DE1226195B

DE1226195B - Liquid-cooled commutator for electrical machines

Info

Publication number: DE1226195B
Application number: DEA37164A
Authority: DE
Inventors: Helge Arnemo
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1960-04-11
Filing date: 1961-04-10
Publication date: 1966-10-06

Description

Flüssigkeitsgekühlter Kommutator für elektrische Maschinen Die Flüssigkeitskühlung elektrischer Maschinen hat allgemein den Vorteil, daß die Kühlwirkung sehr viel intensiver ist als bei einer Luftkühlung. Es genügen deshalb bei gegebener abzuführender Wärmemenge wesentlich kleinere Wärmeaustauschflächen für die Abgabe der Wärme an das Kühlmittel als bei luftgekühlten Kommutatoren. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschinen sind besonders dort von Vorteil, wo nicht genügend Kühlluft zur Verfügung steht und wo die Baugröße der Maschine gering gehalten werden muß.Liquid-cooled commutator for electrical machines Liquid cooling electrical machines generally has the advantage that the cooling effect is very much is more intense than with air cooling. It is therefore sufficient for a given amount to be paid Amount of heat much smaller heat exchange surfaces for the dissipation of the heat the coolant than with air-cooled commutators. Liquid-cooled electrical Machines are particularly advantageous where there is not enough cooling air available and where the size of the machine must be kept small.

Bei luftgekühlten Kommutatoren ist eine Konstruktion bekannt, bei der die Lamellen, wie üblich, auf einem außen zylindrischen Tragkörper angebracht sind. Dieser Tragkörper hat radial nach innen sich erstreckende, parallel zur Axialrichtung liegende Rippen. Auf der Maschinenwelle befindet sich ein im Querschnitt sternförmiger Körper, der radial nach außen sich erstreckende und ebenfalls parallel zur Axialrichtung liegende Rippen aufweist, die die gleiche Teilung haben wie die radial nach innen ragenden Rippen des Tragkörpers des Kommutators. In der montierten Stellung greifen Rippen des auf der Welle sitzenden Körpers zwischen die Rippen des Tragkörpers. Der Tragkörper sitzt dabei auf den äußeren Enden der Rippen des auf der Welle befestigten Körpers. Die Kühlluft streicht durch die Zwischenräume zwischen den Rippen. Bei dieser bekannten Konstruktion ist die Wärmeübertragung von den Lamellen auf die Kühlluft erschwert, da die Wärme zunächst über die elektrische Isolierung und den zylindrischen Teil des Tragkörpers zu den Rippen wandern muß, ehe sie auf die Kühlluft übergehen kann.In the case of air-cooled commutators, a construction is known in which the lamellas, as usual, attached to an externally cylindrical support body are. This support body has radially inwardly extending, parallel to the axial direction lying ribs. On the machine shaft there is a star-shaped cross-section Body, the one extending radially outward and also parallel to the axial direction has lying ribs which have the same pitch as the radially inward protruding ribs of the support body of the commutator. Grasp in the assembled position Ribs of the body seated on the shaft between the ribs of the support body. The support body sits on the outer ends of the ribs of the attached to the shaft Body. The cooling air passes through the spaces between the ribs. at this known construction is the heat transfer from the fins to the Cooling air made more difficult, as the heat initially passes through the electrical insulation and the cylindrical part of the support body must migrate to the ribs before they reach the cooling air can pass.

Bei einem anderen bekannten, mit Luft gekühlten Kommutator ist jede Kommutatorlamelle über ein besonderes Befestigungsteil am Tragkörper befestigt. Der Befestigungsteil greift mit einer Verzahnung in die Lamelle ein und ist am Tragkörper in einer T-Nut gehalten, in die ein entsprechender T-förmiger Fuß des Befestigungsteiles eingreift. Dieser Fuß ist von einer Isolierschicht umgeben. Zwischen dem Tragkörper und den Lamellen besteht ein radialer Abstand, so daß zwischen Tragkörper, Lamellen und den schmalen Befestigungsteilen Luftkanäle bestehen. Ein solcher Kommutator ist für Flüssigkeitskühlung nicht geeignet, da die radial innen liegenden Lamellenseiten nicht isoliert sind und über die Flüssigkeit elektrischen Kontakt bekommen würden. Auch sind die mit der isolierenden Zwischenlage versehenen Lamellenzwischenräume in der Regel nicht flüssigkeitsdicht und auch axial nicht abgeschlossen. Ferner sind luftgekühlte Kommutatorlamellen bekannt, die radial nach innen gerichtete Rippen aufweisen, die von der Kühlluft bestrichen werden.In another known air-cooled commutator, each Commutator bar attached to the support body via a special fastening part. The fastening part engages with a toothing in the lamella and is on the support body held in a T-slot into which a corresponding T-shaped foot of the fastening part intervenes. This foot is surrounded by an insulating layer. Between the support body and the lamellae there is a radial distance, so that between the support body, lamellae and the narrow fastening parts consist of air ducts. Such a commutator is not suitable for liquid cooling, as the lamella sides are located radially on the inside are not insulated and would make electrical contact through the fluid. The lamella gaps provided with the insulating intermediate layer are also usually not liquid-tight and also not closed axially. Further air-cooled commutator segments are known which have ribs directed radially inward have, which are swept by the cooling air.

Die Erfindung betrifft die -Flüssigkeitskühlung eines Kommutators. Hierbei bestehen wegen der notwendigen Isolierung der Lamellen gegen ihren Tragkörpers besondere Probleme. Das bisher allgemein übliche Aufschrumpfen des Lamellenkranzes auf einen Isoliermantel ergab für eine Innenkühlung erhebliche Schwierigkeiten, da die elektrische Isolierung die Wärmeableitung nach innen behinderte.The invention relates to liquid cooling of a commutator. Here exist because of the necessary insulation of the slats against their support body special problems. The previously common shrinking of the lamellar ring on an insulating jacket resulted in considerable difficulties for internal cooling, because the electrical insulation hindered the heat dissipation to the inside.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Kommutator zu schaffen, bei dem die Lamellen besonders intensiv gekühlt werden, wobei der Aufbau des Kommutators eine gute, durch Wärmedehnungen nicht beeinträchtigte Formbeständigkeit haben soll. Die Erfindung macht dabei von bei luftgekühlten Kommutatoren an sich bekannten Merkmalen Gebrauch, nämlich von nach innen gerichteten Fortsätzen, zwischen die von innen nach außen ragende Rippen eingreifen bzw. denen solche Rippen versetzt gegenüberstehen.The invention is based on the object of a liquid-cooled To create a commutator in which the lamellas are cooled particularly intensively, whereby the construction of the commutator did not affect a good one by thermal expansion Should have dimensional stability. The invention makes it possible to use air-cooled commutators use of known features, namely inwardly directed projections, engage between the ribs protruding from the inside to the outside or where such ribs face offset.

Der erfindungsgemäße flüssigkeitsgekühlte Kommutator ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutatorlamellen nach innen gerichtete rippenförmige Verlängerungen aufweisen, die in eine isolierende Unterlage eingreifen, und daß ein innerhalb dieser Unterlage angeordneter, mit Kühlkanälen versehener Kühlkörper nach außen gerichtete Rippenfortsätze besitzt, die ebenfalls in die isolierende Unterlage der Lamellen eingreifen und derart gegen die rippenförmigen Verlängerungen der Lamellen am Umfang versetzt sind, daß sie jeweils zwischen zwei benachbarten derartigen Verlängerungen liegen.The liquid-cooled commutator according to the invention is characterized in that that the commutator segments have inwardly directed rib-shaped extensions, which engage in an insulating base, and that one within this base arranged, provided with cooling channels cooling body outwardly directed rib extensions owns, which is also in the insulating pad of the Slats engage and so against the rib-shaped extensions of the lamellas on the circumference are offset that they are each between two adjacent such extensions lie.

Bei diesem Aufbau des Kommutators erhält man 'ohne Vergrößerung der Außenmaße große Wäimeübertragungsflächen und zugleich kleine Wege für die Wärmeübertragung. Durch die Erfindung wird die Wärmeableitung zu innen angeordneten Kühlkanälen sehr erheblich verbessert und, zugleich das Aufschrumpfen des Lamellenkranzes überflüssig gemacht. Die Rippenfortsätze, die einerseits von den Lamellen und andererseits von dem innenliegenden Kühlkörper in die isolierende Unterlage der Lamellen hineinragen, ergeben einerseits eine sichere mechanische Verbindung und andererseits sehr kurze Wärmewege von großen Querschnitten.With this construction of the commutator one obtains' without increasing the External dimensions large heat transfer areas and at the same time small paths for heat transfer. The invention makes the heat dissipation to the cooling channels arranged inside very much Significantly improved and, at the same time, the need for shrinking the lamellar ring is superfluous made. The costal processes, on the one hand by the lamellae and on the other hand by the internal heat sink protrude into the insulating base of the fins, result in a secure mechanical connection on the one hand and a very short one on the other Thermal paths from large cross-sections.

Vorzugsweise verlaufen die bei der Erfindung verwendeten, Kühlwasser führenden Kanäle wie bei den oben beschriebenen bekannten luftgekühlten Kommutatoren in axialer Richtung. ' Um den Wärmeübergang nicht zu beeinträchtigen, besteht; die isolierende Unterlage vorteilhafterweise aus einem elektrisch isolierenden und zugleich wärmeleitenden Stoff, z. B. aus einer Quarzmischung. Die Verwendung solcher Quarzmischungen ist im Elektromaschinenbau an sich bekannt. Als isolierende Unterlage ist auch Silikongummi besonders geeignet.The cooling waters used in the invention preferably run leading channels as in the known air-cooled commutators described above in the axial direction. 'In order not to impair the heat transfer, there is; the insulating pad advantageously made of an electrically insulating and at the same time thermally conductive material, e.g. B. from a quartz mixture. The use of such quartz mixtures is known per se in electrical engineering. Silicone rubber is also used as an insulating pad particularly suitable.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Rippenfortsätze des Kühlkörpers aus einem Stück mit einem Kühlmantel; welcher unmittelbar an den Kühlleitungen anliegt. Die Rippenfortsätze des Kühlkörpers können aber auch aus einem Stück mit je einem der Kühlkanäle bestehen.In one embodiment of the invention, the rib extensions exist the heat sink in one piece with a cooling jacket; which directly to the Cooling lines are present. The rib extensions of the heat sink can also be made from one piece with one of the cooling channels each.

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt; es zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt durch einen Kommutator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; F i g. 2 einen Schnitt nach Linie A-A in F i g. 1, F i g. 3 einen senkrecht zur Kommutatorachse gelegten Teilschnitt durch einen Kommutator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und F i g. 4 einen ebenfalls senkrecht- zur Kommutatorachse gelegten weiteren Schnitt durch einen Kommutator gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.In the drawing, three exemplary embodiments of the invention are shown; it shows F i g. 1 shows an axial section through a commutator according to a first embodiment the invention; F i g. 2 shows a section along line A-A in FIG. 1, Fig. 3 one Partial section, perpendicular to the commutator axis, through a commutator according to FIG a second embodiment of the invention and FIG. 4 also a vertical to the commutator axis placed further section through a commutator according to a third embodiment of the invention.

In F i g. 1 ist ein Kommutator einer Gleichstrom-oder anderen Kommutatormaschine im Längsschnitt gezeigt. Eine Kommutatorlamelle 11 ist auf an sich bekannte Weise mittels Druckringen 12, 13 befestigt, die ihrerseits mit Bolzen 14,15 an der Rotornabe befestigt sind. Die Ausgleichsverbindungen sind mit 16 bezeichnet und die Isolation zwischen den Schichten mit 17. Die Isolation zwischen den Druckringen 12,13 und den Lamellen 11 ist mit 18 bezeichnet, die Lamellen 11 sind voneinander in bekannter Weise isoliert, z. B. mit Glimmerschichten 19 (F i g. 2). Unmittelbar unter den Lamellen 11 ist eine Unterlage 20 -aus einem Füllstoff angebracht, z. B. aus dem. obenerwähnten Material. Dieser Füllstoff kann auch aus Silikongummi bestehen, das einen Wärmeüberleitungskoeffizienten hat, der 15- bis 20mal größer als der der Luft ist. In F i g. 2 besteht der Füllstoff aus Silikongummi, demgegenüber ist in den F i g. 3 und 4 für die Unterlagen 21,- 22 ein Füllstoff aus - Quarz verwendet. Der Füllstoff soll gleichzeitig ein guter elektrischer Isolator und ein guter Wärmeleiter sein.In Fig. 1 shows a commutator of a direct current or other commutator machine in longitudinal section. A commutator bar 11 is fastened in a manner known per se by means of pressure rings 12, 13, which in turn are fastened to the rotor hub with bolts 14, 15. The compensating connections are denoted by 16 and the insulation between the layers by 17. The insulation between the pressure rings 12, 13 and the lamellae 11 is denoted by 18, the lamellae 11 are insulated from one another in a known manner, for. B. with mica layers 19 (FIG. 2). Immediately under the slats 11 is a pad 20 made of a filler, z. B. from the. material mentioned above. This filler can also consist of silicone rubber, which has a coefficient of heat transfer that is 15 to 20 times greater than that of air. In Fig. 2 consists of the filler made of silicone rubber, on the other hand is in the F i g. 3 and 4 a filler made of quartz is used for the bases 21, 22. The filler should be a good electrical insulator and a good heat conductor at the same time.

Die Kühlkanäle 23 sind hauptsächlich axial unter den aus Füllstoffen bestehenden Unterlagen 20 bis 22 in, genügender Anzahl nebeneinander um die Nabe angeordnet. Der Zufluß des Kühlmittels, z. B. Wasser, kann von der mit Bohrungen versehenen Rotorwelle (nicht gezeigt) erfolgen, und das Kühlmittel kann durch ganz oder teilweise radial gerichtete Stichkanäle 24, 25 (F i g. 1) zu- und abgeleitet werden. Diese Stichkanäle können in geeigneter Weise getrennt oder im Rotoreisen oder auch teilweise in den Druckringen 12,13 vorgesehen sein. . Für- -den Kühlmittelumlauf kann eine außerhalb oder innerhalb der Maschine angeordnete Pumpe (nicht gezeigt) verwendet werden. Gemäß der Erfindung, sollen die Kühlkanäle 23 oder mit ihnen in enger wärmeleitender Berührung stehende Rotorteile hauptsächlich radial gerichtete Rippenfortsätze 27 aufweisen, z: B. Flansche oder Flanschteile, Bolzen usw. In der Ausführungsform gemäß F i g. 2 sind die Kühlkanäle zwischen metallischen Teilen des -Rotors 26 angeordnet, die radial gerichtete Rippenfortsätze 27 aufweisen oder an denen in geeigneter Weise solche Rippenfortsätze 27 befestigt sind (durch Schweißen, Löten od. dgl.). Zwischen den Rippenfortsätzen und dem Füllstoff sind geeignete Zwischenlagen 28 aus bandförmiger Kunststoffolie angeordnet, z. B. ein Polyäthylenglykolterephthalatband. Die radial nach innen gerichteten Teile der Lamellen 11 sind in diesem Fall an der einen Seite mit schmalen Verlängerungen 29 versehen, die paarweise die dazwischenliegende Glimmersehicht 19 umgeben (F i g. 2). Die Rippenfortsätze 27 sollen sich zwischen die nach innen gerichteten Verlängerungen 29 der Lamellen 11 erstrecken oder wenigstens in Richtung der Zwischenräume verlaufen, In dem gezeigten Beispiel sind die Rippenfortsätze 27 und die Verlängerungen 29 der Lamellen 11 in einer zahnradähnlichen Weise ineinander hineingeschoben. Man erhält in dieser Weise große Wärmeüberführungsflächen und kurze übertragungswege. Die Wärmeleitfähigkeit des Füll-Stoffes 20 ist, wie erwähnt, gut. Es ist denkbar, daß der Füllstoff einige Inhomogenitäten in Form von Lufteinschlüssen enthält, die schlechte Wärmeüberleitungseigenschaften verursachen. Es ist auch denkbar, daß aus thermischen Gründer< die Berührung zwischen dem Füllstoff und dem äußeren Teil des Rippenfortsatzes 27 mangelhaft werden kann, z. B. ebenfalls durch einen Lufteinschluß. Da die Wärmeübertragungsflächen sich hauptsächlich in radialer Richtung erstrecken, sind solche Lufteinschlüsse von geringer Bedeutung für die Kühlung, und die Lamellen 11 werden trotz dieser möglichen Lufteinschlüsse eine wirksame Kühlung erhalten.The cooling channels 23 are arranged mainly axially under the pads 20 to 22 made of fillers in a sufficient number next to one another around the hub. The inflow of coolant, e.g. B. water, can take place from the rotor shaft provided with bores (not shown), and the coolant can be supplied and discharged through wholly or partially radially directed branch channels 24, 25 (FIG. 1). These branch channels can be provided separately or in a suitable manner in the rotor iron or also partially in the pressure rings 12, 13. . A pump (not shown) arranged outside or inside the machine can be used for the coolant circulation. According to the invention, the cooling channels 23 or rotor parts which are in close thermally conductive contact with them should have mainly radially directed rib extensions 27, for example flanges or flange parts, bolts, etc. In the embodiment according to FIG. 2, the cooling channels are arranged between metallic parts of the rotor 26 which have radially directed rib extensions 27 or to which such rib extensions 27 are fastened in a suitable manner (by welding, soldering or the like). Between the rib extensions and the filler, suitable intermediate layers 28 made of ribbon-shaped plastic film are arranged, e.g. B. a polyethylene glycol terephthalate tape. The radially inwardly directed parts of the lamellae 11 are in this case provided on one side with narrow extensions 29, which in pairs surround the intermediate mica layer 19 (FIG. 2). The rib extensions 27 should extend between the inwardly directed extensions 29 of the slats 11 or at least run in the direction of the interspaces.In the example shown, the rib extensions 27 and the extensions 29 of the slats 11 are pushed into one another in a gear-like manner. In this way, large heat transfer surfaces and short transfer paths are obtained. As mentioned, the thermal conductivity of the filler material 20 is good. It is conceivable that the filler contains some inhomogeneities in the form of air pockets which cause poor heat transfer properties. It is also conceivable that thermal founders <the contact between the filler and the outer part of the rib extension 27 can be deficient, z. B. also by an air pocket. Since the heat transfer surfaces extend mainly in the radial direction, such air inclusions are of little importance for the cooling, and the fins 11 are effectively cooled despite these possible air inclusions.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. 11 bezeichnet wiederum die Kommutatorlamellen einer Kommutatormaschine, z. B. eines Gleichstrommotors. Die Lamellen 11 sind durch Glimmerschichten 19 getrennt, und die Verlängerungen 29 der Lamellen 11 sind hauptsächlich in derselben Weise wie in F i g. 2 angeordnet. Innerhalb der Lamellen befindet sich eine Unterlage 21 mit einem Füllstoff aus einer Quarzmischung. Unterhalb der Unterlage 21 sind die Kühimittelkanäle 23 angeordnet, die mit in den Füllstoff 21 hineinragenden Rippenfortsätzen 30 versehen sind. Die Rippenfort- Sätze 30 bestehen mit den Kühlkörpern aus einem Stück oder sind durch Schweißen oder Löten an diesen befestigt.F i g. 3 shows another embodiment of the invention. 11 designated turn the commutator bars of a commutator machine, e.g. B. a DC motor. The lamellae 11 are separated by mica layers 19, and the extensions 29 of the slats 11 are mainly in the same manner as in FIG. 2 arranged. Within the lamellae there is a base 21 with a filler made of a Quartz mixture. The coolant channels 23 are arranged below the base 21, which are provided with rib extensions 30 projecting into the filler 21. the Costal Sets 30 are made in one piece with the heat sinks or are attached to them by welding or soldering.

F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verlängerungen 31 sich in der Mitte der Lamellen 11 befinden. In diesem Fall ist der Abstand zwischen den Verlängerungen 31 der Lamellen und den Rippenfortsätzen 32 der Kühlkörper mit den Kühlkanälen 33 größer. Die Rippenfortsätze 32 sind mit einem Kühlmantel 34 verbunden, der ein Teil des Rotors ist und mit dem die Kühlmittelkanäle 33 in wärmeleitender Berührung stehen. Die Rippenfortsätze 32 liegen ebenfalls zwischen den Lamellenverlängerungen 31. Zur Verdeutlichung der Wärmeleitung in den verschiedenen Stoffen dienen die folgenden Wärmeüberleitungskoeffizienten (bei 18° C): Kupfer A, = 395, Eisen A. = 84, Luft .1= 0,025, Füllstoff Ä =0,5 bis 1,0 W/m - C.F i g. 4 shows a further embodiment of the invention in which the extensions 31 are located in the middle of the slats 11. In this case is the distance between the extensions 31 of the lamellae and the rib processes 32 the heat sink with the cooling channels 33 is larger. The rib extensions 32 are with connected to a cooling jacket 34, which is part of the rotor and with which the coolant channels 33 are in thermally conductive contact. The rib extensions 32 are also located between the lamellar extensions 31. To clarify the heat conduction in the various The following heat transfer coefficients are used for substances (at 18 ° C): Copper A, = 395, iron A. = 84, air .1 = 0.025, filler Ä = 0.5 to 1.0 W / m - C.

In sämtlichen gezeigten Fällen wird die Wärme von den Lamellen 11 *irksam zu den Kühlmittelkanälen geleitet.In all of the cases shown, the heat is dissipated from the fins 11 * effectively routed to the coolant ducts.

Claims

Claims: 1. Liquid-cooled commutator for electrical machines with lamellae arranged in the axial direction, characterized in that the lamellae (11) have inwardly directed rib-shaped extensions (29, 31) which are inserted into an insulating base (20, 21, 22) intervene, and that a heat sink provided with cooling channels (23, 33) and arranged within this base has outwardly directed rib extensions (27, 30, 32) which likewise engage in the insulating base of the lamellas and thus against the rib-shaped extensions ( 29, 31) of the lamellae (11) are offset on the circumference so that they each lie between two adjacent such extensions (29, 31).

2. Liquid-cooled commutator according to claim 1, characterized characterized in that the cooling channels (23, 33) extend axially.

3. Liquid cooled Commutator according to Claim 1 or 2, characterized in that the insulating support (20, 21, 22) made of an electrically insulating and at the same time thermally conductive filler consists.

4. Liquid-cooled commutator according to claim 3, characterized in that that the insulating pad (20, 21, 22) consists of silicone rubber.

5. Liquid cooled Commutator according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the rib extensions (32) of the heat sink in one piece with a cooling jacket (34), which is directly on the cooling channels (33).

6. Liquid-cooled commutator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rib extensions (30) of the heat sink are in one piece, each with one of the cooling channels (23). Considered publications: German Patent Nos. 219 308, 275 201, 433 209, 647 316, 702 901, 877 035; Austrian Patent No. 151584; British Patent No. 587,676; USA: Patent Nos. 2,297,521, 1739 137, 2353336.