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Kühlsystem für dynamoelektrische Maschinen Die Erfindung betrifft
dynamoelektrische Maschinen mit einem Rotor und einem Stator, insbesondere ein Kühlsystem
für derartige Maschinen. r Während des Betriebs derartiger Maschinen wird gewöhnlich
fortlaufend Wärmeerzeugt, insbesondere in den Wicklungen und Kernen des Stators
und des Rotors, und die Geschwindigkeit, mit der diese Wärme abgeleitet wird$ bestimmt
weitgehend die Kapazität der Maschinen. Durch Einrichtungen zur Erhöhung der Geschwin..
digkeit, mit der der Rotor und der Stator in ihnen erzeugte Wärme ableiten, kann
von der gleichen-Maschine eine größere Ausgangsleistung abgenommen werden, öder
die gleiche Ausgangsleistung kann mit einer kleineren Maschine erzielt werden, was
in beiden Fällen vorteilhaft-ist , Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine dynamoelektrische
Maschine mit verbesserten Kühleinrichtungen anzugeben.
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Dynamoelektrieche@Maschinen arbeiten oft in einer Umgebung, die: Verunreinigungen
wie Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, Öl und, dergleichen enthält, die-den Betrieb der
Maschine nachteilig beeinflussen
und ihre lebenadäuer verkürzen.
Besonders empfindlich gegenüber den genannten Verunreinigungen ist die.Statorwcklunge=
Isolation. Andererseits ist die einfachste und-zugleich -wirksamste Kühlung die,
bei- der der Rotor ünd der Stator in direktem Wärmeaustausch mit dem Medium der
Umgebung, normalerweise Luft, stehen, A Es soll daher weiter eire dynamoelektrische
Maschine -mit einem Kühlsystem angegeben-werden, in der ein umgebendes Kühlmittel
in direktem Wärmeaustausch mit dem Rotor und dem Statör zirkuliert,-während gleichzeitig
ihr Kontakt mit den Verunreinigungen in dem Kühlmittel kürzer ist:` Es ist wünschenswert,
daß eine gegebene'dynamoelektrische Maschine für viele Zwecke verwendet werden kann,
damit sie in -ihrer Nützlichkeit nicht eingeschränkt ist. Die Entwicklungs-Herstellungs-
.urid technologischen Schwierigkeiten des Herstellern werden dadurch verringert,
und der Käufer kann-wirtschaftlicher eine bereits'erworbene Maschine für einenneuen
Zweck verwenden. - _ Die dynamoelektrische Maschine soll daher ein Ku-@hlsystem
haben, das mit sonst üblichen Maschinen verträglich ist und leicht ersetzt oder
gegen andere` Kühlsysteme ausgetauscht werden kann. .... . .
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Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung hat ein. Motor-_ kUhlsystem,
das für die Verwendung bei einem sonst üblicher: 8ö.W tor geeignet ist, der durch
vollständig gekapselte Lüfter gekühlt wird. Ein auf dem Rotor montierter Lüfter
befindet sich . im Innern eines durchlöcherten Endschilds, der einen der voll. ständig
gekapselten Endschilde ersetzt. Die Lüfterplatte vorvolletändigt im wesentlichen
ein Gehäuse für den Nadwindungshohlrauen
und weist zentrifugale
Flügel auf, die die Kühlluft über den Außenrand des Motors drücken, der vorzugsweise
Kühlrippen hat. Im äußeren Randteil des Lüfters wird eine bestimmte Menge von Außenluft
mit Luft in dem Endwndungshohlraum vermischt. IDie Luft wird .lieht direkt in den
Endwindungshohlraum eingedrückt, sondern sie tritt indirekt über eine Druckdifferenz
ein. Die Druckdifferenz wird durch einen zylindrischen Teil des Stators erreicht,
vorzugsweise einen Teil des Endschilds, der teilweise in der Rotationsebene der
Lüfterflügel verläuft. Der Lüfter wirkt außerdem als Separator, der die schwerwen
in der Luft enthaltenen Verunreinigungen zurückhält, die sonst in den Endwindungshohlraum
gelangen würden, in dem sich ein schalenförmiger Teil der Lüfterplatte axial nach
außen zu. dem erwähnten zylindrischen Teil des Stators'erstreckt.
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Die Erfindung soll anhand der Zeichnun,,- näher erläutert werden.
Es zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Ausführungsbeispiels
des Motors gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine Endansicht des Motors von Fig. 1 mit
gelöstem Läfterdeckel; Fig. 3 eine Aufsicht auf den auf der Welle befestigten Lüfter
von Fig4 1'; und Fig4 eine Ansicht des oberen Teils des Lüfters von Fig.:3.
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Inder folgenden Beschreibung ist die in Fig. 1 abgebildete dynandelektrsche
Maschine ein Motor.. Der Motor hat eine normale stationäre: Einheit oder einen Stator,
der einen zylindrischen Statorrahmen 1 aufweist; ferner zwei Endschilde 2 .und 3,
die
mit den kreisförmigen Endflächen des Rahmens 1 übereinstimmende entsprechende Flächen
aufweisen; ferner ein lamelliertes Statorpaket-4 von ausgestanzten Ringen aus einem
magnetisehen Werkstoff, der durchgehende Leiterschlitze hat und im Innern des Rahmens
1 gehaltert ist; sowie mehrere axial verlaufende elektrische. Leiter, die in: den
Leiterschlitzen angeordnet sind und aus diesen an beiden Enden axial nach außen
ragen, um mehrere auf dem Umfang verteilte Wicklungsendwindungen wie 5 und 6 an
den entsprechenden Enden des Statorpake.ts 4 zu bilden. Die zugehörige drehbare
Einheit oder der Rotor des Motors hat ein lamelliertes Motorpaket 7 mit kreisförmig
ausgestanzten Blechen aus einem magnetischen Werkstoff; ferner eine durch das Rotorpaket
7 verlaufende und dieses tragende Well e#, : sowie, mehrere axial verlaufende Leiter
in dem Rotorpaket 7, die in Endringen g bzw. 10 enden, die an dessen entgegengesetzten
Enden angebracht sind. Die Rotorwelle 8 ist zweckmäßigerweise in geeigneten Lagern
in den Endschilden 2 und 3 drehbar gelagert, so daß das Rotorpaket 7 in der Bohrung
des Statorpakets 4 nur durch einen schmalen Luftspalt 11 getrennt drehbar gelagert
ist. Der Betrieb eines Elektromotors, wie er bisher beschrieben wurde., ist bekannt
und es ist ersichtlich, daß ein geeigneter Betrieb und Aufbau .zum Beispiel der
eines üblichen Induktionsmotors mit einer Mehrphasen-8tatorwieklung und einer gegossenen
Käfigläufer-Rotorwcklung ist. -Gemäß der Erfindung hat der Motor von Fig. 1 ein
Kühlsystem, das eine Einrichtung zur Zirkulation äußerer Kühlluft über die .Motoroberfläche,
eine Einrichtung für die Zirkulation innerer Kühlluft in einem Endwinaungshohlrgum
des Motors sowie eine
Einrichtung für die Durchmischung einer bestimmten
Menge Von äußerer Kühlluft mit der inneren Kühlluft in dem Endwindungshohlraum aufweist.
Dqs Antriebsende des Motors hat einen Endschild.3, aus dem die Welle 8 hervorragt,
und ist vollständig gekapselt, so daß ein isolierter.Undwindungshohlraum entsteht,
der nach außen nur eine vernaehlässigbare Verbindung über den Zuftspalt 1'! hat.
Es soll nun das zum Antriebsende des Motors entgegengesetzte Ende mit dem Endschild
2 genauer betrachtet werden.
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Der durchlöcherte Endschild 2 kann als Ersatz für einen der bekannten
nicht durchlöcherten Endschilde angesehen werden, wie sie bei einem durch einen
vollständig gekapselten Lüfter gekühlten Motor vorhanden sind:, obwohl das nicht
notwendigerweise der Fall sein muß. Wie deutlicher in Fig. 2 abgebildet ist, hat
der Endschild 2 eine zentral angeordnete Lagerhalterung 12 die an einem Ring 13
durch einen Armstern rlit Armen 14 befestigt ist. Der Ring 13 ist seinerseits an
einem zylindrischen Glied 15 durch mehrere auf dem Umfang verteilte, axial verlas-(ende
Streben 16 befestigt. Mehrere Bolzen aufnehmende Ösen 17 befinden sieh am Außenrand
des zylindrischen Glieds 15, um üb-
licherweise eine Einrichtung zu bilden,
durch die der Endschild 2 starr am Rahmen 1 befestigt werden kann. Die Verwendung
von durcchgestecktenBolzen wird bevorzugt, so daß die Endschilde 2 und 3 gegeneinander
gedrückt werden und den Rahmen 1 zusammenpressen. Der Endschild 2 ist wie der beschriebene
am vorteil. haftesten einstückig gegossen und auf seiner axial inneren Fläche bearbeitet,
um eine Fugenverbindung 18 mit der komplementären Fläche dee Rahmens 1 zu bilden.
Um
einen sehr großen Kühletrom zu erhalten, weist der-Endschild 2 vorzugsweise große
Löcher auf, deren Größe nur durch , die Anforderungen an die mechanische Festigkeit
und Starrheit begrenzt ist. Axiale Lufteinlaßkanäle 19 zwischen den Armen
14 und radiale Luftausläßkanäle 20 zwischen den. Streben 16 nehmen einen wesentlichen
Teil der Gesamtfläche ein, die von den End-bzw. Randteilen des Endschilds 2 begrenzt
wird. Der relativ breite axiale Spalt der Auslaßkanäle 20 ist am deutlichsten in
Fig.1 zwischen dem Ring 13 und dem zylindrischen Teil 15 abgebildet.
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Die Zirkulation des äußeren Kühlmittels, in den meisten Fällen Luft,
wird durch einen Lüfter 21 bewirkt. Der Lüfter 21 hat im allgemeinen eine Nabe 22eine
Lüftexplatte 23 und mehrere Flügel oder Schaufeln 24, die von der Platte 23 getragen
werden. Der Lüfter 21 ist vorzugsweise gegossen oder als eine einstzckige Einheit
geformt. Die Lüfterplatte ist' in der Nähe des radial. inne-roten Teils-des Flügels
24 axial nach außen: gebogen, und mehrere auf dem Umfang verlaufende Schlitze oder
enge Nuten .25 erzeugen einen radial gerichteten luftauslaß zwischen den Plügeln
24 für einen Zweck, der weiter unten genauer erläutert werden soll.
| mit |
| Wenn der Lüfter 21/den anderen Notorbauteilen zusammenge- |
baut ist, befindet sich die Nabe 22 auf der delle S -und ist auf ihr drehfest durch
eire geeignete Befestggseinrichtung wie
einem geil, einem Preßsitz, eine
Spannvorrichtung oder dergl gesichert. Das zylindrische Glied 15 des Endschilds
2 liegt teilweise in der Rotationeebene der lüfterflügel 24.
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Die lüfterplatte 23 ist mit Ausnahme der schmalen. Behllzs 25 zwieohen
den Flügeln 24 nicht durchlöchert nd`=und f daher
die Endwand eines
im wesentlichen gekapselten Endwindungshohlraums für die Endwindungen 5. Der Einlaß
26 in den EndwindunL shohIrawird durch den Zwischenraum zwischen dem Außenrandteil
7 der Platte 23 und der benachbarten Innenfläche des Statore gebildet.-letztere
ist die Innenfläche des zylindrischen Glieds 15 in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel.
Es ist ersichtlich, daß.der Einlaß 26 wesentlich breiter als der laufspielraum ist,
der zwischen den gegeneinander drehbaren Gliedern erforderlichist. Als luftkanal
ist jedoch der Einlaß 26 verhältnismäßig schmal: Abgesehen von der vernachläseigbaren
Verbindung über den Zuftspalt 11 befindet sich kein luftkanal im Rahmen 1 zwischen
den entgegengesetzten Endwindungahohlräumen des Motors: Dieses Maricmal wird in
der Beschreibung und den Ansprüchen durch die Bezeichnung isolierter Endwindungshohlraum
ausgedrückt. Ähnlich bedeutet die Bezugnahme auf einen: im wesentlichen gekapselten
dwindungshohlraum, daß der Eintritt des Kühlmittels in diesen nur über enge Öffnungen
wie die Kanäle 25 und 26 erfolgt. Vorzugsweibe -ist ein liif terdeekel 28 vorhanden,:
der den Hauptstrom des Kühlmediums über die Außenfläche des Motors riehtet und auch
den rotierenden Lüfter 21 vor Verunreihigungen schützt. Der Deckel 28 kann im wesentlichen
tassenförmig sein, wie abgebildet, und er besteht zweckmäßigerweise aus Blech, das
am Stator angeschraubt oder angeschweißt ist, zum Beispiel an Ösen 17 des Endschilds
2. Damit die Außenluft in die Einlaßkanäle 19 des Endschilds 2-eintreten kann, ist
der radial innere Teil des Deckels 28 wie an der Stelle 29 durchlöchert. Der Deckel
28 ist sonst nicht durchlöchert und leitet den Hauptkühlstrom, der aus der Auslaßkanälen
20 austritt, in .axialer Richtung über
die Außenfläche des Rahmens
19-der vorzugsweise wärmeableitende Rippen 30 hat. , Um die Wärmeableitung vom Rotorpaket
7 zu verbessern und einen Zwangsumlauf 'der Kühlluft in dem im wesentlichen abgeschlosseneri
Endwindungshohlraum zu erzielen, sind; mehrere zentrifugale Schaufeln 31 am Rotor
vorhanden. Die Schaufeln 31 sind radial nach innen zu den Endw ndungen 5 und
" dem Luftauslaß 25 angeordnet, und sie können vorzugsweise als sin.einstückiger
Bestandteil der Rotorwicklung hergestellt werden, besonders wenn die Rotorwcklung
in das Rotorpäket 7 eingegossen ist. Dieses Verfahren wird oft zur Herstellung von
Käfigläufer-Rotoren verwendet.
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Während des Betriebs der beschriebenen dynamoelektrischen Maschine
dreht sich die Rotoreinheit schnell gegen cis Statoreinheit, die normalerweise ortsfest
oderstationär ist. Dement.e' sprechend drehen sich der Lüfter 21 der auf derRotorwelle
8 befestigt ist, und die Schaufeln 31die am Rotorpaket 7 befestigt sind, beide gegen
die Statorbauteile.
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Ein primärer Kühlluftstrom wird durch den Lüfter 21 zusammen -mit
dem Erdschild 2 und dem Deckel 28 erzeugt. Wie am besten aus den Figuren
3 und 4 ersichtlich ist, ragen die Flügel 24 senk-`recht aus der Lüfterplatte 23
hervor und verlaufen radial. Daher drücken die Flügel 24. einen Kühlluftstrom durch
die uslaßkanäle 20 radial-naoh außen. Der Deckel 28 leitet im wesentlichen den Strom
axial entlang der Rippen 30. Die Luft wird durch Löcher 29 und die Eingangskanäle
19 ersetzt, um eine kontinuierliche Zirkulation zu erreichen. Es soll darauf hingewiesen
werden, daß der Betrieb des bis jetzt beschriebenen Teils des Kühlsysteme
unabhängig
von. der Drehrichtung des Rotors gegen den Stator ist. Das trifft für das ganze
Kühlsystem gemäß der Erfindung zu.
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Die auf dem Rotor angebrachten Schaufeln 31 bilden einen Zentrifugallüfter
wie die Flügel. 24 und erzeugen eine luftzirkulation um und durch die Endwindungen
5. Die Schaufeln 31 dienen auch als Wärmeableitungsfläche zu dem im wesentlichen
eingeschlqssenen Kühlmittel. In diesem Zusammenhang ist ersichtliche daß ein bedeutender
Teil der von dem anderen Ende des Motors abgeleiteten Wärme, falls das: andere Ende
wie abgebildet einen nicht durchlöcherten Endschild hat, zu der durch die Schaufeln
31 umgewälzten Kühlluft übertragen wird. Die Wärme wird vom anderen Ende des Motors
in diesem Fall zu den Endwindungen 5 und den Schaufeln 31 durch die elektrischen
Leiter geleitet, die die axial verlaufenden Wicklungen der Maschine bilden. Das
übliche elektrische Leitermaterial wie Kupfer und Aluminium leitet die Wärme sehr
gut.
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Während bisher der Betrieb des Kühlsystems bezüglich der Einrichtung
für die Zirkulation der äußeren Kühlluft und der # Einrichtung für die Zirkulation
der inneren Kühlluft betrachtet worden. ist soll im folgenden auf eine Einrichtung
für die gesteuerte Vermischung der beiden Kühlluftmassen eingegangen werden, so
daß der Wirkungsgrad der Wärmeableitung durch direkte Konvektion von dem Endwindungshohlraum
zur umgebenden Atmosphäre weitgehend verbessert werden kann: Zu diesem Zweck weist
ein Teil des Statorsp vorzugsweise der Endschild wie in dem abgebildeten Ausführungsbeispiele,
einten zylindrischen feil 15 auf, der teilweise in der Rotationsebene der zentrifugalen.
Flügel 24 verläuft, so daß ein örtlich begrenzter relativ hoher Druckbereich in
der Nähe des Einlassee 26 erzeugt wird. Ein Teil vier Kühlluft in diesei
Gebiet
mit relativ hohem Druck strömt in den Endwindungshohlraum, der einen kleineren Druck
hat und die Kühlluft, die , durch die schlitzförmigen Auslässe 25 strömt, zu der
Außenseite der Lüfterplatte 23 verteilt. Ein Toll der aus den Auslässen 25 austretenden
Kühlluft vereinigt sich mit dem Hauptstrom durch die Kanäle 20, während ein anderer
Teil in einem sich durchmischenden Ring von Kählluft umläuft, der den Außenrand
2? der Lüfterplatte 23 umgibt. Da sieh die Schaufeln 31 in größerem Abstand
axial nach innen zu der lüfterplatte 23 befinden: und von oder innerhalb der Ebene
der Endwindungen 5 umgeben werden, unterbrechen säe den erwähnten durchmischenden
Strom nicht. Es soll darauf hingewiesen werden, daß der Strom der sich durchmischenden
%uft indirekt durch eine Druckdifferenz und nicht direkt durch eine Geschwindigkeitekomponente
verursacht wird. 2u diesem Zweck ist das zylindrische Glied 15 so aUsgebildet,
daß res einen plötzlichen oder abrupten Wechsel. :in der Richtung der einetrömenden
luft erfordert, der vorzugsweise mindestens gleich einem recht en *Wn kel ist. Wenn
die Kühlluft in den Endwindungshohlraum wie bei bekannten Systemen gedrückt wird,
werder. die empfindlichen Endwindungen oft durch luftverunreiniggen beschädigt,
oder. mindestens werden derartige Verunreinigungen in den Findwindungshohlraum gedrückt.
Gemäß der Erfindung wird diese nachteilige Kühlluftströmung der bekanntn Sys*@eme
vermieden und dafür ein vorsichtig über die Endwindungen streielen, der Strom mit
im wesentlichen gleichem WirkagegT2ad verwendet, der die schädlichen Verunreinigungen-aus
der Kühlluft.-. e@ nen kann.
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Der axial. nach außen gebogene Teil der Platte 2chIrmit
den
LuftauslaB 25 im Lüfter 27 gegen. den Hauptkühlluftstrom ab und dien- such
als zentrifugaler Schleuderring, der die festen und flüssigen Verunreinigungen in
der Kühlluft direkt durch den Au$laßkanal 2() bewegt, so daß sie nicht in den Strom
in-den Endwindungshohlraum gelangen können. Zu diesem Zweck erstreckt sich der Endrand
des gebogenen Teils vorzugsweise axial nach außen zu dem zylindrischen Teil 15,
obwohl das wegen der schwach axial nach außen gerichteten Komponente der Hauptkühlluftgeschwindigkeit
nicht notwendig ist, die durch den gebogenen Teil erzeugt wird, der sich ein größeres
Stück in radialer Richtung entlang der Flügel 24 erstreckt: Das beschriebene Kühlsystem
für dynamoelektrische Maschinen ist in gleicher-Weise für Motoren und Generatoren
anwendbar.: Das System kann: leicht bei sonst üblichen Maschinen verwendet werden
und gewährleistet eine direkte konvektive Wärmeableitung durch ein umgebendes Xedium,
während schädliche Verunreinigungen nur begrenzt in den Endwindungshohlraum eintreten
können: Im abgebildeten AusfWarungsbeispiel ist das Antriebsende der Maschine als
vollständig gekapselt gezeigt. Das ist in manchen Fällen vorteilhaft, weil das Antriebsende
normalerweise den stärksten Verunreinigungen ausgesetzt ist. Es ist jedoch ersichtlich,
daß die Erfnduüg auch im Zusammenhang mit anderen Küilsystemen verwendet weiden
kann, und daß eines wie auch beide Enden einer Maschine in der hier für das zum
Antriebsende entgegengesetzte Ende beschriebenen Weise gekühlt ;erden können.