DE19716758C2

DE19716758C2 - Gehäuselose elektrische Maschine mit mehreren unmittelbar fluiddurchströmten axialen Kühlkanälen

Info

Publication number: DE19716758C2
Application number: DE19716758A
Authority: DE
Inventors: Dieter Struckmeier; Van Kann Wilhelm Mueller
Original assignee: SYSTEM ANTRIEBSTECHNIK DRESDEN
Current assignee: SYSTEM ANTRIEBSTECHNIK DRESDEN GMBH, 01189 DRESDEN
Priority date: 1997-04-12
Filing date: 1997-04-12
Publication date: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2017-04-13
Also published as: DE19716758A1

Description

Die Erfindung betrifft eine gehäuselose elektrische Maschine mit mehreren unmittelbar fluiddurchströmten axialen Kühlkanä len in den Eckbereichen des Ständerblechpaketes aus etwa quad ratischen Ständerblechen und mit äußeren Druckplatten zur Zu- und Abführung eines Kühlmediums.

Die Leistungsfähigkeit und Alterungsbeständigkeit einer elek trischen Maschine wird wesentlich von der bei der Energieum wandlung auftretenden Verlustwärme, der Temperaturbeständig keit der verwendeten Werkstoffe und der Intensität der Kühlung bestimmt. Das Bemühen, bei gleichbleibender Größe immer stär kere Maschinen zu entwickeln, bzw. bei gleichbleibender Leistung die Größe der Maschine zu verringern, hängt deshalb direkt von der Effizienz des Kühlsystems ab. Hierzu ist es nicht nur erforderlich, die Kühlkanäle im Blechpaket optimal zu gestalten, sondern auch entsprechend der konzipierten Aus legung der Maschine mit Kühlmedium zu beaufschlagen. Die Er findung beschreibt eine Verbesserung der Konstruktion für eine Maschine der oben beschriebenen Gattung.

Nach der DD 144 484 sind sowohl im kreisrunden Ständerpaket als auch im Rotorpaket umlaufend radial sich erstreckende Kühlkanäle eingestanzt, die zur Vergrößerung der Kühloberflä che gewellt oder gezackt sind. Durch die Kühlkanäle wird aus schließlich Kühlluft geführt.

Aus der JP 59-59034 ist ein annähernd quadratisches, selbst tragendes Ständerblechpaket bekannt, in das umlaufend radial sich erstreckende Kühlluftkanäle eingestanzt sind, wobei die Kühlluftkanäle in den Eckbereichen länger sind als an den Sei tenflächen.

Aus der DE 30 26 892 A1 ist ein quadratisches, selbsttragendes Ständerblechpaket für eine luftgekühlte Drehstrommaschine be kannt, bei dem in den Eckbereichen versetzt geschichteter Teilblechpakete kleinere Aussparungen angeordnet sind, die entweder als Durchbruch für das Ständerblechpaket zusammenhal tende Zuganker, als funktionsgleiche Druckgußkanäle oder als Axialkanäle für einen zusätzlichen Innenkühlkreilauf dienen. Jedoch ist die Kühlwirkung infolge des geringen Kühlluftdurch satzes durch die vergleichsweise sehr kleinen Kühlkanäle stark begrenzt.

Bei einer elektrischen Maschine nach EP 0 145 903 A1 weist zur Luftkühlung des Ständerpaketes der Eckbereich mehrere kleine, runde, axiale Kanäle auf, wobei die Zufuhr der Kühlluft zum Ständerpaket ausschließlich über von den übrigen Maschinentei len getrennte Kühlkanälen erfolgt. Im Bereich der Stirnflächen haben die Kühlkanäle zur Erhöhung der Wärmedichte eine gegen über den übrigen Abschnitten der Kühlkanäle vergrößerte, ins besondere sternförmige oder ovale Wärmeaustauschoberfläche und/oder verkleinerten Strömungsquerschnitt. Die Erfindung soll eine Kühlung nahe dem Entstehungsort ermöglichen, ohne daß Staub und Feuchtigkeit stromführende Maschinenteile errei chen.

Ein weiteres quadratisches Ständerblechpaket nach EP 0254 930 A1 hat in den Eckbereichen je zwei geschlossene Durchbrüche und je eine zur Außenmantelfläche hin offene, schlitzartige Ausnehmung. Die Durchbrüche bilden acht das Statorblechpaket in axialer Richtung durchdringende Luftführungskanäle. Der Mo tor besitzt zusätzlich eine Lüfterhaube mit Kühlrippen.

In der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 92 18 066 U1 ist ein Ständerblechpaket für gehäuselose Drehstrommaschinen be schrieben, bei dem in Kühlluftfenstern der Eckbereiche, deren äußere Berandung durch die Öffnung des Preßrahmens gebildet wird, Längs- und Querkühlstege angeordnet sind, die an minde stens drei Seiten berippt sind, um die zur Verfügung stehende Kühlfläche zu vergrößern.

Aus der DE 296 11 039 U1 und der JP 59-59034 (A) sind Ständer für gehäuselose Drehstrommaschine mit Kühlluftkanälen in den Eckbereichen bzw. über den gesamten Außenbereich bekannt, die etwa gleichgroße, rippenfreie Strömungsquerschnitte aufweisen, die durch V-förmige, im wesentlichen radial verlaufende Stege voneinander getrennt sind. Als Kühlmedium dient ausschließlich Luft.

In der EP 0 726 635 A1 eine elektrische Maschine beschrieben, die in die abgerundeten Eckbereiche des Ständerpaketes glatt wandige Kühlluftkanäle bis auf einen geringen Materialsteg heranführt. Es wird zwar der für Kühlzwecke nutzbare Raum voll in Anspruch genommen, jedoch nicht intensiv genutzt, da zu sätzliche Maßnahmen zur Oberflächenvergrößerung der Kühlkanäle ebenso wie optimierte Kühlstege fehlen. Die Kühlung erfolgt ausschließlich mit Luft.

Nach EP 0 503 093 A1, JP 6-121490 (A), JP 61-121728 (A) und JP 61-121729 (A) ist es bekannt, in den Ständerecken gehäuseloser elektrischer Maschinen unmittelbar axiale Kühlkanäle für eine Flüssigkeitskühlung vorzusehen, wobei die Kühlkanäle zur bes seren Wärmeabfuhr auch profiliert sein können. Eine zusätzli che Gaskühlung, insbesondere eine wahlweise Beaufschlagung der vorhandenen Kühlkanäle mit Kühlgas ist nicht vorgesehen.

Die DE 43 15 280 A1 beschreibt eine Außenläufermaschine mit kombinierter Gas/Flüssigkeits-Kühlung. Im Innern des massiven Ständers ist wenigstens ein von Kühlflüssigkeit durchströmter Kühlmantel angeordnet. Weiterhin weist der massive Ständer noch weiter innen wenigstens einen Kühlkanal auf, der von ei nem zirkulierenden Innenkühlmedium, vorzugsweise Luft, durch strömt ist. Durch die Kühlflüssigkeit im Kühlmantel wird eine Wärmeabführung aus dem sich anschließenden Ständerblechpaket erreicht sowie eine Kühlung des Innenkühlluftstromes in den Kühlkanälen des massiven Ständers. Läufer- bzw. Ständerblech paket sind nicht unmittelbar von Kühlkanälen durchzogen. Auch scheidet konstruktionsbedingt eine beliebige Beaufschlagung der Kühlwege mit Kühlmedium aus, insbesondere ist bei einem einmal vorgegebenen Grundaufbau der Maschine keine individuel le Nutzung und Aufteilung der Kühlwege möglich.

Weitere kombinierte Gas-/Flüssigkeitskühlanordnungen für elek trische Maschinen zeigen DE 27 16 184 A1, DE-GM 18 03 987 oder DE-GM 18 13 190, wobei auch hier die Kühlröhrensysteme die hindurchzuleitende Kühlmittelart bestimmen. Auch handelt es sich nicht um gehäuselose Maschinen mit unmittelbar ausgespar ten Kühlkanälen in den Ständerblechpaketecken.

Nach der EP 0 581 966 A1 ist eine gehäuselose elektrische Ma schine mit mehreren fluiddurchströmten, axialen Kühlkanälen in den Eckbereichen des Ständerblechpaketes bekannt, wobei die Kühlkanäle entsprechend der Auslegung der Maschine sämtlich zur Führung eines gasförmigen oder eines flüssigen Mediums dienen. Eine Ertüchtigung der Maschine für die vorgesehenen Einsatzbedingungen ist somit nicht besonders flexibel, sondern beschränkt sich auf eine Gas- oder eine Flüssigkeitskühlung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gehäuselose elektrische Maschine mit unmittelbar fluiddurchströmten, axia len Kühlkanälen in den Eckbereichen des Ständerblechpaketes zu schaffen, die sich je nach Auslegung ohne Veränderungen des Ständerblechpaketes optimal kühlen läßt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Un teransprüche 2 bis 4 auf.

Erfindungsgemäß sind die Ständerbleche entsprechend der Ausle gung der Maschine zur Kühlung mit einem gasförmigen Medium oder mit einem flüssigen Kühlmedium oder mit einem gasförmigen und einem flüssigen Kühlmedium verwendbar, wobei die Auftei lung und Führung der Kühlmedien durch die Anordnung der Kühlkanäle in dem Ständerblechpaket sowie durch die Konfigura tion der Zu- und Abführungskanäle und Verteilung in den äuße ren Druckplatten vorgegeben wird, wodurch die Kühlkanäle des Ständerblechpaketes in Reihe, parallel oder in einer kombi nierten Reihen-/Parallelanordnung verbindbar sind.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen symmetrischen Quadrant eines erfindungs gemäßen Ständerbleches einer rotierenden elektri schen Maschine,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine rotierende elektrische Ma schine in geschlossener, vollgeblechter Bauweise mit etwa quadratischem Ständerblechpaket.

In die Eckbereiche 1 eines im wesentlichen quadratischen Blechpakets 2 sind Kühlkanäle 3 durch Ausstanzen der einzelnen Ständerbleche so eingebracht, daß sich zwischen ihnen Kühlrip pen 4 in etwa radialer Richtung bis zum Randbereich des Blech paketes 2 erstrecken. Beiderseits davon sind zwei weitere Durchbrüche 5 angeordnet, durch die nach dem Stapeln der Ständerbleche zu dem Blechpaket 2 nicht näher dargestellte Spannbolzen zum Verspannen dieser Ständerbleche 2 unter Zuhil fenahme von außenseitigen Druckplatten (Fig. 2) gehen. Durch die Kühlkanäle 3 werden im Betrieb der Maschine die Kühlmedien geführt. Die Kühlkanäle 3 bzw. die Kühlrippen 4, was auf das gleiche kommt, sind durch ein Noppenprofil 6 stark oberflä chenvergrößert. Anstelle des Noppenprofils 6 können selbstver ständlich auch andere Profilformen Anwendung finden, bei spielsweise ein Zahn- oder Wellenprofil. Das Noppenprofil 6 läuft über die gesamte Länge der Kühlrippen 4, wodurch sich insgesamt ein hervorragender Wärmetausch zwischen dem Ständer eisen und den verwendeten Kühlmedien ergibt. Die Kühlkanäle 3 sind im Beispiel aus größeren, durch Trennrippen unterteilte Kühlkanälen gebildet, die in den Eckbereichen angeordnet sind und sich in radialer Richtung erstrecken.

Selbstverständlich können nach anderen Ausführungen der Erfin dung die Kühlkanäle 3 nach Fig. 1 auch durch einzelne runde, quadratische, sternförmige u. a. kleinere Kühlkanäle gebildet sein.

Die Kühlkanäle 3 werden je nach der gewünschten Kühlungsart von Kühlgas, Kühlflüssigkeit oder - in voneinander getrennten Kühlkanälen - von beiden Kühlmedien durchströmt. Bei gemisch ter Kühlung werden in vorteilhafter Weise die inneren, kleine ren Kühlkanäle 3 mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt, was die be sten Kühlergebnisse zeitigt. Mittels Verteilungen in den Druckplatten (Fig. 2) lassen sich Reihen-, Parallel- oder Rei hen-Parallelanordnungen der Kühlkanäle 3 herstellen, womit festgelegt wird, wo Kühlgas und wo Kühlflüssigkeit durchgelei tet werden soll. Damit können die Kühlströme optimal entspre chend der zu erwartenden Einsatzbedingungen einer Maschine an gepaßt werden.

In Fig. 2 ist eine gehäuselose, rotierende elektrische Maschi ne im Halbschnitt dargestellt. Auf einer Motorwelle 8 sitzt ein Läufer 9, dessen Blechkern mit axialen Kühlkanälen 10 durchzogen ist. Mit 11 sind seine Kurzschlußringe bezeichnet. Der Läufer 9 dreht sich innerhalb des mit einer Ständerwick lung versehenen Ständers 13. Von der Ständerwicklung sind die Wickelköpfe 12 dargestellt. Zwischen dem Läufer 9 und dem Ständer 13 befindet sich ein sehr feiner Luftspalt 14. Das Blechpaket des Ständers 13 wird mittels Druckplatten 15 ver spannt.

Lagerschilder 17 dichten den Motorinnenraum nach außen ab und tragen die Lager 18, 19 für die Motorwelle 8. Im Innern der Maschine sitzt auf der Motorwelle 8 des weiteren ein Ventila tor 20 für eine Innenlüftung. Der Ständer 13 wird in Nähe des Außenrandes von mehreren axialen Kühlkanälen 21, 22 durchzo gen, von denen im Beispiel zwei sichtbar dargestellt sind. In die Druckplatten 15 sind Kanäle 16 eingelassen, die die Zuord nung der Kühlkanäle 21, 22 zueinander festlegen. Außerdem sind die Druckplatten 15 für die Gaszuführung und Gasabführung in die gasgekühlten Kühlkanäle 21 mit Durchbrüchen 23 sowie mit Stutzen 24 versehen, die aus der Maschine von den flüssig keitsgekühlten Kühlkanälen 22 für einen externen Kühlflüssig keitsanschluß herausführen.

Im Betrieb wird die Maschine durch Kühlmedium gekühlt, das un mittelbar durch die Kanäle 21, 22 strömt. Dabei können drei Betriebsarten vorgegeben werden:

1. Es erfolgt eine reine Gaskühlung.
2. Es erfolgt eine reine Flüssigkeitskühlung.
3. Es erfolgt eine kombinierte Kühlung mit Kühlgas und Kühlflüssigkeit.

Letztere Betriebsart soll näher beschrieben werden.

Durch den Stutzen 24 wird Kühlflüssigkeit von außen durch die Kühlkanäle 22 geleitet, wobei die Verteilung innerhalb der Kühlkanäle 22 durch die Art der verwendeten Druckplatten 15 bestimmt wird, beispielsweise sind mehrere Kühlkanäle 15 durch Umlenkungen 16 in Serie geschaltet. Nach Passieren des letzten für Flüssigkeitskühlung vorgesehenen Kühlkanals 22 wird die Kühlflüssigkeit wieder aus der Maschine herausgeführt und z. B. durch einen nicht näher dargestellten externen Kühler geführt, bevor sie erneut die Maschine durchströmt. Zusätzlich baut sich eine Innengaskühlung auf, indem Innengas vom Ventilator 20 durch die im äußeren Ständerblechpaket liegenden axialen Kühlkanäle 21 getrieben wird. Beim Passieren der Kühlkanäle 21 wird Wärme an die Kühlflüssigkeit in den Kühlkanälen 22 abge geben und von dieser nach außen abgeführt. Das jetzt abgekühl te Kühlgas verläßt durch die Durchbrüche 23 den Ständer 13 und strömt über einen ersten Wickelkopf 12, über die Kühlkanäle 10 im Läufer 9 und einen zweiten Wickelkopf 12 des Ständers 13, wo es Wärme aufnimmt, zurück zum Ventilator 20. Ein geringer Anteil strömt zusätzlich durch den Luftspalt 14 zwischen Läufer 9 und Ständer 13. Der Ventilator 20 kann in an sich be kannter Weise das Kühlgas sowohl mit Überdruck als auch mit Unterdruck im inneren Kühlkreislauf umwälzen. Als Kühlgas kommt beispielsweise Luft oder Inertgas in Betracht.

Bezugszeichen

1

Eckbereich

2

Ständerblechpaket

3

Kühlkanal

4

Kühlrippe

5

Durchbruch

6

Noppenprofil

7

Trennrippe

8

Motorwelle

9

Läufer

10

Kühlkanal im Läufer

11

Kurzschlußring

12

Wickelkopf

13

Ständer

14

Luftspalt

15

Druckplatten

16

Umlenkung

17

Lagerschild

18

Lager

19

Lager

20

Ventilator

21

Kühlkanal

22

Kühlkanal

23

Durchbruch

24

Stutzen

Claims

1. Gehäuselose elektrische Maschine mit mehreren unmittelbar fluiddurchströmten axialen Kühlkanälen in den Eckbereichen des Ständerblechpaketes aus etwa quadratischen Ständerblechen und mit äußeren Druckplatten zur Zu- und Abführung eines Kühlmediums, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerbleche entsprechend der Auslegung der Maschine zur Kühlung mit einem gasförmigen Kühlmedium oder mit einem flüssigen Kühlmedium oder mit einem gasförmigen und einem flüssigen Kühlmedium ver wendbar sind, wobei die Aufteilung und Führung der Kühlmedien durch die Anordnung der Kühlkanäle (3; 21, 22) in dem Ständer blechpaket (2) sowie die Konfiguration der Zu- und Abführungs kanäle und Verteilung in den äußeren Druckplatten (15) vorge geben wird, wodurch die Kühlkanäle (3; 21, 22) in Reihe, parallel oder in einer kombinierten Reihen-/Parallelanordnung verbindbar sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kühlkanäle (3; 21, 22) bis unmittelbar zum Außenrand des Ständerblechpaketes (2) erstrecken und in radialer Richtung in mehrere kleinere Kühlkanäle (3; 21, 22) unterteilt sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß bei gleichzeitiger Führung eines gasförmigen und ei nes flüssigen Kühlmediums die flüssigkeitsdurchströmten Kühlkanäle (3; 22) zur Wärmequelle hin liegen und die gas durchströmten Kühlkanäle (3; 21) zum Außenrand des Ständer blechpaketes (2) hin liegen.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (3; 21, 22) oberflächenvergrößernd profiliert sind.