Wicklungskopfbelüftete elektrische Maschine Die Erfindung bezieht
sich auf innengekühlte oder mit innerem Kühlmittelkreislauf ausgestattete elektrische
Maschinen, deren Ständerwick@ungsköpfe von Kühlluft umspült werden. Meist wird die
Luft von belden Seiten angesaugt und direkt den Wicklungsköpfen zugeführt. Derartige
Kühlsysteme haben sich bei Kurzschlußläufer-Asynchronmotoren recht gut bewährt.
Schwierigkeiten ergeben sich aber, wenn man nach diesem Prinzip auch Maschinen mit
bewickelten Läufer, z.B. Synchronmaschinen mit Schenkelpolläufer, belüften will.
Die Läuferwicklungsköpfe weisen nämlich normalerweise eine für die Wärmeabgabe ausreichende
Ober-.
fläche nicht auf. Sie müssen erst besonders locker und weitausladend
gewickelt werden. Das bringt aber nicht nur unerwünschten Kupfermehraufwand mit
sich, sondern es werden dadurch auch die entstehenden Wicklungsverluste zusätzlich
noch erhöht. Weiter wird die Befestigung der Wicklungsköpfe auf der Welle oder auf
entsprechenden Stützringen mit Bandagen o.dgl. mit zunehmender Ausladung immer schwieriger.
Außerdem ist es bei solchen Läuferwicklungaköpfen nicht einfach, eine wirkungsvolle
Luftführung zu erzielen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei innengekühlten
oder mit innerem Kühlmittelkreislauf ausgestatteten elektrischen Maschinen eine
Verbesserung der Wärmeabfuhr, vor allem im Läufer, zu schaffen, so daß die bei Kurzschlußläufer-Asynchronmotoren
sehr gut bewährte Wicklungskopfbelüftung auch bei anderen elektrischen Maschinen,
insbesondere Synchronmaschinen mit Schenkelpolläufer, erfolgreich angewendet werden
kann. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Läufer von zumindest
einem Teil der Kühlluft in vorzugsweise am Außenumfang angeordneten Kühlkanälen
zusätzlich in axialer Richtung durchströmt ist. Die Läuferwicklung wird dazu zweckmäßig
möglichst kompakt und mit kurzen Wicklungsköpfen ausgeführt, so daß die zuvor erwähnten
Schwierigkeiten nicht auftreten können. Die Kühlkanäle sind vorzugsweise am Läuferaußenumfang
angeordnet und können zum Beispiel jeweils in gleicher Rlchtung von der Kühlluft
durchströmt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die zusätzliche axiale.Kühlluftetrömung
in benachbarten Läuferkanälen oder Kanalgruppen
jeweils entgegengesetzt
gerichtet
ist. Dies ist insbesondere bei symmetrisch gebauten Maschinen der Fall, weil dadurch
gleiche Kühlungsverhältnisse auf beiden Maschinenseiten erreicht werden. Durch ungünstige
Einbauverhältnisse der Maschine (z.B. Anflanschen des Generators an Verbrenngskraftmasehinen,
Ausführung in Sonderbauformen mit Flansch u.dgl, Anbringung von großen Kupplungs-oder
Schwungscheiben usw.) kann die Kühlung insofern beeinträchtigt werden, als die zuströmende
Kühlluft auf den beiden Seiten mit unterschiedlicher Temperatur und/oder in ungleichen
Mengen angesaugt wird. In solchen Fällen erweist sich dann eine Durchströmung des
Läufers in nur einer Richtung vorteilhafter. Durch die erfindungsgemäße Ausführung
wird nicht nur die Wärmeabfuhr aus dem Läufer erheblich verbessert, sondern sie
wird auch
beim Ständer durch Belüftung der Ständerbohrung verbessert. Am
einfachsten läßt eich
die erfindungsgemäße
Innenbelüftung bei
elektrischen
Maschinen ausführen, die bereits funktionsmäßig Auenehmungen im Läuferaußenumfang
aufweisen. So bieten sich zum Beispiel bei Innenpol-Synchronmaschinen die Läuferpollücken
als axiale Kühlluftkanäle an. Die Kühlluft streicht dabei unmittelbar an der Erregerwicklung
entlang, was zur Abfuhr ihrer Verlustwärme sehr vorteilhaft ist. Die Polräder solcher
Maschinen tragen stets mehr oder weniger kompakt gewickelte Einzelpolspulen, die
zwar 'einfach herzustellen sind, aber meieb@ohne besondere Maßnahmen die Verlustwärme
nicht hinreichend abgeben.
Auch bei RE@uktanzmotoren oder permanentmagneterregten
Maschinen können die Pollücken ohne Schwierigkeiten für die axiale Durchströmung
des Läufers herangezogen werden. Im Läufer so@eher Maschinen treten zwar keine nennenswerten
Verluste auf, die erzieite Verbesserung der Wärmeabfuhr kommt aber dann der Ständerwicklung
zugute.
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| f@lF@. ? eine stirnseitige Tey-Lanz,i^ht im linken oberen %@ua- |
| drar_ten, eine Z;ohn4-ttani-,ht entsprechend der |
| A-b im oberen. rechten :zuadranten und eine Schnitt- |
ansicht entsprechend der Schnittlinie C-D in den be den unteren Quadranten des Läufers
nach Fig. 1, Fig. 3 a, r, weiteres usführungsbeispiel einen wick ungskopfbelüfteten
Re@uktanzmotor, der in der oberen Häl f te geschni t t en und der untern Häl f te
in @nsicht dargestellt i s t.
Auf der Welle 1 ist das Blechpaket
2 des vierpoligen Schenkelpolläufers angeordnet. Das Blechtpaket 2 trägt vier Erregerspulen
3. Links und rechts vom spulentragenden Biecnpaket sind die beiden Lüfter 4 und
4a auf der Weile 1 befestigt. Diese sind beispielsweise in Schweißkonstruktion ausgeführt
und bewirken neben der erfindungsgemäßen Axialluftströmung im wesentlichen eine
Wicklungskopfbelüftung der Läuferwicklung 3 und der radial darüberli egenden, in
Fig. 1 und 2 nicht dargestellten, Ständerwicklung. Jeder Lüfter wirkt als Radia@lüfter
und weist entsprechende B1echflügel 5, 6 und 7 mit jeweils verschiedenen radialen
Längen auf. Die längsten Flügel 5 sind auf der Lüfternabe 8 angeschweißt. Sie tragen
einen Lüfterring 9, an welchen jeweils zwischen zwei Flügeln 5 die Flügel u an der
Außenseite und die Flügel 7 an der dem Blechpaket 2 zugewandten Lüfterinnenseite
angeschweißt sind. Die Lüfter 4 und 4a sind so ausgebildet, daß die durch sie bewirkte
zusätzliche Axialluftströmung in benachbarten Pollücken jeweils entgegengesetzt
gerichtet ist. Zu diesem Zwecke ist über den Umfangszonen jeder zweiten Pollücke
noch ein Abdeck- bzw. Luftleitblech 10 angeordnet. Die Luftströmung hat den durch
entsprechende Richtungspfeile angedeuteten Verlauf ein Teil der Kühlluft wird durch
die außen liegenden Hälften der Flügel 5 und durch die Flügel 6 unmitteloar den
Ständerwicklüngsköpfen zugeführt ohne an der Läuferkühlung direkt beteiligt zu sein.
Durch entsprechende Gestaltung des Lüfters läßt sich dieser Kühlluftantei@ in weiten
Bereichen verändern, je nachdem wie es die Erwärmungsverhältnisse der Maschine erfordern.
Man kann z.$: die Flügel. 6 auch ganz wegi'.3.osen.
Die übrige Kühlluft
streicht zunächst an den Stirnseiten der Spulen 3 radial entlang nach außen und
wird an jenen Stellen, wo das Blech 10 angeordnet ist, in axiale Richtung umgelenkt.
Dies ist hier bei zwei diametral gegenüberliegenden Pollücken der Fall. Auf den
übrigen Umfangszonen wird die Kühliuft radial nach außen zu den Ständerwicklungsköpfen
geblasen. Nach Durchstromen der Pollücken, wobei die Luft nicht nur die Erregerwicklungen
an deren Mantelflächen kühlt, sondern auch innerhalb der Bohrung der Ständer belüftet,
wird auch diese Kühlluft, gemeinsam mit der vom anderen Lüfter geforderten, den
Ständerwicklungsköpfen zugeführt. Der Lüfter 4a auf' der gegenüberliegenden Seite
arbeitet in gleicher Wise wie der Lüfter 4, jedoch spiegelbildlich hierzu. Er ist
so ausgeführt, daß seine Abdeck- bzw. Luftleitbleche 10 gegenüber jenen des Lüfters
4 um eine Polteilung versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise entsteht ein abwechselnd
gegensinnig gerichteter axialer Kühlluftstrom in den Pollücken, der in Fig. 2 durch
die Richtungszeichen e (senkrecht- zur Bildebene, vom Betrachter weg) und # (auf
den Betrachter zu) angedeutet ist. Fig. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel
einen wicklungskopfbelüfteten Relüktanzmotor. Wirkungsmäßig gleiche Teile sind mit
gleichen Bezugs@iffern wie zuvor versehen. Die über die Kugellager 11 in den L gerschilden
19 gelagerte Läuferwelle 1 trägt das mit einer Käfigwicklung versehene Läuferpaket
2. Mit gestrichelten Linien ist eine ausgefräste Reluktanznut 12 angedeutet. Die
in der Zeichnung nicht dargestellten Läuferkäfigstäbe sinn durch Kurzschlußringe
13 in üblicher Weise miteinander
verbunden. Das Ständerpaket 14
ist im Gehäuse 15 eingedrückt und durch in der Zeichnung nicht sichtbare Längsrippen
gehalten. Es trägt die Ständerwicklung 16 mit den beidseitig ausladenden Wicklungsköpfen
17. An den Kurzschlußringen 13 sind die Lüfter 4 und 4a befestigt. Diese können
insbesondere bei Herstellung in einem Gußverfahren ganz oder teilweise mit der Läuferkäfigwicklung
vereinigt sein. Die Reluktanznuten 12 liegen am Läuferaußenumfang im Abstand der
Poltei ung voneinander entfernt und werden in der Regel erst nachträglich aus einem
Asynchronmotor-Kurzschlußläufer ausgefräst. Re luktanzmotoren haben im Vergleich
zu Asynchronmascutinen weder hohen Wirkungsgrad noch guten Le i stungsfaktor. Sie
sind daher besonders im Ständer infolge der hohen Stromaufnahme thermisch stärker
belastet und eine Verbesserung der Wärmeabfuhr ist äußerst wunschenswert. Gemäß
der Erfindung werden die Reluktanznuten 12 als axiale Kühlluftkanäle herangezogen.
Im Bereich dieser Reluktanznuten 12 (Pollücken) auf den Flügeln der Lüfter 4 angeordnete
Luftleitbleche 10 decken den Luftstrom zu den Ständerwicklungsköpfen 1 teilweise
ab und bewirken einen axialen Kühlluftstrom durch diese Reluktanznuten beispielsweise
zur A-Seite hin. Dabei wird die entstehende Standerverlustwärme innerhalb der Bohrung
gut abgeführt. Die Luftleitbleche 10 können auf den Flügeln der Lüfter 4 und 4a
wieder so angeordnet sein, daß die Reluktanznuten 12 abwechselnd in Gegenrichtung
durchströmt werden. Die Luftleitbleche 10 müssen dann auf beiden Seiten abwechselnd,
jeweils im Bereich jeder zweiten Ausfräsung; anebracht werden.
Es
ist aber auch eine axiale Zusatzluftströmung in nur einer Richtung möglich. Hierzu
sind dann die Umfangszonen über sämtlichen Pollücken auf einer Seite, beispielsweise
der B-Seite, abzudecken. Alle Pollücken werden dann in Richtung zur A-Seite hin
durchströmt. Wie durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist, durchströmt die Kühlluft
den Motor in zwei parallelen Luftkreisläufen. Sie wird A- und' B-seitig durch stirnseitige
Ringschlitze 18 der Lagerschilde 19 angesaugt und mittels der Luftleitbleche 20
nach innen zum Läufer geführt. Die gestrichelt eingezeichneten Pfeile auf der B-Seite
gelten für die Umfangszonen ohne Abdeckbleche 10, also für die Bereiche zwischen
den Pollücken. Zusätzlich sind hier noch am Außenumfang des Ständers zwischen Paket
14 und Gehäuse 15 Luftdurchtrittsquerschnitte 21 vorgesehen, in denen eine axiale
Luftströmung von der A-Seite nach der B-Seite hin auftritt. Auf diese Weise kann
sich die infolge der einseitigen Läuferdurchströmung unterschiedliche Luftmenge
zwischen der A-und B-Seite wieder ausgleichen. Gleichzeitig wird dadurch die auch
bei nur innengekühlten Maschinen stets vorhandene Wärmeabfuhr über das Gehäuse noch
erheblich verbessert. Die Kühlluft wird im weiteren Verlauf an der Maschinenoberseite
in tangentiaier Richtung umgelenkt, wie es durch die Richtungszeichen
auf der A- und B-Seite angedeutet ist, stromt in dem Raum zwischen Gehäuseinnenseite
und Ständerwicklungsköpfen 1'7 weiter bis zu den Austrittsöffnungen 22 an der Unterseite
des Gehäuses 15, wo sie die Maschine wieder verläßt.