EP0882322A1

EP0882322A1 - Verfahren zur kühlung einer wechselstrommaschine, insbesondere transversalflussmaschine und wechselstrommaschine, insbesondere transversalflussmaschine

Info

Publication number: EP0882322A1
Application number: EP97953731A
Authority: EP
Inventors: Uwe Mühlberger; Andreas Lange
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 1998-12-09
Also published as: WO1998025331A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine mit einem Rotor und einem Stator, welche wenigstens jeweils einen radial inneren und/oder einen radial äusseren Zwischenraum miteinander bilden; bei welchem wenigstens ein Teilbereich des Stators gekühlt wird; bei welchem die Wechselstrommaschine zusätzlich derart mit einem Kühlmittel teilweise befüllt wird, dass sich im Nichtbetrieb in Einbaulage ein Kühlmittelsumpf bildet, dessen Spiegel sich wenigstens unterhalb der Symmetrieachse der Wechselstrommaschine einstellt und bei Betrieb der Wechselstrommaschine durch die Rotorrotation das Kühlmittel zerstäubt wird.

Description

Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine, insbesondere Transversalflußmaschine und Wechselstrommaschine, insbesondere

Transversalflußmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine, insbesondere einer Transversalflußmaschine oder eine Drehfeldmaschine, ferner eine Wechselstrommaschine.

Elektrische Maschinen in Form von Wechselstrommaschinen sind in verschiedenen Ausführungen aus einer Vielzahl von Druckschriften bekannt.

Wechselstrommaschinen, beispielsweise Asynchronmaschinen oder

Synchronmaschinen, die nach dem Prinzip der Drehfelderzeugung arbeiten, sind aus Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Seite V18 - V31 , bekannt.

Wechselstrommaschinen, die nach dem Transversalflußprinzip arbeiten, sind beispielsweise in folgenden Druckschriften

(1) DE 3536538 A1

(2) DE 3705089 C1 (3) DE 3904516 C1

(4) DE 4125779 C1 offenbart. Diese beschreiben im wesentlichen das Grundprinzip und den

Aufbau.

Wechselstrommaschinen, die nach dem Transversalflußprinzip arbeiten, umfassen wenigstens einen Stator mit mindestens einer Ankerwicklung und einen der Ankerwicklung gegenüberliegenden Rotor. Der Rotor besteht dabei aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten, durch eine Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material getrennten, Ringelementen, die in Umfangsrichtung eine Vielzahl von wechselweise angeordneten polarisierten Magneten und Weicheisenelementen aufweisen.

BES IGUNGSK PI Eine derartige Anordnung zweier Ringelemente bildet eine Polstruktur. Vorzugsweise sind Transversalflußmaschinen symmetrisch aufgebaut. Diese umfassen dann zwei durch eine zentrale Trägerscheibe getrennte Polstrukturen.

Bei einer derartigen Maschine wird im Betrieb sowohl im Rotor als auch im Stator aufgrund der durch die Wicklungen und die Magnetkerne auftretenden und durch induzierte Wirbelströme bedingten Verlustleistungen Wärme erzeugt. Diese begrenzt bei Nichtergreifung geeigneter Maßnahmen die Belastbarkeit, die Belastungsdauer und damit auch die Einsetzbarkeit der

Wechselstrommaschine. Insbesondere sind vor allem Situationen kritisch, bei denen eine solche Maschine bei hoher Last und vor allem hoher Drehzahl arbeitet.

Zur Vermeidung dieses nachteiligen Effektes ist es grundsätzlich bekannt, den

Stator an Kühleinrichtungen anzuschließen. Auf diese Weise kann eine Erwärmung der Maschine und deren Komponenten verringert werden.

Aus der DE 43 35 848 A1 sind eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verbesserung der Kühlwirkung bekannt, im einzelnen eine Kühlanordnung derart auszuführen, daß die Kühleinrichtungen mindestens einen Kühlkanal aufweisen, welcher im Bereich oder in der Nähe der Trägerscheibe in den Stator eingebaut und von einem Kühlfluid durchströmbar ist. Jeder Kühlkaπal ist dabei von der Trägerscheibe nur durch eine Kanalabdeckung minimaler Dicke und den Luftspalt zwischen Rotor und Stator getrennt.

Ebenfalls aus dieser Druckschrift bekannt, ist eine Ausführung mit axial verlaufendem Kühlkanal in einer Distanzscheibe, welche zwischen einem Paar von Statorabschnitten vorgesehen ist. Die Distaπzscheibe liegt der Trägerscheibe radial gegenüber, ist symmetrisch zur Trägerscheibe angeordnet und gegenüber den Statorabschnitten thermisch isoliert. Diese besteht aus einem Material, das magnetisch passiv ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Erhöhung der Wärmereduzierung besteht darin, die Trägerscheibe und die im Bereich der Kühlkanäle gegenüberliegenden Bereiche des Stators mit ineinandergreifenden komplementären Zähnen zu versehen, welche im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Flächen haben und durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.

Des weiteren ist es bekannt, entweder anstatt der vorstehend beschriebenen Maßnahmen oder zusätzlich einen Rotor zu verwenden, welcher an der Trägerscheibe befestigt, mindestens ein Paar von Sammlerringen aufweist, welche durch einen Isolierring aus magnetisch passiven und elektrisch nicht- leitendem Material verbunden sind, und bei welchem in den Isolierring, in

Umfangsrichtung verteilt, Speicherzellen eingearbeitet sind, die mit einem Phasenübergangsmaterial gefüllt sind.

Die Wirkung dieser bekannten Maßnahmen kann durch eine geeignete Werkstoffauswahl und Oberflächenbehandlung erhöht werden.

Der Nachteil der bekannten Ausführungen besteht darin, daß große Kühleffekte nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand erzielt werden können. Die am stärksten beanspruchten und erwärmten Bereiche des Rotors können oft nicht optimal und vor allem nicht gleichmäßig gekühlt werden.

Aufgrund des Aufbaus der Transversalflußmaschine ist die Kühlung einiger Bereiche des Rotors nur indirekt möglich, insbesondere die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Ringelementen einer Polstruktur und/oder die Verbindung zwischen Trägerscheibe und den Polstrukturen. Dies sind jedoch die Bereiche, welche am stärksten einer Erwärmung ausgesetzt sind. Bei Drehfeldmaschinen, insbesondere Asynchronmaschinen, welche ebenfalls aus Rotor und Stator aufgebaut sind, wobei der Stator vorzugsweise auf einem größeren Durchmesser in radialer Richtung betrachtet als der Rotor angeordnet ist, entzieht sich der Rotor einer intensiven Kühlung, sofern nicht extern ein kühlendes Gas, beispielsweise Luft oder Stickstoff, oder eine

Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder Öl, zugeführt werden. Es ist allgemein bekannt, daß bei Traktionsantrieben größerer Leistung mit Drehfeldmaschinen sich bisher die Durchzugsbelüftung durchgesetzt hat. Bei kleineren Baugrößen bleibt somit die Kühlung des Rotors und damit auch des Statorwickelkopfes jedoch unbefriedigend. Zur Lösung dieses Problemes wird vorgeschlagen, das Bewegen der Luft im Stirnraum zu verbessern und einen internen Luftkreislauf zwischen Statorblechpaket und Rotorblechpaket zu realisieren, um die Kühlung zu verbessern. Bei dieser Lösung wird nur die in der elektrischen Maschine eingeschlossene Luft bewegt. Wärmeinhalt und Wärmeübergang führen jedoch zu keiner spürbaren Verbesserung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung allgemein für eine Wechselstrommaschine derart auszuführen, daß neben der Gewährleistung einer wirkungsvollen Kühlung der Wechselstrommaschine, insbesondere des Rotors als besonders stark beanspruchtes Bauteil, ein geringer konstruktiver und kostenmäßiger Aufwand zu verzeichnen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 2 und 7 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei Ausführungen von Wechselstrommaschinen mit einem Rotor und einem Stator, welche wenigstens jeweils wenigstens einen radial inneren und/oder radial äußeren Zwischenraum miteinander bilden, insbesondere Transversalflußmaschinen, bei welchen Einrichtungen zur Kühlung des Stators vorgesehen sind, werden erfindungsgemäß die nicht direkt kühlbaren Bereiche des Rotors mittels eines aufgrund von Zerstäubung entstehenden Kühlmittel-Luftgemisches gekühlt. Dazu wird die Wechselstrommaschine, insbesondere die Transversalflußmaschine derart teilbefüllt, so daß sich zumindest in Einbaulage unterhalb der Rotorachse im mathematischen Sinn im Nichtbetrieb ein Kühlmittelsumpf derart ausbildet, daß bei Betrieb der

Wechsestrommaschiπe durch die Rotorrotation das Kühlmittel teilweise mitgerissen und zerstäubt wird und die zerstäubten Partikel in wenigstens einen der Zwischenräume und damit in den Bereich des Rotors gelangen. Vorzugsweise erfolgt die Befüllung derart, daß sich im radial äußeren auch als Luftspalt bezeichneten Zwischenraum in Einbaulage zwischen Rotor und

Stator betrachtet unterhalb der Rotorachse im mathematischen Sinn ein Kühlmittelsumpf ausbildet. Im Betrieb der Wechselstrommaschine wird das Kühlmittel durch die Rotorrotation mitgerissen und aufgrund der dadurch auf das Kühlmittel wirkenden Kräfte zerstäubt. Es entsteht im wesentlichen in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotorwelle und des Füllungsstandes ein

Kühlmittel-Luftgemisch im Luftspalt zwischen Rotor- und Stator. Dieses übernimmt durch Wärmeströmung und Wärmeübergang den Wärmetransport von Rotor zum beispielsweise wassergekühlten Stator. Das Kühlmittel- Luftgemisch übernimmt im wesentlichen nur den Wärmetransport, weshalb keine zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels vorgesehen werden müssen und eine einmalige Teilbefüllung mit Kühlmittel, welches im Inneren der Wechselstrommaschine verbleibt, ausreicht.

Die Zwischenräume zwischen dem Rotor und dem Stator werden hinsichtlich ihrer radialen Lage ausgehend von der theoretischen Symmetrie- bzw. der

Achse definiert, welche der Rotationsachse des Rotors entspricht.

Vorzugsweise wird als Kühlmittel mit geringer Viskosität, d.h. mit einer geringen inneren Reibung infolge von Kraftwirkungen zwischen den Molekülen verwendet, beispielsweise in Form von niederviskosen Öl. Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Möglichkeit der Abfuhr von Wärme auch an den kritischen Bereichen, welche mittels konventionellen Kühlanordnungen bisher nur ungenügend gekühlt werden konnten. Gleichzeitig bietet die Verwendung von Öl zusätzlich die Möglichkeit des Korrossionsschutzes des Rotors.

Vorzugsweise wird bei Wechselstrommaschiπen mit einem radial innen und einem radial außen angeordneten Zwischenraum zwischen Rotor und Stator eine Teilbefüllung gewählt, welche im Nichtbetrieb der Wechselstrommaschine einen Kühlmittelspiegel in einer Höhe ermöglicht, welche im Bereich des bzw. der bezogen auf die Rotorachse radial innen liegenden Zwischenräume zwischen Rotor und Stator liegt. Diese Zwischenräume werden auch als Luftspalten bezeichnet. Eine Befüllung mit einem höheren Kühlmittelspiegel ist ebenfalls denkbar.

Die erfindungsgemäße Lösung ist bei Wechselstrommaschinen unterschiedlichsten Aufbaus anwendbar. Diese ist daher sowohl bei Wechselstrommaschinen, die nach dem Transversalflußprinzip, als auch bei Wechselstrommaschinen, die nach dem Drehfeldprinzip arbeiten, einsetzbar. Des weiteren ist die Anwendbarkeit unabhängig vom Aufbau und somit insbesondere bei Transversalflußmaschinen mit im wesentlichen symmetrischen Aufbau, d.h. mit einem Rotor mit sich beidseitig von einer zentralen Trägerscheibe in axialer Richtung erstreckenden Polstrukturen als auch bei Ausführungen mit nur einer Polstruktur einsetzbar. Auch müssen nicht unbedingt zwei in radialer Richtung übereinander angeordnete Luftspalte vorgesehen sein, einer genügt, d. h. entweder ein radial äußerer Luftspalt oder ein radial innerer Luftspalt. Entscheidend ist lediglich, daß der Kühlmittelspiegel wenigstens im Bereich des Rotors liegt, wobei der Rotor auch mit einem Teilbereich in Umfangsrichtung vollständig in den Kühlmittelsumpf eintauchen kann. Diese Möglichkeit kann als Maßnahme zur zusätzlichen Kühlung in Kombination mit herkömmlichen Kühlmaßnahmen bei jeder Art von Wechselstrommaschiπen eingesetzt werden. Bei Maschinen mit geringer Leistung ist dann bereits auch die Teilbefüllung in Kombination mit einer einfachen Statorkühlung ausreichend.

Die Auswahl der geeigneten Kombinationen der erfindungsgemäßen Olnebelkühlung mit herkömmlichen Kühlanordnungen zur Statorkühlung liegt im Ermessen des Fachmannes und richtet sich nach dem konkreten Einsatzfall.

Die Kühlung des Stators kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, direkt oder indirekt mittels unterschiedlicher Kühlmedien. Im einfachsten Fall ist dieser an entsprechende Kühleinrichtungen angeschlossen oder es sind mit Kühlmittel befüllbare Kühlmittelkanäle im Statorgrund körper vorgesehen.

Zusätzlich besteht jedoch die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Kühlung des Rotors mit bereits bekannten Maßnahmen zur Kühlung des Rotors, insbesondere zur lokalen Kühlung von Rotorabschπitten zu kombinieren.

Nachfolgend sind einige Beispiele genannt:

Beispielsweise ist es denkbar, im Stator in der Nähe der Trägerscheibe wenigstens einen Kühlkanal vorzusehen, welcher von einem Kühlfluid durchströmbar ist, wobei der Kühlkanal von der Trägerscheibe nur durch eine Kanalabdeckung minimaler Dicke und den Zwischenraum zwischen Rotor und Stator abgetrennt ist.

In einer speziellen Ausführungsform kann der Kühlkanal axial verlaufen und in eine Distanzscheibe eingebaut sein, welche zwischen einem Paar von Statorabschnitten angeordnet ist. Die Distanzscheibe ist symmetrisch in radialer Richtung gegenüberliegend zur Trägerscheibe angeordnet und gegenüber den Statorabschnitten thermisch isoliert. Die Distanzscheibe besteht vorzugsweise aus einem Material, welches magnetisch passiv ist. und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Sie weist auf beiden Seiten des Kühlkanales im wesentlichen radial verlaufende breitflächige Hohlräume auf, welche eine thermische

Isolierung gegenüber den benachbarten Bereichen des Stators bilden. Die Hohlräume können mit Luft oder anderen Isolationsmaterialen gefüllt sein.

Des weiteren kann der Kühlkanal im Grundkörper des Stators angeordnet sein.

Denkbar ist eine Ausführung , bei welcher die Trägerscheibe und die im Bereich der Kühlkanäle gegenüberliegenden Bereiche des Stators mit zueinander komplementären Verzahnungen zu versehen, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Flächen aufweisen und durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.

Anstatt oder zusätzlich zu den vorstehend aufgeführten Beispielen ist die Bauform des Rotors derart modifiziert, daß der Rotor an der

Trägerscheibe befestigt mindestens eine Polstruktur aufweist, bei welcher die ringförmigen Anordnungen aus wechselweise magnetisierbaren Magneten und Weicheisenelementen durch einen Isolierriπg aus magnetisch passiven und elektrisch nicht leitendem Material verbunden sind. In diesen Isolierring sind in Umfangsrichtung

Speicherzellen eingearbeitet, welche mit Phasenübergangsmaterial gefüllt sind, dessen Schmelzpunkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt.

Bezüglich weiterer möglicher Maßnahmen wird auf die

DE 43 35 848 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt für mögliche Kombinationen der erfindungsgemäßen Lösung mit bekannten Kühianordnungen voll umfänglich in diese Anmeldung mit einbezogen werden soll.

Vorrichtungsmäßig ist es lediglich erforderlich, der Wechselstrommaschine jeweils nur Mittel zur Realisierung der Teilbefüllung zuzuordnen. Die Teilbefüllung kann sich dabei

1) allein nur auf die Zwischenräume zwischen Rotor und Stator bzw. Rotor und Statorgruπdkörper oder aber 2) generell auf das den im Statorgrundkörper gelagerten Stator umschließende Statorgehäuse oder 3) die Zwischenräume zwischen Rotor und Gehäuse beziehen.

Die erstgenannte Möglichkeit wird dabei vor allem bei Ausführungen von Wechselstrommaschinen, insbesondere bei Transversalflußmaschinen bevorzugt, welche zusätzliche Kühleinrichtungen am Statorgrundkörper aufweisen.

Bei der zweiten Möglichkeit bildet sich bei Teilbefüllung ein Kühlmittelsumpf im Gehäuse in welchen der Statorgrundkörper eintaucht. Es sind dann

Möglichkeiten vorzusehen, daß Kühlmittel vom Gehäuse in die Zwischenräume gelangen zu lassen. Denkbar sind hierzu beispielsweise Durchgangsöffnungen im Statorgrundkörper, die den Gehäuseinnenraum mit den Zwischenräumen verbinden.

Die einfachste Art der Realisierung der Teilfüllung besteht darin, den Kühlmitteisumpf derart auszubilden, daß der Stator in diesem Bereich vollständig eintaucht und somit auch der radial äußere Zwischenraum zwischen Stator und Rotor teilweise befüllt wird. In einer bevorzugten Ausführung erfolgt auch hier die Befüllung derart, daß auch der Rotor zum

Teil in den Kühlmittelsumpf eintaucht. Das teilweise Eintauchen des Rotors bietet den Vorteil, daß auch bei geringen Drehzahlen bereits ein entsprechender Kühleffekt erzielt werden kann, während bei Vorsehen des Kühlmittelsumpfspiegels in einem geringen Abstand zum Außenumfang des Rotors sich der Kühleffekt erst bei erhöhter Drehzahl einstellt.

Taucht der Stator zum Teil wenigstens teilweise unterhalb der theoretischen Rotorachse in den Kühlmittelsumpf ein, wird dieser vorzugsweise mit entsprechenden Kanälen versehen, die im Zusammenwirken mit weiteren, im Rotor vorgesehenen Kanälen einen sogenannten inneren Kreislauf zusätzlich zur Flüssigkeitsnebelkühlung bilden. Die entsprechenden Kanäle sind dabei im Rotor vorzugsweise im unmittelbaren Bereich des Außenumfanges des Rotors angeordnet und erstrecken sich vorzugsweise in irgendeiner Form über die axiale Erstreckung des Rotors. Der innere Kreislauf bietet dabei den Vorteil, das Kühlmittel in axialer Richtung betrachtet von einer Seite zur anderen Stirnseite des Stators bzw. des Rotors zu führen und gleichzeitig zusätzlich durch den inneren Kreislauf eine zusätzliche Rotorkühlung zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen: Figur 1 einen Ausschnitt aus einer Schnittdarstellung einer

Transversalflußmaschine mit erfindungsgemäßer Teilbefüllung; Figur 2-5 zusätzliche zur Kombination mit der Teilbefüllung geeignete Möglichkeiten zur Rotorkühlung,

Figur 6 eine vereinfachte Darstellung eines Axialschnittes einer

Drehstrom-Asynchronmaschine mit erfindungsgemäßer

Teilbefüllung.

Die Figur 1 verdeutlicht in einer Schnittdarstellung den Aufbau einer

Wechselstrommaschine in Form einer Transversalflußmaschine 1 in Einbaulage. Diese umfaßt einen Rotor 2 und einen Stator 3. Der Rotor 2 umfaßt eine in einem Statorgehäuse 4 gelagerte Rotorwelle 5 mit einer darauf drehfest befestigten und sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden zentralen Trägerscheibe 6, an deren Stirnseiten beidseitig jeweils zur Rotordrehachse A koaxial angeordnete Polstrukturen - eine erste

Polstruktur 7 und eine zweite Polstruktur 8 vorgesehen sind. Jede Polstruktur 7 bzw. 8 umfaßt zwei in axialer Richtung nebeneinander angeordnete und jeweils durch eine Zwischenlage 9 bzw. 10 aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Material getrennte Reihen 11 und 12 bzw. 13 und 14 aus in Umfangsrichtung wechselweise magnetisierten Magneten mit dazwischenliegenden Weicheisenelementen 16. Stirnseitig ist im dargestellten Fall jeder Polstruktur 7 bzw. 8 ein Endring 17 bzw. 18 zugeordnet.

Der Stator 3 weist einen Grundkörper 19 auf, in welchem in Umfangsrichtung verlaufende, radial äußere und radial innere Ankerwicklungen 21 bzw. 23 und 20 bzw. 22 untergebracht sind. Diese sind von axial verlaufenden Schnittbandkernen 24, 25 bzw. 26 und 27 umgeben. Die Ankerwicklungen 20 und 22 bilden mit den zugehörigen Schnittbandkernen 24 und 26 bezogen auf die Einbaulage in radialer Richtung jeweils einen inneren Statorteil 28 bzw. 29, die Ankerwicklungen 21 und 23 bilden mit den Schnittbandkernen 25 und 27 jeweils einen äußeren Statorteil 30 bzw. 31.

Der innere Durchmesser d, und der Außendurchmesser d_a des Rotors 2 ist derart zu den Abmessungen der Statorteile 28 und 29 bzw. 30 und 31 gewählt, daß zwischen Rotor und Stator auch als Luftspalt bezeichnete

Zwischenräume ausgbildet sind. Ein erster Zwischenraum zwischen inneren Statorteil 28 und dem Rotor 2, ein zweiter Zwischenraum 33 zwischen innerem Statorteil 29 und ein dritter sowie vierter Zwischenraum 34 und 35 sind jeweils zwischen den äußeren Statorteilen 30 und 31 und dem Rotor 2 gebildet. Der Traπsversalflußmaschine sind hier im einzelnen nicht im Detail dargestellte Mittel zur Befüllung mit einem Betriebsmittel zugeordnet. Die Befüllung erfolgt wenigstens über einen Teil der in radialer Richtung äußeren Zwischenräume 34 und 35. Vorzugsweise wird jedoch ein Füllstand des Kühlmittelsumpfes im Nichtbetrieb wie in der Figur 1 dargestellt im Bereich der radialen Ausdehnung der inneren Zwischenraumes gewählt. Denkbar ist dabei, nur die Zwischenräume, d.h. den Bereich zwischen Rotor 2 und Gruπdkörper 19 zu befüllen. Es ist jedoch auch möglich, einen Teil des Grundkörpers 19 in einen Kühlmittelsumpf einzutauchen, wobei jeweils Verbindungen zu den Zwischenräumen geschaffen werden müssen. Dieser letztgenannte Fall bietet gleichzeitig die Möglichkeit einer vereinfachten Statorkühlung.

Bei Inbetriebnahme der Wechselstrommaschine, insbesondere der Transversalflußmaschine wird das Kühlmittel durch die Rotorrotation mitgerissen und aufgrund der dadurch auf das Kühlmittel wirkenden Kräfte zerstäubt. Es entsteht im wesentlichen in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotorwelle und des Füllungsstandes ein Kühlmittel-Luftgemisch in den Zwischenräumen 32 bis 35 zwischen Rotor 2 und Stator 3. Dieses übernimmt durch Wärmeströmung und Wärmeübergang den Wärmetransport vom

Rotor 2 zum beispielsweise wassergekühlten Stator. Das Kühlmittel- Luftgemisch übernimmt im wesentlichen nur den Wärmetransport, weshalb keine zusätzlichen Einrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels vorgesehen werden müssen und eine einmalige Teilbefüllung mit Kühlmittel, welche im Inneren der Wechselstrommaschine verbleibt, ausreicht.

Zur direkten Kühlung des Stators 3 sind Kühlkanäle 37, 38, 39 und 40 vorgesehen, welche von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar sind. Möglichkeiten zur zusätzlichen Kühlung des Rotors 2 sind in den Figuren 2 bis 5 beschrieben. Diese sind mit der erfindungsgemäßen Teilbefüllung kombinierbar. Für gleiche Elemente sind gleiche Bezugszeichen verwendet.

Figur 2 verdeutlicht eine Möglichkeit anhand einer Einzelheit aus Figur 1.

Aus dieser Figur ist eine Distanzscheibe 42 ersichtlich, welche auf der radial außenliegenden Seite des Grundkörpers 19 zwischen den beiden Statorteilen 30 und 31 angeordnet und mit Vergußmasse 43 am Grundkörper 19 befestigt ist. Die Distanzscheibe 42 weist in deren radial innen liegenden Bereich einen breitflächig ausgeführten Kühlkanal 44 auf, welcher nur durch die Wand 45 einer Kanalabdeckung 45 vom gegenüberliegenden Bereich der Trägerscheibe 6 getrennt ist. Auf diese Weise kann über die gesamte axiale Breite der Distanzscheibe in Umfangsrichtung in diesem Bereich Wärme von der Trägerscheibe 6 entzogen werden, wobei die Trägerscheibe 6 vorzugsweise aus einem

Material mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit besteht.

Eine bevorzugte Ausgestaltung besteht im Vorsehen einer thermischen Isolierung 47 gegenüber den benachbarten Statorbereichen. Diese kann beispielsweise von einem Hohlraum gebildet werden.

Alternativ oder zusätzlich zum Kühlkanal 44 gemäß Figur 2 besteht die Möglichkeit, einen radial verlaufenden breitflächig ausgebildeten Kühlkanal 46 vorzusehen, welcher einem entsprechenden Bereich der Trägerscheibe 6 des Rotors 2 gegenüber liegt. Hier befindet sich der Kühlkanal 46 in einem

Bereich mit geringem Abstand zur Rotorwelle 5. Zusätzlich kann die Kühlwirkung dadurch unterstützt werden, daß an der Trägerscheibe 6 und dem Grundkörper 19 komplementäre ineinandergreifende Zähne 48 und 49 aufweisen, die einander berührungslos zugeordnet und jederzeit durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Eine weitere spezielle Bauform eines Rotors 2 für eine Wechselstrommaschine ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt.

Figur 4 verdeutlicht einen Ausschnitt einer Schπittdarstellung durch einen Rotor 2. Dargestellt sind die Trägerscheibe 6 und die Polstruktur 8 mit den zwei durch eine Zwischenlage 9 voneinander getrennte, jedoch mechanisch miteinander verbundene Reihen 10 und 11. Die Zwischenlage 9 enthält, wie in der Figur 5 in einer Ansicht A entsprechend Figur 4 dargestellt, eine Vielzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Speicherzellen 49. Diese Speicherzellen enthalten ein Phasenübergangsmaterial, dessen Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt. In der Praxis wird diese vorgegebene Temperatur zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie unterhalb der kritischen Temperatur der Permanentmagneten liegt, welche in die Polstrukturen eingebettet sind.

Die Figur 6 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung einen Axialschnitt durch eine Wechselstrommaschine in Form einer Drehstrom- Asynchronmaschine mit erfindungsgemäßer Teilbefüllung. Die Drehstrom- Asynchronmaschine umfaßt einen Stator 51 und einen Rotor 52, wobei der Stator 51 dem Rotor 52 in Umfangsrichtung wenigstens teilweise unter

Entstehung eines Zwischenraumes 53 umschließt. Der Stator 51 , welcher auch Primärteil genannt wird, umfaßt eine Drehstromwickluπg 54, während der Rotor 52 mit einer sogenannten Kurzschlußwicklung 55 versehen ist. Die Leistung wird mittels des im Stator erzeugten Drehfelds auf den asynchron rotierenden Rotor 52 übertragen. Stator 51 und Rotor 52 sind in einem

Gehäuse 56 angeordnet. In Einbaulage unterhalb der theoretischen Rotorachse A_{Rtheoretlsch)} welche gleichzeitig der Rotationsachse des Rotors entspricht, bildet sich durch Teilbefüllung im Nichtbetrieb ein Kühlmittelsumpf 57 aus. Der Kühlmittelsumpf 57 erstreckt sich dabei in axialer Richtung betrachtet von einem sogenannten vorderen Stirπraum 58 zu einem hinteren

Stirnraum 59. Der Kühlmittelsumpfspiegel 60 im Nichtbetrieb ist vorzugsweise im Bereich des Außenumfanges 61 des Rotors vorgesehen, wobei vorzugsweise der Rotor 52 im Nichtbetrieb in den Kühlmittelsumpf 57 zum Teil eintaucht. Der Stator 51 ist ebenfalls in Einbaulage betrachtet unterhalb der Rotorachse A_Rtheoretisch von Kühlmittel umgeben und der Zwischenraum 53 unterhalb der theoretischen Rotorachse A_Rtheoretjsch ist ebenfalls über einen Teil in Umfangsrichtung mit Kühlmittel befüllt. Während des Betriebes der Asynchronmaschine, d. h. bei Rotation des Rotors 52 wird das Kühlmittel aus dem Kühlmittelsumpf 57 mitgerissen und im Zwischenraum 53 zerstäubt. Es bildet sich somit sowohl im Zwischenraum 53, als auch in den stirnseitigen Bereichen 58 und 59, welche durch die Stirnseiten von Rotor 52, Stator 51 und Gehäuse 56 gebildet werden, ein Flüssigkeitsnebel aus, welcher die Kühlfunktion, wie bereits für die Ausführung entsprechend der Figur 1 hinreichend beschrieben, erfüllt, aus. Des weiteren sind bei der vorliegenden Ausführung zusätzliche Kanäle im Rotor und im Stator vorgesehen, welche hier mit 62 und 63 bezeichnet sind. Die im Stator 51 angeordneten Kanäle 62 sind vorzugsweise im Bereich des Außenumfanges 64 des Stators 51 angeordnet. Diese erstrecken sich von jeweils einer Stirnseite zur gegenüberliegenden Stirnseite des Stators 51 in Einbaulage. Die Länge der Kanäle, ihre Auslegung sowie ihre Führung liegt im Ermessen des Fachmannes. Vorzugsweise wird jedoch eine Kanalführung angestrebt, welche eine minimale Länge zwischen den beiden Stirnseiten beschreibt. Im Stator 51 ist wenigstens ein Kanal 62 vorzusehen. Im Rotor 52 sind eine Vielzahl in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Kanäle 63 vorgesehen. Vorzugsweise sind mehrere Kanäle 63 auf einem gemeinsamen Durchmesser bezogen auf die theoretische Rotorachse A_Rtheoretisch angeordnet. Auch diese

Kanäle 63 erstrecken sich über die gesamte axiale Erstreckung des Rotors 52 zwischen den beiden Stirnseiten des Rotors. Auch hier liegt die Auslegung hinsichtlich Größe, Verlauf und Abstand zur theoretischen Rotorachse ^A _{Rt eoret}i_sch ^im Ermessen des Fachmannes. Aufgrund der Rotorrotation bildet sich zwischen den Kanälen 62 und 63 in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors 52 ein sogenannter innerer Kreislauf aus, welcher Flüssigkeit aus dem Kühimittelsumpf 57 durch die Kanäle 52 im Stator 51 und die Kanäle 63 im Rotor 52 befördert und im Kreislauf führt. Dieser Effekt schafft eine zusätzliche Kühlmöglichkeit für den Rotor. Es besteht dabei die Möglichkeit, bei bereits erhältlichen Asynchronmaschinen, welche zum Zwecke der Kühlung entsprechende Bohrungen im Rotor und im Stator enthalten und diese zur Realisierung eines internen Luftkreislaufes nutzen, ohne Veränderung dieser Kanäle für den internen Kühlmittelkreislauf zu verwenden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist hinsichtlich seiner Anwendbarkeit nicht auf eine bestimmte Funktionsweise der Wechselstrommaschine sowie einen bestimmten Aufbau beschränkt. Es ist lediglich sicherzustellen, daß im Bereich des Außenumfanges des Rotors ein Kühlmittelsumpf vorhanden ist, aus welchem aufgrund der Rotorrotation Kühlflüssigkeit bzw. Kühlmittel mitgerissen und somit zerstäubt wird.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine mit einem Rotor und einem Stator, welche wenigstens jeweils einen radial inneren und/oder einen radial äußeren Zwischenraum miteinander bilden;

1.1 bei welchem wenigstens ein Teilbereich des Stators gekühlt wird;

1.2 bei welchem die Wechselstrommaschine zusätzlich derart mit einem Kühlmittel teilweise befüllt wird, daß 1.2.1 sich im Nichtbetrieb in Einbaulage ein Kühlmittelsumpf bildet, dessen Spiegel sich wenigstens im Bereich des unterhalb der Symmetrieachse der Wechselstrommaschine liegenden äußeren Zwischenraumes zwischen Rotor und Stator oder Rotor einstellt und 1.2.2 bei Betrieb der Wechselstrommaschine durch die Rotorrotation das Kühlmittel im Zwischenraum zerstäubt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel des Kühlmittels sich im Bereich des radial inneren Zwischenraumes zwischen Rotor und Stator einstellt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich der Zwischenraum zwischen einem, den Stator tragenden Grundkörper, dem Stator und dem Rotor befüllt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein, den Stator umschließendes Gehäuse, dessen Innenraum mit den zwischen Rotor und Stator gebildeten Zwischenräumen gekoppelt ist, befüllt und das Kühlmittel in den Zwischenraum zwischen Rotor- und Stator geleitet wird.

5. Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine mit einem, in einem Gehäuse angeordneten Rotor und Stator, wobei der Rotor mit dem Stator sowie der Rotor mit dem Gehäuse wenigstens jeweils einen Zwischenraum miteinander bilden; 5.1 bei welchem wenigstens ein Teilbereich des Stators gekühlt wird;

5.2 bei welchem die Wechselstrommaschine zusätzlich derart mit einem Kühlmittel teilweise befüllt wird, daß

5.2.1 sich im Nichtbetrieb in Einbaulage ein Kühlmittelsumpf bildet, dessen Spiegel sich wenigstens im Bereich des unterhalb der Symmetrieachse der Wechselstrommaschine liegenden

Zwischenraumes zwischen Rotor und Gehäuse einstellt und

5.2.2 bei Betrieb der Wechselstrommaschine durch die Rotorrotation das Kühlmittel im Zwischenraum zerstäubt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit ein Öl mit geringer Viskosität verwendet wird.

7. Wechselstrommaschine, insbesondere Transversalflußmaschine 7.1 mit einem Rotor; 7.2 mit einem Stator;

7.3 mit wenigstens einer Kühleinrichtung, die dem Stator zugeordnet ist;

7.4 Rotor und Stator und/oder Rotor und Gehäuse bilden in radialer Richtung wenigstens jeweils einen inneren und einen äußeren Zwischenraum; gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:

7.5 es sind Mittel zur Befüllung wenigstens eines Teilbereiches der Zwischenräume mit einem Kühlmittel vorgesehen.

8. Wechselstrommaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befüllung wenigstens eines Teilbereiches der

Zwischenräume zwischen Rotor und Stator und/oder Rotor und Gehäuse wenigstens einen in einen mit dem Stator gekoppelten Grundkörper und diesem vorgesehenen und wenigstens indirekt mit einer Kühlmittelversorgungseinrichtung koppelbaren Kanal umfassen.

9. Wechselstrommaschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

9.1 mit einem, den Grundkörper umschließenden Gehäuse;

9.2 die Mittel zur Befüllung der Zwischenräume umfassen einen mit dem Innenraum des Gehäuses verbundenen und verschließbaren an eine Kühlmitteleinrichtung koppelbaren Zuführkanal;

9.3 der Zuführkanal ist über den Iπnenraum des Gehäuses mit dem im Grundkörper vorgesehenen Kanal gekoppelt.

10. Wechselstrommaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stator zugeordnete Kühleinrichtung wenigstens einen mit einem Kühlmedium befüllbaren und im Grundkörper angeordneten Kanal umfaßt.

11. Wechselstrommaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

11.1 der Rotor umfaßt eine Trägerscheibe und wenigstens eine sich in axialer Richtung von der Trägerscheibe weg erstreckende und an dieser angeordnete Polstruktur;

11.2 es ist wenigstens ein Kühlkanal im Grundkörper in der Nähe der Trägerscheibe vorgesehen, welcher von einem Kühlmedium durchströmbar ist;

11.3 jeder Kühlkanal ist von der Trägerscheibe nur durch eine Kanalabdeckung minimaler Dicke und den Zwischenraum zwischen Rotor und Stator getrennt.

12. Wechselstrommaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe und die im Bereich der Kühlkanäle gegenüberliegenden Bereiche des Stators mit ineinandergreifenden komplementären durch einen Luftspalt voneinander getrennten Zähnen versehen sind.

13. Wechselstrommaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

13.1 jede Polstruktur umfaßt zwei nebeneinanderliegende, durch eine Zwischenlage aus magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material

(Zwischenring) getrennte Reihen aus in Umfangsrichtung wechselweise magnetisierten Magneten mit dazwischenliegenden Weicheisenelementen;

13.2 in die Zwischenlage sind in Umfangsrichtung verteilt Speicherzellen eingearbeitet, welche mit einem Phasenübergangsmaterial gefüllt sind.