DE102013201778A1

DE102013201778A1 - Elektrische Maschine mit Ständerdirektkühlung

Info

Publication number: DE102013201778A1
Application number: DE201310201778
Authority: DE
Inventors: Olaf Körner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-07
Also published as: CA2899980A1; BR112015018340A2; CN104969453A; US20150372568A1; WO2014118020A3; EP2939331A2; WO2014118020A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromechanischen Wandler (1) mit zumindest einem auf einer Welle (2) angeordneten Läufer (4), der in einem gekapselten (30) Ständer (6) angeordnet ist, dessen Blechpaket (8) und Wicklung (10) mit einem isolierenden Kühlfluid (12) umgeben sind, wobei das Kühlfluid (12) über radial zur Welle (2) in Ständermitte angeordnete erste Kühlkanäle (14) einleitbar und über zweite Kühlkanäle (16) im Wickelkopfbereich an jedem axialen Ende des Ständers (6) radial zur Welle (2) ausleitbar ist oder umgekehrt. Dadurch ist es möglich einen kompakten und robusten elektromechanischen Wandler 1 vorzusehen, der aufgrund seiner Leichtbauausführung mit hoher Drehmomentdichte für den Einsatz zum Beispiel in Luftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen geeignet ist

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler mit einer Ständer-Direktkühlung.
Elektromechanische Wandler sind schon seit längerer Zeit bekannt. Im Zuge der Verknappung fossiler Brennstoffe, die zum Antrieb von unterschiedlichen Fahrzeugen verwendet werden, haben elektromechanische Wandler auch in diesem Bereich eine große Anwendung gefunden. Aufgrund ihrer Robustheit, ihres einfachen Aufbaus und hohen Wirkungsgrades, werden elektromechanische Wandler heutzutage auch in Fahrzeuge – Hybridfahrzeuge – oder Flugzeuge eingebaut. Je nach Bedarf werden die elektromechanischen Wandler als Generatoren oder Motoren verwendet. Vor allem bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder aber teilweise elektrischem Antrieb – Hybridfahrzeugen – finden sie sowohl als Fahrzeugantrieb Verwendung als auch als Generator – zum Rekuperieren von elektrischer Energie, beispielsweise beim Bremsen eines Fahrzeugs.
Um den Verbrauch der Energie der Fahrzeuge zu minimieren, ist man bestrebt, elektromechanische Wandler zu konzipieren, die einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Dazu müssen die Verlustleistungen beim Betrieb des elektromechanischen Wandlers minimiert werden. Bei hoch ausgenutzten elektromechanischen Wandlern, beispielsweise bei einer PM-Maschine mit Zahnspulenwicklung, werden hohe Stromdichten benötigt um hohe Drehmoment- und Leistungsdichten zu erreichen. Dabei fallen Kupferverluste durch den Ankerstrombelag für den Drehmoment bildenden Strom an, Wirbelstromverluste und Ummagnetisierungsverluste in geblechten Eisenpaketen des elektromechanischen Wandlers sowie Zusatzverluste aufgrund von Reibung, Strömungsverlusten im Motor, usw. an. Insbesondere die Kupferverluste steigen quadratisch mit dem angenommenen Drehmoment an. Dabei führen diese Verluste zu hohen Erwärmungen des elektromechanischen Wandlers, die wiederum höhere Verluste bedingen und darüber hinaus zur Zerstörung des elektromechanischen Wandlers führen können.
Um die Verlustleistungen des elektromechanischen Wandlers zu minimieren werden heutzutage unterschiedliche Kühlkonzepte verfolgt. Bei kleinen elektromechanischen Wandlern kommen Luftkühlungen zum Einsatz, während bei großen elektromechanischen Wandlern Kühlungen mittels eines Kühlfluids erfolgen.
Bei hoch ausgenutzten elektromechanischen Wandlern fallen hohe Verlustleistungen an, die zu einer starken Erhitzung des elektromechanischen Wandlers führen. Um die auftretenden Temperaturen abführen zu können, sind Kühlsysteme mit Kühlfluida notwendig. Um eine intensive direkte Kühlung eines Ständers eines hoch ausgenutzten elektromechanischen Wandlers zu ermöglichen, wird beispielsweise ein Kühlmittel an einem Ende eines Wickelkopfbereichs des elektromechanischen Wandlers zugeführt und an einem anderen Ende des Wickelkopfbereichs des elektromechanischen Wandlers abgeführt. Das aufgeheizte Kühlfluid wird anschließend wieder abgekühlt und dem elektromechanischen Wandler erneut zugeführt. Ein Beispiel einer solchen Kühlvorrichtung findet sich beispielsweise bei einem bekannten Schwungmassenspeicher von „Williams Hybrid Power“.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektromechanischen Wandler mit einer Kühlanordnung vorzusehen, die eine gleichmäßige Kühlung bei einer kompakten Bauweise des elektromechanischen Wandlers und Steigerung des Wirkungsgrades sowie der Leistungs- bzw. Drehmomentdichte erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit einem elektromechanischen Wandler mit zumindest einem auf einer Welle angeordneten Läufer, der in einem gekapselten Ständer angeordnet ist, dessen Blechpaket und Wicklung mit einem isolierenden Kühlfluid umgeben sind, gelöst, wobei das Kühlfluid über radial zur Welle in Ständermitte angeordnete erste Kühlkanäle einleitbar und über zweite Kühlkanäle im Wickelkopfbereich an jedem axialen Ende des Ständers radial zur Welle ausleitbar ist oder umgekehrt. Eine solche Konstruktion erlaubt eine direkte und intensive Kühlung des elektromechanischen Wandlers. Durch die Kühlung wird gleichzeitig die Verlustleistung minimiert
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektromechanische Wandler in einer Tragstruktur gelagert, wobei eine Wandung zumindest eines in der Ständermitte angeordneten der ersten Kühlkanäle zu einer Lagerung des elektromechanischen Wandlers an der umliegenden Tragstruktur genutzt ist. Dadurch wird Bauraum eingespart und gleichzeitig mögliche Vibrationen durch eine stabile Struktur des elektromechanischen Wandlers vermieden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Läufer auf der Welle geteilt ausgeführt. Dadurch kann besonders einfach in Rotormitte Kühlluft radial gefördert werden, die einen Luftspalt der Maschine dann axial in beiden Richtungen durchströmt. Zusätzlich wird eine gleichmäßige Kühlung des Läufers ermöglicht. Darüber hinaus kann durch die Läuferteilung ein freiwerdender Bauraum zudem optional zur platz- und gewichtssparenden Anordnung einer Lagerung verwendet werden – vorzugsweise einer Los-Lagerung.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird eine Wandung zumindest eines der in der Ständermitte angeordneten ersten Kühlkanäle zu einer Lagerung der Welle des Läufers an dem Ständer genutzt. Auf diese Weise ist es möglich, den Läufer gegen den Ständer zusätzlich abzustützen. Sies erlaubt eine stabile Bauweise des elektromechanischen Wandlers.
Um das Gewicht des elektromechanischen Wandlers möglichst gering zu halten, sind die radialen ersten und/oder zweiten Kühlkanäle aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Faserverbundwerkstoffe sind besonders leicht und gleichzeitig sehr widerstandsfähig.
Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Kühlkanäle aus nicht magnetisch und/oder elektrisch leitenden Werkstoffen hergestellt. Solche Werkstoffe minimieren die Verlustleistung, die durch elektromagnetische Einflüsse bedingt werden.
Um den Läufer des elektromechanischen Wandlers 1 effektiv kühlen zu können, weist der Läufer parallel und/oder radial zur Welle laufende Kühlkanäle auf. Durch diese Kühlkanäle kann Luft zum Kühlen durchgeleitet werden.
Es ist besonders zweckmäßig solche elektromechanische Wandler für eine Maximalleistung von bis zu 1 MW zu konzipieren. Dadurch können die Abmessungen klein gehalten werden, beziehungsweise der Bauraum in einem Fahrzeug oder einem Flugzeug optimal ausgenutzt werden.
Um Bauraum zu sparen, ist die Welle des elektromechanischen Wandlers in einer zweckmäßigen Ausführungsform als eine mit einem Verbrennungsmotor verbundene Antriebswelle ausgebildet.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen viertel Kreissektor eines Längsschnitts durch einen elektromechanischen Wandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 einen halben Querschnitt durch einen elektromechanischen Wandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die 1 stellt einen Viertelschnitt eines Längsschnitts des rotationssymmetrischen elektromechanischen Wandlers 1 parallel durch seine Welle 2 dar. 2 zeigt einen Halbschnitt des Querschnitts des rotationssymmetrischen elektromechanischen Wandlers 1 senkrecht zu einer Welle 2. Dabei stellen die breiten Pfeile in der 1 und 2 einen Verlauf eines isolierenden Kühlfluids 12 durch einen Ständer 6 dar und schmale Pfeile einen möglichen Verlauf eines kühlenden Gases, im Allgemeinen Luft, durch einen Läufer 4 des elektromechanischen Wandlers 1. Zur Bezeichnung gleicher Elemente in den jeweiligen Figuren werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
In der 1 wird ein Ständer 6 dargestellt, der in einer Tragstruktur 18 des elektromechanischen Wandlers 1 gelagert ist – beispielsweise einem Gehäuse des elektromechanischen Wandlers 1. Die Tragstruktur 18 ist in der 1 lediglich als konzentrischer äußerer Kreis angedeutet. Wegen der in dem Ständer 6 anfallenden hohen elektrischen Verlustleistungen kommt es zu einer erheblichen Erwärmung des Ständers 6. Dazu tragen im Wesentlichen Hystereseverluste und Wirbelstromverluste in Blechpaketen 8 sowie Widerstandsverluste durch Wicklungen 10 bei. Da die dadurch auftretenden Temperaturen derart hoch ansteigen können, dass es zu einer Zerstörung der Isolation und somit des gesamten Ständers 6 kommen kann, ist eine Kühlung des Ständers unerlässlich. Darüber hinaus, setzt eine Kühlung automatisch auch die Verlustleistung des elektromechanischen Wandlers 1 herab.
In der dargestellten Ausführungsform wird eine besonders vorteilhafte Anordnung und Führung eines Kühlfluids 12 – breite Pfeile – dargestellt. Zweckmäßigerweise ist das Kühlfluid 12 eine isolierende Flüssigkeit. Dadurch wird nicht nur eine direkte und intensive Kühlung des Ständers 6 ermöglicht, sondern auch eine hohe Zuverlässigkeit einer Wicklungsisolation gegen Fehler erreicht – hier nicht gezeigt. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass bei PM-Maschinen ein Wicklungsschluss vermieden werden kann. Des Weiteren kann eine Hauptisolation reduziert werden oder vollständig entfallen; außer an Stellen, wo Teilleiter der Wicklung 10 an einem elektrisch leitfähigen Blechpaket 8 anliegen.
Vorzugsweise wird das isolierende Kühlfluid 12 beidseitig im Wickelkopfbereich an jedem axialen Ende des Ständers 6 radial zur Welle 2 eingeleitet, wobei es die Wicklung 10 durchströmt beziehungsweise an der Wicklung 10 entlang geführt wird und diese abkühlt, um anschließend in einer Ständermitte durch einen radialen, umlaufenden Kühlkanal 14 wieder ausgeleitet zu werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindungsform der Erfindung erfolgt die Strömungsrichtung in entgegen gesetzter Richtung. Der besondere Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass ein Aktivteil 26 des Ständers 6 – die Wicklung 10 – gleichmäßiger gekühlt wird als im Vergleich zu herkömmlichen Kühlfluidführungen – die von einem Wickelkopfbereich an einem axialen Ende des Ständers 6 zum anderen Wickelkopfbereich an dem gegenüber liegenden axialen Ende des Ständers 6 geleitet wird.
Damit das isolierende Kühlfluid 12 des Ständers 6 nicht in Kontakt mit dem darin angeordneten Läufer gerät, muss dieser gekapselt 30 ausgeführt werden.
Zur weiteren Optimierung der Kühlwirkung des elektromechanischen Wandlers können in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform Kühlkanäle 34 für Luft innerhalb des Ständers 6 vorgesehen werden, die parallel zur Welle 2 verlaufen.
Mit Berücksichtigung der Bezugszeichen aus 1 wird in der 2 ein Läufer 4 dargestellt, der eine Welle 2 aufweist, auf der über Rippen 24 ein Aktivteil 26 des Läufers 4 angeordnet ist. Der Läufer 4 ist zweigeteilt ausgeführt, damit in Läufermitte Kühlluft radial zur Welle 2 gefördert werden kann, die dem Läufer 4 über parallel zur Welle 2 verlaufende Kühlkanäle 22 zugeführt wird. Durch einen Luftspalt 28 des elektromechanischen Wandlers 1 zwischen dem Läufer 4 und dem Ständer 6 kann die Luft anschließend axial in beiden Richtungen entweichen. Dadurch wird eine für den Läufer 4 ausreichende Kühlung erreicht. Zur Verbesserung der Kühlleistung des Läufers 4 werden die Rippen 24 des Läufers 4 derart gestaltet, dass sie eine Radiallüfterwirkung erzielen.
Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform lässt sich optional auch eine Leistungselektronik 32 des elektromechanischen Wandlers 1 kühlen, indem das isolierende Kühlfluid 12 auch an der Leistungselektronik 32 vorbei geleitet wird oder die Leistungselektronik 32 – die sich in einem extra Gehäuse befindet – selbst umspült.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Wandung des radialen zentralen Kühlkanals 14 auch zur Lagerung 20 der Welle 2 des Läufers 6 ausgeführt werden, und dadurch zur Abstützung der Welle 2 des Läufers 4 gegen den Ständer 6 genutzt werden. Dadurch kann der elektromechanische Wandler 1 stabil konstruiert werden und ist in der Lage hohe Drehmomente aufzunehmen.
Zum einen kann eine Läuferteilung Bauraum freigeben, was optional zur platz- und gewichtssparenden Anordnung der oben erwähnten Lagerung 20 verwendet werden kann.
Auf diese Weise wird eine Aufhängung/Drehmomentabstützung mit radialen Kühlkanal 14 kombiniert.
Die in der 1 und 2 dargestellte Ausführungsform des elektromechanischen Wandlers 1 kann auch als lagerloser Generator direkt an eine Verbrennungskraftmaschine angebaut werden. So kann beispielsweise ein Ständergehäuse – Tragstruktur 18 – direkt an ein Schwungradgehäuse der Verbrennungskraftmaschine befestigt werden. Dabei wird der Läufer 4 direkt auf einem Schwungrad/einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gelagert – hier nicht gezeigt.
Solche elektromechanischen Wandler eignen sich insbesondere für Fahrzeuge oder Flugzeuge, wenn sie für eine Maximalleistung bis zu 1 MW ausgelegt werden. Dadurch ist es möglich einen kompakten und robusten elektromechanischen Wandler 1 vorzusehen, der aufgrund seiner Leichtbauausführung mit hoher Drehmomentdichte für den Einsatz zum Beispiel in Luftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen geeignet ist, in denen leichte, kompakte und somit leistungsdichte Maschinen gefragt sind. Die intensive und direkte Kühlung mittels des isolierenden Kühlfluids 12 stellt darüber hinaus einen erhöhten Wirkungsgrad sicher.

Claims

Elektromechanischer Wandler (1) mit zumindest einem auf einer Welle (2) angeordneten Läufer (4), der in einem gekapselten (30) Ständer (6) angeordnet ist, dessen Blechpaket (8) und Wicklung (10) mit einem isolierenden Kühlfluid (12) umgeben sind, wobei das Kühlfluid (12) über radial zur Welle (2) in Ständermitte angeordnete erste Kühlkanäle (14) einleitbar und über zweite Kühlkanäle (16) im Wickelkopfbereich an jedem axialen Ende des Ständers (6) radial zur Welle (2) ausleitbar ist oder umgekehrt.
Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler in einer Tragstruktur (18) gelagert ist, wobei eine Wandung zumindest eines in der Ständermitte angeordneten der ersten Kühlkanäle (14) zu einer Lagerung (20) des elektromechanischen Wandlers an der umliegenden Tragstruktur (18) genutzt ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) auf der Welle (2) geteilt ausgeführt ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung zumindest eines in der Ständermitte angeordneten der ersten Kühlkanäle (14) zu einer Lagerung (20) der Welle (2) des Läufers (4) an dem Ständer (6) genutzt ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen ersten und/oder zweiten Kühlkanäle (14, 16) aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt sind.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Kühlkanäle (14, 16) aus nicht magnetisch und/oder nicht elektrisch leitenden Werkstoffen hergestellt sind.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) parallel und/oder radial zur Welle (2) verlaufende Kühlkanäle (22) aufweist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, der elektromechanische Wandler (1) für eine Maximalleistung bis zu 1 MW konzipiert ist.
Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) des elektromechanischen Wandlers (1) als eine mit einem Verbrennungsmotor verbundene Antriebswelle ausgebildet ist.