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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere luftgekühlte elektrische Maschine mit einem Stator, der ein in Nuten angeordnetes Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Stators jeweils einen Wickelkopf ausbildet und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Stators.
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Elektrische Maschinen, insbesondere luftgekühlte elektrische Maschinen weisen ein in Nuten eines Stators eingesetztes Wicklungssystem auf, das pro Phase mehrere Spulen mit jeweils einer Anzahl von Windungen aufweist. Durch Bestromung dieses Wicklungssystems und elektromagnetischer Wechselwirkung mit einem Rotor entfaltet sich ein Drehmoment.
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Die Wicklungssysteme in den dynamoelektrischen Maschinen bilden an den Stirnseiten eines Stators Wickelköpfe aus, die im Wesentlichen eine Richtungsumkehr einer oder mehrerer Spulen darstellt, deren Hinleiter aus einer Nut kommt und deren Rückleiter in eine andere Nut eingelegt ist.
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Die Wickelköpfe von Träufelwicklungen sind vor allem bei größeren elektrischen Maschinen äußerst kompakt und damit nahezu undurchlässig für die jeweiligen Kühlmedien, so dass im Inneren der Wickelköpfe mangels ausreichenden Wärmeabtransport eine gegenüber einer mittleren Wicklungstemperatur wesentlich höhere Temperatur herrscht. Diese lokalen Heißpunkte werden auch als sogenannte Hot-spots bezeichnet.
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Diese lokale Temperaturerhöhung im Inneren des Wickelkopfes erhöht zusätzlich auch den ohmschen Widerstand, was zu einer zusätzlichen Übererwärmung der Wicklungsanordnung führt. Temperaturüberwachungseinrichtungen sprechen deshalb bereits bei unzulässigen Werten an, obwohl die mittlere Wicklungserwärmung noch in zulässigen Grenzen liegt.
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Die Folge davon ist, dass die elektrische Maschine eine Leistungsreduzierung erfährt.
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Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, insbesondere eine luftgekühlte elektrische Maschine zu schaffen, deren Temperaturerhöhung im Wickelkopf vermieden und damit eine Leistungserhöhung einer elektrischen Maschine erzielt werden kann.
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Die Lösung der elektrischen Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine, insbesondere einer luftgekühlte elektrischen Maschine mit einem Stator, der ein in Nuten angeordnetes Wicklungssystem aufweist, das an den Stirnseiten des Stators jeweils einen Wickelkopf ausbildet, wobei das Wicklungssystem als Träufelwicklung ausgebildet ist und Mittel zur Kühlung des Wickelkopfes aufweist.
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Die Lösung der elektrischen Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, insbesondere einer luftgekühlte elektrischen Maschine durch folgende Schritte:
- – Stanzpaketieren eines Blechpakets,
- – Einlegung einer Träufelwicklung in Nuten wodurch sich Wickelköpfe an den Stirnseiten des Stators ausbilden,
- – Einsetzen von geeigneten Mitteln zur Kühlung in den Wickelkopf,
- – Komprimieren, Verschnüren und Imprägnieren des Wickelkopfes.
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Durch die zusätzlichen Mittel zur Kühlung, die im Inneren des Wickelkopfes, insbesondere bei einer Träufelwicklung einer elektrischen Maschine eingesetzt sind, werden nunmehr solche Hot-spots vermieden und somit die Temperatur des Wickelkopfes einer mittleren Wicklungstemperatur angepasst, so dass auch die Überwachungsorgane einer dynamoelektrischen Maschine nicht unnötig ansprechen.
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Als Kühlmedien für die elektrische Maschine sind dabei Gas, beispielweise inertes Gas für elektrische Maschine in explosionsgefährdeter Umgebung oder auch Luft geeignet. Ebenso ist als Kühlmedium Öl geeignet wie beispielsweise bei einem Unterölmotor oder einem ölgefüllten Motor. Die Umwälzung innerhalb der elektrischen Maschine geschieht durch Lüfter oder geeignete Pumpen.
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Diese internen, insbesondere geschlossenen primären Kühlkreisläufe einer elektrischen Maschine werden beispielsweise durch folgende sekundären Kühlmedien rückgekühlt. Luft, Wasser, Wasser/Glykol oder Öl, das jeweils in geeigneten Kühlvorrichtungen um die elektrische Maschine, beispielsweise in einem Kühlmantel strömt.
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Dies führt zu einer erheblichen Leistungserhöhung gegenüber den bisherigen Konzepten bei dynamoelektrischen luftgekühlten Maschinen.
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Dabei sind die Mittel auch als Heat-pipes ausgebildet, deren Wärmequelle die Hot-spots der Wickelköpfe sind und die Wärmesenke außerhalb des Wickelkopfes im Bereich einer Kühlstroms vorgesehen ist.
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Vorteilhafterweise werden die Mittel zur Kühlung als Kanäle im Wickelkopf ausgebildet, die diesen durchsetzen und zusammen mit einem im Gehäuse der elektrischen Maschine bewegten Luftstrom zur Kühlung des Wickelkopfes führt.
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Dieser Kühlstrom wird durch geeignete Mittel erzeugt, wie zum Bespiel Fremd- oder Eigenlüfter oder auch Pumpen und durch geeignete Leitvorrichtungen innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine insbesondere auf die zu kühlenden Hot-spots gelenkt.
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Durch diese Integration der Kanäle in das Kühlungskonzept der elektrischen Maschine werden keine unnötigen zusätzlichen Kühlvorrichtungen speziell für den Wickelkopf benötigt, sondern das erfindungsgemäße Wickelkopfkonzept passt sich dem vorhandenen Kühlkonzept der elektrischen Maschine, insbesondere dem einer luftgekühlten elektrischen Maschine an.
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Vorteilhafterweise werden die Kanäle durch geeignete Elemente gebildet, die in ihrem Verlauf derart ausgeführt sind, dass sie durch den Wickelkopf führen. D. h. ein durch diese Elemente verlaufender Kühlmittelstrom durchströmt den Wickelkopf in Randbereichen und/oder zentral. Es liegen auf jeden Fall keine Sacklöcher vor, die keinen Kühlmittelstrom zulassen würden. Vorteilhafterweise sind diese Elemente in ihrem Querschnitt rund, oval oder sternförmig ausgeführt, so dass die vergrößerte Oberfläche einen erhöhten Wärmeübergang gewährleistet.
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Vorteilhafterweise sind die Elemente zwischen elektrisch aktiven Teilen, wie z. B. zwischen Spulen der gleichen oder unterschiedlichen Phase als Teilleiterisolierung oder Hauptisolierung im Bereich des Wickelkopfes vorgesehen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Elemente bzgl. ihres Materials bereits als Phasenisolation ausgebildet. Durch eine flächige Ausgestaltung dieser Elemente, eignen sich diese Elemente als Phasenisolation und zur Ausbildung von Kühlkanälen zwischen benachbarten Spulen unterschiedlicher Phasen in einem Wickelkopf.
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Vorteilhafterweise sind diese Elemente mit einem speziellen Überzug oder einer dünnen Hülle versehen und gehen keine mechanischen Verbindungen mit einem Tränkmittel, beispielsweise Harz oder Lack ein. Somit sind auch Verbindungen mit den umliegenden Isoliermaterialien oder Kupferdrähten auszuschließen. Dies wird insbesondere dadurch gewährleistet, dass z. B. die Überzüge aus Teflon oder einer silikonisierten Folie sind. Dies ist besonders für die Fälle geeignet, in denen die Elemente nach dem Imprägnieren wieder aus dem Wickelkopf entfernt werden.
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Zur Temperaturvergleichmäßigung sind die Elemente in möglichst äquidistanten Abständen im und/oder am Wickelkopf verteilt und sind an der Richtung des in der elektrischen Maschine zirkulierenden Kühlmediums ausgerichtet. Damit ergeben sich Ausrichtungen der Elemente in axialer und/oder radialer Richtung im Wickelkopf – je nach Strömungsrichtung des in der elektrischen Maschine bewegten Kühlmediums.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Elemente als dünnes ggf. flexibles Rohr ausgeführt, das im Wickelkopf verbleibt. Alternativ dazu sind auch Elemente vorstellbar, die sich bei längerem Überschreiten einer bestimmten Temperatur z. B. 150°, die beim Aushärten eingestellt wird, größtenteils auflösen bzw. sich verflüchtigen und somit lediglich einen Kanal ”hinterlassen”. Dies gelingt beispielsweise durch Elemente aus Metall mit extrem niedrigem Schmelzpunkt z. B. Wismut oder Woodsches Metall, die z. B. ab 80° schmelzen und gegebenenfalls anschließend aufgearbeitet und somit wiederverwendet werden können.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung gilt selbstverständlich auch für Wickelköpfe von Schleifringläufermotoren, bei denen die Läuferwicklung als Träufelwicklung ausgebildet ist.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 Längsschnitt einer luftgekühlten elektrischen Maschine,
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2 Ansicht der Stirnseite einer luftgekühlten elektrischen Maschine,
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3, 4, 5 Ausführungsbeispiele,
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6 Wickelkopfgestaltung mit Phasenzwischenlagen,
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7 bis 10 Ausgestaltungsbeispiele von Phasenzwischenlagen.
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1 zeigt in Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau einer luftgekühlten elektrischen Maschine 1, die in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist über Lager 6 auf einer Welle 7 abgestützt. Auf die Welle 7 ist ein Rotorblechpaket 4 drehfest angeordnet, z. B. aufgeschrumpft, das über einen Luftspalt 8 mit einem Stator 3, der mit einem Wicklungssystem 15 versehen ist, elektromagnetisch wechselwirkt und somit eine Drehung der Welle 7 verursacht.
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Die im Folgenden dargestellten Zusammenhänge und Aussagen betreffen ebenso elektrische Maschinen mit den vorab genannten Kühlmedien (Gas oder Flüssigkeit) und Konstruktionsprinzipien (primärer und sekundärer Kühlkreislauf).
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An den Stirnseiten des Stators 3 bildet das Wicklungssystem 15 Wickelköpfe 5 aus. Die Wickelköpfe 5 bilden aufgrund ihrer kompakten Anordnung Bereiche mit lokalen Temperaturüberhöhungen. Durch Kühlbohrungen 17 in Stator 3 und Rotor 4 wird innerhalb des Gehäuses 2 ein kreisender Luftstrom 18 erzeugt, der durch einen Radiallüfter 12 unterstützt wird. Eine Rückkühlung dieses Luftstroms erfolgt beispielsweise über die Wandung des Gehäuses 2 oder über einen separaten sekundären Kühlkreislauf.
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Erfindungsgemäß sind im Wickelkopf 5 Kühlkanäle 9 vorgesehen, die insbesondere bei einem Kühlstromverlauf wie in 1 prinzipielle gezeigt den Wickelkopf 5 zu beiden Seiten des Stators 3 radial durchziehen.
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2 zeigt in Seitenansicht die luftgekühlte elektrische Maschine 1, die auch die Kühlbohrungen 17 im Stator 3 und Rotor 4 zeigt. Dabei ist auch der Wickelkopf 5 gezeigt, wie er in Umfangsrichtung betrachtet, als Torus in Höhe der Stirnseiten des Stators 3 ausgebildet ist, so dass weiterhin die Statorbohrung 19 für den Ein- und Ausbau eines Rotors 4 frei bleibt.
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3 zeigt einen Kühlkanal 9, der im Wickelkopf 5 der elektrischen Maschine 1 angeordnet ist, und eine Ausrichtung aufweist, die einen zur Welle 7 parallelen Luftstrom insbesondere aus den Nuten 14 und/oder den Kühlbohrungen 17 aufnimmt. Vorteilhafterweise tritt somit der Luftstrom axial aus dem Stator 3 aus und in den in axialer Verlängerung angeordneten Kühlkanal 9 ein. Dadurch wird der Wickelkopf nicht nur umströmt sondern auch durchströmt und trägt somit zur Kühlung des Wickelkopfes 5 bei. Vorteilhafterweise verläuft dieser Kühlkanal 9 zwischen einer Oberlage 10 und einer Unterlage 11 des Wickelungssystems 15.
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4 zeigt einen anderen Verlauf des Kühlkanals 9 innerhalb des Wickelkopfes 5, der insbesondere dann von Vorteil ist, wenn eine Kühlluft axial auf den Wickelkopf zuströmt bzw. radial von außen auf den Wickelkopf 5 eingeblasen wird.
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5 zeigt einen Verlauf des Kühlkanals 9 innerhalb des Wickelkopfes 5, der insbesondere dann von Vorteil ist, wenn eine Kühlluft axial auf den Wickelkopf zuströmt bzw. radial von innen beispielsweise durch Radiallüfter auf den Wickelkopf 5 gerichtet wird.
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In einer anderen Ausführungsform sind die Kühlelemente mit entsprechenden Materialien als Phasenzwischenlagen ausgebildet. Sie dienen somit als Phasenisolation zwischen Spulen des Wicklungssystems und bilden gleichzeitig Kühlkanäle 9 aus, die ebenfalls der Kühlung des Wickelkopfes dienen.
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In 6 sind dabei diese Elemente wellenförmig ausgebildet, sie können aber, wie die 7 bis 10 zeigen, beispielsweise quaderförmig, kettenförmig, dreieckförmig ausgebildet sein und als Phasenisolation dienen.
