DE102008020426A1

DE102008020426A1 - Elektrische Maschine mit Kühlkanälen im Rotor

Info

Publication number: DE102008020426A1
Application number: DE102008020426A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Franke; Cornelia Welker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-10-29
Also published as: WO2009129882A1

Abstract

Elektrische Maschine, mit - einem Stator, - einem Rotor, der um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar angeordnet ist, und - mindestens einem in bzw. an dem Rotor vorgesehenen Kühlkanal, der von einem Kühlmedium durchströmt ist, wobei sich die Absolutgeschwindigkeit eines Fluidelements des Kühlmediums aus einer Überlagerung der Geschwindigkeit des Rotors am momentanen Ort des betrachteten Fluidelements und der Geschwindigkeit des Fluidelements relativ zum Rotor ergibt. Die Geometrie des Kühlkanals ist derart gestaltet, dass das Fluidelement beim Durchströmen des Kühlkanals eine Geschwindigkeitskomponente relativ zum Rotor aufweist, die der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors bzw. des Kühlkanals am momentanen Ort des betrachteten Fluidelements entgegengerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Elektrische Maschinen, im Folgenden auch als ”Elektromaschinen” bezeichnet, weisen stehende Teile (Stator) und rotierende Teile (Rotor) auf, in denen bedingt durch die elektromagnetische Energiewandlung Verlustwärme entsteht. Die Verlustwärme wird üblicherweise durch ein Kühlmedium, wie z. B. Luft, Wasser, Öl etc. aus der Maschine abgeführt. Insbesondere bei Maschinen mit hoher Leistungsdichte, wie z. B. Generatoren von Fahrzeugen, wird der Rotor mittels strömender Fluide gekühlt. Die abführbare Wärmeleistung ist dabei im Wesentlichen proportional zum Massenstrom des Kühlmediums, zum Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem zu kühlenden Maschinenteil und dem Kühlmedium sowie zur Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Maschinenteil und dem Kühlmedium.
Zur Kühlung des Stators sind verschiedene Ansätze bekannt. Bekannt ist beispielsweise, das Kühlmedium über die Mantelfläche des Stators zu leiten oder durch Kühlkanäle, die im Inneren des Stators vorgesehen sind. Stand der Technik ist ferner, die besonders temperaturempfindlichen Wickelköpfe mittels Düsen, welche im Stator angeordnet sind, mit Kühlmittel zu besprühen.
Energetisch nachteilig ist es, wenn dem Kühlmedium durch rotierende Teile der elektrischen Maschine kinetische Energie zugeführt wird, da sowohl die Aufnahme der kinetischen Energie durch das Kühlmedium als auch deren Abgabe jeweils mit der Erzeugung von Wärme verbunden ist und somit den Gesamtwirkungsgrad ungünstig beeinflusst.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine zu schaffen, deren Rotor wirksam gekühlt werden kann, wobei die Kühlung dem Rotor möglichst wenig kinetische Energie entzieht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, der um eine Drehachse relativ zum Stator drehbar angeordnet ist. In bzw. an dem Rotor ist mindestens ein Kühlkanal vorgesehen, der von einem Kühlmedium, wie z. B. Öl, Wasser o. ä. durchströmt ist. Die Absolutgeschwindigkeit eines Fluidelements des den Kühlkanal durchströmenden Mediums setzt sich zusammen aus der Geschwindigkeit des Rotors bzw. des Kühlkanals an dem Ort, an dem sich das Fluidelement gerade befindet, und der Geschwindigkeit des Fluidelements relativ zum Rotor bzw. zum Kühlkanal.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, die Geometrie des mindestens einen Kühlkanals derart zu gestalten, dass die resultierende Geschwindigkeit des Fluidelements bzw. des den Kühlkanal durchströmenden Kühlmediums in Umfangs- bzw. Drehrichtung der elektrischen Maschine möglichst gering, vorzugsweise Null ist. Anders ausgedrückt ist die Geometrie des Kühlkanals so beschaffen, dass das betrachtete Fluidelement beim Durchströmen des Kühlkanals eine Geschwindigkeitskomponente relativ zum Rotor aufweist, die der am Ort des betrachteten Fluidelements vorliegenden Umfangs geschwindigkeit des Rotors bzw. des Kühlkanals entgegengerichtet ist. Bei der Überlagerung der beiden Geschwindigkeiten heben sich die Relativgeschwindigkeit des Fluidelements in Umfangsrichtung des Rotors und die in Umfangsrichtung gemessene Geschwindigkeit des Rotors am Ort des betrachteten Fluidelements ganz oder zumindest teilweise auf. Je geringer die Differenz dieser beiden Geschwindigkeiten ist, um so geringer ist die vom Rotor auf das Kühlmedium übertragene kinetische Energie und somit die durch die Kühlung hervorgerufene Verlustleistung.
Grundsätzlich ist die Erfindung unabhängig von der geometrischen Form des sich drehenden, zu kühlenden Körpers (Rotors) anwendbar, sofern die Geometrie des Kühlkanals, die Strömungsgeschwindigkeit des im Kühlkanal strömenden Mediums und die Drehzahl des Rotors derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Absolutgeschwindigkeit des Kühlmediums in Umfangsrichtung gesehen gering bzw. vorzugsweise Null ist.
Nach einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt des Kühlkanals über der Länge des Kühlkanals verändert oder konstant ist. Bei konstantem Querschnitt ist entsprechend der Kontinuitätsgleichung auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums im Kühlkanal konstant. Bei veränderlichem Querschnitt ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend umgekehrt proportional zur Querschnittsänderung.
Vorzugsweise ist eine Steuer- bzw. Regelelektronik vorgesehen, welche den Volumenstrom des den Kühlkanal durchströmenden Kühlmediums in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine derart steuert bzw. regelt, dass die vom Rotor auf das Kühlmedium übertragene kinetische Energie bzw. mechanische Leistung minimal ist und gleichzeitig eine vorgegebene Betriebstemperatur nicht überschritten wird.
Wie bereits erwähnt, kann der Volumenstrom des Kühlmediums so einstellt werden, dass die resultierende Geschwindigkeitskomponente des Kühl mediums in Dreh- bzw. Umfangsrichtung Null wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums, bei der diese Bedingung erfüllt ist, kann auch als ”Synchrongeschwindigkeit” bezeichnet werden. Die Geometrie des bzw. der Kühlkanäle ist vorzugsweise so gestaltet, dass die ”Synchronbedingung” auch bei maximaler Drehzahl der elektrischen Maschine und maximal verfügbarem Volumenstrom des Kühlmediums erreicht wird. Bei der Steuerung des Volumenstroms des Kühlmediums kann durchaus von der Synchronbedingung abgewichen werden, beispielsweise, wenn infolge von Wirbelbildung im Kühlmedium eine geringere Strömungsgeschwindigkeit als die ”Synchrongeschwindigkeit” zu einer höheren Energieeffizienz führt.
Die für die Steuerung bzw. Regelung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erforderlichen Daten können z. B. elektronisch gespeichert in einem Kennfeld abgelegt sein.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1, 2 ein erstes Ausbildungsbeispiel gemäß der Erfindung;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung; und
4, 5 ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2, der Wickelköpfe 3, 4 aufweist. Radial innerhalb des Stators 2 ist ein Rotor 5 angeordnet, der relativ zu dem Stator 2 drehbar um eine Drehachse 6 der elektrischen Maschine ist. Der Rotor bzw. Läufer 5 weist eine Rotor- bzw. Läuferwelle 7 auf, in der ein Zuströmkanal 8 vorgesehen ist, über den Kühlmittel in den Rotor 5 gepumpt wird. Ein Pfeil 9 zeigt die Strömungsrichtung des Kühlmittels im Zuströmkanal 8.
Der Rotor 5 kann die Form eines Kreiszylinders haben. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im unteren Drittel des Rotors 5 eine kreisplattenartige Ebene 10 vorgesehen, über die der ringförmige Rotormantel 11 mit der Rotorwelle 7 verbunden ist.
Der in der Rotorwelle 7 vorgesehene Zuströmkanal 8 reicht bis in etwa zur Mitte der Ebene 10 nach unten.
2 zeigt eine Draufsicht auf die kreisplattenartige Ebene 10. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind in der kreisplattenartigen Ebene 10 mehrere Fluidkanäle 12–19 vorgesehen, die sich vom Zentrum der Kreisplatte 10, d. h. von dem Zuströmkanal 8 spiralartig nach außen erstrecken. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Fluidkanäle 12–19 in der in 2 gezeigten Draufsicht die Form vom Evolventen. Von äußeren Enden 20–27 der Fluidkanäle 12–19 zweigen nach oben bzw. nach unten Stichkanäle 28–31 bzw. 32–35 ab, die in Austrittsöffnungen 36–39 bzw. 40–43, welche in der Mantelfläche 11 des Rotors 5 vorgesehen sind, münden.
Das zur Kühlung des Rotors 5 verwendete Kühlmittel strömt somit über den Zuströmkanal 8 nach unten in die Kreisplatte 10 und von deren Zentrum über die Fluidkanäle 12–19 nach außen und von dort nach oben bzw. unten über die Stichkanäle 28–31 bzw. 32–35. Über die Austrittsöffnungen 36–43 tritt das Kühlmedium an der Mantelfläche 11 des Rotors 5 aus und spritzt von dort gegen den Stator 2 bzw. gegen die Wickelköpfe 3, 4.
Von dort fließt das Kühlmittel über einen Kühlmittelsumpf zurück, aus dem es mittels einer hier nicht näher dargestellten Pumpe abgesaugt und über einen Rückkühler (nicht dargestellt) zurück in den Zuströmkanal 8 gepumpt wird.
Wie bereits in Zusammenhang mit 2 erwähnt wurde, sind die Fluidkanäle 12–19 spiralartig gekrümmt und zwar in der Form von Evolventen. Die Fluidkanäle 12–19 sind entgegen dem Uhrzeigersinn gekrümmt. Bei einer Drehung des Rotors bzw. der Rotorplatte 10 im Uhrzeigersinn wird das von dem Zuströmkanal 8 in den Fluidkanälen 12–19 nach außen strömende Kühlmedium kaum bzw. nicht in Umfangsrichtung bewegt, da die Drehgeschwindigkeit des Rotors 5 ganz oder zumindest teilweise durch eine entgegengesetzt gerichtete Geschwindigkeitskomponente des in den Fluidkanälen 12–19 nach außen strömenden Kühlmediums kompensiert wird. Somit wird beim nach außen Strömen des Kühlmediums in den Fluidkanälen 12–19 kaum kinetische Energie vom Rotor 5 auf das Kühlmedium übertragen.
Wie aus 1 ersichtlich ist, verlaufen die in der Mantelfläche 11 des Rotors 5 vorgesehenen Stichkanäle 28–31 bzw. 32–35 schräg in Bezug auf die durch den Pfeil 9 angedeutete Drehachse der elektrischen Maschine 1. Durch diese Schrägstellung ist sichergestellt, dass beim nach oben Strömen bzw. beim nach unten Strömen des Kühlmediums in den Fluidkanälen 28–31 bzw. 32–35 die Relativgeschwindigkeit des Fluids in Bezug auf den Rotor 5 in Umfangsrichtung des Rotors 5 der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors 5 entgegengerichtet ist und somit keine bzw. kaum kinetische Energie vom Rotor 5 auf das Kühlmedium übertragen wird.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1, bei dem die ”Kreisplatte” 10 welche den Rotormantel 11 mit der Rotorwelle 7 verbindet, am unteren Ende des Rotormantels 11 angeordnet ist. Der Rotor 5 hat somit eine ”Topfform”. Im Übrigen stimmt das Ausführungsbeispiel der 3 im Wesentlichen mit dem in den 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel überein.
Die 4, 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Kühlmittel im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht an der Mantelfläche des Rotors 5 aus dem Rotor 5 austritt, sondern über Rückströmkanäle 44–49 zurück in die Rotorwelle 7 und von dort zu einem externen Kühler (nicht dargestellte) strömt. Anschließend strömt es über eine Zuströmbohrung 50 der Rotorwelle 7 in das Kühlkanalsystem des Rotor 5. Die Rückströmkanäle 44–49 sind ebenfalls so gestaltet, die resultierende Geschwindigkeit des die Rückströmkanäle 44–49 durchströmenden Kühlmediums in Umfangs- bzw. Drehrichtung der elektrischen Maschine möglichst gering, vorzugsweise Null ist.

Claims

Elektrische Maschine (1), mit – einem Stator (2), – einem Rotor (5), der um eine Drehachse (9) relativ zu dem Stator (2) drehbar angeordnet ist, und – mindestens einem in bzw. an dem Rotor (5) vorgesehenen Kühlkanal (12–19; 28–25), der von einem Kühlmedium durchströmt ist, wobei sich die Absolutgeschwindigkeit eines Fluidelements des Kühlmediums aus einer Überlagerung der Geschwindigkeit des Rotors (5) am momentanen Ort des betrachteten Fluidelements und der Geschwindigkeit des Fluidelements relativ zum Rotor (5) ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Kühlkanals (12–19; 28–35) derart gestaltet ist, dass das Fluidelement beim Durchströmen des Kühlkanals (12–19; 28–35) eine Geschwindigkeitskomponente relativ zum Rotor (5) aufweist, die der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors (5) bzw. des Kühlkanals (12–19; 28–35) am momentanen Ort des betrachteten Fluidelements entgegengerichtet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Kühlkanals (12–19; 28–35), die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums im Kühlkanal und die Drehzahl des Rotors (5) zumindest in manchen Betriebszuständen der elektrischen Maschine (1) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Absolutgeschwindigkeit des betrachteten Fluidelements in Umfangsrichtung des Rotors (5) Null oder annähernd Null ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Kühlkanals (12–19) sich in einer Ebene (10) erstreckt, die senkrecht zur Drehachse (9) des Rotors (5) ist und dass der sich in dieser Ebene (10) erstreckende Abschnitt (12–19) des Kühlkanals gekrümmt ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in der Ebene (10) erstreckende Abschnitt (12–19) des Kühlkanals entsprechend einer Evolvente gekrümmt ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt (28–35) des Kühlkanals sich in einem konstanten Abstand von der Drehachse (9) des Rotors (5) erstreckt, wobei, in einer Abwicklungsdarstellung betrachtet, dieser Abschnitt (28–35) des Kühlkanals einen geraden Verlauf hat und in einer Projektion einen vorgegebenen Winkel mit der Drehachse (9) einschließt.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Rotorwelle (7) des Rotors (5) ein koaxial zur Drehachse (9) des Rotors (5) sich erstreckender Zuströmkanal (8) vorgesehen ist, der in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Kühlkanal (12–19; 28–35) steht.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkanal (12–19; 28–35) einen in einer Mantelfläche (11) des Rotors (5) vorgesehenen Auslass (36–43) für Kühlmedium aufweist.