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Umlaufende elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung Bei rotierenden
elektrischen Maschinen ist Luftkühlung die Norm. In vereinzelten Fällen wird bei
Großmaschinen der besseren Kühlwirksamkeit wegen Wasserstoffkühlung im geschlossenen
Kreislauf vorgesehen. Die Flüssigkeitskühlung ist für rotierende Maschinen im wesentlichen
bisher nicht über das Probe- und Versuchsstadium hinausgekommen. Am bekanntesten
in dieser Richtung ist der Spaltphasen-Lokomotivumformer von G a n z & Co.,
Budapest. Bei dieser Anordnung ist der feststehende äußere, vom Netz gespeiste Teil
mit Ölumlaufkühlung ausgerüstet, während für den rotierenden Teil eine Wasserkühlung
vorgesehen wurde. Der Nachteil dieser Anordnung besteht einmal in der unbedingten
Notwendigkeit einer außenliegenden Vorrichtung zwecks Erzielung des Ölumlaufes,
anderseits in der Notwendigkeit der Anordnung eines die Ständerbohrung nach innen
hin abdichtenden, also den Luftspalt durchsetzenden Konstruktionsteiles. Der Teil
muß flüssigkeitsdicht sein, soll weder elektrische noch magnetische Leitfähigkeit
besitzen, überdies im Interesse eines kleinen Luftspaltes dünnwandig sein und dabei
genügend mechanische Festigkeit aufweisen. Jede
Undichtigkeit wirkt
sich als Verlust an Kühlflüssigkeit aus.
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Bei kleinen Maschinen, Gebrauchsmotoren konnte die Flüssigkeitskühlung
bisher praktisch nicht Eingang finden.
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Die nachstehend beschriebene Anordnung gestattet nun die Verwendung
der Flüssigkeitskühlung auch für kleine Gebrauchsmotoren und ermöglicht dabei, zufolge
der wesentlich größeren Kühlintensität, eine beachtlich höhere Ausnutzung der Werkstoffe,
was gleichermaßen der Senkung der Herstellungskosten wie der Verringerung des Fertiggewichtes
zugute kommt.
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Die Anwendung der Grundgedanken wird nachstehend in erster Linie für
Drehstrom - Kurzschlußmotoren beschrieben, sie ist aber grundsätzlich auch für andere
Maschinentypen sinngemäß anwendbar. Prinzipiell wird der äußere Teil als rotierend
ausgebildet, während der innere Teil feststeht, so daß die sonst üblichen Positionen
von Ständer und Läufer vertauscht erscheinen. Derartige Anordnungen sind beispielsweise
als Außenpolgeneratoren oder auch als Umlaufmotoren an sich bekannt.
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Im Innern einer derart ausgeführten Maschine wird nun erfindungsgemäß
eine derartige Menge von Kühlflüssigkeit vorgesehen, daß sich im Betrieb eine freie
Oberfläche - allgemein eine Rotationsfläche - einstellt. Bei Maschinen mit horizontaler
Achse ist diese freie Oberfläche bekanntlich eine Zylinderfläche, deren Achse parallel
der Maschinenachse ist, die aber um ein geringes Maß in einer Vertikalebene gegen
die Maschinenachse (Beschleunigungsverhältnis) verschoben ist (Fig. I). Bei vertikaler
Maschinenachse stellt sieh eine Paraboloidfläche gleichachsig zur Maschinenachse
ein (Fig.2). Unter »Innern« der Maschine ist jener kreiszylindrische Ringraum verstanden,
der das magnetisch aktive Eisen mit einer äußeren und einer inneren zylindrischen
Hüllfläche umfaßt, also auch den normalen Luftspalt in sich eingeschlossen besitzt
und der überdies durch zwei achsnormale Ebenen außerhalb der Wickelköpfe begrenzt
wird.
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Die Verwendung einer Flüssigkeitskühlung, bei der sich die Oberfläche
der Flüssigkeit während des Betriebes nach einer freien Rotationsfläche einstellt,
ist an sich bekannt. Beispielsweise wird die innere Hüllfläche des aktiven Ankereisens
einer Gleichstrommaschine nach Patent 227 65I auf diese Weise gekühlt. Dasselbe
Prinzip wird nach »Messungen an elektrischen Maschinen« von Dipl.-Ing. Georg J a
h n, Springerverlag 1925, S. I76, für die Kühlung der Trommel einer mechanischen
Bremse empfohlen.
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Die Verwendung der freien Rotationsfläche für die Kühlflüssigkeit
im Innern der Maschine im Sinne der obigen Definition des Begriffes »Innern« bietet
nun die Möglichkeit, durch Abstimmen der Flüssigkeitsmenge den Durchmesser der vorerwähnten
freien Rotationsfläche so einzustellen, daß er gleich dem Bohrungsdurchmesser der
Maschine vermehrt um ein geringes Sicherheitsmaß wird. Mit dieser grundsätzlich
neuen Anordnung ist einmal der Entfall des eine arge Komplikation darstellenden,
die Bohrung durchsetzendem zylindrischen flüssigkeitsdichten Konstruktionsteiles
gewonnen.
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Hierbei sind Mittel vorgesehen, die es gestatten, von dem rotierenden
Flüssigkeitszylinder eine Flüssigkeitsmenge abzuzweigen, diese als Strömung über
den feststehenden Teil der Maschine zu führen und wieder in den rotierenden Flüssigkeitszylinder
zurückzuleiten. Die äußere Mantel- und Stirnfläche des umlaufenden Teiles dient
dann zur Abführung der von der Kühlflüssigkeit aufgenommenen Verlustwärme.
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In der Nähe der Stirnflächen des urnlaufenden Gehäuses können innen
feststehende, in an sich bekannter Weise ausgebildete rohrförmige Organe vorgesehen
sein, die in den rotierenden Flüssigkeitskörper eintauchen und ihm die Flüssigkeit
entnehmen bzw. an ihn zurückgeben. Der durch diese Anordnung bewirkte Flüssigkeitsstrom
wird hierbei erfindungsgemäß über den aktiven feststehenden Teil (Ständer) der Maschine
geführf.
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Es ist bereits bekannt, bei elektrischen Maschinen Kühlrippen anzuordnen.
Gemäß der Erfindung wird die Innenoberfläche des Gehäuses zwecks Verminderung des
Temperaturgefälles zwischen Kühlflüssigkeit und Gehäuse vorteilhaft durch Anordnung
von Rippen mit radialer oder tangentialer Erstreckung, und zwar am einfachsten durch
Einschneiden eines Feingewindes, vergrößert.
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Gegenstand der Erfindung ist weiter, den umlaufenden Teil als Doppelmantel
mit dazwischenliegenden radialen, achsparallelen Kühlrippen zu versehen, über die
von einer Stirnseite her mittels Lüfterflügel Kühlluft geblasen wird.
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Es sind auch schon Maschinen gebaut worden, bei welchen der äußere
umlaufende Teil als Riemenscheibe ausgebildet ist. Im Sinne der Erfindung wird diese
Konstruktion auch auf in der beschriebenen Weise gekühlte Maschinen angewendet.
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Gemäß dem in Fig. 3 bis .8 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
sind rohrförmige Organe (Pos. 1 und 2 der Fig. 3) "vorgesehen, vorzugsweise in der
Nähe der Stirnflächen des Gehäuses; die während des Betriebes in den rotierenden
Flüssigkeitsring eintauchen und aus diesem Flüssigkeit entnehmen bzw. abgeben. Auf
der Abnehmerseite ist im allgemeinen die Öffnung gegen den Flüssigkeitsstrom, also
gegen die Umlaufrichtung; auf der Abgeberseite in den Flüssigkeitsstrom, also in
die Umlaufrichtung gerichtet.
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Von Abnehmer zu Abgeber wird nun erfindungsgemäß eine Nutzströmung
der Flüssigkeit geführt, und zwar über den aktiven feststehenden Teil. Zu diesem
Zweck sind an den beiden Stirnflächen desselben die Wickelköpfe umhüllende Kappen
(Pos. 3 der Fig. 3 und-4) vorgesehen, die gegen das Eisenblechpaket des feststehenden
Teiles- hin möglichst flüssigkeitsdicht anschließen. Eine absolute Dichtigkeit ist
dabei keineswegs notwendig, denn. ein Leckverlust bedeutet - und das ist ein weierer
großer Vorteil der Anordnung - keinen endgültigen
Verlust an Kühlmitteln.
Diese Leckmengen fließen vielmehr wieder in die umlaufende Hauptmenge der Kühlflüssigkeit
zurück.
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Die der Wickelkopfkappe (Pos. 3 der Fig. 3 und 4) von der Abnehmerseite
her zugeführte Kühlflüssigkeit strömt nun durch die wicklungstragenden Nuten des
Ständers nach der den Abgeber tragenden Wickelkopfkappe. Die Strömung erfolgt dabei
ohne Schwierigkeit längs der mehr oder minder kapillaren Zwischenräume, die zwischen
den Einzelleitern in der Nut immer vorhanden sind. Die Strömung der Kühlflüssigkeit
erfaßt somit praktisch jeden Einzelleiter der Nut direkt und gestattet daher ganz
beachtlich höhere Stromdichten als bei luftgekühlten Maschinen, bei denen überdies
eine Nutdurchlüftung in der Axialrichtung bzw. eine Kühlung der Leiter längs ihrer
Erstreckung in der Nut bisher nur in Ausnahmefällen bei Großmaschinen gebräuchlich
war.
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Um auch die in den Wickelköpfen liegenden Leiterteile möglichst intensiv
zu kühlen, kann zu der vorbeschriebenen Durcbströmung der aktiven Nuten ergänzend
eine Parallelströmung vorgesehen werden, die dann zweckmäßigerweise über Nuten oder
Kanäle (Pos. 4 der Fig. 5) in der Nähe der Nabenbohrung oder an der Nabenbohrung
der Bleche des Ständers geführt wird. Eine dadurch erreichte Erhöhung der umlaufenden
Flüssigkeitsmenge wirkt auch im Sinne einer Senkung der in ihr längs des Umlaufes
auftretenden Temperaturdifferenzen, also günstig.
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Diese Anordnung ergibt somit auf einfachste und zwanglose Weise die
notwendige Erzeugung der Ölströmung für den feststehenden Teil bzw. den gesamten
Kühlmittelumlauf. Die gegensymmetrische Anordnung von Abnehmer (Pos. I) und Abgeber
(Pos. 2 der Fig. 3) ergibt Unabhängigkeit von der Drehrichtung. Bei Umkehrung der
Drehrichtung ändert sich nur die Strömungsrichtung und vertauschen Abnehmer und
Abgeber ihre Funktion. Flüssigkeitsabnehmer und -abgeber werden, wie vorerwähnt,
gegensymmetrisch ausgebildet, wobei bei der Formgebung auf möglichst geringe Stoßverluste
auf der Abnehmerseite, möglichst großen Rückgewinn von Strömungsenergie auf der
Abgeberseite geachtet wird. Von den vorerwähnten Verlusten abgesehen, braucht, energetisch
gesehen, nur das Äquivalent der Strömungswiderstände aufgebracht zu werden, was
erfahrungsgemäß nur einem bescheidenen Bruchteil der Umfangsgeschwindigkeit des
umlaufenden Flüssigkeitsringes entspricht. Der gesamte Energiebedarf des Kühlmittelumlaufes
beträgt nur etwa I% der Maschinenleistung.
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Der aktive Außenteil, in diesem Fall also der Rotor, wird als Käfigläufer
ausgeführt, wobei zweckmäßigerweise die Kurzschlußringe mit lappenförmigen bzw.
fahnenförmigen (Pos. 5 der Fig.8) radialen Verlängerungen nach außen hin versehen
werden, die gleichzeitig die Sitzfläche gegen das mitumlaufende Gehäuse bilden.
Zwischen der inneren Fläche des Gehäuses und dem Rücken der Rotorbleche verbleibt
ein Spalt (Pos. 6 der Fig. 8) von wenigen Millimetern, längs welchem die Rückströmung
der Kühlflüssigkeit von der Abgeber- zur Abnehmerseite erfolgt. Die Kühlflüssigkeit
passiert auf ihrer Rückströmung selbstverständlich auch die vorerwähnten Lappen-
bzw. fahnenförmigen Verlängerungen der Kurzschlußringe und entzieht ihnen dabei
die im Käfig anfallende Verlustwärme, soweit diese nicht indirekt über das Rotorblechpaket
gegen den Rücken hin abgeführt wird.
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Zum Ziel einer Verkleinerung des Temperaturgefälles zwischen der Kühlflüssigkeit
und dem umlaufenden Gehäuse wird die innere Gehäuseoberfläche durch axiale oder
radiale Rippen vergrößert. Eine besonders einfache Methode der gewünschten Oberflächenvergrößerung
besteht im Einschneiden eines Feingewindes in die innere Gehäusefläche (Pos. 7 der
Fig. 4).
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Mit der vorbeschriebenen flüssigkeitsgekühlte@ Ausführung eines Motors
läßt sich nun ein weiteres Erfindungsziel verwirklichen. Es können nämlich die Abmessungen
des aktiven Teiles zufolge der bei der intensiven Kühlung zulässigen höheren Materialbeanspruchung
so weit verkleinert werden, daß das ganze Aggregat innerhalb des Durchmessers der
für die Maschinenleistung normalen Riemenscheibe Platz findet. Das rotierende Gehäuse
kann somit als Riemenscheibe (Fig. 6 und 8) fungieren. Von der Dimensionierungsseite
des aktiven Teiles her gesehen, ist diese Lösung selbst dann noch möglich, wenn
das Gehäuse als Doppelmantel mit dazwischenliegenden radialen Kühlrippen (Pos. 8
der Fig. 6) ausgeführt wird.
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Die Abfuhr der von den Verlustträgern - also zur Hauptsache der Wicklung
und: dem aktiven Eisen - an die Kühlflüssigkeit abgegebenen Wärme an die Außenluft
erfolgt durch die Gehäuseoberfläche, die nötigenfalls zu diesem Ziel künstlich vergrößert
werden kann. Die glatte rotierende Trommel kühlt zufolge ihrer Bewegung an sich
schon ausgezeichnet. Die Wärmeabgabe des ganzen Aggregats kann aber natürlich noch
beachtlich gesteigert werden dadurch, daß das Gehäuse beispielsweise als Doppelmantel
mit dazwischenliegenden radialen Rippen (Pos. 9 der Fig.6) ausgerüstet wird und
durch diese von den beiden Gehäusemänteln zusammen mit den Rippen gebildete Vielzahl
von Kanälen von einer Stirnseite her mit Hilfe eines dort angeordneten Schleuderflügels
(Pos. io der Fig. 6) entsprechende Luftmengen durchgeblasen werden.
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Man kann nun weiters erfindungsgemäß diese Rippen und den Außenmantel
nur auf einem Teil der axialen Gehäuselänge vorsehen und kommt dadurch zu einer
Stufenscheibenanordnung, die zwanglos die Abnahme von zwei Riemengeschwindigkeiten
gestattet (Fig. 6).
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Eine derartige, nach außen hin als glatte oder Stufenriemenscheibe
wirksame 'Maschine wird zweckmäßigerweise auf einer einseitig eingespannten Achse
fliegend gelagert, so daß bei einem transportablen Gerät das Auflegen bzw. Abnehmen
des Riemens keinerlei Schwierigkeiten mit
sich bringt. Es ergibt
sich somit nur auf einer Seite eine Durchführung der Achse durch das Gehäuse, welcher
besonderes Augenmerk gegen den Verlust von Kühlflüssigkeit zu schenken ist. Die
Achse selber wird in einer Konsole gehalten, deren ohnedies aus Festigkeitsgründen
notwendige, kastenförmige verrippte Gestaltung gleichzeitig zur Aufnahme eines Schalters
ausgenutzt werden kann.
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hei fest montierten Maschinen kann die Konsole meist entfallen. Sie
wird durch eine einfache Grundplatte zur Befestigung an der Wand ersetzt, sofern
nicht der Achsstummel an Konstruktionsteilen des Baues (Träger) direkt verschraubt
werden kann.
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Die vorerwähnte Sicherung gegen unbeabsichtigten Ölaustritt an der
Achsendurchführung erfolgt zweckmäßigerweise hydrodynamisch durch entsprechende
Formgebung des der Achse umliegenden Gehäuseteiles (Fig.7), was aber nicht ausschließt,
daß zusätzlich als Verstaubungsschutz des ganz gekapselten Motors die üblichen Filzdichtungen
oder Simmeringe vorgesehen werden. Die Lagerung kann wahlweise mit Gleit- oder mit
Wälzlagern erfolgen. In jedem Fall wird die Kühlflüssigkeit vorzugsweise auch zur
Schmierung benutzt.
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Im Interesse einer sparsamen Materialgebarung wird man das umlaufende
Gehäuse dem aktiven Teil, soweit dies konstruktiv möglich ist, enge anpassen. Es
tritt aber dann dabei die Schwierigkeit auf, daß das im Betrieb im umlaufenden Flüssigkeitsring
vorhandene Volumen von Kühlflüssigkeit im Stillstand das Niveau der unteren horizontalen
Tangentialebene der Achse überschreiten würde und damit bei nicht strenger Abdichtung
des Achsendurchtrittes die Gefahr von verlustbringendem Lecken des Kühlmittels nach
außen gegeben wäre. Selbstverständlich ist es durch Veränderung der Gehäuselänge
und der gewählten Stärke des Flüssigkeitsringes immer möglich, die Bedingungen so
abzustellen, daß das Flüssigkeitsniveau im Stillstand unterhalb der Gehäusebohrung
bleibt. Man kann aber die Verhältnisse in dieser Hinsicht erfindungsgemäß verbessern,
wenn man eine zweite bzw. dritte Riemenscheibénstufe mit einem Durchmesser, der
kleiner als der Durchmesser der betrieblich sich einstellenden freien. Flüssigkeitsoberfläche
ist, vorsieht, die dann im Stillstand einen ergänzenden Vorratsraum bildet, während
sie im Betrieb kein Flüssigkeitsvolumen beinhaltet. Man erhält auf diese Weise ein
Antriebsaggregat mit eventuell drei Riemengeschwindigkeitsstufen, also von weitgehend
universeller Verwendbarkeit (Fig.8).