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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, mit mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil, die durch Kraftbeaufschlagung bereichsweise aneinanderstoßen und dabei gemeinsam mindestens einen Kühlkanal ausbilden, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, wobei der Umfang des Kühlkanals in zumindest einem Abschnitt teilweise von dem ersten Bauteil und teilweise von dem zweiten Bauteil gebildet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende elektrische Maschine.
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Eine solche Kühleinrichtung und eine entsprechende elektrische Maschine mit Kühleinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 009 518 A1 bekannt. Die als dynamoelektrische Maschine ausgebildete elektrische Maschine weist einen innenliegenden Rotor, einen den Rotor umfänglich umgebenden Stator auf. Bei der Kühleinrichtung werden das erste Bauteil von einem Statorblechpaket des Stators und die zweiten Bauteile von Segmenten einem die elektrische Maschine vollumfänglich umgebenden Gehäuse gebildet. Die Segmente einerseits und das Statorblechpaket andererseits stoßen am Außenumfang des Statorblechpakets bereichsweise aneinander und bilden dabei gemeinsam Kühlkanäle aus, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind, wobei der Umfang der Kühlkanäle jeweils zum Teil von dem Statorblechpaket und teilweise von dem jeweiligen Segment der Manteleinheit gebildet wird. Mit anderen Worten bilden sich die Kühlkanäle zwischen dem Außenumfang des Statorblechpakets und den Innenseiten der Segmente aus. Dabei bilden das Statorblechpaket und die zu dem Gehäuse zusammengesetzten Segmente einen Pressverband, der für das durch Kraftbeaufschlagung bewirkte bereichsweise Aneinanderstoßen der Segmente und des Statorblechpakets sorgt. Es ergibt sich also ein kraftschlüssiger Presssitz des Statorblechpakets (bzw. des Stators und damit der gesamten elektrischen Maschine) in dem von den Segmenten gebildeten Gehäuse.
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Lässt die das Aneinanderstoßen der Bauteile bewirkende Kraft – aus welchen Gründen auch immer – nach, so kann es zu einer Ausbildung eines Spaltes zwischen den Bauteilen in einem Bereich kommen, in dem die Bauteile zur Ausbildung des Kanals eigentlich aneinanderstoßen sollten. Als Folge kommt es dann zu einer Undichtigkeit des mindestens einen Kühlkanals und zu einer Leckage. Diese Undichtigkeit kann (a) eine Undichtigkeit nach außen und (b) eine Undichtigkeit zwischen einzelnen Kühlkanälen oder eine Undichtigkeit zwischen Abschnitten eines Kühlkanals sein.
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Bei der Bildung eines Pressverbandes durch die Bauteile der Kühleinrichtung könnten solche Undichtigkeiten im Betrieb der elektrischen Maschine beispielsweise durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien entstehen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, die die Dichtigkeit der einzelnen Kühlkanäle verbessert.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist vorgesehen, dass zwischen den aneinanderstoßenden Bereichen der beiden Bauteile mindestens eine Dichtung zur Abdichtung des Kühlkanals angeordnet ist, die als eine Quelldichtung mit einem bei Kontakt mit dem Kühlmittel aufquellenden Dichtmaterial ausgebildet ist. Für die Dichtung ist daher ein Material vorgesehen, das bei Berührung mit dem Kühlmittel (dem Kühlmedium) quillt und somit einen zwischen den Bauteilen auftretenden Spalt durch Quellen nach Berührung mit dem Kühlmittel verschließt. Die Quelldichtung dichtet dabei in einem Bereich, wo die Bauteile unter Ausbildung des Kanals bzw. der Kanäle aneinander stoßen sollen. Das entsprechende Dichten der Dichtung kann ein Dichten nach außen oder ein Dichten zwischen einzelnen Kühlkanälen bzw. zwischen Abschnitten eines Kühlkanals sein. Getrieben von einer Druckdifferenz erreicht das Kühlmittel aus dem entsprechenden angrenzenden Kühlkanal die Quelldichtung, die bei Kontakt mit dem Kühlmittel aufquillt und dadurch den Spalt zwischen den beiden Bauteilen dichtet. Die Kraft für die das Aneinanderstoßen der Bauteile bewirkende Kraftbeaufschlagung ist bevorzugt eine Klemmkraft.
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Die Verwendung von Quelldichtungen ist aus anderen Anwendungen prinzipiell bekannt. An dieser Stelle sei exemplarisch auf die
DE 100 59 382 A1 verwiesen, die die Verwendung einer Quelldichtung bei einem Druckbegrenzungsventil eines hydraulischen Systems zeigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine erste Bauteil und das mindestens eine zweite Bauteil einen Pressverband bilden, durch den das Aneinanderstoßen der Bauteile erfolgt. Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass das mindestens eine erste Bauteil einen Kühlmantel der elektrischen Maschine bildet und das mindestens eine zweite Bauteil ein Gehäuseteil eines Gehäuses für die elektrische Maschine und die Kühleinrichtung ist, wobei das Gehäuse den Kühlmantel unter Ausbildung des Pressverbandes umfänglich umgibt. Mit anderen Worten ergibt sich ein kraftschlüssiger Presssitz des ersten Bauteils (des Kühlmantels für die elektrische Maschine) in dem zweiten Bauteil oder einem von mehreren zweiten Bauteilen gebildeten Verbund (dem Gehäuse für die elektrische Maschine und deren Kühleinrichtung).
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Material des mindestens einen zweiten Bauteils einen höheren oder einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizient auf als das Material des mindestens einen ersten Bauteils. Bilden die Bauteile einen Pressverband, so kommt es – je nach Temperatur der Kühleinrichtung – zu einer Änderung der das Aneinanderstoßen bewirkten Kraftbeaufschlagung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material des ersten Bauteils ein eisenbasiertes Material, insbesondere Stahl, ist und dass das Material des zweiten Bauteils Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist. Bevorzugt ist das erste Bauteil als Kühlmantel aus Stahl und das zweite Bauteil als Gehäuseteil aus Aluminium ausgebildet.
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Das Kühlmittel ist bevorzugt ein Wasser-Glykol-Gemisch. Ein derartiges Kühlmittel ist für diese Anwendung prinzipiell bekannt und gut geeignet.
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Die Quelldichtung umfasst im Besonderen eine quellfähigen Substanz (z.B. Hydrogel), welche in ein dreidimensional vernetztes Polymer der Dichtung eingebettet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil mindestens eine Nut auf, in der die Quelldichtung zumindest teilweise einliegt. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Quelldichtung im unaufgequollenen Zustand ganz in der Nut einliegt und bei Aufquellen aus der Nut hervorquillt.
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Mit Vorteil ist dabei vorgesehen, dass der mindestens eine Kühlkanal einen mäanderförmigen Verlauf zeigt. Bei einem solchen Verlauf grenzt oft ein Kanal an einen anderen Kanal und/oder ein Abschnitt des Kanals an einen anderen Abschnitt des gleichen Kanals.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator und einer Kühleinrichtung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als zuvor beschriebene Kühleinrichtung ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine erste Bauteil einen Kühlmantel der elektrischen Maschine bildet und das mindestens eine zweite Bauteil ein Gehäuseteil eines Gehäuses für die elektrische Maschine und die Kühleinrichtung ist, wobei der Kühlmantel den Rotor und den Stator umfänglich umgibt und das Gehäuse den Kühlmantel unter Ausbildung des Pressverbandes vollumfänglich umgibt.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine elektrische Maschine mit Kühleinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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2A–2C: das Funktionsprinzip der Dichtung der Kühleinrichtung,
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3: das als Kühlmantel ausgebildete erste Bauteil der Kühleinrichtung,
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4: den Verlauf von Kühlkanälen der Kühleinrichtung und den sich daraus ergebenden Strömungsverlauf und
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5: eine weitere Darstellung der Kühleinrichtung.
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Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 10 mit einem innenliegenden Rotor 12 (auch Läufer genannt), einem den Rotor 12 umfänglich umgebenden Stator 14 (auch als Ständer bezeichnet) sowie einer den Rotor 12 und den Stator 14 umfänglich umgebenden Kühleinrichtung 16. Eine elektrische Maschine 10, deren Rotor 12 innerhalb des Stators 14 liegt, wird auch als Innenläufer bezeichnet. Die elektrische Maschine 10 kann dabei als Elektromotor, als Generator oder als eine Kombination von beidem – ein sogenannter Motorgenerator – ausgebildet sein. Der Rotor 12 weist eine entlang einer Drehachse 18 ausgerichtete Rotorwelle 20 und eine diese Welle 20 umfänglich umgebende Magnetstruktur 22 auf. Der im Wesentlichen hohlzylinderförmige Stator 14 weist ebenfalls Magnetstrukturen 24, beispielsweise ein Statorblechpaket mit darin einliegenden Wicklungen auf (nicht gezeigt). Die Kühleinrichtung 16 besitzt ein als hülsenförmiger Kühlmantel 26 ausgebildetes erstes Bauteil 28 und ein als hülsenförmiges Gehäuseteil 30 ausgebildetes zweites Bauteil 32. Das Gehäuseteil 30 bildet das Gehäuse 34 der elektrischen Maschine 10 und haust den Rotor 12, den Stator 14 und den innenliegenden Teil der Kühleinrichtung 16 ein. Dabei umgibt das zweite Bauteil 32 (also das Gehäuseteil 30) das erste Bauteil 28 (den Kühlmantel 26) umfänglich und die beiden Bauteile 28, 32 bilden einen Pressverband.
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Durch diesen Pressverband stoßen die beiden Bauteile 28, 32 unter Kraftbeaufschlagung des ersten Bauteils 28 durch das zweite Bauteil 32 bereichsweise aneinander, wobei die beiden Bauteile 28, 32 in einer Zwischenebene zwischen dem Außenumfang des ersten Bauteils 28 und dem Innenumfang des zweiten Bauteils 32 gemeinsam zwei einander parallel geschaltete Kühlkanäle 36 ausbilden, durch die Kühlmittel strömen kann. Der Umfang der Kühlkanäle 36 wird dabei jeweils innen von dem ersten Bauteil 28 und außen von dem zweiten Bauteil 32 gebildet. Mit anderen Worten wird der Umfang jedes der beiden Kühlkanäle 36 zum einen Teil vom ersten Bauteil 28 und zum anderen Teil vom zweiten Bauteil 32 gebildet, was man in den 2A–2C gut erkennen kann. Dabei weist das erste Bauteil 28 an seinem Außenumfang Nuten 38 auf, die den Verlauf der Kühlkanäle 36 bestimmen, während das zweite Bauteil 32 diese Nuten 38 umfänglich flach abdeckt. Der Verlauf der Nuten 38 (und damit auch der Kanäle 36) ist mäanderförmig, sodass zwischen den Nuten 38 Stege 40 verbleiben. Diese Stege 40 weisen ihrerseits an ihren nach außen weisenden Flächen Nuten 42 auf, in denen Quelldichtungen 44 mit einem bei Kontakt mit dem Kühlmittel aufquellenden Dichtmaterial einliegen.
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An seinen beiden Endabschnitten 46, 48 weist das hülsenförmige erste Bauteil 28 weiterhin je eine umlaufende Nut 50 auf, in der je eine als O-Ring ausgebildete weitere Dichtung 52 einliegt, die bis an den Innenumfang des hülsenförmigen zweiten Bauteils 32 heranreichen und dabei die Kühlkanäle 36 auf ihrer jeweiligen Seite nach außen abdichtet.
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Während die als O-Ringe ausgebildeten weiteren Dichtungen 52 die Kühlkanäle 36 permanent nach außen abdichten, werden die Kühlkanäle 36 untereinander – beziehungsweise die unterschiedlichen Abschnitte eines jeden der mäanderförmig verlaufenden Kühlkanäle 36 untereinander – mittels der Quelldichtungen 44 abgedichtet.
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Die 1 zeigt weiterhin zwei Durchbrüche 54, 56, die den gemeinsamen Zulauf 54 und den gemeinsamen Ablauf 56 der beiden parallel geschalteten Kühlkanäle 36 bilden.
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Die 2A–2C zeigen die Wirkungsweise der Quelldichtung 44 im Detail. Diese Figuren zeigen zwei benachbarte Abschnitte 58, 60 eines Kühlkanals 36 der Kühleinrichtung 16 in einer Schnittdarstellung. Der eine Abschnitt 58 wird unmittelbar vom Zulauf 54 gespeist, während der andere Abschnitt direkt in den Ablauf 56 mündet. Zwischen den beiden Abschnitten ergibt sich im Betrieb der Kühleinrichtung 16 eine das Kühlmittel antreibende Druckdifferenz Δp. Beide Abschnitte 58, 60 verlaufen parallel zueinander und werden durch den dazwischen verlaufenden Steg 40 des ersten Bauteils 28 voneinander getrennt. In der nach außen weisenden und dabei gegen das zweite Bauteil 32 stoßenden Kopf-Fläche dieses Stegs 40 ist die Nut 42 ausgebildet, in der die Quelldichtung 44 einliegt. Kommt es nun zu einer Undichtigkeit zwischen den Bauteilen 28, 32 im Bereich des Stegs 40 bzw. der Quelldichtung 44, so gelangt Kühlmittel durch einen Spalt 62 zwischen der Kopf-Fläche des Stegs 40 und des in Gegenüberlage zu dieser Kopf-Fläche befindlichen Innenfläche des zweiten Bauteils 32 (2B). Es kommt zu einer Leckage (Pfeil 64). Dabei kommt das Kühlmittel auch mit der Quelldichtung 44 in Berührung, die daraufhin zu quellen beginnt und die Undichtigkeit wieder abdichtet (2C), wodurch die Leckage gestoppt wird.
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Die 3 zeigt das als hülsenförmiger Kühlmantel 26 ausgebildete erste Bauteil 28 noch einmal im Detail. Deutlich erkennbar sind die den Kanalverlauf bestimmenden, relativ breiten Nuten 38 und die im Vergleich dazu relativ schmalen Stege 40, die die Kühlkanäle 36 beziehungsweise deren einzelne Abschnitte voneinander trennen.
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Die 4 zeigt die „abgerollte“ Außenfläche des ersten Bauteils 28 mit den Nuten 38, die den Kanalverlauf bestimmen und die im Vergleich dazu relativ schmalen Stege 40, die die Kühlkanäle 36 beziehungsweise deren einzelne Abschnitte voneinander trennen. Zusätzlich sind Zulauf 54, Ablauf 56 sowie der Strömungsverlauf (Pfeile 66) durch die Kühlkanäle 36 gezeigt.
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Die 5 zeigt schließlich eine weitere Darstellung der Kühleinrichtung 16 zur Kühlung der elektrischen Maschine 10 mit den beiden Bauteilen 28, 36, den damit gebildeten Kühlkanälen 36, der Quelldichtung 44 und den als O-Ringe ausgebildeten weiteren Dichtungen 52.
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Es ergeben sich folgende Funktionsweise und folgende Vorteile:
Wird der Stator 14 der elektrischen Maschine 10, der mit einem Kühlmantel 26 aus Stahl umschlossen ist, in ein Gehäuse 34 aus Aluminium eingesetzt, kann aufgrund von Toleranzen sowie bei Temperaturen höher der Raumtemperatur ein Spalt 62 zwischen Kühlmantel 26 und Gehäuse 34 auftreten. Dieser Spalt 62 wird durch die deutlich unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium (α ≈ 2,4E-05 1/K) und Stahl (α ≈ 1,2E-05 1/K) bei höheren Temperaturen im Betrieb größer. Bedingt durch den Spalt 62 sind die einzelnen Kanäle 36 der Kühleinrichtung 16 beziehungsweise einzelne Abschnitte 58, 60 eines Kanals 36 nicht vollständig gegeneinander abgedichtet. Zwischen den Kühlkanälen 36 beziehungsweise zwischen den Abschnitten 58, 60 unterschiedlicher Druckniveaus (z.B. Ein- und Auslasskanal) tritt somit Leckage auf. Der Einsatz eines Kühlmantels 26 aus dem gleichen Material wie das des Gehäuseteils 30 (beispielsweise Aluminium) und die damit verbundenen Nachteilen kann dann vermieden werden. Wird nämlich ein Aluminiumkühlmantel eingesetzt, muss für diesen Pressverband, um Drehsicherheit bei unterschiedlichen Temperaturniveaus zu gewährleisten, ein erhöhtes Übermaß im Vergleich zu einem Stahlkühlmantel vorgesehen werden. Dies kann zu unzulässig hohen Spannungen in Kühlmantel 26 und Gehäuse 34 führen.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Montage beziehungsweise dem Fügen des Kühlmantels 26 in das Gehäuseteil 30, wenn das Gehäuse 34 – wie in dem Ausführungsbeispiel der Figuren – nicht in einzelne Segmente aufgeteilt, sondern ein am Umfang geschlossenes Bauteil ist. In dem Fall muss der Kühlmantel 26 in axialer Richtung in das Gehäuse 34 gefügt werden. Eine entsprechende Formdichtung in der Dichtungsnut 42, die nicht vollständig in der Nut 42 liegt, sondern über die Nutwände herausragt, kann bei der Montage, wenn nur ein geringer oder kein Spalt zwischen dem Gehäuse und den als Kanalwände wirkenden Stegen 40 vorliegt, abgezogen werden. Eine Formdichtung müsste aus der Nut 42 herausragen um eine Dichtwirkung zwischen Kühlmantel 26 und Gehäuseteil 30 zu gewährleisten. Dies ist bei einer mäanderförmigen Kanalausbildung besonders kritisch, da hier beispielsweise kein geschlossener O-Ring eingesetzt werden kann (Dichtnuten nicht am Umfang geschlossen).
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Das quellfähige Dichtmaterial der Quelldichtung 44 hingegen kann im Montagezustand vollständig in der Nut 42 liegen, so dass ein Abziehen der Dichtung bei der Montage nicht auftritt. Erst im Betrieb quillt das Dichtmaterial der Quelldichtung 44 auf und tritt über die Höhe der Nutwände der Nut 42 hervor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Rotor
- 14
- Stator
- 16
- Kühleinrichtung
- 18
- Drehachse
- 20
- Rotorwelle
- 22
- Magnetstruktur (Rotor)
- 24
- Magnetstruktur (Stator)
- 26
- Kühlmantel
- 28
- erstes Bauteil
- 30
- Gehäuseteil
- 32
- zweites Bauteil
- 34
- Gehäuse
- 36
- Kühlkanal
- 38
- Nut (Kanal)
- 40
- Steg
- 42
- Nut
- 44
- Quelldichtung
- 46
- Endabschnitt
- 48
- Endabschnitt
- 50
- umlaufende Nut
- 52
- weitere Dichtung
- 54
- Zulauf
- 56
- Ablauf
- 58
- Abschnitt (Kanal)
- 60
- Abschnitt (Kanal)
- 62
- Spalt
- 64
- Pfeil
- 66
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009009518 A1 [0002]
- DE 10059382 A1 [0008]
