DE102010064010A1

DE102010064010A1 - Elektrische Maschine mit geschlossenem, autarkem Kühlmediumkreislauf

Info

Publication number: DE102010064010A1
Application number: DE102010064010A
Authority: DE
Inventors: Konrad Brandl; Vladimir Danov; Klaus Dennerlein; Bernd Gromoll; Jürgen Hofmann; Patryk Piotrowski; Andreas Schröter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28
Also published as: WO2012084585A2; RU2577773C2; US9431878B2; EP2633606A2; RU2013134240A; CN103283129A; CN103283129B; WO2012084585A3; BR112013018324B1; BR112013018324A2; US20130270939A1

Abstract

Eine elektrische Maschine weist einen Grundkörper (1), eine Rotorwelle (6) und einen Wärmetauscher (10) auf. Der Grundkörper (1) umfasst zumindest einen Ständer (2). Im Grundkörper (1) sind Kühlkanäle (4) für ein flüssiges Kühlmedium angeordnet. Die Rotorwelle (6) ist derart im Grundkörper (1) gelagert, dass die Rotorwelle (6) um eine Rotationsachse (5) drehbar ist. Die Rotorwelle (6) ist als von dem flüssigen Kühlmedium durchströmbare Hohlwelle ausgebildet. Der Wärmetauscher (10) dient zum Abgeben von im flüssigen Kühlmedium enthaltener Wärme an die Umgebung der elektrischen Maschine. Der Wärmetauscher (10), die Rotorwelle (6) und die Kühlkanäle (4) sind fließtechnisch paarweise miteinander verbunden, so dass sich ein geschlossener Kreislauf für das flüssige Kühlmedium ergibt. Auf der Rotorwelle (6) ist drehfest ein Förderelement (11) angeordnet, das in den geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift ist und mittels dessen das flüssige Kühlmedium beim Rotieren der Rotorwelle (6) um die Rotationsachse (5) in dem geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium zwangsumgewälzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine,

– wobei die elektrische Maschine einen Grundkörper und eine Rotorwelle aufweist,
– wobei der Grundkörper zumindest einen Ständer umfasst,
– wobei im Grundkörper Kühlkanäle für ein flüssiges Kühlmedium angeordnet sind,
– wobei die Rotorwelle derart im Grundkörper gelagert ist, dass die Rotorwelle um eine Rotationsachse drehbar ist.

Derartige elektrische Maschinen sind allgemein bekannt. Rein beispielhaft wird auf das DE 91 12 631 U1 verwiesen.
Mit flüssigen Kühlmedien – insbesondere Wasser – ist eine erheblich effizientere Kühlung von elektrischen Maschinen möglich als mit gasförmigen Kühlmedien – insbesondere Luft. In vielen Fällen werden daher elektrische Maschinen mit einer Wasserkühlung ausgestattet.
Im Stand der Technik sind zur Realisierung einer derartigen Kühlung Anschlüsse zum Zu- und Abführen des flüssigen Kühlmediums vorhanden. Die Zirkulation des flüssigen Kühlmediums ist jedoch nicht durch die elektrische Maschine als solche gewährleistet. Auch das Kühlmedium selbst muss als solches von außen zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin ist im Stand der Technik – zumindest in der Regel – nur der Grundkörper wassergekühlt. Eine Kühlung des Rotors erfolgt in der Regel nur mit Luft.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine der eingangs genannten. Art derart auszugestalten, dass auf einfache Weise eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine bewirkt wird.
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art dadurch auszugestalten,

– dass die elektrische Maschine zusätzlich zum Grundkörper und zur Rotorwelle einen Wärmetauscher aufweist,
– dass die Rotorwelle als von dem flüssigen Kühlmedium durchströmbare Hohlwelle ausgebildet ist,
– dass der Wärmetauscher zum Abgeben von im flüssigen Kühlmedium enthaltener Wärme an die Umgebung der elektrischen Maschine dient,
– dass der Wärmetauscher, die Rotorwelle und die Kühlkanäle fließtechnisch paarweise miteinander verbunden sind, so dass sich ein geschlossener Kreislauf für das flüssige Kühlmedium ergibt, und
– dass auf der Rotorwelle drehfest ein Förderelement angeordnet ist, das in den geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift ist und mittels dessen das flüssige Kühlmedium beim Rotieren der Rotorwelle um die Rotationsachse in dem geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium zwangsumgewälzt wird.

Dadurch wird erreicht, dass die aus dem Grundkörper und der Rotorwelle abführbare Wärmemenge deutlich gesteigert werden kann, ohne einen Anschluss an eine maschinenexterne Kühlmittelversorgungseinrichtung zu benötigen.
Der Großteil der abzuführenden Wärmemenge fällt im Ständer der elektrischen Maschine an. Vorzugsweise strömt daher das flüssige Kühlmedium aufgrund der Zwangsumwälzung durch das Förderelement vom Wärmetauscher zur Rotorwelle, von dort zu den Kühlkanälen und von dort zurück zum Wärmetauscher.
Vorzugsweise ist das Förderelement zwischen der Rotorwelle und den Kühlkanälen in den geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift. Durch diese Maßnahme sind. insbesondere konstruktiv einfache Ausgestaltungen bei der Realisierung des Förderelements möglich. Insbesondere kann zur Realisierung des Förderelements vorgesehen sein,

– dass das Förderelement als die Rotorwelle radial außen umgebendes, das flüssige Kühlmedium nach radial außen förderndes Schaufelrad ausgebildet ist,
– dass das Förderelement von einem drehfest am Grundkörper angeordneten Fördergehäuse umgeben ist,
– dass die Rotorwelle in einem vom Fördergehäuse umgebenen Bereich mindestens eine Radialausnehmung aufweist und
– dass die Verbindung von der Rotorwelle zu den Kühlkanälen als mindestens eine radial außen vom Fördergehäuse abgehende Verbindungsleitung ausgebildet ist.

Es ist möglich, dass die Verbindung vom Wärmetauscher zur Rotorwelle derart ausgebildet ist, dass das flüssige Kühlmedium der Rotorwelle axial zugeführt wird. Diese Ausgestaltung ist strömungstechnisch optimal.
Alternativ ist es möglich, dass die Verbindung vom Wärmetauscher zur Rotorwelle derart ausgebildet ist, dass das flüssige Kühlmedium der Rotorwelle radial zugeführt wird. Diese Ausgestaltung kann in der Praxis erforderlich sein, wenn auf der Rotorwelle der drehende Teil einer Gebereinrichtung für ein lage-, drehzahl- oder beschleunigungsabhängiges Signal angeordnet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
1 eine elektrische Maschine,
2 schematisch einen Teil der elektrischen Maschine von 1 und
3 eine alternative Gestaltung des in 2 gezeigten Teils der elektrischen Maschine von 1.
Gemäß 1 weist eine elektrische Maschine einen Grundkörper 1 auf. Der Grundkörper 1 umfasst zumindest einen Ständer 2. Gegebenenfalls kann der Grundkörper 1 zusätzlich zum Ständer 2 weitere Elemente umfassen, beispielsweise ein Gehäuse 3. Alternativ kann die elektrische Maschine als gehäuselose elektrische Maschine ausgebildet sein. Im Grundkörper 1 – sei es im Ständer 2, sei es in dem eventuell vorhandenen Gehäuse 3 der elektrischen Maschine – sind Kühlkanäle 4 für ein flüssiges Kühlmedium angeordnet. Das Fließen des Kühlmediums in den Kühlkanälen 4 ist in 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet, die in 1 mit dem Bezugszeichen A bezeichnet sind. Das flüssige Kühlmedium ist in der Regel Wasser.
Die Kühlkanäle 4 können nach Bedarf angeordnet sein. Beispielsweise können sie als axial verlaufende Kühlkanäle ausgebildet sein. Der Begriff „axial” ist hierbei – wie auch im Übrigen – auf eine Rotationsachse 5 der elektrischen Maschine bezogen. Er bedeutet eine Richtung parallel zur Rotationsachse 5.
Die Kühlkanäle 4 können im Falle eines axialen Verlaufs einfache durchgehende Kühlkanäle 4 sein, so dass das Einspeisen des flüssigen Kühlmediums an einem axialen Ende und das Ausspeisen des Kühlmediums am anderen axialen Ende erfolgt. In der Regel erfolgen das Ein- und Ausspeisen des flüssigen Kühlmediums jedoch am selben axialen Ende der elektrischen Maschine.
Alternativ zu einem axialen Verlauf der Kühlkanäle 4 können die Kühlkanäle tangential verlaufen. Der Begriff „tangential” ist ebenfalls auf die Rotationsachse 5 bezogen.. Er bedeutet eine Richtung in konstantem Abstand von der Rotationsachse 5 um die Rotationsachse 5 herum.
Die genaue Ausgestaltung der Kühlkanäle 4 ist als solche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Vielmehr sind die Kühlkanäle 4 und deren mögliche Ausgestaltungen und Anordnungen im Stand der Technik allgemein bekannt.
Die elektrische Maschine weist weiterhin eine Rotorwelle 6 auf. Die Rotorwelle 6 ist in Lagern 7 der elektrischen Maschine gelagert. Die Rotorwelle 6 ist daher um die Rotationsachse 5 drehbar.
Die Rotorwelle 6 ist gemäß 1 als Hohlwelle ausgebildet. Sie ist ebenfalls von dem flüssigen Kühlmedium durchströmbar. Dies ist in 1 durch Pfeile angedeutet, die mit dem Bezugszeichen B versehen sind.
Die Ausgestaltung der Rotorwelle 6 als Hohlwelle kann nach Bedarf erfolgen. Prinzipiell ist es möglich, das flüssige Kühlmedium am einen axialen Ende der Rotorwelle 6 in die Rotorwelle 6 einzuspeisen und am anderen axialen Ende auszuspeisen. In der Regel ist eine derartige Ausgestaltung jedoch mit erheblichen anderweitigen Nachteilen behaftet. In aller Regel weist die Rotorwelle 6 daher ein Innenrohr 8 auf, so dass, wie in 1 dargestellt, das flüssige Kühlmedium zunächst im Innenrohr 8 axial strömt, dann am Ende des Innenrohres 8 aus dem Innenrohr 8 austritt und sodann im Zwischenraum zwischen der Rotorwelle 6 und dem Innenrohr 8 in die Gegenrichtung zurückströmt.
Der Übergang des Kühlmediums vom Innenrohr 8 zur Rotorwelle 6 kann nach Bedarf gestaltet sein. Beispielsweise kann das Innenrohr 8, wie in 1 dargestellt, an seinem frontseitigen Ende offen sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Innenrohr 8 Radialbohrungen oder andere Radialausnehmungen aufweisen. Der Begriff „radial” ist hierbei – ebenso wie die Begriffe „axial” und „tangential” auf die Rotationsachse 5 bezogen. Der Begriff „radial bezeichnet eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse 5, und zwar auf die Rotationsachse 5 zu bzw. von ihr weg.
Als Hohlwelle ausgebildete Rotorwellen 6 mit innen liegendem Innenrohr 8 sind als solche bekannt. Detailerläuterungen zur Ausgestaltung der Rotorwelle 6 sind daher nicht erforderlich.
Aufgrund des Durchströmens der Rotorwelle 6 mit dem flüssigen Kühlmedium wird die Rotorwelle 6 gekühlt. Aufgrund der Kühlung der Rotorwelle 6 wird indirekt ein auf der Rotorwelle 6 drehfest angeordneter Rotor 9 der elektrischen Maschine gekühlt.
Die elektrische Maschine weist weiterhin einen Wärmetauscher 10 auf. Der Wärmetauscher 10 dient dazu, im flüssigen Kühlmedium enthaltene Wärme an die Umgebung – meist die Umgebungsluft – abzugeben.
Der Wärmetauscher 10 kann nach Bedarf ausgebildet sein. Oftmals ist der Wärmetauscher 10 als Lamellenkühler ausgebildet. Lamellenkühler sind als solche bei wassergekühlten Kraftfahrzeugmotoren allgemein bekannt. Der Lamellenkühler kann ggf. alternativ horizontal oder vertikal angeordnet sein. Ihm kann weiterhin ggf. ein Lüfter zugeordnet sein, um die Kühlleistung des Wärmetauschers 10 zu optimieren.
Falls die elektrische Maschine einen Lüfter aufweist, der drehfest auf der Rotorwelle 6 angeordnet ist, ist es weiterhin möglich, den Wärmetauscher 10 direkt außen auf den Grundkörper 1 aufzusetzen bzw. anderweitig in den Grundkörper 1 zu integrieren.
Der Wärmetauscher 10, die Rotorwelle 6 und die Kühlkanäle 4 sind fließtechnisch paarweise miteinander verbunden. Der Wärmetauscher 10 ist also mit der Rotorwelle 6 einerseits und den Kühlkanälen 4 andererseits verbunden. Ebenso ist die Rotorwelle 6 mit dem Wärmetauscher 10 einerseits und den Kühlkanälen 4 andererseits verbunden. Ebenso sind in analoger Weise die Kühlkanäle 4 mit dem Wärmetauscher 10 einerseits und mit der Rotorwelle 6 andererseits verbunden.
Um eine Zwangsumwälzung des flüssigen Kühlmediums zu erreichen, ist ein Förderelement 11 vorhanden, das in den geschlossenen Kühlkreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift ist. Das Förderelement 11 ist gemäß den 1 bis 3 auf der Rotorwelle 6 drehfest angeordnet, so dass es beim Rotieren der Rotorwelle 6 ebenfalls rotiert. Mittels des Förderelements 11 wird das flüssige Kühlmedium beim Rotieren der Rotorwelle 6 um die Rotationsachse 5 in dem geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium zwangsumgewälzt. Die Förderrichtung des flüssigen Kühlmediums ist vorzugsweise derart, dass das flüssige Kühlmedium aufgrund der Zwangsumwälzung durch das Förderelement 11 vom Wärmetauscher 10 zur Rotorwelle 6, von der Rotorwelle 6 zu den Kühlkanälen 4 und von den Kühlkanälen 4 zurück zum Wärmetauscher 10 strömt. Selbstverständlich durchströmt das flüssige Kühlmedium, nachdem es vom Wärmetauscher 10 zur Rotorwelle 6 geströmt ist, die Rotorwelle 6, bevor es zu den Kühlkanälen 4 strömt. Ebenso durchströmt das flüssige Kühlmedium selbstverständlich die Kühlkanäle 4, bevor es zurück zum Wärmetauscher 10 strömt.
Das Förderelement 11 kann prinzipiell an beliebiger Stelle in den geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift sein. Vorzugsweise ist das Förderelement 11 entsprechend der Darstellung der 1 bis 3 zwischen der Rotorwelle 6 und den Kühlkanälen 4 in den geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift. In diesem Fall kann gemäß den 1 bis 3 in mechanisch-konstruktiver Hinsicht insbesondere das Förderelement 11 als Schaufelrad ausgebildet sein, das die Rotorwelle 6 radial außen umgibt und das flüssige Kühlmedium von radial innen nach radial außen fördert. Das Förderelement 11 ist bei dieser Ausgestaltung von einem Fördergehäuse 12 umgeben, das drehfest am Grundkörper 1 angeordnet ist. Die Rotorwelle 6 weist in diesem Fall in einem Bereich, der vom Fördergehäuse 12 umgeben ist, mindestens eine Radialausnehmung 13 auf. Weiterhin ist in diesem Fall eine Verbindung von der Rotorwelle 6 zu den Kühlkanälen 4, durch die das flüssige Kühlmedium von der Rotorwelle 6 zu den Kühlkanälen 4 strömt, als Verbindungsleitung 14 ausgebildet, die radial außen vom Fördergehäuse 12 abgeht.
Die Verbindung vom Wärmetauscher 10 zur Rotorwelle 6 – genauer: in der Regel zum Innenrohr 8 – kann nach Bedarf ausgebildet sein. Strömungstechnisch optimal ist es, wenn das flüssige Kühlmedium der Rotorwelle 6 entsprechend der Darstellung von 2 axial zugeführt wird. In vielen Fällen ist jedoch gemäß der Darstellung von 3 eine Gebereinrichtung 15 vorhanden, die der Generierung eines lage-, drehzahl- oder beschleunigungsabhängigen Signals dient. Beispielsweise kann die Gebereinrichtung 15 als Resolver oder als Inkrementalgeber oder ähnliche Gebereinrichtung ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein axiales Zuführen des flüssigen Kühlmediums zur Rotorwelle 6 nicht möglich. In diesem Fall erfolgt das Zuführen des flüssigen Kühlmediums zur Rotorwelle 6 entsprechend der Darstellung von 3 nicht axial, sondern radial.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere wird auf einfache Weise eine gute thermische Kühlung der elektrischen. Maschine erreicht, ohne einen externen Kühlmittelanschluss zu benötigen. Auch ist die Konstruktion einfach, zuverlässig und nahezu wartungsfrei.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 9112631 U1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine, – wobei die elektrische Maschine einen Grundkörper (1), eine Rotorwelle (6) und einen Wärmetauscher (10) aufweist, – wobei der Grundkörper (1) zumindest einen Ständer (2) umfasst, – wobei im Grundkörper (1) Kühlkanäle (4) für ein flüssiges Kühlmedium angeordnet sind, – wobei die Rotorwelle (6) derart im Grundkörper (1) gelagert ist, dass die Rotorwelle (6) um eine Rotationsachse (5) drehbar ist, – wobei die Rotorwelle (6) als von dem flüssigen Kühlmedium durchströmbare Hohlwelle ausgebildet ist, – wobei der Wärmetauscher (10) zum Abgeben von im flüssigen Kühlmedium enthaltener Wärme an die Umgebung der elektrischen Maschine dient, – wobei der Wärmetauscher (10), die Rotorwelle (6) und die Kühlkanäle (4) fließtechnisch paarweise miteinander verbunden sind, so dass sich ein geschlossener Kreislauf für das flüssige Kühlmedium ergibt, – wobei auf der Rotorwelle (6) drehfest ein Förderelement (11) angeordnet ist, das in den geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift ist und mittels dessen das flüssige Kühlmedium beim Rotieren der Rotorwelle (6) um die Rotationsachse (5) in dem geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium zwangsumgewälzt wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kühlmedium aufgrund der Zwangsumwälzung durch das Förderelement (11) vom Wärmetauscher (10) zur Rotorwelle (6), von dort zu den Kühlkanälen (4) und von dort zurück zum Wärmetauscher (10) strömt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (11) zwischen der Rotorwelle (6) und den Kuhlkanälen (4) in den geschlossenen Kreislauf für das flüssige Kühlmedium eingeschleift ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – dass das Förderelement (11) als die Rotorwelle (6) radial außen umgebendes, das flüssige Kühlmedium nach radial außen förderndes Schaufelrad ausgebildet ist, – dass das Förderelement (11) von einem drehfest am Grundkörper (1) angeordneten Fördergehäuse (12) umgeben ist, – dass die Rotorwelle (6) in einem vom Fördergehäuse (12) umgebenen Bereich mindestens eine Radialausnehmung (13) aufweist und – dass die Verbindung von der Rotorwelle (6) zu den Kühlkanälen (4) als mindestens eine radial außen vom Fördergehäuse (12) abgehende Verbindungsleitung (14) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung vom Wärmetauscher (10) zur Rotorwelle (6) derart ausgebildet ist, dass das flüssige Kühlmedium der Rotorwelle (6) axial zugeführt wird.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung vom Wärmetauscher (10) zur Rotorwelle (6) derart ausgebildet ist, dass das flüssige Kühlmedium der Rotorwelle (6) radial zugeführt wird.