DE19716759A1 - Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen - Google Patents
Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische MaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Blechpaket mit fluiddurchström
ten Kühlfenstern für elektrische Maschinen, wie es bei
spielsweise als Ständer für gehäuselose Drehstrommaschi
nen, aber auch für Gleichstrommaschinen, Transformatoren
oder Drosseln eingesetzt wird.
Die in elektrischen Maschinen entstehende Verlustwärme,
bedingt hauptsächlich durch die in der Bewicklung ent
stehenden Kupferverluste und die im ferromagnetischen
Blechpaket entstehenden Eisenverluste, machen es häufig
erforderlich, die Leistungsaufnahme und damit die Be
triebsdaten der Maschine zu begrenzen, bevor die volle,
aufgrund der entsprechenden Konstruktion und Baugröße mög
liche Leistung erreicht ist, um die durch erhöhte Tempera
turen bedingte Belastung der Maschinenbauteile, der Iso
lierwerkstoffe und der Umgebung in tragbaren Grenzen zu
halten.
Um die Belastbarkeit der elektrischen Maschinen ohne
gleichzeitigen Anstieg ihrer Arbeitstemperatur zu erhöhen,
ist man deshalb bestrebt, ein leistungsfähiges Kühlsystem
einzusetzen.
Eine einfache, aber häufig nicht ausreichende Maßnahme be
steht darin, die Außenseiten der Maschine zur Verbesserung
der Wärmeabfuhr mit Kühlrippen zu versehen (DE 38 33 574 A1
).
Weiter ist es bekannt, durch flüssigkeitsdichte Gehäuse
ein Kühlmittel, beispielsweise ein nicht aggressives Öl
geringer Viskosität, zu pumpen, was allerdings bei rotie
renden elektrischen Maschinen sehr komplizierte Konstruk
tionen erfordert, die zudem recht unzuverlässig sind.
Auch werden hohle elektrische Leiter eingesetzt, die wie
derum als Leitungen für ein Kühlmittel dienen oder es wer
den separate Kühlmittelleitungen vorgesehen.
Aus der DE 195 10 018 C2 ist ein Elektromotor oder Genera
tor mit einem runden Ständerblechpaket und einem im wesent
lichen quadratischen Gehäuse bekannt, wobei der Leerraum
zwischen Gehäusewand und Ständerblechpaket bis in die Ge
häuseecken hinein mit Kühlrohren ausgefüllt ist, durch die
ein Kühlmedium strömt. Die zahlreichen Kühlrohre und ihre
Verbindungen untereinander verteuern die Maschine erheb
lich und erhöhen deren Gewicht. Außerdem kann der Wärme
übergang vom Ständerblechpaket über die Luftzwischenräume
und das Leitungsmaterial auf das Kühlmedium nicht zufrie
denstellen, insbesondere zu den Gehäuseecken hin nimmt der
Wirkungsgrad der Kühlung mangels Wärmetransport dorthin
stark ab.
Aus der DE 29 13 972 A1 ist eine flüssigkeitsgekühlte
elektrische Maschine bekannt, bei der die Druckplatten auf
der dem Ständerblechpaket zugewandten Oberfläche querver
laufende Aussparungen enthalten, die durch eingeschweißte
Deckplatten verschlossen sind und von Kühlflüssigkeit
durchströmt werden. Dadurch ist zwar ein guter Wärmeüber
gang von den Druckplatten zur Kühlflüssigkeit erreicht,
jedoch ist die Kühlung auf die äußeren Druckplatten be
schränkt. Außerdem schwächen die eingearbeiteten Kanäle
den Querschnitt der Druckplatten, weshalb diese entweder
sehr kräftig oder aber aus sehr hochwertigem und damit
teuerem Stahl, beispielsweise Chromnickelstahl, herge
stellt werden müssen.
Ferner sind axiale und zum Teil gerippte Kühlkanäle in den
Eckfenstern etwa quadratischer Blechschnitte für Fremdbe
lüftung bekannt, die die Kühlwirkung erhöhen, ohne den
magnetischen Fluß merklich zu behindern (EP 0 145 903 A1,
EP 0 254 930 A1, EP 0 726 635 A1, DE 92 18 066 U1). Aller
dings dient als Kühlmedium ausschließlich Kühlluft, weil
die durch Zuganker o. ä. zu einem Blechpaket verspannten
Bleche ohne zusätzliche Maßnahmen feine Haarspalte nicht
sicher verhindern können, die durch Rauheit, Oberflächen
fehler, Blechverwerfungen, Dickenabweichungen, Isolier
schichtabweichungen, Staub- und Ölpartikel oder Stanzgrat
bedingt sind. Ferner bilden sich durch die punktförmige
Verspannung zwischen den einzelnen Blechlamellen zusätzli
che Spalte, die über Kapillarwirkung Kühlflüssigkeit auf
nehmen würden, was zur Korrosion im Innern des Blechpakets
und der Spannbolzen führen würde oder gar zu Schäden an
der Isolierung, an Lagern rotierender Teile usw. Im Be
trieb sind die Blechpakete zudem elektromagnetischen und
mechanischen Kräften und Vibrationen ausgesetzt, die zu
einem teilweisen oder vollständigen Vorspannungsverlust
der Spannbolzen durch das Setzen der Bleche führen können
und so die Funktionsfähigkeit der elektrischen Maschine
gefährden.
An sich ermöglicht die letztgenannte konstruktive Ausbil
dung in vorteilhafter Weise eine Kühlung nahe dem Entste
hungsort der Wärme, jedoch sind für eine signifikante Ver
besserung der Kühlung starke Kühlgebläse notwendig, da
Luft ein sehr schlechter Wärmeträger und Wärmetauscher
ist.
Weiter wird in der DE 41 07 399 A1 eine Vorrichtung zur
elektrodynamischen Energieumwandlung beschrieben, bei der
ein aus Dynamoblechen aufgebauter runder Stator ebenfalls
als ein tragendes Teil ausgebildet ist und an seiner Kreis
peripherie axiale Aussparungen aufweist, durch die Kühl
flüssigkeit führende Kühlleitungen gehen. Dadurch entfällt
nicht nur der Bau eines separaten Gehäuses, sondern es
wird auch durch die Flüssigkeitskühlung eine wirksame Ein
flußnahme auf die Temperatur des Stators und damit eine
Abführung eines wesentlichen Anteils der entstehenden Wär
me aus der unmittelbaren Umgebung deren Entstehung er
reicht. Nachteilig ist wiederum der zusätzliche Aufwand
für die Kühlrohre und der mehrfach unterbrochene Wärmefluß
vom Ständerblechpaket über die Luft und die im Vergleich
zum Rohrquerschnitt minimierte Rohroberfläche bis zur
Kühlflüssigkeit. Die Kühlrohre müssen sorgfältig nach dem
Verspannen des Blechpakets mittels Zugstangen in Segmenten
in die Kanäle eingeschoben und mit Hilfe von äußeren Um
lenkbögen miteinander aufwendig verbunden werden. Außerdem
müssen sie zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den
Blechlamellen elektrisch isoliert sein. Gute elektrische
Isolatoren sind zumeist auch gute Wärmeisolatoren, weshalb
dem Wärmeübergang zusätzlich Wärmewiderstand entgegenge
setzt wird.
Pakete aus geblechtem ferromagnetischen Material werden
für gewöhnlich genietet, verspannt oder auch mit Schweiß
raupen festgelegt. Auch ist es an sich bekannt, Magnetble
che deckungsgleich miteinander zu verkleben, jedoch wird
hiermit der Zweck erfüllt, die Technologie zur Herstellung
geblechter Pakete zu vereinfachen und/oder gleichzeitig
mit dem Verbinden der Bleche eine Isolation zwischen den
Einzelblechen herzustellen, um die Wirbelstromverluste zu
senken und/oder das gefürchtete Magnetbrummen zu dämpfen
(DE 28 47 988 A1, DE 30 12 320 A1, DE 31 10 339 A1, DE 33 33 155 A1
, DE 34 14 113 A1, DE 36 27 890 A1).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Maschine mit hoher Leistungsdichte infolge hoher Effekti
vität der Wärmeabfuhr unmittelbar aus dem Innern zu schaf
fen, die betriebssicher, einfach und kostengünstig im Auf
bau ist. Ein bevorzugtes Anwendungsfeld soll die axiale
Innenkühlung des Ständerblechpakets einer gehäuselosen,
rotierenden Maschine sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angege
benen Merkmale. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen zei
gen die Unteransprüche auf.
Die Verwendung der Kühlfenster in etwa quadratischen Sta
torblechen gehäuseloser elektrischer Maschinen zur unmit
telbaren Führung einer Kühlflüssigkeit zeitigt überra
schend gute Kühleffekte gegenüber Anordnungen mit Luftküh
lung oder Anordnungen mit innerhalb des Blechpakets einge
betteten Kühlmittelleitungen.
Zum einen wird der Wärmeübergang wesentlich verbessert, da
jegliche Luftspalt - Luft ist bekanntlich ein sehr guter
Wärmeisolator - zwischen dem Blechpaket und der Kühlflüs
sigkeit wegfällt. Nach der Erfindung kühlt die Kühlflüs
sigkeit durch direktes Bespülen das Blechpaket. Der direk
te Wärmetausch vom Blechpaket auf eine Kühlflüssigkeit ist
wesentlich größer als auf ein Kühlgas. Zum anderen kann
durch geeignete Profilierung der Kühlkanäle die Wärmetau
scheroberfläche gegenüber einem glatten Rohr nahezu belie
big erhöht werden. Rippen in Kühlkanälen der Eckbereiche
von Magnetblechen eines Ständers sind zwar an sich auch
schon bekannt, jedoch nur für Zwangslüftung, nicht zur
Führung einer Kühlflüssigkeit.
Infolge des Wegfalls der Bohrungen für die Spannbolzen
bzw. Zuganker bei ausschließlich geklebten Blechpaketen
oder geklebten und randseitig verschweißten Blechpaketen
kann die Wärmeaustauschfläche nicht nur im eigentlichen
Eckbereich, sondern über den gesamten Außenbereich jedes
Quadranten des Magnetblechs bei gleichem wirksamen Eisen
querschnitt vergrößert werden. Die Verlustwärme kann un
mittelbar aus dem Blechpaket über die Kühlflüssigkeit ab
geführt werden. Indem Kühlflüssigkeit eine erheblich höhe
re Wärmeabfuhrkapazität hat als ein Kühlgas, wird die Küh
lung besonders effektiv. Bei gleichem Kühlfensterquer
schnitt vergrößert sich bei rohrloser Kühlflüssigkeitsfüh
rung weiterhin der Kühlflächenquerschnitt auch als solcher
und damit der Kühlmitteldurchsatz bei gleicher Strömungs
geschwindigkeit des Kühlmittels infolge Wegfall der Rohr
wandungen zur Führung der Kühlflüssigkeit. Bei einem ver
klebten Blechpaket verbessert sich zusätzlich der Wärme
transport vom Wärmeentstehungsort zum Wärmeabfuhrort ge
genüber einem rein verspannten Blechpaket, da ein Kleber
immer noch eine bedeutend bessere Wärmeleitfähigkeit als
Luft besitzt.
Als weitere positive Effekte für den Maschinenbau wären
bei verklebten Blechpaketen zu nennen, daß sich keine
Spannbolzen mehr in der Magnetflußzone befinden, wodurch
sich die magnetische Flußbildung verbessert, die Verluste
im Wirkungsgrad sinken sowie Kurzschlüsse zwischen den
Magnetblechen durch Spannbolzen ausgeschlossen sind.
Letztlich entstehen durch die direkte Kühlflüssigkeitsfüh
rung Kostenvorteile durch den Wegfall der für gewöhnlich
aus Kupfer bestehenden Kühlleitungen und deren sichere Be
festigung in und an der Maschine und dem Wegfall der all
seitig sehr sorgfältig zu isolierenden Spannbolzen.
Die Erfindung eignet sich deshalb vorwiegend zur Herstel
lung sehr leistungsfähiger elektrischer Maschinen mit gu
ter Leistungsdichte, hohem Wirkungsgrad und hoher Be
triebssicherheit.
Um insbesondere bei ausschließlich vernieteten, verspann
ten oder verschweißten Blechpaketen, aber auch bei ver
klebten Blechpaketen eine absolute Fluiddichtigkeit zu
garantieren, wird das gefügte Blechpaket anschließend
sorgfältig vakuumgetränkt. Die Tränkung eines bewickelten
Blechpakets zur Verbesserung der elektrischen Isolation
ist ohnehin üblich.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere
Kühlfenster in jedem Quadranten des Magnetblechs angeord
net, die durch Kühlstege voneinander getrennt sind.
Durch rippen-, zacken- oder wellenartige Ausbildung der
Kühlstege als auch technologisch geeignete oberflächenver
größernde Maßnahme wird der Wärmeübergangskoeffizient und
damit der Wärmetausch entscheidend vergrößert, ohne die
Wärmeleitfähigkeit in den Kühlstegen und den Kühlflüssig
keitsstrom in den Kühlkanälen merklich zu beeinträchtigen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung nimmt der mittlere
Querschnitt der Kühlstege in Richtung Außenrand ab, wo
durch das zur Verfügung stehende Eisen bis in die Ecken
hinein optimal zur Wärmeabführung herangezogen wird, indem
das Wärmegefälle zwischen dem der Verlustwärmequelle nahen
Bereich und dem Rand des Blechpakets klein gehalten wird.
Sind nach einer weiteren Ausbildung die Kühlstege in etwa
radialer Richtung bis zum Blechrand langgestreckt, so
trägt diese Maßnahme in vorteilhafter Weise der von der
Wärmequelle vorzugsweise strahlenförmig verlaufenden Wär
mestromleitung Rechnung.
Die Deckplatten auf der dem Blechpaket zugewandten Ober
fläche können in Fortbildung der Erfindung kanalartig der
artig ausgearbeitet sein, daß sie Verbindungspassagen zwi
schen den axialen Kühlkanälen, Zuführ- und/oder Abführpas
sagen bilden, wodurch zusätzliche äußere Kühlleitungen
weitgehend entfallen.
Nach einer bevorzugten Anwendung ist das Blechpaket als
Statorblechpaket einer gehäuselosen Drehstrommaschine ein
gesetzt, wobei die Deckplatten die üblichen Druckplatten
ersetzen.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und
der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der
Zeichnung zeigt:
Fig. 1 zeigt einen symmetrischen Quadrant eines Magnet
blechs für den Ständer einer Drehstrommaschine,
Fig. 2 die symmetrische Hälfte eines verklebten Blechpa
kets einschließlich einer weitergebildeten Deck
platte im Schnitt A-A nach Fig. 1.
Fig. 3 einen Quadranten nach Fig. 1 mit sich zum Außenrand
trapezförmiger Kühlstegverjüngung.
In den Außenbereich eines Quadranten 1 eines im wesentli
chen quadratischen Magnetblechs 2 sind an sich bekannte
Kühlfenster 3 so ausgestanzt, daß sich zwischen ihnen
Kühlstege 4 in etwa radialer Richtung bis zum Randbereich
des Magnetblechs 2 erstrecken. Sobald die Magnetbleche 2
vollflächig und deckungsgleich z. B. durch Verkleben gefügt
sind, bilden die Kühlfenster 3, jeweils fluchtend, in ih
rer Gesamtheit die Kühlkanäle und die Kühlstege 4 die
Kühlrippen. Gegebenenfalls wird durch sorgfältiges Vakuum
tränken des Blechpakets die Fluiddichtigkeit verbessert
oder überhaupt dauerhaft sichergestellt. Durch die
Kühlkanäle wird im Betrieb der Maschine eine Kühlflüssig
keit mit hoher Wärmetragfähigkeit geführt. Geeignete Kühl
flüssigkeiten sind beispielsweise aus dem Transformatoren
bau hinreichen bekannt.
Die Kühlfenster 3 bzw. die Kühlstege 4, was auf das glei
che kommt, können durch ein Noppenprofil 5 o. ä. beliebig
oberflächenvergrößert sein. Das Noppenprofil 5 läuft über
die gesamte Länge der Kühlstege 4, wodurch sich insgesamt
ein hervorragender Wärmetausch zwischen den untereinander
verklebten Magnetblechen 2 und der Kühlflüssigkeit ergibt.
In Fig. 2 ist ein Teilschnitt durch ein Blechpaket schema
tisch dargestellt.
Die Magnetbleche 2 sind zu einem Blechpaket 6, beispiels
weise einem Ständer, vollflächig verklebt. Hierzu können
die Magnetbleche 2 vorab einseitig oder zweiseitig mit ei
nem aushärtbaren Klebstoff 7 beschichtet sein, der in
flüssiger Form als Film auf die zu verklebenden Flächen
aufgebracht wird und bei Raumtemperatur vorgetrocknet ist.
Beispielsweise eignet sich hierzu ein Harz-Härter-System
auf Basis eines kalt anhärtenden Epoxidharzes. Ebenso kann
der Kleber auch in eine Stützmatte eingebettet sein, mit
der mindestens eine Blechseite belegt ist. Durch das Ver
pressen der Magnetbleche 2 bzw. des Blechpaketes 6 unter
hohem Druck und gleichzeitiger Erwärmung bis auf die Aus
härtetemperatur findet nach dem Erweichen und Aushärten
des Klebstoffs 7 das ganzflächige Verkleben statt. Da die
Klebstoffschicht vollflächig aufgetragen werden muß, um
Kapillaren zu vermeiden, erübrigen sich in vorteilhafter
Weise die sonst erforderlichen einseitigen Isolierlackbe
schichtungen der Magnetbleche 2 zur Verhinderung ihrer
metallischen Berührung untereinander sowie ggf. die Durch
brüche für die Spannbolzen und die Spannbolzen selbst.
Auch die Deckplatte 8 ist mit dem übrigen Blechpaket 6
verklebt. Sie muß im Gegensatz zu den üblichen hochfesten
Druckplatten keine Spannkräfte aufnehmen, da die Magnet
bleche 2 ja bereits fest miteinander verbunden sind, son
dern in erster Linie die Maschine vor mechanischer Beschä
digung schützen. In Weiterbildung der Erfindung sind in
die Innenseiten der Deckplatten 8 offene Kanäle einge
bracht, die beim Verkleben mit dem übrigen Ständerblechpa
ket 6 geschlossen werden und so Verbindungspassagen 9 für
die Kühlkanäle 10 je einer Seite bilden können. Über einen
Stutzen 11 ist dann der Anschluß von bzw. zu einer Pumpe
für den Durchsatz der Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle
10 sehr einfach realisierbar. Die Außenseiten der Deck
platten 8 können in bekannter Weise nicht näher darge
stellte Kühlrippen tragen.
Fig. 3 zeigt einen Quadranten eines Ständerblechs, bei dem
die Kühlstege 4 zur Verbesserung der Wärmeleitung in den
Eckbereich sich trapezförmig zum Rand hin verjüngen. Außer
dem sind Durchbrüche 12 für Spannbolzen dargestellt, mit
denen das Blechpaket zusätzlich oder gegebenenfalls allein
verspannt wird, wobei letztere Fügemethode zumeist ein
sorgfältiges Tränken des gesamten Blechpakets nach sich
ziehen wird.
1
Quadrant eines Blechs
2
Magnetblech
3
Kühlfenster
4
Kühlsteg
5
Noppenprofil
6
Blechpaket
7
Kleberschicht
8
Deckplatte
9
Verbindungspassage
10
Kühlkanal
11
Stutzen
12
Durchbruch
Claims (8)
1. Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elek
trische Maschinen, wie Generatoren, Motoren, Transformato
ren oder Drosseln, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech
paket (6) fluiddicht aus ganzflächig untereinander verkleb
ten Magnetblechen (2) und/oder miteinander verspannten
oder verschweißten Magnetblechen (2) gefügt ist und die
Kühlfenster (3) unmittelbar eine Kühlflüssigkeit führen.
2. Blechpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Blechpaket fluiddicht vakuumgetränkt ist.
3. Blechpaket nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Kühlfenster (3) oberflächenvergrößernd profi
liert sind.
4. Blechpaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlfenster (3) in jedem
Quadranten (1) eines Magnetbleches (2) angeordnet sind,
die durch Kühlstege (4) voneinander getrennt sind.
5. Blechpaket nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kühlstege (4) sich in etwa radialer Richtung bis unmit
telbar zum Außenrand der Magnetbleche (2) erstrecken.
6. Blechpaket nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Querschnittsfläche der Kühlstege (4) in Rich
tung Außenrand abnimmt.
7. Blechpaket nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Deckplatten (8) auf
der dem Blechpaket (6) zugewandten Oberfläche kanalartig
derartig ausgearbeitet sind, daß sie Verbindungspassagen
(9) zwischen den axialen Kühlkanälen (10), Zuführ- und/
oder Abführpassagen bilden.
8. Blechpaket nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blechpaket (6)
ein Statorblechpaket einer gehäuselosen, rotierenden elek
trischen Maschine ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19716759A DE19716759A1 (de) | 1997-04-12 | 1997-04-12 | Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19716759A DE19716759A1 (de) | 1997-04-12 | 1997-04-12 | Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19716759A1 true DE19716759A1 (de) | 1998-10-22 |
Family
ID=7827250
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19716759A Withdrawn DE19716759A1 (de) | 1997-04-12 | 1997-04-12 | Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen |
Country Status (1)
Country | Link |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SYSTEM ANTRIEBSTECHNIK DRESDEN GMBH, 01189 DRESDEN |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |