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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In elektrischen Maschinen stellt die Kühlung des Rotors eine besondere Herausforderung dar. Auf flüssigen Kühlmedien basierende Kühlkonzepte führen häufig zu einer deutlichen Steigerung der Verlustreibmomente an drehenden Bauteilen in der elektrischen Maschine. Durch die Rotation tritt außerdem eine undefinierte und kurze Verweildauer des Kühlmediums auf den drehenden Teilen auf, wodurch auch nur ein geringer Teil der zur Verfügung stehenden Fläche, beispielsweise an den Wuchtscheiben, genutzt wird. Mit frei einströmendem Kühlmedium wird ein Teil des Kühlmediums nicht genutzt, da es an Passivteilen abgelenkt wird und nicht für die Kühlung der verlustbehafteten Aktivteile genutzt werden kann. Bekannte Kühlkonzepte des Innenraums von elektrischen Maschinen basieren auf freier Strömung, wodurch eine zielgerichtete Benetzung beispielsweise der Wickelköpfe nicht immer erreicht werden kann.
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Die
DE 10 2018 111 993 A1 offenbart einen Rotor mit einer Welle, einem Rotorkern und mindestens einer Endscheibenanordnung. Im Rotor ist ein Kühlmittelkanal ausgebildet, um einen Kühlmittelfluss eines Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal zu ermöglichen, welcher Kühlmittelkanal einen ersten Abschnitt aufweist, welcher zumindest bereichsweise im Rotorkern verläuft, welcher Kühlmittelkanal einen zweiten Abschnitt aufweist, welcher zumindest bereichsweise in der Welle verläuft, welche mindestens eine Endscheibenanordnung ein erstes Endscheibenteil und ein zweites Endscheibenteil aufweist, welches erste Endscheibenteil zumindest bereichsweise zwischen dem Rotorkern und dem zweiten Endscheibenteil angeordnet ist, welches erste Endscheibenteil und welches zweite Endscheibenteil aneinander liegen, und welcher Kühlmittelkanal einen dritten Abschnitt aufweist, welcher zumindest bereichsweise gemeinsam durch das erste Endscheibenteil und das zweite Endscheibenteil und zwischen diesen ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte elektrische Maschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator mit einer Statorwicklung und einem Wickelkopf, einen im Stator rotierbaren Rotor mit einer Welle, die mittels eines Lagers in einem Lagerschild gelagert ist, wobei eine innere Wuchtscheibe und eine äußere Wuchtscheibe aus einem thermisch gut leitenden Material gebildet und voneinander beabstandet auf der Welle angeordnet sind, wobei die Welle hohl ausgebildet ist und ein Öl zum Schmieren und Kühlen der elektrischen Maschine führt, wobei die Welle einen radialen Ölauslass aufweist, aus dem Öl in einen Zwischenraum zwischen der inneren Wuchtscheibe und der äußeren Wuchtscheibe ausströmbar ist, wobei die innere Wuchtscheibe im Wesentlichen als eine ebene Scheibe ausgebildet ist. Erfindungsgemäß überragt der Wickelkopf den Rotor und die innere Wuchtscheibe in axialer Richtung, wobei die äußere Wuchtscheibe in Form einer Schüssel mit einem radialen Abschnitt und einem vom Rotor weg weisenden Rand gebildet ist, so dass aus dem Ölauslass austretendes Öl zunächst im Wesentlichen radial zwischen der inneren Wuchtscheibe und dem radialen Abschnitt der äußeren Wuchtscheibe geführt und anschließend durch den Rand der äußeren Wuchtscheibe am Wickelkopf entlang geführt wird.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen doppelten Wuchtscheibe ermöglicht eine Ölführung bis zu den Wickelköpfen. Das Öl wird an den Flächen der doppelten Wuchtscheibe und daher mit hoher Geschwindigkeit geführt. Durch die Formgestaltung der äußeren Wuchtscheibe wird die zu kühlende Fläche verbessert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Teilansicht einer elektrischen Maschine mit einer mehrteiligen Wuchtscheibe, umfassend zwei Wuchtscheiben,
- 2 eine schematische Teilansicht der elektrischen Maschine mit Schrauben zum Verbinden der beiden Wuchtscheiben,
- 3 eine weitere schematische Teilansicht der elektrischen Maschine,
- 4 eine schematische Schnittansicht der mehrteiligen Wuchtscheibe, und
- 5 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform der mehrteiligen Wuchtscheibe.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist eine schematische Teilansicht einer elektrischen Maschine 1, umfassend ein Gehäuse 2, einen Stator umfassend eine Statorwicklung 3 mit einem Wickelkopf 11, einen im Stator 3 rotierbaren Rotor 4 mit einer Welle 5, die mittels eines Lagers 6 in einem Lagerschild 7 gelagert ist. Ferner ist eine mehrteilige oder doppelte Wuchtscheibe 8, 9, umfassend eine innere Wuchtscheibe 8 und eine äußere Wuchtscheibe 9 vorgesehen, die voneinander beabstandet auf der Welle 5 angeordnet sind. Die Welle 5 ist hohl ausgebildet und führt ein Öl zum Schmieren und Kühlen der elektrischen Maschine 1. Die Welle 5 weist einen radialen Ölauslass 10 auf, aus dem Öl aus der Welle 5 in einen Zwischenraum zwischen der inneren Wuchtscheibe 8 und der äußeren Wuchtscheibe 9 austreten kann. Der Wickelkopf 11 der Statorwicklung 3 überragt den Rotor 4 und die innere Wuchtscheibe 8 in axialer Richtung. Die innere Wuchtscheibe 8 ist als eine ebene Scheibe ausgebildet. Die äußere Wuchtscheibe 9 ist in Form einer Schüssel mit einem radialen Abschnitt und einem vom Rotor 4 weg weisenden Rand gebildet, so dass aus dem Ölauslass 10 austretendes Öl zunächst im Wesentlichen radial zwischen der inneren Wuchtscheibe 8 und dem radialen Abschnitt der äußeren Wuchtscheibe 9 geführt und anschließend durch den Rand der äußeren Wuchtscheibe 9 am Wickelkopf 11 entlang geführt wird. Das aus dem Ölauslass 10 austretende Öl bildet mit der Luft im Innenraum der elektrischen Maschine 1 ein Öl/Luft-Gemisch, oder ein Öl/Luft-Aerosol.
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Durch das Design der vorgeschlagenen mehrteiligen Wuchtscheibe 8, 9 wird das aus der Welle 5 austretende Öl gezielt geleitet. Die innere Wuchtscheibe 8 ist mittels Querstreben, mit der äußeren Wuchtscheibe 9 verbunden. Die Anzahl und Gestalt der Querstreben und von Austrittsdüsen am Außenradius der Wuchtscheibe 8, 9 können durch eine gezielte Auslegung an die Anforderungen angepasst werden.
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Die doppelte Wuchtscheibe 8, 9 transportiert das komplette Öl zur Statorwicklung 3 um diese zu kühlen. Ein weiterer Vorteil ist die Ölführung um den Wickelkopf 11 durch die Schrägung des Randes der äußeren Wuchtscheibe 9. Nach dem Passieren des Wickelkopfes 11 sammelt sich das Öl am Lagerschild 7 und läuft nach unten in einen Ölsumpf (nicht dargestellt). Dabei behindert es nicht das ausströmende Öl wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Wuchtscheiben.
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Infolge des Designs der vorgeschlagenen mehrteiligen Wuchtscheibe 8, 9 kann mehr Fläche am Wickelkopf 11 benetzt werden. Zusätzlich ist das Öl länger im Kontakt zur doppelten Wuchtscheibe 8, 9 und wird daher höher beschleunigt, wodurch wiederum der Wärmeübergang verbessert wird.
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Die doppelte Wuchtscheibe 8, 9 kann entweder als ein Teil gefertigt werden oder aus zwei separaten Wuchtscheiben 8, 9 bestehen, die mit Schrauben, Stiften oder sonstigen Verbindungsmitteln verbunden sind. 2 ist eine schematische Teilansicht der elektrischen Maschine 1 mit Schrauben 12 zum Verbinden der beiden Wuchtscheiben 8, 9. Je mehr Schrauben 12 oder ähnliches verwendet werden, desto mehr erhöht sich die Fläche und der Rotor 4 wird besser gekühlt.
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3 ist eine schematische Teilansicht der elektrischen Maschine 1, wobei als gekühlte Flächen eine axiale Stirnfläche 14 des Rotors 4, die an die innere Wuchtscheibe 8 angrenzt, sowie eine innere Fläche 15 und eine axiale Stirnfläche 16 des Wickelkopfes 11 als gekühlte Bereiche hervorgehoben sind.
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Der Abstand zwischen den Wuchtscheiben 8, 9 sowie deren Form kann abhängig von den Erfordernissen der elektrischen Maschine 1 und deren Kühlbedarf angepasst werden.
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Die Wuchtscheiben 8, 9 sind aus einem thermisch gut leitenden Material gebildet, das durch die Querstreben bzw. Schrauben 12 und die Oberfläche der äußeren Wuchtscheibe 9 zur Kühlung effektiv genutzt werden kann.
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4 ist eine schematische Schnittansicht der doppelten Wuchtscheibe 8, 9 in der in 3 gezeigten Schnittebene A-A, wobei zusätzliche Bohrungen 17 in der Wuchtscheibe 8, 9 vorgesehen sind um die Kühlung des Rotors 4 zu verbessern.
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5 ist eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform der doppelten Wuchtscheibe 8, 9, wobei radiale Außenränder der beiden Wuchtscheiben 8, 9 mit einer durchgängigen Barriere 18 verbunden sind, in den Austrittsdüsen 19 angeordnet sind, mit denen ein Drosseleffekt erreicht werden kann. Hierdurch kann das Öl nach Austritt aus der Welle 5 aufgestaut werden, womit die Wuchtscheiben 8, 9 vollflächig benetzt werden. Zusätzlich wird das Öl auf dem großen Durchmesser der Barriere 18 auf eine erhöhte Geschwindigkeit beschleunigt, wodurch sich der Wärmeübergang an den Wickelköpfen 11 erhöht und die Kühlleistung verbessert wird.
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Die dargestellten Ausführungsformen zeigen ein axiales Ende des Rotors 4 mit der doppelten Wuchtscheibe 8, 9. Das andere axiale Ende des Rotors 4 kann auf gleiche Weise mit einer doppelten Wuchtscheibe 8, 9 ausgestattet sein.
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Der erfindungsgemäße Einsatz der doppelten Wuchtscheibe 8, 9 ermöglicht eine Ölführung bis zu den Wickelköpfen 11. Das Öl wird an den Flächen der doppelten Wuchtscheibe 8, 9 und daher mit hoher Geschwindigkeit geführt. Durch die Formgestaltung der äußeren Wuchtscheibe 9 wird die zu kühlende Fläche verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Statorwicklung
- 4
- Rotor
- 5
- Welle
- 6
- Lager
- 7
- Lagerschild
- 8
- innere Wuchtscheibe
- 9
- äußere Wuchtscheibe
- 10
- Ölauslass
- 11
- Wickelkopf
- 12
- Schraube
- 14
- axiale Stirnfläche
- 15
- innere Fläche
- 16
- axiale Stirnfläche
- 17
- Bohrung
- 18
- Barriere
- 19
- Austrittsdüse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018111993 A1 [0003]
