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Dokumentenidentifikation DE10040232A1 21.03.2002
Titel Läufer einer elektrischen Maschine mit radialem Kühlschlitz
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Auernhammer, Erich, 90409 Nürnberg, DE;
Tischmacher, Hans, 91207 Lauf, DE
DE-Anmeldedatum 17.08.2000
DE-Aktenzeichen 10040232
Offenlegungstag 21.03.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.03.2002
IPC-Hauptklasse H02K 1/32
Zusammenfassung Läufer elektrischer Maschinen sollten in der Nähe der Wickelköpfe zusätzlich gekühlt werden. Durch zusätzliche Kühlschlitze kann aber Bürstenstaub in den Wickelkopf geraten und den Läufer beschädigen. Daher wird am axialen Ende des Läuferblechpakets (5) eine Distanzscheibe (12) zur Beabstandung eines kleinen Blechpakets (11) vorgesehen. Dadurch ist zum einen ein radialer Kühlschlitz gewährleistet und zum anderen kann die Läuferbandage (4) über das kleine Blechpaket (11) gezogen werden, so dass der Wickelkopf gegenüber Bürstenstaub isoliert ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Läufervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit der genannten Läufervorrichtung.

Elektrische Maschinen mit einem Läufer, dem der Strom über Bürsten zugeführt wird, besitzen generell das Problem, dass der durch Abrieb der Bürsten am Kommutator oder den Schleifringen entstehenden Bürstenstaub sich beispielsweise in Taschen oder Mulden des Wickelkopf niederschlagen kann. Derartige Ablagerungen von elektrisch leitendem Bürstenstaub sind grundsätzlich dazu geeignet, ungewollte Kriechströme hervorzurufen. Insbesondere im Wickelkopf aber auch in den Nuten der Läuferblechpakete kann es während der Herstellung oder während des Betriebs des Läufers dazu kommen, dass die Isolation der Wicklungsdrähte beschädigt wird. Abgelagerter Bürstenstaub kann dann dazu führen, dass Kurzschlüsse zwischen einzelnen Wicklungssträngen oder einem Wicklungsstrang und dem Blechpaket entstehen. Daher ist es grundsätzlich zu vermeiden, dass Bürstenstaub in einen der Wickelköpfe des Läufers, ins Innere des Blechpakets oder in die Nuten des Blechpaktes gerät.

Fig. 1 zeigt hierzu die intern verwendete Lösung zu diesem Problem. Die Abbildung zeigt einen Läufer 1 und einen dazugehörigen Ständer 2. Darüber hinaus ist in der Darstellung angedeutet, wie die Wicklungsdrähte 3 im Wickelkopf umgelenkt werden. Am Außenumfang des Wickelkopfs wird eine Bandage 4 über die umgelenkten Wicklungsdrähte 3 gewickelt. Aus dem Blechpaket 5 des Läufers 1 ragt stirnseitig ein in die Nuten des Blechpakets 5 eingebrachter Nutkasten 6. Der Nutkasten 6 dient zur Isolierung der Wicklungsdrähte 3 gegenüber dem Blechpaket 5. Der Grund für das Herausragen des Nutkastens 6aus der Nut des Blechpakets 5 ist die Erhöhung der Kriechdistanz zwischen dem Wicklungsdraht 3 und dem Blechpaket 5. Somit wird die Wahrscheinlichkeit des Entstehens eines leistungsmindernden Kriechstroms an dieser Stelle stark reduziert.

Die Bandage 4 hat gemäß Fig. 1 zwei Funktionen. Zum einem nimmt sie wirksam die Fliehkräfte der Wicklungsdrähte 3 auch bei hohen Drehzahlen auf. Darüber hinaus ist die Bandage 4 ausgehend vom Wickelkopf bis über das Blechpaket 5 gewickelt. Sie umgibt damit den Wickelkopf fast vollständig und zusätzlich noch das axiale Endstück des Blechpakets. Die Bandage 4 sorgt so für eine hermetische Abriegelung des an das Blechpaket 5 angrenzenden Wickelkopfs gegenüber Bürstenstaub.

Ein von der Bürstenstaubproblematik zunächst völlig unabhängiges Problem ist die Kühlung des Läufers insbesondere im Bereich der Wickelköpfe. Da die Wicklungsdrähte 3 im Bereich der Wickelköpfe dicht aneinander liegen und eine Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung wie im Blechpaket kaum möglich ist, erhitzen sich die Wickelköpfe im Vergleich zum Rest des Läufers verhältnismäßig stark. Eine Kühlung des Läufers an diesen Stellen ist daher dringend geboten, zumal ein ungekühlter Läufer nur eine deutliche geringere Leistung als ein gekühlter Läufer erbringen kann, ohne dass es zu Überhitzungen kommt.

Zur Lösung dieses Kühlungsproblems werden Läufer bekanntermaßen, wie in Fig. 2 dargestellt ist, mit radial nach außen gerichteten Lüftungsschlitzen 7 zwischen Blechpaket und Wickelkopf versehen. Diese radialen Kühlschlitze stehen mit Öffnungen in Verbindung, die zur Durchführung von Kühlluft durch den Läufer vorgesehen sind. Damit wird die das Blechpaket durchströmende Kühlluft an den Kühlschlitz teilweise nach außen geleitet und dient zur verstärkten Kühlung des Wickelkopfs.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Läufer mit radialen Kühlschlitzen am Wickelkopf stellt sich jedoch das Problem, dass Bürstenstaub durch die Kühlschlitze in den Wickelkopf eindringen und das Entstehen von Kriechströmen fördern kann. Dementsprechend ergibt sich eine hohe Ausfallrate bzw. verstärkte Leistungsminderung derartiger Läufer.

Aus der oben beschriebenen Problematik ergibt sich als Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Läufer vorzuschlagen, der trotz spezieller Kühlung des Wickelkopfs das schädliche Eindringen von Bürstenstaub in Taschen des Wickelkopfs bzw. Blechpakets wirksam verhindert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Läufervorrichtung mit einer Welle, einem auf die Welle montierten, zylinderförmigen Blechpaket, je einem Wickelkopf an dem ersten und zweiten axialen Ende des Blechpakets und mindestens einer Bandage, die an dem Außenumfang des Wickelkopfs derart angebracht ist, dass sie auch das jeweilige axiale Ende des Blechpakets am gesamten Außenumfang umschließt, wobei mindestens ein Distanzstück ein äußerstes axiales Endstück des ersten und/oder zweiten axialen Endes des Blechpakets vom übrigen Blechpaket derart beabstandet, dass mindestens ein Kühlschlitz in radialer Richtung des Blechpakets zwischen dem äußersten axialen Endstück und dem übrigen Blechpaket gebildet ist, gelöst.

Durch die Beabstandung einiger weniger Bleche unter Bildung eines kleinen Blechpakets von dem Hauptblechpaket durch einen Abstandshalter bzw. eine Distanzscheibe mit geeigneter Form wird in die Nähe des Wickelkopfs ein radialer Kühlkanal nach außen gebildet, der für die zusätzliche Kühlung des Wickelkopfs sorgt. Gleichzeitig gewährleistet die wie beim Stand der Technik geformte Bandage, die auch über den Anfang des Blechpakets gezogen ist, die hermetische Abriegelung des Wickelkopfs gegenüber Bürstenstaub.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das kleine Blechpaket und das Hauptblechpaket axial mit Kühlöffnungen durchzogen, die mit dem radialen Schlitz bzw. Kühlkanal in der Nähe des Wickelkopfs in Verbindung stehen. Damit wird der in axialer Richtung durch das Blechpaket geleitete Luftstrom teilweise radial zur Kühlung des Wickelkopfs nach außen gelenkt. Somit stellt sich neben der Kühlung des Blechpakets auch eine entsprechend verstärkte Kühlung des Wickelkopfs ein. Die im Wickelkopf entstehende Wärme wird über die Wicklungsdrähte zu dem bzw. den radialen Kühlschlitz(en) geleitet und dort abtransportiert.

Bei dem Distanzstück handelt es sich vorzugsweise um eine Distanzscheibe mit radial nach außen weisenden, fingerförmigen Fortsätzen. Diese Form gewährleistet einerseits, dass der axiale Druck zwischen dem kleinen Blechpaket und dem Hauptblechpaket auch im radialen Außenbereich abgefangen wird und andererseits Kühlluft von den Kühlöffnungen des Blechpakets radial nach außen strömen kann.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in dem Blechpaket und/oder dem Paket des mindestens einen äußersten Endstücks des Blechpakets, d. h. dem kleinen Blechpaket, Nuten zur Aufnahme von Wicklungsdrähten und in den Nuten vorzugsweise Nutkästen zur Isolierung der Wicklungsdrähte vorhanden sind.

Bei einer Weiterentwicklung ist ferner vorgesehen, dass sich die Nutkästen in Richtung des jeweiligen Wickelkopfs über das äußerste Ende des Blechpakets hinaus erstrecken und in dem überstehenden Teil durch die Bandage in radialer Richtung nach außen geschützt sind, so dass Bürstenstaub nicht an die Wicklungsdrähte gelangen kann. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass, für den Fall, dass z. B. die Bandage verletzt wird, die für Kriechströme zu überwindende Distanz von den Wicklungsdrähten zum Blechpaket groß gehalten wird.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 eine Teilquerschnittsansicht einer elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik mit einem durch eine Bandage isolierten Läufer;

Fig. 2 eine fotografische Darstellung eines Läufers nach dem Stand der Technik mit radialen Kühlschlitzen;

Fig. 3 eine Teilquerschnittsansicht einer elektrischen Maschine mit einem Läufer entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht und Draufsicht eines Beispiels einer erfindungsgemäß verwendeten Distanzscheibe.

In Fig. 3 ist eine elektrische Maschine mit einem Läufer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie beim Stand der Technik umfasst die elektrische Maschine einen Läufer 1 und einen Ständer 2.

Der Läufer 1 umfasst eine Welle 8 mit einem Freistich 9. An dem Freistich 9 ist mit üblicher Befestigungstechnik, z. B. Aufschrumpfen, ein Druckring 10 auf die Welle 8 aufmontiert. Axial im Anschluss hinter dem Druckring 10 befindet sich ein kleines Blechpaket 11. Dieses kleine Blechpaket umfasst einige wenige Bleche mit in der Regel den gleichen Ausstanzungen wie die des Blechpakets 5. Im Anschluss an das kleine Blechpaket 11 ist eine Distanzscheibe 12 auf die Welle 8 aufmontiert. Diese Distanzscheibe 12 ist in Fig. 4 näher beschrieben und weist Finger 13 auf. Das anschließende Blechpaket 5 drückt axial gegen die Distanzscheibe 12.

Am Außenumfang des Druckrings ist ein isolierender Wicklungsträger 14 angebracht. Dieser stützt die darüber liegenden Wicklungsdrähte 3 über einen Filz 15 der mit Harz getränkt ist.

Die mit Harz getränkte Filzschicht 15 weist nach dem Aushärten vorteilhafterweise eine großflächige Auflage für die Wicklungsdrähte 3 auf. Diese Unterlage hat sich fertigungstechnisch als positiv erwiesen, kann aber beispielsweise durch anderes Gewebe, einen Klebstoff oder dergleichen ersetzt werden. Denkbar wäre auch eine Isolierschicht aus Vollmaterial, wobei es allerdings lediglich zu punktuellen Auflagen der Wicklungsdrähte 3 kommt.

Die Wicklungsdrähte 3 werden in nicht dargestellte Nuten des Blechpakets 5 bzw. des kleinen Blechpakts 11 eingebracht, wobei zuvor die Nuten mit sogenannten Nutkästen 6 ausgekleidet werden, welche aus isolierendem, stabilem Material, vorzugsweise speziell präparierter Pappe, bestehen. Die Nutkästen 6 ragen einige Millimeter in Richtung auf den Wickelkopf mit den umgelenkten Wicklungsdrähten 3 aus dem kleinen Blechpaket 11. Diese überragenden isolierenden Nutkästen 6 erhöhen die Kriechdistanz möglicher Kriechströme von den Wicklungsdrähten 3 zu den Blechpakten 11 bzw. 5.

Am Außenumfang des durch die isolierten Wicklungsdrähte 3 gebildeten Wicklungskopfs ist eine ebenfalls isolierende Bandage 4 aufgewickelt. Die Bandage 4 drückt die Wicklungsdrähte 3 entgegen der Fliehkraft gegen den Wicklungsträger 14.

Zur Isolierung gegen Bürstenstaub, der sich in den Taschen des Wicklungskopfs niederschlagen kann, ist die Bandage in axialer Richtung bis über das kleine Blechpaket 11 verlängert. Die Unterseite des Wicklungskopfs ist durch das mit Harz getränkte Filzgewebe 15 hermetisch gegen Bürstenstaub abgeriegelt. Somit kann weder von oben noch von unten Bürstenstaub in den Wickelkopf eindringen und die Ausbildung von Kriechströmen fördern. Die Lebensdauer bzw. Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Läufer wird dadurch erheblich erhöht.

Darüber hinaus gewährleistet der radiale Lüftungsschlitz zwischen dem Blechpaket 5 und dem kleinen Blechpaket 11 eine ausreichende Kühlung für den Wickelkopf. Das Blechpaket 5enthält nicht dargestellt Kühlöffnungen in axialer Richtung. Diese Öffnungen setzen sich in axialer Richtung durch das kleine Blechpaket 11 und den Druckring 10 fort. Damit verläuft der primäre Kühlstrom in axialer Richtung durch den Läufer. Dabei können beliebig viele Kühlöffnungen in Umfangsrichtung des Blechpakets bzw. des Druckrings vorgesehen werden. Der radiale Kühlschlitz wird in der Regel nur von den Wickelungsdrähten 3 in ihren Nutkästen 6 durchlaufen, so dass die Anzahl der radialen Öffnungen der Anzahl der Wicklungsstränge am Läuferumfang entspricht.

Wie bereits erwähnt befindet sich zwischen dem Blechpaket 5 und dem das äußerste Ende des Blechpakets darstellenden kleinen Blechpaket 11 ein Distanzstück 12 in Form einer Distanzscheiben mit fingerartigen Fortsätzen 13. Eine derartige Distanzscheibe ist in Fig. 4 dargestellt. In diesem Fall weist die Distanzscheibe zwölf Finger am Umfang auf. Üblicherweise weist dann das Blechpaket 5 und das Blechpaket 11 ebenfalls zwölf Kühlöffnungen auf, die zwischen den Fingern 13 angeordnet sind. Die Finger 13 nehmen somit den Anpressdruck, der durch das Blechpaket 5 gegen den Druckring 10 ausgeübt wird, auch an den radial außenliegenden Stellen auf, an denen das Vollmaterial der Scheibe den Druck nicht mehr aufnehmen kann. Damit wird eine Verformung des Blechpakets 5 in den Außenbereichen vermieden. Gleichzeitig werden durch die Finger radial nach außen gerichtete Kühlschlitze ausgebildet, die mit den Kühlöffnungen des Blechpakets 5 bzw. 11 in Verbindung stehen. Demzufolge wird eine sekundärer Kühlstrom an der Stelle der Distanzscheibe 12 radial nach außen gelenkt und umströmt unter anderem die Wicklungsdrähte 3 in der Nähe des Wicklungskopfs. Durch diesen sekundären, radial nach außen fliesenden Kühlstrom kann der Wickelkopf wirksam gekühlt werden. Gleichzeitig weist dieser zusätzliche Kühlschlitz keine direkte Öffnungen zum Wickelkopf auf, so dass Bürstenstaub nicht in den Wickelkopf gelangen kann. In den radialen Kühlschlitz ragt nämlich nur der Nutkasten 6, der die Wicklungsdrähte 3 beinhaltet und ein Nutverschlusskeil 16, der den Nutkasten verschließt und die Wicklung in der Nut hält. Entsprechend der Anzahl der Wicklungsstränge bzw. Nuten im Blechpaket 5 ragt eine gewisse Anzahl an Nutkästen 6 durch den radialen Kühlschlitz.

Der in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Kühlschlitz kann an beiden axialen Enden des Blechpakets 5 zur Kühlung beider Wickelköpfe oder aber auch nur an einem axialen Ende des Blechpakets 5 zur Kühlung lediglich eines der Wickelköpfe vorgesehen sein. Entsprechend der Zahl der radialen Kühlschlitze vergrößert sich die axiale Länge des Läufers gegenüber einem konventionellen Läufer.

Die Notwendigkeit eines zusätzlichen Kühlschlitzes zur Kühlung des Wickelkopfs wird auch durch die Tatsache verstärkt, dass die Bandage um den gesamten Wickelkopf gewickelt wird, so dass zwar kein Bürstenstaub mehr in den Wickelkopf gelangen kann, aber andererseits auch kein Wärmeaustausch mit der Umgebung erfolgen kann.

Der erfindungsgemäße Läufer eignet sich insbesondere zum Einsatz bei Gleichstrommotoren mit Kommutator oder Drehstrommotoren mit Schleifringen. In beiden Fällen wird der Strom über Bürsten zugeführt, so dass zum einen eine Bürstenstaubisolation der Wickelköpfe und zum anderen wegen des unter anderem daraus resultierenden Wärmestaus ein oder mehrere radiale Kühlschlitze im Läufer vorgesehen werden müssen.

Selbstverständlich eignet sich der erfindungsgemäße Läufer für alle elektrischen Maschinen, bei denen Bürsten zur Stromübertragung verwendet werden, das heißt insbesondere auch für Generatoren und Umformer.


Anspruch[de]
  1. 1. Läufervorrichtung mit

    einer Welle (8),

    einem auf die Welle (8) montierten, zylinderförmigen Blechpaket (5),

    je einem Wickelkopf an dem ersten und zweiten axialen Ende des Blechpakets (5) und

    mindestens einer Bandage (4), die an dem Außenumfang des Wickelkopfs derart angebracht ist, dass sie auch das jeweilige axiale Ende des Blechpakets (5) am gesamten Außenumfang umschließt,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    mindestens ein Distanzstück (12) mindestens ein äußerstes axiales Endstück (11) des ersten und/oder zweiten axialen Endes des Blechpakets vom übrigen Blechpaket (5) derart beabstandet, dass mindestens ein Kühlschlitz in radialer Richtung des Blechpakets (5) zwischen dem äußersten axialen Endstück (11) und dem übrigen Blechpaket (5) gebildet ist.
  2. 2. Läufervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das äußerste axiale Endstück (11) des Blechpakets ebenfalls ein zylinderförmiges Paket aus mehreren Blechen umfasst.
  3. 3. Läufervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Blechpaket und/oder das Paket des mindestens einen äußersten Endstücks in axialer Richtung mit Kühlöffnungen versehen ist, die mit dem mindestens einen Kühlschlitz in radialer Richtung in Verbindung stehen.
  4. 4. Läufervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Distanzstück (12) eine Distanzscheibe mit radial nach außen weisenden, fingerförmigen Fortsätzen (13) ist.
  5. 5. Läufervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Blechpaket (5) und/oder dem Paket des mindestens eine äußersten Endstücks (11) des Blechpakets Nuten zur Aufnahme von Wicklungsdrähten (3) und in den Nuten vorzugsweise Nutkästen (6) zur Isolierung der Wicklungsdrähte (3) vorgesehen sind.
  6. 6. Läufervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Nutkästen (6) in Richtung des jeweiligen Wickelkopfs über das äußerste Ende (11) des Blechpakets hinaus erstrecken und in dem überstehenden Teil durch die Bandage (4) in radialer Richtung nach außen geschützt sind, so dass Bürstenstab nicht an die Wicklungsdrähte (3) gelangen kann.
  7. 7. Elektrische Maschine mit einer Läufervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.






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