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Die Erfindung bezieht sich auf eine
elektrische Maschine mit einem Ständer mit Kühlkanälen, und einem Läufer (
DE 199 17 420 A1 ).
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Elektrische Maschinen weisen zur
Kühlung des
Ständers
Kühlkanäle auf.
Mit Hilfe eines Kühlmediums
wird Wärme über Kühlkanäle abgeführt.
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Aus der
US 5,747,900 ist eine elektrische Maschine
mit einem Läufer
und einem Ständer
mit Kühlkanälen bekannt,
wobei der Ständer
ein Ständerblechpaket
mit Ständerblechen
aufweist. Die Kühlkanäle sind
innerhalb des Ständers
angeordnet und dienen der Ableitung von im Betrieb der elektrischen
Maschine entstandenen Wärmeverluste.
Die Außenmaße des zur
Rotationsachse der elektrischen Maschine rechtwinkligen Querschnitts
des Ständers, bzw.
des Ständerbleches
wird durch vier Seitenbereiche des Ständers gegeben. Die Kühlkanäle sind durch
Stege voneinander getrennt. Die Anordnung der Kühlkanäle innerhalb des Ständers ergibt
insbesondere in den Seitenbereichen eine schlechte Kühlung und
somit auch einen schlechten Wärmeabtransport.
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Aus der
DE 199 17 420 A1 ist eine
drehende elektrische Maschine bekannt, welche im Ständerblechpaket
Kühlkanäle aufweist.
Zwischen gegenüber
verlaufenden Flächen
zweier Kühlkanäle bildet sich
ein Wärmeleitkanal
aus, dessen Querschnitt nachteilig, jedoch nicht an die abzuführende Wärmemenge
angepasst ist.
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Aus der
DE 297 07 172 U1 ist eine
elektrische Maschine mit Fluidkühlung
bekannt, welche Kühlkanäle aufweist.
Die zwischen den Kühlkanälen verlaufenden
Wärmeleitkanäle sind
derart ausgebildet, dass die Oberfläche der Kühlkanäle vergrößert ist. Auch hier ist jedoch
der Querschnitt der Wärmeleit kanäle nachteilig
nicht an die abzuführende
Wärmemenge
angepasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde
einen Ständer
einer elektrischen Maschine bzw. ein Ständerblech derart auszubilden,
dass die Kühlung des
Ständers
verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Ständer einer elektrischen Maschine weist
ein Ständerblechpaket
auf. Das Ständerblechpaket
weist Ständerbleche
auf. Ständerbleche
weisen Kühlkanäle auf,
welche sich durch die Aneinanderreihung von Ständerblechen innerhalb eines Ständerblechpaketes
verlängern.
Neben Kühlkanälen weist
das Ständerblech
auch Wärmeleitkanäle auf. Über Wärmeleitkanäle ist Wärme, bzw.
Wärmeenergie
von einem Bereich hoher Temperatur zu einem Bereich niedrigerer
Temperatur leitbar. Bereiche des Ständers mit großen und
oder mit vielen Kühlkanälen sind
gut gekühlt
und weisen niedrige Temperaturen auf im Vergleich zu Bereichen mit
keinen, wenigen und/oder kleinen Kühlkanälen. Wärmeleitkanäle leiten Wärmeenergie von schlecht gekühlten Bereichen
des Ständers
mit hohen Temperaturen zu besser gekühlten Bereichen des Ständers mit
dadurch entstehenden niedrigeren Temperaturen.
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Von Seitenbereichen des Ständers ist
Wärmeenergie über Wärmeleitkanäle zu Eckbereichen eines
eckig ausgeführten
Ständerbleches
leitbar. Eckbereiche sind Beispiele für Bereiche des Ständerbleches,
welche gut gekühlt
sind was beispielsweise auf eine große Anzahl von Kühlkanälen und/oder
auf große
Kühlkanäle zurückführbar ist.
Hieraus ergibt sich eine Vorzugsrichtung der Wärmeleitkanäle innerhalb des Ständers entlang
der Außenseite
des Ständers.
Vorteilhafter Weise liegen die Wärmeleitkanäle in einem
oder mehreren Seitenbereichen des Ständers. Der Wärmeleitkanal
ist ein Bereich zwischen zwei Kühlkanälen. Der
Wärmeleitkanal
ist also wie der Kühlka nal,
welcher durch den Bereich des Ständerbleches
umgeben ist auch von einem Bereich gleichen Typs, das heißt hier
dem Typ Kühlkanal
umgeben. Das umgeben sein ergibt sich beispielsweise auch daraus,
dass ein Wärmeleitkanal
in einen Kühlkanal
eindringt, wobei der Kühlkanal
durch den Wärmeleitkanal
in Kanalabschnitte aufgeteilt ist. Die vormals schlecht gekühlten Bereiche
des Ständerbleches
sind durch die Wärmeleitkanäle nun besser
gekühlt,
da Wärmeenergie
zu Bereichen geringere Temperatur abgeleitet wird. Da sich der Ständer durch
Ständerbleche
aufbaut, ist die Form und Gestalt der Wärmeleitkanäle bzw. der Kühlkanäle innerhalb
des Ständers
durch die Ständerbleche
ableitbar bzw. vorgegeben. Gerade im Seitenbereich des Ständers ist
im Vergleich zum Eckbereich des Ständers eine verschlechterte
Kühlwirkung
vorhanden, da insbesondere im Eckbereich große Kühlkanäle ausführbar sind. Über Wärmeleitkanäle ist Wärme vom Seitenbereich
in Richtung des Eckbereiches eines Ständers leitbar. Aus dieser Richtung
der Wärmeleitung
ergibt sich die Vorzugsrichtung des bzw. der Wärmeleitkanäle. Die Mitte eines Wärmeleitkanals, welche
durch eine Mittellinie gennzeichenbar ist verläuft beispielsweise vorzugsweise
parallel zur Außenseite
des Ständers.
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Der Wärmeleitkanal der elektrischen
Maschine weist eine Verjüngung
auf.
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Abhängig von der abzutransportierenden Wärmemenge
ist ein Wärmeleitkanal
verschieden breit bzw. dick ausführbar.
Die Länge
des Wärmeleitkanals
ist durch die Länge
des Ständerblechpaketes in
Achsrichtung der elektrischen Maschine gegeben. Bei abnehmender
abzuführender
Wärmekapazität ist die
Breite bzw. Dicke des Wärmeleitkanals
reduziert. Diese Abnahme erfolgt insbesondere in Richtung der Außenseiten
des Ständers,
da die Wärme
d.h. die Wärmeenergie,
welche durch Ständerwicklungen bzw.
auch Läuferwicklungen
erzeugt ist, von innen nach außen
abgeführt
wird. Die Abnahme der abzuführenden
Wärmekapazität ergibt
sich aus der während
des Transportes der Wärmeenergie
erfolgenden Abgabe von Wärmeenergie
an die angrenzenden Kühlkanäle.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der elektrischen Maschine verläuft
zumindest eine Außenflucht
des Wärmeleitkanals
außerhalb
der Läuferbohrung.
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Ein Wärmeleitkanal weist entlang
von Kühlkanälen beidseitig
Grenzflächen
auf. Aus diesen Grenzflächen
ergeben sich Außenfluchten,
welche über
das Ständerblech
hinweg verlängerbar
sind. Zumindest eine Außenflucht
des Wärmeleitkanals
verläuft
außerhalb
des durch den Läufer
eingenommenen Raumes. Der durch den Läufer einzunehmende Raum ist
als Läuferbohrung
bezeichnet, da die Ständerbleche
für den
Läufer
eine kreisförmige
Aussparung aufweisen. Der Verlauf der Außenflucht zeigt den seitenparallelen
Charakter des Verlaufs des Wärmeleitkanals.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der elektrischen Maschine vergrößert der
Wärmeleitkanal
die Oberfläche
angrenzender Kühlkanäle.
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Vergrößert der Wärmeleitkanal die Oberfläche angrenzender
Kühlkanäle so ist
mehr Wärmeenergie
an das Kühlmedium
innerhalb des Kühlkanales abgebbar.
Kühlmedien
sind beispielsweise Luft oder auch Flüssigkeiten. Die entstandenen
oberflächenvergrößernde Strukturen
des Kühlkanals
verbessern die Kühlung.
Weiterhin ist eine stärkere
Verjüngung des
Wärmeleitkanals
ausführbar.
Durch die Verjüngung
ergibt sich vorteilhafter Weise mehr Fläche, bzw. Raum für Kühlkanäle. Eine
verbesserte Kühlung der
elektrischen Maschine schöpft
deren Leistungspotential besser aus.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der elektrischen Maschine ist die elektrische Maschine als eine
luftgekühlte
Wechselstrommaschine ausgeführt.
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Insbesondere bei Wechselstrommaschinen ist
der Ständer
aus paketierten Ständerblechen
aufbaubar, welche Kühlkanäle aufweisen.
Eine preisgünstige
und effektive Kühlung
des Ständers
erfolgt vorteilhafterweise durch eine Luftkühlung. Bei einer Luftkühlung ist
es vorteilhaft, große
Oberflächen
zwischen dem Kühlmedium,
d.h. Luft und dem Medium von welchem die Wärme abzuleiten ist, auszubilden. Um
den Widerstand zu verringern, welche zu Beschickung der Kühlkanäle mit Luft
zu überwinden
ist, sind diese in ihrem Querschnitt möglichst groß auszulegen. Bei kleinen Widerständen sind
bei fremd- oder eigenbelüfteten
Wechselstrommaschinen kleinere Lüfter
einsetz bar. Dies vermindert die für Lüftung benötigte Leistung. Durch kleinere
Lüfter
ist der durch den Lüfter
hervorgerufener Lärm
reduzierbar. Da im Vergleich zur Wasserkühlung die Luftkühlung schlechtere
Kühleigenschaften
aufweist, ist gerade bei er Luftkühlung der Einsatz von Wärmeleitkanälen zur
Verbesserung der Kühlung
von großem
Vorteil.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden in den folgenden Figuren gezeigt und im Folgenden näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 einen
Ständerblechausschnitt
mit zwei Eckkühlkanälen
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2 einen
Ständerblechausschnitt
mit eckparallelem Kühlkanal,
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3 einen
Ständerblechausschnitt
mit einem Wärmeleits
tabkanal und
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4 eine
elektrische Maschine mit Ständer und
Läufer.
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt einen Ausschnitt
eines. Ständerbleches 1 mit
einer Ständerbohrung 22 für den Läufer 32.
Ein quadratisch ausgeführtes
Ständerblech
ist in vier gleichgroße Segmente
mit jeweils einen Eckbereich 3 aufteilbar. Eines dieser
Segmente ist in 1 dargestellt.
Das Ständerblech 1 weist
Standernuten 9, Seitenbereiche 2 und je Segment
einen Eckbereich 3 auf. Zwischen den Seitenbereichen 2 bzw.
den Eckbereichen 3 und den Ständernuten 9 befinden
sich Kühlkanäle 6,7.
Die Kühlkanäle 6,7 sind
in Seitenkühlkanäle 6 und
Eckkühlkanäle 7 aufteilbar.
Die Kühlkanäle 6,7 weisen
vorteilhafter Weise eine vergrößerte Oberfläche 8 auf.
Oberflächenvergrößernde Strukturen
vergrößern die
Oberfläche
und verbessern die Kühlung. Über größere Oberflächen ist
mehr Wärmeenergie beispielsweise
an Kühlluft
abführbar.
Oberflä chenvergrößernde Strukturen
können
verschiedene Formen aufweisen.
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Die Seitenkühlkanäle 6 befinden sich
im Seitenbereich 2 des Ständerbleches 1. Sie
sind jeweils durch einen Stabilisatorsteg 13 voneinander
getrennt. Dieser Stabilisatorsteg 13 gibt dem Ständerblech
Festigkeit und trennt die Eckkühlkanäle voneinander.
Stabilisatorsteqe sind notwendig um den Ständer, welcher aus einer Aneinanderreihung
von Ständerblechen
besteht, so aufzubauen, dass auf ihn wirkende Kräfte diesen nicht dauerhaft
verformen. In einem Bereich, in dem sich der Seitenbereich 2 und der
Eckbereich 3 überschneiden,
liegen ein Seitenkühlkanal 6 und
ein Eckkanal 7 gegenüber.
Zwischen diesen beiden Kanälen
ist ein Wärmeleitkanal 4 ausgebildet.
Der Wärmeleitkanal 4 ist
durch eine Mittellinie 5 und durch seine Außenfluchten 20 entlang
der Kühlkanäle 6,7 gekennzeichnet.
Der Wärmeleitkanal 4 leitet
die Wärme,
d.h. die Wärmeenergie
vom Seitenbereich 2 in den Eckbereich 3. Der Wärmestrom folgt
der Temperaturdifferenz von Bereichen hoher Temperatur zu Bereichen
niedriger Temperatur. Wärme
wird beispielsweise durch die in den Ständernuten 9 verlegbaren
Wicklungen, welche nicht dargestellt sind während des Betriebes der elektrischen Maschine
erzeugt. Insbesondere in den Bereichen der Seitenbereichen 2 in
denen sich die gedachten vier Segmente des Ständerbleches 1 gegenüber stehen
sind vergleichsweise kleine Kühlkanäle ausgeführt. Dort
ergibt sich folglich eine höhere
Temperatur als in den Eckbereichen 3. Im Eckbereich 3 ist
insbesondere durch die flächig
groß ausgeführten Eckkühlkanäle 7 eine
höhere
Kühlleistung
erzielbar. Der Wärmeleitkanal 4 weist
eine seitenparallele Ausrichtung zum Seitenbereich 2 auf,
wie auch der Verlauf der Mittellinie 5 zur Außenseite 28 im
Seitenbereich 2 des Ständerblechs 1 zeigt.
Der Wärmeleitkanal 4 weist
zum Eckbereich 3 eine Verjüngung 24 auf. Eine Verjüngung 24 lässt sich
durch eine Reduzierung des Abstandes der Kühlkanäle 6,7 erreichen,
welche den Wärmeleitkanal 4 begrenzen.
Zum Eckbereich 3 hin gibt der Wärmeleitkanal 4 immer
mehr Wärmeenergie
and die angrenzenden Kühlkanäle 6,7 ab,
so dass die Wärmetransportkapazität des Wärmeleitkanals 2,
welche durch den Querschnitt kennzeichenbar ist reduziert ist.
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Wird in den folgenden Figuren, wie
im 1, zumindest ein
Ausschnitt eines Ständerbleches 1 gezeigt,
so weisen Elemente gleicher Funktionalität gleiche Bezugszeichen auf.
Gleiche oder ähnliche Funktionalitäten werden
bevorzugt nur bezugnehmend auf eine der angegebenen Figuren beschrieben.
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Die Darstellung gemäß 2 zeigt wie 1 einen Ausschnitt eines Ständerbleches 1.
Im Vergleich zur 1 sind
die Eckkühlkanäle 7 unterteilter.
Zwischen den Eckkühlkanälen 7 befinden
sich Radialkanäle 10.
Diese Radialkanäle 10 erhöhen die Stabilität des Ständerbleches 1 bzw.
des gesamten Ständers.
Weiterhin transportieren die Radialkanäle 10 welche auch
durch ihre Mittellinien 5 gekennzeichnet sind und radial
zur Rotationsachse 30 eines Läufers 32, siehe dazu 4, verlaufen, Wärme vom
Inneren des Ständers
zum Außenbereich
des Ständers.
Dabei wird Wärme
an die Eckkühlkanäle 7,
welche ebenso radial ausgerichtet sind, abgegeben. Im Eckbereich 3 befindet
sich ein zu der entsprechenden Eckaußenfläche 36 eckparalleler
Kühlkanal 26. Dieser
eckparallele Kühlkanal 26 steht
lotartig auf den radialartig verlaufenden Mittellinien 5 dieses Eckbereiches 3.
Zwischen den radial ausgerichteten Eckkühlkanälen 7 und dem eckparallelen
Kühlkanal 26 befindet
sich ein Wärmeleitkanal 4,
welcher zusätzlich
die durch die Radialkanäle 10 hereingeleitete Wärme verteilt
und an die Außenfläche des
Ständerbleches
bzw. an die Flächen
der Kühlkanäle 6, 7, 26 verteilt.
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Der Wärmeleitkanal 4 führt insbesondere Wärme vom
Zentrum des Seitenbereiches 2 des Ständers bzw. des Ständerbleches 1 in
den Eckbereich 3 des Ständerbleches 1.
Da durch die größere Kühlkanalfläche im Eckbereich 3 die
Kühlung
im Vergleich zum Seitenbereich 2 verbessert ist, führt der Wärmetransport
vom Seitenbereich 2 durch den Wärmeheitkanal 4 zu
einem besseren Wärmeabtransport.
Durch die Kühlkanäle 6, 7, 26 sind
gasförmige
Medien wie Luft aber auch flüssige
Medien wie Wasser als Kühlmedien
führbar.
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Die Darstellung gemäß 3 zeigt insbesondere den
Seitenbereich 2 eines Ständerbleches 1. Durch
einen Stabilisatorsteg 13 wird der Seitenbereich 2 in
zwei Hälften
aufgeteilt, welche jeweils einen Seitenkanal 6 aufweisen.
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Zwischen dem Seitenkanal 6 und
dem angrenzendem Eckkanal 7 ist ein Wärmeleitkanal 4 ausgebildet.
Der Wärmeleitkanal 4 ist
durch seine Mittellinie 5 bzw. durch die Außenfluchten 20 gekennzeichnet.
Dieser Wärmeleitkanal 4 führt die
Wärme auch
zu einem Wärmeleitstabkanal 16,
welche in den Seitenkühlkanal 6 hineinragt.
In der 3 ist der Wärmeleitstabkanal 16 in
der linken und rechten Hälfte
jeweils in einer anderen Form ausgeführt. Durch den Wärmeleitstabkanal 16 wird
insbesondere die Oberfläche,
mit deren Hilfe Wärmeenergie
abgeführt
wird, vergrößert. Der
Wärmeleitstabkanal 16 weist
eine seitenparallele Ausrichtung auf und teilt den Seitenkühlkanal 6 funktionell
in 2 Kühlkanäle auf.
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Die Darstellung gemäß 4 zeigt perspektivisch einen
Ständer 34 mit
einem Läufer 32.
Der Läufer 32 weist
eine Welle 38 und Läufernuten 40 auf.
Die Achse des Läufers 32 ist
die Rotationsachse 30.