DE102007021723B4

DE102007021723B4 - Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102007021723B4
Application number: DE200710021723
Authority: DE
Inventors: Frank Seibicke
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: DE102007021723A1

Abstract

Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) mit zumindest im Stator (2) und im Rotor (3) verlaufenden Kühlkanälen (8, 9) und Mitteln (6, 10) zur Eigen- und Fremdbelüftung, wobei diese Mittel (6, 10) in den zumindest teilweise gemeinsamen Kühlkanälen (8, 9) einen Kühlluftstrom bewirken und wobei im Weg des Kühlluftstroms druckgesteuerte und/oder elektrisch geregelte Rückschlagklappen (11) vorhanden sind um bei unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrischen Maschine das Zusammenspiel von Eigen- und Fremdbelüftung zu beeinflussen und Belüftungskurzschlüsse zwischen diesen beiden Belüftungen zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte rotierende elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor und Mitteln zur Eigen- und Fremdbelüftung.
Luftgekühlte rotierende elektrische Maschinen werden entweder mit Hilfe eines fremd- oder eines selbstbelüfteten Kühlkreislaufes betrieben. Selbstbelüftete Maschinen, insbesondere mit einem Wellenlüfter haben den Vorteil der Ausfallsicherheit, da die Lüfter direkt mit der Welle gekoppelt sind. Sie sind aber in der Betriebsdrehzahl an die Drehzahl der elektrischen Maschine gebunden und sind daher meist nicht für niedrige Drehzahlen der elektrischen Maschine einsetzbar, da dort der notwendige Luftdurchsatz fehlt.
Fremdbelüftete Maschinen weisen statt eines Wellenlüfters externe Zusatzlüfter auf, die im Betrieb der elektrischen Maschine unabhängig von ihrer Drehzahl arbeiten, aber ein Risiko bezüglich eines Ausfalls während des Betriebs der elektrischen Maschine darstellen.
Kombinationen von Fremd- und Selbstbelüftung sind der JP 2003 339138 AA zu entnehmen. Dort sind zusätzlich zu Wellenlüftern an den Stirnseiten des Stators angebrachte Zusatzlüfter vorhanden, die einen zusätzlichen Kühlluftstrom erzeugen.
Aus der JP 3040733 A2 ist eine elektrische Maschine mit einem Wellenlüfter und einem Zusatzlüftern bekannt, die durch Unterdruck einen Kühlluftstrom im Stator erzeugen.
Aus der US 1 599 065 ist ebenfalls eine elektrische Maschine bekannt, bei der zusätzlich zu einem Wellenlüfter ein parallel dazu arbeitender Fremdlüfter eingesetzt ist.
Nachteilig dabei ist, dass sich durch verschiedene Betriebszustände der elektrischen Maschine, d. h. unterschiedliche Drehzahlen der Wellenlüfter dementsprechende Luftmengen bereitstellen. Des Weiteren stellen die Fremdlüfter bei konstanter Regelung einen konstanten Luftdurchsatz bereit, unabhängig von der Drehzahl der Maschine. Dadurch können sich zwischen den jeweiligen Belüftungssystemen Belüftungskurzschlüsse einstellen, die die Kühleffizienz der Maschine herabsetzen und so das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine verschlechtern.
Aus der AT-PS 105 540 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der der innere Rotorbereich eigengekühlt und der äußere Rotor- sowie der Statorbereich fremdgekühlt wird. Diese beiden Bereiche sind durch Trennwände V und W getrennt, wobei jedoch Spalten gebildet werden. Bei einem normalen Betrieb sind Eigen- und Fremdkühlstrom im Wesentlichen getrennt, während bei Stillstand auch der innere Rotorbereich fremdgekühlt wird.
Die US 6700 237 B1 zeigt eine luftgekühlte elektrische Maschine mit im Rotor- sowie Statorbereich verlaufenden Kühlkanälen und Mitteln zur Eigenbelüftung und zur Fremdbelüftung, wobei beide Belüftungen einen gemeinsamen Kühlluftstrom bewirken. Im Weg des Kühlluftstroms ist eine elektrisch geregelte Rückschlagklappe angeordnet.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der auch durch Kombination von Eigen- und Fremdbelüftung eine hohe Kühleffizienz der elektrischen Maschine gewährleistet ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine luftgekühlte rotierende elektrische Maschine mit zumindest im Stator und im Rotor verlaufenden Kühlkanälen und Mitteln zur Eigen- und Fremdbelüftung, wobei diese Mittel in den zumindest teilweise gemeinsamen Kühlkanälen einen Kühlluftstrom bewirken und wobei im Weg des Kühlluftstroms druckgesteuerte und/oder elektrisch geregelte Rückschlagklappen vorhanden sind um bei unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrischen Maschine das Zusammenspiel von Eigen- und Fremdbelüftung zu beeinflussen und Belüftungskurzschlüsse zwischen diesen beiden Belüftungen zu vermeiden.
Die Mitteln zur Eigen- und Fremdbelüftung sind bezüglich der Eigenbelüftung als Wellenlüfter, insbesondere an den Stirnseiten der elektrischen Maschine angeordnet, wobei die Fremdbelüftung Zusatzlüfter sind, die insbesondere als zusätzliches Modul sich am oder im Gehäuse der elektrischen Maschine befinden und somit auch im Störungsfall des Zusatzlüfters leicht zugänglich sind bzw. leicht ausgetauscht werden können.
Diese Fremd- und Wellenlüfter sind strömungstechnisch parallel geschaltet, wobei Belüftungskurzschlüsse durch Rückströmungen in den jeweils schwächeren Lüfter, die sich je nach Betriebsart der elektrischen Maschine einstellen, durch Rückschlagklappen vermieden werden. Diese Rückschlagklappen öffnen bzw. schließen selbstständig entsprechend den jeweiligen sich zwischen Eigen- und Fremdbelüftung einstellenden Druckdifferenzen der jeweiligen Lüfter oder sind zusätzlich elektrisch ansteuerbar, d. h. je nach Lüftungsbedarf und angestrebtem Temperaturprofil der elektrischen Maschine regelbar.
Dabei nehmen vorteilhafterweise Sensoren an vorgegebenen Punkten der elektrischen Maschine, z. B. Wickelkopf, Blechpaket die Temperaturen auf und leiten sie an ein Temperatursteuermodul weiter, das dann basierend auf einem dort hinterlegten angestrebten Temperaturprofil u. a. die Stellung der Rückschlagklappen und/oder die Drehzahl des oder der Fremdlüfter steuert.
In einer weiteren darauf aufbauenden Ausführungsform wird zumindest ein Teil der erwärmten Kühlluft über einen oder mehrere Rückkühler geführt, die selbst entweder wasser- oder luftgekühlt ausgebildet ist.
Die Rückschlagklappen sind vorteilhafterweise als Gummimembrane oder Rückschlagventile ausgebildet, deren Öffnung bzw. Durchlass über die Druckdifferenz oder elektromotorisch einstellbar ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Figuren näher beschrieben.
1 und 2 prinzipielle Darstellungen erfindungsgemäßer elektrischer Maschinen.
Diese Figuren zeigen einen prinzipiellen Längsschnitt einer elektrischen Maschine 1, die einen Stator 2, einen Rotor 3 aufweist, wobei sich der Rotor 3 auf einer Welle 4 befindet. Sowohl im Rotor 3 als auch im Stator 2 sind axiale und radiale Kühlkanäle 8, 9 vorhanden. Weitere Kühlkanäle werden durch Zusammenspiel von Begrenzungselementen 15, Führungselementen 13 und dem Gehäuse 16 ausgebildet.
Die Begrenzungselemente 15 und Führungselemente 13 sind in den Figuren lediglich beispielhaft dargestellt, sind demnach je nach Strömungsverhältnissen und Anwendungszweck verschieden ausgeprägt und dem jeweiligen Einzelfall angepasst.
Im Stator 2 ist ein Wicklungssystem vorgesehen, das auf den Stirnseiten des Stators 2 Wickelköpfe 5 ausbildet. Der Rotor 3 selbst ist als Käfigläufer, als elektrisch erregter oder als permanenterregter Rotor 3 ausgebildet. Ungeachtet dessen befinden sich im Rotor 3 axiale und/oder radiale Kühlkanäle 8. Radial außerhalb des Stators 2 sind Rückkühler 7 angeordnet, die zumindest einen Teil des erwärmten Kühlluftstroms über weitere, nicht näher dargestellte Kühlschlangen, rückkühlen, und diese rückgekühlte Kühlluft dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine 1 wieder zur Verfügung stellen.
Die Anordnung der Rückkühler 7 am oder unmittelbar an der Oberfläche des Gehäuses 16 ist dabei jeweils so, dass eine leichte Zugänglichkeit und demnach eine einfache Austauschbarkeit der Rückkühler 7 zwecks Wartungszwecken gegeben ist.
Dieser in der 1 beispielhaft dargestellte Kühlkreislauf wird im Wesentlichen durch einen linksseitigen und einen rechtsseitigen Wellenlüfter 6 gebildet. Zusätzlich ist dabei noch zumindest ein Zusatzlüfter 10 vorgesehen, der sich außerhalb des Gehäuses 16 befindet und einen zusätzlichen Kühlluftstrom vorteilhafterweise in der elektrischen Maschine 1 bewirkt. Dieser zusätzliche Kühlluftstrom unterstützt vorteilhafterweise den von den Wellenlüftern erzeugten Kühlluftstrom, d. h. die Wellenlüfter 6 erzeugen einen Kühlluftstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine 1, da die Wellenlüfter 6 direkt auf der Welle 4 angeordnet sind. Dabei wird durch in der elektrischen Maschine 1 angeordnete Sensoren festgestellt, ob zusätzliche Kühlleistung erforderlich ist. Über den Zusatzlüfter 10 wird nun ggf. ein zusätzlicher Volumenstrom erzeugt und somit der gesamte Kühlluftstroms gesteigert.
Der Wellenlüfter 6 übernimmt somit die durch die Drehzahl der elektrischen Maschine 1 begrenzte Kühlgrundlast und der Zusatzkühler 10 übernimmt die, aufgrund der wechselnden Umgebungstemperatur und unterschiedlicher Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 verbleibende wechselnde Kühllast.
Vorteilhafterweise kühlt zumindest ein Teil des vom Zusatzlüfter 10 erzeugten Kühlluftstroms über zusätzliche Führungselemente 13 separat zuerst beispielsweise den Wickelkopf 5. Anschließend werden die Kühlluftströme zusammengeführt um anschließenden über die vorhandenen Kühlkanäle 8, 9 dem Rückkühler 7 und/oder gegebenenfalls einem weiteren Zwischenkühler zugeführt zu werden.
Insbesondere bei geschlossenen elektrischen Maschinen 1 wird die Kühlluft über Rückkühler 7 rückgekühlt. Durch den Volumendurchsatz im Kühlsystem der Rückkühlern 7 kann das Temperaturniveau des erwärmten Kühlluftstroms weiter gesenkt werden, es sind dabei aber Kondensationseffekte zu beachten.
Die elektrische Maschine 1 kann sowohl einseitig als auch beidseitig belüftet sein, wobei bei beidseitiger Belüftung in Mitte von Rotor 3 und/oder Stator 2 eine Trennwand 12 vorzusehen ist.
Der Betrieb der elektrischen Maschine 1 ist auch ohne eine Trennwand 12 möglich, die Strömungsverhältnisse stellen sich dann gemäß den innerhalb von Rotor 3 und/oder Stator 2 vorhandenen Druck- und/oder Temperaturverhältnissen selbstständig ein.
Jeder Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 verursacht aufgrund der damit verbundenen Drehzahl unterschiedliche Kühlluftströme der Wellenlüfter 6. Dazu wird in der Regel ein normalerweise konstanter Kühlluftstrom des Zusatzlüfters 10 angestrebt. Um nun u. a. strömungsmäßige Kurzschlüsse zwischen den beiden Kühlluftströmen zu vermeiden, sind Rückschlagklappen 11 in den Kühlluftströmen vorgesehen. Diese Rückschlagklappen 11 sind als Membrane, Gummimanschetten oder Rückschlagventile ausgebildet und bewirken durch ihren Einsatz eine Steigerung der Kühleffizienz der elektrischen Maschine 1.
Die Rückschlagklappen 11 werden entweder über die zwischen dem Wellenlüfter 6 und den Zusatzlüfter 10 anliegende Druckdifferenz gesteuert oder aber über eigene Stellmotoren elektrisch betätigt.
Mit den Rückschlagklappen 11 kann außerdem über eine nicht näher dargestellte Steuerung eine gezielte Kühlwirkung von Heißpunkten der elektrischen Maschine 1 bewirkt werden.
Die Ausführungsform nach 2 zeigt eine Anordnung des Zusatzlüfters 10 im Gehäuse 16. Durch die Anordnung gemäß 2 kann beispielsweise die Rückschlagklappe 17 geschlossen werden und der Zusatzlüfter 10 dazugeschaltet werden. Damit stellt sich eine Reihenschaltung ein.
Ebenso ist auch das Schließen der Rückschlagklappe 18 möglich, so dass dann eine Eigenbelüftung durch die Wellenlüfter 6 mit Rückkühlung der Kühlluft vorliegt.
Derartige Rückschlagklappen 11 bei kombinierten Fremd- und Eigenbelüftung elektrischer Maschinen 1 sind insbesondere bei einer Drehzahlvariabilität von elektrischen Maschinen äußerst vorteilhaft. Es wird damit bei unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrischen Maschine 1 immer eine ausreichende Kühlleistung bereitgestellt. Das Zusammenspiel von Eigen- und Fremdbelüftung unter dem erfinderischen Einsatz der Rückschlagklappen 11 und deren Ansteuerung über die Druckdifferenz der dort erzeugten Kühlluftströme oder der Ansteuerung über Stellmotoren ermöglicht die Einstellung eines optimalen Temperaturprofils der elektrischen Maschine 1 und somit die Erhaltung eines optimalen an den jeweiligen Betriebszustand angepassten Wirkungsgrades.
Insbesondere bei großen elektrischen Maschinen ist es aus Gründen einer thermischen Vergleichmäßigung vorteilhaft derartige Zusatzlüfter und deren Rückkühler am Umfang der elektrischen Maschine 1 mehrfach vorzusehen.

Claims

Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) mit zumindest im Stator (2) und im Rotor (3) verlaufenden Kühlkanälen (8, 9) und Mitteln (6, 10) zur Eigen- und Fremdbelüftung, wobei diese Mittel (6, 10) in den zumindest teilweise gemeinsamen Kühlkanälen (8, 9) einen Kühlluftstrom bewirken und wobei im Weg des Kühlluftstroms druckgesteuerte und/oder elektrisch geregelte Rückschlagklappen (11) vorhanden sind um bei unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrischen Maschine das Zusammenspiel von Eigen- und Fremdbelüftung zu beeinflussen und Belüftungskurzschlüsse zwischen diesen beiden Belüftungen zu vermeiden.
Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenbelüftung durch zumindest einen Wellenlüfter (6) realisiert ist.
Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdbelüftung durch zumindest einen separaten Zusatzlüfter (10) im oder am Gehäuse (16) ausgebildet ist.
Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rückkühler (7) der Kühlluft im Gehäuse (16) angeordnet sind.
Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagklappen (11) als Membrane oder Rückschlagventile ausgebildet sind.
Luftgekühlte rotierende elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) über zumindest einen Stromrichter speisbar ist, so dass die elektrische Maschine (1) drehzahlvariabel ausgeführt ist.