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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle und ein Rotorblechpaket, welches drehfest auf der Rotorwelle gelagert ist. Ein weiterer Anspruch ist auf eine elektrische Maschine mit dem Rotor gerichtet, welche weiterhin zwei Wälzlager umfasst, in welchen die Rotorwelle drehbar gelagert ist.
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In elektrischen Maschinen aller Leistungsklassen wird erhebliche Wärme entwickelt, die im Hinblick auf eine verbesserte Maschineneffizienz und im Hinblick auf eine höhere Lebensdauer der elektrischen Maschine mittels kühltechnischer Maßnahmen abzuführen ist. Der Rotor bzw. Läufer erzeugt üblicherweise Verlustwärme, welche teilweise durch Wärmeleitung über einen Luftspalt zwischen dem Rotor und einem Stator der elektrischen Maschine übertragen wird und von dort aus an ein Gehäuse der elektrischen Maschine abgegeben wird. Ein weiterer Teil der Verlustwärme kann über die Rotorwelle nach außen geleitet werden, wodurch sich die Wälzlager der Rotorwelle erwärmen.
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Eine derartige thermische Lagerbelastung führt zu hohen Kontaktspannungen im Lager, was ein Abrollen behindert und Schälbeanspruchung sowie Materialermüdung zur Folge haben kann. Dies führt teilweise zu einer deutlichen Reduzierung der Lebensdauer der Wälzlager, da weiterhin eine mittlere Lagertemperatur und eine Temperaturdifferenz zwischen einem Innenring des Wälzlagers und einem Außenring des Wälzlagers relativ hoch sein kann.
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In vielen Anwendungsfällen, z.B. bei Elektromotoren, bei denen die Rotortemperatur größer ist als die Temperatur des Gehäuses der elektrischen Maschine, liegt eine Betriebstemperatur der Außenringe unterhalb der Temperatur der Innenringe. Dies kann zu einer Verringerung der Lagerluft führen. Eine derartige temperaturbedingte Minderung der Lagerluft kann eine hohe Vorspannung in den Lagern verursachen. Eine hohe Vorspannung in den Lagern kann das Abrollen des Wälzkörpers behindern und zu Schälbeanspruchungen sowie Materialermüdung und zum vorzeitigen Ausfall der Lager und somit der ganzen elektrischen Maschine führen. Sofern Lager mit größerer Lagerluft als normal verwendet werden, können negative Auswirkungen auf die elektrische Maschine unter anderem erhöhte Schwingungen und größere Axialtoleranzen der Rotorwelle sein, was sich ungünstig auf das Betriebsverhalten des Motors auswirkt.
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Sofern eine Kühlung der Rotorwelle bzw. des Rotorblechpakets möglich ist, kann dies direkte positive Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine sowie auf die Lebensdauer der Lagerung haben. Besonders vorteilhaft kann eine Kühlung des Rotorblechpakets auch einen großen Anteil zur Kühlung der Rotorwelle beisteuern. Durch eine Kühlung der Rotorwelle kann eine Verringerung der großen Temperaturunterschiede zwischen dem Innenring und dem Außenring des jeweiligen Lagers erreicht werden und damit die Lebensdauer der Lager verlängert werden.
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Aus der
DE 10 2009 012 324 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer drehbaren Welle und einem mit der Welle verbundenen Rotor bekannt. Um die Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine zu verbessern, weist die Welle einen sich in axialer Richtung der Welle erstreckenden Hohlraum auf, wobei der Hohlraum zur Aufnahme eines Kältemittels vorgesehen ist. Weiterhin umfasst die Welle eine innerhalb des Rotors angeordnete Verdampfereinheit und eine außerhalb des Rotors angeordnete Kondensatoreinheit, wobei die Kondensatoreinheit zur Kondensation des Kältemittels vorgesehen ist. Die elektrische Maschine gemäß der
DE 10 2009 012 324 A1 ermöglicht eine Abfuhr von Verlustwärme einer elektrischen Maschine durch einen Wellenthermosiphon bei Maschinen ohne standardmäßige Zwangsluftkühlung. Allerdings ist diese elektrische Maschine apparativ sehr aufwändig und teuer.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, wobei der Rotor eine effektive und vereinfachte Wärmeabfuhr insbesondere im Bereich von Lagerstellen der Rotorwelle ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle und ein Rotorblechpaket, welches auf der Rotorwelle drehfest gelagert ist, wobei in die Rotorwelle und/oder in das Rotorblechpaket ein Phasenwechselmaterial eingebracht ist.
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Das Phasenwechselmaterial (oftmals auch mit der englischen Abkürzung PCM bezeichnet) erfüllt die Funktion eines passiven Kühlelements innerhalb der Rotorwelle bzw. innerhalb des Rotorblechpakets und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es besonders viel latente Wärme speichern kann.
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Bei auftretenden Temperaturspitzen kann das Phasenwechselmaterial Abwärme zur Glättung der Temperaturspitzen aufnehmen und die aufgenommene Abwärme wiederum in Temperatursenken abgeben. Moderne elektrische Maschinen, welche im Bereich der Elektromobilität eingesetzt werden, sind typischerweise einer raschen Abfolge von Lastwechseln ausgesetzt. Das Phasenwechselmaterials ermöglicht bei diesen elektrischen Maschinen eine effektive Glättung von auftretenden Wärmespitzen (Puffern), eine Verwertung eines zeitlichen Überangebots von Wärme sowie eine gleichmäßigere Kühlung der Rotorwelle und/oder des Rotorblechpakets. Das Phasenwechselmaterial kann insbesondere überschüssige Wärme kurzfristig aufnehmen und auf diese Weise Spitzenlasten abfangen. Folglich kann durch das Einbringen des Phasenwechselmaterials eine mittlere Lagertemperatur und eine Temperaturdifferenz zwischen einem Innenring und einem Außenring von Lagern, welche die Rotorwelle drehbar aufnimmt, derart gesenkt werden, dass eine Lebensdauer der Lager erhöht wird und Ausfälle durch Materialermüdung vermieden werden.
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Geeignete Phasenwechselmaterialien sind insbesondere anorganische Speichermedien (Salzhydrate, reine Metalle bzw. Salze), organische Speichermedien (Paraffine und Fettsäuren) sowie Mischungen von Phasenwechselmaterialien. Aufgrund der jedem Stoff eigenen Schmelztemperatur können je nach Einsatz- und Anwendungsgebiet bzw. Arbeitstemperatur Speichermedien mit geeigneter Phasenwechseltemperatur eingesetzt werden.
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Phasenwechselmaterialien sind besonders vielseitig, da sich mit der Wahl des entsprechenden Speichermediums das jeweilige gewünschte Temperaturniveau der Speicherung realisieren lässt. So können beispielsweise Salzhydrate zur Speicherung bei Temperaturen zwischen 30 und 80°C eingesetzt werden und Paraffine beispielsweise zwischen 10 und 60°C.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Phasenwechselmaterial innerhalb der Rotorwelle und/oder innerhalb des Rotorblechpakets gekapselt sein. Beispielsweise kann das Phasenwechselmaterial in einen Hohlraum der Rotorwelle bzw. des Rotorblechpakets eingebracht werden und anschließend durch ein Verschlusselement, z.B. einen Deckel, verschlossen werden.
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So kann beispielsweise die Rotorwelle eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckende, insbesondere zentrische Bohrung aufweisen, innerhalb welcher das Phasenwechselmaterial angeordnet ist und welche durch wenigstens ein Verschlusselement verschlossen ist (bei einer Sacklochbohrung kann ein Verschlusselement ausreichen, bei einer durchgehenden Bohrung können zwei Verschlusselemente notwendig sein).
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Das Rotorblechpaket kann eine oder mehrere Rotorblechpaket-Taschen ausbilden, welche sich in Längsrichtung des Rotorblechpakets erstrecken und beispielsweise durch einen oder zwei Verschlusselemente verschlossen sein können. Alternativ kann die wenigstens eine Tasche auch durch wenigstens ein Blech des Rotorblechpakets verschlossen sein.
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Durch die Kapselung können große Oberflächen mit guter Wärmeleitfähigkeit entstehen, was eine ausreichend hohe Ladeleistung und Entladeleistung ermöglicht. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da das Phasenwechselmaterial selbst in der Regel eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Phasenwechselmaterial ein Verbundwerkstoff sein, welcher einen zusätzlichen Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch diese Ausführungsform wird dem Phasenwechselmaterial eine neue innere Struktur hinzugefügt, indem das Phasenwechselmaterial mit einem anderen sehr gut wärmeleitenden Stoff zu einem neuen Verbundmaterial zusammengefügt wird. Bei dem zusätzlichen Werkstoff kann es sich insbesondere um ein Salz-/Graphitmaterial handeln.
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Der zusätzliche Werkstoff kann auf einem Graphitpulver oder einem Graphitgranulat basieren. Dabei wird Graphitpulver oder Graphitgranulat mit dem Phasenwechselmaterial gemischt und ergibt fertig eine Prägemasse, einen sogenannten Slurry. Der große Vorteil eines derartigen Phasenwechselmaterial-Graphit-Slurrys besteht in seiner besonders guten Wärmeleitfähigkeit sowie an seiner besonders einfachen Handhabung. Der Phasenwechselmaterial-Graphit-Slurry lässt sich leicht in einen Hohlraum der Rotorwelle bzw. des Rotorblech Pakets einbringen, wobei sich die Geometrie des Slurrys an den zu befüllen Hohlraum anpassen und den Hohlraum ausfüllen kann. Anschließend kann der entsprechende Hohlraum insbesondere beidseitig mittels zweier Verschlusselemente, z.B. Deckeln, verschlossen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Phasenwechselmaterial in einer Metallmatrix eingebettet sein. Durch diese Ausführungsform kann die Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials ebenfalls deutlich verbessert werden. Dazu können beispielsweise mit Phasenwechselmaterial infiltrierte metallische Schäume sowie Fasern oder Drahtstrukturen ebenso dienen wie direkte Metall-Phasenwechselmaterial-Verbundwerkstoffe. Je geringer dabei die Porosität (Volumen des Phasenwechselmaterials bezogen auf das Gesamtvolumen) der Materialien ist, desto größer ist deren effektive Wärmeleitfähigkeit, desto geringer ist jedoch auch die verbleibende Speicherkapazität. Der Vorteil insbesondere von Faserwerkstoffen und Verbundwerkstoffen liegt darin, dass das flüssige Phasenwechselmaterial durch Kapillarkräfte fixiert werden kann. Phasenwechselmaterial in Form von Verbundwerkstoffen, z.B. in Form eines Phasenwechselmaterial-Aluminium-Verbundwerkstoffs oder in Form eines Phasenwechselmaterial-Graphitwerkstoffs, kann als Halbzeug gefertigt und in einen Hohlraum innerhalb der Rotorwelle bzw. des Rotorblechpakets eingesetzt werden. Dabei kann auf eine gute Wärmeleitfähigkeit der Materialien hingewirkt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei die Rotorwelle in zwei Wälzlagern mit jeweils einem Innenring und einem Außenring drehbar gelagert ist. Bezüglich technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Weiterbildungen der elektrischen Maschine wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem Rotor nach dem ersten Aspekt der Erfindung sowie auf die folgende Figurenbeschreibung verwiesen.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine Längsschnitt-Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, welcher mit Phasenwechselmaterial gefüllte Hohlräume aufweist,
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2 eine Längsschnitt-Darstellung eines Rotors mit Hohlräumen für Phasenwechselmaterial entlang der Schnittlinie C-C aus 3,
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3 eine Draufsicht auf den Rotor nach 2 und
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4 eine perspektivische Ansicht des Rotors nach 2.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 1, welche einen Rotor 2 mit einer Rotorwelle 3 und mit einem Rotorblechpaket 4 umfasst. Die Rotorwelle 3 ist in einem ersten Wälzlager 5, welches in 1 links dargestellt ist, und in einem zweiten Wälzlager 6, welches in 1 rechts dargestellt ist, drehbar gelagert. Dabei ist die Rotorwelle 3 drehfest mit einem Innenring 5.1 des ersten Wälzlagers 5 und drehfest mit einem Innenring 6.1 des zweiten Wälzlagers 6 verbunden. Die Wälzlager 5 und 6 weisen weiterhin jeweils einen Außenring 5.2 und 6.2 sowie mehrere Wälzkörper auf, welche zwischen den Innenringen 5.1, 6.1 und den Außenringen 5.2, 6.2 angeordnet sind.
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Das Rotorblechpaket 4 ist somit drehfest auf der Rotorwelle 3 gelagert. Der Rotor 2 bzw. dessen Rotorblechpaket 4 ist von einem Stator 7 umgeben, welcher fest in einem Gehäuse 8 der elektrischen Maschine 1 aufgenommen ist. Die Wälzlager 5 und 6 sind fest in einem Lagerschild 9 aufgenommen, wobei der Lagerschild 9 an dem Gehäuse 8 befestigt ist. Das linke Wälzlager 5 ist als Festlager ausgeführt, und das rechte Wälzlager 6 ist als Loslager ausgeführt. An das Lagerschild 9 schließt sich weiterhin ein Inverter 10 der elektrischen Maschine 1 an.
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Die Rotorwelle 3 ist als Hohlwelle ausgebildet, und weist einen Hohlraum in Form einer zentrischen Bohrung 11 auf, welche als Durchgangsbohrung ausgeführt ist, sich entlang der Längsachse L der Rotorwelle 3 erstreckt und beidseitig durch jeweils ein Verschlusselement in Form eines Deckels 12.1 und 12.2 verschlossen ist. In die zentrische Bohrung 11 ist zwischen den Deckeln 12.1 und 12.2 ein Phasenwechselmaterial 13 eingebracht, welches die zentrische Bohrung 11 ausfüllt. Auf diese Weise ist das Phasenwechselmaterial 13 innerhalb der Rotorwelle 3 gekapselt.
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Das Rotorblechpaket 4 weist mehrere um seinen Umfang verteilte Hohlräume in Form von Taschen 14 auf, welche sich entlang der Längsachse L des Rotorblechpakets 4 erstrecken und jeweils beidseitig durch ein Verschlusselement in Form eines Deckels 15.1 und 15.2 verschlossen sind. In die Taschen 14 ist jeweils ein Phasenwechselmaterial 16 eingebracht welches die Taschen 14 ausfüllt. Auf diese Weise ist das Phasenwechselmaterial 16, bei dem es sich um das gleiche Phasenwechselmaterial 13 handeln kann, welches in die zentrische Bohrung 11 der Rotorwelle 3 eingebracht ist, innerhalb des Rotorblechpakets 4 eingekapselt. Das Phasenwechselmaterial 13 und 16 kann insbesondere bei auftretenden Temperaturspitzen mit Abwärme beladen werden, welche wiederum in Temperatursenken abgegeben werden kann. Auf diese Weise kann eine mittlere Temperatur der Lager 5 und 6 sowie eine Temperaturdifferenz zwischen den Innenringen 5.1, 6.1 und Außenringen 5.2, 6.2 der Lager 5, 6 gesenkt und dadurch die Lebensdauer der Lager 5, 6 erhöht werden.
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2 bis 4 zeigen in unterschiedlichen Ansichten einen weiteren Rotor 2 mit einer Rotorwelle 3 und mit einem Rotorblechpaket 4. Die Rotorwelle 3 ist als Hohlwelle ausgeführt und weist eine zentrische Sacklochbohrung 11 auf, welche sich entlang der Längsachse L der Rotorwelle 3 erstreckt und beginnend von der durch 2 links dargestellten Stirnseite 17 der Rotorwelle 3 in die Rotorwelle 3 hineinragt, in etwa bis zur Höhe eines durch 2 rechts dargestellten Ende eines Kurzschlussrings 18 des Rotors 2. In die Sacklochbohrung 11 kann ein Phasenwechselmaterial eingebracht werden und anschließend, z.B. mit einem Deckel, innerhalb der Sacklochbohrung 11 der Rotorwelle 3 eingekapselt werden, ähnlich wie dies durch 1 gezeigt ist, wobei jedoch aufgrund der Sacklochbohrung 11 lediglich ein Deckel notwendig ist.
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Das Rotorblechpaket 4 weist mehrere um seinen Umfang verteilte Hohlräume in Form von Taschen 14 auf, welche sich entlang der Längsachse L des Rotorblechpakets 4 erstrecken. Die Taschen 14 sind verschlossen. Dazu ist kein Deckel notwendig. Das Verschließen der Taschen 14 wird dadurch erreicht, dass an die Taschen 14 angrenzende Rotorbleche des Rotorblechpakets 4 an entsprechenden Stellen geschlossen ausgeführt sind. Während eines Stapelns des Rotorblechpakets 4 kann Phasenwechselmaterial die Taschen 14 eingebracht werden und anschließend können die Taschen 14 durch ein an entsprechenden Stellen geschlossen ausgeführtes Rotorblech des Rotorblechpakets 4 verschlossen werden. Auf diese Weise kann das Phasenwechselmaterial, bei dem es sich um das gleiche Phasenwechselmaterial handeln kann, welches in die zentrische Bohrung 11 der Rotorwelle 3 eingebracht werden kann, innerhalb des Rotorblechpakets 4 eingekapselt werden.
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Bei den Phasenwechselmaterialen nach 1 bis 4 kann es sich insbesondere um anorganische Speichermedien (Salzhydrate, reine Metalle bzw. Salze), organische Speichermedien (Paraffine und Fettsäuren) sowie Mischungen von Phasenwechselmaterialien handeln.
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Weiterhin können Verbundwerkstoffe als Phasenwechselmaterial zum Einsatz kommen, welche einen zusätzlichen Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, z.B. ein Salz-/Graphitmaterial, aufweisen. Insbesondere kann ein Slurry in die Hohlräume eingeführt werden, wozu Graphitpulver oder Graphitgranulat mit dem Phasenwechselmaterial gemischt wird und dadurch eine Prägemasse entsteht.
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Ferner kann das Phasenwechselmaterial in einer Metallmatrix eingebettet sein, z.B. in metallische Schäume infiltriert oder eingebettet in Fasern oder Drahtstrukturen. Ebenso können direkte Metall-Phasenwechselmaterial-Verbundwerkstoffe zum Einsatz kommen, z.B. ein Phasenwechselmaterial-Aluminium-Verbundwerkstoff oder ein Phasenwechselmaterial-Graphitwerkstoff.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009012324 A1 [0006, 0006]
