DE3707683A1 - Verfahren und anordnung zur kuehlung von spulen und blechpaket des staenders einer elektrischen maschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Spulen und Blechpaket einer elek­ trischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Aus der DE-A 34 44 189 ist eine gattungsgemäße Anordnung bekannt. In dieser Schrift ist auch der Stand der Technik ausführlich beschrieben, so daß hier auf nicht erfindungs­ wesentliche Einzelheiten verzichtet werden kann. Auf die in der DE-A 34 44 189 enthaltenen Angaben wird ausdrück­ lich Bezug genommen. Bei der nach dem Stand der Technik vorgeschlagenen Kühlung sind in den Zähnen des Ständer­ blechpaketes Zusatzschlitze vorgesehen, in welche Teil­ ströme des Kühlgases übergeleitet und von dort zu Aus­ lässen an den Zahnköpfen geführt werden. Diese Ausführungs­ form verbessert zwar die Kühlung, jedoch gehen die in das Zahninnere abgeleiteten Teilströme für die Kühlung in den Radialschlitzen verloren, so daß dort eine verringerte Kühlwirkung eintritt. Außerdem können sich Stabilitäts­ probleme durch Auslaßöffnungen an den Zahnköpfen ergeben, da sich gerade in diesem Bereich die Nutenverschlußkeile, welche die Spulen in den Nuten festhalten, abstützen. Auslaßschlitze in den Zahnköpfen können daher verformt werden bzw. verringern die Abstützungsmöglichkeiten der Nutenverschlußkeile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demgegenüber ein Ver­ fahren bzw. eine Anordnung zur Kühlung von Spulen und Blech­ paket, insbesondere des Ständers, einer elektrischen Ma­ schine vorzugsweise eines Turbogenerators, bei welcher die Zähne ebenfalls durch Zusatzschlitze von innen gekühlt werden, ohne daß die genannten Nachteile des Ständes der Technik zum Tragen kommen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Er­ findungsgemäß werden durch Strömungsleitwände im Inneren der Radialschlitze Teilströme des Kühlgases in Zusatz­ schlitze im Inneren der Zähne umgeleitet und später wieder mit den Hauptkühlgasströmen in den Radialschlitzen ver­ einigt. Dabei treten zwar geringfügig erhöhte Strömungs­ widerstände durch die Strömungsleitwände und die verlän­ gerten Wege auf, jedoch wird diese Wirkung durch die er­ heblich vergrößerte Kühloberfläche, die sehr wirksame Zahninnenkühlung und ggf. durch eine Kühlrippenwirkung der Strömungsleitwände überkompensiert. Durch die Zahn­ innenkühlung wird der Kühlgasdurchsatz in den Radial­ schlitzen nur in kurzen Bereichen verringert, bleibt an­ sonsten jedoch gleich. Die Kühloberfläche wird durch die Zusatzschlitze erheblich vergrößert, wobei zusätzlich die Wärme dort abgeführt werden kann, wo sie entsteht. Eine Schwächung der Zahnköpfe durch Auslaßschlitze unter­ bleibt. Das erfindungsgemäße Prinzip ist außer für Stän­ der von elektrischen Maschinen auch für ähnliche Anordnun­ gen bei Läufern, z. B. rotierende Anker, geeignet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben. Für den Effekt der vorlie­ genden Erfindung spielt es nur eine untergeordnete Rolle, ob die Zusatzschlitze zwei benachbarte Radialschlitze untereinander verbinden und somit Teilströme von einem Radialschlitz in einen anderen umleiten, oder ob die Teilströme in den jeweiligen Radialschlitz zurück­ geleitet werden. Im Ergebnis bleibt die Kühlgasmenge in den Radialschlitzen insgesamt in etwa gleich.

Eine für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete Anordnung ist im Anspruch 5 angegeben, wobei die Ansprüche 6 bis 13 vorteilhafte Ausgestaltungen be­ treffen.

Zur Verteilung der einzelnen Teilströme auf Radialschlitze und Zusatzschlitze dienen die Strömungsleitwände. Im einfachsten Fall können solche Strömungsleitwände Stege sein, welche einen mehr oder weniger großen Anteil des Radialschlitzes zwischen Ein- und Auslaß eines Zusatz­ schlitzes versperren. An einer solchen Drosselstelle strömt ein Teil des Kühlgases durch den betreffenden Zusatzschlitz. Die Wirkung der Strömungsleitwände kann durch geeignete Gestaltung dahingehend verstärkt werden, daß diese die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases in eine erhebliche Druckdifferenz bezüglich Ein- und Auslaß der Zusatzschlitze umwandeln. Ein am Einlaß gebildeter Staudruck drückt Kühlgas in den Zusatzschlitz, während geeignet geformte Strömungsleitwände zusätzlich einen Sog am Auslaß erzeugen, der das Kühlgas wieder absaugt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil des Ständers einer elektrischen Maschine in der Ebene eines Radial­ schlitzes,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, d. h. einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch einen Zahn eines Generatorständers und

Fig. 3 den gleichen Ausschnitt wie Fig. 2, jedoch mit einer durch Trennwände andersartigen Strömungsführung.

Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung unter Weglassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Einzelheiten einen Ausschnitt eines Quer­ schnitts durch den Ständer 1 einer elektrischen Maschine in der Ebene eines Radialschlitzes. Der Ständer 1 weist durch Zähne 3 getrennte Ständernuten 2 auf, in welchen die Spulen 4 a, 4 b verlaufen. Diese Spulen 4 a, 4 b werden durch sich an den Zähnen 3 abstützende Nutenverschluß­ keile 5 gehaltert. Der Ständer 1 selbst ist aus durch Distanzstege 6 getrennten Teilblechpaketen 7 a, 7 b, 7 c aufgebaut. Die durch die Distanzstege 6 zwischen den Teilblechpaketen 7 a, 7 b, 7 c entstehenden Radialschlitze 8 können von Kühlgas durchströmt werden, und zwar je nach ihrer Lage im Ständer entweder von außen nach innen oder von innen nach außen.

Erfindungsgemäß weisen die Zähne 3 des Ständers 1 mit den Radialschlitzen 8 kommunizierende Zusatzschlitze 9 auf. Sowohl die Einlässe wie auch die Auslässe dieser Zusatz­ schlitze 9 stehen jeweils mit Radialschlitzen 8 in Ver­ bindung. Strömungsleitwände 10, 11 leiten Teilströme des Kühlgases durch die Zusatzschlitze 9. Dabei sind die Strömungsleitwände bevorzugt so geformt, daß sich am Einlaß jedes Zusatzschlitzes 9 ein Staudruck bildet, während am Auslaß ein Sog entsteht. Die genaue Ausformung der Strömungsleitwände hängt neben den räumlichen Gegeben­ heiten von Materialfragen und Wirtschaftlichkeitsüberle­ gungen ab. Geeignet sind U-förmige, V-förmige oder trich­ ter-förmige Strömungsleitwände 10 am Einlaß und vorzugs­ weise U-förmige Strömungsleitwände 11 am Auslaß.

Bei bestimmten Anwendungsfällen kann es für die vorlie­ gende Erfindung auch ausreichen, wenn als Strömungleit­ wand ein einfacher Steg einen Teil des Radialschlitzes 8 zwischen Ein- und Auslaß eines Zusatzschlitzes 9 ver­ sperrt. Eine solche Drosselstelle zwingt schon einen Teil­ strom des Kühlgases dazu, den Zusatzschlitz 9 zu durch­ strömen.

In den Fig. 2 und 3 werden zwei Varianten der Strömungs­ führung beispielhaft durch Pfeile veranschaulicht. In beiden Figuren verbinden die Zusatzschlitze 9 je­ weils zwei benachbarte Radialschlitze 8. Der Verlauf der Teilströme des Kühlgases ist durch Pfeile angedeutet. Dabei ist es von untergeordneter Bedeutung, ob eine Quer­ vermischung zwischen den Kühlgasströmen verschiedener Radialschlitze 8 stattfindet oder nicht. Im allgemeinen wird sich das Kühlgas auf diese Weise besonders gleich­ mäßig auf alle Kühlgaswege aufteilen. Probleme können sich prinzipiell durch eine Quervermischung ergeben, wenn in zwei benachbarten Radialschlitzen 8 gegenläufige Kühlgas­ ströme fließen. In einem solchen Fall kann es vorteil­ haft (wenn auch nicht zwingend erforderlich) sein, Trennwände 12 in den Zusatzschlitzen 9 vorzusehen, die eine Quervermischung der gegenläufigen Strömungen ver­ hindern.

Wie in Fig. 3 dargestellt, können geeignet angeordnete Trennwände 13, 14 auch eine Quervermischung der Kühlgas­ ströme begünstigen bzw. ganz erzwingen. Weitere Varianten und Kombinationen solcher Varianten sind möglich und hän­ gen von den geometrischen Gegebenheiten ab. Die in Fig. 3 beschriebene Strömungsführung erfordert eine geringere Umlenkung der Teilströme des Kühlgases als die in Fig. 2 dargestellte Variante. Dies kann für den Strömungswider­ stand von Vorteil sein.

Die erfindungsgemäße Kühlung verbindet die Vorteile ver­ schiedener bisher bekannter Kühlsysteme.

Claims (13)

1. Verfahren zur Kühlung von Spulen (4 a, 4 b) und Blech­ paket (7 a, 7 b, 7 c), insbesondere des Ständers einer elektrischen Maschine, wobei Kühlgas radial durch in radialen Ebenen liegende Radialschlitze (8) zwischen einzelnen durch Distanzstege (6) getrennten Teilblechpaketen (7 a, 7 b, 7 c) und durch mit diesen kommunizierende Zusatzschlitze (9) in den Zähnen (3) geleitet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch Strömungsleitwände (10, 11) in den Radialschlitzen (8) Teilströme des Kühl­ gases durch sich in axialer und radialer Richtung er­ streckende Zusatzschlitze (9) in den Zähnen (3) umgeleitet und wieder zu denselben oder benachbarten Radialschlitzen (8) zurückgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die Strömungsleitwände (10, 11) die Geschwindigkeit des Kühlgases teilweise in eine Druckdifferenz bezüglich Ein- und Auslaß der Zusatz­ schlitze (9) umgewandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die Zusatzschlitze (9) Teilströme des Kühlgases von einem Radialschlitz (8) zu einem benachbarten Radialschlitz (8) geleitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch die Zusatzschlitze (9) Teilströme des Kühlgases aus einem Radialschlitz (8) auf einem Umweg zu demselben Radialschlitz (8) zurückgeleitet werden.

5. Anordnung zur Kühlung von Spulen (4 a, 4 b) und Blech­ pakete (7 a, 7 b, 7 c), insb. des Ständers (1) einer elektrischen Ma­ schine mit in radialen Ebenen liegenden, von Kühlgas durch­ strömbaren Radialschlitzen (8) zwischen durch Distanzstege (6) getrennten Teilblechpaketen (7 a, 7 b, 7 c), wobei mit den Radialschlitzen (8) kommunizierende Zusatzschlitze (9) in den Zähnen (3) vorhanden sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Die Zusatzschlitze (9) in den Zähnen (3) erstrecken sich im wesentlichen in radialer und axialer Richtung, wobei ihre Ein- und Auslässe mit den Radialschlitzen (8) kommunizieren.
• b) In den Radialschlitzen (8) sind Strömungsleitwände (10, 11) vorhanden, mit welchen Teilströme des Kühlgases durch die Zusatzschlitze (9) umleitbar sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsleitwände (10, 11) nur einen Teil des Querschnittes der Radialschlitze (8) über­ decken.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strömungsleitwände (10, 11) so geformt und angeordnet sind, daß sie die Geschwin­ digkeit des Kühlgases im Radialschlitz (8) teilweise in eine Druckdifferenz bezüglich Ein- und Auslaß der Zusatz­ schlitze (9) umwandeln.

8. Anordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschlitze (9) jeweils zwei Radialschlitze (8) untereinander verbinden.

9. Anordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschlitze (9) Ein- und Auslaß in demselben Radialschlitz (8) haben.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß Strömungs­ leitwände (10) am Einlaß der Zusatzschlitze (9) etwa U-förmig, V-förmig oder trichterförmig mit Öffnung ent­ gegen der Kühlgasströmung ausgebildet sind, so daß ein Staudruck aufbaubar ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitwände (11) am Auslaß der Zusatzschlitze (9) etwa U-förmig ausgebildet sind, so daß ein Sog ausbildbar ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strö­ mungsleitwände quer zur Kühlgasströmung in den Radial­ schlitzen (8) angeordnete Stege sind, welche zwischen Ein- und Auslaß der Zusatzschlitze (9) angeordnet sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strömungsleitwände (10, 11) wärmeleitend mit den Teil­ blechpaketen (7 a, 7 b, 7 c) verbunden sind und als Kühl­ rippen wirken.