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Flüssigkeitskühlung von Blechpaketen elektrischer Maschinen Zur Kühlung
von Blechpaketen elektrischer Maschinen ist es bekannt, eine Unterteilung in Teilblechpakete
vorzunehmen und zwischen diesen Teilblechpaketen Kühlschlitze für den Durchtritt
eines meist gasförmigen Kühlmittels frei zu lassen, das die in den Teilblechpaketen
anfallende Verlustwärme abführen soll. Diese bis jetzt übliche Kühlart hat den Nachteil,
daß die Baulänge der Maschine um die Summe der Breite aller Kühlschlitze vergrößert
wird, daß die Maschine also relativ lang baut. Bei hochausgenutzten Maschinen, insbesondere
Turbogeneratoren, vermeidet man diesen Nachteil, indem man statt der radialen Kühlschlitze
axial verlaufende Kanäle im Blechpaket vorsieht. Diese Kanäle erfor-dern
jedoch besonders bei langen Maschinen eine relativ große Förderhöhe des Lüfters,
der das Kühlgas mit der notwendigen Geschwindigkeit durch die Kanäle treiben muß.
Will man das vermeiden, so müßte der Querschnitt der Kanäle sehr groß sein oder
ihre Anzahl vergrößert werden. Damit geht aber wieder so viel Blech verloren, daß
dieses Kühlprinzip schon keine Vorteile mehr bringt. Ein gewisser Nachteil besteht
außerdem darin, daß diese Kühlart eine relativ hohe Lüfterleistung erfordert.
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Es ist ferner bekannt, ein Blechpaket direkt mit Öl zu kühlen und
das Öl in direkter Berührung mit dem Eisen durch axiale Kühlkanäle zu leiten. Da
bei diesem Verfahren eine absolute Abdichtung des Ölkreislaufes schwer möglich ist,
muß zumindest der Läufer durch einen in die Ständerbohrung gelegten Hohlzylinder
vom Ständer getrennt werden. Das bedeutet aber einen erheblich größeren Aufwand
für das ganze Kühlsystem.
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Es wäre zweifellos die günstigste Kühlmethode, wenn man Wasser durch
axiale Kanäle im Blechpaket schicken würde. Dieses würde aber die bereits erwähnten
Abdichtungsschwierigkeiten mit sich bringen. In nur wenigen Maschinen erlauben die
magnetischen Verhältnisse im Blechpaket die Verwendung unisolierter metallischer
Rohre. Im Normalfall müssen die Rohre gegen das Blechpaket isoliert werden, damit
keine kurzgeschlossenen leitenden Schleifen entstehen, in denen ein magnetischer
Fluß eine Spannung induzieren würde. Die in solchen Schleifen fließenden Kurzschlußströme
könnten, von den zusätzlichen Verlusten abgesehen, auch eine zusätzliche Erwärmung
verursachen. Weiterhin ist darauf zu achten, daß magnetische Felder in den Rohren
möglichst keine oder nur geringe Wirbelströme erzeugen. Mit der Isolierung der Rohre
geht aber schon wieder ein Teil der durch die Flüssigkeitskühlung erreichten Vorteile
verloren, weil die Isolation einen großen Wärmewiderstand bildet, so daß zwischen
dem Blechpaket und der Kühlflüssigkeit in den Rohren immer ein großer Temperaturunterschied
erhalten bleibt. Schließlich werden sich besonders bei langen Maschinen wärmeisolierende
Luftspalte zwischen den isolierten Rohren und dem Blechpaket aus fertigungstechnischen
Gründen nicht vermeiden lassen. Zwischen den die Rohre aufnehmenden Kanälen des
Blechpaketes und den Rohren muß ein gewisses Spiel zugelassen werden, andernfalls
lassen sich die Rohre nicht in die Kanäle des Blechpaketes einführen. Die Luftspalte
wirken aber ebenfalls wärmeisolierend.
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Es sind auch Kühlanordnungen für die Blechpakete elektrischer Maschinen
bekanntgeworden, bei denen zwischen Teilblechpaketen, deren Endbleche radiale Schlitze
aufweisen, in Umfangsrichtung verlaufende Kühlwasserrohre angeordnet sind. Radial
verlaufende Schlitze in den Endblechen bilden zusätzlich noch Kühlgaskanäle, die
senkrecht zu den Kühlwasserrohren verlaufen. Diese Anordnung bedingt aber eine vergrößerte
Baulänge der Maschinen und leistet zudem noch verstärkter Wirbelstrombildung Vorschub,
da die Kühlwasserrohre in unmittelbarer leitender Verbindung mit den Blechpaketen
stehen.
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Bei direkt gekühlten Wicklungsleitern hat man schon vorgeschlagen,
das Kühlmedium durch einen Kanal im Leiter und einen Ringkanal um den Leiter gleichzeitig
zu führen. Beide parallel fließenden Kühlmitteiströme bestehen dabei aus den gleichen
Medien, die, falls es Flüssigkeiten sein sollen, zunächst erst aufbereitet und in
einem geschlossenen
Kreislauf geführt werden müssen, wodurch die
Küh-
lung sehr aufwendig und teuer wird.
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Zur Vermeidung der diesen bekannten Kühlsystemen anhaftenden Nachteile
schlägt die Erfindung eine Flüssigkeitskühlung von Blechpaketen elektrischer Maschinen
vor, bei denen in axialen Kanälen durch das Blechpaket im Abstand von den Kanalwandungen
flüssigkeitsdurchströmte Metallrohre verlaufen, und die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Rohre elektrisch- und wärmeisoliert an den Kanalwandungen abgestützt sind
und zur Übertragung der Verlustwärme vom Blechpaket auf die Kühlflüssigkeit ausschließlich
in die Metallrohre umströmendes gasförmiges Medium dient.
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Die Geschwindigkeit des Gases braucht für eine wirksame Wärmeübertragung
nur gering zu sein, so daß auch nur geringe Druckabfälle entstehen, zu deren Überwindung
nur kleine Lüfterleistungen notwendig sind. Das Gas nimmt die Verlustwärme von den
Kanalwandungen auf und gibt sie an die Kühlflüssigkeit in den Rohren weiter, wobei
der Wärmewiderstand des Gases wegen der turbulenten Strömung in den Räumen zwischen
den Rohren und den Kanalwandungen klein bleibt, wie Untersuchungen ergeben haben.
Die Auslegung der Gasströme erfolgt nur nach dem Gesichtspunkt der Wärmeübertragung
und nicht unter Berücksichtigung der Gasaufwärmung.
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Zur Verbesserung des Wärmeüberganges können die Rohre und/oder die
Kanalwandungen in an sich bekannter Weise mit Ansätzen, Vorsprüngen, Rippen od.
dgl. versehen sein. Von den einzelnen Flächen des Blechpaketes mögen dazu Blechzungen
in die Kanäle hineinragen, deren mehrere hintereinanderliegend Vorsprünge oder auch
durchlaufende Rippen ergeben.
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In der Zeichnung wurden verschiedene Ausführungsbeispiele einer Kühlung
gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen Fig. 1 bis 3 Querschnitte durch Kanäle
eines Blechpaketes mit perspektivisch eingezeichneten Rohren; Fig. 4 gibt schematisch
eine Verbindungsmöglichkeit zwischen den beiden in der Fig. 3 dargestellten Rohren
wieder.
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In der Fig. 1 verläuft durch das Blechpaket 10 ein zylindrischer
Kanal, in dem mit Abstand von den Kanalwandungen ein metallisches Rohr 11 angeordnet
ist, das eine Kühlflüssigkeit enthält. Das Rohr 11
trägt metallische Kühlrippen
12, die es konzentrisch in dem Kanal des Blechpaketes halten. Die Kühlrippen
12 stützen sich über Schienen 13 aus Isoliermaterial an den Kanalwandungen
ab, so daß das Rohr 11 oder die Kühlrippen 12 keinen elektrischen oder magnetischen
Kurzschluß bilden können. Durch die Räume zwischen dem Rohr und den Kühlrippen und
dien Kanalwandungen strömt ein Gas, wie die Pfeile 14 andeuten, das die Verlustwärme
von den Kanalwandungen aufnimmt und an die von der Flüssigkeit gut gekühlten Kühlrippen
12 und an das Rohr 11 überträgt.
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Bei einer Ausführung nach der Fig. 2 stützen Abstand'shalter
15 aus Isoliermaterial das metallische Rohr 11 an den Kanalwandungen des
hier schlitzförmig ausgeführten Kanals im Blechpaket 10 ab. Von dem Rohr
11, das wiederum mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist, ragen metallische Kühlrippen
16 in die Räume beiderseits des Rohres, in denen ein Gas als Wärmeübertrager
von den Kanalwandungen zum Rohr dient.
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Die Fig.3 zeigt einen schlitzförmigen Kanal, in
dem metallische
Kühlrohre 11 mit metallischen Kühlrippen 16 und isolierenden Abstandsstücken
15 parallel verlaufen. Diese Rohre 11 können, wie die Fig.4 zeigt,
an einem Maschinenende miteinander verbunden sein, so daß die Zu- und Abfuhr der
Kühlflüssigkeit gemäß den Pfeilen 17, 18 am gleichen Ende des Blechpaketes
liegen.
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Die Kühlung gemäß der Erfindung bietet insbesondere bei langen, großen
Maschinen Vorteile, bei denen es nur mit großen Schwierigkeiten möglich wäre, ein
isoliertes Kühlrohr durch lange Kanäle ohne wärmeisolierende Luftspalte einzubringen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daiß der Leistungsbedarf für diese
Kühlart wesentlich geringer ist als bei der direkten Gaskühlung des Blechpaketes.
Der Energiebedarf für die Flüssigkeitsumwälzung ist äußerst gering. Auch der Kreislauf
dies zwischen Kanalwandungen und Rohren hindurchgeleiteten Gases verbraucht nur
wenig Förderenergie, weil die umgewälzte Gasmenge und die erforderliche Gasgeschwindigkeit
klein sind, so daß nur ein geringes Druckgefälle entsteht. Diese Leistungsersparnis
drückt sich in einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der auf diese Weise gekühlten
Maschine aus. Das in der beschriebenen Weise durch die freien Räume der Kanäle im
Blechpaket umgewälzte Gas kann außerdem zur Kühlung anderer Teile der Maschine,
beispielsweise der Wickelköpfe oder der Läuferwicklungen, dienen.