DE102011117517A1

DE102011117517A1 - Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102011117517A1
Application number: DE102011117517A
Authority: DE
Inventors: Bernd Cebulski; Christian Schneider
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst robusten und gleichmäßig gekühlten Rotor einer elektrischen Maschine bereitzustellen. Zur Durchströmung des Rotors mit einem Kühlmittel ist eine Vorrichtung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass a) in beiden Pressplatten 5 Kühlmittelleitungen 8 angeordnet sind, die von der Rotorwelle 1 in Richtung der Leiterstäbe 3 verlaufen, b) die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) in beiden Pressplatten 5 entweder mit einer gemeinsamen Kühlmittelleitung 7 verbunden sind, die in der Rotorwelle (1) angeordnet ist oder die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) in der einen Pressplatte 5 mit einer ersten Kühlmittelleitung 7 verbunden sind, die in der Rotorwelle 1 angeordnet ist und die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) in der anderen Pressplatte 5 mit einer zweiten Kühlmittelleitung 7 verbunden sind, die in der Rotorwelle 1 angeordnet ist, c) die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) mit Kühlmittelleitungen 9 verbunden sind, die in den Blechplatten 2 angeordnet sind und die in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Pressplatte 5 verlaufen, d) in den Pressplatten 5 Kühlmittelleitungen 10 angeordnet sind, die mit den Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) verbunden sind, e) ein Kühlmittel über die Kühlmittelleitung 7 gemäß a) oder die Kühlmittelleitungen 7 gemäß a) dem Rotor zugeführt wird und über die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) von dem Rotor abgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Zum Beispiel zum Antrieb von Fahrzeugen ist es bekannt, Asynchronmaschinen zu verwenden. Derartige elektrische Maschinen weisen einen Rotor auf. Der Rotor umfasst ein so genanntes Blechpaket. Das Blechpaket umfasst insbesondere entlang der Drehachse des Rotors aufeinandergestapelte runde Blechplatten. In dem Blechpaket sind Leiterstäbe angeordnet, die mit einem bestimmten Abstand zur Drehachse des Rotors im Wesentlichen entlang dieser Achse verlaufen. Im Wesentlichen deshalb, weil die Leiterstäbe zur Geräuschminderung häufig derart durch das Blechpaket geführt sind, dass das eine Ende der Leiterstäbe und das jeweils andere Ende zwar auf einem gedachten Kreis um die Rotorachse liegen, aber die beiden Enden der Leiterstäbe um einen bestimmten Drehwinkel auf diesem Kreis versetzt sind. Anders gesagt sind die Leiterstäbe nicht in einer Flucht mit der Drehachse des Rotors, sondern leicht verdreht. Die Leiterstäbe sind an den in Richtung der Drehachse des Rotors weisenden Enden mit Ringen kurzgeschlossen, so dass ein allgemein bekannter Kurzschlusskäfig gebildet wird. An den in Richtung der Drehachse des Rotors weisenden Enden des Blechpaketes können so genannte End- oder Pressplatten angeordnet sein, welche das Blechpaket mechanisch fixieren bzw. jeweils einen Abschluss des Blechpaketes bilden. Zur Kühlung einer elektrischen Asynchronmaschine ist es aus der DE1972569 vorbekannt, die Leiterstäbe und die Kurzschlussringe innen hohl auszuführen und ein Kühlmittel hindurchzuleiten, so dass eine Kühlung der Maschine erfolgt. Ohne Zweifel kann auf diese Weise sehr gut Wärme vom Rotor abgeführt werden. Allerdings ist die Verbindung der Leiterstäbe mit den Kurzschlussringen offensichtlich ein Schwachpunkt, da hier eine Löt- oder Klebverbindung nötig ist, was wiederum nachteilig ist, da beim Betrieb einer Asynchronmaschine hier große mechanische und thermische Belastungen auftreten und die Dauerfestigkeit dieser Verbindung nicht sichergestellt ist. Ferner ist mit dieser Ausführung nur eine Durchströmung des Rotors bzw. der Leiterstäbe in einer Richtung möglich, nämlich von dem einen Kurzschlussring zu dem anderen Kurzschlussring, so dass sich beim Betrieb eine besser und eine schlechter gekühlte Seite des Rotors bzw. der elektrischen Maschine ergibt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen möglichst robusten und gleichmäßig gekühlten Rotor einer elektrischen Maschine bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung sowie die damit erreichten Vorteile sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Hierbei zeigen:
1: schematische Darstellung des Rotors einer elektrischen Maschine,
2: schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2a: schematische Darstellung eines Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3a: schematische Darstellung eines Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3b: schematische Darstellung eines Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist in einem Längsschnitt der Rotor einer Asynchronmaschine gezeigt. Wesentliche Elemente dieses Rotors sind die Rotorwelle 1, die zu einem Blechpaket aneinandergereihten Blechplatten 2, die Leiterstäbe 3, die Kurzschlussringe 4 und die beiden sich gegenüberliegenden Pressplatten 5. Die Pressplatten 5 weisen jeweils eine den Blechplatten 2 zugewandte Fläche 6 auf. Für eine bessere Übersichtlichkeit wurde auf eine Darstellung der Fixierung der Pressplatten 5 verzichtet. Ferner wird der Stator usw. nicht dargestellt, da die weiteren Bauteile einer elektrischen Maschine hinlänglich bekannt sind. Zur Förderung eines Kühlmittels ist eine ebenfalls nicht gezeigte Kühlmittelquelle vorgesehen, die beispielsweise eine Kühlmittelpumpe und ein Kühlmittelauffangbehältnis bzw. -reservoir umfasst. In 2 und 2a sind nun die Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung gezeigt. Der Kühlmittelfluss ist dabei in 2 und 2a durch Pfeile angedeutet. Demgemäß ist zur Durchströmung des Rotors mit einem Kühlmittel eine Vorrichtung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass

a) in beiden Pressplatten 5 Kühlmittelleitungen 8 angeordnet sind, die von der Rotorwelle 1 in Richtung der Leiterstäbe 3 verlaufen,
b) die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) in beiden Pressplatten 5 entweder mit einer gemeinsamen Kühlmittelleitung 7 verbunden sind, die in der Rotorwelle 1 angeordnet ist oder die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) in der einen Pressplatte 5 mit einer ersten Kühlmittelleitung 7 verbunden sind, die in der Rotorwelle 1 angeordnet ist und die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) in der anderen Pressplatte 5 mit einer zweiten Kühlmittelleitung 7 verbunden sind, die in der Rotorwelle 1 angeordnet ist,
c) die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) mit Kühlmittelleitungen 9 verbunden sind, die in den Blechplatten 2 angeordnet sind und die in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Pressplatte 5 verlaufen,
d) in den Pressplatten 5 Kühlmittelleitungen 10 angeordnet sind, die mit den Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) verbunden sind,
e) ein Kühlmittel über die gemeinsame Kühlmittelleitung 7 gemäß a) oder die beiden Kühlmittelleitungen 7 gemäß a) dem Rotor zugeführt wird und über die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) von dem Rotor abgeführt wird.

Mittels einer Vorrichtung mit diesen Merkmalen kann ein Kühlmittel von der Kühlmittelquelle, z. B. der Druckseite einer Pumpe, über die gemeinsame Kühlmittelleitung 7 gemäß b) bzw. die erste und die zweite Kühlmittelleitung 7 gemäß b), die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a), die Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) und die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) quasi von der einen zur anderen, d. h. gegenüberliegenden Pressplatte 5 geleitet werden und von dort wieder zurück zur Kühlmittelquelle, z. B. der Saugseite der Pumpe. Von Vorteil ist zunächst, dass ein sehr kompakter robuster Aufbau des Rotors vorliegt, da sowieso vorhandene Bauteile, wie die Rotorwelle 1, die Blechplatten 2 und die Pressplatten 5 quasi eine weitere Funktion erhalten, nämlich die Bildung von zusammenwirkenden Kühlmittelleitungen 7 bis 10. Gerade die kühlmittelführenden Bauteile sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sicher miteinander verbunden, also z. B. die Pressplatten 5 sind fest mit den Blechplatten 2 verbunden, so dass die auftretenden Belastungen beim Betrieb der elektrischen Maschine aufgenommen werden können. Eine Führung des Kühlmittels durch filigrane Bauteile, die untereinander durch stoffschlüssige Fügeverfahren miteinander verbunden sind, entfällt. Die Rotorwelle 1 kann problemlos mit einer oder mehreren konzentrischen Bohrungen als gemeinsame oder „pressplattenindividuelle” Kühlmittelleitung 7 gemäß b) versehen werden. Die Pressplatten 5 werden mit einer geeigneten Passung auf die Rotorwelle 1 gefügt, so dass es im Bereich des Überganges von der gemeinsamen bzw. jeweils einzelnen Kühlmittelleitung 7 gemäß b) zu den Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) keine Probleme mit Undichtigkeiten bzw. Kühlwirkungsverlusten geben kann. Weiterhin wird eine sehr gute Wärmeabfuhr mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht, da das Kühlmittel zunächst durch die jeweils relativ kalte Pressplatte 5 geleitet wird und dann nahe der Leiterstäbe 3 durch die Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) über deren gesamte Längserstreckung geleitet wird, wo die dort anfallende große Wärmemenge vom Kühlmittel aufgenommen wird und abschließend das Kühlmittel dann auch noch durch die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) durch eine gezielte Formung dieser Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) in Richtung der thermisch besonders hoch belasteten Kurzschlussringe 4 im Sinne einer Spritzkühlung geführt werden kann, wie weiter unten genauer beschrieben wird. Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich die Kühlmittelleitung 7 gemäß b) von der einen Stirnseite der Rotorwelle 1 bis in den Bereich der davon gegenüberliegenden Pressplatte 5, so dass die in dieser zweiten Pressplatte 5 ebenfalls angeordneten Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) mit den Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) und den Kühlmittelleitungen 10 gemäß d), wie schon beschrieben, zusammenwirken. D. h. es wird mit äußerst einfachen Mitteln eine gegenläufige Durchströmung des Rotors mit einem Kühlmittel erreicht, so dass eine sehr vorteilhaft ausgeglichene thermische Belastung der elektrischen Maschine vorliegt. Mit anderen Worten erstreckt sich bei dieser Ausführung die Kühlmittelleitung 7 gemäß b) in der Rotorwelle 1 von der einen Pressplatte 5 bis zu der gegenüberliegenden Pressplatte 5 und die beiden Pressplatten 5 sind auf der Rotorwelle 1 derart zueinander angeordnet bzw. verdreht, dass die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) in den Pressplatten 5 über die Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) mit den Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) der jeweils gegenüberliegenden Pressplatte 5 verbunden sind. Der gleiche Effekt kann durch eine Ausführung, wie sie in 2a gezeigt ist, erreicht werden, mit der Besonderheit, dass die Zufuhr von Kühlmittel nicht nur von einer Seite der Rotorwelle 1, sondern von beiden Seiten der Rotorwelle erfolgt. An dieser Stelle ist es zweckmäßig, 3a heranzuziehen. Hier ist eine Pressplatte 5 in einer Ansicht auf die den Blechplatten 2 zugewandte Fläche 6 gezeigt. Rein beispielhaft sind hier nur zwei Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) und zwei Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) gezeigt. Bevorzugt ist sonst eine Vielzahl von Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) und Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) in den Pressplatten 5 angeordnet, um eine möglichst intensive Kühlung des Rotors zu erreichen. Gemäß 3a sind die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) und die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) als Nuten ausgeführt, die entlang der den Blechplatten 2 zugewandten Fläche 6 der Pressplatten 5 in Richtung der Leiterstäbe 3 verlaufen. Derartige Nuten können einfach mittels eines Stirnfräsvorganges in die Pressplatte 5 eingebracht werden. Die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) und die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) können natürlich auch als Kanäle ausgeführt sein, die in die Pressplatten 5 integriert sind. Ferner ist in 3a eine Passbohrung 1a zur Aufnahme der Rotorwelle 1 gezeigt sowie ein konzentrisch dazu in die Pressplatte 5 eingearbeiteter Ringraum 1b, von dem die Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) strahlenförmig ausgehen und welcher einer Verteilung des Kühlmittels dient, das von der Kühlmittelleitung 7 gemäß b) bzw. den Kühlmittelleitungen 7 gemäß b) zu den Kühlmittelleitungen 8 gemäß a) transportiert werden soll. Wie 3a ebenfalls zeigt, durchdringen die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) die Pressplatten (5) am Umfang, d. h. über die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) tritt das Kühlmittel aus dem Rotor wieder aus und wird, wie in 2 oder 2a gezeigt, mit den Kurzschlussringen 4 in Kontakt gebracht, so dass diese gekühlt werden, woraufhin das Kühlmittel in einem unterhalb des Rotors angeordneten Auffangbehälter gesammelt wird und einer Pumpe für einen erneuten Kreislauf durch den Rotor bereitsteht. Wie in 3b gezeigt, können die Kühlmittelleitungen 10 gemäß d) auch als Durchgangsbohrungen ausgeführt sein, welche die Pressplatten 5 in Richtung der Längserstreckung der Rotorwelle 1 durchdringen, um ggf. gegenüber den Pressplatten 5 axial vorversetzte Kurzschlussringe 4 zu kühlen Die Durchgangsbohrungen können auch eine gewisse Krümmung aufweisen, um eine Ausrichtung des aus dem Rotor austretenden Kühlmittels zu erreichen, z. B. zur Kühlung der Kurzschlussringe 4. Als Kühlmittel wird bevorzugt ein flüssiges Medium, wie Wasser, verwendet. Alternativ können zur Kühlung auch andere Flüssigkeiten benutzt werden, insbesondere Silikonöle und halogenorganische Verbindungen. Für eine möglichst gute Kühlwirkung ist es vorgesehen, dass die Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) derart unterhalb der Leitstäbe 3 verlaufen, dass ein direkter Kontakt zwischen den Kühlmittelleitungen 9 gemäß c) und den Leiterstäben 3 besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1972569 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, einer Rotorwelle (1), aneinandergereihten Blechplatten (2), Leiterstäben (3), Kurzschlussringen (4) und zwei sich gegenüberliegenden Pressplatten (5), gekennzeichnet dadurch, dass a) in beiden Pressplatten (5) Kühlmittelleitungen (8) angeordnet sind, die von der Rotorwelle (1) in Richtung der Leiterstäbe (3) verlaufen, b) die Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) in beiden Pressplatten (5) mit einer gemeinsamen Kühlmittelleitung (7) verbunden sind, die in der Rotorwelle (1) angeordnet ist oder die Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) in der einen Pressplatte (5) mit einer ersten Kühlmittelleitung (7) verbunden sind, die in der Rotorwelle (1) angeordnet ist und die Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) in der anderen Pressplatte (5) mit einer zweiten Kühlmittelleitung (7) verbunden sind, die in der Rotorwelle (1) angeordnet ist, c) die Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) mit Kühlmittelleitungen (9) verbunden sind, die in den Blechplatten (2) angeordnet sind und die in Richtung der jeweils gegenüberliegenden Pressplatte (5) verlaufen, d) in den Pressplatten (5) Kühlmittelleitungen (10) angeordnet sind, die mit den Kühlmittelleitungen (9) gemäß c) verbunden sind, e) ein Kühlmittel über die Kühlmittelleitung (7) gemäß a) oder die Kühlmittelleitungen (7) gemäß a) dem Rotor zugeführt wird und über die Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) von dem Rotor abgeführt wird.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich die gemeinsame Kühlmittelleitung (7) gemäß b) in der Rotorwelle (1) ausgehend von einem Ende der Rotorwelle (1) von der einen Pressplatte (5) bis zu der gegenüberliegenden Pressplatte (5) erstreckt, wobei die beiden Pressplatten (5) auf der Rotorwelle (1) derart zueinander verdreht angeordnet sind, dass die gemeinsame Kühlmittelleitung (7) gemäß b) mit den Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) in den Pressplatten (5) über die Kühlmittelleitungen (9) gemäß c) mit den Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) der jeweils gegenüberliegenden Pressplatte (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich die erste Kühlmittelleitung (7) gemäß b) in der Rotorwelle (1) ausgehend von dem einen Ende der Rotorwelle (1) bis zu der einen Pressplatte (5) erstreckt und sich die zweite Kühlmittelleitung (7) gemäß b) in der Rotorwelle (1) ausgehend von dem anderen Ende der Rotorwelle (1) bis zu der anderen Pressplatte (5) erstreckt, wobei die beiden Pressplatten (5) auf der Rotorwelle (1) derart zueinander verdreht angeordnet sind, dass die erste Kühlmittelleitung (7) gemäß b) mit den Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) in der einen Pressplatte (5) über die Kühlmittelleitungen (9) gemäß c) mit den Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) der gegenüberliegenden Pressplatte (5) verbunden ist und die zweite Kühlmittelleitung (7) gemäß b) mit den Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) in der anderen Pressplatte (5) über die Kühlmittelleitungen (9) gemäß c) mit den Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) der gegenüberliegenden Pressplatte (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die gemeinsame Kühlmittelleitung (7) gemäß b) mit einer Kühlmittelquelle verbunden ist oder die erste und die zweite Kühlmittelleitung (7) gemäß b) mit einer Kühlmittelquelle verbunden sind und die Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) mit der Umgebung verbunden sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die gemeinsame Kühlmittelleitung (7) gemäß b) oder die erste und die zweite Kühlmittelleitung (7) gemäß b) mit der Druckseite einer Pumpe und die Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) über die Umgebung und einen Kühlmittelauffangbehälter mit der Saugseite der Pumpe verbunden sind.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Abfuhr von Kühlmittel von dem Rotor derart gerichtet erfolgt, dass die Kurzschlussringe (4) mit dem Kühlmittel in Berührung gebracht werden.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) als Durchgangsbohrungen ausgeführt sind, welche die Pressplatten (5) in Richtung der Längserstreckung der Rotorwelle (1) durchdringen.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlmittelleitungen (8) gemäß a) und die Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) als Nuten ausgeführt sind, die entlang der den Blechplatten (2) zugewandten Fläche (6) der Pressplatten (5) in Richtung der Leiterstäbe (3) verlaufen.
Vorrichtung nach Patentanspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlmittelleitungen (10) gemäß d) die Pressplatten (5) am Umfang durchdringen.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlmittelleitungen (9) gemäß c) derart unterhalb der Leiterstäbe (3) verlaufen, dass ein direkter Kontakt zwischen den Kühlmittelleitungen (9) gemäß c) und den Leiterstäben (3) besteht.