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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Spaltrohr.
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Der Steigerung der Leistungsdichte von Elektromotoren kommt auf dem elektrifizierten Gebiet der Mobilität, wie z. B. bei elektrisch angetriebenen Kraftwagen wie Bussen, Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen, bei Zügen und Schiffen sowie Flugzeugen immer größere Bedeutung zu, weil sich durch leistungsstärkere Motoren Gewicht einsparen lässt.
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Daher wird verstärkt auf flüssigkeitsgekühlte Elektromotoren gesetzt.
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Dimensionierend für die elektrische Leistungsdichte eines Elektromotors ist die produzierte Abwärme mit den damit einhergehenden Problemen. Ein Problem ist z.B. das Versagen der polymeren Isolation der Wickelspulen in den Blechpaketen des Stators jedes Elektromotors. Daher ist auch typischerweise die maximale Temperatur in der Stator-Wicklung bei der Entwicklung höherer Leistungsdichten im Elektromotor ein besonders kritischer Punkt.
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Der Trend zur Flüssigkeitskühlung ist begründet in dem höheren Abwärmestrom, welcher durch eine Flüssigkeitskühlung, im Vergleich mit einer Gas-Luft-Kühlung erreichbar ist. Dabei wird in der Regel der Stator mit den Blechpaketen und den in polymerem Verguss vorliegenden Wickelspulen gekühlt, nicht der Rotor. Der Rotor ist durch die fehlende polymere Isolierung weniger wärmeempfindlich als die Blechpakete des Stators, die einen polymeren Verguss haben. In der Regel wird eine Flüssigkeitskühlung eines Elektromotors vorzugsweise auf der Stator-Außenseite realisiert, weil Stator-innenseitig die Grenzfläche zum Rotor andernfalls dicht zu sein hat.
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In der Regel befinden sich die Kanäle für die Flüssigkeitskühlung somit auf der Außenseite des Stators. Problematisch ist, dass die flüssigkeitsgekühlten Kühlringe auf der Außenseite des Blechpaketes liegen, deshalb muss dieses vom Wärmestrom erst komplett in radialer Richtung durchquert werden. Deshalb gibt es seit geraumer Zeit auch Elektromotoren mit Flüssigkeitskühlung auf der Innen- und Außenseite des Stators. Diese Elektromotoren enthalten ein so genanntes Spaltrohr.
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Das Spaltrohr separiert die Kühlflüssigkeit im Statorbereich von dem sich drehenden Rotor. Die Kühlflüssigkeit würde ansonsten die Drehung des Rotors stark behindern.
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Ziel bei der Entwicklung des Spaltrohres ist es, eine möglichst geringe Wandstärke zu realisieren da so die elektrischen Verluste des Elektromotors reduziert werden.
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Verschiedene Randbedingungen sind bei der Bauteilentwicklung von Spaltrohren zu beachten:
- Das Spaltrohr hat zur Aufgabe, die Flüssigkeitskühlung vom Rotor zu separieren, da sonst hohe Reibungsverluste den Elektromotor bremsen würden.
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Der Einsatz eines Spaltrohrs ergibt nur Sinn, sofern sich die elektrischen Verluste durch die gesteigerte Leistungsfähigkeit, die wegen der verbesserten Kühlung im Statorbereich möglich wird, gegenseitig aufheben.
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Das Spaltrohr befindet sich zwischen dem Rotor und dem Stator und sollte deshalb so dünn wie nur irgend möglich ausfallen.
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Wechselnde Magnetfelder, wie sie im Luftspalt eines Elektromotors in extremer Größe auftreten, induzieren in elektrisch leitfähigen Materialien einen Wirbelstrom. Der Wirbelstrom erzeugt wiederum ein Magnetfeld, welches seinem Verursacher-Magnetfeld entgegengerichtet ist. Außerdem führt ein induzierter Wirbelstrom zu einer rapiden Erwärmung des Bauteils. Es ist daher in mehrerlei Hinsicht unerwünscht, dass ein Spaltrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Deshalb werden dafür verstärkte Verbundwerkstoffe, auch keramische und/oder Glas-keramische Verbundwerkstoffe, eingesetzt.
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Ein Spaltrohr hat eine gewisse Mindest-Dicke aufzuweisen, weil die Last, insbesondere die dimensionierende Last, die für die Dicke des Spaltrohrs ausschlaggebend ist, ein Außendruck ist, der sich durch die Beschleunigungen, die das Kühlmedium im mobilen Einsatz des Elektromotors, wie er z.B. bei Kraftfahrzeugen, Zügen, Flugzeugen, Schiffen vorkommt, hervorgerufen wird.
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Zu dünne Spaltrohre kollabieren unter dem oben beschriebenen Druck, wobei in einem Vorstadium das mechanische Phänomen des Beulens zu erkennen ist. Die durch Belastung bereits gealterten Spaltrohre sind daher an radialen Beulen zu erkennen.
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Es sind Spaltrohrmotoren beispielsweise aus der
DE 10 2010 011 316 bekannt. Dort wird für die Anwendung in hermetisch abgedichteten Pumpen ein Spaltrohr vorgeschlagen, dass dünn ausführbar ist, weil es mit Stützkeilen, die in den Nuten des Blechpakets des Stators befestigt sind, radial abgestützt ist.
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Die darin beschriebene Technik der mittigen Nutkeil-Abstützung eines Spaltrohres wurde durch Simulation untersucht - siehe 1 - aber es wurde dabei festgestellt, dass an dieser Technik nachteilig ist, dass die Ausdehnungskoeffizienten der Spaltrohre und des Blechpakets des Stators deutlich verschieden sind und sich somit im Betrieb extreme Spannungen auf das Spaltrohr ergeben, die dort Materialbelastungen hervorrufen.
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Aufgabe ist es, einen Elektromotor mit Spaltrohr mit einer Flüssigkeitskühlung des Stators zu schaffen, bei dem das Spaltrohr möglichst dünn ausgeführt ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Elektromotor mit Spaltrohr, mit Flüssigkeitskühlung auf der Innenseite des Stators und Abdichtung eines Innenbereichs des Rotors durch das Spaltrohr, wobei in dem durch das Spaltrohr definierten Bereich des Rotors ein Überdruck, also ein Druck von größer 1 bar, vorgesehen ist.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass ein Spaltrohr, das extrem dünn konzipiert ist, durch Druckbeaufschlagung von innen her stabilisiert werden kann, so dass es dem Außendruck durch die Flüssigkeitskühlung des Stators, also der Last, die sich durch die Bewegung der Flüssigkeit der Statorkühlung bei mobiler Anwendung ergibt, besser standhält als unter Normbedingungen, also unter 1 bar Innendruck.
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Bei Elektromotoren, die eine Flüssigkeits-Kühlung der Innenseite des Stators haben, definiert das Spaltrohr einen Rotorinnenbereich, der dicht abschließt gegen den Kühlmittel-durchflossenen Statorbereich. Bei diesen Elektromotoren ist der Rotorinnenbereich sowieso abgedichtet, so dass konstruktiv auch ohne zusätzliche Mittel zur Abdichtung des Spaltrohres im Rotorinnenbereich ein Überdruck gehalten werden kann.
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In diesen Elektromotoren kann ein Überdruck im Rotorinnenbereich sogar dazu dienen, unerwünschte Undichtigkeiten des Spaltrohres, durch die ohne Überdruck Flüssigkeit in den Rotorinnenbereich unerwünscht gelangen könnte, durch den Überdruck abzudichten, so dass der Überdruck im Rotorinnenbereich die Undichtigkeiten korrigiert. Solche Undichtigkeiten können temporär durch die Verschiedenheit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten, bei einem Spaltrohr-Elektromotor vorkommen.
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Gleichzeitig geht zwar mit der Erhöhung des Innendrucks im Rotorinnenbereich eine Effizienz-Verminderung einher, die aber über die Effizienz-steigerung durch die geringe Wandstärke des Spaltrohrs ausgeglichen werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird das Spaltrohr mit geringer Wandstärke mit einem Innendruck gegen den wirkenden Außendruck des Kühlmittels des Statorbereichs stabilisiert. Der gesamte, hinter dem Spaltrohr liegende Teil ist als Rotorinnenbereich des Elektromotors unter erhöhtem Gasdruck. Der Druckaufbau kann an den Betrieb des Elektromotors gekoppelt sein, es kann aber auch ein ständiger Überdruck im Rotorinnenbereich des Elektromotors vorgesehen sein.
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Der Gasdruck wird dabei beispielsweise und bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, so hoch gewählt, dass der maximale Außendruck-Lastfall das Spaltrohr spannungsfrei lässt.
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Abstufungen des angestrebten Innendrucks im Rotorbereich sind vorgesehen, diese werden je nach Anwendung angepasst und können hier nicht absolut festgelegt werden. In der Regel wird der Gasdruck so hoch gewählt, dass ein hoher, häufig vorkommender Außendruck-Lastfall das Spaltrohr spannungsfrei lässt. Insbesondere bevorzugt wird der Gasdruck im Innenbereich des Rotors so gewählt, dass der maximale Außendruck-Lastfall
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Zur Einstellung eines geeigneten Innendrucks wird vorgeschlagen, dass die Spaltrohrdicke und der Innendruck so festgelegt werden, dass einerseits ein Ausbeulen des Spaltrohrs bei geringer Belastung durch die Kühlmittelflüssigkeit, bei gleichmäßiger oder keiner Bewegung des Motors, beispielsweise, durch den Innendruck, vermieden wird, andererseits aber bei Bewegung des Motors ein ausreichender Innendruck herrscht, der - vergleichbar etwa mit Getränkedosen von Kohlensäurehaltigen Getränken wie Coca Cola - ein Einbeulen des Spaltrohrs in den Bereich des Stators hinein, vermeidet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gas im Rotorinnenbereich Luft ist.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gas im Rotorinnenbereich ein sonstiges Gas oder Gasgemisch, beispielsweise ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, ist. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Inertgas ein Gas mit hoher Wärmekapazität oder sonstigen physikalischen Eigenschaften, die die Entwärmung des Rotors fördern, ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind erste Sensoren vorgesehen, durch die der Druck innerhalb des Rotorinnenbereichs messbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zweite Sensoren vorgesehen, durch die der Druck innerhalb der Flüssigkeitskühlung des Stators messbar ist.
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Die Kühlflüssigkeit zur Flüssigkühlung des Stators befindet sich innerhalb des Statorgehäuses, das stirnseitig durch ein Lagerschild, das seinerseits passgenau auf das Statorgehäuse abgestimmt ist und die aus dem Rotor herausführende Antriebswelle führt, abgeschlossen ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein oder mehrere Ventile - beispielsweise im Lagerschild und/oder Gehäuse des Elektromotors - vorgesehen. Diese dienen bevorzugt der Druckregulierung im Rotorinnenbereich.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ersten und/oder die zweiten Sensoren mit einer Regel- und Steuerungsvorrichtung verbunden sind. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass durch die Steuer- und Regelungsvorrichtung die Ventile regelbar sind, die den Innendruck im Rotorinnenbereich erzeugen und/oder aufrechterhalten.
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Die Regel- und Steuerungsvorrichtung kann an verschiedenen Stellen des Elektromotors vorgesehen sein. Beispielsweise befindet sich die Regel- und Steuerungsvorrichtung am Lagerschild oder am Gehäuse des Elektromotors.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Luftpumpe vorgesehen, die über die Regel- und Steuerungselektronik betreibbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform davon ist vorgesehen, dass die Luftpumpe auf der Außenseite des Lagerschilds montiert ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind Leitungen vorgesehen, die Luft über die Luftpumpe in den Rotorinnenbereich führen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Innendruck im Rotorinnenbereich durch die Regel- und Steuerungsvorrichtung einstellbar ist.
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Durch eine aktive Steuerung des Innendrucks des Rotorinnenbereichs, abhängig von der Rotor- und/oder Stator-Temperatur des Elektromotors, wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung angestrebt, dass eine aktive Korrektur der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Blechpaketen einerseits und Spaltrohr andererseits durch eine jeweilige Anpassung des Innendrucks des Rotorinnenbereichs erfolgt.
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Beispielsweise wird, sobald der Rotor durch thermische Ausdehnung mit dem Spaltrohr zu kollidieren droht, der Innendruck auf das Spaltrohr, das den Rotorinnenbereich definiert und begrenzt, erhöht, so dass es sich weitet. Umgekehrt wird, sobald durch thermische Ausdehnung der Stator mit dem Spaltrohr zu kollidieren droht, der Innendruck auf das Spaltrohr vermindert, so dass es sich zusammenzieht.
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In 2 wird das Ergebnis einer Simulation eines Spaltrohres gemäß der vorliegenden Erfindung im Betrieb gezeigt. Dabei zeigt sich, dass beispielsweise bei einem Innendruck im Rotorinnenbereich von größer 3 bar eine ausreichende Stabilität gegen Ausbeulen oder sonstige- insbesondere mechanische - Schäden des Spaltrohrs bei einer geringen Wandstärke von kleiner 1mm herstellbar ist.
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Gemäß der Erfindung können beliebig dimensionierte Elektromotoren mit Spaltrohr mit Innendruck im Rotorinnenbereich betrieben werden.
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Insbesondere beispielhafte Ausführungsformen mit Wandstärken der Spaltrohre von kleiner 3mm, insbesondere kleiner 2 mm, bevorzugt kleiner 1mm und insbesondere bevorzugt kleiner 0,7mm wurden bereits mit sehr gutem Erfolg, siehe 2, getestet.
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Dabei wurden Innendrucke des Rotorinnenbereichs von 3 bar, größer 4 bar und auch größer 5 bar realisiert und getestet.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Simulation eines Spaltrohres, mit einer Wandstärke von 0,5 mm bis 0,7 mm und einem Rotorinnendruck von 4,5 bis 5 bar. Im Vergleich mit der gleichen Belastung schneiden wesentlich dickere Spaltrohre mit Wandstärken um die 2 mm hinsichtlich Ausbeulens wesentlich schlechter ab, siehe 1.
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Durch die Erfindung wird es erstmals möglich, durch einen Überdruck im Rotorinnenbereich eines Spaltrohr-Elektromotors eine verbesserte Entwärmung des Rotors zu erreichen. Durch den Überdruck kann die Wandstärke des Spaltrohrs um über 50%, insbesondere auch um über 70% verringert werden, der Wärmeübergang gesteigert werden und ein Gas mit hoher Wärmekapazität genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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