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Elektrische Maschine, Lokomotive mit einer elektrischen Maschine und Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, in welcher zumindest ein Kühlkanal ausgebildet ist, welchem ein Fluid zum Kühlen der elektrischen Maschine zuführbar ist. Unter einem Fluid wird im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere ein gasförmiges Fluid, bevorzugt Luft, sowie auch eine Flüssigkeit, die beim oder nach dem Zuführen verdampft. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine, indem ein Kühlkanal der elektrischen Maschine mit einem Fluid durchströmt wird. Von der Erfindung ist auch eine Lokomotive mit einer elektrischen Maschine umfasst.
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Beim Kühlen einer elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Fahrmotor einer elektrisch angetriebenen Lokomotive (auch als Triebzug bezeichnet), besteht eine verbreitete Lösung darin, eine sog. Eigenbelüftung zur Abfuhr der Abwärme aus der elektrischen Maschine vorzusehen. Diese ist besonders wirtschaftlich ausführbar und arbeite sehr zuverlässig. Zur Eigenbelüftung kann ein Schaufelrad eines Lüfters (auch als Lüfterrad bezeichnet) mit einem Rotor der elektrischen Maschine gekoppelt sein, sodass ohne einen zusätzlichen Antrieb ein kühlender Luftstrom immer dann von dem Lüfterrad erzeugt wird, wenn auch der Rotor rotiert und hierdurch auch tatsächlich Abwärme entsteht. Das Lüfterrad kann beispielsweise direkt auf dem Läufer montiert sein.
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Der Nachteil dieser Kühlungsart ist die starke Drehzahlabhängigkeit, da ausreichend Kühlluft nur dann durch das Lüfterrad angesogen und in die Maschine geblasen wird, wenn sich deren Rotor schnell genug dreht. Dies führt dazu, dass beispielsweise bei einer Lokomotive während einer Schleichfahrt nur eine schlechte Kühlung erreicht werden kann. Dies ist insbesondere kritisch bei Zügen, die für hohe Endgeschwindigkeiten ausgelegt sind und deshalb zur Verbesserung ihrer Aerodynamik mit einer Verschalung ausgestattet sind, die bei einer Schleichfahrt den Austausch der schwach bewegten Kühlluft verhindert und hierdurch einen Hitzestau verursachen kann. Muss die elektrische Maschine dann wegen einer Überhitzung sogar angehalten werden, kann dies sehr lange Stilltandszeiten zur Folge haben, da nun ohne eine Möglichkeit der Belüftung so lange gewartet werden muss, bis die elektrische Maschine allein durch Konvektion wieder auf ein zulässiges Temperaturniveau abgekühlt ist. Im Zusammenhang mit einer elektrischen Maschine einer Lokomotive kann dies zu einer unerwünschten Streckenblockade und anderen Behinderungen des Bahnverkehrs führen.
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Eine allerdings kostenintensive Alternative bietet eine Fremdlüftung mit einem eigens antreibbaren Lüfterrad, das Kühlluft aktiv durch Lüftkanäle und Faltenbalge hindurch in die elektrische Maschine blasen kann. Die verhältnismäßig hohen Kosten für eine Fremdkühlung werden dadurch verursacht, dass diese in der Lage sein muss, eine verhältnismäßig große Menge kühlender Luft durch die elektrische Maschine zu blasen.
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Um die Kosten für die Bereitstellung der Fremdkühlung zu vermeiden, ist in der Regel vorgesehen, stattdessen eine elektrische Maschinen entweder thermisch abzusichern, damit sie bereits ausgeschaltet wird, bevor sie zu heiß wird, oder die elektrische Maschine derart in Bezug auf ihre Wärmekapazität überzudimensionieren, dass sie für eine vorbestimmte Zeitdauer auch mit niedriger Drehzahl und unter Last betrieben werden kann, ohne hierbei zu überhitzen. Generell ist die elektrische Maschine hierbei für die eher seltenen Fälle eines Betriebs mit Spitzenleistung und den niedertourigen Betrieb konstruktiv auszulegen, damit auch diese Belastungsfälle in thermischer Hinsicht zumindest für eine bestimmte Zeitdauer ohne die Gefahr einer Überhitzung abgedeckt sind. Dies führt allerdings dazu, dass die elektrische Maschine verhältnismäßig schwer, groß und in der Herstellung teuer ist.
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Ein ähnliches Problem einer notwendigen Überdimensionierung tritt auch bei Stromrichtern für eine elektrische Maschine auf. Problematisch bei Stromrichtern ist zudem die niedrige Wärmezeitkonstante durch einen fehlenden größeren Wärmespeicher, wie er beispielsweise bei einem Elektromotor durch dessen Stator gegeben ist.
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Die beschriebenen Probleme können z.B. beim Einsatz von Elektromotoren in Lastkraftwagen oder Zügen auftreten. Um auch dort beispielsweise an sehr heißen Sommertagen die Funktionstüchtigkeit von Elektromotoren zu gewährleisten, sind die Elektromotoren dieser Fahrzeuge in der Regel für thermische Grenzfälle konstruktiv auszulegen. Bei Lokomotiven ergibt sich das zusätzliche Problem, dass deren elektrischer Antrieb an Steigungen zum einen seine Fahrtgeschwindigkeit verringert und zum anderen der elektrische Antrieb eine größere elektrische Leistung aufnimmt.
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Anstelle einer Überdimensionierung kann bei einer elektrischen Maschine auch vorgesehen sein, für diese eine sog. Einschaltdauer (ED) zu definieren und die Maschine entsprechend zu betreiben. Der ED-Wert bezeichnet das maximal zulässige Betriebsintervall einer elektrischen Maschine, nachdem eine Ruhepause zu erfolgen hat, um die elektrische Maschine nicht thermisch zu beschädigen. So gibt ein ED-Wert von 25% an, dass eine durchgehende Betriebsphase von einer Stunde eine Pause von drei Stunden erfordert, in der die Maschine abkühlen kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine aufwandsarme Kühlung für eine elektrische Maschine bereitzustellen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Bereitstellung einer aufwandsarmen Kühlung für eine elektrisch angetriebene Lokomotive.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Im Zusammenhang mit der elektrisch angetriebenen Lokomotive ist eine weitere Lösung durch eine Lokomotive gemäß Patentanspruch 14 gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Kühlen einer elektrischen Maschine, die einen Kühlkanal aufweist, welcher von einem Fluid durchströmt werden kann. Erfindungsgemäß wird das Fluid dabei dem Kühlkanal in einer komprimierten Form zugeführt und es expandiert dann vor oder in der Maschine. Das Fluid wird also mit einem Überdruck zugeführt, welcher größer als ein Austrittsdruck des Fluids nach dem Kühlen beim Ausströmen aus dem Kühlkanal ist. Bei dem Fluid kann es sich dabei ganz einfach um Druckluft handeln, die auf einen Druck komprimiert ist, der größer als der Luftdruck der die elektrische Maschine umgebenden Luft ist. Bevorzugt beträgt der relative Druck bezüglich des Luftdrucks der Umgebung mehr als 1 bar, insbesondere mehr als 2 bar. Besonders zweckmäßig hat sich ein Druck im Bereich von 5 bar bis 10 bar erwiesen. Anstelle von Luft kann auch ein anderes gasförmiges Fluid, wie beispielsweise Stickstoff aus einer hierfür bereitgestellten Gasdruckflasche verwendet werden. Bei dem Fluid kann es sich aber auch um eine Flüssigkeit handeln, wie sie beispielsweise auch in Kühlschränken verwendet wird und die unter Druck verflüssigt werden kann, um dann anschließend im Kühlkanal zu verdampfen. In diesem Fall ist dann geschlossener Kühlkreislauf zweckmäßig.
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Um eine Kühlung einer elektrischen Maschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ermöglichen, ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zumindest ein Kühlkanal ausgebildet, welchem das Fluid, also insbesondere Luft, mit einem Überdruck zuführbar ist. Hierzu weist die Maschine ein Anschlusselement auf, welches zum Anschließen einer Druckleitung ausgestaltet ist. Der Kühlkanal ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zwischen dem Anschlusselement und einem Austrittsbereich für das Fluid ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform der elektrischen Maschine ist der Kühlkanal in einem Ständerblechpaket eines Stators der elektrischen Maschine ausgebildet. Um hierbei nicht den magnetischen Fluss während des Betriebs der elektrischen Maschine zu stören, ist der Kühlkanal dabei bevorzugt in einem magnetisch nicht aktiven Bereich angeordnet, sodass sich in einem Luftspalt zwischen dem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine durch Bereitstellen des Kühlkanals keine für den Betrieb der elektrischen Maschine signifikante Änderung des Verlaufs des magnetischen Felds ergibt. Hierdurch wird vermieden, dass größere konstruktive Änderungen vorzunehmen sind, wenn der Kühlkanal bei einem bereits fertig entwickelten Modell einer Maschine bereitgestellt werden soll.
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Unter dem Austrittsbereich sind eine oder mehrere Austrittsöffnungen am Ende des wenigstens einen Kühlkanals zu verstehen, aus welchem das Fluid ausströmen kann, nachdem es die in der elektrischen Maschine entstandenen Abwärme aufgenommen hat.
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Wie bereits erwähnt, weist der zumindest eine Kühlkanal einen Abschnitt auf, in welchem das Fluid beim Durchströmen des Kühlkanals expandiert. Mit anderen Worten verringert sich der Druck des Fluids beim Durchströmen des Kühlkanals in diesem Bereich. Hierbei kühlt sich das Fluid ab. So wird es ermöglicht, dass anders als bei der eingangs beschriebenen Fremdbelüftung nur eine verhältnismäßig geringe Menge an Druckluft benötigt wird, um die Maschine effizient zu kühlen. Entsprechend klein und kostengünstig können die Komponenten sein, mit denen das komprimierte Fluid erzeugt wird.
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Die Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise dort eingesetzt werden, wo eine Druckluftanlage bereits installiert ist. Dies kann z.B. in einer Fertigungshalle, in einer Fabrik, in einem Lastkraftwagen oder in einem Zug sein. In einer Fertigung dient die Druckluftanlage in der Regel zur Versorgung von pneumatisch betriebenen Aktoren und Ventilen. Bei einem Lastkraftwagen oder bei einem Zug ist eine mögliche Quelle für Druckluft beispielsweise die Druckluftbremsanlage. Bei einem Zug ist darüber hinaus z.B. der pneumatische Antrieb für Wagentüren und Trittstufen als Quelle für Druckluft nutzbar. Aber auch in einem Flugzeug mit einem Strahltriebwerk ist durch eine Turbine Druckluft erzeugbar, welche dann zusätzlich zur Kühlung von elektrischen Antrieben im Flugzeug heranziehbar ist. Gerade bei Flugzeugen ist die durch die Druckluftkühlung erzielbare Gewichtsersparnis besonders vorteilhaft.
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Anstelle eines aktiv betriebenen großen Lüfterrades, wie es im Zusammenhang mit den beschriebenen Fremdlüftern nötig ist, ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine lediglich eine kleinbauende Kompressionseinrichtung nötig, um das Fluid zu komprimieren. Selbst, wenn am Einsatzort der elektrischen Maschine eine solche Kompressionseinrichtung nicht bereits vorhanden ist, ist auch die zusätzliche Bereitstellung einer solchen Kompressionseinrichtung, beispielsweise in Form eines Druckluftkompressors, immer noch mit einem geringeren Aufwand verbunden als die Installation einer Fremdlüftung in Form eines aktiv betriebenen Lüfterrades.
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Um in der elektrischen Maschine gezielt solche Bereiche zu kühlen, in denen ein signifikanter Anteil der Abwärme entsteht oder in welchen sich Abwärme staut (sog. Hot-Spots – heiße Stellen), ist gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der elektrischen Maschine in zumindest einem Abschnitt eines Kühlkanals, welcher sich im Bereich eines Hot-Spots befindet, eine Wandung des Kühlkanals derart ausgestaltet, dass sie sich in Strömungsrichtung des Fluids aufweitet. Im Bereich der Aufweitung wird das Fluid beim Durchströmen des Abschnitts expandiert und durch die resultierende Abkühlung und den somit vergrößerten Wärmegradienten gezielt zu einer gesteigerten Aufnahme von Abwärme aus der elektrischen Maschine gebracht.
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Die Möglichkeit, durch gezieltes Expandieren der Druckluft an den Hot-Spots einer Maschine einen zusätzlichen Kühleffekt zu erhalten, ermöglicht es, mit sehr wenig Druckluft bereits eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine zu erhalten.
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Zweckmäßigerweise weist zumindest ein Kühlkanal zumindest einen Abschnitt mit konstantem Strömungsquerschnitt oder einen sich in Strömungsrichtung verjüngenden Abschnitt auf. In solchen Abschnitten ist dann verhindert, dass das Fluid expandiert und hierdurch abkühlt. Mit anderen Worten kann so die Druckluft gezielt unter Beibehaltung des Überdrucks bis zu den erwähnten Hot-Spots transportiert werden, um erst dort gezielt durch Expansion gekühlt zu werden.
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In Bezug auf die Anordnung der Kühlkanäle innerhalb der elektrischen Maschine haben sich zwei Varianten als besonders zweckmäßig erwiesen.
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So sieht eine Ausführungsform der elektrischen Maschine vor, dass sich ein Abschnitt zumindest eines Kühlkanals radial von einem Außenumfang eines Stators zu einem zwischen einem Rotor und dem Stator ausgebildeten Luftspalt erstreckt. Die radiale Richtung ergibt sich hierbei in Bezug auf die Rotationsachse des Rotors. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das Fluid von dem Anschlusselement ohne unnötige Strömungsverluste und mit nur geringer Beeinflussung des magnetischen Flusses in der Maschine bis in deren Inneres in den Luftspalt führen lässt, wo das Fluid dann expandiert und so den an den Luftspalt angrenzenden Bereich der elektrischen Maschine kühlt, also etwa die stromdurchflossenen Spulen.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass das Anschlusselement in einem Lagerschild angeordnet ist und in dem Lagerschild zumindest ein Kühlkanal vorgesehen ist, welcher zu einer Mehrzahl von in einem Stator der elektrischen Maschine ausgebildeten Kühlkanälen und/oder zu dem zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeten Luftspalt führt. Die in dem Stator der elektrischen Maschine ausgebildeten Kühlkanäle sind dabei bevorzugt parallel zur Rotationsachse des Rotors angeordnet.
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Durch Einblasen der Druckluft oder eines anderen komprimierten Kühlfluids von der Stirnseite des Stators und des Rotors her, d.h. aus dem Lagerschild heraus, ergibt sich der Vorteil, da die Druckluft in axialer Richtung vollständig durch die elektrische Maschine geführt werden kann. Die Kühlkanäle des Stators können dann an einer gegenüberliegenden Seite des Stators enden, wo das erwärmte Fluid dann austritt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle des Stator seitliche Schlitze aufweisen, durch welche das Fluid dann radial entlang des Stators austritt. Die Schlitze führen dann bevorzugt jeweils in einen Spalt mit einem zumindest abschnittsweise radial zunehmenden Spaltmaß, also einen Spalt, der nach außen hin zunehmend breiter wird. Der Austrittsbereich für das Fluid ist dann also durch Aussparungen gebildet, die in dem Stator zumindest abschnittsweise radial nach außen sich weitend ausgestaltet sind. Dann ist es möglich, das Fluid entlang der gesamten Länge der Kühlkanäle in radialer Richtung austreten zu lassen und hierbei aufgrund der Ausformung der Aussparung zu expandieren. Dies weist den Vorteil auf, dass der durch das Expandieren des Fluids erreichte zusätzliche Kühleffekt entlang der gesamten Länge des Stators an dessen Außenseite erzielt wird.
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In Bezug auf die Menge an Druckluft, die der elektrischen Maschine zugeführt wird, ist darauf abzustellen, wofür die elektrische Maschine verwendet werden soll. So kann vorgesehen sein, das Fluid dem Kühlkanal während eines Betriebs der elektrischen Maschine dauerhaft zuzuführen. Hierdurch ist es möglich, für einen bestimmten Verwendungszweck auch eine elektrische Maschine zu verwenden, die ohne die erfindungsgemäße Kühleinrichtung thermisch eigentlich unterdimensioniert wäre. Durch dauerhaftes Zuführen des Kühlfluids mit Überdruck lässt sich die Kühlleistung derart steigern, dass auch eine elektrische Maschine mit einem an sich zu kleinen ED-Wert für solche Aufgaben verwendet werden kann.
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Eine andere Ausführungsform der elektrischen Maschine sieht vor, dass das Anschlusselement ein steuerbares Ventil aufweist und eine Steuereinrichtung mit einem Thermostat dazu ausgelegt ist, dem zumindest einen Kühlkanal das Fluid in Abhängigkeit von einer Temperatur der elektrischen Maschine durch Ansteuern des Ventils zuzuführen. Hier ergibt sich der Vorteil, dass nur dann das komprimierte Fluid benötigt wird, wenn die Temperatur der elektrischen Maschine tatsächlich über einen vorbestimmten Schwellwert gestiegen ist.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, eine Steuereinrichtung dazu auszulegen, dem zumindest einen Kühlkanal das Fluid in Abhängigkeit von einer Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine zuzuführen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dann dazu eingerichtet, bei einem niedertourigen Betrieb der elektrischen Maschine die Kühlung mittels des komprimierten Fluids zu bewirken. Mit einem niedertourigen Betrieb ist hierbei ein Betrieb der elektrischen Maschine bei einer Drehzahl des Rotors gemeint, der wesentlich kleiner als eine Nenndrehzahl der elektrischen Maschine ist, insbesondere kleiner als 50%, bevorzugt kleiner als 30%. Mittels der beschriebenen Steuereinrichtung ist es dann möglich, beispielsweise eine Lokomotive gezielt dann zu kühlen, wenn diese eine Schleichfahrt ausführt oder eine Steigung hinauffährt.
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Zweckmäßigerweise ist ein Druckbehälter vorgesehen, welcher zum Speichern des unter Überdruck stehenden Fluids eingerichtet ist. Hierdurch ergibt sich zum einen der Vorteil, dass ein verhältnismäßig kleiner Kompressor zum Komprimieren des Fluids verwendet werden kann. Der Kompressor muss nämlich nicht in der Lage sein, den für einen Kühlvorgang benötigten Fluidstrom zu erzeugen. Das benötigte Fluidvolumen steht ja mit Überdruck in dem Druckbehälter bereit. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in einer Anlage, in welcher die erfindungsgemäße elektrische Maschine installiert werden soll, als Quelle für das komprimierte Fluid mit größerer Wahrscheinlichkeit ein bereits vorhandener Kompressor verwendet werden kann. Von diesem Kompressor kann dann das Fluid immer dann in den Druckbehälter umgeleitet werden, wenn der Kompressor gerade nicht für andere Zwecke eingesetzt wird.
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Um die Maschine mittels des komprimierten Fluids effektiv zu kühlen, kann es unter Umständen notwendig sein, das beim Komprimieren sich erwärmende Fluid zunächst zu kühlen. Hierzu kann zweckmäßigerweise eine weitere Kühleinrichtung der elektrischen Maschine selbst verwendet werden, beispielsweise ein Kühlkörper zum begünstigten einer Konvektion. Eine solche weitere Kühleinrichtung ist die in der Regel ebenfalls zum Kühlen eines Stators vorhanden. Die Kompressionseinrichtung kann dann mit der weiteren Kühleinrichtung gekoppelt sein und dazu ausgelegt sein, das sich beim Komprimieren erwärmende Fluid mittels der weiteren Kühleinrichtung zu kühlen.
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Die Kühlung mittels des komprimierten Fluids ist sehr flexibel einsetzbar. So ist es möglich, mittels wenigstens einem der Kühlkanäle wenigstens eine der folgenden Komponenten zu kühlen, die bei der elektrischen Maschine vorgesehen sein können: einen Motor, einen Generator, einen Umrichter, einen Wechselrichter, einen Frequenzumrichter, einen Gleichrichter, einen Stromrichter.
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Die ebenfalls von der Erfindung umfasste erfindungsgemäße Lokomotive zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Ausführungsform der beschriebenen elektrischen Maschine aufweist.
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Von der Erfindung sind auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst, die Merkmale aufweisen, die den Merkmalen der bereits beschriebenen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine entsprechen. Aus diesem Grund sind die Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung wird im Folgenden noch einmal konkreter anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Anordnung aus einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und einer Kompressionseinrichtung,
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2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer Schnittansicht,
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3 eine Darstellung einer weiteren Schnittansicht der elektrischen Maschine von 2 und
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine in perspektivischer Ansicht.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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1 zeigt eine elektrische Maschine, die an eine Kompressionseinrichtung 12 angeschlossen ist und die mittels Druckluft aus der Kompressionseinrichtung 12 gekühlt wird. Bei der elektrischen Maschine 10 kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor handeln, der in einer Fertigungshalle oder einer Fabrik aufgebaut oder in einem Lkw oder Zug eingebaut sein kann. Bei der Kompressionseinrichtung 12 kann es sich dann beispielsweise um eine unabhängig von der elektrischen Maschine 10 bereits installierte Druckluftanlage handeln, wie sie in Fertigungshallen oder Fahrzeugen bereits für andere Zwecke vorgesehen sein müssen. Bei der elektrischen Maschine 10 kann es sich auch um einen Generator handeln. Bei einem solchen bewirkt die Druckluftkühlung die Erhöhung eines Wirkungsgrades, was beispielsweise gerade bei Kraftwerken wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.
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Die Kompressionseinrichtung 12 kann einen Drucklufterzeuger oder Kompressor 14 umfassen, welcher aus einer Umgebung Luft ansaugt und diese komprimiert, so dass sie einen größeren Druck aufweist als die Luft in der Umgebung. Die komprimierte Luft speist der Kompressor 14 in ein Rohrnetz 16 ein, durch welches die komprimierte Luft als Pressluft oder Druckluft zu der elektrischen Maschine 10 geleitet wird. Die elektrische Maschine 10 kann mit dem Rohrnetz 16 über einen einfachen Polymerschlauch 18 verbunden sein, wie er aus dem Stand der Technik im Zusammenhang mit anderen pneumatischen Systemen bekannt ist. Der Plastikschlauch 18 ist mit der elektrischen Maschine 10 über einen Druckluftanschluss 20 gekoppelt. Der Druckluftanschluss 20 kann sich, wie in 1 gezeigt, an einer Stirnseite 22 der elektrischen Maschine 10 befinden und dort beispielsweise in oder an einem Lagerschild oder auch einem Umrichter befestigt sein. Der Anschluss 20 kann aber auch an einem Stator 24 der elektrischen Maschine angeordnet sein.
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Mit der Druckluft aus der Kompressionseinrichtung 12 können eine oder mehrere Komponenten der elektrischen Maschine 10 gezielt gekühlt werden. Beispielsweise kann der Stator 24 mit der Druckluft durchströmt werden oder sie kann in einen Luftspalt zwischen dem Stator und einem Rotor eingeblasen werden. Auch der erwähnte Umrichter der elektrischen Maschine 10 kann mittels der Druckluft gekühlt werden. Indem die Druckluft beim Einblasen in die elektrische Maschine expandiert, kühlt sie sich ab, wodurch sich eine besonders effiziente Kühlung auch unter Verwendung verhältnismäßig geringer Mengen von Druckluft erzielen lässt. Mit verhältnismäßig gering ist hierbei der Vergleich mit einer Kühlung durch Umgebungsluft gemeint, die lediglich mittels eines Gebläses angesaugt und durch entsprechende Luftleiteinrichtungen durch die Maschine geleitet wird.
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Die Druckluftkühlung kann dauerhaft durchgeführt werden, sodass bei gleichem Bauvolumen die Leistung der elektrischen Maschine 10 steigerbar ist. Insbesondere ist es so auch möglich, einen Motor mit einem geringen ED-Wert zu verwenden. Dieser weist im Verhältnis zu einem Motor mit größerem ED-Wert ein geringeres Bauvolumen auf und ist zudem kostengünstiger bereitstellbar. Durch die effiziente Kühlung mittels der Druckluft ist dieser Motor dennoch mit einem größeren ED-Wert betreibbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass die elektrische Maschine 10 auch dort eingesetzt werden kann, wo eine unzureichende Kühlung aufgrund von beengenden Verhältnissen über einfache Konvektion nicht möglich ist, wie beispielsweise in einem Container.
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Vorzugsweise arbeitet die Kompressionseinrichtung im Bereich von ca. 5 bis 10 bar. Hierbei entsteht dann während der Entspannung der Druckluft auf den Umgebungsdruck eine signifikante zusätzliche Kühlleistung aufgrund der Entspannung.
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In Phasen geringer Belastung der elektrischen Maschine 10 kann eine von deren eigenen Kühleinrichtungen, beispielsweise ein Kühlkörper für eine Konvektionskühlung, zusätzlich zur Kühlung der beim Komprimieren erwärmten Luft herangezogen werden. Hierzu ist dann eventuell der Kompressor oder das Rohrnetz mit einem entsprechenden, umschaltbaren Ventil mit dieser Kühleinrichtung zu koppeln.
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Die Druckluftkühlung ist auch als Notkühleinrichtung für einen schnellen Nothalt oder einen Notbetrieb vorsehbar. Dies ist beispielsweise beim Ausfall einer Klimaanlage in dem Raum vorteilhaft, in welchem die elektrische Maschine 10 untergebracht sein kann.
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Die Entspannung der Druckluft kann beispielsweise in dem zu kühlenden Objekt oder aber auch schon außerhalb erfolgen. Im Entspannten Zustand weist die Kühlluft eine relativ niedrige Lufttemperatur auf, die in der Regel deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur ist. Erfolgt die Entspannung innerhalb des zu kühlenden Objekts, kann sie in geeigneter Weise derart verzögert werden, dass an verschiedenen Entspannungsorten eine zusätzliche Kühlwirkung erzielbar ist. Ein Teil des Drucks kann beispielsweise in einem elektrischen Motor reduziert werden, wobei ein anderer Teil des Drucks in einem Umrichter des Motors reduziert wird. Mit Hilfe der Druckluftkühlung sind somit Hot-Spots der elektrischen Maschine 10 individuell kühlbar. Im Folgenden sind hierzu anhand von 2 bis 4 geeignete Geometrien von elektrischen Maschinen beschrieben.
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In 2 und 3 ist ein Elektromotor 36 gezeigt, der beispielsweise die elektrische Maschine 10 darstellen kann. Der Elektromotor 26 kann in einer Lokomotive eines Zuges eingebaut sein und dort beispielsweise einen Teil einer Traktionsanlage bilden. In einem Statorgehäuse 28 eines aus Blechpaketen 30 gebildeten Stators 32 ist ein Rotor 34 um eine Rotationsachse 36 in einer an sich bekannten Weise drehbar gelagert. Zwischen dem Stator 32 und dem Rotor 34 ist ein Luftspalt 38 ausgebildet. Der Elektromotor 26 kann eine Eigenbelüftung aufweisen, d. h. eine Welle 40, auf welcher der Rotor 34 befestigt ist, kann ein Lüfterrad aufweisen, welches bei einer Rotation des Rotors 34 Luft ansaugt und durch den Elektromotor 26 bläst. Zusätzlich weist der Elektromotor 26 eine Druckluftkühlung auf, mittels welcher der Elektromotor 26 auch bei einer Schleichfahrt des Zuges gekühlt werden kann, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors zu gering ist, um mittels des Lüfterrades ausreichend kühle Luft durch den Elektromotor 26 zu blasen.
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Die Druckluft wird bei dem Elektromotor 26 direkt in den Luftspalt 38 eingeblasen, welcher einen Kühlkanal bildet, welchen die Druckluft durchströmt und hierbei expandiert. Mittels der Druckluft kann mit einem verhältnismäßig geringen Luftvolumen eine große Kühlleistung erreicht werden. Die Druckluft wird über einen weiteren Kühlkanal 42 von einem Außenumfang 44 des Statorgehäuses 28 radial in Richtung zur Rotationsachse 36 in den Luftspalt 38 geführt. Zusätzlich zu dem in 2 und 3 gezeigten Kühlkanal 42 kann der Stator 32 weitere solcher Kühlkanäle entlang des Umfangs des Stators 32 aufweisen. Der Kühlkanal 42 (und die weiteren ähnlich gearteten Kühlkanäle) kann in Längsrichtung des Stators 32 mittig angeordnet sein. Die Druckluft wird an einer Eingangsöffnung 46 des Kühlkanals 42 am Außenumfang 44 in den Kühlkanal 42 (und die übrigen Kühlkanäle am Umfang des Stators 32) eingeblasen. Das Statorgehäuse 28 weist hierzu ein Anschlussgewinde 48 auf, mittels welchem eine Druckluftleitung an dem Statorgehäuse 28 befestigt werden kann. Nach Eintritt in den Kühlkanal 42 durch die Eintrittsöffnung 46 strömt die Druckluft entlang einer Strömungsrichtung 50 in den Luftspalt 38. Der Kühlkanal 42 kann entlang seiner Längserstreckungsrichtung von der Eintrittsöffnung 46 bis zum Luftspalt 38 einen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt aufweisen. Die den Kühlkanal 42 durchströmende Druckluft kann dann in den Kühlkanal 42 nicht expandieren. Der Kühlkanal 42 führt durch einen Polzahn 52 zum Luftspalt 38. Beim Einströmen der Druckluft in den Luftspalt 38 expandiert die Druckluft und verteilt sich im Luftspalt 38 in Umfangsrichtung und in axialer Richtung. Insgesamt strömt die Druckluft so entlang von Strömungsrichtungen 52, 54 zu einem Austrittsbereich 56 hin. Mit anderen Worten ist der Austrittsbereich 56 durch die beiden ringförmigen Spalte an den beiden Stirnseiten des Rotors 34 gebildet.
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Der Elektromotor 26 beruht auf einem gängigen Modell eines Elektromotors. Um dieses gängige Modell mit der beschriebenen Druckluftkühlung auszustatten, sind nur sehr geringe Modifikationen am ursprünglichen Motordesign nötig gewesen. Die wirtschaftliche Kühlung durch Eigenbelüftung wird durch Vorsehen des Kühlkanals 42 (und der übrigen Kanäle) nicht beeinträchtigt. Das beschriebene Prinzip kann sowohl bei durchzugsbelüfteten Motoren als auch bei gekapselten Motoren mit Sekundärkühlkreis und Wärmetauscher angewendet werden.
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Für den Fall, dass der Elektromotor 26 in einen Zug eingebaut ist, kann die Pressluft aus den bereits an Bord vorhandenen Druckluftsystemen bezogen werden. Das zusätzliche Gewicht sowie der zusätzliche Bauraum für die Bereitstellung der Druckluft im Elektromotor 26 fällt gegenüber einer herkömmlichen Fremdlüftung sehr gering aus. Der Elektromotor 26 kann so bei einer Schleichfahrt effizient gekühlt werden. Ein wegen Motorübertemperatur liegen gebliebener Zug kann des Weiteren wesentlich schneller wieder weiterfahren und damit die blockierte Strecke räumen.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Maschine 58 mit Druckluftkühlung gezeigt. Bei der elektrischen Maschine 38 kann es sich um die in 1 gezeigte elektrische Maschine 10 handeln. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 58 als Elektromotor betrieben werden. Für die Druckluftkühlung kann die elektrische Maschine 58 an die Druckluftanlage oder Kompressionseinrichtung 12 über einen Thermostat 60 angeschlossen sein, welcher Druckluft bei Erreichen einer thermisch kritischen Temperatur der elektrischen Maschine 58 in diese zur Kühlung einleitet. Der Thermostat 60 bildet ein Anschlusselement für beispielsweise den Polymerschlauch 18 der Kompressionseinrichtung 12. Der Thermostat 60 kann in die elektrische Maschine 58 integriert oder an diese anmontiert sein. Das Zuschalten der Druckluft kann stufenlos erfolgen, d.h. je größer die thermische Belastung ist, desto größer ist der eingestellte Luftstrom. Die als Elektromotor betriebene elektrische Maschine 58 kann beispielsweise ein ED-Verhältnis von 0,25 aufweisen. Für den Fall, dass der Elektromotor eine Nennleistung bis zu 500 W erzeugt, kann es völlig ausreichend sein, die Druckluft stirnseitig im Bereich eines Luftspalts zwischen einem Ständer oder Stator 62 und einem (nicht dargestellten) Rotor der elektrischen Maschine 58 als Kühlluft einzublasen. Die Druckluft kann hierbei in einem (hier durchsichtig gezeichneten) Lagerschild 64 der elektrischen Maschine 58 an einer Stirnseite 66 des Stators 62 verteilt werden, bevor sie in den Luftspalt einströmt.
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Insbesondere für den Fall, dass es sich bei der elektrischen Maschine 58 um einen Motor mit höherer elektrischer Leistung (größer als 500 W) handelt, kann der Stator 62 in vorteilhafter Weise in einem Ständerblechpaket 68 durchgehende, parallel zu einer Rotationsachse 68 des Rotors verlaufende Luftkanäle 70 aufweisen, von denen in 4 der Übersichtlichkeit halber nur einige mit Bezugszeichen versehen sind. Durch diese axialen Bohrungen kann die Druckluft zur Kühlung durch den Stator 62 geleitet werden.
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In einer besonderen Ausführungsform weisen die Kühlkanäle 70 zusätzlich einen radial nach außen zunehmenden Spalt 72 auf, von denen in 4 der Übersichtlichkeit halber wieder nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Spalte stellen für die Druckluft einen Austrittsbereich aus dem Stator 72 dar. Wegen der Spalte 72 entspannt sich die Druckluft im Inneren der Kühlluftkanäle und kühlt dadurch den Stator 62 und somit den Elektromotor, wobei die dem Lagerschild 74 gegenüberliegenden Enden der Kühlluftkanäle 70 dann verschlossen sein müssen.
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Die Kühlluftkanäle 70 sind gebildet, indem in Statorblechen der Statorblechpakete des Stators 62 entsprechende Aussparungen beim Stanzen der Bleche vorgesehen wurden. Genauso können auch die Spalte 72 gebildet sein. Dies kann im selben Arbeitsschritt wie das Stanzen der Nuten für die Ständerwicklungen erfolgen. Die Kühlluftbohrungen 70 liegen vorteilhaft nicht im magnetisch aktiven Bereich des Elektromotors, d.h. die Magnetfeldlinien schließen sich innerhalb des Stators 62 zu einem überwiegenden Teil bereits in einem Bereich, der in dem in 4 gezeigten Beispiel radial innerhalb des durch die Kühlluftkanäle 70 gebildeten Kreises liegt. Weiterhin ist es zweckmäßig, beispielsweise in nur jedem zweiten Motorblech einen Spalt auszustanzen, um hierdurch die gesamte mechanische Stabilität des Stators 62 beizubehalten.
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Die Druckluft kann über einen Druckbehälter ausreichend gepuffert werden, sodass alle kritischen Lastfälle beherrscht werden können, ohne dass konstruktiv größere Elektromotoren, insbesondere mit einer Fremdbelüftung, verwendet werden müssen. In einigen Fällen kann sogar die thermische Sicherung zur Abschaltung des Elektromotors entfallen.
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Durch die Beispiele ist gezeigt, wie eine günstig und platzsparende effiziente Kühlung einer elektrischen Maschine durch Verwendung von Druckluft bereitgestellt werden kann.
