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Kühlanordnung für den Läufer einer elektrischen Maschine mit einem
Zentrifugalwärmerohr Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für den Läufer
einer elektrischen Maschine mit einem Zentrifugalwärmerohr, das aus einem an beiden
Enden verschlossenen, aus mindestens zwei Teilstücken zusammengesetzten und um seine
Längsachse rotierenden Rohr besteht, welches zur Wärmeübertragung teilweise mit
einem verdampfbaren Arbeitsfluid gefüllt ist, das in einem mit dem Läufer in Wärmekontakt
stehenden Verdampfungsabschnitt innerhalb des Rohres verdampft und in mindestens
einem im wesentlichen am Ende des Rohres gelegenen Kondensationsabschnitt kondensiert,
welcher von außen kühlbar ist.
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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 Zentrifugalwärmerohr auszubilden. Die Läuferwelle ist hohl und erhält
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 Kondensationsabschnitten
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 Anzahl der vorgesehenen Kond ensat ionsabs chni tt e ergeben sich ein oder
zwei geschlossene Kreisläufe für das Arbeitsfluid. Ein erheblicher Anteil der im
Läufer entwickelten Verlustwärme kann über das Z entrifugalwärmerohr abgeführt werden.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 928 358 ist die eingangs genannte
Kühlanordnung bekannt. Danach ist die Hohlwelle entweder insgesamt oder insbesondere
nur am Kondensationsabschnitt aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt,
z.B. aus Kupfer. Die Hohlwelle ist somit aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt.
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 Kondensationsabsehnitt
der Hohlwelle an die Umgebung verbessert werden. Im Bereich des Kondensationsabschnittes
ist auf dem äußeren Teilstück der Hohlwelle ein Lüfter befestigt. Dieser Lüfter
kann zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen.
Der Lüfter kühlt den Kondensationsabsehnitt von außen und dient zur Verbesserung
der Wärmeableitung an das umgebende Kühlmedium. Im allgemeinen Fall ist Luftkühlung
vorgesehen. - In der deutschen Patentanmeldung P 22 20 266.0-VPA 72/3081 wird weiterhin
vorgeschlagen, das Ende der Hohlwelle und den Lüfter einschlie3lich seiner Flügel
aus einem Stück zu fertigen. Damit wird der Ringspalt zwischen dem Endstück der
Hohlwelle und dem Lüfter und somit ein beträchtlicher Wärmewiderstand vermieden.
Als Material wird bei diesem sogenannten "Wärmeleitlüfter" ein solches hoher Wärmeleitfähigkeit
wie z.B. Kupfer oder Aluminium eingesetzt. Die Nennleistung einer 55 kW-Asynchronmaschine
konnte durch den Einsatz eines solchen Wärmeleitlüfters im Experiment um 30 % erhöht
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten
Kühlanordnung die Wärmeableitung von dem Läufer der elektrischen
Maschine weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß der Läufer
mit seiner Läuferöffnung ein Teilstück des Zentrifugalwärmerohres bildet.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß im Interesse.eines guten
Wärmeüberganges sowohl am Verdampfungs- als auch am Kondensationsabschnitt der Innendurchmesser
des Zentrifugalwärmerohres möglichst groß gewählt werden sollte. Einer Vergrößerung
des Innendurchmessers sind aber durch die Mindestwandstärke, die die Hohlwelle wegen
der bei Belastung eintretenden Verdrillung aufweisen muß, Schranken gesetzt. Um
trotzdem den größt möglichen Innendurchmesser für das Zentrifugalwärmerohr zu erhalten,
wird nach der Erfindung auf eine Hohlwelle üblicher Bauart, die in die Läuferöffnung
eingesetzt und mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist, völlig verzichtet. Es
wird also ein Läufer ohne Läuferwelle verwendet. Die Läuferöffnung stellt bei der
Erfindung einen Teilinnenraum des Zentrifugalwärmerohres dar, und zwar den Verdampfungsabschnitt.
Der Innendurchmesser des Zentrifugalwärmerohres wird dadurch mit dem Innendurchmesser
des Läufers identisch. Das Arbeitsfluid kann unmittelbar an der zylindrischen Innenfläche
des Läufers verdampfen, so daß diese als Verdampfungsfläche des Zentrifugalwärmerohres
anzusehen ist. Man erhält somit einen direkten Wärmeübergang vom Läufer auf das
Arbeitsfluid im Zentrifugalwärmerohr.
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Im einfachsten Fall ist die eine Seite der Läuferöffnung verschlossen,
während an der anderen Seite ein rohrförmiges Ansatzstück befestigt ist, welches
endseitig verschlossen ist und einen Kupplungsansatz zur Übertragung mechanischer
Energie aufweist. Läufer und Ansatzstück bilden dann gemeinsam das gesamte, aus
nur zwei Rohrteilen bestehende Zentrifugalwärmerohr.
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Gegenüber dieser Kühlanordnung zeichnet sich eine vorteilhafte weitere
Ausbildung der Erfindung dadurch aus, daß beidseitig des Läufers an der Läuferöffnung
je ein rohrförmiges Ansatzstück befestigt ist, welches endseitig abgeschlossen ist.
Die Ansatzstücke besitzen je eine zylindrische Bohrung vom Innendurchmesser des
Läufers. Eine solche Kühlanordnung besitzt somit ein
Zentrifugalwärmerohr,
das aus mindestens drei Teilstücken zusammengesetzt ist, wobei die Ansatzstücke
als Kondensationsabschnitte dienen können. Es ist vorteilhaft, nicht nur eines,
sondern beide Ansatzstücke mit Lüftern zu versehen. Die Lüfter können dabei an den
äußeren Enden der Ansatzstücke angeordnet sein; sie sollten aus einem Material guter
Wärmeleitfähigkeit bestehen.
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Zur weiteren Verbesserung der Wärmeableitung ist es zweckmäßig, wenn
mindestens ein Teilstück des Zentrifugalwärmerohres als Lüfter mit Flügeln ausgebildet
und mit diesen Flügeln aus einem Stück gefertigt ist. Dabei kann so vorgegangen
werden, daß die äußeren Enden der beiden erwähnten Ansatzstücke durch rohrförmige
Abschlußstücke abgeschlossen sind, welche Flügel tragen und mitsamt diesen Flügeln
aus einem Stück gefertigt sind.
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Natürlich ist es auch möglich, daß die endseitig abgeschlossenen Ansatzstücke
selbst als Lüfter ausgebildet und einschließlich ihrer Flügel aus einem Stück gefertigt
sind.
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Ein Kupplungsansatz zur Sbertragung der Rotationsenergie kann sowohl
auf einem der Ansatzstücke als auch an einem der Abschlußstücke angeordnet sein.
Der leichten Zugängleichkeit wegen ist es jedoch zweckmäßig, wenn mindestens ein
Abechlußstück mit einem solchen Kupplungsansatz versehen ist.
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Die an die Läuferöffnung angesetzten rohrförmigen Ansatzstücke können
je nach Anwendungsfall sowohl aus Kunststoff als auch aus einem gut wärmeleitenden
Material bestehen. Als gut wärmeleitendes Material kann beispielsweise Aluminium
verwendet werden.
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Die Ansatzstücke können beispielsweise durch Klebung koaxial an der
Läuferöffnung befestigt sein. Jede andere Befestigungsart ist möglich. Eine stabile
und einfach herstellbare Befestigung zeichnet sich dadurch aus, daß die AnsatzstUcke
dur¢h Steckbolzen miteinander verspannt sind.
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Je nach Aufbau des Läufers kann es erforderlich sein, die Läuferinnenfläche
zwecks Abdichtung mit einer dünnen Schicht zu beschichten oder durch eine dünne
Hülse von insbesondere weniger als 1 mm Wandstärke wärmekontaktschlüssig auszukleiden.
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Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann diese Schicht oder aber auch
direkt die Läuferwellenfläche aufgerauht sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,
welches in der beigefügten Figur dargestellt ist, näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel
behandelt eine elektrische Drehfeldmaschine mit einem Zentrifugalwärmerohr, welches
aus fünf Teilstücken zusammengesetzt ist.
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Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine elektrisehe 3rchicliMaschine,
z.B. eine Asynchronmaschine von 55 kW, mit einem Läufer 2 und einem Ständer 3, die
durch einen Luftspalt 4 voneinander getrennt sind. Der Ständer 3 trägt an seinem
Umfang verteilt Kühlrippen 5. Der Läufer 2 dreht sich im Betrieb um die mit 6 bezeichnete
Drehachse.
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Die DrchcldMaschine 2, 3 ist zur Kühlung des Läufers 2 mit einem Zentrifugalwärmerohr
versehen, das aus 5 Teilstücken besteht. Das eine Teilstück ist gemäß der Erfindung
der Läufer 2 mit seiner Läuferöffnung 7, aus der die üblicherweise verwendete Läuferwelle
entfernt wurde. Die zylindrische Fläche der Läuferöffnung 7 wird direkt als Teilinnenfläche
des Zentrifugalwärmerohres benutzt.
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Beidseitig des Läufers 2 sind an seinen Stirnseiten 8a-, 8b rohrförmige
Ansatzstücke 9a, 9b befestigt. Diese sind mit der Läuf eröffnung 7 koaxial zur Drehachse
6 ausgerichtet und in Lagern 10a, 10b drehbar gelagert. Die beiden Ansatzstücke
9a, 9b sind zwei weitere Teilstücke des Zentrifugalwärmerohres.
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Sie besitzen denselben Innendurchmesser dn wie der Läufer 2 in der
Läuferöffnung 7. Die Lager 10a, 10b brauchen sich nicht über den ganzen äußeren
Umfang der Ansatzstücke 9a, 9b zu erstrecken, sie können auch punktweise angesetzt
sein. Mindestens ist aber eine Dreipunktauflage erforderlich.
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Die beiden Ansatzstücke 9a, 9b werden an ihren äußeren Enden durch
rohrförmige Abschlußstücke iia bzw. lib abgeschlossen.
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Diese Abschlußstücke 11a, 11b bilden die restlichen beiden Teilstücke
des Zentrifugalwärmerohres. Ihr Innendurchmesser dn ist gleich demjenigen des Läufers
2 und der Ansatzstücke 9a, 9b.
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Die Abschlußstücke 11a, 11b sind als sogenannte t'Wärmeleitlüfter"
ausgebildet, d. h. sie sind rohrförmige Bestandteile des Zentrifugalwärmerohres,
die Flügel 12a bzw. 12b tragen und die mit diesen Flügeln 12a bzw. 12b aus einem
Stück gefertigt sind.
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Dieser Aufbau hat gegenüber aufgesetzten Flügeln den Vorteil, daß
ein Ringspalt und damit ein beträchtlicher Wärmewiderstand zwischen dem gestrichelt
gezeichneten rohrförmigen Grundkörper und den aufgesetzten Flügeln 12a, 12b vermieden
wird. Als Material wird für die Wärmeleitlüfter ein solches von guter Wärmeleitfähigkeit
verwendet, z.B. Kupfer oder Aluminium.
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Das Abschlußstück 11a an der (oberen) A-Seite der Drehfeldmaschine
ist außen mit einem Kupplungsansatz 13 versehen, welcher zum Anschluß einer (nicht
dargestellten) mechanischen Last dient. Das Abschlußstck 11b an der (unteren) B-Seite
der Drehfeldmaschine ist nach außen durch einen Einlaßstutzen 14 abgeschlossen,
welcher beim Einfüllen eines Arbeitsfluids in das Zentrifugalwärmerohr 2, 9, 11
benötigt wird.
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Das an beiden Enden verschlossene, aus den genannten fünf Teilstücken
bestehende Zentrifugalwärmerohr 2, 9, 11 enthält im betriebsfertigen Zustand eine
geringe Menge eines verdampfbaren Arbeitsfluids, wie z.B. Wasser, das unter Einwirkung
der Rotation um die Drehachse 6 die Innenwand aller fünf Teilstücke mit einem dünnen
Film 15 auskleidet. Der Gehalt an Arbeitsfluid macht weniger als 10 % des Innenraums
des Zentrifugalwärmerohres aus. Durch die vom Läufer 2 in Richtung der Pfeile 16
zugeführte Wärme verdampft das Arbeitsfluid im Verdampfungsabschnitt 17 und gelangt
in Richtung der nicht näher bezeichneten Pfeile in die Kondensationsabschnitte 18
und 19. Diese Kondensationsabschnitte 18 und 19 werden durch die als Wärmeleitlüfter
wirkenden, mit dem Läufer 2 mitrotierenden Abschlußstücke 11a bzw.
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lib gekühlt. Das Arbeitsfluid kondensiert an der Innenfläche der Abschlußstücke
11, lib und strömt an der Innenwand
des Zentrifugalwärmerohres zum
Verdampfungsabschnitt 17 zurück, wo es wiederum verdampft. Es ergeben sich somit
zwei verschiedene Kreisläufe für das Arbeitsfluid.
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Die mitrotierenden Abschlußstücke 11a, lib besitzen eine Anzahl von
z.B. jeweils sechs Flügeln 12a bzw. 12b, welche gemäß der Figur zurückweichende
Stirnkanten 20a bo 20b aufweisen.
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Beide Abschlußstücke 11a, 11b sind durch am Umfang des Ständers 3
befestigte Lüfterhauben 21a bzw. 21b geschützt. Der zentrale Teil jeder Lüfterhaube
21a, 21b besteht aus einem Schutzgitter 22a bzwe 22b, das für die umgebende Kühlluft
durchlässig ist.
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Die Stirnwände beider Lüfterhauben 21a, 21b verlaufen parallel zu
den abgeschrägten Stirnkanten 20a bzw. 20 b der Flügel 12a bzw. 12b. Dadurch erfüllen
die Büfterhauben 21a, 21b eine doppelte Funktion: Zum einen sorgen sie für einen
mechanischen Schutz nach Innen und Außen, zum anderen bilden ihre Innenflächen Strömungsleitflächen
für die durch das Schutzgitter 22a bzw. durch das Schutzgitter 22b einströmende
Außenluft.
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Der Weg der durchatrömenden Außenluft t durch Strömungspfeile kenntlich
gemacht. Die durch die Schutzgitter 22aw 22b angesaugte Außenluft wird innerhalb
der Lüfterhauben 21a, 21b verwirbelt. Wegen der Abschrägung der StirAkanten 21a,
21 -b kann sich dabei an den Knickstellen 23aD 23b kein Luftstau ausbilden. Die
angesaugte Außenluft wird also innerhalb der Lüfter hauben 21a, 21b gleichmäßig
verwirbelt und kühlt dabei die Flügel 12a bzw. 12b ab. Anschließend gelangt sie,
wie durch die Strömungspfeile ebenfalls angedeutet ist, in die Lüftungskanäle für
die Kühlrippen 5 am Ständer 3, welche gleichzeitig mitgekühlt werden.
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Durch die Erhöhung des Innendurchmessers des Zentrifugalwärmerohres
wird gegenüber bekannten Kühlanordnungen eine Verbesserung der Wärmeabfuhr vom Läufer
2 an das Zentrifugalwärmerohr erreicht. Die Wärmeübergangsfläche sowohl im Verdampfungsabschnitt
17 als auch in d en den Kondensationsabschnitten 18, 19 nimmt proportional mit dem
Innendurchmesser dn zu. Dazu nimmt auch das Wärmeübergangsvermögen an den genannten
Stellen proportional zum Innendurchmesser zu. Auch die Umfangsfläche am
Rippengrund
der Wärmeleitlüfter 1la, 17b wird größer, so daß sich gegenüber den bekannten Kühlanordnungen
mehr Lüfterflügel 12a, 12b unterbringen lassen. Hierdurch wird die Wärmeübergangsfläche
der Wärmeleitlüfter 11a, lib vergrößert und deren Wärmewiderstand verkleinert. Aus
der Summation all dieser vorteilhaften Maßnahmen ergibt sich eine konstruktiv optimale
Ausnützung des Zentrifugalwärmerohres, welche zu einer zusätzlichen Erhöhung der
Nennleistung der Drehfeldmaschine führt.
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Da bei der Darstellung in der Figur auf eine Hohlwelle bisher üblicher
Bauart verzichtet wird, müssen die Wandstärken der beiden seitlichen Ansatzstücke
9a, 9b so dimensioniert werden, daß sie die im Betrieb entstehenden Torsionskräfte
aufnehmen. Nach einer bekannten Beziehung gilt Mt 75' . (D4 - d4) G b (1) 32 Dabei
bedeutet Mt das äußere Torsionsmoment in kg.mm, D den Hohlwellen-Außendurchmesser
in mm, d den Hohlwellen-Innendurchmesser in mm, G den Gleitmodul in kg/mm² und P
die Drillung in 1/mm zwischen zwei Querschnitten der Hohlwelle im Abstand 1.
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Läßt man die Hohlwelle bisher üblicher Bauart gemäß der Figur wegfallen
und benutzt man den Läufer 2 als Bestandteil des Zentrifugalwärmerohres, so wird
der Außendurchmesser D der bisher üblichen Hohlwelle zum neuen Innendurchmesser
dn Läßt man in beiden Fällen gleiche Drillung # zu und verwendet man Material gleichen
Gleitmoduls G, so muß wegen der Gleichheit der Torsionsmomente Mt gelten: (D4 d4)
& tf = (Dn4 - dn4) G Dn ist darin der in der Figur eingezeichnete neue Au3endurchmesser
des Zentrifugalwärmerohres. Aus dieser Beziehung ergibt sich für den neuen Außendurchmesser
Dn: Dn - (2D4 - d4)14 (2) Kann man d4 gegenüber D4 vernachlässigen, so folgt daraus:
Dn = 2 1/4 D = 1,19 D. (2a)
Erstes Berechnungsbeispiel: Das bisher
übliche Zentrifugalwärmerohr bestand z.B. aus einer Hohlwelle von Wellenstahl mit
einem Außendurchmesser D = 85 mm und einem Innendurchmesser d = 30 mm. Aus Gleichung
(2) ergibt sich, daß ebenfalls bei Verwendung von Wellenstahl der neue Außendurchmesser
Dn = 1 01 mm beträgt. Die Wandstärke ist also von ursprünglich (85 - 30) mm/2 =
27 mm auf (101 - 85) rnm/2 = 8 mm zurückgegangen.
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Zweites Berechnungsbeispiel: Verwendet man statt Wellenstahl Aluminium,
so ergibt sich für gleiches Torsionsmoment Mt eine andere Wandstärke aus der Gleichung
(1). Es gilt jetzt (D54 d dz4) . Gs t = (DA4 - dA4) GA Der Index S bezeichnet darin
die betreffende Größe für Wellenstahl, der Index A die entsprechende Größe für Aluminium.
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Für gleiche Drillung t ergibt sich wegen d5 = dA = d
Für d = 85 mm und D5 = 101 mm gemäß dem Berechnungsbeispiel 1 und GS = 8000 sowie
GA = 2700 wird nach Gleichung (3) DA = 119 mm. Für Ansatzstücke 9a, 9b aus Aluminium
erhöht sich also die Wandstärke von 8 mm bei Wellenstahl auf (119 - 85) mm/2 = 17
mm.
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Legt man die beiden Berechnungsbeispiele zugrunde, so ergibt sich,
daß das Wärmeübergangsvermögen beim neuen Zentrifugalwärmerohr beträchtlich vergrößert
wird. In beiden Be-rechnungsbeispielen ergibt sich eine Vergrößerung der Wärmeübergangsflächen
an den Innenwandungen des Zentrifugalwärmerohres zu 85/30 = 2,83. Mit anderen Worten:
Durch den Wegfall der üblichen Hohlwelle kann die Wärmeableitung vom Läufer 2 um
einen Faktor von etwa 3 verbessert werden. Hierbei ist die später geschilderte Verbesserung
der Wärmeableitung aufgrund des Wegfalls der Wärmewiderstände der bisher üblichen
Hohlwellenwand noch nicht berücksichtigt.
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Den entscheidenden Beitrag zur Verbesserung der Wärmeableitung direkt
aus dem Läufer 2 über das Zentrifugalwärmerohr liefert also die beachtliche Vergrößerung
der Wärmeübergangaflächen am Verdampfungsabschnitt 17 und an den Kondensationsabschnitten
18, 19. Gegenüber der bekannten Kühlanordnung kommt weiterhin noch der beträchtliche
Wärmewiderstand der Hohlwelle aus Stahl im Fortfall und auch derjenige des Läufersitzes
speziell im Verdampfungsabschnitt. Man könnte zwar daran denken, die Hohlwelle aus
Stahl durch eine solche aus Aluminium zu ersetzen, weil deren Wärmewiderstand kleiner
wäre. Der entscheidende Vorteil der Flächenvergrößerung wird durch eine solche Maßnahme
jedoch nicht erreicht. Auch der Wärmewiderstand am Läuferaitz würde bestehen bleiben.
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Die rohrförmigen Ansatzstücke 9a, 9b können vorzugsweise aus einem
gut wärmeleitenden Material, z.B. aus Aluminium, hergestellt werden. Dies hat den
Vorteil, daß die im Läufer 2 entwickelte Verlustwärme nicht nur am inneren Umfang
des Läufers 2 in das Zentrifugalwärmerohr eintritt, sondern auch über die Stirnseiten
8a, 8b in die anschließenden Ansatzstücke 9a, 9b übertritt. Die Wärme kann sich
dort ausbreiten und dann auf den Innenflächen der Ansatzstücke 9a, 9b in das Zentrifugalwärmerohr
eintreten. Auf diese Weise wird eine Vergrößerung des Verdampfungsabschnittes 17
erreicht.
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Abweichend von der Darstellung in der Figur können die Ansatzstücke
9a, 9b auch denselben Außendurchmesser besitzen wie der Läufer 2 und z.B. auch aus
Kunststoff bestehen. Eine solche Anordnung wird man vorzugsweise bei kleinen Elektromotoren
treffen. Die als Wärmeleitlüfter ausgebildeten Abschlußstücke 11a, lib wird man
dann am äußeren Ende dieser Ansatzstücke 9a, 9b aus Kunststoff befestigen. Während
bei der Darstellung in der Figur Lüfterflügel 25a, 25b für die Wickelkopfräume an
den Stirnseiten 8a, 8b des Läufers 2 angeordnet sind, wird man in diesem Fall Lüfterflügel
verwenden, welche als kurze Rippenstummel ausgebildet und auf der Außenseite der
Ansatzstücke 9a, 9b aus Kunststoff angebracht sind.
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Die Ansatzstücke 9a, 9b kbnnen auf beliebige Weise am Läufer 2 befestigt
werden. Sie lassen sich z0 Bo anfianschen oder mit dem Läufer 2 mehr oder weniger
homogen durch Verschweißen oder Ineinanderfügen verbinden. Gegebenenfalls ist für
eine Abdichtung der Stirnseiten 8a 8b gegen Entweichen von Arbeitsfluid zu sorgen.
Die Befestigung der Ansatzstücke 9a, 9b am Läufer 2 kann auch durch Klebung erfolgen,
zOBe mit einem Zyanidkleber.
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Die Befestigung durch Klebung ist vorzugsweise bei kleinen ########Maschinen
angebracht. Sie erleichtert wesentlich die Herstellung der Kühlanordnung. Eine weitere
Möglichkeit, die Ansatzstücke 9a, 9b besonders stabil mit dem Läufer 2 zu verbinden,
besteht gemäß der Figur in einer gegenseitigen Verspannung durch Steckbolzen 26.
Bei all diesen Befestigungsarten bilden der Läufer 2 und die beiden Ansatzstücke
9a, 9b im weitläufigen Sinne eine mechanisch homogene Einheit, die insbesondere
gemeinsam auf den gewünschten Innendurehmesser dn ausgedreht werden kaun binde zusätzliche
Klebung an den Stirnseiten 8a, 8b bei einer Verspannung mit Steckbolzen 26 ist natürlich
von Vorteil. In allen Fällen sollte dafür gesorgt werden, daß die Belüftung der
Räume um die Wickelköpfe durch geeignete Anbringung der Lüfterflügel 25a, 25b am
Läufer 2 oder direkt an den Ansatzstücken 9a, 9b geährleistet ist0 Ein besonderer
Vorteil einer zusätzlichen Klebung besteht darin, daß auf diese Weise eine gegen
den Durchgang von Arbeitsfluid dichte Befestigung hergestellt werden kanne Eine
weitere Möglichkeit zur Abdichtung der Innenfläche von Läufer 2 und Ansatzstücken
9a, 9b gegen Durchtritt des Arbeitsfluids in die Lamellenbereiche des Läufers 2
ist durch eine dünne Oberflächenbeschichtung gegeben, die zugleich auch als Korrosionsschutz
wirken kann. Diese Schicht kann so dünn gehalten sein, daß sie den Wärmeaustritt
aus dem Läufer 2 nicht behindert. Sie sollte weniger als 1 mm stark sein.
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Ein weiterer Vorteil der aus Leichtmetall wie z.3. Aluminium hergestellten
Ansatzstücke 9a, 9b ist außer in der guten Wärmeleitung in einem geringen Anlaufträgheitsmoment
zu sehen, was der Festigkeit der Einheit aus Läufer 2 und Ansatzstücken 9a,
9b
zugute kommt.
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Die als Wärmeleitlüfter ausgebildeten Abschlußstücke 11a, lib können
auf die Ansatzstücke 9a, 9b aufgeschraubt sein. Das ist durch die in der Figur eingezeichneten
Gewinde 27a, 27 b angedeutet. Die Verschraubung soll sich beim Anlauf der Drehfeldmaschine
nicht lösen können. Deswegen werden zweckmäßigerweise zur Drehrichtung gegenläufige
Gewinde 27a, 27b verwendet. Die Ansatzstücke 9a, 9b können aber auch mit den Abschlußstücken
11a, lib verschweißt oder aber auch mit diesen jeweils aus einem Stück gefertigt
sein. Hierbei kann wiederum Aluminium verwendet werden. Bestehen die Ansatzstücke
9a, 9b aus einem Metall von guter Wärmeleitung, dann können die Abschlußstücke 11a,
lib auch mittels Preß- oder Schrumpfsitz auf die Ansatzstücke 9a, 9b aufgebracht
sein. Das A-seitige Abschlußstück 11a muß verstärkt am Ansatzstück 9a aufgebracht
werden, da es das vom Kupplungsansatz 13 übertragene äußere Torsionsmoment aufzunehmen
hat.
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Die Abschlußstücke 11a, lib können innen konisch oder zylindrisch
ausgebildet sein. Der A-seitige Wärmeleitlüfter iia kann zur zusätzlichen Belüftung
der Drehfeldmaschine benutzt werden.
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Dadurch wird das mittlere Kirhlluft- Themperaturniveau niedriger.
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Es ergibt sich zusätzlich eine verstärkte Strömung.
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Es ist zweckmäßig, die Innenfläche des Zentrifugalwärmerohres aufzurauhen.
Eine solche Rauhigkeit der Innenfläche erhöht die Wärmeübergangsflächen am Verdampfungsabschnitt
17 und an den Kondensationsabschnitten 18,19. Die Höhe der Rauhigkeitsspitzen sollte
jedoch kleiner oder höchstens gleich der vorgesehenen dünnen Filmschichtdicke des
Arbeitsfluids sein. Eine solche Rauhigkeit läßt sich beispielsweise durch Riefen
beim Auadrehen erzeugen. Natürlich kann auch dann eine rauhe Innenfläche verwendet
werden, wenn das Zentrifugalwärmerohr innen mit einer Korrosionsschutz- oder Abdichtungsmasse
beschichtet ist. In diesem Pall wird die Oberfläche dieser Masse auf beliebige Weise
aufgerauht.
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Noch ein weiterer Gesichtspunkt soll hervorgehoben werden: Außer der
bedeutenden Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche für den tJ'bergang om Läufer 2
auf d as Z das Zentrifugalwärmerohr im Bereich des Verdampfungsabschnittes 17 sowie
vom Zentrifugalwärmerohr auf die Abschlußstücke 11a, lib im Bereich der Kondensationsabsohnitte
18 bzw. 19 ergibt sich noch eine erhebliche Verkleinerung des Wärmewiderstandes
der vom Läufer 2 in Richtung auf das Zentrifugalwärmerohr abströmenden Verlustwärme.
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Der-Wärmewiderstand eines zylindrischen Körpers mit einer zentralen
zylindrischen Bohrung beträgt nämlich 1/ (3AL)ln (D/d), (4) wobei D den Außendurchmesser
des zylindrischen Hohlkörpers und d den Durchmesser der Axialbohrung bedeutet. L
ist die Länge, Q die Wärmeleitfähigkeit. Betrachtet man einerseits eineelektr.
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feldMaschine mit einer Hohlwelle bisher üblicher Bauart und andererseits
eine Ausführung ohne Hohlwelle mit seitlich angebrachten Ansatzstücken entsprechend
der Figur, so errechnet sich aus Gleichung (4) das Verhältnis der Wärmewiderstände
bei einer handelsüblichen Asynchronmaschine von 55 kW zu 2:1. Die Verringerung des
Wärmewiderstands zwischen Läufer 2 und Zentrifugalwärmerohr im Verhältnis von 2:1
bedeutet aber, daß bei einer Kühlanordnung der in der Pigur gezeigten Art der überwiegende
Teil der Verlustwärme des Läufers 2 in das Zentrifugalwärmerohr abfließen kann.
Diese Tatsache bewirkt neben bereits geschilderten Vergrößerungen der Wärmeübergangsflächen
eine weitere Erhöhung der Nennleistung der
Maschine, ohne daß äußere Abmessungen der
Maschine geändert werden-müssen. Wie das vorangegangene Berechnungsbeispiel gezeigt
hat, würde sich die Wärmeübergangsfläche zwischen Läufer 2 und Zentrifugalwärmerohr
etwa um den Faktor 3 erhöhen.
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Zusammenfassend kann man sagen, daß eine.Kühlanordnung gemäß der Erfindung
bei gleicher Leistung der
Maschine wesentlich leichter gebaut sein kann, als eine solche mit der üblichen
Hohlwelle. Das gilt insbesondere dann, wenn bei der elektrischen, und wärmeverlustmäßigen
Auslegung der Kühlanordnung optimal auf
die integrale gegenseitige
Anpassung aller Bauelemente geachtet wird. D. h. also auch, daß der Läufer 2 so
konstruiert wird, daß er einen größt möglichen Innendurchmesser besitzt.
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Durch die wirksame Kühlung des Läufers 2 direkt über das Zentrifugalwärmerohr
wird auch der Ständer 3 wärmemäßig entlastet.
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Spezielle Kühlungsmaßnahmen für Teile der Ständerwicklung können dann
hinfällig werden.
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15 Patentansprüche 1 Figur