DE4242132A1

DE4242132A1 - Geschlossene elektrische Maschine

Info

Publication number: DE4242132A1
Application number: DE19924242132
Authority: DE
Inventors: Olaf Dipl Ing Krieg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1994-06-16

Description

Die Erfindung betrifft eine geschlossene elektrische Ma schine.

In elektrischen Maschinen entsteht im Betrieb Verlust wärme, die durch ein entsprechendes Kühlsystem abgeführt werden muß. Bei geschlossenen elektrischen Maschinen, bei denen von außen kein Kühlmedium zugeführt wird, das den elektrisch aktiven Teil der Maschine durchströmt, erfolgt eine Außenbelüftung die, wie in dem Aufsatz "Spitzenlei stung" von W. Kraus in der Siemens-Zeitschrift, drive & control 1/92 auf Seite 10-12 beschrieben, zu einer unglei chen Temperaturverteilung im Motor führt. Auf der Nicht- Antriebsseite werden Lager und Wickelkopf bei solchen Ma schinen weit unter ihren thermischen Grenzen beansprucht. Auf der Antriebsseite treten dagegen höhere Temperaturen auf, die das antriebsseitige Lager und den antriebsseiti gen Wickelkopf entsprechend thermisch beanspruchen.

Es ist daher bekannt, durch einen zusätzlichen Innenkühl kreislauf die Temperaturunterschiede zwischen beiden Sei ten auszugleichen und für eine verbesserte Kühlung zu sor gen. Ein Innenlüfter auf der Nicht-Antriebsseite saugt hierbei die erwärmte Luft aus den Läuferkühlkanälen und drückt sie gegen das innenverrippte Gehäuse zur Abkühlung. Die so abgekühlte Luft tritt dann in am Umfang verteilte axiale Gehäusekühlkanäle ein, wird dort weiter rückgekühlt und strömt schließlich dem Wickelkopf und dem Lager auf der Antriebsseite zu. Anschließend strömt die Luft durch die Läuferkühlkanäle zurück zum Innenlüfter.

Ein derartiges Kühlsystem erfordert ein mit Kühlkanälen versehenes Gehäuse für die elektrische Maschine, das in Gießtechnik nur aufwendig herzustellen ist, oder ein mit Kühlkanälen versehenes Ständerjoch, wobei dieses entspre chend groß bemessen werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geschlosse ne elektrische Maschine zu schaffen, bei der trotz redu zierten Herstellungsaufwandes ein Temperaturausgleich zwi schen der Antriebsseite und der Nicht-Antriebsseite mög lich ist.

Die Lösung der Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspru ches 1 oder 2 erreicht. Die erfindungsgemäße Innenkühlung bewirkt, daß Läuferkühlkanäle entweder von der Antriebs seite zur Nicht-Antriebsseite oder umgekehrt durchströmt werden. Durch diese Nutzung der Läuferkühlkanäle für eine Durchströmung in zwei Richtungen wird ein Kreislauf des die elektrische Maschine zur Kühlung durchströmenden Kühl mediums allein über das Läuferblechpaket erreicht. Bei Ver wendung eines herkömmlichen Gußgehäuses ohne Kühlkanäle er gibt sich durch die verbesserte Innenkühlung eine erhöhte Kühlleistung und hierdurch eine mögliche Leistungssteige rung der elektrischen Maschine. Die Lösung der Aufgabe ge lingt gemäß Anspruch 2 mit nur einem Innenlüfter.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind als Lüfter Ra diallüfter vorgesehen. In vorteilhafter Weise können diese Lüfter als Eigenlüfter, also auf der Läuferwelle fest sit zend, ausgeführt werden.

Eine dem Anspruch 4 entsprechende Ausführung zeichnet sich durch konstruktiv einfache Mittel aus. Die Verwendung nicht aktiv zu bewegender Elemente garantiert eine hohe Haltbar keit. Bei optimaler Ausgestaltung wird die Förderwirkung der Lüfter auf die jeweiligen Läuferkühlkanäle ganz unter drückt.

Um an der elektrischen Maschine eine Drehrichtungsumkehr durchführen zu können, ist es notwendig, drehrichtungsun abhängige Lüfter vorzusehen.

Für die Herstellung des Maschinengehäuses und/oder des Ständerblechpaketes ergibt sich ein fertigungstechnischer Vorteil aus den Merkmalen des Anspruches 6, da die guß technisch aufwendige Herstellung von Kühlkanälen im Gehäu se und/oder Ständerblechpaket entfällt. Durch die verbes serte Innenkühlung wird bereits eine ausreichende Kühllei stung für den Betrieb der elektrischen Maschine erzielt.

Zusätzliche Kühlelemente im Kühlkreislauf gewährleisten, daß in jedem Falle, also auch bei einer reinen Innenküh lung bzw. einem Gehäuse ohne Kühlkanäle, die elektrische Maschine in erforderlichem Maße gekühlt wird.

Dadurch, daß die Kühlelemente in Bohrungen mindestens ei nes der Lagerschilde gehaltert sind, ist eine geeignete Positionierung der Kühlelemente gegeben. Gemäß einer vor teilhaften Ausgestaltung weisen die Kühlelemente zumindest teilweise sowohl eine Außen- als auch eine Innenverrippung auf.

Eine besonders gute Förderwirkung ergibt sich bei einer Ausgestaltung der Maschine gemäß Anspruch 10. Bei einer derartig ausgebildeten Maschine strömt das Kühlmedium durch eine ungefähr gleichgroße Anzahl von Läuferkühlkanä len von der Antriebsseite zur Nicht-Antriebsseite und in umgekehrter Richtung. Hierdurch ist ein optimaler Tempera turausgleich zwischen den thermisch unterschiedlich bela steten Seiten der elektrischen Maschine gegeben. Daraus er geben sich weitere Vorteile für die Lebensdauer und die Wartung der elektrischen Maschine. Die Temperatur der Wickelköpfe ist verringert und damit auch die erwärmungs abhängige Alterung der Isolierung. Die Temperatur des an triebsseitigen Lagers ist ebenfalls vermindert, so daß sich die Fettgebrauchsdauer, oder aber bei gleichen Nach schmierfristen die Schmiersicherheit erhöht.

Die abwechselnde An- und Abkoppelung der Läuferkühlkanal mündungen von der Förderwirkung des betreffenden Lüfters wird durch eine wellblechartige Ausformung des Ansaugrin ges des Lüfters erreicht. Die innerhalb des wellblechför migen Ansaugringes mündenden Läuferkühlkanäle sind von der Förderwirkung des Lüfters erfaßt, wohingegen die außerhalb dieses Ansaugringes mündenden Läuferkühlkanäle von der För derwirkung abgekoppelt sind.

Der Effekt einer Durchströmung benachbarter Läuferkühlka näle in entgegengesetzten Richtungen und die hierdurch be wirkte wirksame Innenkühlung der elektrischen Maschine wird auch bei Ausführungsform der Maschine gemäß den Merk malen des Anspruches 12 erreicht.

Die geschlossenen Leitungskanäle zur Verbindung der Läu ferkühlkanäle mit der Ansaugöffnung des entsprechenden Lüfters können aus entsprechend geformten Leitblechen ge bildet werden.

Die Abkopplung eines Teils der Läuferkühlkanäle von der Förderwirkung des betreffenden Lüfters kann auch gemäß der Merkmale des Anspruches 14 erfolgen. Auch hier wird eine adäquate Kühlleistung unter Ausnutzung der Idee der Nutzung der Läuferkühlkanäle für eine Durchströmung sowohl von der Antriebsseite zur Nicht-Antriebsseite als auch in entgegengesetzter Richtung erzielt.

Dadurch, daß auf beiden Stirnseiten des Läuferblechpakets Innenlüfter vorgesehen sind, die gegeneinander um die Größe eines zwischen zwei Läuferkühlkanalmündungen bestehen den Bogenabstandes verdreht angeordnet sind, ist ein Läu ferkühlkanal immer nur auf der einen Mündungsseite von der Förderwirkung des betreffenden Innenlüfters abgekoppelt und auf der anderen Seite angekoppelt. Dadurch, daß die Innenlüfter jeweils im Wechsel über den Umfang verteilt mit Mitteln zur An- und Abkopplung versehen sind, werden jeweils benachbarte Läuferkühlkanäle entgegengesetzt durch strömt. Der so zwischen der Antriebsseite und der Nicht-An triebsseite geschaffene Temperaturausgleich ist besonders wirkungsvoll. Heißzonen im Läufer werden vermieden.

Eine besonders hohe Kühlwirkung erzielt man durch die Ver wendung identischer Lüfter auf beiden Läuferstirnseiten. Es wird nämlich eine gleichmäßige axiale Durchströmung der Maschine in beiden Richtungen bewirkt und damit ein opti maler Temperaturausgleich zwischen Antriebs- und Nicht-An triebsseite geschaffen. Der größtmögliche Kühleffekt wird erzielt, wenn die Anzahl der Läuferkühlkanäle exakt der An zahl der Lüfterflügel entspricht.

Dadurch, daß die Läuferkühlkanäle in der Nähe der Läufer welle angeordnet sind, ist sichergestellt, daß für die Durchflutung des Blechpaketes ein ausreichender Querschnitt zur Verfügung steht und daher der Wirkungsgrad der elektri schen Maschine nicht beeinträchtigt wird.

Bei einer etwaig unterschiedlichen Querschnittsgröße der einzelnen Läuferkühlkanäle wird eine gleichmäßige und op timale Kühlung der Maschine dadurch erreicht, daß der Ge samtquerschnitt der jeweils in der einen Richtung durch strömten Läuferkühlkanäle dem Gesamtquerschnitt der jeweils in der anderen Richtung durchströmten Läuferkühlkanäle ent spricht.

Dadurch, daß die Läuferwelle an ihrem Umfang mit Radial stegen versehen ist, auf denen das Läuferblechpaket auf liegt, sind von der Läuferwelle, den Radialstegen und dem Läuferblechpaket Zwischenräume umschlossen, die als Läu ferkühlkanäle genutzt werden. Hierdurch kann das Läufer blechpaket ohne Läuferkühlkanäle ausgeführt werden, so daß dessen gesamter Querschnitt für die Durchflutung genutzt werden kann. Darüber hinaus besitzt eine derart ausgebil dete Läuferwelle eine erhöhte Festigkeit.

Anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine geschlos sene elektrische Maschine,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Innenlüfter dieser Ma schine,

Fig. 3 einen Querschnitt durch diesen Innenlüfter entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt durch diesen Innenlüfter entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 und

Fig. 5 einen Querschnitt eines Läufers, dessen Läuferblech paket auf einer Stegwelle angeordnet ist.

Eine in Fig. 1 gezeigte geschlossene elektrische Maschine 1 umfaßt ein Läufer- und ein Ständerblechpaket 2 und 3, die voneinander durch einen Luftspalt 4 getrennt sind. Das Ständerblechpaket 3 ist von einem Maschinengehäuse 5 um geben. Das Maschinengehäuse 5 ist mit Füßen 6 und einem Klemmenkasten 7 versehen. Die Welle 8 des Läufers ist stirnseitig in Lagerschilden 9 gelagert. Mit 10 ist die Antriebsseite und mit 11 die Nicht-Antriebsseite der Ma schine bezeichnet.

Auf beiden Stirnseiten des Läuferblechpaketes 2 sind In nenlüfter 12 angeordnet. Die Innenlüfter 12 sitzen fest auf der Läuferwelle 8 und sind als Radiallüfter mit einer Tragscheibe 13 und einer Deckscheibe 14 ausgeführt, zwi schen denen Lüfterflügel 15 angeordnet sind.

Der Aufbau der Innenlüfter 12 ist im einzelnen der Ansicht und den Schnitten in den Fig. 2 bis 4 zu entnehmen. In Umfangsrichtung sind die Innenlüfter 12 in aufeinanderfol genden Abschnitten 24 und 25 unterschiedlich ausgebildet.

So weisen die Innenlüfter 12 in dem einen Abschnitt 24, wie aus Fig. 3 erkennbar, eine axiale Eintrittsöffnung 16 auf, die mit einem Förderkanal 17 verbunden ist, der ra dial in eine Luftaustrittsöffnung 18 mündet.

In dem anderen Abschnitt 25 ist, wie Fig. 4 zeigt, ein ge schlossener, den Innenlüfter 12 axial vollständig durch stoßender Rückführungskanal 19 ausgebildet, der das durch strömende Kühlmedium vollständig von der Förderwirkung des Innenlüfters 12 entkoppelt. Auf der, dem Läuferblechpaket 2 abgewandten Seite, endet jeder Rückführungskanal 19 mit einer Einlaßöffnung 20.

Die in den Fig. 3 und 4 im Schnitt dargestellten Ab schnitte 24 und 25 des Innenlüfters 12 wechseln einander über den Umfang des Innenlüfters 12 ab. In der Draufsicht auf die Tragscheibe 13 nach Fig. 2 sind daher nur die Ein laßöffnungen 20 der die anderen Abschnitte 25 durchdringen den Rückführungskanäle 19 zu erkennen.

Im Läuferblechpaket 2 sind Läuferkühlkanäle 22 ausgebil det, die sich über die volle axiale Länge des Läuferblech paketes 2 erstrecken und damit an dessen Stirnseiten mün den. Der umfangsmäßige Abstand der Läuferkühlkanäle 22 und der umfangsmäßige Abstand der Abschnitte 24 und 25 der In nenlüfter 12 sind aufeinander abgestimmt. Die Innenlüfter 12 sind auf beiden Läuferstirnseiten der Maschine 1 iden tisch ausgeführt, wobei die beiden Innenlüfter 12 gegenein ander um die Größe des zwischen zwei Läuferkühlkanalmündun gen befindlichen Bogenabstandes gegeneinander verdreht an der jeweiligen Stirnseite angeordnet sind. Dadurch kommen die sich auf der einen Läuferstirnseite mit den Eintritts öffnungen 16 des betreffenden Innenlüfters 12 deckenden Läuferkühlkanäle 22 auf der anderen Läuferstirnseite mit den Rückführungskanälen 19 des anderen Innenlüfters 12 zur Deckung und umgekehrt.

Die Belüftung der in Fig. 1 gezeigten Maschine 1 geschieht wie folgt: Aufgrund der Förderwirkung des beispielsweise der Nicht-Antriebsseite 11 benachbarten Innenlüfters 12 wird auf der Antriebsseite 10 Kühlluft in die sich mit den Rückführungskanälen 19 des auf der Antriebsseite 10 befind lichen Innenlüfters 12 deckenden Läuferkühlkanäle 22, wie durch Richtungspfeile 21 angedeutet, eingesaugt. Die Kühl luft durchströmt die entsprechenden Läuferkühlkanäle 22 und gelangt dann über die Eintrittsöffnungen 16 des auf der Nicht-Antriebsseite 11 angeordneten Innenlüfters 12, dessen Förderkanäle 17 und dessen Luftaustrittsöffnungen 18 in den Wickelkopfraum 23 dieser Maschinenseite. An die ser Stelle findet eine intensive Wärmeabgabe an das von außen gekühlte Lagerschild 9 und das Gehäuse 5 statt. Durch in der Zeichnung nicht dargestellte im oder am La gerschild 9 angeordnete zusätzliche Kühlelemente kann die Wärmeabgabe weit gesteigert werden.

Die derart rückgekühlte Kühlluft wird aufgrund der Förder wirkung des der Antriebsseite 10 benachbarten Innenlüfters 12 über die Rückführungskanäle 19 des der Nicht-Antriebs seite 11 benachbarten Innenlüfters 12 in die entsprechen den Läuferkühlkanäle 22 gesaugt. Die Kühlluft durchströmt nun die entsprechenden Läuferkühlkanäle 22 von der Nicht- Antriebsseite 11 zur Antriebsseite 10 und tritt dort über die Luftaustrittsöffnungen 18 des antriebsseitigen Innen lüfters 12 in den Wickelkopfraum 23 dieser Maschinenseite. Diese Rückführung der Kühlluft ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Benachbarte Läuferkühlkanäle 22 werden somit in entgegengesetzter Richtung durchströmt. Durch den be schriebenen Kühlluftaustausch zwischen der Antriebsseite 10 und der Nicht-Antriebsseite 11 ist ein wirksamer Tempe raturausgleich zwischen beiden Maschinenseiten 10 und 11 geschaffen und die Entwärmung der elektrischen Maschine 1 deutlich verbessert.

Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines gemäß Anspruch 19 ausge bildeten Läufers der Maschine 1. Die Läuferwelle 8 ist mit Radialstegen 26 versehen, auf denen das die Läuferwelle 8 umschließende Läuferblechpaket 2 aufliegt. Durch die Ra dialstege 26 sowie die Läuferwelle 8 und das Läuferblech paket 2 werden Läuferkühlkanäle 22 ausgebildet. Eine Durch strömung der Läuferkühlkanäle 22 in beide axiale Richtun gen wird dadurch bewirkt, daß an mindestens einer Stirnsei te der Läuferwelle 8 ein erfindungsgemäß ausgestalteter In nenlüfter 12 in der beschriebenen Weise vorgesehen ist.

Claims

1. Geschlossene elektrische Maschine (1), bei der auf bei den Stirnseiten ihres Läufers jeweils ein Innenlüfter (12) auf der Läuferwelle (8) der elektrischen Maschine (1) an geordnet ist und im Läuferblechpaket (2) sich über dessen volle axiale Länge erstreckende Läuferkühlkanäle (22) vor gesehen sind, wobei die von dem Innenlüfter (12) auf das in diesen Läuferkühlkanälen (22) befindliche Kühlmedium ausgeübte Förderwirkung auf der einen Läuferstirnseite für einen Teil der Läuferkühlkanäle (22) in der einen Förder richtung und auf der anderen Läuferstirnseite für einen anderen Teil der Läuferkühlkanäle (22) in der anderen Förderrichtung zumindest reduziert ist.

2. Geschlossene elektrische Maschine (1), bei der auf ei ner Stirnseite ihres Läufers ein Innenlüfter (12) auf der Läuferwelle (8) der elektrischen Maschine (1) angeordnet ist und im Läuferblechpaket (2) sich über dessen volle axiale Länge erstreckende Läuferkühlkanäle (22) vorgese hen sind, wobei nur ein Teil der Läuferkühlkanäle (22) mit der Ansaugseite des Innenlüfters (12) in Saugverbindung steht.

3. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Innenlüfter (12) als Radiallüfter aus geführt sind.

4. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Abdeck vorrichtung vorgesehen ist, durch die eine vorgebbare An zahl von Mündungen der Läuferkühlkanäle (22) gegenüber der Ansaugöffnung des jeweiligen Innenlüfters (12) so abgedeckt ist, daß die Förderwirkung des betreffenden Innenlüfters (12) an dieser Stelle zumindest reduziert ist.

5. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens ein Innenlüfter (12) vorgesehen ist, dessen Förderrichtung unabhängig von dessen Drehrichtung ist.

6. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorgehenden Ansprüche, bei der das Maschinen gehäuse (5) und/oder das Ständerblechpaket (3) ohne Kühl kanäle ausgeführt sind.

7. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf minde stens einer Maschinenseite (10 oder 11) Kühlelemente in den Kühlkreislauf eingebracht sind.

8. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 7, bei der die Kühlelemente in Bohrungen mindestens eines der Lagerschilde (9) gehaltert sind.

9. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 7 und/oder 8, bei der die Kühlelemente zumindest teilweise sowohl eine Außen- als auch eine Innenverrippung aufweisen.

10. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf minde stens einer Läuferstirnseite jede zweite Mündung der Läu ferkühlkanäle (22) mittels eines Leitungskanals mit der Ansaugöffnung des jeweiligen Innenlüfters (12) verbunden ist, wobei jeder Läuferkühlkanal (22) jeweils nur auf ei ner Läuferstirnseite mit dem betreffenden Innenlüfter (12) verbunden ist und die nicht mit der Ansaugöffnung verbun denen Mündungen vollständig von der Förderwirkung des be treffenden Innenlüfters (12) abgekoppelt sind.

11. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 10, bei der die ringförmigen Ansaugöffnungen der sich un mittelbar an das Läuferblechpaket (2) stirnseitigen an schließenden Innenlüfters (12) in Form eines Wellbleches ausgeführt sind, dessen Wellengröße entsprechend der Durch messergröße der Mündungsöffnungen der Läuferkühlkanäle (22) und deren Bogenabstand bemessen ist.

12. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 10, bei der die betreffenden Läuferkühlkanäle (22) mittels geschlossener Leitungskanäle mit der Ansaugöffnung des ent sprechenden Innenlüfters (12) verbunden sind und die Innen lüfter (12) auf beiden Läuferstirnseiten gegenüber diesen axial beabstandet sind.

13. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 12, bei der die geschlossenen Leitungskanäle durch ent sprechend geformte Leitbleche ausgebildet sind.

14. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf minde stens einer Läuferstirnseite jede zweite Mündung der Läu ferkühlkanäle (22) mit einem geschlossenen Rückführungska nal (19) verbunden ist, der axial durch den jeweiligen un mittelbar am Läuferblechpaket (2) angeordneten Innenlüfter (12) hindurchgeführt ist, wobei jeder Läuferkühlkanal (22) nur auf einer Läuferstirnseite mit einem Rückführungskanal (19) verbunden ist.

15. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß einer der Ansprüche 10, 11 und 14, bei der auf beiden Stirnseiten des Läuferblechpakets (2) Innenlüfter (12) vorgesehen sind, die gegeneinander um die Größe eines zwischen zwei Läufer kühlkanalmündungen bestehenden Bogenabstandes gegeneinan der verdreht angeordnet sind.

16. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der die auf bei den Läuferstirnseiten befindlichen Innenlüfter (12) iden tisch ausgebildet sind.

17. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Läufer kühlkanäle (22) im Läuferblechpaket (2) in der Nähe der Läuferwelle (8) angeordnet sind.

18. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Gesamt querschnitt der jeweils in der einen Richtung durchström ten Läuferkühlkanäle (22) dem Gesamtquerschnitt der jeweils in der anderen Richtung durchströmten Läuferkühlkanäle (22) entspricht.

19. Geschlossene elektrische Maschine (1) gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Läufer welle (8) an ihrem Umfang mit Radialstegen (26) versehen ist, auf denen das Läuferblechpaket (2) aufliegt.