DE102007043656A1

DE102007043656A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102007043656A1
Application number: DE102007043656A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. Danov; Andreas SCHRÖTER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Elektrische Maschine (100) mit einem auf eine Hohlwelle (102) gelagerten Rotor (101). Im Inneren der Hohlwelle (102) ist ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbar. Stirnseitig des Rotors (101), auf dem kalten Ende (104) der Hohlwelle (102) ist ein Lüfterrad (120) montiert, welches in seinem radial innen liegenden Bereich Wärmeübergangsflächen (123) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem auf einer Hohlwelle gelagerten Rotor, wobei die Hohlwelle in ihrem Inneren einen abgeschlossenen Hohlraum ausbildet, in welchem ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zwischen einem warmen und einem kalten Ende der Hohlwelle zirkulierbar ist. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, der innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist und den Rotor umgibt. Der Stator ist thermisch mit dem Gehäuse verbunden. Das Gehäuse weist stirnseitig zugängliche Kühlkanäle zur Zufuhr eines kühlenden Luftstroms an auf der Außenseite des Gehäuses vorhandene Kühlrippen auf.
Der Rotor und der Stator einer elektrischen Maschine, beispielsweise einer Asynchronmaschine oder einer Synchronmaschine, bedürfen der Kühlung. Typischerweise werden elektrische Maschinen mit einem Luftstrom gekühlt. Auf der Welle einer Maschine befindet sich ein Lüfterrad zur Erzeugung eines kühlenden Luftstroms. Der kühlende Luftstrom wird zu am Gehäuse der Maschine vorhandene Kühlrippen gelenkt. Zusätzlich zu einer Kühlung des Gehäuses und somit des Stators einer elektrischen Maschine ist es möglich, den Rotor der elektrischen Maschine auf einer Hohlwelle zu lagern, in welcher ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zirkuliert. Durch eine derartige Ausgestaltung der Rotorwelle ist es möglich, insbesondere im Rotor entstehende Wärme zentral über die Welle der elektrischen Maschine abzuführen. Somit kann die Wärmeabfuhr aus der elektrischen Maschine sowohl über den Stator als auch über den Rotor erfolgen.
Um einen kühlenden Luftstrom, welcher auf die Außenseite eines Gehäuses gelenkt wird, zu erzeugen und gleichzeitig ein Ende der Hohlwelle der Maschine derart zu kühlen, dass die Zirkulation des in der Hohlwelle vorhandenen Kältemittels nach einem Thermosiphoneffekt aufrechterhalten werden kann, sind teure Speziallüfter notwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine mit einem verbesserten Lüfter anzugeben.
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine mit einem auf einer Hohlwelle gelagerten Rotor, wobei die Hohlwelle in ihrem Inneren einen abgeschlossenen Hohlraum ausbildet, in welchem ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zwischen einem warmen und kalten Ende der Hohlwelle zirkulierbar ist, angegeben. Die elektrische Maschine nach der Erfindung weist einen den Rotor umgebenden Stator auf, der innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist und mit diesem thermisch verbunden ist. Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Maschine weist stirnseitig zugängliche Kühlkanäle zur Zufuhr eines kühlenden Luftstroms zu auf der Außenseite des Gehäuses vorhandenen Kühlrippen auf. Stirnseitig des Rotors der erfindungsgemäßen Maschine ist auf dem kalten Ende der Hohlwelle ein Lüfterrad zum Transport von Kaltluft in die Kühlkanäle montiert, welches mit dem kalten Ende der Hohlwelle in thermischer Verbindung steht. Das Lüfterrad ist durch eine Haube, die stirnseitig mit dem Gehäuse strömungsdicht abschließt, vollständig abgedeckt. Die Haube weist eine axiale Zuluftöffnung auf, wobei das Lüfterrad in seinen radial innen liegenden Bereichen in die Zuluftöffnung hineinragende Wärmeübergangsflächen aufweist.
Die erfindungsgemäße Maschine weist insbesondere die folgenden Vorteile auf. Mit Hilfe des Lüfterrades kann ein Luftstrom erzeugt werden, welcher den auf der Außenseite des Gehäuses vorhandenen Kühlrippen zugeführt wird. Mit demselben Lüfter kann gleichzeitig das kalte Ende der Hohlwelle gekühlt werden, so dass in dem Innenraum der Hohlwelle ein Thermosiphoneffekt aufrechterhalten werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen An sprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines, vorzugsweise mit mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine noch die folgenden Merkmale aufweisen:

– Die Wärmeübergangsflächen können nach der Art eines Radiallüfters ausgebildet sein. Durch eine solche Ausgestaltung der Wärmeübergangsflächen können diese sowohl zur Kühlung des kalten Endes der Hohlwelle verwendet werden als auch gleichzeitig einen Luftstrom, welcher den auf der Außenseite des Gehäuses vorhandenen Kühlrippen zugeführt wird, unterstützen.
– Das Lüfterrad kann nach der Art eines Radiallüfters ausgebildet sein. Ein Radiallüfter ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen.
– Die Zuluftöffnung kann als ein düsenförmiger Hals ausgebildet sein. Ein düsenförmiger Hals der Zuluftöffnung verhält sich strömungstechnisch besonders vorteilhaft.
– Die Hohlwelle kann im Wesentlichen über ihre volle Länge doppelwandig ausgestaltet sein. Der durch die doppelwandige Ausgestaltung der Hohlwelle entstehende weitere Hohlraum kann zur Aufnahme eines weiteren Kühlmittels geeignet sein, welches nach einem Thermosiphoneffekt zwischen dem warmen und kalten Ende der Hohlwelle zirkulierbar ist. Weiterhin können das Kältemittel und das weitere Kältemittel unterschiedliche Siedetemperaturen aufweisen. Durch eine derartige Ausgestaltung der Hohlwelle der elektrischen Maschine kann ein zweistufiger Thermosiphon zur Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine eingesetzt werden. Ein solcher zweistufiger Thermosiphon ist vorteilhaft über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor. In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in schematisierter Darstellung angedeutet. Dabei zeigen deren
1 eine elektrische Maschine im Längsschnitt,
2 ein Lüfterrad in Draufsicht,
3 eine Hohlwelle mit einem montierten Lüfterrad im Längsschnitt und
4 ein Lüfterrad auf einer Hohlwelle im Längsschnitt.
Sich in der Zeichnung entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In der Zeichnung nicht explizit erläuterte Teile sind allgemein bekannter Stand der Technik.
1 zeigt eine elektrische Maschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die elektrische Maschine 100 umfasst einen Rotor 101, welcher auf einer Hohlwelle 102 gehalten ist. Die Hohlwelle 102 ist durch Lager 106 gegenüber dem Gehäuse 108 der elektrischen Maschine gelagert. Die Hohlwelle 102 bildet in ihrem Inneren einen Hohlraum 103 aus, in dem ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zirkulierbar ist. Die Hohlwelle 102 weist im Bereich des Rotors 101 ein warmes Ende 104 und im Bereich des Lüfterrades 120 ein kaltes Ende 105 auf. Der Rotor 102 der elektrischen Maschine 100 wird von einem Stator 107 umgeben. Der Stator 107 ist wiederum in einem Gehäuse 108 gehalten und von diesem umgeben. Das Gehäuse 108 weist auf seiner Außenseite Kühlrippen 110 auf, welche durch Kühlkanäle 109 im Betrieb von einem kühlenden Luftstrom umströmt sind.
Auf dem kalten Ende 105 der Hohlwelle 102 befindet sich ein Lüfterrad 120. Das Lüfterrad 120 ist von einer geschlossenen Haube 121 vollständig abgedeckt. Die Habe 121 schließt mit dem Gehäuse 108 strömungsdicht gegenüber diesem ab. Die Haube 121 weist eine Zuluftöffnung 122 im axialen Bereich der elektrischen Maschine 100 auf.
Das Lüfterrad 120 weist Lüfterschaufeln 124 zur Erzeugung eines kühlenden Luftstroms sowie Wärmeübergangsflächen 123 auf. Durch die Zuluftöffnung 122 einströmende Kaltluft wird nach dem Eintritt in den gegebenenfalls düsenförmigen Halsbereich 125 der Haube 121 auf die Wärmeübergangsflächen 123 gelenkt. Die Wärmeübergangsflächen 123 stehen in thermischer Verbindung mit dem kalten Ende 105 der Hohlwelle 102. Die durch den Wärmeaustausch gegebenenfalls leicht erwärmte Kaltluft strömt durch die Kühlkanäle 109 zu den auf der Außenseite des Gehäuses 108 der elektrischen Maschine 100 vorhandenen Kühlrippen 110. Der Luftstrom wird dabei im Wesentlichen von den Lüfterschaufeln 124 getrieben.
2 zeigt das aus 1 bekannte Lüfterrad 120 in Draufsicht. Im radial innen liegenden Bereich, in der Nähe der Hohlwelle 102, weist das Lüfterrad 120 Wärmeübergangsflächen 123 auf. Im radial äußeren Bereich weist das Lüfterrad 120 Lüfterschaufeln 124 auf. Das Lüfterrad 120 kann insbesondere in Bezug auf die Lüfterschaufeln 124 nach der Art eines Radiallüfters wirksam und ausgebildet sein.
3 zeigt eine Hohlwelle 102 einer elektrischen Maschine 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Hohlwelle 102 ist doppelwandig ausgeführt. Die Hohlwelle 102 weist in ihrem Inneren einen Hohlraum 103, eine Trennwand 201 sowie einen von der Trennwand 201 umschlossenen weiteren Hohlraum 202 auf. Der Hohlraum 103 und der weitere Hohlraum 202 können mit unterschiedlichen Kältemitteln gefüllt sein. Die unterschiedlichen Kältemittel können außerdem verschiedene Siedetemperaturen aufweisen. So kann sich innerhalb der Hohlwelle 102 eine Zirkulation der beiden Kältemittel nach der Art eines zweistufigen Thermosiphoneffekts ausbilden. Durch einen zweistufig ausgelegten Kühlkreislauf kann dieser über einen großen Temperaturbereich in effektiver Art und Weise betrieben werden.
4 zeigt das kalte Ende 105 der Hohlwelle 102. Auf der Außenseite der Hohlwelle 102 ist ein Lüfterrad 120 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 100 montiert. Das Lüfterrad 120 ist derart ausgestaltet, dass die Wärmeübergangsfläche 123 in diejenige Fläche, welche die Lüfterschaufel 124 ausbildet, nahtlos übergeht.

Claims

Elektrische Maschine (100) mit – einem auf einer Hohlwelle (102) gelagerten Rotor (101), wobei die Hohlwelle (102) in ihrem Inneren einen abgeschlossenen Hohlraum (103) ausbildet, in welchem ein Kältemittel nach einem Thermosiphoneffekt zwischen einem warmen und einem kalten Ende (104, 105) der Hohlwelle (102) zirkulierbar ist, und – einem den Rotor (101) umgebundenen Stator (107), der innerhalb eines Gehäuses (108) angeordnet und mit diesem thermisch verbunden ist, wobei das Gehäuse (108) mit stirnseitig zugänglichen Kühlkanälen (109) zur Zufuhr eines kühlenden Luftstroms an auf der Außenseite des Gehäuses (108) vorhandene Kühlrippen (110) versehen ist, gekennzeichnet durch – ein stirnseitig des Rotors (101) auf dem kalten Ende (104) der Hohlwelle (102) montiertes Lüfterrad (120) zum Transport von Kaltluft in die Kühlkanäle (109), welches mit dem kalten Ende (104) der Hohlwelle (102) in thermischer Verbindung steht, und – eine stirnseitig mit dem Gehäuse (108) strömungsdicht abschließende, das Lüfterrad (120) vollständig abdeckende und geschlossene Haube (121) mit einer axialen Zuluftöffnung (122), wobei das Lüfterrad (120) in seinem radial innen liegenden Bereich, in die Zuluftöffnung hineinragende Wärmeübergangsflächen (123) aufweist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergangsflächen (123) nach der Art eines Radiallüfters ausgebildet sind.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (120) nach der Art eines Radiallüfters ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftöffnung (122) als ein düsenförmiger Hals ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (102) im Wesentlichen über ihre volle Länge doppelwandig ausgestaltet ist, wobei der auf diese Weise gebildete weitere Hohlraum (202) zur Aufnahme eines, nach einem Thermosiphoneffekt zwischen dem warmen und kalten Ende (104, 105) der Hohlwelle (102) zirkulierbaren weiteren Kühlmittels geeignet ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Hohlraum (103) vorhandene Kältemittel und das in dem weiteren Hohlraum (202) vorhandene weitere Kältemittel unterschiedliche Siedetemperaturen aufweisen, und im Betrieb nach der Art eines zweistufigen Thermosiphons zusammenwirken.