SCHÖBERL, Friedrich (Mühlgang 12, Ruhstorf a.d. Rott, 94099, DE)
MEMMINGER, Oliver (Passauer Str. 45a, Neuburg A.D. Inn, 94127, DE)
SCHÖBERL, Friedrich (Mühlgang 12, Ruhstorf a.d. Rott, 94099, DE)
| Patentansprüche 1. Dynamoelektrische Maschine, insbesondere Windgenerator mit einem als Blechpaket ausgeführten Stator (1) mit einem Wick- lungssystem, das an den Stirnseiten des Stators (1) Wickelköpfe (16) ausbildet und einem als Blechpaket ausgeführten Rotor (3), der mit einer Welle (7) drehfest verbunden ist, wobei Stator (1) und Rotor (3) in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Welle (7) über Lager (9), die in Lagerschilden (8) angeordnet sind gelagert ist, wobei das Blechpaket von Stator (1) und/oder Rotor (3) axial verlaufende Kühlkanäle (15) aufweist, wobei die Lagerschilde (8) zusammen mit dem Gehäuse einen ge- schlossenen Innenraum bilden, der zumindest einen geschlossenen Innenkühlkreislauf aufweist, wobei das Gehäuse einen Außenmantel (12) und einen davon ab¬ schnittsweise beabstandeten zum Stator (1) weisenden Innenmantel (19) aufweist, wobei Außenmantel (12) und Innenmantel (19) zusammengesetzt einen Kühlmantel (11), insbesondere einen Flüssigkeitskühl¬ mantel bilden, dessen axiale Ausdehnung zumindest der axialen Ausdehnung des Blechpakets des Stators (1) entspricht. 2. Dynamoelektrische 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 , dass Außenmantel (12) und/oder Innenmantel (19) derart ausgebildet sind, dass durch eine axiale Zusammensetzung von Außenmantel (12) und Innenmantel (19) sich ein mäanderförmiger oder spiralförmiger Verlauf von sich ergebenden Kühlkanälen in dem Kühlmantel (11) ergibt. 3. Dynamoelektrische 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 der Innen- mantel (19), insbesondere axial verlaufende Kühlrippen (10) aufweist, die zum Außenumfang des Stators (1) weisen. 4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Blechpaket des Stators (1) und/oder das Blechpaket des Rotors (3) jeweils geschichtete Teilblechpakete (2,4) aufweisen, die durch geeignete Zwischenelemente (17) axial voneinander ge¬ trennt sind und somit das Blechpaket des Stators (1) und das Blechpaket des Rotors (3) jeweils radiale Kühlschlitze auf¬ weist. 5. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest einige der radialen Kühlschlitze von Stator (1) und Rotor (3) radial fluchten. 6. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der axiale Abstand axial benachbarter Teilblechpakete (2,4) zur Mitte des Blechpakets vergrößert oder dass sich der Abstand axial hintereinander angeordneter Zwischenelemente (17) zur Mitte der Blechpakte hin verringert. 7. Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Innenkühlkreislauf zweiflutig ausgeführt ist, derar- tig, dass das Blechpaket des Stators (1) und das Blechpaket des Rotors (3) Mittel zur Trennung aufweist, um so die Zweiflutigkeit zu schaffen. 8. Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lagerschilde (8) oberflächenvergrößernde Strukturen aufweisen . 9. Dynamoelektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Lüfter (14) und/oder Luftleitelemente im Innenraum der dynamoelektrischen Maschine angeordnet sind, um so einen Luftstrom vor Eintritt in axiale Kühlkanäle des Stators (1) und/oder Rotors (3) über einen Wickelkopf (16) des Wicklungs¬ systems und/oder Lagerschild (8) zu führen. |
Dynamoelektrische Maschine mit Luft-Flüssigkeitskühlung
Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor mit einem geschlossenen Kühlkreislauf .
Zur Kühlung dynamoelektrischer Maschinen werden als Kühlmedien Gase, insbesondere Luft und Flüssigkeiten verwendet. Um eine effiziente Kühlung zu erreichen sind auch Kombinationen dieser Kühlprinzipien in dynamoelektrischen Maschinen vorgesehen .
Aus der DE 299 13 314 Ul ist eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse bekannt, mit einem Stator und einem Rotor und einer Wasserkühlung, wobei das Blechpaket des Ständers in ein Gehäuse eingeschrumpft ist und auf der ganzen Paketlänge im Gehäuse aufliegt. Zwischen Innenmantel und Außenmantel ist eine Kühlspirale vorgesehen, wobei der radial außerhalb vor- gesehene Luftführungsmantel ein geschlossenes System dar- stellt .
Nachteilig dabei ist, dass der Innenumluftstrom mittels In ¬ nenlüfter auf den Luftführungsmantel geführt wird, der den Innenluftstrom über Kühlrippen leitet. Der Luftführungsmantel wird dabei so heiß, wie die Luft, die aus dem Läufer kommt. Diese heißen Bereiche stellen insbesondere ein großes Problem in beengten Platzverhältnissen z.B. in Gondeln von Windkraftgeneratoren für das Wartungspersonal dar.
Zusätzlich heizt sich die Umgebung der dynamoelektrischen Maschine durch die abgegebene Wärme zusätzlich auf. Auch ist die Kühleffizienz der einen derartigen Ausführung begrenzt, da der von Kühlwasser umspülte Teil des Stators nur ein
Bruchteil der gesamten Länge des Gehäuses einnimmt. Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei ¬ ne dynamoelektrische Maschine zu schaffen, die insbesondere für beengte Platzverhältnisse zum einen für eine ausreichende Kühlung sorgt und gleichzeitig keine Gefährdung bei beengten Platzverhältnissen für Wartungspersonal darstellt, wie sie z.B. in Windkraftgondeln vorhanden sind.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine dynamo ¬ elektrische Maschine, insbesondere Windgenerator mit einem als Blechpaket ausgeführten Stator mit einem Wicklungssystem, das an den Stirnseiten des Stators Wickelköpfe ausbildet und einem als Blechpaket ausgeführten Rotor, der mit einer Welle drehfest verbunden ist,
wobei Stator und Rotor in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Welle über Lager, die in Lagerschilden angeordnet sind gelagert ist,
wobei das Blechpaket von Stator und Rotor axial verlaufende Kühlkanäle aufweist,
wobei die Lagerschilde zusammen mit dem Gehäuse einen ge- schlossenen Innenraum bilden, der zumindest einen geschlossenen Innenkühlkreislauf aufweist,
wobei das Gehäuse einen Außenmantel und einen davon ab ¬ schnittsweise beabstandeten zum Stator weisenden Innenmantel aufweist,
wobei Außenmantel und Innenmantel zusammengesetzt einen Kühl ¬ mantel, insbesondere einen Flüssigkeitskühlmantel bilden, dessen axiale Ausdehnung zumindest der axialen Ausdehnung des Blechpakets des Stators entspricht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist nunmehr die Tempera ¬ tur des Gehäuses für Wartungspersonal unkritisch, da der Kühlmantel somit nur die maximal zulässige Kühltemperatur aufweist . Um die Kühleffizienz des Kühlmantels weiter zu steigern, weist der Innenmantel zum Außenumfang des Stators axial ver ¬ laufende Kühlrippen auf, die somit die Wärmeübergangsfläche des Kühlmantels vergrößern. Diese Rippen und damit der Innen- mantel stützen sich am Außenumfang des Stators nur an vorgegebenen Auflagepunkten ab, die aber die Kühlleistung nicht mindern. Diese Kühlrippen sind an der Innenseite des Innenmantels angeschweißt oder angegossen.
Um die Kühleffizienz weiter zu steigern, wird die gesamte Länge des Gehäuses des Stators zur Rückkühlung der Innenluft zu nutzen. Des Weiteren kann nunmehr die gesamte Außenfläche des Innenmantels mit Kühlwasser umspült werden, damit wird die Kühleffizienz wesentlich erhöht. An der Außenfläche des Innenmantels zwischen Innenmantel und Außenmantel zirkuliert Flüssigkeit in dem nunmehr gebildeten Kühlmantel. Die Kühlka näle des Kühlmantels verlaufen entweder spiralförmig oder mä anderförmig um den Innenraum des dynamoelektrischen Maschine Um einen möglichst dichten Kühlmantel zu erhalten, sind Au ¬ ßenmantel und Innenmantel in einem thermischen oder hydrauli sehen Schrumpfungsprozess zusammengefügt.
Der prinzipielle Aufbau zeigt nunmehr, dass sich die Flüssig keitskühlung radial außen befindet, während die Kühlrippen zur Rückkühlung der zirkulierenden Innenluft zwischen Jochrü cken des Stators und dem Flüssigkeitskühlmantel angeordnet sind .
Aus diesem Grund wird nunmehr die Oberflächentemperatur der dynamoelektrischen Maschine im Betrieb nie höher als die ma ¬ ximal zulässige Kühlwassertemperatur der dynamoelektrischen Maschine. Damit wird ein Aufheizen der Umgebung und anderer Geräte, insbesondere in einer beengten Windkraftgondel zu ¬ sätzlich verhindert. Heiße Oberflächen an der dynamoelektrischen Maschine sind somit ebenfalls vermieden und das War ¬ tungspersonal weniger gefährdet.
Vorteilhafterweise werden mit einer Druckfingeranordnung, al so speziellen Zwischenelementen, zwischen den Teilblechpaketen von Stator und Rotor radiale Kühlkanäle geschaffen. Idealerweise fluchten diese Kühlkanäle von Rotor und Stator in radialer Richtung, so dass der Luftstrom aus einem axial ver laufenden Kühlkanal des Rotors und Eintritt in den radialen Kühlkanal passieren des elektromagnetischen Luftspalts in einen radialen Kühlschlitz des Stators eintritt und dann an der Außenumfang des Blechpakets des Stators wieder austritt und auf den Kühlmantel prallt und dort rückgekühlt wird.
Idealerweise wird dieser Umlauf der Innenluft durch natürli ¬ che Konvektion geschaffen also ohne einen Lüfter erreicht, um aber eine zusätzliche Luftumwälzung zu erreichen, ist an ei- ner Welle zumindest ein Lüfter vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind Luftleitelemente innerhalb des Innen- kühlkreislaufs angeordnet, so dass zusätzlich eine ausrei ¬ chende Kühlung des Wickelkopfes als auch der Lagerschilde er- folgt. Damit ist nicht nur die zylinderförmige Außenfläche der dynamoelektrischen Maschine für Wartungspersonal unkritisch, sondern auch die an den Stirnseiten der dynamoelektrischen Maschine vorhandenen Lagerschilde sind damit thermisch unkritisch. Dies führt zu einer gleichzeitigen Kühlung der Lager, so dass dort die Gefahr der FettZersetzung aufgrund übermäßiger Temperatur vermindert ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines prinzipiell dargestellten Aus- führungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 einen Teillängsschnitt einer dynamoelektrischen Maschine,
FIG 2 einen Teilquerschnitt einer dynamoelektrischen Ma- schine.
FIG 1 zeigt in einem Teillängsschnitt eine dynamoelektrische Maschine, wie sie insbesondere für Windkraftgeneratoren ein ¬ gesetzt wird.
Ein Stator 1, dessen Blechpaket aus Teilblechpaketen 2 aufgebaut ist, weist ein nicht näher dargestelltes Wicklungssystem auf, das in Nuten angeordnet ist, so dass sich an den Stirn- Seiten des Blechpakets des Stators 1 Wickelköpfe 16 ausbil ¬ den. Durch einen nicht näher dargestellten Luftspalt vom Stator 1 beabstandet, ist in radialer Richtung ein Rotor 3 angeordnet, der auf eine Welle 7 drehfest positioniert ist, ins- besondere aufgeschrumpft oder durch Passfederverbindungen mit dieser verbunden ist.
Der Rotor 3 ist im vorliegenden beispielhaften Fall als Kurzschlussläufer ausgeführt und weist aus diesem Grund Kurz- schlussstäbe 6 auf, die an den Stirnseiten des Rotors 3 über Kurzschlussringe 5 miteinander elektrisch leitend verbunden sind .
Der Rotor 3 weist ebenfalls ein Blechpaket auf, das in Teil ¬ blechpakete 4 unterteilt ist. Die Teilblechpakete 2 des Sta ¬ tors 1 und die Teilblechpakete 4 des Rotors 3 sind durch Zwi ¬ schenelemente 17 voneinander axial beabstandet und zwar der ¬ art, dass sich zwischen den Teilblechpaketen 2 und 4 radiale Kühlschlitze ergeben.
Vorteilhafterweise sind diese radialen Kühlschlitze von Sta ¬ tor 1 und Rotor 3, wie in FIG 1 dargestellt, radial fluchtend angeordnet. Somit tritt ein Kühlluftstrom 13, der aufgrund natürlicher Konvektion oder durch einen Lüfter 14 axial angetrieben ist, in axial verlaufenden Kühlkanäle 15 von Rotor 3 und/oder Stator 1. Nach jedem Teilblechpaket wird ein Teil des axial eintretenden Luftstroms radial ausgelenkt. Die da ¬ bei umgelenkte Luftmenge ist durch geeignete Dimensionierung von Zwischenelementen 17 und Durchmessern der axialen Kühlkanäle 15 so gewählt, dass sich über die axiale Länge von Rotor 3 und/oder Stator 1 eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine einstellt.
Die aus dem Rotor 3 radial austretenden bereits erwärmten Luftmengen treten über den Luftspalt der dynamoelektrischen Maschine in die jeweils gegenüber liegend radialen Kühl ¬ schlitze des Stators 1. Dort wird die Luft weiter aufgeheizt und tritt radial aus dem Stator 1 aus. Falls der Stator 1 axial verlaufende Kühlkanäle aufweist, tritt in den radialen Kühlschlitzen des Stators 1 außerdem eine Vermischung der Luftmengen ein. Über die Kühlrippen 10 des Innenmantels 19 tritt eine Rück- kühlung der radial austretenden Luftmengen auf.
Je weiter sich der Innenmantel 19 axial erstreckt und somit zusammen mit dem Außenmantels 12 den Kühlmantel 11 bildet, desto besser ist die Rückkühlung des Innenluftströme .
Die axiale Ausdehnung des Kühlmantels 11 sollte zumindest der axialen Ausdehnung des Stators 1 entsprechen. Wesentlich besser geeignet ist die Ausdehnung des Kühlmantels von einem Wi- ckekopfende zum anderen oder gar über die gesamte axiale Län ¬ ge der dynamoelektrischen Maschine, d.h. von einem Lagerschild 12 zum anderen.
Das vermindert zugleich die Gefahr einer Verbrennung am Ge- häuse.
Da mit Eintritt in das Blechpaket des Rotors 3 und/oder Sta ¬ tors 1 die rückgekühlte Kühlluft bereits wieder Wärme auf ¬ nimmt und somit die Kühleffizienz zur Mitte der Blechpakete abnimmt, werden vorteilhafterweise die Abstände der Zwischen ¬ elemente 17 zur Mitte hin verringert. Dies steigert die Kühl ¬ effizienz der gesamten dynamoelektrischen Maschine.
Vorteilhafterweise ist die dynamoelektrische Maschine zwei- flutig ausgeführt, d.h. sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite wird eine Kühlung des Luftstroms durchge ¬ führt, so dass axial mittig von Stator 1 und Rotor 3 Mittel zur Trennung des Luftstroms vorgesehen sind. Dies führt zu einer weiteren Steigerung der Kühleffizienz der dynamoelekt- rischen Maschine.
FIG 2 zeigt in einem Teilquerschnitt den Aufbau der dynamo ¬ elektrischen Maschine, wobei der Rotor 3 mit seinem Teil- blechpaketen 4 auf der Welle 7 positioniert ist. Jedes Teil ¬ blechpaket weist Kühlkanäle 15 auf, die vorteilhafterweise axial fluchten. An den Rotor 3 schließt sich radial nach außen das Blechpaket des Stators 1 an, das Nuten aufweist, in denen sich ein Wicklungssystem befindet.
Am Außenumfang des Blechpakets des Stators 1, also am Jochrü ¬ cken befinden sich Auflagepunkte 18 des Innenmantels 19, der radial nach innen weisende im Wesentlichen axial verlaufende Kühlrippen 10 aufweist. Die Auflagepunkte 18 beispielsweise in Form von Laschen realisiert, sind am Umfang des Jochrü ¬ ckens verteilt, beispielsweise sind drei Auflagepunkte 18 je ¬ weils um 120 Grad versetzt angeordnet. In axialer Richtung des Stators 1 sind in einem vorgegeben axialen Abstand weite- re Auflagepunkte 18 vorzusehen. Alternativ sind die Auflage ¬ punkte 18 als axial verlaufende Leisten ausgeführt, die vor ¬ teilhafterweise Durchbrüche aufweisen. Die Durchbrüche einer Leiste sind entweder auf der radial inneren Seite und/oder radial äußeren Seite, so dass sich entweder eine kammartige Gestaltung oder ein alternierender Wechsel der Durchbrüche an Innen- und Außenseite ergibt.
Die Durchbrüche gewährleisten ebenso wie die nahezu punktuel ¬ len Auflagepunkte 18 auch eine Luftströmung mit einer Kompo- nente in Umfangsrichtung . Damit ist eine gleichmäßige Kühlung der dynamoelektrischen Maschine in axialer Richtung und in Umfangsrichtung gewährleistet.
Die Kühlrippen 10 liegen dabei jeweils nicht am Jochrücken an .
Der durch Innenmantel 19 und Außenmantel 12 gebildete Kühl ¬ mantel 11, kühlt die aus dem Blechpaket des Stators 1 austre ¬ tende Luft. Die Kühlwirkung verstärkt sich durch die an dem Innenmantel 19 vorhandenen Kühlrippen 10, aufgrund der oberflächenvergrößernden Struktur des Innenmantels 19. Die aus dem Stator 1 strömende Luft wird durch Entlangstrei ¬ chen an den Kühlrippen 10 des Innenmantels 19 in Richtung Lagerschilde durch den Kühlmantel 11 abgekühlt. Diese abgekühl ¬ te Luft strömt an oder durch den Wickelkopf 16 und/oder der Innenseite des Lagerschildes 8 wieder in die axialen Kühlka ¬ näle von Rotor 3 und/oder Stator 1.