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Anordnung zur Führung des Kühlmediums an Schenkelpolläufern elektrischer Maschinen
Die Kühlung der Erregerwicklungen von Schenkelpolläufern elektrischer Maschinen bereitet besonders dann erhebliche Schwierigkeiten, wenn es sich um relativ lange Läufer handelt. Der stirnseitig axial in die Pollücken eintretende Kühlmittelstrom wird durch die Rotation des Laufers schon vorzeitig vor Errei- chen der Läufermitte in radiale Richtung umgelenkt und kann somit nicht mehr in genügender Weise die
Wärme von der Läufermitte abführen. Sind die Erregerwicklungen in den Pollücken gegen die Fliehkraft durch Wicklungsstützen gesichert, so ist die Wärmeabfuhr in der Läufermitte praktisch unmöglich gewor- den, da die Wicklungsstützen den axialen Kühlmitteldurchtritt unterbinden.
Die radial innenliegenden
Teile der Erregerwicklungen werden ausserdem bei Rotation ebenfalls weniger als die radial aussenliegen- den gekühlt. Insgesamt tritt also eine ungleichmässige Erwärmung im Läufer auf, wodurch die Leistung der Maschine zwangsläufig sinkt.
Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten sind eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, die aber insgesamt gesehen das Problem nur ungenügend lösen. Bei einer bekannten Anordnung werden z. B. Segmente mit Schlitzen zum Kühlmitteldurchtritt vorgeschlagen, die die Pollücken radial nach aussen abdecken. Der hiebei axial eintretende Kühlmittelstrom kann jedoch nur bis zu den jeweiligen Wicklungsstützen durchtreten und muss dann durch die in den Segmenten vorhandenen Schlitze in radialer Richtung aus den Pollücken heraustreten. Auch werden bei dieser Anordnung selbst dann, wenn die Wicklungsstützen fehlen, die radial innenliegenden Teile der Erregerwicklungen, besonders zur axialen Läufermitte hin, wegen der auf das Kühlmittel wirkenden Zentrifugalkraft erheblich geringer gekühlt als die radial aussenliegenden.
BeieinerandernbekanntenAnordnungwerdenV-förmige Bleche mit ihren Aussenkanten an die Erreger- wicklungen angelehnt undderoffeneTeilderV-Form ganz oderteilweise durch einAbdeckblech mit Schlitzen versteift. Die so ausgeführte Anordnung bewirkt, dass einerseits die Erregerwicklung gegen Zentrifugalkräfte nach Art der vorher erwähnten Wicklungsstützen gesichert sind, anderseits, dass das axial in die Pollücken eintretende Kühlmittel ungehindert bis zur Läufermitte hindurchtreten kann. Da aber aus Fertigungsgründen die V-förmigen Bleche niemals satt und auch nur indirekt über Isoliermaterial an den Erregerwicklungen anliegen können, insoweit also die Wärmeübergangszahl relativ gering wird, ist die Kühlwirkung ebenfalls noch unbefriedigend.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung wird die Läuferwelle hohl ausgebildet und der axial gerichtete Kühlmittelstrom stirnseitig in den Hohlraum hineingeführt. Von diesem Hohlraum tritt der Kühlmittelstrom durch radiale Bohrungen in die Pollücken über und kann dann so direkt-an den Erregerwicklun- gen vorbeistreichend - die Wärme abführen : Jedoch bedeutet diese Ausbildung einen erheblichen Bauaufwand für die gesamte Maschine, da durch die Hohlwelle der Läufer ja mechanisch zunächst einmal erheblich geschwächt wird. Bei allen diesen bekannten Anordnungen ist es ausserdem nicht möglich, die Oberfläche der Erregerwicklungen zur besseren Wärmeabfuhr durch beispielsweise Verrippung zu vergrössern und an der so verrippten Oberfläche dann das Kühlmittel direkt vorbeizuführen.
Bei einer andern bekannten Anordnung nach der deutschen Patentschrift Nr. 931299 wird der radiale Kühlkanal im wesentlichen dadurch gebildet, dass die Wicklungen direkt in ihrem radial unten liegenden
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Bereich aneinanderstossen. Dadurch wird aber in nachteiliger Weise ein gegenseitiges Aufheizen der Wick- lungen ermöglicht. Ausserdem ist eine derartige Anordnung rein mechanisch nur dann durchführbar, wenn die radial unten liegenden Bereiche der Wicklungen treppenartig abgestuft sind, und wenn es sich ausser- dem dabei um eine grosse Anzahl von auf dem jeweiligen Läufer angeordneten Polschenkeln handelt.
Alles in allem wird dadurch die Fertigung erheblich verteuert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Führung des Kühlmittels bei Schenkelpolläufern so zu treffen, dass, auch bei langen Läufern, die elektrische Maschine symmetrisch gekühlt wird, wobei der konstruktive Aufwand hiefürin engen Grenzen gehalten werden soll. Insbesondere soll auch die mechani- sche Festigkeit des Läufers und die Halterung der an diesem angeordneten Erregerwicklungen durch einfa- che konstruktive Merkmale ausreichend sein.
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Führung des Kühlmediums an Schenkelpolläufern elektrischer Maschinen, bei denen das in axialer Richtung in die Pollücken eintretende Kühlmedium an- schliessend unter Umlenkung seiner Strömungsrichtung radial nach aussen in den Ständer übertritt, wobei die mit Abstand zueinander in den Pollücken angeordneten Erregerwicklungen gegen Fliehkraftbeanspru- chung durch Wicklungsstützen gesichert sind und wobei in den Pollücken zwischen den beiden jeweils-in ihnen angeordneten Teilen der Erregerwicklung und der Läuferwelle je ein axial durchgehender Kühlkanal angeordnet ist, welcher mit einem zur Läufermitte hin stetig geringer werdenden Querschnitt ausgebildet ist.
Erfindungsgemäss sind zwischen den beiden radial nach innen gerichteten und einander zugekehrten
Teilen der Erregerwicklungen Kühlmittelführungssegmente mit Schlitzen angeordnet.
Ein so ausgebildeter Läufer wirkt, zusammen mit dem stirnseitig angebrachten Axiallüfter, wie zwei in Serie geschaltete Lüfter, wobei das Kühlmittel wegen der vorwiegend glatten Führung einen nur relativ kleinen Strömungswiderstand zu überwinden hat. Dadurch gelangt es noch in genügender Menge bis zur
Läufermitte, kann also auch hier die Wärme ausreichend abführen.
Da durch die Schlitze in den Kühlmittelführungssegmenten das Kühlmittel am radial innenliegenden
Teil der Erregerwicklungen zuerst vorbeistreicht, wird die hier auftretende Erwärmung einwandfrei abge- führt. In einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung werden die Kühlmittelführungssegmente ra- dial nach aussen aufgewölbt, die Schlitze verbleiben jedoch nahe am inneren Teil der Erregerwicklungen.
Hiedurch wird erreicht, dass das Kühlmedium auch an den aussenliegenden Teilen der Erregerwicklung innig vorbeistreicht, die'Wärme dementsprechend auch hier gut abführen kann.
Die vorhandenen Wicklungsstützen bilden insoweit kein Hindernis für den Kühlmittelstrom, da die axial durchgehenden Kühlkanäle radial unterhalb derselben angeordnet sind. Eine noch bessere Führung des Kühlmediums wird erreicht, wenn man den genannten Kühlkanal zur Läufermitte hin mit stetig ge- ringer werdendem Querschnitt, entsprechend der nach hier geringer werdenden Menge des Kühlmediums, ausgebildet. Handelt es sich um einen Rillenläufer, also einen solchen, bei welchem die Pole kammartig in Rillen befestigt sind, so wird man-ebenfalls nach einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes - die an den Rillen auftretende Verwirbelung des Kühlmittels durch Abdeckbleche verhindern.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben, in welcher Fig. 1 einen radialen Schnitt durch einenTeil eines Schenkelpolläufers darstellt, Fig. 2 einen achsparallelen Schnitt durch einen ebensolchen,
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Kühlmittelführungssegment und die Fig. 4 und 5 verschiedene Querschnitte durch aufgewölbte Kühlmittelführungssegmente. Fig. 6-als Weiterbildung des Gegenstandes der
Erfindung - zeigt eine indirekte Halterung der Wicklungsstütze am Läufer.
In den Fig. l und 2 ist radial innerhalb des Ständers 1 der Schenkelpolläufer 10 mit den Polen 11 angeordnet. An den Polen 11 befinden sich die Erregerwicklungen 3, wobei zwischen diesen in der Pollücke
2 die Wicklungsstützen 4 die Halterung gegen Fliehkraftbeanspruchung bewirken. Zwischen den beiden jeweiligen in der Pollücke angeordneten Teilen der Erregerwicklungen 3 und-der Läuferwelle 12 befindet sich der axial durchgehende Kühlkanal 13, welcher radial nach aussen durch die beiden genannten Teile der Erregerwicklungen 3 und durch ein Kühlmittelführungssegment 14 begrenzt ist. Letzteres ist mit Schlitzen 15 ausgebildet, durch welche das Kühlmittel hindurchtritt und, an den Erregerwicklungen 3 vorbei- streichend, von diesen die Wärme abführt.
Ein Teil des Kühlmittels tritt in an sich bekannter Weise durch die zwischen den Erregerwicklungen 3 und den Schenkeln der Pole 11 angeordneten Kanäle 8 hindurch.
Da es sich bei dem Ausführungsbeispiel um einen Rillenläufer handelt, sind die Rillen 16 durch ein Abdeckblech 5 abgedeckt, wobei dieses-in Fig. 2 - von rechts nach links ansteigend angeordnet ist und so eine stetige Verengung des Querschnittes des Kühlkanals 13 zur Läufermitte hin bewirkt. Hiedurch wird erreicht, dass im Gegensatz zu einer Ausbildung mit gleichbleibendem Querschnitt im Bereich der Läufermitte für das Kühlmittel keine Ablösungserscheinungen und damit Verwirbelungen durch dessen hier sonst auftretenden Druckverlust hervorgerufen werden.
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Um einen einwandfreien und nicht verwirbelten stirnseitigen Eintritt des vom Lüfter 6 erzeugten Kühlmittels zu erreichen, ist am Anfang des Kühlkanals 13 ein radial nach aussen abgebogenes Führungsstück 9 angeordnet. Bei relativ (in axialer Richtung) langen Wicklungsstützen 4 werden in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung diese mit an sich bekannten radialen Schlitzen 7 ausgebildet, durch welche ebenfalls das Kühlmedium hindurchtreten kann.
In Fig. 3 sind die Schlitze 15 so angeordnet, dass sie bei eingebautem Kühlmittelführungssegmem 14 nahe dem inneren Teil der (in den Fig. l - 3 dargestellten) Erregerwicklungen 3 liegen. Nach einem weiteren Erfindungsvorschlag wird man das Kühlmittelführungssegmem 14 im Bereich zwischen den Linien 18,19 aufwölben. Hiedurch wird der Kühlmittelstrom gezwungen, nicht im mittleren Teil der Pollücke radial nach aussen zu treten, sondern im äusseren Teil und innig an den Erregerwicklungen 3 vorbeistreichend. Die hiedurch auftretende Querschnittserhöhung bedingt gleichzeitig eine erwünschte Geschwindig- keitserhöhung für den Kühlmittelstrom.
Beispiele für derartige Aufwölbungen sind in Fig. 4 und 5 angegeben. Die durch diese Aufwölbungen erzwungene Führung des Luftstromes ergibt sich aus den eingezeichneten Pfeilen.
Ist die Pollücke sehr breit, so wird man-wie in Fig. 5 gezeigt-mehrere Aufwölbungen des Kühlmittelführungssegmentes 14 (in diesem Falle zwei) anordnen, wobei zweckmässigerweise zusätzlich Versteifungsrippen 17 vorgesehen sind.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Anordnung zur Führung des Kühlmittels bewirkt eine gleichmässige Wärmeabfuhr von den Erregerwicklungen 3, wodurch eine höhere Ausnutzung und damit zusammenhängend eine Einsparung an Leitermaterial ermöglicht wird. DÅaruber hinaus wird durch den über die ganze Läuferlänge gleichmässig auftretenden und in den Ständer 1 übertretenden Kühlmittelstrom auch eine gute und gleichmässige Kühlung des letzteren erreicht.
Da die gegenüber den bekannten Anordnungen verminderte Verwirbelung des Kühlmediums bei gleicher Lüfterleistung dessen höhere Strömungsgeschwindigkeit zur Folge hat, ausserdem durch die Aufwölbung des Kuhlmittelführungssegmentes 14 eine im wesentlichen quer, also in Umfangsrichtung, gerichte-
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durch eine relativ weit innerhalb des Läufers liegende Anordnung durch Zentrifugalkräfte ausserordentlich gering belastet werden.
Bildet man die Kühlmittelführungssegmente 14 gemäss Fig. 5 mit Versteifungsrippen 17 aus, so können die Distanzstücke 4 ganz oder teilweise eingespart werden. Der von dem Lüfter 6 austretende Kühlmittel- strom wird durch die Führungsbleche 9 in gewünschter Weise geteilt.
In Fig. 6 ist gezeigt, wie der in der Wicklungsstütze 4 angeordnete Befestigungsbolzen 21 nicht wie beispielsweise in Fig. 2 angedeutet in der Welle 12 eingeschraubt ist, sondern in der axial durchgehenden Leiste 20. Diese Leiste 20 ist fest mit dem Kuhlmittelführungssegment 14 verbunden, welches radial von innen an den Erregerwicklungen 3 anliegt. Wird die Schraubenmutter am Befestigungsbolzen 21 angezogen, so legt sich die Wicklungsstütze 4 mit ihren Flächen 22 eng an die Erregerwicklung 3 an, ebenso das Kühlmittelführungssegment 14 mit seinen Flächen 23. Hiedurch wird eine feste Halterung der genannten Bauteile aneinander erreicht, mit dem Vorteil, dass der Bolzen 21 nicht mehr in den Kühlkanal 13 hinein- ragt.
Somit ist insoweit im Kühlkanal auch kein Hindernis mehr für das Kühlmittel vorhanden ; letzteres kann also unverwirbelt durch die Schlitze 15 hindurchtreten. Zweckmässig ist es ausserdem, die Leiste 20 - wie aus Fig. 2 ersichtlich - zum stirnseitigen Läuferende hin im Bereich der Stelle 24 strömungsgünstig auszubilden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Führung des Kuhlmediums an Schenkelpolläufern elektrischer Maschinen, bei denen das in. axialer Richtung in die Pollücken eintretende Kühlmedium anschliessend unter Umlenkung seiner Strömungsrichtung radial nach aussen in den Ständer ubertritt, wobei die mit Abstand zueinander in den Pollücken angeordneten Erregerwicklungen gegen Fliehkraftbeanspruchung durch Wicklungsstützen gesichert sind, und wobei in den Pollücken zwischen den beiden jeweils in ihnen angeordneten Teilender Erregerwicklung und der Läuferwelle je ein axial durchgehender Kühlkanal angeordnet ist, welcher mit einem zur Läufermitte hin stetig geringer werdenden Querschnitt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den beiden radial nach innen gerichteten und einander zugekehrten Teilen der Erregerwicklungen Kühlmittelführungssegmente mit Schlitzen angeordnet sind.