DE102009012324A1 - Elektrische Maschine mit Wärmeumlaufkühlung - Google Patents

Elektrische Maschine mit Wärmeumlaufkühlung Download PDF

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DE102009012324A1
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Franz Kiefer
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit einer drehbaren Welle (2) und einem mit der Welle (2) verbundenen Rotor (3). Um die Kühlung des Rotors (3) der elektrischen Maschine (1) zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Welle (2) einen sich in axialer Richtung der Welle (2) erstreckenden Hohlraum (4) aufweist, wobei der Hohlraum (4) zur Aufnahme eines Kältemittels vorgesehen ist und wobei die Welle (2) eine innerhalb des Rotors (3) angeordnete Verdampfereinheit (5) und eine außerhalb des Rotors (3) angeordnete Kondensatoreinheit (6) aufweist, wobei die Kondensatoreinheit (6) zur Kondensation des Kältemittels vorgesehen ist. Die Erfindung ermöglicht somit insbesondere die Abfuhr der Verlustwärme einer elektrischen Maschine durch einen Wellenthermosiphon bei Maschinen ohne standardmäßige Zwangsluftkühlung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem drehbar gelagerten Rotor, auch Läufer genannt, und einem zugeordneten, ortsfesten Ständer in einem Maschinengehäuse sowie einer Einrichtung zur Kühlung von Teilen der elektrischen Maschine.
  • Die DE 102 44 428 A1 offenbart eine Maschine mit einem Läufer und einem Ständer in einem Maschinengehäuse, welche eine Einrichtung zur Kühlung von Teilen innerhalb dieses Gehäuses enthält. Diese Kühleinrichtung weist an wenigstens einer Stirnseite der Maschine ein geschlossenes Leitungssystem mit einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Kondensator, mit einem innerhalb des Gehäuses befindlichen Verdampfer und mit zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer verlaufenden Verbindungsrohren auf, wobei in diesem System eine Zirkulation eines Kältemittels nach einem Thermosiphoneffekt erfolgt. Eine Kühlung basierend auf dem Thermosiphoneffekt wird auch Wärmeumlaufkühlung genannt.
  • In Maschinen aller Leistungsklassen, insbesondere aber mit höherer Leistung, wird eine erhebliche Wärme entwickelt, die im Hinblick auf eine verbesserte Maschineneffizienz und/oder höherer Lebensdauer mittels kühltechnischer Maßnahmen abzuführen ist. So sind wassergekühlte Generatoren bekannt, bei denen das Wasser in Kanälen zirkuliert, die sich insbesondere durch die sogenannten Ständerstäbe bzw. Ständerblechpakete erstrecken. Hierbei ist ein Einsatz von Pumpen erforderlich. Außerdem muss das Wasser aus Korrosionsschutzgründen konditioniert werden.
  • Darüber hinaus sind auch luftgekühlte Maschinen wie Motoren, insbesondere mit Leistungen unter 300 MVA, bekannt, bei denen eine Kühlung durch einen vergleichsweise großen Luftstrom erfolgt. Dieser Luftstrom kann insbesondere durch ein Netzwerk feiner Kanäle geleitet werden (vgl. DE 42 42 123 A1 oder EP 0 823 370 A1 )
  • Bei geschlossenen Maschinen, bei denen von außen kein Kältemittel zugeführt wird, das den elektrisch aktiven Teil der Maschine durchströmt, erfolgt eine Außenbelüftung, die, wie in der Zeitschrift "Drive and Control", Heft 1, 1992, Seiten 10 bis 12 beschrieben ist, zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Motor führt. Bei solchen Maschinen werden im Allgemeinen auf der Nicht-Antriebsseite Lager und Wickelkopf der Ständerwicklung unter ihren thermischen Grenzen beansprucht. Hingegen treten auf der Antriebsseite höhere Temperaturen auf, die das antriebsseitige Lager und den antriebsseitigen Wickelkopf entsprechend thermisch beanspruchen.
  • Für diesen Maschinentyp ist es deshalb Stand der Technik, durch einen zusätzlichen Luftstrom die Temperaturunterschiede zwischen beiden Seiten auszugleichen und so für eine verbesserte Kühlung zu sorgen. Eine Möglichkeit besteht in einer Außenbelüftung des Maschinengehäuses, das auf seiner Außenseite mit Kühlrippen versehen ist, an denen eine axiale Luftströmung mittels eines Ventilators erzeugt wird, der am Kopfende auf der Nicht-Antriebsseite von der Welle angetrieben wird (vgl. z. B. DE 29 51 859 C2 ). Damit lässt sich zwar die Wärme aus den Ständerblechpaketen an das im Allgemeinen sie unmittelbar umschließende Außengehäuse übertragen, nicht aber ausreichend aus dem Bereich der aus den Ständerblechpaketen stirnseitig herausragenden Wickelköpfen der Ständerwicklung. Man sieht sich deshalb vielfach gezwungen, auch im Inneren des Maschinengehäuses ein besonderes Kanalsystem zur Luftkühlung des Läufers und der Wickelköpfe vorzusehen (vgl. oben genannte DE 42 42 123 A1 ).
  • Der Läufer erzeugt üblicherweise zu einer Erwärmung führende Verluste, die teilweise durch Wärmeleitung über den ihn umgebenden Luftspalt zunächst an den Ständer übertragen und von dort gegebenenfalls an das damit verbundene Maschinenaußengehäuse und einen es kühlenden Luftstrom abgegeben werden. Der Luftspalt stellt jedoch dabei einen wesentlichen Wärmewiderstand dar. Ein weiterer Teil der Läuferverluste wird über die Motorwelle nach außen geleitet und erwärmt so die Wellenlager. Dies führt teilweise zu einer deutlichen Reduzierung der Lagerlebensdauer, da die mittlere Lagertemperatur bzw. die Temperaturdifferenz zwischen im Allgemeinen ringförmigen Lagerinnenteilen und Lageraußenteilen zu hoch ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gelöst, welche eine drehbare Welle und einen mit der Welle verbundenen Rotor aufweist, wobei die Welle einen sich in axialer Richtung der Welle erstreckenden Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum zur Aufnahme eines Kältemittels vorgesehen ist, wobei die Welle eine innerhalb des Rotors angeordnete Verdampfereinheit und eine außerhalb des Rotors angeordnete Kondensatoreinheit aufweist, wobei die Kondensatoreinheit zur Kondensation des Kältemittels vorgesehen ist.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die im Rotor erzeugte Wärme direkt aus dem Rotor abzuführen. Damit wird vermieden, dass die Wärme erst über den thermisch schlecht leitenden Luftspalt zwischen Rotor und Ständer auf den Ständer der Maschine übertragen werden muss, um anschließend durch eine Kühlung des Ständers abgeführt zu werden. Die erfindungsgemäße direkte Kühlung des Rotors über die Erhitzung des Kältemittels im Hohlraum der Welle erweist sich als wesentlich effizienter. Die Zirkulation des Kältemittels innerhalb des Hohlraums erfolgt dabei nach einem Thermosiphoneffekt. Die Kondensatoreinheit bildet eine Wärmesenke innerhalb des Hohlraums. Der Rückstrom des Kältemittels wird dabei getrieben durch einen leichten Überdruck in der Verdampfereinheit relativ zu den als Kondensator wirkenden Teilen der Kondensatoreinheit. Dieser durch das Entstehen von Gas in der Verdampfereinheit und das Verflüssigen im Kondensator erzeugte Druckunterschied führt zu dem gewünschten Kältemittelrückstrom.
  • Das im Hohlraum befindliche Kältemittel kondensiert bzw. rekondensiert dabei in dem auch als Kaltbereich bezeichneten Bereich der Kondensatoreinheit und gelangt von dort wieder in den Bereich der zu kühlenden Maschinenteile, der Verdampfereinheit, wo es sich unter Aufnahme der Verlustwärme des Rotors erwärmt und dabei im Allgemeinen verdampft. Das so verdampfte Kältemittel strömt dann innerhalb des Hohlraums wieder zurück in den Bereich der Kondensatoreinheit. Die entsprechende Zirkulation des Kältemittels erfolgt demnach auf Grund des sogenannten Thermosiphoneffekts in einem Naturumlauf mit Sieden, Verdampfen oder Verdunsten auf Seite der Verdampfereinheit und Kondensation auf Seite der Kondensatoreinheit.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausnutzung des Thermosiphoneffekts, bei dem durch den inneren Wärmetransport eines Kältemittels über Phasenübergänge eine sehr hohe effektive Wärmeleitfähigkeit gewährleistet ist, kann so die Verlustwärme quasi direkt von der Wärmequelle Rotor nach außen zur Kondensatoreinheit abgeführt werden. Dabei müssen 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. Der Thermosiphonteil der Kühleinrichtung besitzt keine beweglichen Teile, ist wartungsfrei und selbstregelnd.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kondensatoreinheit mit der Welle mitrotierend verbunden. Dadurch werden störanfällige, wartungsintensive Schnittstellen zwischen einer sich bewegenden Welle und einer stationären Kondensatoreinheit vermieden. Die Konstruktion wird vereinfacht und damit kostengünstiger und wartungsarm.
  • Eine besonders effektive Kühlung der Kondensatoreinheit lässt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass die Welle mit einer Lüftungseinheit verbunden ist, wobei die Lüftungseinheit zur Kühlung der Kondensatoreinheit vorgesehen ist. Die rotatorische Bewegung der Welle kann somit gleichzeitig zum Antrieb der Lüftungseinheit genutzt werden.
  • Um eine besonders gute Abführung der Wärme von der Kondensatoreinheit zu erreichen, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Lüftungseinheit einen Radiallüfter aufweist. Mit einem Radiallüfter wird die Wärme durch einen Luftstrom hauptsächlich radial nach außen abgeführt. Gleichzeitig werden eventuell vorhandene unerwünschte Schmutzpartikel vom Luftstrom mitgerissen und die Lüftungseinheit wird damit gereinigt. Das bietet insbesondere bei Einsatz der Maschine in stark verschmutzten Bereichen Vorteile.
  • Um insbesondere eine Wartung zu vereinfachen oder überhaupt erst zu ermöglichen, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Lüftungseinheit mit einem Wellenflansch verbunden, welcher durch eine lösbare Passung mit der Welle verbunden ist. Das ermöglicht die einfache Montage und Demontage der Lüftungseinheit, sowohl vor Installation der Maschine als auch während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Maschine.
  • Um die gewünschte Strömung des Kältemittels entsprechend dem Thermosiphoneffekt zu unterstützen, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Kondensatoreinheit einen mit dem Hohlraum der Welle verbundenen Hohlraum aufweist, dessen radialer Querschnitt sich in die der Maschine abgewandte Richtung verringert. Durch die Drehbewegung der Welle wirkt auf das in der Kondensatorein heit kondensierte Kältemittel eine Zentrifugalkraft, welche das kondensierte Kältemittel radial nach außen, gegen die Begrenzung des Hohlraums in der Kondensatoreinheit drängt. Durch die Verjüngung des Hohlraums in der Kondensatoreinheit nach außen, bzw. der Zunahme dessen radialen Querschnitts nach innen, in Richtung Maschine und somit in Richtung Verdampfereinheit, bewirkt die radiale Außenbewegung des kondensierten Kältemittels eine translatorische Bewegung desselben in Richtung Maschine und somit in Richtung Verdampfereinheit. Eine Verringerung des radialen Querschnitts wird insbesondere durch eine entsprechende konische Ausformung des Hohlraums der Kondensatoreinheit erreicht.
  • Um die Lager der Maschine vor zu starker Erwärmung zu schützen, weist der Hohlraum der Welle in einem Bereich außerhalb des Rotors und außerhalb der Kondensatoreinheit gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine thermisch isolierende Begrenzung zur Welle auf. Damit wird effektiv verhindert, dass das in der Verdampfereinheit verdampfte Kältemittel auf seinem Weg zur Kondensatoreinheit die aufgenommene Wärme wieder abgibt, bevor es die Kondensatoreinheit erreicht hat.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die Kondensatoreinheit an einem antriebsseitigen Ende der Welle. Am antriebsseitigen Ende der Welle ist diese zur Verbindung mit einer anzutreibenden bzw. antreibenden Vorrichtung aus dem Maschinengehäuse herausgeführt. Diesen Umstand macht sich die vorgeschlagene Ausführungsform der Erfindung zunutze, da auch der Hohlraum der Welle aus dem Maschinengehäuse herausgeführt wird und somit die Verlustwärme aus dem Inneren der Maschine abgeführt werden kann.
  • Um die Kühleinrichtung flexibel einsetzbar zu gestalten, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass zumindest Teile der Kondensatoreinheit und der Lüftungseinheit mit der Welle lösbar verbindbar sind. Kondensatoreinheit und Lüftungseinheit können dadurch leicht entfernt werden, was insbesondere auch deren Wartung erleichtert.
  • Um den konstruktiven Aufwand zur Befestigung der Lüftungseinheit möglichst gering zu halten, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zumindest Teile der Lüftungseinheit mit einer Lagerabdeckung der elektrischen Maschine lösbar verbindbar ausgeführt. Damit können insbesondere Befestigungsmittel einer Lagerabdeckung auch zur Befestigung der Lüftungseinheit genutzt werden.
  • Gemäß einer weiteren insbesondere in stark verschmutzter Umgebung vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Lüftungseinheit ein geschlossenes Lüftungsgehäuse auf, welches zur Abführung von Wärme von innen nach außen Kühlelemente aufweist. Solche Kühlelemente sind insbesondere Kühlrippen. Die geschlossene Ausführung des Lüftungsgehäuses verhindert, dass Luft vom Inneren der Lüftungseinheit bzw. des Lüftungsgehäuses nach außen und umgekehrt gelangen kann. Mit der Unterbindung des Luftstroms wird auch das Eindringen von Schmutz in die Lüftungseinheit verhindert. Dies verbessert die Wartungsfreundlichkeit der Maschine.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine elektrische Maschine mit Wärmeumlaufkühlung in schematischer Darstellung,
  • 2 eine elektrische Maschine mit einer Lüftungseinheit,
  • 3 eine elektrische Maschine mit schematischer Darstellung einer Kondensatoreinheit,
  • 4 eine elektrische Maschine mit einem Ausführungsbeispiel einer Lüftungseinheit, und
  • 5 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einer Lüftungseinheit mit einem geschlossenen Lüftungsgehäuse.
  • 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Motor bzw. einen Generator. Die elektrische Maschine 1 weist eine drehbare Welle 2 auf. Des Weiteren weist die Maschine 1 einen Stator 22 auf, welcher Statorwicklungen 23 enthält. Ein Rotor 3 ist mit der Welle 2 in geeigneter Weise verbunden. Die Welle 2 weist einen sich in axialer Richtung der Welle erstreckenden Hohlraum 4 auf. Der Hohlraum 4 ist zumindest teilweise mit einem Kältemittel gefüllt. Zudem weist die Welle 2 eine innerhalb des Rotors 3 angeordnete Verdampfereinheit 5 und eine außerhalb des Rotors 3 angeordnete Kondensatoreinheit 6 auf, wobei sowohl die Verdampfereinheit 5 als auch die Kondensatoreinheit 6 an den Hohlraum 4 angrenzen. Die Kondensatoreinheit 6 dient zur Kondensation des Kältemittels. Die Kondensatoreinheit 6 ist mit der Welle 2 mitrotierend verbunden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Welle 2 und die Kondensatoreinheit 6 sowie die Verdampfereinheit 5 eine konstruktive Einheit. Dabei befindet sich die Kondensatoreinheit 6 an einem antriebsseitigen Ende 12 der Welle 2. Das antriebsseitige Ende 12 der Welle 2 ist zur Übertragung eines Drehmoments bzw. mechanischer Arbeit vorgesehen.
  • Die elektrische Maschine 1 gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist keine übliche Zwangsbelüftung oder Wasserkühlung auf. Die geschlossene Bauweise des Gehäuses 20 bietet Vorteile insbesondere in einer stark verschmutzten Umgebung. Es gibt somit keinen Luftstrom innerhalb des Gehäuses der Maschine, über die die Verlustwärme nach. amen abgeführt werden könnte. Um die im Rotor entstehende Verlustwärme dennoch abführen zu können, weist die Welle 2 den sich in axialer Richtung der Welle erstreckenden Hohlraum 4 auf. Der Hohlraum 4 ist zumindest teilweise mit einem Kältemittel gefüllt, welches in der innerhalb des Rotors 3 angeordneten Verdampfereinheit 5 von einem flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand übergeht, wobei das Kältemittel thermische Energie vom Rotor 3 aufnimmt. Der Zustandsübergang vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand erfolgt hauptsächlich durch Verdampfen, kann jedoch auch durch Verdunstung erfolgen. Aufgrund von durch den so genannten Thermosiphoneffekt erzeugten Druckunterschieden strömt das derart erhitzte gasförmige Kältemittel von dem innerhalb des Rotors 3 angeordneten Teil des Hohlraums 4 zu einem antriebsseitigen Ende 12 der Welle 2, an welchem die Kondensatoreinheit 6 angeordnet ist. Innerhalb der in geeigneter Weise zu kühlenden Kondensatoreinheit 6 kondensiert das erhitzte Kältemittel, d. h. das Kältemittel ändert seinen Aggregatzustand von einem gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen wird sichergestellt, dass das rekondensierte Kältemittel wieder zurück zur Verdampfereinheit 5 fließt. Durch die resultierende Bewegung des in zwei Phasen vorliegenden Kältemittels innerhalb des Hohlraums 4 wird somit die im Rotor 3 erzeugte Verlustwärme über die Verdampfereinheit 5, den Hohlraum 4 und die Kondensatoreinheit 6 aus der elektrischen Maschine herausgeführt. Der Hohlraum 4 ist mit einem handelsüblichen Kältemittel gefüllt, beispielsweise Wasser. Als Kältemittel kommen praktisch alle in der Kältetechnik üblichen Kühlmedien in Frage. So können je nach Erfordernis des zu wählenden Temperaturniveaus auch verflüssigbare Gase wie Propan, Butan, Aceton oder Neon oder in der Standardkältetechnik verwendete azeotrope Mischungen verwendet werden. Das im Hohlraum 4 vorhandene Flüssigkeits-Dampf-Gemisch ist gesättigt, d. h. der Druck im Hohlraum wird durch die tiefste Temperatur bestimmt, mit der der Hohlraum thermisch in Kontakt ist, hier also durch die Temperatur, bei der die aufgenommene Wärme an der Kondensatoreinheit 6 abgeführt wird. Werden die Wärmeverluste des Rotors 3 auf die Verdampfereinheit 5 übertragen, so verdampft das Kältemitte sofort, da es sich im Siedezustand befindet. Voraussetzung dabei ist, dass sich die Kondensatoreinheit 6 auf vergleichsweise niedrigerem Temperaturniveau befindet als die Verdampfereinheit 5. Dadurch wird ein Kreislauf in Gang gesetzt, der auf Grund der Dichteunterschiede zwischen Dampf und Flüssigkeit des Kältemittels insbesondere durch die Schwerkraft aufrecht erhalten wird. Dazu ist es erforderlich, dass die Kondensatoreinheit 6 auf gleicher Höhe angeordnet ist wie die Verdampfereinheit 5.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1. Die den Rotor 3 tragende Welle weist wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 wiederum einen Hohlraum 4 auf, welcher an eine Verdampfereinheit 5 sowie eine Kondensatoreinheit 6 grenzt. Um die in der Kondensatoreinheit 6 anfallende Wärme effektiv von der Maschine 1 wegführen zu können, weist die Maschine 1 eine mit der Kondensatoreinheit 6 verbundene Lüftungseinheit 7 auf. Die Lüftungseinheit 7 ist mit einem Wellenflansch 9 durch eine lösbare Passung mit der Welle 2 verbunden. Um einen von der Kondensatoreinheit 6 wegführenden Luftstrom zu erzeugen, weist die Lüftungseinheit 7 einen Radiallüfter 8 auf. Der Radiallüfter 8 ist auf dem Wellenflansch 9 beispielsweise durch Aufschrumpfen fixiert. Das Drehmoment wird über den Wellenflansch 9 sowie gegebenenfalls ein hier nicht dargestelltes Hauptlager in einem Lüftergehäuse übertragen. Bei Maschinen mit kleinem Drehmoment ist ein solches Hauptlager nicht erforderlich. Der Radiallüfter 8 rotiert mit Maschinendrehzahl und erzeugt einen Luftstrom der seitlich aus einem hier nicht dargestellten Lüftergehäuse ein- und ausströmt. Dieser Luftstrom führt die Wärme aus dem Rotor 3, über die Welle 2 und den Radiallüfter 8 ab.
  • Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine Nachrüstlösung für Thermosiphonkühlung bei bestehenden Maschinentypen welche entweder ein wassergekühltes Gehäuse oder keine Zwangsluftkühlung besitzen. Ein Beispiel hierfür ist ein passiv luftgekühlter Rollgangsmotor. Hierbei wird an eine bestehende Maschine eine Lüftungseinheit 7 und eine Kondensatoreinheit 6 angebaut und die Welle der Maschine mit einem Hohl raum 4 versehen. Dieses Konzept hat den Vorteil, dass es sowohl bei bestehenden Anlagen nachrüstbar ist als auch innerhalb einer Serienproduktion ebenfalls leicht zu integrieren wäre. Durch eine Thermosiphonkühlung bei Standardmaschinen lässt sich eine Verbesserung des Wirkungsgrads um ca. 1,6 Prozentpunkte erreichen. Diese Technik ist zudem kostengünstig und wartungsfrei.
  • 3 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung einer Kondensatoreinheit 6. Die Kondensatoreinheit 6 ist als Teil einer Welle 2 einer elektrischen Maschine 1 ausgeführt. Die Welle 2 weist einen Hohlraum 4 zur Aufnahme eines Kältemittels auf, welcher mit einem Hohlraum 10 der Kondensatoreinheit 6 verbunden ist bzw. sich in diesen erstreckt. Der Hohlraum 10 der Kondensatoreinheit 6 ist somit Teil des Hohlraums 4 der Welle 2. Der Hohlraum 10 der Kondensatoreinheit 6 weist einen sich in die der Maschine abgewandte Richtung verringernden radialen Querschnitt auf. Das heißt, der radiale Querschnitt des Hohlraums 10 der Kondensatoreinheit 6 ist an einem maschinenseitigen Ende 31 der Kondensatoreinheit 6 größer als an einer maschinenabgewandten Seite 32. Dies wird gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen konischen Einsatz 30 erreicht. Der Einsatz 30 sollte aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. Am äußersten maschinenabgewandten Ende der Kondensatoreinheit 6 befindet sich ein Einfüllstutzen 33, über welchen das Kältemittel vor Inbetriebnahme der Maschine in den Hohlraum 4 bzw. in den Hohlraum 10 gefüllt werden kann. Nach ausreichender Befüllung wird dieser Einfüllstutzen 33 in geeigneter Weise geschlossen, z. B. durch Abquetschen. Das Kältemittel bewegt sich somit in einem abgeschlossenen System aus Hohlraum 4 und Hohlraum 10. Durch die Ausführung der Kondensatoreinheit 6 gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, d. h. durch einen mit dem Hohlraum 4 der Welle verbundenen Hohlraum 10, dessen radialer Querschnitt sich in die der Maschine abgewandte Richtung verringert, wird die gewünschte Bewegung des Kältemittels unterstützt. Bei in üblichem Betrieb rotierender Welle 2, und somit mitrotierender Kondensatoreinheit 6, wird auf das in der Kondensatoreinheit 6 kondensierende Kältemittel an der dem Hohlraum 10 zugewandten Oberfläche des Einsatzes 30 eine Zentrifugalkraft ausgeübt. Diese Zentrifugalkraft drängt das Kältemittel radial nach außen und somit aufgrund der beschriebenen Geometrie des Hohlraums 10 in Richtung Maschine, d. h. in Richtung Rotor 3 und Verdampfereinheit 5. Die erforderliche Bewegung des Kältemittels zwischen Verdampfereinheit und Kondensatoreinheit wird somit effektiv unterstützt.
  • Um eine zu starke Erwärmung der Lager 21 zu verhindern, weist der Hohlraum 4 der Welle in einem Bereich außerhalb des Rotors 3 und außerhalb der Kondensatoreinheit 6 und somit zwischen dem Rotor 3 und der Kondensatoreinheit 6 eine thermisch isolierende Begrenzung 11 zur Welle 2 auf. Eine solche thermisch isolierende Begrenzung 11 kann beispielsweise als Teflonhülse ausgeführt sein.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1, bei welchem zumindest Teile der Lüftungseinheit 7 mit einer Lagerabdeckung 13 der elektrischen Maschine 1 lösbar verbunden sind. Die Lüftungseinheit 7 weist ein Lüftungsgehäuse 40 auf, welches mittels der Befestigungsmittel 41 mit der Lagerabdeckung 13 der elektrischen Maschine 1 verbunden ist. Die Lüftungseinheit 7 weist des Weiteren einen Radiallüfter 8 auf, welcher einen von der Kondensatoreinheit 6 wegführenden Luftstrom 3 erzeugt, welcher durch entsprechende Öffnungen 42 im Lüftungsgehäuse 40 nach außen geführt wird. Die Lüftungseinheit 7 sowie die Kondensatoreinheit 6 befinden sich an einem antriebsseitigen Ende der Welle 2, welches gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel an einem der Maschine abgewandten Ende 44 aus dem Lüftungsgehäuse 40 herausgeführt ist, zur Aufnahme einer antreibenden bzw. anzutreibenden Vorrichtung.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches insbesondere in stark verschmutzter Umgebung Vorteile bietet. 5 zeigt eine Maschine 1, welche eine Welle 2 mit einer Kondensatoreinheit 6 aufweist. Zur Entwärmung der Kondensatoreinheit 6 weist die Maschine an der Antriebsseite eine Lüftungseinheit 7 auf, welche einen mit der Welle 2 verbundenen Radiallüfter 8 aufweist. Zur Abführung der Verlustwärme insbesondere aus dem Stator der Maschine 1 weist das Gehäuse 20 der Maschine 1 Kühlelemente 51, insbesondere Kühlrippen, auf. Die Lüftungseinheit 7 weist ein geschlossenes Lüftungsgehäuse 40 auf, welches zur Abführung von Wärme von innen nach außen Kühlelemente 50 aufweist Das Lüftungsgehäuse 40 der Lüftungseinheit 7 dieser Ausführungsform der Erfindung umschließt den Radiallüfter 8 derart, dass kein Luftstrom vom Inneren des Lüftungsgehäuses 40 zum Äußeren des Lüftungsgehäuses 40 möglich ist. Das Innere des Lüftungsgehäuses 40 ist somit hermetisch gegenüber der äußeren Umgebung der Maschine 1 abgedichtet und somit effektiv vor Verschmutzungen von außen geschützt. Die Maschine 1 und insbesondere die Lüftungseinheit 7 sind somit auch in stark verschmutzter Umgebung weitestgehend wartungsfrei. Um dennoch eine ausreichende Abfuhr der in der Kondensatoreinheit 6 anfallenden Verlustwärme zu ermöglichen, weist das Lüftungsgehäuse 40 Kühlelemente 50, insbesondere Kühlrippen, auf. Diese Kühlelemente 50 sind innen und/oder außen am Lüftungsgehäuse 40 angeordnet. Sie dienen der Vergrößerung der zum Wärmetransport zur Verfügung stehenden Fläche. Die in der Kondensatoreinheit 6 anfallende und abzuführende Wärme wird somit durch erzwungene Konvektion innerhalb der Lüftungseinheit 7 an das Lüftungsgehäuse 40 und von dort über natürliche Konvektion an die Umgebung abgegeben.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine 1 mit einer drehbaren Welle 2 und einem mit der Welle 2 verbundenen Rotor 3. Um die Kühlung des Rotors 3 der elektrischen Maschine 1 zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Welle 2 einen sich in axialer Richtung der Welle 2 erstreckenden Hohlraum 4 aufweist, wobei der Hohlraum 4 zur Aufnahme eines Kältemittels vorgesehen ist und wobei die Welle 2 eine innerhalb des Rotors 3 angeordnete Verdampfereinheit 5 und eine außerhalb des Rotors 3 angeordnete Kon densatoreinheit 6 aufweist, wobei die Kondensatoreinheit 6 zur Kondensation des Kältemittels vorgesehen ist. Die Erfindung ermöglicht somit insbesondere die Abfuhr der Verlustwärme einer elektrischen Maschine durch einen Wellenthermosiphon bei Maschinen ohne standardmäßige Zwangsluftkühlung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10244428 A1 [0002]
    • - DE 4242123 A1 [0004, 0006]
    • - EP 0823370 A1 [0004]
    • - DE 2951859 C2 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - ”Drive and Control”, Heft 1, 1992, Seiten 10 bis 12 [0005]

Claims (11)

  1. Elektrische Maschine (1), mit einer drehbaren Welle (2) und einem mit der Welle (2) verbundenen Rotor (3), wobei die Welle (2) einen sich in axialer Richtung der Welle erstreckenden Hohlraum (4) aufweist, wobei der Hohlraum (4) zur Aufnahme eines Kältemittels vorgesehen ist, wobei die Welle (2) eine innerhalb des Rotors (3) angeordnete Verdampfereinheit (5) und eine außerhalb des Rotors (3) angeordnete Kondensatoreinheit (6) aufweist, wobei die Kondensatoreinheit (6) zur Kondensation des Kältemittels vorgesehen ist.
  2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (6) mit der Welle (2) mitrotierend verbunden ist.
  3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (6) mit einer Lüftungseinheit (7) verbunden ist, wobei die Lüftungseinheit (7) zur Kühlung der Kondensatoreinheit (6) vorgesehen ist.
  4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüftungseinheit (7) einen Radiallüfter (8) aufweist.
  5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüftungseinheit (7) mit einem Wellenflansch (9) verbunden ist, welcher durch eine lösbare Passung mit der Welle (2) verbunden ist.
  6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (6) einen mit dem Hohlraum (4) der Welle verbundenen Hohlraum (10) aufweist, dessen radialer Querschnitt sich in die der Maschine (1) abgewandte Richtung verringert.
  7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (4) der Welle in einem Bereich außerhalb des Rotors (3) und außerhalb der Kondensatoreinheit (6) eine thermisch isolierende Begrenzung (11) zur Welle (2) aufweist.
  8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kondensatoreinheit (6) an einem antriebsseitigen Ende (12) der Welle (2) befindet.
  9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der Kondensatoreinheit (6) und der Lüftungseinheit (7) mit der Welle (2) lösbar verbindbar sind.
  10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der Lüftungseinheit (7) mit einer Lagerabdeckung (13) der elektrischen Maschine (1) lösbar verbindbar sind.
  11. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüftungseinheit (7) ein geschlossenes Lüftungsgehäuse (40) aufweist, welches zur Abführung von Wärme von innen nach außen Kühlelemente (50) aufweist.
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