-
Elektrische Maschine mit elektrischer Beheizung
-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäss dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
-
Es tritt bei elektrischen Maschinen häufig der Fall auf, dass sich
insbesondere während des Stillstandes in ihr durch BetauenKondensflüssigkeit (Kondensat)
bildet, -die zum Korrodieren, insbesondere zum Verrosten von Maschinenteilen, wie
Lagern, Lagerschilder, Schrauben und Motoreisen und dergleichen führen kann oder
auch zu sonstigen Schäden Anlass geben kann. Diese Gefahr ist besonders gross in
tropischen Ländern mit hoher Luftfeuchtigkeit oder bei Anwendungen der elektrischen
Maschine in Räumen oder in Leitungen, in denen hohe Luft-oder sonstige Gasfeuchtigkeit
herrscht, beispielsweise in Kühlanlagen, chemischen Fabriken und dergleichen. Um
diese Bildung von Kondensflüssigkeit - normalerweise Wasser - zu verhindern oder
zumindest stark zu reduzieren, ist es bekannt, die elektrische Maschine mit einer
sogenannten elektrischen Stillstands--heizung zu versehen, die während der Stillstandszeit
der elektrischen Maschine eingeschaltet und während ihres Betriebes ausgeschaltet
ist. Eine bekannte elektrische Stillstandsheizung (DT-Gbm 1 883 897) verwendet als
Heizelemente stirnseitig des Statorgehäuses angeordnete Heizstäbe, die an einem
oder mehreren Halteringen befestigt sind, die im Statorgehäuse der Maschine festgeklemmt
sind. Derartige Heizstäbe und ihre Befestigungen machen jedoch axial vergrösserte
Sonderformen für das Statorgehäuse erforderlich.
-
Es ist auch bekannt, als Stillstandsheizung ein einziges Heizband
auf der Stirnseite des der Schaltseite gegenüberliegenden Wickelkopfes mit einer
zusätzlichen engmaschigen Bandage zu befestigen. Nachteilig ist hier u.a.
-
der Zeitaufwand für das Anbringen der Bandage, die axiale Verlängerung
der Maschine für die Unterbringung des Heizbandes und die sehr ungleichmässige Beheizung.
-
Es ist auch bekannt, die Motorwicklung während des Maschinenstillstandes
als Heizwicklung zu verwenden, was jedoch komplizierte Schaltungen und einen Transformator
und in vielen Fällen auch Gleichrichter zwecks Speisung mit Gleichspannung erforderlich
macht.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine mindestens ein gesondertes
Heizelement aufweisende, baulich einfache und in der Herstellung und Montage billige
elektrische Beheizung des Innenluftraumes einer elektrischen Maschine zu schaffen,
die solche Nachteile vermeiden lässt und keine Vergrösserungen oder sonstige Änderungen
des Statorgehäuses bzw. der Gehäusedeckel oder Lagerschilder üblicher Maschinen
erforderlich macht, so dass das oder die Heizelemente auch bei elektrischen Maschinen,
die
an sich ohne solche elektrische Beheizung geplant und gebaut
wurden bzw. werden, ja nach Anforderung ohne weiteres während ihrer Herstellung
oder ggfs. auch nachträglich angebracht werden können.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass das
elektrische Heizelement eine einen Wickelkopf der Statorwicklung umfangsseitig umfassende
Heizwicklung ist.
-
Eine solche elektrische Beheizung ergibt zahlreiche Vorteile. Die
Maschine kann minimale axiale Länge ihres die Wickelköpfe enthaltenden Innenraumes
haben, da kein axialer Platz für das Heizelement benötigt wird. Umfangsseitig des
Wickelkopfes ist dagegen bei den üblichen elektrischen Maschinen - und zwar sowohl
bei Maschinen kleiner Baugrösse als auch bei Maschinen mittlerer und grosser Baugrösse
- stets ausreichend Platz für die Unterbringung der Heizwicklung vorhanden, so dass
die Erfindung auch bei Maschinen, die bewusst minimale axiale Länge haben, anwendbar
ist, ohne dass es Sonderbauformen des Statorgehäuses bzw. der Lagerschilder oder
Gehäusedeckel bedarf. Die Erfindung ermöglicht es folglich, Maschinen üblicher normaler
Serienfertigung, die an sich nicht für die Unterbringung einer elektrischen Beheizung
geplant und gebaut wurden bzw. werden, mit einer erfindungsgemässen elektrischen
Beheizung zu versehen, sei es während der Herstellung der Maschine oder auch nachträglich.
-
Auch lässt sich die Heizwicklung einfach und betriebssicher mit minimalem
Zeitaufwand montieren, was vorzugsweise durch Aufschieben auf den Wickelkopf in
axialer Richtung erfolgen kann, so dass sie dann auf dem Wickelkopf angeordnet ist.
Wenn hierbei die Heizwicklung in sich bereits ausreichend steif ist, beispielsweise
durch vorangehendes Tränken mit Tränklack und durch Umwickeln mit einem oder mehreren
Bändern oder dergleichen, dann kann dies bereits ausreichend sein, um der Heizwicklung
einen ausreichend festen Sitz auf dem Wickelkopf zu geben, so dass keine gesonderte
Befestigung mehr erforderlich ist. Es ist jedoch auch zweckmässig und insbesondere
bei Anbringung der Heizwicklung im Rahmen serienmässiger Herstellung der Maschine
besonders vorteilhaft, die Heizwicklung auf den betreffenden Wickelkopf vor dem
Tränken des Stators mit Tränklack aufzubringen und zusammen mit dem Stator zu tränken,
so dass hierdurch die Heizwicklung durch den Tränklack fest mit dem Wickelkopf verbunden
wird.
-
Obwohl die Anordnung der Heizwicklung auf dem betreffenden Wickelkopf
besonders vorteilhaft ist, ist es jedoch in manchen Fällen besonders vorteilhaft,
sie an einem Gehäuseteil und nicht am Wickelkopf anzuordnen, beispielsweise in einen
Gehäusedeckel, ein Lagerschild oder in das Statorgehäuse/2ormsEhssig einzuschieben
und, falls erforderlich, noch durch irgendwelche einfachen Mittel hier festzuhalten,
beispielsweise mittels Klebebändern.
-
In vielen Fällen ist es ausreichend, nur in einem der beiden Wickelkopfräume
der Maschine eine solche Heizwicklung anzuordnen, so dass die Luft in dem anderen
Wickelkopfraum von dem einen Wickelkopfraum aus durch Wärmeleitung und Luftkonvektion
erwärmt wird. Meistens ist es jedoch besonders zweckmässig, in beiden Wickelkopfräumen
mindestens je eine Heizwicklung, vorzugsweise je eine einzige Heizwicklung vorzusehen,
wodurch eine besonders gleichmässige Beheizung des Luftinnenraumes der Maschine
und damit optimale Vermeidung der Bildung von Kondensflüssigkeit auch in schwierigen
Fällen erreicht wird. Auch macht dies die elektrische Maschine auch unter ungünstigsten
Umständen lageunabhängig bezüglich der Vermeidung von Kondensflüssigkeitsbildung.
Wenn mehrere Heizwicklungen vorgesehen sind, ist es meist zweckmässig, sie in Reihe
zu schalten, doch sind auch Parallelschaltung oder andere Schaltungsarten möglich,
beispielsweise bei Vorhandensein von zwei Heizwicklungen wahlweise Einschaltung
nur einer oder beider Heizwicklung usw.
-
Ein erheblicher Vorteil ist auch, dass die die elektrische Maschine
herstellende Fabrik die Heizwicklungen in ihrer Maschinenfertigung selbst leicht
wickeln kann, so dass kein Fremdbezug dieser Heizelemente erforderlich ist. Auch
ist es ohne weiteres möglich die Heizwicklungen aus Drähten zu wickeln,
die
in solchen Fabriken für die Erreger- und Arbeitswicklungen der herzustellenden elektrischen
Maschinen sowieso vorhanden sind, so dass nichteinmal gesonderte Drähte für die
Heizwicklung bestellt und auf Lager gehalten werden müssen. Auch ist die Herstellung
der Heizwicklung billiger als die von Heizstäben oder Heizbändern, so dass auch
in dieser Hinsicht Kosten eingespart werden. Auch ergibt die den betreffenden Wickelkopf
umfassende Heizwicklung eine besonders gute und gleichmässige Temperatur des Innenraumes
des Maschinengehäuses über seinen gesamten Umfang, so dass sich auch keine ungenügend
beheizten Bereiche ergeben, an denen noch Bildung von Kondensflüssigkeit eintreten
könnte.
-
Auch ergeben sich optimale Luftverhältnisse für die durch die Heizwicklung
erzeugte Konvektionsströmungen der Luft im Luftinnenraum der elektrischen Maschine,
so dass die Luft und die Innenoberflächen der elektrischen Maschine gleichmässig
an allen wesentlichen Stellen erwärmt bzw. gleichmässig warmgehalten wird, und hierdurch
optimal die Bildung von Kondensflüssigkeit und damit Korrosion vermieden wird.
-
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass bei Bestellungen von elektrischen
Maschinen für unterschiedliche Spannungen die Heizwicklungen von Fall zu Fall ohne
Schwierigkeiten auf die elektrische Spannung der betreffenden
Maschine
durch Auswahl geeigneter Leitungsquerschnitte oder Windungszahlen ausgelegt werden
können, so dass auch diesbezüglich keine Lagerhaltung an Heizwicklungen für unterschiedliche
Maschinenspannungen erforderlich ist. Wenn dagegen Heizbänder oder Heizstäbe als
Heizelemente vorgesehen wären, würde eine umfangreiche und kostspielige Lagerhaltung
für unterschiedliche Maschinenspannungen erforderlich sein. Alle diese und weitere
Vorteile der Erfindung werden ohne Mehraufwand, ja sogar unter Verbilligung und
baulicher Vereinfachung erzielt.
-
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Heizwicklung eine bifilar
gewickelte Spule ist, d. h., dass sie aus zwei zueinander parallelen Drähten gewickelt
ist, die mit ihren einen Enden miteinander einstückig oder durch Zusammenschalten
elektrisch verbunden sind und hierdurch die Heizwicklung kein äusseres Magnetfeld
erzeugt.
-
Das Wickeln der bifilaren, als Heizwicklung dienenden Spule kann vorzugsweise
so vorgenommen werden, dass zwei unmittelbar nebeneinander laufende gleiche Drähte
auf eine Trommel des betreffenden Spuleninnendurchmessers parallel zueinander aufgewickelt
werden, deren einen Enden, beispielsweise die inneren Enden, nach Abnahme der Spule
von der Wickeltrommel elektrisch miteinander durch Löten oder dergleichen verbunden
werden. Eine solche bifilare Heizwicklung, die also keine äusseren Magnetfelder
erzeugt, ist besonders dann vorteilhaft, wenn
sich in der Nähe
der Heizwicklung ein oder mehrere Wälzlager der betreffenden Maschine befinden,
da Wälzlager durch von Magnetfeldern verursachte' Sekundäreffekte raschem VerschXeiss
bis zur Zerstörung unterliegen können. Dies wird durch die bifilare Heizwicklung
vermieden.
-
Die Heizwicklung oder -wicklungen können so geschaltet sein, dass
sie nur als Stillstandsheizung wirken, d.h.
-
bei Stillstand der Maschine eingeschaltet werden oder einschaltbar
sind und bei Betrieb der betreffenden elektrischen Maschine stets ausgeschaltet
sind. Es ist jedoch in vielen Fällen auch zweckmässig und vorteilhaft vorzusehen,
die Heizwicklung während des Betriebs der elektrischen Maschine zumindest zeitweise
einzuschalten.
-
So gibt es Anwendungsfälle für elektrische Motoren, bei denen sich
bei Teillastbetrieb infolge der hierdurch bewirkten Temperaturerniedrigung der Maschine
korrosive Dämpfe im Innenraum der elektrischen Maschine niederschlagen können und
dann starke Korrosion verursachen, die zu einer raschen Zerstörung der Maschine
führen können Dies lässt sich gemäss einer Weiterbildung der Erfindung besonders
wirksam dadurch vermeiden, indem im Inneren der elektrischen Maschine ein Thermostat
angeordnet ist, der der temperaturabhängigen Beeinflussung der Speisung der Heizwicklung
mit elektrischem Strom zur Aufrechterhaltung einer über der Umgebungslufttemperatur
liegenden Mindestlufttemperatur im Maschinenraum dient.
-
Der Thermostat kann vorzugsweise dem abwechselnden Ein- und Ausschalten
des Speisestromes der Heizwicklung dienen, beispielsweise ein Bimetall-Schalter
sein, oder er kann auch vorteilhaft ein in die Heizwicklung oder in den Luftraum
innerhalb des Lagerschildes eingelegter Kaltleiter sein oder auch sonstige Ausbildung
haben. Dabei ist es besonders zweckmässig vorzusehen, dass die vom Thermostat geregelte
Temperatur etwas unterhalb der sich bei Vollast der Maschine einstellenden Lufttemperatur
in den Wickelkopfräumen liegt, so dass durch die Heizwicklung die Lufttemperatur
in der Maschine bei Vollast nicht erhöht wird, da der Thermostat die Heizwicklung
nur bei Teillast der Maschine einschalten kann. Damit wird die Maschine - ohne Beeinflussung
ihrer Innentemperatur bei Vollast - nur bei Teillast auf Kondensation verhindernden
Temperaturen gehalten. Dieser Thermostat kann auch während der Stillstandszeit der
Maschine wirksam sein, oder falls nur im Betrieb der Maschine die Gefahr der Kondensation
korrosiver Dämpfe oder Feuchtigkeit im Maschineninneren vorliegt, kann man auch
vorsehen, dass während der Stillstandszeit der Maschine der Heizstrom ständig ausgeschaltet
ist, um Heizstrom zu sparen. Aus Stromersparnisgründen kann es in vielen Fällen
auch zweckmässig sein, einen solchen Thermostaten auch dann einzusetzen, wenn die
elektrische Beheizung nur als Stillstandsheizung dient. Falls eine Beheizung während
des
Betriebs der Maschine erforderlich ist, kann unter Umständen
dies auch durch ständige Einschaltung der Beheizung während des Betriebes vorgenommen
werden, d. h. ohne Thermostat, und zwar dann, wenn die hierdurch bei Vollast bewirkte
zusätzliche Temperaturerhöhung der Maschineninnenluft in Kauf genommen werden kann.
-
Wenn vorgesehen ist, dass die Heizwicklung während des Betriebs der
betreffenden Maschine ständig eingeschaltet ist oder zeitweise einschaltbar ist,
vorzugsweise mittels des erwähnten Thermostaten, dann ist es ebenfalls besonders
zweckmässig, die Heizwicklung als bifilare gewickelte Spule auszubilden, weil sie,
da sie kein äusseres Magnetfeld erzeugt, keine Unsymmetrien der von der Arbeitswicklung
erzeugten Magnetfelder verursacht.
-
Bei der mit einer oder mehreren erfindungsgemässen Heizwicklungen
versehenen Maschine kann es sich um beliebige elektrische Motoren und Generatoren
unterschiedlichster Grösse handeln. Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind einphasige
und mehrphasige Elektromotoren, vorzugsweise Asynchronmotoren. Die Erfindung ist
jedoch auch bei anderen elektrischen Maschinen, wie Synchronmaschinen, Gleichstrommaschinen
und dergleichen mit Vorteil anwendbar.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen
Maschine, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung der Heizwicklung der Maschine
nach Fig. 1.
-
Die in Fig. 1 dargestellte Maschine ist ein aussenbelüfteter Asynchronmotor
10 mit einem Kurzschlussläufer 11, dessen Welle 12 die beiden am Statorgehäuse 13
stirnseitig anliegenden Lagerschilder 14 beidseitig durchdringt und in zwei Wälzlagern
15 gelagert ist. Am Läufer 11 sind Luftschaufeln 16 zur inneren Luftumwälzung in
den beiden Wickelkopfräumen 18 des Motorluftinnenraumes 17 angeordnet. Der Stator
19, dessen Statoreisen mit 20 bezeichnet ist, weist eine Wicklung' auf, deren beiden
Wickelköpfe 21 von je einer bifilar gewickelten Heizwicklung 22 umfangsseitig umfasst
sind, die dem Erwärmen des Luftinnenraumes 17 des Motores 10 während des Motorstillstandes
und/oder während des Betriebs bzw. Teillastbetriebs in der vorbeschriebenen Weise
zwecks Verhinderns der'Bildung von Kondensationsflüssigkeit
dient.
Diese beiden Heizwicklungen 22 bilden ringförmige Spulen und umfassen die Wickelköpfe
21 jeweils umfangsseitig. Sie wurden vor Tränken des Stators 19 auf die Wickelköpfe
axial aufgeschoben und zusammen mit dem Stator 19 durch Eintauchen in Tränklack
getränkt, so dass sie durch den Tränklack mit den Wickelköpfen 21 unverrückbar fest
verbunden sind.
-
Die Breite dieser Heizwicklungen 22 ist erheblich grösser als ihre
nur sehr geringe Höhe, so dass sie in radialer Richtung nur wenig Platz beanspruchen,
welcher bei elektrischen Maschinen stets zur Verfügung steht. Ihre Breite ist geringer
als die axiale Länge des einzelnen Wickelkopfes 21, vorzugsweise wie dargestellt,
erheblich geringer. Besonders vorteilhaft ist es, diese Heizwicklung wie dargestellt,
auf den dem Statoreisen 20 benachbarten "Fussbereich" der Wickelköpfe 21 anzuordnen.
In nicht dargestellter Weise ist es in vielen Fällen jedoch auch möglich und zweckmässig,
die Heizwicklungen anderes als dargestellt anzuordnen oder ihre Breite ungefähr
entsprechend der axialen Länge des betreffenden Wickelkopfes zu treffen. Bei grossen
elektrischen Maschinen können ggfs.auch jedem Wickelkopf zwei oder mehr Heizwicklungen
zugeordnet sein.
-
Die das Motorgehäuse dieses Motors 10 bildenden Gehäuseteile 13, 14
bedürfen keiner besonderen Bauformen mit vergrösserten Abmessungen gegenüber elektrischen
Maschinen ohne Heizwicklungen, so dass dieser Motor 10 ein üblicher Motor sein kann,
der an sich nicht für den Einbau einer elektrischen Beheizung mit minimalen Gehäuseabmessungen
geplant war.
-
Zur Aussenkühlung des Motors 10 dient in üblicher Weise ein auf der
Welle 12 befestigter Aussenlüfter 23, der im Betrieb Kühlluft durch die Öffnung
24 in der Schutzhaube 25 hindurch über die Kühlrippen des Motors 10 fördert.
-
In Fig. 2 ist eine einfache Schaltung der beiden Heizwicklungen 22
schematisch dargestellt. Die einen Enden der beiden bifilaren elektrischen Heizwicklungen
(Heizspulen) 22 sind an eine isolierte Klemme 26 der Klemmenplatte 27 des Motors
10 angeschlossen, so dass diese beiden Heizwicklungen22 in Reihe miteinander verbunden
sind. Die anderen beiden Enden der beiden Heizwicklungen 22 sind an Klemmen 29,
30 angeschlossen. Falls diese elektrische Beheizung mittels der Heizwicklungen 22
eine reine Stillstandsheizung sein soll, führen diese Klemmen 29, 30 nur bei Maschinenstillstand
Spannung, wobei der nicht dargestellte Schalter, der in diesem Fall das Einschalten
der Heizwicklungen bewirkt, ein einpoliger Schalter sein kann, der durch das Betätigungsglied
des Hauptschalters des Motors mit betätigt werden kann.
-
Die Klemmenplatte 27 weist ferner in üblicher Weise Klemmen U, V,
W, X, Y, Z auf, an die die Stränge der Erreger- und Arbeitswicklung dieser elektrischen
Asynchronmaschine in üblicher und deshalb nicht näher dargestellter Weise in Dreieck-
oder Sternschaltung oder einer anderen geeigneten Schaltung angeschlossen sind.
-
Wenn die Heizwicklungen 22 bei Motorenstillstand eingeschaltet sind,
halten sie die Luft im Motorluftinnenraum 17 auf Kondensation von Luftfeuchtigkeit
verhindernden Temperaturen, beispielsweise auf 400C Obertemperatur,so dass für den
Motor 10 keine Korrosionsgefahr besteht. Falls im Betrieb des Motors 10 bei Teillast
die Gefahr des Niederschlags von Kondensflüssigkeit besteht, kann auch Einschalten
einer oder beider Heizwicklungen bei Motorbetrieb vorgesehen sein, wobei dies besonders
zweckmässig nur bei Motorteillast erfolgt, indem in eine Zuleitung zur Heizwicklung
Schaltkontakte eines vorzugsweise als Zweipunkt-Regler wirkenden Thermostaten oder
ein ebenfalls als Thermostat wirkender Kaltleiter zwischengeschaltet wird, derart,
dass ein Absinken der Lufttemperatur im Motorinnenraum durch entsprechende Speisung
der Heizwicklungen unter eine vorbestimmte, Kondensation verhindernde Mindestlufttemperatur
bei Motorteillast verhindert wird. In diesem Fall kann je nach Erfordernis die Speisung
der Heizwicklunyen nur bei Betrieb des Motors oder auch bei Stillstand und Betrieb
des Motors vorgesehen sein.
-
Zweckmässig werden die Heizwicklungen mit einer Stromart gespeist,
die für die Speisung der betreffenden Maschine sowieso zur Verfügung steht, d. h.
im
Falle einer Wechselstrom- oder Drehstrommaschine mit Wechselstrom
und im Falle einer Gleichstrommaschine mit Gleichstrom, so dass keine Stromumformer
erforderlich sind.
-
Desgleichen ist es zweckmässig, für die Speisung für die Heizwicklungen
eine Spannung vorzusehen, die ebenfalls ohne Spannungsumformung an der betreffenden
Maschine zur Verfügung steht, so dass auch keine Spannungsumformer notwendig sind.
Dies ist stets die einfachste und billigste Möglichkeit und lässt sich stets realisieren.
Indem man, wie bevorzugt vorgesehen, die Heizwicklungen 22 als bifilar gewickelte
Spulen ausbildet, erzeugen sie keine äusseren Magnetfelder,die die Wälzlager nachteilig
beeinflussen könnten bzw. im Falle der Einschaltung der Heizwicklungen bei Motorenbetrieb
die von der Erreger- und Arbeitswicklung 31 erzeugten Magnetfelder beeinflussen
könnten.
-
In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden
Heizwicklungen 22 vor dem Aufsetzen auf die Wickelköpfe für sich als gesonderte
Spulen gewickelt worden, die nach Fertigstellung axial auf die Wickelköpfe 21 aufgeschoben
wurden, und dann wurde der Stator im Ganzen in Tränklack eingetaucht, die so dass/spulenförmigen
Heizwicklungen 22 mit den
betreffenden Wickelköpfen 21 durch Tränklack
fest verbunden sind. Es ist jedoch auch bei i9timmten Anwendungsfällen zweckmässig,
die Heizwicklungen durch Aufwickeln ihres Drahtes auf die Wickelköpfe zu bilden,
d. h. den mit der Arbeits- und Erregerwicklung versehenen Stator auf eine Wickelmaschine
aufzubringen und auf dieser Maschine die Heizwicklungen um die Wickelköpfe herumzuwickeln,
wodurch sich besonders platzsparende Anordnung der Heizwicklungen und zusätzliche
Verfestigung der Wickelköpfe ergibt.