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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, in
dem ein Stator angeordnet ist, einem Wicklungssystem, das in Nuten
des Blechpakets dieses Stators angeordnet ist und an den Stirnseiten
dieses Blechpakets Wicklungsköpfe ausbildet,
einem Rotor, dessen Blechpaket drehfest mit einer Welle verbunden
ist, die in zumindest zwei Lagern in Lagerflanschen an den Stirnseiten
des Gehäuses
der elektrischen Maschine gelagert ist.
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Elektrische
Maschinen vor allem für
den Einsatz in branchenspezifischen Anlagen erfordern hohe elektrische
Leistung bei vergleichsweise kleinem Bauvolumen. Damit ergeben sich
Vorgaben, die nur mit vergleichsweise größeren Antriebsmaschinen mit
demnach überdimensionierter
Leistungsreserve erreicht werden können.
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Des
Weiteren existiert das Problem der Abfuhr der Verlustwärme aus
der elektrischen Maschine. Ebenso sind die dadurch bedingten hohen
Lagertemperaturen mit geringen Fettstandszeiten verbunden, so dass
unnötiges
Nachschmieren bzw. enge Wartungsintervalle vorzusehen sind. Des
Weiteren treten bei Einsatz von Luftkühlern zur Kühlung der Komponenten der elektrischen
Maschine starke Geräuschentwicklungen
insbesondere bei hohen Drehzahlen auf. Außerdem verursacht ein zusätzlicher Lüfterbaustein
ein vergleichsweise großes
Bauvolumen der elektrischen Maschine.
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So
ist aus der
DE 34 05
297 A1 eine elektrische Maschine mit Wärmerohrkühlung bekannt. Nachteilig dabei
ist die ineffiziente Kühlung
im Bereich der Lager, so dass auch dort nachgeschmiert bzw. kürzere Wartungsintervalle
vorzusehen sind.
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Aus
der
DE 20 20 953 ist
eine Anordnung zur Kühlung
eines Rotationskörpers über eine
Hohlwelle bekannt, wobei deren Lager durch eine Schicht aus wärmedämmendem
Material geschützt
ist.
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Aus
der
DE 33 11 086 A1 ist
eine Wärmerohranordnung
zur Kühlung
einer geschlossenen elektrischen Maschine bekannt, bei der ein Wärmerohr
in eine teilweise als Hohlwelle ausgebildete Maschinenwelle eingeschrumpft
ist.
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Aus
der
DE 19 39 221 ist
eine elektrische Maschine bekannt, bei der die Wärme aus dem rotierenden Teil über ein
mitrotierendes Wärmerohr
einer dem Wärmerohr
zugeordneten Kühleinrichtung
zugeführt
wird, und wobei das als Kondensationszone dienende Ende des Wärmerohrs
unmittelbar von einer mit Kühlflüssigkeit
gefüllten
Kühlkammer
umgeben ist.
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Aus
der
JP 41 83 259 A2 ist
eine Heat-Pipe-Kühlung
eines Linearmotors bekannt.
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Aus
der
DE 23 30 172 ist
eine elektrische Maschine bekannt, bei der sowohl die Wicklung des Stators
als auch die Kurschlussläuferwicklung
des Rotors durch axial verlaufende Hheat-Pipes gekühlt sind.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Maschine zu schaffen, bei der in effizienter Art und Weise eine Kühlung der
jeweiligen Wärmequellen
der elektrischen Maschine vorgenommen werden kann und gleichzeitig
damit eine Anpassung an vorhandenes Bauvolumen und Betriebsarten
der angetriebenen Arbeitsmaschine erfolgen soll. Des Weiteren soll
die Wärmeabstrahlung
nach außen
und die Geräuschentwicklung
reduziert werden.
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Des
Weiteren sollen Einzelmaßnahmen kombinierbar
sein um damit eine, gemäß einem
Baukastensystem auf einen branchenspezifischen Anwendungsfall, optimierte
elektrischen Maschine bereitstellen zu können.
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Die
Lösung
der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit
einem Gehäuse in
dem ein Stator angeordnet ist, einem Wicklungssystem, das in Nuten
des Blechpakets des Stators angeordnet ist und an den Stirnseiten
des Blechpakets Wicklungsköpfe
ausbildet, einem Rotor, dessen Blechpaket drehfest auf einer Welle
angeordnet ist, die in zumindest zwei Lagern in Lagerflanschen an den
Stirnseiten des Gehäuses
der elektrischen Maschine gelagert ist, wobei die Welle außerhalb
des Bereichs, der mit dem Blechpaket des Rotors drehfest verbunden
ist, zumindest zwei axial hintereinander angeordnete Abschnitte
zwischen den Lagern aufweist.
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Durch
die erfindungsgemäße mehrteilige Welle
wird das Blechpaket des Rotors direkt z.B. auf das Mittelsegment
der Motorwelle im Druckgießverfahren
positioniert. Ein nachträgliches
Aufschrumpfen des Blechpakets des Rotors entfällt. Damit ist ein einfacher
Formschluss Blechpaket des Rotors zur Welle, insbesondere zum Mittelsegment
dieser Welle, einfach herstellbar.
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In
einer weiteren Ausführungsform
erlaubt die mehrteilige Welle auch, das Blechpaket des Rotors direkt
auf das Mittelsegment der Welle aufzuschrumpfen. Da jedes axiale
Teilsegment einzeln ausgewuchtet werden kann, ergibt sich eine wesentlich
genauere Gesamtauswuchtung des Rotors. Die einzelnen axialen Teilsegmente
können
marktübliche Stahlrohre,
die als Hohlwelle ausgebildet sind, oder Vollwellensegmente sein.
Somit können
unterschiedliche Segmente, d.h. Hohlwelle, Teilhohlwelle oder Vollwellensegmente,
beim Zusammenstellen einer Welle kombiniert werden.
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Durch
die mehrteilige Welle sind nur jeweils die erforderlichen Teile
bearbeitbar, damit lassen sich auch gestufte Innenbohrungen vergleichsweise
einfach herstellen.
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Einbauten
in die Welle, wie z.B. Heat-Pipes, Kühlflächen, Kühlkanäle, Sensoren, Thermofühler etc.
lassen sich somit vergleichsweise einfach in die jeweiligen Teile
einbauen.
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Vorteilhafterweise
wird bei einer Luftdurchführung
z.B. bei einer dreiteiligen Welle der Mittelteil, komplett als Hohlwelle
ausgebildet, so dass eine Luftkühlung
des Rotors über
den als Hohlwelle ausgebildeten Mittelteil erfolgt.
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Des
Weiteren ist bei einer Teilhohlwelle, die auch als Innenbohrung
bezeichnet werden kann ein Thermosyphon oder ein Heat-Pipe einsetzbar;
damit wird die Kühleffizienz
der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors gesteigert.
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Im
Bereich hoher mechanischer Belastung, z.B. bei Biegespannungen,
werden die Teilsegmente der Welle vorzugsweise als Vollwelle ausgebildet.
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Je
nach Belastung sind dabei auch zusätzlich unterschiedliche Werkstoffe
für die
Welle einsetzbar. Damit sind thermische Ausdehnungen oder Torsionsmomente
der Welle beeinflussbar.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Motorwelle zumindest zwei Teilsegmente auf, die axial
hintereinander angeordnet sind, wobei der das Blechpaket des Rotors
aufnehmende Teil als Hohlwelle ausgebildet ist und somit durch eine
axial verlaufende Luftführung
die Verlustwärme
aus dem Rotor abführt.
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Falls
dieser Teil lediglich eine teilweise ausgebildete Hohlwelle ist,
die sich über
eine vorgebbare axiale axiale Länge
des Blechpakets erstreckt, wird vorteilhafterweise ein Wärmeleitrohr
oder eine Heat-Pipe eingesetzt, die die Verlustwärme dann auf die der Arbeitsmaschine
abgewandten Seite der elektrischen Maschine transportiert und dort
durch einen geeigneten Kondensator, vorteilhafterweise einen als Kondensator
ausgebildeten Lüfter,
abgibt.
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Dieser
Lüfter
sorgt nicht nur aufgrund seiner Rotation für eine Kondensation des Kühlmediums des
Thermosyphons oder der Heat-Pipe, sondern bewirkt gleichzeitig eine
Verwirbelung des Luftstroms im Bereich der Wickelköpfe des
Stators. Somit ist eine kombinierte Kühlung vorhanden, die einerseits eine
Luftkühlung
im Bereich des Stators und der Wickelköpfe herbeiführt und gleichzeitig die Verlustwärme aus
dem Rotor abtransportiert. Damit wird die Verlustwärme über den
als Kühlkörper ausgebildeten Lüfter an
die Umgebungsluft abgeführt.
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Durch
Einstellen eines Unterdrucks oder Einsatz von verschiedenen Kühlmedien
wird der Kreislauf im Rotor zwischen Verdampfer und Kondensator optimiert.
Dabei ist insbesondere zur Einstellung des Unterdrucks ein dementsprechender
Anschluss vorzusehen, an den eine Vakuumpumpe anschließbar ist.
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Vorteilhafterweise
ist dabei insbesondere das Mittelsegment, das das Blechpaket des
Rotors trägt,
gegenüber
den anderen Segmenten, insbesondere dem der Arbeitsmaschine zugewandten
Segment, durch thermische Isolierung entkoppelt. Damit wird ein
Wärmefluss
auf weitere Bauteile der Maschine, z.B. die Lagerung, vermieden.
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Der
Wärmefluss
kann außerdem
durch axiale Zwischenelemente zwischen den Teilsegmenten der Motorwelle
vermieden werden. Damit werden die Lager thermisch wesentlich weniger
belastet. Diese Entlastung kann in einer anderen Ausführungsform auch
durch eine Beschichtung der Motorwelle oder eine Isolationshülse auf
der Welle Lagerinnenring erreicht werden. Eine derartiger Einsatz,
Beschichtung oder Hülse
am Lageraußenring
zwischen Lagerflansch und Lager verhindert außerdem den Wärmefluss
von der Wicklung bzw. vom Gehäuse
zur Lagerung.
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Der
Einsatz oder die Hülse
sind z.B. aus Keramik oder Kunststoff, der direkt aufgespritzt oder
gegossen wird.
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Ein
derartiger Einsatz oder Hülse
kann auch aus mehreren Teilen bestehen, die dann auf die Welle geklebt
werden.
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Damit
kann eine thermische und/oder elektrische Isolierung der Lagerung
geschaffen werden, um somit neben dem Wärmefluss auch Lagerströme zu vermeiden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird zur Kühlung
des Rotors Kühlluft
von außen von
der der Arbeitsmaschine abgewandten Seite zum Luftaustritt auf der
der Arbeitsmaschine zugewandten Seite geleitet. Über einen offenen Lagerflansch
wird dann die erwärmte
Kühlluft
nach außen geführt. Der
offene Luftkreislauf wird erzeugt durch an der Eintrittseite zur
Hohlwelle ausgebildete Luftleitelemente, die einen Luftstrom über den
eingangsseitigen Lagerflansch gestatten, das Mittelsegment der Motorwelle
und den Luftaustritt aus dem anderen Lagerflansch.
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Vorteilhafterweise
wird dabei die Luftströmung über den
Wickelkopf geführt,
was gleichzeitig eine Kühlung
dieses Maschinenteils bewirkt. Vorzugsweise sind dabei im Wickelkopf
Kühlkanäle aus gut
wärmeleitfähigem Isolationsmaterial
eingearbeitet, so dass auch aus dem Inneren des Wickelkopfes Wärme abgeführt werden
kann.
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Zusätzliche
Kühlrippen
in dem Mittelsegment der Motorwelle, also in der Hohlwelle vergrößern die Oberfläche des
Wärmeübergangs
von dem Blechpaket des Rotors auf die Luftströmung. Die Lager liegen außerhalb
dieses Kühlkreislaufs
und werden somit nicht wesentlich von der Verlustwärme erwärmt. Zusätzlich kann
durch thermische Zwischenschichten, die in die axiale Länge der
Motorwelle eingefügt
sind und sich somit zwischen den Segmenten der Welle befinden, eine
thermische Entkopplung dieser Segmente erreicht werden.
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Um
außerdem
eine hohe Schutzart der elektrischen Maschine sicher zu stellen,
werden im Bereich der Luftströmung
zu kritischen Bauelementen der elektrischen Maschine beispielsweise
Labyrinthdichtungen vorgesehen, um das Eindringen von Wasser, Schmutz
etc. zu verhindern.
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Zusätzliche
Lüfter
im Verlauf des Kühlluftstroms
innerhalb der elektrischen Maschine können die Durchströmungsgeschwindigkeit
weiter erhöhen und
somit die Kühleffizienz
weiter steigern.
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Um
die Wicklung und die Wickelköpfe
zu kühlen,
werden insbesondere Thermosyphons oder eine Heat-Pipes in die Wicklung
integriert bzw. thermisch gut an den Wickelkopf angebunden. Diese
Wickelköpfe
sind vorteilhafterweise ergänzend
durch dementsprechende Wärmeleitpaste
an das Gehäuse,
das eine Rippenkühlung
oder eine Flüssigkeitskühlung aufweist,
thermisch gekoppelt.
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Vorteilhafterweise
wird der Wickelkopf in einer weiteren Ausführungsform in ein flüssigkeitsgekühltes Formteil
eingegossen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist ein elastischer Schlauch um zumindest einen Teil der Wickelköpfe gewunden,
der mit Kühlflüssigkeit
durchströmt
ist. Zur formschlüssigen
zur thermischen Anbindung dieses Schlauches an den Wickelkopf zur Flüssigkeitskühlung wird
dieser Schlauch unter Druck bleibend aufgebläht, der damit anliegt. Zusätzlich kann
der Wärmeübergang
auf den Schlauch z.B. durch Vergießen weiter verbessert werden.
Dabei ist darauf zu achten, dass die Isolationsfestigkeit eingehalten
wird. Vorzugsweise besteht der Schlauch damit aus wärmeleitendem
elektrisch isolierendem Material.
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Ebenso
kann es sich dabei um einen Wellenschlauch aus Metall handeln, dabei
ist verstärkt
auf die Isolationsfestigkeit zwischen Wickelkopf und Wellenschlauch
und damit der Kühlung
zu achten.
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Der
Stator mit seiner Wicklung kann in ein Gehäuse eingebracht sein, das eine
Rippenkühlung aufweist.
Für erhöhte Anforderungen
ist aber ein Gehäuse
mit Flüssigkeitskühlung vorgesehen,
wobei die Kühlkanäle mäander- oder
spiralförmig
in dem Gehäuse
angeordnet sind. Vorteilhafterweise werden dabei flüssige Kühlmedien
hoher Wärmekapazität eingesetzt,
wie z.B. Öl
oder Wasser.
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Wie
oben ausgeführt,
wird die im Rotor entstehende Verlustwärme mittels Thermosyphon nach außen abgeleitet.
Um die Funktion des Thermosyphons im sich drehenden Rotor sicherzustellen,
ist dieser zur Mitte des Blechpakets des Rotors leicht nach außen geneigt.
Die im Kühlbereich
kondensierte Kühlflüssigkeit
wird so über
Fliehkraft zur Mitte des Blechpakets des Rotors zurücktransportiert.
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Um
die Lebensdauer und Nachschmierfristen der Kugellager zu verlängern, wird
vorteilhafterweise die Lagerinnen- und -außenringe von Welle bzw. Lagerflansch
thermisch entkoppelt. Dies gelingt durch die Beschichtungen der
Welle und/oder Hülsen und
Einsätze
aus Keramik oder Kunststoff, die direkt aufgespritzt oder gegossen
werden können.
Eine Positionierung dieser Hülsen
wird vorteilhafterweise durch Schultern der Welle erreicht. Des
Weiteren wird damit auch eine elektrische Isolierung der Lagerung
erreicht, so dass die Lagerströme
vermieden werden.
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Die
mehrteilige Welle mit thermisch und/oder elektrisch axial eingebauten
Isolierschichten kann über
Schraubverbindungen montiert werden. Diese Isolierschichten bestehen
aus Kunststoff oder Keramik. Damit wird auch eine thermische und/oder
elektrische Isolierung der Lagerung von Wärmequellen von Arbeitsmaschinen
wie Getriebe oder Verdichtern erreicht. Damit werden die Lagertemperaturen
wesentlich reduziert und die Lebensdauer verlängert. Die Temperaturen von
Lageraußenring
und Lagerinnenring werden somit angeglichen.
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Die
thermischen Sperren zwischen Wickelkopf und Lagerung oder Blechpaket
des Rotors und Lagerung können
in einer besonders vorteilhaften Ausführung auch flüssigkeitsgekühlt werden
und somit aktiv zur Wärmeabfuhr
beitragen.
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Alternativ
können
die thermischen Sperren über
Reflexion bzw. Verringerung der Wärmeabstrahlung.
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Aufgrund
der mehrteiligen Welle, also der Motorwelle in axiale Teilsegmente
unterteilt, können Einbauten
in diese Teilsegmente, z.B. Heat-Pipes, Isolierungen, Kühlflächen, Kühlkanäle, Sensoren, Thermofühler, wesentlich
einfacher realisiert werden, da jeweils nur ein Teilsegment der
Welle bearbeitet werden muss. Auch ist ein einfaches Herstellen
von gestuften Innenbohrungen möglich.
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Ein
Thermosyphon-Leitungssystem weist wenigstens eine geschlossen Rohrleitung
auf, die zwischen einem eine Wärmesenke
bildenden Kaltbereich der Kühleinrichtung
und den zu kühlenden
Teilen der elektrischen Maschine mit einem Gefälle verläuft. Das in diesem Leitungssystem
befindliche Kältemittel
kondensiert dabei in dem auch als Kondensationszone zu bezeichnenden
Kaltbereich, z.B. des Lüfters,
und gelangt von dort in den Bereich er zu kühlenden Maschinenteile, z.B.
Wicklung, Wickelkopf oder Hohlwelle des Rotors, der so genannten Verdampferzone,
wo es sich unter Aufnahme von Verlustwärme erwärmt und dabei im Allgemeinen verdampft.
Das so verdampfte Kältemittel
strömt dann
innerhalb dieses Leitungssystems wieder zurück in den Bereich der Kondensatorzone.
Die entsprechende Zirkulation des Kältemittels erfolgt demnach
aufgrund eines so genannten Thermosyphon-Effekts in einem Naturumlauf
mit Sieden und Verdampfen. Das Thermosyphon-Leitungssystem ist mit
einem handelsüblichen
Kältemittel
gefüllt.
Das in ihm vorhandene Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
ist gesättigt,
d.h. der Druck in dem Leitungssystem wird durch die tiefe Temperatur
bestimmt, mit der das Leitungssystem thermisch in Kontakt ist, hier
also die Temperatur, bei der die aufgenommene Wärme am Kondensator abgeführt wird.
Werden die Wärmeverluste
der Maschine auf den Verdampfer übertragen, so
verdampft das Kältemittel
sofort, da es sich im Siedezustand befindet. Voraussetzung dabei
ist, dass sich der Kondensator auf vergleichsweise niedrigerem Temperaturniveau
befindet als der Verdampfer. Dadurch wird ein Kreislauf in Gang
gesetzt, der aufgrund der Dichteunterschiede zwischen Dampf und Flüssigkeit
des Kältemittels
nur durch die Schwerkraft aufrechterhalten wird. Dazu ist es erforderlich, dass
der Kondensator oberhalb oder zumindest auf gleicher Höhe angeordnet
ist wie der Verdampfer.
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Gemäß der Erfindung
ist also dieses an sich bekannte Prinzip auf die Kühlung mindestens
eines der Teile der Maschine, vorzugsweise auf mindestens einen
der dort befindlichen Wickelköpfe
der Ständerwicklung
oder des Rotors, angewandt. Dabei wird das Thermosyphonsystem in
Innenbohrungen der Welle, Ausnehmungen des Blechpakets von Stator
bzw. Rotor, in Nuten der Wicklung, im Wickelkopf etc. angeordnet.
Dabei bildet bereits die Wandung der Innenbohrung einen Teil der
Hülle des
Thermosyphons oder auch einer Heat-Pipe.
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Durch
diesen Einsatz eines solchen Thermosyphon-Leitungssystems, bei dem
durch den inneren Wärmetransport
eines Kältemittels
durch dessen Phasenübergänge eine
sehr hohe effektive Wärmeleitfähigkeit
gewährleistet
ist, kann so die Verlustwärme
quasi direkt von der jeweiligen Wärmequelle innerhalb der elektrischen
Maschine nach außen,
z.B. an Kühlluft
oder eine andere Wärmesenke,
wie beispielsweise einen externen Flüssigkeitskreislauf, abgeführt werden.
Dabei müssen
vorteilhafterweise keine größeren thermischen
Widerstände
wie Gehäusewände oder
Luftspalte überwunden
werden. Verbunden damit ist eine vorteilhafte Verringerung der thermischen
Belastung anderer Maschinenkomponenten, wie z.B. der Lager. Die
als Thermosyphon ausgebildete Kühleinrichtung
besitzt keine beweglichen Teile, ist wartungsfrei und selbstregelnd.
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Vorteilhafterweise
sind der Verdampfer und auch der Kondensator mit Maßnahmen
zur Vergrößerung der
Wärmeübertragungsflächen ausgestattet.
Auf diese Weise ist eine gute Wärmeübertragung durch
Konvektion an den Verdampfer zu gewährleisten. Entsprechende Maßnahmen
stellen insbesondere Kühlrippen
oder Kühlschlangen
dar.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der Zeichnung näher zu entnehmen;
darin zeigen:
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1 einen
Rotor,
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2 eine
Welle mit Kühlvorrichtung,
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3, 4 Ausführungsformen
einer derartigen Welle,
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5 eine
Welle mit thermisch unterschiedlichen Abschnitten,
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6 Kondensationslüfter im
Querschnitt,
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7 Kondensationslüfter im
Längsschnitt,
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8-10 verschiedene
Ausführungen einer
elektrischen maschine,
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11 Wickelkopfverguss.
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1 zeigt
einen Rotor 1, der einen Teil einer Welle 7 darstellt,
wobei die Welle 7 aus einem Mittelteil 6 und an
den jeweiligen Stirnseiten angeordneten Wellenstümpfen 8 und 9 besteht.
Der Mittelteil 6 ist in dieser Ausführungsform aus Vollmaterial
und weist ein Blechpaket 2 auf, in das eine Kurzschlusswicklung
mit ihrem Kurzschlussringen 5 positioniert ist. Das mit
der Kurzschlusswicklung versehene Blechpaket 2 wird gemäß 1 von
rechts auf den Mittelteil 6 aufgeschoben bzw. geschrumpft
und durch einen Flansch 40 fixiert. An den jeweiligen Enden
des Mittelteils 6 befinden sich Isolierelemente 10, 11,
die vorzugsweise hohl, d.h. mit einer Bohrung ausgeführt sind
und nur im Bereich ihrer Schraubverbindungen 13, 12 ein
isolierendes Material aufweisen. Durch die Schraubverbindungen 12, 13 wird
die Teile der Welle 7 torsionssteif miteinander verbunden.
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Durch
die Isolierelemente 10, 11 ist es nunmehr unmöglich, dass
eine im Rotor 1 entstehende Wärme über die Isolierelemente 10, 11 in
die Wellenstümpfe 8, 9 fließt und dort
eventuell in dieser 1 nicht dargestellte Lager unnötigerweise
erhitzt.
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Des
Weiteren wird die Wärme
von nicht näher
dargestellten Arbeitsmaschinen oder Getrieben abgehalten.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die Isolierelemente nicht nur zur Wärmeisolation als Wärmesperre
geeignet son dern sind auch als flüssigkeitsgekühlte Isolierelemente
ausgebildet, wobei sie damit auch Teil eines weiteren Kühlkreislaufes
der elektrischen Maschine bilden können.
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Eine
derartige Wärmesperre
durch Isolationselemente kann auch bei einem Klemmenkasten als Wärmeschutz
gegenüber
dem Stator eingesetzt werden, um die dort vorhandenen Einbauteile,
z.B. Umrichterbauelemente zu schützen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Isolationselemente zumindest
abschnittsweise mit einer wärmereflektierenden
Schicht versehen.
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2 zeigt
in einer weiteren Darstellung einen Rotor 1, dessen Blechpaket 2 nunmehr
von links auf eine Welle aufgeschrumpft wurde, bis zu einem Anschlag 41,
der in das Vollmaterial der Welle 7 eingefräst wurde.
Das Blechpaket 2 muss dabei nicht unbedingt als einteiliges
Blechpaket aufgeschrumpft werden, sondern kann auch durch Teilblechpakete 3, 4 aufgeschrumpft
werden. Natürlich
ist dann dabei erst nach Aufschrumpfen die Montage bzw. das Vergießen der
Kurzschlusswicklung 5 möglich.
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2 zeigt
des Weiteren in einer axial verlaufenden Bohrung eine Kühlvorrichtung 14 des
Rotors 1, die im Wesentlichen als Thermosyphon oder Heat-Pipe
ausgeführt
ist. Dabei wird im Bereich der Wärmequelle,
also der Teilblechpakete 3, 4 in der Verdampfungszone 15 der
Kühlvorrichtung 14 die Wärme aufgenommen
und mittels eines Kühlmediums 16 über eine
vorteilhafterweise konisch geformte Innenbohrung zu einem Kondensator 18 geführt. Im
Kondensator 18 wird die Wärme, wie hier dargestellt insbesondere über eine
als Lüfter
ausgebildete Kondensationszone 19 über dessen Lüfterflügel bzw. Kühlrippen
an die umgebende Kühlluft 21 durch
die Kondensationszone 19 geführt wird abgegeben. Die Kondensationszone 19 bildet
dabei eine ausreichende Wärmesenke,
so dass die Wärme,
die aus dem Rotor 1 über
die Welle 7 in die Kühlvorrichtung 14 gelangt,
in ausreichendem Maße
abgeführt
wird.
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Die
durch die Kondensationszone 19 strömende Luft 21 wird
insbesondere durch die als Lüfter ausgebildete
Kondensationszone 19 an weitere Teile der elektrischen
Maschine weitergeleitet, insbesondere z.B. an in dieser Darstellung
nicht näher
dargestellte Wickelköpfe.
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3 zeigt
in einer weiteren Darstellung einen Rotor 1 mit Teilblechpakten 3, 4 und
einer Kurzschlusswicklung 5, welcher Rotor 1 auf
einer Welle 7 positioniert ist. Die an der Welle 7 befindlichen
Lager 22 sind durch Fixierelemente 23 auf der
Welle 7 gehalten. Um nun die Wärme des Rotors 1 u.a.
von den Lagern 22, von einer nicht näher dargestellten Arbeitsmaschine
oder Getriebe abzuhalten, wird gemäß dieser Ausführungsform
vorgeschlagen, eine Isolierschicht in Form einer Hülse, eines
Einsatzes 39 oder einer anderen isolierenden Beschichtung
auf der Welle 7 vorzunehmen, um die Wärme, die aus dem Rotor 1 auf
die Welle 7 gelangt, von den Lagern 22 fern zu
halten.
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Die
Ausführungsform
nach 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform
der 3 dadurch, dass zusätzlich zu dem Einsatz 39,
also einer Lagerisolierung eine zusätzliche Kühlvorrichtung 14 des
Rotors 1 vorhanden ist. Es handelt sich dabei um die bereits
in 2 dargestellt Thermosyphon- oder Heat-Pipe-Kühlung.
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5 zeigt
in einer weiteren Ausführungsform
die bereits aus den vorherigen Figurenbeschreibungen bekannten Möglichkeiten
die Wärme
zum einen aus dem Rotor 1 abzuführen und zum anderen von weiteren
Maschinenteilen z.B. den Lagern 22 fern zu halten. Dabei
wird nunmehr der Mittelteil 6 der Welle 7 wie
in 1 durch Isolierelemente 10 und 11 von
den Wellenstümpfen 8 und 9 beabstandet.
Des Weiteren sind die Lager 22 über Einsätze 39 oder über andere
isolierende Medien auf der Welle 7 positioniert. Die Isolierelemente 10, 11 sind
nahezu aus durchgängig
aus Vollmaterial und weisen lediglich im Bereich der Durchführung der
Kühlvorrichtung 14 des
Rotors 1 einen Durchlass 48 auf, um dem Kühlmedium
einen Kreislauf von der Verdampfungszone 15 zur Kondensationszone 19 zu
ermöglichen.
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6 zeigt
in einem schematischen Aufbau die Kondensationszone 19,
die als Lüfter
ausgebildet ist, wobei durch die Drehung der Welle 7 und
damit des Lüfters
ein Kühlmittelstrom
erzeugt wird, der zusätzlich
zur Kondensation des Kühlmediums 16 in der
Kondensationszone 19 beiträgt. Die Rippen 44 verlaufen
im Wesentlichen radial und sind um eine Nabe 43 des Lüfters geordnet.
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7 zeigt
in einem schematischen Längsschnitt
dieses Lüfters
die Kondensationszone 19 mit den Kühlrippen 20, die im
Inneren der Nabe 43 angeordnet sind. Durch eine leicht
konische Ausbildung der Nabe 43 und damit des Innenraums
der Kondensationszone 19 wird das Rückströmen des Kühlmediums 16 in die
Verdampfungszone 15 erleichtert. Durch den mit 21 bezeichneten
Kühlluftstrom
durch die Kondensationszone 19 wird die Kondensation des
Kühlmediums 16 verbessert.
Des Weiteren kann der Kühlstrom 21 gleichzeitig
zur Kühlung
des Wickelkopfes 27 des Stators 26 beitragen.
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8 zeigt
eine elektrische Maschine 28, die eine der in den vorherigen
Figurenbeschreibungen dargestellten Welle 7 aufweist. Je
nach Anwendungsfall der elektrischen Maschine 28, sind
unterschiedliche Kühlprinzipien
des Rotors 1 bzw. Abschirmmaßnahmen für vorgegebene Teile der elektrischen
Maschine 28 vorgesehen. Die Welle 7 mit ihrem
Rotor 1 ist von einem Stator 26 umgeben, der geblecht
ausgeführt
ist und an seinen Stirnseiten jeweils einen Wickelkopf 27 eines
nicht näher
dargestellten Wicklungssystems aufweist. Dieses Wicklungssystem
kann dabei aus gesehnten Spulen oder aus Zahnspulen aufgebaut sein.
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Der
Stator 26 ist in einem Gehäuse 42 eingeschrumpft,
um einen ausreichenden Wärmeübergang
vom Blechpaket des Stators 26 auf das Gehäuse 42 zu
erhalten. In der elektrischen Maschine 28 nach 8 ist
nunmehr in dem Gehäuse 42 ein
Kühlmantel 25 vorgesehen,
dessen Kühlkanäle 32 spiralförmig um
das Gehäuse 42 verlaufen.
Selbstverständlich
weist die Kühlwendel
einen Ein- und Auslass auf, der aber nicht näher dargestellt wurde.
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Des
Weiteren sind an den Stirnseiten der elektrischen Maschine 28 Lagerflansche 29 vorgesehen,
die die Lager 22 der Welle 7 aufnehmen. Der Wickelkopf 27 befindet
sich in einer Vergussmasse 31, um damit eine verbesserte
Wärmeankopplung
an das Gehäuse 42 und
somit den Kühlmantel 25 der elektrischen
Maschine 28 zu erhalten.
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9 zeigt
eine luftgekühlte
elektrische Maschine bei der ebenfalls das Blechpaket des Stators 26 in
ein Gehäuse 42 eingepresst
ist. Gehäuserippen 50 tragen
zur Kühlung
des Stators 26 bei. Die Welle 7 ist in dieser
Ausführungsform
mehrteilig aufgebaut, wobei der Mittelteil 6 eine axial
durchgehende Bohrung 45 aufweist, durch die ein Kühlluftstrom
geführt werden
kann. Damit ist der Mittelteil 6 als Hohlwelle ausgebildet.
Diese Hohlwelle weist vorteilhafterweise zusätzliche Rippen auf die die
Wärmeübergangsflächen vergrößern.
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Ein
derartiger Kühlluftstrom
kann beispielsweise durch einen Lüfter 36 in die Maschine,
insbesondere den Rotor 1 gelenkt werden, wobei das Mittelteil 6 der
Welle 7 zumindest ein Umlenkelement 38 aufweist,
das den im wesentlichen radial eintretenden Kühlluftstrom in axialer Richtung
und damit in die axiale Bohrung 45 umlenkt und damit eine
Kühlung des
Rotors 1 herbeiführt.
Um dennoch einen Wärmeübertrag
aus dem Mittelteil 6 in die angrenzenden Wellenstrümpfe 8, 9 zu
vermeiden und damit die Lagerwartungsintervalle zu reduzieren, sind
Isolierelemente 10, 11 zwischen den einzelnen
axial hintereinander angeordneten Teilen der Welle 7 vorgesehen.
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Dabei
ist in dieser Ausführungsform
das Isolierelement 10 als Vollmaterial ausgebildet, während das
Isolierelement 11 im Bereich der axialen Bohrung einen
Durchgang aufweist, um den axialen Kühlluftstrom passieren zu lassen.
Wellenstumpf 8, 9 sind mit dem Mittelteil durch
Schraubverbindungen 12, 13 drehfest verbunden.
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Um
auch eine vorgegebene Schutzklasse der elektrischen Maschine, z.B.
IP 23 gewährleisten zu
können,
sind im Bereich des Lufteingangs beim Lüfter 36 Labyrinthdichtungen 37 vorgesehen,
die Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in die Maschine im Bereich
der Nahtstellen von Gehäuseteilen vermeiden.
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Ein
zusätzlicher
in die Hohlwelle integrierter Lüfter
und/oder ein weiterer Lüfter
auf der anderen Stirnseite der elektrischen Maschine tragen zum
erhöhten
Luftumsatz und damit zur verstärkten
Kühlung
insbesondere des Rotors 1 bei.
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Der
Luftkreislauf beginnt oder endet damit an der Abtriebsseite der
elektrischen Maschine 28. Da normalerweise die Abtriebsseite
die vergleichsweise wärmere
Seite der elektrischen Maschine darstellt, ist es vorteilhaft, die
Frischluft auf dieser Seite einströmen zu lassen.
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10 zeigt
eine elektrische Maschine 28, mit einer einteiligen Welle 7,
wobei die Welle 7 aus Gründen der Einfachheit als einteilig
und ohne die bisher beschriebenen Wärmeschutzmaßnahmen dargestellt wurde.
Bei dieser elektrischen Maschine 28 handelt es sich um
eine flüssigkeitsgekühlte elektrische
Maschine, die einen Kühlmantel 25 aufweist, der
spiralförmige
Kühlkanäle 32 hat.
Um die Kühleffizienz
im Stator 26 weiter zu erhöhen, werden Heat-Pipes in axialer
Richtung in das Blechpaket des Stator 26 eingebettet und
axial nach außen
geführt und
dort mit einer Kondensationszone dieser Heat-Pipes verbunden. Des
Weiteren ist insbesondere auf dieser der Kondensationszone abgewandten
Seite des Stators 26 der Wickelkopf 27 mit einer
speziellen Kühlvorrichtung
umgeben, wobei Schläuche 46 den
Außenbereich
des Wickelkopfes 27 spiralförmig umgeben.
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Damit
wird in effizienter Art und Weise die Wärme aus dem Wickelkopf 27 abgeführt. Die Schläuche 46 können sich
genauso an den Stirnseiten der Wickelköpfe 27 oder aber auch
eingebettet in den Wickelkopf 27 sein.
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Alternativ
dazu sind auch flexible Heat-pipes in bzw. um die Wickelköpfe 27 zu
positionieren. Die Kondensatorzone 19 ist dabei vorteilhafterweise
am Gehäuse 42 als
Kältesenke
vorzusehen.
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11 zeigt
ein Wickelkopfelement 30, das über den Wickelkopf 27 einer
elektrischen Maschine 28 geschoben werden kann und das
vorgegebne Kühleinrichtungen
und Montagehilfen vorsieht. So ist unter anderem ein Anschluss für Flüssigkeitskühlung über Kühlkanäle 51 vorgesehen
und eine Vergussmasse 31, die eine ausreichende Wärmeleitung
vom Wickelkopf 27 radial nach außen zum Gehäuse 42 darstellt.
Des Weiteren sind nach innen Halterippen 47 ausgebildet,
die außer
einer mechanischen Fixierung des Wickelkopfes 27 auch einen
Kühleffekt
insbesondere auf der radialen Innenseite des Wickelkopfes 27 bewirken.
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Durch
die vorgestellten Methoden die Wärme
aus dem Rotor zu führen
und/oder von Maschinenteilen, wie z.B. den Lagern 22 fern
zu halten in Verbindung mit einer effizienten Kühlung des Stators 26 ist
ein Motorkonzept geschaffen, dass zum einen modular gestaltbar ist
und sich somit jedem Anwendungsgebiet anpassen kann, als auch effiziente
Einzellösungen
für eine
gesteigerte Kühleffizienz
von elektrischen Maschinen vorsieht.