DE102008016758A1

DE102008016758A1 - Stator für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine mit einem solchen Stator

Info

Publication number: DE102008016758A1
Application number: DE200810016758
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Schwery; Serdar Cifyildiz
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-01

Abstract

Ein Stator (10) für eine elektrische Maschine weist am inneren Umfang verteilt durch Zähne (13) getrennte radiale Wicklungsnuten (14) auf und umfasst eine Vielzahl von in axialer Richtung der Maschine gestapelten Statorblechen (11), zwischen denen in bestimmten Abständen durch Einfügen von jeweils in einer Ebene senkrecht zur Maschinenachse liegenden und sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Distanzstegen (16,..,18) Zwischenräume zum Durchleiten eines Kühlmediums, insbesondere Kühlluft, ausgebildet sind, wobei in den Zwischenräumen im Bereich der Zähne (13) der Mittel (17b, 18b) zur lokalen Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Kühlmedium und Stator (10) vorgesehen sind. Bei einem solchen Stator wird auf einfache Weise die Kühlung dadurch verbessert, dass als Mittel zur lokalen Erhöhung des Wärmeübergangs die Distanzstege (16,..,18) selbst herangezogen werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen. Sie betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wie einen Generator oder einen Motor, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
STAND DER TECHNIK
Im Stator von elektrischen Maschinen (Generatoren oder Motoren), wie sie beispielsweise aus der Druckschrift EP-A2-0 899 856 bekannt sind, wird im Betrieb Wärme erzeugt, welche ab einer gewissen Baugrösse der Maschine über spezielle Ventilationsbleche abgeführt wird. Diese Ventilationsbleche bestehen – wie dies in den 1 und 2 dargestellt ist – aus einem Statorblech 11, auf welchem Distanzstege 12 befestigt sind. Durch den Distanzsteg-Zwischenraum 15 wird ein Kühlmedium, zum Beispiel Luft, geführt, welches den Stator 10' kühlt.
Der Stator 10' erwärmt sich unregelmässig über die gesamte (radiale) Länge des Statorblechs 11, und zwar in den zwischen den Wicklungsnuten 14 befindlichen Zähnen 13 mehr als am Rücken 13'. Es ist daher zur Verbesserung der Statorkühlung gewünscht, dass der Luftwiderstand bei den derartigen „Hutspots” erhöht wird, um örtlich einen besseren Wärmeabfluss zu erhalten.
In der Druckschrift EP-B1-0 893 871 ist bereits vorgeschlagen worden, zur Verbesserung der örtlichen Wärmeübertragung mittels gestanzter Lappen im Statorblech eine örtlich erhöhte Luftverwirbelung zu erzeugen. Eine solche Veränderung an den Statorblechen selbst erfordert jedoch aufwändige zusätzliche Stanzprozesse. Darüber hinaus werden durch die gestanzten Lappen Bereiche mit geringer Strömungsgeschwindigkeit gebildet, in denen sich im Kühlmedium befindliche Teilchen leicht ablagern und den Kühlstrom behindern können.
Es ist andererseits bekannt, Distanzstege einzusetzen, die zwischen den Wicklungsnuten in radialer Richtung verlaufen, zum Rücken des Statorkerns hin jedoch in der Statorblechebene gekrümmt sind ( EP-A1-0 039 049 ). Eine Veränderung der Kühlmediumsströmung im Bereich der Zähne ist damit nicht verbunden.
Schliesslich sind auch spezielle Ausgestaltungen der Distanzstege bekannt ( WO-A1-2004/027960 ), bei denen eine Krümmung vorhanden ist, um das Kühlmedium gezielt in bestimmte Bereiche der Wicklung (zwischen zwei Wicklungsstäben) zu lenken. Dieser abgezweigte Strom fehlt dann allerdings zur Kühlung des Zahnbereiches.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gekühlten Stator für eine elektrische Maschine zu schaffen, bei dem auf einfache Weise die in den Zähne des Stator-Blechpakets entstehende Wärme besonders wirkungsvoll abgeführt wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, dass in den Zwischenräumen im Bereich der Zähne Mittel zur lokalen Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Kühlmedium und Stator vorgesehen sind, und dass als Mittel zur lokalen Erhöhung des Wärmeübergangs die zur Bildung der Zwischenräume dienenden Distanzstege selbst herangezogen werden. Hierdurch kann auf besonders einfache und wirkungsvolle Weise beim Einbau der notwendigen Distanzstege ohne Zusatzaufwand der Wärmeübergang im Zahnbereich direkt verbessert werden, indem die Distanzstege entsprechend ausgebildet werden.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Distanzstege zumindest im Bereich der Zähne eine von der geradlinigen Form abweichende Ausgestaltung auf.
Insbesondere können die Distanzstege dazu im Bereich der Zähne zickzackförmig ausgebildet sein.
Es ist aber auch denkbar und wirkungsvoll, wenn die Distanzstege im Bereich der Zähne wellenförmig ausgebildet sind.
Weiterhin ist es möglich, dass die Distanzstege im Bereich der Zähne mäandrierend ausgebildet sind.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung sind die Distanzstege im Bereich der Zähne ein- oder zweiseitig mit seitlich an den Stegen angebrachten Verwirbelungs elementen versehen, wobei die Verwirbelungselemente vorzugsweise zweiseitig auf Lücke an den Distanzstegen angebracht sind.
Insbesondere können dabei die Verwirbelungselemente seitlich von den Distanzstegen abstehen.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die von der geradlinigen Form abweichende Ausgestaltung der Distanzstege auf den Bereich der Zähne beschränkt.
Es ist aber auch möglich, dass die Distanzstege im Bereich der Zähne in Verwirbelungselemente in Form von Leitblechen übergehen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Distanzstege im Bereich der Zähne eine Krümmung aufweisen, oder dass die Distanzstege im Bereich der Zähne aus der radialen Richtung heraus um einen vorgegebenen Winkel verkippt sind.
KURZE ERLAUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in axialer Richtung gesehen ein Statorblech mit radialen Distanzstegen gemäss dem Stand der Technik;
2 in radialer Richtung gesehen den durch die Distanzstege gemäss 1 aufgespannten Zwischenraum zum Kühlen des Statorkerns;
3 in einer zu 1 vergleichbaren Darstellung drei Ausführungsbeispiele von Distanzstegen nach der Erfindung;
4 in einer zu 3 vergleichbaren Darstellung drei weitere Ausführungsbeispiele von Distanzstegen nach der Erfindung; und
5 in einer zu 3 vergleichbaren Darstellung zwei weitere Ausführungsbeispiele von Distanzstegen nach der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 3 sind in einer Darstellung nebeneinander drei verschiedene Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemässe Beeinflussung der Kühlung im Zahnbereich der Statorbleche einer elektrischen Maschine durch eine spezielle Ausgestaltung der eingesetzten Distanzstege wiedergegeben. Ausgegangen wird hierbei wieder von einem Statorblech 11, das am inneren Umfang verteilt angeordnet gleichmässig beabstandete Zähne 13 aufweist, zwischen denen Wicklungsnuten 14 ausgebildet sind.
Im ersten Ausführungsbeispiel, das mit A bezeichnet ist, erstrecken sich die Distanzstege 16 in radialer Richtung durchgehend vom äusseren Rand des Statorbleches 11 bis in die Zähne 13 hinein zum inneren Rand des Statorbleches 11. Die Distanzstege 16 sind gleichmässig zickzackförmig ausgebildet mit gleich langen geraden Abschnitten, die abwechselnd in zwei unterschiedliche Richtungen orientiert sind. Hierdurch wird die radiale Strömung insbesondere im Zahnbereich gestört und eine Verwirbelung verursacht, die den Wärmeübergang zwischen Blech bzw. Wicklungsstäben und Kühlmedium verstärkt. Gleichzeitig ergibt sich durch die Zickzackform der Distanzstege 16 eine breitere Abstützung der Bleche.
Im zweiten Ausführungsbeispiel, das mit B bezeichnet ist, haben die Distanzstege 17 dieselbe radiale Länge wie im Beispiel A. Im Unterschied zu Beispiel A sind die Distanzstege 17 ausserhalb des Zahnbereichs als gerade Stege ausgebildet (Stegabschnitt 17a) und gehen erst kurz vor Eintritt in den Zahnbereich (13) in eine gewellte Form über (Stegabschnitt 17b), die ohne Knicke auskommt und mit gleichmässiger Periode und Amplitude hin- und herschwingt. Die Beeinflussung der Kühlströmung durch den Stegabschnitt 17b im Bereich der Zähne 13 hängt dabei von der Periode und Amplitude der Wellenform ab und kann über deren Wahl verändert werden.
Im dritten, mit C bezeichneten Ausführungsbeispiel der 3 sind ebenfalls Distanzstege 18 eingesetzt, die ausserhalb der Zähne 13 einen einfachen geraden Stegabschnitt 18a aufweisen, der kurz vor Eintritt in den Zahnbereich in einen mäandrierenden Stegabschnitt 18b mit einer Wellenform, die aus stückweise geraden Stegabschnitten zusammengesetzt ist, übergehen. Auch hier üben Periode und Amplitude der Wellenform einen Einfluss auf die Verwirbelung und damit auf den Wärmeübergang aus.
Andere Ausführungsbeispiele, wie sie mit der Bezeichnung D, E und F in 4 dargestellt sind, gehen unverändert von geraden Distanzstegen 19, 20, 21 aus, zu denen Verwirbelungselemente 19a, 20a und 21a hinzugefügt werden: Im Ausführungsbeispiel D der 4 werden an den (geraden) Distanzstegen 19 im Bereich der Zähne 13 seitlich alternierend und auf Lücke angeordnet Verwirbelungselemente 19a angebracht, die nach aussen gebogen sind und entsprechend in die Kühlströmung eingreifen. Es kann sich bei den Verwirbelungselementen 19a um an die Distanzstege 19 angeschweisste Blechstreifen oder dgl. handeln. Im Ausführungsbeispiel E der 4 sind anstelle der nach aussen abgebogenen Verwirbelungselemente 19a einfache kleine Blöcke als Verwirbelungselemente 20a eingesetzt. Im Ausführungsbeispiel F der 4 schliesslich enden die geraden Distanzstege bereits vor dem Zahnbereich und werden durch kleine Leitbleche ersetzt, die als Verwirbelungselemente 21a auf alternierende Weise schräg zur Strömungsrichtung in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Leitbleche bzw. Verwirbelungselemente 21a können dabei, um die Statorpressung ausreichend aufnehmen zu können, über Leisten miteinander verbunden sein, die allerdings in 4 nicht dargestellt sind.
Wieder andere Ausführungsbeispiele sind aus der 5 ersichtlich und mit G und H bezeichnet. Beim Ausführungsbeispiel G verlaufen die Distanzstege 22 schräg zur radialen Richtung und weisen im Bereich der Zähne 13 eine Krümmung 22a auf, welche die Strömung des Kühlmediums und damit den Wärmeübergang im Zahnbereich verändert. Beim Ausführungsbeispiel H werden in sich gerade Distanzstege 23 eingesetzt, die jedoch um einen Winkel w aus der radialen Richtung heraus gekippt angeordnet sind und im Bereich der Zähne 13 entsprechend schräg verlaufen. Diese Konfiguration ist besonders einfach zu realisieren, weil die Distanzstege selbst nicht verändert werden müssen, sondern nur ihre Einbaurichtung.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine einfache und wirkungsvolle Verbesserung der Kühlung im Bereich der Statorzähne, die mit Vorteil bei grossen, gekühlten elektrischen Maschinen eingesetzt werden kann.

10, 10': Stator (elektrische Maschine)
11: Statorblech
12: Distanzsteg
13: Zahn (Statorblech)
13': Rücken (Statorblech)
14: Wicklungsnut
15: Zwischenraum (Kühlkanal)
16,..,23: Distanzsteg
17a, b: Stegabschnitt
18a, b: Stegabschnitt
19a, 20a, 21a: Verwirbelungselement
22a: Krümmung
w: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0899856 A2 [0002]
- EP 0893871 B1 [0004]
- EP 0039049 A1 [0005]
- WO 2004/027960 A1 [0006]

Claims

Stator (10) für eine elektrische Maschine, welcher Stator (10) am inneren Umfang verteilt durch Zähne (13) getrennte radiale Wicklungsnuten (14) aufweist und eine Vielzahl von in axialer Richtung der Maschine gestapelte Statorbleche (11) umfasst, zwischen denen in bestimmten Abständen durch Einfügen von jeweils in einer Ebene senkrecht zur Maschinenachse liegenden und sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Distanzstegen (16,.., 23) Zwischenräume (15) zum Durchleiten eines Kühlmediums, insbesondere Kühlluft, ausgebildet sind, wobei in den Zwischenräumen (15) im Bereich der Zähne (13) Mittel (17b, 18b, 19a, 20a, 21a) zur lokalen Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen Kühlmedium und Stator (10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur lokalen Erhöhung des Wärmeübergangs die Distanzstege (16,.., 23) selbst herangezogen werden.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (16, 17, 18, 22) zumindest im Bereich der Zähne (13) eine von der geradlinigen Form abweichende Ausgestaltung aufweisen.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (16) im Bereich der Zähne (13) zickzackförmig ausgebildet sind.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (17) im Bereich der Zähne (13) wellenförmig (17b) ausgebildet sind.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (18) im Bereich der Zähne (13) mäandrierend (18b) ausgebildet sind.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (20, 21) im Bereich der Zähne (13) ein- oder zweiseitig mit seitlich an den Stegen angebrachten Verwirbelungselementen (19a, 20a) versehen sind.
Stator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungselemente (19a, 20a) zweiseitig auf Lücke an den Distanzstegen (19, 20) angebracht sind.
Stator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungselemente (19a, 20a) seitlich von den Distanzstegen (19, 20) abstehen.
Stator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der geradlinigen Form abweichende Ausgestaltung der Distanzstege (16, 17, 18, 22) auf den Bereich der Zähne (13) beschränkt ist.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (21) im Bereich der Zähne in Verwirbelungselemente (21a) in Form von Leitblechen übergehen.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (22) im Bereich der Zähne eine Krümmung (22a) aufweisen.
Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzstege (23) im Bereich der Zähne aus der radialen Richtung heraus um einen vorgegebenen Winkel (w) verkippt sind.
Elektrische Maschine, insbesondere Generator oder Motor, mit einem Rotor und einem den Rotor konzentrisch umgebenden, gekühlten Stator (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.