DE102006022139A1

DE102006022139A1 - Einrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine mit einer derartigen Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102006022139A1
Application number: DE102006022139A
Authority: DE
Inventors: Helmut Sopp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-11-15
Also published as: WO2007131887A1; US7952243B2; US20090108715A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, wobei die elektrische Maschine einen Stator (3) mit einem Statorpaket (31) sowie einen Rotor (4) mit einem auf einer Rotorwelle (5) sitzenden Rotorpaket (41) aufweist. Im Statorpaket (31) sind Spulenwicklungen mit axial überstehenden Wickelköpfen (6) eingebracht. Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zumindest einen kühlbaren Kappenring (7) auf, durch den die Rotorwelle (5) geführt ist, wobei der kühlbare Kappenring (7) zumindest einen Teil eines ringförmigen Zwischenraums (ZR) einnimmt, der im axialen Bereich (BW) eines überstehenden Wickelkopfes (6) und der Rotorwelle (5) liegt. Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Asynchron- oder Synchronmotor mit einer derartigen Kühleinrichtung.

Description

Einrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine mit einer derartigen Kühleinrichtung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, wobei die elektrische Maschine einen Stator mit einem Statorpaket sowie einen Rotor mit einem auf einer Rotorwelle sitzenden Rotorpaket aufweist. Im Statorpaket sind Spulenwicklungen mit axial überstehenden Wickelköpfen eingebracht.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor mit einer derartigen Kühleinrichtung, insbesondere zur Kühlung zumindest eines Wickelkopfes und/oder der Rotorwelle im axialen Bereich des zumindest einen Wickelkopfes.
Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren wie Asynchronmotoren oder Synchronmotoren, werden für vielfältige Antriebsaufgaben, wie z.B. zum Antrieb von Werkzeugmaschinen, benötigt. Aufgrund elektrischer Verluste, wie Wirbelstrom- oder Kupferverluste, erzeugen elektrische Maschinen während des Betriebs Verlustwärme. Eine verstärkte Kühlung der elektrischen Maschine kann notwendig sein, falls die anfallende Verlustwärme nicht alleine über die Außenfläche der elektrischen Maschine an die Umgebung abgeführt werden kann.
Elektrische Maschinen können mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium gekühlt werden. Vorzugsweise wird als gasförmiges Medium Luft und als flüssiges Medium Wasser verwendet. Elektrische Maschinen können eigengekühlt oder fremdgekühlt sein.
Bei eigenbelüfteten Maschinen erfolgt die Kühlung der elektrischen Maschine typischerweise durch ein auf einem Wellenende der elektrischen Maschine sitzendes Lüfterrad. Bei fremdbelüfteten elektrischen Maschinen erfolgt die Kühlung mittels eines separaten Gebläses, welches unabhängig von der Umdrehungszahl der elektrischen Maschine einen Kühlluftstrom bereitstellt. Zur Kühlung der elektrischen Maschine kann die Luft durch den Luftspalt zwischen Stator und Rotor, durch im Stator und/oder Rotor axial verlaufende Kühlluftkanäle oder mittels eines Kühlmantels an der radialen Außenseite der elektrischen Maschine strömen.
Die elektrische Maschine wird im Falle einer Flüssigkeitskühlung vorzugsweise durch einen Kühlmantel gekühlt. Dies ist insbesondere bei Einbaumotoren oder Motorspindeln mit relativ hoher Leistungsdichte erforderlich. Bei solchen Motoren ist eine Kühlung über die Außenfläche im eingebauten Zustand nur in einem geringen Maße möglich.
Komponenten oder Bauteile der elektrischen Maschine, die im Betrieb besonders heiß werden, wie z.B. der Wickelkopf einer im Statorpaket verlegten Spulenwicklung, werden mit einem möglichst niedrigen Wärmeübergangswiderstand an den flüssigkeitsgekühlten Kühlmantel angekoppelt. Im Falle des Wickelkopfes erfolgt dies über eine wärmeleitende Vergussmasse. In der Vergussmasse ist der Wickelkopf eingebettet oder eingegossen. Dadurch liegt die wärmeleitende Vergussmasse flächig und insbesondere bündig am Kühlmantel an.
Dennoch werden auch mit dieser Kühlmethode die Heißpunkte im Motorinneren, wie z.B. im Wickelkopf und in der Rotorwelle, nur unzureichend gekühlt. Dies hat nachteilig zur Folge, dass die elektrische Maschine bei längerem Betrieb abgeregelt werden muss, um einer Überhitzung vorzubeugen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Kühlung des Wickelkopfes und/oder der Rotorwelle, anzugeben.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine geeignete elektrische Maschine anzugeben, die eine derartige Kühleinrichtung aufweist.
Die Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Kühleinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 15 genannt. Im Anspruch 16 ist eine geeignete elektrische Maschine mit einer derartigen Kühleinrichtung angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der elektrischen Maschine sind in den abhängigen Ansprüchen 17 bis 25 genannt.
Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zumindest einen kühlbaren Kappenring auf, durch den die Rotorwelle geführt ist. Der Kappenring nimmt zumindest einen Teil eines ringförmigen Zwischenraums ein, der im axialen Bereich zwischen einem überstehenden Wickelkopf und der Rotorwelle liegt. Der ringförmige Zwischenbereich liegt in radialer Richtung zwischen einer Außenseite der Rotorwelle und einer radialen Innenseite des Wickelkopfes. „Radial" ist eine Richtung auf die Drehachse zu bzw. von ihr weg.
Der große Vorteil ist, dass die Verlustwärme, die im Wickelkopf und in der Rotorwelle als besondere Heißpunkte erzeugt wird, wirkungsvoll durch den kühlbaren Kappenring abgeführt werden kann. Die kritischen Heißpunkte, auch „Hotspots" genannt, werden quasi am Ort ihrer Entstehung gekühlt.
Der kühlbare Kappenring ist in einem ringförmigen Zwischenraum angebracht, welcher nicht zum motorischen Antrieb beiträgt. Der ringförmige Zwischenraum ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Damit ist der weitere große Vorteil verbunden, dass das Bauvolumen der elektrischen Maschine im Wesentlichen unverändert bleiben kann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Kühleinrichtung bei bereits bestehenden eigen-, Oberflächen- oder fremdgekühlten Standard- oder Sondermotoren nachgerüstet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist der kühlbare Kappenring zumindest einen insbesondere ringförmigen Hohlraum für ein hindurchfließendes gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel auf. Durch den Hohlraum wird eine vorteilhaft gleichmäßige Kühlleistung entlang des radialen Umfangs des kühlbaren Kappenrings, das heißt entlang der Mantelfläche des Kappenrings, erreicht. Die Kühlung des Wickelkopfes sowie der Rotorwelle erfolgt gleichmäßiger.
Im Besonderen weist der kühlbare Kappenring Kühlmittelanschlüsse für einen Zufluss und Abfluss des Kühlmittels auf. Über die Anschlüsse kann die elektrische Maschine z.B. an eine Rückkühlanlage angeschlossen werden.
Vorzugsweise weist der kühlbare Kappenring einen Mindest-Innendurchmesser auf, der im axialen Bereich der Durchführung der Rotorwelle geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Rotorwelle. Die von der umgebenen Rotorwelle abgestrahlte Verlustwärme kann über einen zwischen kühlbarem Kappenring und Rotorwelle verbleibenden Luftspalt von der radialen Innenseite des Kappenrings wirksam aufgenommen und über den Kappenring nach außen abgeführt werden.
In einer Ausführungsform weist der Kappenring eine radiale Außenfläche auf, welche geometrisch auf eine radiale Innenfläche des Wickelkopfes abgestimmt ist. Beide Flächen liegen im eingebauten Zustand des Kappenrings aneinander, insbesondere dicht und spielfrei.
Im Besonderen ist der kühlbare Kappenring fest an einem Maschinengehäuse oder am Stator der elektrischen Maschine angebracht.
Der kühlbare Kappenring weist gemäß einer weiteren Ausführungsform zwei Kappenringbauteile auf, welche bei axialem Zu sammenbau des kühlbaren Kappenrings den zumindest einen Hohlraum für das Kühlmittel bilden. Vorzugweise erfolgt der konstruktive Schnitt durch den kühlbaren Kappenring senkrecht zur Symmetrie- und Rotationsachse des kühlbaren Kappenrings, und zwar axial an der Position, an welcher der Hohlraum des kühlbaren Kappenrings seine größte Querschnittsfläche aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Einrichtung zumindest ein hohlzylindrisches Kühlelement auf, welches fest auf der Rotorwelle sitzt. Das Kühlelement weist eine Rotorwellenhülse mit ersten axial beabstandeten radialen Fortsätzen auf. Das hohlzylindrische Kühlelement umfasst zumindest einen Teil des ringförmigen Zwischenraums, der im axialen Bereich zwischen dem überstehenden Wickelkopf und der Rotorwelle liegt. Zudem kann der Kappenring zweite radiale Fortsätze aufweisen, welche im eingebauten Zustand des Kappenrings berührungslos in die von den ersten radialen Fortsätzen gebildeten Zwischenbereiche greifen.
Die ersten radialen Fortsätze weisen im Vergleich zu einer rein zylindrischen Mantelfläche eine vielfach größere Oberfläche auf. Durch die oberflächenvergrößernd wirkenden ersten radialen Fortsätze wirkt das hohlzylindrische Kühlelement wie ein Kühlkörper. Dadurch kann vorteilhaft ein großer Teil der vom Kühlelement aus der Rotorwelle aufgenommenen Verlustwärme als Strahlungswärme an den kühlbaren Kappenring abgegeben werden.
Vorzugsweise greifen die zweiten radialen Fortsätze des kühlbaren Kappenrings radial von außen in die von den ersten radialen Fortsätzen gebildeten Zwischenbereiche. Durch die berührungslose Ineinanderverzahnung der ersten und zweiten radialen Fortsätze wird die von der großen Oberfläche des hohlzylindrischen Kühlelements abgestrahlte Verlustwärme von einer im Wesentlichen gleichgroßen innenliegenden Oberfläche des kühlbaren Kappenrings absorbiert bzw. aufgenommen. Es wird die Kühlung der Rotorwelle weiter gesteigert. Durch die Kühlung der Rotorwelle erfolgt in gewissem Maße auch eine Kühlung des angrenzenden Rotorpakets.
Im Besonderen sind die ersten und zweiten radialen Fortsätze geometrisch derart aufeinander abgestimmt, dass sie im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings in die jeweiligen Zwischenbereiche zwischen den ersten und zweiten radialen Fortsätzen greifen können. Es ist konstruktiv vorzusehen, dass ein Luftspalt, insbesondere ein in etwa gleicher Luftspalt, während des Betriebs der elektrischen Maschine eingehalten wird. Vorzugsweise liegt der Luftspalt im Millimeterbereich. Dadurch ist eine gleichmäßigere Kühlung der Rotorwelle möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und zweiten radialen Fortsätze rippenförmig im Sinne eines zylindrischen Kühlkörpers mit radialzirkularen Kühlrippen ausgebildet. Solche Kühlkörper sind bezüglich ihrer Geometrie von Kühlkörpern elektronischer Bauelemente bekannt.
Das Kühlelement weist insbesondere die Form von axial beabstandeten und auf der Rotorwellenhülse sitzenden Scheibenringen auf.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der kühlbare Kappenring zwei Kappenringhälften auf, welche das hohlzylindrische Kühlelement bei radialem Zusammenbau des kühlbaren Kappenrings umschließen. Die ersten und zweiten radialen Fortsätze sind nach Zusammenbau sowohl axial als auch zirkular ineinander verzahnt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Wärmeübergang vom hohlzylindrischen Kühlelement zum kühlbaren Kappenring besonders gut.
Nach radialem Zusammenbau des kühlbaren Kappenrings und axialem Einschieben des gesamten Rotors in die elektrische Maschine umschließt der Kappenring koaxial das hohlzylindrische Kühlelement. Die Umschließung erfolgt zumindest in einem axi alen Teilbereich im Zwischenraum zwischen Rotorwelle und Wickelkopf.
In einer weiteren Ausführungsform weist das hohlzylindrische Kühlelement eine erste Querschnittsfläche im axialen Bereich eines ersten radialen Fortsatzes mit einer zentralen kreisförmigen Aussparung auf. Die ausgesparte Querschnittsfläche entspricht im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Rotorwelle im dortigen axialen Bereich. Weiterhin weist der kühlbare Kappenring eine zweite Querschnittsfläche im axialen Bereich der zweiten radialen Fortsätze auf. Die erste und zweite Querschnittsfläche sind derart aufeinander abgestimmt, dass ein Aufschieben des kühlbaren Kappenrings auf das hohlzylindrische Kühlelement nur bei vorbestimmten Verdrehwinkeln zueinander möglich ist. In axialer Ansicht und bei den vorbestimmten Verdrehwinkeln zeigen diese beiden Flächen, abgesehen von dem notwendigen schmalen Luftspalt, eine scheibenringförmige Querschnittsfläche.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das hohlzylindrische Kühlelement eine kreuzförmige oder mehreckförmige Querschnittsform mit der zentralen kreisförmigen Aussparung auf. Der kühlbare Kappenring weist eine kreisförmige Querschnittsform mit einer dazu korrespondierenden kreuzförmigen oder mehreckförmigen Aussparung auf.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einer elektrischen Maschine gelöst, die eine derartige erfindungsgemäße Einrichtung zur Kühlung, insbesondere zur Kühlung zumindest eines Wickelkopfes und/oder der Rotorwelle im axialen Bereich des zumindest einen Wickelkopfes, aufweist.
Der große Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist, dass bei gleichem Bauvolumen eine deutlich höhere betriebliche Dauerleistung zur Verfügung steht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kühleinrichtung zumindest einen kühlbaren Kappenring mit einer radi alen Außenfläche auf. Der Wickelkopf ist zumindest teilweise mit einer Vergussmasse umgeben. Die Vergussmasse weist eine auf die radiale Außenfläche des Kappenrings geometrisch abgestimmte radiale Innenfläche auf. Sie sollte gut wärmeleitfähig sein. Im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung bzw. des kühlbaren Kappenrings liegen die radiale Außenfläche und die radiale Innenfläche aneinander an, insbesondere dicht und spielfrei.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge weist die Kühleinrichtung zumindest einen kühlbaren Kappenring mit einer radialen Außenfläche auf. Zumindest ein Teil des Wickelkopfes ist in einem Kunststoff getränkt. Der Kunststoff weist eine auf die radiale Außenfläche des kühlbaren Kappenrings geometrisch abgestimmte radiale Innenfläche auf. Er sollte gut wärmeleitfähig sein. Die radiale Außenfläche und die radiale Innenfläche liegen im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung bzw. des kühlbaren Kappenrings aneinander an, insbesondere dicht und spielfrei.
Im Besonderen ist die radiale Außenfläche des kühlbaren Kappenrings vorzugsweise rotationssymmetrisch – z.B. zylindrisch oder konisch – ausgebildet. Die Vergussmasse bzw. der Kunststoff, in dem der zumindest ein Teil des Wickelkopfes getränkt ist, bildet eine auf die radiale Außenfläche des kühlbaren Kappenrings abgestimmte rotationssymmetrische radiale Innenfläche aus.
Dadurch ist ein in vorteilhafter Weise besonders guter wärmeleitfähiger Übergang zwischen der radialen Innenseite des Wickelkopfes und dem kühlenden Kappenring möglich. Die Entstehung lokaler Heißpunkte im Wickelkopf wird dadurch stark reduziert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der kühlbare Kappenring einen zumindest teilweise umlaufenden Kühlkragen zur Kühlung eines axialen Endes des Wickelkopfes bzw. einer Stirnseite des Wickelkopfes im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings auf.
Damit ist der weitere Vorteil verbunden, dass neben der radialen Innenfläche und der durch einen Kühlmantel gekühlten radialen Außenfläche des Wickelkopfes auch die axiale Außenfläche bzw. die axiale Stirnseite des Wickelkopfes gekühlt werden kann. Die Entstehung möglicher Hotspots im Wickelkopf wird dadurch noch weiter reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform weist der zumindest teilweise umlaufende Kühlkragen des kühlbaren Kappenrings eine axiale scheibenringförmige Kühlfläche auf. Die Vergussmasse bzw. der Kunststoff, in welchem der zumindest eine Teil des Wickelkopfes getränkt ist, weist eine axiale scheibenringförmige Außenfläche auf. Die axiale scheibenringförmige Außenfläche ist geometrisch auf die axiale scheibenringförmige Kühlfläche des Kühlkragens abgestimmt. Im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung bzw. des kühlbaren Kappenrings liegen die axialen scheibenringförmigen Flächen aneinander an, insbesondere dicht und spielfrei.
Dadurch ist ein in vorteilhafter Weise nochmals verbesserter wärmeleitfähiger Übergang zwischen der axialen Außenseite des Wickelkopfes und dem Kühlkragen des kühlbaren Kappenrings möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Rotor ein hohlzylindrisches Kühlelement mit der ersten Querschnittsfläche im axialen Bereich eines ersten radialen Fortsatzes mit der zentralen kreisförmigen Aussparung auf. Die kreisförmige Aussparung entspricht im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Rotorwelle im dortigen axialen Bereich. Der kühlbare Kappenring weist die zweite Querschnittsfläche im axialen Bereich der zweiten radialen Fortsätze auf. Die erste und zweite Querschnittsfläche sind derart aufeinander abgestimmt, dass der Rotor mit dem hohlzylindrischen Kühlelement bei den vorbestimmten Verdrehwinkeln durch den in der elektrischen Maschine bereits montierten kühlbaren Kappenring axial montierbar ist.
Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der gesamte Rotor mit dem auf der Rotorwelle sitzenden hohlzylindrischen Kühlelement durch einen bereits im Maschinengehäuse befestigten kühlbaren Kappenring hindurch montiert werden kann. Somit kann die elektrische Maschine bis auf den Lagerschild zur axialen Fixierung der Rotorwelle komplettiert werden.
Die elektrische Maschine ist insbesondere ein flüssigkeitsgekühlter Einbaumotor oder eine flüssigkeitsgekühlte Motorspindel.
Insbesondere ist gemäß der Erfindung die elektrische Maschine ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine nach dem Stand der Technik in einer stark vereinfachten Darstellung,
2 einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 1 mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung mit beispielhaft zwei kühlbaren Kappenringen in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung,
3 beispielhaft einen Längsschnitt durch eine weitere elektrische Maschine entlang ihrer Drehachse mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung in einer Konstruktionsdarstellung,
4 einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 3 mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung in einer vergrößerten Darstellung und
5 einen Querschnitt durch einen kühlbaren Kappenring und durch ein auf der Rotorwelle sitzendes hohlzylindrisches Kühlelement der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung entlang der in 3 eingezeichneten Schnittlinie V-V.
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine nach dem Stand der Technik entlang ihrer Drehachse A und in einer stark vereinfachten Darstellung. Die elektrische Maschine weist einen Stator 3 sowie einen um die Drehachse A gelagerten Rotor 4 auf. Der Rotor 4 weist eine Rotorwelle 5 auf, die in zwei Wälzlagern 10, 11 gelagert ist. Der Stator 3 weist ein Statorpaket 31 mit einer Spulenwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes auf. An beiden axialen Enden des Statorpakets 31 stehen die Wickelköpfe 6 der Spulenwicklung über. Im axialen Bereich BW der überstehenden Wickelköpfe 6 ist ein Zwischenraum ZR ausgebildet, der nicht zum motorischen Antrieb der elektrischen Maschine beiträgt. Der Zwischenraum ZR liegt im axialen Bereich zwischen einem überstehenden Wickelkopf 6 und der Rotorwelle 5. In radialer Richtung, das heißt in Richtung zu und weg von der Drehachse A, ist der Zwischenraum ZR durch eine radiale Innenseite 62 eines Wickelkopfes 6 und durch eine Außenseite der Rotorwelle 5 begrenzt.
2 zeigt einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 1 mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 1 mit beispielhaft zwei kühlbaren Kappenringen 7 in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung. Die elektrische Maschine weist erneut einen Stator 3 mit einem Statorpaket 31 sowie einen Rotor 4 mit einem auf einer Rotorwelle 5 sitzenden Rotorpaket 41 auf. Im Statorpaket 31 ist eine Spulenwicklung mit axial überstehenden Wickelköpfen 6 eingebracht. Die elektrische Maschine kann ein Elektromotor sein, wie z.B. ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor. Die elektrische Maschine kann alternativ ein Generator sein. Die kühlbaren Kappenringe 7 können z.B. an einem nicht weiter dargestellten Maschinengehäuse oder am Stator 3 der elektrischen Maschine befestigt sein.
Gemäß der Erfindung ist ein kühlbarer Kappenring 7 in einem der beiden Zwischenräume ZR angeordnet bzw. eingebracht. Die Rotorwelle 5 ist durch die kühlbaren Kappenringe 7 geführt.
Anstelle von zwei kühlbaren Kappenringen 7 kann die erfindungsgemäße Kühleinrichtung 1 alternativ nur einen kühlbaren Kappenring 7 aufweisen.
Im Beispiel der 2 nimmt jeder kühlbare Kappenring 7 zumindest einen Teil eines ringförmigen Zwischenraums ZR ein, der in einem axialen Bereich BW eines überstehenden Wickelkopfes 6 und der Rotorwelle 5 liegt. Der im linken Teil der 2 gezeigte kühlbare Kappenring 7 nimmt den gesamten linken Zwischenraum ZR ein und erstreckt sich zudem in axialer Richtung (das heißt in Richtung der Drehachse) nach links, das heißt in Richtung zum Rotorwellenende. Der im rechten Teil der 2 gezeigte kühlbare Kappenring 7 ist dagegen vollständig im rechten Zwischenraum ZR untergebracht.
Der große Vorteil ist, dass durch den kühlbaren Kappenring 7 die an den besonderen Heißpunkten Wickelkopf 6 und Rotorwelle 5 erzeugte Verlustwärme wirkungsvoll abgeführt werden kann.
Gemäß 2 bildet jeder kühlbare Kappenring 7 zumindest einen Hohlraum 72 für ein hindurchfließendes Kühlmittel, insbesondere für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel, aus. Es ist auch möglich, dass nur einer der kühlbaren Kappenringe 7 einen solchen Hohlraum 72 aufweist. Das gasförmige Medium ist vorzugsweise Luft oder Druckluft. Das flüssige Kühlmittel ist vorzugsweise Wasser. Der Hohlraum 72 ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. Ein kühlbarer Kappenring 7 kann anstelle eines ringförmigen Hohlraums 72 jedoch auch mehrere Kühlkammern, insbesondere segmentförmige Kühlkammern aufweisen, die separat für ein hindurchfließendes Kühlmittel ausgebildet sind.
Durch den Hohlraum 72 wird eine gleichmäßige Kühlleistung entlang des radialen äußeren Umfangs des kühlbaren Kappenrings 7 erreicht. Die Kühlung des Wickelkopfes 6 sowie der Rotorwelle 5 wird dadurch verbessert.
3 zeigt beispielhaft einen Längsschnitt durch eine weitere elektrische Maschine entlang ihrer Drehachse A mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 1 in einer Konstruktionsdarstellung.
Die in 3 gezeigte Kühleinrichtung 1 dient zur Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere zur Kühlung zumindest eines Wickelkopfes 6 und/oder der Rotorwelle 5 im axialen Bereich BW des zumindest einen Wickelkopfes 6.
Die gezeigte elektrische Maschine 1 ist ein Asynchronmotor. Der Rotor 4 der gezeigten elektrischen Maschine 1 weist eine Rotorwelle 5 und ein drehfest auf dieser sitzendes Rotorpaket 41 auf. Üblicherweise sind das Rotorpaket 41 und das Statorpaket 31 zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten geblecht ausgeführt. Das Rotorblechpaket 41 wird mittels eines Spannverbands 42 zusammengehalten. Das Stator- und Rotorpaket 31, 41 weisen eine zumindest in etwa gleiche axiale Stator/Rotorbreite BS als magnetische Aktivteile der elektrischen Maschine auf. Im Statorpaket 31 ist eine Spulenwicklung mit axial überstehenden Wickelköpfen 6 eingebracht. Die Rotorwelle 5 ist mittels Wälzlager 10, 11 drehbar im Maschinengehäuse 2 gelagert und zugleich axial fixiert. Die axiale Fixierung wird unter anderem mittels eines Lagerschilds 12 erreicht, welcher über das gezeigte linke Ende der Rotorwelle 5 geführt ist und am Maschinengehäuse 2 angeschraubt ist.
Die elektrische Maschine wird über einen Kühlluftkanal 9 in Form eines Kühlmantels gekühlt, der den Stator 3 der elektrischen Maschine umgibt. Mit dem Bezugszeichen 91 ist die Kühllufteinlassöffnung und mit dem Bezugszeichen 92 die Kühlluftauslassöffnung des Kühlmantels 9 bezeichnet. Der Kühlluftstrom kann beispielsweise durch einen auf dem rechten Ende der Rotorwelle 5 sitzenden Axiallüfter bewirkt werden. Der Axiallüfter ist in der 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Wie die 3 weiterhin zeigt, werden die radiale Außenseite der Wickelköpfe 6 sowie das Rotorpaket 31 über den Kühlmantel 9 gekühlt. Zum verbesserten Wärmeübergang sind die Wickelköpfe 6 mit einer Vergussmasse 61 umgeben, die direkt am Kühlmantel 9 anliegt.
Im Beispiel der 3 sind im rechten und linken Teil sowie in der oberen und unteren Hälfte insgesamt vier konstruktiv unterschiedlich ausgeführte kühlbare Kappenringe 7a-7d dargestellt. Die Kühleinrichtungen 1 weisen bereits gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hohlzylindrische Kühlelemente 8a-8d auf, die beispielhaft konstruktiv unterschiedlich ausgeführt sind. Es ist jeweils immer nur eine Hälfte der kühlbaren Kappenringe 7a-7d und der hohlzylindrischen Kühlelemente 8a-8d im Schnitt durch die Drehachse A der elektrischen Maschine 1 gezeigt. Die Drehachse A entspricht der Symmetrieachse der vier beispielhaften Kappenringe 7 sowie der vier zugehörigen beispielhaften hohlzylinderförmigen Kühlelemente 8a-8d.
Im Beispiel der 3 ist im linken oberen Teil ein kühlbarer Kappenring 7a gezeigt, welcher teilweise koaxial ein rippenförmig ausgebildetes hohlzylindrisches Kühlelement 8a in einer Ineinanderverzahnung radial umgreift.
Im linken unteren Teil der 3 ist der beispielhaft kühlbare Kappenring 7b im koaxialen Teil konisch ausgebildet. Das zugehörige hohlzylindrische Kühlelement 8b weist eine mit der radialen Innenfläche des koaxialen Teils des kühlbaren Kappenrings 7b korrespondierende konische radiale Außenfläche auf.
Im rechten oberen Teil der 3 ist ein weiterer kühlbarer Kappenring 8c dargestellt, welcher aus ringförmigen Elementen mit einem rechteckförmigen Querschnitt besteht. Das zugehöri ge beispielhafte hohlzylindrische Kühlelement 8c besteht aus einem Ring mit einem schenkelförmigen Querschnitt.
Im rechten unteren Teil der 3 ist beispielhaft ein weiterer kühlbarer Kappenring 8d dargestellt, welcher aus ringförmigen Elementen mit einem rechteckförmigen und schenkelförmigen Querschnitt besteht. Die Elemente sind derart ausgebildet, dass diese im zusammengebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings 7d einen Hohlraum 72d mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausbilden. Das zugehörige hohlzylindrische Kühlelement 8d ist beispielhaft ein Scheibenring.
Zum Verständnis der Erfindung werden nur der im linken oberen Teil der 3 dargestellte kühlbare Kappenring 7a sowie das zugehörige hohlzylindrische Kühlelement 8a beschrieben. Die vier Kappenringe 7a-7d können bei entsprechender konstruktiver Anpassung sowohl im linken als auch im rechten Zwischenraum zwischen dem jeweiligen überstehenden Wickelkopf 6 und der Rotorwelle 5 angeordnet sein.
Der kühlbare Kappenring 7a weist einen ringförmigen Hohlraum 72a für ein hindurchfließendes Kühlmittel, wie Luft oder Wasser, auf. Zudem weist der kühlbare Kappenring 7 gemäß der Erfindung Kühlmittelanschlüsse 71 für einen Zu- und Abfluss des Kühlmittels auf. Die Kühlmittelanschlüsse 71 sind vorzugsweise an einer axialen Außenseite des Kappenrings 7 und sich radial gegenüberliegend angeordnet. Dadurch wird der gesamte ringförmige Hohlraum 72a mit dem Kühlmittel durchströmt. Die Kühlmittelanschlüsse 71 sind im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung 1 mit Kühlbohrungen verbunden, die im Maschinengehäuse 2 eingebracht sind und die bis an die Außenseite der elektrischen Maschine reichen. An der Außenseite der elektrischen Maschine sind vorzugsweise externe Anschlüsse 13, 14 vorgesehen. Der kühlbare Kappenring 7 kann über die Anschlüsse 13, 14 an eine externe Rückkühleinrichtung oder an ein bereits bestehendes Rückkühlsystem der elektrischen Maschine angeschlossen werden. Vorzugsweise werden die Kühlmittelanschlüsse 71 mittels Kühlrohre, Kühlschläuche oder im Maschi nengehäuse 2 eingebrachter Kühlbohrungen an die Außenseite der elektrischen Maschine geführt.
Der in 3 gezeigte kühlbare Kappenring 7 weist zumindest teilweise einen Innendurchmesser auf, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Rotorwelle 5 im Bereich der Durchführung. Zwischen kühlbarem Kappenring 7 und Rotorwelle 5 verbleibt ein schmaler Luftspalt, über den zumindest ein Teil der von der Rotorwelle 5 abgestrahlten Verlustwärme von der radialen Innenseite des kühlbaren Kappenrings 7 aufgenommen und nach außen abgeführt werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn in diesen schmalen Luftspalt eine flüssige oder fettartige Substanz eingebracht ist. Die Substanz verteilt sich durch Kappilarwirkung gleichmäßig im Luftspalt. Es wird dadurch ein im Vergleich zum freien Luftspalt erheblich geringerer Wärmeübergangswiderstand zwischen der radialen Außenseite der Rotorwelle 5 und der radialen Innenseite des Kappenrings 7a erreicht.
4 zeigt einen Längsschnitt durch die elektrische Maschine gemäß 3 mit dem kühlbaren Kappenring 7a und dem hohlzylindrischen Kühlelement 8a in einer vergrößerten Darstellung.
Gemäß einer Ausführungsform weist der kühlbare Kappenring 7 eine radiale Außenfläche 77 auf, welche geometrisch auf eine radiale Innenfläche 62 des Wickelkopfes 6 abgestimmt ist. Beide Flächen 77, 62 liegen im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings 7a aneinander. Insbesondere liegen die beiden Flächen 77, 62 vorzugsweise dicht und spielfrei aneinander. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann zwischen die beiden radialen Flächen 77, 82 ein gut wärmeleitendes Mittel, wie z.B. ein Wärmeleitband, oder eine gut wärmeleitende Substanz, wie z.B. ein wärmeleitendes Silikon oder eine Wärmeleitpaste, eingebracht werden.
Der Außendurchmesser des kühlbaren Kappenrings 7a nimmt in axialer Richtung zum Rotorpaket 41 nicht zu. In korrespondie render Weise nimmt der Innendurchmesser der radialen Innenfläche 77 des Wickelkopfes 6 in axialer Richtung zum Rotorpaket 41 nicht ab. Die radiale Innenfläche 62 des Wickelkopfes 6 ist für einen guten Wärmeübergang vorzugsweise flächig ausgebildet.
Erfindungsgemäß weist die Kühleinrichtung 1 zumindest ein hohlzylindrisches Kühlelement 8a auf, welches fest auf der Rotorwelle 5 sitzt und welches eine Rotorwellenhülse 82 mit ersten axial beabstandeten radialen Fortsätzen 81 aufweist. Das hohlzylindrische Kühlelement 8a umfasst zumindest einen Teil des ringförmigen Zwischenraums, der im axialen Bereich BW zwischen dem überstehendem Wickelkopf 6 und der Rotorwelle 5 liegt. Der kühlbare Kappenring 7a weist zweite axial beabstandete radiale Fortsätze 74 auf, welche im eingebauten Zustand berührungslos in die von den ersten radialen Fortsätzen 81 gebildeten Zwischenbereiche greifen.
Die zweiten radialen Fortsätzen 74 des kühlbare Kappenrings greifen, wie 4 zeigt, radial von außen in die von den ersten radialen Fortsätzen 81 gebildeten Zwischenbereiche. Durch die Ineinanderverzahnung der ersten und zweiten radialen Fortsätze 81, 74 ist die Wärmeübertragung von hohlzylindrischem Kühlelement 8a zum korrespondierenden kühlbaren Kappenring 7a besonders groß.
Die ersten und zweiten radialen Fortsätze 81, 74 sind geometrisch so aufeinander abgestimmt, dass diese im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings 7 unter Einhaltung eines vorgebbaren Luftspalts LS in die jeweiligen Zwischenbereiche zwischen den ersten und zweiten radialen Fortsätzen 81, 74 greifen. Die ersten und zweiten radialen Fortsätze 81, 74 können z.B. strahlenförmig verlaufen. Sie können, in tangentialer Richtung (also um die Drehachse A herum) gesehen, beabstandet sein.
Im Beispiel der 4 stellt sich nach Zusammenbau der Kühleinrichtung ein einheitlicher Luftspalt LS ein. Die Breite des Luftspalts LS kann im Rahmen der Konstruktion der Kühleinrichtung 1 bestimmt und festgelegt werden. Der Luftspalt LS liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 mm bis 5 mm, z.B. 1 mm. Darüber hinausgehende Werte im zweistelligen Millimeterbereich sind möglich, insbesondere bei Großmaschinen oder bei Maschinen mit großem und gegebenenfalls technisch bedingtem axialen Spiel der Rotorwelle 5.
Der Kappenring 7a ist im Bereich seines kleinsten Innendurchmessers ID dem hohlzylindrischen Kühlelement 8a axial vorgelagert. Der vorgelagerte Bereich des Kappenrings 7a ragt zum Teil in den axialen Bereich BW zwischen Rotorwelle 5 und der radialen Innenseite 62 des Wickelkopfes 6 hinein. Die ersten und zweiten radialen Fortsätze 81, 74 sind vorzugsweise, wie die 4 zeigt, rippenförmig ausgebildet. Die Ausbildung in Form von Kühlrippen ist von der Kühlung von elektrischen Bauelementen bekannt.
Gemäß dem Beispiel der 4 weist der axiale Bereich des kühlbaren Kappenrings 7a mit dem größeren Innendurchmesser die zweiten radialen Fortsätze 74 auf. Die zweiten radialen Fortsätze 74 sind geometrisch auf die ersten radialen Fortsätzen 81 des hohlzylindrischen Kühlelements 8a abgestimmt und demzufolge radialzirkular ausgeführt. Dabei greifen die zweiten radialen Fortsätze 74 im axialen Bereich des kühlbaren Kappenrings 7 mit dem größeren Innendurchmesser koaxial und radial von außen in die von den ersten radialen Fortsätze 81 gebildeten Zwischenbereiche. Die berührungslose Ineinanderverzahnung der radialen Fortsätze 81, 74 erfolgt hier unter Einhaltung eines gleichen Luftspalts LS.
Die ersten radialen Fortsätze 81 weisen die Form von axial beabstandeten und auf der Rotorwellenhülse 82 sitzenden Scheibenringen auf. Im Beispiel der 4 sind die Fortsätze 81 scheibenförmige Kühlrippen, wobei die drei gezeigten radialen Fortsätze 81 einen einheitlichen maximalen Außendurchmesser und eine einheitlich gleiche radiale Kühlrippentiefe aufweisen. Die Anzahl der ersten radialen Fortsätze 81 ist prinzipiell frei wählbar. Bevorzugt ist eine Anzahl in einem Bereich von 2 bis 20. Auch kann der Außendurchmesser der ersten radialen Fortsätze 81 unterschiedlich sein. Der Außendurchmesser kann z.B. in axialer Richtung kontinuierlich zunehmen. Auch kann der Abstand zwischen den ersten radialen Fortsätzen 81 unterschiedlich sein. Selbiges gilt für die jeweilige Dicke der ersten radialen Fortsätze 81. In konstruktiver Hinsicht sind einheitliche Abmessungen zu bevorzugen.
Durch die berührungslose Ineinanderverzahnung wird die von der großen Oberfläche des hohlzylindrischen Kühlelements 8a abgestrahlte Verlustwärme von einer vergleichsweise gleich großen innenseitigen Oberfläche des kühlbaren Kappenrings 7a zur Kühlung der Rotorwelle 5 absorbiert. Der kühlbare Kappenring 7a und das hohlzylindrische Kühlelement 8a sind vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, Messing oder einem eisenhaltigen Graugussmetall hergestellt. Als Werkstoff ist besonders Aluminium mit schwarzeloxierter Oberfläche geeignet. Ein derartiger Werkstoff weist ein hohes Wärmeabstrahlungs- und Wärmeabsorptionsvermögen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie ein geringes spezifisches Gewicht im Vergleich zu den anderen obengenannten Metallen auf.
Der kühlbare Kappenring 7a weist gemäß einer Ausführungsform zwei Kappenringbauteile 75a, 76a auf, welche zumindest einen Hohlraum 72a für das Kühlmittel bei axialem Zusammenbau des Kappenrings 7a bilden. Die im Hohlraum 72a dargestellte Linie zeigt die konstruktive Schnittlinie durch den Kappenring 7a senkrecht zur Symmetrie- und Rotationsachse A des kühlbaren Kappenrings 7a. Die Schnittlinie liegt vorzugsweise an einer axialen Position, an welcher der Hohlraum 72a des kühlbaren Kappenrings 7a seine größte Querschnittsfläche aufweist. Die Herstellung eines solchen kühlbaren Kappenrings 7a wird insbesondere im Falle eines Metallgießverfahrens erheblich vereinfacht. Zur Abdichtung, insbesondere im Falle einer Flüssigkeitskühlung, sind nicht weiter bezeichnete O-Ringe zwischen den beiden Kappenringbauteile 75, 76 gezeigt. Der konstruktive Schnitt kann auch an einer radialen Position erfol gen, an welcher der Hohlraum 72a seine größte Querschnittsfläche aufweist. In diesem Fall besteht der kühlbare Kappenring 7a aus zwei zueinander koaxialen Bauteilen.
Die Kühleinrichtung 1 der gezeigten elektrischen Maschine weist zumindest einen kühlbaren Kappenring 7a, 7b mit einer radialen Außenfläche 77 auf. Der Wickelkopf 6 ist zumindest teilweise mit einer wärmeleitfähigen und verfestigten Vergussmasse 61 umgeben. Die Vergussmasse 61 bildet beim Verfestigen eine auf die radiale Außenfläche 77 des kühlbaren Kappenrings 7a, 7b geometrisch abgestimmte radiale Innenfläche 62 aus.
Als Vergussmasse können Polymere oder auch Kunstharze, wie z.B. Epoxydharz, eingesetzt werden.
Die radiale Außenfläche 77 und die radiale Innenfläche 62 liegen im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung bzw. des kühlbaren Kappenrings 7a, 7b aneinander an. Insbesondere liegen die beiden radialen Flächen 77, 62 dicht und spielfrei aneinander an. Zur weiteren verbesserten Kühlung kann zwischen die beiden Flächen 77, 62 eine wärmeleitfähige Substanz, wie z.B. Wärmeleitpaste, eingebracht bzw. aufgebracht werden. Zwischen den beiden Flächen 77, 62 kann auch ein metallisches Wärmeleitband, wie z.B. aus einem Metallgeflecht, eingebracht sein.
Vorzugsweise sind die Wickelköpfe 6 und gegebenenfalls auch ein Teil der Stromwicklungen im Statorpaket 31 an der radialen Außenseite und an der radialen Innenseite 62 von der Vergussmasse 61 umgeben. Dadurch können die Wickelköpfe 6 bzw. die Stromwicklungen über den anliegenden Kühlmantel 9 und über den kühlbaren Kappenring 7a, 7b effektiv gekühlt werden. Die Entstehung möglicher Hotspots wird erheblich reduziert.
Die Kühleinrichtung 1 kann alternativ oder in Kombination mit der vorherigen Ausführungsform zumindest einen kühlbaren Kappenring 7a mit einer radialen Außenfläche 77 aufweisen. Dem nach ist zumindest ein Teil des Wickelkopfes 6 in einem Kunststoff getränkt. Der Kunststoff bildet beim Verfestigen eine auf die radiale Außenfläche 77 des Kappenrings 7a geometrisch abgestimmte radiale Innenfläche 62 aus. Die radiale Außenfläche 77 und die radiale Innenfläche 62 liegen im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung 1 bzw. des kühlbaren Kappenrings 7a aneinander.
Im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform, bei welcher zumindest ein Teil des Wickelkopfes 6 von der Vergussmasse 61 umgeben ist, ist zumindest ein Teil des Wickelkopfes 6 in einem Kunststoff getränkt. Dieser Kunststoff durchdringt im flüssigen und noch nicht verfestigten Zustand den Wickelkopf 6 und gegebenenfalls Teile der Stromwicklungen oder auch die gesamte Stromwicklung. Die Tränkung kann z.B. mittels eines aus der Fertigungstechnik von Elektromotoren bekannten Vakuumverfahrens erfolgen. Die Durchdringung der Wickelköpfe 6 bzw. der Stromwicklung mit dem Kunststoff reduziert den Wärmewiderstand zu der kühlenden radialen Außen- und Innenfläche des Wickelkopfes 6 in erheblichem Maße.
Als Kunststoff kann z.B. wärmeleitfähiges Epoxydharz vom Typ Hysol 9496 AB der Fa. LOCTITE verwendet werden. Dieser Kunststoff ist ein vergießbarer, zweikomponentiger schwarzer Epoxydharzklebstoff mit geringem Schrumpf, welcher bei Raumtemperatur aushärtet. Der Kunststoff weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 1,7 W/mK auf.
Der gezeigte kühlbare Kappenring 7a weist gemäß einer Ausführungsform eine rotationssymmetrische – z.B. eine zylindrische oder konische – Außenfläche 77 auf. Weiterhin weist die Vergussmasse 61 bzw. der Kunststoff, in dem zumindest ein Teil des Wickelkopfes 6 getränkt ist, eine auf die radiale Außenfläche 77 des kühlbaren Kappenrings 7a abgestimmte rotationssymmetrische radiale Innenfläche 62 auf. Im Beispiel der FIG sind die radiale Außenfläche 77 und die radiale Innenseite 62 zylindrisch ausgebildet.
Um die Montage eines kühlbaren Kappenrings 7a in den Zwischenraum zwischen überstehenden Wickelkopf 6 und Rotorwelle 5 in axialer Richtung ermöglichen, sollte der Außendurchmesser des zu montierenden Kappenrings 7a in axialer Richtung zum Rotorpaket 41 nicht zunehmen. In korrespondierender Weise sollte der Innendurchmesser der radialen Innenfläche 77 des Wickelkopfes 6 in axialer Richtung zum Rotorpaket 41 nicht abnehmen. In diesen Fällen ist ein großflächiger Kontakt zwischen kühlbarem Kappenring 7a und der radialer Innenfläche 77 des Wickelkopfes 6 für einen guten Wärmeübergang möglich.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der kühlbare Kappenring 7 der Kühleinrichtung 1 der elektrischen Maschine einen zumindest teilweise umlaufenden Kühlkragen 73 zur möglichen Kühlung eines axialen Endes 63 des Wickelkopfes 6 im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings 7 auf. Der Querschnitt durch den Kühlkragen 73 ist im Beispiel der 4 gestrichelt dargestellt. Wie die 4 weiter zeigt, liegt der Kühlkragen 73 bündig am axialen Ende 63 des Wickelkopfes 6 an. Der Kühlkragen 73 ist insbesondere ein integraler Bestandteil des kühlbaren Kappenrings 7a, das heißt der Kappenring 7a und der Kühlkragen 73 können z.B. in einem Guss gefertigt sein. Der Kühlkragen 73 kann alternativ ein Ring mit einer zylindrischen Innenmantelfläche sein, wobei der Ring koaxial über den Kappenring 7a aufgesteckt oder aufgezogen wird. Insbesondere ist der Kühlkragen 73 aus einem metallischen Werkstoff, wie z.B. Aluminium, Kupfer oder Stahl, gefertigt. Der Kühlkragen 73 ist vorzugsweise vollständig umlaufend ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform bildet der zumindest teilweise umlaufende Kühlkragen 73 des kühlbaren Kappenrings 7 eine axiale scheibenringförmige Kühlfläche aus. Die Vergussmasse 61 bzw. der Kunststoff, in der zumindest ein Teil des Wickelkopfes 6 getränkt ist, weist eine axiale scheibenringförmige Außenfläche 63 auf. Die axiale scheibenringförmige Außenfläche 63 ist auf die axiale scheibenringförmige Kühlfläche des Kühlkragens 73 geometrisch abgestimmt. Die axialen scheiben ringförmigen Flächen liegen im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung 1 bzw. des kühlbaren Kappenrings 7a an. Insbesondere liegen die axialen und scheibenringförmigen Flächen vorzugsweise dicht und spielfrei aneinander an.
Durch die Kühlung des axialen Endes des Wickelkopfes 6, durch die Kühlung der radialen Innenseite 62 des Wickelkopfes 6 sowie durch die mittels des Kühlmantels 7 gekühlte radiale Außenseite des Wickelkopfes 6 wird die Entstehung möglicher Hotspots im Wickelkopf 6 auf ein Minimum reduziert.
5 zeigt einen Querschnitt durch einen kühlbaren Kappenring 7a und durch ein auf der Rotorwelle 5 sitzendes hohlzylindrisches Kühlelement 8a der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung entlang der in 3 eingezeichneten Schnittlinie V-V.
In der 5 sind zur Verdeutlichung Abmessungen angegeben. AD bezeichnet den Außendurchmesser der Rotorwelle 5. Der Außendurchmesser AD ist nahezu identisch mit dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Kühlelements 8a bzw. dessen Rotorwellenhülse 82. Mit D ist die Dicke der Rotorwellenhülse 82 bezeichnet. Mit T ist die Rippentiefe, d.h. die Tiefe der ersten radialen Fortsätze 81 des Kühlelements 8a, bezeichnet. Mit AI ist der äußere Innendurchmesser des Kappenrings 7a bezeichnet. Er ist geringfügig größer als der Außendurchmesser AK des Kühlelements 8a, so dass sich zwischen diesen Bauteilen 7a, 8a ein Luftspalt LS im Millimeterbereich ausbilden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Kühleinrichtung 1 ein hohlzylindrisches Kühlelement 8a mit einer ersten Querschnittsfläche QH im axialen Bereich eines ersten radialen Fortsatzes 81 mit einer zentralen kreisförmigen Aussparung QR auf. Die Aussparung QR entspricht im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Rotorwelle 5 im dortigen axialen Bereich. Insbesondere ist die Aussparung QR geringfügig größer. Der kühlbare Kappenring 7a weist eine zweite Querschnittsfläche QK im axialen Bereich der zweiten radialen Fortsätze 74 auf.
Die erste und zweite Querschnittsfläche QH, QK sind derart aufeinander abgestimmt, dass ein Aufschieben des kühlbaren Kappenrings 7a auf das hohlzylindrische Kühlelement 7a nur bei vorbestimmten Verdrehwinkeln zueinander möglich ist.
Insbesondere weist das hohlzylindrische Kühlelement 8a eine, wie in 5 gezeigt, kreuzförmige Querschnittsform mit einer zentralen kreisförmigen Aussparung QR auf. Der kühlbaren Kappenring 7a weist eine kreisförmige Querschnittsform QK mit einer dazu korrespondierenden kreuzförmigen Aussparung auf. Anstelle der kreuzförmigen Querschnittsform und der korrespondierenden Aussparung kann auch eine mehreckförmige Querschnittsform, wie z.B. mit 5, 6 oder 8 Ecken, verwendet werden. Prinzipiell ist jede geometrische Ausgestaltung des Querschnitts des kühlbaren Kappenrings 7a denkbar. Bedingung ist nur, dass es bei zentrierter Übereinanderlegung der Querschnittsfläche QK der kühlbaren Kappenrings 7a und der Querschnittsform QH des hohlzylindrischen Kühlelements 8a zu keiner Überdeckung kommt.
In der gezeigten Darstellung der 5 sind der Kappenring 7a sowie das hohlzylindrische Kühlelement 8a so gegeneinander verdreht, dass keine Ineinanderverzahnung der ersten und zweiten radialen Fortsätze 81, 74 vorliegt. Der kühlbare Kappenring 7 kann in der gezeigten Darstellung zur Montage der elektrischen Maschine 1 über das hohlzylindrische Kühlelement 8 geschoben werden. Dagegen würde bei einer vorgenommenen Verdrehung von 45° eine maximale Überdeckung der ersten und zweiten radialen Fortsätze 81, 74 vorliegen.
Dadurch kann zur Montage der gesamte Rotor 4 mit dem auf der Rotorwelle 5 sitzenden hohlzylindrischen Kühlelement 8 durch den bereits im Maschinengehäuse 2 bzw. am Stator 3 befestigten kühlbaren Kappenring 7 hindurch eingeschoben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kappenring 7a zwei Kappenringhälften 7.1, 7.2 auf. Die beiden Kappenringhälften 7.1, 7.2 sind so ausgebildet, dass sie das hohlzy lindrische Kühlelement 8a bei radialem Zusammenbau des kühlbaren Kappenrings 7a umschließen. Die ersten und zweiten radialen Fortsätze 81, 74 sind nach Zusammenbau sowohl axial als auch zirkular ineinander verzahnt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Wärmeübergang von Kühlelement 8a zu kühlbarem Kappenring 7a besonders gut.
Die beiden Kappenringhälften 7.1, 7.2 können gleichfalls mittels eines Gießverfahrens hergestellt sein. Vorzugsweise sind die beiden Kappenringhälften 7.1, 7.2 aus Aluminium, Kupfer, Messing oder einem eisenhaltigen Graugussmetall hergestellt.
Schließlich ist die elektrische Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform derart ausgebildet, dass der Rotor 4 das hohlzylindrisches Kühlelement 8a der Kühleinrichtung 1 mit der ersten Querschnittsfläche QH im axialen Bereich eines ersten radialen Fortsatzes 81 mit der zentralen kreisförmigen Aussparung QR aufweist. Die kreisförmige Aussparung QR entspricht im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Rotorwelle 5 im dortigen axialen Bereich. Der Kappenring 7a weist die zweite Querschnittsfläche QK im axialen Bereich der zweiten radialen Fortsätze 74 auf. Die erste und zweite Querschnittsfläche QH, QK sind derart aufeinander abgestimmt, dass der Rotor 4 mit dem hohlzylindrischen Kühlelement 8a bei den vorbestimmten Verdrehwinkeln zueinander durch den in der elektrischen Maschine bereits montierten kühlbaren Kappenring 7a axial montierbar ist.
Nach radialem Zusammenbau des Kappenrings 7a und axialem Einschieben des gesamten Rotors 4 in die elektrische Maschine umschließt der kühlbare Kappenring 7a koaxial das hohlzylindrische Kühlelement 8a zumindest in einem axialen Teilbereich im Zwischenraum ZR zwischen Rotorwelle 5 und Wickelkopf 6.
Es wird die Montage einer derartigen erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erheblich erleichtert.

Claims

Einrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, wobei die elektrische Maschine einen Stator (3) mit einem Statorpaket (31) sowie einen Rotor (4) mit einem auf einer Rotorwelle (5) sitzenden Rotorpaket (41) aufweist, wobei im Statorpaket (31) eine Spulenwicklung mit axial überstehenden Wickelköpfen (6) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zumindest einen kühlbaren Kappenring (7) aufweist, durch den die Rotorwelle (5) geführt ist, wobei der kühlbare Kappenring (7) zumindest einen Teil eines ringförmigen Zwischenraums (ZR) einnimmt, der im axialen Bereich (BW) eines überstehenden Wickelkopfes (6) und der Rotorwelle (5) liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) zumindest einen insbesondere ringförmigen Hohlraum (72) für ein hindurchfließendes gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel ausbildet.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) Kühlmittelanschlüsse (71) für einen Zu- und Abfluss des Kühlmittels aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) einen Mindest-Innendurchmesser (ID) aufweist, der im axialen Bereich der Durchführung der Rotorwelle (5) geringfügig größer ist als der Außendurchmesser (AD) der Rotorwelle (5).
Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) eine radiale Außenfläche (77) aufweist, welche geometrisch auf die radiale Innenfläche (62) des Wickelkopfes (6) abgestimmt ist und welche im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings (7) an der radialen Innenfläche (62) anliegt.
Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) fest an einem Maschinengehäuse (2) oder am Stator (3) der elektrischen Maschine angebracht ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) zwei Kappenringbauteile (75a, 76a) aufweist, welche bei axialem Zusammenbau des kühlbaren Kappenrings (7) den zumindest einen Hohlraum (72a) für das Kühlmittel bilden.
Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Einrichtung zumindest ein hohlzylindrisches Kühlelement (8) aufweist, welches fest auf der Rotorwelle (5) sitzt und welches eine Rotorwellenhülse (82) mit ersten axial beabstandeten radialen Fortsätzen (81) aufweist, – dass das hohlzylindrische Kühlelement (8) zumindest einen Teil des ringförmigen Zwischenraums (ZR) umfasst, der im axialen Bereich (BW) zwischen dem überstehendem Wickelkopf (6) und der Rotorwelle (5) liegt, und – dass der kühlbare Kappenring (7) zweite axial beabstandete radiale Fortsätze (74) aufweist, welche im eingebauten Zustand berührungslos in die von den ersten radialen Fortsätzen (81) gebildeten Zwischenbereiche greifen.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten radialen Fortsätze (74) des kühlbaren Kappenrings (7) radial von außen in die von den ersten radialen Fortsätzen (81) gebildeten Zwischenbereiche greifen.
Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten radialen Fortsätze (81, 74) geometrisch so aufeinander abge stimmt sind, dass diese im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings (7) unter Einhaltung eines vorgebbaren Luftspalts (LS) in die jeweiligen Zwischenbereiche zwischen den ersten und zweiten radialen Fortsätzen (81, 74) greifen.
Einrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten radialen Fortsätze (81, 74) rippenförmig ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten radialen Fortsätze (81) die Form von axial beabstandeten, auf der Rotorwellenhülse (82) sitzenden Scheibenringen aufweisen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) zwei Kappenringhälften (7.1, 7.2) aufweist, welche das hohlzylindrische Kühlelement (8) bei radialem Zusammenbau des kühlbaren Kappenrings (7) umschließen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, – dass das hohlzylindrische Kühlelement (8) eine erste Querschnittsfläche (QH) im axialen Bereich eines ersten radialen Fortsatzes (81) mit einer zentralen kreisförmigen Aussparung (QR) aufweist, welche im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Rotorwelle (5) im dortigen axialen Bereich entspricht, – dass der kühlbare Kappenring (7) eine zweite Querschnittsfläche (QK) im axialen Bereich der zweiten radialen Fortsätze (74) aufweist und – dass die erste und zweite Querschnittsfläche (QH, QK) derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Aufschieben des kühlbaren Kappenrings (7) auf das hohlzylindrische Kühlelement (7) nur bei vorbestimmten Verdrehwinkeln zueinander möglich ist.
Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, – dass das hohlzylindrische Kühlelement (8) eine kreuzförmige oder mehreckförmige Querschnittsform mit einer zentralen kreisförmigen Aussparung (QR) aufweist und – dass der kühlbare Kappenring (7) eine kreisförmige Querschnittsform mit einer dazu korrespondierenden kreuzförmigen oder mehreckförmigen Aussparung aufweist.
Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, mit einer Kühleinrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, insbesondere zur Kühlung zumindest eines Wickelkopfes (6) und/oder der Rotorwelle (5) im axialen Bereich (BW) des zumindest einen Wickelkopfes (6).
Elektrische Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, – dass die Kühleinrichtung (1) zumindest einen kühlbaren Kappenring (7) mit einer radialen Außenfläche (77) aufweist, – dass der Wickelkopf (6) zumindest teilweise mit einer Vergussmasse (61) umgeben ist, – dass die Vergussmasse (61) eine auf die radiale Außenfläche (77) des kühlbaren Kappenrings (7) geometrisch abgestimmte radiale Innenfläche (62) aufweist und – dass die radiale Außenfläche (77) und die radiale Innenfläche (62) im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung bzw. des kühlbaren Kappenrings (7) aneinander liegen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, – dass die Kühleinrichtung (1) zumindest einen kühlbaren Kappenring (7) mit einer radialen Außenfläche (77) aufweist, – dass zumindest ein Teil des Wickelkopfes (6) in einem Kunststoff getränkt ist, – dass der Kunststoff eine auf die radiale Außenfläche (77) des Kappenrings (7) geometrisch abgestimmte radiale Innenfläche (62) aufweist und – dass die radiale Außenfläche (77) und die radiale Innenfläche (62) im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung bzw. des kühlbaren Kappenrings (7) aneinander anliegen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, – dass die radiale Außenfläche (77) des kühlbaren Kappenrings (7) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und – dass die Vergussmasse (61) bzw. der Kunststoff, in dem zumindest ein Teil des Wickelkopfes (6) getränkt ist, eine auf die radiale Außenfläche (77) des kühlbaren Kappenrings (7) abgestimmte rotationssymmetrische radiale Innenfläche (62) aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der kühlbare Kappenring (7) der Kühleinrichtung (1) einen zumindest teilweise umlaufenden Kühlkragen (73) zur Kühlung eines axialen Endes des Wickelkopfes (6) im eingebauten Zustand des kühlbaren Kappenrings (7) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 20 in Verbindung mit einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, – dass der zumindest teilweise umlaufende Kühlkragen (73) des kühlbaren Kappenrings (7) eine axiale scheibenringförmige Kühlfläche aufweist, – dass die Vergussmasse (61) bzw. der Kunststoff, in der zumindest ein Teil des Wickelkopfes (6) getränkt ist, eine axiale scheibenringförmige Außenfläche (63) aufweist, – dass die axiale scheibenringförmige Außenfläche (63) geometrisch auf die axiale scheibenringförmige Kühlfläche des Kühlkragens (73) abgestimmt ist und – dass die axialen scheibenringförmigen Flächen im eingebauten Zustand der Kühleinrichtung (1) bzw. des kühlbaren Kappenrings (7) aneinander anliegen.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, – dass die Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 14 oder 15 ausgebildet ist, – dass der Rotor (4) das hohlzylindrisches Kühlelement (8) mit der ersten Querschnittsfläche (QH) im axialen Bereich eines ersten radialen Fortsatzes (81) mit der zentralen kreisförmigen Aussparung (QR) aufweist, – dass die kreisförmige Aussparung (QR) im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Rotorwelle (5) im dortigen axialen Bereich entspricht, – dass der kühlbare Kappenring (7) die zweite Querschnittsfläche (QK) im axialen Bereich der zweiten radialen Fortsätze (74) aufweist und – dass die erste und zweite Querschnittsfläche (QH, QK) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Rotor (4) mit dem hohlzylindrischen Kühlelement (8) bei den vorbestimmten Verdrehwinkeln zueinander durch den in der elektrischen Maschine bereits montierten kühlbaren Kappenring (7) axial montierbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein gasgekühlter oder flüssigkeitsgekühlter Einbaumotor oder eine gasgekühlte oder flüssigkeitsgekühlte Motorspindel ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Asynchronmotor ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Synchronmotor ist.