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Anordnung zur Führung des Kühlmedlums in den Pollücken von Schenkelpolläufern
elektrischer Maschinen Die Kühlung der Erregerwicklungen von Schenkelpolläufern
elektrischer Maschinen bereitet besonders dann erhebliche Schwierigkeiten, wenn
es sich um relativ lange Läufer handelt. Der stimseitig axial in die Pollücken eintretende
Kühlmittelstrom wird durch die Rotation des Läufers schon vorzeitig vor Erreichen
der Läufermitte in radiale Richtung umgelenkt und kann somit nicht mehr in genügender
Weise die Wärme von der Läufermitte abführen. Sind die Erregerwicklungen in den
Pollücken gegen die Fliehkraft durch Wicklungsstützen gesichert, so ist die Wärineabfuhr
in der Läufermitte praktisch unmöglich geworden, da die Wicklungsstützen den axialen
Kühlmitteldurchtritt unterbinden. Die radial innenliegenden Teile der Erregerwicklungen
werden außerdem bei Rotation ebenfalls weniger als die radial außenliegenden gekühlt.
Insgesamt tritt also eine ungleichmäßige Erwärmung im Läufer auf, wodurch die Leistung
der Maschine zwangläufig sinkt.
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Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten sind eine Reihe von Vorschlägen
gemacht worden, die aber insgesamt gesehen das Problem nur ungenügend lösen. Bei
einer bekannten Anordnung werden z. B. Segmente mit Schlitzen zum Kühlmitteldurchtritt
vorgeschlagen, die die Pollücken radial nach außen abdecken. Der hierbei axial eintretende
Kühlmittelstrom kann jedoch nur bis zu den jeweiligen Wicklungsstützen durchtreten
und muß dann durch die in den Segmenten vorhandenen Schlitze in radialer Richtung
aus den Pollücken heraustreten. Auch werden bei dieser Anordnung selbst dann, wenn
die Wicklungsstützen fehlen, die radial innenliegenden Teile der Erregerwicklungen,
besonders zur axialen Läufermitte hin, wegen der auf das Kühlmittel wirkenden Zentrifugalkraft
erheblich geringer gekühlt als die radial außenliegenden. Außerdem wird das Kühlmittel
die in Drehrichtung vorwärts liegende Wicklung durch die Umfangskraft nicht mehr
genügend bestreichen und somit diese zumindest weniger als die rückwärts liegende
Wicklung kühlen.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung werden V-förmige Bleche mit
ihren Außenkanten an die Erregerwicklungen angelehnt und der offene Teil der V-Form
ganz oder teilweise durch ein Abdeckblech mit Schlitzen versteift. Die so ausgeführte
Anordnung bewirkt, daß einerseits die Erregerwicklungen gegen Zentrifugalkräfte
nach Art der vorher erwähnten Wicklungsstützen gesichert sind, andererseits, daß
das axial in die Pollücken eintretende Kühlmittel ungehindert bis zur Läufermitte
hindurchtreten kann. Da aber aus Fertigungsgründen die V-förmigen Bleche niemals
satt und auch nur indirekt über Isoliermaterial an den Erregerwicklungen anliegen
können, insoweit also der Wärmeübergang relativ gering wird, ist die Kühlwirkung
ebenfalls noch unbefriedigend. Außerdem besteht die Gefahr, daß das Kühlmittel schon
vor Erreichen der Polmitte durch die Zentrifugalwirkung herausgeschleudert, die
Wärmeabfuhr dort also ungenügend wird.
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In einer der eben beschriebenen ähnlichen Anordnung sind die V-förmigen
Bleche mit ihren Außenkanten nicht an die Erregerwicklungen angelehnt. Sie werden
als Luftführungselemente mit Abstand zu den Erregerwicklungen angeordnet, um so
einen Kanal zwischen sich und den Erregerwicklungen zu bilden. Dabei wird dieser
Kanal so ausgebildet, daß er sich radial nach außen verengt. Der Nachteil dieser
Anordnung ist darin zu sehen, daß das stirnseitig eintretende Kühlmedium bereits
in erheblichem Umfang vor Erreichen der Läufermitte wieder radial heraustritt, da
es über die gesamte axiale Länge des Kühlkanals zwei durchgehende öffnungen vorfindet.
Im übrigen haben bei dieser bekannten Anordnung Laborversuche bewiesen, daß die
Verengung nach außen einen weiteren Nachteil hat, der sich insbesondere auf verrippte
Erregerwicklungen bezieht: Der Strömungswiderstand wirkt, vorwiegend durch die Verrippung,
als Labyrinth.
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Bei einer weiteren bekannten Anordnung werden Zwischenstücke zur Wicklungsabstützung
beschrieben, die aber keinerlei axiale Kühlmittelführung bewirken. Es ist lediglich
über die axiale Länge verteilt eine gewisse Anzahl von derartigen Abstützungen vorgesehen,
wobei in ihnen zur radialen Kühlmittelführung Ventilationslöcher angeordnet sein
können. Daraus folgt, daß zwischen den einzelnen Abstützungen auch das Kühlmittel
in praktisch beliebiger Menge und demnach am besten vor Erreichen
der
Läufermitte wieder radial heraustreten kann.
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Bei einer weiteren bekannten Anordnung wird die Läuferwelle hohl ausgebildet
und der axial gerichtete Kühlmittelstrom stirnseitig in den Hohlraum hineingeführt.
Von diesem Hohlraum tritt der Kühlmittelstrom durch radiale Bohrungen in die Pollücken
über und kann dann so direkt - an den Erregerwicklungen vorbeistreichend
- die Wärme abführen. Jedoch bedeutet diese Ausbildung einen erheblichen
Bauaufwand für die gesamte Maschine, da durch die Hohlwelle der Läufer ja mechanisch
zunächst einmal erheblich geschwächt wird.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung sind die Polschenkel der Schenkelpole,
soweit sie sich gegenüberstehen, parallel zueinander ausgerichtet, ebenso die daran
befestigten Wicklungen. Zwischen den radial innenliegenden Teilen dieser Wicklungen
und der Wellen ist ün Joch Platz gelassen zur Bildung eines axial durchgehenden
]Kühlkanals. Da in diesem Falle das Kühlmittel nur an dem radial innenliegenden,
also der Welle zugewandten Bereich der Wicklungen vorbeistreichen kann, wird die
Wärme nur in ungenügendem Maße abgeführt werden können. Man kann wohl zur Verbesserung
der Wärmeabfuhr den axial durchgehenden Kühlkanal vergrößern; dadurch wird aber
die Festigkeit der Welle und des Jochs zwangläufig vermindert und außerdem der Platz
für den magnetischen Fluß erheblich eingeengt. Würde man bei dieser Anordnung die
aneinanderliegenden Längsseiten der Wicklung, welche in radialer Richtung divergieren,.etwas
auseinanderziehen, so würde wohl das Kühlmittel auch in dem Bereich der nunmehr
so entstandenen Pollücken entlangstreichen können. Durch die Fliehkraft würde jedoch
das Kühlmittel bereits vor Erreichen der, in axialer Richtung gesehen, Mitte des
Polrades heraustreten und so am kritischsten Punkt der Wicklungen die Wärme überhaupt
nicht abführen können.
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Bei den meisten dieser bekannten Anordnungen ist es außerdem nicht
möglich, die Oberfläche der Erregerwicklung zur besseren Wärmeabfuhr durch beispielsweise
Verrippung zu vergrößern und an der so verrippten Oberfläche dann das Kühlmittel
direkt vorbeizuführen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Führung des Kühlmittels
bei Schenkelpolläufern so zu treffen, daß, auch bei langen Läufern, die elektrische
Maschine symmetrisch gekühlt wird, wobei der konstruktive Aufwand hierfür in engen
Grenzen gehalten werden soll. Insbesondere soll auch die mechanische Festigkeit
des Läufers und die Halterung der an diesem angeordneten Erregerwicklungen durch
einfache konstruktive Merkmale ausreichend sein.
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. Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Führung des
Kühlmediums an Schenkelpolläufern elektrischer Maschinen, bei denen die achsparallelen
Längsseiten der Pole radial nach innen konvergieren, bei denen außerdem das in axialer
Richtung in die Pollücken eintretende Kühlmedium anschließend unter Umlenkung seiner
Strömungsrichtung radial nach außen in den Ständer übertritt, wobei die mit Abstand
zueinander in den Pollücken angeordneten Erregerwicklungen gegen Fliehkraftbeanspruchung
durch Wicklungsstützen gesichert sind und wobei in den Pollücken zwischen den beiden
jeweils in ihnen angeordneten Teilen der Erregerwicklung und der Läuferwelle
je ein aidal durchgehender Kühlkanal angeordnet ist, welcher mit einem zur
Läufermitte hin stetig geringer werdenden Querschnitt ausgebildet ist. Erfindungsgemäß
sind zwischen den beiden radial nach innen gerichteten und einander zugekehrten
Teilen der Erregerwicklungen den durchgehenden Kühlkanal abdeckende Kühlmittelführungssegmente
mit Schlitzen angeordnet.
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Ein so ausgebildeter Läufer wirkt, zusammen mit dem stirnseitig angebrachten
Axiallüfter, wie zwei in Serie geschaltete Lüfter, wobei das Kühlmittel wegen der
vorwiegend glatten Führung einen nur relativ kleinen Strömungswiderstand zu überwinden
hat. Dadurch gelangt es noch in genügender Menge bis zur Läufermitte, kann also
auch hier die Wärme ausreichend abführen.
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Da durch die Schlitze in den Kühlmittelführungssegmenten das Kühlmittel
am radial innenliegenden Teil der Erregerwicklungen zuerst vorbeistreicht, wird
die hier auftretende Erwärmung einwandfrei abgeführt. In einer Weiterbildung des
Gegenstandes der Erfindung werden die Kühlmittelführungssegmente radial nach außen
aufgewölbt, die Schlitze verbleiben jedoch nahe am inneren Teil der Erregerwicklungen.
Hierdurch wird erreicht, daß das Kühlmedium auch an den außenliegenden Teilen der
Erregerwicklung innig vorbeistreicht, die Wärme dementsprechend auch hier gut abführen
kann.
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Die vorhandenen Wicklungsstützen bilden insoweit kein Hindernis für
den Kühlmittelstrom, da die axial durchgehenden Kühlkanäle radial unterhalb derselben
angeordnet sind. Eine noch bessere Führung des Kühlmediums wird - in Weiterbildung
des Gegenstandes der Erfindung - erreicht, wenn man den genannten Kühlkanal
zur Läufermitte hin mit stetig geringer werdendem Querschnitt, entsprechend der
nach hier geringer werdenden Menge des Kühlmediums, ausbildet. Handelt es sich um
einen Rillenläufer, also einen solchen, bei welchem die Pole kammartig in Rillen
befestigt sind, so wird man - ebenfalls nach einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
- die an den Rillen auftretende Verwirbelung des Kühlmittels durch Abdeckbleche
verhindern.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beschrieben, in welchen
Fig. 1 einen radialen Schnitt durch einen Teil eines Schenkelpolläufers,
F i g. 2 einen achsparallelen Schnitt durch einen ebensolchen, F i
g. 3 eine Draufsicht auf ein Kühlmittelführungsseginent, F i g. 4
und 5 verschiedene Querschnitte durch aufgewölbte Kühlmittelführungssegmente
und F i g. 6 - als Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung
- eine indirekte Halterung der Wicklungsstütze am Läufer darstellt.
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In den F i g. 1 und 2 ist radial innerhalb des Ständers
1 der Schenkelpolläufer 10 mit den Polen 11 angeordnet. An
den Polen 11 befinden sich die Erregerwicklungen 3, wobei zwischen
diesen in der Pollücke 2 die Wicklungsstützen 4 die Halterung gegen Fliehkraftbeanspruchung
bewirken. Zwischen den beiden jeweiligen in der Pollücke angeordneten Teilen der
Erregerwicklungen 3 und der Läuferwelle 12 befindet sich der axial durchgehende
Kühlkanal 13, welcher radial nach außen durch die beiden genannten Teile
der Erregerwicklungen 3 und durch ein Kühlmittelführungssegment 14 begrenzt
ist. Letzteres
ist mit Schlitzen 15 ausgebildet, durch welche
das Kühlmittel hindurchtritt und, an den Erregerwicklungen 3 vorbeistreichend,
von diesen die Wärme abführt. Ein Teil des Kühlmittels tritt in an sich bekannter
Weise durch die zwischen den Erregerwicklungen 3 und den Schenkeln der Pole
11 angeordneten Kanäle 8 hindurch.
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Da es sich bei dem Ausführungsbeispiel um einen Rillenläufer handelt,
sind die Rillen 16 durch ein Abdeckblech 5 abgedeckt, wobei dieses
(in F i g. 2) von rechts nach links ansteigend angeordnet ist und so eine
stetige Verengung des Querschnitts des Kühlkanals 13 zur Läufermitte hin
bewirkt. Hierdurch wird erreicht, daß im Gegensatz zu einer Ausbildung mit gleichbleibendem
Querschnitt im Bereich der Läufermitte für das Kühlmittel keine Ablösungserscheinungen
und damit Verwirbelungen durch dessen hier sonst auftretenden Druckverlust hervorgerufen
werden.
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Um einen einwandfreien und nicht verwirbelten stirnseitigen Eintritt
des vom Lüfter 6 erzeugten Kühlmittels zu erreichen, ist am Anfang des Kühlkanals
13 ein radial nach außen abgebogenes Führungsstück 9 angeordnet. Bei
relativ (in axialer Richtung) langen Wicklungsstützen 4 werden in einer Weiterbildune,
des Geaenstandes der Erfindung diese mit an sich bekannten radialen Schlitzen
7 ausgebildet, durch welche ebenfalls das Kühlmedium hindurchtreten kann.
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In F i g. 3 sind die Schlitze 15 so angeordnet, daß
sie bei eingebautem Kühlmittelführungssegment 14 nahe dem inneren Teil der (in den
F i g. 1 bis 2 dargestellten) Erregerwicklungen 3 liegen. Nach einem
weiteren Erfindungsvorschlag wird man das Kühlmittelführungssegment 14 im Bereich
zwischen den Linien 18, 19 aufwölben. Hierdurch wird der Kühlmittelstrom
gezwungen, nicht im mittleren Teil der Pollücke radial nach außen zu treten, sondern
im äußeren Teil und innig an den Erregerwicklungen 3
vorbeistreichend. Die
hierdurch auftretende Querschnittserhöhung bedingt gleichzeitig eine erwünschte
Geschwindigkeitserhöhung für den Kühlmittelstrom.
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Beispiele für derartige Aufwölbungen sind in F i g. 4 und
5 angegeben. Die durch diese Aufwölbungen erzwungene Führung des Luftstromes
ergibt sich aus den eingezeichneten Pfeilen.
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Ist die Pollücke sehr breit, so wird man - wie in F i
g. 5 gezeigt - mehrere Aufwölbungen des Kühlmittelführungssegmentes
14 (in diesem Falle zwei) anordnen, wobei zweckmäßigerweise zusätzlich Versteifungsrippen
17 vorgesehen sind.
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Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Anordnung zur Führung des Kühlmittels
bewirkt eine gleichmäßige Wärmeabfuhr von den Erregerwicklungen 3,
wodurch
eine höhere Ausnutzung und damit zusammenhängend eine Einsparung an Leitermaterial
ermöglicht wird. Darüber hinaus wird durch den über die ganze Läuferlänge gleichmäßig
auftretenden und in den Ständer 1 übertretenden Kühlmittelstrom auch eine
gute und gleichmäßige Kühlung des letzteren erreicht.
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Da die gegenüber den bekannten Anordnungen verminderte Verwirbelung
des Kühlmediums bei gleicher Lüfterleistung dessen höhere Strömungsgeschwindigkeit
zur Folge hat, außerdem durch die Aufwölbung des Kühlmittelführungssegmentes 14
eine im wesentlichen quer, also in Umfangsrichtung, gerichtete Anströmung der Erregerwicklungen3
erreicht wird, erhöht sich die Wärmeübergangszahl wesentlich. Die Befestigung der
Kühlmittelführungssegmente 14 ist in sehr einfacher Weise durchführbar, zumal sie
durch eine relativ weit innerhalb des Läufers liegende Anordnung durch Zentrifugalkräfte
außerordentlich gering belastet werden. Es ist auch möglich, die Kühlmittelführungssegmente
14 gemäß F i g. 5 mit Versteifungsrippen 17 auszubilden und damit
ihre Festigkeit zu erhöhen. Der von dem Lüfter 6 austretende Kühlmittelstrom
wird durch die Führungsbleche 9 in gewünschter Weise geteilt.
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In F i g. 6 ist gezeigt, wie der in der Wicklungsstütze 4 angeordnete
Befestigungsbolzen 21 nicht wie beispielsweise in F i g. 2 angedeutet in
der Welle 12 eingeschraubt ist, sondern in der axial durchgehenden Leiste 20. Diese
Leiste 20 ist fest mit dem Kühlmittelführungssegment 14 verbunden, welches radial
von innen an den Erregerwicklungen 3 anliegt. Wird die Schraubenmutter am
Befestigungsbolzen 21 angezogen, so legt sich die Wicklungsstütze 4 mit ihren Flächen
22 eng an die Erregerwicklung 3 an, ebenso das Kühlmittelführungssegment
14 mit seinen Flächen 23. Hierdurch wird eine feste Halterung der genannten
Bauteile aneinander erreicht, mit dem Vorteil, daß der Bolzen 21 nicht mehr in den
Kühlkanal 13 hineinragt. Somit ist insoweit im Kühlkanal auch kein Hindernis
mehr für das Kühlmittel vorhanden; letzteres kann also unverwirbelt durch die Schlitze
15 hindurchtreten. Zweckmäßig ist es außerdem. die Leiste 20 - wie
aus F i g. 2 ersichtlich -
zum stirnseitigen Läuferende hin im Bereich
der Stelle 24 strömungsgünstig auszubilden.