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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.
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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.
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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.
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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 )
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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.
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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 ).
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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.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung des Rotors
einer elektrischen Maschine zu verbessern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine
gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher
beschrieben und erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
elektrische Maschine mit Wärmeumlaufkühlung in
schematischer Darstellung,
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2 eine
elektrische Maschine mit einer Lüftungseinheit,
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3 eine
elektrische Maschine mit schematischer Darstellung einer Kondensatoreinheit,
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4 eine
elektrische Maschine mit einem Ausführungsbeispiel einer
Lüftungseinheit, und
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5 ein
Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einer
Lüftungseinheit mit einem geschlossenen Lüftungsgehäuse.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - 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]