DE3031421A1 - Elektrische maschine mit einem ueber geschlossene kuehlkanaele verlaufenden innenkuehlkreis - Google Patents

Elektrische maschine mit einem ueber geschlossene kuehlkanaele verlaufenden innenkuehlkreis

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DE3031421A1
DE3031421A1 DE19803031421 DE3031421A DE3031421A1 DE 3031421 A1 DE3031421 A1 DE 3031421A1 DE 19803031421 DE19803031421 DE 19803031421 DE 3031421 A DE3031421 A DE 3031421A DE 3031421 A1 DE3031421 A1 DE 3031421A1
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cooling
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DE19803031421
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Hans-Jörg Dr. Hammer
Joachim 8520 Erlangen Lubos
Karl-Heinz Saling
Johannes Dipl.-Ing. Schneidr
Eike Dipl.-Ing. Triest
Günter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Woydt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Description

  • Elektrische Maschine mit einem über geschlossene Kühl-
  • kanäle verlaufenden Innenkühlkreis Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einem über geschlossene Kühlkanäle verlaufenden Innenkühlkreis, dessen vom Kühlmedium durchflossene Kühlkanäle direkt in und/oder benachbart zu den magnetisch und elektrisch aktiven, stehenden und/oder rotierenden Teilen der Maschine verlaufen und zu einem Wärmetauscher führen, in dessen Außenkreis das Sekundärkühjmittel fließt. Eine derartige Maschine ist aus der AT-PS 264 652 bekannt. Bei dieser bekannten Maschine ist im geschlossenen Innenkühlkreis Wasser als Kühlmedium verwendet. Dieses fließt durch die geschlossenen Kühlkanäle sowohl des Ständers als auch des Läufers und wird dann zu einem Wärmetauscher geführt, wo es rückgekühlt wird.
  • Weiterhin ist es aus der DE-PS 954 818 bekannt, den Innenkühlkreis einer elektrischen Maschine mit einem Wärmepumpenkreis zu koppeln, um die Verlustwärme der Maschine durch Speisung eines Verbrauchers zwecRaumheizung oder Warmwasserversorgung auszunutzen. Der geschlossene Wärmepumpenkreis besteht aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Drossel. Sein Verdampfer befindet sich bei der bekannten Anordnung in unmittelbarem oder mittelbarem Wärmeaustausch mit dem Kühlmedium des Innenühhlkreises der elektrischen Maschine, sein Kondensator liegt in einem Wärmeaustausch mit dem Medium des Außenkreises. Das Kühlmedium des Wärmepumpenkreises nimmt in der Maschine aus dem Kühlmittel über den Verdampfer die für seine Verdampfung notwendige Wärme auf. Das gasförmige Kühlmedium wird dann von einem Verdichter angesaugt und verdichtet somit auf eine im Vergleich zur Verdampfungstemperatur höhere Temperatur gebracht. Im Kondensator wird es dann unter Abgabe seiner Verdampfungse und Kompressionswärme wieder verflüssigt, wodurch das Kühlmedium des Außenkreises auf das gewünschte Temperaturniveau zur Versorgung des Verbrauchers gehoben wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer elektrischen Maschine der eingangs beschriebenen Art zu intensivieren, um die Ausnutzung der Maschine zu verbessern.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die elektrische Maschine gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß der Verteiler für das vom Wärmetauscher kommende, in den Innenraum der Maschine eingetretene Primärkühlmittel als Drossel eines an sich bekannten geschlossenen, aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Drossel bestehenden einstufigen Wärmepumpenkreises ausgebildet ist, dessen Verdampfer von den Kühlkanälen gebildet ist, und daß das Kühlmedium gesammelt dem Verdichter zugeführt ist, der vor dem im Wärmetauscher befindlichen Kondensator liegt. Der InnenkUhlkreis der elektrischen Maschine ist also als Wärmepumpenkreis ausgebildet. Die geschlossenen Kühlkanäle selbst dienen dabei als Verdampfer und das Kühlmedium kann unmittelbar an den Verlustquellen, d. h. den wärmeerzeugenden Stellen, an denen die Kühlkanäle vorgesehen sind, die Verlustwärme bei der Verdampfung aufnehmen. Dabei erhält man neben der großen Wärmeaufnahmefähigkeit noch den Vorteil, daß in den Kühlkanälen über ihrer gesamten Länge die gleiche Temperatur, nämlich die Verdampfungstemperatur herrscht, die auf einem beliebig tieferen Niveau als mit den bisher bekannten Kühlverfahren gehalten werden kann. Ftir den Innenkühlkreis wird daher eine geringere Kühlmittelmenge als bisher üblich benötigt, die Kühlkanalquerschnitte können entsprechend verringert werden. Bei gleicher Leistung der Maschine ist also ein geringeres Maschinenvolumen erforderlich, was noch durch die intensivere Kühlung weiterhin unterstützt wird. Die Ausnutzung der Maschine ist also wesentlich verbessert.
  • Es empfiehlt sich, daß zusätzlich ein zweiter Kühlkreis vorhanden ist, dessen Kühlgas im Innenraum der Maschine im geschlossenen Kreislauf umläuft, wobei es über den Luftspalt, den Wickelkopf der Ständerwicklung und das Ständerblechpaket geleitet ist. Ein derartiger zusätzlicher zweiter Kühlkreis wird sich immer dann einstellen, wenn das Innere des Maschinengehäuses von einem Gas gefüllt ist, das durch die Rotation des Läufers und die infolge unterschiedlicher Erwärmungen des Ständers sich einstellenden Druckverhältnisse in einem sich kurzschließenden Kreislauf umgewälzt wird. Unter Umständen kann dieser zweite Kühlkreis ausreichend sein, um die im Läufer entstehende Wärme an den im Ständer vorhandenen Teil des Wärmepumpenkreises abzugeben.
  • Um das Wirksamwerden des Wärmepumpenkreises während des Betriebes der elektrischen Maschine zu garantieren, ist es vorteilhaft, daß der Verdichter direkt oder indirekt von der elektrischen Maschine angetrieben ist. Dadurch ist sichergestellt, daß die elektrische Maschine nicht in Betrieb genommen werden kann, ohne daß gleichzeitig der Verdichter arbeitet.
  • Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Fig. 1 bis 5 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. 1, 2 und 5 zeigen jeweils schematisch dargestellte Längsschnitte durch die elektrische Maschine mit dem Aufbau ihres Innenkühlkreises. Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Leiter der Ständerwicklung. In Fig. 4 ist ein Teil eines Radialschnittes durch die Fig. 5 entlang der Schnittlinie IV-IV ebenfalls schematisch dargestellt.
  • Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, deren Ständer 2 mit einem über geschlossene Kühlkanäle 3 (siehe Fig. 3) im Innern (1er Ständerwicklung 4 verlaufenden Innenkühlkreis 5.
  • Dieser Innenkühlkreis 5 ist als Wärmepumpenkreis ausgebildet, der den Verdichter 6 und den Kondensator 7 enthält.
  • Der Verdichter 6 ist auf bzw. an der Welle 8 der elektrischen Maschine angeordnet und wird von dieser angetrieben. Der Kondensator 7 liegt in dem zur Rückkühlung dienenden Wärmetauscher 9, dessen zweites Rohrsystem 10 von dem Sekundärkühlmittel durchflossen wird. Es ist aber auch möglich, das Rohrsystem 10 durch den Verdampfer eines zweiten zwischengeschalteten Wärmepumpenkreises zu ersetzen.
  • Das von dem Wärmetauscher 9 kommende, in den Innenraum 11 der Maschine 1 eingetretene Kilhlmedium wird zu einem auf einer Stirnseite der Maschine liegenden Verteiler 12 geleitet, der die Funktion der Drossel im Wärmepumpenkreis 5 übernimmt und von dem aus das Kühlmittel in die durch die hohlen Leiter gebildeten geschlossenen Kühlkanäle 3 in der Ständerwicklung 4 eintritt. Diese Kühlkanäle 3 dienen als Verdampfer des Wärmepumpenkreises 5, d. h. das Kühlmedium verdampft in den Kühlkanälen 3 und führt dabei direkt an den elektrisch aktiven Teilen die entstehende Verlustwärme ab. Die Verdampfung findet über der gesamten Länge der Kühlkanäle 3 statt, die demzufolge auch alle die Verdampfertemperatur aufweisen. Auf der anderen Stirnseite der Maschine ist am Wickelkopf 13 eine Sammelleitung 14 vorgesehen, von der aus das Kühlmittel gesammelt dem Verdichter 6 zugeführt ist. Dieser liegt vor dem im Wärmetauscher 9 befindlichen Kondensator 7.
  • Da der Innenraum 11 der elektrischen Maschine 1 von einem Gas, z. B. Luft, gefüllt ist, entsteht durch die Rotation des Läufers 15 zusätzlich ein zweiter durch Pfeile angedeuteter Kühlkreis 16, der über den Luftspalt 17 und Kühlschlitze 18 im Ständerblechpaket 19 verläuft und sich über die Wickelköpfe 13 der Ständerwicklung 4 schließt. Er reicht aus, um die auch im Läufer 15 entstandene Warme auf den Ständer 2 zu übertragen, wo sie von dem Innenkühlkreis 5 aufgenommen wird. Das Gehäuse 20 kann an den Flächen mit einer Wärmeisolation versehen sein, an denen die Innentemperatur tiefer als die Außentemperatur liegt.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Fig. 2. Für gleiche Teile sind die gleichen Bezugszeichen beibehalten. Der Innenkühlkreis 5 in Form eines Wärmepumpenkreises für die direkte Kühlung der Ständerwicklung 4 über geschlossene Kühlkanäle 3 ist hier in gleicher Weise ausgebildet. Zusätzlich ist auf der Welle 8 ein stehender Zuführungskopf 21 vorgesehen, über den ein Teilkreis des Innenkühlkreises 5 geleitet ist, der zur Kühlung der Wicklung 22 des Läufers 15 dient. Zu diesem Zweck ist die Wicklung 22 mit nur schematisch angedeuteten geschlossenen Kühlkanälen 23 versehen, in welche das vom Zuführungskopf 21 kommende Kühlmedium über den Verteiler 24 eintritt, der als Drossel dient. In den Kühlkanälen 23 findet dann die Verdampfung des Kühlmediums statt, wobei die in der Läuferwicklung 22 entstandene Wärme von dem Kühlmedium aufgenommen wird. Es wird dann über die Sammelleitung 25 und den Zuführungskopf 21 gemeinsam mit dem von der Sammelleitung 14 im Ständer 2 kommenden Kühlmedium dem Verdichter 6 zügeleitet. Nach entsprechender Kompression fließt dann das Kühimedlum über den Kondensator 7 im Xårmetauscher 9 und wird dort rückgekühlt, um wiederum den Verteilern 12 und 24 zugeleitet zu werden. Auch hier ist der Innenraum 11 des Gehäuses 20 luftgefüllt und diese Luft läuft in einem geschlossenen zusätzlichen Kühlkreis16 um, bedingt durch die Rotation des Läufers 15, wobei sie über den Luftspalt 17 die Kühlschlitze 18 im Ständerblechpaket 19 und die Wickelköpfe 13 der Ständerwicklung 4 geführt ist. Durch diesen zusätzlichen Kühlkreis 16 werden die Läufer und Ständereisen-, sowie die Luftreibungsverluste über die Wickelköpfe 13 an das Kühlmedium des Innenkühlkreises 5 abgegeben.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Ableitung der Verluste aus dem Ständerblechpaket 19 ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Hier sind in dem Ständerblechpaket 19, über der Länge verteilt in einigen Radialebenen und in diesen längs des Umfanges verteilt, Verdampfungskammern 26 angeordnet, denen das vom Kondensator 7 kommende rUckgekühlte Kühlmedium über die Drossel 27 zugeführt ist. In den Verdampferkammern 26, die zusammen mit den Blechen des Ständerblechpaketes 19 axial verspannt sind, findet die Verdampfung des Kühlmediums statt. Dieses wird dann gesammelt dem Verdichter 6 wieder zugeleitet. Diese besondere in Fig. 4 dargestellte Ausbildung des Innenkühlkrcises 5 kann, wie in Fig. 5 angedeutet, parallel zu einem über die Kühlkanäle 3 der Ständerwicklung 4 ausgebildeten Zweig des InnenkUhlkreises 5 vorgesehen sein. Dieser zweigt vor der Drossel 27 ab, da hier der Verteiler 12 als Drossel wirkt und vereinigt sich wieder vor der Zuführung zum Verdichter 6.
  • 7 Patentansprüche 5 Figuren Leerseite

Claims (7)

  1. Patentansprüche 7.)Elektrische Maschine mit einem über geschlossene Kühlkanäle verlaufenden Innenkühlkreis, dessen vom Kühlmedium durchflossene Kühlkanäle direkt in und/oder benachbart zu den magnetisch und elektrisch aktiven, stehenden und/oder rotierenden Teilen der Maschine verlaufen und zu einem Wärmetauscher führen, in dessen Außenkreis das Sekundärkühlmittel fließt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Verteiler (12,24) für das vom Wärmetauscher (9) kommende, in den Innenraum (11) der Maschine (1) eingetretene Kühlmedium als Drossel eines an sich bekannten geschlossenen, aus Verdampfer (3,23,26), Verdichter (6), Kondensator (7) und Drossel (12,24) bestehenden einstufigen Wärmepumpenkreises ausgebildet ist, dessen Verdampfer von den Kühlkanälen (3,23,26) gebildet ist, und daß das Kiihlmedium gesammelt dem Verdichter (6) zugeführt ist, der vor dem im Wärmetauscher (9) befindlichen Kondensator (7) liegt.
  2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t 9 daß zusätzlich ein zweiter Kühlkreis (16) vorhanden ist, dessen Kühlgas im Innenraum (11) der Maschine (1) in geschlossenem Kreislauf umläuft, wobei es über den Luftspalt (17), den Wickelkopf (13) der Ständerwicklung (4) und das Ständerblechpaket (19) geleitet ist.
  3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Ständer (2) und im Läufer (15) parallelgeschaltete, geschlossene Teilinnenkühlkreise mit jeweils Drossel (12,24) und Verdampfer (3,23) vorgesehen sind.
  4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i zu c h n e t , daß die hohlen Leiter (3,23) der Maschinenwicklungen als Verdampfer ausgebildet sind.
  5. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 3; d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Ständer blechapekt (19) über die Länge verteilt jeweiis in einer Radialebene liegende Verdampferkammern (26) angeordnet sind.
  6. 6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dieVerdampferkammerr (26) parallel zur Kühlung der Ständerwicklung (4) geschaltet sind.
  7. 7. Elektrische Maschine nach Anspruch1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verdichter (6) direkt oder indirekt von der elektrischen Maschine (1) angetrieben ist.
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