DE19908246A1

DE19908246A1 - Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19908246A1
Application number: DE19908246A
Authority: DE
Inventors: Joerg-Hinrich Krebs
Original assignee: Krebs & Aulich GmbH
Current assignee: Krebs & Aulich GmbH
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2000-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Asynchronmaschinen hoher Leistungsdichte. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen inneren Kühlkreislauf in der Maschine zu realisieren, ohne das Motorengehäuse zu verändern. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dies durch eine oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, DOLLAR A daß ein Teil der als Kühlkanäle nutzbaren Zwischenräume des Läufers als Kühlmittelzuführung und ein anderer Teil der Zwischenräume als Kühlmittelabführung ausgebildet sind, DOLLAR A wobei die Strömungsrichtung des Kühlmittels in den zuführenden Teilen abweicht von der in den abführenden Teilen der Läuferzwischenräume. DOLLAR A Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß sich der innere Kühlkreislauf nicht über Kanäle im Gehäuse, sondern vollständig in den Läuferzwischenräumen und den Wickelkopfräumen schließt. Der Wärmetransport erfolgt nicht vom Läufer in den zylindrischen Gehäusemantel, sondern vom Läufer zum N-seitigen oder zu beiden Wickelkopfräumen, so daß die Temperaturdifferenz zwischen diesen wesentlich herabgesetzt wird und das Übertemperaturniveau insgesamt gesenkt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschinen, insbesondere Asynchronmaschinen hoher Leistungsdichte, deren Verlust wärme über die Oberfläche des Gehäuses abgeführt wird und deren Gehäu seausführung einen Stoffaustausch zwischen Gehäuseinnerem und -äußerem nahezu vollständig unterbindet.

Vergleicht man elektrische Maschinen unterschiedlicher geometrischer Grö ße und Maschinenleistung, aber gleichen Wirkprinzips und gleicher Aus nutzung und führt für den Vergleich einen Vergrößerungsfaktor k ein, der das Verhältnis der Abmessungen (Länge, Breite, Höhe, Durchmesser der Statorbohrung) beschreibt, so zeigt sich für wachsendes k ein quadratisches Wachstum der Maschinenoberfläche und ein kubisches Wachstum der Wellenleistung. Betrachtet man weiterhin die elektrische Maschine verein facht als homogenen Körper mit homogen verteilter Quelldichte der Verlust leistung, so wird deutlich, daß sowohl die Leistungsdichte des Wärmedurchganges als auch dessen Weglänge zum Erreichen der Gehäu seoberfläche mit dem Faktor k ansteigen. Bei gleichen Wärmedurchgangs- und -übergangskoeffizienten ergeben sich somit etwa um den Faktor k wachsende Temperaturdifferenzen innerhalb der Maschine.

Um auch bei oberflächengekühlten Maschinen großer Leistung das Tempe raturniveau unterhalb der werkstofflichen Grenzen zu halten, wird oft ein innerer Kühlkreislauf realisiert. Bezüglich der Ausführung solcher Kühl kreisläufe sind unterschiedliche Lösungen bekannt, deren gemeinsames Prinzip darauf beruht, axiale Kanäle sowohl in den Läufer als auch in das Statorgehäuse einzubringen, das Kühlmedium durch ein Gebläse umzuwäl zen und über erzwungen-konvektive Austauschvorgänge einen Wärme transport vom Läuferinneren in die Gehäusewandung zu ermöglichen.

Die Realisierung der axialen Kanäle im Gehäuse der Maschine erfordert jedoch sowohl bei geschweißten als auch bei gegossenen Gehäusen einen erheblichen konstruktiven und fertigungstechnischen Mehraufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen inneren Kühlkreislauf zu realisie ren, ohne das Motorengehäuse zu verändern und/oder in seiner Herstel lung zu verteuern.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine oberflächengekühlte rotierende elek trische Maschine erreicht, die gemäß den Merkmalen des Patentanspruches ausgeführt ist, wobei sich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung aus den Unteransprüchen ergeben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß sich der innere Kühlkreislauf nicht über Kanäle im Gehäuse, sondern vollständig in den Läuferzwischen räumen und den Wickelkopfräuman schließt. Der Wärmetransport erfolgt nicht vom Läufer in den zylindrischen Gehäusemantel, sondern vom Läufer zum N-seitigen oder zu beiden Wickelkopfräumen und den dortigen Gehäu seelementen, so daß die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Be zugspunkten der Maschine wesentlich herabgesetzt wird und über den Einbezug der genannten Gehäuseelemente in die Oberflächenbelüftung der Maschine deren Übertemperaturniveau insgesamt gesenkt werden kann.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.

Dabei zeigen die Zeichnungen in

Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch eine rotierende elektri sche Maschine mit erfindungsgemäßer Innenkühlung und

Fig. 2 einen schematisierten Querschnitt durch die gleiche Maschine.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist die Maschine u. a. folgende Bestandteile auf:
D-seitiges Lagerschild 1, Läufer 2, Radialgebläse 3, N-seitiges Lagerschild 4, Lüfter 5, Wickelkopfräume 6 und 7, Läuferkanäle 8.

Der Läufer 2 besitzt axiale Zwischenräume oder Läuferkanäle 8, die in zwei Gruppen aufgeteilt sind. Die eine Gruppe der Läuferkanäle 8 ist auf der N- Seite des Läufers 2 mit einem sich an das Läuferpaket anschließenden Ra dialgebläse 3 verbunden und endet auf der D-Seite im Wickelkopfraum 7. Das Radialgebläse 3 ist im vorliegenden Beispiel so gestaltet, daß jeder zweite der axialen Läuferkanäle 8 einen an seiner N-Seite aufgesetzten Rohrstutzen besitzt, der bei Drehbewegung des Läufers 2 einen saugenden Kühlmitteltransport bewirkt. Die andere Gruppe der Läuferkanäle 8 hat Öff nungen zu den Wickelkopfräumen 6 und 7. Mit der Rotation des Läufers 2 setzt auch die Förderwirkung des Radialgebläses 3 ein, so daß sich ein Kühlmittelvolumenstrom ergibt; der sich über eine Gruppe der Läuferkanäle 8 und das Radialgebläse 3, den N-seitigen Wickelkopfraum 6, die andere Gruppe der Läuferkanäle 8 und den D-seitigen Wickelkopfraum 7 schließt. Sowohl in den Läuferkanälen 8 als auch an der Innenwandung von Gehäuse und Lagerschilden 6 und 7 ergibt sich ein konvektiver Wärmeaustausch, der entspechend der Zielstellung den Temperaturgradienten innerhalb der Ma schine wesentlich herabsetzt. Dies gilt insbesondere dann, wenn bei der Gestaltung der Eigen- oder Fremdbelüftung, z. B. mit einem Lüfter 5, darauf geachtet wird, insbesondere das sich diesbezüglich anbietende N-seitige Lagerschild 4 ausreichend mit dem Kühlmedium zu beaufschlagen.

Als weitere Abwandlung dieser Anordnung kann ein zweites Gebläse auf der D-Seite des Läuferpaketes angebracht und mit der nicht an das N-seitige Radialgebläse 3 angeschlossenen Gruppe der Läuferkanäle 8 verbunden werden, um die Summe der Differenzdrücke und damit den umgewälzten Volumenstrom des Kühlmittels zu vergrößern.

Die erfindungsgemäße Gestaltung der rotierenden elektrischen Maschine mit kühlmitteldurchströmtem Läufer ist auch sehr gut für flüssigkeitsgekühlte Maschinen geeignet.

Bezugszeichen

1

D-seitiges Lagerschild

2

Läufer

3

Radialgebläse

4

N-seitiges Lagerschild

5

Lüfter

6

und

7

Wickelkopfräume

8

Läuferkanäle

Claims

1. Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine, als Kühlkanäle nutzbare Läuferzwischenräume aufweisend, gekennzeichnet dadurch,
daß ein Teil der als Kühlkanäle nutzbaren Zwischenräume des Läufers (2) als Kühlmittelzuführung und ein anderer Teil der Zwischenräume als Kühl mittelabführung ausgebildet sind,
wobei die Strömungsrichtung des Kühlmittels in den zuführenden Teilen ab weicht von der in den abführenden Teilen der Läuferzwischenräume.

2. Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß an mindestens einem Paketende des Läufers (2) eine oder mehrere Fördereinrichtungen angebracht sind, die zum einen entweder mit den zu führenden oder den abführenden Teilen der Läuferzwischenräume und zum anderen mit dem Wickelkopfraum (6 und/oder 7) verbunden sind.

3. Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Fördereinrichtung ein oder mehrere Gebläse vorhanden ist bzw. sind, welches bzw. welche an einem oder an beiden Enden des Läuferpa ketes anschließt bzw. anschließen.

4. Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß jeder Zwischenraum des Läufers (2) mit maximal einem Gebläse ver bunden ist.

5. Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das bzw. die Gebläse als drehrichtungsunabhängiges bzw. drehrich tungsunabhängige Radialgebläse (3) ausgeführt ist bzw. sind, welches bzw. welche jeweils mit den abführenden Kanälen verbunden ist bzw. sind.

6. Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, . gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eines der Lagerschilde der elektrischen Maschine auf der Innen- und der Außenseite verrippt und bei Kühlmittelbeaufschlagung auf der Innen- und der Außenseite geeignet ist, einen konvektiven Wärmeaus tausch zwischen Gehäuseinnerem und -äußerem zu gewährleisten.

7. Oberflächengekühlte rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strömungsrichtung das Kühlmittels in den zuführenden entgege gengesetzt zu der in den abführenden Teilen der Läuferzwischenräume verläuft.