WO2005112237A1 - Synchronous machine comprising a stator cooling device - Google Patents

Synchronous machine comprising a stator cooling device Download PDF

Info

Publication number
WO2005112237A1
WO2005112237A1 PCT/EP2005/052140 EP2005052140W WO2005112237A1 WO 2005112237 A1 WO2005112237 A1 WO 2005112237A1 EP 2005052140 W EP2005052140 W EP 2005052140W WO 2005112237 A1 WO2005112237 A1 WO 2005112237A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
synchronous machine
machine according
cooling medium
housing part
rotor
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/052140
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Frauenhofer
Norbert Huber
Jürgen Rieger
Wolfgang Schmidt
Bernd Wacker
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to DE112005000956T priority Critical patent/DE112005000956A5/en
Publication of WO2005112237A1 publication Critical patent/WO2005112237A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/47—Air-gap windings, i.e. iron-free windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/227—Heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/12—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof specially adapted for operating in liquid or gas
    • H02K5/132—Submersible electric motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis
    • B63H2005/1258—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis with electric power transmission to propellers, i.e. with integrated electric propeller motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
    • B63H2021/173—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor making use of superconductivity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system

Definitions

  • the invention relates to a synchronous machine with a multi-pole rotor and a stator enclosing the rotor, which has a normally conductive stator winding to be cooled, a support structure which at least partially accommodates the stator winding and which has an essentially hollow cylindrical outer body made of soft magnetic material and axially on the inside thereof and has radially extending, web-like supporting teeth made of non-magnetic material, between which at least parts of the stator winding are arranged, contains an outer housing with a hollow cylindrical housing part surrounding the outer body and a stator cooling device for dissipating the heat generated by the stator winding to a cooling medium.
  • the stator winding is designed as a so-called air gap winding. It is located entirely in a coolant space through which a liquid coolant is passed. In order to ensure effective cooling of the winding parts in the area of the supporting teeth, cooling recesses are formed in these recesses. This requires a sufficiently large expansion of the supporting teeth in the radial direction.
  • Good sea properties of a surface ship are characterized by high speed and good maneuverability.
  • sea endurance which depends on the fuel, water and provisions as well as the operational safety of the systems and the operational capability of the crew.
  • Today the high continuous speed at sea combined with good sea behavior has become an important requirement to bridge wide sea areas.
  • the systems and components of the vehicle and on-board networks must offer a high level of functional availability in order to improve the sea properties.
  • propulsion machines for the propulsion (propeller, water jet or impeller) in the aspect ratio of the machine, active part length to active part diameter of up to 3.
  • propulsion propeller, water jet or impeller
  • active part length to active part diameter of up to 3.
  • Corresponding propulsion systems are provided in particular for fast seagoing ships. They comprise a drive by at least one water jet, the so-called “water jet”, which is generated in a pump unit with an outlet nozzle (s).
  • a pump unit with an outlet nozzle (s).
  • an impeller can be provided at the end of a pump shaft, which is connected to a motor such as an electric motor, for example high-T c superconductors or to a diesel engine or a gas turbine (cf., for example, WO 03/101820 AI).
  • the electrical system of today's ships is made up of the following components and systems: • electrical energy generation • electrical energy distribution • electrical energy consumers
  • the fully electric ship includes the use of economical, electrical energy generators for the propulsion of the ship by electrical machines (traction network) and the supply of the electrical system.
  • the power requirement of the electrical energy generator sets for future ships will be in the range of 20 - 50 MW depending on the requirements of the vehicle electrical system and the speed of the ship.
  • drives are also envisaged which have their at least one electric drive machine attached to the underside of the hull in the manner of a gondola. Such drives are also referred to as " POD drives”.
  • POD drives Such drives are also referred to as " POD drives”.
  • Corresponding drives, in particular with synchronous machines using high-T c superconductors, are generally known (cf., for example, WO 03/019759 A2, EP 0 907 556 B1, WO 03/047962 A2).
  • POD drives The primary goal of designing such POD drives is to minimize weight.
  • a specific target weight for the POD (consisting of HTS engine, nacelle housing with slide bearings and thrust bearing, propeller with shaft, POD shaft, POD suspension with azimuth module) is required for special ship types, whereby approx. 25% of the Total weight on the motor active part, consisting of rotor and stator without shaft, may be lost.
  • the goal is to achieve a hydrodynamic propeller efficiency of> 60%.
  • the ratio of the nacelle diameter to the propeller diameter is an important criterion for the POD drive and should be optimal at 0.3 ... 0.33
  • the required diameter of the active part is 950 ... 1050 mm.
  • the length of the nacelle should be as short as possible while maintaining good hydrodynamic resistance and is significantly influenced by the length of the active part.
  • the object of the present invention is now to design the synchronous machine with the features mentioned at the outset in such a way that reliable cooling of the stator winding is made possible with reduced expenditure, in particular even with a small radial expansion of the winding, as is required for ships' machines.
  • the stator winding is coupled to the cooling medium via the support structure and the housing part, the supporting teeth at least partially consisting of a material with a thermal conductivity ⁇ of over 10 W / K-m.
  • the measures according to the invention are based on the consideration that the stator winding of the synchronous machine is advantageous is practically completely cooled by heat conduction in their supporting teeth.
  • the stator winding By dispensing with supporting teeth made of ferromagnetic iron, the stator winding practically represents a air gap winding, the heat loss being dissipated from the air gap winding via the carrier structure for this winding. It does not matter whether one or more, for example, electrically offset stator systems are implemented as an air gap winding. So no stator teeth made of iron as in known machines are used, but with a material with a sufficiently high thermal conductivity (thermal conductivity ⁇ ).
  • the measures according to the invention are essentially based on the fact that the heat dissipation via highly conductive material in a range from over 10 W / K-m up to 1000 W / K-m from the in
  • General stator winding having copper conductors can be achieved by their inevitable insulation, the heat being given off to the enveloping outer body.
  • this enveloping outer body consists of a soft magnetic material such as iron in particular, which must have a relatively large cross section for adequate magnetic flux guidance and is therefore able to absorb and dissipate sufficient heat.
  • the delivery takes place at least via the housing part enveloping it and optionally via further parts of the outer housing to the cooling medium wetting it from the outside, preferably directly or indirectly in water such as e.g. Sea water or fresh water, or also to a gaseous cooling medium such as cold air.
  • winding heads of the stator winding which, owing to their highly complicated three-dimensional geometry, cannot generally be inserted into the support structure, dissipate heat by conduction via the copper conductors of the stator winding
  • Part (active part) of the winding (in the area of the soft magnetic outer body enveloping it) takes place. From there it will with the thermally conductive supporting teeth, this heat as well as the heat from the straight active part is dissipated to the soft magnetic outer body, which is cooled by the cooling medium via the housing part. The heat is thus transported into the cooling medium essentially only via the supporting teeth and the outer body, which together form the support structure, and at least via the housing part of the outer housing.
  • the housing part also consists at least partially of a material with a thermal conductivity ⁇ of over 10 W / K-m, which in particular can also be non-magnetic.
  • the supporting teeth and / or the housing part should at least partially consist of a material with a greater thermal conductivity ⁇ than that of iron.
  • the thermal conductivity of iron is limited and is in the range of 40 to 60 W / K-m depending on the possible alloying of further materials. This means that a material with a thermal conductivity ⁇ of over 60 W / K-m is advantageously chosen.
  • the housing part of the outer housing will first be formed from a non-magnetic material.
  • a non-magnetic material such as bronze or steel and / or resistance to undesired environmental influences, such as corrosion resistance.
  • the housing part also consist of a ferromagnetic material.
  • the housing part With regard to a simple structure, it is also possible for the housing part to be designed as a component integrated in the soft magnetic outer body and preferably in one piece with it.
  • the supporting teeth are particularly advantageously constructed such that the thermal conductivity ⁇ in the radial direction is at least the value as in the tangential direction, preferably a higher value, in particular at least twice the value .
  • the supporting teeth can also be constructed such that the thermal conductivity ⁇ in this direction is at least the value as in the tangential direction
  • Direction preferably a higher value, in particular at least twice the value.
  • a metal alloy or a ceramic or a composite material is preferred as the material for the supporting teeth. If a composite material is used, it is advantageously provided that the mechanical and thermal properties, in particular the modulus of elasticity, the critical elongation at break and the thermal conductivity ⁇ , are adapted to the operating conditions of the rotor. For this purpose, the mechanical and thermal properties can advantageously be adjusted by selecting a structural support, its geometry and the proportion in the composite material, and by selecting and proportioning a filler material in the composite.
  • the structural support in the composite material can also consist of more than one material.
  • the structural support to be used in the composite material can have a higher proportion of the thermal conductivity ⁇ than it would account for after the pure proportion.
  • the supporting teeth are formed from a carbon fiber composite material with high thermal conductivity ⁇ .
  • cooling of the housing part of the synchronous machine practically all known types of cooling using liquid, optionally also gaseous coolant or coolant mixtures or phase mixtures are possible.
  • liquid coolant cooling by means of bath cooling, in particular with a relative movement of the cooling medium and housing part, can be provided. Instead, a forced flow of the cooling medium on or in the housing part (for all aggregate states of the cooling medium) is also possible.
  • the cooling medium can be stored in discrete cooling channels, e.g. of cooling coils thermally attached to the outside of the housing. Water is particularly suitable as the liquid cooling medium.
  • the cooling medium can also be located in its own cooling system, which is thermally coupled directly or indirectly to a further cooling medium.
  • An additional coolant circuit can be provided for the additional cooling medium. A heat exchange then takes place in a known manner between the further cooling medium and the cooling medium of the machine.
  • Water in particular sea water, is preferred as a further cooling medium.
  • Corresponding cooling technologies are particularly advantageous for ship applications.
  • the stator can have an axial extent of the active part of its stator winding that is at least one times its outer diameter, preferably at least twice and in particular at least four times. This means that the stator winding has only a small radial expansion.
  • Corresponding machine types are preferably used for ship applications (waterjet or POD type), pumped storage plants or for cooling water circuits, for example in power plants. ken in question. Because of the small radial expansion of the stator winding of such machines, only indirect cooling as in the invention can be achieved.
  • stator winding of the synchronous machine is a multi-pole winding of the air gap type, which generally requires a high induction of the rotor winding
  • the latter winding can advantageously be deep-cooled, being thermally directly or indirectly coupled to a suitable rotor cooling device.
  • the rotor winding can preferably be created with superconductors, in particular with those which contain high-T c superconductor material.
  • the rotor of the synchronous machine according to the invention can also have poles which are produced using permanent magnetic material.
  • Implementation forms of the rotor are also conceivable in which, in addition to poles made of permanent magnetic material, the rotor contains a deep-cooling, in particular superconducting rotor winding which is thermally coupled directly or indirectly to a rotor cooling device.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a POD propeller drive of a ship with such a machine
  • FIG. 2 shows a cross section through the machine according to FIG. 1
  • 3 shows a stator groove of the machine in an enlarged detail from FIG. 2
  • FIG. 4 shows a cross section through a waterjet machine of a ship.
  • the stator cooling device of a machine according to the invention is in principle suitable for all known synchronous machines. However, it can be used particularly advantageously for machine types which have a large aspect ratio of the stator winding, i.e. the stator has an axial extension of the active part of its stator winding which is a multiple of the outside diameter.
  • the stator has an axial extension of the active part of its stator winding which is a multiple of the outside diameter.
  • Machine types then have practically no space for discrete cooling channels in the area of supporting teeth between their winding parts.
  • a corresponding type of machine is provided, for example, for POD drives of ships.
  • a corresponding machine type is to be selected for the exemplary embodiment in FIGS. 1 to 3, with known embodiments of such drives being assumed (cf., for example, WO 03/019759 A2 or EP 0 907 556 B1).
  • 2 denotes a POD drive unit of a ship, 3 a motor nacelle, 4 the hull of a ship, 5 a holding device for the motor nacelle on the ship's hull, 6 a synchronous machine according to the invention, 7 a rotor thereof Machine, with 8 a rotor shaft, which is mounted in shaft bearings 9, with 10 a ship propeller attached to the shaft, with 11 an air gap and three-phase winding as a stator winding, with 12 winding heads of this winding, with 13 a soft magnetic iron yoke as an outer body of a support structure 14 , with 15 an outer housing of the machine with a housing part 15a enclosing the soft magnetic outer body 13, with 16 a between the air gap / stator winding 11 and the outside of the rotor 7 hand air gap, with A the axis of the rotor 7 or the rotor shaft 8, with W heat flows and with K a cooling medium such as water.
  • K a cooling medium such as water.
  • stator winding 11 is largely covered by web-like supporting teeth 21i of the carrier structure 14 which extend axially, ie in the direction of the axis A; only their end windings 12 are visible.
  • the indicated heat flows W run inside the winding and in these supporting teeth.
  • the housing is advantageously constructed from a material with good thermal conductivity, which preferably has a thermal conductivity ⁇ (thermal conductivity) of more than 10 W / K-m, in particular more than 60 W / K-m.
  • ⁇ thermal conductivity
  • it advantageously consists of metal alloys such as special bronzes, or e.g.
  • the housing part 15a of the outer housing 15 forms a covering in a form-fitting manner around the soft-magnetic outer body 13.
  • Such an embodiment is in particular from the point of view of a special choice of material for the housing part, for example for reasons of good thermal conductivity and / or good resistance to undesired influences from the surrounding cooling medium, such as good corrosion resistance. sion resistance is an advantage. Therefore, in addition to the aforementioned, bronze or special steels can also be used as materials. However, such a choice of material is not absolutely essential. Of course, ferromagnetic materials can also be selected for the housing part 15a, provided the required good heat transfer is guaranteed. It is also possible that the material of the soft magnetic outer body 13 is provided for the housing part. In this case, the housing part 15 can even be designed or viewed as an integrated component of the outer body.
  • FIG. 2 shows the cross section through the machine 6 according to FIG. 1 with the outer housing 15 enclosing it or its housing part 15a.
  • the individual supporting teeth visible here between individual parts of the stator winding 11 are designated by 21i. Together with the soft magnetic outer body 13, they form the support structure 14 for the winding 11.
  • FIG. 3 illustrates an enlarged detail from FIG. 2 in the area of a stator groove 20.
  • 21a and 21b also denote two of the supporting teeth 21i which laterally delimit the stator groove in the circumferential direction, with 22j winding conductors or a package, for example Cu conductors, of the stator winding 11, with 23 a conductor insulation around the individual conductors 22j , with 24 a main insulation, with 25 a holding slide at the bottom of the groove 20 and with 26 an intermediate slide in a central region of the groove, for example according to DE 102 27 559 AI. It does not matter how much conductor material is connected in parallel in the stator or how many stator systems are used in total.
  • the most important thermal resistance is the conductor insulation of the winding conductors 22j and the main insulation 24 between the conductor package and the side supporting teeth 21a and 21b.
  • the heat generated by the conductors 22j passes through these insulations to the support teeth 21a and 21b, which are advantageously of good thermal conductivity, and from there via the teeth surrounding the groove to the outside soft magnetic outer body 13 and the housing part 15a of the outer housing 15 to the cooling medium K.
  • the intermediate slide 26 is also made from a material which is a good conductor of heat but is poorly electrically conductive, such as an aluminum oxide, aluminum nitride or another good heat-conducting ceramic.
  • the supporting teeth 21a, 21b have three functions, namely transmission of the mechanical moments, holding and spacing of the winding conductors 22j and the thermal function of heat dissipation / transmission.
  • the material for the supporting teeth is, in particular, one of the abovementioned, highly thermally conductive ceramics, metal alloys or else a composite material, in particular with carbon fibers of the highest thermal conductivity, e.g. a CFRP composite (carbon fiber reinforced plastic), in question. It is particularly advantageous here to design the fiber direction so that an optimal heat flow can take place.
  • the supporting teeth have a wedge shape. It is irrelevant which specific design and shape a single supporting tooth has, e.g. whether it is made in one piece from a uniform material or in several parts from different materials or from a sandwich material or a composite material. In any case, however, it must be ensured that the required heat flow W can be derived with sufficient intensity in the manner shown.
  • the outer housing 15 with the housing part 15a is directly washed around by sea water as the cooling medium K from the outside.
  • the machine according to the invention is also suitable for other cooling circuit run of the cooling medium K also suitable.
  • the cooling medium can thus be located in its own cooling system, which is thermally coupled directly or indirectly to a further cooling medium, for example fresh water or sea water. It is also possible for an additional coolant circuit to be provided for this additional cooling medium, in which case heat exchange takes place between the cooling medium K of the machine and this additional coolant circuit.
  • the cooling medium that cools the machine according to the invention at least in the area of the housing part 15a can be located in a container of a coolant bath or can also forcefully flow past the outer housing. Such a flow can also take place in discrete coolant channels which are arranged at least in or on the housing part. For example, corresponding coolant coils can be attached to the outside of the housing part in a good heat-conducting connection with the latter.
  • FIG. 4 A corresponding cooling technology is provided for the embodiment shown in FIG. 4.
  • the figure shows an embodiment of a synchronous machine 6 according to the invention according to Figures 1 to 3, which is held within a container housing 31 via support struts 32.
  • the cooling medium K is located in one or more intermediate spaces 33 between the container housing and the outer housing 15 of the machine 6.
  • the embodiment shown can be used in particular for waterjet drives for ships in which the actual motor is located in a machine housing in the ship's intermediate hull.
  • claws 34 are indicated on the outside of the container housing.
  • the support struts 32 transmit the torque from the machine or its outer housing to the container housing 31 and via the claws 34 arranged thereon to the foundation, in the example the ship's intermediate hull.
  • the cooling medium K located between the container housing 31 and the machine housing 15 is preferably a liquid, a liquid mixture, a cold gas or a gas mixture.
  • the cooling medium is connected to a cooling circuit, e.g. directly or indirectly to the fresh water system of a ship. Pumps can be used for this if necessary.
  • a separate water circuit is also conceivable, which cools to the sea water by means of a heat exchanger. This separate heat cycle can have natural or forced circulation. In the case of natural circulation, correspondingly large cross sections must be implemented. Natural circulation can take place, for example, due to a thermosiphon effect, in which a cooling medium, optionally water, which is adapted to the temperatures is used.
  • the machine type used for the synchronous machine according to the invention is a motor with a rotor which has a multi-pole rotor winding, in particular with high-T c superconductor material (for example in accordance with WO 03/047962 A2)
  • the machine can be used as a drive motor or generator (cf. the aforementioned W0-A2 document).
  • the machine can also have conductors using classic, metallic superconductor material or can also be constructed with normally conducting, possibly cooled conductors.
  • a synchronous machine according to the invention can also have a rotor in a known manner, which has poles made of permanent magnetic material (cf. for example EP 0 907 556 B1). If necessary, it is also possible to use poles made of permanent magnetic material with windings made of the aforementioned superconductor materials in combination.
  • the estimated efficiency of the machine at full load is approx. 97.5% including the necessary cryocooler.
  • the number of pole pairs is assumed to be 3.
  • the converter must be placed in the stern. Power is supplied via cables via the azimuth module. Depending on the drive configuration, a multi-pole machine can also be used.
  • the converter frequency is 10 Hz at a speed of 200 rpm.
  • the converter must allow motor and generator operation in order to be able to take energy out of the POD drive when braking. Up to 200 rpm, stop operations are to be implemented by rotating the POD by 180 ° and taking thrust against the direction of travel. When the PODs are rotated, the shaft speed will have to be reduced briefly and then increased again when the thrust is taken up.
  • Diameter of the drive nacelle 1200 mm (therein 1100 mm HTS motor plus potting case wall 50 mm)
  • an HTS synchronous machine for the waterjet is provided.
  • the drive motor is to be installed in the ship's intermediate floor.
  • the optimization of the diameter of the active part has priority here.
  • the length of the active part is not that important.
  • a high weight is more desirable.
  • the electrical efficiency should be high.
  • the length of the shaft of the Waterj drive depends on the one hand on the inclination towards the ship's hull and on the other hand on the overall height of the drive motor.
  • the reduction in the wavelength in turn results in a reduction in the critical hit area (see Fig. 2).
  • Propeller speed 600 rpm torque 111 kNm results from the following data:
  • Axle height 560 mm (with housing)
  • Length of the active part 2050 mm (without winding heads: 1500 mm)
  • Weight rotor + stator without shaft 10.5 t (without winding heads: 7.77 t)
  • the estimated efficiency of the machine at full load is approx. 98% including the cryocooler.
  • the number of pole pairs is assumed to be 2 here.
  • the HTS machine is a 4-pole (2-pole pairs) version.
  • the converter frequency is 20 Hz at a speed of 600 rpm.
  • the application of the machine is not limited to the area of the ship. In general, it is of particular advantage wherever machines with a small radial expansion of their stator winding, in particular of the air gap winding type, are to be used with higher performance requirements.
  • Examples of corresponding applications are water pumps, for example as use in pumped storage plants or as a cooling water pump: Such a pump can be regarded as a fixed POD, which is surrounded by a cooling medium.
  • Compressor drives for example in gas pipelines: Here too, the good heat-conducting material flows around the drive and is used for cooling directly on the outside of the housing.
  • - Shaft drives e.g. in rolling mills.
  • Generators for example in connection with a gas turbine, both a stationary arrangement and a mobile arrangement, for example for railway applications, being conceivable. Chemical / process industry devices such as extruders or air separation devices.

Abstract

The invention relates to a synchronous machine (6) comprising a, for example, supraconductive rotor winding and a normal-conducting stator winding (11) to be cooled. The stator winding (11) is at least partially arranged in a carrier structure (14) provided with a hollow cylindrical, soft-magnetic outer body (13), and axially and radially extending, strip-like carrier teeth (21i) consisting of a non-magnetic material. An outer housing (15) comprising a hollow cylindrical housing part (15a) surrounds the outer body (13). According to the invention, the housing part (15a) consisting of a non-magnetic material is cooled, at least in parts, by means of a coolant (K), the stator winding (11) being thermally coupled to the coolant (K) by means of the carrier structure (14) and the housing part (15a). To this end, the carrier teeth (21i) at least partially consist of a material having a minimum thermal conductivity μ K m of 10 W/K m.

Description

Beschreibungdescription
Synchronmaschine mit StatorkühleinrichtungSynchronous machine with stator cooling device
Die Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine mit einem mehrpoligen Rotor sowie einem den Rotor umschließenden Stator, der eine zu kühlende, normalleitende Statorwicklung, eine die Statorwicklung zumindest teilweise aufnehmende Trägerstruktur, welche einen im Wesentlichen hohlzylindri- schen Außenkörper aus weichmagnetϊschem Material sowie an dessen Innenseite axial und radial verlaufende, stegartige Tragzähne aus nicht-magnetischem Material aufweist, zwischen denen zumindest Teile der Statorwicklung angeordnet sind, ein Außengehäuse mit einem den Außenkörper umschließenden, hohlzylindrischen Gehäuseteil und eine Statorkühleinrichtung zur Abführung der von der Sta- torwicklung erzeugten Wärme an ein Kühlmedium enthält .The invention relates to a synchronous machine with a multi-pole rotor and a stator enclosing the rotor, which has a normally conductive stator winding to be cooled, a support structure which at least partially accommodates the stator winding and which has an essentially hollow cylindrical outer body made of soft magnetic material and axially on the inside thereof and has radially extending, web-like supporting teeth made of non-magnetic material, between which at least parts of the stator winding are arranged, contains an outer housing with a hollow cylindrical housing part surrounding the outer body and a stator cooling device for dissipating the heat generated by the stator winding to a cooling medium.
Eine entsprechende Synchronmaschine mit Statorkühleinrichtung ist der EP 1 251 624 A2 zu entnehmen.A corresponding synchronous machine with a stator cooling device can be found in EP 1 251 624 A2.
Bei der bekannten Synchronmaschine ist die Statorwicklung als eine sogenannte Lu tspaltwicklung ausgebildet . Sie befindet sich vollständig in einem Kühlmittelraum, durch den ein flüssiges Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Um eine effektive Kühlung der Wicklungsteile im Bereich der Tragzähne zu ge- währleisten, sind an diesen Aussparungen als Kühlkanäle ausgebildet . Hierzu bedarf es einer hinreichend großen Ausdehnung der Tragzähne in radialer Richtung.In the known synchronous machine, the stator winding is designed as a so-called air gap winding. It is located entirely in a coolant space through which a liquid coolant is passed. In order to ensure effective cooling of the winding parts in the area of the supporting teeth, cooling recesses are formed in these recesses. This requires a sufficiently large expansion of the supporting teeth in the radial direction.
Bei manchen Maschinentypen ist jedoch diese Ausdehnung be- schränkt; d.h., bei solchen Maschinentypen mit verhältnismäßig kleinen Außendurchmessern ist dann eine effektive Abführung der von der Statorwicklung erzeugten Wärme an ein bei- spielsweise flüssiges Kühlmittel mittels einer derartigen Statorkühleinrichtung kaum möglich. Entsprechende Maschinentypen werden insbesondere für Propeller- und Jetantriebe in schwimmenden Geräten wie Schiffen gefordert.With some machine types, however, this expansion is limited; in other words, in the case of such machine types with relatively small outer diameters, an effective dissipation of the heat generated by the stator winding for example, liquid coolant by means of such a stator cooling device is hardly possible. Corresponding machine types are required in particular for propeller and jet drives in floating devices such as ships.
Gute See-Eigenschaften eines Überwasserschiffes sind durch hohe Geschwindigkeit und gute Manövrierfähigkeit gekennzeichnet.Good sea properties of a surface ship are characterized by high speed and good maneuverability.
Eine wichtige Eigenschaft ist die Seeausdauer, die sowohl vom Vorrat an Kraftstoff sowie Wasser und Proviant als auch von der Betriebssicherheit der Anlagen und der Einsatz ähigkeit der Besatzung abhängt. Heute ist die hohe Dauergeschwindigkeit bei Seegang verbunden mit guten Seeverhalten eine wich- tige Forderung zur Überbrückung weiter Seeräume geworden.An important feature is the sea endurance, which depends on the fuel, water and provisions as well as the operational safety of the systems and the operational capability of the crew. Today the high continuous speed at sea combined with good sea behavior has become an important requirement to bridge wide sea areas.
Die Systeme und Komponenten der Fahr- und Bordnetze müssen zur Verbesserung der See—Eigenschaf en eine hohe funktioneile Verfügbarkeit bieten.The systems and components of the vehicle and on-board networks must offer a high level of functional availability in order to improve the sea properties.
Um den Schiffskörper hydrodynamisch optimal konstruieren zu können, ist es notwendig, elektrische Antriebsmaschinen für die Propulsion (Propeller, Waterjets oder Impeller) im Aspektverhältnis der Maschine Aktivteillänge zu Aktivteildurch- messer von bis zu 3 zu bauen. Diese elektrischen Maschinen sollen sehr leicht sein, einen hohen Wirkungsgrad haben sowie nach Möglichkeit natürlich (durch relative Bewegung) gekühlt sein.In order to be able to optimally construct the hull hydrodynamically, it is necessary to build electric propulsion machines for the propulsion (propeller, water jet or impeller) in the aspect ratio of the machine, active part length to active part diameter of up to 3. These electrical machines should be very light, have a high degree of efficiency and, if possible, be cooled naturally (by relative movement).
Nachfolgend sei auf einige für die Auslegung des Antriebs eines Schiffes zu berücksichtigende Gesichtspunkte eingegangen: Some points to consider when designing a ship's propulsion are discussed below:
I. Propeller-AntriebI. Propeller drive
Überwasser-Schiffe werden in der Regel heute mit 2 Propeller- schrauben angetrieben. Im Schiffsinneren sind Dieselmotoren oder Gasturbinen angeordnet, die ihre mechanische Energie über Wellenanlagen/Getriebe an die Propeller weitergeben. Für Marineantriebe werden aus den bisherigen Betriebserfahrungen besonders strenge Forderungen gestellt, nämlich • schnelle Startbereitschaft, • hohe Kurzhöchstleitungen bei Überlast, • geringes Gewicht, • gute Wartungsmöglichkeiten sowie Ein- und Ausbauwege, • geringer Betriebssto fverbrauch, • hohe Betriebssicherheit.Today, surface ships are usually powered by 2 propeller screws. Diesel engines or gas turbines are arranged in the interior of the ship and pass their mechanical energy on to the propellers via shaft systems / gears. For marine drives, particularly stringent requirements are made from previous operating experience, namely: • quick readiness to start, • high short-circuit cables in the event of overload, • low weight, • good maintenance options and installation and removal routes, • low fuel consumption, • high operational reliability.
II. Waterjet-AntriebII. Waterjet drive
Entsprechende Antriebssysteme werden insbesondere für schnelle seegehende Schiffe vorgesehen. Sie umfassen einen Antrieb durch wenigstens einen Wasserstrahl, den sogenannten "Waterjet", der in einem Pumpenaggregat mit Austrittsdüse (n) erzeugt wird. Hierzu kann ein Laufrad am Ende einer Pumpenwelle vorgesehen werden, die mit einem Motor wie etwa einem Elektromotor, beispielsweise mit Hoch-Tc-Supraleitern oder mit einem Dieselmotor oder einer Gasturbine verbunden ist (vgl. z.B. WO 03/101820 AI).Corresponding propulsion systems are provided in particular for fast seagoing ships. They comprise a drive by at least one water jet, the so-called "water jet", which is generated in a pump unit with an outlet nozzle (s). For this purpose, an impeller can be provided at the end of a pump shaft, which is connected to a motor such as an electric motor, for example high-T c superconductors or to a diesel engine or a gas turbine (cf., for example, WO 03/101820 AI).
III. Voll-elektrisches Schiff (VES)III. Fully electric ship (VES)
Das elektrische Bordnetz von heutigen Schiffen setzt sich aus folgenden Komponenten und Systemen zusammen: • elektrische Energieerzeugung • elektrische Energieverteilung • elektrische Energieverbraucher Das vollelektrische Schiff (VES) beinhaltet den Einsatz von wirtschaftlichen, elektrischen Energieerzeugern für den Antrieb des Schiffes durch elektrische Maschinen (Fahrnetz) und die Versorgung des Bordnetzes.The electrical system of today's ships is made up of the following components and systems: • electrical energy generation • electrical energy distribution • electrical energy consumers The fully electric ship (VES) includes the use of economical, electrical energy generators for the propulsion of the ship by electrical machines (traction network) and the supply of the electrical system.
Der Leistungsbedarf der elektrischen Energie - Erzeugeraggregate liegt bei den zukünftigen Schiffen im Bereich von 20 — 50 MW je nach Anforderungen an das Bordnetz und an die Geschwindigkeit des Schi fes .The power requirement of the electrical energy generator sets for future ships will be in the range of 20 - 50 MW depending on the requirements of the vehicle electrical system and the speed of the ship.
Insbesondere im Rahmen der Entwicklung voll-elektrischer Schiffe ist auch an Antriebe gedacht, die ihre wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine an der Unterseite des Schiffskörpers gondelartig angebracht aufweisen. Solche An- triebe werden auch als ΛΛPOD-Antriebe" bezeichnet. Entsprechende Antriebe, insbesondere mit Synchronmaschinen unter Verwendung von Hoch-Tc-Supraleitern, sind allgemein bekannt (vgl. z.B. WO 03/019759 A2, EP 0 907 556 Bl, WO 03/047962 A2) .Particularly in the context of the development of fully electric ships, drives are also envisaged which have their at least one electric drive machine attached to the underside of the hull in the manner of a gondola. Such drives are also referred to as " POD drives". Corresponding drives, in particular with synchronous machines using high-T c superconductors, are generally known (cf., for example, WO 03/019759 A2, EP 0 907 556 B1, WO 03/047962 A2).
Oberstes Ziel der Gestaltung solcher POD-Antriebe ist zunächst die Gewichtsminimierung. So wird z.B. für spezielle Schiffstypen ein bestimmtes Zielgewicht für den POD (bestehend aus HTS-Motor, Gondel-Gehäuse mit Gleitlagern und Druck- lager, Propeller mit Welle, POD-Schaft, POD-Aufhängung mit Azimut-Modul) gefordert, wobei ca. 25 % des Gesamtgewichtes auf den Motor-Aktivteil, bestehend aus Rotor und Stator ohne Welle, entfallen dürfen.The primary goal of designing such POD drives is to minimize weight. For example, a specific target weight for the POD (consisting of HTS engine, nacelle housing with slide bearings and thrust bearing, propeller with shaft, POD shaft, POD suspension with azimuth module) is required for special ship types, whereby approx. 25% of the Total weight on the motor active part, consisting of rotor and stator without shaft, may be lost.
Weiterhin besteht das Ziel, einen hydrodynamischen Propellerwirkungsgrad von > 60 % zu erreichen. Das Verhältnis Gondeldurchmesser/Propellerdurchmesser ist für den POD-Antrieb dabei ein wichtiges Kriterium und sollte optimal bei 0,3...0,33 Furthermore, the goal is to achieve a hydrodynamic propeller efficiency of> 60%. The ratio of the nacelle diameter to the propeller diameter is an important criterion for the POD drive and should be optimal at 0.3 ... 0.33
liegen (Verhältnisse unter 0,3 bringen nur noch geringfügige hydrodynamische Vorteile bei außergewöhnlich hohem Aufwand für den Motor) . Unter der Annahme, dass ein Propeller einen Außendurchmesser von 3,5 m hat, ergibt sich für den Durchmes- ser der Gondel ein Zielwert von (3,5 m) • (0,3...0,33) =(ratios below 0.3 bring only minor hydrodynamic advantages with an extraordinarily high effort for the engine). Assuming that a propeller has an outer diameter of 3.5 m, the diameter of the nacelle results in a target value of (3.5 m) • (0.3 ... 0.33) =
1050 ...1150 mm. Beträgt die Wandstärke des Gehäuses 50 mm (Annahme) , so ist der erforderliche Durchmesser des Aktivtei- les (Statorjoch) 950 ...1050 mm.1050 ... 1150 mm. If the wall thickness of the housing is 50 mm (assumption), the required diameter of the active part (stator yoke) is 950 ... 1050 mm.
Die Länge der Gondel sollte unter Einhaltung eines guten hydrodynamischen Widerstandes möglichst kurz sein und wird maßgeblich von der Länge des Aktivteiles beeinflusst.The length of the nacelle should be as short as possible while maintaining good hydrodynamic resistance and is significantly influenced by the length of the active part.
Bekannte Permanentmagnet-Maschinen, konventionelle Asynchron- und Synchronmaschinen erreichen die Anforderungen bezüglich dieser Voraussetzungen des Aspektverhältnisses und des Gewichtes nicht.Known permanent magnet machines, conventional asynchronous and synchronous machines do not meet the requirements regarding these requirements of aspect ratio and weight.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Synchron- maschine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass eine sichere Kühlung der Statorwicklung mit vermindertem Aufwand ermöglicht wird, insbesondere auch bei geringer radialer Ausdehnung der Wicklung, wie es für Maschinen von Schiffen gefordert wird.The object of the present invention is now to design the synchronous machine with the features mentioned at the outset in such a way that reliable cooling of the stator winding is made possible with reduced expenditure, in particular even with a small radial expansion of the winding, as is required for ships' machines.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll bei der Synchronmaschine mit den eingangs genannten Merkmalen ihr hohlzylindrischer Gehäuseteil wenigstens in Teilbereichen mit dem Kühlmedium verbun- den (bzw. von diesem benetzt) sein und soll eine thermischeThis object is achieved with the measures specified in claim 1. Accordingly, in the synchronous machine with the features mentioned at the beginning, its hollow cylindrical housing part should be connected to (or wetted by) the cooling medium at least in partial areas and should be a thermal one
Ankopplung der Statorwicklung an das Kühlmedium über die Trägerstruktur und den Gehäuseteil erfolgen, wobei die Tragzähne zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 10 W/K-m bestehen.The stator winding is coupled to the cooling medium via the support structure and the housing part, the supporting teeth at least partially consisting of a material with a thermal conductivity λ of over 10 W / K-m.
Den erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Überlegung zugrunde, dass die Statorwicklung der Synchronmaschine vorteilhaft über Wärmeleitung in ihren Tragzähnen praktisch vollständig entwärmt wird. Durch den Verzicht auf Tragzähne aus ferromag- netischem Eisen stellt die Statorwicklung praktisch eine Lu tspaltwicklung dar, wobei über die Trägerstruktur für die- se Wicklung die Verlustwärme aus der Luftspaltwicklung abgeführt wird. Hierbei spielt es keine Rolle, ob ein oder mehrere, z.B. elektrisch versetzte Ständersysteme als Luftspaltwicklung verwirklicht sind. Es werden also keine Statorzähne aus Eisen wie bei bekannten Maschinen, sondern mit einem Ma- terial mit einer hinreichend hohen thermischen Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit λ) eingesetzt.The measures according to the invention are based on the consideration that the stator winding of the synchronous machine is advantageous is practically completely cooled by heat conduction in their supporting teeth. By dispensing with supporting teeth made of ferromagnetic iron, the stator winding practically represents a air gap winding, the heat loss being dissipated from the air gap winding via the carrier structure for this winding. It does not matter whether one or more, for example, electrically offset stator systems are implemented as an air gap winding. So no stator teeth made of iron as in known machines are used, but with a material with a sufficiently high thermal conductivity (thermal conductivity λ).
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen beruhen somit im Wesentlichen darauf, dass die Wärmeabfuhr über gut-leitfähiges Material in einem Bereich von über 10 W/K-m bis zu 1000 W/K-m aus der imThe measures according to the invention are essentially based on the fact that the heat dissipation via highly conductive material in a range from over 10 W / K-m up to 1000 W / K-m from the in
Allgemeinen Cu-Leiter aufweisenden Statorwicklung durch deren unumgängliche Isolation erfolgen kann, wobei die Wärme an den umhüllenden Außenkörper abgegeben wird. Dieser umhüllende Außenkörper besteht aus Gründen einer erforderlichen magneti- sehen Flussführung aus einem weichmagnetischen Material wie insbesondere Eisen, welches für eine ausreichende magnetischen Flussführung einen verhältnismäßig großen Querschnitt aufweisen muss und daher in der Lage ist, ausreichend Wärme aufzunehmen und abzugeben. Die Abgabe erfolgt dabei zumindest über den ihm umhüllenden Gehäuseteil und gegebenenfalls über weitere Teile des Außengehäuses an das ihn von außen benetzende Kühlmedium, vorzugsweise direkt oder indirekt an Wasser wie z.B. Meerwasser oder Frischwasser, oder auch an ein gasförmiges Kühlmedium wie kalte Luft.General stator winding having copper conductors can be achieved by their inevitable insulation, the heat being given off to the enveloping outer body. For the sake of a required magnetic flux guidance, this enveloping outer body consists of a soft magnetic material such as iron in particular, which must have a relatively large cross section for adequate magnetic flux guidance and is therefore able to absorb and dissipate sufficient heat. The delivery takes place at least via the housing part enveloping it and optionally via further parts of the outer housing to the cooling medium wetting it from the outside, preferably directly or indirectly in water such as e.g. Sea water or fresh water, or also to a gaseous cooling medium such as cold air.
Besonders vorteilhaft ist auch, dass von den Wickelköpfen der Statorwicklung, welche wegen ihrer hochkomplizierten dreidimensionalen Geometrie im Allgemeinen nicht in die Trägerstruktur eingelegt werden können, die Wärmeabfuhr durch Wär- meleitung über die Cu-Leiter der Statorwicklung zum geradenIt is also particularly advantageous that the winding heads of the stator winding, which, owing to their highly complicated three-dimensional geometry, cannot generally be inserted into the support structure, dissipate heat by conduction via the copper conductors of the stator winding
Teil (Aktivteil) der Wicklung (im Bereich des sie umhüllenden weichmagnetischen Außenkörpers) erfolgt. Von dort aus wird mit den hochwarmeleitfähigen Tragzähnen diese Wärme wie auch die Wärme aus dem geraden Aktivteil zu dem weichmagnetischen Außenkörper hin abgeführt, der über den Gehäuseteil von dem Kühlmedium entwärmt wird. Der Wärmetransport in das Kühlmedi- um erfolgt somit im Wesentlichen nur über die Tragzähne und den Außenkörper, die zusammen die Trägerstruktur bilden, sowie zumindest über den Gehäuseteil des Außengehäuses.Part (active part) of the winding (in the area of the soft magnetic outer body enveloping it) takes place. From there it will with the thermally conductive supporting teeth, this heat as well as the heat from the straight active part is dissipated to the soft magnetic outer body, which is cooled by the cooling medium via the housing part. The heat is thus transported into the cooling medium essentially only via the supporting teeth and the outer body, which together form the support structure, and at least via the housing part of the outer housing.
Vorteilhaft ist auch, dass auf Zusatzaggregate wie eine Zwangskühlung der Statorwicklung im Bereich der Tragzähne verzichtet werden kann und somit die Verfügbarkeit des Antriebs verbessert ist.It is also advantageous that additional units such as forced cooling of the stator winding in the area of the supporting teeth can be dispensed with and the availability of the drive is thus improved.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronma- schine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.Preferred configurations of the synchronous machine according to the invention emerge from the dependent claims.
So ist es ebenfalls von Vorteil, wenn auch der Gehäuseteil zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 10 W/K-m besteht, das insbesondere auch nicht—magnetisch sein kann.It is also advantageous if the housing part also consists at least partially of a material with a thermal conductivity λ of over 10 W / K-m, which in particular can also be non-magnetic.
Bevorzugt sollten die Tragzähne und/oder der Gehäuseteil zumindest teilweise aus einem Material mit einer größeren thermischen Leit ähigkeit λ als der von Eisen bestehen. Die Wär- meleitfähigkeit von Eisen ist begrenzt und liegt im Bereich von 40 bis 60 W/K-m in Abhängigkeit von einer eventuellen Zu- legierung weiterer Materialien. D.h., es wird vorteilhaft ein Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 60 W/K-m gewählt.Preferably, the supporting teeth and / or the housing part should at least partially consist of a material with a greater thermal conductivity λ than that of iron. The thermal conductivity of iron is limited and is in the range of 40 to 60 W / K-m depending on the possible alloying of further materials. This means that a material with a thermal conductivity λ of over 60 W / K-m is advantageously chosen.
Im Allgemeinen wird zunächst der Gehäuseteil des Außengehäuses aus einem nich -magnetischen Material ausgebildet sein. Die Gründe hierfür sind in einer guten Wärmeleitfähigkeit nicht-magnetischer Materialien wie z.B. von Bronze oder Stäh- len und/oder in einer Resistenz gegen unerwünschte Umwelteinflüsse, z.B. Korrosionsfestigkeit, zu sehen. Eine solche Materialwahl ist jedoch nicht zwingend. So kann gegebenenfalls der Gehäuseteil auch aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Dabei ist es insbesondere im Hinblick auf einen einfachen Aufbau auch möglich, dass der Gehäuseteil als ein in den weichmagnetischen Außenkörper integrierter Bauteil und vorzugsweise mit diesem einstückig ausgebildet ist.In general, the housing part of the outer housing will first be formed from a non-magnetic material. The reasons for this are good thermal conductivity of non-magnetic materials such as bronze or steel and / or resistance to undesired environmental influences, such as corrosion resistance. However, such a choice of material is not mandatory. So if necessary the housing part also consist of a ferromagnetic material. With regard to a simple structure, it is also possible for the housing part to be designed as a component integrated in the soft magnetic outer body and preferably in one piece with it.
Um einen hinreichenden Wärmetransport über die Tragzähne zu gewährleisten, werden diese besonders vorteilhaft so aufgebaut, dass die thermische Leitfähigkeit λ in radialer Rich- tung mindestens den Wert wie in tangentialer Richtung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-fachen Wert, beträgt. Zur Förderung der Wärmeleitung in axialer Richtung innerhalb der Wicklung können die Tragzähne auch so aufgebaut sein, dass die thermische Leit ähigkeit λ in dieser Richtung mindestens den Wert wie in tangentialerIn order to ensure adequate heat transport via the supporting teeth, they are particularly advantageously constructed such that the thermal conductivity λ in the radial direction is at least the value as in the tangential direction, preferably a higher value, in particular at least twice the value , To promote thermal conduction in the axial direction within the winding, the supporting teeth can also be constructed such that the thermal conductivity λ in this direction is at least the value as in the tangential direction
Richtung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-fachen Wert, beträgt.Direction, preferably a higher value, in particular at least twice the value.
Als Material für die Tragzähne kommt bevorzugt eine Metallle- gierung oder eine Keramik oder ein Verbundwerkstof in Frage. Im Fall einer Verwendung eines Verbundwerkstoffs wird vorteilhaft ein solcher vorgesehen, dessen mechanische und thermische Eigenschaften, insbesondere der Elastizitätsmodul, die kritische Bruchdehnung und die thermische Leitfähigkeit λ, an die Einsatzbedingungen des Rotors angepasst sind. Hierfür kann vorteilhaft die Anpassung der mechanischen und thermischen Eigenschaften durch Auswahl eines Strukturträgers, seiner Geometrie und des Mengenanteils im Verbundwerkstoff, sowie durch Auswahl und Mengenanteil eines Füllmaterials im Verbundwerkstoff erfolgen. Dabei kann der Strukturträger im Verbundmaterial auch aus mehr als einem Material bestehen. Der zu verwendende Strukturträger im Verbundmaterial kann einen höheren Anteil an der thermischen Leitfähigkeit λ besitzen als nach dem reinen Mengenanteil auf ihn entfallen würde. A metal alloy or a ceramic or a composite material is preferred as the material for the supporting teeth. If a composite material is used, it is advantageously provided that the mechanical and thermal properties, in particular the modulus of elasticity, the critical elongation at break and the thermal conductivity λ, are adapted to the operating conditions of the rotor. For this purpose, the mechanical and thermal properties can advantageously be adjusted by selecting a structural support, its geometry and the proportion in the composite material, and by selecting and proportioning a filler material in the composite. The structural support in the composite material can also consist of more than one material. The structural support to be used in the composite material can have a higher proportion of the thermal conductivity λ than it would account for after the pure proportion.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Tragzähne aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit λ ausgebildet werden.It is particularly advantageous here if the supporting teeth are formed from a carbon fiber composite material with high thermal conductivity λ.
Für die Kühlung des Gehäuseteils der erfindungsgemäßen Synchronmaschine kommen praktisch alle bekannten Kühlarten unter Verwendung von flüssigem, gegebenenfalls auch gasförmigem Kühlmittel oder von Kühlmittelgemischen oder -phasengemischen in Frage . So kann im Fall einer Verwendung von lüssigem Kühlmittel eine Kühlung mittels einer Badkühlung, insbesondere bei einer relativen Bewegung von Kühlmedium und Gehäuseteil, vorgesehen sein. Stattdessen ist auch eine forcierte Strömung des Kühlmediums an oder in dem Gehäuseteil (für alle Aggrega zustände des Kühlmediums) möglich. Dabei kann das Kühlmedium in diskreten Kühlkanälen, z.B. von thermisch an der Außenseite des Gehäuses angebrachten Kühlschlangen, strömen. Als flüssiges Kühlmedium kommt insbesondere Wasser in Frage .For the cooling of the housing part of the synchronous machine according to the invention, practically all known types of cooling using liquid, optionally also gaseous coolant or coolant mixtures or phase mixtures are possible. In the case of the use of liquid coolant, cooling by means of bath cooling, in particular with a relative movement of the cooling medium and housing part, can be provided. Instead, a forced flow of the cooling medium on or in the housing part (for all aggregate states of the cooling medium) is also possible. The cooling medium can be stored in discrete cooling channels, e.g. of cooling coils thermally attached to the outside of the housing. Water is particularly suitable as the liquid cooling medium.
Das Kühlmedium kann sich auch in einem eigenen Kühlsystem befinden, das thermisch direkt oder indirekt an ein weiteres Kühlmedium angekoppelt ist. Dabei kann für das weitere Kühlmedium ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf vorgesehen sein. Zwischen dem weiteren Kühlmedium und dem Kühlmedium der Ma- schine erfolgt dann in bekannter Weise ein Wärmeaustausch.The cooling medium can also be located in its own cooling system, which is thermally coupled directly or indirectly to a further cooling medium. An additional coolant circuit can be provided for the additional cooling medium. A heat exchange then takes place in a known manner between the further cooling medium and the cooling medium of the machine.
Dabei kommt als weiteres Kühlmedium bevorzugt Wasser, insbesondere Meerwasser, in Frage. Entsprechende Kühltechniken sind insbesondere für Schif sanwendungen vorteilhaft.Water, in particular sea water, is preferred as a further cooling medium. Corresponding cooling technologies are particularly advantageous for ship applications.
So kann der Stator eine axiale Ausdehnung des Aktivteils seiner Statorwicklung aufweisen, die mindestens das Einfache ihres Außendurchmessers, vorzugsweise mindestens das Zweifache und insbesondere mindestens das Vierfache beträgt. Das bedeutet, dass die Statorwicklung nur eine geringe radiale Ausdeh- nung aufweist. Entsprechende Maschinentypen kommen vorzugsweise für Schiffsanwendungen (Waterjet- oder POD-Typ) , Pumpspeicherwerke oder für Kühlwasserkreisläufe z.B. in Kraftwer- ken in Frage. Aufgrund der geringen radialen Ausdehnung der Statorwicklung solcher Maschinen ist nämlich nur eine indirekte Entwärmung wie gemäß der Erfindung realisierbar.Thus, the stator can have an axial extent of the active part of its stator winding that is at least one times its outer diameter, preferably at least twice and in particular at least four times. This means that the stator winding has only a small radial expansion. Corresponding machine types are preferably used for ship applications (waterjet or POD type), pumped storage plants or for cooling water circuits, for example in power plants. ken in question. Because of the small radial expansion of the stator winding of such machines, only indirect cooling as in the invention can be achieved.
Da es sich bei der Statorwicklung der erfindungsgemäßen Synchronmaschine um eine mehrpolige Wicklung vom Luftspalttyp handelt, die im Allgemeinen eine hohe Induktion der Rotorwicklung erfordert, kann letztere Wicklung vorteilhaft tief zu kühlen sein, wobei sie thermisch direkt oder indirekt an eine hierfür geeignete Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist. Vorzugsweise kann dabei die Rotorwicklung mit Supraleitern, insbesondere mit solchen, die Hoch-Tc-Supraleitermaterial enthalten, erstellt sein.Since the stator winding of the synchronous machine according to the invention is a multi-pole winding of the air gap type, which generally requires a high induction of the rotor winding, the latter winding can advantageously be deep-cooled, being thermally directly or indirectly coupled to a suitable rotor cooling device. The rotor winding can preferably be created with superconductors, in particular with those which contain high-T c superconductor material.
Alternativ kann der Rotor der erfindungsgemäßen Synchronmaschine in an sich bekannter Weise auch Pole aufweisen, die mit permanentmagnetischem Material erzeugt sind. Es sind auch Aus ührungs ormen des Rotors konzipierbar, bei denen der Rotor zusätzlich zu Polen aus permanentmagnetischem Material eine tiefzukühlende, insbesondere supraleitende Rotorwicklung enthält, die thermisch direkt oder indirekt an eine Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist .Alternatively, in a manner known per se, the rotor of the synchronous machine according to the invention can also have poles which are produced using permanent magnetic material. Implementation forms of the rotor are also conceivable in which, in addition to poles made of permanent magnetic material, the rotor contains a deep-cooling, in particular superconducting rotor winding which is thermally coupled directly or indirectly to a rotor cooling device.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor .Further advantageous refinements of the synchronous machine according to the invention emerge from the subclaims not mentioned above.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungs- beispiele von erfindungsgemäßen Synchronmaschinen angedeutet sind. Dabei zeigen jeweils in leicht schematisierter Form deren Figur 1 einen Längsschnitt durch einen POD- Propellerantrieb eines Schiffes mit einer solchen Maschine, deren Figur 2 einen Querschnitt durch die Maschine gemäß Figur 1, deren Figur 3 in einer Ausschnittsvergrößerung aus Figur 2 eine Statornut der Maschine sowie deren Figur 4 einen Querschnitt durch eine Waterjet-Maschine eines Schiffes.To further explain the invention, reference is made below to the drawing, in which preferred exemplary embodiments of synchronous machines according to the invention are indicated. 1 shows a longitudinal section through a POD propeller drive of a ship with such a machine, FIG. 2 shows a cross section through the machine according to FIG. 1, 3 shows a stator groove of the machine in an enlarged detail from FIG. 2, and FIG. 4 shows a cross section through a waterjet machine of a ship.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are each provided with the same reference numerals in the figures.
Die Statorkühleinrichtung einer erfindungsgemäßen Maschine ist prinzipiell für alle bekannten Synchronmaschinen geeignet. Besonders vorteilhaft ist sie jedoch für Maschinentypen einsetzbar, die ein großes Aspektverhältnis der Statorwicklung aufweisen, d.h., wobei der Stator eine axiale Ausdehnung des Aktivteils seiner Statorwicklung aufweist, die ein Vielfaches des Außendurchmessers beträgt. EntsprechendeThe stator cooling device of a machine according to the invention is in principle suitable for all known synchronous machines. However, it can be used particularly advantageously for machine types which have a large aspect ratio of the stator winding, i.e. the stator has an axial extension of the active part of its stator winding which is a multiple of the outside diameter. Appropriate
Maschine typen haben dann praktisch keinen Platz für diskrete Kühlkanäle im Bereich- von Tragzähnen zwischen ihren Windungsteilen. Ein entsprechender Maschinentyp wird beispielsweise für POD-Antriebe von Schiffen vorgesehen. Für das Ausfüh- rungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 sei ein entsprechender Maschinentyp ausgewählt, wobei von bekannten Ausführungsformen solcher Antriebe ausgegangen wird (vgl. z.B. WO 03/019759 A2 oder EP 0 907 556 Bl) .Machine types then have practically no space for discrete cooling channels in the area of supporting teeth between their winding parts. A corresponding type of machine is provided, for example, for POD drives of ships. A corresponding machine type is to be selected for the exemplary embodiment in FIGS. 1 to 3, with known embodiments of such drives being assumed (cf., for example, WO 03/019759 A2 or EP 0 907 556 B1).
In der Figur sind bezeichnet mit 2 eine POD-Antriebseinheit eines Schiffes, mit 3 eine Motorgondel, mit 4 der Rumpf eines Schiffes, mit 5 eine Haltevorrichtung für die Motorgondel an dem Schiffsrumpf, mit 6 eine Synchronmaschine nach der Erfindung, mit 7 ein Rotor dieser Maschine, mit 8 eine Rotorwelle, die in Wellenlagern 9 gelagert ist, mit 10 ein an der Welle befestigter Schiffspropeller, mit 11 eine Luftspalt- und Drehstromwicklung als Statorwicklung, mit 12 Wickelköpfe dieser Wicklung, mit 13 ein weichmagnetisches Eisenjoch als ein Außenkörper einer Trägerstruktur 14, mit 15 ein Außengehäuse der Maschine mit einem den weichmagnetischen Außenkörper 13 umschließenden Gehäuseteil 15a, mit 16 ein zwischen der Luft- spalt-/Statorwicklung 11 und der Außenseite des Rotors 7 vor- handener Luftspalt, mit A die Achse des Rotors 7 bzw. der Rotorwelle 8, mit W Wärmeströme und mit K ein Kühlmedium wie z.B. Wasser. In der gewählten Darstellung der Figur ist die Statorwicklung 11 weitgehend durch sich axial, d.h. in Rich- tung der Achse A erstreckende, stegartige Tragzähne 21i der Trägerstruktur 14 abgedeckt; nur ihre Wickelköpfe 12 sind ersichtlich. Die angedeuteten Wärmeströme W verlaufen innerhalb der Wicklung und in diesen Tragzähnen.In the figure, 2 denotes a POD drive unit of a ship, 3 a motor nacelle, 4 the hull of a ship, 5 a holding device for the motor nacelle on the ship's hull, 6 a synchronous machine according to the invention, 7 a rotor thereof Machine, with 8 a rotor shaft, which is mounted in shaft bearings 9, with 10 a ship propeller attached to the shaft, with 11 an air gap and three-phase winding as a stator winding, with 12 winding heads of this winding, with 13 a soft magnetic iron yoke as an outer body of a support structure 14 , with 15 an outer housing of the machine with a housing part 15a enclosing the soft magnetic outer body 13, with 16 a between the air gap / stator winding 11 and the outside of the rotor 7 hand air gap, with A the axis of the rotor 7 or the rotor shaft 8, with W heat flows and with K a cooling medium such as water. In the selected illustration of the figure, the stator winding 11 is largely covered by web-like supporting teeth 21i of the carrier structure 14 which extend axially, ie in the direction of the axis A; only their end windings 12 are visible. The indicated heat flows W run inside the winding and in these supporting teeth.
Wie in der Figur durch die gepfeilten Linien der Wärmeströme W angedeutet sein soll, wird die in den elektrischen Leitern der Wicklung 11 hervorgerufene Wärme aus dem Wicklungsbereich zunächst in den sie in ihrem axialen Teil umschließenden weiσhmagnetischen Außenkörper 13 übertragen und von dort zu- mindest über den den Außenkörper umschließenden Gehäuseteil 15a an das Kühlmedium K abgegeben. Das Gehäuse ist insbesondere in diesem Bereich vorteilhaft aus einem gut-wärmeleit- fähigen Material aufgebaut, das bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit λ (Wärmeleitfähigkeit) von über 10 W/ K-m, ins- besondere von über 60 W/K-m besitzt. Hierfür besteht es vorteilhaft aus Metalllegierungen wie speziellen Bronzen, oder z.B. unter Zumischung oder -legierung von Werkstoffen wie von Aluminium (AI) oder wie von Magnesium (Mg) . So kann z.B. ein entsprechender Al-Guss bis zu 210 W/K-m haben bzw. z.B. ein entsprechender Mg-Guss etwa 150 W/K-m aufweisen. Diese Materialien ermöglichen zugleich eine Leichtbauweise und können auch eine weitere Vergrößerung der wärmeaustauschenden Oberfläche gegenüber dem Kühlmedium K bilden.As is indicated in the figure by the arrowed lines of the heat flows W, the heat caused in the electrical conductors of the winding 11 is first transferred from the winding region into the white magnetic outer body 13 enclosing it in its axial part and from there at least via the the housing part 15a enclosing the outer body is released to the cooling medium K. In this area in particular, the housing is advantageously constructed from a material with good thermal conductivity, which preferably has a thermal conductivity λ (thermal conductivity) of more than 10 W / K-m, in particular more than 60 W / K-m. For this purpose, it advantageously consists of metal alloys such as special bronzes, or e.g. with the addition or alloy of materials such as aluminum (AI) or magnesium (Mg). For example, have a corresponding Al casting up to 210 W / K-m or e.g. a corresponding Mg cast have about 150 W / K-m. At the same time, these materials enable a lightweight construction and can also form a further enlargement of the heat-exchanging surface compared to the cooling medium K.
Bei dem vorstehend gewählten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass der Gehäuseteil 15a des Außengehäuses 15 eine Umhüllung formschlüssig um den weichmagnetischen Außenkörper 13 bildet. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt einer besonderen Materialwahl für den Gehäuseteil, z.B. aus Gründen einer guten Wärmeleitfähigkeit und/oder einer guten Resistenz gegenüber unerwünschten Einflüssen des umgebenden Kühlmediums wie einer guten Korro- sionsfestigkeit von Vorteil. Deshalb kommen als Materialien neben den vorgenannten auch Bronze oder besondere Stähle in Frage. Eine derartige Materialwahl ist jedoch nicht unbedingt zwingend. So können selbstverständlich für den Gehäuseteil 15a auch ferromagnetische Materialien gewählt werden, sofern die geforderte gute Wärmeübertragung gewährleistet ist . Es ist auch möglich, dass für den Gehäuseteil das Material des weichmagnetischen Außenkörpers 13 vorgesehen wird. In diesem Fall kann sogar der Gehäuseteil 15 als ein integrierter Be- standteil des Außenkörpers ausgebildet bzw. betrachtet werden.In the exemplary embodiment selected above, it is assumed that the housing part 15a of the outer housing 15 forms a covering in a form-fitting manner around the soft-magnetic outer body 13. Such an embodiment is in particular from the point of view of a special choice of material for the housing part, for example for reasons of good thermal conductivity and / or good resistance to undesired influences from the surrounding cooling medium, such as good corrosion resistance. sion resistance is an advantage. Therefore, in addition to the aforementioned, bronze or special steels can also be used as materials. However, such a choice of material is not absolutely essential. Of course, ferromagnetic materials can also be selected for the housing part 15a, provided the required good heat transfer is guaranteed. It is also possible that the material of the soft magnetic outer body 13 is provided for the housing part. In this case, the housing part 15 can even be designed or viewed as an integrated component of the outer body.
Figur 2 zeigt den Querschnitt durch die Maschine 6 nach Figur 1 mit dem sie umschließenden Außengehäuse 15 bzw. dessen Ge- häuseteil 15a. Die hier ersichtlichen einzelnen Tragzähne zwischen einzelnen Teilen der Statorwicklung 11 sind mit 21i bezeichnet. Sie bilden zusammen mit dem weichmagnetischen Außenkörper 13 die Trägerstruktur 14 für die Wicklung 11.FIG. 2 shows the cross section through the machine 6 according to FIG. 1 with the outer housing 15 enclosing it or its housing part 15a. The individual supporting teeth visible here between individual parts of the stator winding 11 are designated by 21i. Together with the soft magnetic outer body 13, they form the support structure 14 for the winding 11.
In Figur 3 ist eine Ausschnittsvergrößerung aus der Figur 2 im Bereich einer Statornut 20 veranschaulicht. In der Figur sind ferner bezeichnet mit 21a und 21b zwei der die Statornut in Um angsrichtung seitlich begrenzenden Tragzähne 21i, mit 22j Wicklungsleiter oder ein -paket, beispielsweise Cu-Lei- ter, der Statorwicklung 11, mit 23 eine Leiterisolation um die einzelnen Leiter 22j , mit 24 eine Hauptisolation, mit 25 ein HalteSchieber am Boden der Nut 20 und mit 26 ein Zwischenschieber in einem mittleren Bereich der Nut, z.B. gemäß der DE 102 27 559 AI. Dabei spielt es keine Rolle, wie viel Leitermaterial im Stator parall.elgeschaltet ist oder wie viele Statorsysteme insgesamt zur Anwendung kommen. Wichtigster Wärmewiderstand ist die Leiterisolation der Wicklungsleiter 22j sowie die Hauptisolation 24 zwischen dem Leiterpaket und den seitlichen Tragzähnen 21a und 21b. Über diese Isolationen gelangt die von den Leitern 22j hervorgerufene Wärme zu den vorteilhaft gut-wärmeleitend ausgebildeten Tragzähnen 21a und 21b und von dort über den die Nut nach außen hin umgebenden weichmagnetischen Außenkörper 13 und den Gehäuseteil 15a des Außengehäuses 15 an das Kühlmedium K. Dabei wird es als günstig erachtet, wenn auch der Zwischenschieber 26 aus einem gut-wärmeleitfähigen, aber elektrisch schlecht leitenden Ma- terial hergestellt wird wie z.B. aus einem Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder einer anderen gut-wärmeleitenden Keramik.FIG. 3 illustrates an enlarged detail from FIG. 2 in the area of a stator groove 20. In the figure, 21a and 21b also denote two of the supporting teeth 21i which laterally delimit the stator groove in the circumferential direction, with 22j winding conductors or a package, for example Cu conductors, of the stator winding 11, with 23 a conductor insulation around the individual conductors 22j , with 24 a main insulation, with 25 a holding slide at the bottom of the groove 20 and with 26 an intermediate slide in a central region of the groove, for example according to DE 102 27 559 AI. It does not matter how much conductor material is connected in parallel in the stator or how many stator systems are used in total. The most important thermal resistance is the conductor insulation of the winding conductors 22j and the main insulation 24 between the conductor package and the side supporting teeth 21a and 21b. The heat generated by the conductors 22j passes through these insulations to the support teeth 21a and 21b, which are advantageously of good thermal conductivity, and from there via the teeth surrounding the groove to the outside soft magnetic outer body 13 and the housing part 15a of the outer housing 15 to the cooling medium K. It is considered to be favorable if the intermediate slide 26 is also made from a material which is a good conductor of heat but is poorly electrically conductive, such as an aluminum oxide, aluminum nitride or another good heat-conducting ceramic.
Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Maschine haben die Tragzähne 21a, 21b (bzw. 21i) drei Funktionen, nämlich Übertragung der mechanischen Momente, Halterung und Beabstandung der Wicklungsleiter 22j sowie die thermische Funktion der Wärmeabfuhr/-Übertragung. Als Material für die Tragzähne kommt insbesondere eine der vorgenannten, gut-wärmeleitfähigen Keramiken, Metalllegierungen oder aber ein Verbundwerkstoff, insbesondere mit Carbonfasern höchster Wärmeleitfähigkeit, z.B. ein CFK-Verbundwerkstoff (carbonfaser-verstärkter Kunststoff), in Frage. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Faserrichtung so auszulegen, dass ein optimaler Wärmestrom erfolgen kann. Beispielsweise haben die Tragzähne keilförmige Gestalt. Dabei ist es unerheblich, welche konkrete Ausführungsform und Gestalt ein einzelner Tragzahn hat, z.B. ob er einstückig aus einem ein- heitlichen Material oder mehrgeteilt aus verschiedenen Materialien oder aus einem Sandwichmaterial oder einem Verbundwerkstoff hergestellt ist. Es muss jedoch auf alle Fälle sichergestellt sein, dass der geforderte Wärmestrom W in ausreichender Intensität in der gezeigten Weise abgeleitet er- den kann .In the machine designed according to the invention, the supporting teeth 21a, 21b (or 21i) have three functions, namely transmission of the mechanical moments, holding and spacing of the winding conductors 22j and the thermal function of heat dissipation / transmission. The material for the supporting teeth is, in particular, one of the abovementioned, highly thermally conductive ceramics, metal alloys or else a composite material, in particular with carbon fibers of the highest thermal conductivity, e.g. a CFRP composite (carbon fiber reinforced plastic), in question. It is particularly advantageous here to design the fiber direction so that an optimal heat flow can take place. For example, the supporting teeth have a wedge shape. It is irrelevant which specific design and shape a single supporting tooth has, e.g. whether it is made in one piece from a uniform material or in several parts from different materials or from a sandwich material or a composite material. In any case, however, it must be ensured that the required heat flow W can be derived with sufficient intensity in the manner shown.
Bei der Ausführungsform eines POD-Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine gemäß den vorstehenden Figuren 1 bis 3 wurde davon ausgegangen, dass das Außengehäuse 15 mit dem Gehäuseteil 15a unmittelbar von Meerwasser als Kühlmedium K von seiner Außenseite her umspült ist. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Maschine auch für andere Kühlkreis- laufe des Kühlmediums K ebenso gut geeignet. So kann das Kühlmedium sich in einem eigenen Kühlsystem befinden, das thermisch direkt oder indirekt an ein weiteres Kühlmedium, z.B. Frischwasser oder Meerwasser, angekoppelt ist. Es ist auch möglich, dass für dieses weitere Kühlmedium ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf vorgesehen wird, wobei dann ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium K der Maschine und diesem zusätzlichen Kühlmittelkreislauf erfolgt. Das die erfindungsgemäße Maschine zumindest im Bereich des Gehäuseteils 15a kühlende Kühlmedium kann sich dabei in einem Behälter eines Kühlmittelbades befinden oder auch forciert an dem Außengehäuse vorbeiströmen. Eine solche Strömung kann auch in diskreten Kühlmittelkanälen erfolgen, die zumindest in oder an dem Gehäuseteil angeordnet sind. Beispielsweise können ent- sprechende Kühlmittelschlangen an der Außenseite des Gehäuseteils in gut-wärmeleitender Verbindung mit diesem angebracht sein.In the embodiment of a POD drive with a synchronous machine according to the invention in accordance with FIGS. 1 to 3 above, it was assumed that the outer housing 15 with the housing part 15a is directly washed around by sea water as the cooling medium K from the outside. Of course, the machine according to the invention is also suitable for other cooling circuit run of the cooling medium K also suitable. The cooling medium can thus be located in its own cooling system, which is thermally coupled directly or indirectly to a further cooling medium, for example fresh water or sea water. It is also possible for an additional coolant circuit to be provided for this additional cooling medium, in which case heat exchange takes place between the cooling medium K of the machine and this additional coolant circuit. The cooling medium that cools the machine according to the invention at least in the area of the housing part 15a can be located in a container of a coolant bath or can also forcefully flow past the outer housing. Such a flow can also take place in discrete coolant channels which are arranged at least in or on the housing part. For example, corresponding coolant coils can be attached to the outside of the housing part in a good heat-conducting connection with the latter.
Eine entsprechende Kühltechnik ist für die aus Figur 4 er- sichtliche Ausführungs orm vorgesehen. Die Figur zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 6 gemäß den Figuren 1 bis 3, die innerhalb eines Behältergehäuses 31 über Tragstreben 32 gehalten ist. In einem oder mehreren Zwischenräumen 33 zwischen dem Behältergehäuse und dem Außengehäuse 15 der Maschine 6 befindet sich dabei das Kühlmedium K. Die gezeigte Ausführungsform kann insbesondere für Waterjet-Antriebe von Schiffen verwendet werden, bei der sich der eigentliche Motor in einem Maschinengehäuse im Schiffszwischenrumpf befindet. Zur Installation und Befestigung des Behältergehäuses 31 an einem Fundament sind außen an dem Behältergehäuse angreifende Pratzen 34 angedeutet. Die Tragstreben 32 übertragen hier das Drehmoment von der Maschine bzw. deren Außengehäuse auf das Behältergehäuse 31 und über die daran angeordneten Pratzen 34 auf das Fundament, im Bei- spiel den Schiffszwischenrumpf. A corresponding cooling technology is provided for the embodiment shown in FIG. 4. The figure shows an embodiment of a synchronous machine 6 according to the invention according to Figures 1 to 3, which is held within a container housing 31 via support struts 32. The cooling medium K is located in one or more intermediate spaces 33 between the container housing and the outer housing 15 of the machine 6. The embodiment shown can be used in particular for waterjet drives for ships in which the actual motor is located in a machine housing in the ship's intermediate hull. For the installation and fastening of the container housing 31 to a foundation, claws 34 are indicated on the outside of the container housing. The support struts 32 transmit the torque from the machine or its outer housing to the container housing 31 and via the claws 34 arranged thereon to the foundation, in the example the ship's intermediate hull.
Das zwischen dem Behältergehäuse 31 und dem Maschinengehäuse 15 befindliche Kühlmedium K ist bevorzugt eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, ein Kalt-Gas oder ein Gas-Gemisch. Das Kühlmedium ist an einen Kühlkreislauf angebunden, z.B. direkt oder indirekt an das Frischwassersystem eines Schiffes. Hierzu können gegebenenfalls Pumpen eingesetzt werden. Es ist auch ein separater Wasserkreislauf denkbar, der mittels Wärmetauscher an das Meerwasser kühlt. Dieser separate Wärmekreislauf kann Natur- oder Zwangsumlauf haben. Bei einem Naturumlauf müssen entsprechend große Querschnitte realisiert sein. Der Naturumlauf kann beispielsweise aufgrund eines Thermosyphon-Effektes erfolgen, bei dem ein den Temperaturen angepasstes Kühlmedium, gegebenenfalls Wasser verwendet wird.The cooling medium K located between the container housing 31 and the machine housing 15 is preferably a liquid, a liquid mixture, a cold gas or a gas mixture. The cooling medium is connected to a cooling circuit, e.g. directly or indirectly to the fresh water system of a ship. Pumps can be used for this if necessary. A separate water circuit is also conceivable, which cools to the sea water by means of a heat exchanger. This separate heat cycle can have natural or forced circulation. In the case of natural circulation, correspondingly large cross sections must be implemented. Natural circulation can take place, for example, due to a thermosiphon effect, in which a cooling medium, optionally water, which is adapted to the temperatures is used.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, dass es sich bei dem für die erfindungsgemäße Synchronmaschine verwendeten Maschinentyp um einen Motor mit einem Rotor handelt, der eine mehrpolige Rotorwicklung insbesondere mit Hoch-Tc-Supraleitermaterial aufweist (z.B. gemäß der WO 03/047962 A2) . Die Maschine kann dabei als Antriebsmotor oder Generator eingesetzt sein (vgl . die vorgenannte W0-A2- Schrift) . Selbstverständlich kann die Maschine auch Leiter unter Verwendung von klassischem, metallischem Supraleitermaterial aufweisen oder auch mit normalleitenden, gegebenen- falls gekühlten Leitern aufgebaut sein.In the above embodiments, it was assumed that the machine type used for the synchronous machine according to the invention is a motor with a rotor which has a multi-pole rotor winding, in particular with high-T c superconductor material (for example in accordance with WO 03/047962 A2) , The machine can be used as a drive motor or generator (cf. the aforementioned W0-A2 document). Of course, the machine can also have conductors using classic, metallic superconductor material or can also be constructed with normally conducting, possibly cooled conductors.
Stattdessen kann eine erfindungsgemäße Synchronmaschine in bekannter Weise auch einen Rotor aufweisen, der Pole aus permanentmagnetischem Material besitzt (vgl. z.B. EP 0 907 556 Bl) . Gegebenenfalls ist es auch möglich, Pole aus permanentmagnetischem Material mit Wicklungen aus den vorgenannten Supraleitermaterialien in Kombination zum Einsatz zu bringen. Instead, a synchronous machine according to the invention can also have a rotor in a known manner, which has poles made of permanent magnetic material (cf. for example EP 0 907 556 B1). If necessary, it is also possible to use poles made of permanent magnetic material with windings made of the aforementioned superconductor materials in combination.
Auslegungsbeispiel für einen POP-Antrieb unter Verwendung einer erfindungsgemäßen SynchronmaschineDesign example for a POP drive using a synchronous machine according to the invention
Folgende beispielhafte Vorgaben seien gemacht : Propellerdrehzahl 0 ... 200 U/minThe following exemplary specifications are made: Propeller speed 0 ... 200 rpm
Drehmoment 335 kNmTorque 335 kNm
Es ergeben sich dann folgende geschätzte Motordaten :The following estimated motor data then result:
Außendurchmesser des Eisenjoches (ohne Vergussgehäuse:Outside diameter of the iron yoke (without potting case:
1100 mm) Länge des Aktivteiles: 3140 mm (ohne Wickelköpfe:1100 mm) Length of the active part: 3140 mm (without winding heads:
2750 mm)2750 mm)
Gewicht Rotor + Stator ohne Welle: 18,7 t (ohne Wickelköpfe:Weight rotor + stator without shaft: 18.7 t (without winding heads:
16 t)16 t)
Der geschätzte Wirkungsgrad der Maschine bei Volllast beträgt ca. 97,5 % einschließlich des notwendigen Kryokühlers .The estimated efficiency of the machine at full load is approx. 97.5% including the necessary cryocooler.
Die Polpaarzahl wird dabei mit 3 angenommen.The number of pole pairs is assumed to be 3.
Umrichter für den AntriebInverter for the drive
Der Umrichter ist im Hinterschiff zu platzieren. Die Energieversorgung erfolgt über Kabel über das Azimut-Modul. Entsprechend der Antriebs onfiguration kann auch eine höherpolige Maschine verwendet werden. Die Umrichterfrequenz beträgt bei einer Drehzahl von 200 U/min 10 Hz.The converter must be placed in the stern. Power is supplied via cables via the azimuth module. Depending on the drive configuration, a multi-pole machine can also be used. The converter frequency is 10 Hz at a speed of 200 rpm.
Der Umrichter uss motorischen und generatorischen Betrieb zulassen, um bei Brems orgängen Energie aus dem POD-Antrieb herausnehmen zu können. Bis zu 200 U/min sollen Stopp- Vorgänge über Drehung des POD's um 180° und Schubaufnahme entgegen der Fahrtrichtung realisiert werden. Bei der Drehung der POD's wird die Wellendrehzahl kurzzeitig ab- und bei Schubaufnahme wieder hochgeregelt werden müssen. The converter must allow motor and generator operation in order to be able to take energy out of the POD drive when braking. Up to 200 rpm, stop operations are to be implemented by rotating the POD by 180 ° and taking thrust against the direction of travel. When the PODs are rotated, the shaft speed will have to be reduced briefly and then increased again when the thrust is taken up.
Technische Daten Ruderpropeller :Technical data rudder propeller:
Für einen ersten Entwurf des Ruderpropellers wären mit den vorstehend genannten Motordaten folgende technische Daten möglich:For a first draft of the rudder propeller, the following technical data would be possible with the motor data mentioned above:
Propellerwellenleistung 7 MW (335 kN bei 200Propeller shaft power 7 MW (335 kN at 200
U/min)U / min)
Drehzahl bei POD-Betrieb ca. 0 ...200 U/minSpeed in POD operation approx. 0 ... 200 rpm
Propellerdurchmesser 3,5 m (Zugpropeller) Gewicht des Azimut- und Propulsionsmoduls ca. 65 tPropeller diameter 3.5 m (pull propeller) Weight of the azimuth and propulsion module approx. 65 t
Durchmesser der Antriebsgondel 1200 mm (darin 1100 mm HTS-Motor zuzüglich Ver- gussgehäusewandung 50 mm)Diameter of the drive nacelle 1200 mm (therein 1100 mm HTS motor plus potting case wall 50 mm)
Länge der Antriebsgondel 6300 mm (darin 3140 mm HTS-Motor zuzüglich Propeller mit Gleitlager und Drucklager)Length of the drive nacelle 6300 mm (therein 3140 mm HTS motor plus propeller with plain bearing and thrust bearing)
Auslegnngsbeispiel für einen Waterjet-An rieb unter Verwen- d ng einer erfindunqsgemaßen SynchronmaschineDesign example for a waterjet drive using a synchronous machine according to the invention
Hierbei sei eine HTS-Synchronmaschine für den Waterjet vorgesehen.Here, an HTS synchronous machine for the waterjet is provided.
Die Zielsetzung ist im Gegensatz zum POD-Motor anders: Der Antriebsmotor soll im Schiffszwischenboden installiert werden. Priorität hat hier die Optimierung des Durchmessers des Aktivteiles .In contrast to the POD motor, the objective is different: the drive motor is to be installed in the ship's intermediate floor. The optimization of the diameter of the active part has priority here.
Die Länge des Aktivteils ist eher nicht so wichtig.The length of the active part is not that important.
Ein hohes Gewicht ist eher erwünscht. Der elektrische Wirkungsgrad sollte hoch sein.A high weight is more desirable. The electrical efficiency should be high.
Die Länge der Welle des Waterj et— ntriebes hängt einerseits von der Neigung gegenüber dem Schiffsrumpf, andererseits von der Bauhöhe des Antriebsmotors ab. Die Reduzierung der Wel- lenlänge hat wiederum eine Reduzierung des kritischen Trefferbereiches zur Folge (vgl. Abb. 2) . Mit den Vorgaben Propellerdrehzahl 600 U/min Drehmoment 111 kNm ergeben sich mit folgende Daten:The length of the shaft of the Waterj drive depends on the one hand on the inclination towards the ship's hull and on the other hand on the overall height of the drive motor. The reduction in the wavelength in turn results in a reduction in the critical hit area (see Fig. 2). With the specifications Propeller speed 600 rpm torque 111 kNm results from the following data:
Außendurchmesser des StatoreisenJoches (ohne Gehäuse): 1000 mmOuter diameter of the stator iron yoke (without housing): 1000 mm
Achshöhe: 560 mm (mit Gehäuse)Axle height: 560 mm (with housing)
Länge des Aktivteiles: 2050 mm (ohne Wickelköpfe: 1500 mm)Length of the active part: 2050 mm (without winding heads: 1500 mm)
Gewicht Rotor + Stator ohne Welle: 10,5 t (ohne Wickelköp- fe: 7,77 t)Weight rotor + stator without shaft: 10.5 t (without winding heads: 7.77 t)
Der geschätzte Wirkungsgrad der Maschine bei Volllast beträgt ca. 98 % einschließlich Kryokühler.The estimated efficiency of the machine at full load is approx. 98% including the cryocooler.
Die Polpaarzahl ist hier mit 2 angenommen.The number of pole pairs is assumed to be 2 here.
Umrichter für den Waterjet-Antrieb :Inverter for the waterjet drive:
Die HTS-Maschine ist eine 4polige (2 Polpaare) Ausführung. Die Umrichterfrequenz beträgt bei einer Drehzahl von 600 U/min 20 Hz.The HTS machine is a 4-pole (2-pole pairs) version. The converter frequency is 20 Hz at a speed of 600 rpm.
Anwendung einer e findunqsgemäßen Synchronmaschine außerhalb der MarineUse of a synchronous machine according to the invention outside the navy
Selbstverständlich ist die Anwendung der Maschine nicht auf den Schiffsbereich beschränkt. Generell ist sie überall dort von besonderem Vorteil, wo Maschinen mit geringer radialer Ausdehnung ihrer Statorwicklung insbesondere vom Luftspalt- wicklungstyp bei höherer Leistungsanforderung zum Einsatz kommen sollen. Beispiele entsprechender Anwendungsfälle sind Wasserpumpen, z.B. als Einsatz in Pumpspeicherwerken oder als Kühlwasserpumpe: Eine solche Pumpe kann quasi als ein feststehender POD angesehen werden, der von einem Kühlmedium umströmt wird. Kompressorantriebe, z.B. in Gas-Pipelines: Auch hier umströmt das gut wärmeleitende Fördergut wie Gas den Antrieb und wird zur Kühlung direkt auf der Gehäuseaußenseite ausgenutzt. - Wellenantriebe, z.B. in Walzwerken. Generatoren, z.B. in Verbindung mit einer Gasturbine, wobei sowohl eine stationäre Anordnung wie auch eine mobile Anordnung, z.B. für Bahnanwendungen denkbar sind. Geräte der Chemie-/Prozessindustrie wie z.B. Extruder oder LuftZerlegungsvorrichtungen. Of course, the application of the machine is not limited to the area of the ship. In general, it is of particular advantage wherever machines with a small radial expansion of their stator winding, in particular of the air gap winding type, are to be used with higher performance requirements. Examples of corresponding applications are water pumps, for example as use in pumped storage plants or as a cooling water pump: Such a pump can be regarded as a fixed POD, which is surrounded by a cooling medium. Compressor drives, for example in gas pipelines: Here too, the good heat-conducting material flows around the drive and is used for cooling directly on the outside of the housing. - Shaft drives, e.g. in rolling mills. Generators, for example in connection with a gas turbine, both a stationary arrangement and a mobile arrangement, for example for railway applications, being conceivable. Chemical / process industry devices such as extruders or air separation devices.

Claims

Patentansprüche claims
1. Synchronmaschine (6) mit a) einem mehrpoligen Rotor (7), sowie b) einem den Rotor (7) umschließenden Stator, der • eine zu kühlende, normalleitende Statorwicklung (11), • eine die Statorwicklung (11) zumindest teilweise aufnehmende Trägerstruktur (14), welche einen im Wesent- liehen hohlzylindrischen Außenkörper (13) aus weichmagnetischem Material sowie an dessen Innenseite axial und radial verlaufende, stegartige Tragzähne (21i) aus nicht—magnetischem Material aufweist, zwischen denen zumindest Teile der Statorwicklung (11) angeordnet sind, • ein Außengehäuse (15) mit einem den Außenkörper (13) umschließenden, hohlzylindrischen Gehäuseteil (15a) , und • eine Statorkühleinrichtung zur Abführung der von der Statorwicklung (11) erzeugten Wärme (W) an ein Kühlme— dium (K) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass - der hohlzylindrische Gehäuseteil (15a) wenigstens in Teilbereichen mit dem Kühlmedium (K) verbunden ist und — eine thermische Ankopplung der Statorwicklung (11) an das Kühlmedium (K) über die Trägerstruktur (14) und den Gehäuseteil (15a) erfolgt, wobei die Tragzähne (21i) zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 10 W/K-m bestehen.1. Synchronous machine (6) with a) a multi-pole rotor (7), and b) a stator enclosing the rotor (7), which • a stator winding (11) to be cooled, • a stator winding (11) at least partially receiving the stator winding Carrier structure (14) which has an essentially hollow cylindrical outer body (13) made of soft magnetic material and on the inside of which axially and radially extending, web-like supporting teeth (21i) made of non-magnetic material, between which at least parts of the stator winding (11) are arranged are • an outer housing (15) with a hollow cylindrical housing part (15a) surrounding the outer body (13), and • a stator cooling device for dissipating the heat (W) generated by the stator winding (11) to a cooling medium (K) , characterized in that - the hollow cylindrical housing part (15a) is connected at least in some areas to the cooling medium (K) and - a thermal coupling of the sta Tor winding (11) to the cooling medium (K) via the support structure (14) and the housing part (15a), wherein the supporting teeth (21i) at least partially consist of a material with a thermal conductivity λ of over 10 W / K-m.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über2. Synchronous machine according to claim 1, characterized in that the housing part (15a) at least partially made of a material with a thermal conductivity λ of over
10 W/K-m besteht. 10 W / Km exists.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Gehäuseteil (15a) des Außengehäuses (15) aus einem nicht-magnetischen Material besteht.3. Synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that at least the housing part (15a) of the outer housing (15) consists of a non-magnetic material.
4. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (21i) und/oder der Gehäuseteil (15a) zumindest teilweise aus einem Material mit einer größeren thermischen Leitfähigkeit λ als der von Eisen bestehen/besteht.4. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the supporting teeth (21i) and / or the housing part (15a) at least partially consist of a material with a greater thermal conductivity λ than that of iron.
5. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (211) und/oder der Gehäuseteil aus einem Material mit einer thermischen Leitfä- higkeit λ von über 60 W/K-m bestehen/besteht.5. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the supporting teeth (211) and / or the housing part consist / consist of a material with a thermal conductivity λ of over 60 W / K-m.
6. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) aus einem ferromagneti- schen Material besteht.6. Synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that the housing part (15a) consists of a ferromagnetic material.
7. Synchronmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) als ein in den weichmagnetischen Außenkörper (13) integrierter Bauteil und vorzugsweise mit diesem einstückig ausgebildet ist.7. Synchronous machine according to claim 6, characterized in that the housing part (15a) as an integrated in the soft magnetic outer body (13) and preferably integrally formed therewith.
8. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (211) so aufgebaut sind, dass die thermische Leitfähigkeit λ in radialer Richtung der Tragzähne mindestens den Wert wie in tangentialer Richtung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-faσhen Wert, beträgt.8. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the supporting teeth (211) are constructed such that the thermal conductivity λ in the radial direction of the supporting teeth is at least the value as in the tangential direction, preferably a higher value, in particular at least the 2nd -faσhen value.
9. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (21i) so aufgebaut sind, dass die thermische Leitfähigkeit λ in axialer Richtung der Tragzähne mindestens den Wert wie in tangentialer Rich- tung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-fachen Wert, beträgt.9. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the supporting teeth (21i) are constructed such that the thermal conductivity λ in the axial direction of the supporting teeth is at least the value as in the tangential direction. tion, preferably a higher value, in particular at least twice the value.
10. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Tragzähne10. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that as a material for the supporting teeth
(21i) eine Metalllegierung oder eine Keramik oder ein Verbundwerkstoff vorgesehen ist.(21i) a metal alloy or a ceramic or a composite material is provided.
11. Synchronmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich- net, dass als Material ein Verbundwerkstoff vorgesehen ist, dessen mechanische und thermische Eigenschaften, insbesondere der Elastizitätsmodul, die kritische Bruchdehnung und die thermische Leitfähigkeit λ, an die Einsatzbedingungen des Rotors (7) angepasst sind.11. Synchronous machine according to claim 10, characterized in that a composite material is provided as the material, the mechanical and thermal properties, in particular the modulus of elasticity, the critical elongation at break and the thermal conductivity λ, are adapted to the operating conditions of the rotor (7).
12. Synchronmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der mechanischen und thermischen Eigenschaften durch Auswahl eines Strukturträgers, seiner Geometrie und des Mengenanteils im Verbundwerkstoff, sowie durch Auswahl und Mengenanteil eines Füllmaterials im Verbundwerkstoff erfolgt ist.12. Synchronous machine according to claim 11, characterized in that the adaptation of the mechanical and thermal properties by selection of a structural support, its geometry and the proportion in the composite material, and by selection and proportion of a filler in the composite material.
13. Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturträger im Verbundmaterial aus mehr als einem Material besteht.13. Synchronous machine according to claim 12, characterized in that the structural carrier in the composite material consists of more than one material.
14. Synchronmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturträger im Verbundmaterial einen höheren Anteil an der thermischen Leitfähigkeit λ be- sitzt als nach dem reinen Mengenanteil auf ihn entfallen würde.14. Synchronous machine according to claim 12 or 13, characterized in that the structural carrier in the composite material has a higher proportion of the thermal conductivity λ than it would account for after the pure proportion.
15. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Tragzähne (21i) aus einem Kohle aser-Verbundwerkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit λ. 15. Synchronous machine according to one of claims 10 to 14, characterized by a formation of the supporting teeth (21i) from a coal aser composite material with high thermal conductivity λ.
16. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) auf seiner Außenseite von dem Kühlmedium (K) zu kühlen ist.16. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the housing part (15a) is to be cooled on its outside by the cooling medium (K).
17. Synchronmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung mittels einer Badkühlung vorgesehen ist.17. Synchronous machine according to claim 16, characterized in that cooling by means of bath cooling is provided.
18. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, ge- kennzeichnet durch eine forcierte Strömung des Kühlmediums18. Synchronous machine according to one of claims 1 to 16, characterized by a forced flow of the cooling medium
(K) .(K).
19. Synchronmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung in Kühlkanälen zumindest an oder in dem Gehäuseteil (15a) vorgesehen ist.19. Synchronous machine according to claim 18, characterized in that the flow in cooling channels is provided at least on or in the housing part (15a).
20. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (K) sich im gasförmigen Zustand befindet.20. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium (K) is in the gaseous state.
21. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (K) sich im flüssigen Zustand befindet.21. Synchronous machine according to one of claims 1 to 19, characterized in that the cooling medium (K) is in the liquid state.
22. Synchronmaschine nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Wasser als Kühlmedium (K) .22. Synchronous machine according to claim 21, characterized by water as the cooling medium (K).
23. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (K) sich in einem eigenen Kühlsystem befindet, das thermisch direkt oder indirekt an ein weiteres Kühlmedium angekoppelt ist.23. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium (K) is in its own cooling system which is thermally coupled directly or indirectly to a further cooling medium.
24. Synchronmaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass für das weitere Kühlmedium ein zusätzlicher Kühl- mittelkreislauf vorgesehen ist. 24. Synchronous machine according to claim 23, characterized in that an additional coolant circuit is provided for the further cooling medium.
25. Synchronmaschine nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Kühlmedium Wasser, insbesondere Meerwasser, ist.25. Synchronous machine according to claim 23 or 24, characterized in that the further cooling medium is water, in particular sea water.
26. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) eine tiefzukühlende, insbesondere supraleitende mehrpolige Rotorwicklung enthält, die thermisch direkt oder indirekt an eine Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist.26. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (7) contains a deep-freezing, in particular superconducting, multi-pole rotor winding which is thermally coupled directly or indirectly to a rotor cooling device.
27. Synchronmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung mit Hoch-Tc-Supraleitern erstellt ist.27. Synchronous machine according to claim 26, characterized in that the rotor winding is created with high-T c superconductors.
28. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) Pole aus permanentmagnetischem Material aufweist.28. Synchronous machine according to one of claims 1 to 25, characterized in that the rotor (7) has poles made of permanent magnetic material.
29. Synchronmaschine nach Anspruch 28, dadurch gekennzeich- net, dass der Rotor (7) zusätzlich zu den Polen aus permanentmagnetischem Material eine tiefzukühlende, insbesondere supraleitende Rotorwicklung enthält, die thermisch direkt oder indirekt an eine Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist.29. Synchronous machine according to claim 28, characterized in that the rotor (7) contains, in addition to the poles made of permanent magnetic material, a deep-cooling, in particular superconducting rotor winding, which is thermally coupled directly or indirectly to a rotor cooling device.
30. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator eine axiale Ausdehnung des Aktivteils seiner Statorwicklung (11) aufweist, die mindestens das Einfache ihres Außendurchmessers, vorzugsweise mindestens das Zweifache, insbesondere mindestens das Vierfa- ehe, beträgt. 30. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the stator has an axial extent of the active part of its stator winding (11), which is at least one times its outer diameter, preferably at least twice, in particular at least four times.
PCT/EP2005/052140 2004-05-12 2005-05-11 Synchronous machine comprising a stator cooling device WO2005112237A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112005000956T DE112005000956A5 (en) 2004-05-12 2005-05-11 Synchronous machine with stator cooling device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004023475A DE102004023475A1 (en) 2004-05-12 2004-05-12 Synchronous machine with stator cooling device
DE102004023475.2 2004-05-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2005112237A1 true WO2005112237A1 (en) 2005-11-24

Family

ID=34967672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2005/052140 WO2005112237A1 (en) 2004-05-12 2005-05-11 Synchronous machine comprising a stator cooling device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102004023475A1 (en)
WO (1) WO2005112237A1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010025987A2 (en) * 2008-09-08 2010-03-11 Siemens Aktiengesellschaft Ship propulsion system for watercraft
WO2012123547A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Wobben Properties Gmbh Ship
WO2012119896A3 (en) * 2011-03-09 2013-08-22 Siemens Aktiengesellschaft Synchronous machine with hts-rotor winding and damper device
ITVE20120020A1 (en) * 2012-07-02 2014-01-03 Franco Moro ELECTRIC OUTBOARD MOTOR UNIT.
EP3152110B1 (en) 2014-06-03 2018-07-11 Rolls-Royce AB Pod propulsion device and a method for cooling such
CN109263844A (en) * 2018-08-31 2019-01-25 武汉理工大学 A kind of straight round-up of marine low speed wheel hub is at electric propulsion apparatus

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011005293B4 (en) * 2011-03-09 2014-09-04 Siemens Aktiengesellschaft Rolling mill drive with a HTS synchronous machine and corresponding use
DE102011005291A1 (en) * 2011-03-09 2012-09-13 Siemens Aktiengesellschaft HTS synchronous machine with increased rotor dispersion
DE102015218929A1 (en) 2015-09-30 2017-03-30 Siemens Aktiengesellschaft Electric machine with thermal coupling of the winding heads to a stator support structure through ceramic rings

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4356419A (en) * 1979-06-20 1982-10-26 Kraftwerk Union Aktiengesellschaft Apparatus for fastening an air gap winding
US6231407B1 (en) * 1996-06-26 2001-05-15 Siemens Aktiengesellschaft Ship propulsion with a gondola-like synchronous motor
US20020121837A1 (en) * 2000-05-12 2002-09-05 Reliance Electric Technologies, Llc Hybrid superconducting motor/generator
EP1251624A2 (en) * 2001-04-20 2002-10-23 Alstom Cooling of air gap winding of electrical machines
WO2003019759A2 (en) * 2001-08-30 2003-03-06 Siemens Aktiengesellschaft Superconducting electrical machines for use in navy ships
WO2003047961A2 (en) * 2001-11-29 2003-06-12 Siemens Aktiengesellschaft Boat propulsion system
WO2003047962A2 (en) * 2001-11-29 2003-06-12 Siemens Aktiengesellschaft Ship propulsion system
WO2003073584A1 (en) * 2002-02-27 2003-09-04 American Superconductor Corporation Thermally-conductive stator support structure

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4356419A (en) * 1979-06-20 1982-10-26 Kraftwerk Union Aktiengesellschaft Apparatus for fastening an air gap winding
US6231407B1 (en) * 1996-06-26 2001-05-15 Siemens Aktiengesellschaft Ship propulsion with a gondola-like synchronous motor
US20020121837A1 (en) * 2000-05-12 2002-09-05 Reliance Electric Technologies, Llc Hybrid superconducting motor/generator
EP1251624A2 (en) * 2001-04-20 2002-10-23 Alstom Cooling of air gap winding of electrical machines
WO2003019759A2 (en) * 2001-08-30 2003-03-06 Siemens Aktiengesellschaft Superconducting electrical machines for use in navy ships
WO2003047961A2 (en) * 2001-11-29 2003-06-12 Siemens Aktiengesellschaft Boat propulsion system
WO2003047962A2 (en) * 2001-11-29 2003-06-12 Siemens Aktiengesellschaft Ship propulsion system
WO2003073584A1 (en) * 2002-02-27 2003-09-04 American Superconductor Corporation Thermally-conductive stator support structure

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"GRAFOIL Flexible Graphite, sheet properties", 23 October 1999 (1999-10-23), XP002344752, Retrieved from the Internet <URL:http://www.usseal.com/grafoilspecs.htm> [retrieved on 20050907] *
"Grafoil Specs", 2 March 1999 (1999-03-02), XP002344753, Retrieved from the Internet <URL:http://usseal.com/grafoilgrades.htm> [retrieved on 20050907] *
BROWNE, JIM: "Development and Application of an Advanced Thermal Transfer Adhesive", 25 May 2000 (2000-05-25), XP002344754, Retrieved from the Internet <URL:http://www.sampe.org/store/paper.aspx?pid=403> [retrieved on 20050907] *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010025987A2 (en) * 2008-09-08 2010-03-11 Siemens Aktiengesellschaft Ship propulsion system for watercraft
WO2010025987A3 (en) * 2008-09-08 2011-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Ship propulsion system for watercraft
US8517785B2 (en) 2008-09-08 2013-08-27 Siemens Aktiengesellschaft Vessel propulsion system for watercraft
WO2012119896A3 (en) * 2011-03-09 2013-08-22 Siemens Aktiengesellschaft Synchronous machine with hts-rotor winding and damper device
WO2012123547A1 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Wobben Properties Gmbh Ship
CN103619704A (en) * 2011-03-15 2014-03-05 乌本产权有限公司 Ship
JP2014509569A (en) * 2011-03-15 2014-04-21 ヴォッベン プロパティーズ ゲーエムベーハー Ship
TWI468320B (en) * 2011-03-15 2015-01-11 Wobben Aloys Ship
ITVE20120020A1 (en) * 2012-07-02 2014-01-03 Franco Moro ELECTRIC OUTBOARD MOTOR UNIT.
EP3152110B1 (en) 2014-06-03 2018-07-11 Rolls-Royce AB Pod propulsion device and a method for cooling such
CN109263844A (en) * 2018-08-31 2019-01-25 武汉理工大学 A kind of straight round-up of marine low speed wheel hub is at electric propulsion apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004023475A1 (en) 2005-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1625071B1 (en) Ship propulsion system comprising cooling devices for the stator and rotor of the synchronous machine thereof
EP1449290B1 (en) Boat propulsion system
WO2005112237A1 (en) Synchronous machine comprising a stator cooling device
EP1448437B1 (en) Ship propulsion system
EP0998407B1 (en) Electric motor pod drive system for a vessel with a cooling device
EP0907556B1 (en) Pod-like ship propulsion system with synchronous motor
EP1796959B1 (en) Pod ship propulsion system provided with a hydrodynamic gear
DE19636591A1 (en) Permanent magnet sync generator for direct wind-power energy converter
EP3338344A1 (en) Cooling an electric rotating machine
EP2420443B1 (en) Electric nacelle drive for a floating device with internal stator cooling
EP2413483A1 (en) Electric drive device for an aircraft
WO2014118020A2 (en) Electrical machine with direct stator cooling
WO2018059844A1 (en) Cooling of a pod drive
EP0786402B1 (en) Propeller unit in a gondola
EP3289234B1 (en) Propulsive machine for a body of water having an azimuth bearing
WO2018091330A1 (en) Rotor for high rotation speeds, comprising a coil arrangement and a coil former
EP1759987B1 (en) Electric boat drive
EP2323904A2 (en) Ship propulsion system for watercraft
WO2010149429A2 (en) Ship having two propellers arranged one behind the other
WO2023016760A1 (en) Wave generator for generating power during a regenerative braking process and/or for providing power during a motor operation
EP3809565B1 (en) Drive for a boat with electric motor
DE112021000293T5 (en) COOLING ARRANGEMENT FOR AN ELECTRICAL MACHINE
DE102004023481A1 (en) Electric drive system e.g. for naval frigate, uses multi-pole stator design and prescribed aspect ratio of length of active part to outer diameter of stator
DE102004039855A1 (en) Machine with a field winding of high-Tc superconductors in a holding device
DE102011005293B4 (en) Rolling mill drive with a HTS synchronous machine and corresponding use

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120050009564

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase
REF Corresponds to

Ref document number: 112005000956

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20070726

Kind code of ref document: P