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WO2002035687A1 - Schnelllaufende elektrische maschine - Google Patents

Schnelllaufende elektrische maschine Download PDF

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Publication number
WO2002035687A1
WO2002035687A1 PCT/IB2001/001976 IB0101976W WO0235687A1 WO 2002035687 A1 WO2002035687 A1 WO 2002035687A1 IB 0101976 W IB0101976 W IB 0101976W WO 0235687 A1 WO0235687 A1 WO 0235687A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
rotor
stator
air
machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/IB2001/001976
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Jakoby
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Alstom NV
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Alstom Power NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG, Alstom Power NV filed Critical Alstom Schweiz AG
Priority to AU2002210806A priority Critical patent/AU2002210806A1/en
Publication of WO2002035687A1 publication Critical patent/WO2002035687A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/10—Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing
    • H02K9/12—Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing wherein the cooling medium circulates freely within the casing

Definitions

  • the present invention relates to the field of electrical machines. It relates to a high-speed electrical machine according to the preamble of claim 1.
  • the electrical power loss to be dissipated generally also reaches values in the rotor that require internal cooling.
  • a heat dissipation alone over the The air gap between the rotor and stator and over the end faces of the rotor is often not sufficient to comply with the temperature limit values determined by the respective insulation class.
  • a special position is occupied by machines that can be cooled with a medium under high pressure.
  • motors for driving pipeline compressors which are integrated in the natural gas pipeline and through which the pumped medium (methane) flows under a pressure between 40 and 70 bar. In this case, cooling of the rotor interior may not be necessary.
  • the object is achieved by the entirety of the features of claim 1.
  • the essence of the invention is to provide separate first and second cooling circuits for cooling the stator and rotor, which are formed or arranged symmetrically to the machine center.
  • an additional fan that can be regulated independently of the machine is preferably connected upstream or downstream of the cooler.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the cooling medium or the cooling air in the second cooling circuits for cooling the rotor flows in opposite directions from the end faces to the center of the rotor through axial channels accommodated in the rotor, and in order to compensate for the pressure losses occurring in the rotor flow Blading is attached to each end of the rotor.
  • the axial channels of the second cooling circuits are either offset from one another and extend from the end faces of the rotor essentially through the entire active part of the rotor and end at the end in the air gap. Or they extend from the end faces of the rotor to a radial gap which is arranged in the center of the machine and is connected to the air gap and opens into the radial gap.
  • the heated cooling medium (cooling air) which has emerged from the axial channels into the air gap (cooling air) is preferably at the front ends of the air gap via radial channels running through the stator within the second cooling circuits returned to the cooler.
  • the cooling is further simplified if the cooling medium or the cooling air in the second cooling circuits is passed through the winding overhangs before entering the rotor.
  • a further preferred embodiment of the invention is characterized in that the machine has a machine housing which exits the cooling medium or the cooling air in the first and second cooling circuits from the cooler into the interior of the machine housing, and in that the air gap on the end faces through seals is sealed. This considerably simplifies the construction of the cooling system.
  • FIG. 1 Another preferred embodiment of the invention is characterized in that radial cooling slots are provided in the stator for cooling the stator, which are divided into slot segments by a tangential segmentation, that each in the first cooling circuits by means of a collecting and distributing device arranged on the back of the stator Slot segment cold cooling medium or cold cooling air is fed from the cooler and heated cooling medium or heated cooling air is led away from the slot segment and back to the cooler, and that the cooling medium or the cooling air flows inside the slot segments in a segment half from the outside to the inside, below which Conductor rods of the stator is deflected and flows out of the slot segment again in a second segment half.
  • FIG. 1 shows a first preferred in a schematic longitudinal section
  • FIG. 2 shows, in a representation comparable to FIG. 1, a second preferred exemplary embodiment of an electrical machine according to the invention.
  • FIG. 3 in cross section an exemplary segmented stator cooling
  • FIG. 1 a first preferred embodiment of a high-speed electrical machine according to the invention is shown in a schematic longitudinal section.
  • the electrical machine 10 comprises a rotor 11, which is rotatably mounted in two bearings 15 and 16 with a rotor shaft 13 about an axis of rotation 17.
  • the rotor 11 is coaxially surrounded by a stator 12 provided on the end faces with winding heads 18 and 19, of which only the upper half is shown in FIG. 1 for the sake of simplicity.
  • Rotor 11 and stator 12 are separated from one another by an air gap 14.
  • a cooler 20, through which a cooling medium, preferably air, flows, is arranged in the upper area of the machine 10 within a machine housing 33.
  • the flow of the cooling air through the cooler 20 is brought about by an additional fan 21, which in the example shown is placed behind the cooler 20 in the flow direction, but can also be arranged in front of the cooler 20.
  • FIG. 1 An essential feature of the cooling concept shown in FIG. 1 is the use of largely independent first and second cooling circuits 26a, b and 27a, b for the rotor 11 and the stator 12.
  • the first two cooling circuits 26a and 26b as well as the two second cooling circuits 27a and 27b are constructed or arranged symmetrically to the machine center 43. In this way, each of the two components 11, 12 is supplied directly and optimally with cold air.
  • the additional fan (external fan) 21 which is connected downstream of the cooler 20, blows the cold air freely into the interior of the machine housing 33.
  • the inflow into the stator 12 takes place via the back of the stator, on which a corresponding collecting and distributing device 28 is provided.
  • the rotor 11 is supplied with cooling air by means of blading 29 or 30 attached to the end of the rotor shaft 13.
  • the air streams sucked in by the rotor 11 are previously passed over the winding overhangs 18, 19 in order to ensure reliable dissipation of the electrical power loss here as well.
  • the entry of the cooling medium into the rotor 11 is always a critical component in machines with high peripheral speeds. High differential speeds between the fluid and the rotating walls can cause severe flow separation and thus high pressure losses. These may exceed the pressure build-up of the commonly used external fans many times over, so that the mass flow required for cooling can ultimately not be fed into the rotor 11.
  • a radial or diagonal blading 29 or 30 attached to the rotor shaft 13 is attached to the end faces of the active rotor part.
  • the flow through and cooling of the rotor 11 takes place by means of axial channels 36, 37.
  • the cooling channels 36 and 37 emanating from the left and right side of the machine are offset from one another in the exemplary embodiment in FIG. 1, so that both partial flows of the first cooling circuits 26a, b are almost Flow through the entire active part and exit radially into the air gap 14 at the opposite machine end (see the corresponding flow arrows in the rotor 11 of FIG. 1).
  • This arrangement is particularly suitable for laminated rotors or rotors 11 consisting of disks and leads to a very homogeneous temperature distribution in the axial direction.
  • Another variant for the arrangement of the cooling channels in the rotor 11 is shown in the exemplary embodiment in FIG. 2.
  • the left and right axial channels 36 'and 37' need not be offset from one another.
  • the axial channels 36 ′, 37 ′ end in the machine center 43 and open into a radial gap 38, so that the rotor cooling air exits in the middle of the air gap 14.
  • the temperature of the rotor cooling air can be in the range of the permissible material temperatures of the stator 12, further use of the rotor cooling air for component cooling is not expedient. For this reason, the warm air is discharged through radial channels 34, 35 in the area of the press plates of the stator 12.
  • the effective cross-sectional area of these radial channels 34, 35 is to be dimensioned as large as possible in order to increase the pressure losses and also the heat exchange with the stator material minimize.
  • the cooling medium flows into ring collectors 22 and 23, respectively.
  • the ring collectors 22, 23 are in turn connected to the cooler 20 and the external fan 21 via pipes 24, 25.
  • a seal 31, 32 is required at both ends of the air gap 14. This is to prevent cold air from getting directly into the warm air collector (ring collector 22, 23).
  • the seals 31, 32 can be designed, for example, as labyrinth seals.
  • Various concepts can be used for cooling the stator 12, which, however, should have a seal to the air gap 14 as a "common denominator", so that the separation of the rotor and stator coolant flows is ensured.
  • the principle is shown here using the example of a tangential segmentation of the radial cooling slots of the stator.
  • axial chambering is also possible, as is usual in turbogenerator construction.
  • the cooling air is supplied to the stator radially into the interior of the stator in the case of the “tangential cooling” shown in FIG. 3 from the machine housing 33.
  • the cold air 41 flows in individual slot segments 40 past the conductor bars 39 to an inner boundary surface which seals the slot segments 40 with respect to the air gap 14.
  • This inner boundary can be created, for example, by a cylindrical insert ("air gap cylinder").
  • Below the conductor bars 39 the flow is deflected by 180 °.
  • the hot air 42 flows out of the stator 12 in a manner similar to the inflow.
  • the outflowing cooling medium is finally brought together in the collecting channels 28 of the collecting and distributing device 28 distributed over the circumference and introduced from there into the ring collectors 22, 23 which are arranged in the region of the press plates (cf. FIGS. 1 and 2).
  • the invention results in a high-speed electrical machine which is characterized by efficient dissipation of heat losses and extensive minimization of ventilation losses and which has considerable advantages in terms of operating costs.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Eine schnelllaufende elektrische Maschine (10) umfasst einen drehbar gelagerten Rotor (11), welcher Rotor (11) durch einen Luftspalt (14) getrennt von einem Stator (12) mit zwei Wickelköpfen (18, 19) konzentrisch umgeben ist, so-wie Mittel (20,..,28) zum Kühlen des Rotors (11) und Stators (12), mittels derer ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, in einen Kreislauf durch den Rotor (11) und den Stator (12) geschickt und die dabei von dem Kühlmedium bzw. der Kühlluft aufgenommene Wärme in einem Kühler (20) wieder entzogen wird. Bei einer solchen Maschine wird die Abfuhr der Verlustwärme dadurch verbessert, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in weitgehend vonein-ander unabhängi-gen, vorzugsweise parallelen, ersten und zweiten Kühlkreisen (27a,b bzw. 26a,b) für den Stator (12) und den Rotor (11) geführt wird, und dass die ersten und zweiten Kühlkreise (26a,b; 27a,b) symmetrisch zur Maschinenmitte (43) ausgebil-det bzw. angeordnet sind.

Description

BESCHREIBUNG
SCHNELLLAUFENDE ELEKTRISCHE MASCHINE
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft eine schnelllaufende elektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Die Kühlung schneilaufender elektrischer Maschinen, insbesondere Asynchronmotoren, im Leistungsbereich von 1 bis 20 MW stellt aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten des Rotors hohe Anforderungen an die Auswahl eines geeigneten Kühlkonzepts, wie auch an die Auslegung der Einzelkomponenten. Die abzuführende elektrische Verlustleistung erreicht in der Regel auch im Rotor Werte, welche eine interne Kühlung erfordern. Eine Wärmeabfuhr allein über den Luftspalt zwischen Rotor und Stator und über die Stirnflächen des Rotors ist zur Einhaltung der durch die jeweilige Isolationsklasse bestimmten Temperäturgrenz- werte oftmals nicht ausreichend. Eine Sonderstellung nehmen hierbei Maschinen ein, welche mit einem unter hohem Druck stehenden Medium gekühlt werden können. Hier sind beispielsweise Motoren zum Antrieb von Pipelinekompressoren zu nennen, die in die Erdgasleitung integriert sind und vom Fördermedium (Methan) unter einem Druck zwischen 40 und 70 bar durchströmt werden. In diesem Fall kann u.U. auf eine Kühlung des Rotorinneren verzichtet werden.
Bei Anwendungen, die eine Durchströmung des Rotors benötigen, sind zwei gegensätzliche Forderungen zu erfüllen, die insbesondere bei Rotorumfangsgeschwindigkeiten im transsonischen Bereich von entscheidender Bedeutung sind. Einerseits ist durch die erforderliche Bereitstellung eines ausreichenden Kühlmittelmassenstroms eine zuverlässige Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Demgegenüber steht die Forderung nach einer Begrenzung der Ventilationsverluste, die proportional zum Massenstrom und zur zweiten bzw. dritten Potenz der Rotorumfangsgeschwindigkeit sind und die den Gesamtwirkungsgrad der Maschine signifikant beeinträchtigen können. Weiterhin kann das Kühlmittel bei der Durchströmung des Rotors derart erwärmt werden, dass die Austrittstemperatur über der zulässigen Materialtemperatur des Stators liegt. Somit können die etablierten Kühlschemata von im Drehzahlbereich zwischen 3000 und 3600 U/min operierenden Standardmaschinen, die eine sequentielle Durchströmung von Rotor und Stator vorsehen, nicht angewendet werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zur Kühlung hochdrehender elektrischer Maschinen, insbesondere Asynchronmaschinen, ein Lösungskonzept anzugeben, welches sowohl eine effiziente Abfuhr der Wärmeverluste wie auch eine weitgehende Minimierung der Ventilationsverluste ermöglicht. Darüber hinaus sollen sich durch dieses Lösungskonzept auch erhebliche Vorteile hinsichtlich der Betriebskosten der Maschine ergeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, für die Kühlung des Stators und Rotors voneinander getrennte erste und zweite Kühlkreise vorzusehen, die symmetrisch zur Maschinenmitte ausgebildet bzw. angeordnet sind. Vorzugsweise wird dabei zur Zirkulation des Kühlmediums bzw. der Kühlluft dem Kühler ein unabhängig von der Maschine regelbarer Zusatzventilator vor- oder nachgeschaltet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen zur Kühlung des Rotors durch im Rotor untergebrachte axiale Kanäle gegenläufig von den Stirnseiten zur Mitte des Rotors strömt, und dass zum Ausgleich der bei der Rotordurchströmung entstehenden Druckverluste an den Stirnseiten des Rotors jeweils eine Beschaufelung angebracht ist.
Die axialen Kanäle der zweiten Kühlkreise sind dabei entweder gegeneinander versetzt angeordnet und erstrecken sich von den Stirnseiten des Rotors im wesentlichen durch den ganzen Aktivteil des Rotors und münden am Ende in den Luftspalt. Oder sie erstrecken sich von den Stirnseiten des Rotors bis zu einem in der Maschinenmitte angeordneten, mit dem Luftspalt in Verbindung stehenden radialen Spalt und münden in den radialen Spalt.
Da eine weitere Verwendung des erwärmten Kühlmediums aus dem Rotor nicht sinnvoll ist, wird vorzugsweise innerhalb der zweiten Kühlkreise das (die) aus den axialen Kanälen in den Luftspalt ausgetretene erwärmte Kühlmedium (Kühlluft) an den stirnseitigen Enden des Luftspaltes über durch den Stator verlaufende radiale Kanäle zum Kühler zurückgeführt. Die Kühlung wird weiterhin vereinfacht, wenn das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen vor dem Eintritt in den Rotor jeweils über die Wickelköpfe geleitet wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Maschine ein Maschinengehäuse aufweist, welches das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den ersten und zweiten Kühlkreisen aus dem Kühler in das Innere des Maschinengehäuses austritt, und dass der Luftspalt an den Stirnseiten durch Dichtungen abgedichtet ist. Hierdurch wird der Aufbau des Kühlsystems wesentlich vereinfacht.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Stators im Stator radiale Kühlschlitze vorgesehen sind, welche durch eine tangentiale Segmentierung in Schlitzsegmente unterteilt sind, dass mittels einer auf dem Rücken des Stators angeordneten Sammel- und Verteileinrichtung in den ersten Kühlkreisen jedem Schlitzsegment kaltes Kühlmedium bzw. kalte Kühlluft aus dem Kühler zugeführt und erwärmtes Kühlmedium bzw. erwärmte Kühlluft aus dem Schlitzsegment weg und zum Kühler zurückgeführt wird, und dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft innerhalb der Schlitzsegmente in einer Segmenthälfte von aussen nach innen strömt, unterhalb der Leiterstäbe des Stators umgelenkt wird und in einer zweiten Segmenthälfte wieder aus dem Schlitzsegment herausströmt.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 in einem schematisierten Längsschnitt ein erstes bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach der Erfindung;
Fig. 2 in einer zu Fig.1 vergleichbaren Darstellung ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach der Erfindung; und
Fig. 3 im Querschnitt eine beispielhafte segmentierte Statorkühlung der
Maschine nach Fig. 1 oder 2.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In Fig. 1 ist in einem schematisierten Längsschnitt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer schnelllaufenden elektrischen Maschine nach der Erfindung dargestellt. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Rotor 11 , der mit einer Rotorwelle 13 um eine Drehachse 17 drehbar in zwei Lagern 15 und 16 gelagert ist. Der Rotor 11 ist koaxial umgeben von einem an den Stirnseiten mit Wickelköpfen 18 und 19 versehenen Stator 12, von dem in Fig. 1 der Einfachheit halber nur die obere Hälfte dargestellt ist. Rotor 11 und Stator 12 sind durch einen Luftspalt 14 voneinander getrennt. Im oberen Bereich der Maschine 10 ist innerhalb eines Maschinengehäuses 33 ein Kühler 20 angeordnet, der von einem Kühlmedium, vorzugsweise Luft, durchströmt wird. Die Strömung der Kühlluft durch den Kühler 20 wird durch einen Zusatzventilator 21 bewirkt, der im gezeigten Beispiel in Strömungsrichtung hinter dem Kühler 20 plaziert ist, aber auch vor dem Kühler 20 angeordnet sein kann.
Ein wesentliches Merkmal des in Fig. 1 dargestellten Kühlkonzepts ist die Verwendung weitgehend voneinander unabhängiger erster und zweiter Kühlkreise 26a, b und 27a, b für den Rotor 11 und den Stator 12. Die beiden ersten Kühlkreise 26a und 26b ebenso wie die beiden zweiten Kühlkreise 27a und 27b sind dabei symmetrisch zur Maschinenmitte 43 aufgebaut bzw. angeordnet. Auf diese Weise wird jede der beiden Komponenten 11 , 12 direkt und optimal mit kalter Luft versorgt. Der Zusatzventilator (Fremdventilator) 21 , der dem Kühler 20 nachgeschaltet ist, bläst die Kaltluft hierbei frei in das Innere des Maschinengehäuses 33 aus. Die Einströmung in den Stator 12 erfolgt über den Statorrücken, auf dem eine entsprechende Sammel- und Verteileinrichtung 28 vorgesehen ist. Der Rotor 11 wird über je eine stirnseitig auf der Rotorwelle 13 angebrachte Beschaufelung 29 bzw. 30 mit Kühlluft gespeist. Die vom Rotor 11 angesaugten Luftströme werden zuvor über die Wickelköpfe 18, 19 geleitet, um auch hier eine zuverlässige Ableitung der elektrischen Verlustleistung zu gewährleisten.
Der Eintritt des Kühlmediums in den Rotor 11 ist bei Maschinen mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten stets eine kritische Komponente. Hohe Differenzgeschwindigkeiten zwischen dem Fluid und den rotierenden Wänden können starke Strömungsablösungen und damit hohe Druckverluste verursachen. Diese übersteigen den Druckaufbau der üblicherweise eingesetzten Fremdventilatoren u.U. um ein Vielfaches, so dass der für die Kühlung erforderliche Massenstrom letztendlich nicht in den Rotor 11 eingespeist werden kann. Um einerseits die Eintrittsverluste möglichst gering zu halten und andererseits auch einen Druckaufbau zu erzeugen, der die Reibungsverluste im Rotor 11 kompensiert, wird eine radiale oder diagonale, auf der Rotorwelle 13 befestigte Beschaufelung 29 bzw. 30 an den Stirnseiten des Rotoraktivteils angebracht. Die Durchströmung und Kühlung des Rotors 11 erfolgt mittels axialer Kanäle 36, 37. Die von der linken bzw. rechten Maschinenseite ausgehenden Kühlkanäle 36 bzw. 37 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gegeneinander versetzt, so dass beide Teilströme der ersten Kühlkreise 26a, b nahezu den gesamten Aktivteil durchströmen und am jeweils gegenüber liegenden Maschinenende radial in den Luftspalt 14 austreten (siehe die entsprechenden Strömungspfeile im Rotor 11 der Fig. 1 ). Diese Anordnung ist besonders für laminierte oder aus Scheiben bestehende Rotoren 11 geeignet und führt zu einer sehr homogenen Temperaturverteilung in axialer Richtung. Eine weitere Variante zur Anordnung der Kühlkanäle im Rotor 11 ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dargestellt. Hierbei müssen die links- und rechtsseitigen axialen Kanäle 36' bzw. 37' nicht gegeneinander versetzt sein. Die axialen Kanäle 36', 37' enden in der Maschinenmitte 43 und münden in einen radialen Spalt 38, so dass der Austritt der Rotorkühlluft in der Mitte des Luftspalts 14 erfolgt.
Da die Temperatur der Rotorkühlluft im Bereich der zulässigen Materialtemperaturen des Stators 12 liegen kann, ist eine weitere Verwendung der Rotorkühlluft für die Bauteilkühlung nicht sinnvoll. Aus diesem Grund erfolgt die Ableitung der warmen Luft durch radiale Kanäle 34, 35 im Bereich der Pressplatten des Stators 12. Die effektive Querschnittsfläche dieser radialen Kanäle 34, 35 ist dabei möglichst groß zu bemessen, um die Druckverluste und auch den Wärmeaustausch mit dem Statormateriai zu minimieren.
Am Austritt der radialen Kanäle 34, 35 im Stator 12 strömt das Kühlmedium in je einen Ringsammler 22 bzw. 23. Die Ringsammler 22, 23 wiederum sind über Rohrleitungen 24, 25 mit dem Kühler 20 und dem Fremdventilator 21 verbunden.
Im Luftspalt schnellaufender Elektromaschinen treten hohe Luftreibungsverluste auf, die ebenso wie die elektrischen Verluste abgeführt werden müssen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abfuhr der Reibleistung über die in der Maschinenmitte 43 austretende Rotorkühlluft. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Konzept hingegen muss vermieden werden, dass sich die im Luftspalt 14 befindliche Luft unkontrolliert aufheizt. Aus diesem Grund erfolgt dort in der Maschinenmitte 43 eine zusätzliche Eindüsung von Kaltluft, die sich mit dem heißen Rotorluftstrom an den Luftspaltenden vermischt.
Da das Druckniveau im Luftspalt 14 geringer als ausserhalb im Maschinengehäuse 33 ist, wird jeweils eine Dichtung 31 , 32 an beiden Enden des Luftspalts 14 benötigt. Hierbei soll verhindert werden, dass kalte Luft direkt in die Warmluftsammler (Ringsammler 22, 23) gelangt. Die Dichtungen 31 , 32 können beispielsweise als Labyrinthdichtungen ausgebildet sein. Bei der Kühlung des Stators 12 sind verschiedene Konzepte einsetzbar, die jedoch als "gemeinsamen Nenner" eine Abdichtung zum Luftspalt 14 aufweisen sollten, so dass die Trennung der Rotor- und Statorkühlmittelströme gewährleistet ist. Das Prinzip soll hier am Beispiel einer tangentialen Segmentierung der radialen Kühlschlitze des Stators aufgezeigt werden. Ebenso ist jedoch auch eine - wie im Turbogeneratorenbau übliche - axiale Kammerung möglich.
Die Kühlluftzufuhr zum Stator erfolgt bei der in Fig. 3 dargestellten "Tangential- kühlung" aus dem Maschinengehäuse 33 radial in das Statorinnere. Der Kaltluft 41 strömt in einzelnen Schlitzsegmenten 40 an den Leiterstäben 39 vorbei bis zu einer inneren Begrenzungsfläche, welche die Schlitzsegmente 40 gegenüber dem Luftspalt 14 abdichtet. Diese innere Begrenzung kann beispielsweise durch einen zylindrischen Einsatz ("Luftspaltzylinder") geschaffen werden. Unterhalb der Leiterstäbe 39 erfolgt eine Umlenkung der Strömung um 180°. Die Ausströmung der Warmluft 42 aus dem Stator 12 erfolgt in ähnlicher Weise wie die Einströmung. Das ausströmende Kühlmedium wird schließlich in über den Umfang verteilten Sammelkanälen der Sammel- und Verteileinrichtung 28 zusammengeführt und von dort in die Ringsammler 22, 23 eingeleitet, die im Bereich der Pressplatten angeordnet sind (vgl. Fig. 1 und 2).
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine schnelllaufende elektrische Maschine, die sich durch eine effiziente Abfuhr der Wärmeverluste sowie eine weitgehenden Minimierung der Ventilationsverluste auszeichnet und hinsichtlich der Betriebskosten erhebliche Vorteile aufweist.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 elektrische Maschine (schnelllaufend)
11 Rotor
12 Stator
13 Rotorwelle Luftspalt ,16 Lager (Rotor)
Drehachse ,19 Wickelkopf
Kühler
Zusatzventilator ,23 Ringsammler (Heissluft) ,25 Rohrleitung (Heissluft) a,b Kühlkreis (Rotor) a,b Kühlkreis (Stator)
Sammel- und Verteileinrichtung ,30 Beschaufelung (Rotor) ,32 Dichtung
Gehäuse ,35 radialer Kanal ,37 axialer Kanal \37' axialer Kanal radialer Spalt
Leiterstab
Schlitzsegment
Kaltluft
Warmluft
Maschinenmitte

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Schnelllaufende elektrische Maschine (10), umfassend einen drehbar gelagerten Rotor (11), welcher Rotor (11) durch einen Luftspalt (14) getrennt von einem Stator (12) mit zwei Wickelköpfen (18, 19) konzentrisch umgeben ist, sowie Mittel (20, ..,28) zum Kühlen des Rotors (11 ) und Stators (12), mittels derer ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, in einen Kreislauf durch den Rotor (11 ) und den Stator (12) geschickt und die dabei von dem Kühlmedium bzw. der Kühlluft aufgenommene Wärme in einem Kühler (20) wieder entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in weitgehend voneinander unabhängigen, vorzugsweise parallelen, ersten und zweiten Kühlkreisen (27a, b bzw. 26a, b) für den Stator (12) und den Rotor (11) geführt wird, und dass die ersten und zweiten Kühlkreise (26a, b; 27a, b) symmetrisch zur Maschinenmitte (43) ausgebildet bzw. angeordnet sind.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zirkulation des Kühlmediums bzw. der Kühlluft dem Kühler (20) ein unabhängig von der Maschine (10) regelbarer Zusatzventilator (21) vor- oder nachgeschaltet ist.
3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen (26a, b) zur Kühlung des Rotors (11) durch im Rotor (11) untergebrachte axiale Kanäle (36, 37 bzw. 36', 37') gegenläufig von den Stirnseiten zur Mitte des Rotors (11 ) strömt, und dass zum Ausgleich der bei der Rotordurchströmung entstehenden Druckverluste an den Stirnseiten des Rotors (11 ) jeweils eine Beschaufelung (29, 30) angebracht ist.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Kanäle (36, 37) der zweiten Kühlkreise (26a, b) gegeneinander versetzt angeordnet sind und sich von den Stirnseiten des Rotors (11 ) im wesentlichen durch den ganzen Aktivteil des Rotors (11 ) erstrecken und am Ende in den Luftspalt (14) münden.
5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die axialen Kanäle (36', 37') der zweiten Kühlkreise (26a, b) von den Stirnseiten des Rotors (11 ) bis zu einem in der Maschinenmitte (43) angeordneten, mit dem Luftspalt (14) in Verbindung stehenden radialen Spalt (38) erstrecken und in den radialen Spalt (38) münden.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der zweiten Kühlkreise (26a, b) das (die) aus den axialen Kanälen (36, 37; 36', 37') in den Luftspalt (14) ausgetretene erwärmte Kühlmedium (Kühlluft) an den stirnseitigen Enden des Luftspaltes (14) über durch den Stator (12) verlaufende radiale Kanäle (34, 35) zum Kühler (20) zurückgeführt wird.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den zweiten Kühlkreisen (26a, b) vor dem Eintritt in den Rotor (11) jeweils über die Wickelköpfe (18, 19) geleitet wird.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (10) ein Maschinengehäuse (33) aufweist, dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft in den ersten und zweiten Kühlkreisen (26a, b; 27a, b) aus dem Kühler (20) in das Innere des Maschinengehäuses (33) austritt, und dass der Luftspalt (14) an den Stirnseiten durch Dichtungen (31 , 32) abgedichtet. ist.
9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Stators (12) im Stator (12) radiale Kühlschlitze vorgesehen sind, welche durch eine tangentiale Segmentierung in Schlitzsegmente (40) unterteilt sind, dass mittels einer auf dem Rücken des Stators (12) angeordneten Sammel- und Verteileinrichtung (28) in den ersten Kühlkreisen (27a,b) jedem Schlitzsegment (40) kaltes Kühlmedium bzw. kalte Kühlluft aus dem Kühler (20) zugeführt und erwärmtes Kühlmedium bzw. erwärmte Kühlluft aus dem Schlitzsegment (40) weg und zum Kühler (20) zurückgeführt wird, und dass das Kühlmedium bzw. die Kühlluft innerhalb der Schlitzsegmente (40) in einer Segmenthälfte von aussen nach innen strömt, unterhalb der Leiterstäbe (39) des Stators (12) umgelenkt wird und in einer zweiten Segmenthälfte wieder aus dem Schlitzsegment (40) herausströmt.
10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze des Stators (12) gegenüber dem Luftspalt (14) abgedichtet sind.
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