DEG0008347MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 5. März 1952 Bekänntgemacht am 23. Februar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

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 Ganz ίο & 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

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Undichtigkeit wirkt sich als Verlust an Kühlflüssigkeit aus.

Bei kleinen Maschinen, Gebrauchsmotoren konnte

:"·'■' die Flüssigkeitskühlung bisher praktisch nicht Eingang finden.

■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.

Die Anwendung der Grundgedanken wird nachstehend in erster ,Linie, .für, Drehstrom-,Kurz-· schlußmotoren 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 öder auch als Umlaufmotoren an sich bekannt.

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. 1).

Bei vertikaler Maschinenachse stellt sich 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. ■

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 227651 auf diese Weise gekühlt. Dasselbe Prinzip wird nach »Messungen an elektrischen Maschinen« von Dipl.-Ing. Georg Jahn, Springerverlag 1925, S. 176, für die Kühlung der Trommel einer mechanischen Bremse empfohlen.

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 durchsetzenden zylindrischen flüssigkeitsdichten Konstruktionsteiles gewohnen.

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.

, Jn der Nähe der Stirnflächen des umlaufenden 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 geführt.

Es ist bereits bekannt, bei elektrischen Maschinen Kühlrippen anzuordnen. Gemäß der Erfindung wird die Innenoberfläche des Gehäuses zwecks Verminderung des Temperaturgefälles zwischen Kühl- go flüssigkeit und Gehäuse vorteilhaft durch Anordnung von Rippen mit radialer oder tangentialer Erstreckung, und zwar am einfachsten durch Einschneiden eines Feingewindes, vergrößert.

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.

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.

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.

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 weiterer großer Vorteil der Anordnung — keinen endgülti-

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gen Verlust an..Kühlmitteln. Diese Leckmengen fließen vielmehr wieder in die umlaufende Hauptmenge der Kühlflüssigkeit zurück.

. 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.

Um auch die in den Wickelköpfen liegenden Leiterteile möglichst intensiv zu kühlen, kann zu der vorbeschriebenen Durchströmung 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.

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. 1) 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 Stoß Verluste auf der Abnehmerseite, mögliehst 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 erfahrungs- gemäß nur einem bescheidenen Bruchteil der Umfangsgeschwindigkeit des umlaufenden Flüssigkeitsringes entspricht. Der gesamte Energiebedarf des Kühlmittelumlaufes beträgt nur etwa 1 °A> der Maschinenleistung.

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. · ■

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).

Mit der vorbeschriebenen flüssigkeitsgekühlten 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.

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. 10 der Fig. 6) entsprechende Luftmengen durchgeblasen werden.

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).

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

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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. Bei 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.

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 Kühl-, flüssigkeit vorzugsweise auch zur Schmierung benutzt.

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

4-5 bzw. dritte Riemenscheibenstufe 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).

Claims (11)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Umlaufende elektrische Maschine mit Kühlung mittels einer durch Zentrifugalwirkung eine freie Rotationsfläche bildenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Innern der mit äußerem umlaufenden Teil ausgeführten Maschine, mit Einstellung ihrer Oberfläche während des Betriebes auf eine freie Rotationsfläche, bei horizontaler Achse der Maschine eine dieser parallelen Zylinderfläche, vorgesehen ist, wobei der Durchmesser dieser freien Oberfläche mindestens gleich dem Bohrungsdurchmesser des rotierenden Teiles, vermehrt um ein geringes Sicherheitsmaß, gewählt wird und Mittel vorgesehen sind, 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, wobei die äußere Mantel- und Stirnfläche des umlaufenden Teiles zur Abführung der von der Kühlflüssigkeit aufgenommenen Verlustwärme dient.
2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innen in der Nähe der Stirnfläche des umlaufenden Gehäuses feststehende, in an sich bekannter Weise ausgebildete rohrförmige Organe vorgesehen sind, die in den rotierenden Flüssigkeitskörper' ein-, tauchen und ihm Flüssigkeit entnehmen bzw. an ihn zurückgeben.
3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Anordnung nach Anspruch 2 bewirkte Flüssigkeitsstrom über den aktiven feststehenden Teil (Ständer) der Maschine geführt wird.
4. 4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Flüssigkeitsstromes an den . feststehenden aktiven Teil von der Abnehmer- bzw. Abgeberseite her über die Wickelköpfe einhüllende Kappen erfolgt, die ihrerseits gegen den aktiven Eisenkörper möglichst flüssigkeitsdicht an- 100. schließen.
5. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß im feststehenden Teil der Flüssigkeitsstrom über die wicklungstragenden Nuten, und zwar durch die 105, zwischen den stromführenden Leitern vorhandenen, mehr oder minder kapillaren Querschnitte geführt wird.
6. 6. Elektrische Maschine nach Anspruch .3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß neben der 110. über die Wicklungsnuten geführten Strömung eine Parallelströmung in Nuten oder Kanälen — die in der Nähe oder an der Nabenbohrung des aktiven Bleches des feststehenden Teiles vorgesehen werden — geführt wird. 115.
7. 7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Gehäuses zwecks Verminderung des Temperaturgefälles zwischen Kühlflüssigkeit und Gehäuse durch Anordnung von Rip- 120. pen mit radialer oder tangentialer Erstreckung, am einfachsten durch Einschneiden eines Feingewindes vergrößert wird.
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8. 8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der um- 125, laufende Teil als Doppelmantel mit dazwischen-

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   liegenden radialen, achsenparallelen Kühlrippen versehen wird, über die von einer Stirnseite her mittels Lüfternügel Kühlluft geblasen wird.
9. 9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Gehäuseteil als Riemenscheibe ausgebildet bzw. benutzt wird.
10. 10. Elektrische Maschine nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 8 vorgesehene Doppelmantelanordnung sich nur über einen Teil der Gehäuselänge erstreckt, das Gehäuse somit als Stufenriemenscheibe ausgebildet wird.
11. 11. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite bzw. dritte Riemenscheibenstufe vorgesehen wird, wobei diese Scheibe als Hohlkörper ausgeführt und in das Gehäusevolumen mit einbezogen wird und der innere Durchmesser etwas unterhalb des Durchmessers der freien Flüssigkeitsoberfläche im Betrieb gewählt wird, so daß sich bei Stillstand ein zusätzlicher Vorratsraum für die Kühlflüssigkeit ergibt, der aber im Lauf keine Flüssigkeit beinhaltet.

    Angezogene Druckschriften:

    Deutsche Patentschriften Nr. 227651, 243465, 488957.555320,619520,710021;
    französische Patentschrift Nr. 662 542.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen