DE10318022A1

DE10318022A1 - Elektrische Maschine mit verbesserter Kühlung und Antriebsachse mit einer derartigen elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10318022A1
Application number: DE10318022A
Authority: DE
Inventors: Ivo Tesar; Bernward Dr. Welschof
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2003-04-19
Filing date: 2003-04-19
Publication date: 2004-11-04
Also published as: GB0407687D0; GB2401730B; GB2401730A9; FR2854004B1; GB2401730A; FR2854004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (2) und eine Antriebsachse (1) mit mindestens einer darin angeordneten elektrischen Maschine (2). Die elektrische Maschine (2) verfügt über einen Rotor (6) und einen Stator (5). Um die Kühlung der elektrischen Maschine (2) bzw. der Antriebsachse (1) mit der darin angeordneten elektrischen Maschine (2) zu verbessern, ist erfindungsgemäß eine mit dem Rotor (6) verbundene Rotorwelle (7) mit einem Axialkanal (17) versehen, der sich axial zumindest in den Bereich einer Lagerstelle (Wälzlager 8) der Rotorwelle (7) und zumindest teilweise in den Bereich des Rotors (6) hinein erstreckt und der als Kühlmittelkanal für ein Kühlfluid vorgesehen ist. Der Axialkanal (17) kann als zentrische Sackbohrung ausgebildet sein, in der ein Rohr (19) konzentrisch angeordnet ist. Der Rohrinnenraum steht mit dem Axialkanal (17) in Strömungsverbindung.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator.
Die Erfindung betrifft aber auch eine Antriebsachse mit mindestens einer darin angeordneten elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen Stator aufweist.

Sowohl bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gleichstrommaschinen als auch bei den sogenannten Drehstrommaschinen (Asynchron- oder Synchron-Technologie) stellt die Rotorbaugruppe das heißeste Teil der Maschine dar. Zur Kühlung ist bei Gleichstrommaschinen häufig ein Luftstrom vorgesehen, der mittels eines mit der Rotorwelle verbundenen Lüfterrades und im Gehäuse der elektrischen Maschine eingearbeiteter Lüftungsöffnungen durch das Gehäuse hindurch transportiert wird.

Diese Konstruktion hat allerdings den Nachteil, dass Schmutz in die elektrische Maschine eindringen kann. Darüber hinaus stellen die Lüftungsöffnungen im Hinblick auf die Geräuschentfaltung der elektrischen Maschine unerwünschte Durchbrüche dar. Bei Gleichstrommaschinen sind auch Durchbrüche im Gehäuse für die Wartung der verschleissbehafteten Bürsten der Kommutatoren erforderlich.

Im Gegensatz dazu ist es bei Drehstrommaschinen grundsätzlich möglich, geschlossene Gehäuse einzusetzen, da einerseits keine Kommutatoren nötig sind und andererseits der Luftspalt hier regelmäßig kleiner ist, was mangels Durchlass eine Lüfterkühlung praktisch nicht erlaubt. Bei Drehstrommaschinen ist daher häufig das wegen der Wartungsfreiheit geschlossene Gehäuse an der Außenseite verrippt, um eine Wärmeabfuhr durch Konvektion zu erzielen.

Im Zuge steigender Leistungen der elektrischen Maschinen ist es immer schwieriger, die Bauteile im Inneren der Maschinen zu kühlen. In Antriebsachsen, in die eine oder mehrere elektrische Maschinen eingebaut sind, verstärkt sich dieses Problem. Insbesondere im Mehrschichtbetrieb von Arbeitsmaschinen, z. B. Flurförderzeugen, die mit solchen geschlossenen und häufig von außen schlecht kühlbaren Antriebsachsen ausgerüstet sind, stellen sich hohe Beharrungstemperaturen ein.

Dabei kann sehr schnell die thermische Belastbarkeit von Elastomer-Dichtungen und Lagern überschritten werden. Bei Wellendichtringen führt dies bestenfalls zur Verhärtung, schlimmstenfalls zum Schmelzen. Wälzlager hingegen verändern bei Überschreiten bestimmter Temperaturen ihre Gefügestruktur und können die für eine einwandfreie Funktion erforderliche Werkstoffhärte verlieren.

Der Einsatz von Sonderwerkstoffen zur Behebung der geschilderten Probleme verursacht erheblichen Mehraufwand und damit höhere Herstellkosten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Maschine bzw. eine Antriebsachse der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, deren Kühlung verbessert ist.

Diese Aufgabe wird sowohl für die elektrische Maschine als auch für die Antriebsachse mit der darin angeordneten elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass eine mit dem Rotor verbundene Rotorwelle mit einem Axialkanal versehen ist, der sich axial zumindest in den Bereich einer Lagerstelle der Rotorwelle und zumindest teilweise in den Bereich des Rotors hinein erstreckt und der als Kühlmittelkanal für ein Kühlfluid vorgesehen ist.

Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, gezielt die Welle-Rotor-Gruppe mit den zugehörigen Lagern und Wellendichtringen zu kühlen. Es wird also dort gekühlt, wo einerseits die höchsten Temperaturen auftreten und andererseits die am stärksten gefährdeten Bauteile angeordnet sind. Der Einsatz einer Fluidkühlung direkt in der Rotorwelle erlaubt dabei eine hohe Kühlleistung.

Als Kühlfluid kommen sowohl die bekannten Kühlflüssigkeiten, z. B. Öl, als auch gasförmige Medien in Frage, z. B. Luft oder langkettige Gase, die aus den Kühlkreisläufen von Kühlmöbeln bekannt sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der elektrischen Maschine bzw. Antriebsachse, die eine Kühlung durch einen Fluidstrom in der Rotorwelle vorsieht, hängt die thermische Dauerfestigkeit der elektrischen Maschine nicht mehr von den individuellen Einsatzbedingungen ab, sondern kann durch eine gezielte Dimensionierung der Kühlleistung sichergestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Axialkanal als zentrische Sackbohrung ausgebildet, in der ein Rohr konzentrisch angeordnet ist, wobei der Rohrinnenraum mit dem Axialkanal in Strömungsverbindung steht. Kühlfluid kann dabei durch das Rohr zugeführt und durch den umgebenden Ringspalt der Sackbohrung wieder abgeführt werden. Auch die Umkehrung der Strömungsrichtung ist möglich, also die Zufuhr von Kühlfluid durch den Ringspalt und die Abfuhr durch das Rohr.

Gleichwohl ist es auch möglich, den Axialkanal als durchgehende Bohrung auszubilden, die sich über die volle Länge der Rotorwelle erstreckt und stirnseitig mit Drehdurchführungen versehen ist, so dass der Zufluss und Abfluss von Kühlfluid über die beiden Stirnseiten der Rotorwelle erfolgt. Ein innerhalb der Axialbohrung angeordnetes Rohr ist dabei nicht erforderlich.

Im Hinblick auf die erfindungsgemäße Antriebsachse ist eine Weiterbildung zweckmäßig, gemäß der benachbart zur elektrischen Maschine eine zweite, koaxial angeordnete elektrische Maschine in der Antriebsachse angeordnet ist, die einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei eine mit dem Rotor verbundene Rotorwelle mit einem Axialkanal versehen ist, der sich axial zumindest in den Bereich einer Lagerstelle der Rotorwelle und zumindest teilweise in den Bereich des Rotors hinein erstreckt und der als Kühlmittelkanal für ein Kühlfluid vorgesehen ist.

Es wird also eine Mehrzahl von elektrischen Maschinen, die sich in der Antriebsachse befinden, auf die erfindungsgemäße Art und Weise gekühlt (auch eine Anordnung von mehr als zwei elektrischen Maschinen in der Antriebsachse ist möglich). Dabei kann, wie bereits für die erste elektrische Maschine vorgesehen, auch der Axialkanal der zweiten elektrischen Maschine als zentrische Sackbohrung ausgebildet sein, in der ein Rohr konzentrisch angeordnet ist, wobei der Rohrinnenraum mit dem Axialkanal im Sinne einer Hintereinanderschaltung in Verbindung steht.

Zweckmäßigerweise sind die Axialkanäle und die darin angeordneten Rohre der beiden elektrischen Maschinen jeweils mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss verbunden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Antriebsachse besteht darin, dass axial zwischen den elektrischen Maschinen eine Bremsvorrichtung und ein Bremsbetätigungsmechanismus angeordnet sind, wobei der Versorgungsanschluss der Axialkanäle und/oder der Versorgungsanschluss der darin angeordneten Rohre in den Bremsbetätigungsmechanismus integriert ist/sind.

Es ist dann lediglich erforderlich, die beiden Rotorwellen, jeweils an der Stirnseiten, von der aus sich die Sackbohrung und das konzentrische Rohr in die Rotorwelle hinein erstrecken, mit einer geeigneten Drehdurchführung auszustatten und diese an Kühlleitungen anzuschließen, die in den Bremsbetätigungsmechanismus integriert sind.

Sofern die Bremsvorrichtung als nass laufende Bremsvorrichtung ausgebildet und an einen Kühlkreislauf der beiden elektrischen Maschinen angeschlossen ist, werden nicht nur die elektrischen Maschinen bzw. deren Dichtungen und Lager vor thermischer Überlastung geschützt, sondern auch die Reibbeläge der Bremse und das zur Kühlung der Reibbeläge und zum Abtransport von Bremsenabrieb genutzte Hydrauliköl.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass beide elektrische Maschinen jeweils ein nachgeschaltetes Getriebe aufweisen, das an einen Kühlkreislauf der elektrischen Maschinen angeschlossen ist. Die Getriebe werden in diesem Fall stets durch sauberes und gekühltes Hydrauliköl durchströmt. Hierbei ist es einfache Weise möglich, die Verluste in den Getrieben zu minimieren, indem trotz minimalen Ölstandes, also nur geringen Planschverlusten, die erzeugte Wärme kontinuierlich abgeführt wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen Längsschnitt durch einen Mittelabschnitt einer Antriebsachse, in der zwei elektrischen Maschinen angeordnet sind, und
2 einen zur 1 analogen Längsschnitt bei veränderter Führung der Kühlflüssigkeit der beiden elektrischen Maschinen.
In einer Antriebsachse 1 sind nebeneinander eine erste und eine zweite elektrische Maschine (Elektromotoren) 2 und 3 angeordnet, zwischen denen sich eine Bremsvorrichtung 4 befindet. Die erste elektrische Maschine 2 verfügt über einen Stator 5 und einen Rotor 6, der auf einer Rotorwelle 7 befestigt ist. Die Rotorwelle 7 ist an beiden Enden jeweils mittels eines Wälzlagers 8 gelagert, das in einem Lagerschild eines Gehäuses 9 angeordnet ist. Zur Außenseite des Lagerschildes hin ist ein Wellendichtring 10 vorgesehen, der das Wälzlager 8 und den Innenraum des Gehäuses 9 der ersten elektrischen Maschine gegen Verschmutzung schützt.
Analog dazu verfügt die zweite elektrische Maschine 3 über einen Stator 11 und einen Rotor 12, der auf einer Rotorwelle 13 befestigt ist. Die Rotorwelle 12 ist beiden Ende mittels jeweils eines Wälzlagers 14 gelagert, das in einem Lagerschild eines mit dem Gehäuse 9 der ersten elektrischen Maschine verblockten Gehäuses 15 der zweiten elektrischen Maschine angeordnet ist. Zur Außenseite des Lagerschildes hin ist ein Wellendichtring 16 vorgesehen, der das Wälzlager 15 und das Innenraum des Gehäuses 15 der zweiten elektrischen Maschine gegen Verschmutzung schützt.
Die Rotorwellen 7 und 13 der beiden elektrischen Maschine sind jeweils mit einem zentrischen Axialkanal 17 bzw. 18 versehen, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Sackbohrung ausgeführt ist, die von derjenigen Stirnseite der Rotorwelle 7 bzw. 13 aus eingebracht ist, die der jeweils anderen Rotorwelle 13 bzw. 7 gegenüberliegt.
In jedem Axialkanal 17 bzw. 18 befindet sich ein konzentrisch angeordnetes Rohr 19 bzw. 20, das an demjenigen Ende, das der Stirnwand des Axialkanals 17 bzw. 18 benachbart ist, mit einem Ringspalt in Verbindung steht, der radial zwischen dem Axialkanal 17 bzw. 18 und dem Rohr 19 bzw. 20 gebildet ist. Denkbar ist es auch, das Rohr mit Querbohrungen zu versehen, um eine Verbindung zwischen dem Rohrinneren und dem Ringspalt herzustellen.
An den einander zugewandten Stirnseiten der beiden Rotorwellen 7 und 13 ist eine gemeinsame Drehdurchführung 21 angeordnet, in der die beiden Rohre 19 und 20 gehaltert sind und die mittels zweier Wellendichtringe 22, 23 von dem ölgefüllten Raum abgetrennt ist, in der sich die Bremsvorrichtung 4 befindet.
Von der Drehdurchführung 21 aus verläuft ein radial angeordnetes Zwischenstück 24 zu einem Anschlusskörper 25, der mit einer Zulauföffnung 26 und einer Ablauföffnung 27 für Kühlfluid versehen ist. Das Zwischenstück 24 verbindet das Rohrinnere der Rohre 19 und 20 mit der Zulauföffnung 26 und den Ringspalt der Axialkanäle 17 und 18 mit der Ablauföffnung 27. Bei dem zufließenden Kühlfluid handelt es sich bevorzugt um Hydrauliköl, das beispielsweise dem Rücklauf einer hydraulischen Lenkanlage oder einer Arbeitshydraulik entnommen wird.
Gleichwohl ist es auch möglich, als Kühlfluid ein gasförmiges Medium vorzusehen, beispielsweise ein Kühlfluid mit langkettigen Gasmolekülen.
Die Drehdurchführung 21 befindet sich in einer Ausnehmung 28 eines Bremsbetätigungsmechanismus 29, dessen Aufgabe es ist, durch eine hier nicht näher erläuterte Spreizbewegung Bremsrotoren und Bremsstatoren der Bremsvorrichtung 4 axial aufeinander zu pressen, um eine Bremswirkung zu erzielen. Die Drehdurchführung 21 ist also in den Bremsbetätigungsmechanismus 29 integriert.
Die Axialkanäle 17, 18 und die Rohre 19, 20 erstrecken sich axial sehr weit in die Rotorwellen 7, 13 hinein, jedenfalls so weit, dass ausreichend Wärme aus dem Rotor 6 bzw. 12 durch das Kühlfluid abfließen kann, um eine thermische Überlastung der Wälzlager 8 bzw. 14 und der Wellendichtringe 10 bzw. 16 zu verhindern.
Die in 2 dargestellte Antriebsachse unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 lediglich durch eine geänderte Führung des Kühlfluids (im vorliegenden Ausführungsbeispiel: Hydrauliköl). Hierbei weist die Drehdurchführung 21 keine Wellendichtringe auf, so dass die Ringspalten der Axialkanäle 17 und 18 an den ölgefüllten Raum angeschlossen sind, in dem sich die Bremsvorrichtung 4 befindet. Die Trennung zwischen dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Kühlung vorgesehenen Hydrauliköl und dem Hydrauliköl der Bremsvorrichtung 4 ist also aufgehoben. Das für die Bremse und die elektrischen Maschinen verwendete Hydrauliköl befindet sich somit in einem gemeinsamem Kreislauf.
Die Zufuhr von kühlendem Hydrauliköl erfolgt in der bereits beschriebenen, jedoch in 2 nicht dargestellten Weise mittels der Drehdurchführung 21 und dem Zwischenstück 24, wobei in diesen Baukomponenten lediglich ein einzelner Verbindungskanal zu den beiden Rohren 19 und 20 vorhanden sein muss. Die Abfuhr des Kühlfluids erfolgt direkt aus dem Raum, in dem sich die Bremsvorrichtung 4 befindet (ebenfalls nicht dargestellt).
Die erfindungsgemäße „innere Fluidkühlung" ist auch in einzelnen elektrischen Maschinen (Generator oder Motor) einsetzbar. Entgegen den Darstellungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es ferner auch möglich, die Rotorwelle mit einem durchgehenden Axialkanal zu versehen, wobei dann die Zufuhr und Abfuhr von Kühlfluid über die Stirnseiten der Rotorwelle erfolgt. Ein innerhalb des Axialkanals angeordnetes Rohr für den Zulauf ist dann nicht erforderlich.

Claims

Elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Rotor (6) verbundene Rotorwelle (7) mit einem Axialkanal (17) versehen ist, der sich axial zumindest in den Bereich einer Lagerstelle (Wälzlager 8) der Rotorwelle (7) und zumindest teilweise in den Bereich des Rotors (6) hinein erstreckt und der als Kühlmittelkanal für ein Kühlfluid vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialkanal (17) als zentrische Sackbohrung ausgebildet ist, in der ein Rohr (19) konzentrisch angeordnet ist, wobei der Rohrinnenraum mit dem Axialkanal (17) in Strömungsverbindung steht.
Antriebsachse mit mindestens einer darin angeordneten elektrischen Maschine, die einen Rotor und einen Stator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Rotor (6) verbundene Rotorwelle (7) mit einem Axialkanal (17) versehen ist, der sich axial zumindest in den Bereich einer Lagerstelle (Wälzlager 8) der Rotorwelle (7) und zumindest teilweise in den Bereich des Rotors (6) hinein erstreckt und der als Kühlmittelkanal für ein Kühlfluid vorgesehen ist.
Antriebsachse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialkanal (17) als zentrische Sackbohrung ausgebildet ist, in der ein Rohr (19) konzentrisch angeordnet ist, wobei der Rohrinnenraum mit dem Axialkanal (17) im Sinne einer Hintereinanderschaltung in Verbindung steht.
Antriebsachse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zur elektrischen Maschine (2) eine zweite, koaxial angeordnete elektrische Maschine (3) in der Antriebsachse (1) angeordnet ist, die einen Rotor (12) und einen Stator (11) aufweist, wobei eine mit dem Rotor (12) verbundene Rotorwelle (13) mit einem Axialkanal (18) versehen ist, der sich axial zumindest in den Bereich einer Lagerstelle (Wälzlager 14) der Rotorwelle (13) und zumindest teilweise in den Bereich des Rotors (12) hinein erstreckt und der als Kühlmittelkanal für ein Kühlfluid vorgesehen ist.
Antriebsachse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialkanal (18) der zweiten elektrischen Maschine (3) als zentrische Sackbohrung ausgebildet ist, in der ein Rohr (20) konzentrisch angeordnet ist, wobei der Rohrinnenraum mit dem Axialkanal (18) in Strömungsverbindung steht.
Antriebsachse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkanäle (17, 18) und die darin angeordneten Rohre (19, 20) der beiden elektrischen Maschinen (2, 3) jeweils mit einem gemeinsamen Versorgungsanschluss verbunden sind.
Antriebsachse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen den elektrischen Maschinen (2, 3) eine Bremsvorrichtung (4) und ein Bremsbetätigungsmechanismus (29) angeordnet sind, wobei der Versorgungsanschluss der Axialkanäle (17, 18) und/oder der Versorgungsanschluss der darin angeordneten Rohre (19, 20) in den Bremsbetätigungsmechanismus (29) integriert ist/sind.
Antriebsachse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (4) als nass laufende Bremsvorrichtung ausgebildet und an einen Kühlkreislauf der beiden elektrischen Maschinen (2, 3) angeschlossen ist.
Antriebsachse nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide elektrische Maschinen (2, 3) jeweils ein nachgeschaltetes Getriebe aufweisen, das an einen Kühlkreislauf der elektrischen Maschinen (2, 3) angeschlossen ist.