Elektrische Maschine sowie Verwendung der elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie Verwendung der elektrischen Maschine.

Bei der Weiterentwicklung elektrischer Maschinen steht oft die Reduzierung der Verluste im Vordergrund, um eine Wirkungsgradverbesserung und damit eine Einsparung an elektrischer Energie zu erreichen.

Noch häufiger wird eine Steigerung der Leistungsdichte angestrebt, um den Bauraum, das Gewicht oder die Kosten von Motoren oder Generatoren zu reduzieren. Wenn diese Maschinen nur kurzzeitig eingesetzt werden, dann spielt der Wirkungsgrad keine besondere Rolle. Mit der Leistungsdichte aber steigen die Verluste an, so dass effektivere Kühlsysteme erforderlich werden, die diese Verluste abfuhren können.

Die Leistungsdichte elektrischer Maschinen wird häufig mittels einer Kennzahl, dem Drehschub τ, angegeben. Darunter versteht man das Verhältnis aus Umfangskraft Fu und Mantelfläche A _M im Luftspalt:

T = F ₁₇ / A _M = 2M /D ² π L _P

mit dem Drehmoment M, dem Luftspaltdurchmesser D und der Länge des Blechpaketes Lp.

Die Werte für den Drehschub von kleinen außengekühlten Drehstrommotoren liegen bei τ = 18 bis 25 kN/m ² , bei Bahnmotoren werden weit höhere Werte erreicht.

Eine übersicht über mögliche Arten der Kühlung von Grenzleistungs-Turbogeneratoren bis 2000 MVA ist z. B. in dem Lehrbuch Elektrische Maschinen von Rolf Fischer, Carl Hanser Verlag, München, Wien, in der 12. Auflage, Seite 332 gegeben. Dort wird auch die direkte Leiterkühlung beschrieben mit Hohlleitern, durch die Luft, Wasserstoffgas oder Wasser als Kühlmedium gepumpt wird. Die Ständerwicklung dieser Generatoren ist dabei aus einzelnen Leiterstäben aufgebaut, die etwa die Länge des Eisenpaketes haben. Die Mehrzahl der Stäbe sind Roebelstäbe mit vollem Drahtquerschnitt. Zur intensiven Kühlung der Ständerwicklung sind dazwischen

Hohlprofϊle aus Edelstahl angeordnet, die von den obengenannten Kühlmedien durchströmt werden. Aus der DE 102 53 699 Al ist ein Kühlsystem für größere Maschinen bekannt, bei dem axiale Kühlkanäle in unmittelbarer Nähe zur Ständerwicklung vorgesehen sind, die mit radialen Kühlschlitzen im Blechpaket so kombiniert werden, dass eine gleichmäßige Durchströmung des Blechpaketes mit Kühlluft zur Abkühlung der Wicklung möglich ist.

Aus der DE 196 21 058 Al ist eine direkte Leiterkühlung bekannt, die im luftgekühlten Läufer von Turbogeneratoren mittlerer bis großer Leistung einsetzbar ist. Dabei werden die Kühlkanäle durch Nuten in benachbarten Leitern gebildet.

In der DE 102 44 202 Al wird ebenfalls ein in axialer Richtung verlaufender Kühlkanal für ein gasförmiges Kühlmedium beschrieben, der als hohles Abstandselement zwischen zwei Teilwicklungen angeordnet ist und gleichzeitig die Funktion einer Spannfeder übernimmt. Durch öffnungen in den Abstandselementen wird das Kühlgas in radiale Schlitze geleitet, die durch entsprechende Abstandsprofile im Blechpaket entstehen.

Die Verwendung von Wasser als Kühlmedium ist bei Grenzleistungs-Turbogeneratoren im Bereich von 1000 MVA verbreitet, da Wasser wegen seiner hohen spezifischen Wärme die höchste Wärmetransportleistung ermöglicht in Verbindung mit Hohlleitern, die direkt von Wasser durchströmt werden. Dies ist jedoch mit großen Nachteilen verbunden, so dass die direkte Leiterkühlung außer bei Grenzleistungs-Turbogeneratoren keine Anwendung findet.

So entstehen Temperaturunterschiede in der Wicklung aufgrund der stetig ansteigenden Temperatur des Wassers entlang des Kühlweges, die auch zu mechanischen Beanspruchungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Materials führen. Um den Temperaturanstieg zwischen Ein- und Austritt des Kühlwassers zu begrenzen, muss der Massenstrom des Wassers groß gewählt werden. Dementsprechend werden groß dimensionierte Kühlkanalquerschnitte gebraucht. Damit wird aber der wirksame Leiterquerschnitt in der Nut verringert und die Stromdichte zu Ungunsten des Wirkungsgrades erhöht. Der Aufwand für die Wasseraufbereitung ist beträchtlich, wie aus der DE 60009 170 T2 oder der DE 197 31 852 Al hervorgeht. Die Wirtschaftlichkeits grenze für direkte Leiterkühlung mit Wasser liegt oberhalb von 500 MW.

Bei direkter Leiterkühlung mit Wasserstoffgas sind die Probleme ähnlich. Zusätzlich fuhren radiale Kühlschlitze zu einer Verlängerung des Blechpaketes und der Leiter um etwa 10%, ohne dass eine Drehmomentsteigerung damit verbunden wäre. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze für direkte Leiterkühlung mit Wasserstoffgas liegt oberhalb von 100 MW.

Aus der DE 75 21 236 Al ist weiterhin bekannt, bei elektrischen Maschinen größerer Leistung (größer als 100 MW) eine Verdampfungskühlung vorzusehen. Dazu werden die einzelnen rohrförmig ausgebildeten Leiterstäbe der Wicklung mit einer zu verdampfenden Kühlflüssigkeit durchströmt. Mit einem Leiter ist in diesem Zusammenhang ein gerader Leiterstab bezeichnet, der sich in Längsrichtung des Ständers bzw. Läufers erstreckt. Diese Leiterstäbe sind in Nuten des Eisenpaketes eingelegt. Um eine Wicklung zu bilden, liegen mehrere dieser Leiterstäbe parallel nebeneinander Diese Leiterstäbe sind außerhalb des Eisenpaketes elektrisch miteinander verbunden.

In der CH 310 332 Al ist beschrieben, das Kühlmedium an dem einen Wicklungskopf in einen dieser als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiterstäbe einzuleiten. Das teils oder vollständig verdampfte Kühlmittel wird am anderen Wicklungskopf wieder ausgeleitet. Das bedeutet, dass sowohl hinsichtlich der Anschlüsse für das Kühlmedium als auch hinsichtlich der elektrischen Verbindung ein nicht unerheblicher Aufwand entsteht. Soweit hierzu überhaupt praktische Versuche mit Verdampfung durchgeführt wurden, dürften sich diese als nicht erfolgreich erwiesen haben. Jedenfalls sind derartige Systeme in der Praxis nicht bekannt sondern vielmehr lediglich als theoretische überlegungen formuliert.

Eine erhebliche Erhöhung des eingangs erläuterten Drehschubes und damit der Leistungsdichte ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.

Dazu wird eine Ausgestaltung einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die eine sehr effektive Kühlung der Wicklung ermöglicht. Damit wird es möglich, weit größere Wärmemengen aus den Leitern der Wicklung abzuführen, als mit bisher verwendeten, bekannten Kühlsystemen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine erhebliche Verbesserung der Kühlung von elektrischen Maschinen zu erreichen.

Dazu wird bei einer elektrischen Maschine, deren Ständerwicklung mit Formspulen ausgeführt ist, eine Kühlung dieser Formspulen durch ein strömendes Fluid vorgenommen, das direkt durch Kühlkanäle in den elektrischen Leitern der Formspulen geführt ist. Nach der vorliegenden Erfindung wird die Ständerwicklung vollständig aus Formspulen hergestellt, die aus Hohldrähten (Hohlprofϊlen) fortlaufend gewickelt und geformt sind. Dadurch bilden alle Spulen sowohl im Bereich des Eisenpaketes als auch in den Wickelköpfen einen ununterbrochenen Kühlkanal, durch welchen ein Fluid geleitet wird. Durch die Fluidströmung sowohl im Eisenpaket als auch ausserhalb im Bereich der Wickelköpfe erfolgt eine gleichmäßige Kühlung, bei der die Verlustwärme unmittelbar dort aufgenommen wird, wo sie hauptsächlich entsteht. Das Fluid ist ein Kältemittel, das in flüssiger Phase in den Hohlleiter der Formspule einspeisbar ist, wobei das Kältemittel hinsichtlich der Vorlauftemperatur sowie der Strömungsgeschwindigkeit zur Kühlung derart betreibbar ist, dass das Kältemittel beim Durchströmen des Hohlleiters zumindest teilweise verdampft.

Dieser Aufbau einer elektrischen Maschine eignet sich insbesondere für elektrische Maschinen im Leistungsbereich zwischen etwa 1 MW und 100 MW. Derartige Maschinen können Vielpolmaschinen sein, die für ein ausreichend großes Drehmoment ausgelegt sind und die als Direktantrieb ohne Getriebe eingesetzt werden.

Damit sind derartige Maschinen insbesondere für den Einsatz in Windkraftanlagen geeignet.

Bei diesen Maschinen ist ein so aufwändiger Wicklungsaufbau wie bei Hochleistungs- Turbogeneratoren nicht wirtschaftlich. Gerade bei diesen elektrischen Maschinen ist die Wicklung aus Formspulen aufgebaut, die als aufgewickelte und geformte Ringe mehrere Windungen eines Drahtes enthalten mit einer Gesamtlänge, die bis zum hundertfachen der Eisenlänge betragen kann. Bei der bisher bekannten Betriebsweise liegt die Leitertemperatur bei diesen Maschinen meist zwischen 100 und 150 Grad Celsius. Damit wird eine große Temperaturdifferenz (als sogenannte „treibende" Temperaturdifferenz) zur Umgebung erreicht, so dass wegen des Temperaturgefälles die Kühlung ermöglicht wird. Dennoch werden aber durch die vergleichsweise hohen Temperaturen der elektrischen Leiter die Kupferverluste erhöht. Außerdem wird die Lebensdauer des Isolationssystems reduziert.

Ein weiterer Vorteil durch die Kühlung mittels des verdampfenden Kühlmediums ergibt sich daraus, dass sich die Temperaturen auf der gesamten Länge der Wicklung auf annähernd derselben Temperatur halten lassen. Dies liegt daran, dass bei einer verdampfenden Flüssigkeit die Wärmeaufnahme durch den Phasenwechsel isotherm erfolgt. Durch die einheitliche Temperatur der Wicklung werden daher vorteilhaft mechanische Spannungen (Stress) vermieden, weil auch keine unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Materials vorliegen.

Es hat sich gezeigt, dass sich mit dem beschriebenen Kühlsystem die bei hoher Stromdichte von beispielsweise mehr als 4 A/mm ² entstehende Verlustwärme abführen lässt. Diese Stromdichte liegt im Bereich dessen, was bei Turbogeneratoren erreicht wird. Bei Maschinen bis 100 MW waren diese Werte bisher auf Grund des Auf baus der Maschine nicht erreichbar. Die Stromdichte aber bestimmt das Drehmoment und das Bauvolumen der elektrischen Maschine.

Im Ergebnis lässt sich also durch diese Art der Kühlung eine vergleichsweise kompakte elektrische Maschine bauen.

Bei der Kühlung erweist es sich insbesondere als vorteilhaft, dass die Formspulen auch im Bereich der Wickelköpfe gekühlt werden.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist das Kältemittel CO ₂ oder N ₂ O, das die Hohlprofile (5) unter hohen Drücken bis zu 100 bar durchströmt.

Als Kühlmedium hat sich insbesondere CO ₂ als geeignet erwiesen. Hierbei handelt es sich zum einen um eine einfache Lösung, so dass diese auch für den laufenden Betrieb mit günstigen Kosten darstellbar ist. Zum anderen hat sich gezeigt, dass CO ₂ auch im teilweise verdampfenden bzw. verdampften Zustand vergleichsweise geringe Strömungswiderstände aufweist und einfach unter großen Druck durch das Hohlprofil förderbar ist. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein ausreichender Massestrom erreichen, mit dem auf der vergleichsweise großen Länge des Kühlkanals ein ausreichender Wärmetransport durch die verdampfende Kühlflüssigkeit gegeben ist. Gerade bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung erweisen sich bei der im Verhältnis zum Durchmesser großen Länge des Kühlkanals die günstigen Verhältnisse hinsichtlich des

Strömungswiderstandes gerade auch bei teilweise verdampftem Kühlmedium beim CO ₂ als vorteilhaft.

Die genannten Drücke erweisen sich hinsichtlich der erzielten Strömungsgeschwindigkeit als vorteilhaft, so dass auch mit kleinen Querschnitten im Hohlprofil ein ausreichender Massestrom erreichbar ist. Vorteilhaft bleiben dadurch die Querschnitte für den Stromfluss ausreichend groß.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 gibt das Kältemittel in einem geschlossenen Kühlkreislauf die Verlustwärme außerhalb der elektrischen Maschine an einen Kühler oder einen Wärmetauscher ab.

Vorteilhaft erfolgt damit die Abkühlung des Kältemittels außerhalb der elektrischen Maschine, so dass deren Betriebstemperatur gering gehalten werden kann.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist die Vorlauftemperatur des Kältemittels mit einem konstanten Abstand zur Umgebungstemperatur wählbar.

Vorteilhaft werden dadurch mechanische Spannung des Materials infolge lokal unterschiedlicher Erwärmung der einzelnen Teile der elektrischen Maschine verringert. Die Temperatur der Bauteil wird damit an die Umgebungstemperatur angepasst.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 sind alle elektrischen Leiter der Formspulen aus Hohlprofilen hergestellt.

Bei der Ausgestaltung nach den vorhergehenden Ansprüchen können auch einzelne Leiter der Formspulen aus vollem Material hergestellt sein, so dass diese durch benachbarte elektrische Leiter mit gekühlt werden.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 wird ein Kühlmittelkanal durch die Serienschaltung von mehreren Formspulen gebildet, wobei dessen ununterbrochene Länge im Verhältnis zum hydraulischen Durchmesser grösser als 5000 ist

Insbesondere bei der Verwendung von CO2 als Kühlmedium lassen sich große Kühlkanallängen erreichen bei vertretbarem Druckverlust. Es sind aber auch andere Kühlmedien geeignet wie beispielsweise N ₂ O (Lachgas).

Es hat sich gezeigt, dass Verhältnisse der Länge des (ununterbrochenen) Kühlkanals zum hydraulischen Durchmesser von bis zu 40.000 erreichbar sind. Der hydraulische Durchmesser ist dabei definiert als D _H = 4*A/U, wobei „A" die Kanalquerschnittsfläche ist und „U" der Umfang des Kanals.

Bei den bereits angesprochenen Turbomaschinen liegt dieses Verhältnis zwischen 3.000 und 5.000, weil die Leiterstäbe typischerweise 10 bis 15 m lang sind und die Kühlkanäle einen Querschnitt von beispielsweise 2 mm mal 8 mm aufweisen.

Bei den angesprochenen Kühlmedien wie beispielsweise CO ₂ oder Gasen mit ähnlichen Eigenschaften wie beispielsweise das angesprochen N ₂ O (Lachgas) wird ein Phasenwechsel vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise 0 Grad Celsius bis 30 Grad Celsius möglich. Dabei kommen Verdampfungsdrücke von bis zu 80 bar zur Anwendung. Die dabei zur Kühlung genutzte Enthalpiedifferenz liegt für CO ₂ beispielsweise bei 200 bis 400 kJ/kg CO ₂ und ist so hoch, dass mit kleinen Masseströmen eine im Vergleich größere Wärmemenge abfuhrbar ist.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen, wobei die Ankopplung der Formspulen an die Vorlauf- und die Rücklaufleitung des Kühlkreislaufs über Potenzialtrenner elektrisch isolierend erfolgt, wobei an einen Potenzialtrenner wenigstens zwei Formspulen oder zwei Gruppen von in Serie geschalteten Formspulen angeschlossen sind.

Weiterhin ist es vorteilhaft, Gruppen von Formspulen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, auch hydraulisch in Reihe zu verbinden bis zur maximal möglichen Kühlkanallänge.

Dadurch wird vorteilhaft die Zahl der Potenzialtrenner verringert gegenüber einer Lösung, bei der jede der Formspulen für sich jeweils einen Potenzialtrenner für den Vorlauf und den Rücklauf

aufweist. Da die Anschlusspunkte elektrisch isolierend sind, ist die Art des Anschlusses für das strömende Kühlmedium unabhängig von dem elektrischen Anschluss.

Die Anschlussmöglichkeit nach Anspruch 7 betrifft beispielsweise auch eine Ausgestaltung einer elektrischen Maschine in Sternschaltung, bei der die drei Spulengruppen einen gemeinsamen elektrischen Anschluss aufweisen, an dem die Leitungen elektrisch zusammengeführt sind. Das bedeutet, dass aufgrund der räumlichen Verhältnisse dort auch in einfacher Weise das Kühlmedium in alle drei Spulen eingespeist werden kann (entsprechend auch rückgefördert werden kann, abhängig von der Strömungsrichtung des Kühlmediums). Es müssen dann lediglich noch die anderen Enden der Spulen entsprechend angeschlossen werden, um das Kühlmedium zu fördern.

Anspruch 8 betrifft die Verwendung einer elektrischen Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche als Generator einer Windenergieanlage.

Dies erweist sich insofern als vorteilhaft als dort die entsprechenden Leistungsdaten von elektrischen Maschinen gefordert sind und weiterhin eine geringe Baugröße gefordert ist.

Zur Kühlung der Wicklung elektrischer Maschinen wird also vorteilhaft ein Fluid verwendet, das direkt durch Kühlkanäle geführt wird, die derart ausgestaltet sind, dass die Spulen aus elektrisch leitenden Hohlprofilen gewickelt sind. Das Fluid ist ein Kältemittel, insbesondere CO ₂ , das durch Wärmeaufnahme mit Phasenwechsel bzw. oberhalb des kritischen Punktes mit hoher Enthalpiedifferenz bei kleiner Temperaturerhöhung den Abtransport der Verlustwärme der elektrischen Maschine übernimmt.

Dabei zeigt sich vorteilhaft, dass entlang den Leitern eine weitgehend gleichmäßige Temperatur gehalten werden kann, wobei gleichzeitig eine gute Wärmeaufnahme gegeben ist Diese gleichmäßige Temperatur entlang des Leiters ergibt sich insbesondere im Vergleich zu einem Kühlmedium, das einen Wärmeabtransport durch eine Temperaturerhöhung bewirkt. Hier stellt sich ein Temperaturgradient in Fließrichtung ein.

Das Fluid wird vorteilhaft in einem geschlossenen und druckdichten Kreislauf umgepumpt. Dadurch lässt sich die Temperatur der elektrischen Leiter über eine Veränderung des Massestroms und der Temperatur des Fluids beeinflussen.

Das Fluid nimmt die Verlustwärme in den Kühlkanälen durch Verdampfung zweiphasig oder überkritisch einphasig bei nahezu konstanter Leitertemperatur auf. Die Verlustwärme wird meist außerhalb der elektrischen Maschine in einem Wärmeübertrager direkt an die Umgebung oder indirekt an einen Kühlkreislauf mit einer Kompressor- oder Absorptionskältemaschine abgegeben. Bei Verwendung einer Kompressor- oder Absorptionskältemaschine wird das Fluid dort unter die Umgebungstemperatur abkgeühlt und kondensiert.

Das flüssige Fluid wird in die Kühlkanäle der Wicklung gepumpt und durch die Aufnahme der Verlustwärme teilweise oder auch weitgehend verdampft oder überhitzt, wobei das Fluid dann in einen Abscheider gelangt, in dem die Phasen getrennt werden, wobei das dampfförmige Fluid im Kompressor einer Kältemaschine komprimiert wird und durch Abgabe der Wärme an die Umgebung kondensiert.

Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich die elektrische Maschine so auslegen, dass durch Erhöhung der Leistungsdichte das Optimum des Wirkungsgrades einer elektrischen Maschine in ein der jeweiligen Nutzungshäufigkeit angepasstes Teillastgebiet verlegt wird. Vorteilhaft kann dadurch der Bauaufwand deutlich reduziert werden, wenn in dem weniger häufig vorkommenden Volllastbereich geringere Wirkungsgrade akzeptiert werden können.

Insgesamt ist es bei den vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen vorteilhaft, die Querschnittsflächen und Längen der Kühlkanäle so zu wählen, dass ein optimaler Druckabfall des Kühlmediums bei minimaler Reduzierung der metallischen Leiterquerschnittsflächen möglich wird.

Entsprechend nachfolgenden Erläuterungen lassen sich die Widerstände der elektrischen Leiter und damit die Ohmschen Verluste durch Kühlung soweit reduziert (Gleichung 3), dass die Stromdichte, und damit der Drehschub und die Leistungsdichte erheblich vergrößert werden können (Gleichung 4).

Im Vergleich zum Stand der Technik ergibt sich aus diesen Maßnahmen vorteilhaft gegenüber den bekannten, meist luftgekühlten Maschinen, dass

• die Leitertemperaturen erheblich abgesenkt werden können,

• die Leiterwiderstände damit geringer werden,

• eine bedeutende Anhebung des Drehschubes τ möglich wird,

• die dabei nur wenig ansteigende Verlustleistung sicher abgeführt werden kann,

• die Luftspaltinduktion bei Maschinen mit Erregung durch Permanentmagnete bei niedrigen Magnettemperaturen leicht ansteigt,

• insgesamt die Leistungsdichte erheblich gesteigert werden kann und

• die Lebensdauer des Wicklungssystems erhöht wird, weil thermische und mechanische Beanspruchungen spürbar reduziert werden.

Im Folgenden werden mittels bekannter Zusammenhänge die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens im Vergleich erläutert.

Das Drehmoment einer elektrodynamischen Maschine kann mit Hilfe der folgenden Beziehung dargestellt werden:

M = V _LU B A cos φ = —B D L _P A _L n _L S _L cos φ (1)

Darin M Drehmoment der Maschine in Nm

V _LU Luftspaltvolumen V _LU =D ² πL _p /4 m ³

D Luftspaltdurchmesser m

LP Blechpaketlänge m

A ^c trombclae A - ⁷¹ L ¹ L _ ⁿ L A ^S L A/m

Dπ Dπ

IL Leiterstrom A n _L Zahl der Leiter

A _L Leiterquers chnittsfläche m ²

SL Stromdichte S _L = I _L IA _L A/m ²

B Luftspaltinduktion Tesla = Vs/m ² cosφ Leistungsfaktor

Die Ohmschen Verluste Pv in der Wicklung sind dem Quadrat des Leiterstroms I _L , der Zahl π _L der Leiter in der Wicklung und dem Ohmschen Widerstand der Wicklung proportional:

Darin: RL Wicklungswiderstand in ω

Po spezifischer Widerstand für Kupfer po =1/56 ω mm ² /m α Temperaturkoeffizient für Kupfer α=0,0039 l/K

T Leitertemperatur in °C

T ₀ Bezugstemperatur T ₀ =20°C

L _L Leiterlänge in m

L _w Wickelkopflänge in m x Verhältnis Wickelkopf zu Polteilung z. B. 2 bis 3

2p Polpaarzahl

A _L Leiterquerschnitt in m ²

Aus Gleichung (1) kann die Stromdichte S _L ermittelt und in Gleichung (2) eingesetzt werden.

Wenn eine Erhöhung der Stromdichte soweit möglich wäre, dass das Drehmoment ohne Vergrößerung der Maschinenabmessungen verdoppelt würde, so stiegen die Ohmschen Verluste um den Faktor 4, wie aus Gleichung (3) erkennbar ist, wenn alle anderen Maschinendaten unverändert blieben.

Bildet man das Verhältnis der Verlustleistungen P _V2 1 P _vx zweier beliebiger elektrischer Maschinen, so erhält man:

Mit diesen Beziehungen lässt sich ein Vergleich anstellen zwischen einer vorhandenen Maschine 1, z. B. einer Synchronmaschine mit einer Erregung durch Permanentmagnete, deren Abmessungen und Betriebsdaten bekannt sind, und einer neuen direkt in den Leitern gekühlten Maschine 2, die bei gleichen Abmessungen die doppelte Leistungsdichte erreichen soll.

Folgende Daten ändern sich:

• Das Drehmoment soll doppelt so hoch sein, M ₂ =2Mi

• Bei gleicher Nutöfrnung verringert sich der Leiterquerschnitt um den Kühlkanalquerschnitt, z. B. AL ₂ = A _LI /1, 05.

• Die Leitertemperatur wird durch verdampfendes CO ₂ von Ti=I 20°C auf z. B. T ₂ = - 50°C herabgekühlt.

• Die Luftspaltinduktion erhöht sich durch die tiefere Temperatur der Permanentmagnete um etwa 12%: B ₂ =I, 12Bi

(5)

Die restlichen Brüche habe den Wert 1, da die Durchmesser D, die Paketlängen Lp, die Zahlen der Leiter n _L , die Längen der Leiter L _L und die Leistungsfaktoren cosφ nicht geändert wurden.

Gleichung (5) eingesetzt in Gleichung (4) ergibt:

Die Verlustleistung steigt trotz einer Verdoppelung des Drehschubes τ nur um etwa 75% an.

In einem weiteren Vergleich soll nun eine Maschine 3 so ausgelegt werden, dass ebenfalls eine Verdoppelung des Drehschubes τ erreicht wird. Dabei soll das Drehmoment der Maschine 1 erhalten bleiben, die Länge des Blechpaketes aber halbiert werden. Da die Verluste von der Leiterlänge LL3=LP3+LW3 abhängen, wird für die Wickelkopflänge Lw3 eine praxisgemäße Festlegung gemacht werden, sodass das Verhältnis der Leiterlängen L _L3 /L _L , _I =0,677 beträgt

Mit den weiteren Vorgaben für die Maschine 3

B ₃ = 1,12 B ₁ T ₃ = -50°C Ti = 120°C lassen sich mit Hilfe der Gleichung (4) die Verluste wie im vorangegangenen Beispiel

Das heißt, dass mit HiLFe einer effektiveren Kühlung der stromführenden Leiter eine erhebliche Steigerung der Leistungsdichte erreichbar ist, in diesem Fall wird sie verdoppelt und die Verlustleistung erhöht sich lediglich um 18,56%.

Für den Fachmann sind diese Zusammenhänge im Allgemeinen bekannt Dass eine direkte Leiterkühlung bei elektrischen Maschinen in dem hier angesprochenen Leistungsbereich nicht zum Einsatz kommt, liegt an dem unverhältnismäßig hohen Aufwand, der z. B. bei Wasserkühlung in Hohlleitern erforderlich ist. Erst der erfindungsgemäße Einsatz eines verdampfenden Kältemittels wie z. B. Kohlendioxid mit seinen hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften macht eine Abkühlung der Leiter auf entsprechend tiefe Temperaturen möglich. Der höhere Energieaufwand für eine zusätzliche Kältemaschine kann sinnvoll sein, wenn eine erhebliche Steigerung des Drehschubs oder der Energiedichte im Vordergrund steht.

Beispielsweise bei direktangetriebenen Generatoren großer Windenergieanlagen wird ein sehr großes Drehmoment im Bereich von 1.000 bis 10.000 kNm erforderlich. Obwohl bei Windkraftwerken sehr hohe Anforderungen an den Wirkungsgrad gestellt werden, ist eine Steigerung der Leistungsdichte aus Kostengründen dringend erwünscht. Die damit verbundene Wirkungsgradeinbußen im Volllastbereich sind aber leicht hinnehmbar, da Windenergieanlagen sehr selten im Volllastbetrieb laufen.

Eine Vergleichsrechnung soll den Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung von CO ₂ mit Phasenwechsel bei hohen Drücken gegenüber den bisher verwendeten einphasigen Kühlmedien wie Wasser, Wasserstoffgas oder gasförmiges CO ₂ , sowie zweiphasig eingesetzten Kältemittel wie Rl 34a aufzeigen.

Der abzuführende Wärmestrom, der der Verlustleistung der elektrischen Maschine entspricht, ist mit der Gleichung (7) bestimmbar:

Darin bedeuten:

L m Länge des Kühlkanals

Q kW Wärmezufuhr auf der Länge L m kg/s Massenstrom

D m Durchmesser des Kühlkanals

V ₁ m ³ /kg spez. Volumen der Flüssigkeit

V ₂ m ³ /kg spez. Volumen des Dampfes hx kJ/kg spez. Enthalpie der Flüssigkeit h ₂ kJ/kg spez. Enthalpie des Dampfes h ₂ -hi kJ/kg Verdampfungsenthalpie ς - Druckverlustbeiwert

δp Pa Druckverlust im Kühlkanal durch Strömungswiderstände

Geht man davon aus, dass Durchmesser D und Länge L des Kühlkanals und der erlaubte Druckabfall δp im Kühlkanal gegeben sind und der Reibungsbeiwert ζ nicht stark variiert, so ist es also die Enthalpiedifferenz h ₂ -h i geteilt durch die Wurzel aus dem mittleren spezifischen Volumen (v ₂ -Vi)/2, die bestimmt, wie viel Wärme aus einem gegeben Kühlkanal abgeführt werden kann, der durch die Parameter unter der rechten Wurzel in Gleichung (7) festgelegt ist.

Auf dieser Basis kann man nun die verschieden möglichen Kühlmittel miteinander vergleichen. Als Beispiel wählen wir den Temperaturbereich um 5 ⁰ C. Bei den einphasigen Kühlmitteln Wasser und Wasserstoff wird eine Temperaturerhöhung von 10 K über die Länge des Kühlkanals zugelassen. Als Beispiel für die Freone wird Rl 34a gewählt.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Enthalpiedifferenz und das mittlere spezifische Volumen dieser Kühlmittel im Vergleich zu CO ₂ mit Phasenwechsel bei einem Druck von 35 bar in der letzten Zeile

Der wichtigste Parameter ist in der letzten Spalte gezeigt. Je grösser dieser Wert ist, desto mehr Wärme kann aus einem Kühlkanal angeführt werden.

Man erkennt, dass Wasser deutlich besser ist als die Gase Wasserstoff und gasförmiges CO ₂ , aber es ergeben sich Probleme wegen der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers. Die beiden untersten Reihen betreffen Kühlmittel mit Phasenwechsel. Man erkennt, dass man mit Rl 34a nicht an Wasser herankommt.

Es wird deutlich, dass CO ₂ mit Phasenwechsel eine Sonderstellung einnimmt. Es ist mehr als drei mal besser als Wasser und acht mal besser als Wasserstoff, vor allem wegen der grossen Enthalpiedifferenz bei moderatem spezifischen Volumen.

CO ₂ ist nicht das einzige Kühlmittel mit diesen Eigenschaften. Zum Beispiel hat Lachgas (N ₂ O) ganz ähnliche Eigenschaften wie CO ₂ . CO ₂ ist aber von den Stoffen mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften bei weitem das kostengünstigste und umgänglichste.

In keinem der bekannten Kühlverfahren für elektrische Maschinen sind die besonders günstigen Kühleigenschaften von CO ₂ mit Phasenwechsel genutzt worden, vor allem wenn es um lange enge Kühlkanäle geht

Bei Turbogeneratoren ist die Verwendung von CO2 als zweiphasiges Kühlmittel bisher nicht möglich, weil die konstruktive Gestaltung der Kühlkreisläufe mit einzelnen Roebelstäben und Verteilerkappen für das Kühlmittel einen Betrieb mit hohen Drücken von bis über 80 bar nicht zuliessen. Erst die Verwendung von Formspulen, die aus Hohlprofilen hergestellt sind, macht den Einsatz von CO ₂ oder ähnlichen Gasen im zweiphasigen Betrieb möglich.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen mit Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig 1 : einen Schnitt durch den Ständer einer elektrischen Maschine senkrecht zur

Maschinenachse

Fig 2: Spulen einer Ständerwicklung, die an einen Kühlkreislauf angeschlossen sind

Fig 3: ein vereinfachtes Schaltbild einer dreiphasigen Wicklung und ein Fließbild eines

Kühlkreislaufes, der an eine Kältemaschine angeschlossen ist.

Fig 4: Allgemeine Darstellung des Kühlkreislaufes im Druck-Enthalpie- Diagramm

Fig 5: Darstellung von drei Kühlkreisläufen davon einer im überkritischen Bereich

Fig 6: Beispiel für die Abmessungen eines Kühlkanals

Fig 7: Wirkungsgradvergleich

In Figur 1 ist der Teilschnitt eines Ständers 1 einer elektrischen Maschine zu sehen. Im Ständergehäuse 2 ist ein Blechpaket 3 eingesetzt, das durch Aufeinanderstapeln von Blechsegmenten oder Ronden entsteht, wobei in den Blechen Nuten 4 vorgesehen sind. In den Nuten 4 sind Formspulen 10 eingelegt, die aus einer aufgewickelten Hohlprofilen bestehen und von einem Nutverschlusskeil 7 gehalten werden.

Die Erfindung besteht darin, dass zur Kühlung verdampfendes oder überkritisches Kältemittel, z. B. CO ₂ durch die als Hohlprofile großer Länge ausgebildeten elektrischen Leiter der Formspulen geleitet wird, so dass eine wesentlich größere Wärmemenge bei nahezu konstanter Leitertemperatur über die gesamte Leiterlänge abgeführt werden kann. Dabei haben die Hohlprofile 5 extrem kleine Kanalquerschnitte, so dass bei gleicher Nutgeometrie höhere Nutfüllfaktoren gegenüber einer einphasigen Leiterkühlung mit Flüssigkeit oder Gas erreicht wird. Durch die größere Nutfüllung und die niedrigeren Leitertemperaturen sinkt der Ohmsche Widerstand und damit die Verluste der Wicklung deutlich ab.

In Figur 2 sind Spulen 10 mit je 3 Windungen aus Hohlprofilen 5 dargestellt, die durch Schaltverbindungen 11 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch Potentialtrenner 12 sind die Spulen parallel an den Kühlkreislauf 18 angeschlossen, von dem hier die Umwälzpumpe 16, die Kühlmittelzuführleitung 13 und die Kühlmittelrückführleitung 14 zu sehen sind. Die Potentialtrenner 12 sind aus elektrisch isolierendem Werkstoff hergestellt und stellen eine gasdichte hydraulische Verbindung zwischen den Spulen und den Kühlmittelleitungen dar.

Es ist zu sehen, dass an einen Anschlusspunkt der Vorlauf- und der Rücklaufleitung des Kühlmediums jeweils zwei Spulen angeschlossen sind. Es können auch zwei Gruppen von mehreren in Serie geschalteter Spulen angeschlossen sein. Dadurch wird die Zahl der Potentialtrenner reduziert und der Aufbau der Anlage vereinfacht.

Ein vereinfachtes Schaltbild einer Drehstrom-Ständerwicklung 15 in Sternschaltung ist in Figur 3 zu sehen mit den Anschlussklemmen R, S, T und der Klemme M für den Sternpunkt .

Gleichzeitig ist ein vereinfachtes Fließbild des Kühlsystems dargestellt, das für eine zweiphasige Kühlung mit CO ₂ verwendet werden kann. Das flüssige CO ₂ wird mittels einer Umwälzpumpe 16 über die Kühlmittelzuführleitung 13 zum Sternpunkt M des Wicklungssystems geführt und von dort durch das Spulensystem 15 zur Kühlmittelrückführleitung 14 gepumpt, die das weitgehend verdampfte oder überhitzte, gasförmige oder auch überkritische CO ₂ zu einem Sammelbehälter 17 leitet, in dem gasförmiges und flüssiges CO ₂ getrennt werden. In dem Fall, dass die Wicklungstemperatur unter die Umgebungstemperatur abgekühlt werden soll, ist eine Kältemaschine 18 vorgesehen, die in bekannter Weise dem CO2 über einen Wärmeübertrager 21 mittels Kompressor 19, Kondensator 20 und Drossel 24 die Wärme wieder entzieht.

Die Potentialtrenner 12 sorgen für eine elektrische Isolierung zwischen äußerem Kältekreislauf und dem zu kühlenden Drehstromwicklungssystem 15.

Das flüssige Kühlmittel, insbesondere CO ₂ , kann je nach Druckniveau unterkritisch teilweise oder vollständig verdampfen oder auch überhitzt aus dem Wicklungssystem 15 austreten. Bei einem Druckniveau oberhalb des kritischen Druckes von etwa 90 bar ist der Endzustand ohnehin einphasig.

Die Abfuhr der Verlustwärme aus dem Wicklungssystem 15 an die Umgebung erfolgt meist außerhalb der elektrischen Maschine entweder direkt über einen Wärmeübertrager oder indirekt über eine Kältemaschine, die den Kühlmitteldampf kondensiert. Die Kältekreisläufe sind in der Lage, das kondensierte Kühlmittel unter die Umgebungstemperatur abzukühlen und so die Wicklungswiderstände gegenüber dem Stand der Technik wesentlich zu reduzieren. In der Folge ist eine Erhöhung der Leistungsdichte möglich.

Insbesondere soll CO ₂ als Kältemittel verwendet werden, da es aus ökologischer und sicherheitstechnischer Sicht ein nahezu ideales Kältemittel ist. Es ist weder giftig noch brennbar, es besitzt kein Ozonabbaupotential wie viele andere Kühlmittel, ist chemisch inaktiv und ausgesprochen billig. Daher gibt es keine Notwendigkeit zur Rückgewinnung oder Entsorgung.

Beim Einsatz von CO ₂ sind zwar hohen Drücke erforderlich. Letztlich können die Kühlsysteme aber kompakter und mit geringeren Kanalquerschnitten ausgeführt werden, was bei Hohlprofilen in elektrischen Maschinen zu kompakten Spulen mit hohem Nutfullfaktor fuhrt.

In der oberen rechten Hälfte von Figur 4 ist das Anlagenschema vereinfacht und links in einem Ausschnitt dargestellt. Der Kühlkanal innerhalb eines Hohlprofils 5 ist an die Kühlmittelzufuhrleitung 13 über eine Einlaufstrecke mit geringerem Kanal querschnitt angeschlossen. Diese vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sichert die gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die große Zahl paralleler Kühlkanäle.

In der unteren Hälfte der Figur 4 ist der zweiphasige Kühlprozess in einem Druck-Enthalpie- Diagramm dargestellt. Der Druck ist auf der Ordinate in bar aufgetragen, die Enthalpie auf der Abszisse in kJ/kg. Der Arbeitspunkt a entspricht dem Zustand des flüssigen Kältemittels CO ₂ im Sammelbehälter 17 und in der Kühlmittelzuführleitung 13 bis zur Umwälzpumpe 16, die den Druck adiabat bis zum Zustand b erhöht. Im Einlaufkanal entspannt sich die unterkühlte Flüssigkeit, nimmt Wärme auf und erreicht den Siedepunkt bei Zustand c und mit der ersten Dampfbildung den Arbeitspunkt d, wo der größere Querschnitt des Kühlkanals beginnt. Dort tritt das Kühlmittel bereits mit einem gewissen Dampfgehalt in den Hauptkühlkanal ein und nimmt durch Verdampfung Wärme auf. Durch Strömungswiderstände sinkt der Druck bei leicht abfallender Temperatur, bis der Zustand e mit beispielsweise 95 % Dampfgehalt erreicht ist. Mit dem Buchstaben K ist der kritische Punkt bezeichnet.

Durch Kühlung wird das dampfförmige CO ₂ kondensiert und im Sammelbehälter 17 aufgefangen. (Zustand a)

Die erfindungsgemäße Verwendung von CO ₂ oder anderer Kühlmittel mit Phasenwechsel bzw. sehr hoher spezifischer Wärmekapazität führt zu geringen Massenströmen des Kühlmittels. Es entstehen wiederum vergleichsweise geringe Druckabfälle bei leicht sinkenden Temperaturen. Dadurch können kleinere Kühlkanalquerschnitte verwendet werden als dies zum Beispiel mit Wasser möglich wäre. Da das verdampfende CO ₂ eine hohe Wärmeübergangszahl aufweist, wirkt sich die Verkleinerung der Wärmeübertragungsfläche nicht aus.

Auch bei überkritischen Zuständen, die im Kühlsystem dann zwangsläufig auftreten, wenn sich die niedrigste im Kühlkreislauf vorkommende Temperatur der kritischen Temperatur des Kühlmittels annähert, ergeben sich ähnlich günstige Eigenschaften: hohe Wärmeübergangszahlen, geringe Massenströme und daraus resultierende geringe Druckabfalle bei nahezu konstanten oder leicht ansteigenden Temperaturen im Kühlkanal.

Figur 5 zeigt in einem Druck-Enthalpie-Diagramm beispielhaft drei unterschiedliche Prozesse:

28 bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen in den Leitern

29 bei mittleren und

30 bei hohen Leitertemperaturen, wobei auch überkritische Prozesse ganz oberhalb des kritischen Drucks möglich sind

In Figur 5 ist wiederum auf der Ordinate der Druck in bar aufgetragen und auf der Abszisse die Enthalpie in kJ/kg.

Die nachfolgende Tabelle 1 enthält berechnete Werte für einen Kühlkanal mit einem Kanaldurchmesser, von D _K =3mm, mit einer Länge von insgesamt Lκ=35,2m und mit einer Einlaufstrecke von Lo=3m mit einem Kanaldurchmesser Do=2mm, der eine Verlustleistung von Q =1,1 IkW abführt, was einer Wärmestromdichte im Hauptkühlkanal von q = 3,35 kW/m ² entspricht. Die Bedeutung der Größen tein, Pm, δp sowie taus ergibt sich der Tabelle.

Die entsprechenden Größen, die mit den genannten Maßen der Berechnung zu Grunde gelegt sind, sind in Figur 6 eingezeichnet.

Man erkennt, dass bei Kühlmitteleintrittstemperaturen in einem Bereich von tm = -31,5 ⁰ C bis +30°C hohe Wärmeübergangszahlen α bis 19700 W/m ² K erreicht werden bei mittleren Drücken von 10,1 bis 80,9 bar und mit einem CO ₂ Massestrom m zwischen 3,4 und 11,1 g/s. Tabelle 1

Eintritts - AustrittsMittl. Druck DruckMasseAustrittsWärmeübertemperatur temperatur Kühlkanal differenz strom geschwind. gangszahl tein taus Pm δ p m W alpha

⁰ C ⁰ C bar bar g/s m/s kW/m ² K

-31,5 -51 10,1 7,2 3,4 17,6 10,4

-24,6 -37 14,3 5,8 3,6 13,2 9,8

-11,6 -18 23,1 4,7 4,1 9,2 9,3

2 -2 34,9 4,1 4,8 6,6 8,6

13 δ 45,0 4,3 5,6 5,6 9,0

22 18 57,2 5,4 7,2 5,1 10,4

27 22 64,3 7,4 9,1 5,2 13,1

30 33 80,9 10,9 11,1 5,9 19,7

In Figur 7 sind die Wirkungsgrade zweier elektrischer Maschinen A und B miteinander verglichen. Maschine A ist so ausgelegt, dass sie bei 100% Nennleistung, also bei Volllast den maximalen Wirkungsgrad Ao hat.

Es ist der Wirkungsgrad in % über der Auslastung in % der Nennleistung aufgetragen.

Erfindungsgemäß ist die Maschine B, zum Beispiel ein Vielpol-Synchrongenerator für Windenergieanlagen, für hohen Drehschub ausgelegt, um Gewicht und Kosten zu reduzieren. Dadurch liegt der Wirkungsgrad Bo bei Volllast niedriger als bei Maschine A. Wenn eine elektrische Maschine B, wie der genannte Generator für Windenergieanlagen überwiegend im Teillastbereich bei 20 bis 50 % der Nennleistung betrieben wird, so ist die Auslegung mit einem Wirkungsgradmaximum B ₁ in diesem Bereich ein wichtiger technischer und ökonomischer Vorteil. Denn die Maschine B hat in B ₁ einen deutlich höheren Wirkungsgrad verglichen mit A ₁ . Außerdem ist sie leichter und kostengünstiger herzustellen.

Voraussetzung dabei ist, dass die deutlich höheren Verluste im Nennbetrieb mit dem hier vorgeschlagenen Kühlverfahren ohne überhitzung der Wicklung abgeführt werden können.

Bezugszeichenliste:

1. Ständer

2. Gehäuse

3. Blechpaket

4. Nut

5. Hohlprofil

6. Zwischenlage

7. Nutverschlusskeil 8.

9.

10. Spule, Formspule

11. elektrische Schaltverbindung

12. Potentialtrenner

13. Kühlmittelzufuhrleitung

14. Kühlmittelrückführleitung

15. dreiphasige Ständerwicklung

16. Umwälzpumpe

17. Sammelbehälter

18. Kühlaggregat

19. Kompressor

20. Kondensator

21. Verdampfer 22.

23.

24. Drossel

25.

26.

27.

28. Kältemittelkreislauf bei tiefen Temperaturen

29. Kältemittelkreislauf bei mittleren Temperaturen

30. Kältemittelkreislauf bei höheren Temperaturen im p-h-Diagramm