DE69503190T2

DE69503190T2 - Verbesserungen an Kühlvorrichtungen für rotierende elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE69503190T2
Application number: DE69503190T
Authority: DE
Inventors: Graham Nr. Rugby Warwickshire Cv23 Oss Le Flem
Original assignee: GEC Alsthom Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion UK Ltd
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1995-04-20
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2015-04-21
Also published as: JP3663588B2; CA2148213C; GB2289992B; FI116252B; FI952501A; EP0684682A1; EP0684682B1; GB2289992A; US5866959A; FI952501A0; GB9410351D0; DE69503190D1; DE69503190T3; EP0684682B2; ATE167965T1; JPH07322565A; CA2148213A1

Description

Die Erfindung betrifft Axialströmungs-Kühlanordnungen in rotierenden elektrischen Maschinen, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Axialströmungs-Kühlanordnungen in großen Käfigläufer-Induktionsmaschinen, bei denen ausschließlich eine Luftkühlung des Ständers und Läufers angewandt wird.
Bei vielen großen rotierenden Maschinen wird zur Kühlung des Ständers und Rotors eine sogenanne radiale Belüftung angewandt. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 1 dargestellt. Nach Fig. 1 enthält ein Käfigläufer-Induktionsmotor 10 einen Ständerkern 11 und einen Läuferkern 12, die jeweils eine Anzahl von Abschnitten 13 und 14 aufweisen. Beide Kerne sind aus einer großen Anzahl von Lamellen aufgebaut. Der Ständerkern 11 ist fest an einem Gehäuse 15 angebracht und der Läuferkern 12 an einer Welle 16 befestigt, die eine (nicht dargestellte) Last antreiben kann. Der Ständerkern 11 ist mit einer Dreiphasenwicklung 17 versehen, während der Läuferkern 12 massive Läuferstäbe 18 aus Aluminium oder Kupfer aufweist. Die Läuferstäbe 18 sind an jedem Ende des Läufers durch jeweils einen Endring kurzgeschlossen. Der Ständerkern 11 und der Läuferkern 12 sind mit radialen Kanälen 19 versehen, durch die Luft geblasen wird, um den Ständer und den Läufer zu kühlen.
Die Luft in der Maschine 10 wird mittels eines an der Welle 16 befestigten Gebläses in Umlauf gehalten. Dabei wird die Luft über mehrere Kanäle 21 angesaugt, die zwischen dem Läuferkern und der Welle 16 liegen, und gleichzeitig über einen Luftspalt 22 zwischen dem Läufer und dem Rotor. Danach strömt die Luft durch Kanäle 19 und über die Rückseite 23 des Ständerkerns, bevor sie zum Gebläse 20 zurückströmt. Auf dem Weg vom Gebläse 20 zu den Lufteinlaßstellen von Ständer und Läufer strömt die Luft durch einen Wärmetauscher 24, durch den mittels eines weiteren Gebläses 25, das ebenfalls auf der Welle 16 angebracht ist, Kühlluft von außerhalb der Maschine geblasen wird.
Die Lamellen von Ständerkern und Läuferkern sind in Fig. 2 vereinfacht dargestellt. Die Ständerlamellen bilden einen Körperteil 31 und eine Anzahl von Zähnen 32. (In der Praxis ist die Anzahl der Zähne bei einer großen rotierenden Maschine sehr viel größer als die in der Figur dargestellte Anzahl.) Zwischen den Zähnen 32 befinden sich Schlitze 33, in denen die Dreiphasenwicklung 17 (siehe Fig. 1) angeordnet ist.
Die Lamellen des Läufers sind ähnlich wie die des Ständers ausgebildet, d.h. jede Lamelle besteht aus einem Körperteil 35 und einer Anzahl von Schlitzen 36 und Schlitzen 37. Die Schlitze 37 sind so geformt, daß sie zur Aufnahme der massiven Stäbe 18 geeignet sind.
Obwohl die radiale Belüftung bei großen Maschinen erfolgreich angewandt worden ist, hat sie dennoch mehrere Nachteile. Erstens erschwert eine radiale Konstruktion die Erzielung geringer Vibrationspegel. Der Grund dafür ist, daß einerseits eine spezielle Läuferarmkonstruktion erforderlich ist, um den Läufer an der Welle zu befestigen und gleichzeitig die Kanalräume 21 zur Kühlung des Läufers auszubilden, und andererseits Kanalabstandshalter (die die Form von I-Trägern haben können) erforderlich sind, um die einzelnen Läuferkernabschnitte zur Bildung der radialen Kanäle 19 zu trennen. Diese Elemente können beide während des Betriebs Unwuchtkräfte in der Läuferanordnung erzeugen, die zu Vibrationsproblemen führen. Zweitens kann durch die radialen Kanäle 19 in Ständer und Läufer ein sirenenartiges Geräusch während des Betriebs der Maschine erzeugt werden, insbesondere wenn die beiden Gruppen von Kanälen miteinander fluchten. Dieses Geräusch läßt sich dadurch verringern, daß die Kanäle im Stator relativ zu denen im Läufer versetzt werden oder die Anzahl der Kanäle in Ständer und Läufer unterschiedlich gewählt wird. Dadurch wird die Herstellung der Maschine jedoch komplizierter und kostspieliger. Drittens vergrößert sich durch die Belüftungskanäle 21 zwischen dem Läuferkern 12 und der Welle 16 der Läuferdurchmesser, was wiederum die Luftreibungsverluste der Maschine erhöht. Viertens erhöht sich die Gefahr einer Funkenbildung im Luftspalt. Fünftens können die auf die erwähnten Kanalabstandshalter (z.B. I-Träger) bei einer Maschine mit hoher Drehzahl ausgeübten Kräfte diese Bauteile von den Endlamellen lösen, an denen sie befestigt sein sollen.
Aufgrund dieser Nachteile wird auch ein Axialbelüftung genanntes Verfahren angewandt. Eine bekannte Axialbelüftungsanordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist in jedem Zahn des Ständers 11 neben dem Luftspalt 22 ein Belüftungskanal 40 aüsgebildet. Der Kanal 40 erstreckt sich über die gesamte axiale Länge des Ständers, und durch diesen Kanal wird Luft geblasen, um die Lamellen des Ständerkerns und die Wicklungen 17 zu kühlen. Eine zusätzliche Kühlung kann dadurch bewirkt werden, daß Luft durch kleine Kanäle 41, 42 geblasen wird, die sich jeweils im Körper des Ständerkerns und Läuferkerns befinden.
Dieses Verfahren macht von den Vorteilen der Axialkühlung Gebrauch, die eine geringere Luftreibung beinhalten, und zwar aufgrund der Tatsache, daß der Läufer 12 einen kleineren Durchmesser aufweisen kann, hat jedoch die Nachteile, die sich durch die Verwendung des Kanals 40 ergeben, wie nachstehend anhand von Fig. 4 erläutert wird.
Fig. 4 ist eine Teilansicht der Anordnung nach Fig. 3, die einen Ständerzahn 32 und zwei zugehörige Ständerschlitze 33 darstellt. Jeder Schlitz 33 hat einen Wicklungsabschnitt 51 und einen Belüftungskanalabschnitt 52, der den Kanal 40 in Fig. 3 bildet. Der Wicklungskanalabschnitt 52 wird manchmal auch "Tunnelschlitz" genannt. Der Wicklungsabschnitt 51 nimmt die Ständerwicklung 53 auf, die in diesem Beispiel aus zwei Abschnitten 54 besteht, die jeweils aus einer Anzahl rechteckiger Leiter gebildet werden, die durch ein geeignetes Verbindungsmittel zusammengehalten werden. Die beiden Abschnitte 54 werden durch einen Separator 55 auf Abstand gehalten. Die Wicklung 53 wird an einer Abwärtsbewegung im Schlitz 33 durch einen Keil 56 gehindert, der sich längs des Ständerkerns 11 oder Kernabschnitts 12 erstreckt.
Die Ausbildung solcher "Tunnelschlitze" in einem solchen Axialbelüftungssystem führt zu einer ineffizienten Kühlung. Dies hat mehrere Gründe: Erstens ist die Querschnittsfläche des Tunnelschlitzes 52 verhältnismäßig klein, was die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft verringert und einen unerwünscht hohen Druckabfall längs der Achse des Ständers bewirkt. Die Tiefe des Tunnelschlitzes 52 kann erhöht werden, um einen größeren Luftdurchsatz zu ermöglichen, doch hat dies eine Verringerung der Tiefe des Wicklungsabschnits 51 zur Folge, um nicht die mechanischen Eigenschaften des Ständerkerns zu sehr zu beeinträchtigen. Dies bedeutet wiederum, daß die Wicklung 53 kürzer und stärker ausgebildet sein muß, was eine längere Endwicklung 17 erfordert, um die Mindestspielanforderungen in der Bndwicklung selbst zu erfüllen. Außerdem wird die mit der Luft in Berührung stehende Oberfläche des Tunnelschlitzes 52 verringert, was die Kühlwirkung der Anordnung verschlechtert. Drittens haben der obere Teil 57 der Wicklung 53 und seine benachbarten Lamellenteile lange Wärmeströmungspfade 58 bis zum Tunnelschlitz 52, was einen unerwünscht hohen Temperaturgradienten zwischen diesen beiden Teilen des Schlitzes bewirkt.
Fig. 4 zeigt ferner zwei Läuferstäbe 18, die in den Schlitzen 37 des Läufers 12 angeordnet sind.
Es ist auch bereits eine axiale Luftströmung bei einer sehr großen Synchronmaschine zur Unterstützung der Wasserkühlung der Ständerwicklung angewandt worden. Diese Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Nach Fig. 5, die einen Ständerzahn 32 und zwei benachbarte Schlitze 33 darstellt, ist der Ständerzahn 32 mit zwei kleinen Kanälen 61, 62 versehen, die sich über die gesamte Länge des Ständerkerns erstrekken. Diese Kanäle dienen nur zur Ausbildung einer nominalen axialen Luftkühlung der Ständerlamellen. Die Kühlung der (nicht dargestellten) Ständerwicklung in den Schlitzen 33 wird dadurch bewirkt, daß die Wicklungsleiter hohl ausgebildet sind und Wasser durch sie hindurchgeleitet wird.
Andere bekannte Ständerkühlanordnungen sind in der GB 13 54 247 und in IBEB Transactions on Power Apparatus and Systems, Seiten 639-643, die jeweils am 22. Mai 1974 und 3. März 1982 veröffentlicht wurden, dargestellt. Nach ersterer wird die Kühlung durch dreieckige Kanäle in den Statorzähnen bewirkt, durch die ein Kühlmittel gelettet wird. Nach letzterer stehen rechteckige Öffnungen in den Statorzähneh zwischen den Ständerwicklungen in Intervallen mit engen radialen Öffnungen in Verbindung, die zum Luftspalt führen; dieses System ist daher kein reines Axialsystem, sondern ein Axial-Radial-Kühlsystem.
Bei einer bekannten axialen Läuferkühlanordnung ist ein Käfigläufer 12 (siehe Fig. 6) mit einen kleinen Durchmesser aufweisenden Luftkanälen 71 in den Läuferzähnen 37 versehen. Um den unzureichenden Kühleffekt, den diese Maßnahme ergibt, zu unterstützen, hat die Anordnung außerdem große Kanäle 72, die sich im Körper des Läuferkerns unter jedem Läuferstab 18 befinden. Die Kanäle 71 bewirken daher im wesentlichen eine Kühlung der Lamellen und eine geringe Kühlung der Läuferstäbe 18, während die Kanäle 72 die Wärme hauptsächlich aus den Läuferstäben 18 abführen.
Eine ähnliche Läuferkühlanordnung ist in der am 15. Dezem ber 1983 veröffentlichten JP 58215954 offenbart, bei der parallele axiale Kühlkanäle in einem Läuferkern vorgesehen sind: ein Kanal in jedem Läuferzahn und zwei im Kern unter jedem Zahn. Bei dieser Anordnung stehen die verschiedenen Kanäle mit aufeinanderfolgenden radialen Öffnungen im Kern in Verbindung, um das Kühlfluid in den Luftspalt austreten zu lassen. Bei diesem Verfahren wird mithin sowohl eine radiale als auch eine axiale Kühlung bewirkt. Dagegen gibt es keinen Hinweis auf eine Ausnehmung in einer äußeren Ecke der Läuferzähne, die einen Belüftungskanal bildet.
In der DE-C-295610, die am 11. Dezember 1916 veröffentlicht wurde, ist eine Kühlanordnung für Transformator- und allgemeine Maschinenkerne offenbart, die aus Ausnehmungen längs eines oder beider radialen Kanten der Zähne besteht; eine ähnliche Anordnung kann der DE 929566, die am 28. Oktober 1954 veröffentlicht wurde, entnommen werden, die eine Kühl anordnung für eine Turbinengenerator-Induktionswicklung betrifft. Keines dieser Dokumente offenbart, sei es explizit oder implizit, eine mit einer Nut oder Ausnehmung versehene Ecke eines Läuferzahns, die einen Belüftungskanal bildet.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine rotierende elektrische Maschine mit Axialkühlung des Ständers und/oder Läufers anzugeben, bei der die mit den erwähnten bekannten Axialkühlanordnungen verbundenen Nachteile vermieden oder vermindert sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Läuferkern für eine Käfigläufer-Induktionsmaschine, mit einer Vielzahl von Zähnen und einer Vielzahl von Läuferstab-Schlitzen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zahn mit einer Ausnehmung in einer äußeren Ecke des Zahns versehen ist, die einen Belüftungskanal bildet, der sich in Axialrichtung des Läuferkerns über dessen Länge erstreckt.
Dies hat den Vorteil, daß die örtliche Luftspaltturbulenz erhöht und die übertragung von Wärme aus den Ständerwicklungen und Läuferstäben in die umlaufende Luft verbessert wird. Außerdem wird die Masse des Läufers und mithin seine Massenträgheit verringert, und außerdem kann die Sättigung der Streureaktanzen von Ständer und Läufer vermieden werden. Darüber hinaus trägt die Anwendung einer solchen Ausnehmung zur Verringerung von Hochfrequenzverlusten in den Läuferstäben bei.
Vorzugsweise hat die Ausnehmung eine solche radiale Tiefe, daß sie dem Kanal einen Teil eines benachbarten Schlitzes freilegt. Dadurch wird ein Teil eines diesen Schlitz belegenden Läuferstabs unmittelbar der Kühlluft ausgesetzt, wodurch die Wirkung der Kühlung der Stäbe erheblich gesteigert wird.
Vorzugsweise sind die Läuferzähne so geformt, daß eine nicht mit einer Ausnehmung versehene Ecke irgendeines Zahns den oberen (kurzen) Rand seines zugehörigen Läuferstabs vollständig begrenzt. Dies bedeutet, daß selbst dann, wenn eine Ausnehmung in einem benachbarten Zahn vorhanden ist, wie es vorstehend beschrieben wurde, diese Ausnehmung nicht zur Folge hat, daß im oberen Rand des Stabes überhaupt keine Lamellierung vorhanden ist. Dies hat den Vorteil, daß der Stab vollständig mechanisch abgestützt wird und mithin Bruchbelastungen, insbesondere bei hoher Drehzahl, vermindert werden. Ein weiterer Vorteil ist der, daß dieser nicht mit einer Ausnehmung versehene Teil des Zahns als Wärmesenke wirkt, wenn der Läufer blockiert ist. Dies ist wesentlich, weil dann, wenn der Läufer blockiert ist, die Läufer- Schlupffrequenz maximal ist und der größte Teil des in einem Läuferstab fließenden Stroms zum oberen Ende des Stabes hin verdrängt wird. Dadurch, daß längs des gesamten kurzen oberen Randes Lamellen vorhanden sind, wird die Abführung eines erheblichen Teils der dadurch erzeugten Wärme unterstützt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Käfigläufer-Induktionsmaschine mit einem Läuferkern, der eine Vielzahl von Zähnen (109) und eine Vielzahl von Läuferstab- Schlitzen (118) aufweist, wobei eine Vielzahl von Läuferstäben (111) in entsprechenden Läuferstab-Schlitzen (118) angeordnet ist, und mit einem Ständerkern, wobei der Ständerkern eine Vielzahl von Zähnen (101) aufweist und jeder Ständerzahn (101) eine oder mehrere Öffnungen (105) hat, die sich in Axialrichtung des Kerns über dessen Länge erstreckt bzw. erstrecken und so bemessen ist bzw. sind, daß sie eine gesamte radiale Öffnungstiefe aufweist bzw. aufweisen, die sich über einen größeren Teil der radialen Tiefe des Ständerzahns erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Läuferzahn mit einer Ausnehmung (110) in einer äußeren Ecke des Zahns versehen ist, wobei die Ausnehmung einen Kühlluftkanal bildet, der sich in Axialrichtung des Läuferkerns erstreckt, und daß die Ständerzahnöffnungen Kanäle für den Durchfluß von Kühlluft bilden.
Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei Zweipolmaschinen die Flußdichte in den Ständerzähnen verhältnismäßig hoch ist, was bedeutet, daß die Zähne nicht vollständig ausgenutzt werden. Es wurde festgestellt, daß durch die Ausbildung der Zähne mit ziemlich großen Öffnungen Kanäle für die Einleitung von Luft zur Kühlung der Wicklungen gebildet werden können, während gleichzeitig das magnetische Verhalten des Kerns verhältnismäßig unbeeinträchtingt bleibt.
Die Erhöhung der Flußdichte in den durch diese Maßnahme betroffenen Zähnen kann dadurch etwas ausgeglichen werden, daß bei einer vorbestimmten Öffnungsfläche die Schlitze schmaler ausgebildet und dadurch die flußführende Breite der Zähne vergrößert wird. Die Schlitze schmaler auszubilden, führt auch zu einer Verringerung der Breite der Wicklungen in den Schlitzen. Dies bedeutet, daß die Ständerendwicklungen kürzer und mithin die Maschine kleiner ausgebildet werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, daß die Länge der Läuferwelle verringert und mithin die Lagermitten näher beieinander angeordnet und die Steifigkeit der Welle erhöht werden können.
Der Hauptvorteil, der sich durch die Ausbildung einer den größeren Teil der Zahntiefe (die gleich der Schlitztiefe ist) abdeckenden Öffnungsfläche ergibt, besteht darin, daß praktisch die gesamte radiale Tiefe der Wicklung (oder des Läuferstabs im Falle eines Käfigläufers) in einem Schlitz nur einen kurzen Weg zu dem in einem benachbarten Zahn ausgebildeten Kühlkanal hat, was zu einer wirksamen Kühlung führt. Dies steht im Gegensatz zu beispielsweise der "Tunnelschlitz"-Anordnung nach Fig. 4, bei der der obere Teil der Wicklung einen langen Weg zu dem Belüftungstunnelschlitz hat.
Die Öffnung oder Öffnungen können eine Vielzahl verschiede ner Formen haben. Eine bevorzugte Form ergibt sich durch die Ausbildung zweier rechteckiger oder trapezförmiger Löcher, die mit einander zugekehrten Enden längs der radialen Achse des Zahns angeordnet und durch einen Brückenabschnitt getrennt sind, wobei die Löcher etwa in der Mitte längs der Breite des Zahns angeordnet sind. Alternativ können zwei derartige Paare von Löchern Seite an Seite längs der Breite des Zahns und mit einem geeigneten Abstand voneinander und von den benachbarten Schlitzen vorgesehen sein.
Statt Löcher in die Ständerlamellen zu stanzen, kann jede Lamelle, aus der der Ständerkern besteht, mit einer oder mehreren Ausnehmungen längs eines Randes des Zahns versehen sein, d.h. wo der Zahn an einem benachbarten Schlitz angrenzt. Diese Ausnehmungen können ähnlich wie die erwähnten Löcher geformt sein. So besteht eine bevorzugte Anordnung in zwei rechteckigen oder trapezförmigen Ausnehmungen, die mit einander zugekehrten Enden längs eines radialen Randes des Zahns angeordnet und durch einen Brückenabschnitt getrennt sind. Alternativ können zwei derartige Paare von Ausnehmungen längs sich gegenüberliegender Ränder des Zahns vorgesehen sein.
Eine andere mögliche Öffnungsform besteht darin, daß sich nur eine Öffnung oder Ausnehmung längs des größten Teils der radialen Tiefe des Zahns erstreckt. Wie zuvor kann die einzige Öffnung ein Loch, das etwa in der Mitte längs der Breite des Zahns angeordnet ist, oder eine Ausnehmung sein, die längs eines radialen Randes des Zahns angeordnet ist. Die zuletzt erwähnte Anordnung ist jedoch keine bevorzugte Ausführungsform, da sie es erschwert, das Eindringen der benachbarten Wicklung in die Ausnehmung zu verhindern. Die Ausbildung eines Brückenabschnitts bei der Doppelausnehmungsform (mit einander zugekehrten Enden) hat den Vorteil, dieses Eindringen steuern zu können.
Eine weitere mögliche Form besteht in der Verwendung zweier derartiger Seite an Seite liegender Einzelöffnungen. Wiederum besteht die bevorzugte Anordnung in diesem Falle darin, daß zwei Langlöcher mit geeignetem Abstand längs der Breite des Zahns vorgesehen sind. Die Ausbildung zweier langer Ausnehmungen längs sich gegenüberliegender Ränder des Zahns hätte das gleiche Problem der Eindringung der Wicklung wie die Ausbildung einer einzigen Ausnehmung längs nur eines Randes zur Folge.
Eine durch eine oder mehrere Öffnungen gebildete Öffnungsfläche kann sich über die radiale Tiefe des Zahns hinaus erstrecken. Dadurch wird das verfügbare Kanalvolumen pro Zahn erhöht, und es bildet eine mögliche Maßnahme, insbesondere im Ständer, gegen eine zu hohe Flußdichte im Kern oder wenn die mechanische Steifigkeit des Ständerkerns von untergeordneter Bedeutung ist. Diese Maßnahme wird dadurch etwas ausgeglichen, daß sich ein Teil des Zahns um die Öffnung herum erstreckt, was die Steifigkeit des Ständerkerns erhöht.
Der Ständer- oder Läuferkern kann einen oder mehrere radiale Belüftungskanäle für eine beidendige Axialbelüftungsanordnung aufweisen. Dies ist von Vorteil, wenn die Erfindung bei einer sehr großen Maschine angewandt werden soll, die eine entsprechend große Kühlleistung erfordert.
Es hat sich gezeigt, daß besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn sowohl die axialen Zahnausnehmungen, wie sie für den Läufer beschrieben wurden, als auch die axialen Belüftungskanäle, wie sie für den Ständer beschrieben wurden, in derselben Maschine vorgesehen sind.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen vereinfachten Axialschnitt einer typischen großen Käfigläufer-Induktionsmaschine mit radialer Kühlung;
Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht einer typischen Ständer- und Läufer-Lamellierung;
Fig. 3 einen Axialschnitt einer bekannten Ständer- und Läuferanordnung mit Axialbelüftung;
Fig. 4 einen Teil einer Endansicht der Anordndung nach Fig. 3, die die Verwendung von "Tunnelschlitzen" zur Kühlung des Ständers zeigt;
Fig. 5 eine Teilansicht einer Ständer-Lamellierung in einer zweiten bekannten Axialkühlanordnung;
Fig. 6 eine Teilansicht einer Läuferanordnung in einer dritten bekannten Axialkühlanordnung;
Fig. 7 eine partielle Endansicht eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Ständeranordnung und einer Läuferanordnung;
Fig. 8 eine partielle Endansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Ständeranordnung;
Fig. 9 partielle Ansichten einer Ständer-Lamellierung, die verschiedene erfindungsgemäße Formen von Öffnungen zeigen;
Fig. 10 einen vereinfachten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine mit einer Axialkühlanordnung;
Fig. 11 eine Öffnungsform zur Erhöhung der verfügbaren Oberfläche eines Kühlkanals und
Fig. 12 einen vereinfachten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine mit einer beidendigen Axialkühlanordnung.
Nachstehend sei auf Fig. 7 Bezug genommen, die einen Teil einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ständer- und Läuferkern-Anordnung zeigt. Die beiden Kerne bilden einen Teil eines zweipoligen Käfigläufer- Induktionsmotors, und da die Kühlung durch axiale und nicht radiale Belüftung erfolgt, bestehen die Kerne aus nur einem Kernabschnitt. Jeder Kern enthält eine große Anzahl übereinandergestapelter Lamellen. Das Diagramm zeigt einen Ständerzahn 101, der durch zwei Ständerschlitze 102 begrenzt ist, und eine Wicklung 103, die in zwei Schichten 117 unterteilt und in den Schlitzen 102 im Ständerkern angeordnet ist. Die Wicklungen werden durch Keile 104 in der Einbaulage gehalten. In den Zahnteil 101 jeder Lamelle des Ständerkerns sind zwei Offnungen in Form von Löchern mit einem Brückenteil 116 zwischen ihnen gestanzt, so daß sich zwei Belüftungskanäle pro Zahn in Axialrichtung längs des Ständerkerns erstrecken, durch die Luft durch den Zahnteil des Kerns hindurchströmen kann. Der Brückenteil 116 trägt dazu bei, eine angemessene Steifigkeit des Zahns 101 beizubehalten. Die obere Öffnung 105 ist so angeordnet, daß sie sich über die radiale Tiefe der Schlitze 102 hinaus in den Körper erstreckt, und die gesamte radiale Tiefe der beiden Öffnungen größer als die halbe Tiefe der Schlitze 102 ist.
Während des Betriebs der Maschine bläst ein (nicht dargestelltes) Gebläse Luft durch die durch die Löcher 105 gebildeten Kanäle, so daß die Wärme aus den Wicklungen 103 über sehr kurze thermische Pfade 106 in jeder Lamelle abgeführt wird. Diese Pfade verlaufen über die gesamte Länge des Ständers parallel, so daß sich eine Gesamtkühlfläche pro Zahn ergibt, die gleich der Summe des Umfangs der beiden Öffnungen 105 im Zahn multipliziert mit der axialen Länge des Ständers ist. Dies hat zur Folge, daß nicht nur die Zahnlamellen, sondern auch die Wicklungen 103 sehr wirksam gekühlt werden. Die kühle Luft läuft um die Maschine herum und gibt ihre Wärme an einen Wärmetauscher (siehe Fig. 1) ab.
Gleichzeitig sind die Lamellen, die den Läuferkern bilden, so angeordnet, daß sie ihre eigenen Öffnungen 110 in den Läuferzähnen 109 aufweisen. Die Öffnungen 110 sind Ausnehmungen, die ähnlich wie die Löcher 105 in den Ständerlamellierungen Belüftungskanäle längs der axialen Länge des Läuferkerns bilden. Wie bei einem herkömmlichen Käfigläufer, sind in den Läuferschlitzen 118 Stäbe 111 angeordnet und an beiden Enden des Läuferkerns kurzgeschlossen. Dadurch, daß die Ausnehmungen 110 so angeordnet sind, daß sie an einer Stelle 112 längs der radialen Länge der jeweiligen Läuferstäbe 111 beginnen, ist ein wesentlicher Teil der einen Seite 113 jedes Stabes der Luft ausgesetzt, so daß er un mittelbar durch die ihn berührende Luft gekühlt wird. Auch die andere Seite 114 jedes Läuferstabs 111 ist von der nächsten Ausnehmung in der Reihe nur durch einen vergleichsweise kurzen thermischen Pfad 115 getrennt, der ebenfalls zur Kühlung des Stabs beiträgt. Dies ergibt eine wirksame Abführung von Wärme aus den Stäben und Läufer- Lamellen.
Außerdem erhöht die Ausnehmung 110 in allen Läuferlamellen während des Betriebs der Maschine die örtliche Turbulenz im Luftspalt 112, die die Ableitung der Wärme aus den Läufer- Lamellen und Stäben 111 verbessert.
Ein weiterer Effekt der Ausnehmungen 110 besteht darin, daß sie die Masse und mithin die Massenträgheit des Läufers verringern.
Die Anwesentheit von Lamellen an der Oberseite 119 der Läuferstäbe ergibt weitere Vorteile, wenn der Läufer blockiert wird. Bei einem blockierten Läufer wird der in seinen Stäben fließende Strom im oberen Teil der Stäbe konzentriert, der an der Ecke eines benachbarten Zahns, in dem keine Ausnehmung vorhänden ist, angerenzt. Hierbei wirkt die nicht mit einer Ausnehmung versehene Ecke des Zahns als Wärmesenke, die zur Ableitung der Wärme aus dem Stab beiträgt.
Obwohl es zweifelhaft erscheint, daß die gesamte kühlende Oberfläche bei der Ständeranordnung von beispielsweise Fig. 1 in der gleichen Größenordnung wie die bei der radial belüfteten Ständeranordnung nach Fig. 1 liegt, haben von den Erfindern durchgeführte Berechnungen der Summe der Oberflächen der Ständerkanäle, die durch die Öffnungen 105 eines Prototyps der Erfindung gebildet werden, ergeben, daß tatsächlich die verfügbare Kühlfläche nahezu gleich der offensichtlich sehr viel größeren Oberfläche ist, die die massiven Endlamellenflächen jedes Ständerabschnitts 13 aufweisen, die den radialen Kanälen 19 bei der bekannten Radial belüftungsanordnung (siehe Fig. 1) zugekehrt sind.
Eine Überprüfung der thermischen Koeffizienten beider Systeme bestätigt ebenfalls die Vorteilhaftigkeit der Erfindung. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Wärmeableitung aus den Lamellen in der Mitte eines Ständerkernabschnitts 13 (von dem angenommen werden kann, daß er der heißeste Teil des Ständers ist) über eine große Anzahl isolierter Lamellen erfolgen muß, die in der Praxis insgesamt etwa 25 mm tief sind (halb so tief wie ein Kernabschnitt). Die thermische Leitfähigkeit der Lamellen beträgt etwa 2,2 W/mK. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der heißeste Teil des Ständers jedoch die Wicklung 103, und der Abstand von der Wicklung des zunächstliegenden Luftstroms beträgt bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 etwa 6 oder 7 mm, was für alle Lamelten des Kerns gilt. Da ferner die Wärme bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch die Ebene der Lamellen strömt (d.h. nur durch Metall) und nicht durch die Dicke der Lamellen (d.h. durch Metall plus Isolation), muß die thermische Leitfähigkeit des Metalls der Lamellen und nicht die serielle Anordnung aus Metall und Isolation in die Rechnung einbezogen werden. Die thermische Leitfähigkeit des reinen Metalls beträgt etwa 30 W/mK. Dies bedeutet, daß sich durch die Erfindung eine Verbesserung der Kühleffiziefiz um 25/7 x 30/2,2 55 ergibt, wenn die heißesten Teile der beiden Anordnungen verglichen werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ständeranordnung ist in Fig. 8 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Ständerlamellen zwei in den Zahn 101 gestanzte Öffnungen 120. Diese Öffnungen, bei denen es sich um Ausnehmungen handelt, unterscheiden sich von den Löchern 105 bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Ständeranordnung darin, daß sie als eine Erweiterung des Schlitzes 102 ausgebildet sind, so daß ein wesentlich dünnerer, sich radial erstreckender Zahnteil 121 stehenbleibt. Diese Konfiguration hat eine ähnliche Funktion wie die der Läuferausnehmungen nach Fig. 7: Eine Seite 122 der Wicklungen 103 wird direkt durch die Luft gekühlt, die durch die von den Ausnehmungen 120 gebildeten Kanäle strömt, während die andere Seite 123 einen kurzen thermischen Pfad 124 zu den Ausnehmungen des nächsten Zahns hat.
Die Öffnungen im Ständer können anders geformt sein. Beispiele anderer Formen sind in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9a stellt alternative Öffnungsformen in Form von Löchern dar, während Fig. 9b das Äquivalent in Form von Ausnehmungen darstellt. Die Löcher bzw. Ausnehmungen sind in allen Fällen schraffiert dargestellt. Kurz gesagt, kann nur eine einzige lange Öffnung verwendet werden, obwohl dies im Falle der einzigen Ausnehmung, die in Fig. 9b dargestellt ist, zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Befestigung der Wicklung im benachbarten Schlitz führen kann. Alternativ können zwei lange, jedoch schmalere Öffnungen nebeneinander bzw. Seite an Seite verwendet werden; dies hat den gleichen Vorteil wie die Ausbildung mit nur einer Öffnung. Schließlich können vier Öffnungen in Form zweier Offnungspaare vorgesehen sein, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Ständeranordnung nach Fig. 7 dargestellt sind. Diese alternativen Konfigurationen oder Formen haben genau die gleiche Funktion wie die in den Fig. 7 und 8 dargestellten und werden daher nicht weiter erörtert.
Fig. 10 stellt einen vereinfachten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine dar, um die Luftströmung in der Maschine zu veranschaulichen. Die Luft tritt von rechts in den Maschinenteil ein, nachdem sie von einem Geblä&e 20 durch einen Wärmetauscher 24 geblasen worden ist. Die Luft strömt dann durch drei prallele Kanäle A, B und C: A ist ein Kanal hinter dem Körper des Ständerkerns; B ist ein Kanal durch die Öffnungen in den Ständerzähnen und C ist ein Kanal durch die Ausnehmungen in den Läuferzähnen und durch den Lüftspalt.
Die Tatsache, daß die Luftkanäle alle parallel verlaufefi, ist einer der großen Vorteile der Axialbelüftung, da dann, wenn sich herausgestellt hat, daß beispielsweise in den Ständerzähnen zuviel Wärme, dagegen wenig Wärme auf der Rückseite des Ständerkerns erzeugt wird, der Luftstrom durch den Kanal A eingeschränkt und der durch den Kanal B vergrößert werden kann, undsoweiter.
Zwar ist bislang angenommen worden, daß eine erfindungsgemäße Maschine sowohl den mit Öffnungen versehenen Ständer als auch den mit Ausnehmungen versehenen Läufer aufweisen kann, könnte sie in der Praxis nur letzteren aufweisen. Da insbesondere beispielsweise die Läuferkühlanordnung nach Fig. 7 soviele Vorteile für das Verhalten einer Maschine hat, in der sie vorgesehen ist, kann sie an sich zusammen mit einem herkömmlich gekühlten Ständer in einer vorhandenen Maschine angewandt werden, deren Ständer beispielsweise wassergekühlte Wicklungen aufweist.
Um ferner die Kühlflächen der durch die Öffnungen gebildeten Kanäle zu vergrößern, ist es möglich, die Öffnungen mit gewellten Rändern zu versehen, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. Die Wellungen können an den längeren Rändern oder an allen Rändern einer Öffnung, in Abhängigkeit von der Einfachheit der Herstellung, vorgesehen sein.
Wenn die Erfindung bei einer sehr großen Maschine angewandt werden soll, ist es möglich, eine Kombination aus Axialund Radialbelüftung zur Erzielung einer hinreichenden Kühlung anzuwenden. Bei dieser Anordnung, die als zweiseitige oder beidendige Axialbelüftung bezeichnet wird, werden ein oder mehrere Kanäle in der Mitte des Ständers und/oder Läufers angeordnet, so daß in beide Enden der Maschine gleichzeitig Luft strömen kann. Dies hat den Vorteil einer Verringerung des Druckabfalls und eines Ausgleichs der Tempe raturänderungen, die längs der Maschinenachse auftreten.
Ein Beispiel der Axialbelüftung an beiden Enden ist in Fig. 12 dargestellt. Bei diesem Beispiel ist der Ständer 11 mit drei radialen Kanälen 19, dagegen der Läufer 12 mit keinem versehen. Auf der Welle 16 ist an beiden Enden der Maschine jeweils ein Gebläse 20 angeordnet, und diese Gebläse blasen gleichzeitig Luft in beide Enden der Maschine durch die gleichen Kanäle, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind. Die durch die Ständerzahnkanäle, die Läuferzahnkanäle (wenn dies eine Ausnehmung ist) und den Luftspalt strömende Luft wird dann durch die radialen Kanäle 19 gedrückt, wenn sie den mittleren Teil der Maschine erreicht und durch den Wärmetauscher 24 geleitet, bevor sie wieder durch die Maschine strömt.
Es sei noch erwähnt, daß die Erfinder einen zweipoligen Käfig läufer-Induktionsmotor mit einer Leistung von 3,7 MW und einer Frequenz von 60 Hz hergestellt haben, bei dem das Prinzip nach Fig. 7 angewandt wurde und dessen Verhalten in jeder Hinsicht die Erwartungen erfüllt oder übertroffen hat. Insbesondere erwies sich die Kühlung als sehr zufrie denstellend, die Vibration als minimal und der Geräuschpegel als sehr niedrig, teilweise in Folge beispielsweise verringerter Luftreibungsverluste. Als Meßwerte für die verschiedenen Parameter ergaben sich: Für die Effizienz 97,5 %; die Vibration < 1mm/s und den Geräuschpegel 78 dBA.

Claims

1. Läuferkern für eine Käfigläufer-Induktionsmaschine, mit einer Vielzahl von Zähnen (109) und einer Vielzahl von Läuferstab-Schlitzen (118), dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zahn mit einer Ausnehmung (110) in einer äußeren Ecke des Zahns versehen ist, die einen Belüftungskanal bildet, der sich in Axialrichtung des Läuferkerns erstreckt.

2. Läuferkern nach Anspruch 1, bei dem die Ausnehmung (110) eine solche radiale Tiefe hat, daß sie dem Kanal einen Teil eines benachbarten Schlitzes (118) freilegt.

3. Läuferkern nach Anspruch 2, bei dem ein Rand (119) des benachbarten Schlitzes (118), der am nächsten bei und weitgehend parallel zu einem Umkreis des Läuferkerns liegt, im wesentlichen vollständig durch einen Teil eines benachbarten Zahns (109) begrenzt ist.

4. Käfigläufer-Induktionsmaschine mit einem Läuferkern, der eine Vielzahl von Zähnen (109) und eine Vielzahl von Läuferstab-Schlitzen (118) aufweist, wobei eine Vielzahl von Läuferstäben (111) in entsprechenden Läuferstab-Schlitzen (118) angeordnet ist, und mit einem Ständerkern, wobei der Ständerkern eine Vielzahl von Zähnen (101) aufweist und jeder Ständerzahn (101) eine oder mehrere Öffnungen (105, 120) hat, die sich in Axialrichtung des Kerns erstreckt bzw. erstrecken und so bemessen ist bzw. sind, daß sie eine gesamte radiale Öffnungstiefe aufweist bzw. aufweisen, die sich über einen größeren Teil der radialen Tiefe des Ständerzahns erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Läuferzahn mit einer Ausnehmung (110) in einer äußeren Ecke des Zahns versehen ist, wobei die Ausnehmung einen Kühlluftkanal bildet, der sich in Axialrichtung des Läuferkerns erstreckt, und daß die Ständerzahnöffnungen Kanäle für den Durchfluß von Kühlluft bilden.

5. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 4, bei der die Öffnungen (105) jedes Ständerzahns (101) ein Paar Öffnungen (105) aufweisen, die mit ihren Enden einander zugekehrt längs der radialen Tiefe des Ständerzahns angeordnet sind.

6. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 5, bei der die Öffnungen Löcher (105) sind, die weitgehend zentral längs der Breite des Ständerzahns angeordnet sind.

7. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 5, bei der die Öffnungen längs eines radialen Randes des Ständerzahns angeordnete Ausnehmungen (120) sind.

8. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 5, mit einem weiteren Paar Öffnungen, die mit ihren Enden einander zugekehrt längs der radialen Tiefe des Ständerzahns längsseits des ersten Paares angeordnet sind.

9. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 8, bei der die Öffnungen Löcher sind.

10. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 8, bei der die Öffnungen Ausnehmungen sind und die Ausnehmungspaare längs sich gegenüberliegender radialer Ränder des Statorzahns angeordnet sind.

11. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 4, bei der die Öffnungen jedes Ständerzahns zwei längs der Breite des Ständerzahns nebeneinander angeordnete Öffnungen aufweisen, von denen jede Öffnung eine radiale Tiefe aufweist, die sich über einen größeren Teil der Tiefe des Ständerzahns erstreckt.

12. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 11, bei der die Öffnungen Löcher sind.

13. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach Anspruch 11, bei der die Öffnungen längs sich gegenüberliegender radialer Ränder des Ständerzahns angeordnete Ausnehmungen sind.

14 Käfigläufer-Induktionsmaschine nach einem der Ansprüche 4, 5, 6, 8, 9, 11 und 12, bei der eine Öffnungsfläche, die durch eine oder mehrere der Öffnungen gebildet ist, sich über die radiale Tiefe des Ständerzahns hinaus erstreckt.

15. Käfigläufer-Induktionsmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 14, die einen oder mehrere radiale Kanäle im Läufer kern und/oder Ständerkern für eine Axialventilationsvorrichtung mit zwei Enden aufweist.