-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines fluidgekühlten Gehäuses für eine elektrische Maschine und ein entsprechendes fluidgekühltes Gehäuse.
-
Zum Hintergrund der Erfindung ist insbesondere auf die Einsatzgebiete solcher elektrischer Maschinen und insbesondere von Generatorsystemen bei mobilen Stromerzeugern abzustellen, wie sie beispielsweise auf Baumaschinen zum Einsatz kommen. So sind Stand der Technik bei Stromerzeugern und Baumaschinen derzeit noch luftgekühlte Generatorsysteme. Bezüglich ihrer Lärmemissionen sind diese heute jedoch an ihre Grenzen gelangt, was mit Luftkühlsystemen durch Schallminderung und -dämpfung zu erreichen ist. Die gesetzlichen und umwelttechnischen Vorschriften und Grenzwerte, was die zulässigen Emissionen von Dieselmotoren betrifft, werden tendenziell immer strenger. Für Stromerzeuger gilt derzeit eine Schallhöchstgrenze von 98 dB, die Vorgaben tendieren jedoch gegen 90 dB in den kommenden Jahren.
-
Um Dieselmotoren leiser zu machen, wird die Zu-/Abluft durch ein Labyrinth vom Motorraum nach außen geführt. Die Kühlluft für den Generator wird separat von außen zugeführt. Dadurch werden die Räume im Motorraum immer enger.
-
Im innerstädtischen Einsatz sind künftig sogar flüsterleise Stromaggregate vorgeschrieben, die die Grenzwerte einhalten müssen. Bei Einsatz- und Servicefahrzeugen soll während der Besprechung und während des Einsatzes die mobile Stromversorgung ebenfalls durch einen flüsterleisen Stromerzeuger sichergestellt werden. Dabei ist nicht nur ein flüsterleises, sondern auch ein vibrationsarmes Stromaggregat notwendig, das wenig Körperschall auf das Fahrzeugchassis überträgt.
-
Die künftigen Normen sind nach derzeit herrschender Fachmeinung nur einhaltbar, indem Motor und Generator einkapselt werden. Dadurch ist es aber nicht mehr möglich, den Generator separat mit Luft zu kühlen. Deshalb geht der Trend bei Benzin- und Dieselmotoren generell weg von luftgekühlten zu wassergekühlten Motoren.
-
Stand der Generatortechnik ist z. B. eine Generatorenreihe der Fa. Siemens, wie sie grundsätzlich aus der
DE 10 2004 022 557 A1 bekannt ist. Der wassergekühlte Generator besteht aus zwei Gehäusehälften, die in sich zusammengepresst werden und dadurch Wasserkanäle entstehen lassen. Das Verfahren ist für große Stückzahlen mit Druckgussgehäuse geeignet.
-
Offenkundig vorbenutzt ist ferner eine Lichtmaschinenbaureihe der Fa. Robert Bosch GmbH, 70839 Gerlingen-Schillerhöhe, DE, siehe
http://kfztech.de/kfztechnik/elo/generator/generator_mfr.htm
-
Deren Generator besteht auch hier aus einem Druckgussgehäuse mit eingebrachtem Kühlkreislauf. Die Fertigung des Generators ist auf sehr große Stückzahlen abgestellt.
-
Bekannt sind ebenfalls durch offenkundige Vorbenutzung herkömmliche Synchrongeneratoren unterschiedlicher Hersteller, die in der Regel über doppelt verschweißte Alu-Rohre mit innenliegendem Durchflusskanal, welche das Gehäuse bilden, aufgebaut sind. Alternativ dazu sind Konstruktionen, bei denen im Alu-Gussgehäuse Edelstahlrohre mit eingegossen werden.
-
Beide vorstehend beschriebenen Arten haben den sehr großen Nachteil, dass der Innendurchmesser des Gehäuses über eine Länge von bis zu 600 mm aufwändig ausgespindelt und das Gehäuse durch Aufheizen auf ca. 160°C der Innendurchmesser vergrößert werden müssen, damit der kalte Stator mit Hilfe einer sogenannten thermische Presspassung eingefügt werden kann. Dieses Herstellverfahren ist jedoch aufwändig und teuer. Insgesamt sind die vorstehend erläuterten Gehäuse nur für eine sehr große Serienproduktion ausgelegt.
-
Als weitere offenkundige Vorbenutzung einer Fa. Fischer Panda GmbH, D-33104 Paderborn, DE, siehe
http://www.fischerpanda.de/datasheet/deu/Generator-Datenblatt_Panda_12000_PMS-230_AC_-_50_Hz_mit_Kubota_D722_Motor_3.htm
wird seit kurzem eine vollständig gekapselte, flüsterleise Stromaggregate-Serie mit wassergekühltem Generator am Markt angeboten. Diese Panda-Generatoren bestehen aus einem zusammengeschweißten Wassermantel. Das Generatorgehäuse wird mechanisch ausgespindelt, so dass der Stator heiß eingelassen werden muss. Dabei werden ausschließlich Asynchron-Generatoren verwendet, die für bestimmte Anwendungen nicht bzw. schlecht einzusetzen sind.
-
Bei offenkundig vorbenutzten wassergekühlten Generatoren der Fa. Whisper Power Headquarter, Kelvinlaan 82, 9207 JB Drachten, NL wird indirekt wassergekühlt, d. h., vom Prinzip ist es ein luftgekühlter Generator, bei dem die Wärmeabfuhr über einen am Generatorlüfter angebrachten Standardkühler von der heißen Luft des Generators zum Kühler erfolgt. Das Verfahren ist nicht sehr effektiv, der Generator wird dabei sehr heiß, Leistungsdichte sowie Wirkungsgrad sind vergleichsweise niedrig.
-
In Baumaschinen sind derzeit keine wassergekühlten Generatoren verbaut. Um also bei Baggern die große Magnetplatte mit Strom zu versorgen, die im Materialumschlag und auf Schrottplätzen eingesetzt wird, oder bei Straßenfertigern zum Heizen der Bohle, die den Asphalt heiß hält und glättet, wird üblicherweise ein luftgekühltes Generatorsystem als OEM-Lösung eingebaut.
-
Bei Baumaschinen wird derzeit auf die kommenden Bestimmungen des sogenannten TIER4 umgestellt – siehe
http://www.boschrexroth.com/business_units/brm/de/Trends_und_Themen/TIER-4-final/index.jsp –
die Abgasemissions-Bestimmungen werden also weiter verschärft. Die Motoren werden dadurch komplexer, benötigen mehr Steuerungsaufwand und in der Regel auch mehr Platz.
-
Bislang wird ein Luftlabyrinth von der kühlen Außenluft zum Generatoransaugkanal geführt, um so den Generator zu kühlen. Durch die oben genannten Motorveränderungen ist der Platz für das Labyrinth und auch für die gewünschte Generatoreinbausituation nicht mehr möglich.
-
Für diese Anwendung insbesondere auf Baumaschinen ist ein Synchrongenerator notwendig, da der Generator mit der Drehzahl des großen Antriebsmotors 1:1 über sein Übersetzungsverhältnis dreht. Synchrongeneratoren lassen sich hervorragend über einen weiten Drehzahlbereich betreiben und auch konstant regeln. Asynchrongeneratoren sind hier ungeeignet.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ausgehend von geschilderten Problemen des Standes der Technik die Bereitstellung eines Verfahrens zur kostengünstigen Herstellung von wassergekühlten Generatoren nach dem Baukastenprinzip. Insbesondere soll basierend auf außenluftgekühlten Generatorkomponenten ein wassergekühltes Generator-Baukastensystem für kleinere und mittlere Losgrößen bereitgestellt werden. Der entsprechende Generatortyp soll sich dann insbesondere für Baumaschinen und mobile Stromerzeuger eignen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines fluidgekühlten Gehäuses gemäß Anspruch 1 bzw. ein entsprechendes fluidgekühltes Gehäuse gemäß Anspruch 7 gelöst.
-
Verfahrenstechnisch sind dementsprechend folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
- – Bereitstellen eines Standard-Gehäuses für Luftkühlung mit einem Mantel, der an seiner Außenseite mit Kühlrippen zur Oberflächenvergrößerung versehen ist,
- – Entfernen der Kühlrippen in einem ringförmigen Längsbereich des Mantels mit Abstand zu dessen Enden zur Bildung eines glattflächigen Montagebereiches, und
- – Anbringen einer um den Mantel herum greifenden Kühlmanschette im Montagebereich des Mantels, welche Kühlmanschette in Kontakt mit dem glattflächigen Montagebereich steht und mit Zu- und Abflussanschlüssen für ein Kühlfluid versehen ist.
-
In vorrichtungstechnischer Hinsicht ist ein fluidgekühltes Gehäuse für eine elektrische Maschine vorgesehen, das umfasst:
- – ein für eine Lüftkühlung ausgelegtes Standard-Gehäuses mit einem Mantel, der an seiner Außenseite mit Kühlrippen zur Oberflächenvergrößerung versehen ist,
- – einen durch Entfernen der Kühlrippen in einem ringförmigen Längbereich des Mantels mit Abstand zu dessen Enden gebildeten, glattflächigen Montagebereich, und
- – eine um den Mantel herum greifende Kühlmanschette im Montagebereich des Mantels, welche Kühlmanschette in Kontakt mit dem glattflächigen Montagebereich steht und mit Zu- und Abflussanschlüssen für ein Kühlfluid versehen ist.
-
Die Grundidee der Erfindung zielt darauf ab, bestehende Komponenten von luftgekühlten Gehäusen, die sich als solche bewährt haben und für den Einbau praxisoptimierter elektrischer Maschinen, wie insbesondere Synchronmotoren, geeignet sind, zu nutzen, um in einem rationellen, beherrschbaren und günstigen Herstellungsprozess derartige Gehäuse auf eine Wasserkühlung umzustellen. Dies wird durch die Verwendung von Standardgehäusen für die Luftkühlung und die besondere Anpassung durch Entfernen der Kühlrippen und Bilden einer Montagefläche für eine Fluidkühl-Manschette realisiert. Von Vorteil dabei ist weiterhin, dass die stehen bleibenden Kühlrippenabschnitte wie bei luftgekühlten Geräten nach wie vor zur Standard-Anbringung von Lagerfüßen für die Maschine dienen können.
-
Wie durch die vorteilhafte Weiterbildung gemäß Anspruch 2 deutlich wird, wird dabei verfahrenstechnisch auf das besonders kostengünstige und bewerte Kalteinpressen des Statorpaketes der elektrischen Maschine in den Mantel zurückgegriffen. Dies ist möglich, da Standard-Gehäuse für luftgekühlte Generatoren aus Aluminium-Strangpressprofilen bestehen, die für den Einbau des Statorpaketes – anders als Gussgehäuse – nicht mehr eigens und aufwendig ausgespindelt werden müssen. Auch entfällt das energieintensive Heißeinpressen des Statorpaketes in das aus einem Metallwerkstoff bestehende Druckgussgehäuse üblicher wassergekühlter Gehäuse.
-
Das Abdrehen der Kühlrippen auf einer Drehbank ist schließlich auch daher rationell in den Fertigungsprozess, wie er von üblichen luftgekühlten elektrischen Maschinen her bekannt ist, zu integrieren, da bei diesem bekannten Fertigungsprozess die Planflächen für die Lagerschilde ohnehin auf einer Drehmaschine hergestellt werden.
-
Wenngleich für die Kühlmanschette verschiedenste Ausführungsformen, wie beispielsweise ein schraubenlinienförmiges Herumführen einer Kühlleitung um die Montagefläche des Mantels denkbar sind, hat sich aus verfahrens- und produkttechnischen Gründen eine Kühlmanschette aus zwei Halbschalen als bevorzugte Ausführungsform herauskristallisiert. Die Kühlmanschette besteht demnach aus zwei jeweils über 180 ° um den Mantel herumgreifende, hohle Halbschalen, die in Flächenkontakt mit der Montagefläche des Gehäuses stehen. Damit wird ein besonders guter Wärmeübergang zwischen dem Mantel und der Kühlmanschette gewährleistet.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein durch die beiden Halbschalen um den Mantel verlaufender Kühlfluid-Flussweg durch an den benachbarten Peripherenden der Halbschalen angeordnete Kühlfluid-Durchgänge erzeugt wird. Damit wird ein besonders wirksamer und leistungsfähiger Wärmeabtransport vom Mantel über das Kühlfluid erreicht.
-
Zur Erzielung einer besonders hohen Montagefreundlichkeit für die Anbringung der beiden Halbschalen können diese zur Halterung auf dem Mantel durch im Bereich ihrer Peripherenden angeordnete Schraublaschen miteinander verschraubt sein.
-
Schließlich wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung der Wärmeübergang zwischen dem Mantel des Gehäuses und der Kühlmanschette durch ein Wärmeleitmittel, insbesondere eine Wärmeleitpaste, unterstützt.
-
Die Kernpunkte der Erfindung und ihre wichtigsten Vorteile sind nochmals kurz wie folgt zusammenzufassen:
- – auf einem bestehenden Baukastensystem, z.B. IP54 aufbauend
- – Einsatz eines Synchrongenerators problemlos möglich
- – modulares Konzept
- – kostengünstiger, in der Produktion flexibler
- – in Kleinserien (Losgrößen 1–20 Stück) produzierbar
- – einsetzbar in alle Arten von Baumaschinen (Bagger, Straßenfertiger, fahrbare Kompressoren oder sonstige Baumaschinen)
- – für Stromerzeuger auch in Großserien (Losgrößen > 50 Stück) produzierbar
- – Generator kann problemlos in bestehende Anlagen eingebaut werden.
- – Generator übertrifft die Leistungsdaten von luftgekühlten Synchrongeneratoren.
- – Generator ist energieeffizient herstellbar
- – System arbeitet zuverlässig, vibrationsarm und sehr leise.
- – System kommt mit einem weiten Temperaturbereich des Kühlmediums klar.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine in einem Fertigungszwischenschritt,
-
2 und 3 perspektivische Ansichten der elektrischen Maschine in einem weiteren Fertigungszwischenschritt schräg von oben bzw. schräg von unten, sowie
-
4 eine an der Schnittlinie IV-IV nach 2 weggebrochene Perspektivdarstellung der elektrischen Maschine.
-
Wie aus
1 deutlich wird, wird für den gezeigten Generator
1 ein aus Aluminium stranggepresstes Standardgehäuse für luftgekühlte Generatoren, beispielsweise ein IP 54-Gehäuse, herangezogen, von dem in
1 der Mantel
2 mit seinen über den Umfang verteilten, parallel zur Axialrichtung verlaufenden Kühlrippen
3 erkennbar ist. Wie nicht dargestellt ist, verlaufen diese Kühlrippen
3 über die gesamte Länge des Mantels
2, wie dies beispielsweise aus der
DE 20 2007 003 374 U1 bekannt ist.
-
In diesen Mantel 2 wird in einem Fertigungsschritt das Statorpaket 4 (siehe 4) in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines speziellen Werkzeuges in den Mantel 2 aus Aluminium-Strangpressprofil eingepresst.
-
Anschließend wird diese Baugruppe auf einem Spreizdorn auf einer Drehmaschine links und rechts bearbeitet, was die Passsitze für die Lagerschilde 5, 6 des Generators herstellt. Im gleichen Zuge kann dann auf der Drehmaschine in einem ringförmigen Längszone 7 des Mantels 2 mit unterschiedlichen Abständen A1, A2 zu den Mantelenden 8, 9 ein Abdrehen der Kühlrippen 3 auf der Drehbank erfolgen, so dass ein im Wesentlichen glattflächiger Montagebereich 10 hergestellt wird. In den beiden Ringbereichen aufgrund des Abstandes A1, A2 bleiben die Kühlrippen 3 stehen. Im Bereich des größeren Abstandes A2 ist im Übrigen der Anschluss 11 für die elektrischen Leitungen des Generators angeordnet.
-
Wie aus den 2 bis 4 deutlich wird, wird anschließend um den Mantel 2 im Montagebereich 10 eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Kühlmanschette angebracht, die um den Mantel 2 herumgreift. Die Kühlmanschette 12 besteht dabei aus zwei über jeweils einen Winkelbereich von 180 ° verlaufenden, hohlen Halbschalen 13, 14, die beispielsweise aus verschweißten Edelstahlblechen mit einer im Querschnitt halbkreisförmigen Innenfläche 15, polygonzugartig aneinandergesetzten, ebene, rechteckförmigen Außenflächen 16 und halbringförmigen Seitenflächen 17, 18 zusammengesetzt sind. An ihren Peripherenden 19, 20 sind Abschlusswände 21, 22, 23, 24 vorgesehen, so dass insgesamt die beiden Halbschalen 13, 14 eine umlaufende, geschlossene Kammer zur Bereitstellung eines Kühlfluidstromes K für ein Kühlfluid, insbesondere Wasser, bilden. Befestigt werden die beiden Halbschalen 13, 14 durch im Bereich ihrer Peripherenden 19, 20 außen angeordnete Schraublaschen 25, über die die beiden Halbschalen 13, 14 über nicht näher dargestellte Schrauben miteinander verbunden und auf dem Mantel 2 fixiert werden können.
-
Der Kühlfluidstrom K durch die beiden Halbschalen 13, 14 geht aus von einem Wassereinlass 26 (siehe 2 und 4) oben an der einen Halbschale 13, führt durch deren Kammer hindurch nach unten zum entgegengesetzten Peripherende 20, wo in beiden Abschlusswänden 22, 24 jeweils eine miteinander fluchtende, durch eine Dichtung 27 abgedichtete Durchlassöffnung 28, 29 eingebracht ist. So kann das Fluid von der ersten Halbschale 13 in die zweite Halbschale 14 übertreten und von dort nach oben zum Wasserauslaß 30 dieser Halbschale 14 zirkulieren. Damit ist ein wirkungsvoller Wärmeabtransport möglich, der noch durch eine in 4 erkennbare Schicht einer Wärmeleitpaste 31 zwischen der Innenfläche 15 der Halbschalen 13, 14 und der Außenfläche des Montagebereiches 10 des Mantels 2 vollflächig eingebracht ist.
-
In 4 ist schließlich noch der im Statorpaket 4 gelagerte Rotor 32 des Generators mit der Generatorwelle 33 (siehe auch 1 bis 3) dargestellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004022557 A1 [0006]
- DE 202007003374 U1 [0033]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- http://kfztech.de/kfztechnik/elo/generator/generator_mfr.htm [0007]
- http://www.fischerpanda.de/datasheet/deu/Generator-Datenblatt_Panda_12000_PMS-230_AC_-_50_Hz_mit_Kubota_D722_Motor_3.htm [0011]
- http://www.boschrexroth.com/business_units/brm/de/Trends_und_Themen/TIER-4-final/index.jsp [0014]
