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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen elektrischen Antrieb einer Vertikalmühle.
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In der Regel wird die Verlustleistung der Wicklungen und Blechpakete eines elektrischen Motors, welche bei einem Synchronmotor in einem Bereich von 1,5 bis 3% liegen kann, mittels eines Luft-Luft- oder Luft-Wasser-Wärmetauschers abgeführt.
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WO 2007/031381 A1 (Siemens) 22.03.2007 beschreibt eine elektrische Maschine mit einem Stator, der axial verlaufende Kühlkanäle im Blechpaket und/oder zwischen dem Stator und einem Gehäuse aufweist, und einem Rotor, dessen Blechpaket auf einer Nabenkonstruktion mit Innenbohrung positioniert ist, wobei in oder am Blechpaket Permanentmagnete angeordnet sind. Dabei erfolgt eine Kühlung von Stator und Rotor durch einen erzwungenen Luftstrom. Zusätzlich kann der Stator durch eine Wassermantelkühlung gekühlt werden. Eine solche Maschine kann z.B. ein permanenterregter Synchronmotor sein.
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Es gibt Einbausituationen für elektrische Motoren, bei denen der Motor-Stator gekapselt ist, so dass eine herkömmliche Kühlung des Motors nicht realisierbar ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlung für einen elektrischen Motor bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühleinrichtung nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 7. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist für einen elektrischen Antrieb, z.B. einen permanenterregten Synchronmotor, einer Vertikalmühle geeignet. Die Kühleinrichtung umfasst ein zu kühlendes Antriebsmodul des elektrischen Antriebs, einen Wärmetauscher, einen Kühlmittelbehälter und eine Rohrleitung, um ein Kühlmediums in einem geschlossenen Kreislauf von dem Antriebsmodul über den Wärmetauscher und den Kühlmittelbehälter zurück zum Antriebsmodul zu pumpen. Das zu kühlende Antriebsmodul umfasst einen gekapselten Stator des elektrischen Antriebs umfasst. Der Kühlmittelbehälter weist eine Entlüftung auf, um einen Überdruck des Kühlmediums im Kreislauf zu verhindern.
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Ein gekapselter Stator eines elektrischen Antriebs ist in der
DE 10 2010 039 397 A1 (Siemens) 23.03.2012 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Dieses Patentdokument beschreibt einen Elektromotor, der einen zylinderförmigen Läufer besitzt, der auf einer Welle drehbar in einem Gehäuse gelagert ist. Der Läufer ist permanentmagnet-erregt und besitzt daher an seinem Außenmantel entsprechende Permanentmagnete. Der Läufer besitzt hier außerdem axial verlaufende Kühlbohrungen, durch die Kühlluft strömt, die von einem inneren Ventilator angetrieben wird. Der zylindrische Läufer ist von einem hohlzylindrischen Stator umgeben, der an seinen Stirnseiten Wickelköpfe besitzt. Weiterhin wird darin beschrieben, dass der Stator gegenüber seiner Umgebung gekapselt ist. Vorteile einer solchen Trennung der elektrisch erregten Aktivteile eines Motors und der nicht elektrisch erregten Aktivteile eines Motors durch eine Kapselung des Stators sind ein verbesserter Zündschutz und die Beschränkung auf eine statische Dichtung. Die Kapselung wird an der Innenseite des Stators vorzugsweise durch ein Rohr gebildet, das aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sein kann. Damit ist das Rohr einerseits sehr stabil und leicht und andererseits ist dieser Werkstoff nicht elektrisch leitend, sodass Wirbelströme in dem Rohr vermieden werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer Kühleinrichtung für einen elektrischen Antrieb einer Vertikalmühle. Die Kühleinrichtung umfasst ein zu kühlendes Antriebsmodul des elektrischen Antriebs, einen Wärmetauscher, einen Kühlmittelbehälter und eine Rohrleitung, wobei das zu kühlende Antriebsmodul einen gekapselten Stator des elektrischen Antriebs umfasst. In dem Verfahren wird ein Kühlmediums in einem geschlossenen Kreislauf von dem Antriebsmodul über den Wärmetauscher und den Kühlmittelbehälter zurück zum Antriebsmodul gepumpt. Der Kühlmittelbehälter wird so entlüftet, dass ein Überdruck des Kühlmediums im Kreislauf verhindert wird.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine effiziente Kühlung eines abgeschlossenen und daher einer Luftkühlung nicht zugänglichen Vertikalmühlenantriebs realisiert werden kann, wenn das Kühlmedium die Wärmequelle direkt kühlt und die Komponenten der Kühleinrichtung von außen montierbar bzw. zugänglich sind. Die Erfindung löst dabei die Kühlung von Antriebsmodulen, die aufgrund ihrer relativ hohen Wärmeabgabe mit einer reinen Wassermantelkühlung nicht ausreichend gekühlt werden können.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann vorteilhaft für ein Mühlenantriebssystem einer Vertikalmühle eingesetzt werden, wie es in
EP 2295147 A1 (Siemens) 16.03.2011 beschrieben ist. Es handelt sich dabei um ein Mühlenantriebssystem mit einem unterhalb eines Mahltellers anordenbaren Getriebe mit zumindest einer Planeten- und/oder Stirnradstufe, das eine vertikale Wellenlage aufweist, und einem in ein Gehäuse des Getriebes integrierten elektrischen Motor, dessen Rotor und Stator sich vertikal erstreckende Achsen aufweisen. Dieses Antriebskonzept besitzt einen Motor, der im Getriebegehäuse unter den Planetenstufen verbaut ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Kühlmedium ein Öl, insbesondere ein Transformator-Öl. Ein Trafo-Öl zeichnet sich durch eine ausgesprochen gute Kühlwirkung aus.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmetauscher ein Luft- oder Wasserkühler.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Kühleinrichtung eine Steuerungseinheit zur Steuerung eines Volumenstroms des umgepumpten Kühlmediums und/oder einer Leistung des Wärmetauschers. Durch eine Steuerung wird der Volumenstrom bzw. die Kühlmedium-Menge und Kühl-Lüfterleistung je nach Bedarf an den Prozess angepasst; das verbessert die Effizienz des Kühlsystems.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Antriebsmodul eine Eintrittsöffnung zum Eintritt des Kühlmediums in das Antriebsmodul und eine vertikal oberhalb der Eintrittsöffnung liegende Austrittsöffnung zum Austritt des Kühlmediums aus dem Antriebsmodul auf.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist eine Vertikalmühle mit einer Kühleinrichtung wie in diesem Text beschrieben.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Niveau des Kühlmediums im Kühlmittelbehälter über dem Niveau des Kühlmediums im Antriebsmodul gehalten. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass Wärme abgebende Bauteile des Stators, z.B. stromdurchflossene Wicklungen, vollständig vom Kühlmedium bedeckt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Kühlmedium im geschlossenen Kreislauf drucklos gehalten. Dies ist von Vorteil, falls zumindest ein Teil des Gehäuses bzw. der Kapselung des zu kühlenden Antriebsmoduls des elektrischen Antriebs aus einem druckempfindlichen Material besteht, z.B. aus einem Faserverbundwerkstoff mit geringeren Festigkeitswerten als herkömmliche metallische Werkstoffe wie Stahl.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu
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1 einen Kreislauf des Kühlmediums; und
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2 eine Ausgestaltung der Kühleinrichtung im Schnitt.
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1 zeigt schematisch einen Kreislauf des Kühlmediums. Ein von dem Kühlmedium durchströmtes Antriebsmodul 10 des elektrischen Antriebs, z.B. eine den elektrisch erregten Stator enthaltende Kapsel, weist eine Austrittsöffnung 10.1 auf, aus welcher das Kühlmedium, nachdem es dem Antriebsmodul 10 Wärme entzogen hat, aus dem Antriebsmodul 10 austritt. Über eine Fluidleitung 13.1 wird das Kühlmedium zu einem Wärmetauscher 11 geführt, wo es Wärme an ein weiteres Medium, z.B. Luft oder Wasser, abgibt.
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Das abgekühlt aus dem Wärmetauscher 11 austretende Kühlmedium wird über eine weitere Fluidleitung 13.2 zu einem Kühlmittelbehälter 12 geführt. Der Kühlmittelbehälter 12 dient als Vorratstank und als Ausgleichsbehälter. Mit der Temperatur wächst das Volumen des in dem geschlossenen Kreislauf enthaltenen Kühlmediums. Ein wärmebedingter Volumenzuwachs des Kühlmediums wird durch das ausreichend bemessene Volumen des Kühlmittelbehälters 12 aufgefangen. Um einen unerwünschten Überdruck im geschlossenen Kreislaufsystem zu vermeiden, weist der Kühlmittelbehälter 12 eine Entlüftungsvorrichtung 12.1 auf.
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Von dem Kühlmittelbehälter 12 wird das Kühlmedium über eine weitere Fluidleitung 13.3 zurück zu dem Antriebsmodul 10 geführt, in welches das Kühlmedium über eine Eintrittsöffnung 10.2 eintritt, um dem Antriebsmodul 10 erneut Wärme zu entziehen. Der Transport des Kühlmediums durch das geschlossene Kreislaufsystem wird durch mindestens eine Pumpe 14 hervorgerufen. Um einen Überdruck im Antriebsmodul 10 zu vermeiden, ist die Pumpe 14 in Strömungsrichtung hinter dem Austrittsöffnung 10.1 des Antriebsmoduls 10 in den Kreislauf geschaltet, wo sie saugend arbeitet.
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Die Kühleinrichtung weist außerdem eine Steuereinrichtung 17 auf, welche der Steuerung eines Volumenstroms des umgepumpten Kühlmediums, d.h. der Pumpleistung der Pumpe 14, und/oder einer Kühlleistung des Wärmetauschers 11 dient.
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2 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung. In einer Kapsel 10, die einen elektrisch erregten Stator eines permanenterregten Synchronmotors zum Antreiben einer Mahlschüssel einer Vertikalmühle enthält, steht zur Kühlung dienendes Trafo-Öl bis zu einem vorgegebenen Niveau 15, so dass alle wärmeabgebenden Teile, insbesondere die stromdurchflossenen Windungen des Stators, vollständig mit Öl bedeckt sind.
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Die Kapsel 10 ist hermetisch geschlossen. Aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus – die dem nicht dargestellten, elektrisch nicht erregten Rotor des Motors zugewandte Kapselwand der Kapsel 10 ist durch ein zylindrisches Rohrstück aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet – ist ein Überdruck in der Kapsel 10 unerwünscht.
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Über eine oberhalb der horizontalen Mittenebene der Kapsel 10 liegende Austrittsöffnung 10.1 wird das erwärmte Öl mittels einer Pumpe 14 aus der Kapsel 10 gesaugt, z.B. mit einem Unterdruck von 0,8 bar, und durch eine Rohrleitung 13.1 zu einem Öl-Luft-Wärmetauscher 11 transportiert. Alternativ kann es sich um einen Öl-Wasser-Wärmetauscher handeln. Das in dem Wärmetauscher 11 abgekühlte Öl wird durch eine Rohrleitung 13.2 in einen Kühlmittelbehälter 12 transportiert, in dem das Öl bis zu einem Niveau 16 steht, so dass der Kühlmittelbehälter 12 zu ca. 3/4 mit Öl gefüllt ist. Der Luftraum über dem Ölspiegel steht über eine Entlüftungsvorrichtung 12.1 mit der Umgebungsluft in Kontakt.
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Die Dimensionierung des Kühlmittelbehälters 12 ist beispielsweise so gewählt, dass bei einer Öltemperatur von 20°C das Niveau 15 des Trafo-Öls in der Statorkapsel 10 gleich dem Niveau des Trafo-Öls in dem Kühlmittelbehälter 12 ist.
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Aus dem Kühlmittelbehälter 12 erfolgt der Rücklauf des Öls zur Statorkapsel 10, in die das Öl über eine Eintrittsöffnung 10.2 gelangt, z.B. unter einem Druck von 0,2 bar.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/031381 A1 [0003]
- DE 102010039397 A1 [0008]
- EP 2295147 A1 [0011]
