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Elektrische Maschine mit einem über geschlossene Kühl-
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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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer elektrischen
Maschine der eingangs beschriebenen Art zu intensivieren, um die Ausnutzung der
Maschine zu verbessern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dieser Innenkühlkreis 5 ist als Wärmepumpenkreis ausgebildet, der
den Verdichter 6 und den Kondensator 7 enthält.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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7 Patentansprüche 5 Figuren
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