EP1425841A1

EP1425841A1 - Verfahren zur kühlung einer synchronmaschine mit transversaler flussführung und synchronmaschine mit transversaler flussführung

Info

Publication number: EP1425841A1
Application number: EP02779337A
Authority: EP
Inventors: Andreas Lange; Wolfram Angerer; Uwe Mühlberger
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-06-09
Also published as: US20060082248A1; DE10145447A1; US7129602B2; WO2003026102A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Köhlung einer Synchronmaschine mit transversaler Flussführung mit einem Rotor und einem Stator, welche wenigstens jeweils einen radial äusseren Zwischenraum miteinander bilden und der Stator folgende Merkmale aufweist: a) der dem Rotor unter Bildung eines Luftspaltes in radialer Richtung zugeordnete Aussenstator umfasst in Umfangsrichtung eine Vielzahl von in bestimmten Abstanden zueinander angeordneten im wesentlichen leistungsfahigen Einzelelementen, welche dem Rotor in entsprechend komplementärer Weise zugeordnet sind; b) bei welchem wenigstens ein Teilbereich des Stators gekühlt wird; c) bei welchem der Innenraum der Synchronmaschine derart mit einem Kühlmittel teilweise befüllt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich im Nichtbetrieb in Einbaulage ein Kühlmittelsumpf ausbildet, dessen Spiegel wenigstens im Bereich des unterhalb der Symmetrieachse der Synchronmaschine liegenden äusseren Zwischenraumes zwischen Rotor und Stator einstellt und bei Betrieb der Synchronmaschine durch die Rotorrotation das Kühlmittel mitgerissen wird und in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Statoreinzelelementen zerstäubt wird.

Description

Verfahren zur Kühlung einer Synchronmaschine mit transversaler Flußführung und Synchronmaschine mit transversaler Flußführung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Synchronmaschine mit transversaler Flußführung, insbesondere einer Transversalflußmaschine; ferner eine Synchronmaschine mit transversaler Flußführung.

Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung sind beispielsweise in folgenden Druckschriften (1 ) DE 35 36 538 A1

(2) DE 3705089 C1

(3) DE 3904516 C1

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

Diese 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 leitendem Material getrennten, Ringelementen, die in Umfangsrichtung eine Vielzahl von wechselweise angeordneten polarisierten Magneten und Weicheisenelementen aufweisen. 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 und damit auch die Verfügbarkeit bzw. Betriebsdauer der Wechselstrommaschine. Dabei sind insbesondere die Situationen kritisch, bei denen eine derartige 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 diese mindestens einen Kühlkanal aufweisen, welcher im Bereich oder in der Nähe der Trägerscheibe in den Stator eingebaut und von einem Kühlfluid durchströmt wird. Jeder Kühlkanal 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 mindestens axial verlaufendem Kühlkanal in einer Distanzscheibe, welche zwischen einem Paar von Statorabschnitten vorgesehen ist. Die Distanzscheibe 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 Wärmereduzierung besteht darin, die

Trägerscheibe und die im Bereich der Kühlkanäle dieser 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.

Auch bekannt ist, entweder anstatt der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Statorkühlung und damit indirekt zur Rotorkühlung zusätzlich Maßnahmen am Rotor vorzusehen. Dieser weist mindestens ein Paar von Sammlerringen auf, welche durch einen Isolierring aus magnetisch passiven und elektrisch nicht- leitendem Material verbunden sind, wobei 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.

Aus der Druckschrift WO 98/25331 ist ein Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine mit einem Rotor und einem Stator, welche wenigstens jeweils einen radial inneren und/oder radial äußeren Zwischenraum miteinander bilden, insbesondere von Synchronmaschinenen mit transversaler Flußführung bekannt, bei denen die nicht direkt kühlbaren Bereiche des Rotors mittels eines aufgrund von Zerstäubung entstehenden Kühlmittel-Luftgemisches gekühlt werden. 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 Wechselstrommaschine 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 können. Dabei erfolgt die Befüllung derart, daß sich im radial äußeren, auch als Luftspalt bezeichneten Zwischenraum in Einbaulage zwischen Rotor und Stator betrachtet, unterhalb der Rotorachse ein Kühlmittelsumpf ausbildet. Im Betrieb der Wechselstrommaschine 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 vom 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, in der Regel ausreicht. Es hat sich jedoch nunmehr gezeigt, daß bei den Transversalflußmaschinen entsprechend der in den Druckschriften 1 bis 4 beschriebenen Bauart dieses Verfahren nicht die gewünschten Effekte erzielt, das heißt der Rotor trotzdem nicht die erwünschte Kühlung erfährt.

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

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

Die erfindungsgemäße Lösung für eine optimale Rotorkühlung für Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung ist durch Anwendung eines Verfahrens zur Kühlung, bei welchem aufgrund der Rotorrotation ein im Kühlmittelsumpf befindliches Kühlmittel in ein Kühlmittel-Luftgemisch zerstäubt wird, für eine spezielle Statorkonstruktion und eine Rotorausführung charakterisiert. Die Statorkonstruktion ist dabei dadurch charakterisiert, daß lediglich der Innenstator eine Ankerwicklung trägt, während der Außenstator aus einer Vielzahl von einzelnen Statorelementen ausgeführt wird, die als Vollprofilbauteile ausgeführt sind, vorzugsweise aus pulvermetallurgisch hergestellten und verpreßten Werkstoffen bestehen. Diese sind im wesentlichen als leistenförmige Einzelelemente ausgebildet, die zum Rotor gerichtete Zahnelemente bilden oder tragen und die mit einfachen Befestigungselementen direkt am Statorgehäuse befestigt werden können -lösbar oder nicht lösbar. Die Vielzahl der einzelnen Statorelemente am Außenstator, welche in Umfangsrichtung mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind und die somit immer jeweils einen Zwischenraum bilden, ermöglicht aufgrund der zerklüfteten Struktur eine erhebliche Oberflächenvergrößerung und damit eine wesentliche Erhöhung der Kontaktstellen für das Kühlmittel-Luftgemisch zur Aufnahme der mittels diesem vom Rotor abgeführten Wärme. Demgegenüber bestehen bei konventionellen Ausführungen von Synchronmaschinen mit transversaler Flußführung die einzelnen Statoreinheiten, insbesondere der

Außenstator aus einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Weicheiseneinheiten, die im Statorgehäuse eingebettet sind und somit eine im wesentlichen glatte Statorstruktur verdeutlichen. Die Rotorstruktur ist durch eine nicht glatte Außenfläche charakterisiert. Der Rotor weist eine stufige Struktur auf, die durch wechselnde radiale Abmessungen der in Umfangsrichtung wechselweise angeordneten Magnetanordnungen und Weicheisenelemente erzeugt wird. Diese Rotorstruktur begünstigt erheblich den Effekt der Zerstäubung des Kühlmittels. Erfindungsgemäß wird dazu die Synchronmaschine mit transversaler Flußführung mit einem Kühlmittel derart teilbefüllt, daß sich in Einbaulage im mathematischen Sinn unterhalb der Rotorachse, insbesondere im

Bereich des äußeren Luftspaltes zwischen Rotor und Außenstator im Nichtbetrieb ein Kühlmittelsumpf ausbildet, welcher zuerst aufgrund der stufigen Struktur des in den Kühlmittelsumpf im Nichtbetrieb eintauchenden Rotors und dann aufgrund des bei Rotorrotation entstehenden Unterdruckes mitgerissen, verwirbelt und an den einzelnen Statorelementen zerstäubt wird und die zerstäubten Partikel aus den Zwischenräumen in den Bereich des Rotors gelangen. Der Rotor taucht somit nur im Nichtbetrieb und nach Inbetriebnahme in einem kurzen Zeitraum direkt in den Kühlmittelsumpf ein. Das Kühlmittel wird aufgrund der durch die Struktur des Rotors bedingten Druckverhältnisse mitgerissen. Der Rotor wird somit nicht direkt durch das Kühlmittel gekühlt, sondern durch das durch Verwirbelung und

Vernebelung entstehende Kühlmittel-Luftgemisch. Dabei wird das Kühlmittel in viele einzelne Tröpfchen zerstäubt, und zwar unter normalem Druck und normalen Temperaturverhältnissen in der Synchronmaschine. Der Tröpfchennebel verteilt sich über den gesamten Innenraum der Maschine. Die Kühlung des Rotors erfolgt durch Wärmetransport an die Statorelemente. Es ist keine zusätzliche Abdichtung erforderlich. Dieser Vorgang erfolgt dabei frei von hydraulischer Reibung. Aufgrund der durch die Statorkonstruktion bedingten Zwischenräume ist die zur

Verfügung stehende Statorfläche, insbesondere am Außenstator, erheblich vergrößert, was zum einen für die Zerstäubung einen positiven Effekt bewirkt und des weiteren auch bezüglich der möglichen Kühlung die zur Wärmeabgabe zur Verfügung stehende Oberfläche erheblich vergrößert. Da das Kühlmittel- Luftgemisch im wesentlichen nur den Wärmetransport übernimmt, ist es nicht erforderlich, zusätzliche Einrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels vorzusehen. Eine einmalige Teilbefüllung mit Kühlmittel, welches im Inneren der Wechselstrommaschine verbleibt, ist ausreichend.

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 des Rotors, welche mittels konventionellen Kühlanordnungen bisher nur ungenügend gekühlt werden konnten.

Die Abfuhr der Wärme vom Stator kann mittels herkömmlicher einfacher Statorkühleinrichtunen, beispielsweise Kühlkanälen im Statorgehäuse erfolgen.

Die erfindungsgemäße Lösung kann auch als Maßnahme zur zusätzlichen

Kühlung in Kombination mit herkömmlichen Kühlmaßnahmen eingesetzt werden. Bei Maschinen mit geringer Leistung ist jedoch bereits die Teilbefüllung in Kombination mit einer einfachen Statorkühlung ausreichend.

Die Auswahl der geeigneten Kombinationen der erfindungsgemäßen Ölnebelkühlung 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 Statorgrundkörper vorgesehen.

Zusätzlich besteht auch noch die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Kühlung des Rotors mit bereits bekannten Maßnahmen zur indirekten Kühlung des Rotors, insbesondere zur lokalen Kühlung von Rotorabschnitten 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.

Bezüglich weiterer möglicher Maßnahmen wird auf die DE 43 35 848 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt für mögliche Kombinationen der erfindungsgemäßen Lösung mit bekannten Kühlanordnungen voll umfänglich in diese Anmeldung mit einbezogen werden soll.

Vorrichtungsmäßig ist es lediglich erforderlich, der Synchronmaschine mit transversaler Flußführung jeweils nur Mittel zur Realisierung der Teilbefüllung, insbesondere eine Kühlmittelbefüllungseinrichtung zuzuordnen.

Die einfachste Art der Realisierung der Teilfüllύng besteht darin, den

Kühlmittelsumpf derart auszubilden, daß der Stator in radialer Richtung im Bereich einer Senkrechten zur Rotationsachse unterhalb des Rotors über einen Teil seiner Erstreckung in Umfangsrichtung vollständig eintaucht und somit auch der radial äußere Zwischenraum zwischen Stator und Rotor derart, teilweise befüllt wird, daß der Rotor im Nichtbetrieb in vertikaler Richtung wenigstens teilweise in den

Kühlmittelsumpf eintaucht. Die Kühlmittelbefüllung erfolgt vorzugsweise als Konstantfüllung vor der Erstinbetriebnahme der Synchronmaschine und später zum Austausch nach Entleerung des alten Kühlmittels in bestimmten, vorzugsweise vordefinierten oder freiwählberen Zeitintervallen. Zur Befüllung ist es lediglich erforderlich, daß a) an den Stirnseiten des Gehäuses der Synchronmaschine und/oder b) im, den Außenstator tragenden Element im Bereich seiner Stirnseite oder am Umfang verschließbare Durchgangsöffnungen und/oder Kanäle vorgesehen sind, welche einen Raum außerhalb des radial äußeren Zwischenraumes zwischen Rotor und

Außenstator und radial äußerem Zwischenraum miteinander verbinden und an welche eine Kühlmittelquelle anschließbar ist. Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird nachfolgend anhand einer Figur erläutert. Dabei verdeutlichen die Figuren 1a und 1b anhand einer Schnittdarstellung einer Transversalflußmaschine in zwei Ansichten das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur 1a verdeutlicht anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt einer Synchronmaschine 1 mit transversaler Flußführung den Aufbau einer zur erfindungsgemäßen Lösung erforderlich gestalteten Statorbaueinheit 2. Diese weist wenigstens eine, wenigstens eine Ankerwicklung 3 tragende Statoreinheit 4 auf. Diese ist hier als Element der Gesamtbaueinheit Innenstator ausgeführt. Die Statoreinheit 4 ist in einem Statorgehäuse 5 angeordnet. Im Gehäuse 5 ist des weiteren ein Rotor 6 der Synchronmaschine 1 mit transversaler Flußführung drehbar gelagert. Die Statorbaueinheit 2 umfaßt des weiteren eine zweite Statoreinheit 8, welche als Außenstator 7 fungiert. Diese umfaßt eine Vielzahl von in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Statoreinzelelementen 9.1 bis 9.n, welche im Axialschnitt gemäß Figur 1a beispielsweise ebenfalls einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen, zumindest jedoch als Zahnelemente oder Zähne 15 tragende Elemente ausgeführt sind. Die Statorelemente 9.1 bis 9.n bilden mit der Außenfläche 10 des Rotors 6 in

Einbaulage beziehungsweise montierten Zustand der Synchronmaschine 1 einen Luftspalt 11 , welcher auch als radial äußerer Zwischenraum bezeichnet wird. Die Statoreinheit 8 ist dabei vorzugsweise frei von einer Ankerwicklung. Die einzelnen Statorelemente 9.1 bis 9.n sind in Umfangsrichtung hintereinander mit bestimmten Abstand zueinander angeordnet. Diese bilden somit Zwischenräume 12.1 bis 12.n.

Diese Zwischenräume sind mit dem radial äußeren Zwischenraum 11 zwischen Rotor 6 und Außenstator 8 verbunden. Der Rotor G umfaßt eine zentrale Trägerscheibe 17 und mindestens eine, vorzugsweise zwei sich in axialer Richtung von der Trägerscheibe 17 wegerstreckende Polstrukturen, hier dargestellt eine Polstruktur 18, umfassend jeweils zwei Reihen, aus in

Umfangsrichtung hintereinander angeordneten und wechselweise magnetisierten Magnetanordnungen mit dazwischenliegenden Weicheisenelementen. Für die dargestellte Polstruktur 18 sind die Reihen mit 19 und 20 bezeichnet. Die Magnetanordnungen der Reihe 19 sind mit 21 bezeichnet. Die Weichseiseneinheiten der Reihe 19 sind in dieser Ansicht mit 22 bezeichnet. Die Magnetanordnungen der Reihe 20 sind mit 23 und die Weicheisenelemente mit 21 bezeichnet. Die Reihen 19 und 20 sind jeweils durch eine Zwischenlage, hier die

Zwischenlage 25 aus magnetisch und elektrisch nicht leitfähigem Material voneinander getrennt. Die radial äußeren Abmessungen der Magnetanordnungen 21 und 23 und der jeweils dazwischen angeordneten Weicheisenelemente 22 und 24 sind unterschiedlich und erzeugen somit eine in Umfangsrichtung stufige Struktur des Rotors G und damit eine unebene Außenfläche am Außenumfang 14 des Rotors. Dargestellt sind TA21 , TA 23 für die Magnetanordnungen beider Reihen 19 und 20 und τ_A22 und τ_A24 für die Weicheisenelemente 22 und 24 der Reihen 19 und 20.

Die in der Figur 1a und 1 b dargestellten Ausführungen beschreiben eine besonders kompakte Ausgestaltung einer Statorbaueinheit 2, insbesondere einer Statoreinheit in Form eines Außenstators. Diese ermöglicht eine große Oberfläche aufgrund der in Umfangsrichtung ausgerichteten Stirnflächen der einzelnen Statorelemente 9.1 bis 9.n, welche entsprechend der Befestigung vollständig zu Kühlzwecken und zur Erzeugung des Kühlmittel-Luftgemisches herangezogen werden können. Das einzelne Statoreinzelelement 9.1 bis 9.n ist als Element mit verbreitertem Rücken ausgeführt, welches vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestellt, das heißt verpreßt und somit einstückig gefertigt ist. Das einzelne Statorelement ist als Vollteil ausgeführt und wird vorzugsweise nur noch kraft- und formschlüssig mittels Verbindungselementen mit dem Statorgehäuse 5 verbunden.

Das Statorgehäuse umfaßt dazu im einfachsten Fall ein ringförmiges Gehäuseteil. Die Befestigungselemente werden dabei durch die Gehäusewand des ringförmigen Gehäuseteils hindurchgeführt und mit entsprechenden Gegenelementen an den Statoreinzelelementen in Wirkverbindung gebracht. Im einfachsten Fall weist dazu jedes Statoreinzelelement 9.1 bis 9.n wenigstens ein, in dieses eingearbeitete Gewinde auf. Der Gewindegang erstreckt sich dabei von der vom Rotor weggerichteten Außenfläche in Richtung des Rotors 6. Andere einfach zu realisierende Verbindungen, beispielsweise durch Klemmung sind ebenfalls möglich.

Der Synchronmaschine 1 mit transversaler Flußführung sind hier im einzelnen im Detail nicht dargestellte Mittel zur Befüllung des Innenraumes 16 mit einem

Kühlmittel zugeordnet. Die Befüllung des Innenraumes 16 erfolgt wenigstens über einen Teil der in radialer Richtung äußeren Zwischenräume 11. Der sich im Nichtbetrieb einstellende Kühlmittelspiegel 13 wird dabei vom Außenumfang 14 des Rotors 6 wenigstens berührt, vorzugsweise taucht dieser teilweise in diesen ein. Bei Inbetriebnahme der Synchronmaschine wird das Kühlmittel durch die

Rotation und die stufige Struktur des Rotors 6 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 dem Zwischenraum Rotor 6 und Stator 2. Dieses übernimmt durch Wärmestörmung und Wärmeübergang den

Wärmetransport vom Rotor 6 zum Stator 8. Aufgrund der durch die Statorkonstruktion bedingten Zwischenräume 12.1 bis 12.n ist die zur Verfügung stehende Statorfläche, insbesondere am Außenstator, erheblich vergrößert, was zum einen die Zerstäubung begünstigt und des weiteren auch bezüglich der möglichen Kühlung die zur Wärmeabgabe zur Verfügung stehende Oberfläche erheblich vergrößert. Da das Kühlmittel-Luftgemisch im wesentlichen nur den Wärmetransport übernimmt, ist es nicht erforderlich, zusätzliche Einrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels vorzusehen. Eine einmalige Teilbefüllung mit Kühlmittel, welches im Inneren der Synchronmaschine verbleibt, ist ausreichend.

Die Kühlung des Außenstators 7 kann beispielsweise über nicht dargestellte Kühlkanäle im Gehäuse 5 erfolgen. Andere Möglichkeiten sind denkbar. Bezugszeichenliste

1 Synchronmaschine mit transversaler Flußführung

2 Statorbaueinheit

3 Ankerwicklung

4 Statoreinheit

5 Gehäuse

6 Rotor

7 Außenstator

8 zweite Statoreinheit

9.1 - 9.n Statoreinzelelemente

10 Außenfläche 10

11 Lufspalt

12.1 - 12.n Zwischenräume

13 Kühlmittelspiegel

15 Zähne tragende Elemente

16 Innenraum

17 zentrale Trägerscheibe

18 Polstruktur

19 Reihe

20 Reihe

21 Magnetanordnung

22 Weicheisenelemente

23 Magnetanordnungen

24 Weicheisenelemente

25 Zwischenlage

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Kühlung einer Synchronmaschine mit transversaler Flußführung mit einem eine stufige Außenfläche in Umfangsrichtung am Außenumfang aufweisenden Rotor und mindestens einem Außenstator, die in radialer Richtung einen Zwischenraum miteinander bilden, wobei der Außenstator in Umfangsrichtung eine Vielzahl von in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Einzelelementen umfasst und frei von einer Ankerwicklung ist; 1.1 bei welchem wenigstens ein Teilbereich des Außenstators gekühlt wird;

1.2 bei welchem der Innenraum der Synchronmaschine derart mit einem Kühlmittel teilweise befüllt wird, daß

1.2.1 sich im Nichtbetrieb in Einbaulage ein Kühlmittelsumpf ausbildet, dessen Spiegel sich wenigstens im Bereich des unterhalb der Rotationsachse des Rotors der Synchronmaschine liegenden

Zwischenraumes zwischen Rotor und Außenstator einstellt, wobei der Rotor in diesem Betriebszustand in den Kühlmittelsumpf eintaucht;

1.2.2 bei Betrieb der Synchronmaschine durch die Rotorrotation des aufgrund entstehenden Unterdruckes das Kühlmittel mitgerissen wird und in den Zwischenräumen zwischen den Einzelelementen zerstäubt wird, wobei ein Kühlmittel-Luftgemisch entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Öl mit geringer Viskosität verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im Innenraum in einem geschlossenen System ohne Umwälzung verbleibt und der Innenraum frei von einer hermetischen Abdichtung gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel nach Einfüllung einen vordefinierten oder frei wählbaren Zeitraum in der Synchronmaschine verbleibt und nach einer vordefinierten oder freiwählbaren Zeitdauer ausgetauscht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenstator zusätzlich gekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmedium durch die Wandung des Statorgehäuses und/oder an dessen Außenumfang entlang geführt wird.

7. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung;

7.1 mit einem Rotor, dessen Außenfläche am Außenumfang in Umfangsrichtung nicht stufig ausgeführt ist;

7.2 mit einer Statorbaueinheit, umfassend wenigstens einen Außenstator und ein, der Statoreinheit zugeordnetes Statorgehäuse;

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

7.4 Rotor und Außenstator bilden in radialer Richtung einen Zwischenraum;

7.5 es sind Mittel zur Befüllung eines Teilbereiches des Zwischenraumes zwischen Rotor und Außenstator mit Kühlmittel vorgesehen; 7.6 der dem Rotor in radialer Richtung zugeordnete Außenstator umfaßt in

Umfangsrichtung eine Mehrzahl von in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Einzelelementen, welche dem Rotor in entsprechend komplementärerweise zugeordnet sind.

8. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente leistenförmig ausgebildet sind.

9. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, daß die unebene Außenfläche des Rotors durch in Umfangsrichtung wechselweise ändernde radiale Abmessungen erzeugt wird.

10. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

10.1 mit mindestens einer, an einer zentralen Trägerscheibe angeordneten und sich in axialer Richtung erstreckenden Polstruktur;

10.2 jede Polstruktur umfaßt zwei durch eine Zwischenlage voneinander getrennte Reihen von in Umfangsrichtung benachbarten Weicheisenelementen und dazwischen angeordneten und wechselweise magnetisierten Magnetanordnungen; 10.3 die unebene Außenfläche wird durch unterschiedliche radiale äußere

Abmessungen der Magnetanordnungen und der dazwischen angeordneten Weicheisenelemente erzeugt.

11. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente aus pulvermetallurgisch hergestellten und verpreßten Materialien gefertigt und mittels Befestigungselementen mit dem Statorgehäuse verbunden sind.

12. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Einzelelementen des Außenstators und dem Statorgehäuse durch Schraubverbindungen realisiert wird.

13. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente

Zahlelemente bilden oder tragen.

14. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 13 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnelemente eines Einzelelementes in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.

15. Synchronmaschine mit transversaler Flußführung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnelemente eines Einzelelementes in Umfangsrichtung in einer Ebene angeordnet sind.

16. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 15, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

16.1 mit einem Statorgehäuse;

16.2 die Mittel zur Befüllung des Zwischenraumes umfassen einen mit dem Innenraum des Gehäuses verbundenen und verschließbaren an eine Kühlmitteleinrichtung koppelbaren Zuführkanal.

17. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Außenstator zugeordnete Kühleinrichtung wenigstens einen mit einem Kühlmedium befüllbaren und im Statorgehäuse angeordneten Kanal umfaßt.