DE2236162A1

DE2236162A1 - Waermeabfuhrsystem fuer dynamoelektrische maschinen

Info

Publication number: DE2236162A1
Application number: DE2236162A
Authority: DE
Inventors: Alan Frank Lukens
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-07-26
Filing date: 1972-07-22
Publication date: 1973-02-08
Also published as: BR7204936D0; US3725706A; GB1397302A; JPS4822903A; ES405031A1; CA944007A; IT963221B

Description

Wärneabfuhrsystem für dynamoelektrische Haschine

Die Erfindung bezieht sich auf dynamoelektrische Maschinen und insbesondere auf ein Ventilationssystem für dynamoelektrische Maschinen, das die Verwendung eines einzigen Rahmens sowohl für einen völlig geschlossenen als auch für einen tropfwassergeschützten Betrieb gestattet.

Eine der Hauptbeschränkungen, die den Konstrukteuren bei dem Versuch gesetzt sind, für. eine maximale Maschineriausgangsgrösse bei einer gegebenen Rahmengrösse zu sorgen, ist das Problem der Wärmeabfuhr. Wenn ein grösserer Strom durch die Maschinenwicklungen fliesst, haben die Joulesche Wärme der Wicklungen zuzüglich der Wärme, die innerhalb,der magnetischen Maschinenteile infolge erhöhter Hysterese- und Wirbel-

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ströme erzeugt wird, die Neigung, die Betriebstemperatur der Maschine zu erhöhen. Wenn diese Wärmeentwicklung nicht irgendwie gemindert wird, wird die elektrische Isolation der Haschine schlechter und es treten elektrische Fehler auf. Die Wärmeabfuhreigenschaften einer Maschine sind somit äusserst wichtig bei der Bestimmung der Grosse der Leistung, die einer gegebenen Rahmengrösse zugeführt oder aus dieser herausgezogen werden kann.

Es sind viele Wege zur Kühlung dynamoelektrischer Maschinen gefunden worden. Hierzu gehören abgeschlossene Flüssigkeits-KUhlsysteme, komplizierte Pumpeinrichtungen zur Umwälzung eines Kühlmittels innerhalb vollständig geschlossener Maschinen und Mittel zur Zirkulation von Umgebungsluft durch und über Maschinen mit offenen oder tropfwassergeschtttzten Gehäusen. Häufig wird an einem Ende der tropfwassergeschützten Maschine ein Lüfter oder Gebläse angeordnet und dann wird Luft in das Statorgehäuse gepumpt, um diese durch die Maschine hindurch zu verteilen.

Es ist klar, dass sich die Temperatur der Luft, wenn sie durch die »lasen me hindurchstiomt, kontinuierlich erhöht und dadurch die thermische Absorption der in axialer Hxchtung durch die Maschine hindurchströmenden Luft vermindert wird. Ein derartiges Ventilationssystem ist nicht nur nicht in der Lage, für eine homogene Kühlung der Maschine zu sorgen, sondern der asymmetrische Aufbau der Maschine erfordert auch unähnliche Lagerschilde, Lagergehäuse und Lüftermittel an entgegengesetzten Enden der Maschine. Die Zahl unähnlicher Teile, die für eine Montage und Wartung derartiger Maschinen auf Lager gehalten werden müssen, ist deshalb vergrössert.

Um die vorstehend genannten Probleme zu verkleinern, sind dynamoelektrische Maschinen in symmetrischer Konfiguration gestaltet worden, wobei identische Lüfter und Lagerschilde an beiden Enden der Maschine angeordnet sind, um UmgebungsIuft über die Statorwickelköpfe zu ziehen, bevor die Luft in axii1

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entgegengesetzten Richtungen über die freiliegende Aussenflache der Statorbleche ausgestossen wird. Ein- Hauptteil der ausgestossenen Luft steht jedoch thermisch mit den freiliegenden Statorblechschichtüngen aufgrund lokalisierter Luft- . turbulenz an den Rändern der Schichtungen nicht in Verbindung und somit wird die Wärmeabfuhr von dee Stator begrenzt. Andere tropfwassergeschiitzte Maschinen ziehen Umgebungsluft über die Wickelköpfe an beiden Enden der Haschine, bevor sie die Luft durch einen schmalen Spalt zwischen dem Statorkern und dem Gehäuse ausstossen, in dem der Kern angeordnet ist. Die Kühlluft absorbiert Wärme von dem Statorkern und von irgendwelchen Vorsprüngen oder Teilen, die zur Halterung des Kernes innerhalb des Gehäuses vorgesehen sind. Da die Träger notwendigerweise relativ kurz und dick sind, um für die erforderliche Stabilität und Festigkeit der Halterung des Kernes innerhalb des Gehäuses zu sorgen, sind die Wärmeabfuhreigenschaften einer derartigen Haschine festgelegt, wodurch die maximale Ausgangsgrösse der Maschine verkleinert wird.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dynamoelektrische Maschine mit eisiesa verbessert©» Ventilationssystem zu schaffen.

Eine dynamoelektrische Maschine, die in folgenden für eine einfache Beschreibung als Motor bezeichnet wird, enthält erfindungsgemäss einen Rahmen mit einer zylindrischen Umhüllung, die in Umfangsrichtung in einem innigen Kontakt mit dem Sta« torkern angeordnet ist, und zahlreiche langgestreckte Kühlrippen, die für eine Verstärkung der Kühlung des Statorkernes von der zylindrischen Umhüllung nach aussen ragen. Der Rahmen ist vorzugsweise aus einem Material, wie z.B. Aluminium, hergestellt, das eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, und die Rippen sind langgestreckt, um die Wärmeabfuhr von dem Motor möglichst gross zu machen, ohne dass der Durchmesser des Motorgehäuses vergrössert wird. An jedem Ende der Maschine befinden sich symmetrische Lagerschilde mit darin befindlichen Lufteinlässen, während zwischen den Lufteinlässen und

den Statorwickelköpfen ein im allgemeinen konisches Leitblech angeordnet ist, um neu eintretende Luft zur radialen Mitte der Maschine zu leiten. Die Luft wird dann durch symmetrisch angeordnete Lüfterblätter radial nach aussen getrieben und trifft auf den äussersten Umfang der LagerSchilde auf, um dann in axial entgegengesetzten Richtungen an der gerippten Oberfläche des Motors entlang vorwärts getrieben zu werden. In einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung werden verlängerte, gekrümmte Lüfterblätter verwendet, um Luft über die Statorwicke lköpfe zu leiten, während in einem anderen Ausführungsbeispiel im allgemeinen rechtwinklige Lüfterblätter, die in axialer Richtung von entgegengesetzten Enden des Rotors ausgehen, zur Zirkulation von Luft durch den Motor dienen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Seitenschnittansicht von einem die erfindungsgemässen Merkmale verkörpernden Motor.

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht von einem Motor und zeigt eine alternative LUftereinrichtung gemäss der Erfindung .

Flg. 3 ist eine Stirnansicht von einem Motor und zeigt die Form der äusseren Lagerschilde.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässer Käfigläufer-Induktionsmotor 10 mit offener Lüftung gezeigt. Dieser Motor enthält allgemein einen Stator 12, der auf dem Umfang um einen Rotor 13 herum angeordnet ist, die bei einer Erregung der Statorwicklungen in einer elektromagnetischen Wechselwirkung stehen. Der Rotor ist ein typischer Käfigläufer und zeichnet sich durch zahlreiche magnetische Lamellen aus, die aufeinanderpassend auf einer Welle 16 aufgeschichtet sind, die in lagern 17 für eine Rotation gehaltert ist. Die Lager 17 sind in Lagerschilden 18 bzw. 18' gehalten.

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Eine Rotation des Rotors wird in üblicher Weise durch Magnetfelder hervorgerufen, die durch einen Stromfluss durch eine Statorwicklung 14 erzeugt werden. Die Wicklung liegt in axialer Richtung in nicht dargestellten Nuten, die an der radial innen liegenden Oberfläche des geschichteten Stators 12 ausgebildet sind. Der Stator ist in einem Rahmen oder Gehäuse 20 montiert, der vorteilhafterweise eine zylinderförmige Form besitzt, wobei die Bleche in dem Gehäuse durch konventionelle Mittel gehalten sind, vorzugsweise in einem Festsitz mit dem Gehäuse, um die Wärmeabfuhr von den Magnetblechen auf das Gehäuse möglichst gross zu machen. Ausserhalb des Gehäuses und in einem Stück mit diesem befinden sich zahlreiche, in Längsrichtung verlaufende Rippen 21, die eine wesentliche Höhe, d.h. Abstand von dem Gehäuse 20, haben, um die Wärmeabfuhr von dem Motor zu vergrössern. Während die Rippen somit für eine gewisse zusätzliche Festigkeit und Stabilität des Statorgehäuses 20 sorgen können, besteht ihre Hauptfunktion darin, die von den Statorblechen absorbierte Wärme auf den Luft-* strom zu übertragen, der in axial entgegengesetzten Richtungen durch Lüfterblätter 22 erzeugt wird, die an entgegengesetzten Enden des Motors angeordnet sind.

Es ist ersichtlich j dass die Lagerschilde 18 und 18* identisch sein können, wodurch die Schaffung eines völlig symmetrischen Kühlsystems erleichtert wird. Zu Darstellungszwecken wird hier nur das Lagerschild 18 und die zugehörige Kühleinrichtung beschrieben, die am Antriebsende des Motors 10 angeordnet ist. Es sei jedoch bemerkt, dass das Lagerschild 18* und die zugehörige Kühleinrichtung, die am entgegengesetzten Antriebsende des Motors angeordnet sind, einen identischen Aufbau besitzen und in identischer Weise funktionieren. Die Richtung der Luftströmung in den Hohlraum der Motorwickelköpfe wird durch ein Leitblech 23 gesteuert, das. einen sich radial nach aussen erweiternden Umfang 24 und einen kegelstumpfförmigen konischen Mittelabschnitt 25 besitzt. Am Aussenrand des Leitbleches sind geeignete, nicht gezeigte Mittel vorgesehen, um das Leitblech

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an dem benachbarten Lagerschild fest anzubringen. Lüfterblätter 22 ragen vorzugsweise von den Enden des Rotors 13 nach einer axialen Stelle hinter den vorstehenden Wickelköpfen der Statorwicklung 14, woraufhin die Aussenenden der Lüfterblätter in radialer Richtung nach aussen umgebördelt sind und der Kontur der Innenfläche des Leitbleches 23 folgen, um über den Statorwickelköpfen zu liegen. Wenigstens der eine Lüfter 22 muss für Montagezwecke abtrennbar sein. Die Lüfter ziehen Umgebungsluft, wie es durch die Pfeile dargestellt ist, über Öffnungen 27, die entlang dem Boden und den Seiten angeordnet sind (damit keine festen Teilchen in den Motorinnenraum gezogen werden) in den Bereich zwischen dem Lagerschild und dem Leitblech, woraufhin die eintretende Luft durch die Lüfter über die vorstehenden Wickelköpfe der Statorwicklung 14 getrieben wird. Nach der Kühlung der -radial inneren Flächen der Wickelköpfe wird die Luft durch Lüftungslöcher 28 zwischen dem Rahmen 20 und der axial nach innen ragenden Verlängerung des Lagerschildes 18 ausgestossen, um die Motorbleche durch Wärmeleitung über den Rahmen 20 auf den axial fliessenden Luftstrom zu kühlen. Somit wird der Motorinnenraum durch ein grosses Volumen von Luft gekühlt, die von den Wickelkopfräumen in axial entgegengesetzten Richtungen über das Motorgehäuse strömt, im Gegensatz zu der konventionellen Luftströmung durch einen Durchlass zwischen dem Stator und dem Gehäuse. Da es darüber hinaus keine äussere Umhüllung über den Rippen 21 gibt, die die Luftströme in der tropfwassergeschUtzten Konstruktion einschliessen, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird eine turbulente Wechselwirkung der Luftströmungen an der axialen Mitte des Motors (ein Charaicterxsiikum entgegengesetzt gerichteter Luftströmungen in einem eingeschlossenen Bereich) auf ein Minimum herabgesetzt.

Um eine maximale Wärmeübertragung von den Statorblechen auf die entgegengesetzt gerichteten Luftströmungen sicherzustellen, die in Längsrichtung am Aussenraum des Motors entlangströmen, sollten der Motorrahmen und die Rippen aus einem Metall nit guter thermischer Leitfähigkeit, wie z.B. gegos-

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senem Aluminium, hergestellt sein, und die Statorbleche sollten in einem direkten Kontakt mit dem darüberliegenden Rahmen stehen. Die Rippen 21 sollten sich auch in Längsrichtung etwa über die gesamte Länge des Statorkernes erstrecken. Da die Rippen extern angeordnet sind, können die Rippen in einer Aussenrichtung langgestreckt sein, im Gegensatz zu den relativ kürzeren Rippen, die üblicherweise zwischen den Blechen und dem Aussengehäuse von abgeschlossenen Motoren verwendet werden.

Fig. 2 zeigt den Wickelkopfbereich eines Motors mit einen nominellen Rotordurchmesser aufweisenden Lüfterblättern 31 anstelle der den grösseren Durchmesser aufweisenden Blätter des in Fig. 1 dargestellten Motors. Abgesehen von der Konfiguration der Lüfterblätter sind die Motoren gemäss Fig. 1 und Fig. 2 strukturell identisch. Geometrisch sind die Blätter 31 rechteckförmige planare Teile, die axial von den Enden des Rotors ausgehen, und sie sind durch einen maximalen Durchmesser charakterisiert, der nicht grosser als der Durchmesser der Rotorbleche ist,- Die äusseren Enden der Lüfterblätter stehen deshalb nicht über die Wickelköpfe über und das Volumen der Luftströmung durch die Lüftungslöcher 28 ist etwas verkleinert. Nichtsdestoweniger liefert die in Fig. 2 gezeigte ,Lüfterform in vielen Fällen eine adäquate Luftströmung zur Kühlung der Maschine, und die Fertigung des Rotors ist vereinfacht.

Fig. 3 ist eine Stirnansicht von einem Motor, wie dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten, und den dargestellten Lagerschildrippen 32, die zur Abschirmung derjenigen Öffnungen 27 dienen, die entlang der unteren Fläche des Lagerschildes angeordnet sind, damit keine Festkörper oder Flüssigkeiten herabfallen und eine Verunreinigung des Maschinenlnnenraumes verhindert ist.

Es wird nun noch einmal Bezug auf Fig. 1 genommen. Wenn der Motor.10 eingeschaltet wird, beginnen der Rotor 13 und die

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daran befestigten Lüfterblätter 22 zu rotieren, wodurch in der Nähe der Lüfterblätter befindliche Luft radial nach aussen gedrückt wird. Der Unterdruckbereich, der durch die Verschiebung der Luft erzeugt wird, bewirkt, dass Umgebungsluft durch die Öffnungen 27 gezogen wird und Luft radial nach innen an der Frontfläche der Leitbleche 23 entlangströmt, bevor sie durch die Öffnungen, die durch die konische Mitte der Leitbleche gebildet sind, in die Wickelkopfräume gezogen wird, Die einströmenden Luftströme kühlen die radial innenliegenden Flächen der Wickelköpfe der Statorwicklung, bevor sie durch die Lüftungslöcher 28 hindurchströmen, die durch die konzentrische tfberlappung der Enden des Statorgehäuses 20 und der Lagerschilde 18 bzw. 18* gebildet werden. Die Luftströme gelangen zwischen die Rippen 21, um von den Statorblechen zum Rahmen geleitete Wärme zu absorbieren, bevor sie an der axialen Mitte des Motors radial nach aussen abgelenkt werden.

Es ist ersichtlich, dass die Lüfter einem doppelten Zweck dienen, d.h. sie drücken Luft über die radiale Innenfläche der Statorwickelköpfe und sie drücken Luft axial nach innen zwischen Rippen 21, um Wärme durch Wärmeleitung von dem Statorinnenraum auf die strömenden Luftströme zu übertragen.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, besitzt der Motor 10 einen symmetrischen Aufbau, und die Kühlluft wird in beiden Richtungen über das Statorgehäuse 20 geleitet, bevor sich die Ströme treffen und von dem Statorgehäuse weg abgelenkt werden. Die Vorteile einer derartigen Anordnung sind offenkundig, da beide Wickelkopfräume Luft mit der in etwa gleichen niedrigen Temperatur aufnehmen und die Kühlung des Motors gleichförmiger ist in Relation zu Motoren, die Luft nur in den einen Wickelkopfraum ziehen. Darüber hinaus brauchen die Luftströme nicht die gesamte Länge des Stators zu durchqueren, und jeder Temperaturgradient entlang des Stators ist deshalb verkleinert. Weitere dem vorliegenden AusfUhrungsbeispiel innewohnende Vorteile liegen in der Tatsa-

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ehe, dass die Lagerschilde und die damit verbundene Kühleinrichtung an jedem Ende der Maschine einen einzigen, gemeinsamen Aufbau hat und es ist deshalb lediglich erforderlich, eine einzige Form des Lagerschildes, des Leitbleches und der Lüfter für den Motorbetrieb zu fertigen.

Schliesslich besteht ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemässen AusführungsbeispieIs darin, dass sich das Gehäuse 20 für eine Verwendung mit Lagerschilden eignet, die für einen vollständig geschlossenen Motorbetrieb vorgesehen sind. Genauer gesagt, werden die offenen Lagerschilde 18 und 18* sowie die daran angebrachten Leitbleche 23 von dem in Fig. 2 dargestellten Motor entfernt und stattdessen werden die nicht dargestellten, geschlossenen Lagerschilde angebracht, um den Motor vollständig abzuschliessen. Wünschenswerterweise sind diese Lagerschilde aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet, wie z.B. aus Alumini um, und sie sind mit inneren und äusseren Rippen versehen,

Luftum die/Luft-Wärmeübertragung möglichst gross zu machen. Ein grosser radialer Lüfter (nicht gezeigt) ist ebenfalls auf dem entgegengesetzten Antriebsende des Motors auf der Rotorwelle angebracht, und der Lüfter ist von einem geeigneten Gehäuse umgeben, um Luft über die Aussenflache des benachbarten Lagerschildes und an dem Motorrahmen von dem entgegengesetzten Antriebsende nach unten in der vollständig geschlossenen Form zu leiten. Auch wenn völlig geschlossene Motoren dieser Form nicht per se neu sind, gestattet der symmetrische Aufbau des in Fig. 1 gezeigten Motors die Verwendung von vollständig geschlossenen Motorrahmen in einem offenen oder tropfwassergeschützten Aufbau.

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Claims

- 10 Ansprüche

'Ij Dynamoelektrische Maschine mit einem auf einer axialen Welle drehbar gehalterten Rotor, einem Stator, der zur Bildung einer Bohrung für den Rotor aus zahlreichen ringförmigen, geschichteten Magnetblechen gebildet ist und der eine Wicklung aufweist, deren Spulenseiten in Nuten in den Magnetblechen angeordnet sind und deren Wickelköpfe über die Enden der Magnetbleche hinausragen, und mit einem Gehäuse, das auf dem Umfang um die Statorbleche herum angeordnet ist und das mit den gesamten Umfangsrändern der Magnetbleche direkt in Kontakt steht, so dass dazwischen eine Wärmeübertragung gestattet ist, gekennzeichnet durch zahlreiche im Abstand angeordnete Rippen (21), die über dem Umfang des Gehäuses (20) angeordnet sind und in axialer Richtung am Gehäuse (20) entlang verlaufen und deren radial innen angeordne ter Rand mit dem Gehäuse in Kontakt steht und deren radial aussen angeordneter Rind zur Umgebung hin offen ist, Lagerschilde (18, 18·), die auf entgegengesetzten Enden der Maschine (10) angebracht sind und die jeweils eine Kühleinlassöffiiung (27) aufweisen, und Lüfter (22, 31), die auf entgegengesetzten Enden des Rotors (13) angebracht sind und Luft in beide Enden der Maschine ziehen, derart, dass die Luft über die radial innen angeordneten Flächen der Wickelköpfe (14) strömt, wobei die Lüfter . (22, 31) die Luft in axial entgegengesetzten Richtungen an der Aussenflache des Gehäuses (20) entlang treiben, so dass sie zwischen den Rippen (21) entlangströmt und von dem Stator (12) über das Gehäuse (20) geleitete Wärme absorbiert und dann in der Nähe der axialen Mitte der Maschine (10) von der Maschine weg radial nach aussen ablenkbar ist.
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ORIGINAL

weisen, dass dieser uoer den Wickelköpfen (14) liegt und sich in axialer Ricntung über diese hinaus erstreckt.
3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Luft von der Maschine durch einen ringförmigen Auslass (28) vorwärtsgetrieben ist, der zwischen der Aussenflache des Gehäuses (20) und der Innenfläche des axial inneren Umfanges der Lagerschilde(18,> 18') angeordnet ist.
4. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfter (31) einen maximalen Durchmesser aufweisen, der nicht grosser als der Durchmesser der Rotorbleche ist.

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