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Die Erfindung betrifft eine Anschlussvorrichtung zum elektrischen und hydraulischen Anschließen mehrerer elektrischer Hohlleiter einer innengekühlten elektrischen Maschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Bauformen von innengekühlten elektrischen Maschinen mit einer aus Hohlleitern gebildeten Wicklung bekannt. Die Hohlleiter haben einen durchgehenden Kanal, durch den ein Kühlmittel geleitet wird, um die elektrische Maschine im Betrieb zu kühlen.
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Die Wicklung bekannter elektrischer Maschinen besteht üblicherweise aus einem dünnen Hohldraht, der zu Spulen gewickelt ist. Bei anderen Bauformen umfasst die Wicklung starre Hohlleiter in Form von Haarnadeln (Hairpins) oder Stäben (Pins). Die Pins oder Hairpins sind meist aus Kupfer hergestellte, starre Wicklungsstücke, die in Nuten des Stators der elektrischen Maschine eingesetzt sind und im Betrieb der elektrischen Maschine das erforderliche magnetische Feld erzeugen.
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Die Hohlleiter haben offene Enden, über die ein Kühlmittel in die Hohlleiter eingespeist werden oder aus den Hohlleitern austreten kann. An ihrer Außenfläche sind die bekannten Hohlleiter mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen.
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Bei innengekühlten elektrischen Maschinen mit Hohlleiterwicklung stellt insbesondere die galvanische Trennung des hydraulischen Anschlusses vom elektrischen Versorgungspotential eine technische Herausforderung dar. Eine bekannte Ausführung eines Hohlleiter-Anschlussstücks, bei dem die galvanische Trennung mittels einer Keramikkugel erfolgt, ist beispielsweise in der
EP 3 357 143 A2 beschrieben.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anschlussvorrichtung zum elektrischen und hydraulischen Anschließen mehrerer elektrischer Hohlleiter einer innengekühlten elektrischen Maschine zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und schnell und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Anschlussvorrichtung zum elektrischen und hydraulischen Anschließen der elektrischen Hohlleiter einer innengekühlten elektrischen Maschine vorgeschlagen, die wenigstens folgendes umfasst:
- - ein elektrisch leitfähiges Anschlussteil mit einem oder mehreren Hohlleiteranschlüssen, an denen jeweils ein Hohlleiter elektrisch und hydraulisch angeschlossen ist;
- - ein an einer Seite des Anschlussteils angeordnetes Seitenteil; wobei das Anschlussteil und das Seitenteil separate Bauteile sind, die zu einem Stapel zusammengefügt sind;
- - einen internen Kühlmittelkanal, der durch das Anschlussteil hindurch verläuft, wobei der Kühlmittelkanal mit dem oder den Hohlleitern hydraulisch in Verbindung steht, so dass ein aus dem oder den Hohlleitern austretendes Kühlmittel im Kühlmittelkanal gesammelt oder ein im Kühlmittelkanal vorhandenes Kühlmittel in den oder die Hohlleiter eingespeist werden kann.
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Aufgrund ihrer Modularität kann die Anschlussvorrichtung einfach an die vorgegebenen Anforderungen angepasst und, je nach Anzahl der elektrischen Phasen der Maschine, mit mehr oder weniger elektrischen Anschlussteilen konfiguriert werden. Die einzelnen dafür erforderlichen Bauteile (Anschlussteile, Dichtungen, Isolatoren) müssen zu diesem Zweck lediglich in die stapelartige Struktur integriert werden.
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Ein „Seitenteil“ kann im Prinzip jedes Bauteil sein, das an einer Seite des Anschlussteils angeordnet und Teil der stapelartigen Struktur ist. Bei einem Seitenteil kann es sich entsprechend um einen Isolator, eine Dichtung oder ein anderes Bauteil handeln. Zwischen dem Anschlussteil und dem Seitenteil können weitere Bauteile, wie z. B. ein Isolator und/oder eine weitere Dichtung angeordnet sein.
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Das Anschlussteil besteht vorzugsweise aus einem metallischen Material, wie z. B. Cu. Der interne Kühlmittelkanal verläuft vorzugsweise im metallischen Material.
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Die Dichtung ist vorzugsweise als eine Flachdichtung ausgeführt.
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In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Anschlussvorrichtung als eine Stapelanordnung gebildet, die an ihren stirnseitigen Enden jeweils von einem elektrisch isolierenden Seitenteil abgeschlossen wird. Vorzugsweise hat wenigstens eines der stirnseitigen Seitenteile einen zentralen Kühlmittelanschluss, über den ein Kühlmittel in den Kühlmittelkanal eingespeist oder aus dem Kühlmittelkanal austretendes Kühlmittel abgeleitet werden kann.
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Die Richtung, in der die einzelnen Bauteile der Anschlussvorrichtung gestapelt sind, verläuft im Wesentlichen entlang einer Geraden. Mittels keilförmiger Bauteile könnte auch eine gekrümmte, z. B. ringförmige, oder eine andere Geometrie der Stapelanordnung erzeugt werden.
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Die einzelnen Bauteile der Anschlussvorrichtung, nämlich wenigstens das Anschlussteil und das Seitenteil sind vorzugsweise plattenförmig ausgeführt.
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Der oder die am Anschlussteil angeschlossenen Hohlleiter zeigen im Bereich ihres Anschlusses vorzugsweise in eine Richtung, die im Wesentlichen quer zu einer Richtung verläuft, in der das Anschlussteil und das Seitenteil gestapelt sind (Stapelrichtung).
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Die Anschlussvorrichtung umfasst in einer speziellen Ausführungsform wenigstens ein elektrisch leitfähiges Anschlussteil und eine Dichtung. Der genannte interne Kühlmittelkanal verläuft in diesem Fall vorzugsweise durch das Anschlussteil und die Dichtung hindurch.
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Im Falle einer mehrphasigen Ausführungsform der Anschlussvorrichtung umfasst diese entsprechend mehrere nebeneinander angeordnete Anschlussteile, wobei zwischen zwei nebeneinander angeordneten Anschlussteilen jeweils wenigstens eine Dichtung angeordnet ist. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung können zwischen zwei nebeneinander angeordneten Anschlussteilen z. B. wenigstens eine Dichtung und ein Isolator angeordnet sein. Eine mehrphasige Ausführungsform der Anschlussvorrichtung hat folglich mehrere nebeneinander angeordnete Anschlussteile, mehrere Dichtungen und ggf. mehrere Seitenteile.
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Das genannte Anschlussteil hat vorzugsweise eine Einrichtung zum Anschließen einer elektrischen Phase (U, V, W), wie z.B. eine Klemme, einen Kabelschuh oder dgl..
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In einer speziellen Ausführungsform hat die Anschlussvorrichtung wenigstens zwei integrierte Kühlmittelkanäle, über die ein Kühlmittel in die Hohlleiter eingespeist werden oder aus den Hohlleitern austretendes Kühlmittel gesammelt werden kann.
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Die Anschlussvorrichtung kann ferner eine Spannvorrichtung aufweisen, mit der das Anschlussteil, das Seitenteil und gegebenenfalls weitere Bauteile der Stapelanordnung gegeneinander verspannt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Spannvorrichtung einen oder mehrere Spannbolzen umfassen, der bzw. die sich durch die Anschlussvorrichtung hindurch erstrecken. Alternativ kann die Spannvorrichtung die Stapelanordnung auch entsprechend einer Klemme umgreifen.
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Die einzelnen, aufeinander gestapelten Bauteile der Anschlussvorrichtung können auch miteinander verklebt sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit einer Hohlleiterwicklung und einer in Stapel- bzw. Sandwichtechnik ausgeführten Anschlussvorrichtung zum elektrischen und hydraulischen Anschließen der elektrischen Hohlleiter.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten dreiphasigen elektrischen Maschine mit Hohldrahtwicklungen;
- 2 eine Ausführungsform einer elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung für eine dreiphasige elektrische Maschine mit Sternschaltung;
- 3 eine Seitenansicht eines Teils der elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung von 2;
- 4 eine Schnittansicht einer elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung entlang einer Längsachse der Anschlussvorrichtung;
- 5 eine Ausführungsform einer elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung für eine dreiphasige elektrische Maschine mit Sternschaltung, bei der ein für den Vorlauf und ein für den Rücklauf des Kühlkreislaufs ausgebildeter Teil räumlich getrennt voneinander angeordnet sind;
- 6 eine Ausführungsform einer elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung für eine dreiphasige elektrische Maschine mit Sternschaltung, bei der ein für den Vorlauf und ein für den Rücklauf des Kühlkreislaufs ausgebildeter Teil in einer Einheit kombiniert sind.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer bekannten dreiphasigen Synchronmaschine 25 mit einem innenliegenden Stator 24 und einem außenliegenden Rotor (nicht gezeigt). Die elektrischen Phasen sind mit L1, L2 und L3 bzw. 0 bezeichnet und in Sternschaltung verschaltet.
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Der Stator 24 umfasst sechs Zähne 20, auf denen die einzelnen Wicklungen 18 angeordnet sind. Die Wicklungen 18 bestehen jeweils aus einem Hohldraht 17, durch den ein Kühlmittel strömt, um den Elektromotor 25 im Betrieb zu kühlen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird an den Hohlleiterenden der einzelnen Wicklungen 18 sowie am Sternpunkt 0 jeweils Kühlmittel zugeführt und über interne, T-förmige Anschlussstücke 26 wieder abgeführt.
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Die in 1 dargestellte Synchronmaschine umfasst ferner ein Kühlsystem mit einer Kühlmittelpumpe 21 und einem Wärmetauscher 22. Die Pumpe 21 pumpt Kühlmittel durch verschiedene Kühlmittelleitungen 19 zu den phasenseitigen Enden der Wicklungen 18, sowie zum Sternpunkt 0, wo das Kühlmittel in die jeweiligen Hohlleiter 17 eintritt. Das Kühlmittel fließt dann jeweils durch die Hohlleiter 17 und über die T-förmigen Anschlussstücke 26 zurück in Richtung des Wärmetauschers 22, wo es abgekühlt wird und weiter zur Pumpe 21 fließt.
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Die elektrische und hydraulische Anbindung der einzelnen Hohlleiter 17 ist bei dieser elektrischen Maschine relativ komplex gelöst. Es wird daher eine alternative Anschlussvorrichtung mit einer sandwichartigen Struktur vorgeschlagen, wie sie in den nachfolgenden Figuren beispielhaft dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Anschlussvorrichtung kann im Prinzip an allen innengekühlten elektrischen Maschinen mit einer oder mehreren Phasen sowie an anderen innengekühlten Vorrichtungen, wie z.B. Elektromagneten, Ventilen, etc. eingesetzt werden.
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2 zeigt eine elektrisch/hydraulische Anschlussvorrichtung 1 für die Hohlleiter 17 einer innengekühlten elektrischen Maschine 25 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Anschlussvorrichtung 1 umfasst in dieser Ausführungsform vier nebeneinander angeordnete Anschlussteile 2 - jeweils eines pro Phase U, V, W und eines für den Sternpunkt * - aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Cu, an denen jeweils die zugehörigen Hohlleiter 17 elektrisch und hydraulisch angeschlossen sind. Jedes Anschlussteil 2 umfasst hierzu mehrere Hohlleiteranschlüsse 6, an denen jeweils ein Hohlleiterende angeschlossen ist. Die Hohlleiterenden können beispielsweise gelötet oder geschweißt oder anderweitig am Anschlussteil 2 montiert sein. Außerdem umfassen die Anschlussteil 2 jeweils eine Klemme 3, an der jeweils eine der elektrischen Phasen (U, V, W bzw. *) per Kabelschuh angeschlossen werden kann.
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Zwischen zwei benachbarten Anschlussteilen 2 ist jeweils eine erste Dichtung 5, ein Isolator 4 und eine weitere Dichtung 5 angeordnet. Die Dichtungen 5 sind vorzugsweise als Flachdichtungen ausgeführt. An den beiden stirnseitigen Enden der Anschlussvorrichtung 1 (im Bild links und rechts) befindet sich jeweils ein elektrisch isolierendes Seitenteil 24, das den Abschluss der Anordnung bildet. Insgesamt ergibt sich eine stapel- bzw. sandwichartige Struktur.
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Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind die einzelnen Bauteile 2, 4, 5, 24 der Stapelanordnung mittels einer Spannvorrichtung 11 verspannt. Dadurch werden die einzelnen Bauteile 2, 4, 5, 24 gegeneinander gepresst, wodurch gleichzeitig eine Abdichtung der im Inneren verlaufenden Kühlmittelkanäle 16 erfolgt. Eine solche Anschlussvorrichtung 1 kann einfach montiert und, je nach Anzahl der elektrischen Phasen oder der zu kontaktierenden seriellen Verbindungen der Maschine 25 mit mehr oder weniger Anschlussteilen 2 konfiguriert werden. Ein Anschlussteil 2 kann außer zum Phasenanschluss auch dazu dienen, die elektrische Verschaltung entsprechend eines bestimmten Wickelschemas umzusetzen. Um den für das Durchströmen einer Spule erforderlichen hydraulischen Druck zu reduzieren, ist es auch möglich, eine Spule aufzutrennen und die Spulenteile im Anschlussteil 2 elektrisch zu verbinden. Die einzelnen Teile der Spule sind dann elektrisch in Serie geschaltet, können aber parallel mit Kühlmittel versorgt werden, wodurch der für das Durchströmen erforderliche Druck sinkt.
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In den nachfolgenden 3, 4 sind der interne Aufbau der Anschlussvorrichtung 1 sowie die Spannvorrichtung 11 genauer dargestellt. Dabei zeigt 3 eine Seitenansicht eines Teils der elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung 1 von 2, und 4 eine Schnittansicht der Anschlussvorrichtung 1 entlang einer Längsachse der Anschlussvorrichtung. Wie in den 3, 4 zu erkennen ist, verläuft durch den linken Teil der sandwichartigen Struktur ein erster Kühlmittelkanal 16, der mit den Hohlleiteranschlüssen 6 der Anschlussteile 2 für die Phasen U, V, W hydraulisch in Verbindung steht. Im rechten Teil der Anschlussvorrichtung 1 verläuft ein anderer Kühlmittelkanal 16, der mit den Hohlleiteranschlüssen 6 des Anschlussteils 2 für den Sternpunkt * hydraulisch in Verbindung steht. Die an den Enden angeordneten Seitenteile 24 umfassen jeweils einen zentralen Kühlmittelanschluss 8, über den Kühlmittel in die Kühlmittelkanäle 16 eingespeist oder aus den Kühlmittelkanälen 16 austretendes Kühlmittel abgeleitet werden kann (siehe Pfeile VL, RL).
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In der hier dargestellten Betriebsart des Kühlkreislaufs dient der in 4 gezeigte linke Kühlmittelanschluss 8 als Kühlmitteleingang (Vorlauf) und der rechte Kühlmittelanschluss 8 als Kühlmittelausgang (Rücklauf). Der linke Kühlmittelkanal 16 ist entsprechend ein Verteilerkanal 9, über den das Kühlmittel in die einzelnen Hohlleiter 17 eingespeist wird (siehe die nach außen weisenden Pfeile an den Hohlleiterenden 17). Der rechte Kühlmittelkanal 16 ist entsprechend ein Sammelkanal 10, in dem das aus den einzelnen Hohlleitern 17 austretende Kühlmittel gesammelt wird (siehe die nach innen weisenden Pfeile an den Hohlleiterenden des Sternpunktes).
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Die Spannvorrichtung 11 umfasst in dieser Ausführungsform drei Spannbolzen 12 bzw. Gewindebolzen, die sich durch die gesamte Anschlussvorrichtung 2 hindurch erstrecken. An den vorstehenden Enden der Spannbolzen 12 sind Muttern 13 angeordnet, mit denen die Vorrichtung verspannt wird.
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5 zeigt eine Ausführungsform einer elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung 1 für eine dreiphasige elektrische Maschine 25 mit Sternschaltung, bei der ein für den Vorlauf und ein für den Rücklauf des Kühlkreislaufs ausgebildeter Teil der Anschlussvorrichtung 1 räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Der linke Teil umfasst in diesem Fall Anschlussteile 2 für alle drei Phasen U, V, W, und der rechte Teil nur ein Anschlussteil 2 für den Sternpunkt. Die Aufteilung der Anschlussvorrichtung kann auch anders ausgeführt sein.
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6 zeigt nochmals eine Ausführungsform einer elektrisch/hydraulischen Anschlussvorrichtung 1 für eine dreiphasige elektrische Maschine 25 mit Sternschaltung, bei der ein für den Vorlauf und ein für den Rücklauf des Kühlkreislaufs ausgebildeter Teil in einer einzigen Einheit kombiniert sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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