DE19716759A1 - Blechpaket mit fluiddurchströmten Kühlfenstern für elektrische Maschinen - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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.