Beschreibung

Titel

Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator, sowie Kühlungsvorrichtung einer elektrischen Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Drehstromgenerator, sowie eine Kühlungsvorrichtung einer elektrischen Maschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

üblicherweise bestehen Drehstromgeneratoren aus einem

Statorgehäuse, das ein Ständerwicklungspaket trägt, sowie einem Lager, in welchem ein Läufer gelagert ist. Auf einer ersten Stirnseite (A-Seite) ist ein antriebsseitiges Lagerschild angeordnet, und auf einer stirnseitig gegenüberliegenden B-Seite befindet sich üblicherweise ein schleifringseitiges Lagerschild. Beim Betrieb des Drehstromgenerators entstehen in der Erregerwicklung so genannte Erregerverluste, und im Läufereisen Eisenverluste, die gemeinsam nachteilige Verlustwärmequellen bilden. Es ist bekannt, Lüfter einzusetzen, um diese Verlustwärme möglichst rasch abzuführen. Bei derartigen luftgekühlten Drehstromgeneratoren sind grundsätzlich zwei Kühlungsansätze bekannt:

Bei einer ersten Lösung, insbesondere für einen Topf-Generator, ist es bekannt, Kühlluft mit Hilfe eines großen außen liegenden Radiallüfters, der sich auf der A-Seite befindet, von der B-Seite durch den Generator anzusaugen. Die angesaugte Luft durchströmt dabei

komplett axial die elektrische Maschine. Dies bedeutet, dass die Luft zuerst die Elektronik (Regler, Gleichrichter) kühlt. In einem zweiten Schritt kühlt die bereits aufgewärmte Luft die Aktivteile, nämlich den Ständer und den Läufer des Drehstromgenerators. Die Lagerschilde besitzen bei diesem Konzept keine radialen Luftaustrittsflächen. Vielmehr durchströmt die gesamte Kühlluft die komplette elektrische Maschine.

Eine zweite, alternative Lösung ist insbesondere für Kompakt- Generatoren vorgesehen. Ein Kompakt-Generator weist zwei innen liegende Radiallüfter auf. Durch den Einsatz von Radiallüftern wird die Luft jeweils auf der A-Seite und der B-Seite des Generators axial angesaugt und in radialer Richtung aus der elektrischen Maschine abgeführt. Die Kühlung ist dadurch in eine A-seitige und B-seitige Kühlung getrennt. Eine Durchströmung des Generators von der A- Seite zur B-Seite ist dabei üblicherweise nicht vorgesehen. Falls eine axiale Durchströmung des Generators besteht, ist diese gegenüber der radialen Durchströmung des Generators vernachlässigbar gering. Der A-seitige Lüfter dient bei dieser Ausführung zur Kühlung des A- seitigen Ständerwickelkopfes und des Läufers. Der B-seitige Lüfter dient zur Kühlung des B-seitigen Ständerwickelkopfes, des Läufers und außerdem der Elektronikbauteile, insbesondere des Reglers und des Gleichrichters. Die Lagerschilde weisen bei diesem Konzept radiale Luftaustrittsflächen auf.

Problematisch bei beiden Lösungen ist, dass das Kühlkonzept jeweils nur lokal für eine günstige Wärmeableitung sorgt, so dass die Drehstromgeneratoren in ihrer thermischen Belastbarkeit begrenzt sind. Dies hat nachteilige Auswirkungen auf den gesamten Wirkungsgrad.

Offenbarung der Erfindung

Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere ein Drehstromgenerator mit einer innerhalb eines Gehäuses angeordneten Kühlungsvorrichtung umfasst eine erste und eine zweite Lüftungsvorrichtung, die so ausgebildet sind, dass Kühlluft jeweils axial von außen angesaugt wird und radial wieder ausströmt, wobei wenigstens ein Teilstrom einer der Kühlluftströme axial geführt ist. Bei einer erfindungsgemäßen Kühlungsvorrichtung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Drehstromgenerators, sind zwei Lüftungsvorrichtungen so ausgebildet, dass Kühlluft jeweils axial von außen angesaugt wird und radial wieder ausströmt, wobei wenigstens ein Teilstrom einer der zwei Kühlluftströme axial geführt ist. Vorteilhafterweise wird somit der Rotor axial umströmt. Besonders vorteilhaft wirkt sich die vorgeschlagene Lösung bei einem als Klauenpolmotor ausgebildeten Drehstromgenerator aus, wobei der Rotor nicht nur umströmt, sondern auch durchströmt wird.

Vorteilhafterweise wird somit ein Kühlkonzept verbessert, indem die eingangs erwähnten Vorteile eines Kompakt-Generators und eines Topf-Generators vereint werden und eine gleichmäßige radiale und auch axiale Durchströmung der elektrischen Maschine mit Kühlluft erzielt wird. Günstigerweise sind dabei die Lüftungsvorrichtungen innen liegend angeordnet, so dass sie keinen nachteiligen mechanischen Einflüssen von außen unterliegen und im Gehäuse geschützt sind. Das Gehäuse ist dabei wenigstens aus dem antriebsseitigen und dem schleifringseitigen Lagerschild sowie dem Stator gebildet.

Die mit der vorgeschlagenen Lösung erzielte axiale Durchströmung von der A-Seite zur B-Seite sorgt günstigerweise für eine Kühlung

des Rotors. Außerdem werden zweckmäßigerweise der A-seitige sowie B-seitige Wickelkopf sowie die Elektronikbauteile gleichmäßig mit Kühlluft durchströmt. Dieses vorgeschlagene zweiflutige Belüftungskonzept führt insgesamt zu einer vorteilhaften Verbesserung der Wärmeableitung und einer Leistungssteigerung des Drehstromgenerators.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Lüftungsvorrichtung als Axiallüfter ausgebildet, der für eine im Wesentlichen axial gerichtet Kühlluftabfuhr sorgt, und die zweite Lüftungsvorrichtung als Radiallüfter mit radialer Luftabfuhr. Besonders bevorzugt ist der Axiallüfter antriebsseitig angeordnet und der Radiallüfter schleifringseitig. Grundsätzlich ist aber auch eine umgekehrte Anordnung denkbar.

Besonders bevorzugt ist der vom Axiallüfter angesaugte Kühlluftstrom getrennt ausgebildet und weist wenigstens zwei Teilluftströme auf. Ein erster Teil des vom Axiallüfter angesaugten Kühlluftstroms strömt über eine Aussparung zwischen dem Antriebslagerschild und dem Stator radial nach außen. Die Aussparung wird bevorzugt durch einen korrespondierenden Ständereinpass des Antriebslagerschildes bereitgestellt. Aufgrund der vorgesehenen Aussparung erübrigt es sich günstigerweise, radiale Luftaustritte im Antriebslagerschild vorzusehen, was zu einer vorteilhaften Erhöhung der Steifigkeit des Antriebslagerschildes zur Folge hat. Dadurch kann vorteilhafterweise dessen Stabilität erhöht werden. Günstigerweise wird durch den axialen Luftaustritt im Antriebslagerschild die Kühlung des Ständereisens verbessert. Außerdem wird zweckmäßigerweise der Ständerwickelkopf auf der A-Seite axial umströmt und somit abgekühlt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Axiallüfter den Wickelkopf des Stators in radialer Richtung wenigstens teilweise überdeckt. Ein besonders günstiges Verhältnis der radialen überdeckung beträgt wenigstens etwa 0,05, besonders bevorzugt 0,1. Dadurch werden besonders günstige Strömungsverhältnisse erzielt.

Ein zweiter Teil des vom Axiallüfter angesaugten Kühlluftstroms durchströmt axial das Gehäuse von der A-Seite zur B-Seite und tritt über eine im schleifringseitigen Lagerschild angeordnete radiale Luftaustrittsöffnung wieder aus. Der A-seitig angeordnete Axiallüfter sorgt somit günstigerweise für eine Kühlung der Aktivteile, nämlich des Rotors und des Stators. Durch die verbesserte Um- bzw. Durchströmung des Rotors und damit der Verbesserung der Kühlung kann insgesamt eine vorteilhafte Leistungssteigerung erzielt werden.

In einer günstigen Ausführungsform ist die zweite Lüftungsvorrichtung als Radiallüfter ausgebildet, der bevorzugt schleifringseitig auf der B-Seite angeordnet ist. Der vom Radiallüfter angesaugte Kühlluftstrom wird über Elektronikbauteile angesaugt, wobei insbesondere ein Regler und ein Gleichstromrichter durchströmt und somit abgekühlt werden. Dabei wird die Kühlluft bevorzugt so durch den Regler und den Gleichrichter geführt, dass eine Kühlung der Dioden und des Reglerchips erreicht wird. Der durch den Radiallüfter angesaugte Kühlluftstrom vereint sich in einem schleifringnahen Bereich mit dem zweiten Teilluftstrom des vom Axiallüfter angesaugten Kühlluftstroms. Beide Kühlluftströme werden durch den Radiallüfter in radiale Richtung umgelenkt und strömen durch die radiale Luftaustrittsöffnung im schleifringseitigen Lagerschild aus.

Insgesamt wird mit der vorgeschlagenen Lösung eine vorteilhafte Funktionstrennung des Kühlkonzepts bereitgestellt, bei dem die Kühlung der Aktivteile (Stator und Rotor) und der Elektronikbauteile (Regler und Gleichrichter) vorwiegend über separate Kühlluftströme gekühlt werden. Der A-seitige Axiallüfter dient dabei zur Kühlung der Aktivteile, und der B-seitige Radiallüfter dient zur Kühlung der Elektronik. Dennoch wird eine bevorzugte gleichmäßige Kühlung aller Bauteile erzielt, wodurch der gesamte Wirkungsgrad des Drehstromgenerators verbessert werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Drehstromgenerators;

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Kühlluftströmen im Drehstromgenerator nach Fig. 1 ;

Fig. 3 eine schematische Detailansicht des Drehstromgenerators nach Fig. 1 ; und

Fig. 4 eine Ansicht eines Antriebslagerschildes des Drehstromgenerators.

Ausführungsform der Erfindung

Gleiche Figuren werden in der Zeichnung gleich bezeichnet.

Ein in Fig. 1 gezeigter Drehstromgenerator weist einen in seiner Grundstruktur bekannten Aufbau auf und besteht aus einem antriebsseitigen (A-seitigen) Lagerschild 13 und einem schleifringseitigen (B-seitigen) Lagerschild 14 und einem vorzugsweise in einer geeigneten Einspannung zwischen diesen beiden Lagerschilden 13, 14 gehaltenen und zentrierten Stator 10 mit einer Statorwicklung. In Fig. 1 ist der A-seitige und B-seitige Wickelkopf 11 , 11 ' erkennbar. In einem Lager 25 ist ein Rotor 12 gelagert, der bevorzugt als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Rotor 12 weist eine Welle 26 auf, die mit einer nicht erkennbaren

Erregerwicklung auf einem Kern versehen ist. Antriebsseitig und schleifringseitig weist der Klauenpolläufer jeweils einen Klauenpol 27, 27' auf.

Die im Betrieb des Drehstromgenerators entstehende Wärme wird über eine Kühlvorrichtung 16 abgeführt, die aus zwei Lüftungsvorrichtungen 17, 18 gebildet ist. Die erste Lüftungsvorrichtung 17 ist als Axiallüfter ausgebildet, und die zweite Lüftungsvorrichtung 18 als Radiallüfter. Der Axiallüfter 17 ist antriebsseitig angeordnet, und der Radiallüfter 18 schleifringseitig.

In Fig. 2 sind mit Pfeilen angedeutete Kühlluftströme 21 , 22 in dem Drehstromgenerator 30 gezeigt. Der übrige Aufbau stimmt mit der Beschreibung zu Fig. 1 überein. Die Lüftungsvorrichtungen 17, 18 sind so ausgebildet, dass Kühlluft jeweils axial von außen angesaugt wird und zumindest teilweise radial wieder ausströmt, wobei ein

Teilstrom 20 des Kühlluftstroms 21 axial am Rotor 12 entlang geführt ist und diesen umströmt bzw. durchströmt. Der vom Axiallüfter 17 angesaugte Kühlluftstrom 21 ist somit in Wesentlichen in zwei Teil luftströme 19, 20 getrennt. Der erste Teilluftstrom 19 strömt über eine Aussparung 23 zwischen dem Antriebslagerschild 13 und dem Stator 10 radial nach außen ab. Der erste Teilluftstrom umströmt vor allem den antriebsseitigen Wickelkopf 11 und sorgt für dessen Abkühlung. Der zweite Teilluftstrom 20 durchströmt den Drehstromgenerator 30 axial und tritt über eine im schleifringseitigen Lagerschild 14 angeordnete radiale Luftaustrittsöffnung 24 aus. Der zweite Teilluftstrom 20 durchströmt den Rotor 12 axial von der antriebsseitigen A-Seite bis zur schleifringseitigen B-Seite und führt somit zu einer verbesserten Kühlung und somit zu dessen Leistungssteigerung. Bevor der zweite Teilluftstrom 20 aus der radialen Austrittsöffnung 24 austritt, umströmt er den schleifringseitigen Wickelkopf 11 ', wobei eine Abkühlung erzielt wird. Der Kühlluftstrom 21 sorgt somit im Wesentlichen für eine Kühlung der Aktivteile, insbesondere des Stators 10 und des Rotors 12.

Der vom schleifringseitigen Radiallüfter 18 angesaugte Kühlluftstrom 22 wird durch nicht gezeigte, außerhalb liegende Elektronikbauteile, insbesondere den Regler und den Gleichrichter, angesaugt und dient zu deren Kühlung. Im Inneren vereint sich der Kühlluftstrom 22 in einem schleifringseitigen Bereich mit dem Teilluftstrom 20. Der Teilluftstrom 20 und der Kühlluftstrom 22 werden durch den

Radiallüfter 18 umgelenkt und umströmen den schleifringseitigen Wickelkopf 11 ', bevor sie über die radiale Luftaustrittsöffnung 24 austreten.

In Fig. 3 ist eine Detailansicht des Wickelkopfes 11 des Stators 10 und des Axiallüfters 17 gezeigt. Insbesondere ist erkennbar, dass der

Axiallüfter 17 den Wickelkopf 11 radial überdeckt. Die radiale Erstreckung des Axiallüfters, gemessen von einer radialen Innenkante des Stators 10, ist mit 28 gekennzeichnet, und die radiale Erstreckung des Wickelkopfes 11 , gemessen von der radialen Innenkante des Stators, mit 29. Ein Verhältnis der radialen überdeckung beträgt wenigstens etwa 0,1.

In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein antriebsseitiges Lagerschild 13 gezeigt. Die Kühlluft wird über Lufteintrittsöffnungen 31 angesaugt. Anders als beim schleifringseitigen Lagerschild 14 sind bei der bevorzugten Ausführungsform des dargestellten antriebsseitigen Lagerschild 13 keine radialen Luftaustrittsöffnungen vorgesehen, was zu einer günstigen erhöhten Steifigkeit des antriebsseitigen Lagerschild 13 führt. Vielmehr besitzt der Ständereinpass des antriebsseitigen Lagerschildes 13 Aussparungen 23 (siehe Fig. 1 und 2), damit der Kühlluftstrom in radialer Richtung ausströmen kann.