DE3528347A1 - Fluessigkeitsgekuehlter elektrischer stromerzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten elektrischen Stromerzeuger als bürstenlosen Generator mit eingebauter Erregermaschine.

Es ist bekannt, elektrische Maschinen mit Wasserkühlung zu beaufschlagen, um die Verlustwärme abzuführen. Diese Wasserkühlung ist in den meisten Fällen eine Mantel­ kühlung. Die Kühlflüssigkeit wird durch einen Doppel­ mantel an der Außenseite des Gehäuses durchgeführt und damit der thermische Ausgleich des Systems herge­ stellt. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß die Verlustwärme aus dem Rotor über den Luftspalt und durch das Statorpaket nach außen infolge des Temperaturge­ fälles über sehr lange Wege abgeführt werden muß. Das beeinträchtigt die Effizienz der Maschine und macht aufwendige Kühlkanäle notwendig.

Ferner ist es bekannt, die Kühlflüssigkeit durch die als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle hindurchzuführen. Auch hier muß die Verlustwärme aus dem aktiven Teil des Rotors über relativ weite Wege zu der Stelle mit dem niedrigsten Wärmeniveau wandern.

Alle diese Maßnahmen erfordern erhebliche bauliche Aufwendungen. Sie lassen eine volle Ausnutzung der Wärmekapazität des Kühlmittels nicht zu. Eine direkte Kühlung eingebauter Komponenten, wie umlaufender Gleich­ richter, Erregerrotoren, Schutzwiderstände etc. ist nicht optimal möglich.

Es sind auch sogenannte Naßläufer-Rotoren bekannt, deren Wicklungen direkt mit Kühlwasser beaufschlagt werden. Das setzt eine sehr aufwendige Isolation voraus.

Die Erfindung hat die Aufgabe, den baulichen Aufwand für die Zuleitung des Kühlmittels herabzusetzen und gleichzeitig die Wirksamkeit der Kühlung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kühlflüssig­ keit durch die Luftspalte zwischen Stator und Rotor geführt wird und daß Stator und Rotor durch vakuumdicht eingeschweißte Spaltrohre geschützt sind, welche die Verlustwärme unmittelbar an die Kühlflüssigkeit ab­ leiten. Die Kühlflüssigkeit wird so in unmittelbare Nähe derjenigen Bereiche von Stator und Rotor gebracht, in denen die Verlustwärme erzeugt wird. Die Verlust­ wärme kann über sehr kurze Wärmewege in die Kühlflüssig­ keit abwandern. Dadurch werden die Verlustwärmequellen effizienter gekühlt und auf einem niedrigeren Tempera­ turniveau gehalten. Die vakuumdicht eingeschweißten Spaltrohre schützen die Wicklungen vor der Kühl­ flüssigkeit und sorgen gleichzeitig mit ihrer großen Oberfläche für einen guten Wärmeübergang. Dabei werden sowohl die Hauptpakete des Generators als auch die Zusatzpakete der Erregermaschine unmittelbar gekühlt.

Die Kühlung wird weiter verbessert durch einen axialen Kühlkanal durch den Rotor, durch den ein Kühlmittel­ teilstrom geführt wird, der den Rotor zusätzlich von innen kühlt.

Die mit dieser Erfindung vorgeschlagene Kühlung ist konstruktiv und fertigungstechnisch wesentlich weniger aufwendig als die bisher gebräuchlichen Mantelkühlungen und Naßläufer-Kühlungen. Gleichzeitig wird die Wirksam­ keit der Kühlung stark verbessert und dadurch erreicht, daß die Einbaumaße und das Gewicht des Stromerzeugers im Vergleich zu einem herkömmlichen Stromerzeuger gleicher elektrischer Leistung fast auf die Hälfte verringert werden.

Spaltrohre aus Edelstahl erlauben, auch chemisch aggressive Kühlmittel zu verwenden. Dann kann der Kühl­ mittelstrom des Stromerzeugers ohne besondere Vorsichts­ maßnahmen mit dem Kühlmittel- oder Flüssigkeitskreis­ lauf anderer Aggregate zusammengeschlossen werden.

Die Kühlung und Effizienz des Stromerzeugers wird weiter verbessert, indem die umlaufenden Gleichrichterdioden des Rotors in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit dem gekühlten Rotormantel verbunden werden. Auch die Leistungsdioden zur Erzeugung einer Ausgangs-Gleich­ spannung können im Generator mit eingebaut werden und durch die Kühlflüssigkeit mit gekühlt werden.

Im folgenden wird die Erfindung für ein Ausführungs­ beispiel anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen gekühlten Stromerzeuger nach dieser Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Teilausschnitt mit einer Einzel­ heit.

In den Figuren ist ein bürstenloser Innenpol- Syn­ chron-Generator mit eingebauter Erregermaschine als Außenpol-Generator dargestellt. Durch die Remanenz im Stator 16 der Erregermaschine wird im Rotor 15 der Erregermaschine eine Spannung induziert, die im um­ laufenden Gleichrichter 25 gleichgerichtet und der Erregerwicklung des Hauptpolrades 14 zugeführt wird. Das umlaufende Hauptfeld induziert im Hauptstator 13 die Ausgangsspannung, die über den Ladungsgleichrichter, die Leistungsdiode 27 gleichgerichtet werden kann.

In das Gehäuse 12 sind der Hauptstator 13 des Generators und der Stator 16 der Erregermaschine eingeschrumpft. Der B-seitige Gehäuseflansch 17 ist mit dem Gehäuse­ mantel dicht verschweißt. Unmittelbar vor den Stator­ polschuhen liegt das Stator-Spaltrohr 10, welches an den Stirnseiten des Gehäuses mit den Gehäuseflanschen vakuumdicht verschweißt ist.

Die Rotorwelle 3 ist mit einem Mantel 32 umgeben, der wiederum das Rotorhauptpaket 14 des Hauptpolrades, den zusätzlichen Rotor 15 der Erregermaschine, den umlaufenden Gleichrichter 25 sowie die beiden stirn­ seitigen Rotorflanschen 7 und 19 trägt. Das Rotorspalt­ rohr 11 ist über die Polschuhe der beiden Rotorpakete geschoben und mit den stirnseitigen Rotorflanschen 7 und 19 vakuumdicht verschweißt.

Der antriebsseitige Lagerschild 8 trägt das antriebs­ seitige Kugellager 2 mit dem antriebsseitigen Lager­ deckel 6. Die Schnittstellen zwischen Gehäuse, Lager­ schild und Lagerdeckel werden durch die O-Ringe 5 und 9 abgedichtet und die Schnittstelle zwischen Lagerdeckel 6 und Welle durch die antriebsseitige Gleitringdichtung 1. Der vor dem Lager sitzende Simmering 4 verhindert das Austreten von Schmierfett.

Auf der B-Seite trägt der Lagerschild 20 das Kugel­ lager 23 für die Welle 3 und den Lagerdeckel 21. Die Schnittstelle zwischen Gehäuse und Lagerschild 20 dichtet der O-Ring 18. Der O-Ring 22 zwischen Lager­ schild 20 und Lagerdeckel 21 läßt das Schmierfett nicht nach außen dringen. Die auf der Welle 3 sitzende Gleit­ ringdichtung 24 dichtet die umlaufende Welle gegen den Lagerschild 20 ab.

In den beiden Lagerschilden 8 und 20 befinden sich die Einlaß- und Auslaßkanäle 29 und 30 für die Kühl­ flüssigkeit. Diese strömt vom Einlaß durch den Spalt zwischen dem Statorspaltrohr 10 und dem Rotorspalt­ rohr 11 zum Auslaß und nimmt dabei die Verlustwärme auf, die im wesentlichen in den Wicklungen sowie im aktiven Teil der Stator- und Rotorpakete erzeugt werden. Das sind vor allem die Bereiche unmittelbar unterhalb der Spaltrohre.

Zwischen der Welle 3 und dem Rotormantel 32 befindet sich der zusätzliche axiale Kühlkanal 28. Hierüber wird ein Teilstrom der Kühlflüssigkeit geführt, der den Rotor von innen kühlt. Die im Rotor sitzende um­ laufende Gleichrichterdiode 25 ist in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit dem Rotormantel 32 verbunden und wird unmittelbar von der durch den axialen Kühl­ kanal 28 strömenden Kühlflüssigkeit gekühlt.

Unten in Fig. 1 erkennt man den Klemmkasten 26.

In Fig. 2 sieht man, wie der Leistungsgleichrichter 27, mit welchem eine Ausgangsgleichspannung erzeugt wird, mit dem B-seitigen Lagerschild so verbunden ist, daß ein Teil des Leistungsgleichrichters von der Kühl­ flüssigkeit 31 im Inneren des Gehäuses umspült wird. Dadurch kann eine externe Gleichrichterbrücke entfallen und die Größe der Gleichrichterdioden durch die optimale Kühlung klein gehalten werden.

Claims (5)

1. Flüssigkeitsgekühlter elektrischer Stromerzeuger als bürstenloser Generator mit eingebauter Erreger­ maschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit 31 durch die Luftspalte zwischen Stator 13, 16 und Rotor 14, 15 geführt wird und daß Stator und Rotor durch vakuumdicht eingeschweißte Spaltrohre 10, 11 geschützt sind, welche die Verlustwärme unmittelbar an die Kühl­ flüssigkeit 31 ableiten.

2. Stromerzeuger nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch einen zusätzlichen axialen Kühlkanal 28 durch den Rotor 14, 15.

3. Stromerzeuger nach Anspruch 1 und 2, gekenn­ zeichnet durch Spaltrohre 10, 11 aus Edel­ stahl.

4. Stromerzeuger nach Ansprüchen 1, 2 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die im Rotor umlaufenden Gleichrichterdioden 25 unmittel­ baren wärmeleitenden Kontakt mit dem Rotormantel 32 besitzen.

5. Stromerzeuger nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungs­ dioden 27 zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung im Stator so eingebaut sind, daß sie durch die Kühl­ flüssigkeit 31 geschützt sind.