DE202005021025U1

DE202005021025U1 - Gekühlte elektrodynamische Maschine mit einem Spaltrohr

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Publication number: DE202005021025U1
Application number: DE202005021025U
Authority: DE
Original assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Current assignee: Baumueller Nuernberg GmbH
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2015-03-19

Abstract

Elektrodynamische Maschine mit
a) einem Nuten (7) umfassenden und in einem Gehäuse (20) angeordneten Stator (3) sowie
b) einem Spaltrohr (13; 18), das an einer zylinderförmigen Statorinnenwand (12) des Stators (3) anliegt und die Nuten (7) abdichtet, so dass in den Nuten (7) verlaufende Nutströmungskanäle (16) gebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
c) das Spaltrohr (13; 18) elektrisch isolierend ausgebildet ist,
d) ein die Nutströmungskanäle (16) umfassender Kühlkreislauf (25) mit einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, und
e) das Gehäuse (20) zumindest nach außen hin elektrisch isolierend ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine mit einem Nuten umfassenden und in einem Gehäuse angeordneten Stator sowie einem Spaltrohr, das an einer zylinderförmigen Statorinnenwand des Stators anliegt und die Nuten abdichtet, so dass in den Nuten verlaufende Nutströmungskanäle gebildet, sind. Eine derartige elektrodynamische Maschine ist beispielsweise aus der DE 337 561 C1 oder aus der US 2,497,650 bekannt.
Bei einer elektrodynamischen Maschine, die beispielsweise als elektrischer Generator oder als elektromechanische Antriebsmaschine in Form eines Synchronmotors, eines Asynchronmotors oder eines Gleichstrommotors ausgebildet sein kann, entsteht während des Betriebs verlustbedingte Wärme, die entweder einen bestimmten Grad nicht übersteigen darf oder aus der Maschine abgeführt werden muss, um eine Beschädigung der Maschine aufgrund einer Überhitzung zu vermeiden. Hauptsächlich wird die Wärme durch Kupferverluste und durch Eisenverluste verursacht.
Die Eisenverluste entstehen durch Wirbelströme und durch Ummagnetisierung des Eisenpakets, das im Stator und im Rotor vorhanden ist. Die Kupferverluste entstehen aufgrund eines elektrischen Stromflusses durch widerstandsbehaftete Wicklungen, die einen wesentlichen Bestandteil des Stators und gegebenenfalls auch des Rotors bilden. Üblicherweise sind die Wicklungen aus einem elektrischen Kupfer-Leiter, der mit einer Isolierung insbesondere in Form eines Isolationslacks versehen ist, hergestellt. Die Isolierung bestimmt maßgeblich, wie hoch die Temperatur im Inneren der elektrodynamischen Maschine ansteigen darf, ehe es zu einer Beschädigung der Isolierung und damit zu einer Funktionsstörung der Maschine kommt. Beispielsweise liegt diese maximal zulässige Temperatur bei etwa 150° C.
Bei einer elektrodynamischen Maschine, die für eine hohe Leistung, d. h. eine Leistung von mindestens 20 kW, ausgelegt ist, wird deshalb eine Kühlung eingesetzt, um die maximal zulässige Temperatur einzuhalten. Bekannt ist eine indirekte Kühlung, bei der das Gehäuse der Maschine mit Wasser umströmt wird. Bekannt ist außerdem eine direkte Kühlung der Kupfer-Wicklungen mit Luft oder einer Kühlflüssigkeit.
Bei den bekannten elektrodynamischen Maschinen sind neben der Kühlung zum Teil nicht unerhebliche zusätzliche Maßnahmen zur Gewährleistung der elektrischen Isolation vorgesehen. Gerade bei einer Auslegung für eine hohe Leistung kann dies mit großem Aufwand verbunden sein.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektrodynamische Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei der die elektrische Isolation mit einfachen Mitteln erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße elektrodynamische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr elektrisch isolierend ausgebildet ist, ein die Nutströmungskanäle umfassender Kühlkreislauf mit einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, und das Gehäuse zumindest nach außen hin elektrisch isolierend ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäß vorgesehene elektrisch isolierende Verhalten der Kühlflüssigkeit, des Spaltrohres und des Gehäuses ermöglicht eine besonders vorteilhafte Doppelfunktion. Neben der Kühlung wird gleichzeitig auch eine sehr effiziente elektrische Isolation der spannungsführenden Teile der elektrodynamischen Maschine erreicht. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen eine Schutzisolierung nach VDE 100 Teil 410. Das elektrisch isolierende Verhalten der Kühlflüssigkeit, des Spaltrohres und des Gehäuses gewährleisten die dafür geforderte 2fache elektrische Isolation. Hierzu sind aber insbesondere keine weiteren Sonderkomponenten erforderlich. Dies gilt gerade auch hinsichtlich der bei einer hohen Leistungsklasse verwendeten hohen Erregerspannung oder hinsichtlich der bei umrichtergesteuerten Maschinen entstehenden hohen Spannungsspitzen.
Außerdem führt eine Beschädigung der Leiterisolierung an den in den Nuten platzierten elektrischen Leitern der Spulenwicklungen nicht zwangsläufig zu einem Maschinenausfall. Die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit umströmt diese elektrischen Leiter in den Nuten und kann somit Schäden an den Leiterisolierungen bis zu einem gewissen Grad kompensieren. Außerdem wird die Berührungssicherheit der elektrodynamischen Maschine erhöht, da die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit verhindert, dass bei einer fehlerhaften Leiterisolierung eine Spannung in den Außenbereich der elektrodynamischen Maschine gelangt.
Weiterhin wird aufgrund des Spaltrohres ein Rotor, der sich innerhalb des Stators befindet, insbesondere auch mittels zusätzlich vorhandener Lagerdeckel (= Lagerschilde), gegenüber dem Stator abgedichtet. Somit bleibt der Rotorraum trocken. Die Kühlflüssigkeit erfasst nur den Stator einschließlich der in den Nuten platzierten elektrischen Leiter der Spulenwicklungen. Eine praktisch vollständige Umströmung mit der Kühlflüssigkeit wird abgesehen von dem insbesondere auch nicht magnetisch ausgeführten Spaltrohr ohne weitere Sonderkomponenten erreicht. So erfordert der Nut-Strömungskanal insbesondere keine Umkonstruktion des Statorblechpakets der Maschine. Die ohnehin zur Verlegung der elektrischen Leiter erforderlichen Nuten werden gleichzeitig auch als Nutströmungskanäle verwendet. Insgesamt ergibt sich eine sehr effiziente und gleichzeitig mit einfachen Mitteln realisierte Kühlung.
Dank dieser bereits mittels des Kühlkreislaufs erzielten sehr guten Kühlfunktion braucht das Gehäuse insbesondere keine weitere Wärmeableitung zu übernehmen. Vorzugsweise kann es dann also ausschließlich entsprechend den elektrischen Isolationsanforderungen ausgelegt werden.
Aufgrund der hocheffizienten Kühlung kann die elektrodynamische Maschine mit einer höheren Leistungsdichte, d. h. bezogen auf die Baugröße oder das Gewicht, ausgeführt werden. Insbesondere kann bei gleich bleibender hoher Leistung, also von beispielsweise mindestens 20 kW, die Baugröße verringert werden, ohne dass dadurch die zulässige Maximaltemperatur im Inneren der elektrodynamischen Maschine überschritten wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die elektrodynamische Maschine mobil eingesetzt wird, wobei die Baugröße und das Gewicht eine besondere Rolle spielen. Ein Beispiel für eine solche mobile Anwendung ist der Einsatz in einem (Kraft-)Fahrzeug.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
Günstig ist eine Variante, bei der das Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen ist. Beide Bauformen lassen sich leicht realisieren und führen insbesondere zu der besonders vorteilhaften Schutzisolation der elektrodynamischen Maschine.
Weiterhin ist es möglich, dass zu beiden axialen Seiten des Stators Wicklungsköpfe vorgesehen sind und der Kühlkreislauf auch die Wicklungsköpfe erfasst. Unter axial ist eine Orientierung in Richtung der Drehachse zu verstehen. Bei dieser Ausgestaltung wird auch die an den Wicklungsköpfen anfallende Wärme mittels des einzigen Kühlkreislaufs abgeführt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung umfasst der Kühlkreislauf auch Statorströmungskanäle, die zwischen dem Gehäuse und einer Statoraußenwand des Stators gebildet sind. Insbesondere weist eine Gehäuseinnenwand des Gehäuses spiralförmige Ausnehmungen auf, die nach innen offen sind und in Verbindung mit der Statoraußenwand die Statorströmungskanäle bilden. Diese Statorströmungskanäle nehmen insbesondere die Form von Kühlwendeln an. Die Kühlung ist umso effizienter, je mehr Bereiche mit potentieller Wärmeentwicklung erfasst werden. Hierzu gehört insbesondere auch der Stator, in dem es zu Eisenverlusten kommen kann. Die so bedingte Verlustwärme wird mittels der in den Statorströmungskanälen geführten Kühlflüssigkeit aus dem Stator abtransportiert.
Weiterhin ist die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit vorzugsweise ein niedrig viskoses Kälteschalter-Isolieröl. Dann können im Kühlkreislauf vergleichsweise niedrige Werte für die Strömungsgeschwindigkeit und den Druck vorgesehen werden. Trotzdem bleibt ein sehr guter Wärmeübergang und -abtransport gewährleistet. Die Viskosität hat erheblichen Einfluss auf die Strömungswiderstand und den Wärmeübergang. Je niedrigviskoser die Kühlflüssigkeit ist, umso besser ist der Wärmeübergang und umso niedriger ist der Strömungswiderstand. Insbesondere ist der Strömungsverlust niedriger als 0,3 bar. Aufgrund des vorzugsweise relativ niedrigen Druckes sind auch die an das Spaltrohr, an etwa vorhandene Dichtungen und an Gehäusebauteile zu stellenden Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität und Festigkeit niedrig. Insgesamt lässt sich die Stromdichte auf diese Weise im Dauerbetrieb verglichen mit bisher gebauten flüssiggekühlten Maschinen auf das 2,5 bis 3fache steigern.
Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Aspekte sind nur schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine mit gekühlter Antriebseinheit,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine mit gekühlter Antriebseinheit,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine mit gekühlter Antriebseinheit und integrierter Anschlusseinheit,
4 ein Blockschaltbild einer elektrischen Beschaltung einer elektrodynamischen Maschine,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine mit gekühlter Antriebseinheit,
6 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts von 5 und
7 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine mit gekühlter Antriebseinheit.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 7 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine 1 in Form eines Synchronmotors für einen Leistungsbereich von mindestens 20 kW dargestellt. Grundsätzlich könnte die elektrodynamische Maschine 1 jedoch ebenfalls als Asynchronmotor oder auch als Gleichstrommotor ausgebildet sein. Möglich ist ebenfalls eine Ausgestaltung als elektrischer Generator. Die in 1 gezeigte eigentliche Antriebseinheit 2 beinhaltet einen feststehenden Stator 3 und einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor 4. Zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 ist in radialer Richtung ein Spalt 5 ausgebildet. Der Stator 3 besteht aus einem magnetischen, eisenhaltigen Statorblechpaket 6, in dem angrenzend an den Spalt 5 und in gleichmäßigen Abständen über den Umfang verteilt insgesamt sechs Nuten 7 vorgesehen sind. Jeweils zwei einander gegenüberliegende Nuten 7 dienen zur Aufnahme einer von insgesamt drei Phasenwicklungen 8, 9 und 10. Stellvertretend für die anderen Phasenwicklungen sind in der obersten Nut 7 elektrische Leiter 11 angedeutet, aus denen die Phasenwicklung 8 besteht. Die elektrischen Leiter 11 sind als mit einer Isolierung aus einem Isolationslack versehene Kupfer-Leitungen ausgebildet. Anstelle der in 1 gezeigten dreiphasigen Ausführungsform kann die elektrodynamische Maschine 1 auch eine beliebige andere Zahl an Phasenwicklungen aufweisen. So sind auch vier, fünf oder sechs Phasenwicklungen möglich.
Zur Abführung der in den elektrischen Leitern 11 aufgrund eines elektrischen Stromflusses entstehenden Verlustwärme sind die elektrischen Leiter 11 unmittelbar von einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit in Form eines Kälteschalter-Isolieröls umströmt. Dadurch wird erreicht, dass die Temperatur im Inneren der elektrodynamischen Maschine 1 nicht über eine zulässige Maximaltemperatur, die insbesondere durch die Isolation der elektrischen Leiter 11 bestimmt ist, überschritten wird. Diese Temperatur liegt typischerweise bei etwa 150°C. An einer Statorinnenwand 12 der zylinderförmigen Stator-Bohrung, innerhalb der der Rotor 4 angeordnet ist, ist im Bereich des Spalts 5 ein Verschlusselement in Gestalt eines elektrisch isolierenden und nicht magnetischen Spaltrohres 13 vorgesehen. Die Stator-Bohrung ist mit diesem Spaltrohr 13 komplett ausgekleidet. Es verhindert, dass das Kälteschalter-Isolieröl auch mit dem Rotor 4 in Berührung kommt.
Bei dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine 14 hat der Stator 3 deutlich mehr und auch anders geformte Nuten 7 als beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1. An der grundsätzlichen Wirkungsweise ändert sich dadurch nichts. Der Rotor 4 ist in 2 nicht gezeigt. Als Verschlusselement ist auch beim Ausführungsbeispiel nach 2 das elektrisch isolierende Spaltrohr 13 vorgesehen. Es besteht aus Kunststoff. Das Spaltrohr 13 ist zwischen den jeweiligen Öffnungen der Nuten 7 an die Statorinnenwand 12 geklebt. Bei einer anderen Ausführungsform kann es aber auch mittels eines Pressverbandes (Fügen mit Übermaß) an der Statorinnenwand 12 befestigt sein.
Zwischen den elektrischen Leitern 11 und dem Spaltrohr 13 ist im Bereich der Öffnungen der Nuten 7 ein bevorzugter Strömungskanal 16 für die Kühlflüssigkeit gebildet. Hier umströmt die Kühlflüssigkeit die isolierten elektrischen Leiter 11 unmittelbar und führt die dort entstehende Verlustwärme sehr effizient ab. Wegen seiner niedrigen Viskosität ist das eingesetzte Kälteschalter-Isolieröl besonders gut geeignet.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine 17 in einer Längsschnittdarstellung, die in 1 durch eine mit III-III bezeichnete Schnittlinie angedeutet ist. Der Schnitt verläuft durch den Stator 3 in einem Bereich, in dem keine Nuten 7 mit darin angeordneten elektrischen Leitern 11 vorhanden sind. Im Ausführungsbeispiel von 3 ist ebenfalls ein zylinderförmiges elektrisch isolierendes und nicht magnetisches Spaltrohr 18 z. B. aus Kunststoff vorgesehen. Es hat eine sehr geringe Wandstärke in der Größenordnung von etwa 20 μm bis 1000 μm. Es kann aber gegebenenfalls auch eine noch größere Wandstärke vorgesehen sein, beispielsweise um einen höheren Druck im Kühlkreislauf zu ermöglichen. Der Wert der Wandstärke ist von der mechanischen Stabilität und Festigkeit des Spaltrohrs 18 und von dem vorgesehenen Druck im Kühlkreislauf abhängig. Bevorzugt ist eine möglichst geringe Wandstärke, um eine geringe Feldschwächung im Spalt 5 und einen guten Wirkungsgrad der elektrodynamischen Maschine 17 zu gewährleisten. Im Beispiel liegt die Wandstärke bei etwa 500 μm. Demgegenüber hat der Spalt 5 – ohne das Spaltrohr 18 – eine radiale Ausdehnung von etwa 1500 μm. Geringere Abmessungen sind aber grundsätzlich ebenfalls möglich, sodass unter Berücksichtigung des Spaltrohrs 18 noch eine lichte Weite von etwa 1000 μm verbleibt. Das Spaltrohr 18 ist an die Statorinnenwand 12 geklebt.
In Erweiterung der Darstellungen in den 1 und 2 sind in 3 zusätzlich auch ein zylinderförmiges Gehäuse 20 zur Aufnahme des Stators 3 und des Rotors 4 ebenso wie zwei seitliche Lagerdeckel 21 und 22 gezeigt. Der linke Lagerdeckel 21 enthält eine Öffnung für eine mit dem Rotor 4 verbundene Antriebswelle 23.
Um das Kälteschalter-Isolieröl ausschließlich im Bereich des Stators 3 zu halten, ist der Stator 3 über das Gehäuse 20, die beiden Lagerdeckel 21 und 22 sowie das Spaltrohr 18 abgedichtet. Ebenfalls zu diesem Zweck ist zwischen den Lagerdeckeln 21 und 22 und dem Spaltrohr 18 jeweils eine elektrisch isolierende Elastomerdichtung 24 in Gestalt eines O-Rings vorgesehen.
In 3 ist schematisch ein Kühlkreislauf 25 des Kälteschalter-Isolieröls innerhalb des zu kühlenden Stators 3 angedeutet. Mittels einer Einlassöffnung 26 gelangt das Kälteschalter-Isolieröl in das Innere des Gehäuses 20. Dort umströmt es zunächst einen ersten Teil der Statoraußenwand 27 in Umfangsrichtung, bis es im an den rechten Lagerdeckel 22 angrenzenden Bereich zur Statorinnenwand 12 geleitet wird. In den in 3 nicht sichtbaren Strömungskanälen 16 in den Nuten 7 strömt das Kälteschalter-Isolieröl dann in axialer Richtung zu einem an den linken Lagerdeckel 21 angrenzenden Bereich, in dem es zu einem zweiten Teil der Statoraußenwand 27 zurückgeleitet wird. Nachdem das Kälteschalter-Isolieröl auch diesen zweiten Teil der Statoraußenwand 27 in Umfangsrichtung umströmt hat, verlässt es das Gehäuse 20 mittels einer Auslassöffnung 28.
Das Kälteschalter-Isolieröl umströmt also sowohl das Statorblechpaket 6 als auch die elektrischen Leiter 11. Es nimmt folglich die durch Eisenverluste im Statorblechpaket 6 und auch die durch Kupferverluste in den elektrischen Leitern 11 verursachte Abwärme auf, um sie in den Außenbereich der elektrodynamischen Maschine 17 abzuführen. Dadurch wird eine sehr effiziente Kühlung erreicht, so dass die Baugröße und gegebenenfalls auch das Gewicht der elektrodynamischen Maschine 17 verringert werden kann. Damit eignet sich die elektrodynamische Maschine 17 besonders gut für einen mobilen Einsatzzweck.
Vorteilhaft für einen derartigen mobilen Einsatzzweck ist auch, dass eine Anschlusseinheit 29 zur elektrischen Beschaltung der drei Phasenwicklungen 8, 9 und 10 an einer Außenwand des rechten Lagerdeckels 22 angeordnet ist. Üblicherweise ist eine solche Anschlusseinheit 29 räumlich von der elektrodynamischen Maschine 17 getrennt platziert, was sich für einen mobilen Einsatzzweck als unvorteilhaft herausgestellt hat. Die in 3 gezeigte Kombination aus eigentlicher Antriebseinheit 30 und der Anschlusseinheit 29 bietet demgegenüber erhebliche Vorteile.
Günstig wirkt sich in diesem Zusammenhang aus, dass die Anschlusseinheit 29 auch von der im Inneren des Gehäuses 20 vorgesehenen Kühlung des Stators 3 mit profitiert. Das an einer Innenseite des Lagerdeckels 22 vorbeigeleitete Kälteschalter-Isolieröl bewirkt nämlich auch eine Kühlung der an der Außenseite des Lagerdeckels 22 angeordneten Komponenten der Anschlusseinheit 29. Dieser Effekt ist besonders groß, wenn die zu kühlenden Komponenten der Anschlusseinheit 29 in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem Lagerdeckel 22 stehen. Wie in 3 anhand des gestrichelten Strömungsverlaufs angedeutet, kann das Kälteschalter-Isolieröl bei einem gegebenenfalls vorhandenen zusätzlichen Kühlbedarf nach Verlassen des Gehäuses 20 auch durch die Anschlusseinheit 29 geleitet werden. Dann erfolgt die Kühlung sowohl der Antriebseinheit 30 als auch der Anschlusseinheit 29 mittels eines einzigen Kühlkreislaufs. Grundsätzlich sind aber auch getrennte Kühlkreisläufe für die Anschlusseinheit 29 und die Antriebseinheit 30 möglich.
In 4 ist die übliche elektrische Beschaltung einer als dreiphasiger Synchronmotor mit variabler Drehzahl ausgebildeten Antriebseinheit 30 dargestellt. Ausgehend von einem gängigen dreiphasigen Netzanschluss 31 mit einer Primärfrequenz von 50 oder 60 Hz und einer Primärspannung von 400 V wird mittels eines Umrichters 32 der Antriebseinheit 30 an ihren elektrischen Motoranschlüssen 33 eine dreiphasige Anschlussleistung mit beliebiger Sekundärfrequenz und ebenfalls beliebiger Sekundärspannung zur Verfügung gestellt. Die Sekundärfrequenz und die Sekundärspannung können im Umrichter 32 entsprechend der aktuell gewünschten Drehzahl eingestellt werden.
Der Umrichter 32 beinhaltet einen Gleichrichter 34, der aus der dreiphasigen Netz-Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, einen Zwischenkreiskondensator 35 und einen Wechselrichter 36, der aus der Gleich-Spannung die gewünschte dreiphasige Motoranschluss-Wechselspannung erzeugt. Die in 3 gezeigte Anschlusseinheit 29 umfasst nur den Zwischenkreiskondensator 35 sowie den Wechselrichter 36. Grundsätzlich ist jedoch auch eine zusätzliche Integration des Gleichrichters 34 möglich. Sie erübrigt sich jedoch bei mobilen Anwendungsfällen, bei denen ein Gleichspannungs-Bordnetz existiert, an das der Zwischenkreiskondensator 35 unmittelbar angeschlossen werden kann. Dies gilt insbesondere auch für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
In 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine 37 mit einer anderen Abdichtung zwischen dem Spaltrohr 18 und den Lagerdeckeln 21 und 22 gezeigt. Im Unterschied zu 3 zeigt 5 einen – in 1 mit V-V bezeichneten – Längsschnitt durch einen Bereich des Stators 3, der mit Nuten 7 versehen ist. Die in den Nuten 7 verlaufenden elektrischen Leiter sind nur schematisiert in ihrer Gesamtheit als einheitlicher Bereich dargestellt. Die elektrischen Leiter 11, die im Bereich der Nuten 7 praktisch ausschließlich axial verlaufen, werden in außerhalb des Statorblechpakets 6 liegenden Wicklungsköpfen 38 und 39 zu der Phasenwicklung 8 verschaltet. Zwecks einer einfacheren Darstellung ist in 5 der Rotor 4 weggelassen.
Die Abdichtung zwischen dem Spaltrohr 18 und den Lagerdeckeln 21 und 22 erfolgt bei dem vierten Ausführungsbeispiel erst nach der Montage der Lagerdeckel 21 und 22. Hierzu wird mittels eines Dichtungskanals 40 flüssiges Silikon unter Druck in eine an den Lagerdeckeln 21 und 22 jeweils umlaufende Dichtungsnut 41 eingepresst. Nach dem Abbinden des Silikons ergibt sich eine Silikondichtung 42 zwischen dem Spaltrohr 18 und den Lagerdeckeln 21 und 22.
6 zeigt eine Vergrößerung des Bereichs, in dem sich die Silikondichtung 42 befindet. Ersichtlich wird in dieser Darstellung auch der zwischen den elektrischen Leitern 11 und dem Spaltrohr 18 verlaufende Strömungskanal 16 für das Kälteschalter-Isolieröl.
Durch das Einbringen des Spaltrohrs 18 in den Spalt 5 wird dessen lichte Weite reduziert. Dem wird mittels einer in radialer Richtung erhöhten Positionierungsgenauigkeit des Rotors 4 begegnet. Der Rotor 4 ist mittels Lagern 43 und 44 in Vorsprüngen 45 bzw. 46 der Lagerdeckel 21 bzw. 22 gelagert, wobei die Vorsprünge 45 und 46 in radialer Richtung am Statorblechpaket 6 und im Bereich der Wicklungsköpfe 38 bzw. 39 gegebenenfalls auch an den elektrischen Leitern 11 anliegen. Die radiale Aufnahme der Vorsprünge 45 und 46 erfolgt also nicht wie bei herkömmlichen Lösungen am Gehäuse 20, sondern unmittelbar am Stator 3, wodurch eine höhere Positionierungsgenauigkeit des Rotors 4 gegenüber dem Stator 3 erreicht wird.
Außer der abdichtenden Funktion bietet das Spaltrohr 18 einen weiteren Vorteil. Aufgrund seines elektrisch isolierenden Verhaltens verhindert es unerwünschte elektrische Stromflüsse in den Lagern 43 und 44. Die Lagerströme könnten andernfalls zu Mikroverschweißungen und damit zu einer reduzierten Lebensdauer der Lager 43 und 44 und der Maschine 37 insgesamt führen. Zur Vermeidung dieser ungünstigen Folge ist außerdem auch die Silikondichtung 42 aus elektrisch isolierendem Silikon ausgeführt.
Der bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel von 3 beschriebene Kühlkreislauf 25 des Kälteschalter-Isolieröls im Inneren des Gehäuses 20 ist auch in 5 wiedergegeben. Mittels spiralförmiger Kühlwendeln 47 und 48 wird der an der Statoraußenwand 27 in Umfangsrichtung verlaufender Fluss des Kälteschalter-Isolieröls bewirkt. Das mittels einer preiswerten Gusstechnik hergestellte Gehäuse 20 enthält hierzu an seiner Innenwand spiralförmig verlaufenden Ausnehmungen, die durch das Einbringen des Statorblechpakets 6 geschlossen werden und dann Statorströmungskanäle für das Kälteschalter-Isolieröl bilden. Verglichen mit einem Verbundguss mit eingegossenen Rohrwendeln ergibt sich dadurch ein erheblich vereinfachtes Herstellungsverfahren für das Gehäuse 20. Außerdem kommt das Kälteschalter-Isolieröl auf diese Weise direkt mit dem Statorblechpaket 6 in thermischen Kontakt, ohne dass ein zusätzlicher thermischer Übergangswiderstand vorhanden ist.
Insgesamt erfasst der Kühlkreislauf 25 das Statorblechpaket 6, die Wicklungsköpfe 39 und 38 sowie die in den Nuten 7 verlegten elektrischen Leiter 11. Mit einem einzigen Kühlkreislauf wird somit aus allen relevanten stationären Bereichen der elektrodynamischen Maschine 37, in denen Wärme entstehen kann, ein guter Wärmeabtransport gewährleistet.
Im Ausführungsbeispiel von 5 sind das Gehäuse 20, sowie die beiden Lagerdeckel 21 und 22 aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff, einem laminierten Kunststoff oder einer Keramik, hergestellt. Dadurch wird für die elektrodynamische Maschine 37 ein einer Schutzisolierung gemäß VDE 100 Teil 410 entsprechender Isolierungsgrad erreicht. Außerdem tragen die elektrisch isolierenden Lagerdeckel 21 und 22 mit dazu bei, unerwünschte Ausgleichsströme über die Lager 43 und 44 des Rotors 4 zu verhindern. Insbesondere wenn die elektrodynamische Maschine 37 als leistungsstarke wechselrichtergesteuerte Maschine ausgeführt ist, sind bei herkömmlichen Bauformen oft zusätzliche Isolationsmaßnahmen, beispielsweise in Form teurer Keramiklager, zur Vermeidung dieser Lagerströme vorgesehen. Bei der Verwendung elektrisch isolierender Lagerdeckel 21 und 22 lassen sich diese kostenträchtigen Zusatzkomponenten einsparen.
Bei einem weiteren in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine 49 sind das Gehäuse 20 sowie die beiden Lagerdeckel 21 und 22 aus einem elektrisch leitfähigen Kern, der außen mit einer Schicht 50 aus einem elektrisch isolierenden Material versehen ist. Der Kern ist beispielsweise jeweils als Aluminiumteil ausgebildet, das mittels einer Sandgusstechnik hergestellt ist. Damit lässt sich das für die Kühlwendeln 47 und 48 benötigte Profil an der Innenwand des Gehäuses 20 auf einfache Weise fertigen. Als äußere Schicht 50 ist ein Polyamidverguss vorgesehen. Diese Schicht 50 bildet wiederum die günstige Schutzisolierung. Weiterhin ist eine nicht gezeigte Mischform der Ausführungsbeispiele gemäß 5 und 7 möglich. Dabei bestehen die Lagerdeckel 21 und 22 aus einem elektrisch isolierenden Material, wohingegen das Gehäuse 20 einen elektrisch leitfähigen Kern mit einer elektrisch isolierenden Außenbe- Schichtung aufweist.
Aufgrund der elektrisch isolierten Ausführung des Gehäuses 20 und damit der Maschine 37 oder 49 insgesamt wird insbesondere bei einer wechselrichtergesteuerten Maschine 37 oder 49 ein vollständiger Isolationsschutz nach außen gewährleistet. Die ggf. im Inneren der Maschine 37 oder 49 oder in der Anschlusseinheit 29 für Ausgleichsströme am Stator 3 vorgesehenen Y-Kondensatoren sind aufgrund des vollständigen Isolationsschutzes unproblematisch. Sie können nicht wie bei anderen Maschinen zu einer Verletzung des im elektrischen Anschlussnetz der Maschine 37 oder 49 vorgesehenen Schutzkonzepts führen.
Das günstige sowohl kühlende als auch elektrisch isolierende Verhalten wird bei den Maschinen 1, 14, 17, 37 und 49 weitgehend mit besonders geschickt gewählten und zusammengestellten Standardkomponenten und -aufbautechniken erreicht. So sind insbesondere am Statorblechpaket 6, an der Verlegung der elektrischen Leiter 11 in den Nuten 7 und auch am Aufbau der Wicklungsköpfe 38 und 39 keine Änderungen vorzunehmen. Zu ergänzen oder zu modifizieren sind das elektrisch isolierende Spaltrohr 13 oder 18, die Abdichtungen gegenüber den Lagerdeckeln 21 und 22 sowie die speziell ausgeformte Kontur der Innenwand des Gehäuses 20. Der Aufwand hierfür hält sich aber in überschaubaren Grenzen.
Günstig ist außerdem, dass die zusätzlich benötigten Komponenten, also das Spaltrohr 13 oder 18 und die Abdichtungen gegenüber den Lagerdeckeln 21 und 22, aufgrund ihres elektrisch isolierenden Verhaltens im Unterschied zu anderen Maschinen auch bei hochfrequenter Ansteuerung der Maschine 15 14, 17, 37 oder 49 keine zusätzlichen Wirbelstromverluste erzeugen.

Claims

Elektrodynamische Maschine mit a) einem Nuten (7) umfassenden und in einem Gehäuse (20) angeordneten Stator (3) sowie b) einem Spaltrohr (13; 18), das an einer zylinderförmigen Statorinnenwand (12) des Stators (3) anliegt und die Nuten (7) abdichtet, so dass in den Nuten (7) verlaufende Nutströmungskanäle (16) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass c) das Spaltrohr (13; 18) elektrisch isolierend ausgebildet ist, d) ein die Nutströmungskanäle (16) umfassender Kühlkreislauf (25) mit einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit vorgesehen ist, und e) das Gehäuse (20) zumindest nach außen hin elektrisch isolierend ausgebildet ist.
Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht oder mit einem elektrisch isolierenden Überzug (50) versehen ist.
Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden axialen Seiten des Stators (3) Wicklungsköpfe (38, 39) vorgesehen sind und der Kühlkreislauf (25) auch die Wicklungsköpfe (38, 39) erfasst.
Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf zwischen dem Gehäuse (20) und einer Statoraußenwand (27) des Stators (3)" gebildete Statorströmungskanäle (47, 48) umfasst.
Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gehäuseinnenwand des Gehäuses (20) spiralförmige Ausnehmungen aufweist, die nach innen offen sind und in Verbindung mit der Statoraußenwand (27) die Statorströmungskanäle (47, 48) bilden.
Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit ein niedrig viskoses Kälteschalter-Isolieröl ist.