Luftgekühlte dynamoelektrische rotatorische Asynchronmaschine Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte dynamoelektrische rotatorische Asynchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor, die jeweils axial geschichtete Bleche aufweisen und so ein Blechpaket bilden, einem mehrphasigen Wicklungssystem das zumindest im Stator in Nuten des Blechpakets angeordnet ist und an den Stirnseiten der Blechpakete jeweils einen Wickelkopf ausbildet, wobei das Wicklungssystem aus Spulen oder Stäben aufgebaut ist und die zwischen den Spulen bzw. Stäben Elemente zur Phasentrennung aufweisen. Die Wicklungssysteme in den dynamoelektrischen Maschinen bilden an den Stirnseiten der Blechpakete, insbesondere des Stators, Wickelköpfe aus, die im Wesentlichen eine Richtungsumkehr einer oder mehrerer Spulen oder Stäbe darstellen, wobei deren Hinleiter aus einer Nut kommt und deren Rückleiter in eine andere Nut eingelegt ist.

Diese Wickelköpfe sind vor allem bei leistungsfähigen elektrischen Maschinen äußerst kompakt und damit nahezu undurchlässig für die jeweiligen Kühlmedien, so dass im Inneren der Wickelköpfe mangels ausreichenden Wärmeabtransport eine gegenüber einer mittleren Wicklungstemperatur wesentlich höhere Temperatur herrscht. Diese lokalen Heißpunkte werden auch als sogenannte Hot Spots bezeichnet. Um jedoch die Kräfte innerhalb der Wickelköpfe, die in Betriebsfall der dynamoelektrischen Maschine auftreten, zu beherrschen, seien es Kräfte aufgrund des Betriebsstromes im Kurzschlussfall oder aufgrund von Fliehkräften in denen der Wickelkopf im Rotor ausgesetzt ist, sind eine Versteifung und eine Verspannung der Wickelköpfe notwendig.

Durch eine dementsprechende Verspannung des Wickelkopfes kann eine dementsprechende Kühlmittelzufuhr nur sehr begrenzt stattfinden. Dies führt zu einer lokalen Temperaturerhöhung im Inneren des Wickelkopfes und erhöht zusätzlich auch den ohmschen Widerstand in diesem Abschnitt der Spule oder des Stators, was zu einer zusätzlichen Erwärmung der Wicklungsan- Ordnung führt . Temperaturüberwachungseinrichtungen sprechen deshalb bereits bei unzulässigen Werten an, obwohl die mittlere Wicklungserwärmung noch in weit zulässigen Grenzen liegt. Die Folge davon ist, dass die dynamoelektrische Maschine eine Leistungsreduzierung erfährt.

Des Weiteren soll grundsätzlich durch eine effiziente Kühlung auch die Isolation eines Wicklungssystems der dynamoelektrischen Maschine geschützt werden und außerdem eine maximale Schmiermitteltemperatur der Lager eingehalten werden. Durch eine derartige Kühlung wird die in der elektrischen Maschine entstehenden Wärmeverluste abgeführt. Je wirkungsvoller sich die Wärmeabfuhr aus der dynamoelektrischen Maschine gestaltet, desto kleiner bzw. kompakter kann die dynamoelektrische Maschine bei gleicher Leistungsabgabe ausgeführt werden.

In einem Wickelkopf befinden sich somit elektrische Leiter unterschiedlicher elektrischer Phasen direkt und unmittelbar nebeneinander, so dass eine Isolation zwischen den einzelnen Phasen gewährleistet sein muss, um einen Schadensfall inner- halb der dynamoelektrischen Maschine aufgrund von Überschlägen zu vermeiden.

Aus der DE 195 44 699 AI ist eine dynamoelektrische Maschine mit indirekt gekühlter Statorwicklung bekannt, bei der durch den durch Wicklungsstäben gebildeter Wickelkopf Füllstücke vorgesehen sind, die die freien Durchtrittsflächen zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben derart einengen, dass das Kühlgas gezielt an den Breitseiten der Wicklungsstäbe geführt ist.

Nachteilig daran ist, dass durch zusätzliche Füllstücke die Durchtrittsflächen, einengt und durch Wicklungsstäbe, sich auch eher Kühlkanäle ergeben können, dies ist allerdings bei einem vergossenen Wickelkopf nicht mehr der Fall.

Aus der DE 12 05 182 ist eine Anordnung zur Führung des Kühl- mediums und AbStützung von Erregerwicklungen in Pollücken von Schenkelpolläufern bekannt, in den in den Pollücken ein Gitterrost angeordnet ist.

Nachteilig daran ist, dass der Gitterrost nur bei dementspre- chend beabstandeten Polläufern eingesetzt werden kann, sobald Spulen oder Stäbe näher aneinander positioniert sind, scheidet diese Möglichkeit aus.

Ausgehend davon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine luftgekühlte dynamoelektrische rotatorische Maschine zu schaffen, die bei einem kompakten Aufbau eine effiziente Kühlung insbesondere des Wickelkopfes gestattet, wobei eine gleichzeitige Kompaktierung des Wickelkopfes vorzusehen ist. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, eine luftgekühlte dynamoelektrische rotatorische Asynchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor, die jeweils axial geschichtete Bleche aufweisen und so ein Blechpaket bilden, einem Wicklungssystem, insbesondere mehrphasigen Wick- lungssystem, das im Stator und/oder Rotor in Nuten des jeweiligen Blechpaketes angeordnet ist, und an den Stirnseiten der Blechpakete jeweils einen Wickelkopf ausbildet, wobei das Wicklungssystem aus Spulen oder Stäben aufgebaut ist,

- Verspannungselementen zwischen Spulen oder Stäben der

Wicklungssysteme in den Wickelköpfen, welches Verspan- nungselemente starr und wellenförmig ausgebildet sind, um die Kräfte in den auftretenden Betriebsfällen der dynamoelektrischen Maschine aufzunehmen und einen radialen Kühlluftstrom durch den jeweiligen Wickelkopf zu ermöglichen . Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verspannungselemente tritt auch bei sehr engen Abständen zwischen den Spulen oder Stäben unterschiedlicher Phasen eine ausreichende Kühl- mittelführung bei einem vordefinierten Abstand ein. Dieser vordefinierte Abstand wird auch durch eine Verspannung des Wickelkopfes oder in speziellen Betriebsfällen der dynamoelektrischen Maschine, beispielsweise Kurzschlüssen, aufgrund der Materialeigenschaften der Verspannungselemente eingehalten. Damit ist auch jederzeit eine ausreichende Kühlung des Wickelkopfes gewährleistet.

Die erfindungsgemäßen Verspannungselemente sind nicht nur bei Wickelköpfen an den Stirnseiten eines Blechpakets eines Stators anwendbar, sondern auch an den Stirnseiten eines Blech- pakets in Wickelköpfen von Rotoren dieser dynamoelektrischen Maschine. Dort werden aufgrund der erfindungsgemäßen Verspannungselemente in den Wickelköpfen des Rotors auch die Fliehkräfte im Betrieb aufgenommen, ohne den Durchtritt von Kühl- luft zu beeinträchtigen.

Durch die Anordnung der Verspannungselemente in den Wickel - köpfen vom Stator und/oder Rotor, je nach Ausführungsform der dynamoelektrischen Maschine, wird das gesamte Kühlkonzept der dynamoelektrischen Maschine verbessert, so dass eine bessere Ausnutzung der Maschine vorliegt. Dies führt bei gleicher Maschinenleistung zu kleinerer Baugröße, was u.a. zu einer Kostenersparnis führt.

Um die Verspannungselemente dementsprechend starr und wellen- förmig auszuführen, wird das Verspannungselement vorzugsweise aus einer oder mehreren Lagen Glasgewebes aufgebaut, das in Hochtemperatur beständiges elektrisch leitfähiges Kunstharz eingegossen ist. Damit wird ein vergleichsweise starres Spannungselement geschaffen, das zudem wellenförmig ausgebildet ist und so einem Kühlluftstrom einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzt. Durch eine Vielzahl von Versuchen stellte es sich als vorteilhaft heraus, dass die Verspannungselemente, je nach Belastung im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine vorzugsweise einen Wellenabstand von 2 bis 10 cm aufweisen sollten, bei einer Materialdicke der Verspannungselemente von kleiner gleich 1 mm. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Abstände der Stäbe und Spulen im Wickelkopfbereich lediglich 2 bis 3 mm betragen. Als besonders vorteilhaft hat sich der Aufbau der Verspannungselemente durch ein Glasgewebe erwiesen, das ca. 2/3 der Gesamtmasse des Verspannungselementes aufweist, wobei der Anteil der Glasfasern in Schuss- und Kettrichtung dieses Glasgewebes gleichgroß ist. Dies führt zu einem stabilen Aufbau der Verspannungselemente, so dass unterschiedliche Kraftrichtungen bei der Starrheit dieser Verspannungselemente zu keiner Verringerung der vordefinierten Abstände innerhalb des Wickelkopfes führen. Vorzugsweise sind die wellenförmigen Verspannungselemente si- nus- bzw. rechteckförmig ausgeführt, um sowohl den mechanischen Anforderungen, als auch diesen thermoelektrischen Anforderungen gerecht zu werden. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand prinzipiell dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen : FIG 1 einen Längsschnitt einer luftgekühlten elektrischen

Maschine,

FIG 2, 3 einen prinzipiellen Wickelkopf mit Verspannungsele- menten,

FIG 4 eine Detaildarstellung eines Verspannungselementes zwischen zwei Stäben.

FIG 1 zeigt eine dynamoelektrische rotatorische Maschine 1, die als Asynchronmaschine mit einem geschlossenen Innenkühl- kreislauf ausgeführt ist. Der erfindungsgemäße Gedanke kann ebenso bei anderen dynamoelektrischen Maschinen mit Wickel - köpf 7 im Stator 2 und/oder Rotor 3 umgesetzt werden. FIG 1 zeigt weiter einen Stator 2 der zu einem Luftspalt 9 gewandte axial verlaufende Nuten 10 aufweist, wobei in den Nuten 10 ein Wicklungssystem, das aus Spulen oder Stäben 11 aufgebaut ist, vorgesehen ist. Das Wicklungssystem, insbesondere die Spulen oder Stäbe 11, bilden an den Stirnseiten der Blechpakete des Stators 2 Wickelköpfe 7 aus. Die Wickelköpfe 7 begrenzen die Ausnutzung der dynamoelektrischen Maschine 1, da in dem Harz getränkten Wicklungssystem und insbesondere in den Wickelköpfen 7 sich lokale Bereiche mit Übertemperatur - sogenannte Hot Spots - auftreten, die im Betrieb der dynamo- elektrischen Maschine 1 die thermische Ausnutzung der Maschine 1 nach oben begrenzen.

Durch einen Luftspalt 9 vom Stator 2 getrennt, befindet sich ein Rotor 3, der ebenso wie der Stator 2 aus axial geschich- teten Blechen 12 aufgebaut ist. In dem speziellen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Rotor 3 um einen Rotor mit einem Kurzschlusskäfig, wobei der Kurzschlussring 20 des Kurzschlusskäfigs lediglich prinzipiell angedeutet ist. Die Erfindung ist ebenso bei Rotor 3 mit einem Wicklungssystem einsetzbar. Das Wicklungssystem wird über Schleifringe elektrisch gespeist. Am Rotor 3 werden an den Stirnseiten des Blechpakets ebenfalls Wickelköpfe 7 ausgebildet, die zum einen einen Kühlmitteldurchsatz gestatten sollen und zum ande- ren eine ausreichende mechanische Fixierung der Stäbe oder Spulen des Wickelkopfes 7 gewährleisten sollen. Dies wird nunmehr durch die erfindungsgemäßen Verspannungselemente 8 erreicht . Der Stator 2 befindet sich innerhalb eines Gehäuses 5, wobei sich dieses Gehäuse 5 über Lager 6 einer Welle 4 abstützt, wobei die Welle 4 mit dem Rotor 3 des Käfigs verbunden ist. In dem vorliegenden Fall, handelt es sich um eine dynamo- elektrische Maschine mit geschlossenem Kühlkreislauf, d.h. ein innerhalb des Gehäuses 5 strömender Kühlluftstrom 16 wird durch einen Lüfter 15 oder aber auch Lüfterflügel an dem Kurzschlussring 20 aufrechterhalten. Eine Rückkühlung dieses Kühlluftstromes 16 innerhalb des Gehäuses 2 wird durch Kühlrippen im Gehäuse 5 bzw. durch eine Flüssigkeitskühlung erreicht, die dem Gehäuse 5 als nicht näher dargestellter Kühlmantel zugeordnet ist. Um insbesondere die Hot Spots des Wickelkopfes 7 nunmehr zu kühlen, wird der Kühlluftstrom 16 im Wesentlichen durch den Wickelkopf 7 geführt, in dem Verspannungselemente 8 derart ausgebildet sind, dass sich zwischen zwei Spulenseiten oder zwei Stäben unterschiedlicher Phasen diese Verspannungsele- mente 8 angeordnet sind und zwar derart, dass der Kühlluftstrom 16 in einfacher Art und Weise durchströmen kann. Um ein durchstreichen des Kühlluftstrom 16 durch den Wickelkopf 7 strömungstechnisch zu erzwingen, sind gegebenenfalls in einer zusätzlichen Ausführung vorgegebene Bleche, insbesondere Leitvorrichtungen 17 innerhalb des Gehäuses 5 der dynamoelektrischen Maschine 1 angeordnet, die einen ungewünschten strömungstechnischen Bypass vermeiden. Damit wird der Kühl- luftstrom 16 durch den Wickelkopf 7 und damit durch die Verspannungselemente 8 gezwungen.

FIG 2 und 3 zeigen jeweils Ausschnitte aus dem Wickelkopf 7, wobei dort jeweils Stäbe aus dem Blechpaket des Stators 2 geführt sind und dabei im Wickelkopfbereich einen Abstand 14 von lediglich einigen Millimetern aufweisen. Um nunmehr die elektrodynamischen Kräfte im Betrieb der dynamoelektrischen Maschine 1 aufzunehmen und gleichzeitig einen Kühlluftstrom der möglichst gleichmäßig durch sämtliche Bereiche des Wickelkopfes 7 führt, zu gewährleisten, werden die Verspannungselemente 8 aus einem oder mehreren Lagen Glasgewebes ge- bildet, das mit einer hochtemperaturbeständigen elektrischen leitfähigen Kunststoffharzmatrix verbunden ist. Diese Verspannungselemente 8 sind dabei wellenförmig gemäß FIG 2 oder auch rechteckförmig gemäß FIG 3 ausgeführt. Entscheidend dabei ist, dass diese Verspannungselemente 8 auch bei einer Materialdicke von maximal 1 mm die elektrodynami - sehen Kräfte, bzw. auch die Fliehkräfte der Maschine aufnehmen können. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass der Wellenabstand 18 eines Verspannungselementes 8, wie er beispielsweise in FIG 4 prinzipiell dargestellt ist, 5 bis 10 cm beträgt. Je nach Belastung und/oder axialer Ausladung der Wi- ckelköpfe sind auch Wellenabstände von 2 bis 5 cm vorteilhaft .

In einer weiteren vorteilhaften, nicht näher dargestellten Ausführung variieren die Wellenabstände 18 eines Verspan- nungselements 8 zwischen 2 und 10 cm. Ebenso müssen nicht zwangsläufig die Verspannungselemente 8 eines Wickelkopfes den gleichen Wellenabstand aufweisen. Die Verspannungselemente 8 eines Wickelkopfes 7 weisen unterschiedliche Wellenabstände zwischen 2 und 10 cm auf, wobei jedes Verspannungsele- ment 8 für sich jeweils einen konstanten Wellenabstand 18 aufweist .

Dabei werden gemäß FIG 4 nunmehr im Wickelkopfbereich 7 zwischen den Stäben 11 eines Wicklungssystems der dynamoelektri sehen Maschine 1 diese Verspannungselemente 8 positioniert. Dadurch wird ein Kühlluftstrom 16, der beispielsweise in der gezeigten Darstellung mit den Bezugszeichen 21 versehen ist, geführt .