DE3113126A1

DE3113126A1 - Arrangement for cooling a gas-cooled or liquid-cooled electrical machine

Info

Publication number: DE3113126A1
Application number: DE19813113126
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. Fischer; Otto Dipl.-Ing. Haus; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Heimel; Wolfgang Kücken; Heinz Dr. Mertens; Hartmut Dr. Meyer; Rudolf V. Dipl.-Ing. Musil; Joachim Nitzschke; Franz-Josef Dipl.-Ing. Pollmeier; Karl-Heinz Saling; Wolfhard Schmatloch; Johannes Dipl.-Ing. Schneider; Wolfram Schrolle; Ulrich Schüler; Günter Selbiger; Axel 1000 Berlin Seume; Hermann Dr.rer.nat. 8521 Spardorf Stehr; Eike Dipl.-Ing. 1000 Berlin Triest
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-08-18
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1982-03-18

Abstract

The invention relates to an arrangement for cooling a gas-cooled or liquid-cooled electrical machine (10) whose primary coolant in the inner cooling circuit (11) provides direct or indirect heat exchange with the vaporiser (14) of a closed heat-pump circuit (15) consisting of a vaporiser (evaporator) (14), compressor (16), condenser (17) and restrictor (18), the condenser (17) exchanging heat with the medium in an outer circuit (21). In order to make it impossible to operate the electrical machine (10) without simultaneous operation of the heat-pump circuit (15), which is constructed in one or more stages and is connected between the heat exchanger (13) through which the primary coolant flows and the heat exchanger (19) through which the coolant in the outer circuit (21) flows, the compressor (8, 16) of the heat-pump circuit (15) is driven directly or indirectly by the electrical machine (10). <IMAGE>

Description

Anordnung zur Kühlung einer gas- oder flüssigkeitsgekühltenArrangement for cooling a gas or liquid-cooled

elektrischen Maschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kühlung einer gas- oder flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine, deren PrimärkUhimittel des innenkuhlkreises in unmittelbarem oder mittelbarem Wärmeaustausch mit dem Verdampfer eines geschlossenen Wärmepumpenkreises steht, bestehend aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Drossel, wobei der Kondensator in einem Wärmeaustausch mit dem Medium eines Außenkreises liegt.electric machine The invention relates to an arrangement for cooling a gas- or liquid-cooled electrical machine, its primary cooling means of the internal cooling circuit in direct or indirect heat exchange with the evaporator a closed heat pump circuit, consisting of evaporator, compressor, Condenser and choke, the condenser in a heat exchange with the medium of an outer circle.

E ne derartige Anordnung ist aus der DE-PS 954 818 bekannt.Such an arrangement is known from DE-PS 954 818.

In dieser ist die Kopplung eines Wärmepumpenkreises mit dem Innenhhhlkreis der elektrischen Maschine vorgenommen, um die Verlustwärme der Maschine durch Speisung eines Verbrauchers zwecks Raumheizung oder Warmwasserversorgung auszunutzen. Das KEhlmedium des Wärmepumpenkreises nimmt in der Maschine aus dem erwärmten PrimärkuhlmStel die zu seiner Verdampfung notwendige Wärme auf. Das gasförmige Kühlmedium wird dann von dem Verdichter angesaugt und verdichtet und somit auf eine im Vergleich zur Verdampfungstemperatur höhere Temperatur gebracht. Im Kondensator wird es dann unter Abgabe seiner Verdampfungs- und Kompressionswärme wieder verflüssigt, wodurch das Kühlmedium des Außenkreises auf das gewurischte Temperaturniveau zur Versorgung des Verbrauchers gehoben wird.In this is the coupling of a heat pump circuit with the inner heating circuit the electrical machine made to the heat loss of the machine by feeding of a consumer for the purpose of space heating or hot water supply. That The cooling medium of the heat pump circuit takes from the heated primary cooling device in the machine the heat necessary for its evaporation. The gaseous cooling medium is then sucked in and compressed by the compressor and thus on a compared to Evaporation temperature brought higher temperature. In the condenser it is then under Release of its heat of vaporization and compression is liquefied again, whereby the Cooling medium of the outer circuit to the required temperature level for supply of the consumer is raised.

Durch die vorliegende Erfindung soll dagegen nicht eine Ausnutzung der Verlustwärme erzielt werden, sondern mit Hilfe des Wärmepumpenkreises eine Intensivierung der Kühlung der elektrischen Maschine, wobei die Aufgabe besteht, zu verhindern, daß die elektrische Maschine betrieben werden kann, ohne daß gleichzeitig der Wärmepumpenkreis funktioniert.By contrast, the present invention is not intended to be exploited the heat loss can be achieved, but an intensification with the help of the heat pump circuit the cooling of the electrical machine, the task being to impede, that the electrical machine can be operated without the heat pump circuit at the same time functions.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Anordnung zur Kuhlung einer gas- oder flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung bei Zwischenschaltung eines ein- oder mehrstufig ausgebildeten Wärmepumpenkreises zwischen dem vom Primärkühlmittel durchflossenen Wärmeaustauscher und dem vom Kühlmittel des Außenkreises durchflossenen Wärmetauscher der Verdichter des Wärmepumpenkreises direkt oder indirekt von der elektrischen Maschine angetrieben. Dieser zwischengeschaltete Wärmepumpenkreis ermöglicht ein wesentlich tieferes Absenken des Temperaturniveaus des Primärruhlmittels, so daß infolge der besseren Wärmeübergangsverhältnisse die Maschine hoher ausgenutzt werden kann. Außerdem ist eine funktionsmäßige Kopplung zwischen dem Betrieb der elektrischen Maschine und dem Betrieb des Wärmepumpenkreises hergestellt, so daß die Kühlung der elektrischen Maschine bei deren Betrieb nicht ausfallen kann. Die Maschine kann daher für die gleiche Leistung kleiner als bisher möglich gebaut werden.To solve this problem is in an arrangement for cooling a Gas- or liquid-cooled electrical machine of the type described above Kind according to the invention with the interposition of a single or multi-stage Heat pump circuit between the heat exchanger through which the primary coolant flows and the compressor heat exchanger through which the coolant of the external circuit flows of the heat pump circuit driven directly or indirectly by the electrical machine. This intermediate heat pump circuit enables a much deeper lowering the temperature level of the primary coolant, so that as a result of the better heat transfer conditions the machine can be used to a higher degree. In addition, there is a functional coupling between the operation of the electrical machine and the operation of the heat pump circuit produced so that the cooling of the electrical machine during its operation is not can fail. The machine can therefore be smaller than before for the same performance possible to be built.

Die Kopplung kann auf mechanische Weise dadurch erreicht werden, daß der Rotor des Verdichters mit der Welle der Maschine verbunden ist, direkt oder unter Zwischenschaltung eines Getriebes.The coupling can be achieved in a mechanical manner in that the rotor of the compressor is connected to the shaft of the machine, directly or with the interposition of a gear.

Man kann die Kopplung mit Vorteil aber auch auf elektrischem Wege garantieren, indem zum Antrieb des Verdichters ein Elektromotor vorgesehen ist, der von der oder einer Wicklung der Maschine gespeist ist. Der Motor ist also mit den Ausgangsklemmen der Maschine oder mit Anzapfungen an der Wicklung oder mit einer Hilfswicklung der Maschine verbunden. Dabei kann ein Transformator zwischengeschaltet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der den Verdichter antreibende Elektromotor und die elektrische Maschine aus der gleichen Spannungsquelle gespeist werden. Dabei sind besondere automatisch wirkende Verriegelungsschaltungen vorzusehen, die eine Trennung der vorgesehenen Kopplung, insbesondere wenn die zu kühlende Maschine unter Last läuft, unmöglich machen.The coupling can also be done electrically with advantage guarantee by providing an electric motor to drive the compressor, which is fed by the or a winding of the machine. So the engine is with the output terminals of the machine or with taps on the winding or with a Auxiliary winding connected to the machine. A transformer can be connected in between be. Another possibility is that the compressor driving electric motor and the electric machine from the same voltage source be fed. There are special automatically acting interlocking circuits provide a separation of the intended coupling, especially if the to cooling machine runs under load, make it impossible.

Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.In the following the invention is still based on that shown in the figures Embodiments explained in more detail.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen schematisch jeweils einen Wellenstrang mit der elektrischen Maschine, Fig. 3 zeigt eine elektrische Schaltung für den Betrieb der Maschine und des Wärmepumpenkreises.Fig. 1 and Fig. 2 schematically each show a shaft train of the electrical machine, Fig. 3 shows an electrical circuit for operation the machine and the heat pump circuit.

Fig. 1 zeigt einen Wellenstrang mit der Arbeitsmaschine 1, die über die Kupplung 2 mit einer elektrischen Maschine 3 verbunden ist, die auf dem Fundament 4 steht. Auf der anderen Stirnseite der elektrischen Maschine 3 ist die Welle 5 über die Kupplung 6 mit einem Getriebe 7 verbunden, das ebenfalls auf dem Fundament 4 aufgestellt ist. Am Getriebe 7 ist der Verdichter 8 angeflanscht. Der Verdichter 8 ist Teil eines Wärmepumpenkreises, der zwischen dem nicht dargestellten Innenkfflhlkreis der elektrischen Maschine 3 und dem nicht dargestellten Außenkreis geschaltet ist. Aus dem direkten Antrieb des Verdichters 8 über die Welle 5 der elektrischen Maschine 3 ergibt sich,daß der Wärmepumpenkreis stets funktioniert, wenn die elektrische Maschine 3 läuft.Fig. 1 shows a shaft train with the work machine 1, which over the clutch 2 is connected to an electrical machine 3, which is on the foundation 4 stands. The shaft 5 is on the other end face of the electrical machine 3 Connected via the clutch 6 to a gear 7, which is also on the foundation 4 is set up. The compressor 8 is flanged to the transmission 7. The compressor 8 is part of a heat pump circuit between the internal cooling circuit (not shown) the electrical machine 3 and the external circuit, not shown, is connected. From the direct drive of the compressor 8 via the shaft 5 of the electrical machine 3 shows that the heat pump circuit always works when the electrical Machine 3 is running.

Eine derartige Ankopplung über das Getriebe 7 wird vorzugsweise bei langsam laufenden zu kühlenden elektrischen Maschinen 3 eingesetzt werden.Such a coupling via the transmission 7 is preferably used in slowly running electrical machines 3 to be cooled are used.

Fig. 2 zeigt einen Maschinensatz, wie er bei schnellaufenden Maschinen einsetzbar ist, für gleiche Teile sind gleiche Bezugszeichen beibehalten. Hier ist der Verdichter 8 unmittelbar auf der Welle -5 der elektrischen Maschine 3 aufgesetzt und wird von dieser direkt angetrieben. Der stehende Teil des Verdichters 8 ist genau wie die elektrische Maschine 3 auf dem Fundament 4 angeordnet. Die von der elektrischen Maschine 3 angetriebene Arbeitsmaschine 1 ist unabhängig aufgebaut.Fig. 2 shows a machine set as it is in high-speed machines can be used, the same reference numerals are retained for the same parts. Here is the compressor 8 is placed directly on the shaft -5 of the electrical machine 3 and is driven by it directly. The standing one Part of the compressor Just like the electric machine 3, 8 is arranged on the foundation 4. The from the electric machine 3 driven work machine 1 is constructed independently.

Fig. 3 zeigt ein Ausftihrungsbeispiel, bei dem die elektrische Maschine 10 einen durch Pfeile angedeuteten Innenkühlkreis 11 aufweist, dessen Primärkuhlmittel zur Rückkiihlung das Rohrsystem 12 des FTarmetauschers 13 durchfließt. Fig. 3 shows an embodiment in which the electrical machine 10 has an internal cooling circuit 11 indicated by arrows, the primary coolant of which the pipe system 12 of the heat exchanger 13 flows through for cooling back.

In diesem Wärmetauscher 13 ist der Verdampfer 14 eines geschlossenen Wårmepumpenkreises 15 angeordnet, der aus dem Verdampfer 14, dem Verdichter 16, dem Kondensator 17 und der Drossel 18 besteht. Der Kondensator 17 liegt in einem zweiten Wärmetauscher 19, dessen zweites Rohrsystem 20 von dem Kühlmittel des Außenkreises 21 durchflossen ist. Durch diese Zwischenschaltung des Wärmepumpenkreises 15 zwischen dem Innenkühlkreis 11 der in normaler Bauweise ausgeführten elektrischen Maschine 10 und dem Außenkreis 21 kann das Primärkühimittel auf ein wesentlich tieferes Temperaturniveau gebracht werden, als dies durch das Sekundärkuhlmittel bei einer herkömmlichen Kuhlung möglich wäre, so daß die Kühlung der elektrischen Maschine 10 intensiviert ist.In this heat exchanger 13, the evaporator 14 is a closed one Arranged heat pump circuit 15, which consists of the evaporator 14, the compressor 16, the capacitor 17 and the choke 18 consists. The capacitor 17 is in one second heat exchanger 19, the second pipe system 20 of which from the coolant of the external circuit 21 is flowed through. Through this interconnection of the heat pump circuit 15 between the internal cooling circuit 11 of the electrical machine of normal construction 10 and the outer circuit 21, the primary cooling means can be at a significantly lower temperature level than this by the secondary coolant in conventional cooling would be possible, so that the cooling of the electrical machine 10 is intensified.

Der Verdichter 16 des Wärmepumpenkreises 15 ist von einem Elektromotor 22 angetrieben, Dieser kann über den Schalter 23 und dem Transformator 24 an die Außenklemmen der Ständerwicklung 25 angeschlossen werden. Die Ständerwicklung 25 ist außerdem über den Schalter 26, den Transformator 27 und einen weiteren Schalter 28 mit dem Netz 29 verbunden. Das Netz 29 kann außerdem über einen Transformator 30 und einen Schalter 31 auch direkt den Elektromotor 22 speisen. Ferner besteht die Möglichkeit, daß über den Schalter 31 der Elekromotor aus einem Hilfsnetz 32 gespeist wird, das stets vor Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 10 unter Spannung steht. Nicht dargestellte automatisch wirkende Verriegelungsschaltungen verhindern, daß die elektrische Maschine 10 betrieben werden kann, ohne daß der Elektromotor 22 den Verdichter 16 bereits antreibt. Dadurch wird der Wärmepumpenkreis 15 wirksam und entsprechend die Rückkühlung des Innenkühlkreises 11 der elektrischen Maschine 10, ehe diese auf das Netz 29 oder auf Last geschaltet werden kann. Die Verriegelungsautomatik schaltet außerdem bei Ausfall einer Versorgungsart für den Antrieb des Elektromotors 22, z. B. bei Ausfall des Hilfsnetzes 32 sofort über den Schalter 31 auf eine Versorgung aus dem Netz 29 bzw. über den Schalter 23 auf die Klemmen der elektrischen Maschine 10. The compressor 16 of the heat pump circuit 15 is from an electric motor 22, this can be connected to the External terminals of the stator winding 25 are connected. The stator winding 25 is also via the switch 26, the transformer 27 and another switch 28 connected to the network 29. The network 29 can also have a transformer 30 and a switch 31 also feed the electric motor 22 directly. Furthermore, there is the possibility that the electric motor from an auxiliary network 32 is fed, which is always before the start-up of the electrical machine 10 under voltage stands. Automatically acting interlocking circuits, not shown, prevent the electric machine 10 can be operated without the electric motor 22 the compressor 16 is already driving. This makes the heat pump circuit 15 effective and correspondingly the recooling of the internal cooling circuit 11 of the electrical machine 10 before it can be switched to the network 29 or to load. The automatic locking system also switches if one type of supply fails to drive the electric motor 22, e.g. B. in the event of failure of the auxiliary network 32 immediately via the switch 31 to a supply from the network 29 or via the switch 23 to the terminals of the electrical machine 10.

5 Patentansprüche 3 Figuren5 claims 3 figures

Claims

Patent claims gSy arrangement for cooling a gas or liquid-cooled electrical machine, whose primary coolant of the internal cooling circuit is in direct or indirect heat exchange with the evaporator of a closed heat pump circuit stands, consisting of evaporator, compressor, condenser and throttle, whereby the Condenser is in a heat exchange with the medium of an external circuit, d a -by g e k e n n n z e i c h n e t that with the interposition of a single or multi-stage trained heat pump circuit (15) between the primary coolant flowed through Heat exchanger (13) and the heat exchanger through which the Kublmittel of the outer circuit (21) flows (19) the compressor (8,16) of the heat pump circuit (15) directly or indirectly from the electric machine (3,10) is driven.

2. Arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the rotor of the compressor (8) is connected to the shaft (5) of the machine (3) is.

3. Arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the compressor (16) is driven by an electric motor (22) which is fed by the or a winding (25) of the machine (10).

4. Arrangement according to claim 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that a transformer - (24) is connected in front of the electric motor (22).

5. Arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the compressor (16) is driven by an electric motor t22) which fed from the same voltage source (29) as the electrical machine (10) is.