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Title:
ELECTRICAL MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/202492
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electrical machine (1) comprising a housing (2) and a tube (3), wherein the tube (3) is in a channel (5, 25), wherein a first coolant (6) can flow around the tube (3) and a second coolant (7) can flow through said tube. In a method for cooling the electrical machine, the first coolant (6) is conducted in a coolant circuit within the electrical machine (1), wherein the second coolant (2) is conducted through the electrical machine, wherein the first coolant medium (6) is conducted through a rotor (3) of the electrical machine (1). In this way a compact and efficient cooling of the electrical machine is possible.

Inventors:
LANGE, Thomas (Hardstr. 192, Fürth, 90766, DE)
Application Number:
EP2016/059523
Publication Date:
December 22, 2016
Filing Date:
April 28, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
International Classes:
H02K9/18; H02K5/18; H02K5/20
Foreign References:
US2536815A1951-01-02
DE2836903A11980-02-28
GB516161A1939-12-22
US3461328A1969-08-12
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrische Maschine (1) mit einem Gehäuse (2) und mit ei¬ nem Rohr (3), wobei das Rohr (3) in einem Kanal (5,25) ist, wobei das Rohr (3) von einem ersten Kühlmedium (6) umströmbar ist und von einem zweiten Kühlmedium (7) durchströmbar ist.

2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Länge des Rohres (3) gleich oder größer der Länge eines Stator- paketes (8) ist.

3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Länge des Kanals (5,25) gleich oder größer der Länge des Statorpaketes (8) ist.

4. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kanal (5) eine erste Öffnung (12) im Bereich einer ersten Stirnseite der elektrischen Maschine (1) bzw. des Stators der elektrischen Maschine (1) und eine zweite Öffnung (13) im Bereich einer zweiten Stirnseite der elektrischen Maschine (1) bzw. des Stators der elektrischen Maschine (1) aufweist .

5. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gehäuse (2) in Umfangsrichtung Kühlrippen (4) aufweist, wobei insbesondere der Kanal (5,25) zwischen Kühlrip¬ pen (4) ist.

6. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Bypass (14,15) zur Führung des ersten Kühlmediums

(6) vorgesehen ist.

7. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Kanalwand des Kanals (5,25) eine Außenwand der elektrischen Maschine (1) ist.

8. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Standfuß (15,16,17), wobei zwischen Standfuß (15, 16,17) und Statorblechpaket (8) zumindest teilweise der Kanal (5,25) ist .

9. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 8, wobei der Kanal (5,25) eine Tragstruktur zur Aufnahme der Gewichtskraft das

Stators und zur Einleitung dieser Gewichtskraft in den

Standfuß (16,17,18) ist.

10. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kanal (5,25) stirnseitig (19,20) geschlossen ist, wobei das Rohr (3) den Kanal (5,25) stirnseitig durch¬ dringt .

11. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kanal (5,25) axial unterschiedlich lang ist, wobei die axiale Länge zum Stator hin zunimmt.

12. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in dem Kanal (5) eine Vielzahl von Rohren (3) sind.

13. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit zumindest zwei Kanälen (5,25) in einem Befestigungsbe¬ reich (16,17,18) der elektrischen Maschine (s) . 14. Verfahren zur Kühlung einer elektrischen Maschine (1) wobei ein erstes Kühlmedium (6) in einem Kühlkreislauf innerhalb der elektrischen Maschine (1) geführt wird, wobei ein zweites Kühlmedium (2) durch die elektrische Maschine geführt wird, wobei das erste Kühlmedium (6) durch einen Rotor (3) der elektrischen Maschine (1) geführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei als elektrische Maschine (1) eine elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das Rohr (3) in der gleichen Richtung durchströmt, wie auch umströmt wird oder das Rohr (3) in der entgegengesetzten Richtung durchströmt wird, wie es umströmt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei als erstes Kühlmedium (6) ein gasförmiges Kühlmedium verwendet wird, wobei als zweites Kühlmedium ein gasförmiges oder ein flüssiges Kühlmedium verwendet wird, wobei der Stator (8) überwiegend über Kühlrippen (4) gekühlt wird.

Description:
Beschreibung

Elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und deren Kühlung .

Elektrische Maschinen, insbesondere dynamoelektrische Maschi ¬ nen, wie z.B. ein elektrischer Motor oder ein elektrischer Generator werden zur Erhöhung der Effizienz gekühlt, um Verlustwärme abzuführen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es die Kühlung der elektrischen Maschine zu verbessern.

Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1. Eine weitere Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einem Verfahren zur Kühlung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 14. Weiter Ausgestaltungen der Lösungen ergeben sich nach den Ansprüchen 2 bis 13 und 15 bis 17.

Bei einer elektrischen Maschine mit einem Gehäuse ist ein Rohr vorhanden. Das das Rohr ist in einem Kanal, wobei das Rohr von einem ersten Kühlmedium umströmbar ist und von einem zweiten Kühlmedium durchströmbar ist. Das Rohr kann also mit zwei voneinander getrennten Kühlmedien in Kontakt sein. Zumindest eines der Kühlmedien oder auch beide Kühlmedien sind dabei beispielsweise einem Kühlkreislauf oder mehreren unter ¬ schiedlichen Kühlkreisläufen zuordenbar. Ein Kühlmedium kann beispielsweise auch Umgebungsluft sein, welche angesaugt und erwärmt wegtransportiert wird.

Die Innenluft einer elektrischen Maschine kann auch durch Luftkanäle geführt werden, die im Luftstrom einer Oberflä ¬ chenkühlung der Maschine liegen. Die Kühlung erfolgt so über die Wände dieser Luftkanäle. Maßgebliche Faktoren für eine derartige Kühlung sind die am Wärmeübergang beteiligten Oberflächen und Wandstärken.

Ist nun in der elektrischen Maschine ein Rohr integriert, bzw. sind dort eine Vielzahl von Rohren integriert, dann kann der Austausch von Wärmeenergie zwischen den Kühlmedien verbessert werden.

Durch eine Integration eines oder mehrerer Rohre, insbesonde- re dünnwandiger Rohre, in einen Innenluftkanal der elektrischen Maschine, kann das Rohr bzw. können die Rohre von dem ersten Kühlmedium umströmt werden von dem zweiten Kühlmedium durchströmt werden. Durch eine Abdichtung der Rohre zu Wänden des Innenluftkanals oder der Vielzahl von Innenluftkanälen kann eine Schutzart der elektrischen Maschine erhalten bleiben. Ein Wärmeübergang zur Kühlung der Innenluft der elektrischen Maschine kann durch die Rohre zusätzlich auch über deren Wände erfolgen.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist die Länge des Rohres gleich oder größer der Länge eines Statorpaketes, bzw. des Statorpaketes der elektrischen Maschine. Je länger das Rohr ist, desto größer ist die Oberfläche, die dem Vorgang des Wärmeübergangs zur Verfügung gestellt werden kann .

Das Rohr, welches für den Vorgang des Wärmeübergangs zur Ver ¬ fügung steht kann von unterschiedlichem Querschnitt sein. Es kann einen runden, ovalen und/oder eckigen Querschnitt aufweisen .

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist die Länge des Kanals gleich oder größer der Länge des Statorpaketes. Die Länge des Kanals und die Längen der Rohre sind insbeson ¬ dere aufeinander abgestimmt. In einer Variante sind die Rohre länger als der Kanal. In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der Kanal eine erste Öffnung im Bereich einer ersten Stirnseite der elektrischen Maschine und eine zweite Öffnung im Bereich einer zweiten Stirnseite der elektrischen Maschine auf. So kann ein Kühlmedium im Bereich der Stirnseiten der elektrischen Maschine in den Kanal eintreten und auf der entgegenge ¬ setzten Stirnseite wieder austreten.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist das Gehäuse in Umfangsrichtung Kühlrippen auf, wobei insbesondere der Kanal zwischen Kühlrippen ist. Durch Kühlrippen kann die Kühlung der elektrischen Maschine zusätzlich verbessert werden. Liegt der Kanal zwischen Kühlrippen kann dies einer kompakten Bauweise dienen.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist ein Bypass zur Führung des ersten Kühlmediums vorgesehen. Durch den Bypass können unterschiedliche Kanäle im Bereich einer Stirn ¬ seite des Statorpaketes miteinander verbunden werden.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist eine Kanalwand des Kanals eine Außenwand der elektrischen Maschine ist. Dadurch lässt sich z.B. die Kühlleistung erhöhen. Es ist aber auch möglich so einen kompakten Aufbau der elektrischen Maschine zu realisieren.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese einen Standfuß oder mehrere Standfüße auf. Dabei ist zumin ¬ dest ein Standfuß derart ausgebildet, dass zwischen Standfuß und Statorblechpaket der Kanal ist. So wird erreicht, dass die elektrische Maschine kompakt aufgebaut ist und der Kühl ¬ kreislauf für das Kühlmedium im Kanal nicht klein bleibt.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der Kanal eine Tragstruktur zur Aufnahme der Gewichtskraft das

Stators und zur Einleitung dieser Gewichtskraft in den Stand ¬ fuß auf. So kann der Kanal unterschiedliche Funktionen erfül ¬ len und neben der Führung eines Kühlmediums, der zumindest teilweisen Aufnahme der Rohre auch der konstruktiven Stabilität der elektrischen Maschine dienen.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist der Ka- nal stirnseitig geschlossen, wobei das Rohr oder die Rohre den Kanal stirnseitig durchdringen.

Die elektrische Maschine kann einen oder mehrere Kanäle mit Rohren aufweisen. Befinden sich die Kanäle im Bereich der Standfüße der elektrischen Maschine, so weist diese insbeson ¬ dere zwei Kanäle mit Rohren auf.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist der Kanal axial unterschiedlich lang, wobei insbesondere die axiale Länge zum Stator hin zunimmt. Dadurch kann sich der Kanal zu den Stirnseiten des Statorpaketes öffnen.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine sind in dem Kanal eine Vielzahl von Rohre. Dadurch kann die Oberfläche für einen Wärmeübergang im Kanal zwischen den Kühlmedien groß gehalten werden.

In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese zumindest zwei Kanäle in einem Befestigungsbereich der elek- frischen Maschine auf. Damit braucht der Schwerpunkt der elektrischen Maschine nicht ungünstig verlagert werden.

In einem Verfahren zur Kühlung einer elektrischen Maschine wird ein erstes Kühlmedium (z.B. ein Gas wie Luft, oder eine Flüssigkeit wie Wasser) in einem Kühlkreislauf innerhalb der elektrischen Maschine geführt, wobei ein zweites Kühlmedium (z.B. ein Gas wie Luft, oder eine Flüssigkeit wie Wasser) durch die elektrische Maschine geführt wird, wobei das erste Kühlmedium insbesondere durch einen Rotor und/oder einen Stator der elektrischen Maschine geführt wird. Für das Verfahren kann eine elektrische Maschine m einer der obig beschriebenen Ausführungen oder in einer nachfolgend beschriebenen Ausführung verwendet werden.

Durch die beschriebenen Ausführungen der elektrischen Maschine bzw. durch die beschriebenen Verfahren gelingt es eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine zu erreichen. Maßgebliche Faktoren für eine gute Kühlung sind insbesondere die am Wärmeübergang beteiligten Oberflächen und Wandstärken. So kann insbesondere durch eine Integration eines oder mehre ¬ rer dünnwandiger Rohre z.B. in den Innenluftkanal der elektrischen Maschine die Kühlung verbessert werden. Die Rohre werden von einem Kühlmedium durchströmt. Durch Abdichtung der Rohre zu den Wänden des Innenluftkanals bleibt die Schutzart der Maschine erhalten. Der Wärmeübergang zur Kühlung der Innenluft findet so zusätzlich auch über die Wände der Rohre statt. Die Führung des Kühlmediums durch den Innenluftkanal führt zu einem Hybridkonzept durch Kombination von Röhrenkühlung und Oberflächenkühlung. Die Oberflächenkühlung erfolgt beispielsweise durch Kühlrippen am Gehäuse der elektrischen Maschine .

Mit diesem Kühlkonzept können einzelne oder in Kombination verschiedene Vorteile erzielt werden. So kann eine signifi ¬ kante Steigerung der Wärmeabfuhr ohne zusätzliche Kühlaggre ¬ gate oder Kühlmodule erreicht werden. Es können sich auch Op ¬ timierungsmöglichkeiten der Kühlung durch Variation von Größe, Form und Anzahl der Kühlkanäle bzw. der Kühlrohre erge ¬ ben .

Dadurch ist es nicht nur möglich Kostenvorteile (€/kW) zu er ¬ zielen, sondern auch eine bessere Materialausnutzung (insbesondere für das Aktivteil, also bei einer Asynchronmaschine den Stator) zu erreichen. Es ist möglich mehr Kühlfläche ohne zusätzlichen Platzbedarf zu erreichen bzw. eine Reduktion des Materialeinsatzes pro Kühlfläche zu erzielen. Dies kann zu einer höheren Leistungsausbeute der Maschine führen. Die elektrische Maschine kann zur Verbesserung der Kühlleistung einen Innenlüfter und/oder einen Außenlüfter aufweisen. Der oder die Lüfter sind Eigenlüfter und/oder Fremdlüfter.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Kühlung der elektrischen Maschine wird das Rohr bzw. werden die Rohre in der gleichen Richtung durchströmt, wie dieses bzw. diese auch um strömt sind. Die entgegengesetzte Richtung ist auch möglich. Das Rohr wird dann in dieser Ausführungsform des Verfahrens in der entgegengesetzten Richtung durchströmt, wie es umströmt wird.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Kühlung der elektrischen Maschine wird das Rohr bzw. werden die Rohre in der umgekehrten Richtung durchströmt, wie dieses bzw. diese um ¬ strömt sind.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Kühlung der elektrischen Maschine wird als erstes Kühlmedium ein gasförmiges Kühlmedium verwendet, wobei als zweites Kühlmedium ein gas ¬ förmiges oder ein flüssiges Kühlmedium verwendet wird, wobei insbesondere der Stator überwiegend über Kühlrippen gekühlt wird. Die Kühlung des Läufers (Rotors) erfolgt somit dann überwiegend über die Rohre welche durchströmt und umströmt werden .

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft an Hand von Figu ren beschrieben. Dabei zeigt:

FIG 1 ein Gehäuse einer elektrischen Maschine im Querschnitt;

FIG 2 ein Gehäuse einer elektrischen Maschine in einer

Seitendarstellung;

FIG 3 ein Gehäuse einer elektrischen Maschine in einem perspektivischen Querschnitt;

FIG 4 ein Gehäuse einer elektrischen Maschine in einem

Längsschnitt; und

FIG 5 einen Ausschnitt eines Schnittes durch eine elek ¬ trische Maschine. Die Darstellung nach FIG 1 zeigt im Querschnitt ein Gehäuse 2 einer elektrischen Maschine, wobei das Gehäuse 2 Kühlrippen 4 und Standfüße 16 und 18 aufweist. Die Standfüße 16 und 18 weisen eine Vielzahl von Löchern auf, durch welche Rohre für ein Kühlsystem eingeführt werden können. Die Rohre, welche beispielsweise in FIG 2 dargestellt sind, schließen mit den Löchern dicht ab. Die Standfüße bekommen neben Ihrer bisherigen Funktion der Befestigung der elektrischen Maschine nun eine weitere, nämlich die Rohre (Kühlrohre) zur Kühlung der elektrischen Maschine zu tragen und/oder einen Kanal (Kühlkanal) abzuschließen bzw. zu begrenzen.

Die Darstellung nach FIG 2 zeigt ein Gehäuse 2 einer elektrischen Maschine 1 in einer Seitendarstellung. Im Bereich der Standfüße 16 und 17 der elektrischen Maschine 1 sind die aus den Standfüßen 16 und 17 austretenden Rohre 3 gezeigt. Die Rohre 3 sind dafür vorgesehen, dass innerhalb der elektrischen Maschine diese von einem ersten Kühlmedium umströmt werden und von außen mit einem zweiten Kühlmedium beschickt werden, damit dieses zweite Kühlmedium die Rohre durchströmt. Innerhalb der elektrischen Maschine 1 ist ein Bypass 14 vor ¬ gesehen, mittels dessen das erste Kühlmedium zwischen den Stirnseiten der elektrischen Maschine 1 kommunizieren kann. Die Darstellung nach FIG 3 zeigt das Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 in einem perspektivischen Querschnitt. Die Rohre 3 sind dabei in Kanälen 5 und 25 geführt. Der Kanal 5 endet bzw. beginnt im Bereich des Standfußes 16. Der Kanal 25 endet bzw. beginnt im Bereich des Standfußes 18. In den Kanä- len 5, 25 sind die Rohre geführt. Die Röhren 3 sind im Be ¬ trieb der elektrischen Maschine der Länge nach vom ersten Kühlmedium durchströmt. Über Anschlusslöcher 21 und 22 kann ein Klemmkasten angeschlossen werden. Es ist auch möglich über die Anschlusslöcher 21 und 22 Kabeldurchführungen vorzu- sehen bzw. eine Verkabelung vorzunehmen.

Die Darstellung nach FIG 4 zeigt in einem Längsschnitt das Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1. Gezeigt sind die bei- den Kanäle 5 und 25, in welche die Rohre 3 ragen. Die Kanäle 5 und 25 sind im Bereich der Stirnseiten eines Statorblechpaketes bzw. im Bereich von Wickelköpfen (beides in FIG 5 dargestellt) geöffnet. Über den Bypass 14 kann auch in einem Bereich der elektrischen Maschine, welche den Standfüßen entgegengesetzt das erste Kühlmedium in axialer Richtung geführt werden. Im Bereich einer Stirnseite des Statorblechpaketes kann über einen Bypass 15 das Kühlmedium von einem Standfußbereich zum gegenüberliegenden Standfußbereich auf der glei- chen Stirnseite geführt werden. Der Kanal 5 weist eine erste Öffnung 12 im Bereich des Standfußes 16 auf. Die Öffnung 12 ist zur Stirnseite der elektrischen Maschine gerichtet. Der Kanal 5 ist also zu einem Bereich offen, welcher z.B. einen Wickelkopf der elektrischen Maschine aufweist. Der Kanal 5 weist zudem eine zweite Öffnung 13 im Bereich des Standfußes 17 auf. Auch die Öffnung 13 ist zur Stirnseite der elektrischen Maschine gerichtet. Der Kanal 5 ist also auch hier zu einem Bereich offen, welcher z.B. einen Wickelkopf der elektrischen Maschine aufweist. Der Kanal 5, wie auch der hier nicht dargestellte Kanal 25 weist in einem stirnseitigen Be ¬ reich der elektrischen Maschine im Bereich des Standfußes 16 einen Verschluss 19 auf. Durch den Verschluss 19 des Kanals 5 treten die Rohre 3 hindurch. Im Bereich des Standfußes 17 weist der Kanal 5 einen stirnseitigen Verschluss 20 auf, durch welchen die Rohre 3 hindurch treten.

Die Darstellung nach FIG 5 zeigt einen weiteren Aspekt der elektrischen Maschine 1. Nach FIG 5 ist ein Ausschnitt eines Schnittes durch die elektrische Maschine 1 gezeigt, wobei ne- ben einer Welle 23 mit einer Achse 24 auch schematisch ein Rotorblechpaket 10 und ein Statorblechpaket 8 gezeigt sind. Der Rotor der elektrischen Maschine 1 weist im vorliegenden Beispiel stirnseitig einen Lüfter 11 auf. Der Stator der elektrischen Maschine weist stirnseitig Wickelköpfe 9 und 26 auf. Über diese Wickelköpfe 9 und 26 wird in einem Kühlkreis ¬ lauf 6 das erste Kühlmittel 6 geführt, welches über den Kanal 5 von einer Stirnseite der elektrischen Maschine zur gegenüberliegenden Stirnseite geführt ist. Im Kanal 5 befinden sich die Rohre 3 welche vom ersten Kühlmedium 6 umströmt werden und von dem zweiten Kühlmedium 7 durchströmt werden. Über die Rohre 3 gibt das erste Kühlmedium 6 Wärmeenergie an das zweite Kühlmedium 7 ab. Das erste Kühlmedium 6 ist beispiels ¬ weise gasförmig und das zweite Kühlmedium 7 beispielsweise eine Flüssigkeit. Das erste und das zweite Kühlmedium 6, 7 sind voneinander getrennt und mischen sich nicht.