DE29707172U1 - Elektrische Maschine mit Fluidkühlung - Google Patents

Description

Anmelder : Struckmeier GmbH Antriebstechnik

Frankfurter Str. 22 D-65527 Niedernhausen/Ts.

Erfinder: Dipl.-Ing, Dieter Struckmeier Frankfurter Str. 22 D-65527 Niedernhausen/Ts.

Dipl.-Ing. Wilhelm Müller-van Kann Heidedyle 59 D-47802 Krefeld

Vertreter: Sozietät ILBERG · WEIßFLOH Patentanwälte Am Weißiger Bach 93 D-01747 Schönfeld-Weißig

Titel:

Elektrische Maschine mit Fluidkühlung

Weißig, den 12.04.97

- 2 - 297016iDE/2(13;

Beschreibung

Elektrische Maschine mit Fluidkühlung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit Fluidkühlung, beispielsweise Generator, Motor, Transformator oder Drossel·

Die Leistungsfähigkeit und Alterungsbeständigkeit einer elektrischen Maschine wird wesentlich von der bei der Energieumwandlung auftretenden Verlustwärme, der Temperaturbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe und der Intensität der Kühlung bestimmt. Das Bemühen, bei gleichbleibender Größe immer stärkere Maschinen zu entwickeln, bzw. bei gleichbleibender Leistung die Größe der Maschine zu verringern, hängt deshalb direkt von der Effizienz des Kühlsystems ab. Die Erfindung beschreibt eine Verbesserung der Kühlung für eine Maschine der oben beschriebenen Gattung.

Aus der DE 30 26 892 Al ist bereits ein quadratisches, selbsttragendes Ständerblechpaket für eine Drehstrommaschine bekannt, bei dem in den Eckbereichen versetzt geschichteter Teilblechpakete kleinere Aussparungen angeordnet sind, die entweder als Durchbruch für das Ständerblechpaket zusammenhaltende Zuganker, als funktionsgleiche Druckgußkanäle oder als Axialkanäle für einen zusätzlichen Innenkühlkreilauf dienen. Jedoch ist die Kühlwirkung infolge des geringen Kühlluftdurchsatzes durch die vergleichsweise sehr kleinen Kühlkanäle stark begrenzt.

Bei einer rotierenden elektrischen Maschine nach EP 0 903 Al weist zur Kühlung des Ständerpaketes der Eckbereich mehrere kleine, runde, axiale Kanäle auf, wobei die Zufuhr der Kühlluft zum Ständerpaket ausschließlich über von den

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- 3 - 297016iDE/3(13)

übrigen Maschinenteilen getrennte Kühlkanälen erfolgt. Im Bereich der Stirnflächen haben die Kühlkanäle zur Erhöhung der Wärmedichte eine gegenüber den übrigen Abschnitten der Kühlkanäle vergrößerte, insbesondere sternförmige oder ovale Wärmeaustauschoberfläche und/oder verkleinerten Strömungsquerschnitt. Die Erfindung soll eine Kühlung nahe dem Entstehungsort ermöglichen, ohne daß Staub und Feuchtigkeit stromführende Maschinenteile erreichen. Allerdings ist für eine signifikante Verbesserung der Kühlung aufgrund der im Querschnitt sehr kleinen Kühlkanäle und des damit einhergehenden großen Strömungswiderstandes der Kühlluft ein starkes Kühlgebläse notwendig, dessen Motor seinerseits im übrigen wiederum Leistungswärme erzeugt.

Ein weiteres quadratisches Ständerblechpaket nach EP 0254 930 Al hat in den Eckbereichen je zwei geschlossene Durchbrüche und je eine zur Außenmantelfläche hin offene, schlitzartige Ausnehmung, In die unteren offenen Ausnehmungen sind den Motorfuß bildende Winkelschienen und in die oberen Ausnehmungen sind schienenförmige Verankerungen für den Klemmkasten eingeschoben. Die Durchbrüche bilden acht das Statorblechpaket in axialer Richtung durchdringende Lüftungskanäle. Der Motor besitzt zusätzlich eine Lüfterhaube, die zur Verbesserung der Kühlung Kühlrippen besitzt. Damit erhöht sich die Baugröße.

In der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 92 18 066 Ul ist ein Ständerblechpaket für gehäuselose Drehstrommaschinen beschrieben worden, bei dem in den Kühlluftfenstern der Eckbereiche, deren äußere Berandung durch die Öffnung des Preßrahmens gebildet wird, Längs- und Querkühlstege angeordnet sind, die an mindestens drei Seiten berippt sind, um die zur Verfügung stehende Kühlfläche zu vergrößern. Die Querkanäle werden durch den inneren Rand der unmittelbar in den Ecken angeordneten größeren Fertigungsöffnungen gebildet. Diese Fertigungsöffnungen sollen zwar nach einer weiteren Ausbildung ebenfalls mit Kühlrip-

- 4 - 297016iDE/4 (13)

pen versehen sein können, jedoch verbietet sich das an sich durch den Umstand, daß durch diese Fertigungsöffnungen - technologisch bedingt - Werkzeuge eingreifen. Die Fertigungsöffnungen sind nach Aufnahme der das Ständerblechpaket zusammenziehenden Spannbolzen im übrigen auch nicht in der Lage, einen wirkungsvollen Kühlluftstrom zu führen, weshalb die Querkühlstege nur einseitig gekühlt werden und so trotz Vergrößerung der Kühlfläche insgesamt die Kühlleistung noch nicht optimal ist.

Aus der DE 296 11 039 Ul ist ein Ständer einer gehäuselosen Drehstrommaschine mit Kühlkanälen in den Eckbereichen bekannt, die etwa gleichgroße, rippenfreie Strömungsquerschnitte aufweisen, die durch V-förmige, im wesentlichen radial verlaufende Stege gleicher Breite voneinander getrennt sind und wobei der Strömungsquerschnitt jedes Kühlkanals etwa dem Querschnitt der Fertigungsöffnung entspricht. Infolge dieser Dimensionierung verschmälern sich die Kühlstege zwischen den Kühlkanälen über ihre gesamte Länge derart, daß sie nicht in der Lage sind, nennenswert Wärme in die äußeren Eckbereiche zu transportieren. Diese können demzufolge auch nur eine geringe Wärmemenge mit den außenseitigen Oberflächenzonen der Kühlkanäle tauschen. Als Kühlmedium dient ausschließlich Luft.

Letztlich ist in der EP 0 726 635 Al eine elektrische Maschine beschrieben, die in die abgerundeten Eckbereiche des Ständerpaketes glattwandige Kühlluftkanäle bis auf einen geringen Materialsteg heranführt. Es wird zwar der für Kühlzwecke nutzbare Raum voll in Anspruch genommen, jedoch nicht intensiv genutzt, da zusätzliche Maßnahmen zur Oberflächenvergrößerung der Kühlkanäle ebenso wie optimierte Kühlstege fehlen. Die Kühlung erfolgt mit Luft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Maschinen zu schaffen, Blechpakete, optimal den jeweiligen zu erwartenden Bedingungen angegepaßt, zur axialen Innen-

- 5 - 297016iDE/5{13) kühlung ausgenutzt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennnzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Unteransprüche auf.

Wahlweise werden mehrere unmittelbar fluiddurchströmte, axialen Kühlkanäle

a) zur Führung eines gasförmigen Kühlmediums oder

b) zur Führung eines flüssigen Kühlmedium oder

c) zur voneinander getrennten Führung beider Kühlmedien eingesetzt, wobei in einer bevorzugten Ausführung bei gleichzeitiger Führung eines gasförmigen und eines flüssigen Kühlmediums nach c) die flüssigkeitsdurchströmten Kühlkanäle zur Wärmequelle hin liegen und die gasdurchströmten Kühlkanäle zum Außenrand des Blechpaketes hin liegen.

Dabei erstrecken sich nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Kühlkanäle in etwa radialer Richtung bis unmittelbar zum Außenrand, wobei jeder Kühlkanal nochmals in kleinere Kühlkanäle aufgeteilt ist und ein oberflächenvergrößerndes Profil haben kann. Die etwa radiale Richtung der bis zum Blechrand langgestreckten Kühlstege tragen dabei der von der Wärmequelle vorzugsweise strahlenförmig verlaufenden Wärmestromleitung Rechnung. Durch rippen-, zacken- oder wellenartige Ausbildung der Kühlstege als auch technologisch geeignete oberflächenvergrößernde Maßnahme wird der Wärmeübergangskoeffizient und damit der Wärmetausch entscheidend vergrößert, ohne die Wärmeleitfähigkeit in den Kühlstegen und den Kühlstrom in den Kühlkanälen merklich zu beeinträchtigen.

Weiterhin ist es für eine gute Wärmeabführung aus dem Inneren der Maschine von Vorteil, wenn die Querschnittsfläche der einzelnen Kühlkanäle in Richtung Außenrand zunimmt. Die inneren, flüssigkeitsdurchströmten Kühlkanäle

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führen dann bei entsprechender Strömungsgeschwindigkeit und zumutbarem Volumenstrom die größte Wärmemenge ab, wobei diese Wärmeabfuhr unterstützt wird durch die in diesem Bereich nach einer weiteren Ausbildung breiteren Kühlrippen.

Für gehäuselose elektrische Maschinen mit einem etwa quaderförmigen Stator werden vorzugsweise in jedem Eckbereich in kleinere Kühlkanäle unterteilte Kühlkanäle angeordnet, wobei ein auf dem Rotor sitzender Ventilator bei geschlossenen Maschinen das Kühlgas im Kühlkreislauf durch die gasführenden Kanäle im Ständer und zurück über die Läuferkühlkanäle und zum geringen Teil über den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer treibt, um die Wärme im Bereich der inneren, flüssigkeitsdurchströmten Ständerzone zu tauschen. Dabei lassen sich die ein Kühlmedium führenden Kühlkanäle in Reihe, parallel oder in einer kombinierten Reihen-/Parallelanordnung verbinden und so jedem gewünschten Kühlbetrieb anpassen.

Nach einer Weiterentwicklung der Erfindung kann dabei die Lenkung der Kühlmedien und Aufteilung der Kühlströme durch die Kühlkanäle jeweils durch die Zu- und Abführungskanäle in den äußeren Druckplatten bestimmt werden.

Um die Kühlkanäle fluiddicht zu bekommen, kann in Fortbildung des Erfindungsgedankens das Blechpaket vollflächig verklebt ist.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen symmetrischen Quadrant eines erfindungsgemäßen Ständerbleches einer rotierenden elektrischen Maschine,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine rotierende elektrische Ma-

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schine in geschlossener, vollgeblechter Bauweise rait etwa quadratischem Ständerblechpaket.

In die Eckbereiche 1 eines im wesentlichen quadratischen Blechpakets 2 sind Kühlkanäle 3 durch Ausstanzen der einzelnen Ständerbleche so eingebracht, daß sich zwischen ihnen Kühlrippen 4 in etwa radialer Richtung bis zum Randbereich des Blechpaketes 2 erstrecken. Beiderseits davon sind zwei weitere Durchbrüche 5 angeordnet, durch die nach dem Stapeln der Ständerbleche zu dem Blechpaket 2 nicht näher dargestellte Spannbolzen zum Verspannen dieser Ständerbleche 2 unter Zuhilfenahme von außenseitigen Druckplatten (Fig. 2) gehen. Durch die Kühlkanäle 3 werden im Betrieb der Maschine die Kühlmedien geführt. Die Kühlkanäle 3 bzw. die Kühlrippen 4, was auf das gleiche kommt, sind durch ein Noppenprofil 6 stark oberflächenvergrößert. Anstelle des Noppenprofils 6 können selbstverständlich auch andere Profilformen Anwendung finden, beispielsweise ein Zahn- oder Wellenprofil. Das Noppenprofil 6 läuft über die gesamte Länge der Kühlrippen 4, wodurch sich insgesamt ein hervorragender Wärmetausch zwischen dem Ständereisen und den verwendeten Kühlmedien ergibt, der weiter optimiert wird, sofern der Querschnitt der Kühlrippen 4 in Richtung zum Außenrand etwas abnimmt. Dadurch wird eine größere Wärmekapazität in den Randbereich geführt, die Wärme verteilt sich im zur Verfügung stehenden Eckbereich annähernd homogen und die Kühlleistung erhöht sich, da die durch die Oberfläche der Kühlrippen hindurchtretende Wärmemenge in der Zeiteinheit proportional dem Temperaturunterschied gegen die Kühlmedien ist.

Ferner sind die einzelnen Kühlkanäle 3 durch Trennrippen nochmals in kleinere Kühlkanäle unterteilt. Selbstverständlich können nach anderen Ausführungen der Erfindung die Kühlkanäle 3 nach Fig. 1 auch durch einzelne runde, quadratische, sternförmige u.a. kleinere Kühlkanäle gebildet sein.

297016iDE/8(13;

Die Kühlkanäle 3 werden je nach der gewünschten Kühlungsart von Kühlgas, Kühlflüssigkeit oder - in voneinander getrennten Kühlkanälen - von beiden Kühlmedien durchströmt· Bei gemischter Kühlung werden die inneren, kleineren Kühlkanäle 3 mit der Kühlflüssigkeit beaufschlagt, was die besten Kühlergebnisse zeitigt. Mittels Verteilungen in den Druckplatten (Fig. 2) lassen sich Reihen-, Paralleloder Reihen-Parallelschaltungen der Kühlkanäle 3 herstellen, womit festgelegt wird, wo Kühlgas und wo Kühlflüssigkeit durchgeleitet werden soll. Damit können die Kühlströme optimal entsprechend der zu erwartenden Einsatzbedingungen angepaßt werden.

In Fig. 2 ist eine gehäuselose, rotierende elektrische Maschine im Halbschnitt dargestellt. Auf einer Motorwelle 8 sitzt ein Läufer 9, dessen Blechkern mit axialen Kühlkanälen 10 durchzogen ist. Mit 11 sind seine Kurzschlußringe bezeichnet. Der Läufer 9 dreht sich innerhalb des mit einer Ständerwicklung versehenen Ständers 13. Von der Ständerwicklung sind die Wickelköpfe 12 dargestellt. Zwischen dem Läufer 9 und dem Ständer 13 befindet sich ein sehr feiner Luftspalt 14. Das Blechpaket des Ständers 13 wird mittels Druckplatten 15 verspannt.

Lagerschilder 16 und 17 dichten den Motorinnenraum nach außen ab und tragen die Lager 18, 19 für die Motorwelle 8. Im Innern der Maschine sitzt auf der Motorwelle 8 des weiteren ein Ventilator 20 für eine Innenlüftung. Der Ständer 13 wird in Nähe des Außenrandes von mehreren axialen Kühlkanälen 21, 22 durchzogen, von denen im Beispiel zwei sichtbar dargestellt sind. In die Druckplatten 15 sind Kanäle 16 eingelassen, die die Zuordnung der Kühlkanäle 21, 22 zueinander festlegen. Außerdem sind die Druckplatten 15 für die Gaszuführung und Gasabführung in die gasgekühlten Kühlkanäle 21 mit Durchbrüchen 23 sowie mit Stutzen 24 versehen, die aus der Maschine von den flüssig-

- 9 - 297016iDE/9(13)

keitsgekühlten Kühlkanälen 22 für einen externen Kühlflüssigkeitsanschluß herausführen.

Im Betrieb wird die Maschine durch Kühlmedium gekühlt, das unmittelbar durch die Kanäle 21, 22 strömt. Dabei können drei Betriebsarten vorgegeben werden:

1. Es erfolgt eine reine Gaskühlung.

2. Es erfolgt eine reine Flüssigkeitskühlung.

3. Es erfolgt eine kombinierte Kühlung mit Kühlgas und Kühlflüssigkeit.

Letztere Betriebsart soll näher beschrieben werden.

Durch den Stutzen 24 wird Kühlflüssigkeit von außen durch die Kühlkanäle 22 geleitet, wobei die Verteilung innerhalb der Kühlkanäle 22 durch die Art der verwendeten Druckplatten 15 bestimmt wird, beispielsweise sind mehrere Kühlkanäle 15 durch Umlenkungen 16 in Serie geschaltet. Nach Passieren des letzten für Flüssigkeitskühlung vorgesehenen Kühlkanals 22 wird die Kühlflüssigkeit wieder aus der Maschine herausgeführt und z.B. durch einen nicht näher dargestellten externen Kühler geführt, bevor sie erneut die Maschine durchströmt. Zusätzlich baut sich eine Innengaskühlung auf, indem Innengas vom Ventilator 20 durch die im äußeren Ständerblechpaket liegenden axialen Kühlkanäle 21 getrieben wird. Beim Passieren der Kühlkanäle 21 wird Wärme an die Kühlflüssigkeit in den Kühlkanälen 22 abgegeben und von dieser nach außen abgeführt. Das jetzt abgekühlte Kühlgas verläßt durch die Durchbrüche 23 den Ständer 13 und strömt über einen ersten Wickelkopf 12, über die Kühlkanäle 10 im Läufer 9 und einen zweiten Wickelkopf 12 des Ständers 13, wo es Wärme aufnimmt, zurück zum Ventilator 20. Ein geringer Anteil strömt zusätzlich durch den Luftspalt 14 zwischen Läufer 9 und Ständer 13. Der Ventilator 20 kann in an sich bekannter Weise das Kühlgas sowohl mit Überdruck als auch mit Unterdruck im inneren Kühlkreislauf umwälzen. Als Kühlgas kommt beispielsweise

- 10 - 297016iDE/10 (13) Luft oder Inertgas in Betracht.

Insgesamt erreicht man durch die angegebene verbesserte Kühlung eine hohe Packungsdichte und eine hohe Lebensdauer der Maschine.

Bezugszeichen

Eckbereich	1
Blechpaket	2
Kühlkanal	3
Kühlrippe	4
Durchbruch	5
Noppenprofil	6
Trennrippe	7
Motorwelle	8
Läufer	9
Kühlkanal im Läufer	10
Kur&zgr;Schlußring	11
Wickelkopf	12
Ständer	13
Luftspalt	14
Druckplatten	15
Umlenkung	16
Lagerschild	17
Lager	18
Lager	19
Ventilator	20
Kühlkanal	21
Kühlkanal	22
Durchbruch	23
Stutzen	24

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- 13 - 2970161DE/13 (13)

Claims (11)

- 11 - 297016iDE/ll (13) Ansprüche

1. Elektrische Maschine mit Fluidkühlung, beispielsweise Generator, Motor, Transformator oder Drossel, mit mehreren unmittelbar fluiddurchströmten, axialen Kühlkanälen, wobei die Kühlkanäle (3; 21, 22) entsprechend der gewählten Kühlungsart

a) zur Führung eines gasförmigen Kühlmediums dienen oder

b) zur Führung eines flüssigen Kühlmedium dienen oder

c) zur voneinander getrennten Führung beider Kühlmedien dienen.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Führung eines gasförmigen und eines flüssigen Kühlmediums die flüssigkeitsdurchströmten Kühlkanäle (3; 22) zur Wärmequelle hin liegen und die gasdurchströmten Kühlkanäle (3; 21) zum Außenrand des Blechpaketes (2) hin liegen.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet., daß die in etwa radialer Richtung bis unmittelbar zum Außenrand sich erstreckenden Kühlkanäle (3; 21, 22) in kleinere Kühlkanäle {3; 21, 22) unterteilt sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (3; 21, 22) oberflächenvergrößernd profiliert sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der einzelnen Kühlkanäle (3; 21, 22) in Richtung Außenrand zunimmt.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der einzelnen Kühlrippen (4) in Richtung Außenrand ab-

- 12 - 297016iDE/12 (13) nimmt.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, in jedem Eckbereich (1) eines etwa quadratischen Blechpakets (2) unterteilte Kühlkanäle {3; 21, 22) angeordnet sind.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Kühlmedium führenden Kühlkanäle {3; 21, 22) in Reihe, parallel oder in einer kombinierten Reihen-/Parallelanordnung verbunden sind.

9. Elektrische Maschine mit einem gehäuselosen Ständerblechpaket und mehreren unmittelbar fluiddurchstromten, axialen Kühlkanälen in den Eckbereichen, wobei die Kühlkanäle (3; 21, 22) zur voneinander getrennten Führung eines Kühlgases und einer Kühlflüssigkeit dienen und wobei die gasführenden Kanäle im Bereich des Außenrandes im Ständer liegen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilator (20) das Kühlgas innerhalb der Maschine im Kühlkreislauf durch die gasführenden Kanäle (3; 21) im Ständer (13) und zurück über die Läuferkühlkanäle (10) und zum geringen Teil über den Luftspalt (14) zwischen Ständer (13) und Läufer (9) treibt, wobei die Wärme im Bereich der flüssigkeitsdurchströmten Ständerzone getauscht wird.

10. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkung der Kühlmedien und Aufteilung der Kühlströme durch die Kühlkanäle (3; 21, 22) jeweils durch die Zu- und Abführungskanäle in den äußeren Druckplatten (15) bestimmt werden.

11. Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket (2) fluiddicht gefügt ist.