DE10005128B4 - Kühlbarer Ständer für eine elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Ständer mit einem intern gekühlten, vier Eckbereiche (I,II,III,IV) aufweisenden Ständerblechpaket (1) für eine elektrische Maschine mit rotierendem Innenläufer, mit einem ersten Lagerschild (2) an der einen Stirnseite, das Eckbereiche (I',II',III',IV') spiegelsymmetrisch zu denen (I,II,III,IV) des Ständerblechpakets (2) aufweist, mit einem zweiten Lagerschild (3) an der anderen Stirnseite und mit einem Kühlmittelkreislauf wie folgt:
a) in jedem der Eckbereiche (I,II,III,IV) des Ständerblechpakets (1) sind wenigstens zwei Kanäle (4) für Kühlmittel angeordnet, welche das Ständerblechpaket (1) im wesentlichen parallel zur Läuferachse durchsetzen;
b) die Kanäle (4) des Ständerblechpakets (1) sind an einem Ende über gemeinsame Umlenkkammern (10) verbunden, die im ersten Lagerschild (2) in je einem der dortigen Eckbereiche (I',II',III',IV') angeordnet sind;
c) für die Strömung (9) des Kühlmittels sind Ein- und Auslaßeinrichtungen (7,8;13,14) vorgesehen, mit denen die Kanäle (4) verbunden sind;
dadurch gekennzeichnet, dass
d) das zweite Lagerschild (3) ebenfalls vier Eckbereiche (I'',II'',III'',IV'') spiegelsymmetrisch zu denen...

Description

• Die Erfindung betrifft einen kühlbaren Ständer für eine elektrische Maschine mit rotierendem Innenläufer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Bei einem gekühlten Ständer dieser Art ( EP 0 924 839 A1 ) mit einer rechteckigen Außenkontur und axial befestigbaren Lagerschilden weist ein Lagerschild in jedem der vier Eckbereiche einen Umlenkkanal für zwei achsparallel nebeneinander im Ständer verlaufende Kühlkanäle auf. Dadurch sind die beiden Kühlkanäle jedes Eckbereiches strömungsmäßig hintereinandergeschaltet, so dass sie aufgrund der Lagerschild-Umlenkkanäle bzw. Kammern einander entgegengesetzte Strömungsrichtungen aufweisen. Um an der zweiten, entgegengesetzten Lagerschildseite zwei Kühlkanäle unterschiedlicher Eckbereiche bzw. Quadranten in Serie hintereinanderschalten zu können, sind gesonderte Bauteile in Form von Umlenklaschen vorgesehen. Diese weisen von einem Kühlkanal zu dem des benachbarten Eckbereiches führende Strömungsnuten auf und sind über Bohrungen an die Längsseitenwandungen des Ständergehäuses zu befestigen. Dem zweiten Lagerschild kommt dann lediglich Dichtungsfunktion zu. Je einer der Kühlkanäle ist auf einer Ständer-Längsseitenwandung mit einem Einlaß und einem Auslaß für Kühlmittel versehen. Bei dieser Konfiguration ist ein Zuschalten oder Abschalten von Kühlkanälen je nach Anforderungen an die Kühlleistung in Verbindung mit der Temperatur des Ständerblechpakets nicht möglich. Zu letzterem Gesichtspunkt wird bei einem bekannten Elektromotor mit Kühlung, DE 197 57 605 A1 , vorgeschlagen, achsparallele Kühlmittelrohre über unterschiedlich ausgebildete Umlenkrohre in Reihe oder parallel zu schalten. Bei Parallelschaltung der Kühlrohre sollen mehrere Kühlkreisläufe vorhanden sein und so eine bessere Kühlwirkung für den Motor erreicht werden. Zur Anbringung der Umlenkrohre müssen die Lagerschilde allerdings gesonderte Befestigungslaschen und Durchbrüche aufweisen, und bei den achsparallelen Kühlrohren sind zu den Umlenkrohren herausragende Endstutzen notwendig.
• DE 197 42 255 C1 beschreibt eine gehäuselose Drehstrommaschine mit achsparallelen Kühlmittelrohren im Ständerblechpaket. Die Kühlmittelrohre sind in den Eckbereichen des Ständerblechpaketes angeordnet und auf der A- und B-Seite miteinander und zu einem Kühlkreislauf mit Anschlußstutzen verbunden. Von einer Maschinenseite her sind in die Eckbereiche des Ständerblechpakets U-förmig hergerichtete Kühlmittelrohre eingeschoben. Auf der gegenüberliegenden Maschinenseite sind Anschlußstutzen, Eckverbindungsbögen zum Verbinden der Kühlmittelrohre zweier angrenzender Eckbereiche und erforderlichenfalls Umlenkbögen zum Verbinden zweier Kühlmittelrohre innerhalb jedes Eckbereichs angeordnet. Die Eckverbindungsbögen sind sowohl innerhalb des Ständerblechprofils als auch innerhalb des Lagerschildes der betreffenden Maschinenseite stirnseitig um den Wickelkopf der elektrischen Maschine herumgeführt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Ständer-Kühlung einer elektrischen Maschine den Konstruktionsaufwand und die Anzahl der notwendigen Bauteile zu vermindern. Zur Lösung werden bei einem Ständer für eine elektrische Maschine die im Anspruch 1 genannten Merkmale erfindungsgemäß vorgeschlagen. Im Rahmen der Erfindung ist ein jeweiliger Teil der Kanäle, die sich in einander benachbart liegenden Quadranten bzw. Eckbereichen des Ständers befinden, an ihren Enden über die jeweils gemeinsame Umlenkkammer miteinander verbunden, und diese gemeinsame Umlenkkammer ist im zweiten Lagerschild ausgebildet und erstreckt sich dort in zwei benachbarte Teile von Lagerschild-Quadranten bzw. Eckbereichen, die zu den benachbart liegenden Ständer-Quadranten bzw. Eckbereichen in axialer Richtung gesehen kongruent liegen. Die gemeinsamen Umlenkkammern im zweiten Lagerschild bewirken eine Hintereinanderschaltung von Kühlkanälen unterschiedlicher Quadranten bzw. Eckbereiche des Ständers. Damit erfüllt das zweite Lagerschild nicht nur Dichtungs-, sondern auch Umlenkfunktion. Die Notwendigkeit gesonderter Umlenkmittel ist entfallen.
• Beim Betreiben elektrischer Maschinen ergibt sich oft die Anforderung, den Aufwand bzw. die Leistung des Kühlmittelkreislaufes je nach auftretender Temperatur des Ständerblechpakets flexibel anpassen zu können. Dem ist nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung dadurch Rechnung getragen, dass in den Ständer-Quadranten bzw. Eckbereichen mehrere Kanäle nebeneinander verlaufend angeordnet sind. Die Anordnung ist zweckmäßig derart, dass eine um die Rotationsachse geführte Teilumfangsreihe mit nebeneinander verlaufenden Kanälen innerhalb eines Quadranten gebildet ist. In Weiterführung dieses Gedankens ist die Umfangsreihe in zwei Abschnitte bzw. Teilanzahlen mit jeweils strömungstechnisch zueinander parallel geschalteten Kanälen unterteilt. Dabei sind die Kanäle des ersten Abschnitts strömungstechnisch in Serie zu dem (geometrisch ebenfalls achsparallel verlaufenden) Kanälen des zweiten Abschnitts geschaltet, sodass beide Abschnitte entgegengesetzte Strömungsrichtungen aufweisen. Damit ist es möglich, bei verminderten Kühlungsanforderungen einen oder mehrere Kühlkanäle zu blockieren und so mit einer verminderten Anzahl von Kühlkanälen den Kühlmittelströmungskreislauf zu betreiben, wobei für das Kühlmittelreservoir und ggf. deren Pumpe eine geringere Belastung herbeigeführt wird. Umgekehrt lässt sich die Anzahl der eingesetzten Kühlkanäle auf einen maximalen Wert erhöhen, wenn alle Kühlkanäle freigeschaltet oder – gelegt sind und mit einer möglichst hohen Kühlung gearbeitet werden muss.
• Im Sinne der obigen Erfindungsaufgabe – Vereinfachung der Konstruktionsstruktur und Einsparung von Bauteilen – besteht eine zweckmäßige Erfindungsausbildung darin, auch die Einlaß- und Auslaßeinrichtungen mittels einer oder mehrerer Ein- und Auslaßkammern – analog zu den obigen Umlenkkammern – in einem oder beiden Lagerschilden zu realisieren. Grundsätzlich lassen sich derartige Strömungskammern, seien sie zum Ein- oder Auslaß oder zum Umlenken bestimmt, leicht an der Innenwandung von Elektromotor- oder Lagerschilden ausbilden. Zu den Ein- und Auslaßkammern können dann im Rahmen der Erfindung Wandungsdurchbrüche oder Wandungsdurchgänge, beispielsweise realisiert mit kurzen Rohrstutzen, vorgesehen sein.
• Die Ein- und Auslaßkammern an der oder den Innenwandungen der Lagerschilde sind im Zusammenhang mit der obengenannten Teilumfangsreihe besonders zweckmäßig einsetzbar: Eine Ein- oder Auslaßkammer bildet für einen Teil der in einer Teilumfangsreihe nebeneinander bzw. geometrisch parallel verlaufende Kanäle einen Knotenpunkt zur strömungstechnischen Parallelschaltung dieser Kanäle innerhalb eines Ständer-Quadranten bzw. Eckbereichs. Damit der Kühlmittelströmungskreislauf zwischen Ein- und Auslaß in sich geschlossen wird, ist es zweckmäßig, wenn von der Ein- und Auslaßkammer der jeweils erste oder letzte Kanal der Teilumfangsreihe innerhalb eines Quadranten bzw. Eckbereichs mit erfaßt ist.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie aus der Zeichnung, welche eine perspektivischauseinandergezogene Darstellung eines erfindungsgemäßen Ständers mit anmontierbaren Lagerschilden zeigt:
  Der dargestellte Ständer ist aus einem Ständerblechpaket 1 gebildet, welches eine rechteckige Außenkontur mit den Eckbereichen I-IV besitzt. Diese entsprechen den Quadranten eines Achsenkreuzes, durch dessen Schnittpunkt die Rotationsachse eines (nicht gezeichneten) Innenläufers verläuft. an den beiden entgegengesetzten Stirnseiten des Ständerblechpakets 1 sind ein erstes Lagerschild 2 und ein zweites Lagerschild 3 mit kongruent rechteckiger Außenkontur und kongruenten Eckbereichen I'-IV' bzw. I''-IV''. Jeder Eckbereich I, II, III, IV des Ständerblechpakets 1 ist von jeweils acht gruppenweise angeordneten Kühlkanälen 4 achsparallel durchgesetzt. Jeder Kühlkanal 4 ist mit einem eingelegten Kühlrohr 5 realisiert.
• In jedem der Eckbereiche I, II, III, IV sind die Kühlkanäle 4 in einer Teilumfangsreihe 4I, 4II, 4III bzw. 4IV gruppiert, die jeweils teilweise um die Rotationsachse bzw. die Läuferbohrung 6 des Ständerblechpakets 1 herumgeführt sind. Jede der vier Eckbereich-Teilumfangsreihen 4I-4IV ist in zwei Abschnitte mit Teilanzahlen S,W der Kühlkanäle 4 halbiert, und der jeweils erste Abschnitt ist in der Zeichnung mit schwarz ausgefüllten Enden der Kühlrohre 5 markiert.
• Im ersten Eckbereich 1 des Ständerblechpakets 1 sind die Kühlkanäle 4 der ersten Teilanzahl S der Teilumfangsreihe 4I über eine im zweiten Lagerschild 3 ausgebildete Einlaßkammer 7 parallel an einen Einlaßstutzen 8 für Kühlmittel gelegt, welcher einen Durchgang durch die Lagerschildwandung zur Einlaßkammer 7 bildet. Diese ist an der dem Ständerblechpaket 1 zugewandten Innenseite bzw. Innenwandung des zweiten Lagerschildes 3 mit einer derartigen Erstreckung ausgebildet, dass lediglich die Enden der ersten Teilanzahl S der Kühlkanal-Teilumfangsreihe 4I erfasst und gegenüber der Außenumgebung, insbesondere den Kühlkanalenden des zweiten Reihen-Abschnittes W abgegrenzt sind. Von der Einlaßkammer 7 verläuft die Kühlmittelströmung 9 durch die vier parallel geschalteteten Kühlkanäle 4 der ersten Teilanzahl S der ersten Teilumfangsreihe 4I zu einer Umlenkkammer 10I', welche im ersten Lagerschild 2 im dortigen ersten Eckbereich I' in analoger Weise ausgebildet ist, wie die zuvor beschriebene Einlaßkammer 7.
• Die Umlenkkammer 10I' erstreckt sich ausschließlich im ersten Eckbereich I' des ersten Lagerschildes 2 und erfasst so alle der Innenwandung des ersten Lagerschilds 2 zugewandten Kühlkanal-Kühlrohrenden der ersten Teilumfangsreihe 4I. Dabei bildet die Umlenkkammer 10I' gleichsam einen Knotenpunkt, mittels welchem die Kühlrohre 5 der zweiten Teilanzahl W der ersten Teilumfangsreihe 4I parallel den Kühlrohren 4 des dortigen Abschnittes S nachgeschaltet werden. Geometrisch führt dieses zu einer Strömungsumlenkung 11, das heißt die von der Einlaßkammer 7 ausgehende und zum ersten Lagerschild 2 gerichtete Kühlmittelströmung 9 wird dort um 180 Grad umgelenkt in eine entgegengesetzte Kühlmittelströmung 12, gerichtet vom zweiten Lagerschild 2 zum dritten Lagerschild 3.
• Die dem zweiten Lagerschild 3 zugewandten Enden der Kühlrohre 5 der zweiten Teilanzahl W der ersten Teilumfangsreihe 4I münden in eine weitere Umlenkkammer 10I''-IV'', die an der Innenwandung des zweiten Lagerschildes 3 in analoger Weise ausgebildet ist. Sie erstreckt sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Einlaßkammer 7 von einem davon verbleibenden Teil des ersten Eckbereiches I'' in den benachbarten Eckbereich IV'' und deckt dort etwa dessen erste Hälfte ab. Dadurch werden die dem zweiten Lagerschild 3 zugeordneten Enden der Kühlrohre 5 der zweiten Teilanzahl W der ersten Teilumfangsreihe 4I parallel mit den ersten Enden der Kühlrohre 4 der ersten Teilanzahl S der vierten Teilumfangsreihe 4IV verbunden. Dabei kommt es zu einer erneuten Strömungsumlenkung 11 von der bisher zum zweiten Lagerschild 3 gerichteten Strömung 12 in eine erneute Kühlmittelströmung 9 in Richtung zum ersten Lagerschild 2. Dort münden die dem ersten Lagerschild 2 zugewandten Enden der Kühlrohre 4 der ersten Teilanzahl S der vierten Kanal-Teilumfangsreihe 4IV in eine weitere Umlenkkammer 10IV' im vierten Eckbereich IV' des ersten Lagerschildes 2. Insgesamt ergibt sich ein Kühlmittel-Strömungsverlauf durch die Kühlkanäle 4 und die Einlaß- und Umlenkkammern 7 bzw. 10 gemäß folgendem Schema:
  7 → S/4I → 10I' → W/4I → 10I''-IV'' → S/4IV → 10IV' → W/4IV → 10IV''-III'' → S/4III → 10III' → W/4III → 10III''-II'' → S/4II → 10II' → W/4II → 13
  wobei mit der Bezugsziffer 13 eine Auslaßkammer markiert ist, welche die ersten Enden der Kühlrohre 5 der zweiten Teilanzahl W der zweiten Teilumfangsreihe 4II im zweiten Eckbereich II des Ständerblechpakets 1 erfasst. Dabei wird die entsprechende Kühlmittelströmung 12 durch die Auslaßkammer 13 zu einem nach außen führenden Auslaßstutzen 14 geleitet. Die Auslaßkammer 13 und der Auslaßstutzten 14 sind analog zur Einlaßkammer 7 und dem Einlaßstutzen 8 im zweiten Lagerschild 3 ausgebildet.
• Wie ersichtlich, kann die Belastung des Kühlmittelkreislaufes dadurch vermindert werden, indem einzelne der parallel geschalteten Kühlrohre 5 oder Kühlkanäle 4 innerhalb der ersten oder zweiten Teilanzahl S,W eines jeden Eckbereiches I-IV des Ständerblechpakets 1 blockiert oder gesperrt werden, wenn dessen Wärmebelastung es erlaubt.

Claims (7)

1. Ständer mit einem intern gekühlten, vier Eckbereiche (I,II,III,IV) aufweisenden Ständerblechpaket (1) für eine elektrische Maschine mit rotierendem Innenläufer, mit einem ersten Lagerschild (2) an der einen Stirnseite, das Eckbereiche (I',II',III',IV') spiegelsymmetrisch zu denen (I,II,III,IV) des Ständerblechpakets (2) aufweist, mit einem zweiten Lagerschild (3) an der anderen Stirnseite und mit einem Kühlmittelkreislauf wie folgt: a) in jedem der Eckbereiche (I,II,III,IV) des Ständerblechpakets (1) sind wenigstens zwei Kanäle (4) für Kühlmittel angeordnet, welche das Ständerblechpaket (1) im wesentlichen parallel zur Läuferachse durchsetzen; b) die Kanäle (4) des Ständerblechpakets (1) sind an einem Ende über gemeinsame Umlenkkammern (10) verbunden, die im ersten Lagerschild (2) in je einem der dortigen Eckbereiche (I',II',III',IV') angeordnet sind; c) für die Strömung (9) des Kühlmittels sind Ein- und Auslaßeinrichtungen (7,8;13,14) vorgesehen, mit denen die Kanäle (4) verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass d) das zweite Lagerschild (3) ebenfalls vier Eckbereiche (I'',II'',III'',IV'') spiegelsymmetrisch zu denen (I,II,III,IV) des Ständerblechpakets (2) aufweist; e) im zweiten Lagerschild (3) Umlenkkammern (10) ausgebildet sind, die sich zwischen den Eckbereichen (I'',II'',III'',IV'') erstrecken; f) und in jedem der Eckbereiche (I,II,III,IV) des Ständerblechpakets (1) die dortigen Kühlkanäle (4) in eine erste Teilanzahl (S) und eine eine zweite Teilanzahl (W) mit voneinander verschiedener Strömungsrichtung aufgeteilt sind.
2. Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagerschild (2) vier Umlenkkammern (10) und der zweite Lagerschild (3) drei Umlenkkammern (10) aufweist
3. Ständer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Lagerschild (3) sich die Umlenkkammern (10) in benachbarter Eckbereiche (I'',II'',III'',IV'') erstrecken.
4. Ständer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Auslaßeinrichtungen (7,8;13,14) im zweiten Lagerschild (3) angeordnet sind und jeweils aus Stutzen (14,8) und Ein- beziehungsweise Auslaßkammer (13,7) bestehen.
5. Ständer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Umlenkkammern (10) des zweiten Lagerschilds (3) Kühlkanäle (4) der ersten Teilanzahl (s) eines Ständerblechpaket-Eckbereichs (I) mit Kühlkanälen (4) der zweiten Teilanzahl (w) eines benachbarten Ständerblechpaket-Eckbereichs (IV) verbunden sind.
6. Ständer nach, einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Umlenkkammern (10) des ersten Lagerschilds (3) jeweils Kühlkanäle (4) der ersten Teilanzahl (s) und der zweiten Teilanzahl (w) eines gemeinsamen Ständerblechpaket-Eckbereichs (I,II,III,IV) verbunden sind.
7. Ständer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanälen (4) Kühlrohre (5) angeordnet sind.