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Elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zum Kühlen
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor und einer Vorrichtung zum Kühlen. Bei den bekannten Kühlvorrichtungen für Elektromotoren sind einzelne Pfannen zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit vorgesehen, die mit dem Rotor zusammen einen umlaufenden Trog bilden. Dabei kommt es aber nicht zu einer gleichmässigen Verteilung des Kühlmittels, vielmehr bilden sich mehrere radiale Kühlflüssigkeitsströme aus.
Demgegenüber besteht die Erfindung darin, dass ein Ring mit einer zur Maschinenachse gerichteten Nut zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit an dem einen Rotorende befestigt ist und eine Überlaufwand zum Überlaufen der Kühlflüssigkeit in Richtung Luftspalt besitzt, wobei die Nut mit einem Füllorgan für die Kühlflüssigkeit in Verbindung steht. Dadurch ist es möglich, dass das verwendete Kühlmittel über die ganze Maschinenperipherie verteilt und alle Aussenpunkte der Maschine gleichmässig gekühlt werden.
Die Erfindung besteht auch darin, dass zwischen dem Ring und dem entsprechenden Rotorende Durchlässe zwischen Stegen für die überlaufende Kühlflüssigkeit vorgesehen sind. Über diese durch Stege gebildeten Durchlässe gelangt die Kühlflüssigkeit gleichmässig verteilt zu dem Spalt zwischen Stator und Rotor.
Erfindungsgemäss ist es auch möglich, dass die Nut im Ring eine äussere hohe Wand und eine dem Rotorende zugekehrte niedrige Wand besitzt. Dadurch wird die Kühlflüssigkeit eher den Durchlässen als den Enden des Maschinengehäuses zugeführt.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen gemäss der Erfindung ausgebildeten Elektromotor, Fig. 2 ist ein Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1, Fig. 4 ist ein Gesamtschema der Kühlanlage mit einem gemäss der Erfindung ausgebildeten Motor und Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen Kühlmittelverteilerring des in Fig. 1 dargestellten Motors in grösserem Massstab.
In der Zeichnung und insbesondere in Fig. 4 ist eine Kühlmaschine veranschaulicht, die einen normalen Zentrifugalkompressor 10 für das Kühlmittel, einen üblichen Kühlmittelkondensator 12 und einen normalen Verdampfer 14 für das Kühlmittel aufweist. Diese Bestandteile sind durch Rohre 16, 18 und 20 verbunden, so dass ein normales Kühlmittel, wie z. B. die üblichen fluorierten Kohlenstoffverbindungen, darin zirkulieren kann.
'Der Kondensator und der Verdampfer besitzen Wärmeaustauschrohre 22 bzw. 24, die in dem Gehäuse in dessen Längsrichtung untergebracht sind und einen flüssigen Wärmeträger (wie z. B. Wasser) in waart
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gekühlt. wenn sie durch die Kondensatorrohre strömt. Oberhalb der Verdampferrohrekann ein gebräuchlicher Abscheider 26 angeordnet sein.
Bei der dargestellten Mascbine ist der Kompressor durch einen Elektromotor 28 angetrieben, der, wie Fig. 1 zeigt, ein mit der Rückwand 32 des Kompressors unmittelbar verbundenes Gehäuse 30 besitzt. An einem Ende 33 ist das Gehäuse 30 hohl ausgebildet, so dass eine kleine Kammer 34 entsteht, in welcher das mit Öl geschmierte Lager 36 der Motorwelle untergebracht ist. Das andere Lager 38 der Motorwelle
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ist in einer andern kleinen Kammer 40 fix gelagert, welche von dem hohlen Mittelteil 39 eines sternför- migen Einsatzes 42 gebildet wird. Jede der beiden Kammern 34 bzw. 40 besitzt ein geringes Spiel 43 ge- genüber der Motorwelle 46, so dass Kühlmitteldampf aus dem Innenraum 4 des Motors in die Kam- mern 34 und 40 strömen kann. Die Motorwelle 46 ist mit dem (nicht dargestellten) Gebläserad im Kom- pressorgehäuse verbunden.
Wie Fig. 1 erkennen lässt, sitzt die Motorwelle an einem üblichen Rotor 54, der im Stator 56 ange- ordnet ist. Der Rotor ist mit in der Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Stegen 58 versehen, die an beiden Enden des Rotors in axialer Richtung vorspringen und zwei endlose oder ringförmige Kanäle oder
Tröge 60 zur Verteilung des Kühlmittels tragen. Die Anordnung ist so getroffen, dass während des Um- laufs des Rotors 54 die Tröge flüssiges Kühlmittel aus Düsen 62 erhalten und dieses in den Luftspalt zwi- schen Rotor und Stator leiten. damit diejenigen Punkte, welche die höchste Temperatur aufweisen, ge- kühlt werden.
Die Einrichtung zur Zuführung des flüssigen Kühlmittels zu den Düsen ist in Fig. 4 veranschaulicht.
Diese Einrichtung umfasst zwei Leitungen 64 und 66 für flüssiges Kühlmittel, die von einer gemeinsamen
Leitung 68 abzweigen, die mit einer Sammelkammer 70 verbunden ist, die unterhalb des Kondensators 12 gelegen ist. Durch diese Einrichtung wird ein kleiner Teil (z. B. 1 oder 2%) des aus dem Kondensator kommenden flüssigen Kühlmittels auf die zwei Düsen 62 verteilt.
Wie man am besten aus Fig. 2 ersehen kann, bläst jede der Düsen 62 flüssiges Kühlmittel direkt in den zugeordneten umlaufenden Trog, von wo dieses durch die Zentrifugalkraft nach aussen gegen die Ste- ge 58 geschleudert wird. Die Tröge sind besonders vorteilhaft, weil sie das flüssige Kühlmittel gleichmä- ssig über die ganze Motorperipherie verteilen. so dass alle Aussenpunkte des Motors eine gleichmässige Kühlung erhalten. Der Aussenflansch 72 (Fig. 5) jedes Troges erstreckt sich vorzugsweise in radialer Rich- tung weiter nach innen vom Ringkern 76 als der innere Flansch 74, so dass die Flüssigkeit eher gegen die
Stege 58 als gegen die Enden des Motorgehäuses geschleudert wird.
Die Stege 58 üben eine Schleuder- wirkung auf die Flüssigkeit aus, so dass dieser eine relativ grosse kinetische Energie verliehen wird, auch wenn der Motor mit verhältnismässig niedrigen Drehzahlen arbeitet. Diese grosse kinetische Energie ist vorteilhaft, weil so das flüssige Kühlmittel nach Bestreichen der Endabschnitte 78 der Statorwindungen rasch in den Rotor-Statorspalt gelangt, bevor es vollkommen verdampft ist. Die Räume 44 bei den Enden des Motorgehäuses sind gegen den Verdampfer- und Kompressoreinlass durch eine Flüssigkeitsfalle 80 abgeschlossen. Infolgedessen wirkt die Saugkraft des Verdampfers oder Kompressors nicht auf die Räume 44.' Wie sich jedoch später zeigen wird, ist bei der dargestellten Ausführungsform der Verdampfersog auf den Luftspalt zwischen Rotor und Stator wirksam, indem er Kühlmittel hindurchsaugt.
Die Beschränkung der Saugwirkung auf den Luftspalt zwischen Rotor und Stator ist insofern vorteilhaft, als die Oberflächen im Spaltbereich auf diese Weise gleiche Kühlmittelmengen erhalten.
Um eine Verbindung zwischen dem Verdampfer und dem Rotor-Statorspalt herzustellen, ist der Stator mit mehreren radialen Durchlässen 81 versehen, die vom Luftspalt zur Aussenfläche 82 des Stators führen (Fig. 3). Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Aussenfläche 82 durch Abstandshalter 84 im Abstand von der Innenfläche des Gehäuses 30 gehalten, so dass ein ringförmiger Durchlass 86 gebildet wird (Fig. 3). Am Motorgehäuse ist ein Rohrstutzen 88 angebracht. welcher das im wesentlichen verdampfte Kühlmittel an die Leitung 90 abgibt, die zum Verdampfer 14 führt (Fig. 4). Gewichtsmässig ist die Kühlmitteldurchflussmenge durch die Leitung 90 verhältnismässig klein und ihr Einfluss auf den Wirkungsgrad des Verdampfers bestimmbar. Gegebenenfalls kann die Leitung 90 statt zum Verdampfer auch bis zur Leitung 20 geführt werden.
Wie Fig. 4 zeigt, ist die Leitung 90 mit einer Düsenplatte 92 versehen. Die Abmessungen der Düse in der Platte 90 sind so gewählt, dass der Kühlmitteldruck in den Räumen 44 (Fig. 1) etwas höher ist als derjenige in den Kammern 34 und 40. Auf diese Weise wird eine kleine Kühlmittelmenge veranlasst, von den Räumen 44 in die Kammern 34 und 40 zu strömen, wodurch ein Austritt des Schmiermittels in den Motor verhütet wird.
Während des Betriebes der Anlage wird durch die Leitungen 64 und 66 vorzugsweise eine etwas grö- ssere Kühlmittelmenge zugeführt. als theoretisch notwendig ist. um den Motor zu kühlen, um immer eine absolut ausreichende Kühlmittelmenge zu sichern und das Entstehen von örtlichen heissen Stellen zu verhüten. Infolgedessen findet sich insbesondere in den Räumen 44 des Motors, wo die Temperaturen verhältnismässig niedrig sind, noch etwas flüssiges. nicht verdampftes Kühlmittel. Dieses fliesst aus den Räumen 44 durch Öffnungen 94 in die Sammelkammer 80, wo es von dem Schwimmerventil 96 aufgespeichert wird. Es wird in das System durch eine Leitung 98 zurückgeführt, die, wie in Fig. 4 veranschaulicht, mit der Leitung 90 oder mit einem andern Punkt des Systems, z.
B. dem Verdampfer, verbunden
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sein kann.
Das Schmiersystem umfasst einen Schmiermittelvorratsbehälter 100, der einen versenkten Elektromotor 102 aufnimmt, welcher die Schmierpumpe 104 antreibt. Der Ausstoss der Pumpe wird durch zwei Leitungen 106 und 108 den Verteilerkanälen 111 in den Gehäuseteilen 33 und 39 zugeführt. Diese Kanäle sind ihrerseits mit Schmierschlitzen 113 verbunden, die in den Lagerschalen der Lager 36 und 38 vorgesehen sind. Während des Betriebes wird Schmiermittel über die Schlitze 113 zu den Lagerschalen ge- . fördert und dann in die Kammern 34 und 40 abgeführt. Die Kammern 34 und 40 sind durch Rücklaufleitungen 107 und 109 mit dem Behälter 100 verbunden.
An der Stelle 115 sind kleine Durchlässe vorgesehen, um auch die von den Leitungen 107 und 109 abgelegenen Bereiche der Kammern 34 und 40 mit diesen Leitungen zu verbinden, damit das gesamte Ablauföl den Behälter 100 erreichen kann und nicht bei einem Lagerende ein unzulässig hoher Rückdruck auftreten kann.
Wie oben erwähnt, wird in den Kammern 34 und 40 durch die Düsenplatte 92 der Kühlmitteldruck in den Räumen 44 etwas über dem herrschenden Öldruck gehalten. Infolgedessen enthalten die Rücklauf, leitungen 107 und 109 ein Schmiermittel-Kühlmittelgemisch. Durch die bei der Motorwelle entstehende Reibungswärme wird das rücklaufende Schmiermittel erhitzt, wodurch das mitgeführte Kühlmittel sich meistens in dampfförmigem Zustand befindet, wenn es in den Behälter 100 eintritt. Wenn es nicht vollständig verdampft ist, kann ein (nicht dargestellter) kleiner Erhitzer verwendet werden, um es zu verdampen, so dass es von dem Schmiermittel getrennt und in den Kühlmittelkreislauf der Anlage rückgeRihrt werden kann.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird das verdampfte Kühlmittel aus dem Behälter 100 durch eine Entlüftungsleitung oder einen Kanal 110 u dem Behälter 100 zurückgeführt. Wie Fig. 4 zeigt, ist die Leitung 110 in zwei Arme 114 und 116 geteilt. Der Arm 116 enthält ein Solenoidventil 118, das während des Betriebes der Anlage normalerweise geschlossen ist. Der Arm 114 enthält eine Düsenplatte 112, welche dazu dient, den Druck im Sumpf so hoch zu halten, dass ein Leerlauf der Pumpe 104 verhütet wird.
Das Solenoid des Ventils 118 ist vorzugsweise an das Stromnetz angeschlossen, so dass beim Stillstand
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durchlässt. Dieser Vorgang ist notwendig, weil beim Stillstand der Druck in den Räumen 44 rascher ab- sinkt als derjenige im Behälter 100. Wenn die abgeführte Menge während dieser Zeit nicht vergrössert wird, würde eine Druckumkehr eintreten, so dass Öl durch die Spalte 43 in die Räume 44 austreten würde. Die
Anordnung der Zweigleitung 116 und des Solenoidventil 118 ist einer der Wege, welche diese erwünsch- te Entlüftungswirkung ermöglichen. Es können aber auch andere Lösungen gefunden werden, um die nö- tige Vergrösserung des Querschnittes der Entlüftungsleitung bei einem Stillstand herbeizuführen.
Zusammenfassend sei festgestellt. dass beim Betrieb der Anlage die überwiegende Kühlmittelmenge durch den Kompressor 10, den Kondensator 12 und den Verdampfer 14 zirkuliert. Eine kleinere Menge des flüssigen Kühlmittels (z. B. l oder 2%) wird vom Kondensator durch die Leitungen 64 und 66 und durch den Motor geführt. Ein Teil dieser Kühlmittelmenge wird in dampfförmigem Zustand über den Stutzen 88 in die Leitung 90 und ein Teil in flüssigem Zustand in die Kammer 80 abgeführt. Ein ganz kleiner Teil des Motorkühlmitteldampfes gelangt in die Kammern 34 und 40 und wird gegebenenfalls über die Entlüf- tungsleitung 110 in den Hauptkühlmittelstrom zurückgefühnDas Schmiermittel wird und zu dem Behälter 100 durch die Pumpe 104 bewegt.
Die Erfindung betrifft Verbesserungen sowohl der Gesamtanlage als auch der Konstruktion einzelner Bestandteile, insbesondere der Mittel zur Bewirkung des Kühlmittelumlaufes durch den Motor und zur Aufrechterhaltung des gewünschten Verhältnisses zwischen Kühlmittel und Schmiermittel. Verschiedene geringfügige Änderungen können natürlich an der Anlage und den Bestandteilen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1, Elektrische Maschine mit einem durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor und einer Vorrichtung zum Kühlen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ring (60) mit einer zur Maschinenachse gerichteten Nut zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit an dem einen Rotorende befestigt ist und eine Überlaufwand (74) zum Überlaufen der Kühlflüssigkeit in Richtung Luftspalt besitzt, wobei die Nut mit einem Füllorgan für die Kühlflussigkeit in Verbindung steht.