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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der drehenden elektrischen Maschinen und insbesondere eine Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine, wie eine Kühlstruktur für einen Drehmotor.
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Stand der Technik
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Die rasante Entwicklung der industriellen Automatisierungstechnik hat dazu geführt, dass drehende elektrische Maschinen, wie Drehmotoren, weitverbreitet in verschiedenen zusammengesetzten Werkzeugmaschinen für Bearbeitungsprozesse eingesetzt werden, bei denen eine Hochgeschwindigkeitsrotation verwendet wird. Aufgrund des am Statorkern auftretenden Eisenverlusts und des an der Spule auftretenden Kupferverlusts entsteht im Betrieb der drehenden elektrischen Maschinen Wärme. Wenn eine drehende elektrische Maschine zum Antrieb einer Spindel einer Werkzeugmaschine verwendet wird, rufen die durch die gebildete Wärme erzeugten hohen Temperaturen thermische Verformungen hervor, die zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauigkeit führen. Um dem entgegenzuwirken sind Kühlkanäle am Gehäuse der drehenden elektrischen Maschine, d.h. dem Motorgehäuse des Drehmotors, vorgesehen, in denen zur Kühlung ein darin aufgenommenes Kühlmittel entlangströmt, das im direkten Kontakt mit dem Gehäuse steht. Bei dem aktuellen Thermo-Design für drehende elektrische Maschinen hat sich diese Bauweise zur bevorzugten Ausführungsform entwickelt.
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Die Gestaltung herkömmlicher Kühlkanäle sieht die Anordnung mehrerer Strömungskanäle vor, die sich nicht überkreuzen und parallel nebeneinander angeordnet sind, wobei an den gegenüberliegenden Enden der Längsachse der Kühlkanäle 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 den darin ausgebildeten vergleichsweise langen Kühlpfad ist der Druckverlust relativ hoch und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums nimmt vom Einlass zum Auslass allmählich ab, was zu einer Verringerung der Kühleffizienz führt.
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Wie der Druckverlust in den Strömungskanälen durch eine Gestaltung der Kühlkanäle reduziert und somit die Kühleffizienz verbessert werden kann, stellt daher bei der Gestaltung einer drehenden elektrischen Maschine eine wichtige Aufgabe dar.
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Zum Stand der Technik sei noch auf die Druckschriften
DE 10 2012 202 460 A1 ,
DE 10 2006 044 785 A1 ,
DE 10 2011 082 696 A1 und
DE 10 2009 050 090 A1 verwiesen, wobei aus der Druckschrift
DE 10 2012 202 460 A1 im Wesentlichen eine Kühlstruktur gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1 bekannt ist. Aus dem Dokument
DE 10 2006 044 785 A1 ist ferner eine herkömmliche Kühlanordnung einer flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschine mit einem Kühlsystem bekannt, wobei das Kühlsystem einen Kühlgrundkörper und einen Kühlmantelkörper umfasst, wobei zwischen Kühlgrundkörper und Kühlmantelkörper eine Kühlstruktur mit einer korrosionsbeständigen Oberflächenschicht vorgesehen ist. Darüber hinaus beschreibt das Dokument
DE 10 2009 050 090 A1 eine herkömmliche Kühlanordnung mit Kühlkanal, bei welcher innerhalb des Kühlkanals zumindest ein Turbulator angeordnet ist, sowie einen Elektromotor mit einer solchen Anordnung. Dokument
DE 10 2011 082 696 A1 betrifft außerdem einen Elektromotor, der ein Gehäuse aufweist, in welchem ein Stator angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest eine Öffnung hat, um durch diese ein Stromleitbauteil durchzuführen, wobei die Öffnung an einer radialen Umfangsfläche des Gehäuses ausgebildet ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine bereitzustellen, mit welcher die Wärmeableitungseffizienz der drehenden elektrischen Maschine verbessert werden kann.
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Technische Lösung
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bereitgestellt, bei der ein Kühlmedium durch Hauptöffnungen an in versetzter Anordnung gestalteten Hauptumlenkwänden an einer Mantelfläche in versetzten Pfaden fließen kann. Dadurch, dass sich die Breite der Hauptströmungskanäle von einem Wassereinlassloch bis zu einem Wasserauslassloch allmählich verjüngt und bei allen Hauptströmungskanälen die Anzahl der Nebenströmungskanäle vom Wassereinlassloch bis zum Wasserauslassloch unterschiedlich ist, kann der Wärmeableitungseffekt am Auslass verbessert werden und erreicht werden, dass die Wärmeableitung für die drehende elektrische Maschine insgesamt gleichmäßiger wird. Ferner wird die Wärmeableitfläche durch einen trapezförmigen Aufbau der Hauptumlenkwände und der Nebenumlenkwände vergrößert, um dadurch den Gesamteffekt der Wärmeableitung zu verbessern.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe umfasst die erfindungsgemäße Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine daher eine Hülse und mehrere Hauptumlenkwände, wobei die Hülse eine Mantelfläche aufweist, wobei die Mantelfläche eine erste Hälfte der Mantelfläche und eine zweite Hälfte der Mantelfläche aufweist. Die Hauptumlenkwände sind zur Ausbildung mehrerer Hauptströmungskanäle parallel zueinander an der Mantelfläche der Hülse angeordnet. Jede der Hauptumlenkwände umfasst eine Hauptöffnung, wobei die beiden Hauptöffnungen zweier benachbarter Hauptumlenkwände jeweils an der ersten Hälfte der Mantelfläche und an der zweiten Hälfte der Mantelfläche vorgesehen sind.
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Des Weiteren 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 Hauptströmungskanäle abgestimmt sind.
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Erfindungsgemäß ist die Breite der mit dem Wassereinlassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle größer als die Breite der mit dem Wasserauslassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Verhältnis zwischen der Breite der mit dem Wassereinlassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle und der Breite der mit dem Wasserauslassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle zwischen 2 und 3 liegen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine ferner mehrere Nebenumlenkwände umfassen, die parallel zueinander an den Hauptströmungskanälen angeordnet sind, um mehrere Nebenströmungskanäle zu bilden, wobei jeder der Nebenströmungskanäle zwei Nebenöffnungen aufweist, die jeweils an der ersten Hälfte der Mantelfläche und an der zweiten Hälfte der Mantelfläche vorgesehen sind.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Nebenströmungskanäle der mit dem Wassereinlassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle größer als die Anzahl der Nebenströmungskanäle der mit dem Wasserauslassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle sein, wobei das Verhältnis zwischen der Anzahl der Nebenströmungskanäle der mit dem Wassereinlassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle und der Anzahl der Nebenströmungskanäle der mit dem Wasserauslassloch korrespondierenden Hauptströmungskanäle zwischen 2 und 3 liegt.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Hauptumlenkwände und die Nebenumlenkwände eine Trapezform aufweisen, wobei die trapezförmigen Hauptumlenkwände und Nebenumlenkwände jeweils einen oberen Abschnitt mit einer ersten Länge und einen unteren Abschnitt mit einer zweiten Länge aufweisen, wobei die erste Länge kleiner als die zweite Länge ist.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liegt zwischen der ersten Länge und der zweiten Länge ein Faktor zwischen 0,2 und 0,8 vor.
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Zusammenfassend kann bei der erfindungsgemäßen Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine ein Kühlmedium in versetzten Pfaden durch die Hauptöffnungen der in einer versetzten Anordnung ausgebildeten Hauptumlenkwände an der Mantelfläche fließen, um die Wärmeableitungseffizienz der drehenden elektrischen Maschine zu verbessern. Dadurch, dass sich die Breite der Hauptströmungskanäle vom Wassereinlassloch bis zum Wasserauslassloch allmählich verjüngt und bei allen Hauptströmungskanälen die Anzahl der Nebenströmungskanäle zwischen dem Wassereinlassloch und dem Wasserauslassloch unterschiedlich ist, kann am Auslass der Wärmeableitungseffekt verbessert werden und erreicht werden, dass die Wärmeableitung bei der drehenden elektrischen Maschine insgesamt gleichmäßiger wird. Ferner wird die Wärmeableitfläche durch den trapezförmigen Aufbau der Hauptumlenkwände und der Nebenumlenkwände vergrößert, um dadurch die Gesamtwärmeableitungswirkung zu verbessern.
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Figurenliste
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Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Explosionsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine,
- 2 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis einer ersten Breite zu einer zweiten Breite (W1/W2) und dem Druckabfall bzw. der Temperatur für das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine zeigt,
- 3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine,
- 4 eine Vorderansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine und
- 5 eine Vorderansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine sowie eine vergrößerte Ansicht daraus.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Es wird zunächst auf 1 verwiesen. Die darin gezeigte Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Hülse 10 und mehrere Hauptumlenkwände 20, wobei die Hülse 10 eine Mantelfläche 11 aufweist, 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 Hauptumlenkwände 20 sind zur Ausbildung mehrerer Hauptströmungskanäle 21 parallel zueinander an der Mantelfläche 11 der Hülse 10 angeordnet.
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Darüber hinaus umfasst die Kühlstruktur der drehenden elektrischen Maschine ferner ein die Hülse 10 ummantelndes Gehäuse 30, wobei das Gehäuse 30 ein Wassereinlassloch 31 und ein Wasserauslassloch 32 aufweist, wobei das Wassereinlassloch 31 und das Wasserauslassloch 32 jeweils an den beiden Enden des Gehäuses 30 vorgesehen sind und jeweils den beiden Hauptströmungskanälen 21 entsprechend angeordnet sind.
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Jede Hauptumlenkwand 20 umfasst eine Hauptöffnung 22, wobei die beiden Hauptöffnungen 22 von zwei zueinander benachbarten Hauptumlenkwänden jeweils an der ersten Hälfte 12 der Mantelfläche 11 und an der zweiten Hälfte 13 der Mantelfläche 11 vorgesehen sind, wodurch die Hauptöffnungen 22 der Hauptumlenkwände 20 an der Mantelfläche 11 zueinander versetzt angeordnet sind. Ferner weist der mit dem Wassereinlassloch 31 korrespondierende Hauptströmungskanal 21 eine erste Breite W1 auf, wobei der mit dem Wasserauslassloch 32 korrespondierende Hauptströmungskanal 21 eine zweite Breite W2 aufweist, wobei die erste Breite W1 größer als die zweite Breite W2 ist. Ferner weist der weitere Hauptströmungskanal 21, der zu dem mit dem Wassereinlassloch 31 korrespondierenden Hauptströmungskanal 21 benachbart ist, eine Strömungskanalbreite auf, die etwas kleiner ist als die erste Breite W1, wobei der andere Hauptströmungskanal 21, der zu dem mit dem Wasserauslassloch 32 korrespondierenden Hauptströmungskanal 21 benachbart ist, eine Strömungskanalbreite aufweist, die etwas größer ist als die zweite Breite W2 ist. Das heißt, dass die Strömungskanalbreite der Hauptströmungskanäle 21 vom Wassereinlassloch 31 ausgehend in Richtung des Wasserauslasslochs 32 allmählich abnimmt. Die tatsächliche Strömungskanalbreite wird jedoch in Abhängigkeit von der tatsächlichen Gesamtlänge der Hülse 10 festgelegt. 2 zeigt ein Wechselwirkungsdiagramm, das den Zusammenhang zwischen der Größe des Verhältnisses zwischen der ersten Breite W1 und der zweiten Breite W2 und dem Druckabfall bzw. der Temperatur zeigt. Wenn das Verhältnis zwischen der ersten Breite W1 und der zweiten Breite W2 zwischen 2 und 3 liegt, kann die Gesamttemperatur effektiv reduziert werden und ferner kann eine signifikante Verringerung des Druckabfalls erreicht werden. Als erfindungsgemäßes Gestaltungsprinzip gilt daher, dass das Verhältnis zwischen der ersten Breite W1 und der zweiten Breite W2 zwischen 2 und 3 beträgt.
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Zusammenfassend kann bei der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine ein Kühlmedium in versetzten Pfaden durch die Hauptöffnungen 22 der in versetzter Anordnung ausgebildeten Hauptumlenkwände 20 an der Mantelfläche 11 fließen. Im Vergleich mit der Gestaltungsweise im Stand der Technik, bei der durchgehende Strömungskanäle vorgesehen sind, weist die vorliegende Erfindung eine bessere Wärmeableitungseffizienz auf. Darüber hinaus kann durch die sich allmählich verjüngende Breite der Hauptströmungskanäle 21 erreicht werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient am Einlass niedriger sind, wohingegen die Strömungsgeschwindigkeit und der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient am Auslass höher sind, um dadurch den Wärmeableitungseffekt am Auslass zu verbessern, wodurch die Wärmeableitung bei der drehenden elektrischen Maschine in Gestalt eines Drehmotors () insgesamt gleichmäßiger wird.
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Die 3 und 4 zeigen jeweils eine perspektivische Ansicht und eine Vorderansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst die im zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehene Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine ferner mehrere Nebenumlenkwände 40, die parallel zueinander an den Hauptströmungskanälen 21 angeordnet sind, um mehrere Nebenströmungskanäle 41 auszubilden, wobei jeder der Nebenströmungskanäle 40 zwei Nebenöffnungen 42 aufweist, die jeweils an der ersten Hälfte der Mantelfläche und an der zweiten Hälfte der Mantelfläche vorgesehen sind. Ferner ist die Anzahl der zu dem Wassereinlassloch 31 benachbarten Nebenströmungskanäle 41 größer als die Anzahl der zu dem Wasserauslassloch 32 benachbarten Nebenströmungskanäle 41, wobei das Verhältnis zwischen der Anzahl der zu dem Wassereinlassloch 31 benachbarten Nebenströmungskanäle 41 und der Anzahl der zu dem Wasserauslassloch 32 benachbarten Nebenströmungskanäle 41 zwischen 2 und 3 liegt.
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In der gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildeten Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine sind an allen Hauptströmungskanälen 21 mehrere nebeneinander angeordnete Nebenströmungskanäle 41 vorgesehen. Dadurch, dass die Anzahl der zu dem Wassereinlassloch 31 benachbarten Nebenströmungskanäle 41 größer als die Anzahl der zu dem Wasserauslassloch 32 benachbarten Nebenströmungskanäle 41 ist, kann in einem nahe dem Wassereinlassloch 31 ausgebildeten Niedertemperaturbereich die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums reduziert werden, wohingegen in einem nahe dem Wasserauslassloch 32 ausgebildeten Hochtemperaturbereich die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erhöht werden kann, um dadurch den Wärmeableitungseffekt am Auslass zu verbessern, wodurch die Wärmeableitung des Drehmotors insgesamt gleichmäßiger wird.
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5 zeigt eine Vorderansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine. Der Unterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel und dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Hauptumlenkwände 20 in dem dritten Ausführungsbeispiel eine Trapezform aufweisen. Jede Hauptumlenkwand 20 umfasst einen oberen Abschnitt 23 und einen unteren Abschnitt 24, wobei der obere Abschnitt 23 eine erste Länge D1 aufweist und der untere Abschnitt 24 eine zweite Länge D2 aufweist, wobei die erste Länge D1 kleiner als die zweite Länge D2 ist, wobei zwischen der ersten Länge D1 und der zweiten Länge D2 ein Faktor zwischen 0,2 und 0,8 vorliegt. Es ist erwähnenswert, dass der trapezförmige Aufbau im vorliegenden dritten Ausführungsbeispiel zwar nur für die Hauptumlenkwände 20 verwendet wurde, dieser jedoch auch für die im zweiten Ausführungsbeispiel gezeigten Nebenumlenkwände 40 anwendbar ist, sodass sowohl die Hauptumlenkwände 20 als auch die Nebenumlenkwände 40 einen trapezförmigen Umlenkwandaufbau aufweisen können.
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In der im dritten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine wird die Gesamtfläche der Strömungskanäle durch einen trapezförmigen Aufbau der Umlenkwände vergrößert, um die Wärmeableitfläche zu vergrößern und dadurch den Gesamtwärmeableitungseffekt zu verbessern.
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Die in der vorstehenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele dargestellte Gestaltung der Strömungskanäle und die diesbezüglich erläuterten vorteilhaften Effekte der erfindungsgemäßen Kühlstruktur einer drehenden elektrischen Maschine lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Im Vergleich zu den herkömmlichen durchgehend ausgebildeten Strömungskanälen, bei welchen der Druckverlust aufgrund des vergleichsweise langen Kühlpfads hoch ist und somit die Kühleffizienz reduziert ist, kann bei der erfindungsgemäßen Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine das Kühlmedium in versetzten Pfaden durch die Hauptöffnungen 22 der versetzt angeordneten Hauptumlenkwände 20 an der Mantelfläche 11 fließen, um die Wärmeableitungseffizienz zu verbessern.
- 2. Dadurch, dass sich die Breite der Hauptströmungskanäle 21 vom Wassereinlassloch 31 bis zum Wasserauslassloch 32 erfindungsgemäß allmählich verjüngt und bei allen Hauptströmungskanälen 21 die Anzahl der Nebenströmungskanäle 41 vom Wassereinlassloch 31 bis zum Wasserauslassloch 32 unterschiedlich ist, kann in einem nahe dem Wassereinlassloch 31 ausgebildeten Niedertemperaturbereich die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums reduziert werden, wohingegen in einem nahe dem Wasserauslassloch 32 ausgebildeten Hochtemperaturbereich die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erhöht werden kann, wodurch der Wärmeableitungseffekt am Auslass verbessert werden kann, wodurch die Wärmeableitung für die drehende elektrische Maschine insgesamt gleichmäßiger wird.
- 3. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wärmeableitfläche durch einen trapezförmigen Aufbau der Hauptumlenkwände 20 und der Nebenumlenkwände 40 vergrößert, um dadurch die Gesamtwirkung der Wärmeableitung zu verbessern.
