Erwärmung und Kühlung

Erwärmung und Lebensdauer

Elektrische Maschinen haben einen hohen energetischen Wirkungsgrad. Wegen der großen umgewandelten Energiemengen erreichen aber die Wärmeverluste innerhalb der Maschinen trotzdem solche Größenordnungen, dass die Verluste mittels einer geeigneten Kühlmethode abgeführt werden müssen.

Da die Lebensdauer der Isolation der Wicklungen sehr stark von der Temperatur abhängt (eine 5 bis 8 Kelvin höhere Temperatur bewirkt etwa eine Halbierung der Lebensdauer), sind die Isolierstoffe nach Isolierstoffklassen eingeteilt. Für jede Isolierstoffklasse ist eine maximal zulässige Dauertemperatur vorgeschrieben, die im Betrieb der Maschine keinesfalls überschritten werden darf. Mit viel Kupfer in den Wicklungen und niedrigen Stromdichten werden die Wicklungstemperaturen zwar herabgesetzt, aber der Materialeinsatz wird stark vergrößert, was zu einer teuren und damit schwer verkäuflichen Maschine führt. Die Hersteller elektrischer Maschinen sind also bemüht, diese maximal zulässigen Temperaturen der Wicklungen auszunutzen (Materialersparnis), sie aber keinesfalls zu überschreiten. Im Überschreitungsfalle ist die betroffene Maschine nicht vertragskonform, womit der Hersteller wiederum ein Nachbesserungsrecht hat (Kosten) und im schlimmsten Falle der Kunde die Maschine zurückweisen kann (Kosten, Prestigeverlust).
Diese Zusammenhänge erklären eines der großen Anwendungsgebiete der CFD-Analyse. Mit Hilfe von Ergebnissen globaler oder partieller CFD-Untersuchungen zu dieser Problematik kann der Maschinenhersteller kostengünstige Maschinen anbieten ohne sein technisches Risiko zu vergrößern.

 

Turboläufer mit radialem Eigenlüfter (altes Design)

Kühlung und Kühlmitteln

Im 19. Jahrhundert war die Ausnutzung der Maschinen noch so gering, dass die vorhandenen Gehäuseoberflächen meist genügten, um die Verlustwärme an die Umgebung abzuführen; bei kleinen Maschinen ist es immer noch so. Größere Maschinen brauchen ein Belüftungssystem um das Kühlmedium durch die Maschine zu befördern: - Fremdbelüftung, wenn die Lüfter durch einen separaten Elektromotor angetrieben werden oder - Eigenbelüftung, wenn so genannte Wellenlüfter von der Rotorwelle angetrieben werden. Die Lüfter müssen strengen Anforderungen bezüglich des Geräuschpegels genügen. Gut dimensionierte Lüfter reduzieren nicht nur die Konstruktionskosten, sie haben auch einen niedrigeren Energieverbrauch während des Betriebs.

Das Kühlmittel nimmt die in der Maschine unvermeidlich entstehenden Wärmeverluste auf und transportiert sie nach außen. Luft als Kühlmittel ist überall verfügbar, weshalb Luft für die meisten Motoren und Generatoren eingesetzt wird. Wasserstoff erreicht unter Überdruck eine nennenswert größere Wärmeaufnahmefähigkeit. Wegen der Gefahr von Knallgasbildung werden allerdings druckfeste Gehäuse benötigt. Größere Turbogeneratoren werden mit Wasserstoff gekühlt. Aufbereitetes Wasser ist als Kühlmittel für Ständerwicklungen besonders effizient. Direkte Wasserkühlung mit Hohlleitern in der Ständerwicklung, in denen aufbereitetes Wasser fließt, ist vorteilhaft bei schnell laufenden, leistungsstarken Generatoren. Öl wird eher zur Kühlung von Transformatoren eingesetzt.


Kühlung eines ALSTOM luftgekühlten Generators

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz-Normen wie IECC in Europa werden in den nächsten Jahren immer mehr Industriezweige erfassen. Um unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte zu liegen, werden die Betroffenen in eine effizientere Kühlung investieren müssen. Es müssen sowohl neue Maschinen als auch die bestehende Belüftungstechnik genauer ausgelegt werden.

Aufgenommener  Webinar:
Cooling of Electrical Machines  
Lernen Sie: - weshalb grosse elektrische Maschinen Kühlung brauchen - wie Herr Segond eine CFD-Berechnung aufsetzt, - die elektrischen Verlusten in FloEFD einzugeben ...

 

Herr Zwarg hat zahlreiche Patenten über die elektrischen Maschinen und deren Kühlung geschrieben    seine Patenten

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