DE1488525C - Flussigkeitsgekuhlte Wirbelstrommaschi ne (Dynamometer) - Google Patents

Description

1 488 625

1 , 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine fiUssigkelts- dauernd annähern. Es Ist Jedooh bekannt, daß nicht

gekühlte Wirbelstromrnasohine, insbesondere Dyna« die maximale Temperaturdifferenz zwischen den mit-

mometer, mit einem Pole bildenden Rotor und einem einander in Wärmeaustausch stehenden Medien für

an der Innenseite eine oder zwei In axialer Richtung den günstigsten WBremaustauson maßgebend Ist, sonnebeneinanderliegender Wirbelstromtrommeln tra- S dern daß eine mittlere Temperaturdifferenz die ent-

genden Stator, der mit der üußeren Oberflache der scheidende Größe für den Wärmeübergang und

Wirbeliitromtrommeln einen oder mehrere rlngför- ■ damit für die Kühlung darstellt (britische Patent-

mige Spalte bildet und der In seiner Mitte einen schrift 904736 und USA-Palentschrift 2490531).

ringförmigen Raum auf drei Seiten umschließt, dessen Es ist ebenfalls eine Wlrbdstrommaschine der einvierte, radial innen liegende Seite von einem einen io gangs definierten Art bekannt, bei der das Kühlmittel

ringförmigen Durchlaß aufweisenden Ring gebildet nicht unmittelbar nach dem Eintritt in die Maschine

ist, bei welcher Maschine ferner in dem ringförmigen mit dem wärmsten zu kühlenden Teil in Berührung

Raum ein« ringförmige Feldspule mit allseitigem kommt, sondern zunächst die Feldspule umströmt

Abstand angeordnet und von Kühlflüssigkeit um- und danach erst zum heißesten Teil der Wirbelstrom, strömt ist, die diesen Raum durci. den ringförmigen 13 maschine, also der Oberfläche der Wirbelstromtrom-

Durchluß wieder verlaßt und in den Luftspalt zwi- mel, fließt. Zwangläuflg muß das noch kalte KUhI-

schen dem Rotor und der oder den Wirbelstrom- mittel hierbei einen Teil der in der Feldspule erzeug-

trommel(n) eintritt, von wo aus die Kühlflüssigkeit ten Wärme aufnehmen (deutsche Patentschrift

in zwei Teilströmen von der Mftte der Maschine aus ' 834 870).

jeweils an der zylindrischen Innenwandung der Wir- ao Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be-

belstromtrommel oder -trommeln in seitliche, ring- steht darin, das zuvor beschriebene vorteilhafte

förmige Sammelstutzen abfließt, die mit Auslaßöff- Gleichstrom-KUhlprinzip weher zu verbessern,

nungen versehen sind. Ausgehend von der flüssigkeitsgekühlten Wirbel-

Ein Dynamometer der allgemeinen Art, auf welche sternmaschine der eingangs definierten Art wird diese sich die Erfindung bezieht, ist beispielsweise in der »5 Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die

USA-Patentschrift 2 367 163 gezeigt. Solche Maschi- Kühlflüssigkeit vor Eintritt in den die Feldspule ent-

nen nehmen Drehmoment auf und bilden dadurch haltenden Raum zunächst den oder die von der

Leistungsmeßgeiäte und während ihres Einsatzes äußeren Oberfläche der Wirbelstromtrommeln und

wandeln sie mechanische Energie in absorbierte dem Stator gebildeten ringförmigen Spalte durch-Wärme um, die ihrerseits durch ein Kühlmittel ab- 30 strömt, die als ringförmige erste und zweite Kam-

geführt werden muß. Im allgemeinen gibt man den mern ausgebildet sind.

Leistungsbereich, d. h. die Grenze der Leistungsauf- Es hat sich gezeigt, daß trotz der guten Wärmenahme einer solchen Maschine an in PS, weiche leitfähigkeit des Materials der Wirbelstromtrommel, ein ohne Auftreten von Schäden noch aufgenommen Temperaturgefälle in dem Material zwischen den radial werden können. Ein wichtiger Faktor, welcher die 35 außen liegenden Zonen und der innenliegenden Leistungsaufnahme begrenzt, ist der Wirkungsgrad Oberfläche der Wirbelstrorntrommel aufgebaut wird, der Kühlung der Wirbelstrom-Induktortrommeln. In Dies läßt sich dadurch erklären, daß ab einem bediesem Sinne hängt der Wirkungsgrad teilweise vom stimmten Punkt der Energieaufnahme die Wärme-Aufrechterhalten eines großen und gleichmäßig ver- abfuhr durch das Material der Wirbelstromtrommel teilten Temperaturgradienten über die ganzen Flä- 40 kleiner wird als die auf der innenliegenden Oberchen der Trommeln ab, in welchen die Wirbelströme fläche der Wirbelstromtrommel zugeführte oder entfließen, da sonst der Wärmeübergang in das Kühl- stehende Wärmemenge. Das heißt mit anderen Wormittel begrenzt ist und zu große thermische verschie- ten, daß die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit dene Belastungen auftreten können, welche bis zum auch eines sehr guten Wärmeleiters begrenzt ist und Brechen der Induktorringe oder -trommeln führen 45 über einer bestimmten Leistungsaufnahme der Makönnen. Mit Hilfe der Erfindung werden die Nach- schine die Wärmezufuhrgeschwindigkeit die Wärmeteile bekannter Maschinen überwunden und man ableitgeschwindigkeit überschreitet. Daraus ergibt erhält eine besonders hohe Leistungsaufnahme, weil sich jedoch, daß mit zunehmender Energieaufein sehr hoher Wärmeübergang stets aufrechterhal- nähme der Wirbelstrommaschine eine Kühlung gemäß ten wird, ohne daß dabei mechanische oder 50 dem Gleichstromprinzip immer mehr zur Geltung thermische Beanspruchungen auftreten, die für die kommt, also z. B. bei der höchstmöglichen und zuMaschine gefährlich sein können. lässigen Energieaufnahme der Maschine voll zur Bei einer bekannten Wirbelstrommaschine wird Wirkung gelangt. Im unteren Leistungsbereich der das Kühlmittel oder zumindest der wesentliche Teil Wirbelstrorritnaschine wird jedoch das Gleichstromdes Kühlmittels unmittelbar nach seinem Eintritt in 55 prinzip immer weniger wirkungsvoll, was jedoch für die Maschine — also in seinem kältesten Zustand — die gesamte Betriebsweise keinerlei Nachteil bedeutet, mit dem wärmsten zu kühlenden Teil der Maschine da im unteren Leislungsaiifnahrneberetch der Main Berührung gebracht. Hierbei strömt das Kühlungs- schine insgesamt sehr viel weniger Wärme abgemittel also zunächst entlang der Umfangsflächen führt werden braucht.

zwischen Rotor und Stator der Maschine und gelangt ⁶° Durch die Gleichstromkühlung nach der vorlie-

erst anschließend in den Bereich der Feldspule, um genden Erfindung wird auch im Gegensatz zur Ge-

diese zu kühlen. Bei dieser Art der Kühlung stoßen genstromkühlung den Temperaturausdehnungskoef-

also zwei in Wärmeaustausch stehende Medien mit fizienten des unterschiedlichen Materials wie z. B.

den am weitesten auseinanderliegenden Temperatu- Wirbelstromtrommel, Feldspule, Rotor auf bestmög-

ren aufeinander. Der Temperaturgradient dieser Ge- 65 liehe Weise Rechnung getragen. Dies ist insbeson-

genstromkühlung ändert sich längs des Weges des dere für hochtourig laufende Maschinen der vorlie-

Kühlmittels, da sich ja die Temperaturen der beiden genden Gattung von größter Bedeutung,

miteinander in Wärmeaustausch stehenden Medien Bei einer besonders vorteilhaften Ausführunc der

Wlrbelstrommaschine ist nach der Erfindung vorge- verlaufender Einlaßkanal S3. Die Kammer 4S ist sehen, daß die ersten Kammern einerseits an ihrer durch eine seitliche Öffnung 46 mit dem Raum 17,19 oberen Begrenzung mit dem KUhlrnltteleinlaß Über verbunden, in welchem die Feldspule 21 angeordnet einen nxial verlaufenden Einlaßkanal in Verbindung ist; die Kammer 47 Ist mit diesem Raum durch eine stehen und an ihrer unteren Begrenzung in Längs· 8 seitliche öffnung 48 verbunden. Der Einlaßkanal 53 kanüle münden, die die ersten Kammern mit den steht mit der Kammer 43 über eine öffnung 55 und zweiten Kammern verbinden, welche zwei Kammern mit der Kammer 49 über eine öffnung 57 In Verbinden die Feldspule enthaltenden Raum jeweils be· dung. Bei 59 ist ein KuhlflUsslgkoltseinlaß dargestellt, nachbart sind und mit diesem Raum über Öffnungen der über ein Kniestück 63 mit einem flexiblen Rohr in Verbindung stehen. Es kann hierbei sehr zweck- io 61 verbunden ist. Das andere Ende dieses Rohres 61 mlißig sein, daß die ringförmigen Kammern jeweils ist mit dem Einlaßkanal 53 über eine U-förmige aus einer ringförmigen Nut auf der Außenseite der . Rohrverbindung 65 verbunden. Durch die Flexibilität Wirbelstromtrommel bzw. Wirbelstromtrommeln im des Rohres 61 Ist ein Hin- und Herdrehen des Stators Bereich des Luftspaltes bestehen. 11 möglich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung 15 An die äußeren Enden der ringförmigen Abschnitte ergeben "sich aus der nun folgenden Beschreibung 13 und 15 des Stators H sind ringförmige Sammeleines AusfUhrungsbeispiels unter Hinweis auf die stutzen 67 oder 69 angeschraubt. Innerhalb dieser Zeichnung, in welcher ein Axialschnitt durch eine Stutzen 67 und 69 sind Halterungen 71 oder 73 an Wirbelstrommaschine nach der Erfindung dargestellt diese angeschraubt, in welchen selbst die äußeren ist. ao Ringe der Lager 9 angeordnet sind. Die Innenringe

Mit 1 ist in der Zeichnung eine Welle bezeichnet, dieser Lager werden von der Welle 1 getragen. An

an deren einem Ende beispielsweise die Maschine jede dieser Halterungen 71 und 73 ist ein geöffnetes,

angeschlossen werden kann, die hinsichtlich ihrer d.h. mit Bohrung versehenes Teil angeschraubt,

Leistung untersucht werden soll. Auf die Welle 1 ist welches einen Lagerzapfen 87 bildet. Die Lager-

bei 3 ein Feld polarisierender Rotor 5 aufgekeilt, der as zapfen 87 enthalten Labyrinthdichtungen 75 und 77

sich axial erstreckende mit gegenseitigem Abstand Ölabweiser79 und Lagerbelüftungskanäle 81. Der

angeordnete und die Pole bildende Zähne 7 hat. untere Abschnitt des ringförmigen Sammelstutzens

Diese Zähne erstrecken sich vom einen Rnde des 67 bildet eine Verbindung zur Auslaßöffnung 83. In

Rotors 5 bis zum anderen. Die Welle wird in gleicher Weise bildet der untere Abschnitt des ring-

Lagern 9 hin und her drehbar gelagerten Induktor- 30 förmigen Sammelstutzens 69 eine Verbindung mit

anordnung gehaltert. Diese Induktoranordnung wird einer Auslaßöffnung 85.

meist als Stator 11 bezeichnet, selbst wenn sie in Normalerweise ist beim Betrieb eines solchen Dy-

einer zur Hin- und Herdrehung geeigneten Weise namometers der Stator U so gelagert, daß eine

gelagert ist. Wenn man die dargestellte Wirbelstrom- Winkeldrehung um die Lagerzapfen 87 möglich ist.

maschine nur als Bremse verwenden will, dann wird 35 Die feststehenden Halterungen und Lager für die

man den Stator 11 fest anordnen. Der Stator 11 hat Lagerzapfen 87 sind nicht dargestellt. Ebenso wenig

ein Gehäuse, welches aus magnetisierbaren ringför- ist die ganze Einrichtung zum Drehmomentmessen

migen Abschnitten 13 und 15 besteht. Diese beiden mit Hilfe des Induktors nicht dargestellt, da alle

Abschnitte umschließen einen ringförmigen Raum 17, diese Einzelheiten an sich dem Fachmann bekannt

19, in dem eine ringförmige Feldspule 21 angeordnet 40 sind. Ebenfalls ist die Schaltung für die Feldspule 21

ist. Die Feldspule 21 ist in einem flüssigkeitsdichten bekannt, durch welche ein toroidförmiges Feld

Gehäuse 23 eingeschlossen und wird zwischen den erzeugt wird. Dieses Feld wird mit Hilfe der zahn-

Abschnitten 13 und 15 durch Abstandsringe 25 und artigen Pole 7 polarisiert. Bei Drehung des Rotors 5

27 an ihrer Stelle fest gehaltert. Die Abstandsringe 25 induziert das polarisierte Feld Wirbelströme an den

und 27 sind mit Kanälen 26 bzw. 28 versehen, die in 45 inneren Oberflächen der Wirbelstromtrommeln 29

radialer Richtung verlaufen können. Die beiden und 31. Diese Wirbelströme erzeugen magnetische

Abschnitte 13 und 15 sind in bekannter Weise mittels Felder, welche mit dem polarisierten Feld zusam-

nicht gezeigter Bolzen miteinander verbunden. menwirken und ein Drehmoment erzeugen. Die

In den ringförmigen Abschnitten 13 und 15 sind Wirbelströme haben nahe der Innenfläche der Trom-

magnetisierbare Wirbelstromtrommeln 29 bzw. 31 an- 50 mel 29 und 31 ihren größten Wert, und infolgedessen

geordnet. Diese Trommeln 29 und 31 sind auf ihrem werden diese Teile der Maschine auch auf die höch-

Außenumfang mit Nuten 33 versehen, welche ring- sten Temperaturen geheizt. Diese hier entstehende

förmige Kühlflüssigkeitskanäle bilden. Die innere Wärme muß wirkungsvoll abgeleitet werden, ohne

Oberfläche einer jeden Wirbelstromtrommel 29 und daß die Wirbelstromtrommeln 29,31 Schaden leiden.

31 ist zylindrisch ausgebildet und hat einen geringen 55 Der Weg des Kühlungsmittels, welches normaler-

Abstand zu den die Pole bildenden Zähnen 7. Da- weise Wasser ist, ist in der Zeichnung mit Pfeilen

durch werden Luftspalte 35 und 37 gebildet. Zwi- angedeutet. Vom Kühlflüssigkeitseinlaß 59 fließt die

sehen den Wirbelstromtrommeln 29 und 31 sind Kühlflüssigkeit durch das Rohr 61 zum Einlaßkanal

Ringe 39 und 41 angeordnet, die -vorzugsweise nicht 53, von wo aus es durch die öffnungen 55 und 57

magnetisierbar sind. Diese Ringe 39 und 41 haben 60 in die Kammern 43 und 49 tritt. Der Kühlflüssig-

einen Abstand zueinander, um einen am Umfang keitsstro-m spaltet sich dabei auf und fließt durch die

liegenden Durchlaß 42 zu bilden, welcher den, die äußeren Nuten 33 der Wirbelstromtrommein 29 und

Feldspule 21 enthaltenen Raum mit den Luftspalten 31 in zwei Halbkreisen nach unten. An der in der

35 und 37 verbindet. In den oberen Bereichen der Zeichnung unteren Seite der Trommeln 29 und 31

den Stator bildenden ringförmigen Abschnitte 13 und 63 wird das Wasser dann aus den Nuten kommend in

15 ist eine Reihe von Kammern 43,45,47 und 49 Richtung auf die Mitte der Maschine durch die

angeordnet, die alle von einer Wand 51 verschlossen Längskanäle 30 und 32 geleitet. Dann teilt sich der

sind. Über dieser Wand 51 befindet sich ein längs Kühlflüssigkeitsstrom wieder in zwei halbkreisförmige

Kühlflüssigkeitsströme auf, die über die axial innen liegenden Nuten 33 wieder nach oben in die beiden inneren Kammern 45 und 47 neben der Feldspule 21 gelangen. Von den Kammern 45 und 47 fließt die Kühlflüssigkeit in den Raum 17,19 durch die öffnungen 46 und 48, in welchen die Feldspule 21 angeordnet ist. Dadurch wird somit die Feldspule 21 gekühlt. Aus diesem Raum gelangt das Wasser dann durch den ringförmigen Durchlaß 42 in den Raum zwischen Rotor und Stator. Von da aus wird die Kühlflüssigkeit dann durch Zentrifugalwirkung von den Polen nach außen, d. h. an die Innenseite der Wirbelstromtrommeln 29 und 31 geschleudert. Im ganzen fließt die Kühlflüssigkeit dann in entgegengesetzten Richtungen durch die Luftspalte 35 und 37 in Richtung auf die Sammelstutzen 67 und 69. Da der Kühlflüssigkeitsstrom durch den Luftspalt 35, 37 sowohl eine axiale als auch eine tangetitiale Strömungskomponente hat, fließt die Kühlflüssigkeit mit entgegengesetzter schraubenförmiger Bewegung von dem Luftspalt zu den Sammelstutzen 67 und 69. Von den Sammelstutzen 67 und 69 gelangt das Wasser dann durch Schwerkraft in die Auslaßöffnungen 83 und 85.

Eine bekannte Maschine, die mit dem oben beschriebenen Kühlsystem und insbesondere dem beschriebenen Kühlmittelverlauf ausgestattet worden war, konnte anstatt der vorherigen Nennleistung von 250PS nunmehr 900 PS aufnehmen, ohne daß auf Grund irgendwelcher thermischen Spannungen die Gefahr bestand, daß die Wirbelstromtrommeln 35 und 37 springen. Dabei wurde außerdem selbst bei der erheblich höheren Leistung eine niedrigere Innentemperatur erzielt, als dies vorher der Fall war. Der Grund für diese überraschende Verbesserung ist folgender: Die heißesten Teile der Wirbelstromtrommeln 29 und 31 sind die Innenflächen, die den Luftspalt 35, 37 begrenzen. Im Bereich der Nuten 33 ist die Temperatur etwas niedriger, obwohl sie immer noch relativ hoch ist. Die kälteste Kühlflüssigkeit, die nach unten und nach oben jeweils in halbkreisförmige Ströme gespalten wird, kommt mit den kühleren äußeren Teilen der Trommeln in Berührung. Dadurch wird ein sehr großer aber noch tragbarer Temperaturgradient für die Wärmeübertragung auf die Kühlflüssigkeit in den Nuten 33 aufrechterhalten. Wenn die Kühlflüssigkeit in den die Feldspule 21 umgebenden Raum 17,19 eintritt, dann ist es bereits erwärmt, aber noch nicht so weit, daß es nicht noch weitere Wärmemenge aufnehmen könnte. Infolgedessen wird auch die Feldspule 21 gekühlt. Es tritt nunmehr durch den ringförmigen Durchlaß 42 zwar warmes Kühlmittel in den Luftspalt ein, aber diese Kühlflüssigkeit kann immer noch Wärme aufnehmen. Nach Verlassen des Raumes 17, 19 fließt das Kühlwasser unter Einfluß der Zentrifugalkraft auf schraubenförmigen Bahnen durch den Luftspalt 35,37 in Berührung mit den sehr heißen inneren Oberflächen der Wirbelstromtrommeln 29 und 31. Dadurch ist abermals ein sehr wirksamer aber nicht zu großer Temperaturgradient zum Übertragen von Wärme auf die Kühlflüssigkeit in dem Luftspalt 35 und 37 vorhanden.

Die kühlere Kühlflüssigkeit steht in Berührung mit den kühleren äußeren Abschnitten der Wirbelstromtrommeln 29 und 31 in den Nuten 33, und die erheblich wärmere Kühlflüssigkeit läuft über die erheblich wärmeren Innenoberflächen der Wirbelstromtrommeln 29 u:id 31. Auf diese Weise wird di< Entstehung von zu hohen Temperaturgradienten ii den Wirbelstromtrommeln 29 und 31 verhindert. Di< Temperaturgradienten können also an bestimmtei Punkten nicht zu hoch werden. Da auf diese Weis« die thermischen Beanspruchungen auf ein Minimurr reduziert werden, und damit die Gefahr eines Bruch: der Wirbelstromtrommeln relativ geringer wird, kam die Maschine bei gegebener Größe bei Anwendung

ίο der erfindungsgemäßen Kühlflüssigkeitführung ein* viel höhere Leistung aufnehmen. Selbstverständlicr ist das hier wiedergegebene Prinzip der Kühlunj

bei allen Wirbelstrommaschinen anwendbar.

An Stelle der beiden Wirbelstromtrommeln 29 unc 31 kann man natürlich auch eine einzige und dafüi größere Trommel vorsehen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   so 1. Flüssigkeitsgekühlte Wirbelstrommaschine

   insbesondere Dynamometer, mit einem Pole bildenden Rotor und einem an der Innenseite eine oder zwei in axialer Richtung nebeneinanderliegender Wirbelstromtrommeln tragenden Stator, dei

   as mit der äußeren Oberfläche der Wirbelstromtrommeln einen oder mehrere ringförmige Spalte bildet und der in seiner Mitte einen ringförmiger Raum auf drei Seiten umschließt, dessen vierte radial innen liegende Seite von einem einen ring

   förmigen Durchlaß aufweisenden Ring gebildet ist, bei welcher Maschine ferner in dem ringförmigen Raum eine ringförmige Feldspule mil allseitigem Abstand angeordnet und von Kühlflüssigkeit umströmt ist, die diesen Raum durch den ringförmigen Durchlaß wieder verläßt und in den Luftspalt zwischen dem Rotor und der odei den Wirbelstromtrommel(n) eintritt, von wo aus die Kühlflüssigkeit in zwei Teilströmen von der Mitte der Maschine aus jeweils an der zylindrischen Innenwandung der Wirbels'iromtrommel oder -trommeln in seitliche, ringföriHge Sammelstutzen abfließt, die mit Auslaßöffnungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit vor Eintritt in den die Feldspule (21) enthaltenden Raum (17, 19) zunächst den oder die von der äußeren Oberfläche der Wirbelstromtrommeln (29,31) und dem Stator gebildeten ringförmigen Spalte durchströmt, die als ringförmige erste und zweite Kammern (43, 45, 47, 49) ausgebildet sind.
2. 2. Wirbelstrommaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kammern (43,49) einerseits an ihrer oberen Begrenzung mit dem Kühlmitteleinlaß (59) über einen axial verlaufenden Einlaßkanal (53) in Verbindung stehen und an ihrer unteren Begrenzung in Längskanäle (30,32) münden, die die ersten Kammern (43,49) mit den zweiten Kammern (45,47) verbinden, welche zweite Kammern (45,47) dem die Feldspule (21) enthaltenden Raum (17,19) jeweils benachbart sind und mit diesem Raum über öffnungen (46,48) in Verbindung stehen.
3. 3. Wirbelstrommaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Kammern jeweils aus einer ringförmigen Nut (33) auf der Außenseite der Wirbelstromtromme! bzw. Wirbelstromtrommeln im Bereich des Luftspaltes (35,37) bestehen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen