DE19917420A1

DE19917420A1 - Anordnung und Verfahren zum Herstellen der Kühlkanäle drehender elektrischer Maschinen

Info

Publication number: DE19917420A1
Application number: DE19917420A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kretschmer
Original assignee: ELBTALWERK GmbH
Current assignee: ELBTALWERK GmbH
Priority date: 1999-04-18
Filing date: 1999-04-18
Publication date: 2000-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung der Kühlkanäle drehender elektrischer Maschinen mit einem Ständerblechpaket, insbesondere für gehäuselose Drehstrommaschinen mit zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen mit direkt fluiddurchströmten und gasdurchströmten Kühlkanälen. DOLLAR A Die Anordnung der Kühlkanäle drehender elektrischer Maschinen im Ständerblechpaket im Zusammenhang mit den Preßrahmen soll optimiert werden, wobei bei zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen der konstruktive Aufwand für die fluid- und gasdurchströmten Kühlkanäle vermindert werden soll. Das Verfahren soll, die Lebensdauer und die Fluiddichtheit bei direkt fluiddurchströmten Kühlkanälen erhöhen. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind im Ständerblechpaket 1 in Nähe des Außenumfanges an sich bekannte direkt fluiddurchströmte und gasdurchströmte Kühlkanäle 2 und 3 angeordnet. Die gasdurchströmten Kühlkanäle 3 befinden sich näher zu den Nuten des Ständerblechpaketes 1. Am Ständerblechpaket 1 sind unterschiedlich gestaltete mit Aussparungen versehene Preßrahmen 5 und 6 befestigt, die die Kühlkanäle 2 und 3 untereinander verbinden. Erfindungsgemäß werden beim Verfahren die fluiddurchströmten Kühlkanäle 2 des gesetzten und verpreßten Ständerblechpaketes 1 auf einer Seite verschlossen und abgedichtet, anschließend mit einem elektromaschinenbauuntypischen dünnflüssigen Dichtmittel beaufschlagt, wobei das Dichtmittel längere Zeit einwirkt, anschließend werden die Verschlüsse und das Dichtmittel aus diesen Kühlkanälen ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung der Kühlkanäle drehender elektrischer Maschinen mit einem Ständerblechpaket, insbesondere für gehäuselose Drehstrommaschinen, aber auch für Gleichstrommotoren oder Transformatoren, mit zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen mit direkt fluiddurchströmten und gasdurchströmten Kühlkanälen.

Bei rotierenden elektrischen Maschinen, insbesondere bei hochausgenutzten Maschinen, wie z. B. vielen Drehstrommaschinen, entsteht eine beträchtliche Verlustwärme. Damit die Leistungsaufnahme und die Betriebsdaten der rotierenden elektrischen Maschinen optimal ausgelegt werden können, ist es erforderlich, die durch erhöhte Temperaturen bedingte Belastung der Maschinenbauteile, insbesondere der Isolierwerkstoffe und deren Umgebung in tragbaren Grenzen zu halten. Dies wird durch den Einsatz von leistungsfähigen Kühlsystemen, wie z. B. Fluidkühlung erreicht. Um die Belastbarkeit der elektrischen Maschinen ohne gleichzeitigen Anstieg ihrer Arbeitstemperatur zu erhöhen, ist man deshalb bestrebt, in stärkeren Maße als bisher den Aufbau und die Wirksamkeit des Kühlsystems zu verbessern.

Eine einfache, aber häufig nicht ausreichende Maßnahme besteht darin, die Außenseiten der Maschine zur Verbesserung der Wärmeabfuhr mit zusätzlichen Kühlrippen zu versehen (DE 38 33 574 A1).

Weiter ist es bekannt, durch flüssigkeitsdichte Gehäuse ein Kühlmittel, beispielsweise ein nicht aggressives Öl geringer Viskosität zu pumpen, was allerdings bei drehenden elektrischen Maschinen sehr komplizierte aufwendige Konstruktionen erfordert, die zudem oft eine unzureichende Lebensdauer solcherart gekühlter elektrischer Maschinen bedingen. Bei größeren elektrischen Maschinen werden hohle elektrische Leiter eingesetzt, die wiederum als Leitungen für ein Kühlmittel dienen oder es werden separate zusätzliche Kühlmittelleitungen vorgesehen. Für kleinere Maschinenbaugrößen sind solche Lösungen allerdings aus Platz- und Effektivitätsgründen nicht geeignet.

Aus der DE 195 10 018 C2 ist ein Elektromotor oder Generator mit einem runden Ständerblechpaket und einem im wesentlichen quadratischen Gehäuse bekannt, wobei der Leerraum zwischen Gehäusewand und Ständerblechpaket bis in die Gehäuseecken hinein mit Kühlrohren ausgefüllt ist, durch die ein Kühlmedium strömt. Die zahlreichen Kühlrohre und ihre Verbindungen untereinander verteuern die Maschine erheblich und erhöhen deren Gewicht. Außerdem kann der Wärmeübergang vom Ständerblechpaket über die Luftzwischenräume und das Leitungsmaterial auf das Kühlmedium nicht zufriedenstellen, insbesondere zu den Gehäuseecken hin nimmt der Wirkungsgrad der Kühlung mangels Wärmetransport dorthin stark ab.

Aus der DE 29 13 972 A1 ist eine flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine bekannt, bei der die Druckplatten auf der dem Ständerblechpaket zugewandten Oberfläche querverlaufende Aussparungen enthalten, die durch eingeschweißte Deckplatten verschlossen sind und von Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Dadurch ist zwar ein guter Wärmeübergang von den Druckplatten zur Kühlflüssigkeit erreicht, jedoch ist die Kühlung auf die äußeren Druckplatten beschränkt.

Ferner sind axiale und zum Teil berippte Kühlkanäle in den Eckfenstern etwa quadratischer Blechquerschnitte für Fremdbelüftung bekannt, die die Kühlwirkung erhöhen, ohne den magnetischen Fluß merklich zu behindern (EP 0145903 A1, EP 0254930 A1, EP 0726635 A1, DE 92 18 066 U1). Allerdings dient als Kühlmedium ausschließlich Kühlluft, weil die durch Zuganker o. ä. zu einem Blechpaket verspannten Bleche ohne zusätzliche Maßnahmen feine Haarspalte nicht sicher verhindern können, die durch Rauheit, Oberflächenfehler, Blechverwerfungen, Dickenabweichungen der einzelnen Ständerbleche, Isolierschichtabweichungen, Staub- und Ölpartikel oder Stanzgrat bedingt sind. Ferner bilden sich durch die punktförmige Verspannung zwischen den einzelnen Blechlamellen zusätzliche Spalte, die über Kapillarwirkung Kühlflüssigkeit aufnehmen würden, was zur Korrosion, im Innern des Blechpakets und der Spannbolzen führen würde. Letztendlich sind sogar Schäden an der Isolierung, an Lagern rotierender Teile usw. möglich. Im Betrieb sind die Blechpakete zudem starken elektromagnetischen und mechanischen Kräften und Vibrationen ausgesetzt, die zu einem teilweisen oder vollständigen Vorspannungsverlust der Spannbolzen durch das Setzen der Bleche führen können und so die Funktionsfähigkeit der elektrischen Maschine gefährden.

An sich ermöglicht die letztgenannte konstruktive Ausbildung in vorteilhafter Weise eine Kühlung nahe dem Entstehungsort der Wärme, jedoch sind für eine signifikante Verbesserung der Kühlung starke Kühlgebläse notwendig da Luft ein sehr schlechter Wärmeträger und Wärmetauscher ist.

Weiter wird in der DE 41 07 399 A1 eine Vorrichtung zur elektrodynamischen Energieumwandlung beschrieben, bei der ein aus Dynamoblechen aufgebauter runder Stator ebenfalls als ein tragendes Teil ausgebildet ist und an seiner Kreisperipherie axiale Aussparungen aufweist, durch die Kühlflüssigkeit führende Kühlleitungen gehen. Dadurch entfällt nicht nur der Bau eines separaten Gehäuses, sondern es wird auch durch die Flüssigkeitskühlung eine wirksame Kühlung Einflußnahme auf die Temperatur des Stators und damit eine Abführung eines wesentlichen Anteils der entstehenden Wärme aus der unmittelbaren Umgebung deren Entstehung erreicht. Nachteilig ist wiederum der zusätzliche Aufwand für die Kühlrohre und der mehrfach unterbrochene Wärmefluß vom Ständerblechpaket über die Luft und die im Vergleich zum Rohrquerschnitt minimierte Rohroberfläche bis zur Kühlflüssigkeit. Die Kühlrohre müssen sorgfältig nach dem Verspannen des Blechpakets mittels Zugstangen in Segmenten in die Kanäle eingeschoben und mit Hilfe von äußeren Umlenkbögen miteinander aufwendig verbunden werden. Außerdem müssen sie zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Blechlamellen elektrisch isoliert sein. Gute elektrische Isolatoren sind zumeist auch gute Wärmeisolatoren, weshalb dem Wärmeübergang zusätzlich Wärmewiderstand entgegengesetzt wird.

Pakete aus geblechtem ferromagnetischen Material werden für gewöhnlich genietet, verspannt oder auch mit Schweißraupen mechanisch verfestigt. Auch ist es an sich bekannt, Magnetbleche deckungsgleich miteinander zu verkleben, jedoch wird hiermit der Zweck erfüllt, die Technologie zur Herstellung geblechter Pakete zu vereinfachen und/oder gleichzeitig mit dem Verbinden der Bleche eine Isolation zwischen den Einzelblechen herzustellen, um die Wirbelstromverluste zu senken und/oder das gefürchtete Magnetbrummen zu dämpfen (DE 28 47 988 A1, DE 30 12 320 A1, DE 31 10 339 A1, DE 33 33 155 A1, DE 34 14 113 A1, DE 36 27 890 A1).

Eine Lösung, die die aufwendigen Konstruktionen vermeidet, ist aus der DE 197 16 759 A1 bekannt. Dabei werden Kühlkanäle unmittelbar, bzw. direkt durch ein Fluid durchströmt. Um die Dichtheit des Blechpaketes zu gewährleisten, werden wie im Elektromaschinenbau üblich, die Bleche ganzflächig verklebt. Die Dichtheit soll durch ein Zusammenpressen des Blechpaketes unter hohem Druck bei gleichzeitigen Aushärten des Klebstoffes erreicht werden. Um Haarrisse in der Verklebung zuverlässig während der Betriebsdauer der drehenden elektrischen Maschine zu vermeiden, müßte dieser hohe Druck allerdings durch die Druckplatten aufrecht erhalten werden. Dies erfolgt allerdings nicht. Vielmehr wird sich die Verklebung im Laufe des Betriebes durch die oftmaligen elektrischen und mechanischen Belastungsschwankungen und das Fehlen eines entsprechenden Preßdrucks auf die Einzelbleche des Blechpaketes lösen. Im Ergebnis bilden sich Kapillaren aus, durch die das Fluid die beschriebenen Schäden in der Maschine verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der Kühlkanäle rotierender elektrischer Maschinen im Ständerblechpaket im Zusammenhang mit den Preßrahmen zu optimieren, wobei bei zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen der konstruktive Aufwand für die fluid- und gasdurchströmten Kühlkanäle vermindert werden soll und ein Verfahren zu entwickeln, das bei direkt fluiddurchströmten Kühlkanälen über die gesamte Lebensdauer der Drehstrommaschine die Fluiddichtheiteit sowohl innerhalb des Ständerblechpaketes als auch zwischen den Endblechen des Ständerblechpaketes und den Preßrahmen zuverlässig gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der ersten beiden Patentansprüche gelöst.

Dabei sind erfindungsgemäß in der Nähe des Außenumfangs an sich bekannte direkt fluiddurchströmte und gleichzeitig auch gasdurchströmte Kühlkanäle angeordnet. Dabei sind die gasdurchströmten gegenüber den fluiddurchströmten Kühlkanälen näher zu den Nuten des Ständerblechpaketes angeordnet. Dadurch ist ein innerer gasgekühlter Kühlkreislauf realisierbar, der außer der Kühlung des Läufers der elektrischen Maschine auch die Wicklungsköpfe der Ständerwicklung mit kühlt. Bei einer geschlossenen elektrischen Maschine wird die Wärme über das Kühlgas über die gasdurchströmten Kühlkanäle in das Ständerblechpaketes übertragen. Die fluiddurchströmten Kühlkanäle führen die Wärme aus dem Ständerblechpaket zu einem externen Wärmetauscher. Dabei sind die fluiddurchströmten Kühlkanäle auf einer Seite der drehenden elektrischen Maschine durch Kurzschlußbögen innerhalb der Preßrahmen verbunden. Auf der anderen Seite sind die fluiddurchströmten Kühlkanäle innerhalb der Preßrahmen durch Überbrückungskanäle so verbunden, daß im Ständerblechpaket ein möglichst gleichmäßiges Temperaturniveau eingestellt wird. An diesem Preßrahmen sind gleichzeitig der Fluideintrittsstutzen und der Fluidausstrittsstutzen angeordnet.

Beide Preßrahmen sind an den Stellen, wo die gasdurchströmten Kühlkanäle angeordnet sind, mit Aussparungen im Preßrahmen versehen, so daß das Kühlgas ungehindert ein- und ausströmen kann. Zur besseren Kühlung ist in der Maschine ein Ventilator angeordnet.

Die direkt fluiddurchströmten Kühlkanäle werden mit folgenden erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die einzelnen Ständerbleche werden zum Ständerblechpaket gesetzt und verpreßt. Das Ständerblechpaket wird in der Regel auf seiner Oberfläche axial verschweißt. Dann erfolgt auf einer Seite ein Verschließen und Abdichten der fluiddurchströmten Kühlkanäle. Diese Kühlkanäle werden nun von innen her mit einem dünnflüssigen elektromaschinenbauuntypischen Dichtmittel beaufschlagt. Eine Beaufschlagung mit einer Druckkomponente verringert dabei die Einwirkzeit des Dichtmittels. Durch die Dünnflüssigkeit hat das Dichtmittel das Bestreben alle Kapillaren im Blechpaket zu füllen. In Abhängigkeit von der Viskosität des dünnflüssigen elektromaschinenbauuntypischen Dichtmittels wirkt dieses längere Zeit ein. Das Eindringen in die Kapillaren kann verbessert und die Einwirkzeit verringert werden, wenn das Ständerblechpaket während des Einwirkens des dünnflüssigen elektromaschinenbauuntypischen Dichtmittels zusätzlich mit mechanischen Schwingungen, wie z. B. mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird. Danach wird das dünnflüssige elektromaschinenbauuntypische Dichtmittel wieder aus den fluiddurchströmten Kühlkanälen entfernt. Anschließend erfolgt ein Aushärten des in dem Ständerblechpaket verbliebenen Dichtmittels vorzugsweise bei Raumtemperatur. Nach dem Einlegen der Wicklung wird das gesamte Ständerblechpaket mit im elktromaschinenbautypischen Tränkmitteln und Tränkverfahren getränkt und ausgehärtet. Dann werden die Preßrahmen dichtend angeordnet und die Maschine kann fertig montiert werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Kühlkanäle einschließlich der zugehörigen Preßrahmen und dem zusätzlichen Abdichten der fluiddurchströmten Kühlkanäle ist es möglich eine direkte Fluidkühlung der rotierenden elektrischen Maschine über ihre gesamte Lebensdauer trotz der vielfältigen elektrischen und mechanischen Belastungen zu gewährleisten.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Zeichnung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein Viertel eines erfindungsgemäßen Ständerblechpaketes im Querschnitt nach Anspruch 5,

Fig. 2 einen Preßrahmen mit Kurzschlußbögen und

Fig. 3 einen Preßrahmen mit Überbrückungsbögen.

Bei einer drehenden elektrischen Maschine mit quadratischen Ständerblechpaket 1 sind in den Eckbereichen des quadratischen Ständerblechpaketes 1 pro Ecke außen jeweils zwei rechteckförmige fluiddurchströmte Kühlkanäle 2 angeordnet. Dabei liegen die längeren Seiten der rechteckförmigen Kühlkanäle 2 parallel zur Außenkante des Ständerblechpaketes 1. Des weiteren ist pro Ecke im Eckbereich des Ständerblechpaketes 1 innen jeweils zentriert ein dreieckförmiger gasdurchströmter Kühlkanal 3 angeordnet. Dieses Ständerblechpaket wird nunmehr mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 2 fluiddicht abgedichtet. Dadurch, daß das bereits fertig gesetzte, verpreßte und mechanisch fest gefügte Ständerblechpaket 1 mit einem elektromaschinenbauuntypischen dünnflüssigen Dichtmittel abgedichtet wird, werden alle sich noch im Blechpaket befindlichen Kapillaren zuverlässig ausgefüllt und verschlossen. Durch das nachfolgende Tränken und Aushärten mit elektromaschinenbautypischen Tränkmitteln und Tränkverfahren bildet sich im Inneren an den Wänden der fluiddurchströmten Kühlkanäle eine Art flexible absolut fluiddichte Auskleidung, die auch im Hinblick auf die elektromagnetischen und mechanischen Schwingungen Fluiddichtheit der Kühlkanäle gewährleistet. Dann wird auf einer Seite der drehenden elektrischen Maschine ein Preßrahmen 5 mit im Inneren angeordneten Kurzschlußbögen 4 dichtend angebracht. Dabei werden die einzelnen rechteckförmigen fluiddurchströmten Kühlkanäle 2 innerhalb einer Ecke untereinander verbunden. Auf der anderen Seite der drehenden elektrischen Maschine wird der Preßrahmen 6 mit im Inneren angeordneten Überbrückungsbögen 7 montiert. Dabei verbinden die Überbrückungsbögen 7 die rechteckförmigen fluiddurchströmten Kühlkanäle 2 von einer Ecke des quadratischen Ständerblechpaketes zur anderen. Dieser Preßrahmen enthält des weiteren den Fluideintrittsstutzen 8 und den Fluidaustrittsstutzen 9. Beide können wahlweise vertauscht angeordnet werden. Sowohl eine radiale Anschlußführung als auch eine axiale Anschlußführung ist am bzw. im Preßrahmen 6 möglich. An den Stellen des Ständerblechpaketes 1, an denen sich die gasdurchströmten Kühlkanäle 3 befinden, sind in beiden Preßrahmen 5 und 6 Aussparungen 10 angeordnet. Damit ist ein Durchströmen des Kühlgases, vorzugsweise Luft, des gasgekühlten Kühlkreislaufes problemlos möglich.

Auch eine Lösung, wo in einer Ecke beide rechteckförmigen fluiddurchströmten Kühlkanäle 2 innerhalb der Ecke zu einem einzigen winkelförmigen Kühlkanal verbunden sind, ist möglich. Dabei sind dann allerdings in beiden Preßrahmen Überbrückungskanäle anzuordnen. Weiterhin ist auch die Verwendung von geteilten Preßrahmen möglich.

Liste der verwendeten Bezugzeichen

1

Ständerblechpaket (Querschnitt)

2

fluiddurchströmte Kühlkanäle

3

gasdurchströmter Kühlkanal

4

Kurzschlußbögen

5

Preßrahmen mit Kurzschlußbögen

6

Preßrahmen mit Überbrückungsbögen

7

Überbrückungsbögen

8

Fluideintrittsstutzen

9

Fluidaustrittsstutzen

10

Aussparungen

Claims

1. Anordnung der Kühlkanäle drehender elektrischer Maschinen in einem Ständerblechpaket und daran angeordneten Preßrahmen, insbesondere für Drehstrommaschinen mit zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen mit direkt fluiddurchströmten und gasdurchströmten Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet,
daß im Ständerblechpaket (1) in Nähe des Außenumfanges an sich bekannte direkt fluiddurchströmte und gasdurchströmte Kühlkanäle (2, 3) angeordnet sind,
wobei die gasdurchströmten Kühlkanäle (3) näher zu den Nuten des Ständerblechpaketes (1) angeordnet sind als die fluiddurchströmten Kühlkanäle (2),
daß auf einer Seite der rotierenden elektrischen Maschine die fluiddurchströmten Kühlkanäle (2) durch Kurzschlußbögen (4) innerhalb des Preßrahmens (5) verbunden sind,
daß die fluiddurchströmten Kühlkanäle (2) auf der anderen Seite der rotierenden elektrischen Maschine innerhalb des Preßrahmens (6) durch Überbrückungsbögen (7) untereinander verbunden sind, wobei an diesem Preßrahmen (6) gleichzeitig der Fluideintrittstutzen (8) und der Fluidaustrittsstutzen (9) angeordnet sind und beide Preßrahmen (5, 6) an Stellen der gasdurchströmten Kühlkanäle (3) Aussparungen (10) besitzen.

2. Verfahren zum Herstellen von Kühlkanälen, insbesondere fluiddurchströmter Kühikanäle, dadurch gekennzeichnet,
daß die fluiddurchströmten Kühlkanäle (2) des gesetzten und verpreßten Ständerblechpaketes (1) auf einer Seite verschlossen und abgedichtet werden,
anschließend mit einem elektromaschinenbauuntypischen dünnflüssigen Dichtmittel beaufschlagt werden,
das Dichtmittel in Abhängigkeit von seiner Viskosität längere Zeit einwirkt,
das Dichtmittel aus diesen Kühlkanälen (2) und die Verschlüsse wieder entfernt werden,
das Dichtmittel anschließend ausgehärtet wird,
die Wicklung eingelegt wird,
anschließend mit im elektromaschinenbautypischen Tränkmitteln und Tränkverfahren getränkt und ausgehärtet wird, die Preßrahmen (5, 6) dichtend angeordnet werden,
und die rotierende elektrische Maschine fertig montiert wird.

3. Verfahren zur Herstellung fluiddichter Kühlkanäle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ständerblechpaket (1) während des Einwirkens des dünnflüssigen elektromaschinenbauuntypischen Dichtmittels zusätzlich mit mechanischen Schwingungen, wie z. B. Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird.

4. Anordnung der Kühlkanäle drehender elektrischer Maschinen mit einem runden Ständerblechpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Außenumfanges abwechselnd fluiddurchströmte und gasdurchströmte Kühlkanäle (2, 3) angeordnet sind.

5. Anordnung der Kühlkanäle rotierender elektrischer Maschinen mit einem quadratischen Ständerblechpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in den Eckbereichen des quadratischen Ständerblechpaketes (1) pro Ecke außen jeweils zwei rechteckförmige fluiddurchströmte Kühlkanäle (2) angeordnet sind,
daß in den Eckbereichen des Ständerblechpaketes (1) pro Ecke innen jeweils zentriert ein dreieckförmiger gasdurchstömter Kühlkanal (3) angeordnet ist,
daß die fluiddurchströmten Kühlkanäle (2) auf einer Seite der rotierenden elektrischen Maschine durch Kurzschlußbögen (4) innerhalb einer Ecke im Preßrahmen (5) verbunden sind und
daß die fluiddurchströmten Kühlkanäle (2) auf der anderen Seite der rotierenden elektrischen Maschine im anderen Preßrahmen (6) durch Überbrückungsbögen (7) von einer Ecke zur anderen untereinander verbunden sind, wobei an diesem Preßrahmen gleichzeitig der Fluideintrittsstutzen (8) und der Fluidaustrittsstutzen (9) angeordnet sind,
und beide Preßrahmen (5, 6) an Stellen der gasdurchströmten Kühlkanäle Aussparungen (10) besitzen.