DE102010038529A1

DE102010038529A1 - Fluidgekühlte elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102010038529A1
Application number: DE102010038529A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Hautz; Klaus Neupert; Martin Obermayr; Martin Stark; Josef Watzinger; Josef Zwack
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02
Also published as: US20130119830A1; WO2012013412A3; WO2012013412A2; BR112013002091A2; RU2013108802A; CN103026597A; US9300189B2; CN103026597B; RU2543491C2; CA2806641A1; EP2599191A2; CA2806641C

Abstract

Eine fluidgekühlte elektrische Maschine (1) weist einen Fluidkreislauf auf und ein integriertes Pumpelement.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, welche mittels eines Fluids kühlbar ist. Ein Fluid ist beispielsweise ein Öl, Wasser, ein hoch verdichtetes Gas oder auch ein hochverdichtetes Kältemittel.
Zur Kühlung elektrischer Maschinen können verschiedene Medien eingesetzt werden. Wird Luft eingesetzt, so kann die elektrische Maschine beispielsweise mittels eines Fremdlüfters oder eines Eigenlüfters gekühlt werden. Elektrische Maschinen sind auch mittels einer Flüssigkeit kühlbar. Beispiele für Flüssigkeiten sind Wasser oder ein Öl.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fluidkühlung einer elektrischen Maschine zu verbessern.
Bei fluidgefüllten Maschinen, z. B. ölgefüllten, gibt es je nach Art der Kühlung verschiedenste Systeme. Weist die elektrische Maschine keinen externen Kühler auf, kann der Motorinnenraum mit Flüssigkeit, insbesondere Öl gefüllt sein (z. B. ölgefüllte Aufzugsmotor). Die Wärme wird durch Konvektion durch das Öl an das Gehäuse der elektrischen Maschine abgegeben. Steht das Öl im Luftspalt der elektrischen Maschine, so kann es dort zu Hot-spots kommen. Dies wird insbesondere durch den Wärmeeintrag durch den Läufer und durch hohe Reibungsverluste hervorgerufen. Anstelle des Öls, kann als Fluid auch ein hochverdichtetes Gas zum Einsatz kommen.
Bei einer Ausführungsform der elektrischen Maschine mit einem externen Kühler wird das Öl bzw. eine andere Kühlflüssigkeit oder ein Fluid mit Hilfeeiner Pumpe (extern oder intern) durch den Motor gefördert. Die fluidgefüllte elektrische Maschine, welche keine externe Pumpe aufweist, kann mit einem externen oder internen Kühler versehen sein. So kann durch eine konstruktive Maßnahme am Läufer und/oder Ständer der elektrischen Maschine ein Fluidfluss insbesondere durch den Luftspalt oder auch durch ein oder mehrere Kühlkanäle hervorgerufen werden, wobei eine Rückführung über einen Bypass erfolgen kann. Dadurch lässt sich die Kühlung der fluidgefüllten elektrischen Maschine ohne den Einsatz einer externen Fluidpumpe verbessern. Durch die entstehende Zirkulation des Fluids ergibt sich auch ein Ausgleich der Temperatur im gesamten Fluidvolumen. Der Transport des Fluids und der damit entstehende Fluidkreislauf der elektrischen Maschine wird durch deren Bewegung hervorgerufen. Dies bedeutet, dass nur dann, wenn die elektrische Maschine eine Rotationsbewegung vollführt, das Fluid aktiv innerhalb der elektrischen Maschine gefördert (gepumpt) wird. Um die Kühlung der elektrischen Maschine zu verbessern, kann ein Wärmetauscher in den Kreislauf des Kühlfluids mit integriert sein.
Durch die Gestaltung eines Aktivteiles der elektrischen Maschine kann eine Förderwirkung (Pumpwirkung) des Fluids beispielsweise durch Fliehkräfte, durch eine Wendel, durch eine Schnecke oder gegebenenfalls durch die Gestaltung eines Läufersteges erzielt werden. Das Fluid (beispielsweise eine Flüssigkeit) kann so, beispielsweise durch den Luftspalt oder den Läufer gefördert werden. Die Gestaltung eines Aktivteils der elektrischen Maschine betrifft dabei beispielsweise: Ständer und/oder Läufer mit konischem bzw. treppenförmigen Luftspalt bzw. eine Gestaltung des Läufers beispielsweise mit einem oder mehreren axialen und/oder radialen Kühlkanälen bzw. mit einer Hohlwelle oder auch geschrägte Ständernuten.
Durch die Förderung des Fluids in der elektrischen Maschine ergibt sich ein Ausgleich der Fluidtemperatur, so dass beispielsweise ein Kochen von Flüssigkeit im Luftspalt verhindert werden kann. In Verbindung mit einem Bypass für den Rücklauf des Fluids (insbesondere Öl), wodurch das Fluid weiter kühlbar ist, kann mit einfachen Mitteln die Leistung der elektrischen Maschine gesteigert werden.
Eine Zirkulation des Fluids innerhalb der elektrischen Maschine kann, wie obig ausgeführt, ohne zusätzliche externe Einrichtungen und Hilfsaggregate allein durch Ausnutzung der rotatorischen Bewegung der elektrischen Maschine erzielt werden, wobei hierfür beispielsweise am Läufer, am Ständer, im Luftspalt, usw. verschiedenste Maßnahmen zu treffen sind, um eine Pumpwirkung bzw. Förderung des Fluids in der elektrischen Maschine zu erzielen. Dabei kann das Fluid durch den Luftspalt der elektrischen Maschine und/oder durch axiale bzw. radial angeordnete Kühlkanäle geführt werden. Hierfür sind beispielsweise geeignete Geometrien, d. h. eine axiale bzw. radiale Gestaltung von Ständer- oder Läuferstrukturen wie auch eine geeignete Modifikation von Endblechen oder der Einsatz einer Schnecke einsetzbar. Um die Kühlwirkung bei der elektrischen Maschine zu verbessern, kann das Fluid in eine integrierte Kühlkonstruktion (z. B. Hohlrippen) geführt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu ist auch der Einsatz eines externen Kühlers möglich.
Eine fluidgekühlte (insbesondere ölgekühlte) elektrische Maschine ist derart ausbildbar, dass diese einen Fluidkreislauf und eine integrierte Pumpe aufweist, wobei eine Pumpwirkung durch eine Rotationsbewegung der elektrischen Maschine hervorrufbar ist. Eine Aufgabe der Erfindung lösen entsprechend fluidgekühlte elektrische Maschinen, welche Merkmale nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweisen.
Die Pumpe, welche in der elektrischen Maschine integriert ist, kann durch verschiedenste konstruktive Maßnahmen realisiert werden. In einer Ausgestaltung der fluidgekühlten elektrischen Maschine weist diese einen konischen mit Fluid gefüllten Luftspalt auf. Diese konische Form in Bezug auf eine Achse, der Rotationsachse, der elektrischen Maschine stellt die integrierte Pumpe dar. Durch die konische Positionierung des Luftspalts innerhalb der elektrischen Maschine welche dazu führt, dass am Anfang des Luftspalts in axialer Ausrichtung der Abstand zur Achse der elektrischen Maschine kleiner ist als am axialen Ende des Luftspalt der elektrischen Maschine, ergibt sich durch die unterschiedlichen Fliehkräfte eine Sogwirkung innerhalb des Luftspaltes, so dass Fluid in der elektrischen Maschine und im Luftspalt durch die Maschine gepumpt werden kann.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der konisch positionierte und mit Fluid gefüllte Luftspalt eine Stufenform auf. Die Stufenform lässt sich beispielsweise durch Aneinanderreihung von Blechpaketen mit unterschiedlichen Durchmessern erreichen. Der Läufer und/oder Ständer weist dann Teilpakete auf, welche die Stufen des Luftspaltes festlegen.
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist die Statorwicklung konisch positioniert. Durch die konische Positionierung der Statorwicklung und die konische Ausführung des Luftspaltes lässt sich der Abstand zwischen Statorwicklung und Luftspalt gleich halten. Wird lediglich der Luftspalt innerhalb der elektrischen Maschine konisch positioniert und die Statorwicklung tangential zur Achse der elektrischen Maschine angeordnet, so ergeben sich unterschiedliche Abstände zwischen Luftspalt und Statorwicklung.
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese einen oder eine Vielzahl von radialen Kanälen auf. Die radialen Kanäle befinden sich insbesondere im Läufer der elektrischen Maschine und sind mit Fluid gefüllt, so dass bei einer Bewegung des Läufers Fliehkräfte Fluid innerhalb des radialen Kanals radial nach außen befördern.
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese eine oder eine Vielzahl von Spiralstrukturen auf. Dabei kann es beispielsweise zum Einsatz einer Schnecken- oder Wendelkonstruktion kommen, durch welche Fluid transportiert werden kann. Diese Spiralstruktur befindet sich insbesondere am Läufer der elektrischen Maschine, so dass bei dessen rotatorischer Bewegung eine Förderwirkung erzielbar ist. Auch Kühlkanäle oder Kühlrohre können spiralförmig konstruiert sein und sich so am Läufer befinden, dass durch diese Fluid transportierbar ist.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese einen oder eine Vielzahl konisch positionierter Kanäle auf, wobei sich diese Kanäle insbesondere im bzw. am Läufer der elektrischen Maschine befinden.
Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine oder auch eine Asynchronmaschine sein. Ferner ist eine Ausgestaltung als Außenläufer wie auch als Innenläufer möglich.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der Läufer eine Pumpe oder eine Vielzahl von Pumpenflügeln auf. Mit Hilfe dieser Flügel wird bei einer Rotationsbewegung des Läufers Fluid gefördert. Abhängig von der Ausgestaltung der Flügel ist es dann möglich Fluid radial nach außen oder auch radial nach innen, hin zur Rotationsachse, zu fördern.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine können Pumpenflügel derart kombiniert werden, dass auf einer ersten Seite der elektrischen Maschine die Pumpwirkung radial nach innen erfolgt und auf einer anderen entgegengesetzten Seite der elektrischen Maschine die Pumpwirkung radial nach außen verläuft, wobei die eine Seite der elektrischen Maschine beispielsweise die Antriebsseite ist und die andere Seite der elektrischen Maschine deren Abtriebsseite.
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese Ständernuten auf, wobei die Ständernuten geschrägt sind und Kanäle ausbilden, welche Fluid führen. Durch die Schrägung der Ständernuten kann nicht nur ein Rastmoment bei einer permanenterregten elektrischen Maschine reduziert werden, sondern es kann auch eine Pumpwirkung erreicht werden, um Fluid von einer Antriebsseite zur Abtriebsseite oder umgekehrt zu erzielen. Geschrägte Ständernuten können nicht nur bei permanenterregten Synchronmaschinen eingesetzt werden, sondern beispielsweise auch bei Asynchronmaschinen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine elektrische Maschine, welche einen konisch positionierten Luftspalt aufweist,
2 eine elektrische Maschine, welche eine konisch positionierte Ständerwicklung aufweist,
3 eine elektrische Maschine, welche einen gestuften Luftspalt aufweist,
4 eine elektrische Maschine, welche einen radialen Kanal im Läufer aufweist,
5 eine elektrische Maschine, welche eine Spiralstruktur am Läufer aufweist,
6 eine elektrische Maschine, welche Pumpenflügel aufweist,
7 eine elektrische Maschine, welche einen radialen Kanal im Ständer aufweist;
8 eine geschrägte Ständernut;
9 einen Querschnitt eines Kurzschlussrings;
10 einen weiteren Querschnitt eines Kurzschlussrings; und
11 eine Detailansicht aus 6.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen Ständer 26 und einen Läufer 27 auf. Ein Luftspalt 25 zwischen Läufer 27 und Ständer 26 ist innerhalb der elektrischen Maschine 1 konisch positioniert, so dass sich der Abstand des Luftspaltes 25 zu einer Welle 23 axial ändert. Die elektrische Maschine 1 gemäß 1 weist ferner Lagerschalen 22 und eine Hohlrippe 20 auf, wobei durch den Kühlkanal 21 in der Hohlrippe Fluid, insbesondere Kühlflüssigkeit, führbar ist. Der Kreislauf des Fluids ist durch Pfeile 19 dargestellt. Das Fluid wird über den Luftspalt 25 axial durch die elektrische Maschine 1 befördert und über den Kanal 21 in der Kühlrippe 20 und einen Ständerkanal 32 zurückgeführt. Durch diese Zirkulation des Fluids, welches beispielsweise Öl ist, wird sowohl der Ständer 26 wie auch der Läufer 27 der elektrischen Maschine 1 gekühlt. Im vorliegenden Fall weist der Läufer 27 einen Kurzschlusskäfig 28 auf.
In den nachfolgenden Figuren sind weitere Ausgestaltungen einer elektrischen Maschine dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass im Folgenden insbesondere auf die Unterschiede der Ausführungsformen der elektrischen Maschine, welche eine integrierte Pumpe aufweist, einzugehen ist.
Die Darstellung gemäß 2 zeigt eine Ausgestaltung der elektrischen Maschine, welche eine konisch positionierte Statorwicklung 24 aufweist. Wie in 1 ist auch in 2 der Luftspalt 25 konisch positioniert, wobei gemäß 2 der Abstand zwischen Luftspalt und Statorwicklung konstant ist. Im Gegensatz dazu ist der Abstand zwischen Luftspalt und Ständerwicklung in axialer Richtung in 1 unterschiedlich.
Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine stufig ausgeführte Blechung des Läufers 27 und des Stators 26. Die Blechung 29 weist Teilpakete gleichen Durchmessers auf, wobei die Durchmesser der Teilpakete sich zueinander unterscheiden. Durch die Verwendung von Stufenformen für den Luftspalt 25 ergibt sich eine einfachere Konstruktion der elektrischen Maschine im Vergleich zu einer kontinuierlichen Veränderung der Durchmesser der verwendeten Blechung für Läufer und Ständer.
Die Darstellung gemäß 4 zeigt axiale Kühlkanäle 30 im Läufer 27 und einen radialen Kühlkanal 31 im Läufer 27. Das Fluid zirkuliert in diesen Kühlkanälen und wird über den Luftspalt 25 in den Bereich der Wicklungsköpfe der Ständerwicklung transportiert.
Die Darstellung gemäß 5 zeigt eine elektrische Maschine, welche eine Wendelstruktur 36 auf dem Läufer 27 aufweist. Durch die Wendelstruktur 36 wird das Fluid, wie dies durch die Pfeile 19 angedeutet ist, durch den Luftspalt 25 bei Bewegung des Läufers gefördert.
Die Darstellung gemäß 6 zeigt einen Pumpenflügel 33 im Bereich eines Eingangs eines Kühlkanals 30 im Läufer. Durch den Pumpenflügel 33 wird bei Bewegung des Läufers Fluid in den Kanal 30 gefördert. Die Darstellung gemäß 11 zeigt eine Detailansicht aus 6, um die Wirkung bzw. Position der Pumpenflügel 33 leichter erkennen zu können.
Die Darstellung gemäß 7 zeigt radiale Kühlkanäle 31 sowohl im Läufer 27 wie auch im Stator 26. Da der Stator 26 auch anschließende axiale Kühlkanäle 32 aufweist, kann sich hieraus eine neue Zirkulationsbewegung für das Fluid ausbilden.
Die Darstellung gemäß 8 zeigt in einem Schnitt schematisch eine geschrägte Ständernut 35, durch welche bei Bewegung des Läufers beispielsweise Öl, welches sich bereits im Luftspalt 25 befindet, durch diesen und den geschrägten Kühlkanal gefördert wird.
Die Darstellungen gemäß 9 und 10 zeigen einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Kurschlussrings 28. Der Kurzschlussring 28 weist gemäß 9 am äußeren Radiusbereich rechteckförmige Nuten auf. Der Kurzschlussring 28 weist gemäß 10 am äußeren Radiusbereich bogenförmige Einkerbungen auf. Diese Nuten bzw. Einkerbungen stellen jeweils eine Art von Schlitz dar, welcher beispielsweise eingefräst ist. So können beispielsweise bei einem Gegenstand nach 4 sowie nach 7 beide Kurzschlussringe an der oberen Seite mit kleinen Schlitzen (Höhe im Millimeterbereich) versehen sein, womit eine gewisse Schleuderwirkung der Flüssigkeit (bzw. des Fluids) nach oben hin entsteht und somit die Zirkulation hilfreich unterstützt wird. Auch bei den Gegenständen nach 5 bzw. 6 könnte dies vorgesehen sein, wobei hier insbesondere nur an einem Kurzschlussring Schlitze sind.

Claims

Fluidgekühlte elektrische Maschine (1), welche einen Fluidkreislauf und eine integrierte Pumpe aufweist, wobei insbesondere eine Pumpwirkung durch eine Rotationsbewegung der elektrischen Maschine (1) hervorrufbar ist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen konischen mit Fluid gefluteten Luftspalt (25) aufweist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konische mit Fluid geflutete Luftspalt (25) eine Stufenform aufweist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Statorwicklung (24) konisch positioniert ist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen radialen Kanal (31) aufweist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spiralstruktur (36) aufweist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese konisch positionierte Kanäle (25) aufweist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen mit dem Läufer (27) der elektrischen Maschine (1) gekoppelten Pumpenflügel (33) aufweist.
Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine geschrägte Ständernut (35) aufweist.