NO337355B1 - Kapslet elektrisk maskin med væskekjølt stator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en elektrisk maskin med en stator, en rotor og en kapsling, som gir tett kapsling av rotoren mot statoren.

Den varmen som oppstår i viklingene i elektriske maskiner som følge av tap, må bortledes. Vanligvis skjer dette ved hjelp av luftkjøling.

I såkalte integrerte maskiner, dvs. arbeids- og drivmaskiner i et hus, hvor rotor- og statorrommet til den elektriske drivmaskinen er skilt ved hjelp av en kapsling, eksempelvis et rør, foregår kjølingen av rotoren ofte ved hjelp av prosessmediet. En tilsvarende spalterørmotor med foliespalterør er kjent fra publikasjonen DE 100 25 190 Al. Spalterørmotoren, som brukes for en rotasjonspumpe, er utformet med et spalterør som skiller den som våtløper utformede og med motorakselen dreiefast forbundet rotor fra den dreiefast med motorhuset forbundne statoren. Spalterøret dannes av en væskeugjennomtrengelig folie, og det er anordnet støtteelementer som holder og bærer folien.

Dessuten beskriver DE 15 28 805 A en pakkboksløs pumpe for høye trykk og med én i et trykkfast hus anordnet spalterørmotor, hvor rotorrommet for trykkutligning ved spalterøret kommuniserer med det indre av en fjærbelg, viss ytterside påvirkes av væskefyIlingen i statorrommet. Fjærbelgen er anordnet inne i rotorhuset, i statorrommet. Gjennom en trykkfast lukkbar åpning blir det i statorrommet fylt en væske, eksempelvis isoleringsolje, som omgir fjærbelgen. Maskinen kan kjøles med transportvæsken, som omstrømmer rotoren i spalten.

Videre er det i DE 1 052 541 A beskrevet en kapslet induksjonsmotor, som kan anvendes som undervannsmotor for drift av pumper. De deler av statorviklingen som rager ut over statorpakkens ender, er innstøpt sammen med et festemiddel for lagerskjoldet i en støpemasse, eksempelvis støpeharpiks. På spalterøret er det i området ved endene anordnet tetningselementer i form av avstivningsflenser eller ringer eller ombøyningskanter, som likeledes er innstøpt i støpemassen.

Fra US 2 285 960 A er det kjent en dynamoelektrisk maskin med en rotor og en i forhold til rotoren kapslet stator. Statoren væskekjøles med en transformatorolje.

En lignende dynamoelektrisk maskin er kjent fra US 2 381 122 A.

Videre viser DE 896 086 C en elektrisk maskin, særlig en generator med høyt turtall og med et respektivt adskilt og gasstett lukket rom for statoren og løperen. I tillegg til en ikke brennbar gass kan det også brukes et flytende kjølemiddel for kjøling.

Også US 2 687 695 A og US 3 089 969 A viser elektriske maskiner, hvor statorene er kapslet og kjøles med en væske. For trykkutligning i statorkjølekretsløpet benyttes det en utligningsbeholder.

Dessuten er det fra WO 85/00475 kjent en væskekjølt høyhastighetssynkronmaskin. Statoren har noter for viklingselementer. Disse notene gir også plass for kjølekanaler.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å bedre kjølingen av en kapslet elektrisk maskin, slik at derved slike maskiner også kan brukes i et høyere turtallsområde og med høyere ytelse.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette med en elektrisk maskin som angitt i krav 1, med en stator, en rotor og en kapsling, som gir tett kapsling av rotoren mot statoren, hvilken stator har en væskekjøleinnretning hvormed tapsvarme i statoren kan bortføres, hvilken kapsling danner en del av ytterveggen til et lukket kjølekretsløp i væskekjøleinnretningen.

Derved muliggjøres det på fordelaktig måte en effektiv kjøling av statoren henholdsvis statorviklingen. Derved kan det tilveiebringes kapslede maskiner med høye turtall og høy ytelsesklasse. Særlig kan det realiseres meget kompakte statorviklinger (Stator- bzw Stånderwicklungen), som ikke kan muliggjøres med en luftkjøling.

Kjølevæsken i væskekjøleinnretningen er en esterholdig væske. Denne kjølevæsken har de nødvendige dielektriske egenskapene, slik at det også kan realiseres høyspenningsdrivinnretninger.

Dessuten omstrømmes rotoren av et prosessmedium, og i det lukkede kjølekretsløpet er det anordnet en utligningsinnretning for trykkutligning mellom prosessmediet og statorens kjølevæske. Som følge av trykkutligningen utsettes kapslingen henholdsvis røret for en mindre mekanisk belastning, hvilket letter materialvalget med hensyn til mekaniske og elektriske egenskaper.

Videre har utligningsinnretningen en elektrisk regulering for aktiv trykkutligning. Derved kan man også unngå tetningsproblemer, som i visse tilfeller vil kunne forekomme i forbindelse med rent mekaniske trykkutligningsløsninger.

Dessuten er det fordelaktig dersom viklingshodene i statoren omstrømmes direkte av kjølevæsken i væskekjøleinnretningen. Dette forutsetter en kjølevæske med tilsvarende dielektriske egenskaper og medfører en effektiv varmebortføring fra statoren.

I en særlig utførelsesform av den elektriske maskinen ifølge oppfinnelsen, har et statorlegeme (blechpaket) i statoren aksielle kjøleboringer som utgjør deler av det lukkede kjølekretsløpet. Således kan også statorlegemet i statoren kjøles på en effektiv måte.

Videre kan statoren ha noter for viklingselementer, i hvilke noter det er innlagt aksialt forløpende kjølekanaler, som likeledes utgjør deler av det lukkede kjølekretsløpet. Også på denne måten kan det gjennomføres en virksom kjøling av statoroverflaten i området ved viklingene.

Hensiktsmessig har det lukkede kjølekretsløpet en tilbakekjøler for kjølevæsken. En slik tilbakekjøler bidrar til en øking av kjølevirkningsgraden.

Det lukkede kjølekretsløpet kan dessuten innbefatte en pumpe for opprettholdelse av en kjølestrømning. Også derved bedres kjøleytelsen.

En fordelaktig anvendelse av den elektriske maskinen ifølge oppfinnelsen oppnås ved en realisering som kompressor for transport av et prosessmedium. I et slikt tilfelle kan det trykket som bygges opp i kompressoren samtidig utnyttes for pumping av prosessmediet gjennom rotoren.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor:

Fig. 1 viser et blokkskjema for kjølekretsløpet i en elektrisk maskin ifølge oppfinnelsen, og

Fig. 2 er et snitt gjennom en kompressor i samsvar med oppfinnelsen.

De nedenfor beskrevne utførelseseksempler representerer foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen.

Prinsippskissen i fig. 1 viser kjølekretsløpene i en kapslet elektrisk maskin. Motoren M i den elektriske maskinen har en rotor som kjøles med et rotorkjølekretsløp RK, og har også en stator som kjøles med et statorkjølekretsløp SK. I spalten mellom rotor og stator er det anordnet en kapsling K. Denne kapslingen K avtetter rotorkjølekretsløpet RK mot statorkjølekretsløpet SK. En akkumulator A sørger for en trykketterstilling henholdsvis en trykkutligning mellom rotorkjølekretsløpet RK og statorkjølekretsløpet SK.

I foreliggende eksempel har statorkjølekretsløpet SK også en styreventil V. Dessuten har det en varmeveksler WT som tilbakekjøler, for bedring av kjølingen.

Et konkret utførelseseksempel er vist i fig. 2. Tegningsfiguren viser et snitt gjennom en integrert kompressor. Det dreier seg her om en elektrisk maskin hvor en motor M og en kompressor KP er anordnet i et trykkfast hus G. Huset G danner et statorrom SR rundt motorens M stator S. For kjøling av statoren er dette statorrommet SR fylt med en kjølevæske som tilfredsstiller de kjøletekniske og dielektriske kravene. Eksempelvis velges det som kjølevæske en isolasjons væske fremstilt på basis av ester eller silikonolje. Derved muliggjøres en direkte væskekjøling av viklingene og særlig av viklingshodene. Denne kjølingen ved hjelp av et fluid, muliggjør en meget kompakt statorvikling.

I statorstatorlegemet er det for kjøling anordnet aksiale kjøleboringer KB, som likeledes gjennomstrømmes av statorrommets kjølevæske. Likeledes er det anordnet en her ikke vist kjøling av lederne i statorlegemenotene, idet det mellom viklingselementene er anordnet aksiale kjølekanaler i notene. Også disse kjølekanalene gjennomstrømmes av kjølevæsken. På denne måten oppnås det en direkte kjøling av notområdet, noe som eksempelvis bidrar til en mer kompakt maskin som følge av at de radielle kjøleslissene i statorlegemet bortfaller.

Hele statorkjølekretsløpet SK er i fig. 2 betegnet med piler. Statorkjølekretsløpet går delvis utenfor huset G, slik det også er antydet i fig. 1. Der er det også anordnet en plassering av en varmeveksler WT, som tjener til tilbakekjøling av kjølevæsken. I fig. 2 er det ikke vist rørledninger for et slikt utformet kjølesystem, eller pumper, for opprettholdelse av kjølestrømningen.

Statorrommet SR er kapslet ved hjelp av en kapsling K mot rotorrommet RR. Kapslingen K er her et rør. Kapslingen går i spalten mellom rotoren R og statoren S. Mellom kapslingen K og rotoren R går rotorkjølestrømmen RK i en aksial retning i den elektriske maskinen. Som følge av oppdelingen av kjølekretsløpene for rotoren R og statoren S, kan det ubehandlede prosessmediet, som transporteres med kompressoren K, anvendes direkte for kjøling av rotoren R.

Kompressoren KP transporterer et prosessmedium fra inngangsstussen ES og til utgangsstussen AS. Prosessmediet blir derved tilsvarende komprimert.

Kompressoren KP tjener for drift av rotorkjølekretsløpet RK. Prosessmediet forlater kompressorrommet ved en flens Fl og føres gjennom en rørledning ved husets G motorsidige ende og via en rørledning til en flens F2. Der går prosessmediet inn i huset G og brukes for kjøling av motorlagrene der. Derfra går prosessmediet videre til rotoren, slik det er beskrevet foran.

En del av prosessmediet føres fra flensen Fl via rørledninger til husets G kompressorsideende og til en flens F3. Der går denne delen av kjølestrømmen inn i huset G og brukes der for kjøling av kompressorlagrene.

Oppbyggingen av kompressoren som i fig. 2 medfører en effektiv kjøling, ikke bare av rotoren, men også av statoren. Derfor kan kompressoren dimensjoneres for høye turtall og høye ytelser i MW-området. Dessuten vil konstruksjonen i fig. 2 muliggjøre et enkelt og vedlikeholdsfritt kjølesystem for så vel rotoren som statoren, hvilket er en forutsetning eksempelvis for anvendelser under vann.

Claims (7)

1. Elektrisk maskin med - en stator (S), - en rotor (R) og en kapsling (K), som gir tett kapsling av rotoren (R) mot statoren (S), hvilken - stator (S) har en væskekjøleinnretning hvormed tapsvarme i statoren (S) kan bortføres, og hvilken - kapsling (K) danner en del av ytterveggen til et lukket kjølekretsløp (SK) i væskekj øleinnretningen, karakterisert vedat - rotoren (R) omstrømmes av et prosessmedium og at det i det lukkede kretsløpet (SK) er anordnet en utligningsinnretning (A) for trykkutligning mellom prosessmediet og kjølevæsken i statoren (S), - utligningsinnretningen (A) har en elektrisk regulering for aktiv trykkutligning, og - kjølevæsken i væskekjøleinnretningen er en esterholdig væske.

2. Elektrisk maskin ifølge krav 1, karakterisert vedat statorens (S) viklingshoder omstrømmes direkte av kjølevæsken i væskekjøleinnretningen.

3. Elektrisk maskin ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat et statorlegeme i statoren (S) har aksiale kjøleboringer (KB) som utgjør deler av det lukkede kjølekretsløpet (SK).

4. Elektrisk maskin ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat statoren (S) har noter for viklingselementer, i hvilke noter det er anordnet aksialt forløpende kjølekanaler som utgjør deler av det lukkede kjølekretsløpet (SK).

5. Elektrisk maskin ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat det lukkede kjølekretsløpet (SK) har en tilbakekjøler (WT) for kjølevæsken.

6. Elektrisk maskin ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat det lukkede kjølekretsløpet (SK) innbefatter en pumpe, for opprettholdelse av en kjølestrømning.

7. Elektrisk maskin ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat den er utformet som kompressor (KP) for transport av prosessmediet.