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Elektrische Maschine hoher Belastbarkeit
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine hoher Belastbarkeit,
mit einem Stator, einem Rotor und einer Kühleinrichtung.
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Es sind bereits derartige Maschinen bekannt, bei denen die Kühleinrichtung
in Form von Rippen des Gehäusemantels ausgebildet ist, die die Oberfläche des Gehäuses
und damit die Wärmeabstrahlungsfähigkeit desselben vergrößern.
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Es ist bei derartigen Maschinen auch bereits bekannt, den Gehäusemantel
durch eine Luftströmung zu kühlen, die durch ein auf der Welle der Maschine sitzendes
Lüfterrad erzeugt wird.
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Der Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, daß der Wirkungsgrad
der Maschine durch das mitlaufende Lüfterrad verringert wird. Bei Maschinen kleiner
Leistung ist die Wirkungsgradverringerung besonders groß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine
der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere kurzzeitig hoch belastbar
ist und trotzdem nicht überhitzt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Stator mindestens
einen dicht verschlossenen Hohlraum aufweist, der mit einem Wärmespeichermedium
gefüllt ist, das bei Erreichen einer im Betriebstemperaturbereich der Maschine liegenden
Temperatur durch Aufnahme von Wärmeenergie vom festen in den flüssigen Zustand übergeht.
Das Wärmespeichermedium sollte vorzugsweise eine hohe Schmelzwärme aufweisen, vorzugsweise
von mehr als 200 kJ/kg. Eine derartige Maschine hat die Eigenschaft, daß das Wärmespeichermedium
bei Erreichen seiner Schmelztemperatur Wärme aufnimmt, ohne daß die Temperatur vorerst
weiter ansteigt. Erst wenn die gesamte Menge des
Wärmespeichermediums
in den flüssigen Zustand übergegangen ist, steigt die Temperatur weiter. Besonders
bei Kurzzeitbetrieb kann daher die Maschine hoch belastet werden, ohne aß ihre Temperatur
übermäßig ansteigt, da das Wärmespeichermedium in gewissem Umfang für eine Temperaturbegrenzung
sorgt.
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Vorzugsweise ist der Hohlraum im Bereich des Gehäusemanteis der Maschine
vorgesehen. Dadurch wird erreicht, daW3 die gespeicherte Wärme schnell wieder abgegeben
werden kann. bi kennen die eingangs genannten bekannten Kühleinrichtungen, wie Kühlrippen
und Lüfterrad, unterstützend verwendet werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Hohlraum in einem rohrförmigen
Teil vorgesehen, das um den Gehäusemantel einer Maschine paßt. Dadurch läßt sich
die Kühleinrichtung auch nachträglich auf vorhandene Maschinen aufsetzen.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist ein Wärmespeichermedium
gewählt, dessen Schmelztemperatur etwas unterhalb der höchstzulässigen Betriebstemperatur
der Maschine liegt. Auf diesfl Weise erreicht man gewissermaßen eine TemperaLurbetlrenzur,t3.
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Es kann jedoch alternativ auch ein Wärmespeichermedium verwendet werden,
dessen Schmelztemperatur etwas oberhalb der größtmöglichen Umgebungstemperatur liegt,
der die Maschine ausgesetzt ist. Dadurch wird insbesondere bei intermittierendem
Betrieb eine verhältnismäßig gleichbleibende Temperatur der Maschine erreicht, die
zur Erhöhung der Lebensdauer beiträgt.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Stator der Maschine -zusätzlich
mit mindestens einem Heizrohr versehen, dessen eines Ende im Bereich des Wärmespeichermediums
liegt und dessen anderes Ende in einem radial inneren Bereich des Stators verläuft.
Dadurch wird vermieden, daß sich zwischen dem radial äußeren und dem radial inneren
Bereich des Stators zu große Temperaturunterschiede ausbilden aufgrund des Umstandes,
daß das Wärmespeichermedium temperaturbegrenzend wirkt.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
mehreren Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Axialschnitt einer Maschine, wobeidieobere Hälfte der
Figur und die untere Hälfte derselben zwei verschiedene Modifikationen zeigen; Fig.
2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II, wobei wiederum die obere und die untere
Hälfte der Figur sich auf die Varianten gemäß Fig. 1 beziehen; Fig. 3 ist ein Axialschnitt
durch eine bekannte Maschine mit nachträglich aufgesetzter Kühleinrichtung, und
Fig. 4 ist ein Schnitt längs der Linie IV-IV von Fig.3.
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Bei den in Fig. 1 dargestellten beiden Ausführungsformen einer elektrischen
Maschine sind die beiden Ausführungsformen gemeinsamen Bauteile mit.zweistelligen
Ziffern, die unterschiedlichen Bauteile mit dreistelligen Ziffern bezeichnet.
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Die elektrische Maschine nach Fig. 1 bildet eine Gleichstrommaschine
mit einem Rotor 1, der auf einer Welle 2 sitzt und eine glockenförmige Gestalt hat.
Der Rotor weist eine zylindermantelförmige eisenlose Wicklung 3 auf, die in einem
Luftspalt des Stators umläuft. Der Stator ist im wesentlichen gebildet aus einem
äußeren Eisenrückschlußring 4, einem innenen Eisenrückschlußring 5 und aus vier
Magnetschalen 6, die gleichmäßig über den Umfang des inneren Eisenrückschlußringes
verteilt auf demselben befestigt sind und deren radial außen liegende Oberflächen
mit der inneren Oberfläche des äußeren Eisenrückschlußringes den Luftspaltraum begrenzen.
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Der Stator ist durch einen Deckel 7 verschlossen, an dem die Anschlußfahnen
8 und die mit diesen verbundenen Bürsten 9 befestigt sind. Die Bürsten schleifen
auf einem in der Verlängerung der Welle 2 liegenden Kommutator 10.Die Welle ist
in einem inneren Lager 11
und einem äußeren Lager 12 gelagert.
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Bei der im oberen Teil von Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das
innere Eisenrückschlußteil 5 mit den daran befestigten Magnetschalen auf einer Aluminiumnabe
113 befestigt, welche in eine Stirnscheibe 114 und diese wiederum in einen rohrförmigen
Gehzusemantelil5 übergeht,der an seinem freien Ende radial nach innen umgebördelt
ist. Der Gehäusemantel hat einen so großen lichten Durchmesser, daß zwischen diesem
und dem äußeren Eisenrückschlußring 4 ein Hohlraum 116 gebildet ist, in den ein
Wärme speichermedium eingefüllt ist, beispielsweise ein NatriwTsalz der Formel Na2C2H3Q
3 3 H2O, das einen Schmelzpunkt von 580C hat und eine spezifische Schmelzwärme von
265 kJ/kg. Es können natürlich stattdessen auch andere aus der Vielzahl der aus
der Solar- und Wärmespeichertechnik bekannten Medien verwendet werden.
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Beim Betrieb der Maschine wird die in der Wicklung 3 erzeugte Wärme
auf den äußeren Eisenrückschlußring 4 sowie auf die als Permanentmagnete ausgebildeten
Magnetschalen 6 übertragen.
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Die von dem äußeren Eisenrückschlußring aufgenommene Wärme wird auf
das Wärmespeichermedium übertragen,welches dabei gegebenenfalls bis auf eine Temperatur
von 58 C erwärmt wird und bei Erreichen dieser Temperatur weiter Wärmeenergie aufnimmt,
ohne vorerst seine Temperatur zu erhöhen. Erst wenn die gesamte Menge des Wärmespeichermediums
vom festen in den flüssigen Zustand übergegangen ist, würde die Temperatur weiter
steigen. Dieser Betriebsbereich sollte jedoch durch geeignete Wahl der Art und Menge
des Wärmespeichermediums ausgeschlossen werden. Dadurch, daß das Wärmespeichermedium
Wärmeenergie aufnehmen kann, ohne seine Temperatur zu erhöhen, erreicht man eine
gleichmäßigere Temperaturbelastung der Maschine, die insbesondere bei intermittierendem
Betrieb günstig ist, da sie die Lebensdauer der Maschine erhöht.
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Die auf die Magnetschalen 6 übergegangene Wärme gelangt über den inneren
Eisenrückschlußring 5 zur Aluminiumnabe 113, von wo sie wegen der guten Wärmeleitfähigkeit
von Aluminium an die
Stirnscheibe 114 und an den Gehäusemantel 115
weitergeleitet wird.
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Das Einfüllen des Wärmespeichermediums in den Hohlraum 116 kann in
der Weise geschehen, daß der von der Stirnscheibe entfernt liegende Endbereich 117
der einstückig als Tiefziehteil ausgebildeten, aus der Aluminiumnabe 113, der Stirnscheibe
114 und dem Gehäusemantel 115 bestehenden Baueinheit anfangs noch nicht radial nach
innen umgebördelt ist, sondern noch in der Verlängerung des Gehäusemantels verläuft,
wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Nach dem Einlegen einer Dichtung 118'auf
die Innenseite der Stirnscheibe wird der äußere Eisenrückschlußring 4 eingesetzt,
soc1ann das Wärmespeichermedium eingefüllt,ein Dichtungsring 119 auf das freiliegende
Ende des Eisenrückschlußringes 4 aufgelegt und der Endbereich 117 schließlich radial
nach innen zeigend umgebördelt, so daß das Wärmespeichermedium hermetisch in dem
Hohlraum 116 eingeschlossen ist. Statt der Dichtungen kann auch ein Klebstoff verwendet
werden.
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Bei der im unteren Teil von Fig. 1 dargestellten abgeänderten Ausführungsform
ist der innere Eisenrückschlußring 5 an einem Kin..tof!s>ri t:z<ußt('i1 120
betestigt oder mit dieses fest vergossen. In dieses sind eine Anzahl Heizrohre 121
teilweise eingebettet. Die Heizrohre sind U-förmig gestaltet und mit einem Medium
gefüllt, das bei einer Temperatur etwas oberhalb des Schmelzpunktes des Wärmespeichermediums
kondensiert. Dadurch wird erreicht, daß Wärmeenergie aus dem radial inneren Bereich
der Maschine schnell in das Wärmespeichermedium abgeführt wird. Der Hohlraum für
das Wärmespeichermedium ist gebildet durch die äußere Oberfläche des äußeren Eisenrückschlußringes
4, eines Teiles des Kunststoffspritzgußteils 120 und eines Gehäusemantels 122, der
an seinen beiden Enden radial nach innen umgebogen ist und einerseits an einer Stirnfläche
des Kunststoffspritzgußteils 120 und andererseits an einem Stirnbereich des äußeren
Eisenrückschlußringes 4 anliegt.
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In diesen Hohlraum ragen die Heizrohre 121 teilweise hinein und sind
dort von dem Wärmespeichermedium ganz umgeben. Die Abdichtung des Hohlraums 123
kann auf an sich bekannte Weise erfolgen.
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In den Figuren 3 und 4 ist eine elektrische Gleichstrommaschine dargestellt,
die nachträglich mit einer Kühleinrichtung versehen worden ist.Die Maschine hat
einen als Tiefziehteil ausgebildeten Gehäusemantel 24 aus Aluminium, der in einen
Stirnbereich 25 übergeht und die übrigen Statorteile festsitzend urrschliest, die
nicht weiter beschrieben sind, da sie an sich bekannt sind und für die Erläuterung
dieser Ausführungsform nicht erforderlich sind.
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Die als Kühlmantel ausgebildete Kühleinrichtung umfaßt zwei Rohrstücke,
und zwar ein inneres Rohrstück 26 und ein im Durchmesser größeres äußeres Rohrstück
27, die koaxial zueinander liegen und durch Abstandsringe 28 und 29 an ihren Stirnbereichen
miteinander verbunden sind. Der durch diese Teile gebildete Hohlraum ist mit einem
Wärmespeichermedium gefüllt.
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Zur besseren Wärmeübertragung kann der Kühlmantel mit dem Gehäusemantel
24 verklebt sein.Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei der zuerst beschriebenen
Ausführungsform.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, die das Wärmespeichermedium enthaltenden
Hohlräume an anderen als den beschriebenen Stellen einer elektrischen Maschine vorzusehen.