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Die Erfindung betrifft ein System zur Entwärmung einer Wicklung, insbesondere einer rotierenden elektrischen Maschine, aufweisend einen stirnseitig an ein Blechpaket anliegendes Wärmeleitelement, welches in thermischen Kontakt zu einem Wickelkopf steht. Ferner betrifft die Erfindung einen Stator, einen Rotor sowie eine elektrisch rotierende Maschine jeweils mit einem derartigen System.
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Eine elektrisch rotierende Maschine ist beispielsweise ein Elektromotor oder ein Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms. Elektromotoren und Generatoren werden häufig in Bereichen eingesetzt, in welchen ein hohes und stabiles Leistungsvermögen bei gleichzeitig geringen Ausmaßen und Gewicht wichtig sind. Solche Einsatzbereiche sind beispielsweise Windkraftanlagen, Elektromobile oder in der industriellen Fertigung. Diese eint der Anspruch nach einer hohen und stabilen Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig hoher Lebensdauer und einer geringen Ausfallrate. Um dies zu erreichen, ist eine ausreichende Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere deren Wickelköpfe, von entscheidender Bedeutung. Oftmals ist die Kühlung durch einen Luftstrom an den Wickelköpfen nicht ausreichend, um eine hinreichende Entwärmung zu gewährleisten.
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Daher werden Wärmebrücken eingesetzt, welche die Wärme von den Wickelköpfen an das umgebende Gehäuse ableiten. Die Kühlung des Gehäuses, beispielsweise von Außen, gestaltet sich in der Regel einfacher als die direkte Kühlung der Wicklungen selbst.
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Ein System zur Kühlung der Wickelköpfe wird beispielsweise in Elektromotoren im Dauerbetrieb benötigt. Ein Wärmestau innerhalb einzelner Maschinenelemente kann zu einer Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit, einhergehend mit einer erhöhten Störanfälligkeit – bis hin zu einem erhöhten Wartungsbedarf oder gar zum Ausfall der elektrischen Maschine führen.
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Teile einer elektrischen Maschine mit hoher Wärmeentwicklung sind die Wickelköpfe. Diese befinden sich nach der Herstellung zunächst frei in der Luft liegend. Da Luft einen niedrigen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, ist in vielen Fällen die Kühlung der Wickelköpfe unzureichend und muss durch weitere Maßnahmen unterstützt werden.
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Aus
DE 199 028 37 C1 ist bekannt, die Wickelköpfe mit einer Wärmebrücke, bestehend aus einem Feststoffring und einem wärmeleitenden Trägerkörper zu versehen. Diese massiv ausgeführte Wärmebrücke füllt den Zwischenraum zwischen den Wickelköpfen und dem Tragekörper des Stators vollständig aus und ist mit dem Träger des Stators verbunden. Diese Wärmebrücke besteht aus einem Feststoffring und einer speziellen Füllstoffmischung. Diese Füllstoffmischung fasst den Wickelkopf des Stators vollständig ein und dient somit für die Wärmeübertragung vom Wickelkopf zum Feststoffring.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wickelköpfe der Wicklungen besser zu entwärmen.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Wärmebrücke aus einem Verguss mit einem schlecht wärmeleitenden Material die Wärme oftmals nur ungenügend ableitet. Zudem ist bei Verwendung eines Gießharzes als Teil der Wärmebrücke der anschließende Zugang zum Wickelkopf erheblich erschwert. Die Lösung ist ein System zur Entwärmung von Wicklungen und dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Kontakt zwischen einem Wickelkopf und einem Wärmeleitelement aus einer Pressverbindung zwischen dem Wickelkopf und dem Wärmeleitelement gebildet wird, so dass der Wickelkopf, zumindest abschnittweise, in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitelement steht. Durch diese Anpressung des Wickelkopfes ist eine gute Wärmeleitfähigkeit gewährleistet, da der Wickelkopf nicht ausschließlich von einer Luftschicht oder einer Vergussmasse umgeben ist, welche den Wärmetransport zu einem Wärmeleitelement hindert.
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Die Aufgabe wird zudem durch einen Stator in einer elektrisch rotierenden Maschine mit einem derartigen System zur Entwärmung gelöst. Hierbei kann die Wärme der Statorwicklung über die Wickelköpfe, weiter durch das Wärmeleitelement, beispielsweise an ein von außen gekühltes Gehäuse abgegeben werden. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist die Vermeidung einer Überhitzung der Wickelköpfe in einer elektrisch rotierenden Maschine. Somit werden Ausfälle vermieden und die Lebensdauer der elektrisch rotierenden Maschine entscheidend verlängert.
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Die Aufgabe wird zudem durch einen Rotor in einer elektrisch rotierenden Maschine gelöst. Analog der Beschreibung im letzten Absatz kann hier die überschüssige Wärme beispielsweise durch die Drehachse aufgenommen werden und an die Umwelt abgegeben werden.
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Diese Aufgabe wird weiter durch eine elektrisch rotierende Maschine gelöst, die einen Stator und/oder einen Rotor mit einem derartigen System zur Entwärmung aufweist.
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Eine, mit einem Rotor und/oder Stator ausgestattete elektrisch rotierende Maschine besitzt, unter anderem, folgende Vorteile: Durch die gute Entwärmung der Wickelköpfe wird eine Überhitzung dieser nachhaltig verhindert, was, insbesondere bei Dauerbelastung, zu einer längeren Lebensdauer und einer niedrigeren Störanfälligkeit führt. Zudem ist bei einer eventuell auftretenden Wartung der elektrisch rotierenden Maschine ein freier Zugang zu den Wickelköpfen gegeben. Bei einem Verguss der Wickelköpfe wäre dies nicht der Fall. Dies ist insbesondere bei schwer zugänglichen elektrisch rotierenden Maschinen, wie bei einem Generator in einer Windkraftanlage, von hoher Bedeutung.
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Beispiel einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist ein System zur Entwärmung einer Wicklung, wobei das Wärmeleitelement ein Ring, vorzugsweise aus Metall, ist. Dieser Ring besitzt durch die Verwendung eines solchen Metals eine gute Wärmeleitfähigkeit. Hier kommen Metalle, beispielsweise eine Kupfer- oder Aluminiumlegierung in Betracht. Als Wärmeleitelement einen Metallring zu verwenden ist aufgrund der einfachen und kostengünstigen Herstellung vorteilhaft. Das Wärmeleitelement ist aber in seiner äußeren Form nicht auf einen Ring beschränkt sondern kann sich an der Form des Blechpaketes anlehnen. So wäre beispielsweise auch eine eckige Form mit einer kreisförmigen Innenaussparung denkbar.
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Beispiel einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein System zur Entwärmung einer Wicklung, wobei das Wärmeleitelement oder der Wickelkopf mit einer dünnen, gut wärmeleitenden elektrischen Isolierschicht versehen ist. Eine zusätzliche elektrische Isolierung der Wickelköpfe kann erreicht werden, indem ein Teil des Wärmeleitelements mit einer, gegen elektrische Ladungen durchschlagfeste, Schicht versehen ist. Die elektrische Isolierschicht kann durch eine dünne Folie realisiert sein, welche mindestens den Bereich des Wärmeleitelementes abdeckt, der in unmittelbarem Kontakt zum Wickelkopf steht.
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Ein zusätzlicher Vorteil dieser elektrischen Isolierschicht besteht darin, dass gegebenenfalls vorhandene Unebenheiten der an der Oberfläche des Wärmeleitelementes überdeckt werden und daher die Gefahr einer unzureichenden Isolierung einzelner Drähte nach dem Pressvorgang vermindert ist. Durch die Wahl einer, für diese Aufgabe spezialisierte Kunststofffolie mit einer Dicke im Submillimeterbereich ist die thermische Leitfähigkeit nur geringfügig gehemmt.
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Beispiel einer weiteren Ausgestaltungsform ist ein System zur Entwärmung einer Wicklung, wobei das Wärmeleitelement am Blechpaket mit mindestens einer Klammer befestigt ist. Diese Klammer kann dabei auch dazu benutzt werden, den Zusammenhalt des Blechpakets selbst zu stärken. Die Klammer kann, je nach gewählter Ausführung, dazu dienen, ein Wärmeleitelement und/ oder ein weiteres Wärmeleitelement mit dem Blechpaket zu verbinden. Eine vorteilhafte Gestaltung der Aussparung für die Klammer ist so zu gestalten, dass, orthogonal zur Oberflächennormale des Blechpakets sowie des Wärmeleitelements, die Fläche der Ebene, die parallel zu dieser Oberfläche aufgespannt ist, zunimmt und somit ein Überhang besteht. Beispielsweise kann sich die Form an ein, nach innen geöffnetes, Trapez anlehnen.
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Die Klammer ist in diese Aussparung gepresst und bildet dadurch eine kraft- und formschlüssige Verbindung des Wärmeleitelementes (beziehungsweise der Wärmeleitelemente) und des Blechpaketes.
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Diese Befestigung der Wärmeleitelemente an das Blechpaket ist besonders vorteilhaft, da bei einer späteren Weiterverarbeitung dieses Elementes, beispielsweise bei einer späteren Angleichung des Einbaumaßes durch eine spanende Bearbeitung, wie beispielsweise Fräsen oder Überdrehen, keine Gefahr des Bruchs an einer Verbindungsstelle besteht, falls diese durch die Bearbeitung stark belastet wird. Anstelle der Klammer kann auch eine Befestigung durch eine Schraubverbindung oder eine Vernietung gewählt werden. Neben der hohen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit besitzt die Fixierung durch eine metallische Klammer den Vorteil einer zusätzlichen Entwärmung der Wärmeleitelemente über die Klammer selbst, insbesondere wenn diese aus einem Material mit guter Wärmeleitung, wie beispielsweise einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung, gefertigt ist.
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Beispiel einer weiteren Ausgestaltungsform ist ein System zudem ein System zur Entwärmung einer Wicklung, wobei das Wärmeleitelement so geformt ist, dass ein überwiegender Teil der Oberfläche des Wickelkopfes von diesem formschlüssig umfasst ist. Für eine besonders gute Entwärmung des Wickelkopfes kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche des Wärmeleitelements in zusätzlichen Arbeitsschritten, beispielsweise durch Fräsen, formschlüssig an Oberfläche des Wickelkopfes anzupassen. Dabei kann eine, dem Wickelkopf angepasste, Mulde in das Wärmeleitelement gearbeitet werden, in welche der Wickelkopf hineingepresst wird. Der Vorteil einer genauen Anpassung besteht durch eine vergrößerte unmittelbare Kontaktfläche, im Vergleich zu einer zylinderförmigen Innenfläche des Wärmeleitelements. Je nach Form der Mulde kann dieses Wärmeleitelement den Wickelkopf nahezu vollständig umfassen. Auch in diesem Fall kann die Kontaktfläche zwischen Wickelkopf und dem Wärmeleitelement zusätzlich elektrisch isoliert sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform eines Systems zur Entwärmung einer Wicklung weist einen weiteres Wärmeleitelement zur Entwärmung eines weiteren Wickelkopfes auf. Wahlweise kann sowohl einer als auch beide Wickelköpfe mit einen, hier beschriebenen System, entwärmt werden. Im Falle der Entwärmung beider Wickelköpfe einer Windung sind beiden Wickelköpfen jeweils ein Wärmeleitelement zugeordnet, welches in unmittelbarem Kontakt zu diesem Wickelkopf steht. Diese Anordnung bietet den Vorteil einer besseren Entwärmung der Wicklung, da beide Wickelköpfe separat entwärmt werden. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Entwärmung der Wickelköpfe.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform ist ein System zur Entwärmung einer Wicklung, wobei die Befestigung des Wärmeleitelements und/oder des weiteren Wärmeleitelements am Blechpaket mit jeweils mindestens einer Klammer erfolgt. Die Befestigung des Wärmeleitelements oder der Wärmeleitelemente an das Blechpaket kann nach verschiedener Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann jeweils ein Wärmeleitelement mit mindestens einer eigenen Klammer an das Blechpaket gebunden sein und der Zusammenhalt des Blechpakets mit mindestens einer Klammer unterstützt sein. Somit wäre bei einem späteren Austausch eines Wärmeleitelements nicht der Zusammenhalt des Blechpaketes selbst gefährdet. Zudem ist es möglich, jedes Wärmeleitelement einzeln auszutauschen. Demgegenüber kann es vorteilhaft sein, dass das eine sowie das weiter Wärmeleitelement am Blechpaket mittels einer Klammer (oder mehrerer Klammern) zu befestigen, weil eine höhere Festigkeit zu erwarten ist, falls jede Klammer beide (oder alle drei) Elemente fest verbindet.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Systems zur Entwärmung einer Wicklung ist gegeben, falls die Außenflächen des Blechpaketes und des Wärmeleitelementes, sowie gegebenenfalls des weiteren Wärmeleitelementes, beispielsweise durch Überdrehen, ein gemeinsames Einbaumaß aufweisen. Ein gemeinsames Außenmaß der beschriebenen Komponenten besitzt den Vorteil, dass bei einem späteren Einbau in ein (gegebenenfalls gekühltes) Gehäuse eine formschlüssige Einbauweise erreicht werden kann. Somit kann die entstehende Wärme aus dem Wickelkopf, durch die hier beschriebene Wärmebrücke, in effektiv an die Umwelt abgegeben werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform ist gegeben, wenn der Wickelkopf und/oder der weitere Wickelkopf durch eine zusätzliche Befestigung an das jeweilige Wärmeleitelement, insbesondere durch eine Bandagierung und/oder einer Imprägnierung, unterstützt ist. Für eine Bandagierung wird vorzugsweise ein Textilband verwendet. Diese Bandagierung kann auch durch einer Imprägnierung ergänzt werde, so dass die Wickelköpfe eine stabile Form behalten. Somit kann die Kontaktfläche zwischen dem Wärmeleitelement und dem Wickelkopf auch über eine lange Zeit konserviert werden. Eine solche Bandagierung der Wickelköpfe kann diese auch nur teilweise überdecken und somit eine zusätzliche Kühlung der Wickelköpfe – sowie der Wärmeleitelemente – durch den Luftstrom zulassen. Wahlwiese kann die Bandagierung mit einer zusätzlichen Imprägnierung der Wickelköpfe und/oder der Bangagierung kombiniert werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch rotierenden Maschine gemäß vorangehender Beschreibung, wobei der – zumindest abschnittsweise – unmittelbare Kontakt des Wickelkopfes durch einen Pressvorgang desselben an das Wärmeleitelement realisiert und fixiert wird. Ein solches Herstellungsverfahren bietet, aufgrund seiner niedrigen Zahl an Arbeitsschritten und die Verminderung von Wartezeiten, einen Kostenvorteil gegenüber dem Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems zur Entwärmung einer Wicklung,
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2 eine Draufsicht des in 1 gezeigten Systems und
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3 eine weitere Ausführung eines Systems zur Entwärmung einer Wicklung.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems zur Entwärmung einer Wicklung. Das System besteht aus einem Blechpaket 3 in welches eine Wicklung 2 eingefasst ist, sowie ein Wärmeleitelement 5, 5’, welches stirnseitig an das Blechpaket 3 anliegt. Was Wärmeleitelement 5, 5’ ist mit dem Blechpaket 3 unter Zuhilfenahme eine Klammer 11, 11’ befestigt. Hierbei verläuft die Klammer 11, 11’ vom Ende des Wärmeleitelements 5 bis zum gegenüberliegenden Ende des Blechpaketes 3. Im Falle der in 1 dargestellten Form umfasst die Klammer 11’ auch das zweite, gegenüberliegende Wärmeleitelement 5’. Diese Klammer 11, 11’ kann, wie dargestellt, um die äußere Kante des Wärmeleitelements 5, 5’ gebogen sein um eine kraftschlüssige Verbindung von Wärmeleitelement 5, 5’ und Blechpaket 3 zu erreichen. Zwischen dem Wickelkopf 9, 9’ und dem Wärmeleitelement 5, 5’ kann eine dünne elektrische Isolierung 7, 7’ eingefügt werden, wie dies durch die dünne Schicht zwischen dem Wickelkopf 9, 9’ und dem Wärmeleitelement 5, 5’ angedeutet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Wickelkopf 9, 9’, von der Rotationsachse ausgehend, an das Wärmeleitelement 5, 5’ gepresst. Bei der Herstellung des Systems liefert ein Pressmittel 6, welches schematisch dargestellt ist, den notwendigen Anpressdruck, so dass die Wickelköpfe 9, 9’ gegen das jeweilige Wärmeleitelement 5, 5’ gepresst werden. Dieses Pressmittel 6 ist jedoch selbst nicht Teil der elektrischen Maschine 1. Eine mögliche Richtung der Anpresskraft wird mit dem Pfeil F kenntlich gemacht. Die Oberfläche des gesamten Verbundes, bestehend aus dem Blechpaket 3, dem Wärmeleitelement 5, 5’ und der Klammer 11, 11’ ist vor dem Einbau, beispielsweise durch Überdrehen, auf ein gemeinsames Einbaumaß zu bringen.
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2 zeigt eine Draufsicht des in 1 gezeigten Systems. Dabei wird als Wärmeleitelement ein Ring 5 verwendet. Der Wickelkopf 9 ist schon in seiner angepressten Form dargestellt, wobei die Isolierschicht 7 zwischen dem Wickelkopf 9, 9’ und dem Wärmeleitelement 5, 5’ angedeutet ist. Die Aussparung für die Klammer 4 ist gemäß der vorangehenden Beschreibung so gestaltet, dass eine eingepresste Klammer 11, 11’ diese trapezförmige Aussparung 4 ausfüllt und nicht herausfallen kann.
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3 zeigt eine weitere Ausführung eines Systems zur Entwärmung einer Wicklung. In dieser Darstellung wird ein wesentlich größerer Teil des Wickelkopfes 9 von dem, formschlüssig an den Wickelkopf angepassten, Wärmeleitelement 5 umfasst. Hierbei ist die Anpressung des Wickelkopfs 9 an das Wärmeleitelement 5 durch eine Anpressung des Wärmeleitelementes 5 gegen das Blechpaket 3 bei gleichzeitiger Anpressung des Wickelkopfes 9 zum Wärmeleitelement 5 hin, gerichtet. Die Richtung der wirkenden Kräfte wird wiederum durch den Pfeil F gekennzeichnet. Die elektrische Isolation 7 wird auch in diesem Fall zwischen dem Wickelkopf 9 und dem Wärmeleitelement 5 platziert. Analog der Ausführungsbeispiele, welche in 1 und 2 gezeigt sind, wird auch hier eine Befestigung des Wärmeleitelementes 5 durch eine Klammer 11 an das Blechpaket 3 gewählt.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein System zur Entwärmung einer Wicklung 2, 2’, insbesondere in einer elektrisch rotierenden Maschine 1, mit einem stirnseitig an ein Blechpaket 3 anliegenden Wärmeleitelement 5, 5’. Das Wärmeleitelement 5, 5’ steht im thermischen Kontakt zu einem Wickelkopf 9, 9’. Dieser Kontakt ist durch ein Pressmittel 6 zum Anpressen des Wickelkopfes 9, 9’ an das Wärmeleitelement 5, 5’ erzeugt, wobei das Pressmittel 6 nicht Teil der elektrischen Maschine ist. Somit ist der Wickelkopf 5, 5’ zumindest abschnittsweise in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmeleitelement 5, 5’.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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