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Die Erfindung betrifft eine Gehäuseeinheit für eine elektrische Maschine mit zumindest einem Gehäuse und mit zumindest einer Strömungsvorrichtung zum Erzeugen zumindest eines ersten Stroms eines Strömungsmediums, wobei die Strömungsvorrichtung innerhalb des zumindest einen Gehäuses angeordnet ist.
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Es sind unterschiedliche Arten von Kühlungen von Bauteilen einer elektrischen Maschine bekannt. Auch können diese in oder an einer Gehäuseeinheit verschieden angeordnet sein. Hier wäre beispielsweise eine reine Luftkühlung innerhalb eines Gehäuses durch Antrieb eines Lüfters mittels eines Rotors der elektrischen Maschine zu nennen. Bekannt ist auch eine Luftkühlung, bei der einer elektrische Maschine über externe Lüfter Lüft zugeführt wird, wobei die Luft nach einem Durchstreichen von zu kühlenden Bauteilen der elektrischen Maschine durch einen ebenso extern angeordneten Wasserkühler rückgekühlt wird. Ferner besteht auch die Möglichkeit einer direkten Kühlung beispielsweise von Wicklungen von Wickelköpfen einer elektrischen Maschine mittels einer Flüssigkeitskühlung. Zudem ist auch eine Wassermantelkühlung eines Stators bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gehäuseeinheit bereitstellt, bei der eine gute Abführung von Verlustwärme erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gehäuseeinheit der Eingangs genannten Art gelöst, bei der die zumindest eine Strömungsvorrichtung zumindest ein Gebläse aufweist, welches zumindest eine Öffnung und eine Coanda-Fläche aufweist, wobei die Coanda-Fläche im Bereich der Öffnung angeordnet ist, wodurch der erste Strom des Stömungsmediums in einer vorgegebenen Richtung aus der zumindest einen Öffnung austritt und wodurch zumindest ein im Gehäuse anordenbares Bauteil gezielt anblasbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine energieeffiziente und gleichmäßige Kühlung der in der Gehäuseeinheit angeordneten Bauteile erfolgen. Zudem kann auf großvolumige Aufbauten, wie beispielsweise Hilfskühlaggregate auf der elektrischen Maschine, wie sie im Stand der Technik üblich sind, verzichtet werden. Folglich kann eine Platz sparende Anordnung bereitgestellt werden. Des Weiteren bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine höhere Leistungsdichte gegenüber Anordnungen des Stands der Technik. Dies führt zu einer kompakten Gehäuseeinheit und demgemäß zu einer kompakten elektrischen Maschine. Auch ist eine solche Gehäuseeinheit geräuscharm.
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In diesem Zusammenhang soll unter einer elektrischen Maschine ein Motor oder Generator, wie beispielsweise eine Niederspannungsmaschine, ein Hochtemperatur Supraleiter (HTS) Motor, ein Permanentmagnet (PM) Motor, und/oder jede andere, dem Fachmann vor denkbar erscheinende Maschine verstanden werden. Unter einer Gehäuseeinheit soll in diesem Zusammenhang eine Einheit verstanden werden, die Bauteile der elektrischen Maschine, wie beispielsweise eine Welle, einen Rotor, einen Stator, einen Wickelkopf, eine Schaltung, eine Sicherung, ein Getriebebauteil, wie ein Zahnrad oder eine Kupplung, und/oder jedes andere, vom Fachmann für sinnvoll erachtete Bauteil, zumindest teilweise oder bevorzugt vollständig umschließt. Die Gehäuseeinheit kann ein einzelnes Gehäuse oder mehrere Gehäuse, wie beispielsweise ein Innen- und ein Außengehäuse aufweisen. Eine Strömungsvorrichtung soll hier eine Vorrichtung darstellen, die einen Strom eines Strömungsmediums, wie einer Flüssigkeit, eines Gases und insbesondere von Luft, aktiv beeinflusst. Die Strömungsvorrichtung weist zumindest ein Gebläse auf, kann aber auch andere Bauteile, wie beispielsweise ein Umlenkschild, aufweisen.
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Unter einem Gebläse soll hier eine Vorrichtung verstanden werden, die das Strömungsmedium bzw. Luft beschleunigt. Bevorzugt ist das Gebläse flügellos ausgebildet, wobei flügellos meint, dass der Strom des Strömungsmediums, welcher abgegeben oder ausgestoßen wird, ohne die Hilfe von Flügeln, Rotorblätter oder einem rotierenden Bauteil erfolgt. Somit weist der Teil des Gebläses aus dem der Strom des Strömungsmediums austritt, wie ein Verteilerring oder eine Öffnung daran, keine Flügel, Rotorblätter oder rotierende Bauteile auf. Durch diese flügellose Ausgestaltung kann ein Flattern und/oder ein unstetes Austreten des Stroms des Strömungsmediums beim Ausströmen aus dem Gebläse verhindert werden. Es tritt so ein ruhiger Strom des Strömungsmediums bzw. Luftstrom aus der Strömungsvorrichtung aus. Zudem kommt es im Innenraum des Gehäuses durch das Fehlen eines großen rotierenden Lüfterrads zu weniger Verschmutzung als bei einer Gehäuseeinheit mit einem Lüfter des Standes der Technik. Auch kommt es zu einer Reduzierung von Geräuschen, da kein großes Volumen des Strömungsmediums bewegt wird.
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Unabhängig des vorab Beschriebenen und ohne Einfluss auf die Definition des Gebläses als flügellos kann die Strömungsvorrichtung eine Primärquelle für den ersten Strom des Strömungsmediums aufweisen. Diese Primärquelle kann jeder vom Fachmann für einsetzbar erachtete Apparat sein, wie eine Pumpe, ein Generator oder ein Motor, wobei dieser einen Rotor und ein Lüfterrad aufweisen kann. Ferner erstreckt sich diese Definition des flügellosen Gebläses nicht auf Bestandteile der Strömungsvorrichtung, die sekundäre Funktionen ausführen, wie beispielsweise eine Winkelverstellung oder eine Änderung der Strömungsintensität.
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Unter einer Öffnung soll hier beispielsweise ein Loch oder ein Schlitz verstanden werden. Grundsätzlich können hier auch mehrere Löcher oder Schlitze vorgesehen sein.
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In diesem Zusammenhang soll unter einer Coanda-Fläche eine Fläche verstanden werden, bei dem ein Strömungsmedium, das aus einer Öffnung austritt und einer Fläche folgt den Coanda-Effekt zeigt. Hierbei hat der Strom des Strömungsmediums die Tendenz an einer konvexen Fläche „entlangzulaufen“, anstatt sich abzulösen und sich in der ursprünglichen Bewegungsrichtung weiterzubewegen. Der Coanda-Effekt ist ein weithin bekannter und bewiesener Mitnahmeeffekt indem ein primärer Medienstrom über eine Coanda-Fläche gelenkt wird. Eine Beschreibung der Merkmale einer Coanda-Fläche sowie des Effekts des Medienstroms an der Coanda-Fläche kann in wissenschaftlichen Publikationen, wie beispielsweise in Reba, Scientific American, Ausgabe 214, Juni 1966, Seiten 84 bis 92 gefunden werden.
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Unter der Wendung „in einer vorgegebenen Richtung“ soll hier verstanden werden, dass der erste Strom des Stömungsmediums gerichtet und in Richtung eines im Gehäuse anordenbaren Bauteils, wie insbesondere dem Rotor, dem Stator und/oder den Wickelköpfen, zu deren Kühlung ausgeblasen wird.
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Die Strömungsvorrichtung bzw. das Gebläse ist bevorzugt in einer axialen Richtung der Welle der im Gehäuse anordenbaren elektrischen Maschine axial beabstandet vor und/oder hinter der elektrischen Maschine angeordnet.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Gebläse zumindest einen Verteilerkanal für zumindest den ersten Strom des Strömungsmediums aufweist. In diesem Zusammenhang soll unter einem Verteilerkanal eine Struktur verstanden werden, die den Strom des Strömungsmediums einschließt und/oder eine Strömungsrichtung des Stroms vorgibt. Vorteilhaft versorgt der Verteilerkanal die zumindest eine Öffnung mit Strömungsmedium. Durch die Realisierung des Verteilerkanals kann das Strömungsmedium konstruktiv einfach geleitet und der Öffnung zugeführt werden.
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Der Verteilerkanal kann jede dem Fachmann als denkbar erscheinende Form, wie rennstreckenförmig, stabförmig, polygonal, viereckig, oval, halbrund und insbesondere rund aufweisen. Vorteilhafterweise erstreckt sich der Verteilerkanal zumindest über einen Teilbereich des Gebläses, wodurch der Strom des Strömungsmediums ausreichend über das Gebläse verteilt werden kann. Hierbei kann der Teilbereich ein eckiger Bereich, ein Sektor eines Rings, eine Hälfte eines Rings oder bevorzugt ein Ring sein. Die zumindest eine Öffnung ist bevorzugt an die Gestaltung des Verteilerkanals angepasst und erstreckt sich entlang dessen gesamter Erstreckung. Insbesondere ist die Öffnung als ein Schlitz ausgeführt, der cozentrisch zu dem Verteilerkanal bzw. dessen Ringform ist.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass das Gebläse ringförmig ausgebildet ist. Damit kann das Gebläse mit einem geringen Gewicht realisiert werden. Ferner weist das Gebläse dadurch eine zentrale Aussparung auf, wodurch das Gebläse Platz sparend in die Gehäuseeinheit integriert werden kann. Beispielsweise kann das Gebläse so angeordnet werden, dass die Achse der elektrischen Maschine durch die Öffnung durchtritt. Eine Kühlung, beispielsweise des Rotors oder des Stators, kann hierbei besonders gleichmäßige erfolgen, wenn sich das Gebläse zentrisch um die Welle erstreckt. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine unzentrische Anordnung denkbar.
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Ferner haben der Verteilerkanal und das Gebläse durch die Ringform dieselbe Form, wodurch der Verteilerkanal konstruktiv einfach in das Gebläse integriert werden kann. Somit erstreckt sich der Verteilerkanal entlang eines gesamten Umfangs des Gebläses. Bevorzugt bildet eine Wandung des Verteilerkanals eine Grundform des Gebläses und/oder das Gebläse stellt eine Wandung des Verteilerkanals dar.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die zumindest eine Öffnung eine Öffnungsrichtung aufweist, welche im Wesentlichen coaxial zu einer Achse eines um die Achse rotierbaren und im Gehäuse anordenbaren Bauteils ausgerichtet ist. In diesem Zusammenhang soll unter einer Öffnungsrichtung eine Richtung verstanden werden, die sich in dieselbe Richtung erstreckt wie die Strömungsrichtung des Stroms des Strömungsmediums.
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Die Öffnungsrichtung weist somit zu den im Gehäuse anordenbaren Bauteilen der elektrischen Maschine. Unter der Wendung „im Wesentlichen coaxial“ soll verstanden werden, dass auch eine Abweichung der Öffnungsrichtung von der Achse mit einem Winkel von bis zu 30° als coaxiale Anordnung verstanden werden soll. Bevorzugt verlaufen die Öffnungsrichtung und die Achse des um die Drehachse rotierbaren und im Gehäuse anordenbaren Bauteils jedoch parallel zueinander. Durch die erfindungsgemäße Ausrichtung kann erreicht werden, dass der erste Strom des Strömungsmediums behinderungsfrei und ohne Turbulenzen aus der Öffnung ausströmen kann.
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Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Öffnung dazu ausgebildet, dem Gebläse eine Wirkung als eine Düse zu geben. Hierdurch kann der erste Strom des Strömungsmediums konstruktiv einfach beschleunigt werden. In Folge des beschleunigten Austritts des ersten Stroms des Strömungsmediums aus der zumindest einen Öffnung und der Interaktion mit der Coanda-Fläche kann ein um das Gebläse strömender zweiter Strom des Strömungsmediums mitgerissen werden. Letztendlich wird ein aus der Strömungsvorrichtung austretender Gesamtmedienstrom gegenüber dem ersten Strom des Strömungsmediums um ein Vielfaches verstärkt. Diese Verstärkung hat beispielsweise einen Faktor von 15. Hierbei erweist sich auch die zentrale Aussparung des Gebläses als vorteilhaft, da so der zweite Strom des Strömungsmediums ungehindert zugeführt und mitgerissen werden kann.
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Die Coanda-Fläche kann jede vom Fachmann für praktikabel erachteten Orientierung aufweisen oder an jedem denkbaren Ort im Bereich der Öffnung angeordnet sein, bevorzugt unmittelbar an der Öffnung. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Coanda-Fläche in einer Strömungsrichtung des Strömungsmediums nach der zumindest einen Öffnung des Verteilerkanals angeordnet ist. Hierbei stellt die Öffnung eine Austrittstelle des ersten Stroms des Strömungsmediums aus dem Verteilerkanal dar. Ferner ist die Öffnung dort am Verteilerkanal angeordnet, wo bei einer Konfiguration von zwei benachbarten Wänden des Verteilerkanals eine dieser Wände endet. Zudem ist eine Erstreckungsfläche der Öffnung senkrecht zur Strömungs- bzw. Öffnungsrichtung ausgerichtet, wobei die Erstreckungsfläche, ausgehend von dem Ende der kürzeren Wand, senkrecht zur gegenüberliegenden Wand orientiert ist. Mittels dieser Anordnung kann der erste Strom des Strömungsmediums nach seinem Austritt aus der Öffnung unmittelbar über die Coanda-Fläche strömen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Coanda-Fläche symmetrisch zu einer Achse verläuft. Insbesondere fällt die Achse zusammen mit einer Achse durch einen Kreismittelpunkt des Gebläses bzw. des Verteilerkanals. Zudem verläuft die Achse coaxial mit der im Gehäuse anordenbaren Welle. Durch diesen Verlauf kann der erste Strom des Strömungsmediums auf eine relativ zur Achse cozentrische Anordnung der Bauteile angepasst werde, was zu einer besonders effektiven Kühlung führt.
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Zweckmäßigerweise schließen die Coanda-Fläche und die Achse einen Winkel zwischen 7° und 20° und insbesondere von 15° ein. Diese Werte haben sich für eine Nutzung des Coanda-Effekts besonders bewährt. Mit diesen Werten kann ein ausreichender erster Strom des Strömungsmediums über die Coanda-Fläche erreicht werden, was zu einem effektiven Mitreißen des zweiten Stroms des Strömungsmediums führt und damit zu einem maximalen Gesamtmedienstrom.
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Ein störungsfreier Betrieb der elektrischen Maschine kann vorteilhaft erreicht werden, wenn das Gebläse aus einem unmagnetischen Material gebildet ist. Hierbei ist das Material bevorzugt ein Kunststoff, der resistent gegenüber hohen Temperaturen ist, wie beispielsweise Polyimide Polyetherimide oder Polyacrynitrile. Generell kann jedoch jedes andere, vom Fachmann für einsetzbar erachtetes Material eingesetzt werden. Es kann zudem vorteilhaft sein, wenn das Material elektrisch leitenden ausgeführt ist. Hierbei wären insbesondere Aluminium, Kupfer oder Polyacrynitrile einsetzbar.
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Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die Gehäuseeinheit eine Strömungsmaschine aufweist, die den ersten Strom des Strömungsmediums ansaugt und dem Verteilerkanal des Gebläses zuführt. Die Strömungsmaschine ist die oben beschriebene Primärquelle zur Erzeugung des ersten Stroms und ist ausgeführt als eine Turboeinheit bzw. ein Elektromotor mit Lüfterrad. Das Ansaugen des Strömungsmediums erfolg hierbei bevorzugt von außerhalb des Gehäuses über eine nach außen offene Ausnehmung eines Maschinengehäuses der Strömungsmaschine. Die Zuführung zum Verteilerkanal erfolgt wiederum über einen Verbindungskanal der in Strömungsrichtung nach dem Lüfterrad angeordnet ist. Mittels der Strömungsmaschine kann der Strom des Strömungsmediums konstruktiv einfach erzeugt und dem Verteilerkanal zugeführt werden.
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Die Strömungsmaschine kann komplett innerhalb, teilweise innerhalb, teilweise außerhalb oder komplett außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist jedoch ein Anteil außerhalb des Gehäuses angeordnet, was eine Wartung durch eine leichte Zugänglichkeit erleichtert und/oder eine Möglichkeit zur Einstellung von Parametern mittels Bedienelementen der Strömungsmaschine bietet. Zudem ist die Strömungsmaschine in einem normalen Arbeitsbetrieb der im Gehäuse anordenbaren elektrischen Maschine in radialer Richtung oberhalb der Welle angeordnet, wodurch der Eintritt des Strömungsmediums in die Ausnehmung des Maschinengehäuses der Strömungsmaschine erleichtert wird.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Gebläse mit dem Gehäuse einstückig ausgeführt ist. In diesem Zusammenhang soll unter einstückig verstanden werden, dass das Gebläse und das Gehäuse nur unter Funktionsverlust zumindest eines der beiden Bauteile voneinander getrennt werden können. Hierbei kann das Gebläse bei der Herstellung des Gehäuses in dieses eingegossen werden oder das Gebläse und das Gehäuse werden als ein Bauteil, bevorzugt mittels eines Spritzgussverfahrens, hergestellt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass das Gehäuse einen Bereich aufweist, der an einer Seite des Gebläses angeordnet ist, die in eine Richtung weist, die entgegen der Strömungsrichtung des aus der zumindest einen Öffnung austretenden ersten Stroms des Strömungsmediums orientiert ist. Durch die Verfügbarkeit des Bereiches kann Platz oder ein Raum für den zweiten Strom des Strömungsmediums geschaffen werden.
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Vorteilhafterweise ist dieser Bereich durch zumindest eine Ausnehmung des Gehäuses mit dem zweiten Strom des Strömungsmediums versorgbar. Die Ausnehmung ist bevorzugt im Bereich des Gehäuses angeordnet in dem auch die Strömungsmaschine angeordnet ist, wodurch ein Zustrom des Strömungsmediums ungehindert von außerhalb des Gehäuses und im normalen Arbeitsbetrieb von oben erfolgen kann. Durch die Ausnehmung kann vorteilhaft neues Strömungsmedium kontinuierlich zugeführt werden.
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Es wird zudem vorgeschlagen, dass die Gehäuseeinheit zumindest eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des zumindest ersten Stroms des Strömungsmediums aufweist. Unter einer Kühlvorrichtung soll hier jede vom Fachmann einsetzbar erachtete Kühlvorrichtung, wie beispielsweise eine Luftkühlung über ein Bauteil der elektrischen Maschine oder über extern vom Gehäuse angeordnete Lüfter, eine Flüssigkeitskühlung oder eine Wassermantelkühlung zur direkten Kühlung eines Bauteils der elektrischen Maschine und insbesondere ein Wärmetauscher, eine Flüssigkeitskühlung, eine Wassermantelkühlung oder eine Frischwasserkühlung des Gehäuses verstanden werden. Die Kühlvorrichtung ist in einem Strömungsweg des Strömungsmediums der Strömungsvorrichtung vorgeschaltet. Sie kann zentral oder dezentral um das Gehäuse angeordnet sein und ist bevorzugt in einer Ummantelung des Gehäuses integriert. Bevorzugt wird auch der zweite Strom des Strömungsmediums gekühlt. Auch kann der aus der Strömungsvorrichtung austretende Gesamtstrom des Strömungsmediums nach einem Durchströmen der Bauteile der elektrischen Maschine das Gehäuse wieder verlassen und erneut dem ersten und/oder dem zweiten Strom des Strömungsmediums zugeführt werden. Hiermit entsteht ein Strömungsmedienkreislauf. Mittels der Kühlvorrichtung kann vorteilhaft schon rückgekühltes Strömungsmedium als erster und zweiter Strom der Strömungsvorrichtung und/oder dem Bereich neben dem Gebläse über Ausnehmungen in der Strömungsmaschine und dem Gehäuse zugeführt werden. Somit kommt es zu geringeren Energieverlusten gegenüber Systemen des Standes der Technik.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Gehäuseeinheit eine elektrische Maschine aufweist, die zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet ist. Hierbei sind insbesondere der Rotor, der Stator und die Wickelköpfe der elektrischen Maschine in dem Gehäuse angeordnet. Die Welle der elektrischen Maschine hingegen kann in axialer Richtung das Gehäuse durchgreifen und kann somit teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
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Ferner geht die Erfindung aus von einer elektrischen Maschine mit zumindest einer Gehäuseeinheit.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsvorrichtung ein Gebläse mit einer Strömungsmaschine aufweist, wobei die Strömungsmaschine einen ersten Strom des Strömungsmediums ansaugt und einem Verteilerkanal des Gebläses zuführt und wobei der erste Strom des Strömungsmediums nach einem Austritt aus zumindest einer Öffnung des Verteilerkanals gelenkt durch eine Coanda-Fläche des Gebläses zumindest ein Bauteil der elektrischen Maschine gerichtet anbläst und wobei das Gehäuse einen Bereich aufweist, der an einer Seite des Gebläses angeordnet ist, die in eine Richtung weist, die entgegen der Strömungsrichtung des aus der zumindest einen Öffnung austretenden ersten Stroms des Strömungsmediums orientiert ist, wobei dieser Bereich durch zumindest eine Ausnehmung des Gehäuses mit einem zweiten Strom des Strömungsmediums versorgbar ist.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit in einer Übersichtsdarstellung,
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2 ein Ausschnitt der erfindungsgemäßen Gehäuseeinheit der 1 mit einer Strömungsvorrichtung,
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3 die Strömungsvorrichtung der 2 in einer Frontalansicht,
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4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV durch die Strömungsvorrichtung der 3,
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5 eine perspektivische und vergrößerte Ansicht eines Teils der Strömungsvorrichtung der 4 und
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6 ein Ausschnitt einer alternativen Gehäuseeinheit mit einer einstückig mit dem Gehäuse ausgeführten Strömungsvorrichtung.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 12 in der Form eines Hochtemperatur-Supraleiter-Motors 60, die zumindest teilweise in einem Gehäuse 14 einer Gehäuseeinheit 10 angeordnet ist. Einzelne Bauteile 30, wie ein Rotor 62, ein Stator 64 oder Wickelköpfe 66 des Motors 60, sind komplett innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet. Eine Welle 68, die sich entlang einer Achse 36 erstreckt und die den Rotor 62 antreibt, durchgreift das Gehäuse 14 in einer axialen Richtung 70.
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Die Gehäuseeinheit 10 weist eine Strömungsvorrichtung 16 zum Erzeugen eines ersten Stroms 18 eines Strömungsmediums 20 in der Form von Luft auf. Hierbei strömt der erste Strom 18 des Strömungsmediums 20 von außerhalb des Gehäuses 14 entlang der Strömungsvorrichtung 16 in einer Strömungsrichtung 40 in einen Innenraum 72 des Gehäuses 14 (siehe 2). Die Strömungsvorrichtung 16 ist innerhalb des Gehäuses 14 in axialer Richtung 70 der Welle 68 axial beabstandet hinter der elektrischen Maschine 12 angeordnet.
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2 zeigt einen Detailausschnitt des Bereichs des Gehäuses 14 in dem die Strömungsvorrichtung 16 angeordnet ist. Die Strömungsvorrichtung 16 weist ein Gebläse 22 und eine Strömungsmaschine 46 in der Form eines Elektromotors 74 mit einem Lüfterrad 76 in einem Maschinengehäuse 78 auf (siehe 3). Das Gebläse 22 ist aus einem unmagnetischen Material 44, wie dem Kunststoff Polyimid, gebildet. Ferner ist das Gebläse 22 ringförmig ausgebildet, wobei sich der Ring 80 zentrisch um die Achse 36 bzw. die Welle 68 erstreckt. An einer von der Welle 68 abgewandten Seite des Rings 80 und an einer Oberseite 82 des Gehäuses 14 ist die Strömungsmaschine 46 angeordnet. Die Strömungsmaschine 46 saugt den ersten Strom 18 des Strömungsmediums 20 an und führt diesen einem Verteilerkanal 32 des Gebläses 22 zu. An der Strömungsmaschine 46 können an einer nach außen weisenden Seite hier nicht dargestellte Bedienelemente angeordnet sein, um beispielsweise eine Drehzahl des Elektromotors 74 einzustellen.
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Das Gehäuse 14 weist einen Bereich 48 auf, der an einer Seite 50 des Gebläses 22 angeordnet ist, die weg von der elektrischen Maschine 12 weist. Der Bereich 48 wird durch eine Ausnehmung 54 an der Oberseite 82 des Gehäuses 14 mit einem zweiten Strom 56 des Strömungsmediums 20 versorgt. Dieser zweite Strom 56 strömt von außerhalb des Gehäuses 14 durch die Ausnehmung 54 in den Bereich 48 und von dort durch eine Aussparung 84 des Rings 80 in Richtung der elektrischen Maschine 12.
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An einer Außenfläche 86 des Gehäuses 14 ist in Umfangsrichtung 88 um das Gehäuse 14 eine Kühlvorrichtung 58 zum Kühlen des ersten Stroms 18 und des zweiten Stroms 56 des Strömungsmediums 20 angeordnet. Die von einem Wärmetauscher gebildete Kühlvorrichtung 58 ist in einem Strömungsweg des Strömungsmediums 20 der Strömungsvorrichtung 16 vorgeschaltet. Dadurch tritt bereits gekühltes Strömungsmedium 20 in die Strömungsvorrichtung 16 und den Bereich 48 ein.
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In 3 ist die Strömungsvorrichtung 16 alleine gezeigt. Wie oben beschrieben ist, weist die Strömungsvorrichtung 16 eine Strömungsmaschine 46 und ein ringförmiges Gebläse 22 auf. Der Ring 80 erstreckt sich zentrisch um eine Achse 42 und definiert mit seiner Form und Erstreckung die Aussparung 84.
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Wie in 4, die einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3 zeigt, zu sehen ist, weist das Gebläse 22 den Verteilerkanal 32 für den ersten Strom 18 des Strömungsmediums 20, eine Öffnung 24 am Verteilerkanal 32, wobei diese vom Verteilerkanal 32 mit Strömungsmedium 20 versorgt wird, und eine Coanda-Fläche 26 auf. Der Verteilerkanal 32 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet und erstreckt sich somit in Umfangsrichtung 88 über eine Teilbereich 33 und insbesondere über einen gesamten Umfang des Gebläses 22. Das Gebläse 22 bildet eine Wandung 90 des Verteilerkanals 32. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben das Gebläse 22 bzw. der Ring 80 einen Außendurchmesser 92 von 350 mm (vgl. 3). Eine Breite 94 des Gebläses coaxial zur Achse 42 beträgt 50 mm, wobei der Verteilerkanal 32 um die Erstreckung der Wandung 90 schmäler ist.
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Die Öffnung 24 weist eine Öffnungsrichtung 34 auf, welche coaxial zu der Achse 36 des um die Achse 36 rotierbaren Bauteils 30 bzw. des Rotors 62 und der Strömungsrichtung 40 ausgerichtet ist. Ferner ist die Öffnung 24 von einem ringförmigen Schlitz gebildet, der sich entlang des Rings 80 des Gebläses 22 erstreckt.
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Wie in 5 zu sehen ist, weist die Wandung 90 des Gebläses im Bereich der Öffnung 24 einen Innenwandbereich 96 und einen Außenwandbereich 98 auf, die in einer gefalteten Anordnung sich gegenüber angeordnet sind. Eine fiktive Erstreckungsfläche der Öffnung 24 erstreckt sich, ausgehend von einem Ende 100 des Innenwandbereich 96, senkrecht zum gegenüberliegenden Außenwandbereich 98 und senkrecht zur Strömungsrichtung 40 bzw. Öffnungsrichtung 34. Eine Erstreckung der Öffnung 24 entlang der Erstreckungsfläche vom Ende 100 zum gegenüberliegenden Außenwandbereich 98 ist zwischen 1 mm und 5 mm breit, bevorzugt 1,3 mm. In Strömungsrichtung 40 vor der Öffnung 24 ist ein zur Öffnung 24 hin konisch zulaufender Verengungsbereich 102 angeordnet, dadurch ist die Öffnung 24 dazu ausgebildet, dem Gebläse 22 eine Wirkung als Düse 38 zu geben.
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Im Bereich der Öffnung 24 und in Strömungsrichtung 40 des Strömungsmediums 20 nach der Öffnung 24 ist die Coanda-Fläche 26 angeordnet. Die Coanda-Fläche 26 verläuft symmetrisch zu der Achse 42. Ferner schließen die Coanda-Fläche 26 und die Achse 42 einen Winkel von 15° ein. In Strömungsrichtung 40 nach der Coanda-Fläche 26 ist eine Leitfläche 104 angeordnet, die sich etwa über zweidrittel der Breite 94 des Gebläses 22 erstreckt. Die Leitfläche 104 und die generelle Gestaltung des Gebläses 22 sind auf eine Form einer Tragfläche abgestimmt.
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Mit Hilfe der Coanda-Fläche tritt der erste Strom 18 des Strömungsmediums 20 in einer vorgegebenen Richtung 28 und zwar in Richtung der elektrischen Maschine 12 aus der Öffnung 24 aus und bläst die im Gehäuse 14 angeordnete Bauteile 30 gezielt an (vgl. 2). Zudem unterstützt die Leitfläche 104 hierbei das gerichtete Ausströmen des ersten Stroms 18.
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Im Folgenden ist die Funktionsweise der Strömungsvorrichtung 16 anhand der 2 bis 5 näher geschrieben. Der Elektromotor 74 der Strömungsmaschine 46, der in dem Maschinengehäuse 78 angeordnet ist, saugt durch eine Ausnehmung 106 in dem Maschinengehäuse 78 den ersten Strom 18 des Strömungsmediums 20 von außerhalb des Gehäuses 14 an und in das Maschinengehäuse 78. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die angesaugte Menge an Strömungsmedium 20 zwischen 20 und 30 Liter pro Sekunde und bevorzugt etwa 27 Liter pro Sekunde. Ein am Elektromotor 74 angeordnetes und durch diesen angetriebenes Lüfterrad 76 lenkt den ersten Strom 18 des Strömungsmediums 20 durch einen Verbindungskanal 108 in den Verteilerkanal 32 des Gebläses 22. Der erste Strom 18 des Strömungsmediums 20 wird vor seinem Austritt aus der Öffnung 24 erst im Verengungsbereich 102 und dann an der Öffnung 24 verengt.
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Der Ausstrom des Stroms 18 aus der Öffnung 24 generiert einen Unterdruck an der Ausnehmung 106 und führt zu einem weiteren Ansaugen von Strömungsmedium 24 durch die Ausnehmung 106 in die Strömungsvorrichtung 16. Das Strömen des ersten Stroms 18 über die Coanda-Fläche 26 und die Leitfläche 104 verstärkt den ersten Strom 18 des Strömungsmediums 20 mittels des Coanda-Effekts. Auch der zweite Strom 56 des Strömungsmediums 20 wird beeinflusst. Dieser befindet sich bzw. strömt im Bereich 48, der an der Seite 50 des Gebläses 22 angeordnet ist, wobei die Seite 50 in eine Richtung 52 weist, die entgegen der Strömungsrichtung 40 des aus der Öffnung 24 austretenden ersten Stroms 18 des Strömungsmediums 20 orientiert ist. Durch die unmittelbare Nähe des Bereichs 48 und des Gebläses 22 bzw. der Öffnung 24 wir der zweite Strom 56 vom ersten Strom 18 mitgerissen. Hierbei strömt der zweite Strom 56 durch die Aussparung 84, wobei ein Teil über die Leitfläche 104 strömen kann, und vereint sich mit dem ersten Strom 18 zu einem Gesamtstrom 110 des Strömungsmediums 20. Der Gesamtstrom 110 kann hierbei ein Strömungsvolumen von 500 bis 700 Liter pro Sekunde haben. Der Gesamtstrom 110 strömt nun in Richtung 28 bzw. in Strömungsrichtung 40 zu den Bauteilen 30 der elektrischen Maschine 12 um diese zu Durchströmen und damit zu Kühlen. Nach dem Durchströmen der Bauteile 30 wird der Gesamtstrom 110 wieder aus das Gehäuse 14 durch eine Ausnehmung 112 gelenkt und kann erneut dem ersten Strom 18 und dem zweiten Strom 56 des Strömungsmediums 20 zugeführt werden (vgl. 2).
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Bei einer Distanz von ca. 1000 mm zwischen der Strömungsvorrichtung 16 und den zu kühlenden Bauteilen 30 kann das Strömungsvolumen immer noch eine Menge von 400 bis 500 Liter pro Sekunde betragen. Der Gesamtstrom 110 kann eine Geschwindigkeit von 3 bis 4 Meter pro Sekunde aufweisen. Höhere Geschwindigkeiten können durch Reduzierung des Winkels, der zwischen der Coanda-Fläche und der Achse eingeschlossen wird, erzielt werden. Ein kleinerer Winkel führt dazu, dass der Gesamtstrom in einer mehr fokussierten und direkteren Weise ausströmt. Solch ein Gesamtstrom wird mit einer höheren Geschwindigkeit und einer reduzierten Strömungsvolumenrate ausgestoßen. Umgekehrt kann eine größere Strömungsvolumenrate durch Vergrößerung des Winkels, der zwischen der Coanda-Fläche und der Achse eingeschlossen wird, erzielt werden. Hierbei wird die Geschwindigkeit des Gesamtstroms reduziert, wobei jedoch die Strömungsvolumenrate erhöht wird.
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Die Dimensionen und Leistung der Strömungsvorrichtung sind abhängig von der elektrischen Maschine und der Anwendung für die sie eingesetzt wird. Die hier angegebenen exemplarischen Werte müssen demgemäß je nach Einsatzgebiet vom Fachmann angepasst werden.
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Alternativ kann ein Gehäuse auch von einem Außengehäuse einer elektrischen Maschine in der Form einer Niederspannungsmaschine gebildet werden. Hierbei ist auch eine Welle komplett im Gehäuse angeordnet. Bei solch einer Ausführung kommt ein zweiter Strom des Strömungsmediums aus der Richtung eines Lagerschilds, welches entgegengesetzt von beispielsweise einer Abtriebsseite der Maschine angeordnet ist (B-Lagerschild) (nicht gezeigt).
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In der 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Gehäuseeinheit 10 dargestellt. Im Wesentlichen sind gleich bleibende Bauteile, Merkmale und Funktionen grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele sind jedoch den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels der 6 der Buchstabe a hinzugefügt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in den 1 bis 5, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 5 verwiesen werden kann.
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Das Ausführungsbeispiel der 6 unterscheidet sich von dem der 1 bis 5 darin, dass eine Gehäuseeinheit 10a für eine elektrische Maschine 12a ein Gehäuse 14a und eine Strömungsvorrichtung 16a mit einem Gebläse 22a aufweist, wobei das Gebläse 22a mit dem Gehäuse 14a einstückig ausgeführt ist. Hierbei wurde das Gebläse 22a und insbesondere eine Wandung 90a eines Verteilerkanals 32a des Gebläses 22a bei der Herstellung des Gehäuses 14a im Spritzgussverfahren in das Gehäuse 14a integriert. Ein Maschinengehäuse 78a für eine Strömungsmaschine 46a kann auch einstückig mit dem Gehäuse 14a ausgeführt sein.
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Alternativ können diese Bauteile auch bei der Herstellung eines Gehäuses in das Gehäuse eingegossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Reba, Scientific American, Ausgabe 214, Juni 1966, Seiten 84 bis 92 [0010]
