces which run essentially parallel to one another and are separated from one another by an air gap.
Auch bekannt ist, entweder anstatt der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Statorkühlung und damit indirekt zur Rotorkühlung zusätzlich Maßnahmen am Rotor vorzusehen. Dieser weist mindestens ein Paar von Sammlerringen auf, welche durch einen Isolierring aus magnetisch passiven und elektrisch nicht- leitendem Material verbunden sind, wobei in den Isolierring in Umfangsrichtung verteilt Speicherzellen eingearbeitet sind, die mit einem Phasenübergangsmaterial gefüllt sind. Die Wirkung dieser bekannten Maßnahmen kann durch eine geeignete Werkstoffauswahl und Oberflächenbehandlung erhöht werden.It is also known to provide additional measures on the rotor either instead of the measures described above for stator cooling and thus indirectly for rotor cooling. This has at least one pair of collector rings, which are connected by an insulating ring made of magnetically passive and electrically non-conductive material, memory cells being incorporated in the circumferential direction and filled with a phase change material. The effect of these known measures can be increased by a suitable choice of material and surface treatment.
Der Nachteil der bekannten Ausführungen besteht darin, daß große Kühleffekte nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand erzielt werden können. Die am stärksten beanspruchten und erwärmten Bereiche des Rotors können oft nicht optimal und vor allem nicht gleichmäßig gekühlt werden. Aufgrund des Aufbaus der Transversalflußmaschine ist die Kühlung einiger Bereiche des Rotors nur indirekt möglich, insbesondere die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Ringelementen einer Polstruktur und/oder die Verbindung zwischen Trägerscheibe und den Polstrukturen. Dies sind jedoch die Bereiche, welche am stärksten einer Erwärmung ausgesetzt sind.The disadvantage of the known designs is that large cooling effects can only be achieved with a high manufacturing expenditure. The most stressed and heated areas of the rotor can often not be optimally and above all not evenly cooled. Due to the structure of the transverse flux machine, cooling of some areas of the rotor is only possible indirectly, in particular the connection points between the individual ring elements of a pole structure and / or the connection between the carrier disk and the pole structures. However, these are the areas most exposed to warming.
Aus der Druckschrift WO 98/25331 ist ein Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine mit einem Rotor und einem Stator, welche wenigstens jeweils einen radial inneren und/oder radial äußeren Zwischenraum miteinander bilden, insbesondere von Synchronmaschinenen mit transversaler Flußführung bekannt, bei denen die nicht direkt kühlbaren Bereiche des Rotors mittels eines aufgrund von Zerstäubung entstehenden Kühlmittel-Luftgemisches gekühlt werden. Dazu wird die Wechselstrommaschine, insbesondere dieFrom document WO 98/25331 a method for cooling an alternating current machine with a rotor and a stator is known, which each form at least one radially inner and / or radially outer space with one another, in particular of synchronous machines with transverse flow guidance, in which the ones that cannot be directly cooled are known Areas of the rotor are cooled by means of a coolant-air mixture that is created due to atomization. For this, the AC machine, especially the
Transversalflußmaschine derart teilbefüllt, so daß sich zumindest in Einbaulage unterhalb der Rotorachse im mathematischen Sinn im Nichtbetrieb ein Kühlmittelsumpf derart ausbildet, daß bei Betrieb der Wechselstrommaschine durch die Rotorrotation das Kühlmittel teilweise mitgerissen und zerstäubt wird und die zerstäubten Partikel in wenigstens einen der Zwischenräume und damit in den Bereich des Rotors gelangen können. Dabei erfolgt die Befüllung derart, daß sich im radial äußeren, auch als Luftspalt bezeichneten Zwischenraum in Einbaulage zwischen Rotor und Stator betrachtet, unterhalb der Rotorachse ein Kühlmittelsumpf ausbildet. Im Betrieb der Wechselstrommaschine entsteht im wesentlichen in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotorwelle und desThe transverse flux machine is partially filled such that, at least in the installed position below the rotor axis, a coolant sump is formed in a non-operating manner in such a way that when the AC machine is operated, the coolant is partially entrained and atomized by the rotor rotation and the atomized particles in at least one of the spaces and thus in can reach the area of the rotor. The filling takes place in such a way that a coolant sump is formed below the rotor axis in the radially outer space, also referred to as an air gap, in the installed position between the rotor and the stator. The operation of the alternating current machine essentially occurs depending on the speed of the rotor shaft and the
Füllungsstandes ein Kühlmittel-Luftgemisch im Luftspalt zwischen Rotor und Stator. Dieses übernimmt durch Wärmeströmung und Wärmeübergang den Wärmetransport vom Rotor zum beispielsweise wassergekühlten Stator. Das Kühlmittel-Luftgemisch übernimmt im wesentlichen nur den Wärmetransport, weshalb keine zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels vorgesehen werden müssen und eine einmalige Teilbefüllung mit Kühlmittel, welches im Inneren der Wechselstrommaschine verbleibt, in der Regel ausreicht. Es hat sich jedoch nunmehr gezeigt, daß bei den Transversalflußmaschinen entsprechend der in den Druckschriften 1 bis 4 beschriebenen Bauart dieses Verfahren nicht die gewünschten Effekte erzielt, das heißt der Rotor trotzdem nicht die erwünschte Kühlung erfährt.Level a coolant-air mixture in the air gap between rotor and stator. This takes over through heat flow and heat transfer Heat transfer from the rotor to the water-cooled stator, for example. The coolant-air mixture essentially only takes on the heat transport, which is why no additional devices for cooling the coolant have to be provided and a one-time partial filling with coolant which remains inside the AC machine is generally sufficient. However, it has now been shown that in the case of the transverse flux machines corresponding to the design described in the documents 1 to 4, this method does not achieve the desired effects, that is to say the rotor does not nevertheless experience the desired cooling.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für eine Synchronmaschine mit transversaler Flußführung derart auszuführen, daß neben der Gewährleistung einer wirkungsvollen Kühlung der Synchronmaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere des Rotors als ein besonders stark beanspruchtes Bauteil, ein geringer konstruktiver und kostenmäßiger Aufwand zu verzeichnen ist.The invention is therefore based on the object of carrying out a cooling arrangement for a synchronous machine with transverse flow guidance in such a way that, in addition to ensuring effective cooling of the synchronous machine with transverse flow guidance, in particular the rotor as a particularly heavily stressed component, a low constructional and cost-effective expenditure is recorded is.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The solution according to the invention is characterized by the features of claims 1 and 7. Advantageous configurations are described in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Lösung für eine optimale Rotorkühlung für Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung ist durch Anwendung eines Verfahrens zur Kühlung, bei welchem aufgrund der Rotorrotation ein im Kühlmittelsumpf befindliches Kühlmittel in ein Kühlmittel-Luftgemisch zerstäubt wird, für eine spezielle Statorkonstruktion und eine Rotorausführung charakterisiert. Die Statorkonstruktion ist dabei dadurch charakterisiert, daß lediglich der Innenstator eine Ankerwicklung trägt, während der Außenstator aus einer Vielzahl von einzelnen Statorelementen ausgeführt wird, die als Vollprofilbauteile ausgeführt sind, vorzugsweise aus pulvermetallurgisch hergestellten und verpreßten Werkstoffen bestehen. Diese sind im wesentlichen als leistenförmige Einzelelemente ausgebildet, die zum Rotor gerichtete Zahnelemente bilden oder tragen und die mit einfachen Befestigungselementen direkt am Statorgehäuse befestigt werden können -lösbar oder nicht lösbar. Die Vielzahl der einzelnen Statorelemente am Außenstator, welche in Umfangsrichtung mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind und die somit immer jeweils einen Zwischenraum bilden, ermöglicht aufgrund der zerklüfteten Struktur eine erhebliche Oberflächenvergrößerung und damit eine wesentliche Erhöhung der Kontaktstellen für das Kühlmittel-Luftgemisch zur Aufnahme der mittels diesem vom Rotor abgeführten Wärme. Demgegenüber bestehen bei konventionellen Ausführungen von Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung die einzelnen Statoreinheiten, insbesondere derThe solution according to the invention for optimal rotor cooling for synchronous machines with transverse flow guidance is characterized by the use of a cooling method in which, due to the rotor rotation, a coolant located in the coolant sump is atomized into a coolant-air mixture for a special stator construction and a rotor design. The stator construction is characterized in that only the inner stator carries an armature winding, while the outer stator is made up of a large number of individual stator elements, which are designed as solid profile components, preferably made of powder-metallurgically manufactured and pressed materials. These are essentially designed as strip-shaped individual elements that face the rotor Form or carry tooth elements that can be attached directly to the stator housing with simple fastening elements - detachable or non-detachable. The large number of individual stator elements on the outer stator, which are arranged at a certain distance from one another in the circumferential direction and which therefore always form an intermediate space, enables a considerable increase in surface area and thus a substantial increase in the contact points for the coolant / air mixture to accommodate the by means of this heat dissipated by the rotor. In contrast, the individual stator units, in particular the, exist in conventional designs of synchronous machines with transverse flux guidance
Außenstator aus einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Weicheiseneinheiten, die im Statorgehäuse eingebettet sind und somit eine im wesentlichen glatte Statorstruktur verdeutlichen. Die Rotorstruktur ist durch eine nicht glatte Außenfläche charakterisiert. Der Rotor weist eine stufige Struktur auf, die durch wechselnde radiale Abmessungen der in Umfangsrichtung wechselweise angeordneten Magnetanordnungen und Weicheisenelemente erzeugt wird. Diese Rotorstruktur begünstigt erheblich den Effekt der Zerstäubung des Kühlmittels. Erfindungsgemäß wird dazu die Synchronmaschine mit transversaler Flußführung mit einem Kühlmittel derart teilbefüllt, daß sich in Einbaulage im mathematischen Sinn unterhalb der Rotorachse, insbesondere imExternal stator made up of a plurality of soft iron units arranged one behind the other, which are embedded in the stator housing and thus illustrate an essentially smooth stator structure. The rotor structure is characterized by a non-smooth outer surface. The rotor has a stepped structure which is produced by changing radial dimensions of the magnet arrangements and soft iron elements arranged alternately in the circumferential direction. This rotor structure significantly favors the atomization of the coolant. According to the invention, the synchronous machine with transverse flow guidance is partially filled with a coolant in such a way that in the installed position in the mathematical sense below the rotor axis, in particular in the
Bereich des äußeren Luftspaltes zwischen Rotor und Außenstator im Nichtbetrieb ein Kühlmittelsumpf ausbildet, welcher zuerst aufgrund der stufigen Struktur des in den Kühlmittelsumpf im Nichtbetrieb eintauchenden Rotors und dann aufgrund des bei Rotorrotation entstehenden Unterdruckes mitgerissen, verwirbelt und an den einzelnen Statorelementen zerstäubt wird und die zerstäubten Partikel aus den Zwischenräumen in den Bereich des Rotors gelangen. Der Rotor taucht somit nur im Nichtbetrieb und nach Inbetriebnahme in einem kurzen Zeitraum direkt in den Kühlmittelsumpf ein. Das Kühlmittel wird aufgrund der durch die Struktur des Rotors bedingten Druckverhältnisse mitgerissen. Der Rotor wird somit nicht direkt durch das Kühlmittel gekühlt, sondern durch das durch Verwirbelung undThe area of the outer air gap between the rotor and the outer stator forms a coolant sump when not in operation, which is entrained, swirled and atomized on the individual stator elements and the atomized particles first because of the staged structure of the rotor immersed in the coolant sump when not in operation and then because of the negative pressure that arises during rotor rotation reach the area of the rotor from the gaps. The rotor therefore only plunges directly into the coolant sump when it is not in operation and after commissioning for a short period of time. The coolant is entrained due to the pressure conditions caused by the structure of the rotor. The rotor is therefore not cooled directly by the coolant, but by the swirl and
Vernebelung entstehende Kühlmittel-Luftgemisch. Dabei wird das Kühlmittel in viele einzelne Tröpfchen zerstäubt, und zwar unter normalem Druck und normalen Temperaturverhältnissen in der Synchronmaschine. Der Tröpfchennebel verteilt sich über den gesamten Innenraum der Maschine. Die Kühlung des Rotors erfolgt durch Wärmetransport an die Statorelemente. Es ist keine zusätzliche Abdichtung erforderlich. Dieser Vorgang erfolgt dabei frei von hydraulischer Reibung. Aufgrund der durch die Statorkonstruktion bedingten Zwischenräume ist die zurNebulization of the coolant-air mixture. The coolant is atomized into many individual droplets, under normal pressure and normal Temperature conditions in the synchronous machine. The droplet mist is distributed over the entire interior of the machine. The rotor is cooled by heat transfer to the stator elements. No additional sealing is required. This process is carried out free of hydraulic friction. Due to the gaps caused by the stator construction, the
Verfügung stehende Statorfläche, insbesondere am Außenstator, erheblich vergrößert, was zum einen für die Zerstäubung einen positiven Effekt bewirkt und des weiteren auch bezüglich der möglichen Kühlung die zur Wärmeabgabe zur Verfügung stehende Oberfläche erheblich vergrößert. Da das Kühlmittel- Luftgemisch im wesentlichen nur den Wärmetransport übernimmt, ist es nicht erforderlich, zusätzliche Einrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels vorzusehen. Eine einmalige Teilbefüllung mit Kühlmittel, welches im Inneren der Wechselstrommaschine verbleibt, ist ausreichend.The available stator area, in particular on the outer stator, is considerably enlarged, which on the one hand has a positive effect on the atomization and on the other hand also considerably increases the surface area available for heat dissipation with regard to the possible cooling. Since the coolant-air mixture essentially only takes on the heat transport, it is not necessary to provide additional devices for cooling the coolant. A single partial filling with coolant, which remains inside the AC machine, is sufficient.
Die Zwischenräume zwischen dem Rotor und dem Stator werden hinsichtlich ihrer radialen Lage ausgehend von der theoretischen Symmetrie- bzw. der Achse definiert, welche der Rotationsachse des Rotors entspricht.The spaces between the rotor and the stator are defined with respect to their radial position based on the theoretical symmetry or the axis which corresponds to the axis of rotation of the rotor.
Vorzugsweise wird als Kühlmittel mit geringer Viskosität, d.h. mit einer geringen inneren Reibung infolge von Kraftwirkungen zwischen den Molekülen verwendet, beispielsweise in Form von niederviskosen Öl.Preferably, the low viscosity coolant, i.e. used with a low internal friction due to force effects between the molecules, for example in the form of low-viscosity oil.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Möglichkeit der Abfuhr von Wärme auch an den kritischen Bereichen des Rotors, welche mittels konventionellen Kühlanordnungen bisher nur ungenügend gekühlt werden konnten.The solution according to the invention offers the possibility of dissipating heat even at the critical areas of the rotor, which could previously only be insufficiently cooled by means of conventional cooling arrangements.
Die Abfuhr der Wärme vom Stator kann mittels herkömmlicher einfacher Statorkühleinrichtunen, beispielsweise Kühlkanälen im Statorgehäuse erfolgen.The heat can be removed from the stator by means of conventional simple stator cooling devices, for example cooling channels in the stator housing.
Die erfindungsgemäße Lösung kann auch als Maßnahme zur zusätzlichenThe solution according to the invention can also be used as an additional measure
Kühlung in Kombination mit herkömmlichen Kühlmaßnahmen eingesetzt werden. Bei Maschinen mit geringer Leistung ist jedoch bereits die Teilbefüllung in Kombination mit einer einfachen Statorkühlung ausreichend.Cooling can be used in combination with conventional cooling measures. For machines with low output, however, partial filling in combination with simple stator cooling is sufficient.
Die Auswahl der geeigneten Kombinationen der erfindungsgemäßen Ölnebelkühlung mit herkömmlichen Kühlanordnungen zur Statorkühlung liegt imThe selection of the suitable combinations of the oil mist cooling according to the invention with conventional cooling arrangements for stator cooling lies in
Ermessen des Fachmannes und richtet sich nach dem konkreten Einsatzfall. Die Kühlung des Stators kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, direkt oder indirekt mittels unterschiedlicher Kühlmedien. Im einfachsten Fall ist dieser an entsprechende Kühleinrichtungen angeschlossen oder es sind mit Kühlmittel befüllbare Kühlmittelkanäle im Statorgrundkörper vorgesehen.The specialist's discretion and depends on the specific application. The stator can be cooled in different ways, directly or indirectly using different cooling media. In the simplest case, this is connected to corresponding cooling devices or coolant channels which can be filled with coolant are provided in the stator main body.
Zusätzlich besteht auch noch die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Kühlung des Rotors mit bereits bekannten Maßnahmen zur indirekten Kühlung des Rotors, insbesondere zur lokalen Kühlung von Rotorabschnitten zu kombinieren.In addition, there is also the possibility of combining the cooling of the rotor according to the invention with already known measures for indirect cooling of the rotor, in particular for local cooling of rotor sections.
Nachfolgend sind einige Beispiele genannt:Here are some examples:
Beispielsweise ist es denkbar, im Stator in der Nähe der Trägerscheibe wenigstens einen Kühlkanal vorzusehen, welcher von einem Kühlfluid durchströmbar ist, wobei der Kühlkanal von der Trägerscheibe nur durch eine Kanalabdeckung minimaler Dicke und den Zwischenraum zwischenFor example, it is conceivable to provide in the stator in the vicinity of the carrier disk at least one cooling channel through which a cooling fluid can flow, the cooling channel from the carrier disk only through a channel cover of minimal thickness and the space between
Rotor und Stator abgetrennt ist.Rotor and stator is separated.
In einer speziellen Ausführungsform kann der Kühlkanal axial verlaufen und in eine Distanzscheibe eingebaut sein, welche zwischen einem Paar von Statorabschnitten angeordnet ist. Die Distanzscheibe ist symmetrisch in radialer Richtung gegenüberliegend zur Trägerscheibe angeordnet und gegenüber den Statorabschnitten thermisch isoliert. Die Distanzscheibe besteht vorzugsweise aus einem Material, welches magnetisch passiv ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Sie weist auf beiden Seiten des Kühlkanales im wesentlichen radial verlaufende breitflächige Hohlräume auf, welche eine thermische Isolierung gegenüber den benachbarten Bereichen des Stators bilden. Die Hohlräume können mit Luft oder anderen Isolationsmaterialen gefüllt sein.In a special embodiment, the cooling channel can extend axially and be installed in a spacer which is arranged between a pair of stator sections. The spacer is arranged symmetrically in the radial direction opposite the carrier disk and thermally insulated from the stator sections. The spacer is preferably made of a material that is magnetically passive and has good thermal conductivity. On both sides of the cooling channel, it has essentially radially extending, large-area cavities which provide thermal insulation from the neighboring ones Form areas of the stator. The cavities can be filled with air or other insulation materials.
Des weiteren kann der Kühlkanal im Grundkörper des Stators angeordnet sein.Furthermore, the cooling channel can be arranged in the base body of the stator.
Bezüglich weiterer möglicher Maßnahmen wird auf die DE 43 35 848 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt für mögliche Kombinationen der erfindungsgemäßen Lösung mit bekannten Kühlanordnungen voll umfänglich in diese Anmeldung mit einbezogen werden soll.With regard to further possible measures, reference is made to DE 43 35 848 A1, the disclosure content of which is to be included in full in this application for possible combinations of the solution according to the invention with known cooling arrangements.
Vorrichtungsmäßig ist es lediglich erforderlich, der Synchronmaschine mit transversaler Flußführung jeweils nur Mittel zur Realisierung der Teilbefüllung, insbesondere eine Kühlmittelbefüllungseinrichtung zuzuordnen.In terms of the device, it is only necessary to assign the synchronous machine with transverse flow guidance only means for realizing the partial filling, in particular a coolant filling device.
Die einfachste Art der Realisierung der Teilfüllύng besteht darin, denThe simplest way of realizing partial filling is to use the
Kühlmittelsumpf derart auszubilden, daß der Stator in radialer Richtung im Bereich einer Senkrechten zur Rotationsachse unterhalb des Rotors über einen Teil seiner Erstreckung in Umfangsrichtung vollständig eintaucht und somit auch der radial äußere Zwischenraum zwischen Stator und Rotor derart, teilweise befüllt wird, daß der Rotor im Nichtbetrieb in vertikaler Richtung wenigstens teilweise in denTo design the coolant sump in such a way that the stator is completely immersed in the radial direction in the region of a perpendicular to the axis of rotation below the rotor over part of its extent in the circumferential direction and thus the radial outer space between the stator and the rotor is partially filled in such a way that the rotor is inoperative in the vertical direction at least partially in the
Kühlmittelsumpf eintaucht. Die Kühlmittelbefüllung erfolgt vorzugsweise als Konstantfüllung vor der Erstinbetriebnahme der Synchronmaschine und später zum Austausch nach Entleerung des alten Kühlmittels in bestimmten, vorzugsweise vordefinierten oder freiwählberen Zeitintervallen. Zur Befüllung ist es lediglich erforderlich, daß a) an den Stirnseiten des Gehäuses der Synchronmaschine und/oder b) im, den Außenstator tragenden Element im Bereich seiner Stirnseite oder am Umfang verschließbare Durchgangsöffnungen und/oder Kanäle vorgesehen sind, welche einen Raum außerhalb des radial äußeren Zwischenraumes zwischen Rotor undImmersed coolant sump. The coolant is preferably filled as a constant filling before the synchronous machine is put into operation for the first time and later for replacement after the old coolant has been emptied at specific, preferably predefined or freely selectable time intervals. For filling, it is only necessary that a) on the end faces of the housing of the synchronous machine and / or b) in the element supporting the outer stator in the region of its end face or on the circumference closable through openings and / or channels are provided, which a space outside the radial outer space between the rotor and
Außenstator und radial äußerem Zwischenraum miteinander verbinden und an welche eine Kühlmittelquelle anschließbar ist. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird nachfolgend anhand einer Figur erläutert. Dabei verdeutlichen die Figuren 1a und 1b anhand einer Schnittdarstellung einer Transversalflußmaschine in zwei Ansichten das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.Connect the outer stator and the radially outer space to each other and to which a coolant source can be connected. The achievement of the object according to the invention is explained below with reference to a figure. FIGS. 1a and 1b illustrate the basic principle of the method according to the invention in two views on the basis of a sectional illustration of a transverse flux machine.
Die Figur 1a verdeutlicht anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt einer Synchronmaschine 1 mit transversaler Flußführung den Aufbau einer zur erfindungsgemäßen Lösung erforderlich gestalteten Statorbaueinheit 2. Diese weist wenigstens eine, wenigstens eine Ankerwicklung 3 tragende Statoreinheit 4 auf. Diese ist hier als Element der Gesamtbaueinheit Innenstator ausgeführt. Die Statoreinheit 4 ist in einem Statorgehäuse 5 angeordnet. Im Gehäuse 5 ist des weiteren ein Rotor 6 der Synchronmaschine 1 mit transversaler Flußführung drehbar gelagert. Die Statorbaueinheit 2 umfaßt des weiteren eine zweite Statoreinheit 8, welche als Außenstator 7 fungiert. Diese umfaßt eine Vielzahl von in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Statoreinzelelementen 9.1 bis 9.n, welche im Axialschnitt gemäß Figur 1a beispielsweise ebenfalls einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen, zumindest jedoch als Zahnelemente oder Zähne 15 tragende Elemente ausgeführt sind. Die Statorelemente 9.1 bis 9.n bilden mit der Außenfläche 10 des Rotors 6 inFIG. 1 a uses a section from an axial section of a synchronous machine 1 with a transverse flux guide to illustrate the structure of a stator unit 2 designed for the solution according to the invention. This has at least one stator unit 4 carrying at least one armature winding 3. This is designed as an element of the overall internal stator assembly. The stator unit 4 is arranged in a stator housing 5. In the housing 5, a rotor 6 of the synchronous machine 1 with a transverse flow guide is also rotatably mounted. The stator assembly 2 further comprises a second stator unit 8, which functions as an external stator 7. This comprises a plurality of individual stator elements 9.1 to 9.n arranged one behind the other in the circumferential direction, which in the axial section according to FIG. 1a also have an essentially U-shaped cross section, however, at least are designed as tooth elements or teeth 15 supporting elements. The stator elements 9.1 to 9.n form with the outer surface 10 of the rotor 6 in
Einbaulage beziehungsweise montierten Zustand der Synchronmaschine 1 einen Luftspalt 11 , welcher auch als radial äußerer Zwischenraum bezeichnet wird. Die Statoreinheit 8 ist dabei vorzugsweise frei von einer Ankerwicklung. Die einzelnen Statorelemente 9.1 bis 9.n sind in Umfangsrichtung hintereinander mit bestimmten Abstand zueinander angeordnet. Diese bilden somit Zwischenräume 12.1 bis 12.n.Installation position or assembled state of the synchronous machine 1 an air gap 11, which is also referred to as a radially outer space. The stator unit 8 is preferably free of an armature winding. The individual stator elements 9.1 to 9.n are arranged one behind the other in the circumferential direction at a certain distance from one another. These thus form spaces 12.1 to 12.n.
Diese Zwischenräume sind mit dem radial äußeren Zwischenraum 11 zwischen Rotor 6 und Außenstator 8 verbunden. Der Rotor G umfaßt eine zentrale Trägerscheibe 17 und mindestens eine, vorzugsweise zwei sich in axialer Richtung von der Trägerscheibe 17 wegerstreckende Polstrukturen, hier dargestellt eine Polstruktur 18, umfassend jeweils zwei Reihen, aus inThese spaces are connected to the radially outer space 11 between the rotor 6 and the outer stator 8. The rotor G comprises a central carrier disk 17 and at least one, preferably two pole structures extending in the axial direction from the carrier disk 17, shown here a pole structure 18, each comprising two rows, from in
Umfangsrichtung hintereinander angeordneten und wechselweise magnetisierten Magnetanordnungen mit dazwischenliegenden Weicheisenelementen. Für die dargestellte Polstruktur 18 sind die Reihen mit 19 und 20 bezeichnet. Die Magnetanordnungen der Reihe 19 sind mit 21 bezeichnet. Die Weichseiseneinheiten der Reihe 19 sind in dieser Ansicht mit 22 bezeichnet. Die Magnetanordnungen der Reihe 20 sind mit 23 und die Weicheisenelemente mit 21 bezeichnet. Die Reihen 19 und 20 sind jeweils durch eine Zwischenlage, hier dieCircumferentially arranged and alternately magnetized magnet arrangements with soft iron elements in between. For the Pole structure 18 shown, the rows are designated 19 and 20. The magnet arrangements of the series 19 are designated by 21. The series 19 soft iron units are designated 22 in this view. The magnet arrangements of the series 20 are designated by 23 and the soft iron elements by 21. The rows 19 and 20 are each by an intermediate layer, here the
Zwischenlage 25 aus magnetisch und elektrisch nicht leitfähigem Material voneinander getrennt. Die radial äußeren Abmessungen der Magnetanordnungen 21 und 23 und der jeweils dazwischen angeordneten Weicheisenelemente 22 und 24 sind unterschiedlich und erzeugen somit eine in Umfangsrichtung stufige Struktur des Rotors G und damit eine unebene Außenfläche am Außenumfang 14 des Rotors. Dargestellt sind TA21 , TA 23 für die Magnetanordnungen beider Reihen 19 und 20 und τA22 und τA24 für die Weicheisenelemente 22 und 24 der Reihen 19 und 20.Liner 25 made of magnetically and electrically non-conductive material separated from each other. The radially outer dimensions of the magnet arrangements 21 and 23 and the soft iron elements 22 and 24 arranged between them are different and thus produce a structure of the rotor G which is stepped in the circumferential direction and thus an uneven outer surface on the outer circumference 14 of the rotor. TA21, TA 23 for the magnet arrangements of both rows 19 and 20 and τ A 22 and τ A 24 for the soft iron elements 22 and 24 of rows 19 and 20 are shown.
Die in der Figur 1a und 1 b dargestellten Ausführungen beschreiben eine besonders kompakte Ausgestaltung einer Statorbaueinheit 2, insbesondere einer Statoreinheit in Form eines Außenstators. Diese ermöglicht eine große Oberfläche aufgrund der in Umfangsrichtung ausgerichteten Stirnflächen der einzelnen Statorelemente 9.1 bis 9.n, welche entsprechend der Befestigung vollständig zu Kühlzwecken und zur Erzeugung des Kühlmittel-Luftgemisches herangezogen werden können. Das einzelne Statoreinzelelement 9.1 bis 9.n ist als Element mit verbreitertem Rücken ausgeführt, welches vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestellt, das heißt verpreßt und somit einstückig gefertigt ist. Das einzelne Statorelement ist als Vollteil ausgeführt und wird vorzugsweise nur noch kraft- und formschlüssig mittels Verbindungselementen mit dem Statorgehäuse 5 verbunden.The embodiments shown in FIGS. 1a and 1b describe a particularly compact configuration of a stator assembly 2, in particular a stator unit in the form of an outer stator. This enables a large surface area due to the circumferentially aligned end faces of the individual stator elements 9.1 to 9.n, which can be used completely for cooling purposes and for generating the coolant-air mixture, depending on the fastening. The individual individual stator element 9.1 to 9.n is designed as an element with a broadened back, which is preferably produced by powder metallurgy, that is to say pressed and is therefore produced in one piece. The individual stator element is designed as a full part and is preferably only connected to the stator housing 5 in a non-positive and positive manner by means of connecting elements.
Das Statorgehäuse umfaßt dazu im einfachsten Fall ein ringförmiges Gehäuseteil. Die Befestigungselemente werden dabei durch die Gehäusewand des ringförmigen Gehäuseteils hindurchgeführt und mit entsprechenden Gegenelementen an den Statoreinzelelementen in Wirkverbindung gebracht. Im einfachsten Fall weist dazu jedes Statoreinzelelement 9.1 bis 9.n wenigstens ein, in dieses eingearbeitete Gewinde auf. Der Gewindegang erstreckt sich dabei von der vom Rotor weggerichteten Außenfläche in Richtung des Rotors 6. Andere einfach zu realisierende Verbindungen, beispielsweise durch Klemmung sind ebenfalls möglich.In the simplest case, the stator housing comprises an annular housing part. The fastening elements are guided through the housing wall of the ring-shaped housing part and brought into operative connection with corresponding counter elements on the individual stator elements. In the simplest case, each individual stator element 9.1 to 9.n has at least one thread machined into it. The thread extends from the outer surface facing away from the rotor in the direction of the rotor 6. Others Connections that are easy to implement, for example by clamping, are also possible.
Der Synchronmaschine 1 mit transversaler Flußführung sind hier im einzelnen im Detail nicht dargestellte Mittel zur Befüllung des Innenraumes 16 mit einemThe synchronous machine 1 with transverse flow guidance are here means not shown in detail for filling the interior 16 with a
Kühlmittel zugeordnet. Die Befüllung des Innenraumes 16 erfolgt wenigstens über einen Teil der in radialer Richtung äußeren Zwischenräume 11. Der sich im Nichtbetrieb einstellende Kühlmittelspiegel 13 wird dabei vom Außenumfang 14 des Rotors 6 wenigstens berührt, vorzugsweise taucht dieser teilweise in diesen ein. Bei Inbetriebnahme der Synchronmaschine wird das Kühlmittel durch dieAssigned coolant. The interior 16 is filled at least over a portion of the outer spaces 11 in the radial direction. The coolant level 13 which is set when not in operation is at least touched by the outer circumference 14 of the rotor 6, preferably this is partially immersed therein. When the synchronous machine is started up, the coolant is replaced by the
Rotation und die stufige Struktur des Rotors 6 mitgerissen und aufgrund der dadurch auf das Kühlmittel wirkenden Kräfte zerstäubt. Es entsteht im wesentlichen in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotorwelle und des Füllungsstandes ein Kühlmittel-Luftgemisch in dem Zwischenraum Rotor 6 und Stator 2. Dieses übernimmt durch Wärmestörmung und Wärmeübergang denRotation and the stepped structure of the rotor 6 entrained and atomized due to the forces acting on the coolant. Basically, depending on the speed of the rotor shaft and the filling level, a coolant-air mixture is created in the space between the rotor 6 and the stator 2. This takes over through heat distortion and heat transfer
Wärmetransport vom Rotor 6 zum Stator 8. Aufgrund der durch die Statorkonstruktion bedingten Zwischenräume 12.1 bis 12.n ist die zur Verfügung stehende Statorfläche, insbesondere am Außenstator, erheblich vergrößert, was zum einen die Zerstäubung begünstigt und des weiteren auch bezüglich der möglichen Kühlung die zur Wärmeabgabe zur Verfügung stehende Oberfläche erheblich vergrößert. Da das Kühlmittel-Luftgemisch im wesentlichen nur den Wärmetransport übernimmt, ist es nicht erforderlich, zusätzliche Einrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels vorzusehen. Eine einmalige Teilbefüllung mit Kühlmittel, welches im Inneren der Synchronmaschine verbleibt, ist ausreichend.Heat transport from the rotor 6 to the stator 8. Because of the interstices 12.1 to 12.n caused by the stator construction, the available stator area, in particular on the outer stator, is considerably enlarged, which on the one hand favors the atomization and on the other hand also with respect to the possible cooling which Heat emission available surface increased considerably. Since the coolant-air mixture essentially only takes on the heat transport, it is not necessary to provide additional devices for cooling the coolant. A single partial filling with coolant, which remains inside the synchronous machine, is sufficient.
Die Kühlung des Außenstators 7 kann beispielsweise über nicht dargestellte Kühlkanäle im Gehäuse 5 erfolgen. Andere Möglichkeiten sind denkbar. BezugszeichenlisteThe external stator 7 can be cooled, for example, via cooling channels (not shown) in the housing 5. Other options are possible. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Synchronmaschine mit transversaler Flußführung1 synchronous machine with transverse flow control
2 Statorbaueinheit2 stator assembly
3 Ankerwicklung3 armature winding
4 Statoreinheit4 stator unit
5 Gehäuse5 housing
6 Rotor6 rotor
7 Außenstator7 outer stator
8 zweite Statoreinheit8 second stator unit
9.1 - 9.n Statoreinzelelemente9.1 - 9.n individual stator elements
10 Außenfläche 1010 outer surface 10
11 Lufspalt11 air gap
12.1 - 12.n Zwischenräume12.1 - 12.n gaps
13 Kühlmittelspiegel13 coolant level
15 Zähne tragende Elemente15 tooth bearing elements
16 Innenraum16 interior
17 zentrale Trägerscheibe17 central carrier disc
18 Polstruktur18 pole structure
19 Reihe19 row
20 Reihe20 row
21 Magnetanordnung21 magnet arrangement
22 Weicheisenelemente22 soft iron elements
23 Magnetanordnungen23 magnet arrangements
24 Weicheisenelemente24 soft iron elements
25 Zwischenlage 25 liner

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Kühlung einer Synchronmaschine mit transversaler Flußführung mit einem eine stufige Außenfläche in Umfangsrichtung am Außenumfang aufweisenden Rotor und mindestens einem Außenstator, die in radialer Richtung einen Zwischenraum miteinander bilden, wobei der Außenstator in Umfangsrichtung eine Vielzahl von in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Einzelelementen umfasst und frei von einer Ankerwicklung ist; 1.1 bei welchem wenigstens ein Teilbereich des Außenstators gekühlt wird;1. A method for cooling a synchronous machine with transverse flow guidance with a rotor having a stepped outer surface in the circumferential direction on the outer circumference and at least one outer stator, which form a space in the radial direction with one another, the outer stator comprising a plurality of individual elements arranged at certain distances from one another in the circumferential direction and is free of an armature winding; 1.1 in which at least a portion of the outer stator is cooled;
1.2 bei welchem der Innenraum der Synchronmaschine derart mit einem Kühlmittel teilweise befüllt wird, daß1.2 in which the interior of the synchronous machine is partially filled with a coolant such that
1.2.1 sich im Nichtbetrieb in Einbaulage ein Kühlmittelsumpf ausbildet, dessen Spiegel sich wenigstens im Bereich des unterhalb der Rotationsachse des Rotors der Synchronmaschine liegenden1.2.1 a coolant sump is formed in the non-operating position in the installed position, the mirror of which lies at least in the region of the area below the axis of rotation of the rotor of the synchronous machine
Zwischenraumes zwischen Rotor und Außenstator einstellt, wobei der Rotor in diesem Betriebszustand in den Kühlmittelsumpf eintaucht;Sets the space between the rotor and outer stator, the rotor being immersed in the coolant sump in this operating state;
1.2.2 bei Betrieb der Synchronmaschine durch die Rotorrotation des aufgrund entstehenden Unterdruckes das Kühlmittel mitgerissen wird und in den Zwischenräumen zwischen den Einzelelementen zerstäubt wird, wobei ein Kühlmittel-Luftgemisch entsteht.1.2.2 when the synchronous machine is in operation, the coolant is entrained by the rotor rotation of the resulting negative pressure and is atomized in the spaces between the individual elements, a coolant-air mixture being formed.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Öl mit geringer Viskosität verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that an oil with low viscosity is used as the coolant.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Innenraum in einem geschlossenen System ohne Umwälzung verbleibt und der Innenraum frei von einer hermetischen Abdichtung gehalten wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the coolant remains in the interior in a closed system without circulation and the interior is kept free of a hermetic seal.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel nach Einfüllung einen vordefinierten oder frei wählbaren Zeitraum in der Synchronmaschine verbleibt und nach einer vordefinierten oder freiwählbaren Zeitdauer ausgetauscht wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the coolant after filling a predefined or freely selectable Period remains in the synchronous machine and is exchanged after a predefined or freely selectable period.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator zusätzlich gekühlt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the outer stator is additionally cooled.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmedium durch die Wandung des Statorgehäuses und/oder an dessen Außenumfang entlang geführt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that a cooling medium is passed through the wall of the stator housing and / or along its outer circumference.
7. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung;7. synchronous machine with transverse flow guidance;
7.1 mit einem Rotor, dessen Außenfläche am Außenumfang in Umfangsrichtung nicht stufig ausgeführt ist;7.1 with a rotor, the outer surface of which is not stepped on the outer circumference in the circumferential direction;
7.2 mit einer Statorbaueinheit, umfassend wenigstens einen Außenstator und ein, der Statoreinheit zugeordnetes Statorgehäuse;7.2 with a stator assembly comprising at least one outer stator and a stator housing assigned to the stator unit;
7.3 mit wenigstens einer Kühleinrichtung, die dem Außenstator zugeordnet ist;7.3 with at least one cooling device which is assigned to the outer stator;
7.4 Rotor und Außenstator bilden in radialer Richtung einen Zwischenraum;7.4 rotor and outer stator form a gap in the radial direction;
7.5 es sind Mittel zur Befüllung eines Teilbereiches des Zwischenraumes zwischen Rotor und Außenstator mit Kühlmittel vorgesehen; 7.6 der dem Rotor in radialer Richtung zugeordnete Außenstator umfaßt in7.5 means are provided for filling a portion of the space between the rotor and the outer stator with coolant; 7.6 the outer stator assigned to the rotor in the radial direction comprises in
Umfangsrichtung eine Mehrzahl von in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Einzelelementen, welche dem Rotor in entsprechend komplementärerweise zugeordnet sind.Circumferential direction a plurality of individual elements arranged at certain distances from one another, which are assigned to the rotor in a corresponding complementary manner.
8. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente leistenförmig ausgebildet sind.8. synchronous machine with transverse flow guidance according to claim 7, characterized in that the individual elements are formed in a strip shape.
9. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß die unebene Außenfläche des Rotors durch in Umfangsrichtung wechselweise ändernde radiale Abmessungen erzeugt wird. 9. synchronous machine with transverse flow guidance according to claim 7 or 8, characterized in that the uneven outer surface of the rotor is generated by changing radial dimensions alternately in the circumferential direction.
10. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:10. Synchronous machine with transverse flow guidance according to one of claims 7 to 9, characterized by the following features:
10.1 mit mindestens einer, an einer zentralen Trägerscheibe angeordneten und sich in axialer Richtung erstreckenden Polstruktur;10.1 with at least one pole structure arranged on a central carrier disk and extending in the axial direction;
10.2 jede Polstruktur umfaßt zwei durch eine Zwischenlage voneinander getrennte Reihen von in Umfangsrichtung benachbarten Weicheisenelementen und dazwischen angeordneten und wechselweise magnetisierten Magnetanordnungen; 10.3 die unebene Außenfläche wird durch unterschiedliche radiale äußere10.2 each pole structure comprises two rows of soft iron elements which are separated from one another by an intermediate layer and magnet arrangements arranged and alternately magnetized therebetween; 10.3 the uneven outer surface is characterized by different radial outer surfaces
Abmessungen der Magnetanordnungen und der dazwischen angeordneten Weicheisenelemente erzeugt.Dimensions of the magnet arrangements and the soft iron elements arranged between them.
11. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente aus pulvermetallurgisch hergestellten und verpreßten Materialien gefertigt und mittels Befestigungselementen mit dem Statorgehäuse verbunden sind.11. Synchronous machine with transverse flow guidance according to one of claims 7 to 10, characterized in that the individual elements are made of powder metallurgically manufactured and pressed materials and are connected by means of fastening elements to the stator housing.
12. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Einzelelementen des Außenstators und dem Statorgehäuse durch Schraubverbindungen realisiert wird.12. Synchronous machine with transverse flow guidance according to one of claims 7 to 11, characterized in that the connection between the individual elements of the outer stator and the stator housing is realized by screw connections.
13. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente13. Synchronous machine with transverse flow guidance according to one of claims 7 to 12, characterized in that the individual elements
Zahlelemente bilden oder tragen.Form or carry number elements.
14. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 13 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnelemente eines Einzelelementes in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. 14. Synchronous machine with a transverse flow guide according to claim 13 to 11, characterized in that the tooth elements of a single element are arranged offset to one another in the circumferential direction.
15. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnelemente eines Einzelelementes in Umfangsrichtung in einer Ebene angeordnet sind.15. synchronous machine with transverse flow guidance according to claim 13, characterized in that the tooth elements of a single element are arranged in the circumferential direction in one plane.
16. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 15, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:16. Synchronous machine according to one of claims 7 to 15, characterized by the following features:
16.1 mit einem Statorgehäuse;16.1 with a stator housing;
16.2 die Mittel zur Befüllung des Zwischenraumes umfassen einen mit dem Innenraum des Gehäuses verbundenen und verschließbaren an eine Kühlmitteleinrichtung koppelbaren Zuführkanal.16.2 the means for filling the intermediate space comprise a feed channel which is connected to the interior of the housing and can be closed and can be coupled to a coolant device.
17. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Außenstator zugeordnete Kühleinrichtung wenigstens einen mit einem Kühlmedium befüllbaren und im Statorgehäuse angeordneten Kanal umfaßt. 17. Synchronous machine according to one of claims 7 to 16, characterized in that the cooling device assigned to the outer stator comprises at least one channel which can be filled with a cooling medium and is arranged in the stator housing.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060108880A1 (en) * 2004-11-24 2006-05-25 Lg Electronics Inc. Linear compressor
US7868511B2 (en) * 2007-05-09 2011-01-11 Motor Excellence, Llc Electrical devices using disk and non-disk shaped rotors
US7800275B2 (en) * 2007-05-09 2010-09-21 Motor Excellence, Llc Electrical devices using electronmagnetic rotors
CN102227862A (en) 2008-11-03 2011-10-26 卓越发动机有限责任公司 Polyphase transverse and/or commutated flux systems
US8395291B2 (en) 2010-03-15 2013-03-12 Electric Torque Machines, Inc. Transverse and/or commutated flux systems for electric bicycles
EP2548289B1 (en) 2010-03-15 2019-11-27 Motor Excellence, LLC Transverse and/or commutated flux systems having phase offset
EP2548288A1 (en) 2010-03-15 2013-01-23 Motor Excellence, LLC Transverse and/or commutated flux systems configured to provide reduced flux leakage, hysteresis loss reduction, and phase matching
WO2012067895A2 (en) 2010-11-17 2012-05-24 Motor Excellence, Llc Transverse and/or commutated flux system coil concepts
WO2012067896A2 (en) 2010-11-17 2012-05-24 Motor Excellence, Llc Transverse and/or commutated flux systems having laminated and powdered metal portions
US8405275B2 (en) 2010-11-17 2013-03-26 Electric Torque Machines, Inc. Transverse and/or commutated flux systems having segmented stator laminations
WO2014039155A2 (en) 2012-09-06 2014-03-13 Carrier Corporation Motor rotor and air gap cooling

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE7735181U1 (en) * 1977-11-16 1978-02-23 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen AC MOTOR WITH A LIQUID COOLED STAND
DE3705089A1 (en) * 1987-02-13 1988-08-25 Weh Herbert TRANSVERSAL FLOWING MACHINE IN COLLECTOR ARRANGEMENT
FR2664105B1 (en) * 1990-07-02 1995-06-09 Radio Energie ROTARY STEPPER MOTOR WITH VARIABLE RELUCTANCE WITH TRANSVERSE FLOW.
DE4335848C2 (en) * 1993-10-20 1996-07-11 Voith Gmbh J M Cooling arrangement for a transverse flux machine
DE59502238D1 (en) * 1994-11-10 1998-06-25 Voith Turbo Kg Transverse flux machine
US5911829A (en) * 1995-08-17 1999-06-15 Mallinckrodt Veterinary, Inc. Apparatus for dispensing string material
DE29621166U1 (en) * 1996-12-06 1998-04-09 Voith Turbo Kg AC machine, in particular transverse flux machine
EP0848478A1 (en) 1996-12-06 1998-06-17 Voith Turbo GmbH & Co. KG Colling method for a AC current machine, in particular for a transverse flux machine
DE29621170U1 (en) * 1996-12-06 1998-04-09 Voith Turbo Kg AC machine
WO1998025331A1 (en) * 1996-12-06 1998-06-11 Voith Turbo Gmbh & Co. Kg Method for cooling an alternating current motor, notably a transverse flux motor and alternating current motor, in particular a transverse flux motor
DE19824202C1 (en) 1998-05-29 1999-09-30 Siemens Ag Liquid-cooled electric internal rotor machine e.g. for traction motor of rail-vehicles
DE19833021A1 (en) * 1998-07-23 2000-01-27 Voith Turbo Kg Electrical machine stator e.g. for transversal flux machine, has peripheral surface provided by flux return element fitted with soft iron elements lying on either side of stator armature winding
US6365999B1 (en) * 1998-07-23 2002-04-02 Voith Turbo Gmbh & Co. Kg Stator module for an electric motor
ATA180598A (en) * 1998-10-30 2002-10-15 Bombardier Transp Gmbh transverse flux
US6657329B2 (en) * 2000-05-05 2003-12-02 Robert Bosch Gmbh Unipolar transverse flux machine
US6952068B2 (en) * 2000-12-18 2005-10-04 Otis Elevator Company Fabricated components of transverse flux electric motors

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO03026102A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10145447A1 (en) 2003-04-03
US20060082248A1 (en) 2006-04-20
US7129602B2 (en) 2006-10-31
WO2003026102A1 (en) 2003-03-27

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