-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der dynamoelektrischen
Maschinen. Sie betrifft eine dynamoelektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Bei
grossen dynamoelektrischen Maschinen, insbesondere Generatoren,
ist an einem Ende des Rotors häufig
ein bürstenloser
Erreger angebaut, der als Wechselspannungsgenerator wirkt und den
erzeugten Wechselstrom intern gleichrichtet und zur Erregung der
Maschine in die auf dem Rotor befindliche Wicklung einspeist. Die
Maschine selbst hat bei hohen Leistungen einen Kühlkreislauf, innerhalb dessen
ein meist gasförmiges
Kühlmedium,
insbesondere Luft, durch Rotor und Stator und den zwischen beiden
bestehenden Luftspalt geschickt wird und die dort aufgenommene Wärme in internen
Kühleinrichtungen
(Kühlern,
Wärmetauschern
etc.) wieder entzogen wird. Zur Umwälzung des Kühlmediums sind an beiden Enden
des Rotors auf der Rotorwelle üblicherweise
Lüfter
oder Ventilatoren angeordnet. Da auch im Erreger, an den dortigen
Wicklungen und für die
Gleichrichtung eingesetzten Leistungshalbleitern, in erheblichem
Umfang Wärme
anfällt
und die Eigenlüftung
des Erregers nicht ausreicht, ist in vielen Fällen eine Kühlung des Erregers notwendig.
-
Bei
den bisher bekannten Lösungen
zur Kühlung
des Erregers war der dafür
vorgesehene Kühlkreislauf
in den Kühlkreislauf
der Maschine bzw. des Generators integriert. Der am häufigsten
beschrittene Weg besteht darin, das Kühlmedium durch den Erreger
zu schicken, nachdem es bereits die Wickelköpfe der Maschienwicklung passiert
hat (das Kühlmedium
strömt
vom Maschinenlüfter
zum Wickelkopf und von dort zum Erreger). Eine solche Lösung ist z.B.
in der US-A-3,643,119
offenbart. Nachdem das Kühlmedium
den Erreger gekühlt
hat, wird es zur Kühlvorrichtung
der Maschine zurückgeführt.
-
Solche
einfachen Kühlkreisläufe haben
jedoch einige Nachteile:
- (1) Das Kühlmedium
für den
Erreger ist bereits erwärmt.
Für Standardbedingungen
einer Kühlmedium-Temperatur
in der Maschine von 40°C
beträgt
die Einlasstemperatur am Erreger dann etwa 60°C. Dadurch reduziert sich die
mögliche
Leistung der Maschine.
- (2) Da der Erreger in den Kühlkreislauf
der Maschine integriert ist, hängt
der Durchsatz des Kühlmediums
durch den Erreger vom Gesamtkühlkreis
der Maschine ab. Wenn bei der Auslegung der Maschine vom Standard
abgewichen wird (bei den Kühlern,
den Fundamenten, der Verrohrung, dem Anstellwinkel der Lüfterblätter etc.), ist
der Durchsatz des Kühlmediums
durch den Erreger nur schwer vorherzusagen. Dies hat zwei mögliche Folgen.
– Überdimensionierte
Erreger
– Erreger
mit einem Risiko zu überhöhten Temperaturen.
-
Der
unter (2) aufgeführte
Nachteil gilt auch für
die bekannten Lösungen,
bei denen das Kühlmedium
für die
Kühlung
des Erregers abgezweigt wird, bevor es an den Wickelköpfen Wärme aufgenommen hat
(siehe z.B. die US-A-4,745,315 oder die US-A-4,904,890).
-
DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine dynamoelektrische Maschine mit gekühltem bürstenlosen
Erreger zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Maschinen
vermeidet und sich insbesondere durch eine optimal planbare und
einstellbare Kühlung des
Erregers auszeichnet.
-
Die
Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Diese
Lösung
ist durch einen eigenständigen
Kühlkreislauf
des Erregers gekennzeichnet, bei dem für die Zirkulation des gasförmigen Kühlmediums
ein separater Lüfter
vorgesehen ist. Der separate Lüfter
kann innerhalb des eigenständigen
Kühlkreislaufs
optimal auf die Bedürfnisse
der Erregerkühlung
eingestellt werden, ohne dass Rücksicht
auf die Auslegung der dynamoelektrischen Maschine selbst genommen
werden muss.
-
Eine
Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Erreger in axialer Richtung hinter dem Rotor der dynamoelektrischen Maschine
angeordnet ist, dass ein axial wirkender Lüfter vorgesehen ist, welcher
das gasförmige
Kühlmedium
in axialer Richtung durch den Erreger hindurch befördert, dass
Erregerrotor und der Erregerstator koaxial zum Rotor der dynamoelektrischen Maschine
angeordnet sind, dass der Lüfter
zwischen dem Erreger und dem Rotor angeordnet ist, und dass der
Lüfter
das gasförmige
Kühlmedium
in axialer Richtung durch den Erregerrotor, den Erregerstator und
den Zwischenraum zwischen Erregerrotor und Erregerstator hindurch
befördert.
Hierdurch ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau des gekühlten Erregers.
-
Vorzugsweise
ist dabei der Erregerrotor mit der Rotorwelle des Rotors verbunden,
und der Lüfter ist
auf der Rotorwelle oder einer Verlängerung der Rotorwelle angeordnet.
-
Eine
andere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerrotor
den Erregerstator konzentrisch umschliesst, dass der Erregerrotor auf
der Innenseite eines konzentrischen Halterings befestigt ist, und
dass der Haltering den Lüfter
unter Ausbildung eines ringförmigen
Kühlluftkanals
zwischen der den Lüfter
tragenden Rotorwelle bzw. Verlängerung
und dem Haltering konzentrisch umschliesst.
-
Insbesondere
umfasst der Haltering eine senkrecht zur Achse stehende, zwischen
dem Lüfter und
dem Erreger angeordnete, kreisscheibenförmige Wand, mittels derer der
Haltering an der Rotorwelle bzw. der Verlängerung befestigt ist, wobei
in der Wand über
den Umfang verteilt Kühlluftöffnungen vorgesehen
sind, durch welche das Kühlmedium
in axialer Richtung zwischer: dem Lüfter und dem Erreger strömen kann.
-
Der
Erregerrotor weist eine Ankerwicklung, der Erregerstator eine Feldwicklung
auf. Im Erregerrotor und im Erregerstator sind axiale Kühlkanäle vorgesehen,
durch welche das Kühlmedium
strömt.
Zusätzlich
zu den axialen Kühlkanälen können im
Erreger radiale Kühlkanäle vorgesehen
sein, durch welche das Kühlmedium
nach aussen strömt.
-
Bevorzugt
sind zwischen der Wand und dem Erregerrotor auf der Innenseite des
Halterings mit dem Erreger verschaltete Leistungshalbleiter derart angeordnet,
dass sie im durch die Kühlluftöffnungen tretenden
Strom des Kühlmediums
liegen.
-
Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Erregerstator an einer senkrecht zur Achse stehenden, in axialer
Richtung hinter dem Haltering angeordneten Tragwand befestigt ist,
und dass für
den Austritt des durch den Erreger strömenden Kühlmediums Kühlluftöffnungen in der Tragwand und/oder
ein radialer Kühlluftauslass zwischen
dem Haltering und der Tragwand vorgesehen sind.
-
In
Strömungsrichtung
vor dem Lüfter
kann insbesondere ein radialer Kühllufteintritt
vorgesehen sein, durch welchen dem Lüfter das Kühlmedium zugeführt wird.
-
Es
ist denkbar, dass der Kühlkreislauf
des Erregers als in sich geschlossener Kühlkreislauf ausgebildet ist
und eine eigene Kühlvorrichtung
umfasst. In diesem Fall findet eine vollständige Entkopplung der Kühlungskreisläufe statt.
Hierzu kann der Erreger von einem Kühlluftgehäuse umschlossen sein, welches
einen den Erreger umgebenden Sammelraum bildet, wobei an den Sammelraum
angrenzend die Kühlvorrichtung
angeordnet ist, und die Kühlvorrichtung
eingangsseitig mit dem Sammelraum in Verbindung steht und ausgangsseitig
mit dem Lüfter
verbunden ist.
-
Es
ist aber auch denkbar, dass die dynamoelektrische Maschine einen
eigenen Kühlkreislauf und
eine eigene Kühlvorrichtung
hat, und dass der Kühlkreislauf
des Erregers die Kühlvorrichtung
der dynamoelektrischen Maschine mitbenutzt.
-
Schliesslich
ist es für
Anwendungen mit Doppelantrieb möglich,
dass der Erregerstator in axialer Richtung eine zentrale Durchgangsöffnung aufweist, und
dass durch die Durchgangsöffnung
hindurch eine Verbindungswelle vom Rotor der dynamoelektrischen
Maschine zur anderen Seite des Erregers geführt ist.
-
KURZE ERLÄUTERUNG
DER FIGUREN
-
Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher
erläutert
werden. Es zeigen
-
1 in
einem schematisierten Längsschnitt den
Erreger einer dynamoelektrischen Maschine gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit rein axialer Strömung des Kühlmediums;
-
2 in
einer zu 1 vergleichbaren Darstellung
einen Erreger gemäss
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit radialer Führung des
Kühlmediums
auf der Austrittsseite;
-
3 in
einer zu 2 vergleichbaren Darstellung
einen Erreger gemäss
einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer zentral durch den Erreger geführten Verbindungswelle
für Anwendungen
mit Doppelantrieb sowie einem radialen Einlass des Kühlmediums;
-
4 den
Erreger aus 2 in einem separaten geschlossenen
Kühlkreislauf
mit eigener Kühlvorrichtung
für den
Erreger;
-
5 in
der Draufsicht die Wand des Halterings aus 1–4 mit
den darin angeordneten Kühlluftöffnungen;
und
-
6 eine
vollständige
dynamoelektrische Maschine mit Erreger und einem Erreger-Kühlkreislauf,
der die Kühlvorrichtung
der Maschine mitbenutzt, gemäss
einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
-
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
-
In 1 ist
in einem schematisierten Längsschnitt
der Erreger einer dynamoelektrischen Maschine gemäss einem
ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Von der dynamoelektrischen Maschine 10 ist
neben dem Erreger 25 nur der rechte Endabschnitt der Rotorwelle 11 oder
einer Verlängerung
der Rotorwelle zu sehen. Der Erreger 25 umfasst einen hohlzylindrischen
Haltering 15, der am einen (linken) Ende mit einer Wand 47 in
Form einer Kreisscheibe abgeschlossen ist. Der Haltering 15 ist
konzentrisch zur Rotorwelle 11 mit der Wand 47 an der
Stirnseite der Rotorwelle 11 bzw. der Verlängerung
angeflanscht (Kupplungselemente 37 in 5) und
dreht sich entsprechend mit der Rotorwelle 11 um die Achse 23.
Innerhalb des Halterings 15 ist an der Innenwand umlaufend
der Erregerrotor 16 mit einer Ankerwicklung 18 angeordnet.
Der Erregerrotor 16 umgibt konzentrisch den zentralen Erregerstator 17,
der mit einer Feldwicklung 19 ausgestattet ist, und der
an einer feststehenden Tragwand 21 befestigt ist. Zwischen
Tragwand 21 und Haltering 15 sind geeignete Dichtungen
vorgesehen. In einem zwischen Erregerrotor 16 und Wand 47 frei
gebliebenen Raum sind an der Innenwand des Halterings 15 Leistungshalbleiter 24 in
Form von Dioden angeordnet, welche die in der Ankerwicklung 18 induzierte
Wechselspannung gleichrichten und über An schlussleiter 29 an
im Inneren der Rotorwelle 11 verlaufende Zuführungen
zur Rotorwicklung der Maschine weiterleiten (zentrale Öffnung 36 in 5).
-
Die
Kühlung
des Erregers 25 erfolgt im Beispiel der 1 durch
eine axiale Strömung
eines gasförmigen
Kühlmediums,
insbesondere Kühlluft, die
in Richtung der eingezeichneten Pfeile von links nach rechts durch
den Erreger 25 strömt.
Die Strömung
des Kühlmediums
wird durch einen Lüfter 12 erzeugt,
der direkt auf der Rotorwelle 11 angebracht ist und nur
für die
Kühlung
des Erregers 25 zuständig ist.
Der Lüfter 12 ist
konzentrisch vom Haltering 15 umschlossen, so dass ein
ringförmiger
Kühlluftkanal 13 zwischen
Haltering 15 und Rotorwelle 11 gebildet wird,
durch den der Lüfter 12 das
Kühlmedium
fördert.
In der Wand 47 des Halterings 15 sind über den Umfang
verteilt Kühlluftöffnungen 14 (5)
vorgesehen, durch die das vom Lüfter 12 geförderte Kühlmedium
in axialer Richtung in den Erreger 25 eintreten kann. In
Strömungsrichtung
gleich hinter den Kühlluftöffnungen 14 trifft
das einströmende
Kühlmedium
auf die Dioden 24 und nimmt die dort anfallende Wärme auf.
Das Kühlmedium
tritt dann in axialer Richtung durch axiale Kühlkanäle 20 im Erregerrotor 16 und
Erregerstator 17 sowie durch den Luftspalt zwischen Erregerrotor 16 und
Erregerstator 17. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 20 bzw. des Luftspalts
tritt das Kühlmedium
durch Kühlluftöffnungen 22 in
der Tragwand 21 wieder aus dem Erreger 25 aus
und kann zu einer Kühlvorrichtung
geführt werden,
die in 1 nicht gezeigt ist.
-
Die
im Ausführungsbeispiel
der 1 gezeigte Strömung
des Kühlmediums
durch den Erreger 25 ist ausschliesslich axial. Dieser
axialen Strömung
kann jedoch auch eine radiale Strömung überlagert werden. Ein Ausführungsbeispiel
mit einer solchen gemischten axialen und radialen Strömung ist
in 2 wiedergegeben. Zusätzlich zu den bereits aus 1 bekannten Öffnungen
und Kanälen
werden hier durch den Einsatz von Abstandshaltern im Blechpaket
des Erregerrotors 16 radiale Kühlkanäle 27 im Erregerrotor 16 erzeugt,
durch die das Kühlmedium
radial nach aussen strömen
und über
entsprechende Kühlluftöffnungen 26 im
Haltering 15 in den Raum ausserhalb des Halterings 15 austreten
kann. Weiterhin ist zwischen Erregerrotor 16 und Erregerstator 17 und
der Tragwand 21 ein radialer Kühlluftauslass 28 frei
gelassen, durch den das Kühlmedium nach
dem axialen Durchströmen
des Erregers 25 radial nach aussen austreten kann. Durch
die Wahl der Breite sowohl der Abstandshalter als auch des Kühlluftauslasses 28 kann
die Kühlung
des Erregers eingestellt und optimiert werden.
-
Das
Ausführungsbeispiel
der 3 bringt gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
aus 2 zwei Änderungen:
Zum einen ist auf der Ansaugseite des Lüfters 12 durch entsprechende
parallele, senkrecht zur Achse 23 stehende Trennwände 49 und 50,
die mittels Dichtungen S1 und S2 gegen die Rotorwelle 11 bzw.
den Haltering 15 abgedichtet sind, ein radialer Kühllufteintritt 32 verwirklicht.
Zum anderen ist durch eine zentrale Durchgangsöffnung 48 im Erregerstator 17 hindurch
eine an die Rotorwelle 11 angeflanschte Verbindungswelle 30 geführt, die
auf der anderen Seite des Erregers 25 mit einer weiteren Welle 31 verbunden
werden kann und so einen Doppelantrieb ermöglicht. Die Welle 31 reicht
durch eine Gehäusewand
und ist mit einer Dichtung S3 abgedichtet.
-
In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
für einen gekühlten Erreger
dargestellt, bei dem der Erreger 25 gemäss 2 mit einem
radialen Kühllufteintritt 32 gemäss 3 mit
einem separaten geschlossenen Kühlkreislauf
gekühlt
wird. Dazu ist der Erreger 25 mit Abstand unter Bildung
eines Sammelraums 33 von einem Kühlluftgehäuse 34 umschlossen.
Oberhalb des Kühlluftgehäuses 34 ist
eine Kühlvorrichtung 35 (Kühler, Wärmetauscher
oder dgl.) angeordnet, die eingangsseitig mit dem Sammelraum 33 in Verbindung
steht. Das radial aus den Kühlluftöffnungen 26 und
dem radialen Kühlluftauslass 28,
sowie axial durch die Kühlluftöffnungen 22 in
den Sammelraum 33 austretende erwärmte Kühlmedium strömt in Pfeilrichtung
in die Kühlvorrichtung 35,
wird dort wieder abgekühlt
und über
den ausgangsseitig an die Kühlvorrichtung 35 angeschlossenen
radialen Kühllufteintritt 32 zum
Lüfter 12 zurückgeführt. Der
Kühlkreislauf
für den
Erreger 25 gemäss 4 kann
unabhängig
vom Kühlkreislauf
der dynamoelektrischen Maschine ausgelegt und optimiert werden.
-
Eine
andere, vereinfachende Möglichkeit
besteht darin, eine für
die dynamoelektrische Maschine vorgesehene Kühlvorrichtung für den Kühlkreislauf des
Erregers mitzubenutzen. Ein Ausführungsbeispiel
für eine
solche Lösung
ist in 6 wiedergegeben. Die dynamoelektrische Maschine 40 des
Ausführungsbeispiels
hat einen Kühlkreislauf,
bei dem das Kühlmedium
von zwei an den Enden des Rotors 38 angeordneten Lüftern 42, 43 aus
einem hinter der Kühlvorrichtung 41 befindlichen
Verteilungsraum 46 angesaugt und durch den Rotor 38 und
Stator 39 gedrückt
wird, aus denen es radial austritt und wieder zur Kühlvorrichtung 41 zurückgeführt wird.
Der Erreger 25 hat den in 4 gezeigten
Aufbau mit der Änderung,
dass keine eigene Kühlvorrichtung
vorhanden ist. Das im Sammelraum 33 innerhalb des Kühlluftgehäuses 34 gesammelte
Kühlmedium
wird über eine
Kühlluftrückführung 44 zur
Kühlvorrichtung 41 der
Maschine 40 geführt
und dort heruntergekühlt. Von
dem im Verteilungsraum 46 befindlichen heruntergekühlten Medium
wird mittels eines Verbindungskanals 45 ein Teil abgezweigt
und über
den radialen Kühllufteintritt 32 dem
Lüfter 12 des
Erreger-Kühlkreislaufs
zugeführt.
Es resultieren zwei überlagerte Kühlkreisläufe, die
hinsichtlich ihres Durchsatzes wegen der getrennten Lüfter 42, 43 bzw. 12 jedoch
unabhängig
ausgelegt werden können.
-
Insgesamt
ergibt sich mit der Erfindung auf einfache Weise eine Trennung der
Kühlkreisläufe von
Maschine und Erreger, die eine getrennte Optimierung ermöglicht.
-
- 10,
40
- dynamoelektrische
Maschine
- 11
- Rotorwelle
- 12
- Lüfter (axial)
- 13
- Kühlluftkanal
- 14
- Kühlluftöffnung (Haltering)
- 15
- Haltering
- 16
- Erregerrotor
- 17
- Erregerstator
- 18
- Ankerwicklung
- 19
- Feldwicklung
- 20
- Kühlkanal
- 21
- Tragwand
- 22
- Kühlluftöffnung (Tragwand)
- 23
- Achse
- 24
- Leistungshalbleiter,
Diode
- 25
- Erreger
- 26
- Kühlluftöffnung (Haltering)
- 27
- Kühlkanal
- 28
- radialer
Kühlluftauslass
- 29
- Anschlussleiter
- 30
- Verbindungswelle
- 31
- Welle
- 32
- radialer
Kühllufteintritt
- 33
- Sammelraum
- 34
- Kühlluftgehäuse
- 35,
41
- Kühlvorrichtung
- 36
- zentrale Öffnung
- 37
- Kupplungselement
- 38
- Rotor
- 39
- Stator
- 42,
43
- Lüfter
- 44
- Kühlluftrückführung
- 45
- Verbindungskanal
- 46
- Verteilungsraum
- 47
- Wand
(Haltering)
- 48
- Durchgangsöffnung
- 49,
50
- Trennwand
- S1,
..,S3
- Dichtung