DE2165847B2 - Fluessigkeits- oder verdampfungskuehlung des staenderblechpaketes einer dynamoelektrischen maschine - Google Patents

Description

fco

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeits- oder Verdampfungskühlung des Ständerblechpaketes einer dynamoelektrischen Maschine, das aus einem kreisförmigen Joch und daran anschließenden, sich n-dial nach innen stetig verjüngenden .Statorzähnen beucht, die parallelwandige Wicklungsnuten begrenzen und die sich radial nach innen verschmälernde Axialkanälc bildende öffnungen aufweisen, durch die mittels einer Einrichtung eine Kühlflüssigkeitsströmung aufrechterhalten ist.

Eine derartige Flüssigkeitskühlung des Ständerblechpaketes einer dynamoelektrischen Maschine ist aus der US-PS 14 48 700 bekannt. Hierbei wird jedoch durch die Axialkanäle ein Teil des Joches beansprucht, wodurch sich in diesem die Flußdichte vergrößer·. Weiterhin ist beim bekannten Ständerblechpaket die flußführende Querschnittsfläche in einem Statorzahn unterschiedlich. so daß das Material nicht optimal ausgenutzt ist.

Die DT-AS 10 90 750 beschreibt ein Ständerblechpaket für elektrische Maschinen mit Kühlkanälen in den verbreiterten Zähnen zwischen einzelnen Nutengruppen, wobei zur Erzielung gleichmäßiger Zahnkopfteilung im Bereich der verbreiterten Zähne die Nuten innerhalb der Nutgruppen parallel angeordnet sind. Durch eine derartige Anordnung kann zwar im Gegensatz zu radial stehenden Nutenschliizen eine wirksamere Kühlung erreicht werden, aber es entstehen wiederum unterschiedliche flußführende Querschnittsflächen in den Statorzähnen.

Aus den US-PS 33 88 559 und 2b 77b ist es weiterhin bekannt, bei verdampfungsgekühhen dvnamoelektnschen Maschinen die zumindest teilweise verdampfte Kühlflüssigkeit über mittig angeordnete Radialkanäle vom Luftspalt durch das Ständerblechpaket hindurch nach außen abzuleiten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgjbubesteht darin, eine Flüssigkeits- oder Verdampfungskühlung für eine dynamoelektrische Maschine /u schaffen, die nicht nur optimal kühlt, sondern auch für eine volle Ausnutzung des Eisennaterials im Joch- und Zahnabschnitt des Ständerblechpaket sorgt.

Diese Aufgabe wird bei einer Flüssigkeitskühlung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Axialkanäle bildenden öffnungen im wesentlichen dreieckförmige Gestalt mit parallel zu den Wänden der Wicklungsnuten und zu der am joch liegenden Zahnbegrenzungsünie verlaufenden Seiten aufweisen und daß die Öffnungen derart vollständig innerhalb eines jeden Statorzahnes angeordnet sind, daß an jeder beliebigen radialen Stelle des Statorzahnes die gleiche flußführendc Fläche vorhanden ist, die im wesentlichen der der dem Luftspalt zugewandten .Statorzahnstirnfläche entspricht, und daß die Einrichtung eine axiale Kühlflüssigkeitsströmung von der Mitte des Ständerblechpaketes jeweils nach beiden Seiten ermöglicht.

Die mit der Erfindung crzielbarcn Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die flußführende Querschniusfläche längs der Statorzähne im wesentlichen konstant und gleich derjenigen der Zahnstirnfläche an der Rotorbohrung ist. Da auch der magnetische Querschnitt im lochabschnitt durch die Öffnungen gemäß der Erfindung an keiner Stelle verengt ist. kann das Eiscnmaierial optimal ausgenutzt werden und es entstehen keine lokalisierten Erhitzungsstellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unieransprüchen.

Gemäß einem vorteilhaften Alisführungsbeispiel enthält die Einrichtung für die axiale Kühlflüssigkeitsströmung einen in der Mitte des Statorblechpaketes angeordneten ringförmigen Verteiler, der an seinem radial innen liegenden Umfang mehrere unterschiedlich große Austritisöffnungen aufweist, die mit den die Axialkanaie in den Statorzähnen bildenden Öffnungen in Verbindung stehen.

Die gleichförmig entwickelte Wärme wird von der

axialen Kühlflüssigkeitsströmung gemäß der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise abgeführt.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

pig. 1 ist eine Schnittdarstellüng und zeigt einen hermetisch abgeschlossenen Moior mit einer Verdamp fungskühlung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.2 ist eine teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Magnetblech^ des Stators und zeigt die Anordnung der Axialkanäle für die Kühlflüssigkeit innerhalb der Statorzähne,

Fig-3 'St eine teilweise aufgeschnittene Darstellung des Verteilers, der zur Verteilung der Kühlflüssigkeit innerhalb des Motors verwendet wird.

In Fig. 1 ist ein hermetisch abgeschlossener Induk tionsmotor 10 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ei umfaßt allgemein einen Rotor 12, einen diesen umgebenden Stator 14. und ein zylinderförmiges Maschinengehäuse 16. das den Motorinnenraum zusammen mit den Stirnplatten 18 hermetisch abschließt. Der Rotor 12 kann ein üblicher Käfigläufer sein, der zahlreiche, axial \ erlaufende Lüfterflügel 20 besitzt, die an gleichförmig versetzten Stellen entlang beider Rotorsiirnseiien angeordnet sind. Die Lüfterflüge! können gleichzeitig mit den nicht dargestellten Rotorleitern aus Aluminium einstückig „ggossen sein. Der dargestellte Stator enthält formgewickelte Spulen 22 mit üblichen Wickelköpfen.

Eine Welle 24 führt axial durch den Rotor 12 hindurch und ist an entgegengesetzte,! Enden durch Lager 26 innerhalb der Stirnplatten 18 in üblicher Weise gelagert. Der Stator 14 ist aus /ahlreichen geschichteten Magnetblechen 28 aufgebaut, die in F i g. 2 dargestellt sind. Diese Bleche 28 weisen ein homogenes kreisförmiges |och 30 und zahlreiche, selektiv mit Öffnungen 36 versehene Statorzähne 32 auf, die von dem Joch 30 radial nach innen verlaufen. Die Seiten 34 der Statorzähne bilden parallele Seitenwände für die axial verlaufenden Nuten, die der Aufnahme von rechtwinkligen, formgewickelten Spulenseiten dienen. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung sind die öffnungen 36 der Statorzähne drcieckförmig gestaltet und jeweils vollständig innerhalb jedes Statorzahnes derart angeordnet, daß die flußführende Fläche entlang der Zahnlänge gleich der flußführenden Fläche der der Rotorbohrung zugewandten Zahnstirnfläche 38 ist. Das bedeutet, daß die Gesamtfläche der Zahnstreben 41, die neben jeder Öffnung 36 gebildet sind, an jeder radialen Stelle gleich der Gesamtfläche der Zahnstirnfläche ist. Zu diesem Zwecke verlaufen die Seiten jeder Öffnung 36 parallel zu den benachbarten Seitenwänden der Statorzähne, wobei diese in der Mitte der Zahnstirnfläche 38 zusammenlaufer Aus Bearbeitungsgründer. und um die Festigkeit der Statorzähne /ti erhöhen, sind jedoch die Innenwinkel der gestanzten drcieckförmigen öffnungen vorzugsweise abgerundet (wodurch sich eine etwa trapezförmige Querschnittsgestaltung in den gestanzten Öffnungen 36 ergibt), und die öffnungen 36 des bevorzugten dargestellten Ausführungsbeispieles erstrecken sich deshalb nicht vollständig bis zur Zahnstirnfläche. Somit wird deutlich, daß der Begriff, »dreieckförmige Öffnungen«, wie er hier verwendet ist, auch geometrische Formen einschließt, die von einer reinen dreicckförmigen Konfiguration leicht abweichen. Beispielsweise würde dieser Begriff trapezförmige öffnungen einschließen, in denen die nicht parallelen Seiten des Trapezes parallel zu den benachbarten Zahnseiten verlaufen, und die Längen der parallelen Seiten um einen wesentlichen Betrag, d. h. normalerweise wenigstens um den Faktor 4, unierschiedlich sind.

Trotz der Herabsetzung der Zahnfestigkeit, die durch die Verlängerung der zusammenlaufenden Seiten der Öffnungen 36 bis zur Zahnstirnfläche 38 erzeugt wird, kann eine derartige Querschnittsgestaltung wünschenswert sein, um für eine strömungsmäßige Verbindung zwischen den dreieckförmigen Öffnungen und dem Luftspalt 40 des Motors zu sorgen. In einem solchen Fall sind zahlreiche, nicht gezeigte Magnetbleche mit Zähnen, die durch die dreieckförmigen Öffnungen '5 vollständig geteilt sind, vorzugsweise an Blechen bzw. Lamellen befestigt, die dreieckförmige Öffnungen mit abgerundeten Kanten (wie sie in F i g. 2 dargestellt sind) aufweisen, um den entstandenen Festigkeitsverlust zu verkleinern. Eine derartige Befestigung kann beispielsweise unter Verwendung von Epoxidharz-Klebemitteln erfolgen. Wenn der Stator anschließend in üblicher Weise hergestellt ist, weist der Stator eine Verbindung tür die Kühlflüssigkeit zwischen den dreieckförmigen Öffnungen und dem Luftspalt über die vollständig halbierten Zähne auf, während den .Statorzähnen eine mechanische Festigkeit durch diejenigen Bleche gegeben ist. die abgerundete Kanten nahe der Zahnstirnfläche 38 aufweisen.

Die dreieckförmigen Öffnungen 36 sind in jedem Zahn vollständig innerhalb der Grenzen des Zahnes angeordnet, d. h. die dreieckförmigen Öffnungen erstrecken sich nicht in das Joch 30 hinein, und die Spitze der dreieckförmigen Öffnungen liegt vorzugsweise füllang des radialen lnncnumfanges des Joches, um fin eine maximale Kühlungsfläche für den Stator zu sorgen. Falls es jedoch erwünscht ist. könnten die Öffnungen ein wenig innen vor der Zahn/Jochgrcnzfläche enden, ohne daß die Kühlcharakteristiken des Stators wesentlich beeinflußt werden. Da der engste Zahnabschnitt, d.h. die dem Luftspalt zugewendete Zahnstirnfläche 38. die Strebenfläche bestimmt, die nach der Ausbildung der Öffnungen 36 in den Statorzähnen verbleiben muß. wird das Flußführungsvermögen jedes Zahnes entlang der ganzen Zahnlänge auf einem maximalen Wen gehalten. Da darüber hinaus das Joch nicht mit Öffnungen versehen ist, wird eine optimale Ausnutzung des Flußführungsvermögens des Joches bewirkt und eine lokalisierte Erwärmung des Joches wird vermieden.

LJm die Kühlflüssigkeit mit den dreieckförmigen Öffnungen innerhalb der Statorzähne zu verbinden, ist ein ringförmiger Verteiler 42, der in F i g. 3 gezeigt ist und einen Durchmesser aufweist, der vorzugsweise kleiner als der Durchmesser der Magnctbleche 28 ist. in der Mitte entlang des Statorblcchpaketcs angeordnet. Dadurch wird ein ringförmiges Reservoir 44 für die Kühlflüssigkeit zwischen der Außenfläche des Verteilers und dem radial entfernt liegenden Maschinengehäuse 16 gebildet. Zahlreiche rechtwinklige Platten erstrecken sich im Bereich einer Strebe eines Statorzahf>o nes von dem Verteiler radial nach innen. Weiterhin sind die Platten 46 vorzugsweise an dem benachbarten Magnetblech mechanisch befestig!:, beispielsweise durch Verschweißen, um den Verteiler in seine richtige Lage zu bringen, bevor die Bleche zur Bildung des <'5 Statorblechpaketes zusammengeschichtet werden. Vier der Platten, das sind die Platten 46Λ, die in einem Winkel von 45 relativ zu den vertikalen und horizontalen Mittellinien des Stators angeordnet sind.

sind völlig massiv und dienen zur Unterteilung des Verteilers in vier relativ zueinander getrennte Abschnitte, während die übrigen, den Verteiler bildenden Platten, das sind die Platten 46Ö, rechtwinklige Durchtrittsöffnungen 48 (vgl. Fig. 1) aufweisen und entlang des s oberen Abschnittes der Platten angeordnet sind. Dadurch wird eine strömungsmäßige Verbindung zwischen Flächen ermöglicht, die sich auf entgegengesetzten Plattenseiten befinden. Geeigneterweise können die Platten aus irgendeinem mechanisch festen Material, wie z. B. Stahl, hergestellt sein. Die Dicke sollte vorzugsweise etwas geringer als die Dicke der Streben in den mit öffnungen versehenen Stator/ähnen sein, um eine Versperrung der axialen Kühlflüssigkeitskanäle zu verhindern, die durch die fluchtenden Statorzähne hindurch ausgebildet sind.

Eine Verbindung zwischen dem Reservoir 44 und den Statorzähnen wird durch vier kreisförmige Austriusöffnungen 50 gebildet, die in Abständen von 90" auf dem Umfang des ringförmigen Verteilers angeordnet sind. Um sicherzustellen, daß ein im wesentlichen gleiches Kühinüssigkeilsvolumcn durch jede Öffnung hindurchtritt, sind die Durchmesser dieser Öffnungen umgekehrt proportional zur Höhe des Flüssigkeitsreservoirs über einer jeweiligen Öffnung dimensioniert. Somit ist die Austrittsöffnung 5OA, die an der Oberseite des Verteilers angeordnet ist. wesentlich größer als die Austrittsöffnung 50ß. die an der Unterseite des Verteilers angeordnet ist. während die Austriitsöffnungen 5OC und 5OD. die sich in einer Zwischenhöhe der Kühlflüssigkeit befinden. Durchmesser aufweisen, die etwa gleich dem Mittelwert zwischen den Durchmessern der Öffnungen 5OA und 50ß sind.

Im Betrieb wird eine Kühlflüssigkeit, wie beispielsweise Freon 11, von dem Kondensor 52 abgeleitet und tritt über eine mit einem Ventil 68 versehene Leitung 54 unter einem Druck in den Motor 10 ein. der das Reservoir 44 auf einer Kühlflüssigkeitshöhe über der Höhe der obersten Austrittsöffnung 5OA im Verteiler 42 hält. Die Kühlflüssigkeit strömt dann durch die Öffnungen innerhalb des Verteilers, wie es durch die Strömungspfeile in Fig. 1 angegeben ist. in die Radialzone 56. die sich über den ganzen Stator erstreckt. Daraufhin wird die Kühlflüssigkeit in axial entgegengesetzte Richtungen geteilt, und zwar sowohl über die ausgerichteten, dreieckförmigcn Öffnungen innerhalb der Statorzähnc als auch über den Luftspalt 40 des Motors, um durch die auf entgegengesetzten Motorenden angebrachten Öffnungen 58 herausgelassen zu werden. Innerhalb des Motors verteilt sich das Kühlmittel selbst gemäß dem Druckunterschied und der verfügbaren Fläche der verschiedenen axialen Strömungskanäle (wobei etwa 80% des Kühlmittels über die Staiorzähne geleitet wird) und kondensiert als Tröpfchen, die die gesamten Seitenwände der Strömungskanäle mit einem Flüssigkeilsfilm optiivuv Jbcidecken. Da die durch die Staiorwicklungen erzeugte Wärme durch die Kühflüssigkeit absorbiert wird, wird die Kühlflüssigkeit zumindest teilweise in einen gasförmigen Zustand umgewandelt und durch nachfolgende Kühlflüssigkeit ersetzt. Da die Kühlflüssigkeit in axialer Richtung durch jeden Zahn des Stators hindurchströmt, gelangt sie zwischen jeden Wickelkopf des Stators, wodurch eine optimale Kühlung der Wickclköpfe sichergestellt wird. Eine zusätzliche Kühlung»der Statorwickelköpfe wird ferner durch jenen Teil der Kühlflüssigkeil herbeigeführt, die durch den Luftspalt geleitet wird und über die Wickelköpfe nach unten zu den Auslässen 58 strömt. Typischerweise ist der Anteil der Kühlflüssigkeit innerhalb des Kühlmittels wesentlich herabgesetzt, beispielsweise von einem Flüssigkeit/Gas-Gewichtsverhältnis von 80/20 auf ein Flüssigkeit/Gas-Gewichtsverhältnis von etwa 50/50. bevor die Kühlflüssigkeit an den Wickelköpfen des Motors ankommt.

Nach dem Austritt aus den Auslässen 58 strömt das Kühlmittel in üblicher Weise zu einem Verdampfer 60. d. h. es tritt unterhalb des nicht dargestellten Flüssigkeitsabscheiders in den Verdampfer ein, und die übrige Kühlflüssigkeit wird in einen gasförmigen Zustand umgewandelt, bevor es dem Kompressor 62 zugeführt wird. Da normalerweise nur ein Teil des Kühlmittels durch den Motor zu strömen braucht, ist eine Nebenleitung 64 vorgesehen, die eine kontinuierliche Zirkulation von nicht zur Kühlung des Motors erforderlicher Kühlflüssigkeit mit geeigneten Ventilen 66,68 zu ermöglichen. Dadurch ist eine Regulierung der durch den Motor strömenden Kühlflüssigkcitsmcngc möglich. Selbstverständlich kann eine Regulierung dci Druckdifferenz über dem Motor auch ohne Ventili herbeigeführt werden, indem die Größe der Rohrlcitunj zu oder von dem Motor entsprechend bemessen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeits- oder Verdampfungskühlung des Ständerblechpaketes einer dynamoelektrischen Maschine, das aus einem kreisförmigen Joch ur.d daran anschließenden, sich radial nach innen stetig verjüngenden Statorzähnen besteht, die parallelwandige Wicklungsnuten begrenzen und die sich radial nach innen verschmälernde. Axialkanäle bildende öffnungen aufweisen, durch die mittels einer Einrichtung eine Kühlflüssigkeitsströmung aufrechterhalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Axialkanaie bildender, Öffnungen (36) im wesentlichen dreieckförmige Gestalt mit parallel zu den Wänden der Wicklungsnuten und zu der am Joch liegenden Zahnbegrenzungsünie verlaufenden Seiten aufweisen und daß die Öffnungen (36) derart vollständig innerhalb eines jeden Statorzahnes angeordnet sind, daß an jeder beliebigen radialen Stelle des Statorzahnes die gleiche flußführende Fläche vorhanden ist, die im wesentlichen der der dem Luftspalt zugewandten Statorzahnstirnfläche entspricht, und daß die Einrichtung eine axiale Kühlflüssigkeitsströmung von dor Mitte des Ständerblechpaketes jeweils nach beiden Seiten ermöglicht.

2. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die axiale Kühlflüssigkeitsströmung einen in der Mitte des Statorblechpaketes angeordneten ringförmigen Verteiler (42) enthält, der an seinem radial innenliegenden Umfang mehrere unterschiedlich große Austrittsöffnungen (50.4 bis 50D) aufweist, die mit den die Axialkanäle in den Siatorzähnen (32) bildenden öffnungen (36) in Verbindung stehen.

3. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verteiler (42) und dem Maschinengehäuse (16) ein ringförmiges Reservoir (44) für die Kühlflüssigkeit angeordnet ist.

4. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe der Austrittsöffnungen (5OA bis 50D) des Verteilers (42) umgekehrt proportional der Höhe des Reservoirs (44) oberhalb der jeweiligen Austrittsöffnung (50-4 bis 50/)) verhält und daß der Verteiler (42) zahlreiche radial nach innen führende Platten (46.4. 46B) aufweist, die in gleichmäßigen Absländen am inneren Umfang des Verteilers (42) befestigt sind.

5. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch A, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (42) einen kleineren Durchmesser aufweist als das Ständerblechpaket, daß die Anzahl der Platten (46,4. 46/7) gleich der der Statorzähnc(32) ist und daß die beiden den Austrittsöffnungen (50.4 bis 50D) jeweils entfernt liegenden Platten (46.4) massiv ausgeführt und die übrigen Platten (46ΰ) mit jeweils einer Durchtrittsöffnung (48) versehen sind.