DE2414950C2

DE2414950C2 - Gasgekühlte ventilatorlose elektrische Maschine

Info

Publication number: DE2414950C2
Application number: DE2414950A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-El.-Ing. Windisch Sapper
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1974-03-28
Publication date: 1984-01-05
Also published as: FI750602A; DD117146A5; CH570063A5; DE2414950A1; US3969643A; SE7502304L; JPS50121706A; ATA162475A; CA1019379A; FI61776C; DE7410845U; HU169172B; CS261201B2; FR2263630B1; NL7502461A; BR7501252A; SE406529B; JPS5952622B2; GB1489700A; AT336131B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gasgekühlte ventilatorlose elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gasgekühlte elektrische Maschinen der genannten Art gehören seit längerer Zeit zum Stand der Technik. Bei einer bekannten Asynchronmaschine, die in einem im Allis-Chalmers-Engineering Review (Nr. 1, VoIume 38, 1973) von R. H. Barber und T. A. Rohling veröffentlichten Artikel betreffend »Large Vertical Induction Motors Redesigned« dargestellt ist, ist der innere Blechpaketraum, d. h. der Raum, in welchem sich der Stator und der Rotor befinden, von einem für das f>5 Kühlgas bestimmten äußeren Einströmraum mittels einer Trennvorrichtung derart getrennt, daß der Statorwickelkopf sich ganz im inneren Raum befindet.

Kühlgas strömt in den Einströmraum radial von außen nach innen. Ein erster Teil dieses Kühlgases strömt infolge der Radialventilatorwirkung der Rotorkühlschlitze durch diese und die Statorkühlschlitze in den Ausströmraum. Ein zweiter Teil des Kühlgases wird durch die als Radialventilator wirkenden verlängerten Rotorstäbe umgelenkt und radial von innen nach außen, über den Statorwickelkopf und durch Öffnungen in der Preßplatte in den Ausströmraum geblasen. Dabei kühlt dieses Gas den Siatorwickelkopf und die Stirnseite des Blechpaketes. Die Querschnittsabmessungen des Einströmraumes und des den Statorwickelkopf einschließenden Wickelkopfraumes sind relativ groß und die Kühlgasgeschwindigkeir in diesen entsprechend niedrig. Aus dem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator kann bereits erwärmtes Kühlgas in den Wickelkopfraum als Leckgas strömen, sich mit dem frischen Kühlgas vermischen und dieses erwärmen, bevor es die Wärme des Statorwickelkopfes und der Stirnseite des Blechpaketes aufgenommen hat. Der Wickelkopf wird also bei niedriger Kühlgasgeschwindigkeit durch Kühlgas gekühlt, das mit warmem Gas vermischt worden ist. Die Stirnseite des Blechpaketes wird ebenfalls durch das gleiche erwärmte Kühlgas bei niedriger Kühlgeschwindigkeit gekühlt Diese Kühlung ist ungezielt und hat nur beschränkte Wirkung, da zum Abführen großer Wärmemengen durch Konvektion hone Geschwindigkeiten notwendig sind. Die Notwendigkeit einer speziellen Ausbildung einer Anzahl der Rotorstäbe, die in der erwähnten Darstellung verlängert ausgeführt sind, damit sie als zusätzliche Druckerzeuger wirken, weist eben auf eine Kühlgasströmung hin, die sonst unzulänglich wäre. Es leuchtet ein, daß die unwirksame Kühlung auch die elektrische Leistung der Maschine unnötigerweise einschränken kann.

Bei einer in der schweizerischen Patentschrift 4 63 612 beschriebenen Synchronmaschine ist der innere Blechpaketraum von einem für das Kühlgas bestimmten äußeren Einströmraj:m ebenfalls mittels einer Trennvorrichtung getrennt. Diese weist eine Trennwand aus einem Isoliermaterial und einen am-Rotor angeordneten Axialventilator auf. Der äußere Abschnitt des Statorwickelkopfes erstreckt sich in den Einströmraum hinein, wogegen sein innerer Abschnitt im inneren Blechpaketraum angeordnet ist. Der Axialventilator saugt das im Einströmraum axial von außen nach innen über den äußeren Abschnitt des Statorwickelkopfes strömende Kühlgas und fördert es in den Blechpaketraum. Ein erster Teil dieses Kühlgases strömt axial zwischen den Polen entlang den Pollücken und radial von innen nach außen durch die Statorkühlschlitze in den Ausströmraum. Ein zweiter Teil des Kühlgases wird durch den Axialventilator umgelenkt und über den inneren Abschnitt des Statorwickelkopfes radial von innen nach außen in den Ausströmraum geblasen. Dabei kühlt dieses Kühlgas den inneren Abschnitt des Statorwickelkopfes und die Stirnseite des Blechpaketes ebenfalls bei niedriger Kühlgasgeschwindigkeit. Auch alle andern früher erwähnten Nachteile treten hier auf. Ferner weist die Notwendigkeit der Verwendung eines Axialventilators als zusätzlichen Druckerzeuger auch in diesem Fall auf eine Kühlgasströmung hin, die sonst unzulänglich wäre.

Die luftgekühlte elektrische Maschine nach der DE-PS 8 77 036 weist eine Luftführung auf, bei der ortsfeste Leiibleche den von einem Axiallüfter erzeugten Kühlluftstrom durch den Ständerwickelkopf ansaugen und hierauf der Kühlluftstrom durch die übrigen

Teile der Maschine gedrückt wird. Die Leitbleche sind dabei an der Innenseite des Ständerwickelkopfes und an der Stirnseite des Ständerblechpaketes angeordnet. Im Gegensatz hierzu wird beim Anmeldungsgegenstand auf einen separaten Druckerzeuger (Radial- oder Axiallüfter) verzichtet. Darüber hinaus sind keine Vorkehrungen getroffen, die vom Lüfter einerseits und der Eigenventilation des Rotors (Polrad) andererseits erzeugten Kühlluftströme zu kanalisieren. Die bekannte Maschine setzt zwingend die Verwendung eines Axialoder Radialventilators voraus. Abgesehen vom technischen und wirtschaftlichen Aufwand für den Druckerzeuger selbst vergrößern Ventilatoren die Baulänge der Maschine in erheblichem Umfang. Darüber hinaus benötigen insbesondere Axialventilatoren eine genügende Ausblasläijge. Weiterhin beeinflussen sich beim Bekannten der direkte Gasstrom des Axiallüfters und der durch die Eigenventilation des Rotors (Polrad) hervorgerufene Gasstrom gerade im kritischen Bereich der Endzone des Blechpaketes. Infolge Fehlen entsprechender Leiteinrichtungen wird bei der Maschine nach der DE-PS 8 77 036 ein Teil des durch das Polrad geförderten Luft entgegen der Pfeilrichtun.-i aus dem Luftspalt entweichen wollen, wo sie auf den vom Lüfter erzeugten G'egenstrom trifft, wodurch Turbulenzerscheinungen auftreten.

Aus der FR-PS 7 68 768 ist ferner eine gasgekühlte elektrische Maschine bekannt, bei welcher zur Kühlung der Stirnflächen von Rotor- und Statorblechpaket die zur Abstützung der Wickelköpfe erforderlichen Stützplatten bzw. Stützringe unter Zwischenschaltung von Distanzelementen von den besagten Stirnflächen beabstandet sind. Ein Teilstrom des dem Rotor zugeführten Kühlgases wird durch die so geschaffenen radialen Kanäle geleitet, bevor er sich im Statorrücken mit dem restlichen Kühlgasstrom vereinigt. Vorkehrungen zur gezielten Kühlung der Statorwickelköpfe sind bei der bekannten Maschine nicht vorgesehen.

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine ventilatorlose elektrische Maschine derart auszubilden, daß die Trennung zwischen dem Einströmraum und dem Blechpaketraum in unmittelbarer Nähe des Blechpakets gewährleistet ist, derart, daß der Statorwickelkopf mit frischem, unverbrauchtem Gas und die Stirnseite des Blechpakets bei hoher Geschwindigkeit und gutem Wirkungsgrad gezielt gekühlt w^;rd, ohne daß ein Ventilator als zusätzlicher Druckerzeuger notwendig wäre.

Die erfindungsgemäße Lösung mit den kennzeichnenden Merkmalen de* Anspruches 1 stellt sich dabei nicht als bloße Anwendung der aus der DE-PS 8 77 036 vermittelten Lehre auf eine elektrische ventilatorlose Maschine dar. Es genügt nämlich nicht, radiale Kanäle an der Blechpaketstirnseite zu schaffen und den nach innen gerichteten Teil des Wickelkopfes des Stators abzudecken, um zum Anmeldungsgegenstand zu gelangen. Es bedurfte darüber hinaus gezielter konstruktiver Maßnahmen zur gezielten Gasführung, damit einerseits die Leckverluste in Grenzen bleiben (Ringspaltdichtung), andererseiis die aufgrund der angestrebten Eigenventilation aus dem Luftspalt axial nach außen austretende Teilgasmenge mit zur Kühlung heranzuziehen.

Die abhängigen Ansprüche 2 bis 5 beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands des Anspruchs I.

Nachstehend werden Ausführungsbcispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine;

Fig.2 ein in vergrößertem Maßstab dargestelltes Detail der Fig. 1, welches den Kanal und die Trennvorrichtung deutlich zeigt;

Fig.3 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine; und.

ίο Fig.4 ein in vergrößertem Maßstab dargestelltes Detail der Fig.3, welches den Kanal und die Trennvorrichtung deutlich zeigt.

Die Asynchronmaschine der F i g. 1 und 2 weist den Blechpaketi-aum 12, der den Rotor 1 und den diesen umgebenden Stator 2 einschließt, den Ausströmraum 3, den Einströmraum 4 und die Statorpreßplatte 6, die an der Stirnseite 5 des Stators 2 angebracht ist. auf. Die Trennvorrichtung 8 besteht aus der Statorpeßplatte 6, einem scheibenförmigen Abschnitt 9 und einem rohrförmigen Abschnitt 10. Die Trennvorrichtung 8 trennt der_t Blechpaketraum 12 praktisch gasdicht vom Einströmraum 4. Dabei gewährleisten die Preßplatte 6 und der Abschnitt 9 die vertikale Trennung der genannten Räume 12 und 4 voneinander, wogegen der rohrförmige Abschnitt 10 den Kurzschlußring 14 umgibt und mit diesem eine Ringspaltdichtung 18 bildet, um eine praktisch gasdichte Trennung der Räume 12 und 4 voneinander zu gewährleisten. Gleichzeitig wird der zur Kühlung der Stirnseite 5 des Stators 2 ausgebildete

jo Kanal 7 gebildet, der mit dem Ausströmraum 3 in Verbindung steht und als Strömungsweg für den Teilvolumenstrom 25 dient. Der gesamte Kühlgasvolumenstrom 20 strömt durch den Einströmraum 4 radial von außen nach innen. Ein erster Teilvolumenstrom 21

J5 strömt infolge der Radialventilatorwirkung der Rotorkühlschlitze 15 durch diese und die Statorkühlschlitze 13 in den Ausströmraum 3 als zweite Teilvolumenströme 22. Infolge der Radialventilatorwirkung des rotierenden Rotorwickelkopfes 16 strömt der dritte Teilvolumen-

•40 strom 23 im Kanal 7 radial nach außen. Dabei vermischt er sich mit dem schon erwärmten Leckvolumenstrom 24, der aus dem Luftspalt 17 zwischen dem Rotor 1 und dein Stator 2 strömt, und wird zusammen mit diesem entlang dem Kanal 7 als fünfter Teilvolumenstrom 25 in den Ausströmraum 3 gefördert. Die axiale Breite des Kanals 7 ist in Relation zu den übriger Abmessungen des Einströmraumes 4 sehr klein, so daß im Kanal 7 hohe Kühlgasgeschwindigkeiten erreicht werden und die Stirnseite 5 des Stators 2 durch Konvektion gut

><> gekühlt wird, obwohl der schon erwärmte Leckvolumenstrom 24 im Kanal 7 mitgefördert wird. Der Kühlgasstrom 20 hingegen kühlt den Statorwickelkopf 11, der im wesentlichen außerhalb der Trennvorrichtung 8 angeordnet ist, in unvcrmischtem, kühlem Zustand.

3j Di-- zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 10 der Trennvorrichtung 8 und dem Kurzschlußring 14 gebildete Ringspaiidichtung 18 verhindert das Ausströmen des Leckvolumenstromes 24 in den Raum 4, so daß keine Wirbelströmung 26 auftreten kann und keine Vermischung des Leckgases 24 mit dem zur Kühlung des Wickclkopfes 11 bestimmten Kühlgas stattfindet.-Als einzige Druckerzeuger sind die Rotorkühlschlitze 15, die als Radialventilator wirken, und die rotierenden Rotorstäbe 19. die ebenfalls als Radiaiventilator wirken.

vorgesehen. Es ist also kein zusätzlicher Druckerzeuger notwendig. Die Maschine belüftet sich autark. Dabei ist die Kühlung in jeder Hinsicht zufriedenstellend.

Die in den Fig. I und 2 dargestellte Asynchronma-

schine ist mit einem Käfigrotor ausgestattet. Sie könnte jedoch ebenso einen Doppelkäfigrotor oder einen Schleifringrotor aufweisen. Die Ringspaltdichtung 18 kann zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 10 der Trennvorrichtung 8 und einem eventuell am Rotorwikkelkopf 16 angeordneten Schrumpfring oder einer am Rotorwickelkopf 16 angeordneten Bandage gebildet werden. Wenn keine Statorpreüplatie zum Zusammenhalten des Blechpaketes des Stators 2 notwendig ist, kann anstelle der Preßplatte eine Deckplatte 6 vorgesehen sein.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Synchronmaschine,

deren Kühlungsanordnung derjenigen der Asynchronmaschine nach Fig. I und 2 im wesentlichen gleich ist, wobei gleiche Bestandteile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sind. Hier besteht der Rotor 1 aus einem Polrad, das eine von der erwünschten Drehzahl abhängige Anzahl von Polen aufweist. An der Stirnseite des Polrades 1 ist eine Deckscheibe 30 angeordnet, die einen zylindrischen Flansch 31 aufweist. Der rohrförmige Abschnitt 10 der Trennvorrichtung 8 umgibt den zylindrischen Flansch 31 und bildet mit diesem die Ringspaltdichtung 18.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasgekühlte ventilatorlose elektrische Maschine mit einem Blechpaketraum, der einen Rotor und einen diesen umgebenden Stator einschließt, einem am Umfang des Stators angeordneten Ausströmraum, je einem an beiden Enden der Maschine angeordneten Einströmraum und einer Trennvorrichtung, die den Blechpaketraum vom Einströmraum trennt, und bei der der Rotor, insbesondere die Rotorenden derart ausgebildet sind, daß sie das Kühlgas im wesentlichen radial ventilieren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Blechpaket des Stators (2) und der Trennvorrichtung (8) ein mit dem Ausströmraum (3) in Verbindung stehender, zur Kühlung der Stirnseite des Stators (2) ausgebildeter schmaler Kanal (7) vorgesehen ist, daß zur gasdichten Trennung des Kanals (7) vom Einströmraum (4) die Trennvorrichtung (S) aus einem ers-t°n ringscheibenförmigen Abschnitt (6, 9) besteht, uc-f den Kanal (7) vom Einströmraum (4) trennt, und einen zweiten Abschnitt (10) mit einer zylindrischen Bohrung aufweist, die einen zylindrischen Bestandteil (14) des Rotors (1) umgibt und mit diesem eine Ringspaltdichtung (18) bildet, und daß der Statorwickelkopf (11) außerhalb der Trennvorrichtung im Einströmraum (4) angeordnet ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Breite des Kanals (7) in der Größenordnung der axialen Breite der Statorkühlschütze (13) ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Trennvorrichtung (8) zum Teil aus einet Platte (6) besteht, die eine .Statorpreßplatte oder eine Deci platte ist

4> Elektrische Maschine nach Anspruch 3, die als Asynchronmaschine ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Bestandteil (14) des Rotors (1) ein Kurzschlußring einer Rotorkäfigwicklung, ein auf dem Rotorwickelkopf (16) angeordneter Schrumpfring oder eine auf dem Rotorwickelkopf (16) angeordneten Bandage ist. ■

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, die afs Synchronmaschine ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnseite des Polrades (1) der Synchronmaschine eine Deckscheibe (30) angeordnet ist, die einen zylindrischen Flansch (31) aufweist, der die Innenfläche der Ringspaltdichtung (18) bildet.