DE19729724A1

DE19729724A1 - Eisenlose Wicklung für hohe Leistungsdichten

Info

Publication number: DE19729724A1
Application number: DE1997129724
Authority: DE
Inventors: Eckehard Dr Ing Bunzel; Joerg-Hinrich Dipl Ing Krebs; Guenter Dr Ing Gensch
Original assignee: VEM Motors GmbH
Current assignee: VEM Motors GmbH
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-01-21

Description

Die Erfindung betrifft eine eisenlose Wicklung für hohe Leistungsdichten, wie sie beispielsweise in Form einer Tauchspule bei permanentmagneterregten elektrischen Maschinen angewendet wird.

Bei elektrischen Maschinen, die sich im Teillastbereich durch hohe Wirkungsgrade und im Leerlauf durch geringe Verluste auszeichnen, werden Wicklungen bevorzugt eisenlos ausgeführt. Bekannte Anwendungsgebiete solcher elektrischer Maschinen sind beispielsweise Fahrzeugantriebe und Antriebe in rotierenden mechanischen Energiespeichersystemen. Eine eisenlose Ausführung von Wicklungen in elektrischen Maschinen führt aber bekanntermaßen zu Problemen bei der Abführung entstehender Verlustwärme. Insbesondere wenn die Wicklung als Tauchspule ausgeführt ist, sind kaum Möglichkeiten einer ausreichenden Kühlung bekannt. Übliche Kühlungen mittels gasför miger Kühlmedien sind in ihrer Leistungsfähigkeit durch einen schlechten Wärmeüber gang Wicklung- Kühlmedium stark eingegrenzt. Zusätzliche Kühlflächen können in aller Regel bei derartigen Wicklungen nicht vorgesehen werden. Güntensperger schlägt deshalb eine aus zwei Wicklungslagen bestehende Wicklung mit Flüssigkeitskühlung vor, bei der zwischen und außerhalb beider als Hohlzylinder ausgeführter Wicklungslagen Kühlkanäle vorgesehen sind. Die Zuführung des Kühlmittels erfolgt in den Zwischenraum zwischen beiden hohlzylinderförmigen Wicklungslagen, die Abführung des Kühlmittels jeweils entlang der Außenflächen beider Wicklungslagen (Güntersper ger, Walter, Schnellaufende Permanent-Synchronmaschine mit kleinen Leerlaufverlusten für kinetische Energiespeicher, Dissertation, Technische Hochschule Zürich, 1984). Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß infolge der Anordnung der Kühlkanäle ein vergrößerter Abstand zwischen den Polflächen und der Wicklung einerseits und den Polflächen des äußeren und inneren Magnetsystems andererseits auftritt. Durch die vergrößerten Abmessungen ist eine größere Menge hochenergetischen Magnetmateri als erforderlich, was zu erhöhten Kosten und in aller Regel auch zu erhöhten Verlusten führt.

Ziel der Erfindung ist eine eisenlose Wicklung für elektrische Maschinen mit hohem Wirkungsgrad, die hohe Leistungsdichten erlaubt, d. h. bei der in ausreichendem Maße anfallende Verlustwärme abgeführt werden kann. Dazu besteht die Aufgabe, ein Flüssig keitskühlsystem derart in die Wicklung zu integrieren, daß keine wesentliche Vergröße rung des Abstandes zwischen Wicklung und Polflächen einerseits und den Polflächen des äußeren und inneren Magnetsystems andererseits auftritt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Wicklung dem 1. Patentanspruch gemäß gelöst. Die weiteren Patentansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch das Belas sen von Zwischenräumen zwischen benachbarten Windungen Kanäle zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit gebildet werden, die in der Ebene der Wicklung liegen, so daß es zu keiner Vergrößerung der Wicklungsdicke kommt. Je nachdem, wie hoch die durch Kühlung abzuführende Verlustleistung ist, können Kanäle zwischen allen Windungen oder nur zwischen Gruppen von Windungen vorgesehen werden. Bei einlagigen Wick lungen werden die Kanäle durch benachbarte Windungen und eine innere und äußere Isolationsschicht der Wicklung gebildet. Bei mehrlagigen Wicklungen können Kanäle auch zwischen benachbarten Windungen einer Wicklungslage und benachbarten Wicklungslagen gebildet werden.

Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen Kanäle in rotationssymmetri sche Zweischichtwicklungen integrieren. Infolge des größeren Umfanges der äußeren Wicklungslage ergeben sich bei gleichen Windungszahlen von innerer und äußerer Wicklungslage bei der äußeren Wicklungslage konstruktionsbedingt Zwischenräume zwischen einzelnen Windungen. Diese können vorteilhaft so angeordnet werden, daß sie als Kanäle für Kühlflüssigkeit fungieren.

Zweckmäßig ist es, wenn insbesondere bei mehrlagigen Wicklungen im Bereich der Wicklungsköpfe Verbindungskanäle angeordnet sind, in die die Kanäle münden. Durch geeignete Segmentierung der Verbindungskanäle können jeweils einzeln oder in Grup pen Kanäle so miteinander verbunden werden, daß innerhalb der Wicklung ein beispielsweise mäanderförmiger Kühlmittelfluß realisiert wird. Dabei können wahlweise Kanäle einer oder falls vorhanden mehrerer Wicklungslagen einbezogen werden. Die Segmentierung der Verbindungskanäle kann sowohl in Richtung der Verbindungskanäle als auch quer zur Richtung der Verbindungskanäle oder kombiniert erfolgen. Eine besonders gute Kühlwirkung wird erreicht, wenn ein wechselnder Hin- und Rückfluß der Kühlflüssigkeit durch benachbarte Kanäle realisiert wird.

Bei bestimmten Wicklungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn im Bereich der Wick lungsköpfe breitere Zwischenraume zwischen benachbarten Windungen belassen werden, die dann breitere Kanäle bilden. Dies kann entweder durch unterschiedliche Windungslängen benachbarter Windungen oder durch eine asymmetrische Gestaltung des Wicklungskopfes erreicht werden.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung wird in einer durch Verbacken form stabil verfestigten Wicklung aus backlackisoliertem Wickelmaterial gesehen. Damit können maßgenaue Zwischenräume zwischen benachbarten Windungen bzw. Windungen einer Wicklungslage und einer benachbarten Wicklungslage und damit maßgenaue Kanäle realisiert werden.

Die Erfindung kann sowohl bei eisenlosen Wicklungen in rotierenden Maschinen als auch in Linearmotoren angewendet werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 den Längsschnitt einer dauermagneterregten elektrischen Maschine mit einer zylindrischen eisenlosen Zweischichtwicklung,

Fig. 2 den Schnitt einer Zweischichtwicklung mit Kühlmittelkanälen in der äußeren Wicklungslage,

Fig. 3 eine Zweischichtwicklung (abgewickelte Darstellung) mit asymmetrischen Wickelköpfen und einer nach jeder Spulengruppe alternierenden Kühlmit telfluß-Richtung,

Fig. 4 eine Zweischichtwicklung (abgewickelte Darstellung) mit asymmetrischen Wickelköpfen und abschnittsweise alternierender Kühlmittelfluß-Richtung und

Fig. 5 eine Zweischichtwicklung mit unterschiedlich langen Windungen.

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt einer dauermagneterregten elektrischen Maschine. Die als Zweischichtwicklung ausgeführte eisenlose Wicklung 1 sitzt auf einem am Lagerschild 2 befestigtem Trägerflansch 3. Die Wicklung 1 befindet sich in Form einer Tauchspule im zylindrischen Spalt eines als Doppelzylinder ausgeführten Magnetkreises. Der Dauerma gnet 4 ist auf dem inneren Umfang des äußeren Zylinders 5 angeordnet. Der Magnet kreis schließt sich über den inneren Zylinder 6, den äußeren Zylinder 5, die Dauerma gnete 4 und die Luftspalte 7.

Bei der dargestellte elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um eine Maschi ne einer Bemessungsleistung von P_n = 20 kW bei einer Nenndrehzahl von n_n = 5500 l/min handeln. Um bei der Bemessungsleistung eine maximale Wicklungs übertemperatur T_max = 46 K zu garantieren (mittlere Wicklungsübertemperatur T_mittel = 43 K) ist es erforderlich, eine Verlustleistung von ca. 750 W abzuführen. Dazu werden 1,3 l Öl als Kühlmittel je Minute durch erfindungsgemäß innerhalb der Wicklung belassene Kanäle 8 geleitet. Die Kanäle 8 sind, wie aus Fig. 2 zu ersehen, ausschließlich in der äußeren Wicklungslage 9 angeordnet. Sie werden von der inneren Wicklungslage 10, der äußeren Isolationsschicht 11 und benachbarten Windungen der äußeren Wicklungslage 9 gebildet. Dies ist besonders zweckmäßig, weil aufgrund des größeren Umfanges der äußeren Wicklungslage bei gleicher Windungszahl und glei chem Wickelmaterial von äußerer und innerer Wicklungslage 9 und 10 innerhalb der äußeren Wicklungslage 9 Zwischenräume entstehen, die als Kanäle 8 zur Leitung der Kühlflüssigkeit dienen.

Fig. 3 veranschaulicht, wie sich die beschriebenen, innerhalb des im zylindrischen Spalt befindlichen Teiles der Wicklung angeordneten Kanäle 8, in den Wickelköpfen 12 fort setzen. Dabei entstehen durch asymmetrische Gestaltung der Wickelköpfe 12 zwischen einzelnen Spulengruppen 13 Zwischenräume, die die beschriebenen Kanäle 8 fortset zen. Außerhalb der Wickelköpfe 12 sind Verbindungskanäle 14 angeordnet, in die die Kanäle 8 münden. Durch Segmentierung dieser Verbindungskanäle 14 wird ein alternie render Kühlmittelfluß 15 erreicht.

Eine andere Segmentierung der Verbindungskanäle 14 zeigt Fig. 4. Hieraus resultiert ein Kühlmittelfluß 15, bei dem jeweils drei Kanäle 8 parallel geschaltet sind.

Selbstverständlich ist es auch möglich, wie in Fig. 5 dargestellt, eine Kanalführung zu erreichen, die zu einem Kühlmittelfluß 15 zwischen allen Windungen einer Wicklungsla ge, ggf. auch einer Wicklung führt. Eine derartige Kanalführung ist für eine besonders intensive Kühlung vorteilhaft.

Claims

1. Eisenlose Wicklung für hohe Leistungsdichten, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einzelnen Windungen einer Wicklungslage Zwischenräume belassen werden, die in Verbindung mit einer inneren und/oder einer äußeren Isolationsschicht (11) und/oder einer anderen Wicklungslage Kanäle (8) bilden.

2. Eisenlose Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen einzelnen Windungen im Bereich der Wickelköpfe (12) durch unterschiedlich lange Windungen vergrößert sind.

3. Eisenlose Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen einzelnen Windungen im Bereich der Wickelköpfe (12) durch asymmetrische Gestaltung der Wickelköpfe (12) vergrößert sind.

4. Eisenlose Wicklung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (8) in im Bereich der Wickelköpfe (12) angeordneten Verbindungs kanälen (14) münden.

5. Eisenlose Wicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (14) segmentiert sind, so daß jeweils nur eine bestimmte Anzahl von Kanälen miteinander verbunden sind.

6. Eisenlose Wicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente innerhalb der Verbindungskanäle (14) in den Wickelköpfen (12) so angeordnet sind, daß jeweils eine bestimmte Anzahl von Kanälen als Hinleiter und eine bestimmte Anzahl anderer Kanäle als Rückleiter der Kühlflüssigkeit fungieren.

7. Eisenlose Wicklung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente innerhalb der Verbindungskanäle (14) in den Wickelköpfen (12) so angeordnet sind, daß sich Hin- und Rückleiter der Kühlflüssigkeit abwechseln.

8. Eisenlose Wicklung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus durch Verbacken formstabil verfestigter backlackisoliertem Wickelmaterial besteht.