DE3311086A1 - Waermerohranordnung zur kuehlung einer geschlossenen elektrischen maschine - Google Patents

Description

• Wärmerohranordnung zur Kühlung einer geschlossenen
• elektrischen Maschine Die Erfindung betrifft eine Wärmerohranordnung zur Kühlung einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Es sind eine Reihe von Vorschlägen und Untersuchungen bekannt, die Vorzüge des Wärmerohres auch für die Wärmeabfuhr von den aktiven Teilen elektrischer Maschinen zu nutzen. Die hohe Wärmetransportleistung des Wärmerohres bei geringen Temperaturdifferenzen längs der Transportstrecke führt zu einer intensiven Kühlung und ermöglicht eine höhere Ausnutzung des Materials gegenüber herkömmlichen Wärmeabfuhranordnungen.
• Vorteilhaft erfolgt die Anordnung der Wärmerohre in der Nähe der Wärmequellen (Wicklungen), um die thermischen Widerstände auf der Zuleitungsstrecke zu den Wärmerohren gering zu halten.
• Dies ist bei den feststehenden Teilen im allgemeinen ohne großen Aufwand möglich. Auch für den Läufer offener durchzugsbelüfteter Maschinen lassen sich Anordnungen für die Wärmeabgabe vom Wärmerohr an die durch die Maschine geleitete Kühlluft leicht realisieren. Anders sieht es für die Läufer geschlossener oberflächengekühlter Maschinen aus. Um hier die Wärme aus dem Läufer zur Umgebung herauszuführen, verbleibt nur der Weg durch die Welle.
• Die grundsätzlichen Probleme des Einsatzes von Wärmerohren zur Kühlung elektrischer Maschinen sind in der Zeitschrift "Elektrie 36 (1982) H. 1, S. 30-32 beschrieben. Dies gilt insbesondere für rotierende Wärmerohre, wie sie im Läufer einer Maschine eingesetzt sind. Hierbei kann eine Druckdifferenz als Folge der Zentrifugalkraft zur Rückführung des Kondensats genutzt werden. Aufgrund dieses Prinzips spricht man von Zentrifugal-Wärmerohren.
• Eind Kühlanordnung für den Läufer einer elektrischen Maschine mit einem Zentrifugal-Wärmerohr ist bereits bekannt (DE-OS 22 51 841), Das Wärmerohr wird hierbei durch die Läuf eröffnung, ein oder zwei Ansatzstücke und ein bis zwei Abschlußstücke mit Lüftern gebildet. Bei dieser Anordnung wird somit auf eine Hohlwelle üblicher Bauart, die in die Läuferöffnung eingesetzt und mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist, völlig verzichtet. Dies führt zwar zu einem vergrößerten Innendurchmesser des Wärmerohres, jedoch kann nicht übersehen werden, daß dies durch eine Mehrzahl von Teilen erkauft wird, Dies birgt eine erhebliche Gefahr für die Abdichtung des Wärmerohres in sich, da eine einwandfreie Punktion desselben erhebliche Druckdifferenzen zur Umgebung voraussetzt.
• Es sind auch schon Vorschläge gemacht worden, die Welle einer elektrischen Maschine selbst als Wärme rohr auszubilden und einen auf der Welle angeordneten Außenlüfter als Wärmetauscher zur Umgebungsluft hin auszubilden. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß nicht jedes Wärmeträgermedium mit dem Stahl der Welle kombiniert werden kann. So scheidet z.B. die Kombination Stahl und Wasser aus.
• Andererseits ist jedoch bei der Läuferkühlung geschlossener Maschinen mit Wärmerohren eine hohe Wärmestromdichte in axialer Richtung und ein geringer Wärmewiderstand bei der Zu- und Abfuhr der Wärme zum bzw. vom Wärmerohr erwünscht. Bei diesen Maschinen ist nämlich der Läufer im allgemeinen der wärmste Teil, da anders kein Wärmestrom in radialer Richtung zum Gehäuse zustande käme. Dies gilt besonders für Maschinen, in deren Läufer hohe Verlustleistungen anfallen, wie Kurzschlußläufer im Schaltbetrieb und bei Schweranlauf, sowie bei Gleichstrom- und Synchronmaschinen. Daher ist die Verwendung von Wärmeträgermedien mit hoher Verdampfungswärme und guter Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Wasser, anzustreben. Für den Rücktransport der Flüssigkeit im Wärmerohr von der Kühl- zur Heizzone ist eine Kapillarstruktur an der Rohrwand vorteilhaft, insbesondere bei horizontal angeordneter Welle und geringer Zentrifugalwirkung. Eine solche Kapillarstruktur, z.B. in Form von Rillen, ist in eine Welle einer elektrischen Maschine, die üblicherweise aus Stahl höherer Festigkeit gefertigt wird, nur mit erheblichem Aufwand einzuarbeiten.
• Für einen definierten Wärmetransport und damit ein optimales Arbeiten des Wärmerohres ist es günstig, die Transportstrecke zu isolieren. Dies ist bei Ausbildung der gesamten Welle eines Wärmerohres im Lagerbereich nicht in einfacher Weise möglich.
• Vielmehr ist zu befürchten, daß im Lagerbereich bereits ein erheblicher Wärmeanteil abgeleitet wird, der zu Funktionsst';rungen des Lagers führen kann.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine für beliebige Wärmeträgermedien geeignete Wärmerohranordnung zu schaffen, die sich in einfacher Weise in einer Maschine geschlossener Bauart einfügen läßt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen konstruktiven Maßnahmen gelöst.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß es nunmehr möglich ist, für ein Wärmerohr jede beliebige Paarung zwischen dem Rohrmaterial und dem Wärmeträgermedium vorzusehen.
• Das Wärmerohr kann unabhängig von den üblichen Bauteilen der Maschine - insbesondere der Welle - gefertigt werden. Dies ist bezüglich des Reinigungsprozesses, des Evakuierens, des Einfüllens des Wärmeträgermediums und des druckdichten Verschließens des Wärmerohres vorteilhaft.
• Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• So erscheint es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Wärmerohr mit einer eingearbeiteten Kapiliarstruktur, z.B. in Form von Rillen, auszustatten (Anspruch 2). Derartige Rohre können im Ziehverfahren in einfacher Weise hergestellt werden.
• Wird die Welle im bereich der Transportzone auf einen größeren Durchmesser als den Wärmerohraußendurchmesser ausgedreht, so wird das Wärmerohr in der Transportzone durch die entstehende Luftschicht wärmeisoliert (Anspruch 4). Diese Wärmeisolation kann sich nunmehr auch auf den Lagerbereich erstrecken und diesen somit vor unerwünschter Wärmeeinwirkung schützen.
• Zur Wärmeabgabe kann ein Wärmetauscher auf der Maschinenwelle außerhalb des Gehäuses angeordnet werden, wobei der Wärmetauscher als Eigenlüfter ausgebildet sein kann und gleichzeitig Kühlluft über die Maschinenoberfläche bzw. auf vorhandene Wärmetauscher von Ständerwärmerohren bläst (Anspruch 6).
• Bei Maschinen, die dauernd oder längere Zeit mit niedrigen Drehzahlen betrieben werden, und der Eigenlüfter nicht die ausreichende Kühlluftinenge fördern kann, wird vorteilhafterweise ein fremdangetriebener Lüfter zusätzlich zum Wärmetauscher/Eigenlüfter vorgesehen (Anspruch 9).
• Die vorgeschlagene Anordnung kann auch ohne zusätzliche Maßnahmen für ex-plosions- und schlagwettergeschützte Drehstrom-und Gleichstrommaschinen in den Zündschutzarten "Druckfeste Kapselung" und '?Erhöhte Sicherheit eingesetzt werden. Insbesondere bei der letzteren bietet sie bei läuferkritischen Maschinen wegen der verbesserten Wärmeabfuhr eine zusätzliche Sicherheit.
• Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine geschlossene elektrische Maschine mit einem in der Welle angeordneten Wärmerohr, im Schnitt Fig. 2 diese Maschine mit einer zusätzlichen Luftisolation längs der Transportzone, im Ausschnitt Fig. 3 diese Maschine mit zusätzlicher direkter Montage des Wärmetauschers auf dem Wärmerohr, im Ausschnitt Fig. 4 eine geschlossene Gleichstrommaschine mit gleichzeitiger Kühlung des Kommutators, im Schnitt.
• Die in der Figur 1 dargestellte Maschine besteht aus den aktiv an der Energieumwandlung beteiligten Bauteilen Ständer 1 und Läufer 2. Sie werden von den beiden Lagerschilden 6a, b und dem Gehäuse 9 völlig umschlossen. Die Verlustwärme des Ständers wird über das Gehäuse abgeleitet, dessen Oberfläche. durch Kühlrippen in bekannter Weise vergrößert werden kann. Die Wärmeabgabe wird durch einen über die Gehäuseoberfläche geleiteten Kühlluftstrom erhöht.
• Der Läufer ist auf einer Welle 3 angeordnet. Diese Welle besteht aus einem Massivabschnitt 3a, der nach einer Seite in einen Wellenstumpf 3b übergeht und nach der anderen Seite als Hohlabschnitt 3c ausgefuhrt ist. Die Welle wird hierbei in einem Lager 5a im Bereich des Massivabschnitts und in einem Lager 5b im Bereich des Hohlabschnitts geführt. In dem Hohlabschnitt ist ein Wärmerohr 4 so eingesetzt, daß sich im Bereich der Wärmezufuhr (Verdampfungszone) und der Wärmeabfuhr (Kondensationszone) ein gut wärmeübertragender Kontakt ergibt.
• Die Verlustwärme des Läufers wird im Bereich des Läuferpakets in das Wärme rohr eingeleitet und außerhalb des Maschinengehäuses auf einen auf der Welle angeordneten Wärmetauscher 11 abgegeben, der seinerseits die Wärme an die Kühlluft abgibt. Der Wärmetauscher wird, wie im Beispiel dargestellt, bei ausreichend hoher Drehzahl vorteilhaft als Lüfterrad ausgeführt, welches zur Erzeugung des Kühlluftstromes für die Wärmeabfuhr vom Maschinengehäuse dient. Eine geeignete Lüfterhaube 10 lenkt den Kühlluftstrom in Richtung Maschinengehäuse. Im Bereich der Transportzone des Wärmerohres ist eine Isolierschicht 7 vorteilhaft, um eine unerwünschte Wärmeabgabe an die Maschineninnenluft zu vermeiden. Diese kann in einfacher Weise auf der Welle angeordnet sein.
• Der in Figur 2 gezeigte Ausschnitt stellt eine Wärmerohranordnung wie in Fg, 1 dar, jedoch ist anstelle der Isolierschicht 7 auf der Welle 3 eine isolierende Luft schicht um das Wärmerohr 4 längs der Transportzone vorgesehen, die durch einen Bereich mit vergrößertem Innendurchmesser 8 des Hohlabschnitts 3c entsteht.
• Figur 3 zeigt den gleichen Ausschnitt wie Fig. 2, jedoch ist hier der Wärmetauscher 11 als Lüfter direkt auf das Wärmerohr 4 gesetzt. Wird für den Wärmetauscher ein Material besserer Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Wellenmaterial eingesetzt, so läßt sich lurch diese Anordnung die Wärmeableitung vom Wärmerohr erheblich verbessern.
• In Figur 4 ist die Wärmerohranordnung für eine Gleichstrommaschine abgewandelt. Hierbei ist der Hohlabschnitt 3c soweit verlängert, daß er auch den gesamten Bereich des Kommutators 12 dieser Maschine erfaßt. Für den gesamten Hohlabschnitt ist wiederum ein Wärmerohr 4 vorgesehen. Damit ist es möglich, die Verlustwärme des Kommutators anteilmäßig über das Wärmerohr in der Welle 3 abzuführen.
• Beispielhaft ist hier ein Fremdlüfter 14 vorgesehen, der Kühlluft über den Wärmetauscher 11 bläst, um auch bei ungenügender Wärmeabgabe, z.B. bei zu niedriger Drehzahl, eine ausreichende Kühlung zu bewirkens

Claims (9)

1. Ansprüche: S Wärmerohranordnung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, mit einer um ihre Längsachse rotierenden, aus einem Massiv-und einem Hohlabschnitt bestehenden Welle, deren Hohlabschnitt zur Wärmeübertragung teilweise mit einem verdampfbaren Wärmeträgermedium gefüllt ist, das in einer mit dem Läufer der Maschine in Wärmekontakt stehenden Verdampfungszone innerhalb der Welle verdampft, sich in einer daran anschließenden Transportzone fortbewegt und in einer am Ende des Hohlabschnitts gelegenen, von außen gekühlten Kondensationszone kondensiert, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Welle (3) in den Lagerschilden (6a, b) der Maschine in geschlossener bauart derart gelagert ist, daß der Massivabschnitt (3a) sich nach einer Seite vom Ende des Läufers (2) bis zu einem Lagerschild (6a) und anschließend in einen Wellenstumpf (3b) endend erstreckt und daß der Hohlabschnitt (3c) auf der anderen Seite die im Läuferbereich befindliche Verdampfungszone, die daran anschließende Transportzone und die außerhalb des anderen Lagerschilds (6b) befindliche Kondensationszone umfaßt, wobei der Hohlabschnitt nach außen offen ist, und daß in diesem Abschnitt ein der gesamten Länge des Abschnitts entsprechendes Wärmerohr (4) eingeschrumpft ist.
2. 2. Wärmerohranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in das Wärmerohr (4) in an sich bekannter Weise eine KapiUarstruktur eingearbeitet ist.
3. 3. Wärmerohranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Welle (3) im Bereich der Transportzone von einer Isolierschicht (7) umgeben ist, die sich vom Läufer (2) bis zum Lagerschild (6b) erstreckt.
4. 4. Wärmerohranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Welle (3) im Bereich der Transportzone einen Bereich mit einem erweiterten Innendurchmesser (8) aufweist, der sich vom Läufer (2) bis außerhalb des Lågerschilds (6b) erstreckt, wobei das Wärmerohr (4) mittels einer Luftschicht isoliert ist.
5. 5. Wärmerohranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c. h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Wärmerohr (4) nur im Bereich der Verdampfungs- und der Transportzone in der Welle (3) geführt ist, und daß auf den über das Wellenende herausragenden Abschnitt des Wärmerohres außerhalb des Maschinengehäuses (9) direkt ein Wärmetauscher (1-1) gesetzt ist.
6. 6. Wärmerohranordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmetauscher (11) außerhalb des Maschinengehäuses (9) als Eigenlüfter zur Kühlung der Oberfläche des Maschinengehäuses ausgebildet ist.
7. 7. Wärmerohranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmetauscher (11) eine bessere Wärmeleitfähigkeit als die der Welle (3) aufweist.
8. 8 Wärmerohranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, vorzugsweise für eine Gleichstrommaschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Hohlabschnitt (3c) das darin befindliche Wärmerohr (4) bis einschließlich den den Kommutator (12) tragenden Bereich verlängert ist.
9. 9. Wärmerohranordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine den Wärmetauscher (11) abdeckende Lüfterhaube (10) mit einem Ansatz (13) verlängert ist, in dem zusätzlich ein Fremdlüfter (14) angeordnet ist.