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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen
Drehstromgenerator, sowie eine Kühlungsvorrichtung
einer elektrischen Maschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Üblicherweise
bestehen Drehstromgeneratoren aus einem Statorgehäuse, das
ein Ständerwicklungspaket
trägt,
sowie einem Lager, in welchem ein Läufer gelagert ist. Auf einer
ersten Stirnseite (A-Seite) ist ein antriebsseitiges Lagerschild
angeordnet, und auf einer stirnseitig gegenüberliegenden B-Seite befindet
sich üblicherweise
ein schleifringseitiges Lagerschild. Beim Betrieb des Drehstromgenerators
entstehen in der Erregerwicklung so genannte Erregerverluste, und
im Läufereisen
Eisenverluste, die gemeinsam nachteilige Verlustwärmequellen
bilden. Es ist bekannt, Lüfter
einzusetzen, um diese Verlustwärme
möglichst
rasch abzuführen.
Bei derartigen luftgekühlten
Drehstromgeneratoren sind grundsätzlich
zwei Kühlungsansätze bekannt:
Bei
einer ersten Lösung,
insbesondere für
einen Topf-Generator, ist es bekannt, Kühlluft mit Hilfe eines großen außen liegenden
Radiallüfters,
der sich auf der A-Seite befindet, von der B-Seite durch den Generator
anzusaugen. Die angesaugte Luft durchströmt dabei komplett axial die
elektrische Maschine. Dies bedeutet, dass die Luft zuerst die Elektronik (Regler,
Gleichrichter) kühlt.
In einem zweiten Schritt kühlt
die bereits aufgewärmte
Luft die Aktivteile, nämlich
den Ständer
und den Läufer
des Drehstromgenerators. Die Lagerschilde besitzen bei diesem Konzept keine
radialen Luftaustrittsflächen.
Vielmehr durchströmt
die gesamte Kühlluft
die komplette elektrische Maschine.
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Eine
zweite, alternative Lösung
ist insbesondere für
Kompakt-Generatoren
vorgesehen. Ein Kompakt-Generator weist zwei innen liegende Radiallüfter auf.
Durch den Einsatz von Radiallüftern
wird die Luft jeweils auf der A-Seite und der B-Seite des Generators
axial angesaugt und in radialer Richtung aus der elektrischen Maschine
abgeführt.
Die Kühlung
ist dadurch in eine A-seitige und B-seitige Kühlung getrennt. Eine Durchströmung des
Generators von der A-Seite
zur B-Seite ist dabei üblicherweise nicht
vorgesehen. Falls eine axiale Durchströmung des Generators besteht,
ist diese gegenüber
der radialen Durchströmung
des Generators vernachlässigbar
gering. Der A-seitige Lüfter
dient bei dieser Ausführung
zur Kühlung
des A-seitigen Ständerwickelkopfes
und des Läufers.
Der B-seitige Lüfter dient
zur Kühlung
des B-seitigen Ständerwickelkopfes,
des Läufers
und außerdem
der Elektronikbauteile, insbesondere des Reglers und des Gleichrichters. Die
Lagerschilde weisen bei diesem Konzept radiale Luftaustrittsflächen auf.
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Problematisch
bei beiden Lösungen
ist, dass das Kühlkonzept
jeweils nur lokal für
eine günstige Wärmeableitung
sorgt, so dass die Drehstromgeneratoren in ihrer thermischen Belastbarkeit
begrenzt sind. Dies hat nachteilige Auswirkungen auf den gesamten
Wirkungsgrad.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße elektrische
Maschine, insbesondere ein Drehstromgenerator mit einer innerhalb
eines Gehäuses
angeordneten Kühlungsvorrichtung
umfasst eine erste und eine zweite Lüftungsvorrichtung, die so ausgebildet
sind, dass Kühlluft
jeweils axial von außen
angesaugt wird und radial wieder ausströmt, wobei wenigstens ein Teilstrom
einer der Kühlluftströme axial
geführt
ist. Bei einer erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung
einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Drehstromgenerators,
sind zwei Lüftungsvorrichtungen
so ausgebildet, dass Kühlluft
jeweils axial von außen
angesaugt wird und radial wieder ausströmt, wobei wenigstens ein Teilstrom
einer der zwei Kühlluftströme axial
geführt
ist. Vorteilhafterweise wird somit der Rotor axial umströmt. Besonders
vorteilhaft wirkt sich die vorgeschlagene Lösung bei einem als Klauenpolmotor
ausgebildeten Drehstromgenerator aus, wobei der Rotor nicht nur
umströmt,
sondern auch durchströmt
wird.
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Vorteilhafterweise
wird somit ein Kühlkonzept
verbessert, indem die eingangs erwähnten Vorteile eines Kompakt-Generators
und eines Topf-Generators vereint werden und eine gleichmäßige radiale
und auch axiale Durchströmung
der elektrischen Maschine mit Kühlluft
erzielt wird. Günstigerweise sind
dabei die Lüftungsvorrichtungen
innen liegend angeordnet, so dass sie keinen nachteiligen mechanischen
Einflüssen
von außen
unterliegen und im Gehäuse
geschützt
sind. Das Gehäuse
ist dabei wenigstens aus dem antriebsseitigen und dem schleifringseitigen
Lagerschild sowie dem Stator gebildet.
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Die
mit der vorgeschlagenen Lösung
erzielte axiale Durchströmung
von der A-Seite zur B-Seite sorgt günstigerweise für eine Kühlung des
Rotors. Außerdem
werden zweckmäßigerweise
der A-seitige sowie B-seitige Wickelkopf sowie die Elektronikbauteile
gleichmäßig mit
Kühlluft
durchströmt.
Dieses vorgeschlagene zweiflutige Belüftungskonzept führt insgesamt
zu einer vorteilhaften Verbesserung der Wärmeableitung und einer Leistungssteigerung
des Drehstromgenerators.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Lüftungsvorrichtung
als Axiallüfter
ausgebildet, der für
eine im Wesentlichen axial gerichtet Kühlluftabfuhr sorgt, und die
zweite Lüftungsvorrichtung als
Radiallüfter
mit radialer Luftabfuhr. Besonders bevorzugt ist der Axiallüfter antriebsseitig
angeordnet und der Radiallüfter
schleifringseitig. Grundsätzlich ist
aber auch eine umgekehrte Anordnung denkbar.
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Besonders
bevorzugt ist der vom Axiallüfter angesaugte
Kühlluftstrom
getrennt ausgebildet und weist wenigstens zwei Teilluftströme auf.
Ein erster Teil des vom Axiallüfter
angesaugten Kühlluftstroms strömt über eine
Aussparung zwischen dem Antriebslagerschild und dem Stator radial
nach außen. Die
Aussparung wird bevorzugt durch einen korrespondierenden Ständereinpass
des Antriebslagerschildes bereitgestellt. Aufgrund der vorgesehenen Aussparung
erübrigt
es sich günstigerweise,
radiale Luftaustritte im Antriebslagerschild vorzusehen, was zu
einer vorteilhaften Erhöhung
der Steifigkeit des Antriebslagerschildes zur Folge hat. Dadurch
kann vorteilhafterweise dessen Stabilität erhöht werden. Günstigerweise
wird durch den axialen Luftaustritt im Antriebslagerschild die Kühlung des
Ständereisens verbessert.
Außerdem
wird zweckmäßigerweise
der Ständerwickelkopf
auf der A-Seite axial umströmt und
somit abgekühlt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Axiallüfter
den Wickelkopf des Stators in radialer Richtung wenigstens teilweise überdeckt.
Ein besonders günstiges Verhältnis der
radialen Überdeckung
beträgt
wenigstens etwa 0,05, besonders bevorzugt 0,1. Dadurch werden besonders
günstige
Strömungsverhältnisse erzielt.
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Ein
zweiter Teil des vom Axiallüfter
angesaugten Kühlluftstroms
durchströmt
axial das Gehäuse
von der A-Seite zur B-Seite und tritt über eine im schleifringseitigen
Lagerschild angeordnete radiale Luftaustrittsöffnung wieder aus. Der A-seitig
angeordnete Axiallüfter
sorgt somit günstigerweise
für eine
Kühlung
der Aktivteile, nämlich
des Rotors und des Stators. Durch die verbesserte Um- bzw. Durchströmung des
Rotors und damit der Verbesserung der Kühlung kann insgesamt eine vorteilhafte
Leistungssteigerung erzielt werden.
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In
einer günstigen
Ausführungsform
ist die zweite Lüftungsvorrichtung
als Radiallüfter
ausgebildet, der bevorzugt schleifringseitig auf der B-Seite angeordnet
ist. Der vom Radiallüfter
angesaugte Kühlluftstrom
wird über
Elektronikbauteile angesaugt, wobei insbesondere ein Regler und
ein Gleichstromrichter durchströmt
und somit abgekühlt
werden. Dabei wird die Kühlluft
bevorzugt so durch den Regler und den Gleichrichter geführt, dass
eine Kühlung
der Dioden und des Reglerchips erreicht wird. Der durch den Radiallüfter angesaugte
Kühlluftstrom vereint
sich in einem schleifringnahen Bereich mit dem zweiten Teilluftstrom
des vom Axiallüfter
angesaugten Kühlluftstroms.
Beide Kühlluftströme werden durch
den Radiallüfter
in radiale Richtung umgelenkt und strömen durch die radiale Luftaustrittsöffnung im schleifringseitigen
Lagerschild aus.
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Insgesamt
wird mit der vorgeschlagenen Lösung
eine vorteilhafte Funktionstrennung des Kühlkonzepts bereitgestellt,
bei dem die Kühlung
der Aktivteile (Stator und Rotor) und der Elektronikbauteile (Regler
und Gleichrichter) vorwiegend über
separate Kühlluftströme gekühlt werden.
Der A-seitige Axiallüfter
dient dabei zur Kühlung
der Aktivteile, und der B-seitige Radiallüfter dient zur Kühlung der
Elektronik. Dennoch wird eine bevorzugte gleichmäßige Kühlung aller Bauteile erzielt,
wodurch der gesamte Wirkungsgrad des Drehstromgenerators verbessert werden
kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von
einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der
Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 schematisch
einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehstromgenerators;
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2 eine
schematische Darstellung von Kühlluftströmen im Drehstromgenerator
nach 1;
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3 eine
schematische Detailansicht des Drehstromgenerators nach 1;
und
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4 eine
Ansicht eines Antriebslagerschildes des Drehstromgenerators.
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Ausführungsform der Erfindung
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Gleiche
Figuren werden in der Zeichnung gleich bezeichnet.
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Ein
in 1 gezeigter Drehstromgenerator weist einen in
seiner Grundstruktur bekannten Aufbau auf und besteht aus einem
antriebsseitigen (A-seitigen) Lagerschild 13 und einem
schleifringseitigen (B-seitigen) Lagerschild 14 und einem
vorzugsweise in einer geeigneten Einspannung zwischen diesen beiden
Lagerschilden 13, 14 gehaltenen und zentrierten
Stator 10 mit einer Statorwicklung. In 1 ist
der A-seitige und B-seitige Wickelkopf 11, 11' erkennbar.
In einem Lager 25 ist ein Rotor 12 gelagert, der
bevorzugt als Klauenpolläufer
ausgebildet ist. Der Rotor 12 weist eine Welle 26 auf,
die mit einer nicht erkennbaren Erregerwicklung auf einem Kern versehen
ist. Antriebsseitig und schleifringseitig weist der Klauenpolläufer jeweils
einen Klauenpol 27, 27' auf.
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Die
im Betrieb des Drehstromgenerators entstehende Wärme wird über eine Kühlvorrichtung 16 abgeführt, die
aus zwei Lüftungsvorrichtungen 17, 18 gebildet
ist. Die erste Lüftungsvorrichtung 17 ist
als Axiallüfter
ausgebildet, und die zweite Lüftungsvorrichtung 18 als
Radiallüfter.
Der Axiallüfter 17 ist
antriebsseitig angeordnet, und der Radiallüfter 18 schleifringseitig.
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In 2 sind
mit Pfeilen angedeutete Kühlluftströme 21, 22 in
dem Drehstromgenerator 30 gezeigt. Der übrige Aufbau stimmt mit der
Beschreibung zu 1 überein. Die Lüftungsvorrichtungen 17, 18 sind
so ausgebildet, dass Kühlluft
jeweils axial von außen
angesaugt wird und zumindest teilweise radial wieder ausströmt, wobei
ein Teilstrom 20 des Kühlluftstroms 21 axial
am Rotor 12 entlang geführt
ist und diesen umströmt
bzw. durchströmt.
Der vom Axiallüfter 17 angesaugte
Kühlluftstrom 21 ist
somit in Wesentlichen in zwei Teilluftströme 19, 20 getrennt. Der
erste Teilluftstrom 19 strömt über eine Aussparung 23 zwischen
dem Antriebslagerschild 13 und dem Stator 10 radial
nach außen
ab. Der erste Teilluftstrom umströmt vor allem den antriebsseitigen Wickelkopf 11 und
sorgt für
dessen Abkühlung.
Der zweite Teilluftstrom 20 durchströmt den Drehstromgenerator 30 axial
und tritt über
eine im schleifringseitigen Lagerschild 14 angeordnete
radiale Luftaustrittsöffnung 24 aus.
Der zweite Teilluftstrom 20 durchströmt den Rotor 12 axial
von der antriebsseitigen A-Seite bis zur schleifringseitigen B-Seite
und führt somit
zu einer verbesserten Kühlung
und somit zu dessen Leistungssteigerung. Bevor der zweite Teilluftstrom 20 aus
der radialen Austrittsöffnung 24 austritt,
umströmt
er den schleifringseitigen Wickelkopf 11', wobei eine Abkühlung erzielt
wird. Der Kühlluftstrom 21 sorgt
somit im Wesentlichen für
eine Kühlung
der Aktivteile, insbesondere des Stators 10 und des Rotors 12.
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Der
vom schleifringseitigen Radiallüfter 18 angesaugte
Kühlluftstrom 22 wird
durch nicht gezeigte, außerhalb
liegende Elektronikbauteile, insbesondere den Regler und den Gleichrichter,
angesaugt und dient zu deren Kühlung.
Im Inneren vereint sich der Kühlluftstrom 22 in
einem schleifringseitigen Bereich mit dem Teilluftstrom 20.
Der Teilluftstrom 20 und der Kühlluftstrom 22 werden
durch den Radiallüfter 18 umgelenkt
und umströmen
den schleifringseitigen Wickelkopf 11', bevor sie über die radiale Luftaustrittsöffnung 24 austreten.
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In 3 ist
eine Detailansicht des Wickelkopfes 11 des Stators 10 und
des Axiallüfters 17 gezeigt.
Insbesondere ist erkennbar, dass der Axiallüfter 17 den Wickelkopf 11 radial überdeckt.
Die radiale Erstreckung des Axiallüfters, gemessen von einer radialen
Innenkante des Stators 10, ist mit 28 gekennzeichnet,
und die radiale Erstreckung des Wickelkopfes 11, gemessen
von der radialen Innenkante des Stators, mit 29. Ein Verhältnis der
radialen Überdeckung
beträgt
wenigstens etwa 0,1.
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In 4 ist
eine Draufsicht auf ein antriebsseitiges Lagerschild 13 gezeigt.
Die Kühlluft
wird über Lufteintrittsöffnungen 31 angesaugt.
Anders als beim schleifringseitigen Lagerschild 14 sind
bei der bevorzugten Ausführungsform
des dargestellten antriebsseitigen Lagerschild 13 keine
radialen Luftaustrittsöffnungen
vorgesehen, was zu einer günstigen
erhöhten
Steifigkeit des antriebsseitigen Lagerschild 13 führt. Vielmehr
besitzt der Ständereinpass
des antriebsseitigen Lagerschildes 13 Aussparungen 23 (siehe 1 und 2),
damit der Kühlluftstrom
in radialer Richtung ausströmen
kann.