DE102012204197A1

DE102012204197A1 - Elektrische Maschine mit Phasentrenner

Info

Publication number: DE102012204197A1
Application number: DE102012204197A
Authority: DE
Inventors: Willi Lutz; Norbert Schönbauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-19
Also published as: US20150042188A1; CN104170216A; RU2014141649A; WO2013135768A3; EP2812984A2; WO2013135768A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte dynamoelektrische Maschine (1), insbesondere für Niederspannung < 1000 V, mit einem Stator (2), mit axial verlaufenden zu einer Statorbohrung (9) weisenden Nuten (10), in denen ein mehrphasiges Wicklungssystem angeordnet ist, das an den Stirnseiten des Stator (2) jeweils einen Wickelkopf (7) ausbildet, wobei zwischen den unterschiedlichen Phasen des Wicklungssystems im Wickelkopf (7) ein Phasentrenner (8) vorgesehen ist, wobei der Phasentrenner (8) zweilagig mit dazwischen liegenden Distanzelementen (11) ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte dynamoelektrische Maschine, insbesondere für Niederspannung < 1000 V mit einem Stator, mit axial verlaufenden zu einer Statorbohrung weisenden Nuten, in denen ein mehrphasiges Wicklungssystem angeordnet ist, das an den Stirnseiten des Stators jeweils einen Wickelkopf ausbildet, wobei zwischen den unterschiedlichen Phasen des Wicklungssystems im Wickelkopf ein Phasentrenner vorgesehen ist.
Um die Isolation des Wicklungssystems einer dynamoelektrischen Maschine zu schützen und außerdem die maximale Schmiermitteltemperatur der Lager einzuhalten, werden dynamoelektrische Maschinen gekühlt. Durch diese Kühlung wird die in der elektrischen Maschine entstehende Verlustwärme abgeführt. Je wirkungsvoller sich die Wärmeabfuhr aus der dynamoelektrischen Maschine gestaltet, desto kleiner kann die elektrische Maschine bei gleicher Leistungsabgabe gebaut werden.
Insbesondere bei Niederspannungsmaschinen wird aufgrund der begrenzten Einbauvolumina eine äußerst kompakte Bauweise bevorzugt. Dabei weisen die Wickelköpfe von Niederspannungsmaschinen Runddrahtwicklung auf, die zur Minimierung des Materialeinsatzes und zur Kompaktierung des Bauvolumens sehr eng geschnürt werden. Nach dem Tränken der Wicklung in den Nuten und des Wickelkopfes bildet der Wickelkopf eine massive harzgefüllte Einheit durch die keine Kühlluft treten kann.
In derartigen Wickelköpfen treten daher regelmäßige Wärmequellen auf, die die thermische Ausnutzung der dynamoelektrischen Maschine begrenzen. Da außerdem die Leiter unterschiedlicher elektrischer Phasen im Wickelkopf unmittelbar nebeneinander liegen und die Isolation der einzelnen Leiter nicht ausreicht, um die Isolationsfähigkeit zwischen zwei Phasen zu gewährleisten, müssen an die Grenzen zwischen den Leitern unterschiedlicher Phase zusätzliche Phasentrenner in den Wickelkopf mit eingebaut werden.
Aus der DE 195 44 699 A1 ist eine elektrische Maschine mit indirekt gekühlter Statorwicklung beschrieben, bei der durch den durch Wicklungsstäben gebildeten Wickelkopf Füllstücke vorgesehen sind, die die freien Durchtrittsflächen zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben derart einengen, dass das Kühlgas gezielt an den Breitseiten der Wicklungsstäbe geführt ist.
Nachteilig daran ist, dass durch zusätzliche Füllstücke die Durchtrittsflächen eingeengt und durch Wicklungsstäbe sich auch eher Kühlkanäle ergeben können. Dies ist allerdings bei einem vergossenen Wickelkopf nicht mehr der Fall.
Aus der DE 20 37 829 ist eine Kühleinrichtung für dynamoelektrische Maschinen in Niederspannungsausführung mit in die Wicklung eingelegten Kühlblechen bekannt, wobei die Kühlbleche als Phasentrennschablonen zwischen den einzelnen Wicklungslagen im Wickelkopf eingelegt sind, aus gut wärmeleitendem Material mit elektrisch guter Oberflächenisolation bestehen, aus dem Wickelkopf hinausragen und so ausgebildet sind, dass der aus dem Wickelkopf ausragende Schablonenteil in mehrere Abschnitte aufgeteilt ist, die in eine für die Kühlmittelströmung günstige Richtung abgebogen sind.
Nachteilig dabei ist, dass ein zusätzlicher Wärmeübergang geschaffen ist, so dass die Wärme zunächst über die Trennschablonen auf das Kühlblech und von dort an die ausragenden Schablonenteile weitergeführt werden muss, um erst danach von der Kühlmittelströmung aufgenommen zu werden.
Aus der US 7 859 146 B2 ist eine dynamoelektrische Maschine bekannt, bei der im Wickelkopf Kühlkanäle verlaufen, die jedoch keinen Beitrag zur Phasentrennung liefern.
Ausgehende davon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine luftgekühlte dynamoelektrische Maschine zu schaffen, die bei kompaktem Aufbau und einfacher Herstellung eine optimale thermische Ausnutzung der gesamten dynamoelektrischen Maschine aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass der Phasentrenner zweilagig mit dazwischen liegenden Distanzelementen ausgeführt ist.
Damit werden nun Durchtrittsflächen für Kühlluft im Wickelkopf, insbesondere bei Niederspannungsmaschinen geschaffen, die die Wärmeabfuhr aus den Hot-Spots des Wickelkopfes erheblich verbessert. Die thermische Begrenzung der dynamoelektrischen Maschine ist normalerweise durch den Wickelkopf vorgegeben, dadurch kann aber in der Regel das Aktivteil, also der Stator mit seinem Wicklungssystem nicht voll ausgenutzt werden.
Erfindungsgemäß wird nunmehr die Ausnutzung des Aktivteils gesteigert, so dass bei gleichem Bauvolumen der dynamoelektrischen Maschine eine vergleichsweise erhöhte Leistung der Maschine entnommen werden kann, ohne die Wärmeklasse der dynamoelektrischen Maschine anzuheben.
Die erhöhte Leistung bezieht sich zum einen auf die Antriebsleistung bei einer als Elektromotor ausgebildeten dynamoelektrischen maschine und auf die elektrisch abgegebene Leistung bei einem Generator.
In einer Ausführungsform werden vorteilhafterweise die Distanzelemente zwischen den beiden Lagen des Phasentrenners wellenförmig ausgeführt. Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn diese Wellen derartig ausgerichtet sind, dass die Strömungsrichtung der Kühlluft senkrecht zum Wellenverlauf verläuft. Damit wird dem Kühlluftstrom vergleichsweise wenig Strömungswiderstand entgegengestellt und die pro Volumeneinheit durchtretende Kühlluft im Wicklungskopf kann erhöht werden. Dies steigert die Kühleffizienz im Wickelkopf.
Insbesondere vorteilhaft wird die Erfindung bei Niederspannungsmaschinen < 1000 V eingesetzt, bei der das Wicklungssystem aus Runddrähten besteht und diese anschließend mit einem Harz zusätzlich getränkt werden. Damit werden auch bei kompaktem Aufbau einer derartigen Maschine eine ausreichende Kühlung im Wickelkopfbereich und damit eine optimierte Auslastung des gesamten Aktivteils gegeben.
Die Phasentrenner, die eine Isolierung zwischen benachbarten Phasen der dynamoelektrischen Maschine im Wickelkopfbereich gewährleisten müssen, werden dabei ein-, zwei- oder mehrlagig ausgeführt. Dabei wird die Isolationsdicke der Phasentrenner ggf. der Isolierung der Runddrähte, insbesondere einer Lackisolierung angepasst werden dahingehend, dass bei ausreichender Isolierung der Runddrähte zumindest eine Lage eines Phasentrenners mit reduzierter Dicke ausgeführt werden kann.
Damit wird das gesamte Isolationssystem der dynamoelektrischen Maschine isolationstechnisch, als auch wärmetechnisch optimiert.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die wellenförmigen Distanzelemente in ihren Wandungen zusätzliche Queröffnungen 14 auf, um zusätzliche Turbulenzen im Strömungskanal zu schaffen, die die Kühlleistung weiter steigern.
Vorteilhafterweise werden dabei die beiden Lagen des Phasenbrenners mit den dazwischen liegenden Distanzelementen einstückig aus einem Material hergestellt. Dies reduziert die Herstellungskosten.
In einer dazu alternativen Ausführungsform bestehen die Phasentrenner und die dazwischen liegenden Distanzelemente auch aus unterschiedlichen Materialien. Damit werden die Isolationstechnischen Anforderungen von den Lagen, die kühltechnischen Anforderungen von den Distanzelementen übernommen, die dabei u.a. dem Kühlluftstrom eine besonders geringe Reibung entgegensetzen.
Die Phasentrenner sind aus einem Material, das sowohl die Anforderungen an die elektrische Isolation zwischen den Phasen als auch die der thermischen Leitfähigkeit erfüllt.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den folgenden prinzipiell dargestellten Zeichnungen zu entnehmen; darin zeigen:
1 einen prinzipiellen Längsschnitt einer dynamoelektrischen Maschine.
2 eine perspektivische Darstellung eines Stators.
3 den erfindungsgemäßen Phasentrenner.
1 zeigt eine dynamoelektrische Maschine 1, mit einem Stator 2. Der Stator 2 weist zu der Statorbohrung 9 axial verlaufende Nuten 10 auf, wobei in den Nuten 10 ein Wicklungssystem, insbesondere aus Runddrähten vorgesehen ist, das an den Stirnseiten des Stators 2 Wickelköpfe 7 ausbildet. Die Wickelköpfe 7 begrenzen die Ausnutzung der dynamoelektrischen Maschine 1, da in dem harzgetränkten Wicklungssystem und insbesondere in den Wickelköpfen 7 sich lokale Bereiche mit Übertemperatur – sogenannte Hot-Spots – auftreten, die im Betrieb der elektrischen Maschine 1 die thermische Ausnutzung der Maschine nach oben begrenzen.
Innerhalb der Statorbohrung 9, durch einen Luftspalt vom Stator 2 getrennt, befindet sich ein Rotor 3, der ebenso wie der Stator 2, aus Blechen 12 aufgebaut ist. In dem speziellen Fall handelt es sich bei dem Rotor, um einen Rotor 3 mit einem Kurzschlusskäfig, wobei der Kurzschlussring 20 des Kurzschlusskäfigs lediglich prinzipiell angedeutet ist.
Der Stator 2 befindet sich innerhalb eines Gehäuses 5, wobei sich dieses Gehäuse 5 über Lager 6 an einer Welle 4 abstützt, wobei die Welle 4 mit dem Rotor 3 drehfest verbunden ist.
In dem vorliegenden Fall handelt es sich um eine dynamische elektrische Maschine 1 mit Innenkühlkreislauf, d. h. ein innerhalb des Gehäuses 2 strömender Kühlluftstrom 16 wird durch einen Lüfter 15 oder aber durch Lüfterflügel an dem Kurzschlussring 20 aufrecht erhalten. Eine Rückkühlung dieses Kühlluftstroms innerhalb des Gehäuses 2 wird durch Kühlrippen im Gehäuse 5 bzw. durch eine Flüssigkeitskühlung erreicht, die im Gehäuse 5 als nicht näher dargestellter Kühlmantel angeordnet ist.
Um insbesondere die Hot-Spots des Wickelkopfes 7 nunmehr zu kühlen, wird der Kühlluftstrom im Wesentlichen durch den Wickelkopf 7 geführt, indem der Phasentrenner 8 derart ausgebildet ist, dass sich zwischen zwei Lagen des Phasentrenners 8 Distanzelemente 11 befinden, die vorteilhafterweise so ausgerichtet sind, dass der Kühlluftstrom 16 in einfacher Art und Weise durchstreicht.
Um ein Durchstreichen des Kühlluftstroms 16 durch den Wickelkopf 7 strömungstechnisch zu erzwingen, sind in einer Weiteren Ausführungsform gewisse Bereiche innerhalb des Gehäuses 5 der elektrischen Maschine 1, die einen strömungstechnischen Bypass bilden würden mit Leitvorrichtungen 17 versehen. Damit wird der Kühlluftstrom 16 durch den Wickelkopf 7 gezwungen.
2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Stator 2 mit seinen zur Statorbohrung 9 weisenden Nuten 10. An der Stirnseite des Stators 2 bildet sich ein Wickelkopf 7 aus, wobei durch den Phasentrenner 8 unterschiedliche Phasen der thermodynamischen Maschine 1 voneinander elektrisch getrennt sind, um die notwendige Isolationsfestigkeit der thermodynamischen Maschine 1 zu erhalten. Des Weiteren sind dem Stator 2 die Kühlkanäle 13 zu entnehmen, die zusammen mit nicht näher dargestellten axial verlaufenden Kühlkanälen im Rotor 3 einen Kühlkreislauf 16 innerhalb der elektrischen Maschine 1 aufrecht halten.
Es muss sich bei dieser elektrischen Maschine nicht zwangsläufig um eine dynamoelektrische Maschine 1 mit Innenkühlkreislauf handeln. Der erfindungsgemäße Gedanke die Phasentrenner 8 mit Distanzelementen 11 zu versehen kann auch bei durchzugsbelüfteten dynamoelektrischen Maschinen eingesetzt werden. Durch dementsprechende Leitvorrichtung muss lediglich gewährleistet sein, dass der Kühlluftstrom zumindest zum Teil den Wickelkopf 7 durchdringt.
Vorteilhafterweise sind dabei die Distanzelemente 11, die vorzugsweise wellenförmig ausgeführt derart angeordnet, dass die Wellen senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen, so dass die einzelnen Wellen die Strömung wenig behindern, aber gleichzeitig auch für eine Vergrößerung der wärmeabführenden Oberfläche sorgen.
Die Wellenform der wellenförmig ausgebildeten Distanzelemente 11 ist dabei in Richtung der Kühlluftströmung betrachtet, als sinusförmiger, rechteckförmiger oder trapezförmiger Verlauf ausgebildet.
Um eine Verwirbelung des Kühlluftstroms innerhalb des Wickelkopfes 7 zu schaffen, sind vorzugsweise innerhalb der Wandungen der Distanzelemente 11 Queröffnungen 14 vorgesehen. Verwirbelte Luft – also eine turbulente Luftströmung – kann mehr Wärme aus dem Wickelkopfbereich aufnehmen.
Vorteilhafterweise ist der Phasentrenner 8 einstückig aus einem Material hergestellt. D.h. sowohl die einzelnen Lagen 20, 21 als auch die Distanzelemente 11, die im vorliegenden Fall wellenförmig ausgeführt sind, sind aus einem Material hergestellt und werden somit als einstückig bezeichnet.
In einer anderen Ausführungsform können sowohl die Lagen 20, 21 als auch die Distanzelemente aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Vorteilhafterweise sind dabei die einzelnen Lagen des Phasentrenners 8 als auch die Distanzelemente 11 thermisch gut leitend, um die Wärme aus dem Wickelkopfbereich abzuführen, der durch die getränkten Runddrähte gebildet wird. Dabei sind vor allem die Lagen 20, 21 für die Isolierung der Phasen im Wickelkopf verantwortlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19544699 A1 [0005]
DE 2037829 [0007]
US 7859146 B2 [0009]

Claims

Luftgekühlte dynamoelektrische Maschine (1), insbesondere für Niederspannung < 1000 V, mit einem Stator (2), mit axial verlaufenden zu einer Statorbohrung (9) weisenden Nuten (10), in denen ein mehrphasiges Wicklungssystem angeordnet ist, das an den Stirnseiten des Stator (2) jeweils einen Wickelkopf (7) ausbildet, wobei zwischen den unterschiedlichen Phasen des Wicklungssystems im Wickelkopf (7) ein Phasentrenner (8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasentrenner (8) zweilagig mit dazwischen liegenden Distanzelementen (11) ausgeführt ist.
Luftgekühlte dynamoelektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente (11) wellenförmig ausgeführt sind.
Luftgekühlt dynamoelektrische Maschine(1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente (11) zwischen den Lagen des Phasentrenners (8) so ausgerichtet sind, dass sich im Wickelkopf (7) ein im Wesentlich radial verlaufender Kühlluftstrom (16) einstellt.
Luftgekühlte dynamoelektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungssystem aus Runddrähten (8) aufgebaut ist.
Luftgekühlte dynamoelektrische Maschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Runddrähte (18) mit zumindest einer Lackisolierung (19) versehen sind.
Luftgekühlte dynamoelektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenförmigen Distanzelemente (11) in ihren Wandungen Queröffnungen (14) aufweisen.
Luftgekühlte dynamoelektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Phasentrenner (8) und die dazwischen liegenden Distanzelemente aus einem isolierenden, einstückig aufgebauten Material bestehen.