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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.
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Elektrische Maschinen besitzen einen Rotor mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Rotorfeldes, welches mit einem vom Stator der Maschine erzeugten magnetischen Statorfeld magnetisch wechselwirken kann, wodurch der Rotor angetrieben wird. Dabei entsteht im Rotor eine Verlustleistung, die Wärme erzeugt, welche vom Rotor abgeführt werden muss, um eine Überhitzung des Rotors zu verhindern. Auf diese Weise kann außerdem in der Maschine auch eine erhöhte Leistungsdichte und somit eine höhere Effizienz erreicht werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Rotoren für elektrische Maschinen neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll ein Rotor geschaffen werden, der sich trotz einfachem Aufbau durch eine leistungsfähige Kühlfunktion zur Abführung der Abwärme auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, eine Lagereinrichtung zum drehbaren Lagern des Rotors an einem ortsfesten Lagerflansch radial zwischen dem Rotor und besagtem Lagerflansch anzuordnen. Dabei ist die Lagereinrichtung radial innen mit dem Lagerflansch verbunden und radial außen mit dem Rotor verbunden. Dies erlaubt es, sowohl eine Rotorwelle des Rotors als auch einen Flanschkragen des Lagerflansches so auszubilden, dass beide von einem Kühlmedium durchströmt werden können. Das Kühlmedium kann dabei der Rotorwelle über den Lagerflansch zugeführt werden. Das Kühlmedium kann somit von dem Rotor, insbesondere von einer elektrisch bestromten Rotorspule des Rotors, aufgrund von im Rotor auftretender Verlustleistung erzeugte Verlustwärme aufnehmen und aus dem Rotor abtransportieren. Da die Lagereinrichtung radial zwischen dem radial innen angeordneten Lagerflansch und der radial außen angeordneten Rotorwelle angeordnet ist, ist keine zusätzliche Dichtungseinrichtung zwischen dem stehenden bzw. ortsfesten Lagerflansch und der rotierenden Rotorwelle erforderlich, um den Austritt von Kühlmedium in die äußere Umgebung am Übergang vom Lagerflansch zur Rotorwelle zu verhindern. Gleichzeitig kann mittels des durch die Rotorwelle geführten Kühlmediums im Rotor entstehende Abwärme effektiv aufgenommen und aus dem Rotor abgeführt werden, ohne dass hierzu zusätzlicher Bauraum benötigt würde. Auch kann auf eine separate Dichtungseinrichtung zum Abdichten des im Lagerflansch bzw. in der Rotorwelle gebildeten Fluidkanals gegen die äußere Umgebung des Rotors verzichtet werden. Im Ergebnis ist somit eine kostengünstige, weil technisch einfach aufgebaute, gleichwohl leistungsfähige und verschleißfreie sowie wenig Bauraum erfordernde Kühlungseinrichtung zum Abführen von Abwärme aus dem Rotor geschaffen.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische Maschine umfasst wenigstens einen Lagerflansch. Ferner umfasst der Rotor eine sich entlang einer axialen Richtung erstreckende Rotorwelle. Diese Rotorwelle ist mittels einer Lagereinrichtung um eine sich in der axialen Richtung erstreckende Drehachse drehbar am wenigstens einen Lagerflansch gelagert. Bei der Lagereinrichtung kann es sich um ein herkömmliches Radiallager handeln. Die Drehachse kann sich entlang einer axialen Richtung erstrecken und durch eine Mittellängsachse der Rotorwelle festgelegt sein. Mit der Rotorwelle ist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung des Rotors zum Erzeugen des magnetischen Rotorfeldes, insbesondere drehfest, verbunden. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung kann bzgl. einer radialen Richtung radial außen an der Rotorwelle angeordnet sein, wobei sich die radiale Richtung senkrecht zur axialen Richtung von der Mittellängsachse bzw. Drehachse der Rotorwelle weg erstreckt. Erfindungsgemäß ist die Lagereinrichtung bezüglich der radialen Richtung des Rotors radial innen mit dem Lagerflansch verbunden und radial außen mit der Rotorwelle verbunden.
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Besonders bevorzugt ist der Lagerflansch, insbesondere mit seinem Flanschkragen, mittels der Lagereinrichtung, besonders bevorzug dichtungsfrei, also ohne Bereitstellung einer Dichtungseinrichtung zwischen Lagerflansch und Rotorwelle, fluiddicht mit der Rotorwelle, insbesondere deren Umfangswandung, verbunden. Die Bereitstellung einer separaten Dichtungseinrichtung kann somit entfallen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotorwelle als axial zumindest einseitig, vorzugsweise beidseitig, offene Hohlwelle ausgebildet. Dabei begrenzt eine Umfangswandung der Hohlwelle einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal radial außen. Die Rotorwelle besitzt somit die Geometrie eines Hohlzylinders. Das Kühlmedium kann somit in axialer Richtung einen Ends in den Kühlkanal eintreten und Anderen Ends wieder aus dem Kühlkanal austreten. Bei dieser Ausführungsform ist die Lagereinrichtung radial außen mit der Umfangswandung der Hohlwelle verbunden. Dies erlaubt eine einfache Montage der Rotorwelle radial außen an der Lagereinrichtung. In einer Variante kann die Hohlwelle an einem ersten axialen Ende offen und an einem dem ersten axialen Ende axial gegenüberliegenden zweiten axialen Ende geschlossen ausgebildet sein. In einer Spezialvariante dieser Variante kann die Hohlwelle am zweiten axialen Ende radial offen ausgebildet sein, insbesondere indem in der Hohlwelle umfangsseitig wenigstens eine Durchgangsöffnung vorhanden ist, über welche der Kühlkanal fluidisch mit der äußeren Umgebung der Hohlwelle kommunizieren kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Lagerflansch einen sich quer, vorzugsweise orthogonal, zur axialen Richtung erstreckenden Flanschboden auf. Im Flanschboden ist eine Durchgangsöffnung angeordnet, welche von einem sich axial von dem Flanschboden abstehenden Flanschkragen eingefasst ist. Die Lagereinrichtung ist bei dieser Weiterbildung radial innen mit dem Flanschkragen verbunden. Dies erlaubt eine einfache Montage der Lagereinrichtung radial innen am Flanschkragen.
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Zweckmäßig kann die Durchgangsöffnung von einer von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühllanze durchgriffen sein. Die Kühllanze kann die geometrische Formgebung eines Hohlzylinders aufweisen und insbesondere durch einen Rohrkörper gebildet sein. Die Kühllanze stützt sich zweckmäßig radial außen fluiddicht an einer Innenumfangsseite des Flanschkragens ab. Die Kühllanze vereinfacht die Einleitung des Kühlmediums in den Kühlkanal.
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Zweckmäßig kann die Kühllanze fest, bevorzugt drehfest, und auch fluiddicht, mit dem Flanschkragen verbunden sein. Aufgrund der festen Verbindung und fluiddichten Verbindung der Kühllanze mit dem Flanschkragen kann auf die Bereitstellung einer separaten Dichtungseinrichtung zum Abdichten des Übergangs von der Kühllanze auf den Flanschkragen verzichtet sein.
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Besonders zweckmäßig kann die Kühllanze als Rohrkörper ausgebildet sein. Diese Variante ist besonders einfach herstellbar und somit mit reduzierten Herstellungskosten verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können zwei voranstehend erläuterte Lagerflansche mit einer jeweiligen Lagereinrichtung vorgesehen sein. Die Anordnung der beiden Lagerflansche erfolgt axial im Abstand zueinander, so dass die Rotorwelle mittels beider Lagereinrichtungen drehbar gelagert werden kann. Bei dieser Weiterbildung ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung axial zwischen den beiden Lagerflanschen und somit auch zwischen den beiden Lagereinrichtungen angeordnet. Mittels einer solchen zweifachen Lagerung kann auch die typischerweise eine erhebliche Längserstreckung aufweisende Rotorwelle mechanisch stabil und ohne Kippneigung gelagert werden.
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Bevorzugt umfasst die Magnetfelderzeugungseinrichtung ein Blechpaket, auf oder an welchem wenigstens eine elektrisch bestrombare Rotorspule oder wenigstens ein Permanentmagnet zum Erzeugen des magnetischen Rotorfeldes angeordnet, insbesondere befestigt, ist. Auf diese Weise kann der Rotor in einer fremderregten Synchronmaschine oder in einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, aber auch in einer Asynchronmaschine eingesetzt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine mit einem voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen Rotor. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Rotors übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, der ortsfest mit dem Lagerflansch, insbesondere mit den beiden Lagerflanschen, des erfindungsgemäßen Rotors verbunden ist und zum Antreiben des Rotors ausgebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Maschine eine fremderregte elektrische Synchronmaschine oder eine permanentmagneterregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine. Bei dieser Ausführungsform ist der Stator ein elektrisch bestrombarer Synchronmaschinen-Stator zum Erzeugen eines magnetischen Stator-Feldes.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Die einzige 1 illustriert in einem Längsschnitt in schematischer Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Rotors 1 für eine elektrische Maschine. Der Rotor 1 umfasst einen Lagerflansch 2 und eine sich entlang einer axialen Richtung A erstreckende Rotorwelle 3. Ferner umfasst der Rotor 1 eine Lagereinrichtung 4, mittels welcher die Rotorwelle 3 in einer Drehrichtung DR um eine Drehachse D drehbar am Lagerflansch 2 gelagert ist. Die Drehachse D erstreckt sich entlang einer axialen Richtung A. Die Drehachse D kann eine Mittellängsachse M der Rotorwelle 3 sein. Mit der Rotorwelle 3 ist drehfest eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 5 zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes verbunden. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 5 kann ein Blechpaket 15 aus mehreren aufeinandergestapelten Blechteilen umfassen, auf welcher eine elektrisch bestrombare Rotorspule (nicht gezeigt) aufgenommen ist. Somit kann der Rotor 1 beispielsweise Teil einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine sein. Das Blechpaket kann mehrere aufeinander gestapelte Blechteilen umfassen.
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Soll der Rotor in einer permanentmagneterregten Synchronmaschine eingesetzt werden, so kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung 5 ein Blechpaket 15 umfassen, an welchem mehrere Permanentmagnete angeordnet sind. In einer weiteren Variante kann das Blechpaket zur Erzeugung des magnetischen Rotorfeldes einen sogenannten elektrischen Kurzschlusskäfig aufnehmen.
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Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 5 mit dem Blechpaket 15 und der nicht gezeigten Rotorspule kann wie in 1 gezeigt bzgl. einer radialen Richtung R radial außen an der Rotorwelle 3 angebracht sein. Die radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Drehachse D bzw. Mittellängsachse M weg. Eine der Drehrichtung DR entsprechende Umfangsrichtung U des Rotors 1 läuft senkrecht sowohl zur axialen Richtung A als auch zur radialen Richtung um die Drehachse D um.
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Die Rotorwelle 3 ist im Beispiel der 1 als axial beidseitig offene Hohlwelle 6 ausgebildet. Hierzu besitzt die Rotorwelle 3 die geometrische Formgebung eines Hohlzylinders. Dabei begrenzt eine Umfangswandung 7 der Hohlwelle 6 bzw. des Hohlzylinders einen axial von einem Kühlmedium K durchströmbaren Kühlkanal 8 radial außen. Die Lagereinrichtung 4 ist radial außen mit der Umfangswandung 7 der Hohlwelle 6 bzw. des Hohlzylinders verbunden. In einer Variante (nicht gezeigt) kann die Hohlwelle 6 auch nur einseitig offen ausgebildet sein, so dass das Kühlmedium an der offenen axialen Stirnseite sowohl in den Kühlkanal 8 eintreten als auch - nach dem Durchströmen desselben - wieder aus diesem austreten kann.
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Der in 1 gezeigte Lagerflansch 2 weist einen sich in radialer Richtung R erstreckenden Flanschboden 9 auf. In dem Flanschboden 9 ist eine Durchgangsöffnung 10 ausgebildet. Die Durchgangsöffnung 10 ist von einem entlang der axialen Richtung A vom Flanschboden 9 abstehenden Flanschkragen 11 vollständig umlaufend eingefasst. Der Flanschkragen 11 kann dabei integral am Flanschboden 9 ausgeformt sein. Somit ist die Lagereinrichtung 4 bzgl. der radialen Richtung R radial innen mit dem Flanschkragen 11 verbunden.
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Die Lagereinrichtung 4 ist also bezüglich der radialen Richtung R radial innen fest mit dem Lagerflansch 2 und radial außen fest mit der Rotorwelle 3 verbunden. Somit ist der Flanschkragen 11 des Lagerflansches 2 mittels der Lagereinrichtung 2 fluiddicht - vorzugsweise dichtungsfrei, also ohne separate Dichtungseinrichtung - mit der Umfangswandung 7 der Rotorwelle 3 verbunden.
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Die in dem Flanschboden 9 angeordnete Durchgangsöffnung 10 kann von einer von dem Kühlmittel K durchströmbaren Kühllanze 12 durchgriffen sein. Diese Kühllanze 12 stützt sich radial außen fluiddicht an einer Innenumfangsseite 13 des Flanschkragens 11 ab. Die Kühllanze 12 ist dabei drehfest mit dem Flanschkragen 11 verbunden. Über die Kühllanze 12 kann das Kühlmedium K in den von der Rotorwelle 3 begrenzten Kühlkanal 8 eingeleitet werden. Die Kühllanze 12 wie in 1 gezeigt als sich entlang der axialen Richtung A erstreckender Rohrkörper 14 ausgebildet sein.
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Um eine stabile drehbaren Lagerung der Rotorwelle 2 sicherzustellen, können axial im Abstand zwei Lagerflansche 2 (in 1 nicht gezeigt), jeweils mit einer voranstehend erläuterten Lagereinrichtung 4, angeordnet sein, so dass die Rotorwelle 3 mittels beider Lagereinrichtungen 4 drehbar an beiden Lagerflanschen 2 gelagert werden kann. In diesem Fall kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung 5 bzw. das Blechpaket 15 mit der Rotorspule bzw. den Permanentmagneten axial zwischen den beiden Lagerflanschen 2 angeordnet sein.
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Der voranstehend erläuterte Rotor kann in einer elektrischen Maschine zum Einsatz kommen, die neben dem Rotor 1 auch einen Stator umfasst, der ortsfest mit dem Lagerflansch 2 bzw. den beiden Lagerflanschen 2, 2 des Rotors 1 verbunden ist und zum Antreiben des Rotors 1 eingerichtet ist. Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um eine fremderregte elektrische Synchronmaschine oder um eine Asynchronmaschine handeln. In diesem Fall ist der Stator ein elektrisch bestrombarer Synchronmaschinen-Stator zum Erzeugen eines magnetischen Stator-Drehfeldes.
