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Flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine
flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine. Für solche Maschinen sind Flüssigkeitskanäle
im und/ oder um den Ständer bzw. Läufer sowie flüssigkeitsdurchströmte Hohlleiter
oder Sprüheinrichtungen für Kühiflüssigkeit bekanntgeworden. Bei überwiegend im
Dauerbetrieb mit verhältnismäßig hohen Betriebsdrehzahlen arbeitenden Maschinen
wird die Kühlung für die Verluste im Dauerbetrieb (Nennleistung) bemessen. Ein fallweiser
Betrieb mit vorübergehend höheren Verlusten (z.B. Anfahrvorgang) muß an die thermische
Zeitkonstante der Maschine angepaßt sein, damit es zu keiner Gefährdung der Maschine
kommt. Bei der Sprühkühlung solcher elektrischer Maschinen ist man bestrebt, die
Kühlflüssigkeit nicht in den Luftspalt der Maschine gelangen zu lassen, um Reibungsverluste
im Luftspalt durch die Kühlflüssigkeit zu vermeiden, die den Kühleffekt in Frage
stellen würden.
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Bei elektrischen Maschinen, die im verhältnis zur Betriebs zeit mit
Nennlast viel im Anlauf- und Bremsbetrieb (z.B. mit generatorischer Nutz-Bremsung)
arbeite-n, wie dies z.B. für elektrische Fahrzeugantriebe zutrifft, ist eine erheblich
über dimensionierung der Kühleinrichtung erforderlich, bzw. eine größere Dimensionierung
der'Maschine notwendig, um auf diese Weise durch geringere Ausnutzung der Maschine
und Vergrößerung der thermischen Zeitkonstante den Anfahr- oder-Bremsbetrieb mit
seiner bei der geringeren Drehzahl schlechteren Wärmeabgabe und seiner wegen der
höheren Momente auftretenden höheren thermischen Belastung schadlos überstehen zu
können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für elektrische Maschinen,
bei denen der mit höheren Verlusten bei geringeren Drehzahlen behaftete Anfahr-
und Bremsbetrieb einen verhäl,tnismäßig großen Anteil an der gesamten Betriebszeit
ausmacht, auch hochausgenutzte Maschinen mit entsprechend kleinen thermischen Zeitkonstanten
verwenden zu können.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch,
daß bei zeitweisem Schwerlastbetrieb mit verminderter Drehzahl der Luftspaltraum
zwischen Ständer und Läufer vorübergehend mit Kühlflüssigkeit durchsetzt ist. Hierzu
ist es vorteilhaft, die Kühlflüssigkeit über mindestens einen mit einer steuerbaren
Zuleitung in Verbindung stehenden Kanal im Ständer und/oder Läufer dem Luftspaltraum
zuzuführen. Bei elektrischen Maschinen mit ausgeprägten Polen im Ständer bzw.
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Läufer kann z.B. jeder Pol mit einem mittig im Polschuh mUndenden
Kanal versehen sein. Bei Maschinen mit ringförmigem Luftspaltraum, d.h. bei Maschinen
ohne ausgeprägte Einzelpole, können die Kanäle als Ringkanäle ausgebildet sein.
Bei Vorhandensein eines Ringkanals ist dieser vorteilhafterweise in Blechpaketmitte
angeordnet, wogegen bei-mehreren Ringkanälen diese in axialen Abständen voneinander
angeordnet werden können.
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Da die mit der erhöhten Belastung verbundenen Verluste überwiegend
in der aktiven Nut/Zahn-Schicht beiderseits des Maschinenluftspaltes auftreten,
erfolgt somit erfindungsgemäß eine Erfassung der Verlustwärme in unmittelbarer Nähe
ihres Entstehungsortes. Dadurch wird eine direkte und schnelle Abführung der Verlustwärme
erreicht. Längere Wärmeströme und damit verbundene erhöhte Temperaturen sind somit
vermieden.
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Da diese Flüssigkeitskühlung nur bei verminderter Drehzahl der Maschinen
erfolgt, sind die Spaltreibungsverluste klein.
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Ein Schwerlastbetrieb mit verminderter Drehzahl ist auf diese Weise
auch bei hochausgenutzten Maschinen praktisch in jedem gewünschten Maße erreichbar,
ohne daß eine thermische
Gefährdung eintritt. Dies ist bei elektrischen
Antrieben für Fahrzeuge aller Art, insbesondere für Straßenfahrzeuge, besonders
vorteilhaft.
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Damit unzulässige Spaltreibungsverluste durch die Eühlflüssigkeit
vermieden werden, ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil,
die Steuervorrichtung in der Kühlflüssigkeits-Zuleitung zum Kanal drehzahl- und/oder
stromabhängig zu beeinflussen.
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Durch die vorübergehende Kühlung im Luftspaltraum werden die sonst
z.B. für Antriebsmotoren von Fahrzeugen1zu beachtenden zeitlichen Beschränkungen
im Zugkraft-Geschwindigkeitsdiagramm nach Fig. 1 weitgehend aufgehoben. Bei einem
in üblicher Weise gekühlten Antriebsmotor würde aufgrund der zulässigen thermischen
Beanspruchung für die den einzelnen Fahrgeschwindigkeiten v (Drehzahlen n) zugeordneten
Zugkräfte Z (Momente M) jeweils eine bestimmte Betriebsdauer limitiert werden, die
mit sinkender Drehzahl überproportional abnimmt, so daß Anfahr- und Bremsvorgänge
nur in begrenzter Zeitdauer und entsprechend großen Zeitabständen zulässig sind.
Einer Abhilfe durch Überdimensionierung der Bahrzeug-Antriebsmotoren sind aber aus
Gewichtsgründen verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt.
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Dies gilt insbesondere für Fahrzeuge mit häufigen Anfahr- und Bremsvorgängen,
z.B. Baggerfahrzeugen, Omnibussen für innerstädtischen Betrieb und dergleichen.
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Wenn die Kühlung im Luftspaltraum zusätzlich zu der üblichen, eingangs
genannten Flüssigkeitskühlung vorgenommen wurde, kann die benötigte Kühlflüssigkeit
für den Luftspaltraum aus dem bereits vorhandenen Kühlsystem bezogen werden, wobei
in an sich bekannter Weise bei Verwendung von Öl als Kühlflüssigkeit dieses als
Betriebs- und Schmiermittel für Teile der Antriebsanlage mitbenutzt werden kann.
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Bei Antriebsmotoren mit senkrechtem Planluftspalt (z.B. Radnabenmotoren)
oder Maschinen mit senkrechter Läuferwelle können gesonderte, innerhalb des aktiven
Eisenteiles verlegte, Kanäle entfallen und statt dessen die Kühlflüssigkeit dem
Luftspaltraum durch einen der oberen Mündung bzw. obenliegenden Umfangsteil des
Luftspaltraumes vorgelagerten absperrbaren Verteiler zugeführt werden.
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Die Erfindung ist für alle möglichen Maschinenarten anwendbar.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand einiger in der Zeichnung
vereinfacht dargestellter und nachfolgend näher erläuterter Ausführungsbeispiele
dargelegt.
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Fig. 2 zeigt den aktiven Teil eines Asynchronmotors für Fahrzeuge
im Längsschnitt und Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 2 im teilweisen Querschnitt in
der Mittelebene. Ferner zeigen die Fig. 4 bis 6 verschiedene Details des Gegenstandes
der Erfindung.
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Der Asynchronmotor hat an der Innenmantelfläche seines Gehäuses 1
in an sich bekannter Weise angeordnete Spiralnuten 2, die zusammen mit den beiden
Ständerteilblechpaketen 4a und 4b Kanäle für die Kühlflüssigkeit bilden. Die beiden
Ständerteilblechpakete sind durch einen am Gehäuse 1 anliegenden Arretierungsring
5 im Abstand voneinander gehalten, so daß dazwischen ein mittiger Ringkanal 3 verbleibt,
der mit einer am Gehäuse 1 angeordneten Zuleitung 6 über eine Gehäuseöffnung sowie
eine damit korrespondierende Bohrung im Ring 5 in Verbindung steht und der gegen
den Luftspaltraum 10 durch einen gelochten Blendenring 11 begrenzt ist. Der Luftspaltraum
10 ist im wesentlichen ringförmig und wird begrenzt durch die genutete Ständerbohrung
und das ebenfalls genutete Läuferblechpaket 14 mit dem Kurzschlußkäfig 13. Dessen
Stirnseiten
werden zusammen mit den Wickelköpfen 7a und 7b der Ständerwicklung
durch um die Läuferwelle 9 ruhend angeordnete Sprühöldüsen 12 ständig während der
gesamten Betriebsdauer mit Kühl öl besprüht und außerdem wird Kühlflüssigkeit durch
die Kühlnuten 2 geschickt. Sobald Schwerlastbetrieb mit verminderter Drehzahl auftritt,
wied die bis dahin abgesperrte Zuleitung 6 durch eine beispielsweise drehzahlabhängige,
nicht dargestellte Steuervorrichtung freigegeben, so daß Kühlflüssigkeit den Ringkanal
3 füllt und durch den Blendenring 11 in den Luftspaltraum 10 gelangt. Die Kühlflüssigkeit
füllt den Buftspaltraum 10 und fließt in Pfeilrichtung nach beiden Stirnenden ab,
von wo sie aus dem Luftspaltraum in einen nicht dargestellten Sammelraum an der
Maschinenunterseite gelangt und von dort nach Rückkühlung wieder der Zuleitung 6
in einem Kreislauf zugeführt wird.
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Die Kühlflüssigkeit im Ringkanal 3 kommt mit den den Ringkanal durchsetzenden
Nutteilen7c der Ständerwicklung in Berührung. Ein Teil der Kühlflüssigkeit durchsetzt
auch die von den Nuten der Ständerwicklung freibleibenden Nuträume.
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Somit ist eine wirksame Wärmeabfuhr aus der im Schwerlastbetrieb thermisch
stark beanspruchten Ständerwicklung und eine Kühlung an den Heißpunkten der Maschine
erreicht. Der überwiegende Teil der dem Ringkanal zugeführten Kühlflüssigkeit gelangt
über den als Drosselstelle wirkenden gelochten Blendenring 11 in den Buftspaltraum
10 und kühlt dabei intensiv die Ständerbohrung und die Läuferoberfläche in dem Bereich,
in dem die Verlustwärme entsteht.
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Bei Verwendung von isolierendem Kühl öl können die Nutteile 7c vorteilhaft
blank gehalten sein, um eine erhöhte Kühlwirkung von diesen Stellen zu erzielen.
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Anstelle des nach dem Einlegen der Ständerwicklung in die Nuten 15
anzubringenden Blendenringes 11 kann auch ein den Ringkanal 3 teilweise füllendes
genutetes Blechpaket 11a
vorgesehen sein, um auch den Ringkanal
teilweise magnetisch zu nutzen. Das Blechpaket 11a besteht aus Blechschnitten 16
gemäß Fig. 4, die einen der Ständerbohrung entsprechenden Innendurchmesser und einen
kleineren Außendurchmesser als die Ständerblechpakete 4 haben, so daß ein Ringkanal
3a verbleibt.
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Die Blechschnitte 16 haben Nuten 15 für die Ständerwicklung.
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In jedem zweiten Ständerzahn ist eine vom Innendurchmesser ausgehende
Kühlflüssigkeitsnut 17 und, Uni eine Zahnteilung versetzt, eine vom Außendurchmesser
ausgehende Kühlflüssigkeitsnut 18 vorgesehen. Das Blechpaket 11a ist gemäß Fig.
5 geschichtet. Die Nuten 17 und 18 überdecken sich in ihren Endbereichen und geben
damit Wege für die Kühlflüssigkeit vom Ringkanal 3a zum Luftspaltraum 10 frei.
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Das als Blende bzw. Drosselstelle dienende Blechpaket kann gemäß Fig.
6 durch abwechselndes Schichten zweier Blechschnitte 19 und 20 mit unterschiedlich
breiten und tiefen Nuten 21, 22 auf der Innenseite und einer die großere Nut 22
teilweise überdeckenden Nut 23 amPLußenrand des Blechschnittes 19, aufgebaut sein,
wobei in entsprechender Weise eine Verbindung des Ringkanals mit dem Luftspaltraum
herstellbar und Durchlaßquerschnitt und -form den åeweilígen Verhältnissen und Erfordernissen
ebenfalls leicht anpaßbar ist. Die kleineren Nuten 21 entsprechen dabei hinsichtlich
Form und Lage den Wicklungsnuten im Blechpaket 4.
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Anstelle eines mittigen, mit Blenden versehenen Ringkanals 3 können
auch mehrere, in Abständen angeordnete Ringkanäle vorgesehen sein. Solche Kanäle
können zusätzlich oder allein im Läufer vorgesehen sein, denen z.B. über eine hohle
Läuferwelle Kühlflüssigkeit zugeführt wird.
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Zur rascheren Entleerung des Luftspaltraumes nach Absperren der Zuleitung
können auf der Läuferoberfläche z.B. spiralförmige oder schräge Abströmnuten vorgesehen
sein. Zur beschleunigten Entleerung des Luftspaltraumes können vorteilhafterweise
die
Ringkanäle über gesonderte, steuerbare Druckausgleichsverbindungen mit dem freien
Innenraum der Maschine verbunden werden und/oder gegebenenfalls der oder die Ringkanäle
mit mindestens einer steuerbaren Abflußleitung verbunden sein, die in den maschinenunterseitigen
Sammelraum des Kühlkreislaufsystems mündet.
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Durch eine entsprechende Gestaltung der Blenden für die Kanäle kann
ferner erreicht werden, daß die Kühlflüssigkeit den Luftspaltraum nur in einer Richtung
durchströmen kann.
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Bei Vorhandensein mehrerer Ringkanäle ist vorteilhafterweise jeder
mit einer eigenen Zuleitung verbunden und gegebenenfalls dafür gesorgt, daß auch
die Nuträume direkt mit Eühlflüssigkeit versorgt werden.
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Bei Maschinen mit ausgeprägten Polen sind an Stelle der am Umfang
durchgehenden Ringkanäle einzelne Kanäle für die Pole vorgesehen, die an den Seitenflächen
abgeschlossen sind, damit die Kühlflüssigkeit über Blenden dem Luftspaltraum zufließen
muß. Das oben bezüglich der beschleunigten Entleerung der Kanäle Gesagte gilt sinngemäß
auch für diese Ausführungsformen.
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Gesonderte Blenden und Kanäle erübrigen sich bei Maschinen mit senkrechter
Läuferwelle oder senkrechtem Planluftspalt, da hier die vorübergehende Kühlflüssigkeitszufuhr
durch vorgelagerte, ruhende und absperrbare Verteiler erfolgen kann.
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Druckausgleichsvorrichtungen sind hierbei entbehrlich.
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10 Patentansprüche 6 Figuren