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Einrichtung zur Kühlung umlaufender Maschinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung umlaufender Maschinen, insbesondere Elektromotoren und Generatoren. Bekanntlich werden umlaufende Maschinen, die im Betrieb infolge hoher Belastung, z. B. auch hoher Schalthäufigkeit, einer starken Erwärmung ausgesetzt sind, entweder durch Eigenbelüftung oder Fremdbeltiftung gekühlt. Als Kühlmedium können Gase, z. B. Luft, Wasserstoff usw., oder auch Flüssigkeiten, z. B. Wasser oder Öl usw., verwendet werden.
Bei der Eigenbelüftung wird das Kühlmedium durch einen auf dem Läufer befestigten Lüfter in Bewegung gesetzt. Bei Fremdbelüftung wird das Kühlmediu1Ìl durch einen gesondert angetriebenen Lüfter bewegt. Zur Flüssigkeitskühlung benützt man meist ein in einem Röhrensystem oder Mantel zirkulierendes Medium, das die Verlustwärme abführt.
Die Belastbarkeit einer elektrischen Maschine ist im allgemeinen durch die für die Isolationsmaterialien maximal zulässige Temperatur begrenzt. Im Schaltbetrieb verwendete Motoren müssen daher infolge der grossen Wärmeentwicklung häufig für eine um30-200%) höhere Leistung-bezogen auf die Nenn- leistung bei Dauerbetrieb - ausgelegt werden, damit die maximal zulässige Temperaturgrenze nicht über- schritten wird.
Es ist bei Motoren mit schlecht wärmeleitenden Gehäusen bzw. Lagerschilden bekannt, diese mit Körpern zu versehen, die im Lagerschild angeordnet sind, und die die Wärme nach aussen abführen sollen. Derartige Massnahmen haben sich aber in der Praxis nicht durchsetzen können, da es meist nicht mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand gelang, eine genügend grosse Wärmemenge vom Entstehungsort, z. B. den Läuferstäben, über den Kurzschlussring und über den wärmeisolierenden Luftraum zwischen Läufer und Lagerschild an die Lagerschilde zu transportieren.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit nur geringem Aufwand einen wirksamen Wärmetransport vom Entstehungsort der Motorwärme, insbesondere von Läufer und Wicklung an das Gehäuse und an die Lagerschilde und von hier an die Aussenluft zu erzielen. Gleichzeitig sollen die Wärmewiderstände zwischen Läufer und Ständer einerseits und der Aussenluft anderseits möglichst klein gehalten werden. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass ein mit dem sich drehenden Maschinenteil (Läufer) wärmeschlüssig fest verbundener Körper, z.
B. eine Scheibe, aus Material guter Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, der mit dem ihm gegenüberliegenden Lagerschild einen Raum bildet, der keine die Kühlströmung behindernden Teile aufweist, und dass als Kühlströmung eine aus einer koaxialen Potentialumlaufströmung und einer koaxial umlaufenden Rotationsströmung bestehende Drehströmung mit Hilfe von am Körper und am Lagerschild angebrachten radialen Rippen, Profilen usw., angeregt wird, deren Höhe von der Grössenordnung der Dicke der sich an der Körper-und Lagerschildoberfläche bildenden Grenzschicht ist.
Vorteilhaft kann wenigstens ein Teil aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Aluminium, bestehen.
In Weiterbildung der Erfindung werden die gut wärmeleitenden Teile an der Innen- und bzw. oder Aussenseite des Lagerschildes durch den Lagerschild hindurch wärmeleitend miteinander verbunden, bis in den Gehäusemantel der Maschinenhineinragend angeordnetund an dieser Stelle vorzugsweise durch Material guter Wärmeleitfähigkeit miteinander verbunden. Dabei sind vorteilhaft die radialen Rippen, Profile usw. so ausgebildet, dass sie aus der Grenzschicht herausragen, naturgemäss aber nicht allzu hoch, so dass sie sich immer noch in der Grössenordnung der Dicke der sich an der Körperoberfläche bildenden Grenzschicht befinden.
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Ferner weisen die Rippen tangentiale, vorzugsweise mit zusätzlichen Rauhigkeiten versehene, Anund Ablaufflächen und abgerundete Profile, z. B. Halbrundprofile, auf. In vorteilhafter Weise ist der sict drehende Körper scheibenförmig und gegebenenfalls an der dem Lagerschild zugewendeten Seite konkan oder konvex ausgebildet. In Weiterbildung der Erfindung sind an der zylindrischen Mantelfläche des Körpers achsparallele Rippen vorgesehen. Vorteilhaft dient der sich drehende Körper als Kurzschlussring für diE Läuferwicklung. Ferner ist in vorteilhafter Weise der Körper einseitig so verlängert, dass er die Wickel-
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scheibe ausgebildet sein kann, angeordnet, der eine offene Drehströmung zwischen Scheibe und Lagerschild anregt. Schliesslich sind auf dem von den beiden Körpern begrenzten Wellenabschnitt achsparallele Profile, z. B.
Rippen, angeordnet.
An Hand der Zeichnung werden die Vorteile und weitere Einzelheiten der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die Fig. l zeigt nur das eine Ende einer elektrischen Maschine, z. B. eines Motors, wobei selbstverständlich die hier dargestellten Merkmale in gleicher Weise bei dem andern Motorende angewendet werden können. Der Läufer der elektrischen Maschine ist mit l, der Ständer mit 2 und die aus diesem herausragenden Wickelköpfe sind mit 3 bezeichnet. Der Lagerschild 4 ist beispielsweise in der unteren Hälfte der Fig. l mit Durchbrechungen 5 zur Aufnahme von Durchdringungskörpern 6 aus gut wärmeleitendem Material oder, wie die obere Hälfte der Fig. l zeigt, zur Verbindung von Wärmeleitkörpern 6a mit Bolzen 7 versehen. Der mit dem Läufer 1 und der Welle 8 wärmeleitend verbundene und sich mit dieser drehende Körper 9 wird im folgenden kurz als Drehkörper bezeichnet.
Er weist im einfachsten Fall die Form einer Scheibe auf, die an der dem Lagerschild 4 zugewendeten Seite zum grössten Teil konkav ausgebildet ist. Auf einer Seite sind radiale Rippen 10 angebracht, die bei Drehung des Körpers 9 eine Potentialumlaufströmung 11 anregen. Dabei wird unter einer Potentialumlaufströmung eine "reibungsfreie" Umlaufströmung verstanden, die dem Geschwindigkeitsgesetz v = c/r folgt. Dabei bedeutet v die Umfangsgeschwindigkeit (cm/s), c eine Konstante (cm/s) und r (cm) den Abstand eines Punktes in der Umlaufebene von der Umlaufachse.
Die auf diese Weise angeregte Potentialumlaufströmung 11 transportiert die Wärme von der konkaven Innenfläche des Körpers 9 an den ebenfalls mit radialen Rippen 10 ausgebildeten Durchdrin-
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"reibungsbehaftete" RotationsströmungDer Drehkörper 9 und der Durchdringungskörper 6 bilden einensogenannten"rauhen Grund", wo- bei sich am Durchdringungskörper 6 die Potentialumlaufströmung 11 in die umlaufende Rotationsströmung, 12 am Drehkörper 9 die umlaufende Rotationsströmung 12 in die Potentialumlaufströ- mung 11 umsetzt. Diese aus Potentialumlaufströmung 11 und Rotationsströmung 12 bestehende in sich geschlossene Strömung wird im folgenden kurz als "Drehströmung" bezeichnet.
Zwischen dem Drehkörper 9 und dem Durchdringungskörper 6 befinden sich keine die Kühl- Strömung behindernden Teile. Es können aber die Anregung der Rotationsströmung verstärkende Mittel, z. B. achsparallele Rippen 13 auf der Welle angebracht werden. Der Abstand zwischen dem Drehkör - per 9 und dem Durchdringungskörper 6 sollte nicht so gering gemacht werden, dass sich deren Grenzschichten berühren, weil dann kein Raum zur Ausbildung einer Drehströmung mehr vorhanden ist. Ausserdem sollten die Rippen aus der wärmeisolierenden Grenzschicht herausragen.
Der Drehkörper 9 kann, wie die obere Hälfte der Fig. l zeigt, die Wickelköpfe des Ständers umgreifende Verlängerungen 14 besitzen, um zwischen dem Wickelkopf 3 und der dem Lagerschild abgewendeten Seite dieser Verlängerung des Drehkörpers eine weitere, hier nicht dargestellte Drehströmung anzuregen, und gleichzeitig den Umlaufraum zwischen Lagerschild und Drehkörper zu vergrössern.
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net, durch die in dem Raum zwischen dem Körper 9 und den Wickelköpfen 3, der grösser als die Grenzschichtdicken an diesen Teilen sein muss, eine kühlungswirksame zylindrische Strömung nachArt einer Couette'schen Strömung entsteht.
Unter einer Couette'schen Strömung versteht man eine Strö- mung zwischen einem ruhenden inneren und einem mit einer Winkelgeschwindigkeit w um seine Achse
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gedrehten äusseren koaxialen Zylinder.
Der Durchdringungskörper 6 bzw. der Lagerschild ist an seiner Aussenseite ebenfalls mit einer Profilierung, z. B. Rippen 10, versehen, die in gleicher Weise wie die Rippen an der Innenseite des Lagerschildes bei 16 bis in den Gehäusemantel der Maschine hineinragen. An diesen Stellen können die Rippen auch durch Material guter Wärmeleitfähigkeit miteinander verbunden sein. Die Profile bzw.
Durchdringungskörper können z. B. aus Siluminguss hergestellt sein.
Ausserhalb des Gehäuses ist auf derselben Weise warmeschlüssig ein weiterer mit Profilen und Rauhig- keiten 17 versehener Körper 18, z. B. eine Scheibe, angeordnet, die eine offene, hier nicht dargestellte Drehströmung und damit einen guten Wärmetransport zwischen der Aussenseite des Lagerschildes 4 und der Scheibe 17 bewirkt. Die von der Scheibe 17 angesaugte warme Luft wird radial nach aussen abgeschleudert.
Der Drehkörper 9 kann als Kurzschlussring für die Läuferwicklung dienen, so dass zwischen den Kupferstäben des Läufers und dem Drehkörper 9 bzw. der Scheibe ein guter Wärmeschluss hergestellt wird. Zu diesem Zweck sind die Läuferstäbe direkt bei 21 in den Körper eingelötet.
Die Fig. 2 zeigt die Ausbildung der radialen Rippen 10 mit tangentialen Anlaufflächen 19 und Ablaufflächen 20. Auf diesen An- bzw. Ablaufflächen sind vorzugsweise zusätzliche Rauhigkeiten 22 angebracht, um ein Aufreissen der wärmeisolierenden Grenzschicht zu erzielen. Die Rippen selbst sind abgerundet, z. B. nach Art von Halbrundprofilen. Die Wirbelbildung hinter der Rippe 10 bewirkt einen Wärmeaustausch von der Rippe an die diese bestreichende Aussenluft.
Wie Versuche bei einem handelsüblichen Hebezeugmotor in werksnormaler Ausführung und einem Motor anderer Ausführung ergeben haben, wurde bei Anwendung des Gegenstandes der Erfindung im Schaltbetrieb bei gleicher Wärmebeaufschlagung eine Absenkung der Endtemperatur des Läufers um etwa 550/0 auf 630C (52 C weniger als die Endtemperatur von 115 C bei einer Raumtemperatur von 20 C) erreicht. Dies bedeutet, dass die Umschalthäufigkeit bei gleicher Endtemperatur von 115 C um weit mehr als 100loo, z. B. von 600 auf mehr als 1400 Schaltungen heraufgesetzt werden könnte.
Es wurde ferner durch Zerschlagen der Drehströmung mit Hilfe von im Gebiet der Mischströmung am Lagerschild angesetzten scharfkantigen Schrauben nachgewiesen, dass die wesentlichen Verbesserungen der Kühlung nicht etwa durch erhöhte Turbulenz in dem Raum zwischen dem Drehkörper 9 und dem Lagerschild 4, sondern durch die ausserordentlich guten Wärmetransporteigenschaften der Drehströmung erzielt wurden. Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht demnach darin, dass zwischen dem Körper und dem Lagerschild definierte Strömungsverhältnisse durch eine Zwangskonvektion erzwungen werden, die einen Wärmetransport vom Körper zum Lagerschild und einen davon sauber getrennten Kühlmittelrückstrom vom Lagerschild zum Körper bewirken, so dass keine Durchmischung der aufgewärmten und gekühlten Kühlmittelströme die Kühlwirkung schmälert.
Die Erfindung ist nicht auf elektrische Maschinen beschränkt, sondern kann überall dort Anwendung finden, wo ein Wärmetransport durch wärmeisolierende gasförmige Medien erfolgen soll.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Kühlung umlaufender Maschinen, insbesondere elektrischer Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem sich drehenden Maschinenteil (Läufer) wärmeschltissig fest verbundener Körper, z. B. eine Scheibe, aus Material guter Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, der mit dem ihm gegenüberliegenden Lagerschild einen Raum bildet, der keine die Kühlströmung behindernden Teile aufweist, und dass als Kühlströmung eine aus einer koaxialen Potentialumlaufströmung und einer koaxial umlaufenden Rotationsströmung bestehende Drehströmung mit Hilfe von am Körper und am Lagerschild angebrachten radialen Rippen, Profilen usw. angeregt wird, deren Höhe von der Grössenordnung der Dicke der sich an der Körper- und Lagerschildoberfläche bildenden Grenzschicht ist.
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