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Die Erfindung betrifft eine rotatorische dynamoelektrische Maschine mit Kühlmitteln, einer Lagerschmierung und die einer Anwendung einer derartigen dynamoelektrischen Maschine.
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Dynamoelektrische Maschinen werden aufgrund ihrer Verluste (z.B. Eisen-, Wirbelstrom-, Hysterese-Verluste) gekühlt. Dabei werden vor allem die Statoren, aber auch die Rotoren einer dynamoelektrischen Maschine dementsprechend gekühlt. Dabei sind verschiedene Kühlprinzipien im Einsatzwie z.B. Luftkühlung und/oder Flüssigkeitskühlung der dynamoelektrischen Maschine. Des Weiteren sind dabei aber auch die Lagersysteme einer derartigen Maschine zu schmieren. Dies führt dazu, dass getrennte Systeme für Kühlung und Schmierung an einer dynamoelektrischen Maschine vorhanden sind.
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So haben dynamoelektrische Maschinen eigene Flüssigkeitskühlkreisläufe vorzugsweise im Stator, die u.a. ein Wasser-Glykol-Gemisch aufweisen. Zur Kühlung des Rotors wird eine Luftkühlung des Blechpakets des Rotors über Ausnehmungen geschaffen oder eine indirekte Kühlung des Rotors über eine Wellenkühlungen erreicht.
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Die Lager der Welle werden mit eigenen Schmiersystemen ausgestattet und dabei werden insbesondere bei höheren Anforderungen an die Lager Ölschmierverfahren, wie z.B. eine Ölumlaufschmierung eingesetzt.
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Nachteilig ist dabei unter anderem, dass mehrere Systeme in und an der dynamoelektrischen Maschine gleichzeitig vorgesehen sind, die ein vergleichsweise großes Bauvolumen beanspruchen, und so eine Kompaktierung einer dynamoelektrischen Maschine erschweren.
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Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine zu schaffen, die einen kompakten Aufbau aufweist und dabei sowohl eine effiziente Kühlung als auch eine ausreichende Schmierung der Lager vorsieht. Des Weiteren soll ein derartiger Antrieb einen kompakten Aufbau aufweisen und für elektrische Fahrzeuge insbesondere E-Cars geeignet sein.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine rotatorische dynamoelektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, der auf einer Welle drehfest positioniert ist, wobei die Welle drehbar um eine Achse gelagert ist, wobei das zumindest eine Lager in einem Lagerschild gehalten ist, das sich axial an einer Seite des Stators befindet, wobei der Stator und/oder der Rotor Mittel aufweisen, die zumindest einen Teil eines Öl-Kühlkreislaufes bilden, wobei eine strömungstechnische Verbindung zwischen den Mitteln des Öl-Kühlkreislaufes und dem Lagers vorhanden ist, so dass eine Schmierung des Lagers durch den bestehenden Öl-Kühlkreislauf erfolgt.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen rotatorischen dynamoelektrischen Maschine, wobei insbesondere der außerhalb der Maschine liegende Abschnitt des Kühlkreislaufs einen Rückkühler aufweist.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr aus der Kühlung des Stators und/oder der Kühlung des Rotors, die jeweils mit Öl erfolgt, ein Teil dieses Mediums abgezweigt und für die Kühlung und/oder Schmierung des oder der Lagers vorgesehen. Somit ist nur ein einziger Kreislauf notwendig, was zu einer Kompaktheit der dynamoelektrischen Maschine führt und demnach in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug dementsprechend weniger Platz beansprucht ohne Einbußen bei Kühlung und/oder Schmierung gegenüber herkömmlichen Systemen aufzuweisen.
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Des Weiteren ist vorteilhafterweise nur ein Kühlsystem beispielsweise auf Leckage zu überwachen und es sind keine verschiedenen Flüssigkeitskreisläufe vorhanden, die jeweils einer eigenen speziellen Wartung bedürfen. Bei den bisher bekannten Systemen durfte sowohl in das Wicklungssystem des Stators (ais Isolationsgründen) als auch in das Lager (wegen Korrosionsgefahr) kein Wasser eindringen.
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Die Kühlung des Stators erfolgt dabei vorzugsweise über einen Kühlmantel, der in Umfangsrichtung betrachtet, den Stator am Außenumfang zumindest abschnittsweise umgibt und mit dem Blechpaket des Stators in gut wärmeleitenden Kontakt steht. Dies gelingt insbesondere durch eine Aufschrumpfung des Kühlmantels auf das Blechpaket des Stators. Der Kühlmantel selber kann entweder als hohlzylindrisches Teil, als wendelförmige Kühlung oder mit mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen ausgeführt sein. Je nach dem welche Anforderungen z.B. an die Kühleffizienz und den Einbauort der dynamoelektrischen Maschine zu stellen sind.
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Vorteilhafterweise erfolgt eine Zufuhr des Kühlmittels bzw. Schmiermittels zum Lager oder zu den Lagern aus dem Kühlmantel des Stators über zumindest einen integrierten Zulauf in dem jeweiligen Lagerschild. Damit ist lediglich beim Zusammenbau an der Schnittstelle von Lagerschild und Kühlmantel eine Abdichtung vorzusehen. Somit ist keine explizite Verrohrung vom Kühlmantel zum Lager herzustellen. Über diese Kühlmittelzufuhr des Lagers aus dem Kühlmantel des Stators wird lediglich ein Teilstrom aus dem gesamten Kühlmedium abgezweigt.
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Ein Überlauf im Bereich des Lagers verhindert, dass die Wälzkörper über den von dem Lagerhersteller angegebenen Oberkanten gefüllt sind.
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Falls die dynamoelektrische Maschine zusätzlich zu der Statorkühlung oder auch separat, eine Rotorkühlung aufweist, die insbesondere über eine Wellenkühlung erfolgt, wird über radiale Bohrungen in der Welle eine Kühlmittelzufuhr, die auch der Schmierung des Lagers dient geschaffen. Insbesondere wenn diese Bohrungen im Bereich des Lagers stattfinden, ist eine effiziente Schmierung des Lagers und dessen Wälzkörpers gewährleistet.
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Auch hier ist wieder ein Überlauf vorgesehen um die Wälzkörper vor unzulässiger Flutung des Schmiermittels zu schützen. Die Abläufe bzw. Überläufe aus dem Lager finden überwiegend nur durch in das Lagerschild integrierte Rückleitungen statt, die wieder in den Hauptkühlmittelstrom münden.
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Ein weiterer Vorteil der integrierten Kühlung der dynamoelektrischen Maschine und Schmierung des Lagers liegt darin, dass nur eine Pumpe und ein Filtersystem erforderlich ist. Dies führt zu einer weiteren Kompaktheit des gesamten Antriebs.
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Vorteilhafterweise werden bei einer nahezu waagerechte Aufstellung und Betrieb der dynamoelektrischen Maschine allein durch die Schwerkraft die oben beschriebenen Prozesse der Kühlmittelzufuhr und -abfuhr, insbesondere des Überlaufs aus den Lagern besonders gewährleistet. Vor allem bei Ausfall einer ev. Pumpe im Kühlkreislauf ist dennoch ein Betrieb der dynamoelektrischen Maschine gewährleistet.
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Je nach Einsatzbedingungen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs muss jedoch auch bei stärkeren Neigungswinkeln der Achse eine ausreichende Kühlung und Schmierung vorgesehen werden. Dies gelingt beispielsweise indem die den Kühlmittelstrom antreibende Pumpe neigungswinkelabhängig und/oder temperaturabhängig den Volumendurchsatz erhöht bzw. stärkeren Druck aufbaut.
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Ein weiterer Vorteil der Wellenkühlung kombiniert mit der Lagerschmierung liegt darin, dass bei erhöhter Drehzahl aufgrund der Fliehkraftwirkung auch verstärkt Schmiermittel dem Lager zur Verfügung gestellt wird, was aufgrund der erhöhten Drehzahl auch zu einer Wärmeabfuhr aus dem Lager erfolgt, so dass sich der Volumenstrom im Lager entsprechend des Bedarfs selbständig und drehzahlabhängig einstellt.
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Vorteilhafterweise gelangt nunmehr vorgewärmtes Öl in das Lager, das somit eine ausreichende Fließgeschwindigkeit – geringe Viskosität aufweist und damit eine ausreichende Schmierwirkung im Lagerraum zwischen den Wälzkörpern ohne nennenswerte Reibungsverluste entfalten kann.
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Vor allem für elektrisch angetriebene Fahrzeuge ist eine dementsprechende dynamoelektrische Maschine besonders geeignet, da sie einen kompakten Aufbau aufweist, so dass in einfacher Art und Weise ein Rückkühler in der Nähe der dynamoelektrischen Maschine positioniert werden kann, der vorzugsweise dem Fahrwind ausgesetzt ist. Ebenso kann die Abwärme insbesondere bei kälteren Außentemperaturen auch dem Fahrgastraum zur Verfügung gestellt werden.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
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1 einen Längsschnitt einer dynamoelektrischen Maschine mit einer Statorkühlung,
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2 eine dynamoelektrische Maschine im prinzipiellen Längsschnitt mit einer Statorkühlung und Rotorkühlung.
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1 zeigt in einem Längsschnitt eine dynamoelektrische Maschine 1, die als Asynchronmaschine mit Käfigläufer und an den Stirnseiten eines Rotors 3 befindlichen Kurzschlussringen 21 aufgebaut ist.
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Der Rotor 3 muss dabei nicht zwangsläufig als Käfigläufer aufgebaut sein. Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen sind beispielsweise auch für permanentmagneterregte Synchronmotoren geeignet.
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Ein Stator 2 weist ein Wicklungssystem auf, das an den Stirnseiten des Stators 2 jeweils einen Wickelkopf 4 ausbildet. Der Stator 2 ist durch axial geschichtete Bleche aufgebaut, wobei in axial verlaufenden Nuten ein nicht näher dargestelltes Wicklungssystem angeordnet ist.
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Der Stator 2 wird von einem Kühlmantel 11 umgeben, der thermisch gut leitend mit den Blechen 5 des Stators 2 in Verbindung steht. Axial ragt der Kühlmantel 11 über die Wickelköpfe 4 des Stators 2 hinaus, um auch dort die Abwärme abführen zu können. Der Kühlmantel 11 weist eine Kühlmittelzufuhr 22 und eine Kühlmittelabfuhr 23 auf. An den Stirnseiten des Stators 2 und damit auch an den Stirnseiten des Kühlmantels 11 sind Lagerschilde 10 angeordnet, in die Lager 9 aufnehmen.
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Der grundsätzliche Gedanke der Erfindung lässt sich auch bei einseitiger Lagerung einer Welle 7, also einer fliegenden Lagerung des Rotors 3 umsetzen.
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Der Rotor 3 ist mit seinen Blechen 6 drehfest mit einer Welle 7 verbunden, die sich um eine Achse 8 dreht. Rotor 3 und Stator 2 sind durch einen Luftspalt 26 voneinander beabstandet, über den eine durch elektromagnetische Wechselwirkung hervorgerufene Drehung des Rotors 3 erfolgt. Im generatorischen Betrieb, z.B. generatorische Bremsen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs erfolgt durch Drehung der Welle 7 und damit des Rotors 3, eine Erzeugung elektrischer Energie im Stator 2, die beispielsweise einem Ladevorgang einer Fahrzeugbatterie dienen kann.
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In dieser vorgestellten Ausführung gemäß 1 ist nunmehr das Lagerschild 10 nach außen durch eine Dichtung 19 abgedichtet. Ebenso ist eine Labyrinth-Dichtung 15 vorgesehen die der Abdichtung des Lagers 9 zum Innenraum der dynamoelektrischen Maschine 1 dient.
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Die Zufuhr des Schmiermittels für das Lager 9 erfolgt nunmehr jeweils durch Kanäle, die im Lagerschild 10 integriert sind und lediglich an der Übergangsstelle zwischen Kühlmantel und Lagerschild durch eine Abdichtung 20 abgedichtet werden müssen. Das Kühlmittel – im vorliegenden Fall Öl – wird somit zu einem geringen Teil aus dem Hauptstrom des Kühlmittelstrom zwischen der Zufuhr 22 und Abfuhr 23 abgezweigt und über die Kanäle im Lagerschild 10 dem Lager 9 zugeführt. Die bereits genannten Abdichtungen nach außen und zum Innenraum der dynamoelektrischen Maschine sorgen dafür, dass der Schmierstoff zumindest zeitweise im Lagerraum des Lagers 9 verbleibt.
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Während dieser Verweildauer im Lager 9 dient er der Schmierung und der Kühlung der Wälzkörper des Lagers 9. Um einen übermäßigen Füllstand von Öl im Lagerraum des Lagers 9 zu vermeiden, ist jeweils im Bereich der Lager 9 ein Überlauf 18 vorgesehen, der einen maximalen Füllstand bis zur Mitte des untersten Wälzkörpers mit Öl zulässt.
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Auch der Überlauf 18 und die Rückführungen beispielsweise aus den Labyrinth-Dichtungen 15 sind im Wesentlichen im Lagerschild 10 integriert. Der Volumenstrom des Schmiersystems für das Lager 9 wird im Wesentlichen durch den Kanalquerschnitt der Zuführung gegebenenfalls unter Verwendung einer Düse und/oder dem Druck im Kühlsystem vorgegeben.
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Falls dennoch Öl über die Labyrinth-Dichtungen 15 in den Innenraum der dynamoelektrischen Maschine 1 gelangen sollte, ist dies aufgrund der Isolationseigenschaften des Öls für den Betrieb der dynamoelektrischen Maschine 1 ohne Belang. Des Weiteren wird durch eine Abfuhr 16 aus den Labyrinth-Dichtungen 15 als auch durch eine Abfuhr 17 aus dem Innenraum der dynamoelektrischen Maschine 1 ein übermäßiger Füllstand von Öl im Innenraum der dynamoelektrischen Maschine 1 vermieden.
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2 zeigt einen im Wesentlichen ähnlichen Aufbau der dynamoelektrischen Maschine 1 wie 1, so dass auf doppelte Beschreibungen verzichtet wird. Es wird im Weiteren nur auf die Unterschiede eingegangen.
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Ein wesentlicher Unterschied besteht somit darin, dass neben dem Kühlmantel 10 des Stators 2 eine Wellenkühlung 12 des Rotors 3 vorhanden ist, die auch die Schmierung der Lager übernimmt. Bei dieser Art der Wellenkühlung 12 wird über eine stationäre Lanze 13 eine Zufuhr 24 für Kühlmittel in einer zumindest abschnittsweise ausgestalteten Hohlwelle geschaffen. Dieses Kühlmittel wird axial über Zufuhr 24 eingeströmt, und verteilt sich innerhalb der Welle 7. Die Rückführung des Kühlmittels erfolgt im wesentlich in axial entgegengesetzter Richtung aus dem Abfluss 25. Dieser Rückstrom wird dann teilweise über zumindest eine radiale Bohrung in der Welle 7 dem Lager 9 zugeführt.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr im Bereich der Lager 9 diese radiale Bohrung 14 in der Welle 7 bzw. in einen Abschnitt der Welle 7 vorgesehen, der zur Schmierstoffzuführung in das Lager 9 dient. Vorteilhafter Weise ist dabei bei erhöhter Drehzahl auch die Zentrifugalkraft auf das Öl dementsprechend groß, was zu erhöhter Schmierstoffzufuhr in das Lager 9 führt. Aufgrund der erhöhten Drehzahl ist eine zusätzliche Schmierung und gegebenenfalls Wärmeabfuhr aus dem Lager 9 vorteilhaft. Damit reguliert sich der Volumenstrom durch das Lager 9 entsprechend der Drehzahl auch über den Überlauf 18.
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Je nach Einsatzbedingungen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs muss jedoch auch bei stärkeren Neigungswinkeln der Achse eine ausreichende Kühlung und Schmierung vorgesehen werden. Dies gelingt beispielsweise indem eine den Kühlmittelstrom antreibende Pumpe neigungswinkelabhängig und/oder temperaturabhängig den Volumendurchsatz erhöht bzw. stärkeren Druck aufbaut.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die dynamoelektrische Maschine 1 mit zwei Lagern 9 ausgeführt, wobei eine Lager 9 gemäß 1 in den Kühlmittelkreislauf des Kühlmantels eingebunden ist und das andere Lager gemäß 2 über die Wellenkühlung geschmiert und gekühlt wird.
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Vorteilhafterweise kann in den genannten Ausführungen jeweils zumindest ein Innenlüfter auf der Welle 7 vorgesehen werden, der einen geschlossenen Innenkühlkreislauf bildet, der sich im Wesentlichen über Ausnehmungen im Stator 2, den Wickelköpfen 4 und Ausnehmungen im Rotor 3 ausbildet. Zusätzlich können damit auch die Lagerschilde 10 gekühlt werden.
