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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.
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Bei
vielen großen
rotierenden Maschinen wird zur Kühlung
des Ständers
und Rotors eine sogenannte radiale Belüftung angewandt. Ein Beispiel
dafür ist
in 1 dargestellt. Nach 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.
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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 Wärmetau scher 24,
durch den mittels eines weiteren Gebläses 25, das ebenfalls
auf der Welle 16 angebracht ist, Kühlluft von außerhalb der
Maschine geblasen wird.
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Die
Lamellen von Ständerkern
und Läuferkern
sind in 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 1) angeordnet
ist.
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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.
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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 Läu fer 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.
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Aufgrund
dieser Nachteile wird auch ein Axialbelüftung genanntes Verfahren angewandt.
Eine bekannte Axialbelüftungsanordnung
ist in 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist in jedem
Zahn des Ständers 11 neben
dem Luftspalt 22 ein Belüftungskanal 40 ausgebildet.
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.
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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 4 erläutert wird.
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4 ist
eine Teilansicht der Anordnung nach 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 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 An zahl 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.
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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 Wicklungsabschnitts 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 Endwicklung 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.
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4 zeigt
ferner zwei Läuferstäbe 18,
die in den Schlitzen 37 des Läufers 12 angeordnet
sind.
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Es
ist auch bereits eine axiale Luftströmung bei einer sehr großen Synchronmaschine
zur Unterstützung
der Wasserkühlung
der Ständerwicklung angewandt
worden. Diese Anordnung ist in 5 dargestellt.
Nach 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.
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Andere
bekannte Ständerkühlanordnungen sind
in der GB 13 54 247 und in IEEE 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
geleitet wird. Nach letzterer stehen rechteckige Öffnungen
in den Statorzähnen
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.
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Bei
einer bekannten axialen Läuferkühlanordnung
ist ein Käfigläufer 12 (siehe 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.
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Eine ähnliche
Läuferkühlanordnung
ist in der am 15. Dezember 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.
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In
der DE-C-295 610, 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 929 566 ,
die am 28. Oktober 1954 veröffentlicht
wurde, entnommen werden, die eine Kühlanordnung 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.
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Das
sowjetische Erfinderzertifikat 710090 veranschaulicht den Stand
der Technik in bezug auf Läuferkerne
mit abschnittweisen, selbstgekühlten axialen
Kühlkanälen.
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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.
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Die
Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert.
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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 Aus nehmung zur Verringerung von Hochfrequenzverlusten
in den Läuferstäben bei.
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Die
Ausnehmung hat 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.
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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.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist in Anspruch 4 definiert.
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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 unbeeinträchtigt 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.
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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 4, bei der der
obere Teil der Wicklung einen langen Weg zu dem Belüftungstunnelschlitz
hat.
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Die Öffnung oder Öffnungen
können
eine Vielzahl verschiedener 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
vereinfachten Axialschnitt einer typischen großen Käfigläufer-Induktionsmaschine mit
radialer Kühlung;
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2 eine
vereinfachte Ansicht einer typischen Ständer- und Läufer-Lamellierung;
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3 einen
Axialschnitt einer bekannten Ständer-
und Läuferanordnung
mit Axialbelüftung;
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4 einen
Teil einer Endansicht der Anordndung nach 3, die die
Verwendung von "Tunnelschlitzen" zur Kühlung des
Ständers
zeigt;
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5 eine
Teilansicht einer Ständer-Lamellierung
in einer zweiten bekannten Axialkühlanordnung;
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6 eine
Teilansicht einer Läuferanordnung
in einer dritten bekannten Axialkühlanordnung;
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7 eine
partielle Endansicht eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Ständeranordnung
und einer Läuferanordnung;
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8 eine
partielle Endansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Ständeranordnung;
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9 partielle
Ansichten einer Ständer-Lamellierung,
die verschiedene erfindungsgemäße Formen
von Öffnungen
zeigen;
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10 einen
vereinfachten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine mit
einer Axialkühlanordnung;
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11 eine Öffnungsform
zur Erhöhung
der verfügbaren
Oberfläche
eines Kühlkanals
und
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12 einen
vereinfachten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine mit
einer beidendigen Axialkühlanordnung.
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Nachstehend
sei auf 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 Öffnungen
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.
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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 1) ab.
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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
unmittelbar 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.
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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.
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Ein
weiterer Effekt der Ausnehmungen 110 besteht darin, daß sie die
Masse und mithin die Massenträgheit
des Läufers
verringern.
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Die
Anwesenheit 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 vorhanden ist, angrenzt. Hierbei wirkt die nicht mit
einer Ausnehmung versehene Ecke des Zahns als Wärmesenke, die zur Ableitung
der Wärme
aus dem Stab beiträgt.
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Obwohl
es zweifelhaft erscheint, daß die
gesamte kühlende
Oberfläche
bei der Ständeranordnung
von beispielsweise 1 in der gleichen Größenordnung
wie die bei der radial belüfteten
Ständeranordnung
nach 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 offen sichtlich sehr viel größeren Oberfläche ist,
die die massiven Endlamellenflächen jedes
Ständerabschnitts 13 aufweisen,
die den radialen Kanälen 19 bei
der bekannten Radialbelüftungsanordnung
(siehe 1) zugekehrt sind.
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Eine Überprüfung der
thermischen Koeffizienten beider Systeme bestätigt ebenfalls die Vorteilhaftigkeit
der Erfindung. Aus 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 zunächst
liegenden Luftstroms beträgt
bei dem Ausführungsbeispiel
nach 7 etwa 6 oder 7 mm, was für alle Lamellen 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 Kühleffizienz um 25/7 × 30/2,2 ≈ 55 ergibt,
wenn die heißesten
Teile der beiden Anordnungen verglichen werden.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ständeranordnung
ist in 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 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.
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Die Öffnungen
im Ständer
können
anders geformt sein. Beispiele anderer Formen sind in 9 dargestellt. 9a stellt alternative Öffnungsformen in Form von Löchern dar,
während 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 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 Öffnungspaare
vorgesehen sein, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Ständeranordnung
nach 7 dargestellt sind. Diese alternativen Konfigurationen
oder Formen haben genau die gleiche Funktion wie die in den 7 und 8 dargestellten
und werden daher nicht weiter erörtert.
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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 Gebläse 20 durch
einen Wärmetauscher 24 geblasen
worden ist. Die Luft strömt
dann durch drei parallele 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 Luftspalt.
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Die
Tatsache, daß die
Luftkanäle
alle parallel verlaufen, 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.
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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 7 so viele 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.
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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 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.
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Wenn
die Erfindung bei einer sehr großen Maschine angewandt werden
soll, ist es möglich, eine
Kombination aus Axial- und
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 Temperaturänderungen,
die längs
der Maschinenachse auftreten.
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Ein
Beispiel der Axialbelüftung
an beiden Enden ist in 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 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.
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Es
sei noch erwähnt,
daß die
Erfinder einen zweipoligen Käfigläufer-Induktionsmotor
mit einer Leistung von 3,7 MW und einer Frequenz von 60 Hz hergestellt
haben, bei dem das Prinzip nach 7 angewandt
wurde und dessen Verhalten in jeder Hinsicht die Erwartungen erfüllt oder übertroffen
hat. Insbesondere erwies sich die Kühlung als sehr zufriedenstellend,
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 < 1 mm/s und
den Geräuschpegel
78 dBA.