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Dokumentenidentifikation DE10204511A1 07.08.2003
Titel Elektromotoren-Stator-Spulenkühlung
Anmelder König, Heinrich, Dipl.-Ing. (FH), 79809 Weilheim, DE
Erfinder Schmalfuß, Udo, Dipl.-Ing. (FH), 88097 Eriskirch, DE;
König, Heinrich, Dipl.-Ing. (FH), 79809 Weilheim, DE
DE-Anmeldedatum 05.02.2002
DE-Aktenzeichen 10204511
Offenlegungstag 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse H02K 9/00

Beschreibung[de]

Elektromotoren entwickeln sich fort in Richtung Hochleistungsmotoren hoher Energiedichte gespeist mit Hochspannung hoher Frequenz.

Die in diesen Arbeitsmaschinen auftretenden Verluste führen in Rotor und Stator zu hohen Temperaturen im Bereich von 160°C. Diese Wärme ist aus dem Stator, aus den Wicklungen verläßlich und schnell abzuführen, um weitere Leistungssteigerungen zu ermöglichen.

Wärme aus den Spulen, besonders aus den Wickelköpfen, wird durch die umgebende - auch bewegte Luft - abgeführt, mit der die Wärme direkt aus dem Motorinnern abtransportiert wird (abhängig von der Bauweise, hier offene Bauweise). Der Motor wird also durchlüftet.

Bei geschlossener Bauweise des Motors gibt die Gehäuseinnenluft die aufgenommene Wärme an die umgebenden Gehäusebauteile ab, die wiederum die Wärme an die umgebende Außenluft abgeben. Vielfach sind diese Motoren dann mit einer Fremd- oder Eigenbelüftung ausgestattet, die als Oberflächenkühlung bekannt ist.

Die in den Wicklungssträngen entstehende Wärme geht in die Statorblechpakete über. Bekannt sind Nuten und Löcher in den Statorblechen, die auch teilweise luftdurchflutet sind, und Wärme abführen.

Ein anderer Teil der Wärme in den Spulensträngen fließt über das Statorblechpaket direkt in das umgebende Gehäuse, das seinerseits, wie schon beschrieben, die Wärme an die Außenluft abgibt. Bekannt sind Motorbelüftungen mit Druckluft und Prozessgas auch unter hohem Druck, sowie wassergekühlte Motorgehäuse.

Allen diesen technischen Lösungen ist gemeinsam, dass die entstandene Wärme nicht oder wenigstens nahestmöglich am Ort/Punkt und Zeitpunkt ihres Entstehens vom Kühlmedium aufgenommen wird und umgehend abtransportiert wird. Die Wärmeabfuhr in allen diesen Fällen, bezogen auf den Ort des Entstehens der Wärme, ist als indirekt zu bezeichnen. Die Wärme muss direkt abgeführt werden. Das ist der Kern der zu lösenden technischen Aufgabe.

Zu lösende Aufgabe

Technisch realisierbares Konzept zur Direktkühlung der Spulen in Elektromotoren mit gasförmigen und/oder flüssigen Kühlmedien, wobei die entstehende Wärme möglichst direkt am Ort/Punkt und zum Zeitpunkt ihres Entstehens vom Kühlmedium aufgenommen und abtransportiert wird, und möglichst aus dem Innern des Motors heraus befördert wird.

Lösung der Aufgabe

Gemäß Bild 1 wird durch die ganze Spulenlänge, auch durch die Wickelköpfe hindurch ein Rohr aus gut wärmeleitendem Material zwischen die Spulendrähte eingelegt. Aussen ist dieses Rohr elektrisch ausreichend isoliert mit Material hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit.

Ein solches Rohr ist durch jeden Spulenstrang gelegt. In einem Stator mit 48 Nuten sind also auch 48 Rohre verlegt. Bei ausreichend großen Nuten können auch 2 oder mehr Rohre je Nut eingebaut sein.

Bei gasförmig durchströmten Motoren wird von einer Lagerseite zur anderen dieses Gas auch durch diese in den Spulensträngen eingebauten Rohre fließen, und Wärme abführen. Das gut wärmeleitende Rohrmaterial befördert durch seine Wärmeleitung auch die Wärme axial nach außen. Über den Wickelkopf hinausstehende Rohrenden geben die Wärme an das umgebende, im Motorinnern befindliche Gas (Luft) ab.

Zweckmäßig besteht dieses Rohr aus gut wärmeleitendem Material z. B. Aluminium oder Kupfer.

Um eine galvanische Verbindung mit den umgebenden Einzeldrähten der Wicklung zu vermeiden (Korrosion), haben elektrisch leitende Rohrwerkstoffe eine entsprechende Isolation gemäß den angelegten elektrischen Spannungen.

Das metallische Rohr ist besonders dann eingesetzt, wenn, wie in Hochleistungsmotoren ein Gehäuseinnendruck gegeben ist, der einen Schlauch, gleich welchen Materials, zusammendrückt.

Damit ist auch die nächste technische Lösung der gestellten Aufgabe genannt. Das eingelegte Rohr besteht aus einem synthetischen technischen Material (PTFE, PU o. a.). Verwendet sind Rohre geringer Wandstärke. Der zu Metallen vergleichsweise schlechter Wärmedurchgang stört den Wärmeaustausch nicht wesentlich, oder ist vernachlässigbar.

Gemäß Bild 2 sind die in die Spulen eingelegten Kühlrohre verlängert und führen in einen Ringverteiler, der, um beim Beispiel eines Stators mit 48 Nuten zu bleiben, den Strom des kühlenden Mediums aufteilt in eben diese 48 Kühlrohre.

Auf der Gegenseite sammelt ein ebensolcher Ringverteiler - korrekter Ringsammler - das Kühlmedium, um die Wärme konzentriert abzuführen.

Die Ringverteiler können innerhalb oder außerhalb des Motorgehäuses angeordnet sein.

Sind die Ringverteiler außerhalb angeordnet, dann müssen die 48 Rohre des gewählten Beispiels jeweils in das Motorinnere hinein- und herausgeführt werden. Bei Motoren mit Gehäuseinnendruck errechnen sind daraus 96 Dichtstellen. Das ist gleichbedeutend mit einem Funktionsrisiko des gesamten Motors.

Von Fall zu Fall ist demnach die geeignete Bauweise zu wählen.

Gemäß Bild 3 sind die Einzelrohre durch die Trennung zwischen Statorgehäuse und Lagerschild des Elektromotors geführt, gemäß den Regeln der Technik gegen Gehäuseschluß isoliert. Diese Isolation ist auch gleichzeitig Dichtung.

Diese Art des Herausführens der Kühlrohre vereinfacht die Montage des Motors erheblich im Vergleich zu der Methode des Herausführens nach Bild 2.

Nach Bild 3 sind die Rohre auf einer Seite zum Durchführen durch die Trennung abgewinkelt. Die Enden der zweiten Seite werden nach dem Einlegen in die Nut manuell mit Montagewerkzeug abgewinkelt (Bild 4).

In oder unmittelbar nach der Rohrdurchführung kann anstelle metallischen Rohres, das isolierend beschichtet ist, solches aus synthetischem Material zum Fortführen der Leitung verwendet werden. Das gilt auch für die verwendeten Rohrverbinder (z. B. Rohrverschraubungen).

Diese direkte Spulenkühlung ist besonders vorteilhaft bei Unterdruck im Innern des Motors. Es fehlt das zum Wärmetransport gasförmige Medium, also Motorinnenluft oder Gas.

Der Einbau eines Kühlrohres in den Spulenstrang reduziert den verfügbaren Querschnitt für die Drähte der Wicklung. Das ist sicherlich zunächst mit einem Leistungsverlust verbunden. Dies ist auszugleichen durch ein entsprechend längeres aktives Blechpaket, aber auch durch geringeren Zahnquerschnitt zugunsten des Nutquerschnittes.

Im Großmaschinenbau, bei dem die einzelnen Leiter große Querschnitte besitzen, kann dieser als Rohr für das Kühlmedium fungieren. Dabei ist genützt, dass die Ströme vorwiegend in den äußeren Schichten eines Leiters fließen und weniger in dessen Zentrum. Das ist zugleich mit einer spürbaren Verringerung der einzubauenden Kupfermenge verbunden. Dies ist also die direkteste Form der Kühlung eines Spulenstranges.

Als Sonderform der Wicklungskühlung ist das Kühlen der Wickelköpfe zu lösen. Hier ist ein Rohrwendel eingesetzt mit regelmäßiger Steigung, das zwischen Statorblechpaket und Wickelkopf hindurchgeführt und um diesen geschlungen durch die nächste oder weitere Spulenstranglücke geführt ist. Vorteilhaft sind Rohre aus synthetischem Material geringer Wanddicke, die enge Biegeradien dauerhaft ermöglichen.

Dieser Rohrwendel um den Wickelkopf kann enganliegend ausgeführt sein, erreicht aber wegen des geringen direkten Kontaktes infolge der unregelmässigen Form des Wickelkopfes keine besondere Wirkung.

Ökonomische Vorteile

Nach dem Stand der Technik funktionieren Elektromotoren mit einem Wirkungsgrad. Ein Teil der aufgenommenen Energie wird umgewandelt in Wärme. Diese Wärme muss abgeführt werden, um Maschinen mit hoher Leistungsdichte mit den gegebenen Materialien zu realisieren. Mit dem Abführen der Wärme unter Ausschluß der Fließdrägheit im umgebenden Material der Bauteile wird es möglich, diese Maschinen mit höherer Leistungsdichte herzustellen. Reduziert ist damit auch die Gefahr von Wicklungsschäden in Folge überhöhter Temperatur mit Motorausfall als Folge. Erläuterung der Kennziffern in den Bildern 1 Statorblechpaket

2 Spulenstrang

3 Wickelkopf

4 Kühlrohr

5 Lagerdeckel/Lagerschild

6 Lagerdeckel/Lagerschild

7 Raum mit Unterdruck

8 Unterdruckerzeuger

9 Unterdruckgehäuse

10 Verteiler Kühlmedium, zeichnerisch gestreckt

11 Sammler Kühlmedium, zeichnerisch gestreckt

12 Druckgehäuse

13 Kühlmediumverteiler

14 Kühlmediumsammler innen

15 Kühlmediumsammler aussen

16 Statorgehäuse


Anspruch[de]
  1. 1. Kühlrohrstücke, eingelegt in jeden Strang einer Wicklungsspule eines Elektromotors über die gesamte Nutenlänge oder länger mit offenem Querschnitt.
  2. 2. Der oder die elektrischen Leiter der Spule sind als Rohr ausgeführt und von Kühlmedium durchflossen.
  3. 3. Kühlrohre, aus einem Verteiler kommend und in einem Sammler mündend, eingelegt in die Wicklungsstränge einer Statorwicklung.
  4. 4. Gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Verteiler und Sammler innerhalb oder außerhalb des Motors angeordnet sind.
  5. 5. Kühlrohre gemäß Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre jeder Nut einzeln durch die Lagerschilde geführt sind, oder Verteiler und Sammler konstruktiver Bestandteil des Statorgehäuses oder der Lagerschilder sind.
  6. 6. Kühlrohrdurchführung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung zwischen Kühlrohr und Lagerschild vorhandenen Innendruck dichtet, Schwingungen dämpft und elektrisch isoliert. Jede dieser Funktionen gilt jeweils einzeln oder zusammen.
  7. 7. Kühlrohre gemäß Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch die Trennung zwischen Statorgehäuse und Lagerschild geführt sind, gelagert in einer Dichtung mit den Funktionen gemäß Anspruch 6.
  8. 8. Kühlrohre gemäß Anspruch 5, wobei diese durch das Statorgehäuse geführt sind, mit Lagerung und Dichtung gemäß Anspruch 6.
  9. 9. Wicklungskühlung gestaltet als gewendeltes Rohr (Spirale) das mit regelmäßiger Steigung um die Wickelköpfe geschlungen ist mit Herausführungen gemäß Ansprüchen 6 und 7.
  10. 10. Wicklungskühlung gestaltet aus den Ansprüchen 1-9 gemäß den zu realisierenden technischen Ansprüchen.






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