DE19902837C1 - Rotierende elektrische Maschine mit permanenterregtem Rotor - Google Patents

Rotierende elektrische Maschine mit permanenterregtem Rotor

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Abstract

Bei einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem permanenterregten Rotor bildet der rohrförmige, gut wärmeleitende Tragkörper des Stators eine Wärmebrücke zu einem Kühlmittel. Um auch die Wickelköpfe der Statorwicklungen wirksam kühlen zu können, ist auch den Wickelköpfen jeweils eine Wärmebrücke zugeordnet, die den Zwischenraum zwischen den Wickelköpfen und dem Tragkörper des Stators vollständig ausfüllt. Diese Wärmebrücke ist massiv ausgebildet und besteht aus einem mit dem Tragkörper des Stators kraftschlüssig verbundenen Feststoffring sowie einem in diesem Feststoffring eingegossenen Gießharzkörper. Der Gießharzkörper weist eine thermische Leitfähigkeit größer als 1,6 W/m DEG K und enthält hierzu einen pulverförmigen, gut wärmeleitenden Füllstoff in einer Menge von 50 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise ein mit Siliziumdioxid gecoatetes Aluminiumnitrid.

Description

Die Erfindung liegt gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 auf dem Gebiet der rotierenden elektri­ schen Maschinen und ist bei der konstruktiver Ausgestaltung solcher Motoren oder Generatoren großer Leistung anzuwenden, die einen permanenterregten Rotor aufweisen und bei denen für die Wickelköpfe der Statorwicklung besondere Maßnahmen zur Ableitung der Wäre an den Tragkörper des Stators vorgesehen sind. Derartige Motoren können als Antriebsmotoren für Schiffe Verwendung finden; als Generatoren können sie bei­ spielsweise in Windkraftanlagen eingesetzt werden.
Ein bekannter Synchronmotor der genannten Art ist an der Un­ terseite eines Schiffsrumpfes in einem gondelartigen Gehäuse angeordnet. Durch formschlüssige bzw. kraftschlüssige Ein­ spannung des Stators in das Gehäuse ist eine Kühlung des Sta­ tors und damit der Statorwicklung durch das umgebende Seewas­ ser gewährleistet. Den Wickelköpfen der Statorwicklung können zusätzliche Kühleinrichtungen in Form eines Lüfters oder ei­ ner Sprüheinrichtung zugeordnet sein (WO 97/49 605 A). Es ist weiterhin bereits vorgeschlagen worden (WO 99/05 023 A), für die Wickelköpfe eines solchen Synchronmotors Wärmeableitungsbrücken aus einem Kunststoff wie einem Epoxidharz zu verwenden, wobei dieser Kunststoff als wärmeleitenden Füllstoff Mineralien enthält.
Auch für einen im Druckkessel eines Reaktorbehälters verwendeten Motor zum Antrieb von Steuerstäben ist die Verwendung eines Synchronmotors mit permanenterregtem Rotor bekannt, wobei für die Wickelköpfe des Rotors eine Wärmebrücke zum Statorgehäuse vorgesehen ist, die aus einer porösen Mineralfüllung besteht, welche die Wickelkopfräume ausfüllt (EP 0 523 353 A1/DE 692 03 988 T2).
Beim Einsatz von permanenterregten Synchronmotoren für den Schiffsbetrieb und Anordnung solcher Motoren innerhalb des Schiffsrumpfes ist es üblich, die Ständerwicklung dadurch zu kühlen, daß als Ständer, d. h. als Tragkörper für die Ständerwicklung, ein Jochring verwendet wird, in dem sich von Frischwasser durchströmte Kanäle befinden. An den Enden des Jochringes angeordnete Kühlfahnen stellen eine gute Kühlung der Wickelköpfe sicher (Jahrbuch der schiffbautechnischen Gesellschaft 81 (1987), Seiten 221/222). Auch bei permanenterregten Synchronmotoren für Kraftfahrzeuge sowie bei für unterschiedliche Antriebszwecke verwendeten Motoren ist es bekannt, die Wandung des den Stator umschließenden Gehäuses mit Kühlkanälen zu versehen (DE 42 13 132 A1, FR 1 571 890 A).
Es ist weiterhin bekannt, elektrische Maschinen so auszugestalten, daß der Rotor den Stator umschließt. Bei derartigen "Außenläufer"-Maschinen sitzt der Stator auf einem rohrartigen Tragkörper auf, der im Bedarfsfall auch mit Kühlkanälen versehen werden kann (DE 12 03 373 B).
Zur Kühlung der Wickelköpfe einer elektrischen Maschine, deren Rotor in einem Medium hoher Temperatur umläuft und deren Ständer gegen den Rotor mittels eines Spaltrohres abgeschlossen ist, ist es weiterhin bekannt, zwischen den Wickelköpfen und dem gekühlten Gehäusemantel ringförmige Wärmleiter aus Kupferguß anzuordnen, welche fingerartige, biegsame, die Wickelköpfe an den Stirnseiten in geringem Abstand umgreifende und bis in die Nähe des Luftspaltes reichende Fortsätze aufweisen, und die Wickelköpfe mit einer Einbetungsmasse zu umgeben, die aus einem elektrisch isolierendem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise einem unlöslichen Silikonharz mit einem Füllmittel aus fein verteilter pulverförmiger Tonerde besteht (DE 12 04 316 B1). - Es ist weiterhin eine elektrische Maschine bekannt, bei der den Stator-Wickelköpfen zum Zwecke der Wärmeableitung Aluminiumringe zugeordnet sind und der Spalt zwischen den Wickelköpfen und einem Ring mit einer wärmeleitenden Füllmittelschicht, beispielsweise einem Epoxidharz, überbrückt ist (AT 151 584 A, US 3 508 092 A). - Zur Imprägnierung der Statorwicklung eines elektrischen Motors ist weiterhin bereits ein Epoxidharz verwendet worden, das durch Zusatz eines keramischen Füllstoffes eine Wärmeleitfähigkeit von 0,26 cal/m.sec.°C aufweist (DE 38 08 190 A1).
Ausgehend von einer rotierenden elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 (DE 692 03 988 T2) liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, der Wärmebrücke eine möglichst große Wärmeleitfähigkeit zu verleihen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß den kennzeichnenden Merkmalen vorgesehen, daß die den Wickelköpfen zugeordneten Wärmebrücken massiv ausgebildet sind und jeweils aus einem gut wärmeleitfähigen Feststoffring aus Metall sowie einem in diesen Feststoffring eingegossenen, einen gut wärmeleitenden Füllstoff oder eine Füllstoffmischung enhaltenden Gießharzkörper bestehen, wobei der Feststoffring aus einer Vielzahl axial gestapelter Ringscheiben aufgebaut, an die äußere Kontur der Wickelköpfe angepaßt und mit dem Tragkörper des Stators kraftschlüssig verbunden ist, die Wickelköpfe in den Gießharzkörper eingebettet sind und dieser Gießharzkörper durch Verwendung des Füllstoffes oder der Füllstoffmischung in einer Menge von 50 bis 90 Gew.-% eine thermische Leitfähigkeit größer als 1,6 W/m°K aufweist.
Die gemäß der Erfindung vorgesehene Ausgestaltung der Wärmebrücke sieht also vor, einerseits den Raum zwischen den Wickelköpfen und dem Tragkörper des Stators im wesentlichen mit einem Feststoffring zu überbrücken, der zweckmäßig aus einem Metall wie Aluminium oder Kupfer besteht, satt am Tragkörper des Stators anliegt und einen relativ kleinen, definierten Abstand zu den Wickelköpfen aufweist, und andererseits die Wickelköpfe in einen wärmeleitenden Gießharzkörper einzubetten, der seinerseits satt an dem Feststoffring anliegt. Dadurch, daß in radialer Richtung zwischen den Wickelköpfen und dem gekühlten Tragkörper keine Luftschichten vorhanden sind, die die Wärmeabfuhr beeinträchtigen könnten, ist ein optimaler Wärmeübergang von den Wickelköpfen auf den gekühlten Tragkörper des Stators gewährleistet.
Die weiterhin vorgesehene Aufteilung des Feststoffringes in einzelne Bleche dient der Verringerung von Wirbelstromverlusten. Zugleich ermöglicht eine solche Blechung eine feine Anpassung der Kontur des Feststoffringes an die äußere Kontur der Wickelköpfe, indem der Innendurchmesser der Bleche fein gestuft wird. - Die Anordnung und Ausgestaltung des Festoffringes gewährleistet, daß ausgehend von dem gekühlten Tragkörper des Stators eine rela­ tiv geringe Temperatur bis nahe an den nahen Wickelkopf her­ angeführt wird.
Für den Gießharzkörper der Wärmebrücke ist ein Gießharzsystem der Wärmeklasse F (Dauertemperaturbeständigkeit 155°C) vor­ zusehen, welches außer einer hohen Wärmeleitfähigkeit ein gu­ tes Temperaturwechselverhalten, hohe mechanische Festigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten be­ sitzt. Dabei sollte auch die Haftung an den Grenzflächen zwi­ schen dem Gießharzkörper und dem Feststoffring gewährleistet sein. Als Gießharze kommen insbesondere solche auf Polyester-, Esterimid-, Silikon-, Polyurethan- und Epoxid-Basis in Be­ tracht. Harze auf Epoxid-Basis, insbesondere säure­ anhydridhärtbare, haben sich aufgrund ihres ausgewogenen Ei­ genschaftsprofils als besonders geeignet erwiesen. Neben aro­ matischen Epoxidharzen von Bisphenol A und/oder Bisphenol F kommen insbesondere Harze in Betracht, die folgende Zusammen­ setzung aufweisen:
  • a) ein aromatisches und/oder heterozyklisches Polyepoxidharz, gegebenenfalls in Abmischung mit einem aliphatischen Epoxidharz,
  • b) ein Anhydrid und/oder ein Anhydridgemisch, insbesondere ein Carbonsäureanhydrid und/oder ein Carbonsäureanhydrid­ gemisch, gegebenenfalls in Abmischung mit einem sauren Esther aus einem Anhydrid, und
  • c) ein Beschleuniger wie beispielsweise ein Aminbeschleuni­ ger,
wobei die Komponenten a) und b) in üblicher Weise stöchiome­ trisch im Verhältnis 1 : 1 bzw. mit einem leichten Unterschuß der Komponente b) eingesetzt werden.
Ein unter Verwendung derartiger, an sich bekannter und han­ delsüblicher Harze hergestellter Gießharzkörper kann zur Be­ einflussung der mechanischen Eigenschaften als Einlagerungs­ komponenten starre und/oder flexible Gewebeeinlagen enthal­ ten. Wesentlich ist aber, daß das zu verarbeitende Gießharz einen Füllstoff enthält, der der Erhöhung der Wärmeleitfähig­ keit dient und gegebenenfalls eine Erniedrigung des Ausdeh­ nungskoeffizienten des Gießharzkörpers und eine Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit bewirkt. Besonders geeignet sind anorganische Füllstoffe mit einer hohen intrinsischen thermischen Leitfähigkeit wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, insbesondere gecoatetes Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid und Metallpulver wie insbesondere Aluminiumpulver sowie Quarzmehl und Quarzgutmehl, ferner Mischungen dieser Stoffe. Die je­ weils gewählte Füllstoffkombination sollte in dem Gießharz­ körper in einer Menge zwischen 50 und max. 90 Gew.-%, vorzugs­ weise 60 bis 90 Gew.-% enthalten sein. Wenn die Füllstoffkom­ bination Quarzmehl oder Quarzgutmehl enthält, sollte dieses in einer Menge von höchstens 10 Gew.-% vorhanden sein.
Die genannten Füllstoffe bzw. Füllstoffkombinationen lassen sich in die zuvor genannten Harze relativ gut einarbeiten, weil diese Harze eine relativ niedrige Viskosität aufweisen. Insbesondere die Harze auf der Basis von Polyepoxiden weisen bei einer Verarbeitungstemperatur von etwa 60 bis 90°C, vor­ zugsweise bei 75 bis 85°C, eine gute Applikation bei Tempe­ raturen von 70 bis 100°C, vorzugsweise bei 80 bis 90°C auf, und zwar sowohl unter Normaldruck als auch unter Vakuum sowie unter Vakuum mit anschließender Druckbeaufschlagung. - Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Wärmebrücke weist im Bereich des Gießharzkörpers eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 1,6 W/m°K auf, bei einem sehr hohen Füllstoffanteil sogar von mehr als 2,0 W/m°K.
Die gemäß der Erfindung ausgebildete Wärmebrücke ist mecha­ nisch so stabil, daß auf die sonst übliche Wickelkopfverstei­ fung verzichtet werden kann. Sofern der Gießharzkörper mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff angereichert ist, be­ steht auch die Möglichkeit, bei geeigneter Wickelkonstruktion auf die sonst erforderliche wickelkopfseitige Hauptisolierung verzichten.
Gemäß der Erfindung ausgebildete Wärmebrücken kommen insbe­ sondere bei rotierenden elektrischen Maschinen zur Anwendung, bei denen der Tragkörper ein den Stator umfassendes Gehäuse ist, wie es beispielsweise bei gondelartig anzuordnenden Schiffsantrieben oder bei im Inneren des Schiffskörpers ange­ ordneten Antriebsmotoren der Fall ist. Die neuartige Wärme­ brücke kann aber auch für rotierende elektrische Maschinen eingesetzt werden, bei denen der Tragkörper im Inneren eines von dem Rotor umgebenen Stators angeordnet ist. Ein mögliches Anwendungsgebiet sind hierbei Generatoren von Windkraftanla­ gen.
Ein Ausführungsbeispiel der neuen Wärmebrücke ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Ausführungsbeispiel einer für diese Wärme­ brücke verwendeten Gießharzmasse wird anschließend beschrie­ ben. - Die in Fig. 2 dargestellte Wärmebrücke kann bei einem Antriebsmotor gemäß Fig. 1 verwendet werden.
In Anlehnung an Fig. 1 der WO 97/49605 zeigt die vorliegende Fig. 1 eine gondelartige Antriebseinrichtung für ein Schiff, bei der in einem Gehäuse 1 ein aus Stator 7 und Läufer 10 be­ stehende Synchronmotor angeordnet ist. Der Stator 7 des Syn­ chronmotors ist formschlüssig in ein hohlzylindrisches Gehäu­ seteil 2 eingepaßt, vorzugsweise ist dieses Gehäuseteil auf das Statorblechpaket aufgeschrumpft. Dieses Gehäuseteil bild­ let den rohrförmigen Tragkörper des Stators und besteht aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise einer Bronze-Legierung. - Die Wicklungen des Stators sind in den Wickelköpfen 8 und 9 sichtbar. Der Läufer 10 des Synchronmo­ tors ist als permanentmagneterregter Läufer ausgebildet und ruht mittels einer Tragkonstruktion 11 auf der Antriebswelle 5.
Gemäß Fig. 2 ist den beidseitigen Wickelköpfen 8 bzw. 9 je­ weils eine Wärmebrücke zugeordnet, die aus einem die jeweili­ gen Wickelköpfe umgebenden Feststoffring 91 sowie einem darin eingegossenen Gießharzkörper 94 besteht. Diese Wärmebrücke füllt den Zwischenraum zwischen den Wickelköpfen 8 bzw. 9 und dem Tragkörper 2 vollständig aus, wobei die Wickelköpfe in den Gießharzkörper 94 eingebettet sind. In den Gießharzkörper sind noch Ringleitungen 95 für den elektrischen Anschluß der Statorwicklungen sowie Befestigungselemente wie Schnürplatten eingebettet.
Der Feststoffring 91 besteht aus einzelnen dünnen Blechen in Form von in Segmente aufgeteilten Ringscheiben, von denen die im linken Teil angeordneten Ringscheiben 92 den gleichen In­ nendurchmesser aufweisen, während die längs der abfallenden Kontur der Wickelköpfe 9 angeordneten Ringscheiben 93 einen kleiner werdenden Innendurchmesser aufweisen. Dadurch wird der Feststoffring an die Kontur der Wickelköpfe 9 derart an­ gepaßt, daß ein relativ kleiner Spalt von etwa 5 mm zwischen dem Feststoffring 91 und den Wickelköpfen 9 verbleibt. - Der Feststoffring 91 ist mittels axial verlaufender Befestigungs­ bolzen 96 stirnseitig derart am Stator 7 befestigt, daß beim Aufschrumpfen des rohrförmigen Gehäuseteiles 2 auf den Stator 7 dieses auch auf den Feststoffring 91 aufschrumpft. Vorbe­ reitend hierzu ist der Feststoffring - wie auch der Stator - mittels Drehmeißel auf das erforderliche Maß (Außendurchmess­ ser) gebracht worden.
Zur Herstellung des Gießharzkörpers 91 wird innerhalb der Wickelköpfe ein hohlzylindrischer oder topfartiger Körper an­ geordnet, der als inneres Formteil für den Gießharzkörper 94 dient. Der Gießharzkörper 94 wird dann bei vertikal angeord­ netem Stator durch Eingießen und anschließendes Aushärten ei­ ner entsprechenden Gießharzmasse hergestellt.
Ein für den dargestellten Anwendungsfall geeignetes Gießharz weist folgende Zusammensetzung auf:
  • a) 92 Gew.-Teile eines Epoxidharzes,
  • b) 75 Gew.-Teile eines Carbonsäureanhydrids,
  • c) 0,8 Gew. Teile eines Aminbeschleunigers,
  • d) 550 Gew.-Teile eines mit Siliziumdioxid gecoateten Alumi­ niumnitrids und
  • e) 29 Gew. Teile eines Quarzgutmehles.
Zur Herstellung eines Gießharzkörpers werden die genannten Komponenten zunächst bei einer Temperatur von 80°C vermischt und anschließend bei gleicher Temperatur unter einem Druck von 1 bis 10 mbar bis zur Blasenfreiheit entgast. Anschlie­ ßend wird die Gießharzmasse bei einer Temperatur von 80°C vergossen und danach ausgehärtet. Die Härtung erfolgt bei­ spielsweise für 12 h bei 80°C, anschließend 4 h bei 90°C, da­ nach 3 h bei 100°C und abschließend 12 h bei 110°C.
Ein derart hergestellter Gießharzkörper hat eine Wärmleitfä­ higkeit von 1,9 W/m°K.

Claims (10)

1. Rotierende elektrische Maschine mit einem permanenter­ regten Rotor und einem mit Wicklungen versehenen Stator, dem ein rohrförmiger, gut wärmeleitender Tragkörper kraft­ schlüssig zugeordnet ist, wobei der Tragkörper eine Wärmebrücke zu einem Kühlmittel bildet und auch den Wickelköpfen der Statorwicklungen je­ weils eine Wärmebrücke zugeordnet ist, welche den Zwi­ schenraum zwischen den Wickelköpfen und dem Tragkörper vollständig ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wickelköpfen zugeordneten Wärmebrücken massiv ausgebildet sind und jeweils aus einem gut wärmeleitfähigen, an die äußere Kontur der Wickelköpfe (9) angepaßten und mit dem Tragkörper (2) des Stators kraftschlüssig verbundenen Feststoffring (91) aus Metall und einem in diesen Feststoffring eingegossenen und die Wickelköpfe (9) einbettenden Gießharzkörper (94) mit einer thermischen Leitfähigkeit größer als 1,6 W/m°K bestehen, wobei der Feststoffring (91) aus einer Vielzahl axial gestapelter Ringscheiben (92, 93) aufgebaut ist und der Gießharzkörper (94) einen pulverförmigen, gut wärme­ leitenden Füllstoff oder eine Füllstoffmischung in einer Menge von 50 bis 90 Gew.-% enthält.
2. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff bzw. eine Füllstoffkomponente aus gecoatetem Aluminiumnitrid besteht.
3. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff bzw. eine Füllstoffkomponente aus einem Metallpulver wie Aluminiumpulver besteht.
4. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießharzkörper (94) zusätzlich starre und/oder flexi­ ble Gewebeeinlagen (95) enthält.
5. Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießharzkörper (94) als weiteren Füllstoff Quarzmehl in einer Menge von bis zu 10 Gew.-% enthält.
6. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießharzkörper (94) als Harz ein Epoxidharz enthält, das folgende Zusammensetzung aufweist:
  • a) ein aromatisches und/oder heterozyklisches Polyepoxid­ harz, gegebenenfalls in Abmischung mit einem aliphatischen Epoxidharz,
  • b) ein Anhydrid oder ein Anhydridgemisch, gegebenenfalls in Abmischung mit einem sauren Ester aus einem Anhydrid, und
  • c) ein Beschleuniger.
7. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (2) ein den Stator umfassendes Gehäuse ist.
8. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) Teil eines gondelartig anzuordnenden Schiffsantriebes ist.
9. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper im Innern eines von dem Rotor umgebenen Stators angeordnet ist (Außenläufermaschine).
10. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und der Stator Teile eines Windkraftgenerators sind.
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