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PATENTANSPRÜCHE
1. Gasgekühlte elektrische Synchronmaschine mit einem Vollpolrotor mit axial angeordneten Kühlkanälen im Rotor, welche durch in Axialrichtung sich erstreckende Ausnehmungen in der Rotorwelle gebildet sind, und mit radial angeordneten Kühlkanälen, welche durch im wesentlichen radial verlaufende Distanzierungsstege im Rotorblechpaketkörper (5) gebildet sind, wobei die Zuführung des Kühlgases durch axial angeordnete Kühlkanäle und die Abführung des Kühlgases in den Luftspalt (24) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle als Stegwelle ausgebildet ist, deren Stege zwischen je zwei benachbarten Polzonen mit dem Rotorblechpaketkörper verbunden sind, und dass in den Polzonen als Leiteinrichtung ausgebildete Distanzierungsmittel zur Führung des Kühlgases angeordnet sind.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwelle (30) vier Stege aufweist, wobei je zwei benachbarte Stege je einen Winkel von 90" einschliessen, dass das Wellenloch (31) quadratisch ist, und die Stege zwischen den Polzonen (27) mit dem Rotorblechpaketkörper (5) verbunden sind (Fig. 2).
3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwelle (35) sechs Stege aufweist, wobei je zwei benachbarte Stege je einen Winkel von 60 einschliessen, dass das Wellenloch (36) sechseckig ist, und die Stege zwischen den Polzonen (33) mit dem Rotorblechpaketkörper (5) verbunden sind (Fig. 3).
4. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwelle (40) vier Stege aufweist, wobei je zwei benachbarte Stege je einen Winkel von 90" einschliessen, dass das Wellenloch rund ist, und die Stege zwischen den Polzonen (38) mit dem Rotorblechpaketkörper (5) verbunden sind, und dass in den Polzonen (38) des Rotorblechpaketkörpers (5) vier axiale Öffnungen (42) vorgesehen sind (Fig. 4).
5. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwelle (45) sechs Stege aufweist, wobei je zwei benachbarte Stege je einen Winkel von 60 einschliessen, dass das Wellenloch rund ist, und die Stege zwischen den Polzonen (43) mit dem Rotorblechpaketkörper (5) verbunden sind, und dass in den Polzonen (43) des Rotorblechpaketkörpers (5) sechs axiale Öffnungen (47) vorgesehen sind (Fig. 5).
6. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwelle (50) vier Stege aufweist, wobei je zwei benachbarte Stege je einen Winkel von 90" einschliessen, dass das Wellenloch rund ist, und die Stege zwischen den Polzonen (48) mit dem Rotorblechpaketkörper (5) verbunden sind, und dass in den Polzonen (48) des Rotorblechpaketkörpers (5) vier axiale, das Wellenloch schneidende Ausnehmungen (53) vorgesehen sind (Fig. 6).
7. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwelle (56) sechs Stege aufweist, wobei je zwei benachbarte Stege je einen Winkel von 60 einschliessen, dass das Wellenloch rund ist, und die Stege zwischen den Polzonen (54) mit dem Rotorblechpaketkörper (5) verbunden sind, und dass in den Polzonen (54) des Rotorblechpaketkörpers sechs axiale, das Wellenloch (57) schneidende Ausnehmungen (58) vorgesehen sind (Fig. 7).
8. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Polzone (27, 33, 38, 43, 48, 54), und zwar in dem dem Maschinenluftspalt (24) zugewandten Teil, in radialer Richtung mindestens ein U-förmig geformter, als Leiteinrichtung (63) ausgebildeter Distanzierungskörper angeordnet ist, welcher aus T-, L- oder Doppel-T-Profilen besteht, welcher mit Befestigungsflächen (63') auf der Endplatte eines Teilblechpakets befestigt ist, wobei das die parallelen Schenkel verbindende Teil (63'') der Leiteinrichtung (63), welches der Maschinenachse zugewandt ist als Schikane für die Kühlgase dient, und dass die Leiteinrichtungen (63) zum Erreichen von im wesentlichen denselben Strömungsbedingungen für das Kühlgas wie in den Nutenzonen (28, 34, 39, 44, 49, 55) vorgesehen sind (Fig. 8).
Die Erfindung bezieht sich auf eine gasgekühlte rotierende elektrische Synchronmaschine mit einem Ventilator und mit einem Rotor mit axial angeordneten Kühlkanälen, welche durch in Axialrichtung sich erstreckende Ausnehmungen in der Rotorwelle gebildet sind, und mit radial angeordneten Kühlkanälen, welche durch im wesentlichen radial verlaufende Distanzierungsstege im Blechpaket des Rotors gebildet sind, wobei die Zuführung des Kühlgases durch die axial angeordneten Kühlkanäle und die Abführung des Kühlgases in den Luftspalt erfolgt.
Eine elektrische Maschine dieser Gattung ist beispielsweise aus dem Buch von Wiedemann/Kellenberger Konstruktion elektrischer Maschinen , Springerverlag Berlin, Heidelberg, New York, 1967, Seite 548, Abb. 473a und b bekannt.
Das von dem Ventilator geförderte Kühlgas strömt einerseits durch den Wickelkopfraum und kühlt die Wickelköpfe und wird andererseits durch axiale und radiale Kühlkanäle des Rotorkörpers und durch radiale Kühlkanäle des Statorkörpers geleitet und kühlt ebenfalls den Rotor- und den Statorkörper.
Nach Austritt des Kühlgases aus den radialen Kühlkanälen des Statorkörpers, sowie nach dem Durchtritt des Kühlgases durch den Wickelkopfraum gelangt es zum Ventilator.
Zweck der Kühlung von elektrischen Maschinen ist es, die Wärmeverluste so abzuführen, dass beim Nennbetrieb die vorgegebenen Grenztemperaturen in allen Teilen der elektrischen Maschine nicht überschritten werden.
In der CH-PS 600 652 ist ein Rotorkörper einer elektrischen Maschine gezeigt, bei dem die sich in Axialrichtung erstreckenden Kühlkanäle hauptsächlich durch Ausnehmungen in der Welle und zu einem kleineren Teil durch Ausnehmungen im Rotorblechpaket gebildet werden. Dabei nimmt der Durchtrittsquerschnitt für das Kühlgas von einem Wellenende, und zwar von demjenigen an dem sich der Ventilator befindet, bis zum gegenüberliegenden Wellenende hin ab. Mit dieser Querschnittsverjüngung wird eine Vergleichmässigung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases nach der Umlenkung von der axialen in die radiale Richtung über die gesamte Länge des Rotorkörpers angestrebt.
Diese Vergleichmässigung der Strömungsgeschwindigkeit hat zur Folge, dass die Verlustwärme in allen Zonen des Rotorkörpers in der Weise abgeführt wird, dass örtlich sich bildende Übertemperaturen und daraus resultierende thermische Spannungen vermieden werden.
Die Fertigung eines Rotorkörpers gemäss der CH-PS 600652 ist jedoch aufwendig und teuer.
Um aber eine gute Kühlwirkung zu erzielen, spielt nicht allein eine möglichst homogene Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases über die ganze Rotorkörperlänge eine wichtige Rolle, sondern es ist ebenso sehr darauf zu achten, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in den axialen Kühlkanälen des Rotorkörpers nicht zu hoch liegt. Denn zu hohe Kühlgasströmungsgeschwindigkeiten verursachen bei der Umlenkung von der axialen in die radiale Richtung Verhiste - die sogenannten Stossverluste -, welche sich nachteilig auf die Kühlung der Maschine auswirken.
Von einer bestimmten Leistungsgrenze der elektrischen Maschine an reichen die Durchtrittsquerschnitte der axialen Kühlkanäle gemäss der Ausführungsart der CH-PS 600 652 nicht aus, um eine genügend grosse Kühlgasmenge mit nicht allzu hoher Strömungsgeschwindigkeit durch den Rotorkörper hindurchzuführen.
Bei elektrischen Maschinen mit Vollpolrotoren tritt noch ein weiterer Problemkreis hinzu. Diese Gattungsart elektrischer Maschinen weist bekanntlich sich über die axiale gesamte Rotorlänge erstreckende, und über den Rotorumfang in konstanter Reihenfolge sich abwechselnde benachbarte Zonen auf
die Nutenzonen, in denen die Erregerwicklungen angeordnet sind, und die Polzonen.
Das Kühlgas, welches die radialen Kühlkanäle von der Welle aus bis zum Maschinenluftspalt hin durchströmt, begegnet nun jeweils in den den Maschinenluftspalt zugewandten Bereichen des Rotorkörpers Zonen mit völlig unterschiedlichem Strömungswiderstand, und zwar einmal den Nutenzonen mit ihrem bedingt durch die Erregerwicklungen verhältnismässig hohen Strömungswiderstand, und zum anderen auf die Polzonen, die dem entgegenströmenden Kühlgas einen kleinen Widerstand entgegensetzen.
Um jedoch zu verhindern, dass ein Grossteil des Kühlgases - dem Weg des geringsten Widerstandes folgend - für eine Kühlung ungenutzt über die Polzonen entweicht, ist vorgeschlagen worden, bei Vollpolrotoren die Distanzstege im luftspaltnahen Bereich der Polzonen beispielsweise V-förmig anzuordnen.
Dadurch wird eine gewisse Barrierenwirkung für den Kühlgasstrom erzielt, und das Kühlgas vermehrt an die Seitenflächen der zu kühlenden Erregerwicklungen in den Nutenzonen herangeführt. Mit Hilfe dieser Massnahme wird aber bei weitem noch nicht eine derartige Vergleichmässigung beim Durchströmen des Kühlgases durch die beiden Zonen des Rotorkörpers erzielt, die erforderlich wäre, um die aus einer inhomogenen Gasströmung resultierenden pulsierenden Schwingungsanregung, welche mit einer Geräuschemission verbunden ist, zu vermeiden. Mit dieser beispielsweisen V-förmigen Anordnung der Distanzstege wird zudem nicht erreicht, dass die zur Verfügung stehende Kühlgasmenge gleichmässig und gezielt an die zu kühlenden Bauteile des Rotorkörpers herangeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rotierende elektrische Maschine zu schaffen, deren Rotorkörper mit einfachen Mitteln optimal gekühlt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.
Die durch die Erfindung erreichten wesentlichen Vorteile sind darin zu sehen, dass durch die räumlich-zeitlich konstante Feldaufteilung in Vollpol-Synchronrotoren Zonen kleiner Induktion im Rotorquerschnitt zur Vergrösserung des axialen Kühlkanalquerschnittes herangezogen werden können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert:
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe elektrische Maschine in schematischer Darstellung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen 4-Pol-Synchronrotor in einer ersten Variante von axialen Kühlkanälen;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen 6-Pol-Synchronrotor in einer ersten Variante von axialen Kühlkanälen;
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen 4-Pol-Synchronrotor in einer zweiten Variante von axialen Kühlkanälen;
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen 6-Pol-Synchronrotor in einer zweiten Variante von axialen Kühlkanälen;
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen 4-Pol-Synchronrotor in einer dritten Variante;
;
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen 6-Pol-Synchronrotor in einer dritten Variante, und
Fig. 8 einen Teil eines Querschnitts durch einen Vollpol Synchronrotor.
In Fig. list eine beispielsweise Ausführungsart der erfindungsgemässen elektrischen Maschine anhand eines Längsquerschnittes schematisch dargestellt. Einem Statorblechkörper 1, - das Mittelteil der elektrischen Maschine - schliessen sich ein antriebsseitiges Statorendteil 2 und ein der Antriebsseite gegen überliegendes Endteil 3 an. Der Statorkörpermittelteil 1 und auch die beiden Endteile 2, 3 sind von einem Gehäusemantel 7 umgeben. An den jeweiligen Stirnflächen der Statorendteile 2,
3, die die elektrische Maschine nach aussen hin abschliessen, befindet sich antriebsseitig das Lagerschild 10 und gegenüber das Lagerschild 10'. In beiden Lagerschildern 10, 10' sind die Lager für den Rotorkörper 5, 8, 9, 9' angeordnet.
Der Rotorkörper besteht im wesentlichen aus folgenden einzelnen Bauteilen:
Rotorblechpaketkörper 5; Stegwelle 8; antriebsseitiger Wellenzapfen 9; gegenüber der Antriebsseite gelegener Wellenzapfen 9'. Der Rotorblechpaketkörper 5 ist dabei seinerseits mit der Stegwelle 8 mechanisch fest verbunden, wobei die Stegwelle 8 ihrerseits wiederum mit den beiden Wellenzapfen 9, 9' befestigt ist. Der Rotorkörper 5, 8, 9, 9' bildet somit einen mechanisch stabilen Verbundkörper, der sehr hoch dynamisch beansprucht werden kann. Auf dem Wellenzapfen 9 ist mittels eines Trägerhalters 12 ein Radialventilator 11 zur Förderung des Kühlgases angebracht, welchem eine Verschaltung 23 zugeordnet ist.
Im Statorblechpaketkörper 1 bilden Distanzstege 14 radiale Kühlkanäle 13, welche den Statorblechpaketkörper 1 in einzelne Teilblechpakete unterteilen. Durch Endplatten 15, welche sich beidseits der Stirnflächen der äusseren Teilblechpakete befinden, wird der Statorblechpaketkörper 1 mechanisch fest zusammengehalten. Links und rechts des Statorblechpaketkörpers 1, wie in Fig. 1 ersichtlich, sind die Statorwickelköpfe 4, 4'.
Im folgenden soll das erfindungsgemässe Kühlsystem anhand von Fig. 1 näher erläutert werden:
Generell ist festzuhalten, dass in der beispielsweisen Ausführungsart des erfindungsgemässen Kühlsystems Luft als Kühlme- dium in Frage kommt, jedoch können auch andere Gase, beispielsweise H2 zur Kühlung herausgezogen werden. Die dafür notwendigen Aggregate liegen jedoch ausserhalb des Rahmens des vorliegenden Erfindungsgegenstandes und werden hier nicht berücksichtigt.
Gemäss Fig. 1 wird das Kühlgas durch die Eintrittsöffnung 21 des gegenüber der Antriebsseite sich befindenden Endteils 3 in radialer Richtung entsprechend des Pfeiles mit der Bezugsziffer 20 eingesaugt, es durchströmt das Statorendteil 3 und kühlt dabei sowohl die Statorwickelköpfe 4' als auch die Rotorwickelköpfe 6'. tn dem dem Wellenzapfen 9' zugewandten Bereich des Statorendteils 3 wird nunmehr der zentrale Kühlgas strom 20 in die axiale Richtung umgelenkt, und gemäss Fig. 1 in zwei Teilströme aufgeteilt. Diese zwei Teilströme werden nun in axialer Richtung auf radial unterschiedlich sich befindenden und voneinander getrennten axialen Kühlkanälen 16, 26 weitergeführt.
Ein erster Kühlgasteilstrom wird entsprechend der Pfeilrichtung mit der Bezugsziffer 20a durch den axialen Kühlkanal 16 geleitet und ein zweiter Kühlgasteilstrom 20b gelangt in die Ausnehmungen 26, die zwischen der Stegwelle 8 und dem Rotorblechpaketkörper 5 ausgebildet sind. Diese beiden Kühlgasströme werden in axialer Richtung von einem Ende der Stegwelle 8 bis zum anderen entlanggeführt, wobei bei jedem radialen Kühlschlitz einer des Kühlgasstromes abzweigt.
Bei Fig. 2 und 3, 6 und 7 werden die beiden Kühlgasströme zu einem vereinigt.
In Fig. list deutlich der Eintritt 25 in die Stegwelle 8 zu erkennen, der sich vom inneren Durchmesser der Endplatte 19' bis hin zum Wellenzapfen 9' erstreckt. Zur Vergrösserung des Eintritts 25 weist der Wellenzapfen 9' einen sich gegen die Maschinenmitte zugewandten sich verjüngenden Teil auf. Die gegenüber der Eintrittsseite in den axialen Kühlkanal 16 gelegene Endplatte 19 schliesst nun sowohl den Kühlkanal 16, als auch die Ausnehmung 26 zwischen der Stegwelle 8 und dem Rotorblechpaketkörper 5 vollständig ab. Das Kühlgas erfährt nunmehr eine Umlenkung in die radiale Richtung und durchströmt die radialen Kühlkanäle 17 im Rotorblechpaketkörper 5.
Die Umlenkung des Kühlgases von der axialen in die radiale Richtung, sowie dessen Hindurchtreten durch die radialen Kühlkanäle 17 im Rotorblechpaketkörper 5 wird durch die Ventilationswirkung des Rotorkörpers 5, 8 begünstigt. Im weiteren Strömungsverlauf gelangt das Kühlgas nun wiederum in einem ersten Kühlzweig über den Maschinenluftspalt 24 in das Statorendteil 2, strömt in Richtung des Pfeiles mit der Bezugsziffer 20 durch den Ventilator 11 und verlässt das Statorendteil 2 durch die Kühlgasaustrittsöffnung 22. In einem zweiten Kühlzweig strömt das Kühlgas durch die radialen Kühlkanäle 13 des Statorblechpaketkörpers 1 und gelangt durch Ausnehmungen im Statorkörper 1 in das Statorendteil 2, kühlt dabei sowohl die Statorwickelköpfe 4 als auch die Rotorwickelköpfe 6 und tritt ebenfalls durch den Ventilator 11 aus.
In den nachfolgenden Fig. 2 bis 7 sind anhand von Querschnitten durch Vollpol-Synchronrotoren drei erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele, und zwar sowohl für einen 4-Pol-, als auch für einen 6-Pol-Synchronrotor, dargestellt.
Aus Gründen besserer Übersicht wurden in den Fig. 2 bis 7 lediglich die Querschnitte durch den Rotorblechpaketkörper 5 - ohne die dazugehörigen Erregerwicklungen - dargestellt.
In Fig. 2 ist der Querschnitt durch einen Rotorblechpaketkörper 5 einer 4-Pol-Synchronmaschine einer ersten Ausführung mit den Polzonen 27 und den Nutenzonen 28 mit den Rotorzähnen 28' dargestellt. Die Linien 29 zeigen den Verlauf der Induktion in zwei Nutenzonen 28 und einer Polzone 27. Die Rotorwelle ist als Stegwelle ausgeführt, wobei die Stege 30 einen Winkel von 90 einschliessen, das Wellenloch 31 ist quadratisch ausgebildet, und die Stege 30 sind zwischen den Polzonen 27 mit dem Rotorblechpaketkörper 5 verbunden, wodurch durch die Stege 30 und das Wellenloch 31 im Rotorblechpaketkörper 5 vier in Längsrichtung verlaufende prismatische Kühlkanäle 32 entstehen.
In Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, dass die Spitzen des quadratisch ausgeführten Wellenloches 31 im Bereich geringer magnetischer Induktion hineinragen, so dass durch die Ausführungsart des Wellenloches 31 gemäss Fig. 2 der magnetische Fluss im Rotorblechpaketkörper 5 nicht beeinträchtigt wird.
In Fig. 3 ist der Querschnitt durch einen der Rotorblechpaketkörper 5 einer 6-Pol-Synchronmaschine ebenso in einer ersten Ausführungsart dargestellt. Die Polzonen sind mit der Bezugsziffer 33, die Nutenzonen mit der Bezugsziffer 34 und die dazugehörigen Rotorzähne mit der Bezugsziffer 34' bezeichnet.
Die Rotorwelle ist als Stegwelle 35 ausgebildet, wobei die Stege einen Winkel von 60 einschliessen. Das Wellenloch ist sechseckig und die Stege der Welle 35 sind zwischen den Polzonen 33 mit dem Rotorblechpaketkörper 5 verbunden, wodurch die Stege und das Wellenloch 36 im Rotorblechpaketkörper 5 sechs in Längsrichtung verlaufende Kühlkanäle 37 entstehen. Die Linien für den Verlauf der Induktion sind wiederum mit der Bezugsziffer 29 bezeichnet.
In Fig. 4 zeigt der Querschnitt durch einen Rotorblechpaketkörper 5 einer 4-Pol-Synchronmaschine einer zweiten Ausführungsart mit den Polzonen 38 und den Nutenzonen 39 mit den Rotorzähnen 39'. Die Linien für den Verlauf der Induktion sind wiederum mit der Bezugsziffer 29 bezeichnet. Die Rotorwelle ist als Stegwelle 40 ausgeführt, wobei die vier Stege einen Winkel von 90 einschliessen. Das Wellenloch 41 ist rund und die Stege der Welle 40 sind zwischen den Polzonen 38 mit dem Rotorblechpaketkörper 5 verbunden. In den Polzonen 38 des Rotorblechpaketkörpers 5 sind vier axiale Öffnungen 42 vorgesehen, die parallel zu den axialen Kühlkanälen in der Stegwelle 40 zusätzliche axiale Kühlkanäle bilden.
In Fig. 5 ist der Querschnitt durch einen Rotorblechpaketkörper 5 einer 6-Pol-Synchronmaschine einer zweiten Ausführungsart zu sehen. Die Polzonen sind mit der Bezugsziffer 43, die Nutenzonen mit 44 und die Rotorzähne mit 44' bezeichnet.
Die Rotorwelle 45 ist als Stegwelle ausgebildet, wobei die sechs Stege einen Winkel von 60 einschliessen. Das Wellenloch 46 ist wiederum rund und die Stege sind zwischen den Polzonen und dem Rotorblechpaketkörper 5 verbunden. In den Polzonen des Rotorblechpaketkörpers sind sechs axiale Öffnungen vorgesehen, die parallel zu den axialen Kühlkanälen in der Stegwelle 45 zusätzlich axiale Kühlkanäle bilden.
Fig. 6 zeigt den Querschnitt durch einen Rotorblechpaketkörper 5 einer 4-Pol-Synchronmaschine einer dritten Ausführungsform. Die Polzonen sind mit der Bezugsziffer 48, die Nutenzonen mit 49 und die Rotorzähne mit 49' bezeichnet. Die Rotorwelle 50 ist als Stegwelle ausgebildet, wobei die vier Stege einen Winkel von 90 einschliessen. Das Wellenloch 51 ist rund und die Stege der Welle 50 sind zwischen den Polzonen 48. In den Polzonen 48 des Rotorblechpaketkörpers 5 sind vier axiale Ausnehmungen 53 vorgesehen, welche das Wellenloch 51 anschneiden. Die Linien für den Verlauf der Induktion sind wiederum mit der Bezugsziffer 29 bezeichnet.
In Fig. 7 ist der Querschnitt durch einen Rotorblechpaketkörper 5 einer 6-Pol-Synchronmaschine gemäss einer dritten Ausführungsform dargestellt. Die Polzonen sind mit der Bezugsziffer 54, die Nutenzonen mit 55 und die Rotorzähne mit 55' bezeichnet. Die Rotorwelle 56 weist sechs Stege auf, die einen Winkel von 60" einschliessen. Das Wellenloch 57 ist rund und die Stege sind zwischen den Polzonen mit dem Rotorblechpaketkörper 5 verbunden. In dem Rotorblechpaketkörper 5 sind sechs axiale Ausnehmungen 58 vorgesehen, welche das Wellenloch 57 anschneiden und damit die Kühlkanäle 64 vergrössern.
Fig. 8 zeigt einen Teilquerschnitt des Rotorblechpaketkörpers 5 im Bereich des Maschinenluftspaltes. In Nuten 59 befinden sich Erregerwicklungen 60, die durch Nutkeile 61 am Rotorumfang 62 gesichert sind. Zwischen den in Fig. 8 jeweils drei dargestellten Erregerwicklungen 60 sind drei als Schikane ausgebildete Leiteinrichtungen 63 angeordnet, welche aus einem Befestigungsteil 63' und einem Leitteil 63'' bestehen. Die Leiteinrichtung 63 besteht aus einem verformten L-Profil, wobei das die parallelen Schenkel verbindende Leitteil 63' ' der Maschinenachse zugewandt ist und wie bereits erwähnt, als Schikane für das Kühlgas dient. Die (axiale) Höhe der Leiteinrichtungen 63 entspricht dabei derjenigen der Distanzstege 18 und ersetzt diese im Bereich der Polzonen.
Durch die Anordnung der Leiteinrichtungen 63 in den Polzonen wird erreicht, dass in den Polzonen im wesentlichen dieselben Strömungsbedingungen geschaffen werden wie in den Nutenzonen, was insbesondere dann optimal erreicht wird, wenn die Leiteinrichtungen im Umriss etwa dem Erregerwicklungsquerschnitt entsprechen.
Die Ausbildung und Anordnung bleibt selbstverständlich nicht auf diejenigen beschränkt, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind. Die in Fig. 8 dargestellte Ausbildungsform der Leiteinrichtungen 63 stellt nur ein Ausführungsbeispiel dar und es sind auch andere Formen möglich, wobei die Leiteinrichtungen 63 eine dach- oder prismenförmige oder eine abgerundete Gestalt aufweisen.
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PATENT CLAIMS
1.Gas-cooled electrical synchronous machine with a fully polar rotor with axially arranged cooling channels in the rotor, which are formed by axially extending recesses in the rotor shaft, and with radially arranged cooling channels, which are formed by essentially radially extending spacing webs in the rotor laminated core (5), wherein the cooling gas is supplied through axially arranged cooling channels and the cooling gas is discharged into the air gap (24), characterized in that the rotor shaft is designed as a web shaft, the webs of which are connected between two adjacent pole zones to the laminated rotor core, and in the pole zones Spacer designed as a guiding device for guiding the cooling gas are arranged.
2. Machine according to claim 1, characterized in that the web shaft (30) has four webs, two adjacent webs each enclosing an angle of 90 ", that the shaft hole (31) is square, and the webs between the pole zones (27 ) are connected to the rotor laminated core (5) (FIG. 2).
3. Machine according to claim 1, characterized in that the web shaft (35) has six webs, wherein two adjacent webs each include an angle of 60, that the shaft hole (36) is hexagonal, and the webs between the pole zones (33) are connected to the rotor laminated core (5) (FIG. 3).
4. Machine according to claim 1, characterized in that the web shaft (40) has four webs, wherein two adjacent webs each include an angle of 90 "that the shaft hole is round, and the webs between the pole zones (38) with the Rotor laminated core (5) are connected, and that four axial openings (42) are provided in the pole zones (38) of the laminated rotor core (5) (Fig. 4).
5. Machine according to claim 1, characterized in that the web shaft (45) has six webs, two adjacent webs each enclosing an angle of 60, that the shaft hole is round, and the webs between the pole zones (43) with the rotor laminated core (5) are connected, and that six axial openings (47) are provided in the pole zones (43) of the rotor laminated core (5) (FIG. 5).
6. Machine according to claim 1, characterized in that the web shaft (50) has four webs, two adjacent webs each including an angle of 90 "that the shaft hole is round, and the webs between the pole zones (48) with the Rotor laminated core (5) are connected, and that four axial recesses (53) intersecting the shaft hole are provided in the pole zones (48) of the laminated rotor core (5) (FIG. 6).
7. Machine according to claim 1, characterized in that the web shaft (56) has six webs, two adjacent webs each enclosing an angle of 60, that the shaft hole is round, and the webs between the pole zones (54) with the rotor laminated core (5), and that six axial recesses (58) intersecting the shaft hole (57) are provided in the pole zones (54) of the rotor laminated core (FIG. 7).
8. Machine according to claim 1, characterized in that in each pole zone (27, 33, 38, 43, 48, 54), namely in the part facing the machine air gap (24), in the radial direction at least one U-shaped, A spacer body designed as a guiding device (63) is arranged, which consists of T, L or double T profiles, which is fastened with fastening surfaces (63 ') to the end plate of a partial laminated core, the part (63' connecting the parallel legs ') of the guide device (63), which faces the machine axis, serves as a baffle for the cooling gases, and that the guide devices (63) achieve essentially the same flow conditions for the cooling gas as in the groove zones (28, 34, 39, 44, 49, 55) are provided (Fig. 8).
The invention relates to a gas-cooled rotating electrical synchronous machine with a fan and with a rotor with axially arranged cooling channels, which are formed by axially extending recesses in the rotor shaft, and with radially arranged cooling channels, which by essentially radially extending spacer webs in the laminated core of the rotor are formed, the supply of the cooling gas through the axially arranged cooling channels and the discharge of the cooling gas into the air gap.
An electrical machine of this type is known, for example, from the book by Wiedemann / Kellenberger Construction of Electrical Machines, Springerverlag Berlin, Heidelberg, New York, 1967, page 548, fig. 473a and b.
The cooling gas conveyed by the fan flows on the one hand through the winding head space and cools the winding heads and on the other hand is guided through axial and radial cooling channels of the rotor body and through radial cooling channels of the stator body and also cools the rotor and the stator body.
After the cooling gas emerges from the radial cooling channels of the stator body and after the cooling gas has passed through the winding head space, it arrives at the fan.
The purpose of cooling electrical machines is to dissipate heat losses in such a way that the specified limit temperatures are not exceeded in all parts of the electrical machine during nominal operation.
In CH-PS 600 652 a rotor body of an electrical machine is shown, in which the cooling channels extending in the axial direction are mainly formed by recesses in the shaft and to a lesser extent by recesses in the rotor laminated core. The passage cross section for the cooling gas decreases from one shaft end, namely from the one on which the fan is located, to the opposite shaft end. This cross-sectional taper is aimed at making the flow rate of the cooling gas uniform after the deflection from the axial to the radial direction over the entire length of the rotor body.
This equalization of the flow velocity has the result that the heat loss is dissipated in all zones of the rotor body in such a way that locally occurring overtemperature and the resulting thermal stresses are avoided.
The manufacture of a rotor body according to CH-PS 600652 is complex and expensive.
However, in order to achieve a good cooling effect, the most homogeneous possible flow speed of the cooling gas over the entire length of the rotor body plays an important role, but it is also very important to ensure that the flow speed of the cooling gas in the axial cooling channels of the rotor body is not too high. Excessively high cooling gas flow velocities, when deflected from the axial to the radial direction, cause Verstiste - the so-called impact losses - which have a detrimental effect on the cooling of the machine.
From a certain power limit of the electrical machine, the passage cross sections of the axial cooling channels according to the embodiment of CH-PS 600 652 are not sufficient to lead a sufficiently large amount of cooling gas through the rotor body with a not too high flow rate.
Another problem arises in electrical machines with full-pole rotors. This type of electrical machine is known to have adjacent zones which extend over the entire axial length of the rotor and which alternate in a constant sequence over the rotor circumference
the slot zones in which the field windings are arranged and the pole zones.
The cooling gas, which flows through the radial cooling channels from the shaft to the machine air gap, now encounters zones with completely different flow resistance in the areas of the rotor body facing the machine air gap, specifically the groove zones with their relatively high flow resistance due to the excitation windings, and on the other hand to the pole zones, which offer a small resistance to the counter-flowing cooling gas.
However, in order to prevent a large part of the cooling gas from escaping unused via the pole zones for cooling purposes, following the path of least resistance, it has been proposed to arrange the spacer webs in the region of the pole zones near the air gap, for example in a V-shape, in the case of all-pole rotors.
This achieves a certain barrier effect for the cooling gas flow, and the cooling gas is increasingly brought to the side surfaces of the excitation windings to be cooled in the slot zones. With the aid of this measure, however, it is still far from being possible to achieve such an equalization when the cooling gas flows through the two zones of the rotor body, which would be necessary to avoid the pulsating vibration excitation resulting from an inhomogeneous gas flow, which is associated with noise emission. With this example of a V-shaped arrangement of the spacer webs, it is also not achieved that the amount of cooling gas available is brought uniformly and specifically to the components of the rotor body to be cooled.
The invention has for its object to provide a rotating electrical machine, the rotor body can be optimally cooled with simple means.
This object is achieved by the features characterized in claim 1.
The main advantages achieved by the invention can be seen in the fact that, due to the spatially and temporally constant field division in full-pole synchronous rotors, zones of small induction in the rotor cross section can be used to enlarge the axial cooling channel cross section.
The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing:
The drawing shows:
1 shows a longitudinal section through the electrical machine according to the invention in a schematic representation;
2 shows a cross section through a 4-pole synchronous rotor in a first variant of axial cooling channels;
3 shows a cross section through a 6-pole synchronous rotor in a first variant of axial cooling channels;
4 shows a cross section through a 4-pole synchronous rotor in a second variant of axial cooling channels;
5 shows a cross section through a 6-pole synchronous rotor in a second variant of axial cooling channels;
6 shows a cross section through a 4-pole synchronous rotor in a third variant;
;
Fig. 7 shows a cross section through a 6-pole synchronous rotor in a third variant, and
Fig. 8 shows a part of a cross section through a full pole synchronous rotor.
FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of the electrical machine according to the invention using a longitudinal cross section. A stator sheet metal body 1, the middle part of the electrical machine, is followed by a stator end part 2 on the drive side and an end part 3 opposite the drive side. The stator body middle part 1 and also the two end parts 2, 3 are surrounded by a housing jacket 7. On the respective end faces of the stator end parts 2,
3, which close off the electrical machine to the outside, there is the bearing plate 10 on the drive side and opposite the bearing plate 10 '. The bearings for the rotor body 5, 8, 9, 9 'are arranged in both bearing plates 10, 10'.
The rotor body essentially consists of the following individual components:
Rotor laminated core 5; Bridge shaft 8; drive-side shaft journal 9; shaft journal 9 'located opposite the drive side. The rotor laminated core 5 is in turn mechanically firmly connected to the web shaft 8, the web shaft 8 in turn being fastened to the two shaft journals 9, 9 '. The rotor body 5, 8, 9, 9 'thus forms a mechanically stable composite body which can be subjected to very high dynamic loads. A radial fan 11 for conveying the cooling gas is attached to the shaft journal 9 by means of a carrier holder 12, to which a circuit 23 is assigned.
In the stator laminated core 1, spacer webs 14 form radial cooling channels 13, which divide the stator laminated core 1 into individual laminated cores. The stator core 1 is held together mechanically by end plates 15, which are located on both sides of the end faces of the outer laminated core. To the left and right of the stator laminated core 1, as can be seen in FIG. 1, are the stator winding heads 4, 4 '.
The cooling system according to the invention will be explained in more detail below with reference to FIG. 1:
In general, it should be noted that in the exemplary embodiment of the cooling system according to the invention, air can be used as the cooling medium, but other gases, for example H2, can also be extracted for cooling. However, the aggregates required for this are outside the scope of the present subject matter and are not considered here.
1, the cooling gas is sucked in through the inlet opening 21 of the end part 3 located opposite the drive side in the radial direction according to the arrow with the reference number 20, it flows through the stator end part 3 and cools both the stator end windings 4 'and the rotor end windings 6' . In the region of the stator end part 3 facing the shaft journal 9 ', the central cooling gas flow 20 is now deflected in the axial direction and, according to FIG. 1, divided into two partial flows. These two partial flows are now continued in the axial direction on radially different and separate axial cooling channels 16, 26.
A first cooling gas partial flow is directed through the axial cooling channel 16 in the direction of the arrow with the reference number 20a, and a second cooling gas partial flow 20b enters the recesses 26 which are formed between the web shaft 8 and the rotor laminated core 5. These two cooling gas flows are guided in the axial direction from one end of the web shaft 8 to the other, one branch of the cooling gas flow branching off at each radial cooling slot.
2 and 3, 6 and 7, the two cooling gas flows are combined into one.
The entry 25 into the web shaft 8, which extends from the inner diameter of the end plate 19 'to the shaft journal 9', can be clearly seen in FIG. In order to enlarge the inlet 25, the shaft journal 9 'has a tapering part which faces towards the center of the machine. The end plate 19 located opposite the entry side into the axial cooling duct 16 now completely closes both the cooling duct 16 and the recess 26 between the web shaft 8 and the rotor laminated core 5. The cooling gas is now deflected in the radial direction and flows through the radial cooling channels 17 in the rotor laminated core 5.
The deflection of the cooling gas from the axial into the radial direction and its passage through the radial cooling channels 17 in the rotor laminated core 5 is favored by the ventilation effect of the rotor body 5, 8. As the flow continues, the cooling gas in turn arrives in a first cooling branch via the machine air gap 24 into the stator end part 2, flows in the direction of the arrow with the reference number 20 through the fan 11 and leaves the stator end part 2 through the cooling gas outlet opening 22. This flows in a second cooling branch Cooling gas through the radial cooling channels 13 of the stator laminated core 1 and passes through recesses in the stator body 1 into the stator end part 2, cools both the stator winding heads 4 and the rotor winding heads 6 and also exits through the fan 11.
In the following FIGS. 2 to 7, three exemplary embodiments according to the invention are shown on the basis of cross sections through full-pole synchronous rotors, both for a 4-pole and for a 6-pole synchronous rotor.
For the sake of a better overview, only the cross sections through the rotor laminated core 5 were shown in FIGS. 2 to 7 - without the associated excitation windings.
2 shows the cross section through a rotor laminated core 5 of a 4-pole synchronous machine of a first embodiment with the pole zones 27 and the slot zones 28 with the rotor teeth 28 '. The lines 29 show the course of the induction in two slot zones 28 and one pole zone 27. The rotor shaft is designed as a web shaft, the webs 30 enclosing an angle of 90, the shaft hole 31 is square, and the webs 30 are between the pole zones 27 connected to the rotor laminated core 5, whereby four longitudinal prismatic cooling channels 32 are formed by the webs 30 and the shaft hole 31 in the laminated rotor core 5.
2 clearly shows that the tips of the square shaft hole 31 protrude in the area of low magnetic induction, so that the magnetic flux in the rotor laminated core 5 is not impaired by the embodiment of the shaft hole 31 according to FIG. 2.
In Fig. 3 the cross section through one of the rotor laminated core 5 of a 6-pole synchronous machine is also shown in a first embodiment. The pole zones are designated with the reference number 33, the slot zones with the reference number 34 and the associated rotor teeth with the reference number 34 '.
The rotor shaft is designed as a web shaft 35, the webs enclosing an angle of 60. The shaft hole is hexagonal and the webs of the shaft 35 are connected between the pole zones 33 with the rotor laminated core 5, whereby the webs and the shaft hole 36 in the laminated core 5 result in six cooling channels 37 running in the longitudinal direction. The lines for the course of the induction are again designated with the reference number 29.
4 shows the cross section through a rotor laminated core 5 of a 4-pole synchronous machine of a second embodiment with the pole zones 38 and the slot zones 39 with the rotor teeth 39 '. The lines for the course of the induction are again designated with the reference number 29. The rotor shaft is designed as a web shaft 40, the four webs enclosing an angle of 90. The shaft hole 41 is round and the webs of the shaft 40 are connected to the rotor laminated core 5 between the pole zones 38. Four axial openings 42 are provided in the pole zones 38 of the rotor laminated core 5, which form additional axial cooling channels parallel to the axial cooling channels in the web shaft 40.
5 shows the cross section through a laminated rotor core 5 of a 6-pole synchronous machine of a second embodiment. The pole zones are designated by the reference numeral 43, the slot zones by 44 and the rotor teeth by 44 '.
The rotor shaft 45 is designed as a web shaft, the six webs enclosing an angle of 60. The shaft hole 46 is again round and the webs are connected between the pole zones and the rotor laminated core 5. Six axial openings are provided in the pole zones of the rotor laminated core, which additionally form axial cooling channels parallel to the axial cooling channels in the web shaft 45.
6 shows the cross section through a laminated rotor core 5 of a 4-pole synchronous machine in a third embodiment. The pole zones are designated with the reference number 48, the slot zones with 49 and the rotor teeth with 49 '. The rotor shaft 50 is designed as a web shaft, the four webs enclosing an angle of 90. The shaft hole 51 is round and the webs of the shaft 50 are between the pole zones 48. In the pole zones 48 of the rotor core 5, four axial recesses 53 are provided which cut the shaft hole 51. The lines for the course of the induction are again designated with the reference number 29.
7 shows the cross section through a rotor laminated core 5 of a 6-pole synchronous machine according to a third embodiment. The pole zones are designated with the reference number 54, the slot zones with 55 and the rotor teeth with 55 '. The rotor shaft 56 has six webs, which enclose an angle of 60 ". The shaft hole 57 is round and the webs are connected between the pole zones with the rotor laminated core 5. Six axial recesses 58 are provided in the laminated core 5, which cut the shaft hole 57 and thus enlarge the cooling channels 64.
FIG. 8 shows a partial cross section of the rotor laminated core 5 in the area of the machine air gap. Excitation windings 60 are located in slots 59 and are secured to slot circumference 62 by slot wedges 61. Arranged between the three excitation windings 60 shown in FIG. 8 are three baffle devices 63, which consist of a fastening part 63 'and a baffle part 63' '. The guide device 63 consists of a deformed L-profile, the guide part 63 ″ connecting the parallel legs facing the machine axis and, as already mentioned, serving as a baffle for the cooling gas. The (axial) height of the guide devices 63 corresponds to that of the spacer webs 18 and replaces them in the region of the pole zones.
The arrangement of the guide devices 63 in the pole zones ensures that essentially the same flow conditions are created in the pole zones as in the slot zones, which is achieved optimally when the guide devices correspond approximately to the excitation winding cross section.
The design and arrangement are of course not limited to those as shown in Fig. 8. The embodiment of the guide devices 63 shown in FIG. 8 represents only one exemplary embodiment and other shapes are also possible, the guide devices 63 having a roof-shaped or prism-shaped or rounded shape.