DE1538817C3 - Kühlsystem für dynamoelektrische Maschinen - Google Patents

Description

Lüfterscheibe in der Nähe des Außenrandes an zwischen den Lüfterflügeln liegenden Stellen schlitzförmige Kühlluftauslaßöffnungen aufweist, deren Langseite in Umfangsrichtung und deren Schmalseite im wesentlichen in axialer Richtung verlaufen, und daß die Lüfterscheibe im Bereich der Lüfterflügel einen nach außen zu den Lüfterflügeln hin abgebogenen Teil aufweist. ₄ ^S

Im Unterschied zu der beispielsweise&ras der CH-PS bekannten Maschine, bei welcher, wie eingangs ausgeführt ist, der zwangsläufig vorhandene Spalt zwischen dem Außenumfang der Lüfterscheibe und dem zylindrischen Statorteil möglichst schmal ausgebildet sein soll, damit möglichst kein Kühlmittelaustausch zwischen dem Innen- und Außenraum der Maschine _ϊ5 stattfindet, ist bei der Erfindung durch die ringförmige Kühlmitteleinlaßöffnung am Außenrand der Lüfterscheibe und durch die axial verlaufenden Kühlmittelauslaßöffnungen ein Wirbel gebildet, da bei Drehung des Rotors in der Nähe der Kühlmitteleinlaßöffnung ein relativ hoher Druck erzeugt wird, sodaß sich der äußere mit dem inneren Kühlmittelstrom in dem Wickelkopfraum vermischt, ohne daß hierbei der äußere Kühlmittelstrom unmittelbar in den Wickelkopfraum hineingedrückt wird. Durch die Ausbildung und Anordnung der _2$ erwähnten Kühlmittelein- und -auslaßöffnungen ist somit eine direkte konvektive Wärmeableitung beispielsweise an der Umgebungsluft gewährleistet, während schädliche Verunreinigungen praktisch überhaupt nicht in den Wickelkopfraum hinter der Lüfterscheibe eindringen können.

Ferner weist die Lüfterscheibe im Bereich der Lüfterflügel einen nach außen zu den Lüfterflügeln hin abgebogenen Teil auf. Durch die Zentrifugalwirkung des nach außen abgebogenen Teils der Lüfterscheibe werden eventuell vorhandene, feste oder flüssige Verunreinigungspartikel zu dem Hauptkühlmittelstrom hin abgelenkt, der durch den zylindrischen Teil des Stators oder des Gehäuses umgelenkt und über das Außengehäuse des Motors geleitet wird.

Aufgrund der Ausbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems für dynamoelektrische Maschinen ist dieses in gleicher Weise bei Motoren wie bei Generatoren anwendbar. Auch kann das System ohne Schwierigkeit bei den herkömmlichen Maschinen verwendet werden, da eine direkte konvektive Wärmeableitung durch den Kühlmittelstrom gewährleistet ist, während in den Wickelkopfraum keine irgendwie schädlichen Verunreinigungen eindringen können.

Nachfolgend wird nunmehr die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer dynamoelektrischen Maschine mit dem Kühlsystem gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Vorderansicht der dynamoelektrischen Maschine der Fig. 1 mit abgenommenem Lüfterdeckel,

Fig.3 eine Draufsicht auf den auf der Welle befestigten Lüfter der Fi g. 1,

F i g. 4 eine Ansicht des oberen Teils des in F i g. 3 dargestellten Lüfters.

In der folgenden Beschreibung ist die in Fig. 1 abgebildete, dynamoelektrische Maschine ein Motor. Der Motor weist ein zylindrisches Gehäuse 1 und zwei Lagerschilde 2 und 3 auf, die den kreisförmigen _6j Endflächen des Gehäuses 1 angepaßt sind und ihnen entsprechen. Ferner sind ein Stator 4 aus ringförmigen Stanzblechen aus magnetischem Werkstoff, welcher durchgehende Leiternuten aufweist und im Inneren des Gehäuses 1 gehaltert ist, sowie mehrere axial verlaufende, elektrische Leiter vorgesehen, die in den Leiternuten angeordnet sind und aus diesen an beiden Enden axial nach außen vorstehen, wodurch mehrere am Umfang verteilte Wickelköpfe 5 und 6 an den jeweiligen Enden des Stators 4 gebildet sind.

Der Rotor 7 des Motors besteht aus kreisförmig ausgestanzten Blechen aus magnetischem Werkstoff; ferner sind noch eine durch den Rotor 7 verlaufende und diesen tragende Welle 8 sowie mehrere axial verlaufende Leiter in dem Rotor 7 vorgesehen, die in auf beiden Seiten des Rotors 7 angebrachten Ringen 9 bzw. 10 enden. Die Welle 8 ist in den Lagerschilden 2 und 3 drehbar gelagert, so daß der Rotor 7 in der Bohrung des Stators 4, von diesem nur durch einen schmalen Luftspalt 11 getrennt, drehbar gelagert ist. Die Arbeitsweise des vorbeschriebenen Elektromotors ist bekannt und braucht daher in diesem Zusammenhang nicht näher beschrieben zu werden.

Das Antriebsende des Motors weist einen Lagerschild 3 auf, aus welchem die Welle 8 vorsteht; das Antriebsende ist vollständig abgekapselt, so daß ein isolierter Wickelkopfraum entsteht, der mit dem Außenraum nur über den verhältnismäßig schmalen Luftspalt 11 zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 4 in Verbindung steht. Diese Verbindung ist jedoch im Hinblick auf eine Kühlung bzw. eine Luftzirkulation vernachlässigbar.

An dem der Antriebsseite des Motors gegenüberliegenden Ende ist ein durchlöcherter bzw. mit Öffnungen versehener Lagerschild 2 vorgesehen, welcher als Ersatz für einen der bekannten, nicht durchlöcherten Lagerschilde angesehen werden kann. Wie genauer aus F i g. 2 zu ersehen ist, weist der Lagerschild 2 eine mittig angeordnete Lagerhalterung 12 auf, die an einem Ring 13 über radial verlaufende Arme 14 befestigt ist. Der Ring 13 ist seinerseits an einem zylindrischen Teil 15 über mehrere entlang des Umfangs in Abständen voneinander angeordnete, axial verlaufende Verstrebungen 16 befestigt. Mehrere, Bolzen aufnehmende Ansätze 17 sind am äußeren Rand des zylindrischen Teils 15 vorgesehen, wodurch der Lagerschild 2 starr an dem Gehäuse 1 befestigt ist. Mittels durchgesteckter Bolzen werden die Lagerschilde 2 und 3 vorzugsweise zusammengezogen. Der Lagerschild 2 ist, wie beschrieben, vorteilhafterweise als ein Stück ausgebildet und mit einer Hohlkehle 18 versehen, die zu einer entsprechend ausgebildeten Ausnehmung des Gehäuses 1 paßt.

Um einen maximalen Kühlmittelstrom zu erhalten, weist der Lagerschild 2 vorzugsweise große Öffnungen auf, deren Größe nur durch die Anforderungen im Hinblick auf eine ausreichende mechanische Festigkeit und Steifigkeit begrenzt ist. Axiale Lufteinlaßkanäle 19 zwischen den Armen 14 sowie radiale Luftauslaßkanäle 20 zwischen den Verstrebungen 16 nehmen einen wesentlichen Teil der Gesamtfläche ein, die von den Randteilen des Lagerschilds 2 begrenzt ist. Der verhältnismäßig breite, axiale Spalt der Auslaßkanäle 20 ist am besten in F i g. 1 zwischen dem Ring 13 und dem zylindrischen Teil 15 dargestellt.

Die Zirkulation des Kühlmittels, in den meisten Fällen Luft, wird durch einen vorzugsweise gegossenen -und einstückig ausgebildeten Lüfter 21 bewirkt, der im allgemeinen eine drehfest mit der Welle verbundene Nabe 22, eine Lüfterscheibe 23 und mehrere an der Lüfterscheibe befestigte Lüfterflügel 24 aufweist. Die Lüfterscheibe ist im Bereich der Lüfterflügel 24 axial

nach außen gebogen und weist in der Nähe des Umfangs bzw. des Außenrandes der Lüfterscheibe 23 mehrere schlitzartige öffnungen 25 auf, durch welche ein radialer Kühlluftauslaß zwischen den Flügeln 24 geschaffen ist. Der zylindrische Teil 15 des Lagerschilds 2 steht teilweise in die Rotationsebene der Lüfterflügel 24 vor.

Die Lüfterscheibe 23 weist abgesehen von den schmalen schlitzförmigen Kühlluftäuslaßöffnungen 25 zwischen den Flügeln 24 keine werteren öffnungen oder Durchlässe auf und stellt daher eine Abschluß- oder Endwand für einen im wesentlichen abgekapselten Wickelkopfraum für die Wickelköpfe 5 dar. Eine Kühllufteinlaßöffnung 26 in den Wickelraum ist zwischen dem äußeren Randteil 27 der Lüfterscheibe 23 und der benachbarten Innenfläche des Stators ausgebildet. Letztere ist in der wiedergegebenen Ausführungsform die Innenfläche des zylindrischen Teils 15. Die Einlaßöffnung 26 ist wesentlich breiter als der Zwischenraum zwischen den gegeneinander verdrehbaren Teilen, nämlich dem Stator und dem Rotor. Als Lufteinlaß ist jedoch die Einlaßöffnung 26 verhältnismäßig schmal. Abgesehen von dem verhältnismäßig schmalen Luftspalt 11 besteht somit keine Luftverbindung zwischen den beiden Wickelkopfräumen des Motors.

Vorzugsweise ist ferner ein Lüfterdeckel 28 vorgesehen, der den Hauptstrom des Kühlmittels über die Außenfläche des Motors leitet und auch den rotierenden Lüfter 21 vor Verunreinigungen schützt. Der Deckel kann, wie abgebildet, im wesentlichen becherförmig ausgebildet sein, vorzugsweise aus Blech bestehen und am Stator, beispielsweise an den Ansätzen 17 des Lagerschilds 2, angeschraubt oder angeschweißt sein. Damit die Außenluft in die Einlaßkanäle 19 des Lagerschilds 2 einströmen kann, hat der sonst keine Öffnungen aufweisende Deckel 28 an seinem weiter innen liegenden Teil Öffnungen 29. Der aus den Auslaßkanälen 20 austretende Hauptkühlstrom wird in axialer Richtung über die Außenfläche des Gehäuses 1 geleitet, das vorzugsweise wärmeableitende Rippen 30 aufweist.

Um die Wärmeableitung von dem Rotor 7 zu verbessern und zwangsläufig eine Kühlluftzirkulation in dem weitgehend abgeschlossenen Wickelkopfraum zu erzielen, sind mehrere zentrifugal wirkende Schaufeln 31 am Rotor vorgesehen, die radial nach innen zu den Wickelköpfen 5 und den Kühlluftäuslaßöffnungen 25 hin angeordnet sind und vorzugsweise einstückig mit dem Rotor ausgebildet sind.

Während des Betriebs der varbeschriebenen dynamoelektrischen Maschine drehen sich der Rotor und damit der an der Rotorwelle 8 befestigte Lüfter 21 sowie die am Rotor 7 angebrachten Lüfterschaufeln 24 schnell bezüglich des normalerweise stationären Stators. Durch den Lüfter 21 wird in Verbindung mit dem Lagerschild 2 und dem Deckel 28 ein primärer Kühlluftstrom erzeugt. Wie am besten aus den Fig.3 und 4 zu ersehen ist, stehen die Lüfterflügel 24 senkrecht von der Lüfterscheibe 23 vor und verlaufen in radialer Richtung. Daher drücken die Lüfterflügel 24 einen Kühlluftstrom durch die Auslaßkanäle 20 radial nach außen, während der Deckel im wesentlichen den Strom in axialer Richtung entlang der Kühlrippen 30 leitet. Die Luft strömt durch die öffnungen 29 und die Einlaßkanäle 19 in den Motor. Die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Teils des Kühlsystems bzw. des gesamten Kühlsystems gemäß der Erfindung ist unabhängig von der Drehrichtung des Rotors bezüglich des Stators.

Die an dem Rotor angebrachten Schaufeln 31 stellen ebenso wie die Lüfterflügel 24 einen Zentrifugallüfter dar und schaffen an und durch die Wickelköpfe 5 eine Luftzirkulation. Die Schaufeln 31 dienen auch als Wärmeableitfläche für das im wesentlichen eingeschlossene Kühlmittel. Ein wesentlicher Teil der von dem anderen Ende des Motors abgeleiteten Wärme wird somit, falls der Lagerschild am anderen Ende, wie abgebildet, keine Öffnungen aufweist, zu der durch die

ίο Schaufeln 31 umgewälzten Kühlluft übertragen. Die Wärme wird vom anderen Ende des Motors, in diesem Fall zu den Wickelköpfen 5 und den Schaufeln 31, über die elektrischen Leiter geleitet, die die axial verlaufenden Wicklungen der Maschine bilden und üblicherweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sind.

Während bisher der Betrieb des Kühlsystems bezüglich der Zirkulation der äußeren und inneren Kühlluft beschrieben worden ist, soll nunmehr auf die gesteuerte Vermischung der beiden Kühlluftmassen eingegangen werden, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeableitung durch direkte Konvektion von dem Wickelkopfraum zur umgebenden Atmosphäre erheblich verbessert werden kann. Zu diesem Zweck weist der Stator, vorzugsweise der Lagerschild wie in der Ausführungsform, den zylindrischen Teil 15 auf, dar teilweise in die Rotationsebene der zentrifugal wirkenden Flügel 24 vorsteht. Hierdurch wird ein örtlich begrenzter, verhältnismäßig hoher Druckbereich in der Nähe der Kühllufteinlaßöffnung 26 gebildet. Ein Teil der Kühlluft in diesem Bereich strömt mit einem verhältnismäßig hohen Druck in den Wickelkopfraum, der einen niedrigeren Druck aufweist. Die Kühlluft, die durch die schlitzförmigen Kühlluftäuslaßöffnungen 25 aus dem Wickelkopfraum austritt, wird zu der Außenseite der Lüfterscheibe 23 hin verteilt. Ein Teil der aus den Kühlluftäuslaßöffnungen 25 austretenden Kühlluft vereinigt sich mit dem Hauptstrom durch die Auslaßkanäle 20, während ein anderer Teil in einem sich durchmischenden Kühlluftwirbel umläuft, der den Außenrand 27 der Lüfterscheibe 23 umgibt. Da sich die Schaufeln 21 in größerem axialem Abstand von der Innenseite der Lüfterscheibe 23 befinden und innerhalb der Wickelköpfe 5 liegen, unterbrechen sie den erwähnten, sich durchmischenden Kühlluftstrom nicht. Hierbei wird der Kühlluftstrom durch die Druckdifferenz und nicht durch Geschwindigkeitskomponenten hervorgerufen. Aus diesem Grund ist der zylindrische Teil 15 so ausgebildet, daß ein plötzlicher oder abrupter, vorzugsweise rechtwinkliger Richtungswechsel bei der in den Wickelkopfraum einströmenden Luft erfolgt. Wenn die Kühlluft wie bei bekannten Systemen in den Wickelkopfraum gedrückt wird, werden die empfindlichen Wickelköpfe oft durch Luftverunreinigungen beschädigt, oder mindestens werden derartige Verunreinigungen in den Wickelkopfraum gedrückt. Dies ist jedoch bei dem Kühlsystem gemäß der Erfindung vermieden. Der über die Wickelköpfe streichende Kühlmittelstrom hat zwar im wesentlichen den gleichen Wirkungsgrad wie bei den bekannten Kühlsystemen, er zeichnet sich

6ο jedoch durch eine Beseitigung der schädlichen Verunreinigungen aus der Kühlluft aus.

Der axial nach außen gebogene Teil der Lüfterscheibe 23 schirmt hierzu die Kühlluftauslaßöffnung 25 im Lüfter 21 gegen den Hauptkühlluftstrom ab und dient auch als eine Art zentrifugal wirkender Schleuderring, der die festen und flüssigen Verunreinigungen in der Kühlluft direkt durch den Auslaßkanal 20 befördert, so daß sie nicht über den Kühlmittelstrom in den

Wickelkopfraum gelangen können.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Antriebsende der Maschine vollständig abgekapselt. Dies ist in vielen Fällen vorteilhaft, da die Antriebsseite normalerweise den stärksten Verunreinigungen ausgesetzt ist. Selbstverständlich kann jedoch das erfindungsgemäße Kühlsystem auch beidseitig eingesetzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kühlsystem für dynamoelektrische Maschinen mit einem Stator und einem Rotor mit Wicklungen, mit abgekapselten und isolierten Wickelkopfräumen, mit einem auf einer Rotorwelle drehfest gehalterten Lüfter, der eine Lüfterscheibe und«mehrere entlang des Umfangs verteilte, von der Lüfterscheibe axial nach außen vorspringende zentrifugal wirkende Lüfterflügel hat, wobei der zu einem Lagerschild gehörende Wickelkopfraum durch die Lüfterscheibe abgeschlossen ist, mit einem Lagerschild mit außerhalb des Lüfters vorgesehenen, axialen Kühlmitteleinlässen, mit mehreren am Umfang verteilten, radialen Kühlmittelauslässen, die in radialer Richtung außerhalb des Lüfters angeordnet sind und sich teilweise in die Rotationsebene der Lüfterflügel erstrecken, und mit einem in axialer Richtung innerhalb der Kühlmittelauslässe angeordneten, sich teilweise von innen in die Rotationsebene der Lüfterflügel erstreckenden, zylindrischen Teil des Stators oder des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand (27) der Lüfterscheibe (23) unter Bildung einer Kühllufteinlaßöffnung (26) von dem zylindrischen Teil (15) des Stators oder des Gehäuses (1) beabstandet ist, daß die Lüfterscheibe (23) in der Nähe des Außenrandes an zwischen den Lüfterflügeln (24) liegenden Stellen schlitzförmige Kühlluftauslaßöffnungen (25) aufweist, deren Langseite in Umfangsrichtung und deren Schmalseite im wesentlichen in axialer Richtung verlaufen, und daß die Lüfterscheibe (23) im Bereich der Lüfterflügel (24) einen nach außen zu den Lüfterflügeln (24) hin abgebogenen Teil aufweist.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für dynamoelektrische Maschinen mit einem Stator und einem Rotor mit Wicklungen, mit abgekapselten und isolierten Wickelkopfräumen, mit einem auf einer Rotorwelle drehfest gehalterten Lüfter, der eine Lüfterscheibe und mehrere entlang des Umfangs verteilte, von der Lüfterscheibe axial nach außen vorspringende, zentrifugalwirkende Lüfterflügel hat, wobei der zu einem Lagerschild gehörende Wickelkopfraum durch die Lüfterscheibe abgeschlossen ist, mit einem Lagerschild mit außerhalb des Lüfters vorgesehenen, axialen Kühlmitteleinlässen, mit mehreren am Umfang verteilten, radialen Kühlmittelauslässen, die in radialer Richtung außerhalb des Lüfters angeordnet sind und sich teilweise in die Rotationsebene der Lüfterflügel erstrecken, und mit einem in axialer Richtung innerhalb der Kühlmitteleinlässe angeordneten, sich teilweise von innen in die Rotationsebene der Lüfterflügel erstreckenden, zylindrischen Teil des Stators oder des Gehäuses.

   Ein derartiges Kühlsystem für eine dynamoelektrische Maschine ist aus der CH-PS 72 424 bekannt. Hierbei ist der zu einem Lagerschild gehörende Wickelkopfraum durch eine Lüfterscheibe abgeschlossen, deren Außenrand möglichst genau dem Motorgehäuse angepaßt ist bzw. bei welcher der ringförmige Spalt zwischen der Lüfterscheibe und dem Motorgehäuse so schmal ausgebildet ist, daß er unschädlich ist und nur einen geringen Luftausgleich zwischen der Innen- und Außenluft ermöglicht. Obendrein ist häufig, um den Abschluß noch dichter auszubilden, eine zusätzliche Dichtung in dem Spalt vorgesehen. Somit ist bei der bekannten Maschine der innere von dem äußeren Kühlluftstrom, welcher über die Gehäuseoberfläche abfließt, strikt getrennt, da zwei völlig getrennte Kühlluftströme ausgebildet sind, welche beide mittels eines gemeinsamen, auf der Rotorwelle drehfest

   ίο gehalterten Lüfters über jeweils auf beiden Seiten der Lüfterscheibe vorgesehene Luftein- bzw. -durchlässe umgewälzt werden.

   In ähnlicher Weise sind auch bei einer dynamoelektrischen Maschine nach der GB-PS 6 84 144 zwei voneinander vollständig getrennte Systeme für den inneren und äußeren Kühlmittelstrom vorgesehen und ein Wärmeaustausch von dem Maschineninneren nach außen kann auch bei dieser bekannten Maschine im wesentlichen nur über die Lüfterscheibe des Stators stattfinden. Ein derartiger Wärmeaustausch reicht jedoch nicht aus, so daß mit derartigen Kühlsystemen versehene, dynamoelektrische Maschinen größer ausgeführt werden müssen, damit eine bestimmte Ausgangsleistung abgenommen werden kann. Um eine strikte Trennung zwischen den beiden Kühlmittelströmen zu erreichen, soll auch bei der Maschine gemäß der GB-PS möglichst kein Kühlmittelaustausch zwischen dem Maschineninnenraum und deren Außenraum stattfinden. Um eine möglichst gute Abdichtung der beiden Räume voneinander zu erreichen, ist an der Lüfterscheibe des Lüfters ein gesonderter Flansch und ein zusätzlicher Teil vorgesehen, welcher an einem Umlenkblech an dem Gehäuse so angebracht ist, daß eine Art Laufdichtung erreicht ist und ein Eindringen von Schmutz oder anderen Partikeln in das Rotorlager und den Wickelkopfraum verhindert ist.

   Ferner ist aus der FR-PS 14 04 940 eine dynamoelektrischen Maschine mit einer zumindest auf einer Seite vorgesehenen Lüfterscheibe mit auf beiden Seiten angebrachten Lüfterflügeln bekannt; bei dieser Maschine ist zwischen dem eigentlichen Wickelkopfraum und der Lüfterscheibe noch eine zusätzliche Zwischen- oder Abschlußwand mit jeweils einer Reihe von Kühlzu- und -abluftöffnungen vorgesehen. Durch die Lüfterscheibe bzw. die Lüfterflügel werden der Außenkühlluftstrom entlang der Gehäuseaußenfläche und der Innenkühlluftstrom über die Kühlzu- und -abluftöffnungen in der Zwischenwand ausgebildet, wobei der Innen- mit dem Außenkühlluftstrom in Berührung steht und zum Teil mit diesem verläuft, so daß mitgeführte Verunreinigungen, wie Staub, Schmutz, Ölpartikel u. ä. ohne Schwierigkeit in den Wickelkopfraum eindringen können.
   Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kühlsystem für eine einseitig geschlossene, dynamoelektrische Maschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei welcher in raumsparender Weise mittels nur einer Lüfterscheibe eine sehr gute Außen- und Wickelraumbelüftung gewährleistet ist und trotzdem von außen keine Verunreinigungen, wie Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, öl u. ä. in den belüfteten Wickelkopfraum eindringen können.

   Diese Aufgabe ist bei einem Kühlsystem für eine dynamoelektrische Maschine der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Außenrand der Lüfterscheibe unter Bildung einer Kühllufteinlaßöffnung von dem zylindrischen Teil des Stators oder des Gehäuses beabstandet ist, daß die