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Vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle und einer Einrichtung zum Kühlen der Rotorwelle, wobei die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet ist.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE102013104711 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der eine Kühllanze, die stationär ist, in einen Hohlraum einer hohlen Rotorwelle eingebracht wird. In der Kühllanze ist ein Kühlfluidkanal ausgebildet, über den Kühlfluid in die Kühllanze einbringbar und aus der Kühllanze ausbringbar ist, wobei das Kühlfluid die Kühllanze selbst kühlt. Um mittels der Kühllanze auch die Rotorwelle kühlen zu können, wird wiederum in einem Zwischenraum zwischen Kühllanze und Rotorwelleninnenwand ein Getriebeöl eingebracht, das mittels der Kühllanze gekühlt wird und so Wärme von der Rotorwelleninnenwand abtransportiert, so dass die Rotorwelle und damit der Rotor gekühlt wird. Dabei ist die Kühllanze weiterhin mit einem sich zum Rotorwelleninnenraum öffnenden Getriebeölzufuhrkanal ausgestattet, der ein Getriebeölauslassende hat, über das das Getriebeöl in den Rotorwelleninnenraum einbringbar ist. Das Getriebeöl wird anschließend über den Zwischenraum zwischen Kühllanze und Rotorwelleninnenwand aus der Rotorwelle ausgeführt und einem Getriebe als Schmierung zur Verfügung gestellt.
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Nachteilig über diesen Stand der Technik ist jedoch, dass das Kühlfluid den Rotor nicht direkt kühlt, sondern das Material der Kühllanze bzw. das Getriebeöl, wodurch nur eine indirekte verlustbehaftete Kühlung erreichbar ist. Zum anderen entstehen durch das im Zwischenraum zwischen stationärer Kühllanze und rotierender Rotorwelle eingebrachte Getriebeöl Scherkräfte, die die Drehung der Rotorwelle abbremsen.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine effektivere und reibungsverlustärmere Kühlung einer Rotorwelle bereitzustellen.
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Dieser Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Im Folgenden wird eine elektrische Maschine mit einem Rotor und mit einer Kühlvorrichtung vorgestellt. Der Rotor weist eine Rotorwelle, die als Hohlwelle mit einem Hohlwelleninnenraum ausgebildet ist, und ein mit der Rotorwelle fest verbundenes Rotorblechpaket auf. Die Kühleinrichtung dagegen weist eine stationär ausgebildete Kühllanze auf, die zumindest teilweise in die hohle Rotorwelle hineinragt und zum Kühlen der Rotorwelle ausgebildet ist. Um ein effektives Kühlen ohne Reibungsverluste bereitstellen zu können, ist die stationär ausgebildete Kühllanze dazu ausgebildet, ein flüssiges Kühlfluid in den Motorinnenraum einzubringen, das im Rotorwelleninnenraum verdampft. Dadurch wird ein zwischen Kühllanze und Rotorwelle vorhandener Zwischenraum nicht mit einem flüssigen Kühlfluid, wie beispielsweise einem Getriebeöl gefüllt, was zu einem Abbremsen der Rotorwelle aufgrund von Scherkräften in dem Kühlfluid führt. Die Scherkräfte treten auf, da das Kühlfluid radial außen die sich drehende Rotorwelle kontaktiert, während es radial innen an der stationären Kühllanze anliegt und zudem axial entlang der Rotorwelle und der Kühllanze strömt. Dadurch wird ein Teil des Kühlfluids in Rotation versetzt, während ein anderer Teil stationär bleibt, was zu einer Reibung im Kühlfluid und damit zu Reibungsverlusten beim Rotieren der Rotorwelle führt.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel bildet das flüssige Kühlfluid nach Austritt aus der Kühllanze einen Kühlfluidfilm auf einer Innenseite der Rotorwelle, der bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur der Rotorwelle in einen gasförmigen Zustand übergeht. Dadurch entstehen deutlich geringere Reibverluste gegenüber einem Fluid, das sowohl in Kontakt mit der rotierenden Rotorwelle als auch mit der stationären Kühllanze ist. Zwischen Kühlfluidfilm und Kühllanze verbleibt somit ein durch das Verdampfen gekühlter gasgefüllter Raum, der eine Drehung der Rotorwelle nicht negativ beeinflusst. Zudem kann über die beim Phasenübergang auftretenden zusätzlichen Kühleffekte eine besonders gute Kühlung der Rotorwelle erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Rotorwelleninnenraum zumindest an einer Seite zu einer Umgebung offen. Dadurch kann das im Rotorwelleninnenraum beim Verdampfen entstehende gasförmige Kühlfluid aus dem Rotorwelleninnenraum ungehindert austreten, so dass ein ausreichender Kühlfluiddurchsatz möglich ist.
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Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Rotorwelleninnenraum auf der Seite, an der die Kühllanze in den Rotorwelleninnenraum hineinragt, zu der Umgebung offen ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Kühlfluid nicht ungenutzt direkt aus dem Rotorwelleninnenraum an einer der Kühllanze gegenüberliegenden Seite wieder austritt, sondern sich als Kühlfluidfilm an der Rotorwelleninnenwand anlagert. Zudem kann auf eine schwierig zu implementierende Dichtung zwischen rotierender Rotorwelle und stationärer Kühllanze verzichtet werden.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist, vorzugsweise an der offenen Seite des Rotorwelleninnenraums, eine Kühlfluidaufnahmeeinrichtung vorgesehen, die insbesondere das aus der Rotorwelle austretende gasförmige Kühlfluid aufnimmt. Dadurch kann erreicht werden, dass das Kühlfluid nicht in eine Umgebung entweicht.
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Dabei ist vorteilhafterweise die Kühlfluidaufnahmeeinrichtung als Gehäuse ausgebildet, das sich an ein Gehäuse der elektrischen Maschine anschließt oder integral mit diesem ausgebildet ist. Dabei können das Gehäuse der elektrischen Maschine und das Kühlfluidaufnahmegehäuse eine gemeinsame Trennwand aufweisen, an der vorzugsweise ein Lager angeordnet ist, das die Rotorwelle lagert, wobei der Rotorwelleninnenraum offen zu dem Innenraum des Kühlfluidaufnahmegehäuses ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist, bevorzugt in der Kühlfluidaufnahmeeinrichtung, weiterhin eine Kondensiervorrichtung vorgesehen, die das gasförmige Kühlfluid zu flüssigem Kühlfluid kondensiert, was wiederum der Kühllanze bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist Kühlfluidaufnahmeeinrichtung gleichzeitig als Kühlfluidreservoir ausgebildet, was die bereitzustellenden Bauteile reduziert.
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Weiterhin ist vorteilhaft, wenn in der Kühlfluidaufnahmeeinrichtung eine mit der Kühllanze verbundene oder zusammenwirkende Kühlfluidzufuhrvorrichtung vorgesehen ist, die das flüssige Kühlfluid der Kühllanze zuführt. Dabei kann die Kühlfluidzufuhrvorrichtung als eine Pumpe ausgebildet sein, die mit einem Kühlfluidreservoir und der Kühllanze zusammenwirkt, oder als eine Kühlfluidsammel- und -führvorrichtung ausgebildet sein kann, die flüssiges Kühlfluid sammelt und der Kühllanze zuleitet. Mittels der Pumpvorrichtung kann eine aktive Kühlfluidzufuhr zu der Kühllanze erreicht werden, während die Kühlfluidsammel- und -leitvorrichtung eine passive Kühlfluidzufuhr zu der Lanze ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist an der Rotorwelleninnenwand eine oder mehrere Kühlrippen vorgesehen. Diese Kühlrippen vergrößern eine Fläche zum Anlagern des Kühlfluids, wodurch die Effektivität der Kühlung vergrößert wird.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist weiterhin in der Rotorwelle mindestens eine Öffnung vorgesehen, durch die Kühlfluid in einen im Rotorblechpaket angeordneten Kanal überführbar ist. Dabei ist der Kanal zu einem Innenraum der elektrischen Maschine abgeschlossen, aber zu der Umgebung offen, zu der auch der Rotorwelleninnenraum offen ist, insbesondere zu dem Kühlfluidaufnahmeraum hin. Dadurch kann das Kühlfluid nicht nur die Rotorwelle, sondern auch direkt die Rotorblechpakete kühlen, so dass eine besonders effektive Kühlung zur Verfügung gestellt ist.
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Da das Kühlfluid nicht in den Innenraum der elektrischen Maschine eintritt, kann auf Kühlfluideigenschaften, die mit den Komponenten der elektrischen Maschine kompatibel sind, verzichtet werden, so dass ein breites Spektrum an möglichen Kühlfluiden zum Einsatz kommen kann. Dielektrische Fluide haben außerdem den Vorteil gegenüber anderen Kühlfluiden, keinen Kurzschluss zu erzeugen, auch wenn sie elektrische Leiter verbinden. Der Einsatz von dielektrischen Fluiden ist deshalb besonderes bevorzugt. Bei vorteilhafter Gestaltung sind aber auch leitende Fluide einsetzbar.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine, und
- 2: eine schematische Darstellung eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine.
- 3: eine schematische Darstellung eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1, 2 und 3 zeigen schematisch drei Ausführungsbeispiele einer elektrischen Maschine 1 mit einer bevorzugten Kühleinrichtung. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 und einem Rotor 4 auf, die in einem Gehäuse 6 angeordnet sind. Der Rotor 4 weist weiterhin eine Rotorwelle 8 auf, die hohl ausgebildet ist und einen Rotorwelleninnenraum 10 hat, der von Rotorwelleninnenwänden 12 begrenzt ist. Die Rotorwelle 8 ist fest mit Blechpaketen 14 des Rotors 4 verbunden und rotiert um eine Rotationsachse (nicht dargestellt).
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Weiterhin ist den Figuren zu entnehmen, dass das Gehäuse 6 als integrales Gehäuse 6-1 der elektrischen Maschine und als Kühlfluidaufnahmegehäuse 6-2 ausgebildet ist, wobei eine Zwischenwandung 16 vorgesehen ist, die einen Innenraum 18 der elektrischen Maschine 1 von einer Kühlfluidaufnahmeeinrichtung 20 in Form eines Innenraums 20 des Kühlfluidaufnahmegehäuses 6-2 trennt. An der Zwischenwand 16 ist weiterhin ein Lager 22 angeordnet, das die sich drehende Rotorwelle 8 trägt.
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Um eine Kühlung der Rotorwelle 8 bereitzustellen, ist die Rotorwelle 8 an einem ersten Abschnitt 24 geschlossen ausgebildet und an einem zweiten Abschnitt 26 offen ausgebildet, der zu dem Innenraum 20 des Kühlfluidaufnahmegehäuses 6-2 offen ist. In diese offene Seite 26 der Rotorwelle 8 ist eine stehende Kühllanze 30 eingeführt, über die ein flüssiges Kühlfluid 32 in den Rotorwellenhohlraum 10 eingebracht wird. Das flüssige Kühlfluid 32 lagert sich als Kühlfluidfilm 34 an der Innenwand 12 der Rotorwelle 8 an und verdampft bei entsprechender Wärmeeinwirkung, wodurch die Rotorwelle 8 und damit der Rotor 4 effektiv gekühlt werden. Das gasförmige Kühlfluid 36 kann dann aus der offenen Seite 26 der Rotorwelle 8 in den Kühlfluidaufnahmeraum 20 austreten, so dass ein ausreichender Kühlfluiddurchsatz in dem Hohlraum 10 der Rotorwelle 8 vorhanden ist.
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Die für den Phasenübergang von flüssigem Kühlfluid 32 zu gasförmigem Kühlfluid 36 benötigte Energie wird ebenfalls der Umgebung, also hier der Rotorwelle 8, entzogen, so dass eine besonders effektive Kühlung der Rotorwelle 8 und damit des Rotors 4 bereitgestellt werden kann.
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Die Ausbildung des Kühlfluidfilms 34 an der Innenwandung der Rotorhohlwelle 8 erfolgt mittels Zentrifugalkraft. Da der Kühlfluidfilm 34 keinen direkten Kontakt zu der stationären Kühllanze 30 hat, sondern der Raum mit gasförmigem Kühlfluid ausgefüllt ist, gibt es auch nur sehr geringe Scherkräfte und damit eine sehr kleine Bremswirkung auf die Rotorwelle 8.
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Um Kühlfluid zu sparen und vorzugsweise in einem geschlossenen Kühlkreislauf bereitzustellen, ist in dem Kühlfluidaufnahmeraum 20 weiterhin ein Kondensator 38 angeordnet, der das gasförmige Kühlfluid 36 in seine flüssige Form 32 zurücküberführt. Der Kondensator 38 selbst kann beispielsweise über Kühlwasserzufuhr 38-1 und Kühlwasserabfuhr 38-2 gekühlt werden. Dazu kann, wie in 1 dargestellt, ein Kondensatsammler 40 vorgesehen sein, der das in seine flüssige Form rücküberführte Kühlfluid 32 einem Reservoir 42 zuführt. Alternativ kann, wie in 2 dargestellt, der Kondensatsammler 40 als Führblech ausgebildet sein, der das kondensierte flüssige Kühlfluid 32 direkt an die Kühllanze 30 führt. Dadurch kann eine besonders energiesparende Kühlung bereitgestellt werden, da das Kühlfluid nicht aktiv der Kühllanze 30 zugeführt werden muss, sondern schwerkraftbedingt dieser zugeleitet wird.
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Um dagegen in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel das in dem Reservoir 42 befindliche Kühlfluid der Kühllanze 30 zuzuführen, kann eine aktive Kühlfluidzufuhr, beispielsweise in Form einer Pumpenvorrichtung 44, vorgesehen sein, die flüssiges Kühlfluid aus dem Reservoir 42 in die stationäre Kühllanze 30 überführt.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich wiederum darin, dass die Rotorhohlwelle 8 zudem mindestens eine Öffnung 50 aufweisen kann, die mit einem Kanal 52 fluidisch verbunden ist, der in dem Rotorblechpaket 14 ausgebildet ist. Durch die Öffnung 50 kann mittels Zentrifugalkraft flüssiges Kühlfluid 32 auch in den Kanal 52 eingebracht werden, in dem es sich ebenfalls wieder an den Kanalwänden anlagert, dort verdampft und dadurch effektiv nicht nur die Rotorwelle 8 sondern auch das Blechpaket 14 kühlt. Dadurch kann eine besonders effektive Kühlung des Rotors erreicht werden. Selbstverständlich kann der Kanal 52 auch bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich vorhanden sein. Der Kanal 52 wiederum hat eine Öffnung 54 an der offenen Seite 26 der Rotorwelle 8 und entlässt das gasförmige oder flüssige Kühlfluid ebenfalls in den Kühlfluidaufnahmeraum 20, von wo aus es dem Kühlfluidkreislauf zugeführt wird.
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Die Öffnung 54 des Kanals 52 ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Radius der Öffnung 54 kleiner oder maximal gleich ist zu der Oberfläche 56 des Kühlfluids in der Hohlwelle. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das flüssige Kühlfluid 32 auch in dem Kanal 52 verdampft und die Rotorwelle 8 und das Blechpaket 14 kühlt.
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Weiterhin ist den Figuren zu entnehmen, dass das Kühlfluid zu keiner Zeit in direktem Kontakt mit den stromführenden Bauteilen der elektrischen Maschine ist. Dadurch kann auf Kühlfluideigenschaften, die mit den Komponenten der elektrischen Maschine kompatibel sind, verzichtet werden, so dass ein breites Spektrum an möglichen Kühlfluiden zum Einsatz kommen kann.
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Weiterhin kann der Rotorwelleninnraum 10 bzw. die Rotorwelle 8 und/oder der Kanal 52 mit Kühlrippen (nicht dargestellt) ausgestattet sein, die die Fläche, an der sich der Kühlfluidfilm ausbildet, vergrößern und somit auch die Kühlleistung.
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Insgesamt kann mit der vorgestellten elektrischen Maschine eine effektive Kühlung der Rotorwelle bereitgestellt werden, ohne dass ein Energieverlust durch ein Abbremsen der Rotorwelle aufgrund von Scherkräften in Kauf genommen werden muss. Weiterhin kann durch die direkte Einwirkung des Kühlfluids auf den Rotor eine verbesserte Kühlung bereitgestellt werden. Der zusätzliche Energieentzug beim Phasenübergang verstärkt zudem die Kühlung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 4
- Rotor
- 6
- Gehäuse
- 8
- Rotorwelle
- 10
- Rotorwelleninnenraum
- 12
- Rotorwelleninnenwand
- 14
- Blechpaket
- 16
- Zwischenwand
- 18
- Innenraum elektrische Maschine
- 20
- Kühlfluidaufnahmeeinrichtung
- 22
- Lager
- 24
- geschlossenes Ende der Rotorwelle
- 26
- offenes Ende der Rotorwelle
- 30
- Kühllanze
- 32
- flüssiges Kühlfluid
- 34
- Kühlfluidfilm
- 36
- gasförmiges Kühlfluid
- 38
- Kondensator
- 40
- Kondensatsammler
- 42
- Reservoir
- 44
- Pumpe
- 50
- Öffnung
- 52
- Kanal
- 54
- Kanalöffnung
- 56
- Oberfläche des Kühlfluids
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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