DE102006007434B4 - Electric machine with liquid metal bearings - Google Patents

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Abstract

Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), der drehfest mit einer Welle (4) verbunden ist, wobei die Welle (4) zumindest in einem Lager (5) gelagert ist, wobei auf der dem Rotor (3) zugewandten Seite des das Lager (5) aufnehmenden Lagerschildes (10) ein Fortsatz (18), insbesondere in Richtung der Welle (4), vorgesehen ist, derart, dass sich zwischen Fortsatz (18) und Welle (4) eine Anordnung (30) befindet, die ein feststehendes (31) und ein mitrotierendes Basisteil (32) aufweist und sich dazwischen ein wärmeleitfähiges und elektrisch leitfähiges Material befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (30) als eine Flüssigmetallanordnung, insbesondere als Flüssigmetalllager, ausgebildet ist.electrical Machine (1) with a stator (2) and a rotor (3), the rotationally fixed is connected to a shaft (4), wherein the shaft (4) at least is mounted in a bearing (5), wherein on the rotor (3) facing Side of the bearing (5) receiving bearing plate (10) has an extension (18), in particular in the direction of the shaft (4) is provided, in such a way that between extension (18) and shaft (4) an arrangement (30) having a fixed (31) and co-rotating base (32). has and therebetween a thermally conductive and electrically conductive material located, characterized in that the arrangement (30) as a Liquid metal arrangement especially as liquid metal bearings, is trained.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an electric machine with a stator and a rotor according to the preamble of claim 1.

In elektrischen Maschinen entsteht, u.a. im Innenraum der elektrischen Maschine, insbesondere im Stator und Rotor, Verlustwärme, z.B. aufgrund von Wirbelstromverlusten. Die Verlustwärme des Stators wird über den Blechkörper des Stators an im Stator verlaufende Kühlkanäle oder radial nach außen über das Gehäuse an die Umgebung abgegeben. Trotz allem kann auch ein Teil der Verlustwärme über den Luftspalt der elektrischen Maschine in den Rotor eingetragen werden.In electrical machines arises, i.a. in the interior of the electric Machine, especially in the stator and rotor, heat loss, e.g. due to eddy current losses. The heat loss of the stator is over the sheet metal body of the stator to cooling channels extending in the stator or radially outward over the casing delivered to the environment. Despite all this, part of the heat loss through the air gap can be the electric machine can be registered in the rotor.

Des Weiteren erzeugt auch der Rotor Verluste, die zum Teil über den Luftspalt in den Stator übertragen werden und mit den oben genannten Kühlmedien abtransportiert werden. Ein Großteil der im Rotor erzeugten Verlustwärme wird jedoch auf die Welle übertragen und von dort in die axialen Ausbreitungsrichtungen der Welle transportiert.Of Furthermore, the rotor also generates losses, in part over the Air gap transferred to the stator be removed and with the above-mentioned cooling media. A big part the heat loss generated in the rotor but is transmitted to the shaft and transported from there in the axial propagation directions of the shaft.

Insbesondere bei elektrischen Maschinen höherer Schutzart z.B. IP54, kann diese Verlustwärme nunmehr nur über die vorhandenen angrenzenden Bauteile abgeführt werden. Des Weiteren steigt mit zunehmender Leistung der elektrischen Maschine auch die Verlustwärme im Inneren dieser Maschine. Ein Teil dieser nicht zu vernachlässigenden Verlustwärme wird über die Welle und damit letztendlich über die Lager abgeführt.Especially higher in electrical machines Protection class e.g. IP54, this heat loss can now only on the existing adjacent components are removed. Furthermore, increases with increasing power of the electric machine also the heat loss inside this machine. Part of this not negligible heat loss will over the wave and thus ultimately discharged through the bearings.

Da die Lager jedoch nur eine begrenzte Verlustwärmemenge aus dem Innenraum der elektrischen Maschine zu kälteren Teilen der elektrischen Maschine, wie z.B. Lagerschilde abführen können, wird die Kompaktheit der elektrischen Maschine, d.h. möglichst viel Leistung aus einer möglichst, auf das Bauvolumen bezogen kleinen Maschine zu entnehmen, äußerst begrenzt.There However, the stock only a limited amount of heat loss from the interior to cool the electric machine Dividing the electric machine, such as Can dissipate bearing shields is the compactness of the electric machine, i. preferably a lot of power from one, to refer to the volume of construction small machine, extremely limited.

Des Weiteren reduziert sich mit zunehmender thermischer Belastung die Lagerstandzeit durch die Reduzierung der Schmiermittelgebrauchsdauer. Werden bestimmte Grenzen der thermischen Belastung überschritten, fallen die Lager u.a. durch den Verlust ihrer Maßhaltigkeit aus. Damit ist ein weiterer Betrieb dieser elektrischen Maschine ohne Lagerwechsel nicht mehr möglich.Of Further reduces with increasing thermal stress the Shelf life by reducing the lubricant service life. Become certain limits of the thermal load are exceeded, the bearings fall et al by losing their dimensional stability out. This is another operation of this electric machine without bearing change no longer possible.

Um die Verlustwärmemenge über das Lager zu reduzieren, kann ein zusätzliches Lüfterrad, das auf die Rotorwelle aufgebracht ist, die Luft im Inneren der elektrischen Maschine zusätzlich verwirbeln, so dass sich ein innerer Kühlkreislauf einstellt. Nachteilig dabei ist aber, dass diese Lösung zusätzliche Teile und damit einen erhöhten Montageaufwand erfordert. Des Weiteren werden bei höheren Drehzahlen der elektrischen Maschine zusätzliche Reibverluste und Geräusche erzeugt.Around the amount of heat loss through the To reduce bearing, an additional fan wheel can be attached to the rotor shaft is applied to additionally swirl the air inside the electric machine, so that an inner cooling circuit established. The disadvantage here is that this solution is additional Parts and therefore an increased Installation effort required. Furthermore, at higher speeds of the electric machine additional Frictional losses and noise generated.

Eine Möglichkeit die thermische Grenze zu verschieben besteht darin die Lager dem erhöhten Verlustwärmemengeneintrag anzupassen, in dem sie mit maßstabilen, d.h. wärmebehandelten Komponenten ausgeführt sind. Nachteilig dabei ist, dass dabei nur die Maßhaltigkeit der Lager verbessert wird. Eine Verlängerung der Schmierstoffgebrauchsdauer wird dadurch nicht erreicht.A possibility To shift the thermal limit consists of the bearings increased loss of heat input in which they are dimensionally stable, i.e. heat treated Components executed are. The disadvantage here is that while only the dimensional accuracy the bearing is improved. An extension of the lubricant service life is not achieved.

Zwar können die Lager durch Ölmengenschmierungen mit erhöhtem Schmierstoffgebrauchsdauern versehen werden, d.h. durch das Lager wird eine größere Ölmenge als die zur Schmierung erforderliche gepumpt, dabei sind aber zusätzliche Aggregate notwendig, die den Ölkreislauf aufrechterhalten. Des Weiteren ist das Lagerumfeld wegen der nunmehr anstehenden Dichtungsproblematik wesentlich aufwändiger zu gestalten.Though can the bearings by oil quantity lubrication with elevated Lubricant service lives are provided, i. through the camp will be a larger amount of oil than pumped for lubrication, but there are additional Aggregates necessary that the oil circulation maintained. Furthermore, the camp environment is due to the now pending sealing problem much more complex.

Des Weiteren kann die Welle speziell durch zusätzliche Kühlelemente gekühlt werden, so dass die Verlustwärmemenge, die über das Lager abgegeben wird, direkt aus der Welle abgeführt werden kann. Nachteilig dabei ist, die aufwändige und damit kostenintensive Realisierung dieser Lösung.Of Furthermore, the shaft can be cooled specifically by additional cooling elements, so that the amount of heat loss, the above the bearing is discharged, can be discharged directly from the shaft. The disadvantage here is the elaborate and thus cost-intensive realization of this solution.

So ist z.B. aus der CH 381 026 A der Wärmeschutz eines Lagers beschrieben, bei der die im Lager gelagerte Welle als Hohlwelle ausgeführt ist und einen Wärmeschutz des Lagers aufweist. Damit ist das Lager gegenüber erhöhten Wärmeverlustmengenabgaben der Hohlwelle geschützt und es sind ausreichende Schmiermittelgebrauchsdauern möglich. Nachteilig dabei ist, dass die Welle als Hohlwelle ausgeführt werden muss und an die Materialeigenschaften des Kühlkörpers erhöhte Anforderungen zu stellen sind.For example, from the CH 381 026 A describes the thermal protection of a bearing, in which the shaft mounted in the bearing is designed as a hollow shaft and has a thermal protection of the bearing. Thus, the bearing is protected against increased heat loss amounts of the hollow shaft and there are sufficient lubricant service life possible. The disadvantage here is that the shaft must be designed as a hollow shaft and to make increased demands on the material properties of the heat sink.

Bei elektrischen Maschinen ist außerdem bekannt, dass durch unvermeidliche und symmetrische Magnetfelder so genannte Wellenspannungen in den elektrisch leitfähigen Teil der elektrischen Maschine induziert werden. Diese induzierten Spannungen können zu einem Stromfluss in einer aus der Welle des Rotors, den Lagern des Rotors und dem Gehäuse gebildeten Schleifen führen, den so genannten Wellenstrom. Weitere Ursachen für die Entstehung von Wellenströmen können kapazitive Einkopplungen sein, die insbesondere bei deren heutzutage verstärkt verwendeten umrichtergesteuerten Antrieben mit hohen Änderungsgeschwindigkeiten der Steuerung verstärkt auftreten. Die auftretenden Wellenströme stellen insbesondere im Bereich der Lager des Rotors ein großes Problem dar.at electric machines is also known so-called by unavoidable and symmetric magnetic fields Shaft voltages in the electrically conductive part of the electrical Machine be induced. These induced voltages can too a current flow in one of the shaft of the rotor, the bearings of the Rotor and the housing lead formed loops, the so-called wave current. Other causes of the formation of wave currents can be capacitive Couplings, especially in today's increasingly used Inverter - controlled drives with high rates of change Reinforced control occur. The occurring wave currents represent in particular in Area of bearings of the rotor is a big problem.

Um den Wellenstrom zu verhindern, ist es bekannt, den gehäuseseitigen Teil wenigstens eines Lagers gegenüber den Erdpotential auf dem die sonstigen Teile des Gehäuses der elektrischen Maschine üblicherweise liegt, zu isolieren. Dadurch wird der Wellenstromfluss in der eingangs genannten Schleife unterbrochen. Dies bedeutet jedoch einen erheblichen Aufwand, da tragende Teile der elektrischen Maschine isoliert werden müssen.To prevent the wave current, it is known, the housing-side part of at least one bearing against the ground potential on which the other parts of the housing of the electrical machine is usually located to isolate. As a result, the wave current flow is interrupted in the aforementioned loop. However, this means a considerable effort, since supporting parts of the electrical machine must be isolated.

Aus der DE 103 18 194 A1 ist eine Röntgenröhre mit Flüssigmetall-Gleitlager bekannt, bei der die Drehanode als Hohlkörper ausgebildet, in dessen Innenraum ein achsfester Ringvorsprung eingreift, so dass zumindest zwischen einer Innenfläche der Drehanode und der angrenzenden Außenfläche des Ringvorsprungs ein mit Flüssigmetall gefüllter Spalt gebildet ist.From the DE 103 18 194 A1 An X-ray tube with a liquid metal sliding bearing is known in which the rotary anode is formed as a hollow body, in the interior of which an axially fixed annular projection engages, so that a gap filled with liquid metal is formed at least between an inner surface of the rotary anode and the adjacent outer surface of the annular projection.

Aus der DE 100 17 777 A1 ist eine Röntgenröhre bekannt, mit einer mittels innerhalb des Vakuumgehäuses angeordneten Wälzlagerung drehbar gelagerten Anode, wobei der die Wälzlagerung aufnehmende Raum mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Dampfdruck unterhalb des in dem Vakuumgehäuse liegenden Druckes liegt und wobei die Flüssigkeit in wärmeleitender Verbindung mit einem außerhalb des Vakuumgehäuses befindlichen Kühlmedium steht.From the DE 100 17 777 A1 an x-ray tube is known, with an arranged inside the vacuum housing roller bearing rotatably mounted anode, wherein the rolling bearing receiving space is filled with a liquid whose vapor pressure is below the lying in the vacuum housing pressure and wherein the liquid in heat-conducting connection with an outside of the Vacuum housing located cooling medium is.

Aus der DE 647 316 , die als nächstliegender Stand der Technik betrachtet wird, ist eine Einrichtung an elektrischen Maschinen zur Sicherung der Lager gegen unzulässige Erwärmung bekannt, wobei der Läufer durch in Flansche oder dergleichen endigende Wärmebrücken aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Aluminium, mit dem die Wärme an die Außenluft abgebenden Maschinengehäuse verbunden ist, das sich mit Flanschteilen oder dergleichen über eine größere Länge unter Belassung eines Luftspaltes an die Flanschteile des Läufers anschmiegt.From the DE 647 316 is considered as the closest prior art, a device on electrical machines for securing the bearings against excessive heating is known, the rotor by flanges or the like terminating thermal bridges of a material of high thermal conductivity, in particular aluminum, with which the heat to the Outdoor air donating machine housing is connected, which conforms with flange or the like over a greater length, leaving an air gap to the flange parts of the rotor.

Ausgehend von der aus dem nächstliegenden Stand der Technik bekannten elektrischen Maschine liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabfuhr aus dem Rotor sowie das Ableiten von Wellenströmen zu verbessern und gleichzeitig die Lebensdauer der elektrischen Maschine zu erhöhen.outgoing from the nearest State of the art known electric machine is the invention the task is based on the heat dissipation from the rotor as well as deriving wave currents to improve and at the same time to increase the life of the electrical machine.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Lehre des Anspruchs 1.The solution The object is achieved by the teaching of claim 1.

Der Fortsatz des Lagerschildes ist in einer bevorzugten Ausführung derart ausgeführt, dass der aus Sicht der elektrischen Maschine vor dem eigentlichen Lager angeordnet ist. Dies führt zu keiner axialen Erweiterung des Bauvolumens der elektrischen Maschine. Grundsätzlich kann der Fortsatz auch nach dem Lager angeordnet sein.Of the Extension of the bearing plate is in a preferred embodiment such executed that from the point of view of the electric machine before the actual Bearing is arranged. this leads to to no axial extension of the volume of the electrical machine. in principle the extension can also be arranged after the bearing.

Der Fortsatz umfasst die Welle des Rotors, wobei sich sowohl auf dem Rotor als auch an dem Fortsatz gegenüberliegende korrespondierende Basisteile befinden, die durch einen Spalt voneinander beabstandet sind und wobei im Spalt eine Flüssigmetalllegierung vorhanden ist.Of the Extension includes the shaft of the rotor, being both on the Rotor as well as on the extension opposite corresponding Base parts are located, which are spaced apart by a gap are and wherein in the gap a liquid metal alloy is available.

Diese Flüssigmetalllegierung ist sowohl ein guter elektrischer Leiter als auch ein guter Wärmeleiter. Das Flüssigmetall wird durch die vorteilhafte Ausgestaltung des Spaltes im Spalt gehalten, in dem die Adhäsionskräfte der Flüssigkeit diese in den Spalt zurückdrängt. Damit werden sowohl die Wellenströme als auch übermäßige Wärmeleitung von dem eigentlichen Lager abgehalten. Dies führt zu vergleichsweise längeren Lagerstandzeiten.These Liquid metal alloy is both a good electrical conductor and a good conductor of heat. The liquid metal is held by the advantageous embodiment of the gap in the gap, in which the adhesion forces of the liquid this pushes back into the gap. In order to Both the wave currents as well as excessive heat conduction kept away from the actual camp. This leads to comparatively longer storage life.

Das Lagerschild an dem der Fortsatz einstückig oder mehrteilig mechanisch angebunden ist, so dass ein elektrischer Kontakt und/oder eine thermische Anbindung stattfinden, ist kälter als die Welle selbst. Das Lagerschild wird beispielsweise gekühlt durch Luftströmungen aufgrund Konvektion oder erzwungener Luftströmungen aufgrund eines Lüfters.The Bearing plate on which the extension in one piece or several parts mechanically is connected, so that an electrical contact and / or a thermal Connection takes place, is colder as the shaft itself. The end shield is cooled by, for example airflows due to convection or forced airflow due to a fan.

Der Verlustwärmefluss aus der Welle in Richtung Lager wird somit hauptsächlich über die Anordnung mit dem Flüssigmetall abfließen und lediglich ein verbleibender kleinerer zu vernachlässigender Teil fließt über das klassische Lager, d.h. über Lagerinnenring, Schmiermittel, Kugeln oder Rollen, Schmiermittel Lageraußenring zum Lagerschild ab.Of the Loss of heat flow from the shaft towards the bearing is thus mainly on the Arrangement with the liquid metal flow away and only a remaining smaller negligible part flows over that classic bearings, i. above Bearing inner ring, lubricant, balls or rollers, lubricant Bearing outer ring to the end shield.

Das klassische Lager wird somit thermisch um einen erheblichen Teil entlastet, der axial betrachtet vor oder nach dem Lager über den Fortsatz und damit letztendlich über das Lagerschild abgeführt wird. Die Wirkung der Anordnung ist dabei umso größer je großflächiger die Fläche zwischen feststehendem und mitrotierendem Teil und damit dieser Anordnung ausgeführt ist.The classic bearings will thus thermally to a considerable extent Relieved, the axially before or after the camp on the Extension and thus ultimately over the bearing plate is removed. The effect of the arrangement is the larger the larger the area between fixed and mitrotierendem part and thus this arrangement accomplished is.

In bevorzugten Ausführungsformen sind diese Anordnungen als Flüssigmetalllager ausgeführt, die neben den klassischen Lagern eingesetzt werden.In preferred embodiments these arrangements are called liquid metal bearings executed, the be used in addition to the classic camps.

Vorteilhafterweise können dabei insbesondere bei höheren Schutzklassen bei der z.B. ein Innenkühlkreislauf und ein Außenkühlkreislauf vorhanden ist, wobei der Fortsatz und/oder das Lagerschild Kühlrippen aufweisen oder Abschnitte eines Flüssigkeitskühlkreislaufes bilden.advantageously, can especially at higher levels Protection classes at the e.g. an internal cooling circuit and an external cooling circuit is present, wherein the extension and / or the bearing plate cooling fins or form sections of a liquid cooling circuit.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind in schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:The Invention and further advantageous embodiments of the invention according to the subclaims explained in more detail in schematically illustrated embodiments. there demonstrate:

1 eine prinzipielle Darstellung eines Elektromotors, 1 a schematic representation of a Electric motor,

2 eine Detailansicht eines Elektromotors aus einem Stand der Technik, 2 a detailed view of an electric motor of a prior art,

3 Detailansicht mit erfindungsgemäßer Lösung, 3 Detail view with inventive solution,

4 und 5 weitere Ausführungsformen der Erfindung, 4 and 5 further embodiments of the invention,

6, 7 Detailansichten. 6 . 7 Detailed views.

1 zeigt im Längsschnitt eine prinzipiell dargestellte elektrische Maschine 1, die einen Klemmenkasten 7 zum Anschluss einer elektrischen Leistungszuführung aufweist. Radial unterhalb des Klemmenkastens 7 befindet sich ein Lüfter 8, der in den Zwischenraum zwischen einer Geberanordnung 9 und einem nicht näher dargestellten Lüftungsgitter eine Luftströmung herbeiführt, die sowohl die Geberanordnung 9 als auch ein Lagerschild 10 kühlt. 1 shows a longitudinal section of an electric machine shown in principle 1 holding a terminal box 7 For connection of an electrical power supply. Radially below the terminal box 7 there is a fan 8th placed in the space between a donor assembly 9 and a ventilation grille not shown causes an air flow, both the encoder assembly 9 as well as a bearing plate 10 cools.

Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf, die jeweils an sich bekannte Wärmequellen aufweisen. Der Stator 2 weist außerdem in seinen nicht näher dargestellten, im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten ein Wicklungssystem 6 auf, das aufgrund der Kupfer- und Eisenverluste eine Wärmequelle im Stator 2 darstellt. Ein Teil dieser Wärme wird durch nicht näher dargestellte, aber an sich bekannte Kühlanordnungen des Stators 2 abgeführt. Dabei sind axial oder wendelförmig verlaufende Kühlkanäle 50 im Blechpaket des Stators 2 und/oder am Außenumfang des Stators 2 vorgesehen. Bei einer elektrischen Maschine 1 mit Gehäuse können diese Kühlanordnungen im oder am Gehäuse stattdessen oder zusätzlich vorgesehen werden.The electric machine 1 has a stator 2 and a rotor 3 on, each having known heat sources. The stator 2 also has a winding system in its not shown, substantially axially extending grooves 6 due to the copper and iron losses a heat source in the stator 2 represents. Part of this heat is not shown in detail, but known per se cooling arrangements of the stator 2 dissipated. Here are axially or helically extending cooling channels 50 in the laminated core of the stator 2 and / or on the outer circumference of the stator 2 intended. In an electric machine 1 with housing, these cooling arrangements can be provided in or on the housing instead or additionally.

Eine Detailansicht nach 2 stellt einen Stand der Technik dar. Dabei wird ein in Richtung Lager 5 abgeführter Verlustwärmestrom 15 über einen Lagerinnenring 11 und den Lageraußenring 12 auf das herkömmliche Lagerschild 10' geführt, das als Wärmesenke wirkt. Der über das Lager 5 fließende Verlustwärmestrom 14 entspricht bei dieser Anordnung nahezu dem Verlustwärmestrom 15, der in Richtung Lager 5 von der elektrischen Maschine 1, insbesondere vom Rotor 3 kommend, abgeführt werden muss.A detailed view after 2 represents a state of the art. This is one in the direction of camp 5 dissipated heat loss 15 over a bearing inner ring 11 and the bearing outer ring 12 on the conventional end shield 10 ' led, which acts as a heat sink. The one about the camp 5 flowing loss heat flow 14 corresponds to this arrangement, almost the loss heat flow 15 in the direction of the camp 5 from the electric machine 1 , in particular from the rotor 3 Coming, must be removed.

Erfindungsgemäß wird nunmehr gemäß 3 der aus Richtung elektrischer Maschine 1, insbesondere Rotor 3 kommende Verlustwärmestrom 15 aufgeteilt in zwei Verlustwärmeströme, wobei der eine Verlustwärmestrom 16 über die Flüssigmetallanordnung 30 fließt und lediglich der verbleibende Verlustwärmestrom 17 über das Lager 5 abgeführt wird. Die Verlustwärmeströme 16, 17 werden ins Lagerschild 10 weitergeleitet und dort z.B. an die Umgebung durch z.B. einen Lüfter 8 hervorgerufene verwirbelte Kühlluftströme 13 abgegeben.According to the invention will now according to 3 from the direction of the electric machine 1 , especially rotor 3 coming heat loss 15 divided into two heat losses, the one loss heat flow 16 over the liquid metal assembly 30 flows and only the remaining heat loss current 17 over the camp 5 is dissipated. The waste heat flows 16 . 17 be in the bearing plate 10 forwarded and there eg to the environment through eg a fan 8th caused turbulent flow of cooling air 13 issued.

Dort lassen sich in einer weiteren Ausführungsform durch verwirbelte Luftströmungen an Kühlrippen 40 des Lagerschildes 10 oder flüssigkeitsgekühlte Lagerschilde diese Verluste abführen. Bei flüssigkeitsgekühlten Lagerschilden mit separater oder mit in die Kühlung der elektrischen Maschine eingebundner Kühlung, (in 4 sind dabei prinzipielle Kühlkanäle 41 im Lagerschild 10 dargestellt) ist die Kühlwirkung äußerst effizient. Die Kühlrippen 40 sind am Lagerschild 10 und oder am Fortsatz 18 angeordnet. Sie weisen beim Fortsatz 18 zum Innenraum der elektrischen Maschine 1, beim Lagerschild 10 zum Innenraum und/oder nach außen.There can be in a further embodiment by turbulent air flows to cooling fins 40 of the end shield 10 or liquid-cooled end shields dissipate these losses. In the case of liquid-cooled end shields with separate or integrated cooling in the cooling of the electrical machine, (in 4 are in principle cooling channels 41 in the bearing plate 10 shown), the cooling effect is extremely efficient. The cooling fins 40 are on the end shield 10 and or on the extension 18 arranged. They point at the extension 18 to the interior of the electric machine 1 , at the end plate 10 to the interior and / or to the outside.

Vorteilhafterweise wird dabei nunmehr die Lagerstandzeit und die Schmiermittelgebrauchsdauer wesentlich verlängert, da der Verlustwärmestrom 17 nur noch einen Bruchteil des Verlustwärmestroms 16 ausmacht.Advantageously, now the storage life and the lubricant service life is significantly extended, since the loss of heat flow 17 only a fraction of the heat loss 16 accounts.

In 3 sind weitere Details der Lageranordnung wie z.B. nicht näher dargestellte Querschnittsverjüngungen der Welle 4 zu sehen, die den Lagersitz des Lagerinnenrings 11 darstellen. Der Lageraußenring 12 ist durch einen Spannring 20 und dementsprechende Schraubverbindungen 21 am Lagerschild 10 fixiert. Des Weiteren zeigt 3 Berandungselemente 33 der Flüssigmetallanordnung 30, die das Flüssigmetall in dem Spalt zwischen dem feststehenden 31 und mitrotierenden Teil 32 halten.In 3 are more details of the bearing assembly such as not shown in cross-sectional tapers of the shaft 4 to see the bearing seat of the bearing inner ring 11 represent. The bearing outer ring 12 is through a clamping ring 20 and corresponding screw connections 21 on the bearing plate 10 fixed. Further shows 3 Boundary elements 33 the liquid metal assembly 30 that the liquid metal in the gap between the fixed 31 and co-rotating part 32 hold.

4 zeigt in einer weiteren Ausführungsform den Fortsatz 18, der wiederum über eine Flüssigmetallanordnung 30 an die Welle 4 thermisch und elektrisch angekoppelt ist. Der Lageraußenring 12 ist weiterhin durch einen Spannring 20 und dementsprechende Fortsätze des Lagerschildes 10, die einstückig mit dem Lagerschild 10 verbunden sein können, fixiert. 4 shows in a further embodiment, the extension 18 in turn, via a liquid metal assembly 30 to the wave 4 thermally and electrically coupled. The bearing outer ring 12 is still through a clamping ring 20 and corresponding extensions of the bearing plate 10 that are integral with the end shield 10 can be connected, fixed.

Die erfindungsgemäße Kühlung des Rotors 3 und Ableitung der Wellenströme aus der Welle 4 des Rotors 3 wird durch die Flüssigmetallanordnung 30, die vorteilhafterweise als Flüssigmetalllager ausgebildet ist gewährleistet. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich für sämtliche Drehzahlbereiche der bekannten elektrischen Maschinen.The cooling of the rotor according to the invention 3 and deriving the wave currents from the shaft 4 of the rotor 3 is through the liquid metal assembly 30 , which is advantageously designed as a liquid metal bearing guaranteed. The arrangement according to the invention is suitable for all speed ranges of the known electrical machines.

Zwar zeigt 1 einen Rotor 3, der als Kurzschlussläufer ausgebildet ist, die erfindungsgemäße Anordnung kann bei sämtlichen bekannten Rotoren, wie Rotoren mit elektrischer Erregung, permanenter Erregung, Reluktanzläufer etc. eingesetzt werden. Entscheidend ist jeweils, ob aus dem Rotor 3 Wärme abgeführt werden soll bei gleichzeitiger thermischer Entlastung und/oder Entlastung von Wellenströmen anderer Antriebskomponenten, wie z.B. Lagern 5.Although shows 1 a rotor 3 , which is designed as a squirrel-cage rotor, the arrangement according to the invention can be used in all known rotors, such as rotors with electrical excitation, permanent excitation, reluctance rotor, etc. The decisive factor is whether from the rotor 3 Heat is to be dissipated with simultaneous thermal relief and / or relief of wave currents other drive components, such as bearings 5 ,

In einer weiteren Ausführungsvariante gemäß 5 sind Flüssigmetallanordnungen 30 an den Stirnseiten des Rotors 3 zusätzlich zu den vorhandenen Lagern 5 angeordnet. Um die Verlustwärmeströme 15 in Richtung Lager jeweils vor diesen Lagern 5 aufzunehmen, sind Fortsätze 18 am Lagerschild angebracht, die mit einem Fortsatz 18 und der Flüssigmetallanordnung 30 die Welle 4 zumindest in einem oder mehreren Abschnitten radial umfassen.In a further embodiment according to 5 are liquid metal arrangements 30 on the front sides of the rotor 3 in addition to the existing warehouses 5 arranged. To the waste heat flows 15 towards the camp in front of these camps 5 are extensions 18 attached to the bearing plate, with an extension 18 and the liquid metal assembly 30 the wave 4 at least radially in one or more sections.

Auch damit stellt sich der oben beschriebene Verlauf der Verlustwärmeströme ein, so dass das Lager 5 gegenüber herkömmlichen Lagern und Lagerschildanordnungen wesentlich weniger Verlustwärme weiterzuleiten hat.This also sets the course of the loss heat flows described above, so that the bearing 5 compared to conventional bearings and end shield assemblies has much less dissipate heat loss.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Flüssigmetalllager außerhalb der vorhandenen Lager 5 angeordnet, was ebenfalls zu einer Reduzierung der Verlustwärmeströme durch das klassische Lager 5 führt, da dort die Verlustwärmeströme eine geringeren Wärmeübergangswiderstand vorfinden.In another embodiment, the liquid metal bearings are outside the existing bearings 5 arranged, which also leads to a reduction of the waste heat flows through the classical camp 5 leads, since there find the loss of heat flows a lower heat transfer resistance.

In einer weiteren Ausführungsform können die bisherigen klassischen Lager 5 durch Flüssigmetalllager ersetzt werden, so dass sowohl die Lagerfunktion, als auch die Übertragung der Wellenströme und die Abfuhr der Verlustwärmeströme von dem Flüssigmetalllager übernommen werden kann.In a further embodiment, the previous classic bearings 5 be replaced by liquid metal bearings, so that both the bearing function, as well as the transmission of the wave currents and the dissipation of the waste heat fluxes can be taken over by the liquid metal bearing.

6 zeigt in einer einfachen prinzipiellen Darstellung eine Flüssigmetallanordnung 30 mit ihren Berandungselementen 33. 6 shows a simple schematic representation of a liquid metal assembly 30 with their boundary elements 33 ,

7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Spaltes 35 mit den dabei auftretenden Kräften auf das Flüssigmetall. Die aus der Adhäsionskraft FA und der Kohäsionskraft Fk resultierende Kraft F steht senkrecht auf der Oberfläche des Flüssigmetalls. Die Kraft F formt dadurch die Oberfläche des Flüssigmetalls im Spalt 35. Der Winkel α bezeichnet den Kontaktwinkel. Die Wirkung der resultierenden Kraft wirkt dem Bestreben des Flüssigmetalls entgegen aus dem Spalt 35 auszutreten. 7 shows an enlarged section of the gap 35 with the forces acting on the liquid metal. The resulting from the adhesion force F A and the cohesive force F k force F is perpendicular to the surface of the liquid metal. The force F thereby forms the surface of the liquid metal in the gap 35 , The angle α denotes the contact angle. The effect of the resulting force counteracts the tendency of the liquid metal out of the gap 35 withdraw.

Die Geometrie des Spaltes 35 bestimmt u.a. mit der Oberflächenspannung des Flüssigmetalls und dem Material der Oberfläche der Berandungselemente 33 die Größe der Kraft F, die in das Innere des Flüssigmetalls gerichtet ist. Durch wahlweise Gestaltung des Spaltes 35 und der Auswahl des Oberflächenmaterials der Berandungselemente 33 als auch der chemischen Zusammensetzung des Flüssigmetalls kann somit der Austritt des Flüssigmetalls aus dem Spalt 35 verhindert werden. Die Adhäsionskraft FA bezeichnet dabei die von der Oberfläche der Berandungselemente 33 auf das Flüssigmetall wirkende Kraft. Als Kohäsionskraft Fk wird die Zusammenhangskraft zwischen den einzelnen Molekülen des Flüssigmetalls bezeichnet. Dabei bewirken die Kapillarkräfte, dass das Flüssigmetall nicht aus dem Spalt 35 tritt. Dies wird durch die Ausgestaltung des feststehenden und mitrotierenden Teils und/oder durch die Berandungselemente 33 bewirkt.The geometry of the gap 35 determined inter alia with the surface tension of the liquid metal and the material of the surface of the boundary elements 33 the magnitude of the force F, which is directed into the interior of the liquid metal. By optional design of the gap 35 and the selection of the surface material of the boundary elements 33 As well as the chemical composition of the liquid metal can thus the exit of the liquid metal from the gap 35 be prevented. The adhesion force F A denotes that of the surface of the boundary elements 33 force acting on the liquid metal. The cohesive force F k denotes the coherent force between the individual molecules of the liquid metal. The capillary forces cause the liquid metal not from the gap 35 occurs. This is due to the configuration of the fixed and co-rotating part and / or by the boundary elements 33 causes.

Die Berandungselemente 33 sind in einer weiteren Ausführungsform als Dichtungen ausgeführt, wie z.B. Ferrofluiddichtungen, Bürstendichtungen oder Labyrinthdichtungen.The boundary elements 33 are executed in a further embodiment as seals, such as ferrofluid seals, brush seals or labyrinth seals.

Die feststehenden 31 und die mitrotierenden Teile 32 sind natürlich auch aus einem Material, das ein vergleichsweise guter Wärmeleiter und eine vergleichsweise gute elektrische Leitfähigkeit aufweist.The fixed ones 31 and the co-rotating parts 32 are of course also made of a material that has a comparatively good heat conductor and a comparatively good electrical conductivity.

Als Flüssigmetalle oder Flüssigmetallverbindungen sind dabei u.a. Galium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen geeignet.When liquid metals or liquid metal compounds are doing u.a. Galium, indium, tin or selenium compounds suitable.

Claims (5)

Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), der drehfest mit einer Welle (4) verbunden ist, wobei die Welle (4) zumindest in einem Lager (5) gelagert ist, wobei auf der dem Rotor (3) zugewandten Seite des das Lager (5) aufnehmenden Lagerschildes (10) ein Fortsatz (18), insbesondere in Richtung der Welle (4), vorgesehen ist, derart, dass sich zwischen Fortsatz (18) und Welle (4) eine Anordnung (30) befindet, die ein feststehendes (31) und ein mitrotierendes Basisteil (32) aufweist und sich dazwischen ein wärmeleitfähiges und elektrisch leitfähiges Material befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (30) als eine Flüssigmetallanordnung, insbesondere als Flüssigmetalllager, ausgebildet ist.Electric machine ( 1 ) with a stator ( 2 ) and a rotor ( 3 ), which is non-rotatable with a shaft ( 4 ), the shaft ( 4 ) at least in one warehouse ( 5 ), wherein on the rotor ( 3 ) facing side of the bearing ( 5 ) receiving end shield ( 10 ) an extension ( 18 ), especially in the direction of the shaft ( 4 ), is provided such that between extension ( 18 ) and wave ( 4 ) an arrangement ( 30 ), which has a fixed ( 31 ) and a co-rotating base part ( 32 ) and is therebetween a thermally conductive and electrically conductive material, characterized in that the arrangement ( 30 ) is formed as a liquid metal arrangement, in particular as a liquid metal bearing. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (18) einstückig mit dem Lagerschild (10) verbunden ist.Electric machine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the extension ( 18 ) in one piece with the bearing plate ( 10 ) connected is. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fortsatz (18) an einen Lageraußenring (12) des Lagers (5) oder das bestehende Lagerschild (10) angeflanscht ist.Electric machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the extension ( 18 ) to a bearing outer ring ( 12 ) of the warehouse ( 5 ) or the existing end shield ( 10 ) is flanged. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerschild (10) und/oder der Fortsatz (18) Kühlrippen (40) aufweist.Electric machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the end shield ( 10 ) and / or the extension ( 18 ) Cooling fins ( 40 ) having. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen dem feststehenden (31) und mitrotierendem Basisteil (32) vorhandene metallische Flüssigkeit durch Adhäsionskräfte in dem Spalt zwischen den Basisteilen (31, 32) gehalten ist.Electric machine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that between the fixed ( 31 ) and mitrotierendem base part ( 32 ) existing metallic liquid by adhesion forces in the gap zwi the basic parts ( 31 . 32 ) is held.
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