DE102007043656A1 - Electrical machine has rotor supported on hollow shaft, where hollow shaft is formed in inner side of closed hollow space and stator is arranged within housing - Google Patents

Electrical machine has rotor supported on hollow shaft, where hollow shaft is formed in inner side of closed hollow space and stator is arranged within housing Download PDF

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Abstract

The electrical machine (100) has a rotor (101) supported on a hollow shaft (102), where the hollow shaft is formed in the inner side of a closed hollow space (103). A stator (107) is arranged within a housing (108) and is connected with the housing in a thermal manner. A blower wheel (120) is provided for transporting cool air in a cooling channel (109) and is mounted at front side of the rotor on a cold end (105) of the hollow shaft. The cooling channel stands with the cold end of the hollow shaft in a thermal connection.

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.The The invention relates to an electric machine with one on one Hollow shaft mounted rotor, wherein the hollow shaft in its interior forms a closed cavity in which a refrigerant after a thermosiphon effect between a warm and a cold End of the hollow shaft is circulated. The electric machine includes a stator which is disposed within a housing and the Rotor surrounds. The stator is thermally connected to the housing. The housing has frontally accessible Cooling channels for supply a cooling Airflow on on the outside of the housing existing cooling fins on.

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.Of the Rotor and the stator of an electric machine, for example an asynchronous machine or a synchronous machine, require the Cooling. Typically, electric machines are with a flow of air cooled. On the shaft of a machine is a fan to generate a cooling Airflow. The cooling Air flow becomes to the housing the machine existing cooling fins directed. additionally to a cooling of the housing and thus the stator of an electric machine, it is possible to Store the rotor of the electric machine on a hollow shaft, in which is a refrigerant circulated after a thermosiphon effect. By such a configuration the rotor shaft it is possible especially in the rotor resulting heat centrally over the To dissipate shaft of the electric machine. Thus, the heat dissipation from the electric machine both via the stator and over the Rotor done.

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.Around a cooling Air flow, which on the outside a housing is directed to generate and at the same time an end of the hollow shaft to cool the machine so that the circulation of the existing in the hollow shaft refrigerant after a thermosiphon effect can be maintained are expensive special fan necessary.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine mit einem verbesserten Lüfter anzugeben.task The present invention is therefore an electric machine with an improved fan specify.

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.According to the invention is a Electric machine with a rotor mounted on a hollow shaft, wherein the hollow shaft in its interior a closed cavity forms, in which a refrigerant after a thermosiphon effect between a warm and cold end the hollow shaft is circulated, specified. The electric machine after The invention comprises a rotor surrounding the stator, which within a housing is arranged and connected to this thermally. The case of the inventive machine has accessible from the front Cooling channels for the supply of a cooling Airflow too on the outside of the housing existing cooling fins on. Front side of the rotor of the machine according to the invention is on the cold End of the hollow shaft a fan mounted for the transport of cold air into the cooling channels, which with the cold end of the hollow shaft is in thermal communication. The fan wheel is through a hood, the front side with the housing flow-tight closes, Completely covered. The hood has an axial inlet opening, wherein the fan in its radially inner regions projecting into the supply air opening Has heat transfer surfaces.

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.The inventive machine has in particular the following advantages. With the help of the fan wheel an air flow can be generated which is on the outside of the housing existing cooling fins supplied becomes. With the same fan at the same time the cold end of the hollow shaft can be cooled, so that maintain a thermosiphon effect in the interior of the hollow shaft can be.

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.
Advantageous embodiments of the electric machine according to the invention are apparent from the dependent of claim 1 to entitlements. The embodiment according to claim 1 can be combined with the features of one, preferably with a plurality of subclaims. Accordingly, the electric machine according to the invention may still have the following features:
  • - The heat transfer surfaces can be designed in the manner of a radial fan. Such a configuration of the heat transfer surfaces, these can be used both for cooling the cold end of the hollow shaft and at the same time an air flow, which is supplied to the existing on the outside of the housing cooling fins support.
  • - The fan may be designed in the manner of a radial fan. A radial fan is particularly simple and inexpensive to manufacture.
  • - The supply air opening may be formed as a nozzle-shaped neck. A nozzle-shaped neck of the supply air opening behaves fluidly particularly advantageous.
  • - The hollow shaft can be configured double-walled substantially over its full length. The resulting by the double-walled configuration of the hollow shaft further cavity may be suitable for receiving a further coolant, which is circulatory after a thermosiphon effect between the hot and cold end of the hollow shaft. Furthermore, the refrigerant and the further refrigerant may have different boiling temperatures. By such a configuration of the hollow shaft of the electric machine, a two-stage thermosyphon for cooling the rotor of the electric machine ne be used. Such a two-stage thermosyphon is advantageously used over a wide temperature range.

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 derenFurther advantageous embodiments of the electric machine according to the invention go from the above-mentioned subclaims and in particular from the drawing explained below. In the drawing are preferred embodiments of the electrical according to the invention Machine indicated in a schematic representation. Show their

1 eine elektrische Maschine im Längsschnitt, 1 an electrical machine in longitudinal section,

2 ein Lüfterrad in Draufsicht, 2 a fan in plan view,

3 eine Hohlwelle mit einem montierten Lüfterrad im Längsschnitt und 3 a hollow shaft with a mounted fan in longitudinal section and

4 ein Lüfterrad auf einer Hohlwelle im Längsschnitt. 4 a fan on a hollow shaft in longitudinal section.

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.Yourself in the drawing corresponding parts are denoted by the same reference numerals Mistake. Parts not explicitly explained in the drawing are general known state of the art.

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. 1 shows an electric machine 100 according to an embodiment. The electric machine 100 includes a rotor 101 which is on a hollow shaft 102 is held. The hollow shaft 102 is through bearings 106 opposite the housing 108 stored the electric machine. The hollow shaft 102 forms a cavity in its interior 103 in which a refrigerant after a thermosiphon effect is circulated. The hollow shaft 102 points in the area of the rotor 101 a warm end 104 and in the area of the fan wheel 120 a cold end 105 on. The rotor 102 the electric machine 100 is from a stator 107 surround. The stator 107 is in turn in a housing 108 kept and surrounded by this. The housing 108 has on its outside cooling fins 110 on, which by cooling channels 109 are surrounded by a cooling air flow during operation.

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.On the cold end 105 the hollow shaft 102 there is a fan wheel 120 , The fan wheel 120 is from a closed hood 121 completely covered. The possessions 121 closes with the housing 108 fluid-tight with respect to this. The hood 121 has a supply air opening 122 in the axial region of the electric machine 100 on.

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.The fan wheel 120 has fan blades 124 for generating a cooling air flow and heat transfer surfaces 123 on. Through the supply air opening 122 inflowing cold air is after entering the possibly nozzle-shaped neck area 125 the hood 121 on the heat transfer surfaces 123 directed. The heat transfer surfaces 123 are in thermal communication with the cold end 105 the hollow shaft 102 , The optionally slightly heated by the heat exchange cold air flows through the cooling channels 109 to those on the outside of the case 108 the electric machine 100 existing cooling fins 110 , The air flow is essentially from the fan blades 124 driven.

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. 2 shows that off 1 known fan 120 in plan view. In the radially inner area, near the hollow shaft 102 , points the fan wheel 120 Heat transfer surfaces 123 on. In the radially outer region, the fan wheel 120 fan blades 124 on. The fan wheel 120 especially with regard to the fan blades 124 be effective and designed in the manner of a radial fan.

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. 3 shows a hollow shaft 102 an electric machine 100 according to a further embodiment. The hollow shaft 102 is double-walled. The hollow shaft 102 has a cavity in its interior 103 , a partition 201 and one of the partition 201 enclosed further cavity 202 on. The cavity 103 and the more cavity 202 can be filled with different refrigerants. The different refrigerants may also have different boiling temperatures. So can inside the hollow shaft 102 form a circulation of the two refrigerants in the manner of a two-stage thermosiphon effect. Through a two-stage cooling circuit, it can be operated over a wide temperature range in an effective manner.

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. 4 shows the cold end 105 the hollow shaft 102 , On the outside of the hollow shaft 102 is a fan 120 according to another embodiment of an electrical machine 100 assembled. The fan wheel 120 is designed such that the heat transfer surface 123 in the area that the fan blade 124 trains, seamlessly transitions.

Claims (6)

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.Electric machine ( 100 ) with - one on a hollow shaft ( 102 ) mounted rotor ( 101 ), wherein the hollow shaft ( 102 ) in its interior a closed cavity ( 103 ) in which a refrigerant after a thermosiphon effect between a hot and a cold end ( 104 . 105 ) of the hollow shaft ( 102 ) is circulatable, and - one the rotor ( 101 ) bound stator ( 107 ), which within a housing ( 108 ) is arranged and thermally connected to this, wherein the housing ( 108 ) with front side accessible cooling channels ( 109 ) for supplying a cooling air flow to on the outside of the housing ( 108 ) existing cooling ribs ( 110 ), characterized by - a front side of the rotor ( 101 ) on the cold end ( 104 ) of the hollow shaft ( 102 ) mounted fan wheel ( 120 ) for transporting cold air into the cooling channels ( 109 ), which with the cold end ( 104 ) of the hollow shaft ( 102 ) is in thermal communication, and - a front side with the housing ( 108 ) fluid-tight, the fan ( 120 ) completely covering and closed hood ( 121 ) with an axial supply air opening ( 122 ), whereby the fan wheel ( 120 ) in its radially inner region, in the Zuluftöffnung protruding heat transfer surfaces ( 123 ) having. Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergangsflächen (123) nach der Art eines Radiallüfters ausgebildet sind.Electric machine ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the heat transfer surfaces ( 123 ) are formed in the manner of a radial fan. Elektrische Maschine (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (120) nach der Art eines Radiallüfters ausgebildet ist.Electric machine ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fan wheel ( 120 ) is designed in the manner of a radial fan. Elektrische Maschine (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftöffnung (122) als ein düsenförmiger Hals ausgebildet ist.Electric machine ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the supply air opening ( 122 ) is formed as a nozzle-shaped neck. 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.Electric machine ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow shaft ( 102 ) is configured double-walled substantially over its full length, wherein the further cavity formed in this way ( 202 ) for receiving a, after a thermosiphon effect between the hot and cold end ( 104 . 105 ) of the hollow shaft ( 102 ) is suitable for circulating further coolant. 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.Electric machine ( 100 ) according to claim 5, characterized in that in the cavity ( 103 ) existing refrigerant and in the further cavity ( 202 ) existing additional refrigerants have different boiling temperatures, and interact in operation after the manner of a two-stage thermosyphon.
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