DE2220266A1

DE2220266A1 - Anordnung zur kuehlung des laeufers einer elektrischen maschine mittels eines waermerohrs

Info

Publication number: DE2220266A1
Application number: DE2220266A
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Rer Nat Fries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-04-25
Filing date: 1972-04-25
Publication date: 1973-11-08
Also published as: NL7304820A; DK131448C; LU67487A1; GB1367448A; CA968018A; JPS4947805A; FR2182028A1; IT983982B; US3882335A; BE798592A; CH548130A; DK131448B

Description

Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine mittels eines Wärmerohrs

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen Maschine, der auf einer an beiden Enden verschlossenen, um ihre Längsachse rotierenden Hohlwelle befestigt ist, welche zur Wärmeübertragung eine geringe Menge eines verdampfbaren Arbeitsfluids enthält, das in einem von der Lage der zu kühlenden Teile des Läufers bestimmten Verdampfungsabschnitt in der Hohlwelle verdampft und in einem Kondensationsabschnitt zumindest an dem einen Ende der Hohlwelle kondensiert, welches Ende aus einem gut wärmeleitenden Material besteht und mit einem mitrotierenden Lüfter aus ebenfalls gut wärmeleitendem Material versehen ist.

Aus der USA-Patentschrift 2 743 384 und aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 900 411 ist es bekannt, zur Kühlung einer elektrischen Maschine deren Läuferwelle als sogenanntes Wärmerohr auszubilden. Die Läuferwelle ist hohl und enthält eine geringe Menge eines verdampfbaren Arbeitsfluids, z.B. Wasser oder Alkohol. Bei Betrieb der elektrischen Maschine verdampft das Arbeitsfluid in einem Verdampfungsabschnitt im Bereich des Läufers und übernimmt dabei die von diesem entwickelte Wärme. Infolge der bei der Rotation der Hohlwelle auftretenden Zentrifugalkräfte wird das dampfförmige Arbeitsfluid zu einem oder zu zwei von außen gekühlten Verdampfungsabschnitten geführt, welche vorzugsweise an den Enden der Hohlwelle liegen. Dort kondensiert das Arbeitsfluid; es strömt anschließend an der Innenwand der Hohlwelle zum Verdampfungsabschnitt zurück. Während der Rotation ist- die Innenwand der Hohlwelle folglich mit einer dünnen Filmschicht von zurückströmendem Arbeitsfluid ausgekleidet. Je nach An-

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zahl der vorgesehenen Verdampfungsabschnitte ergeben sich ein oder zwei geschlossene Kreisläufe für das Arbeitsfluid.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 928 358 ist die eingangs genannte Anordnung bekannt. Danach ist die Hohlwelle entweder insgesamt oder insbesondere nur am Verdampfungsabschnitt aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt, z.B. aus Kupfer. Der Wärmewiderstand von Kupfer ist etwa eine Größenordnung kleiner als derjenige von Stahl, welcher üblicherweise zur Herstellung der Hohlwelle verwendet wird. Durch die Verwendung eines gut wärmeleitenden Materials kann die Wärmeabführung vom Kondensationsabschnitt der Hohlwelle an die Umgebung verbessert werden. In der deutschen Offenlegungsschrift 1 928 358 ist ferner angegeben, daß im Bereich des Kondensationsabschnitts auf der Hohlwelle ein Lüfter befestigt sein kann. Dieser Lüfter kann zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen. Der Lüfter ist somit zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche vorgesehen und dient ebenfalls zur Verbesserung der Wärmeableitung an das umgebende Kühlmedium. Im allgemeinen Fall ist Luftkühlung vorgesehen.

Solange der Dimensionierung des Lüfters keine Grenzen gesetzt sind, kann man ausgezeichnete Kühlergebnisse erzielen. Soll die Anordnung jedoch kompakt aufgebaut werden, so ist ihr Nachteil darin zu sehen, daß zwischen dem Lüfterring, der die Flügel des Lüfters trägt, und dem von ihm umschlossenen Ende der Hohlwelle auch bei sorgfältiger Anpassung ein geringer Ringspalt verbleibt. Dieser Ringspalt setzt dem Wärmetransport vom Kondensationsabschnitt zu den Flügeln des Lüfters einen beträchtlichen Wärmewiderstand entgegen.

Größere elektrische Maschinen sind üblicherweise mit einem Maschinenlüfter aus Stahl versehen. Derartige Maschinenlüfter sind jedoch ausschließlich zur Belüftung der Kühlrippen der Maschine bestimmt. Wird nun die Welle einer solchen elektrischen Maschine als Wärmerohr ausgebildet, so kann der be-

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treffende Maschinenlüfter für die zusätzliche Aufgabe, die am Kondensationsabschnitt anfallende Kondensationswärme aus der Hohlwelle abzuleiten, nicht herangezogen werden. Pur diesen Zweck ist er wegen seines hohen Wärmewiderstands schlecht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Anordnung die Wärmeableitung von der Hohlwelle an das umgebende Kühlmedium zu verbessern und gleichzeitig die Belüftung der Kühlrippen der Maschine sicherzustellen.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß zur Belüftung der Kühlrippen der Maschine und zur Abkühlung der Hohlwelle nur ein einziger lüfter spezieller Ausgestaltung benötigt wird. Die Erfindung besteht darin, daß das Ende der Hohlwelle und der Lüfter einschließlich seiner Flügel aus einem Stück gefertigt sind.

Das Ende der Hohlwelle, welches gleichzeitig den Lüfterring bildet, und die Flügel bestehen demnach aus einem Material von guter Wärmeleitfähigkeit. Als Material kommt insbesondere Kupfer oder Aluminium in Frage. Bei dieser Anordnung entfällt der Ringspalt zwischen dem Lüfterring und den Flügeln, so daß ein guter Wärmeübergang von dem Kondensationsabschnitt zu den Flügeln gewährleistet ist. Der Durchmesser des Lüfters sollte etwa dem Durchmesser der elektrischen Maschine einschließlich ihrer Kühlrippen entsprechen.

Zum Schutz des Bedienungspersonals wird der Lüfter im allgemeinen Fall von einer Lüfterhaube umgeben sein. Diese ist am . Umfang des Maschinen-Lagerschildes befestigt. Dadurch ist eine Begrenzung der Höhe und damit der Flächengröße der Lüfterflügel gegeben.

Wird die Flächenform der Lüfterflügel rechteckig gewählt, so wird die Stirnwand der Lüfterhaube senkrecht zur Längsachse der Hohlwelle verlaufen. Bei einer solchen Anordnung kann sich Jedoch an den Knickstellen der Lüfterhaube ein

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Luftstau ausbilden. Um ein gutes Strömungsverhalten der in die Lüfterhaube eintretenden Luft zu erzielen, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Flügel des Lüfters - in Richtung der Längsachse der Hohlwelle gesehen zurückweichende Stirnkanten besitzen. Die Stirnwand der Lüfterhaube wird dabei parallel zu den Stirnkanten angeordnet. Dadurch ergibt sich eine günstige Beströmung der Kühlrippen am Ständer der elektrischen Maschine. Der in die Lüfterhaube eintretende Luftstrom wird in Richtung auf die Kühlrippen gelenkt.

Die letztgenannte Ausführungsform der Erfindung bedingt eine Begrenzung der Fläche der Lüfterflügel bei vorgegebener Basisbreite und Höhe. Will man diese Begrenzung jedoch nicht in Kauf nehmen, so kann nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß die Flügel des Lüfters annähernd rechteckig ausgebildet sind, und daß zumindest zwischen vier Flügeln eine trapezförmige Leitfläche eingesetzt ist. Die Leitflächen sorgen dafür, daß der in die Lüfterhaube eintretende Luftstrom in Richtung auf die Kühlrippen der elektrischen Maschine gelenkt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine elektrische Maschine mit einer als Wärmerohr ausgebildeten Welle und einem Lüfter in einer Schnittdarstellung,

Figur 2 einen Schnitt durch den Lüfter von Figur 1 entlang der Linie H-II, und

Figur 3 einen Lüfter mit zwischen den Flügeln angeordneten Leitflächen in einer perspektivischen Darstellung.

Figur 1 zeigt, daß auf einer als Hohlwelle 2 ausgebildeten Läuferwelle einer elektrischen Maschine ein Läufer 3 angeordnet ist. Dieser ist von einem Ständer 4 durch einen

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Luftspalt 5 getrennt. Die mechanische last der Maschine ist nicht dargestellt. Die an beiden Enden verschlossene Hohlwelle 2 enthält eine geringe Menge eines verdampfbaren Arbeitsfluids, das unter der Einwirkung der Rotation um die Längsachse 6 die Innenwandung mit einem dünnen Film 7 auskleidet. Der Gehalt an Arbeitsfluid macht weniger als 10 9^ des Innenraums der Hohlwelle 2 aus. Durch die vom Läufer 3 zugeführte Wärme verdampft das Arbeitsfluid im Verdampfungsabschnitt 8 und gelangt in den Kondensationsabschnitt 9· Der Kondensationsabschnitt 9 wird gemäß der Erfindung durch einen allgemein mit 10 bezeichneten Lüfter aus gut wärmeleitendem Material, z.B. aus Kupfer oder aus Aluminium, gekühlt. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist der Lüfter 10 aus einem Stück gefertigt. Der Innendurchmesser des Lüfterrings 11 entspricht nach Figur 1 dem Innendurchmesser der Hohlwelle 2. Er ist mittels eines Gewindes 12 auf der Hohlwelle 2 befestigt. Ein z.B. aus einem Kunststoff hergestellter Dichtungsring 13 sorgt für eine vakuumdichte Befestigung. Der Lüfterring 11 ist an seiner Frontseite durch einen Einlaßstutzen H abgeschlossen, welcher beim Einfüllen des Arbeitsfluids unter Vakuum benötigt wird.

Der Lüfter 10 besitzt gemäß Figur 1 und 2 insgesamt sechs Flügel 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f mit abgeschrägten Stirnkanten 16. Es können auch mehr oder weniger Flügel vorhanden sein. In Richtung der Längsachse 6 gesehen weichen die Stirnkanten 16 nach außen hin zurück. Der Lüfter 10 ist durch eine am Umfang des Ständers 4 befestigte Lüfterhaube 17 geschützt. Der zentrale Teil ihrer Stirnwand 18 ist mit einem Schutzgitter 19 versehen. Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die Stirnwand 18 parallel zu den Stirnkanten 16 der Flügel 15 verläuft. Die Lüfterhaube 17 erfüllt somit eine doppelte Funktion. Zum einen sorgt sie für einen mechanischen Schutz nach innen und außen, zum anderen bildet ihre Innenseite eine Strömungsleitfläche für die durch das Schutzgitter 19 und durch die Eingangsöffnung 20 einströmende Luft. Diese wird innerhalb der Lüfterhaube 17 verwirbelt. Wegen der Abschrägung der Stirnkanten 16 kann sich an den Knickstellen

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21 der Lüfterhaube 17 kein Luftstau ausbilden. Die Luft wird also innerhalb der Lüfterhaube 17 gleichmäßig verwirbelt; sie kühlt die Flügel 15 ab und gelangt anschließend, wie durch die Pfeile 22 angedeutet ist, in Lüftungskanäle 23 für die Kühlrippen 24 am Ständer 4. Die Abströmung zu den Kühlrippen wird durch eine Bewegungskomponente der Kühlluft unterstützt, welche ihr durch die genannte Abschrägung der Stirnkanten 16 und Stirnwand 18 strömungsmäßig aufgeprägt wird. Durch die in Figur 1 und 2 gezeigte Anordnung werden also der Kondensationsabschnitt 9 und die Kühlrippen 24 gleichzeitig wirksam gekühlt.

Bei gleicher Basisbreite der Flügel 15 gemäß Figur 1 und 2 könnte eine größere Wärmeübergangsfläche dadurch erzielt werden, daß die Flügel 15 - abweichend von der gezeigten Trapezform - rechteckig ausgebildet werden. Die Stirnkanten 16 der Flügel 15 müßten also senkrecht zur Längsachse 6 verlaufen. Dann würde sich jedoch ohne Anwendung weiterer Maßnahmen der bereits erwähnte Luftstau an den Knickstellen 21 ergeben, so daß ein geringerer Durchsatz der kühlenden Luft und damit eine geringere Kühlwirkung erzielt werden könnten. Will man also bei gegebener Basisbreite und Höhe der Flügel 15 die größt mögliche Flächengröße in Form von rechteckigen Flügeln einsetzen und gleichzeitig die Ausbildung eines Luftstaues an den Knickstellen 21 vermelden, so wird man zweckmäßigerweise den in Figur 3 gezeigten Lüfter verwenden.

Gemäß Figur 3 sind die Flügel 31a bis 31f des allgemein mit

30 bezeichneten Lüfters rechteckig ausgebildet. Die Flügel

31 und der Lüfterring 32 sind wiederum aus einem Materialstück von guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Die (nicht dargestellte) Lüfterhaube besitzt nun eine Stirnwand, die senkrecht zur Längsachse der Hohlwelle ausgerichtet ist. Zwischen jeweils zwei Flügeln 31a bis 31f sind trapezförmige Leitflächen 33a bis 33f eingesetzt. Die Leitflächen 33 sorgen dafür, daß die durch das Schutzgitter eintretende Luft in Richtung auf die Kühlrippen der elektrischen Maschine abge-

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lenkt wird. Die Leitflächen 33 brauchen sich nicht unbedingt über die gesamte Breite der Flügel 31 zu erstrecken. Weiterhin kann es ausreichend sein, daß abweichend von der Darstellung in Figur 3 lediglich zwei einander diametral gegenüberliegende Leitflächen eingesetzt, d.h. die Leitflächen zwischen Tier Flügeln angeordnet werden. Ein Stau in den Knickstellen der Lüfterhaube kann nicht auftreten.

Der Vorteil, der durch die Verwendung der Leitflächen 33 erzielt wird, besteht somit darin, daß die Wärmeabführung von
den Flügeln 31 verbessert und die Eintrittstemperatur der in den Bereich der Kühlrippen der Maschine eintretenden Kühlluft verringert wird.

3 Figuren

5 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche -8- YPA 72/3081

1. Ijlnordnung zur Kühlung des Läufers einer elektrischen ^___^/Maschine, der auf einer an "beiden Enden verschlossenen, um ihre Längsachse rotierenden Hohlwelle befestigt ist, welche zur Wärmeübertragung eine geringe Menge eines verdampfbaren Arbeitsfluids enthält, das in einem von der Lage der zu kühlenden Teile des Läufers bestimmten Verdampfungsabschnitt in der Hohlwelle verdampft und in einem Kondensationsabschnitt zumindest an dem einen Ende der Hohlwelle kondensiert, welches Ende aus einem gut wärmeleitendem Material besteht und mit einem mitrotierenden Lüfter aus ebenfalls gut wärmeleitendem Material versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Hohlwelle (2) und der Lüfter (10; 30) einschließlich seiner Flügel (15j 31) aus einem Stück gefertigt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüfter (10; 30) von einer Lüfterhaube (17) umgeben ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (15) des Lüfters (10) - in Richtung der Längsachse (6) der Hohlwelle (2) gesehen - zurückweichende Stirnkanten besitzen.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (31) des Lüfters (30) annähernd rechteckig ausgebildet sind, und daß zumindest zwischen vier Flügeln (z.B. 31a, 31b) eine trapezförmige Leitfläche (33a) eingesetzt ist.

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5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüfter (10; 30) auf das Ende der Hohlwelle (2) aufgeschraubt ist.

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