DE315791C

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Publication number: DE315791C
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Bei umlaufenden Maschinenteilen, welche von Gasen, beispielsweise Kühlluft, durchströmt werden, hat man bisher keinen besonderen Wert auf die Verhältnisse gelegt, unter denen der Austritt des Gases aus dem Läufer erfolgt, sondern begnügte sich im allgemeinen damit, das Gas in radialer Richtung möglichst ungehindert austreten zu , lassen, indem man lediglich für ausreichende Querschnitte der Luftwege sorgte und plötzliche Richtungsänderungen und sonstige Widerstände dieser Luftwege nach Möglichkeit vermied. .With rotating machine parts through which gases, for example cooling air, flows be, one has so far not placed special emphasis on the conditions under which the escape of the gas from the Runner takes place, but is generally content with the gas in a radial direction to escape as unhindered as possible, by only providing sufficient cross-sections of the airways and sudden changes of direction and other resistances of these airways whenever possible avoided. .

Im folgenden soll jedoch an Hand der Zeichnung gezeigt werden, daß gemäß der Erfindung derartige Einrichtungen bezüglich Leistung und Wirtschaftlichkeit ohne durchgreifende konstruktive Abänderungen erheblich verbessert werden können. Der Einfachheit halber soll im folgenden nur von Luftkühlung die Rede sein, obwohl sich die Erfindung nicht auf solche beschränkt, sondern ebenso auch jedes andere Gas verwendet werden kann.In the following, however, it should be shown with reference to the drawing that according to the invention such facilities in terms of performance and economy without radical constructive changes can be significantly improved. Of simplicity For the sake of the following, only air cooling will be mentioned, although the invention is not limited to such, but any other gas can be used as well can.

Fig. ι stellt im Querschnitt, Fig. 2 im Längsschnitt den umlaufenden Teil einer beliebigen Maschine dar. Dieser Läufer soll beispielsweise mit Luft gekühlt werden. Zu diesem Zwecke sind, wie insbesondere auch die Fig. 2 zeigt, in dem Läuferkörper 1 Achsialkanäle 2 vorgesehen, in die die Kühlluft, wie die Pfeile andeuten, von den Stirnseiten des Läufers her eintritt, während sie, wie die Fig. 1 auf der rechten Hälfte zeigt, nach Durchströmen der Achsialkanäle durch radial gerichtete Ausströmkanäle 3 ins Freie gelangt.Fig. Ι shows in cross section, Fig. 2 in longitudinal section the circumferential part of any Machine. This runner is to be cooled with air, for example. to For this purpose, as also shown in particular in FIG. 2, in the rotor body 1 Axial channels 2 are provided, into which the cooling air, as the arrows indicate, from the end faces of the runner enters her while, as Fig. 1 shows on the right half, after flowing through the axial channels through radially directed outflow channels 3 into the open got.

Die Richtung, unter der die Luft den Läufer tatsächlich verläßt, ist jedoch nicht ebenfalls radial, sondern ergibt sich aus folgender Überlegung: Untersucht man die Kräfte, unter deren Einwirkung ein aus dem Ausströmkanal eben austretendes Teilchen der Kühlluft steht, so wird man feststellen, daß dieses Teilchen zunächst unter der Einwirkung" der Drehung des umlaufenden Teiles 1 eine Umfangsgeschwindigkeit annimmt, welche in tangentialer Richtung im gleichen Sinne wie die Drehrichtung wirkt und die nach Richtung und Größenordnung durch die Komponente U₂ in Fig. 1 rechts gegeben sein mag. Ferner wird das Kühlluftteilchen aber auch unter der durch die Umdrehung bewirkten Ventilation bestrebt sein, den radialen. Ausströmkanal 3 in radialer Richtung zu verlassen mit einer Geschwindig-" keit, die nach Richtung und Größenordnung durch die Komponente W₂ der Fig. 1 rechts gegeben sein mag und als Relativgeschwindigkeit bezeichnet wird. Sie ist gleich derjenigen. Geschwindigkeit, mit der die Kühlluft den radialen Ausströmkanal 3 verlassen würde, wenn man bei stillstehendem Läufer die gleiche Luftmenge mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Luftwege hindurchtreiben würde wie beim normalen Betrieb. Der Größenordnung nach wird W₂ im allgemeinen gleich M₂ sein, zum mindesten wird.The direction in which the air actually leaves the rotor, however, is not also radial, but results from the following consideration: If one examines the forces under whose influence a particle of the cooling air emerging from the outlet channel is, one will find that this particle initially assumes a circumferential speed under the influence of the rotation of the rotating part 1, which acts in the tangential direction in the same sense as the direction of rotation and which may be given in terms of direction and magnitude by the component U ₂ on the right in FIG However, the cooling air particle also strive, under the ventilation caused by the rotation, to leave the radial outflow channel 3 in the radial direction at a speed which, in terms of direction and magnitude, may be given by the component W ₂ of FIG. 1 on the right and is referred to as the relative speed. She is the same as that. Speed at which the cooling air would leave the radial outflow channel 3 if the same amount of air were to be driven through the airways at the same speed as in normal operation when the rotor was at a standstill. In terms of magnitude, W _{2 will} generally be equal to M ₂ , or at least will be.

der Unterschied zwischen beiden, wenn nicht erhebliche Widerstände in den Luftwegen des Läufers eine Drosselung bewirken, nur sehr gering sein, so daß die beiden Geschwindig'-keiten für die nachfolgenden Betrachtungen ohne erheblichen Fehler einander nahezu gleich gesetzt werden können. In der Zeichnung ist dementsprechend W₂ nur um ein geringes kleiner als U₂ gezeichnet.the difference between the two, if not considerable resistances in the airways of the rotor cause a throttling, can only be very small, so that the two speeds can be set almost equal to one another for the following considerations without significant errors. In the drawing, W ₂ is accordingly drawn only slightly smaller than U _2.

ίο Unter dem gleichzeitigen Einfluß der Umfangsgeschwindigkeit Ji₂ und der Relativgeschwindigkeit W₂ wird das austretende Luftteilchen eine absolute Geschwindigkeit annehmen, die nach Richtung und Größenordnung durch die Resultierende C₂ gegeben ist.ίο Under the simultaneous influence of the peripheral speed Ji ₂ and the relative speed W ₂ , the exiting air particle will assume an absolute speed which is given by the resultant C _{2 in terms of direction and magnitude.}

Diese Resultierende C₂ wird, solange dieThis resultant C ₂ is as long as the

beiden Komponenten M₂ und W₂ einen rechten oder einen spitzen Winkel bilden, stets größer sein als jede der Komponenten. Würden die beiden Komponenten einen stumpfen Winkel miteinander bilden,. so würde die Resultierende kleiner ausfallen, und zwar um so kleiner, je stumpfer der Winkel ist, unter dem die Komponenten . M₂ und W₂ zueinander stehen.two components M ₂ and W _{2 form} a right or an acute angle, always be larger than each of the components. The two components would form an obtuse angle with each other. so the resultant would be smaller, the smaller the more obtuse the angle at which the components are. M ₂ and W ₂ stand in relation to one another.

Da die Umfangsgeschwindigkeit U₂ im Sinne der Drehrichtung wirkt, müßte somit die Relativgeschwindigkeit W₂ entgegengesetzt der Drehrichtung wirken.Since the circumferential speed U ₂ acts in the sense of the direction of rotation, the relative speed W ₂ would therefore have to act opposite to the direction of rotation.

Konstruiert man, wie auf der rechten Seite der Figvi, auch für diesen Fall das Parallelogramm der Geschwindigkeiten für ein den schrägen Austrittskanal 4 eben verlassendes Kühlluftteilchen, und zwar unter der Voraussetzung, daß Luftmenge, Umfangsgeschwindigkeit und Relativgeschwindigkeit der austretenden Kühlluft ihrer Größenordnung nach gleich den entsprechenden Werten des ersten Falles sind, so ergibt sich das auf der linken Seite der Fig. 1 gezeichnete Diagramm. . In diesem Falle ist die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit M₂ wie im ersten Falle tangential und im gleichen Sinne wirkend wie die Drehrichtung. Die Relativgeschwindigkeit W₂ erhält infolge der schräg, entgegengesetzt der Drehrichtung geneigten Lage des Ausströmkanals 4 die aus dem Diagramm ersichtliche, nahezu tangentiale, dem Drehsinn entgegengesetzte Richtung. Aus den Komponenten M₂ und W₂ ergibt sich in diesem Falle die. Resultierende c'₂. As on the right-hand side of Figvi, construct the parallelogram of the velocities for a cooling air particle just leaving the inclined outlet channel 4, provided that the amount of air, circumferential speed and relative speed of the exiting cooling air are of the same order of magnitude as the corresponding Are values of the first case, the result is the diagram drawn on the left-hand side of FIG. 1. . In this case, the direction of the circumferential speed M _{2 is} tangential as in the first case and acts in the same sense as the direction of rotation. As a result of the obliquely inclined position of the outflow channel 4 in the opposite direction to the direction of rotation, the relative speed W _{2 is given the almost tangential direction which can be seen in the diagram and is opposite to the direction of rotation.} In this case, the components M ₂ and W _{2 result.} Resultant c ' ₂ .

Wie die Figur ohne weiteres zeigt, ist die Resultierende c'₂ auf der linken Seite der Fig. ι ganz wesentlich kleiner als C₂ auf der rechten Seite der Figur. Zum Vergleich sind die beiden Diagramme in Fig. 3 noch einmal, bezogen auf denselben Koordinaten-Anfangspunkt, herausgezeichnet,. M₂ stellt auch hier wieder die Umfangsgeschwindigkeit, W₂ die in beiden Fällen der Größenordnung nach gleiche Relativgeschwindigkeit und C₂ und c'₂ die entsprechenden Resultierenden dar. Da bekanntlich die Ventilationsarbeit bei gleichem U₂ proportional der in der Umfangsrichtung' wirkenden Komponente der abso- ^C5 luten Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist und da im vorliegenden Fall jene Komponente um so kleiner wird, j e kleiner die zugehörige Geschwindigkeit ist, so sind in Fig. 3 die Strecken A-B und A-C ein direktes Maß für den Arbeitsaufwand. Da. inAs the figure shows without further ado, the resultant c ' ₂ on the left-hand side of FIG. 1 is very much smaller than C ₂ on the right-hand side of the figure. For comparison, the two diagrams in FIG. 3 are drawn out again, based on the same coordinate starting point. M ₂ represents Here again the peripheral speed W _2, in both cases the order according to the same relative speed, and C _2, and C _'2, the respective resultant. As is well known, the ventilation operation with the same U ₂ proportional to the in the circumferential direction' acting component of the abso - ^C 5 is the exit speed of the coolant and since in the present case that component becomes smaller the lower the associated speed, the distances AB and AC in FIG. 3 are a direct measure of the workload. There. in

dem dargestellten Falle -τ~ΐ· — ~— ist, ist ' ⁶ A-B_: 4,15 is -τ ~ ΐ · - ~ - in the illustrated case ^{, '6} AB _: 4.15

hier die Ventilationsarbeit, welche bei der in Fig. ι links dargestellten Schräglage der Austrittskanäle 4 aufzuwenden ist, nur 18 Prozent derjenigen Ventilationsarbeit, welche bei radialer Richtung der Austrittskanäle 3, wie sie die rechte Seite der Fig. 1 zeigt, bei. gleicher Luftmenge, Luftgeschwindigkeit und gleichen Widerständen aufzuwenden wäre.here the ventilation work, which in the inclined position of the outlet channels shown in Fig. ι left 4, only 18 percent of the ventilation work which in the radial direction of the outlet channels 3, as shown on the right-hand side of FIG. the same amount of air, air speed and the same resistances would have to be expended.

Aus der linken Seite der Fig. 1 folgt ohne weiteres, daß die Resultierende c'₂ um so kleiner wird, je mehr sich die Richtung der Komponente W₂ der durch ihren Anfangspunkt gelegten Tangente nähert. Es ergibt sich ferner, daß gleichzeitig hiermit die Richtung der Resultierenden c'₂ sich mehr und mehr der radialen Richtung nähert. Diese Annäherung findet jedoch eine Grenze, die durch die konstruktiven Bedingungen bestimmt wird.From the left-hand side of FIG. 1 it follows without further ado that the resultant c ' ₂ becomes smaller the closer the direction of the component W ₂ approaches the tangent laid through its starting point. It also emerges that at the same time the direction of the resultant c ' ₂ approaches the radial direction more and more. However, this approximation finds a limit which is determined by the design conditions.

Diese theoretische Erkenntnis läßt sich erfindungsgemäß vorteilhaft zur Verminderung der Ventilationsarbeit bei umlaufenden Maschinenteilen der verschiedensten Art praktisch verwerten. Von den möglichen Anwendungsgebieten sollen im folgenden des Beispiels halber nur zwei erwähnt werden. So könnte man die in Fig. 1 dargestellte Anordnung beispielsweise so durchbilden, daß sie zur Kühlung einer Maschine mit umlaufendem Kolben benutzt werden kann.According to the invention, this theoretical knowledge can advantageously be used to reduce the ventilation work with rotating machine parts of various kinds is practical utilize. Of the possible areas of application, the following example only two should be mentioned for the sake of it. The arrangement shown in FIG. 1 could thus be used for example, so that they can be used to cool a machine with a rotating Flask can be used.

Aber auch für die Kühlung elektrischer Maschinen ist die Anordnung mit besonderem Vorteil verwendbar. Fig. 4 zeigt ein solches Anwendungsbeispiel für den umlaufenden Feldmagneten einer elektrischen Maschine, bei der die Wicklung durch zahnförmige Spulenhalter, die mit verbreiterten Füßen in Nuten des Läuferkörpers befestigt sind, gegen.die Wirkungen der Fliehkraft festgehalten werden, wobei diese Spulenhalter sämtlich oder zum Teil mit achsialen Kanälen zur Durchführung von Kühlluft versehen sind! Läuferanordnungen dieser oder ähnlicher Art zeigen beispielsweise die Patentschriften 180448 und 285029.But the arrangement is also special for cooling electrical machines Advantage usable. Fig. 4 shows such an application example for the circulating Field magnets of an electrical machine in which the winding is through tooth-shaped Coil holders, which are fastened with widened feet in grooves in the rotor body, gegen.die effects of centrifugal force are held, with these bobbin holders all or partly provided with axial channels for the passage of cooling air are! Rotor arrangements of this or a similar type are shown, for example, in the patents 180448 and 285029.

In Fig. 4 bedeutet 5 den Läuferkörper eines umlaufenden Feldmagneten der oben erwähnten Art. ■ In demselben sind Nuten 6 vorgesehen, die von den Zähnen 7 beidersei-In Fig. 4, 5 denotes the rotor body of a rotating field magnet of the above-mentioned Art. ■ In the same grooves 6 are provided, which are held by the teeth 7 on both sides.

tig begrenzt sind. In diese Nuten 6 sind die Füße der Wicklungshalter 8 eingeschoben. Zwischen je zwei solchen Wicklungshaltern liegt auf dem Zahn 7 auf ruhend je eine Spulenseite 9, die durch den zwischen die Wicklungshalterköpfe eingetriebenen Keil 10 fest gegen den als Widerlager dienenden Zahn 7 gepreßt werden. Die Wicklungshalter 8 besitzen einen achsialen Kanal 11 zur Durchleitung von Kühlluft, die diesem Kanal durch \^rermittlung besonderer Luftzuführungskanäle 12 im Läuferkörper über in gewissen Ab-. ständen vorgesehene, radiale Lüftungsschlitze zugeführt wird. Die Abführung der Kühlluft aus dem Achsialkanal n erfolgt durch einen-Ausströmkanal 13, der infolge seiner Form und Lage der austretenden Kühlluft, 'wie die Pfeile andeuten, unter allmählicher Umlenkung eine der Drehrichtung entgegengesetzte, möglichst tangentiale Richtung erteilt.are limited. The feet of the winding holders 8 are pushed into these grooves 6. Between every two such winding holders, on the tooth 7, there is a respective coil side 9, which is pressed firmly against the tooth 7 serving as an abutment by the wedge 10 driven between the winding holder heads. The coil holder 8 have an axial channel 11 for the passage of cooling air through this channel \ ^r determination of special air supply channels 12 in the rotor body over in certain waste. Stands provided, radial ventilation slots is fed. The cooling air is discharged from the axial duct n through an outflow duct 13 which, due to its shape and position of the exiting cooling air, as the arrows indicate, gradually deflects a direction opposite to the direction of rotation, as tangential as possible.

Um in dem Wicklungshalter 8 den Achsialkanal 11 und den Ausströmkanal 13 leicht herstellen zu können, kann man zweckmäßig das ganze Wicklungshalterpaket aus mehreren Teilen zusammensetzen, von denen die einen, die in Fig. 5, die anderen die in' Fig. 6 dargestellte Form aufweisen. Hierbei kann man die Anordnung entweder so treffen, daß der Ausströmkanal 13 im mittleren Teil des AVicklungshalterpakets oder aber an dessen Stirnseiten liegt. Letztere Anordnung kann man auch bei massiven, aus einem Stück bestehenden Wicklungshaltern anwenden, indem man den Ausströmkanal 13 aus einer oder beiden Stirnseiten des Wicklungshalterpakets beispielsweise durch Fräsen oder ein gleichwertiges Arbeitsverfahren herausarbeitet. In vielen Fällen wird es überhaupt zweckmäßig sein, diese Wicklungshalter aus gestanzten Blechen aufzuschichten, wobei auch hier ein Teil dieser Bleche die Form nach Fig. 5, ein anderer Teil diejenige nach Fig·. 6 besitzt.In order to easily reach the axial duct 11 and the outflow duct 13 in the winding holder 8 to be able to produce, you can expediently the whole winding holder package from several Assemble parts, one of which is shown in Fig. 5, the other shown in 'Fig. 6 Have shape. Here you can either make the arrangement so that the outflow channel 13 in the middle part of the A winding holder package or on its end faces. The latter arrangement can can also be used with massive, one-piece winding holders by the outflow channel 13 from one or both end faces of the winding holder package worked out, for example, by milling or an equivalent working process. In many cases it will be useful at all to have these coil holders punched out Stack up sheets, with a part of these sheets according to the shape FIG. 5, another part that of FIG. 6 owns.

Liegt der Ausströmkanal in der Mitte des Wicklungshalterpakets, so kann man die Kühlluft beispielsweise durch zwischen den einzelnen Wicklungshalterpaketeri vorgesehene radiale Lüftungsschlitze in dieAchsialkanäle 11 eintreten lassen, während bei An-Ordnung der Ausströmkanäle an den Stirnseiten der Wicklungshalterpakete die Zufüh-■ rung der Kühlluft zu den Achsialkanälen 11 beispielsweise von den Stirnseiten des Läufers her erfolgen könnte.If the outflow channel is in the middle of the winding holder package, you can the cooling air, for example, through provided between the individual winding holder packages Allow radial ventilation slots to enter the axial channels 11, while at an-order the outflow channels on the end faces of the winding holder packs the supply ■ tion of the cooling air to the axial channels 11, for example from the end faces of the rotor could be made forth.

Wie schon erwähnt, ist jedoch auch dies nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche bei zweckmäßiger Durchbildung nicht nur für die umlaufenden Teile beliebiger elektrischer Maschinen, sondern auch für die umlaufenden Teile von Maschinen irgendwelcher Art mit Vorteil verwendet werden kann.As already mentioned, however, this is only one embodiment of the invention, which with appropriate implementation not only for the rotating parts of any electrical Machines, but also for the rotating parts of machines of any kind can be used with advantage.

Obwohl die in der Zeichnung dargestellten Figuren Ausführungsbeispiele zeig"en, bei denen die Ausströmkanäle 4 bzw. 13 von vornherein in den in Frage kommenden Ma-. schinenteilen durch Aussparung von Material vorgesehen sind, kann man die Anordnung auch, derart abändern, daß man die Ausström-, kanäle durch Einbau besonderer Teile, wie z. B. Distanzstücke, Führungen o. dgl. erst 70 bildet. Fig. 7 zeigt in perspektivischer. Ansicht ein derartiges Ausführungsbeispiel in etwas größerem Maßstabe. Dort ist an der Stirnseite eines Wicklungshalters 8, der in diesem Falle nicht aus Blechen geschichtet zu sein braucht, sondern auch aus einem massiven Stück hergestellt sein kann, ein Distänzstück 14 beigelegt oder mit dem Wicklungshalter verbunden. Dieses Distanzstück hat eine mit dem Achsialkanal des Wicklungshalters übereinstimmende Öffnung 11 in der Mitte, deren Rand derart hoch gebogen ist, daß die Öffnung gewissermaßen von einem Wall 15 umgeben ist. Im oberen Teil setzt sich dieser Wall nach außen, in der Art fort, daß ein entgegengesetzt der Drehrichtung geneigter Auströmkanal 13 entsteht, wie ihn die Fig. 4 zeigt. Das Distanzstück kann sowohl in einem Stück gegossen oder aus Blech gestanzt sein oder es kann aus mehreren Stücken durch Lötung oder Schweißung zusammengesetzt werden. Statt den Ausströmkanal für das Kühlmittel im Distanzstück auszubilden, kann man auch statt oder außer diesen letzteren besondere Fülirungsstücke einbauen, welche entweder für sich allein oder in Verbindung mit den Distanzstücken das austretende Kühlmittel in der im Anspruch 1 gekennzeichneten Weise leiten. ' Die kon-' struktive Durchbildung des Luftaustrittka- 10.0 nals an sich ist naturgemäß auf sehr verschiedene Weisen möglich und ist für den Geltung'sbereich der Erfindung unerheblich.Although the figures shown in the drawing show exemplary embodiments, in which the outflow channels 4 and 13 from the outset in the relevant Ma-. machine parts are provided by recessing material, one can use the arrangement also, modify in such a way that the outflow, channels by installing special parts, such as z. B. spacers, guides or the like. Only 70 forms. Fig. 7 shows in perspective. View such an embodiment on a slightly larger scale. There is at the Front side of a winding holder 8, which in this case is not layered from sheet metal too but can also be made from one solid piece, a spacer piece 14 enclosed or connected to the winding holder. This spacer has a matching with the axial channel of the winding holder opening 11 in the Middle, the edge of which is so highly curved that the opening is, as it were, from a Wall 15 is surrounded. In the upper part this wall continues to the outside, in the manner that an oppositely inclined to the direction of rotation Auströmkanal 13 arises, like him Fig. 4 shows. The spacer can be cast in one piece or punched from sheet metal or it can be assembled from several pieces by soldering or welding will. Instead of forming the outflow channel for the coolant in the spacer, it is also possible instead of or in addition to these latter build special Fülirungsteile, which either alone or in connection with the spacers, the escaping coolant in the in claim 1 in the designated manner. 'The constructive formation of the air outlet ca- 10.0 nals per se is naturally possible in very different ways and is for the Scope of the invention is irrelevant.

Claims

Patent claims

i. Arrangement to reduce the work of ventilation of flowing gases rotating machine parts, in particular of electrical machines, in which the latter the flowing gas as Coolant used when it emerges from the axial, in the core, in teeth or . In this way, channels installed in special coil holders of the rotor are conducted that the component acting in the circumferential direction of the absolute speed of the exiting coolant is as small as possible, characterized in that the outlets of these channels are directed towards the outer circumference, but opposite to the direction of rotation. .

2. Embodiment of the arrangement according to claim i, characterized in that that the relative speed of the escaping gas according to direction and magnitude is dimensioned so that the resulting 'speed as possible is directed radially.

3. embodiment of the arrangement according to claim 1 in electrical machines, the rotor of which contains massive, exchangeable, axially drilled winding holders, characterized in that that the outlets for the coolant from one or both end faces of the winding holder are carved out by milling or equivalent work processes.

4. embodiment of the arrangement according to claim 1 in electrical machines, whose rotors have exchangeable, axially drilled coil holders, characterized in that these | are composed of several parts, of which only a certain number with omission of the characterized in claim 1 Kind is provided.

5. embodiment of the arrangement according to claim 1 for electrical machines, in which part of the bobbin holders or all of them are made of sheet metal or disks and are stacked with axial channels are provided for guiding the coolant, characterized in that only one Part of the mentioned sheets or disks outlets of the characterized in claim 3 Kind receives.

6. embodiment of the arrangement according to claim 1, characterized in that that the outlets from the axial channels through specially shaped end plates or with specially built-in guide pieces, alone or in conjunction with the spacers commonly used in dynamo machines are formed.

1 sheet of drawings.