Einrichtung zur Kühlung an einer umlaufenden Maschine Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Küh lung an einer umlaufenden Maschine, insbesondere einem Elektromotor oder Generator. Bekanntlich wer den umlaufende Maschinen, die im Betrieb infolge hoher Belastung, z. B. auch hoher Schalthäufigkeit, einer starken Erwärmung ausgesetzt sind, entweder durch Eigenbelüftung oder Fremdbelüftung gekühlt. Als Kühlmedium können Gase, z. B. Luft, Wasserstoff usw., oder auch Flüssigkeiten, z. B. Wasser oder öl usw., verwendet werden.
Bei der Eigenbelüftung wird das Kühlmedium durch einen auf dem Läufer befestigten Lüfter in Be wegung gesetzt. Bei Fremdbelüftung wird das Kühl medium durch einen gesondert angetriebenen Lüfter bewegt. Zur Flüssigkeitskühlung benützt man meist ein in einem Röhrensystem oder Mantel zirkulierendes Medium, das die Verlustwärme abführt.
Die Belastbarkeit einer elektrischen Maschine ist im allgemeinen durch die für die Isolationsmaterialien maximal zulässige Temperatur begrenzt. Im Schalt betrieb verwendete Motoren müssen daher infolge der grossen Wärmeentwicklung häufig für eine um 30% bis 200% höhere Leistung - bezogen auf die Nenn leistung bei Dauerbetrieb - ausgelegt werden, damit die maximal zulässige Temperaturgrenze nicht über schritten wird.
Es ist bei Motoren mit schlecht wärmeleitenden Gehäusen bzw. Lagerschilden bekannt, diese mit Körpern zu versehen, die im Lagerschild angeordnet sind, und die die Wärme nach aussen abführen sollen. Derartige Massnahmen haben sich aber in der Praxis nicht durchsetzen können, da es meist nicht mit wirt schaftlich vertretbarem Aufwand gelang, eine ge nügend grosse Wärmemenge vom Entstehungsort, z. B. den Läuferstäben, über den Kurzschlussring und über den wärmeisolierenden Luftraum zwischen Läufer und Lagerschild an die Lagerschilde zu trans portieren.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit nur geringem Aufwand einen wirksamen Wärmetransport vom Entstehungsort der Motor wärme, insbesondere von Läufer und Wicklung an das Gehäuse und an die Lagerschilde und von hier an die Aussenluft zu erzielen. Gleichzeitig sollen die Wärmewiderstände zwischen Läufer und Ständer einerseits und der Aussenluft andererseits möglichst klein gehalten werden.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass ein mit dem sich drehenden Maschinenteil (Läufer) wärmeschlüssig fest verbun dener Körper in Form einer Scheibe aus wärmeleiten dem Material vorgesehen ist und mit dem ihm gegen überliegenden Lagerschild einen Raum bildet, der seinerseits keine die Kühlströmung behindernden Tei le aufweist, und dass als Kühlströmung eine aus einer zur Maschinenachse koaxialen Potentialumlaufströ- mung und einer ebenfalls koaxial umlaufenden Ro tationsströmung bestehende Drehströmung mit Hilfe von Leitmitteln angeregt wird, die an der rotierenden Scheibe oder am Lagerschild angebracht sind. Dieser mit dem sich drehenden Maschinenteil festverbunde nen Körper in Form einer Scheibe kann z.
B. aus Aluminium als gut wärmeleitendem Material bestehen, um die durch die Drehströmung vom rotierenden Läufer übertragene Wärme gut aufzunehmen und wei terzuleiten.
In Weiterbildung der Erfindung können die wär meleitenden Teile an der Innen- und/oder Aussen seite des Lagerschildes durch den mindestens teil- weise aus wärmeleitendem Material bestehenden La gerschild hindurch wärmeleitend miteinander verbun den werden und bis in den Gehäusemantel der Ma schine hineinragen. Dabei weisen die Leitmittel tan- gentiale, mit zusätzlichen Rauhigkeiten versehene An- und Ablaufflächen in Form von Rippen mit abgerun deten Profilen auf und sind so ausgebildet, dass sie aus der Grenzschicht herausragen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der in Form einer Scheibe ausge bildete Körper an der dem Lagerschild zugewandten Seite konkav oder konvex ausgebildet ist und an der zylindrischen Mantelfläche des Körpers achsparallele Rippen vorgesehen sind.
Vorteilhaft dient der sich drehende Körper als Kurzschlussring für die Läuferwicklung. Ferner kann der als Scheibe ausgebildete Körper einseitig so ver längert sein, dass er die Wickelköpfe wenigstens teil weise umgibt.
Ausserhalb des Gehäuses kann auf derselben Welle wärmeschlüssig ein weiterer, mit Profilen und Rauhigkeiten versehener Körper in Form einer Scheibe vorgesehen sein, die auch als Kupplungs scheibe ausgebildet sein kann, angeordnet, um eine offene Drehströmung zwischen Scheibe und Lager schild anzuregen. Schliesslich können auf dem von den beiden Körpern begrenzten Wellenabschnitt achs- parallele Profile, z. B. Rippen, angeordnet sein.
An Hand der Zeichnung werden die Vorteile und weitere Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt nur das eine Ende einer elektri schen Maschine, z. B. eines Motors, wobei selbstver ständlich die hier dargestellten Merkmale in gleicher Weise bei dem anderen Motorende angewendet wer den können. Der Läufer der elektrischen Maschine ist mit 1, der Ständer mit 2 und die aus diesem heraus ragenden Wickelköpfe sind mit 3 bezeichnet. Der La gerschild 4 ist beispielsweise in der unteren Hälfte der Fig. 1 mit Durchbrechungen 5 zur Aufnahme von Durchdringungskörpern 6 aus gut wärmeleitendem Material oder, wie die obere Hälfte der Fig. 1 zeigt, zur Verbindung von Wärmeleitkörpern 6a mit Bolzen 7 versehen.
Der mit dem Läufer 1 und der Welle 8 wärmeleitend verbundene und sich mit dieser dre hende Körper 9 wird im folgenden kurz als Dreh körper bezeichnet. Er weist im einfachsten Fall die Form einer Scheibe auf, die an der dem Lagerschild 4 zugewandten Seite zum grössten Teil konkav ausge bildet ist. Auf dieser Seite sind radiale Rippen 10 an gebracht, die bei Drehung des Körpers 9 eine Poten- tialumlaufströmung 11 anregen. Dabei wird unter einer Potentialumlaufströmung eine reibungsfreie Um laufströmung verstanden, die dem Geschwindigkeits gesetz v = c/r folgt.
Dabei bedeutet v die Umfangs geschwindigkeit (cm/s), c eine Konstante (cm2/s) und r (cm) den Abstand eines Punktes in der Umlaufebene von der Umlaufachse.
Die auf diese Weise angeregte Potentialumlauf strömung 11 transportiert die Wärme von der konka ven Innenfläche des Körpers 9 an den ebenfalls mit radialen Rippen 10 ausgebildeten Durchdringungs- körper 6 des Lagerschildes 4. Nach Wärmeabgabe geht die Potentialumlaufströmung 11 in Form einer Wirbelsenke in eine koaxial umlaufende reibungs behaftete Rotationsströmung 12 über.
Diese Rota tionsströmung folgt dem Geschwindigkeitsgesetz v = c. r, mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit
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Der Drehkörper 9 und der Durchdringungskörper 6 bilden einen sogenannten rauhen Grund , wobei sich am Durchdringungskörper 6 die Potentialumlauf strömung 11 in die umlaufende Rotationsströmung 12, am Drehkörper 9 die umlaufende Rotationsströmung 12 in die Potentialumlaufströmung 11 umsetzt. Diese aus Potentialumlaufströmung 11 und Rotationsströ mung 12 bestehende in sich geschlossene Strömung wird im folgenden kurz als Drehströmung be zeichnet.
Zwischen dem Drehkörper 9 und dem Durch dringungskörper 6 befinden sich keine die Kühlströ mung behindernden Teile. Es können aber die An regung der Rotationsströmung verstärkende Mittel, z. B. achsparallele Rippen 13 auf der Welle ange bracht werden. Der Abstand zwischen dem Drehkör per 9 und dem Durchdringungskörper 6 sollte nicht so gering gemacht werden, dass sich deren Grenz- schichten berühren, weil dann kein Raum zur Aus bildung einer Drehströmung mehr vorhanden ist. Aus- serdem sollten die Rippen aus der wärmeisolierenden Grenzschicht herausragen.
Der Drehkörper 9 kann, wie die obere Hälfte der Fig. 1 zeigt, die Wickelköpfe des Ständers umgreifende Verlängerungen 14 besitzen, um zwischen dem Wickelkopf 3 und der dem Lager schild abgewandten Seite dieser Verlängerung des Drehkörpers eine weitere, hier nicht dargestellte Dreh strömung anzuregen, und gleichzeitig den Umlauf raum zwischen Lagerschild und Drehkörper zu ver- grössern.
Der Drehkörper kann ferner mit Durchbrechungen 14a oder hier nicht dargestellten Schaufeln versehen sein. An der zylindrischen Mantelfläche des Dreh körpers sind achsparallele Rippen 15 angeordnet, durch die in dem Raum zwischen dem Körper 9 und den Wickelköpfen 3, der grösser als die Grenzschicht- dicken an diesen Teilen sein muss, eine kühlungs wirksame zylindrische Strömung nach Art einer Couette'schen Strömung entsteht. Unter einer Couette' schen Strömung versteht man eine Strömung zwischen einem ruhenden inneren und einem mit einer Winkel geschwindigkeit w um seine Achse gedrehten äusseren koaxialen Zylinder.
Der Durchdringungskörper 6 bzw. der Lagerschild ist an seiner Aussenseite ebenfalls mit einer Profilie rung, z. B. Rippen 10, versehen, die in gleicher Weise wie die Rippen an der Innenseite des Lagerschildes bei 16 bis in den Gehäusemantel der Maschine hinein ragen. An diesen Stellen können die Rippen auch durch Material guter Wärmeleitfähigkeit miteinander verbunden sein. Die Profile bzw. Durchdringungs- körper können z. B. aus Siluminguss hergestellt sein.
Ausserhalb des Gehäuses ist auf derselben Weise wärmeschlüssig ein weiterer mit Profilen und Rauhig- keiten 17 versehener Körper 18, z. B. eine Scheibe, angeordnet, die eine offene, hier nicht dargestellte Drehströmung und damit einen guten Wärmetransport zwischen der Aussenseite des Lagerschildes 4 und der Scheibe 17 bewirkt.
Die von der Scheibe 17 ange saugte warme Luft wird radial nach aussen abge- schleudert. Der Drehkörper 9 kann als Kurzschlussring für die Läuferwicklung dienen, so dass zwischen den Kup- fertsäben des Läufers und dem Drehkörper 9 bzw. der Scheibe ein guter Wärmeschluss hergestellt wird. Zu diesem Zweck sind die Läuferstäbe direkt bei 21 in den Körper eingelötet. Die Fig. 2 zeigt die Ausbildung der radialen Rip pen 10 mit tangentialen Anlaufflächen 19 und Ab laufflächen 20. Auf diesen an bzw.
Ablaufflächen sind vorzugsweise zusätzliche Rauhigkeiten 22 angebracht, um ein Aufreissen der wärmeisolierenden Grenz- schicht zu erzielen. Die Rippen selbst sind abgerundet, z. B. nach Art von Halbrundprofilen. Die Wirbelbil dung hinter der Rippe 10 bewirkt einen Wärme austausch von der Rippe an die diese bestreichende Aussenluft.
Wie Versuche bei einem handelsüblichen He bezeugmotor in werksnormaler Ausführung und einem Motor anderer Ausführung ergeben haben, wurde bei Anwendung des Gegenstandes der Erfindung im Schaltbetrieb bei gleicher Wärmebeaufschlagung eine Absenkung der Endtemperatur des Läufers um etwa 55% auf 63 C (52 C weniger als die Endtemperatur von 115 C bei einer Raumtemperatur von 20 C) erreicht. Dies bedeutet, dass die Umschalthäufigkeit bei gleicher Endtemperatur von 115 C um weit mehr als 100%, z. B. von 600 auf mehr als 1400 Schaltungen heraufgesetzt werden könnte.
Es wurde ferner durch Zerschlagen der Drehströmung mit Hilfe von im Gebiet der Mischströmung am Lagerschild angesetzten scharfkantigen Schrauben nachgewiesen, dass die wesentlichen Verbesserungen der Kühlung nicht etwa durch erhöhte Turbulenz in dem Raum zwischen dem Drehkörper 9 und dem Lagerschild 4, sondern durch die ausserordentlich guten Wärmetransporteigen- schaften der Drehströmung erzielt wurden.
Der we sentliche Vorteil der Erfindung besteht demnach darin, dass zwischen dem Körper und dem Lagerschild definierte Strömungsverhältnisse durch eine Zwangs- konvenktion erzwungen werden, die einen Wärme transport vom Körper zum Lagerschild und einen davon sauber getrennten Kühlmittelrückstrom vom Lagerschild zum Körper bewirken, so dass keine Durchmischung der aufgewärmten und gekühlten Kühlmittelströme die Kühlwirkung schmälert. Die Er findung ist:nicht auf elektrische Maschinen beschränkt, sondern kann überall dort Anwendung finden, wo ein Wärmetransport durch wärmeisolierende gasförmige Medien erfolgen soll.