-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der drehenden elektrischen Maschinen und insbesondere eine Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine.
-
Stand der Technik
-
Die rasante Entwicklung der industriellen Automatisierungstechnik hat dazu geführt, dass drehende elektrische Maschinen weitverbreitet in verschiedenen zusammengesetzten Werkzeugmaschinen für Bearbeitungsprozesse unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitsrotation eingesetzt werden. Aufgrund des beim Statorkern auftretenden Eisenverlusts und des bei der Spule auftretenden Kupferverlusts entsteht bei drehenden elektrischen Maschinen Wärme. Wenn eine drehende elektrische Maschine zum Antreiben einer Spindel einer Werkzeugmaschine verwendet wird, führen die durch hohe Temperaturen hervorgerufenen thermischen Verformungen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauigkeit. Um dem entgegenzuwirken, sind Kühlkanäle am Motorgehäuse vorgesehen, in denen zur Kühlung ein eingebrachtes Kühlmittel strömt, das in direktem Kontakt mit dem Gehäuse steht. Beim aktuellen thermischen Design für drehende elektrische Maschinen hat sich diese Bauweise zum Trend entwickelt.
-
Die Gestaltung bestehender Kanäle sieht die Anordnung mehrerer Strömungskanäle, die sich nicht überkreuzen und parallel nebeneinander angeordnet sind, vor, wobei an den gegenüberliegenden Enden der Längsachse des Kühlkanals jeweils ein Einlass und ein Auslass vorgesehen sind. Dadurch, dass ein Kühlmedium über den Einlass in die spiralförmigen Strömungskanäle hineinfließt und dann über den Auslass herausfließt, wird zum Zwecke der Kühlung Wärme entzogen. Allerdings sind diese spiralförmigen Strömungskanäle durchgehende Strömungskanäle. Durch ihren längeren Kühlpfad erhöht sich der Druckverlust und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums sinkt vom Einlass zum Auslass allmählich ab, was zu einer Verringerung der Kühleffizienz führt.
-
Wie der Druckverlust in den Strömungskanälen durch eine Gestaltung der Kühlkanäle reduziert und somit die Kühleffizienz verbessert werden kann, hat sich daher bei der Gestaltung von drehenden elektrischen Maschinen zu einer großen Herausforderung entwickelt.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine bereitzustellen, bei der durch eine asymmetrische Anordnung der ersten Umlenkbereiche und der zweiten Umlenkbereiche ein Kühlmedium in versetzten Pfaden fließen kann, um die Wärmeableitungseffizienz der drehenden elektrischen Maschine zu verbessern. Darüber hinaus werden am Auslass die Strömungsgeschwindigkeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des Kühlmediums durch die sich allmählich verjüngende Strömungskanäle aufweisende Gestaltung jedes ersten Umlenkbereichs erhöht, um dadurch am Auslass den Wärmeableitungseffekt zu verbessern, wodurch die gesamte Wärmeableitung des Motors gleichmäßiger wird.
-
Technische Lösung
-
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe umfasst die erfindungsgemäße Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine Folgendes: eine Hülse, mehrere Umlenkwände, mehrere erste Blockierwände und mehrere zweite Blockierwände, wobei die Hülse eine Mantelfläche aufweist, wobei die Mantelfläche eine erste Hälfte der Mantelfläche und eine zweite Hälfte der Mantelfläche aufweist. Die Umlenkwände sind parallel zueinander auf der Mantelfläche der Hülse angeordnet, um mehrere Strömungskanäle zu bilden. Die mehreren ersten Blockierwände sind jeweils zwischen den entsprechenden Umlenkwänden der ersten Hälfte der Mantelfläche angeordnet, um mehrere erste Umlenkbereiche zu bilden, wobei die mehreren zweiten Blockierwände jeweils zwischen den entsprechenden Umlenkwänden der zweiten Hälfte der Mantelfläche angeordnet sind, um mehrere zweite Umlenkbereiche zu bilden, wobei die ersten Umlenkbereiche und die zweiten Umlenkbereiche asymmetrisch zueinander angeordnet sind.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine jeweilige erste Blockierwand eine Vertiefung, durch die zwei benachbarte erste Umlenkbereiche miteinander verbunden sind.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung haben die Vertiefungen eine Bogenform oder eine rechteckige Form.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verlaufen die Bodenflächen der Vertiefungen parallel zur Mantelfläche, wobei die zwei gegenüberliegenden Seiten einer jeweiligen Vertiefung parallel zueinander liegen.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine ferner ein die Hülse ummantelndes Gehäuse, wobei das Gehäuse ein Wassereinlassloch und ein Wasserauslassloch aufweist, wobei das Wassereinlassloch und das Wasserauslassloch jeweils an den beiden Enden des Gehäuses vorgesehen und jeweils auf die beiden ersten Umlenkbereiche abgestimmt sind.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Strömungskanäle des mit dem Wassereinlassloch korrespondierenden ersten Umlenkbereichs größer als die Anzahl der Strömungskanäle des mit dem Wasserauslassloch korrespondierenden ersten Umlenkbereichs.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt die Anzahl der Strömungskanäle der mit dem Wassereinlassloch korrespondierenden ersten Umlenkbereiche mindestens das 1,5-fache der Anzahl der Strömungskanäle der mit dem Wasserauslassloch korrespondierenden ersten Umlenkbereiche.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt die Breite der Vertiefungen mindestens das 2-fache der Breite der Strömungskanäle.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt die Tiefe der Strömungskanäle mindestens das 2-fache der Tiefe der Vertiefungen.
-
Zusammenfassend kann bei der erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine ein Kühlmedium durch die asymmetrische Anordnung der ersten Umlenkbereiche und der zweiten Umlenkbereiche in versetzten Pfaden fließen, um die Wärmeableitungseffizienz der drehenden elektrischen Maschine zu verbessern. Darüber hinaus werden am Auslass die Strömungsgeschwindigkeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des Kühlmediums durch die sich allmählich verjüngende Strömungskanäle aufweisende Gestaltung jedes ersten Umlenkbereichs erhöht, um dadurch am Auslass den Wärmeableitungseffekt zu verbessern, wodurch die gesamte Wärmeableitung des Motors gleichmäßiger wird.
-
Figurenliste
-
Die zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen verwendeten Zeichnungen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine,
- 2 eine perspektivische Ansicht der Hülse des ersten Ausführungsbeispiels der drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 3 eine Vorderansicht der ersten Hälfte der Mantelfläche der Hülse des ersten Ausführungsbeispiels der drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 4 eine Vorderansicht der zweiten Hälfte der Mantelfläche der Hülse des ersten Ausführungsbeispiels der drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 5 eine schematische Ansicht der ersten Umlenkbereiche und der zweiten Umlenkbereiche der Hülse des ersten Ausführungsbeispiels der drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 6 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 6-6 gemäß 1,
- 7A eine schematische Ansicht des Aufbaus der Vertiefungen der Hülse des ersten Ausführungsbeispiels der drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 7B eine schematische Ansicht des Aufbaus weiterer Vertiefungen eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 7C eine schematische Ansicht des Aufbaus weiterer Vertiefungen eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 8A eine schematische Ansicht des Aufbaus der Breite und der Tiefe der Vertiefungen des ersten Ausführungsbeispiels der drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 8B eine schematische Ansicht des Aufbaus der Breite und der Tiefe der Strömungskanäle des ersten Ausführungsbeispiels der drehenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 9 ein Beziehungsdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Breite der Vertiefungen zur Breite der Strömungskanäle und dem Druckabfall bzw. der Temperatur zeigt, und
- 10 ein Beziehungsdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Tiefe der Vertiefungen zur Tiefe der Strömungskanäle und dem Druckabfall bzw. der Temperatur zeigt.
-
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Es wird zunächst auf 1 bis 6 verwiesen. Die bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehene Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine umfasst eine Hülse 10, mehrere Umlenkwände 20, mehrere erste Blockierwände 40 und mehrere zweite Blockierwände 50.
-
Die Hülse 10 weist eine Mantelfläche 11 auf, wobei die Mantelfläche 11 eine erste Hälfte 12 der Mantelfläche 11 und eine zweite Hälfte 13 der Mantelfläche 11 aufweist, wobei die erste Hälfte 12 der Mantelfläche 11 und die zweite Hälfte 13 der Mantelfläche 11 symmetrisch zueinander angeordnet sind. Die Umlenkwände 20 sind parallel zueinander auf der Mantelfläche 11 der Hülse 10 angeordnet, um mehrere Strömungskanäle 30 zu bilden.
-
Die ersten Blockierwände 40 sind jeweils zwischen den entsprechenden Umlenkwänden 20 der ersten Hälfte 12 der Mantelfläche 11 angeordnet, um mehrere erste Umlenkbereiche 42 zu bilden, wobei die zweiten Blockierwände 50 jeweils zwischen den entsprechenden Umlenkwänden 20 der zweiten Hälfte 13 der Mantelfläche 11 angeordnet sind, um mehrere zweite Umlenkbereiche 52 zu bilden. Die auf der ersten Hälfte 12 der Mantelfläche 11 vorgesehenen ersten Umlenkbereiche 42 und die auf der zweiten Hälfte 13 der Mantelfläche 11 vorgesehenen zweiten Umlenkbereiche 52 sind asymmetrisch zueinander angeordnet.
-
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine ferner ein die Hülse 10 ummantelndes Gehäuse, wobei das Gehäuse ein Wassereinlassloch 61 und ein Wasserauslassloch 62 aufweist, wobei das Wassereinlassloch 61 und das Wasserauslassloch 62 jeweils an den beiden Enden des Gehäuses vorgesehen und jeweils auf die beiden ersten Umlenkbereiche 42 abgestimmt sind. Auf der ersten Hälfte 12 der Mantelfläche 11 sind vier erste Umlenkbereiche 42 vorgesehen, wobei die Anzahl der Strömungskanäle des jeweiligen ersten Umlenkbereichs 42 vom Wassereinlassloch 61 aus in Richtung des Wasserauslasslochs 62 allmählich abnimmt. Ferner weist ein mit dem Wassereinlassloch 61 korrespondierender erster Umlenkbereich 42 sechs Strömungskanäle 30 auf, wobei ein dazu benachbarter erster Umlenkbereich 42 fünf Strömungskanäle 30 aufweist. Ein mit dem Wasserauslassloch 62 korrespondierender erster Umlenkbereich 42 weist zwei Strömungskanäle 30 auf, wobei ein dazu benachbarter erster Umlenkbereich 42 drei Strömungskanäle 30 aufweist. Die Anzahl der Strömungskanäle bei diesem Ausführungsbeispiel dient jedoch lediglich zur Veranschaulichung. Als Gestaltungsprinzip beträgt die Anzahl der Strömungskanäle der mit dem Wassereinlassloch 61 korrespondierenden ersten Umlenkbereiche 42 mindestens das 1,5-fache der Anzahl der Strömungskanäle der mit dem Wasserauslassloch 62 korrespondierenden ersten Umlenkbereiche 42.
-
Zusammenfassend kann bei der bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine ein Kühlmedium durch die asymmetrische Anordnung der ersten Umlenkbereiche 42 und der zweiten Umlenkbereiche 52 in versetzten Pfaden fließen. Im Vergleich mit der durchgehende Strömungskanäle aufweisenden Gestaltung im Stand der Technik weist die vorliegende Erfindung eine bessere Wärmeableitungseffizienz auf. Darüber hinaus bewirkt die sich allmählich verjüngende Strömungskanäle aufweisende Gestaltung der ersten Umlenkbereiche 42, dass am Einlass die Strömungsgeschwindigkeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient niedriger sind, jedoch am Auslass die Strömungsgeschwindigkeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient höher sind, um dadurch am Auslass den Wärmeableitungseffekt zu verbessern, wodurch die gesamte Wärmeableitung des Motors gleichmäßiger wird.
-
Die 7A bis 7C zeigen jeweils Ausführungsbeispiele verschiedener Vertiefungen 41 der ersten Blockierwände 40. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst eine jeweilige erste Blockierwand 40 der ersten Umlenkbereiche 42 eine Vertiefung 41, durch die zwei benachbarte erste Umlenkbereiche 42 miteinander durchgängig verbunden sind und verhindert werden kann, dass bei einem Kühlmedium Turbulenzströmungen an der jeweiligen ersten Blockierwand 40 auftreten, um dadurch das Ziel der Reduzierung des Druckverlusts in den Strömungskanälen zu erreichen. Bei dem in 7A gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Bodenflächen der Vertiefungen 41 parallel zur Mantelfläche 11, wobei die gegenüberliegenden Seiten der Vertiefungen 41 parallel zueinander liegen. Bei dem in 7B gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Vertiefungen 41 eine Bogenform. Bei dem in 7C gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Vertiefungen 41 eine rechteckige Form. Jedoch ist bei der vorliegenden Erfindung die Form der Vertiefungen 41 nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Gestaltung der Verbindungsfläche ist abhängig davon, wie stark der Druckverlust in den Strömungskanälen reduziert werden soll.
-
Es wird auf 8A bis 10 verwiesen. Die 8A und 8B zeigen jeweils die Breite W1 und die Tiefe D1 der Vertiefungen 41 und die Breite W2 und die Tiefe D2 der Strömungskanäle 30 des ersten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. 9 zeigt ein Beziehungsdiagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Breite W1 der Vertiefungen 41 zur Breite W2 der Strömungskanäle 30 und dem Druckabfall bzw. der Temperatur zeigt. 10 zeigt ein Beziehungsdiagramm, das die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Tiefe D1 der Vertiefungen 41 zur Tiefe D2 der Strömungskanäle 30 und dem Druckabfall bzw. der Temperatur zeigt. Wenn die Breite W1 der Vertiefungen 41 das 2- bis 4-fache der Breite W2 der Strömungskanäle 30 beträgt, kann der Druckverlust in den Strömungskanälen reduziert und ein besserer Wärmeableitungseffekt erzielt werden. Wenn die Tiefe D1 der Vertiefungen 41 das 0,1- bis 0,5-fache der Tiefe D2 der Strömungskanäle 30 beträgt, kann der Druckverlust in den Strömungskanälen reduziert und ein besserer Wärmeableitungseffekt erzielt werden.
-
Die in der obigen Beschreibung der Gestaltung der Strömungskanäle erläuterten vorteilhaften Effekte der erfindungsgemäßen Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine können wie folgt zusammengefasst werden.
-
1. Im Vergleich dazu, dass sich bei den herkömmlichen durchgehenden Strömungskanälen der Druckverlust aufgrund des längeren Kühlpfads erhöht und somit die Kühleffizienz reduziert ist, kann in der erfindungsgemäßen Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine ein Kühlmedium durch die asymmetrische Anordnung der ersten Umlenkbereiche 42 und der zweiten Umlenkbereiche 52 in versetzten Pfaden fließen, um die Wärmeableitungseffizienz der drehenden elektrischen Maschine zu verbessern. Darüber hinaus werden am Auslass die Strömungsgeschwindigkeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient des Kühlmediums durch die sich allmählich verjüngende Strömungskanäle aufweisende Gestaltung jedes ersten Umlenkbereichs 42 erhöht, um dadurch am Auslass den Wärmeableitungseffekt zu verbessern, wodurch die gesamte Wärmeableitung des Motors gleichmäßiger wird.
-
2. Bei der vorliegenden Erfindung wird bei einem Kühlmedium das Auftreten von Turbulenzströmungen an der jeweiligen ersten Blockierwand 40 dadurch verhindert, dass bei der jeweiligen ersten Blockierwand 40 die Vertiefungen 41 der zwei benachbarten ersten Umlenkbereiche 42 miteinander durchgängig verbunden sind, um so das Ziel der Reduzierung des Druckverlusts in den Strömungskanälen zu erreichen. Ferner ist das Verhältnis zwischen der Breite und der Tiefe der Vertiefungen 41 und der Strömungskanäle 30 optimal ausgelegt, um die Verbindungsfläche der zwei benachbarten ersten Umlenkbereiche 42 und die Verbindungsfläche der Strömungskanäle 30 zu steuern und somit den Druckverlust in den Strömungskanälen zu reduzieren und einen besseren Wärmeableitungseffekt zu erzielen.
