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Zur
Kühlung
einer elektrischen Maschine sind Lüfter vorgesehen. Mittels der
Lüfter
ist die im Betrieb in der elektrischen Maschine entstehende Verlustwärme abtransportierbar.
Elektrische Verluste welche die Verlustwärme erzeugen, entstehen beispielsweise
in einem Läufer
oder einem Ständer
der elektrischen Maschine.
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Aus
der
DE 925 596 sind beispielhaft
verschiedene Arten von Lüftern
und verschiedene Positionen zur Anordnung eines Lüfters gezeigt.
Der Lüfter
ist ebenso wie beispielsweise eine Welle oder ein Lager ein Funktionselement
der elektrischen Maschine. Bei elektrischen Maschinen ist die Kühlung effektiv
auszuführen
um die Ausnutzung der elektrischen Maschine zu erhöhen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine derart
auszubilden, dass diese eine effektive Kühlung aufweist. Eine weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten Aufbau der elektrischen
Maschine zu ermöglichen
um den Bauraum dieser elektrischen Maschine zu reduzieren.
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Die
Lösung
der Aufgabe gelingt mittels einer elektrischen Maschine, welche
die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Die Ansprüche 2 bis 8 sind erfinderische
Weiterbildungen der elektrischen Maschine.
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Eine
elektrische Maschine weist einen Ständer, einen Läufer, eine
Welle und einen Lüfter
auf. Der Läufer,
welcher an der Welle angebracht ist, weist zwei Stirnseiten auf.
Der Lüfter
ist zumindest an einer Stirnseite des Läufers angebracht. Weiterhin weist
der Läufer
ein Funktionselement auf, wobei der Lüfter in das Funktionselement
integriert ist. Der Lüfter
ist beispielsweise ein Radiallüfter.
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Durch
die Integration des Lüfters
in das Funktionselement werden zwei Funktionselemente einer elektrischen
Maschine zusammengefasst, wobei das weitere Funktionselement der
Lüfter
ist. Die Anzahl der Teile aus welchen die elektrische Maschine herstellbar
ist wird demzufolge reduziert. Das Funktionselement ist beispielsweise
eine Tarierscheibe und/oder eine Endscheibe und/oder eine Läuferhülse. Die
Tarierscheibe dient beispielsweise dem Auswuchten der elektrischen
Maschine. Die Endscheibe dient dem Abschluss eines Blechpakets,
wobei der Läufer
das Blechpaket aufweist. Die Läuferhülse ist
beispielsweise ein Mittel um den Läufer in einfacher Weise auf
einer Welle zu positionieren.
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Durch
die Integration des Lüfters
in das Funktionselement ist auch die Zeit, in der die elektrische
Maschine herstellbar ist, reduziert, da nur noch ein Teil zu montieren
ist.
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Die
elektrische Maschine weist also z.B. ein multifunktionales Funktionselement
auf, welches:
- • sowohl die Aufgabe eines Lüfters wie
auch die Aufgabe einer Endscheibe erfüllt und/oder
- • sowohl
die Aufgabe eines Lüfters
wie auch die Aufgabe einer Tarierscheibe erfüllt und/oder
- • sowohl
die Aufgabe eines Lüfters
wie auch die Aufgabe einer Läuferhülse erfüllt.
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Das
multifunktionale Funktionselement ist dabei in einer vorteilhaften
Ausgestaltung einteilig ausgeführt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine
ist der Lüfter
ein Radiallüfter,
wobei der Radiallüfter
eine axiale Ansaugrichtung und eine radiale Luftauslassöffnung aufweist.
Mittels der Ausgestaltung des Radiallüfters können verschiedene Luftführungen
realisiert wer den. Ein Radiallüfter
ist, wie eben beschrieben, derart ausführbar, dass dieser eine axiale
Ansaugrichtung und eine radiale Luftauslassöffnung aufweist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist der Radiallüfter derart
ausgebildet, dass dieser sowohl eine radiale Luftauslassöffnung als
auch eine radiale Ansaugrichtung aufweist. Damit lassen sich verschiedene
Luftführungen
innerhalb der elektrischen Maschine erzielen. Weist der Radiallüfter neben
entweder einer radialen Luftansaugung oder einem radialen Luftauslass
auch eine axiale Luftführung
auf, so ist dieser Radiallüfter
auch als Axiallüfter
bezeichenbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine
weist diese einen oder mehrere axial verlaufenden Kühlkanal
zur Führung eines
Kühlmediums
auf, wobei der axial verlaufende Kühlkanal zumindest eine Kühlkanalwand
aufweist, wobei zumindest eine Kühlkanalwand
von der Welle der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Das Kühlmedium
ist insbesondere Kühlluft.
Dadurch, dass der axial verlaufende Kühlkanal an der Welle angrenzt
ist die Welle in vorteilhafter Weise kühlbar. Dies verhindert, dass
Wärme,
die vom Läufer
auf die Welle übertragbar
ist die Welle derart erwärmt,
dass das Betriebsverhalten der Welle und deren Lebensdauer bzw.
z.B. auch eine Lagerung negativ beeinflusst. Die Lagerung ist insbesondere
bei Spindeln (insbesondere bei schnell drehenden Spindeln) von großer Bedeutung.
Auch die Drehzahl und das Drehmoment in der elektrischen Maschine
lassen sich mittels zur Nutzung des Kühlkanals oder der Kühlkanäle, welche
zumindest teilweise an der Welle angrenzen, verbessern.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine
ist der axial verlaufende Kühlkanal
mittels einer Nut in der Welle ausgebildet. Über die Welle sind beispielsweise
in symmetrischer Weise axial verlaufende Nuten verteilt.
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Vorteilhafterweise
ist die elektrische Maschine auch derart ausgebildet, dass ein Radiallüfter auf einer
Stirnseite des Läufers
zum Ansaugen des Kühlmediums
auf einer anderen Stirnseite des Läufers vorgesehen ist. Das Ansaugen
des Kühlmediums (insbesondere
Kühlluft)
erfolgt dabei mittels der axial verlaufenden Kühlkanäle die insbesondere zumindest
teilweise eine Kühlkanalwand,
welche von der Welle ausgebildet ist, aufweisen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft die elektrische Maschine derart auszubilden,
dass diese an beiden Stirnseiten des Läufers Radiallüfter aufweist.
Dadurch, dass an beiden Stirnseiten Radiallüfter angebracht sind, erhöht sich
die mögliche
Kühlleistung
der elektrischen Maschine.
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Ist
der Lüfter
als Radiallüfter
ausgeführt,
so weist dieser entweder zumindest einen radialen Luftauslass oder
zumindest einen radialen Lufteinlass auf.
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Im
folgenden ist die Erfindung in den Figuren anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine
elektrische Maschine nach dem Stand der Technik,
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2 einen
erfindungsgemäßen Läufer einer
elektrische Maschine,
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3 einen
Radiallüfter
an einer Stirnseite eines Läufers,
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4 skizzierte
Querschnitte eines Läufers,
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5 einen
weiteren Querschnitt eines Läufers,
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6 eine
Endscheibe mit integriertem Radiallüfter,
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7 eine
Läuferhülse mit
integriertem Radiallüfter
und
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8 Stufengeometrien
einer Läuferhülse.
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist
einen Ständer 3 und
einen Läufer 5 auf.
Der Läufer 5 ist
auf einer Welle 7 angebracht, welche eine Achse 9 aufweist.
Die elektrische Maschine weist einen Lüfter 13 und Radiallüfter 15, 16 auf.
Die Radiallüfter sind
zur Generierung eines Kühlluftstromes vorgesehen,
wobei der erzeugbare Kühlluftstrom
mittels Pfeilen 27 dargestellt ist. Der Ständer 3 ist
derart aufgebaut, dass dessen Wicklungen Wickelköpfe 11 ausbilden.
Die Kühlluft
ist im Inneren der elektrischen Maschine derart geführt, dass
diese die Wickelköpfe 11 durchstreicht
und/oder überstreicht.
Zur Führung der
Kühlluft
sind Luftleitelemente 19 vorgesehen. Zur Kühlung des
Ständers 3 sind
Kühlrippen 21 an
der Außenseite
der elektrischen Maschine 1 vorgesehen. Um die Kühlleistung
innerhalb der elektrischen Maschine zu erhöhen weist diese an beiden Stirnseiten 23 und 25 des
Läufers 5 Radiallüfter 15 und 16 auf.
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Die
Darstellung gemäß 2 zeigt
einen Läufer 5,
welcher an den Stirnseiten 23 und 25 Radiallüfter 16 und 18 aufweisen.
Der Radiallüfter 16 ist
in 3 detaillierter dargestellt. Neben der Lüfterfunktion
ist der Radiallüfter
auch derart ausgestaltbar, dass durch diesen die Möglichkeit
einer Tarierung besteht.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt
einen Radiallüfter 16 nach 2 derart
in einer perspektivischen Darstellung, dass radiale Luftauslassöffnungen 31 und
eine Luftansaugöffnung 33 erkennbar sind.
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Die
Darstellung gemäß 4 zeigt
einen Läufer 5 für eine elektrische
Maschine wobei der Läufer 5 Permanentmagnete 41 aufweist.
Die Darstellung zeigt sowohl einen Schnittdarstellung längs der Achse 9 als
auch eine Schnittdarstellung senkrecht zur Achse 9. Die
Permanentmagnete 41 sind auf einem Träger 40 aufgebracht.
Der Träger 40 befindet sich
auf einer Läuferhülse 35.
In die Läuferhülse 35 ist
im Bereich der Stirnseite 23 ein Radiallüfter integriert.
Der Radiallüfter
auf der Stirnseite 23 des Läufers 5 saugt Kühlluft gemäß den Pfeilen 27 aus
einer axialen Richtung an und ist derart ausgeführt, dass die Kühlluft in
einer radialen Richtung ausblasbar ist. Auf der Stirnseite 23 des
Läufers 5 ist
also der Radiallüfter
in die Läuferhülse 35 integriert.
Damit ist auch eine Kühlung
der Läuferhülse und
somit auch des Läufers
realisiert.
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Auf
der Stirnseite 25 des Läufers 5 ist
ein Radiallüfter
in eine Tarierscheibe 39 integriert. Die Tarierscheibe 39 dient
dem Auswuchten des Läufers 5 in
der elektrischen Maschine. Das Auswuchten erfolgt beispielsweise
dadurch, dass Material von der Tarierscheibe 39 abgetragen
wird. Der als Tarierscheibe ausgeführte Radiallüfter auf
der Stirnseite 25 der elektrischen Maschine weist also
einen Materialbereich auf, welcher zum Auswuchten abgetragen werden
kann. Die Darstellung gemäß 4 zeigt also
sowohl eine Läuferhülse mit
integriertem Radiallüfter 35 als
auch eine Tarierscheiben mit integrierten Radiallüfter 39,
wobei in der Schnittdarstellung senkrecht zur Achse 9 auch
Luftansaugöffnungen 33 dargestellt
sind.
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Die
Darstellung gemäß 5 zeigt
einen Läufer 5,
welcher eine Endscheibe 49 mit integriertem Radiallüfter 49 aufweist.
Die Endscheibe 49, welche sowohl auf der Stirnseite 23 als
auch auf der Stirnseite 25 zur Anwendung kommt, dient dazu,
ein Blechpaket 43, welches der Läufer 5 aufweist stirnseitig
abzuschließen.
Das Blechpaket 43 ist mittels von Ankern 45 und
von dazugehörigen
Ankermuttern 47 zusammengehalten. Alternativ kann die Befestigung
der Endscheibe 49 bei einem selbst tragenden Läuferpaket
(Backlack) auch mittels Schrauben erfolgen oder auch mittels einer
stoffschlüssigen
Verbindung (z.B. eine Klebeverbindung). Diese Alternativen sind
in der 5 allerdings nicht dargestellt.
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In
vorteilhafter Weise ist nun wie dargestellt die Endscheibe 49 derart
ausgebildet, dass diese gleichzeitig nicht nur die Funktion der
Endscheibe ausübt,
sondern auch einen integrierten Radiallüfter darstellt. Eine stirnseitige
Ansicht der Endscheibe 49 mit integriertem Radiallüfter ist
in 6 dargestellt.
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Die
Darstellung gemäß 7 zeigt
einen Läufer 5 der
elektrischen Maschine, welcher derart ausgebildet ist, dass zur
Kühlung
axial verlaufende Kühlkanäle 53 vorgesehen
sind. Mittels der Läuferhülse 35 mit
integriertem Radiallüfter 37 ist
Kühlluft von
der Stirnseite 25 auf die Stirnseite 23 saugbar. Dies
ist mittels der Pfeile 27 veranschaulicht. Der Läufer 5 weist
gemäß der stirnseitigen
Ansicht in 7 vier Kühlkanäle 53 auf. Nicht dargestellt
sind weitere Ausführungsformen
z.B. polygoner Art, mit welchen eine andere Anzahl von Kühlkanälen realisierbar
ist. Zur Ausbildung der Kühlkanäle 53 ist
die Welle 7 zumindest im Bereich des Läufers 5 polygon (z.B.
rechteckförmig)
ausgeführt.
Im Bereich einer Nahtstelle 36 zwischen der Welle 7 und
der Läuferhülse 35 erfolgt
eine Drehmomentübertragung
z.B. reib-, form- und/oder stoffschlüssig.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Welle 7 ist diese auch
mit Nuten versehbar, wobei die Nuten als Kühlkanäle dienen. Dies ist jedoch
in 7 nicht dargestellt. Auf der Stirnseite 25 ist
eine Tarierscheibe 39 mit integriertem Radiallüfter gezeigt.
Mittels dieses in die Tarierscheibe integrierten Radiallüfters 39 ist
Kühlluft
aus einer axialen Richtung ansaugbar und in eine radiale Richtung
ausblasbar. In der Schnittdarstellung quer zur Achse 9 ergibt
sich ein möglicher
Verlauf des Kühlluftstromes
durch die Richtungsangaben 55.
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Durch
die Integration des Radiallüfters
und seiner Lüftergeometrie
direkt in die Läuferhülse und/oder
durch die unmittelbare Integration in die am Läufer befindliche Tarierscheibe
ist eine gezielte Luftzuführung
im Gleich- und/oder Gegenstromprinzip ausführbar. Ein Volumenstrom der
Kühlluft
kann durch Auswahl und Ausführung
der Strömungsquerschnitte
auf dem jeweiligen Anwendungsfall zugeschnitten werden.
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Die
Darstellung gemäß 8 zeigt
zwei verschiedene Stufengeometrien 34 der Läuferhülse 35 im
Bereich ihrer Stirnseiten.
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Sind
nun an beiden Stirnseiten Radiallüfter vorgesehen so ist vorteilhafter
Weise auf einer Antriebsseite der elektrischen Maschine ein großer Lüfter vorgesehen
und auf einer Bedienseite der elektrischen Maschine ein kleinerer
Lüfter
vorgesehen. Die Stufengeometrien sind dabei an die Lüftergröße angepasst.
Für einen
großen
Radiallüfter
ist eine größere Stufe
vorgesehen als wie für
einen kleineren Radiallüfter.