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Anordnung zur Führung des Kühlmediums und Abstützung der Erregerwicklungen
in den Pollücken von Schenkelpolläufern elektrischer Maschinen Die Kühlung der Erregerwicklungen
von Schenkelpolläufern elektrischer Maschinen bereitet besonders dann erhebliche
Schwierigkeiten, wenn es sich um lange Läufer handelt. Der stirnseitig axial in
die Pollücken eintretende Kühlmittelstrom wird nämlich durch die Rotation des Läufers
schon vorzeitig vor Erreichen der Läufermitte in radiale Richtung umgelenkt und
kann somit nicht mehr in genügender Weise die Wärme von der Läufermitte abführen.
Sind die Erregerwicklungen in den Pollücken gegen die Fliehkraft durch Wicklungsstützen
gesichert, so ist die Wärmeabfuhr in der Läufermitte praktisch unmöglich geworden,
da die Wicklungsstützen den axialen Kühlmitteldurchtritt unterbinden. Die radial
innenliegenden Teile der Erregerwicklungen werden außerdem bei Rotation ebenfalls
weniger als die radial außenliegenden gekühlt. Insgesamt tritt also eine ungleichmäßige
Erwärmung im Läufer auf, wodurch die Leistung, unter Umständen auch die Lebensdauer
der Maschine zwangläufig sinkt.
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Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten sind eine Reihe von Vorschlägen
gemacht worden, die aber insgesamt gesehen das Problem nur ungenügend lösen. Bei
einer bekannten Anordnung werden z. B. Segmente mit Sehlitzen zum Kühlmitteldurchtritt
vorgeschlagen, die die Pollücken radial außen abdecken. Der hierbei axial eintretende
Kühlmittelstrom kann jedoch nur bis zu den jeweiligen Wicklungsstützen durchtreten
und muß dann durch die in den Segmenten vorhandenen Schlitze in radiale Richtung
umgelenkt werden und so aus den Pollücken heraustreten. Auch werden bei dieser Anordnung
selbst dann, wenn die Wicklungsstützen fehlen, die radial innenliegenden Teile der
Erregerwicklungen, besonders zur axialen Läufermitte hin, wegen der auf das Kühlmittel
wirkenden Zentrifugalkraft erheblich weniger gekühlt als die radial außen liegenden.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung werden V-förmige Bleche mit
ihren Außenkanten an die Erregerwicklungen angelehnt und der offene Teil der V-Form
ganz oder teilweise durch ein Abdeckblech mit Schlitzen versteift. Die so ausgeführte
Anordnung bewirkt, daß einerseits die Erregerwicklungen gegen Zentrifugalkräfte
nach Art der vorher erwähnten Wicklungsstützen gesichert sind; andererseits, daß
das axial in die Pollücken eintretende Kühlmittel ungehindert bis zur Läufermitte
hindurchtreten kann. Da aber aus Fertigungsgründen die V-förmigen Bleche niemals
ohne zu großen Aufwand satt an den Erregerwicklungen anliegen können, insoweit also
die Wärmeübergangszahl relativ gering wird, ist die Kühlwirkung ebenfalls noch unbefriedigend.
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Weiterhin ist es bekannt, die Kühlluft mittels eines V-förmigen sich
in radialer Richtung verjüngenden und in sich versteiften Verdrängungskörpers an
die Erregerwicklung heranzuführen. Nach dieser Anordnung wird wohl die Erregerwicklung
direkt von dem Kühlmedium bestrichen. Andererseits ist es dabei nicht möglich, frische
Kühlluft direkt an die Ständerwicklungen heranzuführen und so auch dort in ausreichendem
Maße zur Kühlung der Maschine beizutragen. Auch für diese Anordnung gilt außerdem,
daß, selbst dann, wenn die der Versteifung dienenden Stützen im Verdrängungskörper
fehlen, die radial innenliegenden Teile der Erregerwicklungen, besonders zur axialen
Läufermitte hin, wegen der auf das Kühlmittel wirkenden Zentrifugalkraft erheblich
weniger gekühlt werden als die radial außenliegenden.
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Allen diesen Anordnungen ist gemeinsam, daß der Wärmeübergang von
den Erregerwicklungen auf das Kühlmedium nur direkt erfolgt, wodurch an der Kühlung
lediglich die in nächster Nähe der Erregerwicklungen vorbeistreichenden Partikeln
des Kühlmittels beteiligt sind. Der etwa in der Mitte der Pollücke, in Umfangsrichtung
gesehen, vorbeistreichende Strom des Kühlmittels wird also zur Kühlung der Erregerwicklungen
nur sehr wenig oder gar nicht beitragen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zü beseitigen,
wobei insbesondere darauf Wert gelegt wird, daß auch bei langen Läufern die elektrische
Maschine gleichmäßig gekühlt wird. Auch soll die mechanische Festigkeit des Läufers
sowie
die Halterung der an diesem angeordneten Erregerwicklungen durch vereinfachte konstruktive
Merkmale ausreichend sein.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Führung des Kühlmediums
und Abstützung der Erregerwicklungen in den Pollücken von Schenkelpolläufern elektrischer
Maschinen. Erfindungsgemäß ist in den Pollücken ein Gitterrost angeordnet, wobei
die Durchbrüche des Gitterrostes vorwiegend in radiale Richtung weisen.
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Durch einen derartigen Gitterrost wird erreicht, daß sowohl die Erregerwicklungen
gegen die Fliehkraft in den Pollücken in ausreichender aber einfacher Weise abgestützt
werden können, daß andererseits aber auch gleichzeitig eine den Erfordernissen angleichbare
Führung des Kühlmediums erreicht wird. Durch den Gitterrost, besonders wenn dessen
Durchbrüche mit verschiedenem Querschnitt ausgebildet sind, ist es möglich, das
Kühlmedium definiert an die zu kühlenden Erregerwicklungen zu führen; außerdem wird
der Gitterrost selber zum Wärmeübertrager von den Erregerwicklungen zum Kühlmedium,
da er eng an den Erregerwicklungen anliegen kann. Als Vorteil ergibt sich dabei,
daß auch die in Umfangsrichtung in der Mitte der Pollücke vorbeistreichenden Partikeln
des Kühlmediums zur Wärmeabfuhr, nämlich indirekt über den Gitterrost, mit herangezogen
werden können. Auch wird dadurch gegenüber den bekannten Anordnungen vermieden,
daß Teile des Kühlmediums direkt und ohne an der Wärmeabfuhr von den Erregerspulen
beteiligt zu sein, zum Luftspalt der Maschine gelangen; der Gitterrost wirkt also
auch als Regulator für das Kühlmedium.
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Bildet man den Gitterrost in radialer Richtung so lang aus, daß er
bis zum Außenumfang des Schenkelpolläufers reicht, so wird dieser hinsichtlich seiner
Lüftung und auch der des Ständers in vorteilhafter Weise wie ein Volltrommelläufer
wirken. Kleinere Reibungsverluste und damit ein besserer Wirkungsgrad sind die Folge.
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Man kann außerdem auch die die Durchbrüche begrenzenden Wände des
Gitterrostes ganz oder teilweise verwölbt ausbilden, wodurch das den Läuferkörper
verlassende Kühlmedium entsprechend den jeweiligen Erfordernissen geführt austreten
kann und somit zur weiteren Verbesserung der Kühlung beitragen wird. Es ist auch
möglich, die Wände abschnittsweise verschieden zu verwölben, also beispielsweise
vorwärts und rückwärts oder schräg. Man kann auch in vereinfachter Weise die genannten
Wände des Gitterrostes ganz oder teilweise schräg zum Radius des Schenkelpolläufers
ausbilden.
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Es ist in jedem Fall und prinzipiell ohne besondere Bedeutung, ob
der Gitterrost aus Blechen oder aus Kunststoff oder aus einer Metallegierung hergestellt
ist. Man wird jedoch in allen den Fällen, in denen der Gitterrost nicht aus einfachen,
geometrischen Formen besteht, ein Gußverfahren vorziehen; dabei ist es dann zweckmäßig,
aus Gründen der Gewichtsersparnis sowie der guten Wärmeleitfähigkeit als Material
Aluminium bzw. dessen Legierungen zu verwenden. Es ist auch denkbar, daß ein Teil
der Achslänge der Pollücke vom Gitterrost nicht bedeckt wird, insbesondere also
der dem @ axial eintretenden Kühlmedium zunächst liegende Teil, weil hier die Wärmeabfuhr
direkt und in bereits ausreichendem Maße erfolgt. Ein besonders großer Druckunterschied
zwischen :dem axial am Innenradius eintretenden und am Außenradius austretenden
Kühlmittel wird dadurch erreicht, daß man die Radiendifferenz möglichst groß wählt.
Dazu wird ebenfalls in Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung vorgeschlagen,
die radial innenliegenden Teile des Gitterrostes in Höhe der ebenfalls radial innenliegenden
Teile der Erregerwicklungen beginnend anzuordnen. Auch kann die radiale Länge der
Wände des Gitterrostes unter sich verschieden groß sein. Die Erfindung wird an Hand
der Zeichnung beschrieben, in welcher verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt
sind.
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F i g. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Gitterrostes, wobei die
axiale Richtung der Pollücke entsprechend dem Pfeil l und die Umfangsrichtung der
Pollücke entsprechend dem Pfeil 2 anzusehen ist. Die Durchbrüche 3 des Gitterrostes
sind dabei bereits verschieden groß dargestellt, um eine den jeweiligen Erfordernissen
der Kühlung notwendige Angleichung durch die so definiert hindurchtretende Kühlmittelmenge
zu erreichen. Gleichzeitig dienen die Wände 4 mit ihren Kanten 5 zur Abstützung
der an ihnen anliegenden Erregerwicklungen in den Pollücken.
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F i g. 2 zeigt eine Anordnung eines Gitterrostes in der Pollücke eines
Läufers mit Schenkelpolen 6 einer elektrischen Maschine, wobei an jenen Erregerwicklungen
7 angeordnet sind. Der Gitterrost besteht aus axial gerichteten Wänden 8 und in
Umfangsrichtung gerichteten Wänden 9, wobei letztere, entsprechend den Kanten 5
der F i g. 1, an den Erregerwicklungen 7 anliegen und diese abstützen. Die axial
gerichteten Wände 8 sind dabei verwölbt ausgebildet und bewirken, daß das am Außenumfang
austretende Kühlmedium eine Strömungsrichtung entsprechend den Pfeilen
10 erhält. Das Kühlmedium selber tritt axial entsprechend den Pfeilen 20
in den radial innenliegenden Teil der Pollücke ein und wird dann in radiale Richtung
umgelenkt. Es ist dabei möglich, daß insbesondere die Wände 9 zur Polmitte hin in
den Raum unterhalb des Gitterrostes, in welchen das Kühlmedium axial strömt, hineinragen,
um somit erforderlichenfalls ein definiertes Umlenken des Kühlmediums in radiale
Richtung zu erreichen.
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In F i g. 3 ist eine der F i g. 2 ähnliche Anordnung dargestellt,
wobei jedoch die axial gerichteten Wände 8 (s. F i g. 2) nicht verwölbt, sondern
als schräg zum Radius angeordnete verschieden lange Wände 11 ausgebildet sind. Die
radiale Richtung wird dabei durch 12 angegeben. In diesem Falle tritt das Kühlmedium
nicht unmittelbar radial unterhalb der Erregerwicklungen 7 in den Läuferkörper ein,
sondern in Ausnehmungen 13 des Wellensternes 14, von wo es durch nicht dargestellte
Bohrungen oder Schlitze in radiale Richtung umgelenkt wird.
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Selbstverständlich wäre aber auch insoweit eine Anordnung entsprechend
der F i g. 2 möglich.
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In F i g. 4 wird ein Läuferkörper teilweise und im Schnitt dargestellt,
wobei das Kühlmedium in axiale Bohrungen 15, ähnlich den Ausnehmungen 13 des Wellensterns
14 der F i g. 3, eintritt und durch die radialen Bohrungen 16 in den Bereich der
Pollücke einströmt. Dabei ist der Gitterrost 17 nur im axial innenliegenden Teil
der Pollücke angeordnet, da an den Stirnseiten der Schenkelpole 6 die hier vorhandenen
Teile der Erregerwicklungen 7 genügend
durch direktes Anströmen
des Kühlmediums gekühlt werden.
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F i g. 5 zeigt in einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung
in zwei Varianten die Ausbildung des Gitterrostes 17 gleichzeitig als Träger der
in der Pollücke angeordneten Teile der Dämpferwicklung, also der Dämpferstäbe 18
oder 19 und der (nicht gezeichneten) Teile des Dämpferringes. Es ist auch denkbar,
daß der Gitterrost 17 gleichzeitig selber Teil der Dämpferwicklung ist, also
ohne besonders angeordnete Dämpferstäbe und/oder Teile des Dämpferringes.