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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Maschine mit einem Ständer
und einem Läufer.
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Bei elektrischen Maschinen sind zur
Abfuhr der Verlustwärme
u.a. aufgrund der Wicklungs- und Eisenverluste aus Ständer und
Rotor Kühlmittel
vorzusehen. Diese Kühlmittel
sind insbesondere bei axial gekühlten
elektrischen Maschinen als Ausstanzungen im Blechpaket zur Führung eines
Kühlstromes ausgeführt. Insbesondere
die Wicklungsverluste müssen
dabei über
das Blechpaket an das Kühlmedium
abgeführt
werden.
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Eine weitere Möglichkeit die Verlustwärme abzuführen besteht
darin, einen Teil eines Kühlluftstroms
axial durch Streustege der Nuten zu führen, um damit die Wicklungsverluste
abzuführen.
Dabei wird durch den Nutverschlusskeil, der zur Fixierung der Leiter
in der Nut erforderlich ist, die Entwärmung erschwert.
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Aus der
DE
948 713 ist eine Stabwicklung bekannt, bei der Kühlrohre
innerhalb der Hauptisolierung verlaufen. Als Kühlmedium wird dabei Öl oder eine
andere isolierende Flüssigkeit
eingesetzt. Der Kühlbereich
erstreckt sich über
den Eisenbereich in den Wickelkopfbereich der elektrischen Wicklung. Als
Kühlrohre
werden dabei, aufgrund des anliegenden Spannungspotentials, isolierte
Metallkühlrohre eingesetzt.
Nachteilig dabei sind u.a. die Wirbelstromverluste im Metallrohr.
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In der
DE
287 182 ist eine Kühlart
beschrieben, die innerhalb der Hauptisolierung der Wicklung verläuft. Es
handelt sich dabei um eine direkte Kühlung durch Öle oder
andere isolierende Flüssigkeiten.
Die Kanäle
verlaufen dabei im Wicklungskupfer selbst.
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Des Weiteren ist aus der
EP 12 15 800 A2 eine
elektrische Maschine bekannt, bei der Spulen oder Träufelwicklungen
Kühlkanäle aufweisen,
die sich zwischen den jeweiligen Wicklungen befinden und sich somit
durch eine von einer Wicklung nicht beanspruchte Nutquerschnittsfläche auszeichnen. Nachteilig
ist dabei insbesondere die jeweils unterschiedlichen Querschnitte
der Kühlkanäle, die
zu einer ungleichmäßigen Kühlwirkung
führen.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe
zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer gleichmäßigen und
effizienten Kühlung
zu schaffen, die mit geringem Montageaufwand realisierbar ist.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe
gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem Ständer und
einem Rotor, wobei der Ständer
und/oder Rotor eine Wicklungsanordnung aufweisen, die über ihre Hauptisolierung
mit kühlkanalbildenden
Elementen in direktem wärmeleitendem
Kontakt steht.
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Als Wicklungsanordnungen sind dabei
sämtliche
bekannten Wicklungsarten wie z.B. Luftspaltwicklungen oder in Nuten
gebettete Wicklungen und elektrisch leitfähigen Leitermaterialien wie
z.B. Kupfer einsetzbar. Des weiteren kann die Wicklungsanordnung
sowohl aus flexiblen Leitern als auch Stäbe aufweisen.
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Die erfindungsgemäßen kühlkanalbildenden Elemente werden
vorzugsweise aus einem Stück
gefertigt, das der axialen Länge
des jeweiligen Blechpaketes anpassbar ist. Dabei sind die kühlkanalbildenden
Elemente an einer oder mehreren Stellen innerhalb einer Nut oder
einer Wicklungsanordnung einzusetzen.
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So sind sie z.B. im Zahnkopf bei
Zwischenschiebern oder am Nutgrund oder auch links und rechts der
Wicklung einzusetzen. Die kühlkanalbildenden
Elemente sind elektrisch nicht lei tend, so dass keine Zusatzverluste
in ihnen entstehen und das Blechpaket von ihnen nicht kurzgeschlossen wird.
Weitere Elemente können
auch in entsprechende Ausnehmungen des Blechpakets selbst eingebracht
werden, um die Eisenverluste abzuführen. Durch den direkten wärmeleitenden
Kontakt der kühlkanalbildenden
Elemente mit der Hauptisolierung der Wicklungsanordnung können die
Verluste effizienter abgeführt
werden, wodurch die Ausnutzung der elektrischen Maschine gesteigert
wird.
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Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen kühlkanalbildenden
Element hat nunmehr jedes Kühlrohre
den gleichen definierten Querschnitt und eine vergleichbare reproduzierbare
Rauhigkeit. Dies führt
zu einer vergleichmäßigten Kühlstromaufteilung,
insbesondere bei parallelen Kühlkanälen. Bei gestanzten
Kühlkanälen treten
dagegen durch Toleranzen beim Schichten größere Querschnittsunterschiede
auf, so dass eine gleichmäßige Kühlstromaufteilung
nicht gewährleistet
ist.
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Die kühlkanalbildenden Elemente stehen
in direktem wärmeleitenden
Kontakt mit der Hauptisolierung und dem Blechpaket. Als Hauptisolierung wird
dabei die Isolierung der Wicklungsanordnung gegenüber dem üblicherweise
geerdeten Blechpaket betrachtet. Innerhalb der Hauptisolierung befinden sich
ein oder mehrere Teilleiter die jeweils separat gegeneinander isoliert
sind, was als sogenannte Teilleiterisolierung bezeichnet wird. Als
gut wärmeleitendes
Material hat sich Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von 25 W/(mK) herausgestellt.
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Um eine parallele oder serielle Aufteilung
der kühlkanalbildenden
Elemente zu erreichen, die vorzugsweise axial ausgerichtet sind,
werden diese kühlkanalbildenden
Elemente insbesondere durch Umlenkplatten an den Stirnseiten des
Blechpakets dementsprechend strömungstechnisch
geschaltet. Dabei lassen sich besondere maschineninterne Wärmequellen
wie Blechpaket, Wicklungen, etc. intensiv kühlen.
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Die Umlenkplatten sind vorzugsweise
auch aus Keramik, um aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten
von kühlkanalbildenden
Elementen und Umlenkplatten keine Undichtigkeiten zu erhalten.
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Bei unterschiedlichen Materialien
sind dementsprechende an sich bekannte Dichtungsmaßnahmen
zu ergreifen.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind
den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den schematisch dargestellten
Figuren zu entnehmen. Darin zeigt:
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer elektrischen Maschine,
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2 und 3 die Nutgestaltung einer
elektrischen Maschine,
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4 Gestaltungsvarianten
der kühlkanalbildenden
Elemente,
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5 Oberflächenvergrößerungen
der kühlkanalbildenden
Elemente,
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6 kühlkanalbildendes
Element aus zusammengesetzten axialen Abschnitten.
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1 zeigt
schematisch eine prinzipielle elektrische Maschine 1 mit
einem Ständer 2 und
einem Rotor 3. Sowohl Ständer 2 als auch Rotor 3 sind in
Richtung Luftspalt mit Nuten 4,5 versehen. Die
Nuten 4,5 in diesem Ausführungsbeispiel sind als offene Nuten 4,5 dargestellt,
es kann sich genauso um geschlossene oder halboffene Nuten handeln.
Ebenso ist es möglich,
die elektrische Maschine mit einem nutenlosen Ständer zu versehen und eine Wicklungsanordnung
mit ihren elektrischen Leitern 6 als Luftspaltwicklung
auszuführen.
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2 und 3 zeigen die Ausbildung einer
Nut 4 des Rotors 3 oder einer Nut 5 des
Ständers 2,
die mehrere Leiter 6 aufweist, die von kühlkanalbildenden
Elementen 7 umgeben sind. Jeder Leiter 6 besteht
dabei aus Einzelleitern 9, die mit ei ner Teilleiterisolierung 10 gegeneinander
isoliert sind. Jeder Leiter 6 ist durch eine Hauptisolierung 8 umgeben.
Direkt an die Hauptisolierung 8 wärmetechnisch gekoppelt sind
die kühlkanalbildenden
Elemente 7. Ein Nutverschlusskeil 16 fixiert optional
diese Anordnung in einer Nut 4 des Rotors 3 oder
auch in einer Nut 5 des Ständers 2.
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4 zeigt
kühlkanalbildenden
Elemente 7, die unterschiedliche Querschnittsformen ihrer
Kanäle 11 aufweisen.
Es sind sowohl runde als auch eckige Querschnittsformen oder deren
Kombinationen möglich.
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5 zeigt
einzelne Ausführungen
wie eine Oberflächenvergrößerung im
Kanal 11 und/oder auch der kühlkanalbildenden Elemente 7 zur
Hauptisolierung 8 erreicht wird. Die Hauptisolierung 8 ist
in ihrer Formgestaltung dann dementsprechend anzupassen, um einen
ausreichenden Wärmekopplung an
die kühlkanalbildenden
Elemente 7 zu erhalten.
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6 zeigt
die Bildung eines Kühlkanals über die
axiale Länge
des Rotors 3 durch Aneinanderreihung mehrerer kühlkanalbildender
Elemente 7. Der Kühlkanal
ist dabei in mehrere Abschnitte 15 unterteilt. Dabei ist
jedes Element 7 vorteilhafterweise mit einer Anfassung 12 oder
Abrundung versehen, um einen strömungstechnisch
günstigen Übergang zum
nächsten
Element 7 zu erhalten. Die kühlkanalbildenden Elemente 7 werden
vorteilhafterweise aus Keramik gebildet, wobei ein Rohling mit mehreren Bohrungen
oder Kanälen 11 gebrannt
wird und danach z.B. durch Schleifen exakt den vorliegenden Platzverhältnissen
anpassbar ist. Damit ergibt sich eine äußerst präzise mechanische Anlage und
damit eine äußerst günstige wärmetechnische
Kopplung zwischen Hauptisolierung 8 und z.B. dem Blechpaket des
Rotors 3. Dabei ist auf ausreichende Wandstärken zu
achten.
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Keramik hat den Vorteil, dass es
mechanisch vergleichsweise stabil ist, die Wärme gut überträgt und keine Wirbelstromver luste
aufweist, außerdem besitzt
es eine hohe Spannungsfestigkeit. Als Wärmeleitfaktor sind dabei 25
W/(mK) angesetzt.