DE19943446A1 - Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen - Google Patents
Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer MaschinenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen, insbesondere für oberflächengekühlte Drehmstrommaschinen, bestehend aus geschichteten Ständerblechpaketen mit Fremd- oder Eigenkühlung. DOLLAR A Aufgabe ist es, sowohl die Kühlung von oberflächengekühlten Drehstrommaschinen mit Fremd- oder Eigenkühlung so zu verbessern, daß sie ähnliche Werte wie bei Wasserkühlung erreicht. Es soll auch eine mechanisch bessere Befestigung der Wickelköpfe erfolgen. Erfindungsgemäß sind am Ständerblechpaket seitlich außen zwei an sich bekannte allerdings speziell gestaltete Preßrahmen 2 angeordnet. Die Preßrahmen 2 besitzten zusätzlich radial außen Kühlkanäle 5. Erfindungsgemäß sind innen im Preßrahmen 2 weitere innere Kühl- und Befestigungskanäle 3 angeordnet. Die Wicklungsköpfe 1 sind voll oder teilweise eingegossen, wobei zwischen Wicklungskopf 1 und Ständerblechpaket nur ein schmaler Spalt frei bleibt. Die Vergußmasse 4 reicht bis in die inneren Kühl- und Befestigungskanäle 3 der Preßrahmen 2 und füllt diese aus. Nach dem Aushärten entsteht eine feste Verbindung zwischen den Wicklungsköpfen 1 und den zugehörigen Kühl- und Befestigungskanälen 3 des erfindungsgemäßen Preßrahmens 2. Durch die einer Verzahnung ähnlichen Verbindung entsteht eine sehr gute mechanische Befestigung der Wicklungsköpfe 1 an dem Preßrahmen 2 der elektrischen Maschine. Auf Grund der großen Oberfläche zwischen Vergußmasse 4, die die Verlustwärme aus den ...
Description
Die Erfindung betrifft die Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender
elektrischer Maschinen, insbesondere für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen mit
geschichteten Ständerblechpaketen mit Fremd- oder Eigenkühlung. Solcherart
Drehstrommaschinen sind z. B. einsetzbar als Spindelantriebe für Werkzeugmaschinen.
Es ist allgemein bekannt bei oberflächengekühlten Drehstrommaschinen ohne inneren
Kühlkreislauf die entstehende Verlustwärme fast ausschließlich durch Wärmeleitung über das
Ständerblechpaket zum Kühlmedium abzuführen. Für hochausgenutzte Drehstrommaschinen
für Spindelantriebe für Werkzeugmaschinen erfolgt die Abführung vorzugsweise durch
Wasserkühlung. Problematisch ist jedoch jeweils die Abführung der Verlustwärme aus den
Wicklungsköpfen. In der DE 41 38 268 wird deshalb zur Lösung dieses Problems eine direkte
Flüssigkeitskühlung der Wicklungsköpfe vorgeschlagen.
Allerdings ist bei hochausgenutzten Maschinen der radiale Einbauraum für die
Wicklungsköpfe, deren Halterung und der Raum, der für die Verschaltung der Wicklung zur
Verfügung steht, begrenzt, wenn der Außendurchmesser des Gehäuses über die gesamte Länge
der Drehstrommaschine gleich sein soll. Bei der direkten Flüssigkeitskühlung der Wicklung
bzw. der Wicklungsköpfe sind hohe technologische Aufwendungen erforderlich.
Wassergekühlte elektrische Maschinen sind zudem konstruktiv aufwendig und dadurch sehr
teuer. Solch eine Lösung ist im DE-GbM 297 17 128 beschrieben, wo sogenannte
Umlenkbögen stirnseitig um die Wickelköpfe herum geführt sind um aus den
Wicklungsköpfen die Verlustwärme abzuführen.
Um die Verlustwärme aus den Wicklungsköpfen ohne zusätzlichen inneren Kühlkreislauf
abzuführen, sind verschiedene Lösungen bekannt. So ist in der DE-AS 30 26 892 eine
oberflächengekühlte Drehstrommaschine ohne inneren Kühlkreislauf beschrieben, wo zur
besseren Wärmeabfuhr die Geometrie der Wicklungsköpfe so gestaltet ist, daß zwischen
Wicklungskopf und Gehäusemantel des Gehäuses eine Berührungsfläche entsteht. Dabei
erfolgt ein Abstützen der Wicklungsköpfe an der Gehäuseinnenwand.
In der DE 16 13 297 werden die Wicklungsköpfe mehrfach bandagiert und die Bandagen
anschließen unter Vakuum getränkt und ausgehärtet. Der Raum zwischen Wicklungskopf und
Innenwand des Preßrahmens des Ständergehäuses wird anschließend mit einer
kaltvulkanisierten Silikonkautschuk-Vergußmasse, die mit Füllstoffen hoher
Wärmeleitfähigkeit und hoher Wärmekapazität gefüllt ist, vergossen.
Zur Be- bzw. Verfestigung der Wicklungsköpfe ist es aus dem DE-GbM 297 22 433 bekannt,
zusätzliche Wicklungskopfstützringe zur Fixierung der Wicklungsköpfe anzuordnen, wobei die
Versteifungselemente die Spulenschenkel gleicher Schichten und/oder unterschiedlicher
Schichten mechanisch versteifen.
In der DE-OS 44 16 299 ist eine Lösung beschrieben wo zur Führung des Kühlgases eine
Gasleiteinrichtung vorgesehen ist, die aus einer Mehrzahl kegelmantelförmiger und
voneinander radial distanzierter Leitringe besteht und ein gleichfalls kegelmantelförmiges
Ringteil umfaßt, die unter sich und mit dem Maschinengehäuse direkt oder mittelbar mittels im
wesentlichen radial verlaufender Stäben verbunden sind. Neben einer guten
Verlustwärmeabführung soll hiermit auch eine hohe mechanische Steifigkeit des
Wicklungskopfes erreicht werden.
In der DE-OS 44 21 269 ist eine Anordnung der Wicklungsköpfe in Ständern von
oberflächengekühlten Drehstrommaschinen ohne inneren Kühlkreislauf beschrieben, wobei die
Geometrie der Wicklungsköpfe so gestaltet ist, daß eine Berührungsfläche zwischen
Wicklungskopf und Gehäusemantel des Gehäuses entsteht, die eine Wärmebrücke von den
Spulen zum Gehäuse darstellt, wobei die Berührungsfläche am Gehäusemantel mit einer
elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Beilage versehen ist.
Allerdings haftet dieser Lösung der Nachteil an, daß die Berührungsfläche relativ klein und
damit die tatsächliche Wärmeabführung nur gering ist.
In einer anderen Lösung, wie in der DE-OS 40 03 155 beschrieben, werden die
Wicklungsköpfe dadurch gekühlt, daß ein Wicklungskopf der Ständerwicklung ringförmig von
einem Luftleitkanal umgeben ist, der mindestens eine Austrittsöffnung für einen in
Umfangsrichtung den Wicklungskopf umspülenden Kühlluftstrom aufweist. Diese Lösung ist
ebenfalls konstruktiv aufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl die Kühlung von oberflächengekühlten
Drehstrommaschinen mit Fremd- oder Eigenkühlung so zu verbessern, daß sie ähnliche Werte
wie bei Wasserkühlung erreicht, als auch eine mechanisch bessere Befestigung der
Wickelköpfe zuverlässig über die gesamte Lebensdauer der rotierenden elektrischen Maschine
zu erreichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1.
Patentanspruches gelöst. Dabei sind am Ständerblechpaket einer oberflächengekühlten
Drehstrommaschine außen zwei an sich bekannte allerdings erfindungsgemäß speziell
gestaltete Preßrahmen angeordnet. Die Preßrahmen besitzen zusätzlich außen Kühlkanäle, die
in der Regel gleich gestaltet sind wie die Kühlkanäle des eigentlichen Ständerblechpaketes.
Erfindungsgemäß sind innen im Freßrahmen weitere innere Kühl- und Befestigungskanäle
angeordnet. Die Wicklungsköpfe sind voll oder teilweise eingegossen, wobei bei teilweisem
Eingießen zwischen Wicklungskopf und Ständerblechpaket nur ein schmaler Spalt frei bleibt.
Die Vergußmasse reicht bis in die inneren Kühl- und Befestigungskanäle der Preßrahmen und
füllt diese aus. Nach dem Aushärten entsteht eine feste Verbindung zwischen den
Wicklungsköpfen und den zugehörigen Kühl- und Befestigungskanälen des
erfindungsgemäßen Preßrahmens. Durch die einer Verzahnung ähnlichen Verbindung entsteht
eine sehr gute mechanische Befestigung der Wicklungsköpfe zum Preßrahmen der elektrischen
Maschine. Auf Grund der großen Oberfläche zwischen Vergußmasse, die die Verlustwärme
aus den Wicklungsköpfen ausnimmt und nach außen ableitet, und dem Preßrahmen, wird die
Wärme gut zu den äußeren Kühlkanälen des Preßrahmens geleitet. Da die erfindungsgemäßen
Preßrahmen außen mit berippten Kühlkanälen versehen sind, ist durch die Fremd- oder
Eigenkühlung die Wärmeabführung in diesen Bereichen genauso effektiv wie im Bereich des
Ständerblechpakets. Damit läßt sich in der gesamten elektrischen Maschine ein ausgeglichenes
Temperaturniveau realisieren. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht hochausgenutzte
Drehstrommotoren z. B. als Spindelantriebe für Werkzeugmaschinen mit geschichteten
Ständerblechpaketen in Luftkühlung ohne negative Auswirkungen auf den Fertigungsprozeß
auszuführen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der schmale Spalt zwischen
Wicklungskopf und Ständerblechpaket auch mit einer stofflich anders oder gleich
zusammengesetzten Vergußmasse ausgegossen. Dabei kann die Vergußmasse leitende
Glimmschutzmaterialien enthalten, um die Teilentladungen am Nutausgang zu begrenzen und
die Prüfspannungen besser zu beherrschen.
Die inneren Kühl- and Befestigungskanäle können anstelle umlaufender radialer oder axialer
inneren Kühl- und Befestigungskanäle auch wabenartig gestaltet sein. Die Waben können
vieleckig oder rund ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die inneren Kühl- und Befestigungskanäle bei
radialer oder wabenartiger Anordnung schräg in axialer Richtung nach außen weg vom
Ständerblechpaket geneigt angeordnet. Der Neigungswinkel im Hinblick auf die
Maschinenachse ist vorzugsweise kleiner 90° und größer als 45°.
Die inneren Kühl- und Befestigungskanäle können wie eine halbgeschlossene Nut ausgebildet
sein.
Die Wirkung der Kühlung des Wicklungskopfes wird verbessert, wenn die Vergußmasse, wie
bekannt, eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit insbesondere gegen Haarrisse in den mechanisch
hochbelasteten Bereichen ist es vorteilhaft in die Vergußmasse Fasermaterialien, wie zum
Beispiel Aramidfasern, einzubringen.
In technologischer und thermischer Sicht ist es vorteilhaft, daß im Preßrahmen zusätzlich ein
L-förmiger Kreisring dichtend angeordnet ist. Dieser besitzt einen engen thermischen Kontakt
zum Preßrahmen. Wahlweise kann die Innenfläche zum Wicklungskopf hin glatt ausgeführt
sein oder im Inneren Kühl- und Befestigungskanäle aufweisen. Diesen dadurch gebildeten
Raum wird mit der Vergußmasse ausgefüllt.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Fig. 1 in einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Wicklungskopfes 1 und des zugehörigen Preßrahmens 2.
Am Ständerblechpaket einer oberflächengekühlten Drehstrommaschine ist seitlich außen ein
erfindungsgemäßer Preßrahmen 2 angeordnet. Der Preßrahmen 2 besitzt radial außen auf seiner
äußeren Oberfläche Kühlkanäle 5, die in der Regel gleich gestaltet sind wie die äußeren
Kühlkanäle des eigentlichen Ständerblechpaketes. Erfindungsgemäß sind innen im Preßrahmen
2 weitere innere Kühl- und Befestigungskanäle 3 angeordnet, die in axialer Richtung nach
außen vom Ständerblechpaket aus weg geneigt sind. Der Wicklungskopf 1 ist voll eingegossen.
Auch der Spalt zwischen Wicklungskopf 1 und Ständerblechpaket ist eingegossen. Die
Vergußmasse 4 reicht bis in die inneren Kühl- und Befestigungskanäle 3 des Preßrahmens 2
und füllt diese aus. Nach dem Aushärten entsteht eine feste Verbindung zwischen den
Wicklungskopf 1 und den zugehörigen Kühl- und Befestigungskanälen 3 des
erfindungsgemäßen Preßrahmens 2. Durch die einer Verzahnung ähnlichen Verbindung
entsteht eine sehr gute mechanische Befestigung des gesamten Wicklungskopfes 1 zum
Preßrahmen 2 der elektrischen Maschine. Auf Grund der großen Oberfläche zwischen
Vergußmasse 4, die die Verlustwärme aus dem Wicklungskopf 1 alt und nach außen
ableitet, und dem Freßrahmen 2, wird die Wärme gut zu den äußeren Kühlkanälen 5 des
Preßrahmens 2 geleitet. Da der erfindungsgemäße Preßrahmen 2 außen mit berippten
Kühlkanälen 5 versehen ist, ist durch die Fremd- oder Eigenkühlung die Wärmeabführung in
diesen Bereichen genauso effektiv wie im Bereich des Ständerblechpaketes. Damit läßt sich in
der gesamten elektrischen Maschine ein ausgeglichenes Temperaturniveau realisieren.
Die Erfindung ist auch anwendbar bei Drehstrommotoren mit Gehäuse. Dabei ist an Stelle des
Preßrahmens ein mit den erfindungsgemäßen inneren Kühl- und Befestigungskanälen
versehener Ring
im Gehäuse im Bereich des Wicklungskopfes angeordnet, der einen engen thermischen
Kontakt zum Gehäuse hat.
Anstelle des Ringes kann auch ein U-förmiger Kreisring angeordnet sein, dessen Innenfläche
wahlweise teilweise oder ganz mit den erfindungsgemäßen inneren Kühl- und
Befestigungskanälen versehen ist.
1
Wicklungskopf
2
Preßrahmen
3
Kühl- und Befestigungskanal
4
Vergußmasse
5
Äußerer Kühlkanal
Claims (11)
1. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen,
insbesondere für oberflächengekühlte Drehstrommaschinen mit geschichteten
Ständerblechpaketen mit Fremd- oder Eigenkühlung,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Ständerblechpaket seitlich außen an sich bekannte Preßrahmen angeordnet sind,
daß die Preßrahmen zusätzlich radial außen Kühlkanäle besitzen,
daß am Preßrahmen innere Kühl- und Befestigungskanäle angeordnet sind,
daß die Wicklungsköpfe vollständig oder teilweise eingegossen sind, wobei bei teilweisem Eingießen zwischen Wicklungskopf und Ständerblechpaket nur ein schmaler Spalt frei bleibt und die Vergußmasse bis in die inneren Kühl- und Befestigungskanäle der Preßrahmen reicht und diese ausfüllt.
daß am Ständerblechpaket seitlich außen an sich bekannte Preßrahmen angeordnet sind,
daß die Preßrahmen zusätzlich radial außen Kühlkanäle besitzen,
daß am Preßrahmen innere Kühl- und Befestigungskanäle angeordnet sind,
daß die Wicklungsköpfe vollständig oder teilweise eingegossen sind, wobei bei teilweisem Eingießen zwischen Wicklungskopf und Ständerblechpaket nur ein schmaler Spalt frei bleibt und die Vergußmasse bis in die inneren Kühl- und Befestigungskanäle der Preßrahmen reicht und diese ausfüllt.
2. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der schmale Spalt zwischen Wicklungskopf und Ständerblechpaket mit einer stofflich
anders zusammengesetzten Vergußmasse oder der gleichen ausgegossen ist.
3. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die inneren Kühl- und Befestigungskanäle wabenartig gestaltet sind.
4. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die inneren Kühl- und Befestigungskanäle schräg nach außen vom Ständerblechpaket aus
weg gerichtet geneigt angeordnet sind.
5. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die inneren Kühl- und Befestigungskanäle in axialer Richtung geneigt nach außen vom
Ständerblechpaket weg angeordnet sind.
6. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Ansprach 1, 2, 3, 4, oder 5,
daß die inneren Kühl- und Befestigungskanäle unterschiedlich wie z. B. als halbgeschlossene
Nut, T-förmig, L-förmig oder wellenförmig ausgebildet sind.
7. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vergußmasse vorzugsweise eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und Elastizität besitzt.
8. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die stofflich anders zusammengesetzte Vergußmasse leitende Glimmschutzmaterialien
enthält.
9. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zwischen Wicklungskopf und Preßrahmen eine mechanische andere Verbindung
angeordnet ist.
10. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Vergußmasse Fasermaterialien eingebracht sind.
11. Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach
Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Preßrahmen zusätzlich ein L-förmiger Kreisring dichtend angeordnet ist, der einen
engen thermischen Kontakt zum Preßrahmen besitzt und im Inneren zum Wicklungskopf hin
Kühl- und Befestigungskanäle aufweist oder glatt ausgeführt ist.
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