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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.
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Wie allgemein bekannt, umfassen elektrische Maschinen eine Kühlung. Elektrische Maschinen sind insbesondere als Wechsel- bzw. Drehstrommaschinen ausgeführt. Dabei kann es sich um Synchron- oder Asynchronmaschinen handeln.
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Zum Beispiel gemäß dem Dokument
DE2330172A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer als Asynchronmaschine ausgeführten elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor Stand der Technik. Neben Wärmerohren, welche zum Zweck der Kühlung dieser elektrischen Maschine mit dem Stator verbunden sind, umfasst auch der Rotor solche Wärmerohre. Die Wärmerohre weisen, so wie allgemein bekannt, zumindest eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone auf bzw. entsprechende Abschnitte entlang ihrer Längserstreckung. Die Wärmerohre ragen gemäß der aus dem Dokument
DE2330172A1 bekannten Ausführung in axialer Richtung deutlich über die beiden Enden bzw. Stirnseiten des Stators und des Rotors hinaus. In den Kondensationszonen bzw. - abschnitten weisen die Wärmerohre weiterhin Kühlrippen auf. Ohne Zweifel ist diese Konstruktion sehr gut zur Kühlung der zu Grunde liegenden elektrischen Maschine geeignet. Jedoch ist der Aufwand zur Fertigung einer derart filigranen Maschine sehr hoch und es wird viel Bauraum beansprucht. Weiterhin ist zu erwarten, dass die im Betrieb dieser elektrischen Maschine auftretenden Kräfte deren Verwendbarkeit deutlich einschränken.
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Die dem Rotor gemäß dem Dokument
DE2330172A1 zugeordneten Wärmerohre sind aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit hergestellt und bilden zusammen mit End- bzw. Stirnringen, welche an den gegenüberliegenden Enden des Rotors angeordnet sind, einen in sich geschlossenen Käfig. Bekanntermaßen umfasst eine als Asynchronmaschine ausgeführte elektrische Maschine einen solchen Kurzschlusskäfig. Auch eine als Synchronmaschine ausgeführte elektrische Maschine kann einen solchen Aufbau aufweisen. So ist zum Beispiel gemäß dem Dokument
AT216087B eine elektrische Maschine Stand der Technik, welche als Synchronmaschine mit einem Dämpferkäfig ausgeführt ist. Ein solcher auch als Dämpferwicklung bekannter Dämpferkäfig beeinflusst das Betriebsverhalten einer Synchronmaschine vorteilhaft. Insbesondere können damit Pendelmomente gedämpft werden, die beispielsweise durch Stoßbelastungen bedingt sind.
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Gemäß den Dokumenten
EP2299565B1 ,
DE102009051488A1 und
DE10258778A1 sind weitere Rotoren elektrischer Maschinen Stand der Technik, die jeweils einen Kurzschlusskäfig haben, dessen Stäbe aus Wärmerohren gebildet werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sehr gute Kühlung einer elektrischen Maschine mit geringem Fertigungsaufwand, wenig beanspruchtem Bauraum und ausreichender Festigkeit zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, am Umfang des Rotors oder an den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotors ein erster Ring und ein zweiter Ring angeordnet ist, wobei der erste Ring und der zweite Ring mittels mehrerer Stäbe zur Bildung eines Käfigs derart zusammengefügt sind, dass in diesem Käfig ein elektrischer Kurzschlussstrom fließen kann. Erfindungsgemäß weisen dabei die Stäbe entlang ihrer axialen Erstreckung drei Bereiche auf. Dabei erstreckt sich ausgehend von einem ersten Ende eines Stabes zunächst ein erster Bereich, in dem eine mechanische und eine elektrische Verbindung zwischen dem Stab und dem ersten Ring oder dem zweiten Ring hergestellt ist. Der Stab ist in dem ersten Bereich nicht als Wärmerohr ausgebildet. An den ersten Bereich schließt sich ein zweiter Bereich an, der als Wärmerohr für eine Aufnahme von Wärme in Verbindung mit dem Verdampfen eines im Wärmerohr enthaltenen Arbeitsmediums ausgebildet ist. An den zweiten Bereich schließt sich wiederum ein dritter Bereich an, in dem eine mechanische und eine elektrische Verbindung zwischen dem Stab und dem ersten Ring oder dem zweiten Ring hergestellt ist. Weiterhin ist in dem dritten Bereich insofern eine thermische Verbindung zwischen dem Stab und dem ersten Ring oder dem zweiten Ring hergestellt, als im dritten Bereich der Stab als Wärmerohr für eine Abgabe von Wärme an den ersten Ring oder den zweiten Ring in Verbindung mit dem Kondensieren des im Wärmerohr enthaltenen Arbeitsmediums ausgebildet ist. Erfindungsgemäß sind sowohl Stäbe im ersten Bereich mit dem ersten Ring verbunden als auch Stäbe im ersten Bereich mit dem zweiten Ring verbunden.
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D. h. die Stäbe sind zur Bildung des Käfigs abwechselnd im ersten Bereich mit dem ersten Ring und im ersten Bereich mit dem zweiten Ring verbunden, wodurch erfindungsgemäß eine gleichmäßige Verteilung der abzugebenden Wärme sichergestellt ist. Infolgedessen sind sowohl Stäbe im dritten Bereich mit dem ersten Ring verbunden als auch Stäbe im dritten Bereich mit dem zweiten Ring verbunden. Dadurch steht gegenüber einer ausschließlichen Verbindung der Stäbe im dritten Bereich mit nur einem der beiden Ringe eine doppelt so große Fläche bereit, so dass eine doppelt so große Wärmeabfuhr möglich ist. Durch die wechselseitige Verbindung der Stäbe im ersten Bereich mit dem ersten Ring, als auch im ersten Bereich mit dem zweiten Ring, ergibt sich dadurch, dass der erste Bereich jeweils nicht als Wärmerohr ausgebildet ist, also nicht rohrförmig, d. h. nicht hohl bzw. nicht als Hohlkörper, sondern insbesondere stangenförmig bzw. aus einem Vollmaterial ausgeführt ist, eine hohe Stabilität des gebildeten Käfigs. Viel Bauraum wird dadurch, dass die Stäbe über einen Teil ihrer Erstreckung als Wärmerohre ausgeführt sind und die erfindungsgemäße Verteilung der Wärmeabgabe abwechselnd an beiden Seiten des Rotors erfolgt, nicht benötigt. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt, ohne dass Einbußen hinsichtlich der Wärmeabfuhr hingenommen werden müssen. Die Fertigung des Käfigs bzw. Rotors ist nicht aufwendig. Insbesondere können die einzelnen Bereiche der als Wärmerohre ausgeführten Stäbe, einschließlich des Bereichs, in dem ein Stab nicht als Wärmerohr ausgeführt ist, ohne viel Aufwand hergestellt werden. Einen besonderen Aufwand verursacht das erfindungsgemäß wechselseitige Anordnen von Stäben zwischen den Ringen ebenfalls nicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Gemäß 1 ist der Rotor 1 einer elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle 2 gezeigt. Der Rotor 1 ist neben einem nicht gezeigten Stator Bestandteil der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist bevorzugt eine Mehrphasen-Synchronmaschine oder eine Mehrphasen-Asynchronmaschine. D. h. es werden im weiteren Verlauf insbesondere Drehstrommaschinen betrachtet, die sehr vielfältig Verwendung finden, insbesondere in Fahrzeuganwendungen.
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Angenommen, es handelt sich um eine Synchronmaschine, dann umfasst der Rotor 1 für die Bereitstellung des erforderlichen Erregerfeldes Permanentmagnete oder Wicklungen bzw. Spulen. Diese sind in 1 nicht gezeigt. Am Umfang (gerastert gezeichnet) oder den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotors 1 sind axial voneinander beabstandet ein erster Ring 3 und ein zweiter Ring 4 angeordnet (in 1 nicht gezeigt, siehe jedoch 3). Bei einer Anordnung am (Außen)-Umfang bzw. der Außenfläche bzw. Außenumfangsfläche des Rotors 1 ist der Abstand des ersten Ringes 3 zum zweiten Ring 4 in Richtung der Längserstreckung des Rotors 1 insbesondere derart, dass der erste Ring 3 und der zweite Ring 4 an den bzw. im Bereich der beiden gegenüberliegenden Enden angeordnet sind. Die beiden Ringe 3, 4 können auch in den (Außen-)Umfang bzw. in die Außenumfangsfläche des Rotors 1 eingearbeitet bzw. integriert sein. Der erste Ring 3 und der zweite Ring 4 sind mittels mehreren am (Außen-)Umfang des Rotors verteilten Stäben 5 verbunden, wodurch ein Dämpferkäfig gebildet wird, welcher die gemäß dem Stand der Technik bekannten Effekte bewirkt. Natürlich sind der erste (Dämpfer-)Ring 3, der zweite (Dämpfer-)Ring 4 sowie die (Dämpfer-)Stäbe 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material und so miteinander elektrisch leitend verbunden, dass in dem Dämpferkäfig ein elektrischer (Kurzschluss-)Strom fließen kann. Denkbar ist auch, dass die Stäbe 5 zur Verbindung des ersten Ringes 3 mit dem zweiten Ring 4 in Nuten im Rotor 1 bzw. durch den Rotor 1 selbst verlaufen, insbesondere nahe der Oberfläche des Rotors 1 bzw. nahe der (Außen-)Umfangsfläche. Denkbar ist es weiterhin, dass neben dem ersten Ring 3 und dem zweiten Ring 4 ein weiterer, jedoch in 1 nicht gezeigter Ring vorgesehen ist, insbesondere dann, wenn der Rotor 1 eine sehr große axiale Länge aufweist.
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Für den Fall, dass es sich um eine Asynchronmaschine handelt, dann umfasst der in 1 gezeigte Rotor 1 ebenfalls die im vorhergehenden Absatz genannten Merkmale, allerdings keine Permanentmagnete oder Wicklungen bzw. Spulen und es wird kein Dämpferkäfig gebildet, sondern ein Kurzschlusskäfig, wobei der erste (Kurzschluss-)Ring 3, der zweite (Kurzschluss-)Ring 4 sowie die (Kurzschluss-)Stäbe 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und so miteinander verbunden sind, dass in dem Kurzschlusskäfig ein elektrischer (Kurzschluss-)Strom fließen kann.
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Wie in
2 gezeigt, können bei einer Asynchronmaschine die Stäbe
5 als Wärmerohre ausgebildet sein, die mit einem Arbeitsmedium gefüllt sind, so wie allgemein bekannt, siehe einschlägige Fachliteratur bzw. das eingangs genannte Dokument
DE2330172A1 . In
2 sind der erste Ring
3 und der zweite Ring
4 geschnitten dargestellt, wie durch die Schraffierung angedeutet ist. Der erste Ring
3 und der zweite Ring
4 weisen jeweils Öffnungen an ihren Stirnseiten auf, welche entlang der axialen Erstreckung der Ringe
3 bzw.
4 verlaufen. Die als Wärmerohre ausgebildeten Stäbe
5 sind gemäß
2 in diese Öffnungen in dem ersten Ring
3 und dem zweiten Ring
4 geführt. Die Stäbe
5 können dabei mittels einer Presspassung mit dem ersten Ring
3 und dem zweiten Ring
4 (kraftschlüssig) verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Stäbe
5 mit dem ersten Ring
3 und dem zweiten Ring
4 auch formschlüssig oder auch stoffschlüssig verbunden sein.
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Gemäß 3 sind in einer Detaildarstellung auch die als Wärmerohre ausgeführten Stäbe 5 in einer Schnittdarstellung gezeigt, wie durch die weitere Schraffierung angedeutet ist. Gegenüber 1 sind der erste Ring 3 und der zweite Ring 4 nicht am Außenumfang, sondern an den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotors 1 axial voneinander beabstandet angeordnet.
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Erfindungsgemäß weisen die Stäbe 5 bzw. die Dämpfer- oder Kurzschluss-Stäbe 5 in Richtung ihrer Längserstreckung (axialen Erstreckung) drei Bereiche oder Abschnitte bzw. Zonen 5a bis 5c auf, siehe 4.
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Ausgehend von einem ersten Ende A eines Stabes 5 erstreckt sich zunächst ein erster Bereich 5a in dem eine (feste) mechanische und eine elektrische Verbindung zwischen dem Stab 5 und dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 (je nachdem, ob der erste Bereich 5a mit dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 verbunden ist) hergestellt ist. In dem ersten Bereich 5a ist der Stab 5 nicht als Wärmerohr ausgebildet. Insbesondere ist der Stab 5 im ersten Bereich 5a nicht rohrförmig, also nicht hohl bzw. nicht als Hohlkörper, sondern insbesondere stangenförmig bzw. aus einem Vollmaterial ausgeführt. Auf jeden Fall ist im ersten Bereich 5a der Stab 5 nicht so ausgeführt, dass hier eine Kondensation oder ein Verdampfen eines in einem Wärmerohr enthaltenen Arbeitsmediums erfolgen kann. Der erste Bereich 5a des Stabes 5 erstreckt sich zumindest über eine Länge des Stabes 5, die der Breite des ersten Ringes 3 oder des zweiten Ringes 4 entspricht (je nachdem, ob der erste Bereich 5a mit dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 verbunden ist).
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An den ersten Bereich 5a schließt sich in Richtung der Längserstreckung (axialen Erstreckung) des Stabes 5 ein zweiter Bereich 5b an. In diesem zweiten Bereich 5b ist der Stab 5 als Wärmerohr ausgebildet, also rohrförmig bzw. als Hohlkörper. Der zweite Bereich 5b ist folglich so ausgeführt, dass hier eine Aufnahme von Wärme der elektrischen Maschine bzw. des Rotors 1 und infolgedessen ein Verdampfen eines Arbeitsmediums erfolgt, welches in dem zweiten Bereich 5b in dem Stab 5 enthalten ist. Der zweite Bereich 5b entspricht somit der Verdampfungszone eines Wärmerohres, das sich über diesen zweiten Bereich 5b und einen im weiteren Verlauf noch genauer definierten dritten Bereich 5c des Stabes 5 erstreckt. Der zweite Bereich 5b des Stabes 5 erstreckt sich bevorzugt über eine Länge des Stabes 5, welche höchstens dem (axialen) Abstand zwischen dem ersten Ring 3 und dem zweiten Ring 4 entspricht.
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An den zweiten Bereich 5b schließt sich in Richtung der Längserstreckung (axialen Erstreckung) des Stabes 5 ein dritter Bereich 5c an. Der dritte Bereich 5c erstreckt sich bevorzugt bis zu dem zweiten Ende B des Stabes 5. In dem dritten Bereich 5c ist zunächst eine (feste) mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Stab 5 und dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 (je nachdem, ob der erste Bereich 5a mit dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 verbunden ist) hergestellt. Weiterhin ist in dem dritten Bereich 5c weiterhin insofern eine thermische Verbindung zwischen dem Stab 5 und dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 (je nachdem, ob der erste Bereich 5a mit dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 verbunden ist) hergestellt, als im dritten Bereich 5c der Stab 5 einerseits als Wärmerohr ausgebildet ist, also rohrförmig bzw. als Hohlkörper und andererseits der dritte Bereich 5c so ausgeführt ist, dass hier eine Abgabe der im zweiten Abschnitt 5b vom Arbeitsmedium aufgenommenen Wärme an den ersten Ring 3 oder den zweiten Ring 4 (je nachdem, ob der erste Bereich 5a mit dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 verbunden ist) erfolgt, welches in dem dritten Bereich 5c in dem Stab 5 enthalten ist. D. h. der dritte Bereich 5c entspricht somit der Kondensationszone eines Wärmerohres, das sich über den zweiten Bereich 5b und den dritten Bereich 5c des Stabes erstreckt. Der dritte Bereich 5c des Stabes 5 erstreckt sich zumindest über eine Länge des Stabes 5, die der Breite des ersten Ringes 3 oder des zweiten Ringes 4 entspricht (je nachdem, ob der dritte Bereich 5c mit dem ersten Ring 3 oder dem zweiten Ring 4 verbunden ist).
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Ein Stab 5 ist jedenfalls im zweiten Bereich 5b und im dritten Bereich 5c als Wärmerohr ausgeführt, d. h. der Stab ist in diesen Bereichen 5b, 5c rohrförmig bzw. als Hohlkörper ausgeführt, wobei wie allgemein bekannt das Wärmerohr mit einem geeigneten Arbeitsmedium gefüllt ist.
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Natürlich ist der Stab 5 im ersten Bereich 5a, im zweiten Bereich 5b und im dritten Bereich 5c aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeführt. Auch die Dimensionierung der Stäbe 5 ist derart, dass den beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden mechanischen und elektrischen Belastungen standgehalten wird.
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Wie in 5 gezeigt, sind mehrere Stäbe 5 mit dem ersten Ring 3 und dem zweiten Ring 4 zur Bildung eines Dämpferkäfigs einer Synchronmaschine oder eines Kurzschlusskäfigs einer Asynchronmaschine derart verbunden, dass der erste Bereich 5a einer Anzahl von Stäben 5 mit dem ersten Ring 3 verbunden ist, wobei der dritte Bereich 5c dieser Stäbe 5 mit dem zweiten Ring 4 verbunden ist und dass der erste Bereich 5a einer Anzahl von Stäben 5 mit dem zweiten Ring 4 verbunden ist, wobei der dritte Bereich 5c dieser Stäbe 5 mit dem ersten Ring 3 verbunden ist.
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Entlang des Umfanges des Rotors 1 können auf die vorgenannte Weise Gruppen von aufeinanderfolgenden Stäben 5 gebildet werden, zum Beispiel Gruppen mit zwei, drei oder noch weiteren Stäben 5, welche mit dem ersten Ring 3 und dem zweiten Ring 4 zur Bildung eines Dämpferkäfigs einer Synchronmaschine oder eines Kurzschlusskäfigs einer Asynchronmaschine derart verbunden sind, dass der erste Bereich 5a dieser Stäbe 5 mit dem ersten Ring 3 verbunden ist, wobei der dritte Bereich 5c dieser Stäbe 5 mit dem zweiten Ring 4 verbunden ist. Gefolgt wird diese Gruppe mit zwei, drei oder noch weiteren Stäben 5, von einer weiteren Gruppe mit einer übereinstimmenden Anzahl von Stäben 5, welche mit dem ersten Ring 3 und dem zweiten Ring 4 zur Bildung eines Dämpferkäfigs einer Synchronmaschine oder eines Kurzschlusskäfigs einer Asynchronmaschine derart verbunden sind, dass der erste Bereich 5a dieser Stäbe 5 mit dem zweiten Ring 4 verbunden ist, wobei der dritte Bereich 5c dieser Stäbe 5 mit dem ersten Ring 3 verbunden ist.
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Die vorgenannten Gruppen können auch nur einen Stab 5 umfassen. D. h. die entlang des Umfangs des Rotors 1 angeordneten Stäbe 5 können derart abwechselnd mit dem ersten Ring 3 und dem zweiten Ring 4 zur Bildung eines Dämpferkäfigs einer Synchronmaschine oder eines Kurzschlusskäfigs einer Asynchronmaschine verbunden sein, dass abwechselnd der erste Bereich 5a eines Stabes 5 mit dem ersten Ring 3 verbunden ist, wobei der dritte Bereich 5c dieses Stabes 5 mit dem zweiten Ring 4 verbunden ist und dass der erste Bereich 5a des darauffolgenden Stabes 5 mit dem zweiten Ring 4 verbunden ist, wobei der dritte Bereich 5c dieses Stabes 5 mit dem ersten Ring 3 verbunden ist.
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Wie in 6 gezeigt, kann es vorgesehen sein, den Dämpferkäfig bzw. Kurzschlusskäfig von außen mit einem Kühlmittel zu besprühen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, den ersten Ring 3 und den zweiten Ring 4 mit einem Kühlmittel zu besprühen.
