DE19943446B4

DE19943446B4 - Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen

Info

Publication number: DE19943446B4
Application number: DE19943446A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dieter Eberhardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-11
Filing date: 1999-09-11
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2019-09-12
Also published as: DE19943446A1

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 gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Art von 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 A1 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.

In der DE 16 13 297 C werden die Wicklungsköpfe mehrfach bandagiert und die Bandagen anschließend 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.

Auch in der DE 12 04 316 B ist eine Kühleinrichtung für elektrische Maschinen beschrieben, bei der die Wickelköpfe von einer als Einbettungsmasse bezeichneten Vergussmasse umschlossen sind. Hierbei handelt es sich um eine wassergekühlte Maschine. Allerdings ist es erforderlich zusätzliche Maßnahmen vorzusehen, um die Wärme aus den Wicklungsköpfen abführen zu können. Das Problem ist, dass die Einbettungsmasse bzw. Vergussmasse aufgrund der erheblichen mechanischen Belastungen keine dauerhafte Verbindung mit den sie umschließenden Gehäuseteilen behält. Es kommt zum Schrumpfen der Einbettungsmasse und es bilden sich zwischen glatter Gehäuseoberfläche und der Oberfläche der Einbettungsmasse Risse, die den Wärmeübergang erheblich erschweren. Zudem ist diese Konstruktion mit den zusätzlich angeordneten fingerartigen Fortsätzen von Wärmeleitern konstruktiv und technologisch aufwändig.

Eine weitere ähnliche Lösung ist in der DE 23 07 991 A aufgezeigt. Hierbei wird ein Verfahren beschrieben, wie die Wicklungsköpfe ebenfalls vollständig mit einer isolierenden Vergussmasse eingegossen werden. Dieses Eingießen erfolgt hier allein aus Festigkeitsgründen, um die Lager mechanisch stabil in das Gehäuse einzubinden. Diese technische Lösung ist allerdings nur bei sehr kleinen elektrischen Maschinen einsetzbar. Eine Verbesserung der Kühlung ist hier nicht möglich und auch nicht bezweckt.

In einer anderen Ausführung gemäß der Schrift DE 39 42 768 A1 ist eine Kleinmaschine als oberflächengekühlter Drehstromgenerator für Fahrzeuge beschrieben, bei der zur Verbesserung der Wärmeabführung aus den Wicklungsköpfen diese vollständig mit einer dünnen wärmeleitfähigen elektrisch isolierenden Isolierschicht bis zu einer umgebenden Kapselwand umgossen sind. Hauptproblem hierbei ist erneut die Rissbildung zwischen Kapselwand und Oberfläche der eingebrachten Isolierschicht, hervorgerufen durch die Bewegung der Wicklungsköpfe, die eine Verschlechterung des Wärmeübergangs von der eingebrachten Isolierschicht zur Metallgusskapsel bewirkt. Allerdings ist die verwendete Metallgusslegierung nicht geeignet, um einen optimalen Wärmeübergang bis nach außen zum Motorgehäuse zu ermöglichen.

Bei der AT 1 51 584 B ist eine Einrichtung zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den Wickelköpfen elektrischer Maschinen mit Kühlluftkanälen beansprucht, wobei die Wickelköpfe in eine gut wärmeleitende Füllmittelschicht eingebettet und zusätzliche besondere Ringteile aus Metall unmittelbar an die Füllmittelschicht anliegend angeordnet sind. Auch bei dieser Lösung besteht die Gefahr, das der unmittelbare Kontakt zwischen Füllmittelschicht und metallischem Ringteil durch die auf den Wickelkopf wirkenden elektromagnetischen Kräfte bei längerer Betriebsdauer nicht mehr gewährleistet ist.

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 bekannt, 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 Pressrahmen 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 ähnliche 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 aufnimmt 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- und 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. Dieser dadurch gebildeten Raum wird mit der Vergussmasse ausgefüllt.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand der 1 in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. 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 ähnliche 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 aufnimmt und nach außen ableitet, und dem Pressrahmen 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.

Claims

Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen, insbesondere für obenflächengekühlte Drehstrommaschinen mit geschichteten Ständerblechpaketen mit Fremd- oder Eigenkühlung und mit am Gehäuse beidseits angeordneten Pressrahmen mit eingegossenen Wicklungsköpfen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressrahmen am Ständerblechpaket seitlich außen 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.
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.
Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Kühl- und Befestigungskanäle wabenartig gestaltet sind.
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.
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.
Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Kühl- und Befestigungskanäle unterschiedlich wie z. B. als halbgeschlossene Nut, T-förmig, L-förmig oder wellenförmig ausgebildet sind.
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.
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.
Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vergussmasse Fasermaterialien eingebracht sind.
Kühlung und Befestigung von Wicklungsköpfen rotierender elektrischer Maschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stofflich anders zusammengesetzte Vergussmasse leitende Glimmschutzmaterialien enthält.
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.