EP2016663A1 - Elektrische maschine sowie verwendung der elektrischen maschine - Google Patents

Elektrische maschine sowie verwendung der elektrischen maschine

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EP2016663A1
EP2016663A1 EP07722339A EP07722339A EP2016663A1 EP 2016663 A1 EP2016663 A1 EP 2016663A1 EP 07722339 A EP07722339 A EP 07722339A EP 07722339 A EP07722339 A EP 07722339A EP 2016663 A1 EP2016663 A1 EP 2016663A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
coils
electrical
refrigerant
electrical machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07722339A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Prof. Dr.-Ing. Klinger
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP07722339A priority Critical patent/EP2016663A1/de
Publication of EP2016663A1 publication Critical patent/EP2016663A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/22—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors consisting of hollow conductors
    • 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
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine and use of the electrical machine.
  • the power density of electrical machines is often indicated by means of a code, the rotational thrust ⁇ . This refers to the ratio of peripheral force Fu and lateral surface A M in the air gap:
  • a cooling system for larger machines is known in which axial cooling channels are provided in close proximity to the stator winding, which are combined with radial cooling slots in the laminated core so that a uniform flow through the laminated core with cooling air to cool the winding possible is.
  • a direct conductor cooling is known which can be used in the air-cooled rotor turbogenerators medium to high power.
  • the cooling channels are formed by grooves in adjacent conductors.
  • DE 102 44 202 A1 also describes a cooling channel extending in the axial direction for a gaseous cooling medium, which is arranged as a hollow spacer element between two partial windings and at the same time assumes the function of a tension spring. Through openings in the spacer elements, the cooling gas is directed into radial slots, which arise through corresponding spacing profiles in the laminated core.
  • From DE 75 21 236 Al is also known to provide for electric machines larger power (greater than 100 MW) evaporative cooling.
  • the individual tubular conductor bars of the winding are flowed through by a cooling liquid to be evaporated.
  • a conductor is a straight conductor bar which extends in the longitudinal direction of the stator or rotor. These conductor bars are inserted in grooves of the iron package. In order to form a winding, several of these conductor bars are parallel to one another. These conductor bars are electrically connected to one another outside the iron package.
  • CH 310 332 Al is described to initiate the cooling medium at the one winding head in one of these formed as a waveguide electrical conductor bars.
  • the partially or fully evaporated coolant is discharged at the other winding head again.
  • an embodiment of an electrical machine which allows a very effective cooling of the winding. This makes it possible to dissipate much larger amounts of heat from the conductors of the winding, as with previously used, known cooling systems.
  • the invention is based on the object to achieve a significant improvement in the cooling of electrical machines.
  • a cooling of these form coils made by a flowing fluid, which is guided directly through cooling channels in the electrical conductors of the form coils.
  • the stator winding is made entirely of form coils continuously wound and formed from hollow wires (hollow profiles).
  • all coils form an uninterrupted cooling channel through which a fluid passes both in the region of the iron core and in the end windings.
  • the fluid is a refrigerant which can be fed into the waveguide of the shaping coil in the liquid phase, wherein the coolant can be operated with regard to the flow temperature and the flow speed for cooling in such a way that the refrigerant at least partially vaporizes as it flows through the waveguide.
  • This construction of an electrical machine is particularly suitable for electrical machines in the power range between about 1 MW and 100 MW.
  • Such machines can be multi-pole machines, which are designed for a sufficiently large torque and which are used as a direct drive without gear.
  • the winding is constructed of form coils, which contain as wound and shaped rings several turns of a wire with a total length, which can be up to a hundred times the iron length.
  • the conductor temperature in these machines is usually between 100 and 150 degrees Celsius.
  • a large temperature difference (as so-called “driving" temperature difference) is reached to the environment, so that the cooling is made possible because of the temperature gradient.
  • driving the comparatively high temperatures of the electrical conductors increases the copper losses and also reduces the life of the insulation system.
  • Another advantage of the cooling by means of the evaporating cooling medium results from the fact that the temperatures can be maintained at approximately the same temperature over the entire length of the winding. This is due to the fact that heat absorption by the phase change is isothermal in the case of an evaporating liquid. Due to the uniform temperature of the winding therefore advantageous mechanical stresses (stress) are avoided, because there are no different thermal expansions of the material.
  • the preformed coils are also cooled in the area of the winding heads.
  • the refrigerant is CO 2 or N 2 O, which flows through the hollow sections (5) under high pressures up to 100 bar.
  • CO 2 As a cooling medium, in particular CO 2 has proven to be suitable. On the one hand, this is a simple solution, so that it can also be displayed for ongoing operation with favorable costs. On the other hand, it has been found that CO 2 also has comparatively low flow resistance even in the partially vaporized or vaporized state and can be conveyed easily under high pressure through the hollow profile. As a result, it is advantageously possible to achieve a sufficient mass flow with which sufficient heat transport through the evaporating cooling fluid is provided on the comparatively large length of the cooling channel. Especially in the subject matter of the present invention, in the case of the length of the cooling channel, which is large in relation to the diameter, the favorable conditions with regard to Flow resistance even with partially vaporized cooling medium at CO 2 as advantageous.
  • the said pressures prove to be advantageous in terms of the flow rate achieved, so that even with small cross-sections in the hollow profile, a sufficient mass flow can be achieved.
  • the cross sections for the current flow remain sufficiently large.
  • the refrigerant in a closed cooling circuit releases the heat loss outside the electric machine to a cooler or a heat exchanger.
  • the cooling of the refrigerant takes place outside the electric machine, so that its operating temperature can be kept low.
  • the flow temperature of the refrigerant can be selected at a constant distance from the ambient temperature.
  • the temperature of the component is thus adapted to the ambient temperature.
  • all electrical conductors of the form coils are made of hollow profiles.
  • individual conductors of the form of coils can be made of full material, so that they are cooled by adjacent electrical conductors with.
  • a coolant channel is formed by the series connection of a plurality of shaping coils, wherein its uninterrupted length is greater than 5000 in relation to the hydraulic diameter Especially when using CO2 as the cooling medium, large cooling channel lengths can be achieved with a reasonable pressure loss. But there are also other cooling media suitable such as N 2 O (nitrous oxide).
  • this ratio is between 3,000 and 5,000, because the conductor bars are typically 10 to 15 m long and the cooling channels have a cross section of, for example, 2 mm by 8 mm.
  • cooling media such as CO 2 or gases with similar properties such as the addressed N 2 O (nitrous oxide) is a phase change from the liquid to the vapor state at low temperatures of, for example, 0 degrees Celsius to 30 degrees Celsius possible. Evaporation pressures of up to 80 bar are used.
  • the enthalpy difference used for cooling is for CO 2, for example, 200 to 400 kJ / kg CO 2 and is so high that with small mass flows in comparison, a larger amount of heat can be dissipated.
  • a coolant circuit is provided, wherein the coupling of the form coils to the flow line and the return line of the cooling circuit via electrical isolation is electrically insulating, wherein at least two form coils or two groups of series-connected form coils are connected to a potential separator.
  • each of the shaping coils in each case has a potential separator for the supply line and the return line having. Since the connection points are electrically insulating, the type of connection for the flowing cooling medium is independent of the electrical connection.
  • connection possibility according to claim 7 also relates, for example, to an embodiment of an electric machine in star connection, in which the three coil groups have a common electrical connection, at which the lines are brought together electrically.
  • the cooling medium can be fed into all three coils in a simple manner (correspondingly can also be fed back, depending on the flow direction of the cooling medium). It then only have to be connected according to the other ends of the coils to promote the cooling medium.
  • Claim 8 relates to the use of an electrical machine according to one of the preceding claims as a generator of a wind turbine.
  • a fluid for cooling the winding of electrical machines, therefore, a fluid is advantageously used, which is guided directly through cooling channels, which are designed such that the coils are wound from electrically conductive hollow profiles.
  • the fluid is a refrigerant, in particular CO 2 , which takes over the removal of the heat loss of the electric machine by heat absorption with phase change or above the critical point with high enthalpy difference with a small increase in temperature.
  • the fluid absorbs the heat loss in the cooling channels by evaporation two-phase or supercritical single-phase at almost constant conductor temperature.
  • the heat loss is usually delivered outside the electric machine in a heat exchanger directly to the environment or indirectly to a cooling circuit with a compressor or absorption chiller.
  • a compressor or absorption chiller When using a compressor or absorption chiller, the fluid is cooled down below the ambient temperature and condensed.
  • the liquid fluid is pumped into the cooling channels of the winding and partially or substantially vaporized or overheated by absorbing the heat loss, the fluid then entering a separator where the phases are separated, compressing the vaporous fluid in the compressor of a refrigerator and condensed by giving off the heat to the environment.
  • the electric machine can be designed so that by increasing the power density, the optimum of the efficiency of an electric machine is moved to a partial load area adapted to the respective frequency of use.
  • the construction cost can be significantly reduced if lower efficiencies can be accepted in the less frequently occurring full load range.
  • the torque of an electrodynamic machine can be represented by the following relationship:
  • V LU air gap volume V LU D 2 ⁇ L p / 4 m 3
  • the ohmic losses Pv in the winding are proportional to the square of the phase current I L , the number ⁇ L of the conductors in the winding and the ohmic resistance of the winding:
  • T 0 reference temperature T 0 20 ° C
  • the current density S L can be determined and used in equation (2).
  • the remaining fractions have the value 1, since the diameters D, the packet lengths Lp, the numbers of the conductors n L , the lengths of the conductors L L and the power factors cos ⁇ were not changed.
  • Equation (5) inserted in equation (4) gives:
  • a comparative calculation is intended to show the advantage of the use according to the invention of CO 2 with phase change at high pressures compared to the previously used single-phase cooling media such as water, hydrogen gas or gaseous CO 2 , as well as two-phase used refrigerant such as Rl 34a.
  • the dissipated heat flow which corresponds to the power loss of the electric machine, can be determined by equation (7):
  • CO 2 is not the only coolant with these properties.
  • nitrous oxide (N 2 O) has very similar properties to CO 2 .
  • CO 2 is by far the least expensive and most accessible of the substances with similar physical properties.
  • FIG. 1 Coils of a stator winding, which are connected to a cooling circuit
  • FIG. 3 shows a simplified circuit diagram of a three-phase winding and a flow diagram of a
  • Cooling circuit which is connected to a chiller.
  • Fig. 4 General illustration of the cooling circuit in the pressure-enthalpy diagram
  • FIG. 5 shows an illustration of three cooling circuits thereof one in the supercritical region
  • Fig. 6 Example of the dimensions of a cooling channel
  • FIG. 1 shows the partial section of a stator 1 of an electrical machine.
  • a laminated core 3 is used, which is formed by stacking sheet metal segments or blanks, wherein grooves 4 are provided in the sheets.
  • coils 10 are inserted, which consist of a wound hollow sections and are held by a Nutver gleichkeil 7.
  • the invention consists in that for cooling evaporating or supercritical refrigerant, for. B. CO 2 is passed through the designed as a hollow section long length electrical conductor of the forming coils, so that a much larger amount of heat can be dissipated at a nearly constant conductor temperature over the entire length of the conductor.
  • the hollow sections 5 have extremely small channel cross-sections, so that with the same groove geometry higher Nutyogll tinten compared to a single-phase conductor cooling with liquid or gas is achieved. Due to the larger groove filling and the lower conductor temperatures, the ohmic resistance and thus the losses of the winding drops significantly.
  • coils 10 are shown with 3 turns of hollow sections 5, which are electrically connected in series by switching connections 11.
  • potential separator 12 the coils are connected in parallel to the cooling circuit 18, of which here the circulation pump 16, the coolant supply line 13 and the coolant return line 14 can be seen.
  • the potential isolators 12 are made of electrically insulating material and provide a gas-tight hydraulic connection between the coils and the coolant lines.
  • a simplified circuit diagram of a three-phase stator winding 15 in star connection can be seen in Figure 3 with the terminals R, S, T and the terminal M for the neutral point.
  • a simplified flow diagram of the cooling system is shown, which can be used for two-phase cooling with CO 2 .
  • the liquid CO 2 is conducted by means of a circulation pump 16 via the coolant supply line 13 to the star point M of the winding system and pumped from there through the coil system 15 to the coolant return line 14, which directs the largely vaporized or superheated, gaseous or supercritical CO 2 to a collecting container 17, in which gaseous and liquid CO 2 are separated.
  • a chiller 18 is provided, the heat in a known manner the CO2 via a heat exchanger 21 by means of compressor 19, capacitor 20 and throttle 24 again withdraws.
  • the potential isolators 12 provide electrical insulation between the external refrigeration circuit and the three-phase winding system 15 to be cooled.
  • the liquid coolant in particular CO 2
  • the liquid coolant can subcritically evaporate partially or completely or can also escape from the winding system 15 by overheating.
  • the final state is in any case single-phase.
  • the dissipation of the heat loss from the winding system 15 to the environment is usually outside the electrical machine either directly via a heat exchanger or indirectly via a refrigerator that condenses the refrigerant vapor.
  • the refrigeration circuits are able to cool the condensed refrigerant below ambient temperature and thus substantially reduce the winding resistance over the prior art. As a result, an increase in power density is possible.
  • CO 2 should be used as a refrigerant, since it is an almost ideal refrigerant from an ecological and safety point of view. It is neither toxic nor flammable, it has no ozone depletion potential like many other coolants, is chemically inert and extremely cheap. Therefore, there is no need for recovery or disposal. When using CO 2 , high pressures are required. Ultimately, however, the cooling systems can be made more compact and with smaller channel cross-sections, resulting in hollow sections in electrical machines to compact coils with high Nutfullcrest.
  • the two-phase cooling process is shown in a pressure-enthalpy diagram.
  • the pressure is plotted on the ordinate in bar, the enthalpy on the abscissa in kJ / kg.
  • the operating point a corresponds to the state of the liquid refrigerant CO 2 in the sump 17 and in the coolant supply line 13 to the circulation pump 16, which increases the pressure adiabatically to the state b.
  • the supercooled liquid relaxes, absorbs heat and reaches the boiling point at state c and with the first steam formation the working point d, where the larger cross-section of the cooling channel begins.
  • the coolant already enters the main cooling channel with a certain vapor content and absorbs heat by evaporation. Due to flow resistance, the pressure drops at a slightly decreasing temperature until the state e is reached with, for example, 95% steam content.
  • the letter K indicates the critical point.
  • FIG. 5 shows, by way of example, three different processes in a pressure-enthalpy diagram:
  • the ordinate represents the pressure in bar and the abscissa the enthalpy in kJ / kg.
  • the meaning of the quantities tein, Pm, ⁇ p and taus is given in the table.
  • Machine A is designed so that it has the maximum efficiency Ao at 100% rated power, ie at full load.
  • Efficiency is plotted in% over load in% of rated power.
  • the machine B for example a multi-pole synchronous generator for wind turbines, is designed for high rotational thrust in order to reduce weight and costs.
  • the efficiency Bo at full load is lower than in the case of machine A.
  • an electric machine B such as the generator for wind turbines, is operated predominantly in the partial load range at 20 to 50% of the nominal power, the design with an efficiency maximum B 1 is in this range an important technical and economic advantage. Because the machine B has a much higher efficiency in B 1 compared to A 1 . It is also easier and less expensive to manufacture.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Kühlung der Wicklung der elektrischen Maschine durch ein strömendes Fluid, das direkt durch Kühlkanäle in allen elektrischen Leitern der Ständerwicklung geführt ist, wobei die Leiter durch Formspulen gebildet werden, die aus Hohlprofilen fortlaufend gewickelt und geformt werden, so dass in Gruppen von Formspulen mit mehreren Windungen ein ununterbrochener Kühlkanal und ein durchgehender elektrischer Leiter entsteht, der durch die Strömung eines verdampfenden Fluids, vorzugsweise CO2, sowohl im Eisenpaket als auch im Bereich der Wickelköpfe gleichmäßig gekühlt wird. Ebenso betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen elektrischen Maschine als Generator in einer Windenergieanlage, bei der die Leitertemperatur an die Außentemperatur angepasst werden kann.

Description

Elektrische Maschine sowie Verwendung der elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie Verwendung der elektrischen Maschine.
Bei der Weiterentwicklung elektrischer Maschinen steht oft die Reduzierung der Verluste im Vordergrund, um eine Wirkungsgradverbesserung und damit eine Einsparung an elektrischer Energie zu erreichen.
Noch häufiger wird eine Steigerung der Leistungsdichte angestrebt, um den Bauraum, das Gewicht oder die Kosten von Motoren oder Generatoren zu reduzieren. Wenn diese Maschinen nur kurzzeitig eingesetzt werden, dann spielt der Wirkungsgrad keine besondere Rolle. Mit der Leistungsdichte aber steigen die Verluste an, so dass effektivere Kühlsysteme erforderlich werden, die diese Verluste abfuhren können.
Die Leistungsdichte elektrischer Maschinen wird häufig mittels einer Kennzahl, dem Drehschub τ, angegeben. Darunter versteht man das Verhältnis aus Umfangskraft Fu und Mantelfläche AM im Luftspalt:
T = F17 / AM = 2M /D2π LP
mit dem Drehmoment M, dem Luftspaltdurchmesser D und der Länge des Blechpaketes Lp.
Die Werte für den Drehschub von kleinen außengekühlten Drehstrommotoren liegen bei τ = 18 bis 25 kN/m2, bei Bahnmotoren werden weit höhere Werte erreicht.
Eine Übersicht über mögliche Arten der Kühlung von Grenzleistungs-Turbogeneratoren bis 2000 MVA ist z. B. in dem Lehrbuch Elektrische Maschinen von Rolf Fischer, Carl Hanser Verlag, München, Wien, in der 12. Auflage, Seite 332 gegeben. Dort wird auch die direkte Leiterkühlung beschrieben mit Hohlleitern, durch die Luft, Wasserstoffgas oder Wasser als Kühlmedium gepumpt wird. Die Ständerwicklung dieser Generatoren ist dabei aus einzelnen Leiterstäben aufgebaut, die etwa die Länge des Eisenpaketes haben. Die Mehrzahl der Stäbe sind Roebelstäbe mit vollem Drahtquerschnitt. Zur intensiven Kühlung der Ständerwicklung sind dazwischen Hohlprofϊle aus Edelstahl angeordnet, die von den obengenannten Kühlmedien durchströmt werden. Aus der DE 102 53 699 Al ist ein Kühlsystem für größere Maschinen bekannt, bei dem axiale Kühlkanäle in unmittelbarer Nähe zur Ständerwicklung vorgesehen sind, die mit radialen Kühlschlitzen im Blechpaket so kombiniert werden, dass eine gleichmäßige Durchströmung des Blechpaketes mit Kühlluft zur Abkühlung der Wicklung möglich ist.
Aus der DE 196 21 058 Al ist eine direkte Leiterkühlung bekannt, die im luftgekühlten Läufer von Turbogeneratoren mittlerer bis großer Leistung einsetzbar ist. Dabei werden die Kühlkanäle durch Nuten in benachbarten Leitern gebildet.
In der DE 102 44 202 Al wird ebenfalls ein in axialer Richtung verlaufender Kühlkanal für ein gasförmiges Kühlmedium beschrieben, der als hohles Abstandselement zwischen zwei Teilwicklungen angeordnet ist und gleichzeitig die Funktion einer Spannfeder übernimmt. Durch Öffnungen in den Abstandselementen wird das Kühlgas in radiale Schlitze geleitet, die durch entsprechende Abstandsprofile im Blechpaket entstehen.
Die Verwendung von Wasser als Kühlmedium ist bei Grenzleistungs-Turbogeneratoren im Bereich von 1000 MVA verbreitet, da Wasser wegen seiner hohen spezifischen Wärme die höchste Wärmetransportleistung ermöglicht in Verbindung mit Hohlleitern, die direkt von Wasser durchströmt werden. Dies ist jedoch mit großen Nachteilen verbunden, so dass die direkte Leiterkühlung außer bei Grenzleistungs-Turbogeneratoren keine Anwendung findet.
So entstehen Temperaturunterschiede in der Wicklung aufgrund der stetig ansteigenden Temperatur des Wassers entlang des Kühlweges, die auch zu mechanischen Beanspruchungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Materials führen. Um den Temperaturanstieg zwischen Ein- und Austritt des Kühlwassers zu begrenzen, muss der Massenstrom des Wassers groß gewählt werden. Dementsprechend werden groß dimensionierte Kühlkanalquerschnitte gebraucht. Damit wird aber der wirksame Leiterquerschnitt in der Nut verringert und die Stromdichte zu Ungunsten des Wirkungsgrades erhöht. Der Aufwand für die Wasseraufbereitung ist beträchtlich, wie aus der DE 60009 170 T2 oder der DE 197 31 852 Al hervorgeht. Die Wirtschaftlichkeits grenze für direkte Leiterkühlung mit Wasser liegt oberhalb von 500 MW. Bei direkter Leiterkühlung mit Wasserstoffgas sind die Probleme ähnlich. Zusätzlich fuhren radiale Kühlschlitze zu einer Verlängerung des Blechpaketes und der Leiter um etwa 10%, ohne dass eine Drehmomentsteigerung damit verbunden wäre. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze für direkte Leiterkühlung mit Wasserstoffgas liegt oberhalb von 100 MW.
Aus der DE 75 21 236 Al ist weiterhin bekannt, bei elektrischen Maschinen größerer Leistung (größer als 100 MW) eine Verdampfungskühlung vorzusehen. Dazu werden die einzelnen rohrförmig ausgebildeten Leiterstäbe der Wicklung mit einer zu verdampfenden Kühlflüssigkeit durchströmt. Mit einem Leiter ist in diesem Zusammenhang ein gerader Leiterstab bezeichnet, der sich in Längsrichtung des Ständers bzw. Läufers erstreckt. Diese Leiterstäbe sind in Nuten des Eisenpaketes eingelegt. Um eine Wicklung zu bilden, liegen mehrere dieser Leiterstäbe parallel nebeneinander Diese Leiterstäbe sind außerhalb des Eisenpaketes elektrisch miteinander verbunden.
In der CH 310 332 Al ist beschrieben, das Kühlmedium an dem einen Wicklungskopf in einen dieser als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiterstäbe einzuleiten. Das teils oder vollständig verdampfte Kühlmittel wird am anderen Wicklungskopf wieder ausgeleitet. Das bedeutet, dass sowohl hinsichtlich der Anschlüsse für das Kühlmedium als auch hinsichtlich der elektrischen Verbindung ein nicht unerheblicher Aufwand entsteht. Soweit hierzu überhaupt praktische Versuche mit Verdampfung durchgeführt wurden, dürften sich diese als nicht erfolgreich erwiesen haben. Jedenfalls sind derartige Systeme in der Praxis nicht bekannt sondern vielmehr lediglich als theoretische Überlegungen formuliert.
Eine erhebliche Erhöhung des eingangs erläuterten Drehschubes und damit der Leistungsdichte ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.
Dazu wird eine Ausgestaltung einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die eine sehr effektive Kühlung der Wicklung ermöglicht. Damit wird es möglich, weit größere Wärmemengen aus den Leitern der Wicklung abzuführen, als mit bisher verwendeten, bekannten Kühlsystemen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine erhebliche Verbesserung der Kühlung von elektrischen Maschinen zu erreichen. Dazu wird bei einer elektrischen Maschine, deren Ständerwicklung mit Formspulen ausgeführt ist, eine Kühlung dieser Formspulen durch ein strömendes Fluid vorgenommen, das direkt durch Kühlkanäle in den elektrischen Leitern der Formspulen geführt ist. Nach der vorliegenden Erfindung wird die Ständerwicklung vollständig aus Formspulen hergestellt, die aus Hohldrähten (Hohlprofϊlen) fortlaufend gewickelt und geformt sind. Dadurch bilden alle Spulen sowohl im Bereich des Eisenpaketes als auch in den Wickelköpfen einen ununterbrochenen Kühlkanal, durch welchen ein Fluid geleitet wird. Durch die Fluidströmung sowohl im Eisenpaket als auch ausserhalb im Bereich der Wickelköpfe erfolgt eine gleichmäßige Kühlung, bei der die Verlustwärme unmittelbar dort aufgenommen wird, wo sie hauptsächlich entsteht. Das Fluid ist ein Kältemittel, das in flüssiger Phase in den Hohlleiter der Formspule einspeisbar ist, wobei das Kältemittel hinsichtlich der Vorlauftemperatur sowie der Strömungsgeschwindigkeit zur Kühlung derart betreibbar ist, dass das Kältemittel beim Durchströmen des Hohlleiters zumindest teilweise verdampft.
Dieser Aufbau einer elektrischen Maschine eignet sich insbesondere für elektrische Maschinen im Leistungsbereich zwischen etwa 1 MW und 100 MW. Derartige Maschinen können Vielpolmaschinen sein, die für ein ausreichend großes Drehmoment ausgelegt sind und die als Direktantrieb ohne Getriebe eingesetzt werden.
Damit sind derartige Maschinen insbesondere für den Einsatz in Windkraftanlagen geeignet.
Bei diesen Maschinen ist ein so aufwändiger Wicklungsaufbau wie bei Hochleistungs- Turbogeneratoren nicht wirtschaftlich. Gerade bei diesen elektrischen Maschinen ist die Wicklung aus Formspulen aufgebaut, die als aufgewickelte und geformte Ringe mehrere Windungen eines Drahtes enthalten mit einer Gesamtlänge, die bis zum hundertfachen der Eisenlänge betragen kann. Bei der bisher bekannten Betriebsweise liegt die Leitertemperatur bei diesen Maschinen meist zwischen 100 und 150 Grad Celsius. Damit wird eine große Temperaturdifferenz (als sogenannte „treibende" Temperaturdifferenz) zur Umgebung erreicht, so dass wegen des Temperaturgefälles die Kühlung ermöglicht wird. Dennoch werden aber durch die vergleichsweise hohen Temperaturen der elektrischen Leiter die Kupferverluste erhöht. Außerdem wird die Lebensdauer des Isolationssystems reduziert. Ein weiterer Vorteil durch die Kühlung mittels des verdampfenden Kühlmediums ergibt sich daraus, dass sich die Temperaturen auf der gesamten Länge der Wicklung auf annähernd derselben Temperatur halten lassen. Dies liegt daran, dass bei einer verdampfenden Flüssigkeit die Wärmeaufnahme durch den Phasenwechsel isotherm erfolgt. Durch die einheitliche Temperatur der Wicklung werden daher vorteilhaft mechanische Spannungen (Stress) vermieden, weil auch keine unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Materials vorliegen.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit dem beschriebenen Kühlsystem die bei hoher Stromdichte von beispielsweise mehr als 4 A/mm2 entstehende Verlustwärme abführen lässt. Diese Stromdichte liegt im Bereich dessen, was bei Turbogeneratoren erreicht wird. Bei Maschinen bis 100 MW waren diese Werte bisher auf Grund des Auf baus der Maschine nicht erreichbar. Die Stromdichte aber bestimmt das Drehmoment und das Bauvolumen der elektrischen Maschine.
Im Ergebnis lässt sich also durch diese Art der Kühlung eine vergleichsweise kompakte elektrische Maschine bauen.
Bei der Kühlung erweist es sich insbesondere als vorteilhaft, dass die Formspulen auch im Bereich der Wickelköpfe gekühlt werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist das Kältemittel CO2 oder N2O, das die Hohlprofile (5) unter hohen Drücken bis zu 100 bar durchströmt.
Als Kühlmedium hat sich insbesondere CO2 als geeignet erwiesen. Hierbei handelt es sich zum einen um eine einfache Lösung, so dass diese auch für den laufenden Betrieb mit günstigen Kosten darstellbar ist. Zum anderen hat sich gezeigt, dass CO2 auch im teilweise verdampfenden bzw. verdampften Zustand vergleichsweise geringe Strömungswiderstände aufweist und einfach unter großen Druck durch das Hohlprofil förderbar ist. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein ausreichender Massestrom erreichen, mit dem auf der vergleichsweise großen Länge des Kühlkanals ein ausreichender Wärmetransport durch die verdampfende Kühlflüssigkeit gegeben ist. Gerade bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung erweisen sich bei der im Verhältnis zum Durchmesser großen Länge des Kühlkanals die günstigen Verhältnisse hinsichtlich des Strömungswiderstandes gerade auch bei teilweise verdampftem Kühlmedium beim CO2 als vorteilhaft.
Die genannten Drücke erweisen sich hinsichtlich der erzielten Strömungsgeschwindigkeit als vorteilhaft, so dass auch mit kleinen Querschnitten im Hohlprofil ein ausreichender Massestrom erreichbar ist. Vorteilhaft bleiben dadurch die Querschnitte für den Stromfluss ausreichend groß.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 gibt das Kältemittel in einem geschlossenen Kühlkreislauf die Verlustwärme außerhalb der elektrischen Maschine an einen Kühler oder einen Wärmetauscher ab.
Vorteilhaft erfolgt damit die Abkühlung des Kältemittels außerhalb der elektrischen Maschine, so dass deren Betriebstemperatur gering gehalten werden kann.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist die Vorlauftemperatur des Kältemittels mit einem konstanten Abstand zur Umgebungstemperatur wählbar.
Vorteilhaft werden dadurch mechanische Spannung des Materials infolge lokal unterschiedlicher Erwärmung der einzelnen Teile der elektrischen Maschine verringert. Die Temperatur der Bauteil wird damit an die Umgebungstemperatur angepasst.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 sind alle elektrischen Leiter der Formspulen aus Hohlprofilen hergestellt.
Bei der Ausgestaltung nach den vorhergehenden Ansprüchen können auch einzelne Leiter der Formspulen aus vollem Material hergestellt sein, so dass diese durch benachbarte elektrische Leiter mit gekühlt werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird ein Kühlmittelkanal durch die Serienschaltung von mehreren Formspulen gebildet, wobei dessen ununterbrochene Länge im Verhältnis zum hydraulischen Durchmesser grösser als 5000 ist Insbesondere bei der Verwendung von CO2 als Kühlmedium lassen sich große Kühlkanallängen erreichen bei vertretbarem Druckverlust. Es sind aber auch andere Kühlmedien geeignet wie beispielsweise N2O (Lachgas).
Es hat sich gezeigt, dass Verhältnisse der Länge des (ununterbrochenen) Kühlkanals zum hydraulischen Durchmesser von bis zu 40.000 erreichbar sind. Der hydraulische Durchmesser ist dabei definiert als DH = 4*A/U, wobei „A" die Kanalquerschnittsfläche ist und „U" der Umfang des Kanals.
Bei den bereits angesprochenen Turbomaschinen liegt dieses Verhältnis zwischen 3.000 und 5.000, weil die Leiterstäbe typischerweise 10 bis 15 m lang sind und die Kühlkanäle einen Querschnitt von beispielsweise 2 mm mal 8 mm aufweisen.
Bei den angesprochenen Kühlmedien wie beispielsweise CO2 oder Gasen mit ähnlichen Eigenschaften wie beispielsweise das angesprochen N2O (Lachgas) wird ein Phasenwechsel vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise 0 Grad Celsius bis 30 Grad Celsius möglich. Dabei kommen Verdampfungsdrücke von bis zu 80 bar zur Anwendung. Die dabei zur Kühlung genutzte Enthalpiedifferenz liegt für CO2 beispielsweise bei 200 bis 400 kJ/kg CO2 und ist so hoch, dass mit kleinen Masseströmen eine im Vergleich größere Wärmemenge abfuhrbar ist.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen, wobei die Ankopplung der Formspulen an die Vorlauf- und die Rücklaufleitung des Kühlkreislaufs über Potenzialtrenner elektrisch isolierend erfolgt, wobei an einen Potenzialtrenner wenigstens zwei Formspulen oder zwei Gruppen von in Serie geschalteten Formspulen angeschlossen sind.
Weiterhin ist es vorteilhaft, Gruppen von Formspulen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, auch hydraulisch in Reihe zu verbinden bis zur maximal möglichen Kühlkanallänge.
Dadurch wird vorteilhaft die Zahl der Potenzialtrenner verringert gegenüber einer Lösung, bei der jede der Formspulen für sich jeweils einen Potenzialtrenner für den Vorlauf und den Rücklauf aufweist. Da die Anschlusspunkte elektrisch isolierend sind, ist die Art des Anschlusses für das strömende Kühlmedium unabhängig von dem elektrischen Anschluss.
Die Anschlussmöglichkeit nach Anspruch 7 betrifft beispielsweise auch eine Ausgestaltung einer elektrischen Maschine in Sternschaltung, bei der die drei Spulengruppen einen gemeinsamen elektrischen Anschluss aufweisen, an dem die Leitungen elektrisch zusammengeführt sind. Das bedeutet, dass aufgrund der räumlichen Verhältnisse dort auch in einfacher Weise das Kühlmedium in alle drei Spulen eingespeist werden kann (entsprechend auch rückgefördert werden kann, abhängig von der Strömungsrichtung des Kühlmediums). Es müssen dann lediglich noch die anderen Enden der Spulen entsprechend angeschlossen werden, um das Kühlmedium zu fördern.
Anspruch 8 betrifft die Verwendung einer elektrischen Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche als Generator einer Windenergieanlage.
Dies erweist sich insofern als vorteilhaft als dort die entsprechenden Leistungsdaten von elektrischen Maschinen gefordert sind und weiterhin eine geringe Baugröße gefordert ist.
Zur Kühlung der Wicklung elektrischer Maschinen wird also vorteilhaft ein Fluid verwendet, das direkt durch Kühlkanäle geführt wird, die derart ausgestaltet sind, dass die Spulen aus elektrisch leitenden Hohlprofilen gewickelt sind. Das Fluid ist ein Kältemittel, insbesondere CO2, das durch Wärmeaufnahme mit Phasenwechsel bzw. oberhalb des kritischen Punktes mit hoher Enthalpiedifferenz bei kleiner Temperaturerhöhung den Abtransport der Verlustwärme der elektrischen Maschine übernimmt.
Dabei zeigt sich vorteilhaft, dass entlang den Leitern eine weitgehend gleichmäßige Temperatur gehalten werden kann, wobei gleichzeitig eine gute Wärmeaufnahme gegeben ist Diese gleichmäßige Temperatur entlang des Leiters ergibt sich insbesondere im Vergleich zu einem Kühlmedium, das einen Wärmeabtransport durch eine Temperaturerhöhung bewirkt. Hier stellt sich ein Temperaturgradient in Fließrichtung ein. Das Fluid wird vorteilhaft in einem geschlossenen und druckdichten Kreislauf umgepumpt. Dadurch lässt sich die Temperatur der elektrischen Leiter über eine Veränderung des Massestroms und der Temperatur des Fluids beeinflussen.
Das Fluid nimmt die Verlustwärme in den Kühlkanälen durch Verdampfung zweiphasig oder überkritisch einphasig bei nahezu konstanter Leitertemperatur auf. Die Verlustwärme wird meist außerhalb der elektrischen Maschine in einem Wärmeübertrager direkt an die Umgebung oder indirekt an einen Kühlkreislauf mit einer Kompressor- oder Absorptionskältemaschine abgegeben. Bei Verwendung einer Kompressor- oder Absorptionskältemaschine wird das Fluid dort unter die Umgebungstemperatur abkgeühlt und kondensiert.
Das flüssige Fluid wird in die Kühlkanäle der Wicklung gepumpt und durch die Aufnahme der Verlustwärme teilweise oder auch weitgehend verdampft oder überhitzt, wobei das Fluid dann in einen Abscheider gelangt, in dem die Phasen getrennt werden, wobei das dampfförmige Fluid im Kompressor einer Kältemaschine komprimiert wird und durch Abgabe der Wärme an die Umgebung kondensiert.
Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich die elektrische Maschine so auslegen, dass durch Erhöhung der Leistungsdichte das Optimum des Wirkungsgrades einer elektrischen Maschine in ein der jeweiligen Nutzungshäufigkeit angepasstes Teillastgebiet verlegt wird. Vorteilhaft kann dadurch der Bauaufwand deutlich reduziert werden, wenn in dem weniger häufig vorkommenden Volllastbereich geringere Wirkungsgrade akzeptiert werden können.
Insgesamt ist es bei den vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen vorteilhaft, die Querschnittsflächen und Längen der Kühlkanäle so zu wählen, dass ein optimaler Druckabfall des Kühlmediums bei minimaler Reduzierung der metallischen Leiterquerschnittsflächen möglich wird.
Entsprechend nachfolgenden Erläuterungen lassen sich die Widerstände der elektrischen Leiter und damit die Ohmschen Verluste durch Kühlung soweit reduziert (Gleichung 3), dass die Stromdichte, und damit der Drehschub und die Leistungsdichte erheblich vergrößert werden können (Gleichung 4). Im Vergleich zum Stand der Technik ergibt sich aus diesen Maßnahmen vorteilhaft gegenüber den bekannten, meist luftgekühlten Maschinen, dass
• die Leitertemperaturen erheblich abgesenkt werden können,
• die Leiterwiderstände damit geringer werden,
• eine bedeutende Anhebung des Drehschubes τ möglich wird,
• die dabei nur wenig ansteigende Verlustleistung sicher abgeführt werden kann,
• die Luftspaltinduktion bei Maschinen mit Erregung durch Permanentmagnete bei niedrigen Magnettemperaturen leicht ansteigt,
• insgesamt die Leistungsdichte erheblich gesteigert werden kann und
• die Lebensdauer des Wicklungssystems erhöht wird, weil thermische und mechanische Beanspruchungen spürbar reduziert werden.
Im Folgenden werden mittels bekannter Zusammenhänge die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens im Vergleich erläutert.
Das Drehmoment einer elektrodynamischen Maschine kann mit Hilfe der folgenden Beziehung dargestellt werden:
M = VLU B A cos φ = —B D LP AL nL SL cos φ (1)
Darin M Drehmoment der Maschine in Nm
VLU Luftspaltvolumen VLU =D2πLp /4 m3
D Luftspaltdurchmesser m
LP Blechpaketlänge m
A ctrombclae A - 71L 1L _ nL A SL A/m
Dπ Dπ
IL Leiterstrom A nL Zahl der Leiter
AL Leiterquers chnittsfläche m2
SL Stromdichte SL = IL IAL A/m2
B Luftspaltinduktion Tesla = Vs/m2 cosφ Leistungsfaktor
Die Ohmschen Verluste Pv in der Wicklung sind dem Quadrat des Leiterstroms IL , der Zahl ΠL der Leiter in der Wicklung und dem Ohmschen Widerstand der Wicklung proportional:
Darin: RL Wicklungswiderstand in Ω Po spezifischer Widerstand für Kupfer po =1/56 Ω mm2/m α Temperaturkoeffizient für Kupfer α=0,0039 l/K
T Leitertemperatur in °C
T0 Bezugstemperatur T0=20°C
LL Leiterlänge in m
Lw Wickelkopflänge in m x Verhältnis Wickelkopf zu Polteilung z. B. 2 bis 3
2p Polpaarzahl
AL Leiterquerschnitt in m2
Aus Gleichung (1) kann die Stromdichte SL ermittelt und in Gleichung (2) eingesetzt werden.
Wenn eine Erhöhung der Stromdichte soweit möglich wäre, dass das Drehmoment ohne Vergrößerung der Maschinenabmessungen verdoppelt würde, so stiegen die Ohmschen Verluste um den Faktor 4, wie aus Gleichung (3) erkennbar ist, wenn alle anderen Maschinendaten unverändert blieben.
Bildet man das Verhältnis der Verlustleistungen PV21 Pvx zweier beliebiger elektrischer Maschinen, so erhält man:
Mit diesen Beziehungen lässt sich ein Vergleich anstellen zwischen einer vorhandenen Maschine 1, z. B. einer Synchronmaschine mit einer Erregung durch Permanentmagnete, deren Abmessungen und Betriebsdaten bekannt sind, und einer neuen direkt in den Leitern gekühlten Maschine 2, die bei gleichen Abmessungen die doppelte Leistungsdichte erreichen soll.
Folgende Daten ändern sich:
• Das Drehmoment soll doppelt so hoch sein, M2=2Mi
• Bei gleicher Nutöfrnung verringert sich der Leiterquerschnitt um den Kühlkanalquerschnitt, z. B. AL2= ALI/1, 05.
• Die Leitertemperatur wird durch verdampfendes CO2 von Ti=I 20°C auf z. B. T2= - 50°C herabgekühlt.
• Die Luftspaltinduktion erhöht sich durch die tiefere Temperatur der Permanentmagnete um etwa 12%: B2=I, 12Bi (5)
Die restlichen Brüche habe den Wert 1, da die Durchmesser D, die Paketlängen Lp, die Zahlen der Leiter nL, die Längen der Leiter LL und die Leistungsfaktoren cosφ nicht geändert wurden.
Gleichung (5) eingesetzt in Gleichung (4) ergibt:
Die Verlustleistung steigt trotz einer Verdoppelung des Drehschubes τ nur um etwa 75% an.
In einem weiteren Vergleich soll nun eine Maschine 3 so ausgelegt werden, dass ebenfalls eine Verdoppelung des Drehschubes τ erreicht wird. Dabei soll das Drehmoment der Maschine 1 erhalten bleiben, die Länge des Blechpaketes aber halbiert werden. Da die Verluste von der Leiterlänge LL3=LP3+LW3 abhängen, wird für die Wickelkopflänge Lw3 eine praxisgemäße Festlegung gemacht werden, sodass das Verhältnis der Leiterlängen LL3/LL,I=0,677 beträgt
Mit den weiteren Vorgaben für die Maschine 3
B3 = 1,12 B1 T3 = -50°C Ti = 120°C lassen sich mit Hilfe der Gleichung (4) die Verluste wie im vorangegangenen Beispiel
Das heißt, dass mit HiLFe einer effektiveren Kühlung der stromführenden Leiter eine erhebliche Steigerung der Leistungsdichte erreichbar ist, in diesem Fall wird sie verdoppelt und die Verlustleistung erhöht sich lediglich um 18,56%. Für den Fachmann sind diese Zusammenhänge im Allgemeinen bekannt Dass eine direkte Leiterkühlung bei elektrischen Maschinen in dem hier angesprochenen Leistungsbereich nicht zum Einsatz kommt, liegt an dem unverhältnismäßig hohen Aufwand, der z. B. bei Wasserkühlung in Hohlleitern erforderlich ist. Erst der erfindungsgemäße Einsatz eines verdampfenden Kältemittels wie z. B. Kohlendioxid mit seinen hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften macht eine Abkühlung der Leiter auf entsprechend tiefe Temperaturen möglich. Der höhere Energieaufwand für eine zusätzliche Kältemaschine kann sinnvoll sein, wenn eine erhebliche Steigerung des Drehschubs oder der Energiedichte im Vordergrund steht.
Beispielsweise bei direktangetriebenen Generatoren großer Windenergieanlagen wird ein sehr großes Drehmoment im Bereich von 1.000 bis 10.000 kNm erforderlich. Obwohl bei Windkraftwerken sehr hohe Anforderungen an den Wirkungsgrad gestellt werden, ist eine Steigerung der Leistungsdichte aus Kostengründen dringend erwünscht. Die damit verbundene Wirkungsgradeinbußen im Volllastbereich sind aber leicht hinnehmbar, da Windenergieanlagen sehr selten im Volllastbetrieb laufen.
Eine Vergleichsrechnung soll den Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung von CO 2 mit Phasenwechsel bei hohen Drücken gegenüber den bisher verwendeten einphasigen Kühlmedien wie Wasser, Wasserstoffgas oder gasförmiges CO2, sowie zweiphasig eingesetzten Kältemittel wie Rl 34a aufzeigen.
Der abzuführende Wärmestrom, der der Verlustleistung der elektrischen Maschine entspricht, ist mit der Gleichung (7) bestimmbar:
Darin bedeuten:
L m Länge des Kühlkanals
Q kW Wärmezufuhr auf der Länge L m kg/s Massenstrom D m Durchmesser des Kühlkanals
V1 m3/kg spez. Volumen der Flüssigkeit
V2 m3/kg spez. Volumen des Dampfes hx kJ/kg spez. Enthalpie der Flüssigkeit h2 kJ/kg spez. Enthalpie des Dampfes h2-hi kJ/kg Verdampfungsenthalpie ς - Druckverlustbeiwert
Δp Pa Druckverlust im Kühlkanal durch Strömungswiderstände
Geht man davon aus, dass Durchmesser D und Länge L des Kühlkanals und der erlaubte Druckabfall Δp im Kühlkanal gegeben sind und der Reibungsbeiwert ζ nicht stark variiert, so ist es also die Enthalpiedifferenz h 2-h i geteilt durch die Wurzel aus dem mittleren spezifischen Volumen (v2-Vi)/2, die bestimmt, wie viel Wärme aus einem gegeben Kühlkanal abgeführt werden kann, der durch die Parameter unter der rechten Wurzel in Gleichung (7) festgelegt ist.
Auf dieser Basis kann man nun die verschieden möglichen Kühlmittel miteinander vergleichen. Als Beispiel wählen wir den Temperaturbereich um 5 0C. Bei den einphasigen Kühlmitteln Wasser und Wasserstoff wird eine Temperaturerhöhung von 10 K über die Länge des Kühlkanals zugelassen. Als Beispiel für die Freone wird Rl 34a gewählt.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Enthalpiedifferenz und das mittlere spezifische Volumen dieser Kühlmittel im Vergleich zu CO2 mit Phasenwechsel bei einem Druck von 35 bar in der letzten Zeile
Der wichtigste Parameter ist in der letzten Spalte gezeigt. Je grösser dieser Wert ist, desto mehr Wärme kann aus einem Kühlkanal angeführt werden. Man erkennt, dass Wasser deutlich besser ist als die Gase Wasserstoff und gasförmiges CO2, aber es ergeben sich Probleme wegen der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers. Die beiden untersten Reihen betreffen Kühlmittel mit Phasenwechsel. Man erkennt, dass man mit Rl 34a nicht an Wasser herankommt.
Es wird deutlich, dass CO2 mit Phasenwechsel eine Sonderstellung einnimmt. Es ist mehr als drei mal besser als Wasser und acht mal besser als Wasserstoff, vor allem wegen der grossen Enthalpiedifferenz bei moderatem spezifischen Volumen.
CO2 ist nicht das einzige Kühlmittel mit diesen Eigenschaften. Zum Beispiel hat Lachgas (N2O) ganz ähnliche Eigenschaften wie CO2. CO2 ist aber von den Stoffen mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften bei weitem das kostengünstigste und umgänglichste.
In keinem der bekannten Kühlverfahren für elektrische Maschinen sind die besonders günstigen Kühleigenschaften von CO2 mit Phasenwechsel genutzt worden, vor allem wenn es um lange enge Kühlkanäle geht
Bei Turbogeneratoren ist die Verwendung von CO2 als zweiphasiges Kühlmittel bisher nicht möglich, weil die konstruktive Gestaltung der Kühlkreisläufe mit einzelnen Roebelstäben und Verteilerkappen für das Kühlmittel einen Betrieb mit hohen Drücken von bis über 80 bar nicht zuliessen. Erst die Verwendung von Formspulen, die aus Hohlprofilen hergestellt sind, macht den Einsatz von CO2 oder ähnlichen Gasen im zweiphasigen Betrieb möglich.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen mit Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig 1 : einen Schnitt durch den Ständer einer elektrischen Maschine senkrecht zur
Maschinenachse
Fig 2: Spulen einer Ständerwicklung, die an einen Kühlkreislauf angeschlossen sind
Fig 3: ein vereinfachtes Schaltbild einer dreiphasigen Wicklung und ein Fließbild eines
Kühlkreislaufes, der an eine Kältemaschine angeschlossen ist.
Fig 4: Allgemeine Darstellung des Kühlkreislaufes im Druck-Enthalpie- Diagramm
Fig 5: Darstellung von drei Kühlkreisläufen davon einer im überkritischen Bereich Fig 6: Beispiel für die Abmessungen eines Kühlkanals
Fig 7: Wirkungsgradvergleich
In Figur 1 ist der Teilschnitt eines Ständers 1 einer elektrischen Maschine zu sehen. Im Ständergehäuse 2 ist ein Blechpaket 3 eingesetzt, das durch Aufeinanderstapeln von Blechsegmenten oder Ronden entsteht, wobei in den Blechen Nuten 4 vorgesehen sind. In den Nuten 4 sind Formspulen 10 eingelegt, die aus einer aufgewickelten Hohlprofilen bestehen und von einem Nutverschlusskeil 7 gehalten werden.
Die Erfindung besteht darin, dass zur Kühlung verdampfendes oder überkritisches Kältemittel, z. B. CO2 durch die als Hohlprofile großer Länge ausgebildeten elektrischen Leiter der Formspulen geleitet wird, so dass eine wesentlich größere Wärmemenge bei nahezu konstanter Leitertemperatur über die gesamte Leiterlänge abgeführt werden kann. Dabei haben die Hohlprofile 5 extrem kleine Kanalquerschnitte, so dass bei gleicher Nutgeometrie höhere Nutfüllfaktoren gegenüber einer einphasigen Leiterkühlung mit Flüssigkeit oder Gas erreicht wird. Durch die größere Nutfüllung und die niedrigeren Leitertemperaturen sinkt der Ohmsche Widerstand und damit die Verluste der Wicklung deutlich ab.
In Figur 2 sind Spulen 10 mit je 3 Windungen aus Hohlprofilen 5 dargestellt, die durch Schaltverbindungen 11 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch Potentialtrenner 12 sind die Spulen parallel an den Kühlkreislauf 18 angeschlossen, von dem hier die Umwälzpumpe 16, die Kühlmittelzuführleitung 13 und die Kühlmittelrückführleitung 14 zu sehen sind. Die Potentialtrenner 12 sind aus elektrisch isolierendem Werkstoff hergestellt und stellen eine gasdichte hydraulische Verbindung zwischen den Spulen und den Kühlmittelleitungen dar.
Es ist zu sehen, dass an einen Anschlusspunkt der Vorlauf- und der Rücklaufleitung des Kühlmediums jeweils zwei Spulen angeschlossen sind. Es können auch zwei Gruppen von mehreren in Serie geschalteter Spulen angeschlossen sein. Dadurch wird die Zahl der Potentialtrenner reduziert und der Aufbau der Anlage vereinfacht.
Ein vereinfachtes Schaltbild einer Drehstrom-Ständerwicklung 15 in Sternschaltung ist in Figur 3 zu sehen mit den Anschlussklemmen R, S, T und der Klemme M für den Sternpunkt . Gleichzeitig ist ein vereinfachtes Fließbild des Kühlsystems dargestellt, das für eine zweiphasige Kühlung mit CO2 verwendet werden kann. Das flüssige CO2 wird mittels einer Umwälzpumpe 16 über die Kühlmittelzuführleitung 13 zum Sternpunkt M des Wicklungssystems geführt und von dort durch das Spulensystem 15 zur Kühlmittelrückführleitung 14 gepumpt, die das weitgehend verdampfte oder überhitzte, gasförmige oder auch überkritische CO2 zu einem Sammelbehälter 17 leitet, in dem gasförmiges und flüssiges CO2 getrennt werden. In dem Fall, dass die Wicklungstemperatur unter die Umgebungstemperatur abgekühlt werden soll, ist eine Kältemaschine 18 vorgesehen, die in bekannter Weise dem CO2 über einen Wärmeübertrager 21 mittels Kompressor 19, Kondensator 20 und Drossel 24 die Wärme wieder entzieht.
Die Potentialtrenner 12 sorgen für eine elektrische Isolierung zwischen äußerem Kältekreislauf und dem zu kühlenden Drehstromwicklungssystem 15.
Das flüssige Kühlmittel, insbesondere CO2, kann je nach Druckniveau unterkritisch teilweise oder vollständig verdampfen oder auch überhitzt aus dem Wicklungssystem 15 austreten. Bei einem Druckniveau oberhalb des kritischen Druckes von etwa 90 bar ist der Endzustand ohnehin einphasig.
Die Abfuhr der Verlustwärme aus dem Wicklungssystem 15 an die Umgebung erfolgt meist außerhalb der elektrischen Maschine entweder direkt über einen Wärmeübertrager oder indirekt über eine Kältemaschine, die den Kühlmitteldampf kondensiert. Die Kältekreisläufe sind in der Lage, das kondensierte Kühlmittel unter die Umgebungstemperatur abzukühlen und so die Wicklungswiderstände gegenüber dem Stand der Technik wesentlich zu reduzieren. In der Folge ist eine Erhöhung der Leistungsdichte möglich.
Insbesondere soll CO2 als Kältemittel verwendet werden, da es aus ökologischer und sicherheitstechnischer Sicht ein nahezu ideales Kältemittel ist. Es ist weder giftig noch brennbar, es besitzt kein Ozonabbaupotential wie viele andere Kühlmittel, ist chemisch inaktiv und ausgesprochen billig. Daher gibt es keine Notwendigkeit zur Rückgewinnung oder Entsorgung. Beim Einsatz von CO2 sind zwar hohen Drücke erforderlich. Letztlich können die Kühlsysteme aber kompakter und mit geringeren Kanalquerschnitten ausgeführt werden, was bei Hohlprofilen in elektrischen Maschinen zu kompakten Spulen mit hohem Nutfullfaktor fuhrt.
In der oberen rechten Hälfte von Figur 4 ist das Anlagenschema vereinfacht und links in einem Ausschnitt dargestellt. Der Kühlkanal innerhalb eines Hohlprofils 5 ist an die Kühlmittelzufuhrleitung 13 über eine Einlaufstrecke mit geringerem Kanal querschnitt angeschlossen. Diese vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sichert die gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die große Zahl paralleler Kühlkanäle.
In der unteren Hälfte der Figur 4 ist der zweiphasige Kühlprozess in einem Druck-Enthalpie- Diagramm dargestellt. Der Druck ist auf der Ordinate in bar aufgetragen, die Enthalpie auf der Abszisse in kJ/kg. Der Arbeitspunkt a entspricht dem Zustand des flüssigen Kältemittels CO2 im Sammelbehälter 17 und in der Kühlmittelzuführleitung 13 bis zur Umwälzpumpe 16, die den Druck adiabat bis zum Zustand b erhöht. Im Einlaufkanal entspannt sich die unterkühlte Flüssigkeit, nimmt Wärme auf und erreicht den Siedepunkt bei Zustand c und mit der ersten Dampfbildung den Arbeitspunkt d, wo der größere Querschnitt des Kühlkanals beginnt. Dort tritt das Kühlmittel bereits mit einem gewissen Dampfgehalt in den Hauptkühlkanal ein und nimmt durch Verdampfung Wärme auf. Durch Strömungswiderstände sinkt der Druck bei leicht abfallender Temperatur, bis der Zustand e mit beispielsweise 95 % Dampfgehalt erreicht ist. Mit dem Buchstaben K ist der kritische Punkt bezeichnet.
Durch Kühlung wird das dampfförmige CO2 kondensiert und im Sammelbehälter 17 aufgefangen. (Zustand a)
Die erfindungsgemäße Verwendung von CO2 oder anderer Kühlmittel mit Phasenwechsel bzw. sehr hoher spezifischer Wärmekapazität führt zu geringen Massenströmen des Kühlmittels. Es entstehen wiederum vergleichsweise geringe Druckabfälle bei leicht sinkenden Temperaturen. Dadurch können kleinere Kühlkanalquerschnitte verwendet werden als dies zum Beispiel mit Wasser möglich wäre. Da das verdampfende CO2 eine hohe Wärmeübergangszahl aufweist, wirkt sich die Verkleinerung der Wärmeübertragungsfläche nicht aus. Auch bei überkritischen Zuständen, die im Kühlsystem dann zwangsläufig auftreten, wenn sich die niedrigste im Kühlkreislauf vorkommende Temperatur der kritischen Temperatur des Kühlmittels annähert, ergeben sich ähnlich günstige Eigenschaften: hohe Wärmeübergangszahlen, geringe Massenströme und daraus resultierende geringe Druckabfalle bei nahezu konstanten oder leicht ansteigenden Temperaturen im Kühlkanal.
Figur 5 zeigt in einem Druck-Enthalpie-Diagramm beispielhaft drei unterschiedliche Prozesse:
28 bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen in den Leitern
29 bei mittleren und
30 bei hohen Leitertemperaturen, wobei auch überkritische Prozesse ganz oberhalb des kritischen Drucks möglich sind
In Figur 5 ist wiederum auf der Ordinate der Druck in bar aufgetragen und auf der Abszisse die Enthalpie in kJ/kg.
Die nachfolgende Tabelle 1 enthält berechnete Werte für einen Kühlkanal mit einem Kanaldurchmesser, von DK =3mm, mit einer Länge von insgesamt Lκ=35,2m und mit einer Einlaufstrecke von Lo=3m mit einem Kanaldurchmesser Do=2mm, der eine Verlustleistung von Q =1,1 IkW abführt, was einer Wärmestromdichte im Hauptkühlkanal von q = 3,35 kW/m2 entspricht. Die Bedeutung der Größen tein, Pm, Δp sowie taus ergibt sich der Tabelle.
Die entsprechenden Größen, die mit den genannten Maßen der Berechnung zu Grunde gelegt sind, sind in Figur 6 eingezeichnet.
Man erkennt, dass bei Kühlmitteleintrittstemperaturen in einem Bereich von tm = -31,50C bis +30°C hohe Wärmeübergangszahlen α bis 19700 W/m2K erreicht werden bei mittleren Drücken von 10,1 bis 80,9 bar und mit einem CO2 Massestrom m zwischen 3,4 und 11,1 g/s. Tabelle 1
Eintritts - AustrittsMittl. Druck DruckMasseAustrittsWärmeübertemperatur temperatur Kühlkanal differenz strom geschwind. gangszahl tein taus Pm Δ p m W alpha
0C 0C bar bar g/s m/s kW/m2 K -31,5 -51 10,1 7,2 3,4 17,6 10,4
-24,6 -37 14,3 5,8 3,6 13,2 9,8
-11,6 -18 23,1 4,7 4,1 9,2 9,3
2 -2 34,9 4,1 4,8 6,6 8,6
13 δ 45,0 4,3 5,6 5,6 9,0
22 18 57,2 5,4 7,2 5,1 10,4
27 22 64,3 7,4 9,1 5,2 13,1
30 33 80,9 10,9 11,1 5,9 19,7
In Figur 7 sind die Wirkungsgrade zweier elektrischer Maschinen A und B miteinander verglichen. Maschine A ist so ausgelegt, dass sie bei 100% Nennleistung, also bei Volllast den maximalen Wirkungsgrad Ao hat.
Es ist der Wirkungsgrad in % über der Auslastung in % der Nennleistung aufgetragen.
Erfindungsgemäß ist die Maschine B, zum Beispiel ein Vielpol-Synchrongenerator für Windenergieanlagen, für hohen Drehschub ausgelegt, um Gewicht und Kosten zu reduzieren. Dadurch liegt der Wirkungsgrad Bo bei Volllast niedriger als bei Maschine A. Wenn eine elektrische Maschine B, wie der genannte Generator für Windenergieanlagen überwiegend im Teillastbereich bei 20 bis 50 % der Nennleistung betrieben wird, so ist die Auslegung mit einem Wirkungsgradmaximum B1 in diesem Bereich ein wichtiger technischer und ökonomischer Vorteil. Denn die Maschine B hat in B1 einen deutlich höheren Wirkungsgrad verglichen mit A1. Außerdem ist sie leichter und kostengünstiger herzustellen.
Voraussetzung dabei ist, dass die deutlich höheren Verluste im Nennbetrieb mit dem hier vorgeschlagenen Kühlverfahren ohne Überhitzung der Wicklung abgeführt werden können. Bezugszeichenliste:
1. Ständer
2. Gehäuse
3. Blechpaket
4. Nut
5. Hohlprofil
6. Zwischenlage
7. Nutverschlusskeil 8.
9.
10. Spule, Formspule
11. elektrische Schaltverbindung
12. Potentialtrenner
13. Kühlmittelzufuhrleitung
14. Kühlmittelrückführleitung
15. dreiphasige Ständerwicklung
16. Umwälzpumpe
17. Sammelbehälter
18. Kühlaggregat
19. Kompressor
20. Kondensator
21. Verdampfer 22.
23.
24. Drossel
25.
26.
27.
28. Kältemittelkreislauf bei tiefen Temperaturen
29. Kältemittelkreislauf bei mittleren Temperaturen
30. Kältemittelkreislauf bei höheren Temperaturen im p-h-Diagramm

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine mit einer Kühlung der Wicklung der elektrischen Maschine durch ein strömendes Fluid, das direkt durch Kühlkanäle in den elektrischen Leitern (5) der Formspulen gefuhrt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter durch Formspulen (10) gebildet werden, die aus Hohlprofilen (5) fortlaufend gewickelt und geformt sind, wobei innerhalb einer Formspule (10) mit mehreren Windungen ein ununterbrochener Kühlkanal und ein durchgehender elektrischer Leiter entsteht, der durch die Fluidströmung sowohl im Eisenpaket als auch ausserhalb im Bereich der Wickelköpfe gleichmäßig gekühlt wird, dass das Fluid ein Kältemittel ist, das in flüssiger Phase in das Hohlprofil (5) der Formspule einspeisbar ist, wobei das Kältemittel hinsichtlich der Vorlauftemperatur sowie der Strömungsgeschwindigkeit zur Kühlung derart betreibbar ist, dass das Kältemittel beim Durchströmen des Hohlprofils zumindest teilweise verdampft.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel CO2 oder N2O ist, das die Hohlprofile (5) unter hohen Drücken bis zu 100 bar durchströmt.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel in einem geschlossenen Kühlkreislauf die Verlustwärme außerhalb der elektrischen Maschine an einen Kühler (20) oder Wärmetauscher (17) abgibt.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlauftemperatur des Kältemittels mit einem konstanten Abstand zur Umgebungstemperatur wählbar ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrischen Leiter der Formspulen aus Hohlprofilen hergestellt sind. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelkanal durch die Serienschaltung von mehreren Formspulen gebildet wird und dass dessen ununterbrochene Länge im Verhältnis zum hydraulischen Durchmesser grösser als 5000 ist
Elektrische Maschinen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankoppelung der Formspulen an die Vorlauf- und Rücklaufleitungen (13) und (14) des Kühlkreislaufs elektrisch isolierend über Potenzialtrenner (22) erfolgt, wobei an einem Potenzialtrenner wenigstens zwei Formspulen oder zwei Gruppen von in Serie geschalteten Formspulen angeschlossen sind.
Verwendung einer elektrischen Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche als Generator in einer Windenergieanlage.
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