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Einrichtung zur Kühlung von umlaufenden Maschinen. insbesondere
Elektromotoren und Generatoren
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung umlaufender Maschinen, insbesondere Elektro- motoren und Generatoren, mit Hilfe von aus Potential-und Rotationsströmungen bestehenden Drehströ- mungen über einem festen rauhen Grund, wobei ein das Maschinengehäuse, insbesondere das Lagerschild, durchdringender Körper hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen und an seiner Innenseite mit Profilen oder Rippen mit Oberflächenrauhigkeit ausgebildet ist, Bei dieser Anordnung werden die Durchdringungs- körper an der Gehäuseinnenseite von dem inneren Kühlluftstrom bestrichen und geben die aus diesem
Luftstrom aufgenommene Wärme an den ihre Aussenseite bestreichenden äusseren Kühlluftstrom ab.
Die vorliegende Erfindung geht von einer solchen Einrichtung aus und bezweckt eine wesentlich ver- besserte Wärmeabfuhr von den Durchdringungskörpem und dem Gehäusemantel an die Aussenluft. Sie be- steht darin, dass zur Verbesserung der Oberflächenkühlung die auf der Anströmseite der Aussenkühlluft im
Lagerschild angeordneten Durchdringungskörper über einen das Gehäuse wärmeleitend umschliessenden, z.
B. durch Plattierung aufgebrachten Mantel oder über zwischen den Kühlrippen angeordnete Stege aus gut wärmeleitendem Material mit zusätzlich auf der Kühlluftabströmseite angeordneten Durchdringungs- körpem verbunden und eine oder mehrere, das Motorgehäuse ringförmig umgebende Düsen, ferner eine mit Leitschaufeln versehene, die Kühlluftabströmseite des Motors umschliessende Strömungshaube vorgesehen sind. Auf diese Weise gibt der Durchdringungskörper Wärme ausser an die ihn von aussen bestreichende Luft zusätzlich durch Wärmeleitung an den mit ihm verbundenen, das Gehäuse umschliessenden Mantel aus gut wärmeleitendem Material ab.
Ausserdem wird die Wärmeübertragung des aus relativ schlecht wärmeleitendem Material bestehenden, mit Rippen versehenen Motorgehäuses an die Aussenkühlluft durch den das Gehäuse umschliessenden, gut wärmeleitenden Mantel oder durch zwischen den Kühlrippen verlaufende Stege, z. B. aus Aluminium, verbessert, so dass auch die Wärmeabfuhr über das mantelfönnige Motorgehäuse radial nach aussen verstärkt wird.
Es ist bei Kleinstmotoren bekannt, die Lagerschilde aus Aluminium herzustellen, wodurch bei ausreichender Festigkeit eine gute Wärmeleitung erzielt wird. Dagegen ist bei mittleren und grossen Motoren die Festigkeit eines Aluminiumgehäuses den an Motoren gestellten Beanspruchungen nicht gewachsen. In diesen Fällen wird erfindungsgemäss auf dem Guss- oder Stahlgussgehäuse durch Plattierung eine gut wär- meleitende und fest haftende Schicht aufgebracht, die das Gehäuse mantelförmig umgibt. In dieser Schicht können Längsschlitze vorgesehen sein, um die unterschiedliche Wärmedehnung von Guss bzw.
Stahlguss und Aluminium auszugleichen.
Die Kühlung des auf das Gehäuse aufgebrachten gut wärmeleitenden Mantels und der zwischen den Rippen verlaufenden Stege wird durch ein oder mehrere, das Motorgehäuse ringförmig umgebende Düsen verbessert, die die Geschwindigkeit des Aussenkühlluftstromes in axialer Richtung vergrössern, so dass mit der erfindungsgemässen Einrichtung die kühlbare Motorlänge wesentlich vergrössert werden kann.
Durch die ringförmigen Düsen wird also der auseinanderstrebende Kühlluftstrom stufenweise immer von neuem durch Kontraktion auf die Kühlfläche gedrückt. Da der Kühlstrom durch die Anordnung der Ringdüsen bis zur Abströmseite gelangt, kann hier eine den Kühlluftstrom umlenkende Strömungshaube angeordnet werden, die in ihrem Inneren Leitschaufeln zur Erzeugung einer Potentialströmung an der Abströmseite besitzt. Eine Kühlung durch ringförmige Düsen hat gegenüber einer Mantelkühlung, die mit
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Hilfe eines geschlossenen Mantels den Kühlstrom an der Aussenseite des Gehäuses führt, den Vorteil der wesentlich geringeren Reibung, da sich jeweils zwischen den einzelnen Ringdüsen eine reibungsfreie Zone befindet. Damit erreicht man eine wesentlich grössere kühlbare Motorlänge.
An der Kühlluftabströmseite des Motors kann in Weiterbildung der Erfindung eine mit in radialer Richtung angeordneten Profilen versehene Saugscheibe zur zusätzlichen Erzeugung einer Drehströmung vorge- sehen sein. Auf diese Weise wird einem sich über dem Lagerschild aufbauenden (Staudruck-) Überdruck- profil ein Unterdruckprofil überlagert, so dass der radial nach innen verlaufende Kühlstrom in axialer
Richtung auf die sich drehende Scheibe zu und von dieser radial nach aussen abgeführt wird.
Die Durchdringungskörper an den Lagerschilden des Motors werden bei überwiegender Umfangskom- ponente der Kühlluftgeschwindigkeit mit radialen Rippen, bei überwiegender Radialgeschwindigkeitskom- ponente mit ringförmigen Rippen versehen, um ein sicheres Aufreissen der wärmeisolierenden Grenzschicht zu erzielen.
Besitzt das Motorgehäuse Kühlrippen in Achsrichtung, so wird die Kühlluft an der Anströmseite des Motors zunächst radial nach aussen, anschliessend in axialer Richtung zwischen den Kühlrippen und an der Abström- seite des Motors infolge Umlenkung durch Leitschaufeln in der Abströmhaube in Umfangsrichtung strömen, ehe sie durch die Saugscheibe abgeführt wird. Dann verlaufen die Rippen auf den Durchdringungskörpem stets senkrecht zur Kühlstromrichtung, also auf der Anströmseite in Umfangsrichtung, auf der Abström- seite in radialer Richtung.
Ferner sind die Durchdringungskörper stromlinienförmig ausgebildet und insbesondere an ihrer Ab- strömseite mit Riefen und Ablauffläche versehen. Die auf dem zylindrischen Gehäuseteil aufgebrachte
Schicht aus gut leitendem Material kann zur Vergrösserung ihrer wärmeabgebenden Oberfläche quer zur
Strömungsrichtung des Kühlstromes gerippt sein. Um einen guten Wärmeübergang zwischen den leitenden
Schichten des zylindrischen Gehäuseteiles und den Durchdringungskörpern herzustellen, sind diese mitein- ander durch Flansche verbunden. Diese Flansche können mit vergrösserter Oberfläche, z. B. in Zickzack- form, ausgebildet sein.
Ferner kann an Stelle oder zusätzlich zu Ringdüsen ein den Kühlstrom führender Aussenmantel vor- gesehen sein, der unter einem Winkel von etwa 8 bis 160 in Kühlstromrichtung konisch erweitert ist, um die Reibungswiderstände innerhalb der Kühlströmung zu vermindern.
An Hand eines Ausführungsbeispieles sollen die wesentlichen Züge der Erfindung in vereinfachter Form schematisch dargestellt werden.
Die Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem Rotor 1 und einem Stator 2 mit Wickelköpfen 3 und dem Motorgehäuse 4, das mit dem Lagerschild 5 verbunden ist. In dem Lagerschild 5 sind in Durch- brechungen 6 Durchdringungskörper 7 angeordnet. Erfindungsgemäss ist nun der Durchdringungskörper 7 mit einem auf dem Gehäuse 4, z. B. durch Plattierung, aufgebrachten Mantel 19 aus gut wärmeleitendem Ma- terial über Flansche 16 verbunden und zur Erzielung eines besseren Wärmeüberganges gerippt.
Zur Führung des von dem Lüfterlaufrad 8 erzeugten und von der Haube 9 umgelenkten Kühlstromes sind Ringdüsen 11 vorgesehen, die den sich in Strömungsrichtung verbreiternden KUhlstrom auffangen und auf den Mantel 19 drücken, bis der Kühlstrom am Ende des Motors voh der Strömungshaube 12 eingefan- gen und radial nach innen geführt wird.
An der Abströmseite des Motors können in gleicher Weise wie an der Anströmseite weitere Durchdrin- gungskörper 13 vorgesehen und mit dem Mantel 19 wärmeleitend über Flansche 16 verbunden sein. In der
Strömungshaube 12 sind Leitschaufeln 14 angeordnet, die dem Kühlstrom eine Potentialströmung aufdrücken. Ferner ist auf dem abströmseitigen Wellenende eine Scheibe 15 mit in radialer Richtung angeordneten Profilen zur Erzeugung radialer Corioliskräfte vorgesehen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt jeweils eine Hälfte der Lagerschilde 5 mit Durchdringungskörpem 7,13 an der An- und Abströmseite. Dabei sind die Durchdringungskörper an der Anströmseite (rechte Darstellung) mit Profilen 18 in Umfangsrichtung, an der Abströmseite (linke Darstellung) mit Profilen 17 in radialer Richtung versehen. Dieser Motor besitzt Kühlrippen 10 in Achsrichtung und zwischen den Kühlrippen gut wärmeleitende Stege 21.
Die Fig. 3 zeigt die besondere Ausbildung eines Durchdringungskörpers 7, der in seinem äusseren Teil 7a'für einen Kühlstrom aus zwei Richtungen, an seiner Innenseite 7b für einen Kühlstrom in nur einer Richtung ausgebildet ist. Dabei stellt 5 das Lagerschild dar. An seiner Innenseite 7b wird der Durchdringungskörper in Pfeilrichtung vom Kühlstrom bestrichen und besitzt eine Ablauffläche 7c, auf der sich die Grenzschicht aufreissende Strömungswirbel 7d bilden, die eine gute Wärmeübertragung von dem Kühlluftstrom an den Durchdringungskörper 7 gewährleisten. Der äussere Teil des Durchdringungskörpers 7 besitzt zweiAblaufflächen 7c, auf denen sich je nach Strömungsrichtung entsprechende Wirbel 7d bilden können,
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welche eine gute Wärmeübertragung an den äusseren Kühlluftstrom bewirken.
Bezeichnet man die Dicke der Grenzschichtströmung mit h, so beträgt die Länge der Ablauffläche etwa 1, 5 h.
Zusätzlich zu Ringdüsen 11 kann nach Fig. 4 ferner die Kühlluftabströmhaube 12 in Form eines das
Motorende umschliessenden Mantels ausgebildet sein, der sich zu einem Winkel a von 8 bis 160 in Strö- mungsrichtung. erweitert. Diese Anordnung ist insbesondere für Motoren kleiner Länge vorteilhaft.
Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem plattier- ten Mantel des aus Guss hergestellten Gehäuses 4 und den Durchdringungskörpem 7 bzw. 13 aus Leichtme- tall im Lagerschild 5.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Kühlung umlaufender Maschinen, insbesondere Elektromotoren und Generatoren mit Hilfe von aus Potential- und Rotationsströmungen bestehenden Drehströmungen über einem festen rauhen Grund, bei denen das Gehäuse, insbesondere das Lagerschild durchdringende Körper hoher Leit- fähigkeit vorgesehen und diese an ihrer Innenseite mit Profilen oder Rippen mit Oberflächenrauhigkeit ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Oberflächenkühlung die auf der Anströmseite der Aussenkühlluft im Lagerschild angeordneten Durchdringungskörper über einen das Gehäuse wärmeleitend umschliessenden, z.
B. durch Plattierung aufgebrachten Mantel oder über zwischen den Längskühlrippen angeordnete Stege aus gut wärmeleitendem Material mit zusätzlich auf der Kühlluftabströmseite angeordneten Durchdringungskörpem verbunden sind und dass ein oder mehrere, das Motorgehäuse ringförmig umgebende Düsen, ferner eine mit Leitschaufeln versehene, die Kühlluftabströmseite des Motors umschliessende Strömungshaube vorgesehen sind.