DE29707181U1 - Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen - Google Patents

Description

- 1 - 297017iDE/l(14)

Anmelder : Struckmeier GmbH Antriebstechnik. Frankfurter Straße 22 D-65527 Niedernhausen/Ts

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

Prof. Dr.-Ing. habil. Uwe Fussel Ammernstraße 23 D-09114 Chemnitz

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

Titel: Blechpaket mit fluiddurchstromten Kühlfenstern für elektrische Maschinen

Schönfeld-Weißig, den 12.04.97

- 2 - 297017iDE/2 {14)

Beschreibung

Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen

Die Erfindung betrifft ein Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen, wie es beispielsweise als Ständer für gehäuselose Drehstrommaschinen, aber auch für Gleichstrommaschinen, Transformatoren oder Drosseln eingesetzt wird.

Die in elektrischen Maschinen entstehende Verlustwärme, bedingt hauptsächlich durch die in der Bewicklung entstehenden Kupferverluste und die im ferromagnetischen Blechpaket entstehenden Eisenverluste, machen es häufig erforderlich, die Leistungsaufnahme und damit die Betriebsdaten der Maschine zu begrenzen, bevor die volle, aufgrund der entsprechenden Konstruktion und Baugröße mögliche Leistung erreicht ist, um die durch erhöhte Temperaturen bedingte Belastung der Maschinenbauteile, der Isolierwerkstoffe und der Umgebung in tragbaren Grenzen zu halten.

Um die Belastbarkeit der elektrischen Maschinen ohne gleichzeitigen Anstieg ihrer Arbeitstemperatur zu erhöhen, ist man deshalb bestrebt, ein leistungsfähiges Kühlsystem einzusetzen.

Eine einfache, aber häufig nicht ausreichende Maßnahme besteht darin, die Außenseiten der Maschine zur Verbesserung der Wärmeabfuhr mit Kühlrippen zu versehen (DE 38 33 574 Al) .

Weiter ist es bekannt, durch flussigkeitsdichte Gehäuse ein Kühlmittel, beispielsweise ein nicht aggressives Öl

- 3 - 297017iDE/3{14)

geringer Viskosität, zu pumpen, was allerdings bei rotierenden elektrischen Maschinen sehr komplizierte Konstruktionen erfordert, die zudem recht unzuverlässig sind.

Auch werden hohle elektrische Leiter eingesetzt, die wiederum als Leitungen für ein Kühlmittel dienen oder es werden separate Kühlmittelleitungen vorgesehen.

Aus der DE 195 10 018 C2 ist ein Elektromotor oder Generator mit einem runden Ständerblechpaket und einem im wesentlichen quadratischen Gehäuse bekannt, wobei der Leerraum zwischen Gehäusewand und Ständerblechpaket bis in die Gehäuseecken hinein mit Kühlrohren ausgefüllt ist, durch die ein Kühlmedium strömt. Die zahlreichen Kühlrohre und ihre Verbindungen untereinander verteuern die Maschine erheblich und erhöhen deren Gewicht. Außerdem kann der Wärmeübergang vom Ständerblechpaket über die Luftzwischenräume und das Leitungsmaterial auf das Kühlmedium nicht zufriedenstellen, insbesondere zu den Gehäuseecken hin nimmt der Wirkungsgrad der Kühlung mangels Wärmetransport dorthin stark ab.

Aus der DE 29 13 972 Al ist eine flussigkeitsgekühlte elektrische Maschine bekannt, bei der die Druckplatten auf der dem Ständerblechpaket zugewandten Oberfläche querverlaufende Aussparungen enthalten, die durch eingeschweißte Deckplatten verschlossen sind und von Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Dadurch ist zwar ein guter Wärmeübergang von den Druckplatten zur Kühlflüssigkeit erreicht, jedoch ist die Kühlung auf die äußeren Druckplatten beschränkt. Außerdem schwächen die eingearbeiteten Kanäle den Querschnitt der Druckplatten, weshalb diese entweder sehr kräftig oder aber aus sehr hochwertigem und damit teuerem Stahl, beispielsweise Chromnickelstahl, hergestellt werden müssen.

Ferner sind axiale und zum Teil gerippte Kühlkanäle in den

- 4 - 297017iDE/4 (14)

Eckfenstern etwa quadratischer Blechschnitte für Fremdbelüftung bekannt, die die Kühlwirkung erhöhen, ohne den magnetischen Fluß merklich zu behindern (EP 0 145 903 Al, EP 0 254 930 Al, EP 0 726 635 Al, DE 92 18 066 Ul). Allerdings dient als Kühlmedium ausschließlich Kühlluft, weil die durch Zuganker o.a. zu einem Blechpaket verspannten Bleche ohne zusätzliche Maßnahmen feine Haarspalte nicht sicher verhindern können, die durch Rauheit, Oberflächenfehler, Blechverwerfungen, Dickenabweichungen, Isolierschichtabweichungen, Staub- und Ölpartikel oder Stanzgrat bedingt sind. Ferner bilden sich durch die punktförmige Verspannung zwischen den einzelnen Blechlamellen zusätzliche Spalte, die über Kapillarwirkung Kühlflüssigkeit aufnehmen würden, was zur Korrosion im Innern des Blechpakets und der Spannbolzen führen würde oder gar zu Schäden an der Isolierung, an Lagern rotierender Teile usw. Im Betrieb sind die Blechpakete zudem elektromagnetischen und mechanischen Kräften und Vibrationen ausgesetzt, die zu einem teilweisen oder vollständigen Vorspannungsverlust der Spannbolzen durch das Setzen der Bleche führen können und so die Funktionsfähigkeit der elektrischen Maschine gefährden.

An sich ermöglicht die letztgenannte konstruktive Ausbildung in vorteilhafter Weise eine Kühlung nahe dem Entstehungsort der Wärme, jedoch sind für eine signifikante Verbesserung der Kühlung starke Kühlgebläse notwendig, da Luft ein sehr schlechter Wärmeträger und Wärmetauscher ist.

Weiter wird in der DE 41 07 399 Al eine Vorrichtung zur elektrodynamischen Energieumwandlung beschrieben, bei der ein aus Dynamoblechen aufgebauter runder Stator ebenfalls als ein tragendes Teil ausgebildet ist und an seiner Kreisperipherie axiale Aussparungen aufweist, durch die Kühlflüssigkeit führende Kühlleitungen gehen. Dadurch entfällt nicht nur der Bau eines separaten Gehäuses, sondern es

- 5 - 297017iDE/5(14)

wird auch durch die Flüssigkeitskühlung eine wirksame Einflußnahme auf die Temperatur des Stators und damit eine Abführung eines wesentlichen Anteils der entstehenden Wärme aus der unmittelbaren Umgebung deren Entstehung erreicht. Nachteilig ist wiederum der zusätzliche Aufwand für die Kühlrohre und der mehrfach unterbrochene Wärmefluß vom Ständerblechpaket über die Luft und die im Vergleich zum Rohrquerschnitt minimierte Rohroberfläche bis zur Kühlflüssigkeit. Die Kühlrohre müssen sorgfältig nach dem Verspannen des Blechpakets mittels Zugstangen in Segmenten in die Kanäle eingeschoben und mit Hilfe von äußeren Umlenkbögen miteinander aufwendig verbunden werden. Außerdem müssen sie zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Blechlamellen elektrisch isoliert sein. Gute elektrische Isolatoren sind zumeist auch gute Wärmeisolatoren, weshalb dem Wärmeübergang zusätzlich Wärmewiderstand entgegengesetzt wird.

Pakete aus geblechtem ferromagnetischen Material werden für gewöhnlich genietet, verspannt oder auch mit Schweißraupen festgelegt. Auch ist es an sich bekannt, Magnetbleche deckungsgleich miteinander zu verkleben, jedoch wird hiermit der Zweck erfüllt, die Technologie zur Herstellung geblechter Pakete zu vereinfachen und/oder gleichzeitig mit dem Verbinden der Bleche eine Isolation zwischen den Einzelblechen herzustellen, um die Wirbelstromverluste zu senken und/oder das gefürchtete Magnetbrummen zu dämpfen {DE 28 47 988 Al, DE 30 12 320 Al, DE 31 10 339 Al, DE 33 33 155 Al, DE 34 14 113 Al, DE 36 27 890 Al).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte infolge hoher Effektivität der Wärmeabfuhr unmittelbar aus dem Innern zu schaffen, die betriebssicher, einfach und kostengünstig im Aufbau ist. Ein bevorzugtes Anwendungsfeld soll die axiale Innenkühlung des Ständerblechpakets einer gehäuselosen, rotierenden Maschine sein.

- 6 - 297017iDE/6(14)

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zeigen die Unteransprüche auf.

Die Verwendung der Kühlfenster in etwa quadratischen Statorblechen gehäuseloser elektrischer Maschinen zur unmittelbaren Führung einer Kühlflüssigkeit zeitigt überraschend gute Kühleffekte gegenüber Anordnungen mit Luftkühlung oder Anordnungen mit innerhalb des Blechpakets eingebetteten Kühlmxttelleitungen.

Zum einen wird der Wärmeübergang wesentlich verbessert, da jegliche Luftspalt - Luft ist bekanntlich ein sehr guter Wärmeisolator - zwischen dem Blechpaket und der Kühlflüssigkeit wegfällt. Nach der Erfindung kühlt die Kühlflüssigkeit durch direktes Bespülen das Blechpaket. Der direkte Wärmetausch vom Blechpaket auf eine Kühlflüssigkeit ist wesentlich größer als auf ein Kühlgas. Zum anderen kann durch geeignete Profilierung der Kühlkanäle die Wärmetauscheroberfläche gegenüber einem glatten Rohr nahezu beliebig erhöht werden. Rippen in Kühlkanälen der Eckbereiche von Magnetblechen eines Ständers sind zwar an sich auch schon bekannt, jedoch nur für Zwangslüftung, nicht zur Führung einer Kühlflüssigkeit.

Infolge des Wegfalls der Bohrungen für die Spannbolzen bzw. Zuganker bei ausschließlich geklebten Blechpaketen oder geklebten und randseitig verschweißten Blechpaketen kann die Wärmeaustauschfläche nicht nur im eigentlichen Eckbereich, sondern über den gesamten Außenbereich jedes Quadranten des Magnetblechs bei gleichem wirksamen Eisenquerschnitt vergrößert werden. Die Verlustwärme kann unmittelbar aus dem Blechpaket über die Kühlflüssigkeit abgeführt werden. Indem Kühlflüssigkeit eine erheblich höhere Wärmeabfuhrkapazitat hat als ein Kühlgas, wird die Kühlung besonders effektiv. Bei gleichem Kühlfensterquer-

»ft ·· » · · · ft ft

»ft · ft ft ft * ··

- 7 - 297017iDE/7 (14)

schnitt vergrößert sich bei rohrloser Kühlflüssigkeitsführung weiterhin der Kühlflächenquerschnitt auch als solcher und damit der Kühlmitteldurchsatz bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels infolge Wegfall der Rohrwandungen zur Führung der Kühlflüssigkeit. Bei einem verklebten Blechpaket verbessert sich zusätzlich der Wärmetransport vom Wärmeentstehungsort zum Wärmeabfuhrort gegenüber einem rein verspannten Blechpaket, da ein Kleber immer noch eine bedeutend bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft besitzt.

Als weitere positive Effekte für den Maschinenbau wären bei verklebten Blechpaketen zu nennen, daß sich keine Spannbolzen mehr in der Magnetflußzone befinden, wodurch sich die magnetische Flußbildung verbessert, die Verluste im Wirkungsgrad sinken sowie Kurzschlüsse zwischen den Magnetblechen durch Spannbolzen ausgeschlossen sind.

Letztlich entstehen durch die direkte Kühlflüssigkeitsführung Kostenvorteile durch den Wegfall der für gewöhnlich aus Kupfer bestehenden Kühlleitungen und deren sichere Befestigung in und an der Maschine und dem Wegfall der allseitig sehr sorgfältig zu isolierenden Spannbolzen.

Die Erfindung eignet sich deshalb vorwiegend zur Herstellung sehr leistungsfähiger elektrischer Maschinen mit guter Leistungsdichte, hohem Wirkungsgrad und hoher Betriebssicherheit .

Um insbesondere bei ausschließlich vernieteten, verspannten oder verschweißten Blechpaketen, aber auch bei verklebten Blechpaketen eine absolute Fluiddichtigkeit zu garantieren, wird das gefügte Blechpaket anschließend sorgfältig vakuumgetränkt. Die Tränkung eines bewickelten Blechpakets zur Verbesserung der elektrischen Isolation ist ohnehin üblich.

*tt 9 t t f &iacgr;

- 8 - 297017iDE/8(14)

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Kühlfenster in jedem Quadranten des Magnetblechs angeordnet, die durch Kühlstege voneinander getrennt sind.

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 Kühlflüssigkeitsstrom in den Kühlkanälen merklich zu beeinträchtigen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung nimmt der mittlere Querschnitt der Kühlstege in Richtung Außenrand ab, wodurch das zur Verfügung stehende Eisen bis in die Ecken hinein optimal zur Wärmeabführung herangezogen wird, indem das Wärmegefälle zwischen dem der Verlustwärmequelle nahen Bereich und dem Rand des Blechpakets klein gehalten wird.

Sind nach einer weiteren Ausbildung die Kühlstege in etwa radialer Richtung bis zum Blechrand langgestreckt, so trägt diese Maßnahme in vorteilhafter Weise der von der Wärmequelle vorzugsweise strahlenförmig verlaufenden Wärmestromleitung Rechnung.

Die Deckplatten auf der dem Blechpaket zugewandten Oberfläche können in Fortbildung der Erfindung kanalartig derartig ausgearbeitet sein, daß sie Verbindungspassagen zwischen den axialen Kühlkanälen, Zuführ- und/oder Abführpassagen bilden, wodurch zusätzliche äußere Kühlleitungen weitgehend entfallen.

Nach einer bevorzugten Anwendung ist das Blechpaket als Statorblechpaket einer gehäuselosen Drehstrommaschine eingesetzt, wobei die Deckplatten die üblichen Druckplatten ersetzen.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und

» ♦· ♦ »ff

- 9 - 297017iDE/9(14)

der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 zeigt einen symmetrischen Quadrant eines Magnetblechs für den Ständer einer Drehstrommaschine,

Fig. 2 die symmetrische Hälfte eines verklebten Blechpakets einschließlich einer weitergebildeten Deckplatte im Schnitt A-A nach Fig. 1.

Fig. 3 einen Quadranten nach Fig. 1 mit sich zum Außenrand trapezförmiger Kühlstegverjüngung.

In den Außenbereich eines Quadranten 1 eines im wesentlichen quadratischen Magnetblechs 2 sind an sich bekannte Kühlfenster 3 so ausgestanzt, daß sich zwischen Ihnen Kühlstege 4 in etwa radialer Richtung bis zum Randbereich des Magnetblechs 2 erstrecken. Sobald die Magnetbleche 2 vollflächig und deckungsgleich z.B. durch Verkleben gefügt sind, bilden die Kühlfenster 3, jeweils fluchtend, in ihrer Gesamtheit die Kühlkanäle und die Kühlstege 4 die Kühlrippen. Gegebenenfalls wird durch sorgfältiges Vakuumtränken des Blechpakets die Fluiddichtigkeit verbessert oder überhaupt dauerhaft sichergestellt. Durch die Kühlkanäle wird im Betrieb der Maschine eine Kühlflüssigkeit mit hoher Wärmetragfähigkeit geführt. Geeignete Kühlflüssigkeiten sind beispielsweise aus dem Transformatorenbau hinreichen bekannt.

Die Kühlfenster 3 bzw. die Kühlstege 4, was auf das gleiche kommt, können durch ein Noppenprofil 5 o.a. beliebig oberflächenvergrößert sein. Das Noppenprofil 5 läuft über die gesamte Länge der Kühlstege 4, wodurch sich insgesamt ein hervorragender Wärmetausch zwischen den untereinander verklebten Magnetblechen 2 und der Kühlflüssigkeit ergibt.

In Fig. 2 ist ein Teilschnitt durch ein Blechpaket schematisch dargestellt.

ti »t» *·* #♦*

- 10 - 297017iDE/10(14)

Die Magnetbleche 2 sind zu einem Blechpaket 6, beispielsweise einem Ständer, vollflächig verklebt. Hierzu können die Magnetbleche 2 vorab einseitig oder zweiseitig mit einem aushärtbaren Klebstoff 7 beschichtet sein, der in flüssiger Form als Film auf die zu verklebenden Flächen aufgebracht wird und bei Raumtemperatur vorgetrocknet ist. Beispielsweise eignet sich hierzu ein Harz-Härter-System auf Basis eines kalt anhärtenden Epoxidharzes. Ebenso kann der Kleber auch in eine Stützmatte eingebettet sein, mit der mindestens eine Blechseite belegt ist. Durch das Verpressen der Magnetbleche 2 bzw. des Blechpaketes 6 unter hohem Druck und gleichzeitiger Erwärmung bis auf die Aushärtetemperatur findet nach dem Erweichen und Aushärten des Klebstoffs 7 das ganzflächige Verkleben statt. Da die Klebstoffschicht vollflächig aufgetragen werden muß, um Kapillaren zu vermeiden, erübrigen sich in vorteilhafter Weise die sonst erforderlichen einseitigen Isolierlackbeschichtungen der Magnetbleche 2 zur Verhinderung ihrer metallischen Berührung untereinander sowie ggf. die Durchbüche für die Spannbolzen und die Spannbolzen selbst.

Auch die Deckplatte 8 ist mit dem übrigen Blechpaket 6 verklebt. Sie muß im Gegensatz zu den üblichen hochfesten Druckplatten keine Spannkräfte aufnehmen, da die Magnetbleche 2 ja bereits fest miteinander verbunden sind, sondern in erster Linie die Maschine vor mechanischer Beschädigung schützen. In Weiterbildung der Erfindung sind in die Innenseiten der Deckplatten 8 offene Kanäle eingebracht, die beim Verkleben mit dem übrigen Ständerblechpaket 6 geschlossen werden und so Verbindungspassagen 9 für die Kühlkanäle 10 je einer Seite bilden können. Über einen Stutzen 11 ist dann der Anschluß von bzw. zu einer Pumpe für den Durchsatz der Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle 10 sehr einfach realisierbar. Die Außenseiten der Deckplatten 8 können in bekannter Weise nicht näher dargestellte Kühlrippen tragen.

- 11 - ' 297017iDE/ll(14)

Fig. 3 zeigt einen Quadranten eines Ständerblechs, bei dem die Kühlstege 4 zur Verbesserung der Wärmeleitung in den Eckbereich sich trapezförmig zum Rand hin verjüngen. Außerdem sind Durchbrüche 12 für Spannbolzen dargestellt, mit denen das Blechpaket zusätzlich oder gegebenfalls allein verspannt wird, wobei letztere Fügemethode zumeist ein sorgfältiges Tränken des gesamten Blechpakets nach sich ziehen wird.

Bezugszeichen

Quadrant eines Blechs	1
Magnetblech	2
Kühlfenster	3
Kühlsteg	4
Noppenprofil	5
Blechpaket	6
Kleberschicht	7
Deckplatte	8
Verbindungspassage	9
Kühlkanal	10
Stutzen	11
Durchbruch	12

- 14 - 297017iDE/14 (14)

Claims (8)

- 12 - 297017iDE/12{14; Ansprüche

1. Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen, wie Generatoren, Motoren, Transformatoren oder Drosseln, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket (6) fluiddicht aus ganzflächig untereinander verklebten Magnetblechen (2) und/oder miteinander verspannten oder verschweißten Magnetblechen (2) gefügt ist und die Kühlfenster (3) unmittelbar eine Kühlflüssigkeit führen.

2. Blechpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Blechpaket fluiddicht vakuumgetränkt ist.

3. Blechpaket nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfenster (3) oberflächenvergrößernd profiliert sind.

4. Blechpaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlfenster (3) in jedem Quadranten (1) eines Magnetbleches (2) angeordnet sind, die durch Kühlstege (4) voneinander getrennt sind.

5. Blechpaket nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Kühlstege {4) sich in etwa radialer Richtung bis unmittelbar zum Außenrand der Magnetbleche (2) erstrecken.

6. Blechpaket nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Kühlstege (4) in Richtung Außenrand abnimmt.

7. Blechpaket nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Deckplatten (8) auf der dem Blechpaket (6) zugewandten Oberfläche kanalartig derartig ausgearbeitet sind, daß sie Verbindungspassagen (9) zwischen den axialen Kühlkanälen (10), Zuführ- und/ oder Abführpassagen bilden.

- 13 - 297017iDE/13 (14)

8. Blechpaket nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket (6) ein Statorblechpaket einer gehäuselosen, rotierenden elektrischen Maschine ist.