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Dokumentenidentifikation DE4335848A1 27.04.1995
Titel Kühlanordnung für eine Wechselstrommaschine
Anmelder J.M. Voith GmbH, 89522 Heidenheim, DE
Erfinder Mühlberger, Uwe, 89522 Heidenheim, DE;
Wüst, Bernhard, Dr., 89522 Heidenheim, DE;
Müller, Robert, Dr., 89407 Dillingen, DE
Vertreter Popp, E., Dipl.-Ing.Dipl.-Wirtsch.-Ing.Dr.rer.pol.; Sajda, W., Dipl.-Phys.; Reinländer, C., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Bohnenberger, J., Dipl.-Ing.Dr.phil.nat., 80538 München; Bolte, E., Dipl.-Ing.; Möller, F., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 28209 Bremen
DE-Anmeldedatum 20.10.1993
DE-Aktenzeichen 4335848
Offenlegungstag 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse H02K 9/00
IPC-Nebenklasse H02K 21/02   
Zusammenfassung Es wird eine Kühlanordnung für eine Wechselstrommaschine, insbesondere eine Transversalflußmaschine angegeben, die einen Stator mit mindestens einer Ankerwicklung (10, 11) sowie einen der Ankerwicklung (10, 11) gegenüberliegenden Rotor (1-7) aufweist. Der Rotor hat dabei in Umfangsrichtung eine Vielzahl von polarisierten Magneten und magnetisierbaren Sammlerelementen in abwechselnder Folge in Sammlerringen (1-4). In axialer Richtung weist der Rotor eine an einer Rotorwelle (25) befestigbare Trägerscheibe (7) auf, an der die Sammlerringe (1-4) befestigt sind. Als Kühleinrichtung ist mindestens ein Kühlkanal (18, 20) vorgesehen, der in der Nähe der Trägerscheibe (87) in den Stator eingebaut ist und von einem Kühlfluid durchströmbar ist. Der Kühlkanal ist von der Trägerscheibe (7) nur durch eine Kanalabdeckung (33, 34) minimaler Dicke und den Luftspalt zwischen Rotor und Stator getrennt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine Wechselstrommaschine, insbesondere eine Transversalflußmaschine, mit einem Stator mit mindestens einer Ankerwicklung, mit einem der Ankerwicklung gegenüberliegenden Rotor, wobei der Rotor in Umfangsrichtung eine Vielzahl von polarisierten Magneten und magnetisierbaren Sammlerelementen in abwechselnder Folge in einer Ringanordnung von Sammlerringen aufweist und wobei der Rotor in axialer Richtung eine an einer Rotorwelle befestigbare Trägerscheibe aufweist, an der die jeweiligen Sammlerringe befestigt sind, und mit Kühleinrichtungen, die an den Stator angeschlossen sind.

Wechselstrommaschinen mit einem derartigen Aufbau sind in verschiedenen Bauformen bekannt, insbesondere auch als Transversalflußmaschinen. Insofern wird auf Konstruktionen verwiesen, die beispielsweise aus der DE 37 05 089 C2 bekannt sind.

Bei einer derartigen Maschine wird im Betrieb sowohl im Stator als auch im Rotor Wärme erzeugt, und zwar aufgrund der Verlustleistung, die in den Wicklungen und den Magnetkernen auftritt und die durch induzierte Wirbelströme und Kreisströme im Rotor erzeugt wird. Dabei sind vor allem Situationen kritisch, bei denen eine solche Maschine bei hoher Last und vor allem bei hoher Drehzahl arbeitet.

Dabei ist es grundsätzlich bekannt, den Stator an Kühleinrichtungen anzuschließen, um auf diese Weise eine Erwärmung der Maschine und ihrer Komponenten zu verringern. Dies ist jedoch aufgrund der räumlichen Zuordnung von Stator und Rotor sehr schwierig, da die gefährdeten Bereiche, insbesondere des Rotors, schwer zugänglich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für eine Wechselstrommaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die eine besonders wirkungsvolle Kühlung der Wechselstrommaschine, insbesondere ihres Rotors gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Kühleinrichtungen mindestens einen Kühlkanal aufweisen, der in der Nähe der Trägerscheibe in den Stator eingebaut ist und der von einem Kühlfluid durchströmbar ist, und daß jeder Kühlkanal von der Trägerscheibe nur durch eine Kanalabdeckung minimaler Dicke und den Luftspalt zwischen Rotor und Stator getrennt ist.

Auf diese Weise erfolgt eine wirksame Kühlung des Rotors insbesondere in seinem zentralen Bereich, der von der Außenseite schwer zugänglich ist und der dicht an den Stellen liegt, an denen die Wärme im Betrieb im Rotor erzeugt wird. Durch Vorgabe der Temperatur und des Durchsatzes eines Kühlfluides kann die Wärmeabführung ganz gezielt erfolgen.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß jeder Kühlkanal einen breitflächigen Querschnitt aufweist, derart, daß seine parallel zur Trägerscheibe verlaufenden Abmessungen sich über einen wesentlichen Bereich der gegenüberliegenden Trägerscheibe erstrecken. Auf diese Weise wird eine großflächige Abführung von Wärme von dem Rotor erreicht. Zugleich sorgen diese in den Stator selbst eingebauten Kühlkanäle natürlich auch für eine Kühlung des Stators selbst.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß mindestens ein Kühlkanal axial verläuft und in eine Distanzscheibe eingebaut ist, die zwischen einem Paar von Statorabschnitten vorgesehen ist, und daß die Distanzscheibe der Trägerscheibe radial gegenüberliegt und symmetrisch zu der Trägerscheibe angeordnet und gegenüber den Statorabschnitten thermisch isoliert ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine gezielte Kühlung der Trägerscheibe in dem Bereich erfolgt, in welchem sie an einen Sammlerring angrenzt, in welchem sonst unerwünschte Erwärmungen auftreten. Durch die thermische Isolierung wird sichergestellt, daß die Kühlung lokal begrenzt erfolgt und damit lokal besonders wirkungsvoll ist.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß die Distanzscheibe aus einem Material besteht, das magnetisch passiv ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, und daß die Distanzscheibe zu beiden Seiten des Kühlkanals im wesentlichen radial verlaufende, breiflächige Hohlräume aufweist, die eine thermische Isolierung gegenüber dem benachbarten Bereich des Stators bilden. Diese Maßnahmen dienen einer gezielten Lokalisierung der Kühlwirkung auf den Rotor.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß die Hohlräume mit Luft oder mit einem anderen Isoliermaterial gefüllt sind, wobei sowohl gasförmige, flüssige als auch feste Isoliermaterialien verwendbar sind, die eine thermische Abschirmung gegenüber den benachbarten Bereichen des Stators bilden.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß mindestens ein Kühlkanal in den Grundkörper des Stators eingebaut ist und in radialer Richtung verlaufend der Trägerscheibe gegenüberliegt. Auf diese Weise wird der großflächige, radial verlaufende Bereich der Trägerscheibe des Rotors zu Kühlzwecken genutzt.

Bei einer speziellen Bauform der Anordnung ist vorgesehen, daß dem jeweiligen Kühlkanal auf der der Trägerscheibe abgewendeten Seite ein Hohlraum zugeordnet ist, der in radialer Richtung verläuft und eine thermische Isolierung gegenüber dem benachbarten Bereich des Stators bildet. Damit kann auch an diesen Stellen eine gezielte Lokalisierung der Kühlwirkung auf die Trägerscheibe des Rotors erfolgen.

Bei einer speziellen Bauform der Anordnung ist vorgesehen, daß ein Paar von gegenüberliegenden, radial verlaufenden Kühlkanälen zu beiden Seiten der Trägerscheibe vorgesehen ist. Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine symmetrische Anordnung mit einer gleichmäßigen Kühlung des Rotors.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß die Trägerscheibe und die im Bereich der Kühlkanäle gegenüberliegenden Bereiche des Stators mit ineinandergreifenden komplementären Zähnen versehen sind, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Flächen haben und durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Auf diese Weise wird die wirksame Fläche zur Wärmeabführung erheblich vergrößert und damit die Kühlwirkung in vorteilhafter Weise unterstützt. Die Zähne können dabei rechteckigen, trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt haben. Wichtig ist lediglich, daß der Luftspalt zwischen ihnen hinreichend groß ist, um eine mechanische Berührung im Betrieb zuverlässig aus zuschließen.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Trägerscheibe aus einem magnetisch passiven, aber thermisch gut leitenden Material, insbesondere aus geeignetem Metall besteht. Dadurch wird die Abführung von Wärme von dem jeweiligen Sammlerring unterstützt, so daß die zugeordneten Kühlkanäle besonders wirkungsvoll arbeiten können.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß die Materialien der einander gegenüberliegenden Komponenten im Bereich der Kühlkanäle zur Erhöhung des Emissionsgrades oberflächenbehandelt sind. Damit wird der Wärmeübergang durch Strahlung in vorteilhafter Weise unterstützt.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß entweder anstatt der vorstehend beschriebenen Maßnahmen oder zusätzlich zu den angegebenen Maßnahmen ein Rotor mit spezieller Bauform verwendet wird, der sich dadurch auszeichnet, daß der Rotor, an der Trägerscheibe befestigt, mindestens ein Paar von Sammlerringen aufweist, die durch einen Isolierring aus magnetisch passivem und elektrisch nicht-leitendem Material verbunden sind, und daß in den Isolierring, in Umfangsrichtung verteilt, Speicherzellen eingearbeitet sind, die mit einem Phasenübergangsmaterial gefüllt sind, dessen Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt.

Die Menge eines derartigen Phasenübergangsmaterials wird dabei in Abhängigkeit von dem Ausmaß der im Betrieb auftretenden Belastungen gewählt. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, daß derartige Phasenübergangsmaterialien Wärmeenergie verbrauchen, um einen Phasenübergang von fest zu flüssig oder von flüssig zu gasförmig durchzuführen. Solange während des Phasenüberganges Energie aufgenommen wird, wird ein weiterer Temperaturanstieg verhindert, bis der Phasenübergang vollständig abgeschlossen ist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Phasenübergangsmaterial eine Übergangstemperatur hat, die unterhalb der kritischen Temperatur der Permanentmagneten liegt, die in den Sammlerringen angeordnet sind. Auf diese Weise wird vermieden, daß die kritische Temperatur der Permanentmagneten überschritten wird und Beschädigungen der Permanentmagneten hervorgerufen werden. Auch läßt sich auf diese Weise vermeiden, daß Permanentmagneten mit besonders hohen kritischen Temperaturen verwendet werden müssen, was sich in vorteilhafter Weise auf die Kosten der Anordnung auswirkt.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß das verwendete Phasenübergangsmaterial sowohl elektrisch als auch magnetisch passiv ist. Auf diese Weise wird das elektrische und magnetische Verhalten des Rotors nicht nachteilig beeinflußt.

Bei einer speziellen Bauform der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß das Phasenübergangsmaterial aus Schwefel oder Jod besteht. Diese haben Phasenübergangstemperaturen, die ausreichend niedrig sind für die derzeit häufig verwendeten Permanentmagneten aus NdFeB. Es ist dann nicht erforderlich, Permanentmagneten mit höheren Grenztemperaturen zu verwenden, wie beispielsweise solche aus SmCo.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß im Grundkörper des Stators an den axialen Stirnseiten und/oder an den radialen Außenseiten zusätzliche Kühlkanäle eingebaut sind, die von einem Kühlfluid durchströmbar sind. Diese zusätzlichen Kühlkanäle tragen in vorteilhafter Weise dazu bei, nicht nur den Stator zu kühlen, sondern auch eine indirekte Kühlwirkung auf die benachbarten Bereiche des Rotors auszuüben.

Bei derartigen Anordnungen gemäß der Erfindung können die jeweiligen Kühlkanäle in einfacher Weise axial oder radial herausgeführt und an entsprechende Versorgungseinrichtungen für Kühlfluid angeschlossen werden.

Die Verwendung von Phasenübergangsmaterial in den entsprechenden Speicherzellen des Rotors bietet in vorteilhafter Weise eine Pufferwirkung, die insbesondere geeignet ist, hohe thermische Belastungen des Rotors auszugleichen, die nur kurzzeitig und in relativ langen zeitlichen Abständen auftreten. Die Phasenübergangsmaterialien ermöglichen es, zum Zwecke der Pufferung der Spitzenbelastungen ihre Schmelz- oder Verdampfungsenthalpie zu nutzen. Diese Phasenübergangsmaterialien werden so gewählt, daß ihr Schmelzpunkt oder Siedepunkt etwas unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt, die sich einerseits aus der kritischen Temperatur der Magneten sowie dem sich einstellenden Temperaturgefälle zwischen dem Sammlerring mit den Magneten einerseits und den Speicherzellen andererseits berechnen läßt.

Wenn die Temperatur der Sammlerringe und der Magneten infolge einer thermischen (Spitzen-)belastung bis zur vorgegebenen Temperatur ansteigt, so erreicht das in den Speicherzellen eingeschlossene Material seinen Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt. Durch die bei dem einsetzenden Phasenübergang von fest zu flüssig bzw. von flüssig zu gasförmig aufgenommene Energie wird der weitere Temperaturanstieg verhindert, bis der Phasenübergang vollständig abgeschlossen ist. In der anschließenden Periode einer geringeren thermischen Belastung des Rotors wird den Speicherzellen diese aufgenommene Energie dann wieder entzogen, so daß der Übergang zurück in die feste bzw. in die flüssige Phase stattfinden kann.

Diese Phasenübergänge können beliebig oft in der einen und der anderen Richtung stattfinden. Wichtig ist lediglich, daß aufgrund der Menge des verwendeten Materials einerseits und der vorgegebenen Phasenübergangstemperatur andererseits eine ausreichende Pufferwirkung im Betrieb sichergestellt ist.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Wechselstrommaschine mit Kühlanordnung;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt einer derartigen Wechselstrommaschine zur Erläuterung einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlanordnung;

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Wechselstrommaschine zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlanordnung;

Fig. 4 einen schematischen Teillängsschnitt durch einen Rotor für eine Wechselstrommaschine zur Erläuterung einer speziellen Bauform einer Kühlanordnung; und in

Fig. 5 einen Schnitt durch die Kühlanordnung gemäß Fig. 4 längs der Linie A-A in Fig. 4.

Im folgenden soll zunächst der Aufbau einer Wechselstrommaschine der hier interessierenden Art anhand von Fig. 1 erläutert werden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein Stator einen Grundkörper 35 auf, in welchem in Umfangsrichtung verlaufende, radial äußere und innere Ankerwicklungen 10 und 11 untergebracht sind. Diese sind von axial verlaufenden Magnetkernen umgeben, insbesondere von Schnittbandkernen, die den magnetischen Fluß führen. Der Grundkörper 35 besteht aus magnetisch passivem Material, die Befestigung der Ankerwicklungen 10 und 11 sowie der Magnetkerne 36 und 37 erfolgt in geeigneter Weise, beispielsweise unter Verwendung einer schematisch angedeuteten Vergußmasse 14.

An den axialen Stirnseiten des Stators erkennt man schematisch angedeutete Kühlkanäle 15 und 16, die auf der Außenseite mit einer Abdeckung 23 abgeschlossen sind. Diese Kühlkanäle sind in nicht dargestellter Weise aus einer äußeren Abschirmung 27 herausgeführt und an eine Versorgung für Kühlfluid angeschlossen, das mit geeignetem Durchsatz und entsprechender Vorlauftemperatur zugeführt wird.

Der Stator umgibt einen Rotor, der in Umfangsrichtung eine Vielzahl von polarisierten Magneten und magnetisierbaren Sammlerelementen in abwechselnder Folge in einer Ringanordnung von Sammlerringen 1 und 2 sowie 3 und 4 aufweist, die bei der dargestellten Ausführungsform zu beiden Seiten einer radial verlaufenden Trägerscheibe 7 vorgesehen sind. Die Trägerscheibe 7 ist mit einer schematisch angedeuteten Befestigung 26 an einer Rotorwelle 25 befestigt, wobei die Rotorwelle 25 mit Lageranordnungen 24 am Grundkörper 35 des Stators abgestützt ist und für eine Drehung um die Rotorachse 30 ausgelegt ist.

Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Rotor zu beiden Seiten der Trägerscheibe 7 ein Paar von Sammlerringen 1 und 2 bzw. 3 und 4 auf, die mit einem Isolierring 5 bzw. 6 verbunden sind, der aus magnetisch passivem und elektrisch nicht-leitendem Material besteht, vorzugsweise aus Kunststoff. Der Rotor ist stirnseitig mit Endringen 8 und 9 abgeschlossen, die ebenso wie die Trägerscheibe 7 selbst aus magnetisch passiven Werkstoffen bestehen.

Bei einer derartigen Anordnung gemäß Fig. 1 werden im Betrieb Wirbelströme und Kreisströme in dem Rotor induziert, so daß der Rotor erwärmt wird. Dabei sind Situationen bei hoher Last und insbesondere bei hoher Drehzahl kritisch. Der Stator wird zwar über die Kühlkanäle 15 und 16 mit einem Kühlfluid gekühlt, so daß die Erwärmung des Stators ausreichend unterbunden wird. Die Kühlung des Rotors kann aber nur indirekt erfolgen, nämlich über die Bereiche des Grundkörpers, die dem Rotor gegenüberliegen, im wesentlichen also im Bereich der stirnseitigen Endringe 8 und 9.

Die meiste Wärme wird jedoch im Bereich der Sammlerringe 3 und 4 sowie 1 und 2 erzeugt, die von den Kühlkanälen 15 und 16 weit entfernt sind. Die Wärmeabführung von den Sammlerringen 2 und 3 zu den axial außenliegenden Sammlerringen 1 und 4 wird dadurch erschwert, daß die Isolierringe 5 und 6 zwangsläufig aus thermisch schlecht leitendem Material bestehen. Es ist jedoch aus physikalischen Gründen nicht möglich, diese Isolierringe 5 und 6 durch gut wärmeleitende Materialien zu ersetzen, da diese in der Regel auch elektrisch leitend sind und damit die Funktionstüchtigkeit der Maschine beeinträchtigen würden. Ferner besteht ein schlechter Wärmeübergang (Konvektion) in dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator.

Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ist in Fig. 2 dargestellt, die in einem Ausschnitt die wesentlichen Elemente der Anordnung zeigt. Dabei sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.

Man erkennt auf der radial außenliegenden Seite des Rotors zwischen zwei Hälften des Stators eine Distanzscheibe 17, die mit Vergußmasse 14 am Grundkörper 35 befestigt ist. Diese Distanzscheibe 17 hat in ihrem radial innenliegenden Bereich einen breitflächig ausgebildeten Kühlkanal 18, der nur durch die dünne Wandstärke einer Kanalabdeckung 33 von dem gegenüberliegenden Bereich der Trägerscheibe 7 getrennt ist. Auf diese Weise kann praktisch über die gesamte axiale Breite der Distanzscheibe 17 und längs des gesamten Umfanges um die Trägerscheibe 7 herum eine Wärmeabführung von dem Rotor weg erfolgen. Die Trägerscheibe 7 des Rotors besteht zweckmäßigerweise aus thermisch gut leitendem, aber magnetisch passivem Material, z. B. geeigneten Metallen. Auf diese Weise kann in den Sammlerringen 2 und 3 im Betrieb erzeugte Wärme wirksam abgeführt werden durch ein Kühlfluid, das in dem Kühlkanal 18 strömt.

Bei einer speziellen Bauform kann es zweckmäßig sein, wie in Fig. 2 dargestellt, diesen Kühlkanal 18 in axialer Richtung gegenüber den angrenzenden Bereichen des Stators thermisch zu isolieren. Zu diesem Zweck sind im wesentlichen in radialer Richtung verlaufende, breitflächige Hohlräume vorgesehen, die eine thermische Isolierung 19 gegenüber den benachbarten Bereichen des Stators bilden. Diese Hohlräume können entweder mit Luft gefüllt sein, oder aber ein anderes Isoliermaterial in gasförmiger, flüssiger oder fester Form enthalten. Auf diese Weise wird eine lokal gezielte Kühlwirkung auf den gegenüberliegenden Bereich des Rotors ausgeübt.

Fig. 3 zeigt eine andere spezielle Bauform der Kühlanordnung, die in ihrem Aufbau weitgehend der Ausführungsform gemäß Fig. 1 entspricht. Im folgenden soll daher lediglich auf die unterschiedliche Ausgestaltung eingegangen werden.

Alternativ oder zusätzlich zu dem Kühlkanal 18 gemäß Fig. 2 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ein radial verlaufender, breitflächig ausgebildeter Kühlkanal 20 vorgesehen, der einem entsprechenden Bereich der Trägerscheibe 7 des Rotors gegenüberliegt. An dieser Stelle kann die gesamte Materialhöhe des Grundkörpers 35 zwischen Rotorwelle 25 und dem Magnetkern genutzt werden, die der Trägerscheibe 7 gegenüberliegt. Selbstverständlich können derartige Kühlkanäle 20 auch zu beiden Seiten der Trägerscheibe 7 vorgesehen sein, wobei sie nur durch eine Kanalabdeckung 34 minimaler Dicke von dem Luftspalt getrennt sind, der zwischen Stator und Rotor vorgesehen ist.

Weiterhin kann ein derartiger Kühlkanal 20 in nicht dargestellter Weise in axialer Richtung gegenüber dem Grundkörper 35 isoliert sein, beispielsweise durch das Vorsehen einer thermischen Isolierung, die der thermischen Isolierung 19 im Bereich der Distanzscheibe 17 entspricht, wenn eine lokal gezielte Kühlwirkung auf die Trägerscheibe 7 ausgeübt werden soll.

Zusätzlich kann die Kühlung im Bereich des jeweiligen Kühlkanals 20 dadurch unterstützt werden, daß die Trägerscheibe 7 einerseits und der Grundkörper 35 andererseits komplementäre, ineinandergreifende Zähne 29 und 31 aufweisen, die einander berührungslos zugeordnet und jederzeit durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Auf diese Weise wird eine besonders großflächige Kühlwirkung im Bereich der Kühlkanäle 20 erzielt.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann eine derartige Anordnung von komplementären, ineinandergreifenden Zähnen auch im Bereich der Distanzscheibe 17 vorgesehen sein, die der Trägerscheibe 7 gegenüberliegt. In diesem Falle würde der Kühlkanal 18 radial weiter nach außen verlegt sein, um die Unterbringung von derartigen Zähnen zu ermöglichen.

Eine spezielle Bauform eines Rotors für eine derartige Wechselstrommaschine ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt dabei schematisch einen Teillängsschnitt durch den Rotor, während Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 4 zeigt.

Man erkennt an der Trägerscheibe 7 zwei Sammlerringe 1 und 2, die durch einen Isolierring 5 voneinander getrennt, aber mechanisch verbunden sind. Dieser Isolierring 5 enthält, wie in Fig. 5 dargestellt, eine Vielzahl von Speicherzellen 21, die über den Umfang des Isolierringes 5 verteilt angeordnet sind. Diese Speicherzellen 21 enthalten ein Phasenübergangsmaterial, dessen Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt. In der Praxis wird diese vorgegebene Temperatur zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie unterhalb der kritischen Temperatur der Permanentmagneten liegt, die in die Sammlerringe eingebettet sind. Diese Phasenübergangsmaterialien sind so gewählt, daß sie für den gegebenen Zweck elektrisch und magnetisch passiv sind, um die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Rotors in keiner Weise zu beeinträchtigen. Für spezielle Zwecke sind beispielsweise Schwefel oder Jod geeignet, deren Phasenübergangstemperatur in einer geeigneten Größenordnung liegt, um Permanentmagneten aus derzeit häufig verwendeten Materialien, beispielsweise NdFeB zu puffern. Die Wirkungsweise dieser Phasenübergangsmaterialien wurde bereits eingangs im einzelnen erläutert.

Wenn in Fig. 4 nur ein derartiger Isolierring 5 mit solchen Speicherzellen 21 dargestellt ist, so ist die Anordnung keinesfalls auf einen derartigen Isolierring mit Phasenübergangsmaterialien beschränkt. Zweckmäßigerweise wird man eine symmetrische Anordnung verwenden, wobei die jeweiligen Isolierringe 5 und 6 entsprechend ausgebildet und mit Phasenübergangsmaterialien in den Speicherzellen 21 gefüllt sind.

Auch ist es selbstverständlich möglich, eine derartige Anordnung dahingehend abzuwandeln, daß eine größere Anzahl von Sammlerringen und Isolierringen vorgesehen ist, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind.

Die Bauform des Rotors gemäß den Fig. 4 und 5 eignet sich insbesondere, um kurzzeitig auftretende thermische Belastungen des Rotors auszugleichen. Bei entsprechender Dimensionierung der Isolierringe mit den mit Phasenübergangsmaterial gefüllten Speicherzellen 21 können solche Bauformen aber auch für Dauerbelastungen eingesetzt werden, wenn eine ausreichende Menge von Phasenübergangsmaterial eingebaut werden kann. Die übrigen Kühlungseinrichtungen können dann etwas kleiner dimensioniert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Kühlanordnung für eine Wechselstrommaschine, insbesondere eine Transversalflußmaschine, mit einem Stator mit mindestens einer Ankerwicklung (10, 11), mit einem der Ankerwicklung (10, 11) gegenüberliegenden Rotor (1-7), wobei der Rotor (1-7) in Umfangsrichtung eine Vielzahl von polarisierten Magneten und magnetisierbaren Sammlerelementen in abwechselnder Folge in einer Ringanordnung von Sammlerringen (1-4) aufweist und wobei der Rotor (1-7) in axialer Richtung eine an einer Rotorwelle (25) befestigbare Trägerscheibe (7) aufweist, an der die jeweiligen Sammlerringe (1-4) befestigt sind, und mit Kühleinrichtungen, die an den Stator angeschlossen sind,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die Kühleinrichtungen mindestens einen Kühlkanal (18, 20) aufweisen, der in der Nähe der Trägerscheibe (7) in den Stator eingebaut ist und der von einem Kühlfluid durchströmbar ist,

    und daß jeder Kühlkanal (18, 20) von der Trägerscheibe (7) nur durch eine Kanalabdeckung (33, 34) minimaler Dicke und den Luftspalt zwischen Rotor und Stator getrennt ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kühlkanal (18, 20) einen breitflächigen Querschnitt aufweist, derart, daß seine parallel zur Trägerscheibe (7) verlaufenden Abmessungen sich über einen wesentlichen Bereich der gegenüberliegenden Trägerscheibe (7) erstrecken.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß mindestens ein Kühlkanal (18) axial verläuft und in eine Distanzscheibe (17) eingebaut ist, die zwischen einem Paar von Statorabschnitten vorgesehen ist,

    und daß die Distanzscheibe (17) der Trägerscheibe (7) radial gegenüberliegt und symmetrisch zu der Trägerscheibe (7) angeordnet und gegenüber den Statorabschnitten thermisch isoliert ist.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die Distanzscheibe (17) aus einem Material besteht, das magnetisch passiv ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt,

    und daß die Distanzscheibe (17) zu beiden Seiten des Kühlkanals (18) im wesentlichen radial verlaufende, breitflächige Hohlräume aufweist, die eine thermische Isolierung (19) gegenüber dem benachbarten Bereich des Stators bilden.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume mit Luft oder mit einem anderen Isoliermaterial gefüllt sind.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kühlkanal (20) in den Grundkörper des Stators eingebaut ist und in radialer Richtung verlaufend der Trägerscheibe (7) gegenüberliegt.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem jeweiligen Kühlkanal (20) auf der der Trägerscheibe (7) abgewendeten Seite ein Hohlraum zugeordnet ist, der in radialer Richtung verläuft und eine thermische Isolierung gegenüber dem benachbarten Bereich des Stators bildet.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von gegenüberliegenden, radial verlaufenden Kühlkanälen (20) zu beiden Seiten der Trägerscheibe (7) vorgesehen ist.
  9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe (7) und die im Bereich der Kühlkanäle (18, 20) gegenüberliegenden Bereiche des Stators mit ineinandergreifenden komplementären Zähnen (29, 31) versehen sind, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Flächen haben und durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind.
  10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe (7) aus einem magnetisch passiven, aber thermisch gut leitenden Material, insbesondere aus Metall besteht.
  11. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien der einander gegenüberliegenden Komponenten im Bereich der Kühlkanäle (18, 20) zur Erhöhung des Emissionsgrades oberflächenbehandelt sind.
  12. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Rotor, an der Trägerscheibe (7) befestigt, mindestens ein Paar von Sammlerringen (1, 2; 3, 4) aufweist, die durch einen Isolierring (5, 6) aus magnetisch passivem und elektrisch nicht-leitendem Material verbunden sind,

    und daß in den Isolierring (5, 6), in Umfangsrichtung verteilt, Speicherzellen (21) eingearbeitet sind, die mit einem Phasenübergangsmaterial gefüllt sind, dessen Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt.
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenübergangsmaterial eine Übergangstemperatur hat, die unterhalb der kritischen Temperatur der Permanentmagneten liegt.
  14. 14. Kühlanordnung für eine Wechselstrommaschine, insbesondere eine Transversalflußmaschine, mit einem Stator mit mindestens einer Ankerwicklung (10, 11), mit einem der Ankerwicklung (10, 11) gegenüberliegenden Rotor (1-7), wobei der Rotor (1-7) in Umfangsrichtung eine Vielzahl von polarisierten Magneten und magnetisierbaren Sammlerelementen in abwechselnder Folge in einer Ringanordnung von Sammlerringen (1-4) aufweist und wobei der Rotor (1-7) in axialer Richtung eine an einer Rotorwelle (25) befestigbare Trägerscheibe (7) aufweist, an der die jeweiligen Sammlerringe (1-4) befestigt sind, und mit Kühleinrichtungen, die an den Stator angeschlossen sind,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Rotor, an der Trägerscheibe (7) befestigt, mindestens ein Paar von Sammlerringen (1, 2; 3, 4) aufweist, die durch einen Isolierring (5, 6) aus magnetisch passivem und elektrisch nicht-leitendem Material verbunden sind,

    und daß in den Isolierring (5, 6), in Umfangsrichtung verteilt, Speicherzellen (21) eingearbeitet sind, die mit einem Phasenübergangsmaterial gefüllt sind, dessen Schmelzpunkt bzw. Siedepunkt unterhalb einer vorgegebenen Temperatur liegt.
  15. 15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenübergangsmaterial eine Übergangstemperatur hat, die unterhalb der kritischen Temperatur der Permanentmagneten liegt.
  16. 16. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenübergangsmaterial elektrisch und magnetisch passiv ist.
  17. 17. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenübergangsmaterial aus Schwefel oder Jod besteht.
  18. 18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundkörper des Stators an den axialen Stirnseiten und/oder an den radialen Außenseiten zusätzliche Kühlkanäle (15, 16) eingebaut sind, die von einem Kühlfluid durchströmbar sind.






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