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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und
einem Rotor (betrifft also einen Generator oder Motor), mit einem
nach außen abgeschlossenen
Innenluftkreissystem zur direkten Kühlung von Stator und Rotor,
und mit einem äußeren Fluidleitsystem
mit zumindest einem Kühlkanal, durch
den ein Fluid geleitet werden kann, um Luft in dem Innenluftkreislauf
abzukühlen.
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Letzteres
Fluid zur Kühlung
der Luft in dem Innenluftkreislauf ist im Stand der Technik alternativ Luft
oder Wasser.
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Die
konkrete Bauart derartiger elektrischer Maschinen ist jeweils für eine der
Kühlungsarten, also
mit Luft oder Wasser, konzipiert. Soll anstelle von Luft mit Wasser
gekühlt
werden oder umgekehrt anstelle von Wasser mit Luft gekühlt werden,
müssen derartige
elektrische Maschinen bisher aufwändig umkonstruiert werden.
Dies ist insbesondere dann störend,
wenn die elektrische Maschine in nur kleinen Stückzahlen gebaut werden soll.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine bereitzustellen,
die die genannten Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
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Die
Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist somit
jeder Kühlkanal
(des äußeren Fluidleitsystems)
dazu ausgelegt, sowohl zur Durchleitung eines Kühlgases, insbesondere von Luft,
als auch zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit, insbesondere von Wasser,
zu dienen. Die elektrische Maschine kann wahlweise dazu ausgelegt
(bzw. ausgestattet) werden, ein Kühlgas in alle Kühlkanäle zu befördern oder eine
Kühlflüssigkeit
in alle Kühlkanäle zu leiten.
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Die
Erfindung stellt also eine elektrische Maschine der eingangs genannten
Art bereit, welche nur in einer Version gebaut werden muss. Beim
Wechsel der Kühlart
(des Kühlfluids)
für das äußere Fluidleitsystem
muss die elektrische Maschine insbesondere nicht neu und anders
gebaut werden, sondern es kann die vorhandene elektrische Maschine
genutzt werden.
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Die
wahlweise Auslegung (oder Ausstattung) der elektrischen Maschine
kann so aussehen, dass zumindest an einer Seite wahlweise angebracht
sein kann:
- a) ein Deckel mit einem Wasseranschluss
zur Zufuhr von Wasser in die Kühlkanäle oder
- b) ein Lüfter,
vorzugsweise ein drehbares Lüfterrad,
zum Ansaugen von Luft, die in die Kühlkanäle führt.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
somit einen schnellen Umbau der elektrischen Maschine von Wasserkühlung in
Luftkühlung,
wobei die Luftkühlung eine
Eigenkühlung
der elektrischen Maschine umfasst und keine Fremdkühlung. Die
Eigenkühlung durch
einen Lüfter
ist besonders effizient.
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Bevorzugt
ist durch den Rotor eine Drehachse definiert, und eine Mehrzahl
an Kühlkanälen des äußeren Fluidleitsystems
verläuft
parallel zu dieser Achse (beispielsweise auf einem achsenzentrierten Kreis).
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Die
Erfindung geht somit in der bevorzugten Ausführungsform von bisherigen Konzepten
ab, bei denen ein einziger Kühlkanal
verwendet wird, der spiralförmig
verläuft.
Durch das Verwenden einer Mehrzahl von axialen Kühlkanälen kann der Gesamtdurchsatz
an Kühlflüssigkeit
erhöht
werden.
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Um
bei den axialen Kanälen
die Einleitung von Kühlflüssigkeit
in die Kanäle
zu erleichtern, ist zumindest bei Auslegung der elektrischen Maschine zur
Einleitung von Kühlflüssigkeit
folgendes vorgesehen: An einer Fluideinleitseite der Kanäle und/oder einer
Fluidaustrittsseite der Kanäle
ist eine die Kanäle
verbindende ringförmige
Kammer (Ring um die Drehachse) zur Verteilung des Fluids in die
Kanäle bzw.
zur Sammlung des Fluids aus den Kanälen angeordnet. Der Ring ist
bei Verwendung des oben genannten Lüfters bzw. Lüfterrades
nicht unbedingt erforderlich. Bei Verwendung des Deckels kann der
an der Seite der elektrischen Maschine angebrachte Deckel eine Wand
des Rings bilden, und sonst kann die Vorrichtung teilweise zur Zufuhr
von Luft mittels des Lüfterrads
offen sein.
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Bevorzugt
erfolgt ein Wärmeaustausch
von Kühlkanälen und
Innenluftkreislaufsystemen über
die gesamte Länge
der Kühlkanäle. Hierzu
kann vorgesehen sein, dass das Innenluftkreislaufsystem ebenfalls
parallel zu der Drehachse verlaufende Kanäle umfasst. Diese sollten dann
einen Wärmeaustausch mit
den Kühlkanälen des äußeren Fluidleitsystems ermöglichen.
Hierzu wechseln sie sich z.B. mit den Kühlkanälen des äußeren Fluidleitsystems (insbesondere
entlang des Umfangs eines die Drehachse umgebenen Kreises, d.h.
ringförmig)
ab.
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Naturgemäß arbeitet
ein solches System insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Luftdurchführung im
Innenluftkreislaufsystem gegenläufig
zu der Fluidrichtung in den Kühlkanälen des äußeren Fluidleitsystems
ist.
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Die
Anordnung der Kühlkanäle des äußeren Fluidleitssystems
und der genannten Kanäle
des Innenluftkreissystems ermöglicht
deren Unterbringung in einem einzigen Gehäuse.
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Bevorzugt
ist das Gehäuse
mit einem Lagerschild der elektrischen Maschine einstückig. Das
Lagerschild hält
ein Lager, und das Lager lagert eine Welle, wobei dies die Welle
ist, mittels derer der Rotor dreht bzw. die umgekehrt vom Rotor
gedreht wird. Durch die Welle kann die obige Drehachse definiert sein.
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In
aller Regel sind zu beiden Seiten des Grundgehäuses Lager und Lagerschilde
vorgesehen. An zumindest einer der Seiten kann das Gehäuse einstückig mit
diesem Lagerschild sein.
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Dies
kann insbesondere die Seite sein, an der der oben genannte Deckel
und Lüfter
bzw. ein Luftleitblech befestigt werden.
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Dadurch
wird die Montage von Deckel bzw. Lüfter erleichtert. Insbesondere
kann Deckel und Lüfter
an Bauteilen befestigt werden, die zu dem Lagerschildteil des Gehäuses noch
gehören,
was aber wegen der Verbindung mit dem Grundgehäuse zu einem einstückigen Gehäuse eine
besonders stabile Befestigung ist.
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Bevorzugt
ist das Gehäuse
aus Eisenstahl mittels Sphäroguss
oder Grauguss hergestellt. Alternativ kann es aus Aluminium gegossen
sein.
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Nachfolgend
wird eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei.
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1 schematisch
einen Schnitt durch die elektrische Maschine gemäß der Erfindung bei Auslegung
für Wasserkühlung darstellt,
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2 einen
teilweisen Schnitt durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine senkrecht
zu dem Schritt gemäß 1 darstellt,
welcher zur Veranschaulichung der Anordnung der Kanäle dient
und
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3 einen
der 1 entsprechenden Schnitt durch die elektrische
Maschine gemäß der Erfindung
bei Auslegung für
Luftkühlung,
insbesondere Eigenbelüftung,
darstellt.
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Die
in den Figuren dargestellte elektrische Maschine kann ein Generator
oder ein Motor sein. Dementsprechend umfasst sie einen Stator 10 mit Wickelköpfen 12 und
einen Rotor 14. Der Rotor 14 steht in Wirkverbindung
mit einer Welle 16. Bei Betrieb der elektrischen Maschine
als Motor wird durch den Stator 10 eine Drehung des Rotors 14 und
damit der Welle 16 hervorgerufen. Bei Betrieb des Generators
wird die Welle 16 über
eine Kupplung 18 an ein anderes drehendes Element, beispiels weise
eine Welle eines Dieselmotors, angeschlossen, dreht den Rotor 14 und
erzeugt einen elektrischen Strom, der am Stator 10 über elektrische
Anschlüsse 20 bzw. 20' und 20'' (vgl. 2) abgegriffen
werden kann.
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Bei
der dargestellten elektrischen Maschine ist die Abtriebsseite (AS,
auch DE (Drive End) genannt) im Bild links und die Bremsseite (BS,
auch NDE (Non Drive End) genannt) im Bild rechts. Abtriebsseitig
ist die Welle 16 in einem Lager 22 gelagert, der
von einem Lagerschild 24 gehalten ist. Bremsseitig ist
die Welle 16 in einem Lager 26 gelagert, der von
einem lagerschildartigen Abschnitt 28 gehalten ist. Der
Abschnitt 28 stellt kein besonderes Bauteil dar, sondern
ist einstückig
mit einem Gehäuse 30,
das die gesamte elektrische Maschine umgibt.
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Die
beiden Situationen, die in 1 und 3 dargestellt
sind, unterscheiden sich dadurch, dass jeweils an der Bremsseite
der elektrischen Maschine eine unterschiedliche Anschlussvorrichtung angebracht
ist. Im Falle von 1 ist für die Kühlung mit Wasser an der Bremsseite
ein Deckel 32 angebracht, der einen Wasseranschluss 34 zur
Zufuhr von Wasser aufweist. Der Deckel 32 ist am Gehäuse 30 befestigt,
insbesondere an einem Rand 36 des Gehäuses, der über den Lagerschild-Abschnitt 28 hinaussteht.
Durch die einstückige
Ausbildung von Lagerschild-Abschnitt 28 und Gehäuse 30 ist
die Verbindung des Deckels 32 mit dem Gehäuse 30 besonders
stabil.
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Bei
der Eigenbelüftung
gemäß 3 ist
anstelle des Deckels an der Welle 16 ein Lüfterrad 38 angeordnet,
das sich mit der Welle 16 dreht. An dem Rand 36 sind
Luftleitbleche 40 zum Leiten von Luft ins Innere des Gehäuses 30 befestigt.
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Die
Wege der Kühlfluide
sind anhand der Pfeile in 3 ersichtlich.
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Im
oberen Bereich der 3 ist der Innenluftkreislauf
veranschaulicht. In einer Richtung (in der 3 von rechts
nach links) durchströmt
die Luft Kanäle 42 und 44 im
Rotor 14. Die Luft tritt dann in den Läuferdruckring 46 ein,
der in den Innenluftkreislauf integriert ist. Die Luft strömt an dem
ersten Wickelkopf 12 vorbei und strömt dann in 3 von
links nach rechts in einem Kühlkanal 48,
der an einer Seite durch das Gehäuse 30 abgegrenzt
ist und an der anderen Seite entlang des Stators 10 verläuft. Die
Luft strömt
dann (in 3 nach unten) an dem Wickelkopf 12 vorbei.
Bevor sie wieder in die Kanäle 42 und 44 in
dem Rotor 14 eintritt, kühlt sie sich im Bereich des
Lagerschild-Abschnitts 28 des Gehäuses 30 ab. Dort findet
also ein Wärmetausch
statt. Dies ist im unteren Teil von 3 zu erkennen:
Das Lüfterrad 38 bildet
mit dem Luftleitblech 40 eine Öffnung 50, durch die
(siehe Pfeile) Luft eintritt. Die Luft strömt an dem Abschnitt 28 des
Gehäuses
vorbei und nimmt von der Luft in dem gerade beschriebenen Innenluftkreislauf Wärme auf.
Die Luft durchströmt
dann weiter einen Kühlkanal 52,
der durch das Gehäuse 30 einerseits abgegrenzt
ist und andererseits gegenüber
dem Stator eine Wand 54 aufweist, die in Verlängerung
des Lagerschild-Abschnitts 28 angeordnet
ist.
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Während 3 nur
einen Kanal 48 und einen Kanal 52 zeigt, sind
in der elektrischen Maschine eine Mehrzahl von solchen Kanälen vorgesehen. Dies
ist in 2 veranschaulicht. 2 zeigt,
dass sämtliche
Kanäle 48 und 52 in
einem Ring um die Welle 16 herum angeordnet sind. Hierbei
wechselt sich jeweils ein Kanal 48 mit mehreren Kühlkanälen des äußeren Fluidleitsystems 52 ab.
Da die Luft in den Kanälen 48 in
gegenläufiger
Richtung zu dem Fluid in den Kanälen 52 geleitet
wird, ergibt sich keine feste Temperaturverteilung am Gehäuse 30.
Vielmehr sorgt die Leitfähigkeit
des Gehäuses 30 für einen
Wärmeaustausch
zwischen den Kanälen 48 einerseits
und den Kanälen 52 andererseits.
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Durch
das sich drehende Lüfterrad 38 ist
gewährleistet,
dass bei einer vollen Umdrehung des Lüfterrads 38 in jedem
der Kanäle 52 zumindest
einmal Luft eingeströmt
ist.
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Die
Luft strömt
dann an dem freien Ende 56 ins Freie aus.
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Die
Situation des Ein- und Ausströmens
ist bei Wasserkühlung
nicht ganz so einfach. Insbesondere muss das Wasser auf die verschiedenen
Kanäle 52 verteilt
werden. Dies geschieht mit Hilfe einer ringförmigen Kammer 58 (1),
die zwischen dem Abschnitt 28 bzw. einer dort eingesetzten
Wand 60 und dem Deckel 32 ausgebildet ist. Die
Kammer 58 erstreckt sich über den gesamten Umfang eines
Rings, wie er in 2 zu erkennen ist. Wasser, das über den Anschluss 34 in
die Kammer 58 gelangt, verteilt sich somit über den
gesamten Ring und kann damit in sämtliche der Kanäle 52 eintreten.
Die Flüssigkeit
tritt an einem Auslass 62 wieder aus, nachdem sie den Kanal 52 durchströmt hat.
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Bei
der in der Figur gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich zu
der ringförmigen Kammer 58 an
der Einlassseite der Kanäle 52 auch an
deren Auslassseite eine ringförmige
Kammer 64 vorgesehen (siehe 1 links
unten). Es muss somit nicht zu jedem der Kanäle 52 ein Auslass 62 vorgesehen
sein. Vielmehr kann die durch die Kanäle 52 gelangte Flüssigkeit
in der ringförmigen
Kammer 64 gesammelt werden und an einer bestimmten Stelle durch
den Auslass 62 austreten.
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Naturgemäß kann bei
Verwendung von Flüssigkeit
nicht eine Öffnung
wie die in 3 gezeigte Öffnung 56 vorhanden
sein. Stattdessen wird an geeigneter Stelle ein Abschlussstück 66 angesetzt,
welches in einen Deckel 68 übergeht. Die dadurch gebildeten
Kammern, beispielsweise eine Kammer 70, wird ebenfalls
mit Wasser gefüllt
und dient zur Kühlung
des Lagerschilds 24. Die Kühlung erfolgt somit nicht nur
an der Bremsseite im Bereich des Lagerschild-Abschnitts 28,
sondern auch an der Abtriebsseite im Bereich des Lagerschilds 24.
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Bei
der dargestellten elektrischen Maschine ist sowohl bei Kühlung mit
Wasser als auch bei Kühlung
mit Luft gewährleistet,
dass das Kühlfluid
in optimaler Weise wirkt. Die Temperaturverteilung und damit die
Kühlung
verläuft
gleichmäßig verteilt
sowohl über
den Umfang des Kreises, der in 2 gezeigt
ist, als auch über
die Länge
der Kanäle 48 und 52.
Durch die axiale Anordnung der Kanäle 52 ist im Falle
der Eigenbelüftung
die Druckverteilung im Fluidsystem optimal. Durch das Bereitstellen
der Kammern 58 und 64 treten bei Wasserkühlung keine
Probleme bei der Einleitung und beim Auslass des Wassers auf.
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Ein
weiterer Aspekt der elektrischen Maschine ist es, dass das Gehäuse 30 einstückig mit
dem Lagerschild-Abschnitt 28 sein kann, wobei gewährleistet
ist, dass der Deckel 32 bzw. der Lüfter 38 gut und stabil
an der elektrischen Maschine befestigt werden können. Dadurch wird die elektrische
Maschine leicht von Wasserkühlung
auf Luftkühlung
umbaubar und umgekehrt. Die elektrische Maschine, wie sie gezeigt
ist, kann auch in kleinen Stückzahlen hergestellt
werden, weil sie vielseitig, insbesondere für zwei Kühlungsarten, einsetzbar ist.