EP3207623A1 - Elektrische maschine mit integriertem wärmepuffer sowie antriebseinheit mit einer solchen elektronischen maschine - Google Patents

Elektrische maschine mit integriertem wärmepuffer sowie antriebseinheit mit einer solchen elektronischen maschine

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Publication number
EP3207623A1
EP3207623A1 EP15790449.1A EP15790449A EP3207623A1 EP 3207623 A1 EP3207623 A1 EP 3207623A1 EP 15790449 A EP15790449 A EP 15790449A EP 3207623 A1 EP3207623 A1 EP 3207623A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
housing
peak load
winding
electric machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15790449.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Beck
Christian KÜHHIRT
Michael ASCHE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP3207623A1 publication Critical patent/EP3207623A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/193—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil with provision for replenishing the cooling medium; with means for preventing leakage of the cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/197—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator

Definitions

  • Electric machine with integrated heat buffer and drive unit with such an electric machine
  • the present invention relates to an electrical machine which initially comprises in a conventional manner a rotor and a stator and an electrical winding and a housing.
  • the housing encloses the rotor, the stator and the electrical winding. It is possible that the housing or parts thereof, is an integral part of the rotor.
  • the electrical machine can be configured as an electric motor or as a generator. By suitable choice of the electrical connection of the electrical winding and its configuration within the electrical machine, this can be constructed as a synchronous machine, asynchronous machine or reluctance machine. With regard to the mechanical structure of such a machine, a distinction can be made between an internal rotor and an external rotor depending on the application.
  • the overall thermal resistance can be influenced for example by constructive measures, in particular by a suitable choice of material and shape of the housing.
  • the total thermal resistance In a normal operating state, which is intended for continuous operation, the total thermal resistance must be dimensioned so that the heat generated during feeding a continuous operating current into the electrical winding heat loss is dissipated sufficiently quickly to the environment, so that at a given ambient temperature does not exceed a predetermined maximum winding temperature in which neither the electrical winding nor the entire electrical machine undergo thermal damage.
  • the housing may be equipped with cooling plates or be integrated into a separate cooling circuit. It is also possible to cool inside the electrical machine. provide channels through which a cooling medium flows in order to absorb the heat loss as close to the electrical winding and transported to the outside.
  • Such active cooling systems are structurally complex and make the electrical machine and its operation considerably more expensive. In addition, this increases the weight of the electric machine, which is a hindrance especially for mobile applications.
  • peak loads are demanded from such an electrical machine, which for a short period of time may be significantly above the dimensioned continuous operating load, in particular may be a multiple of the continuous operating load.
  • the dimensioning of the electrical winding of the electric machine is generally determined by the dissipated heat loss in dispensing with active cooling.
  • wire cross-sections and insulation precautions must be selected, which alone would allow a significantly higher operating current from an electrical point of view, that is able to electromagnetically generate a peak power well above the continuous operating load.
  • the heat loss increases drastically, so that such peak loads can be accessed only very short, otherwise a thermal destruction of the electrical winding would result, for example, if there is a softening or even fire of the insulating varnish on the electrical Winding comes.
  • electrical machines In order to be able to call for increased operating performance over a medium-term period, electrical machines have therefore to date been dimensioned considerably more efficiently or it must be additionally provided in the above manner, an active cooling.
  • the object of the present invention is thus to provide an electrical machine which is designed under thermal aspects for a predetermined continuous operating load, dispenses with active cooling and nevertheless can provide an increased peak power significantly above the continuous operating load over a medium-term period without that there is thermal damage to the electric machine.
  • a further object of the invention is to provide a drive unit which can provide a significantly increased peak power beyond a continuous operation power for a period of a few minutes required in typical drive situations.
  • a drive unit according to the appended claim 7 is furthermore specified as a solution of the stated object.
  • the electrical machine according to the invention is characterized in that in the housing a dielectric fluid is filled, which has a heat capacity which is dimensioned to receive a peak load heat amount, which is discharged from the electric winding, if this with a peak current during a peak load operating time is operated.
  • the heat capacity of the dielectric fluid is dimensioned so that during the peak load operating time, the amount of heat of the other heat sources that are immanent the electric machine, record, so stemming z. B. from Statoreisenholden, rotor iron losses, bearing losses and magnetic losses.
  • the peak load operating time is preferably 1 to 15 minutes, more preferably 5 to 10 minutes.
  • An important advantage of the electric machine according to the invention is thus that, in contrast to the prior art described above, the losses are absorbed and buffered directly at their origin.
  • the heat transfer to the surrounding system (cooler components) takes place through free convection and not forced convection.
  • the filled in the housing dielectric liquid is mainly used to extend the thermal inertia of the entire electrical machine, to homogenize the temperature distribution within the electric machine and act to a certain extent in a mechanical damping manner on the moving parts of the electric machine.
  • the total heat capacity of the electric machine is significantly increased from the unfilled state.
  • the dielectric fluid thus serves primarily as a heat buffer and not as a heat transport medium since the dielectric fluid does not communicate with a cooling system external to the electrical machine.
  • the dielectric fluid transports the resulting waste heat to the various components and spaces that are embedded in or flowed through by the dielectric fluid.
  • the dielectric fluid is preferably a good heat-conducting oil, which on the one hand has a high heat capacity and on the other hand does not cause an electrical short circuit between different sections of the electrical winding.
  • the oil can simultaneously serve for the lubrication of the bearing units of the electric machine, which can be dispensed with a separate lubrication system.
  • the person skilled in various ways for sealing rotary bearings are known, so that leakage of the oil from the electric machine can be safely avoided even at the locations.
  • the serving as a dielectric liquid oil is preferably the predominant, more preferably almost the entire space remaining within the housing between the rotor and the stator, filled.
  • additional wing elements are mounted on the rotor, which accelerate a mixing and distribution of the oil again.
  • the housing has a filler neck, via which the electrical fluid can be introduced in the manufacturing process. After closing the filler neck, the housing as a whole is sealed in a liquid-tight manner, so that leakage of the dielectric liquid is precluded.
  • the filler neck can also be designed such that it can be opened and closed again by the user of the electric machine for filling in the dielectric fluid.
  • standard electrical machines can be adapted by the user to different applications by filling the dielectric capacity increasing dielectric fluid only when peak load conditions can occur which would result in thermal overloading of the machine without this additional heat capacity.
  • the present invention further provides a drive unit with an electric motor and a drive element coupled to this electric motor, wherein the electric motor is designed as an electrical machine in the construction described above.
  • Such drive units are particularly suitable for actuator tasks in which an increased driving force is required only for a relatively short period of time, for example a few minutes, d. H. peak load, while in the remaining periods the electric motor either stands still or only has a much lower continuous load.
  • the electric motor is adapted to the mainly occurring continuous load in such a way that the heat loss occurring can passively be discharged to the environment without an additional cooling device.
  • a drive element in such a drive unit for example, ball screw spindles, spherical planetary spindles, hydraulic cylinders, winches or similar drive elements are used.
  • An invented Drive unit according to the invention can, for example, drive the lifting device on a refuse vehicle, the tail lift on a truck or the lifting crane on any transport vehicle.
  • Other typical applications include the extension of hydraulic supports on vehicles or the positioning of work units on construction machinery.
  • the drive unit according to the invention is particularly suitable for a combination with hydraulic drives in which only an increased load is required for a short time. By the described increase in the heat capacity of the electric machine, an increased power density can be provided, which is comparable to a hydraulic actuator.
  • the filled in the housing of the electrical machine dielectric fluid absorbs the increased heat loss and delayed after completion of the peak load condition on the housing to the environment, without requiring an active cooling is required.
  • rapid distribution of heat loss within the electric machine also reduce the mechanical stresses that otherwise occur in an uneven heat distribution within the electrical machine and can cause damage.
  • the single FIGURE shows in a greatly simplified longitudinal sectional view of the basic structure of an electrical machine which is constructed as an internal rotor.
  • An illustrated in Fig. 1 electric motor 01 has a housing 02, which is completed liquid-tight. Within the housing 02, a stator 03 is arranged, which carries an electrical winding 04.
  • the electrical winding 04 may comprise a plurality of coil units, which are electrically interconnected depending on the desired operating mode and are supplied with a drive current by an external control unit (not shown).
  • the electric motor 01 has in this case an internal rotor 06, which is connected to a motor shaft 07.
  • the motor shaft 07 is mounted in roller bearings 08, which are held in the housing 02 and are each sealed via a bearing seal 09 to prevent the escape of liquid from the housing 02.
  • the electrical winding 04 is dimensioned so that the heat loss occurring during a continuous or normal operating state can be delivered to the housing 02 and from there to the environment, without the need for further cooling and without exceeding a permissible maximum winding temperature.
  • a dielectric liquid 1 1 is filled, which almost completely fills the cavities in this embodiment.
  • the free space within the housing 02 is filled to about 50 to 80%, depending on the required heat capacity provided by the dielectric fluid.
  • the least required amount of dielectric fluid, in particular oil the expert can easily determine by starting from the occurring peak load case peak load heat.
  • the difference to the amount of heat generated by the electric machine in the normal operating state and delivered by heat transfer to the environment, must first be absorbed by the dielectric fluid, which acts as a heat buffer.
  • the required amount can be calculated to fully absorb this peak load heat quantity.
  • the passive heat output can be taken into account, which has a dissipation of the heat loss occurring even in peak load condition. This is also dependent on the ambient temperature, which can be determined if necessary by a temperature sensor.
  • the resulting temperature gradient between the current operating temperature at the housing 02 and the ambient temperature can be considered within a control unit, to generate a warning signal when needed or to terminate the peak load mode when overheating of the electrical winding is imminent.
  • the control unit can also be configured so that after passing through a peak load state for a given period of time only the operation is possible in the normal operating state, so that sufficient time is available to that of the dielectric
  • the invention can also be applied to modified embodiments of electrical machines.
  • temperature profile profiles can be stored in order to be able to map typical operating states and thus to influence the control of the electrical machine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (01) mit einem Rotor (06), einem Stator (03), einer elektrischen Wicklung (04) und einem Gehäuse (02). Die elektrische Maschine besitzt einen Gesamtwärmewiderstand gegenüber der Umgebung, welcher so dimensioniert ist, dass die beim Einspeisen eines Dauerbetriebsstromes in die elektrische Wicklung (04) entstehende Dauerverlustwärme an die Umgebung abgeführt wird, sodass bei einer vorbestimmten Umgebungstemperatur und eine vorbestimmten maximalen Wicklungstemperatur nicht überschritten wird. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass in das Gehäuse (02) eine dielektrische Flüssigkeit (11) eingefüllt ist. Die Flüssigkeit besitzt eine Wärmekapazität, welche so bemessen ist, dass sie eine Spitzenlastwärmemenge aufnehmen kann, die von der elektrischen Wicklung (04) über die Dauerverlustwärme hinaus abgegeben wird, wenn diese mit einem Spitzenstrom während einer Spitzenlastbetriebszeit betrieben wird.

Description

Elektrische Maschine mit integriertem Wärmepuffer sowie Antriebseinheit mit einer solchen elektrischen Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die zunächst in herkömmlicher Weise einen Rotor und einen Stator sowie eine elektrische Wicklung und ein Gehäuse umfasst. Das Gehäuse umschließt den Rotor, den Stator und die elektrische Wicklung. Dabei ist es möglich, dass das Gehäuse oder Teile davon, integraler Bestandteil des Rotors ist. Die elektrische Maschine kann als Elektromotor oder als Generator konfiguriert sein. Durch geeignete Wahl des elektrischen Anschlusses der elektrischen Wicklung sowie deren Konfiguration innerhalb der elektrischen Maschine kann diese als Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder Reluktanzmaschine aufgebaut sein. In Bezug auf den mechanischen Aufbau einer solchen Maschine kann je nach Anwendungsfall zwischen einem Innenläufer und einem Außenläufer unter- schieden werden.
Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist von Bedeutung, dass eine derartige elektrische Maschine einen Gesamtwärmewiderstand gegenüber der Umgebung aufweist. Der Gesamtwärmewiderstand lässt sich beispielsweise durch konstruktive Maßnahmen, insbesondere durch eine geeignete Materialwahl und Formgebung des Gehäuses beeinflussen. In einem Normalbetriebszustand, der für den Dauerbetrieb vorgesehen ist, muss der Gesamtwärmewiderstand so dimensioniert sein, dass die beim Einspeisen eines Dauerbetriebsstromes in die elektrische Wicklung entstehende Verlustwärme ausreichend schnell an die Umgebung abgeführt wird, so dass bei einer gegebenen Umgebungstemperatur eine vorbestimmte maximale Wicklungstemperatur nicht überschritten wird, bei welcher weder die elektrische Wicklung noch die gesamte elektrische Maschine eine thermisch bedingte Schädigung erfahren.
Im Stand der Technik sind unterschiedlichste Möglichkeiten bekannt geworden, die in der elektrischen Wicklung entstehende Verlustwärme während des Normalbetriebszu- standes einer elektrischen Maschine geeignet abzuführen. Beispielsweise kann das Gehäuse mit Kühlblechen ausgerüstet sein oder in einen gesonderten Kühlkreislauf eingebunden sein. Ebenso ist es möglich, innerhalb der elektrischen Maschine Kühl- kanäle vorzusehen, durch welche ein Kühlmedium strömt, um die Verlustwärme möglichst nah an der elektrischen Wicklung aufzunehmen und nach außen abzutransportieren. Solche aktiven Kühlsysteme sind konstruktiv aufwändig und verteuern die elektrische Maschine sowie deren Betrieb erheblich. Außerdem steigt dadurch das Gewicht der elektrischen Maschine, was insbesondere für mobile Anwendungen hinderlich ist.
Es gibt verschiedene Anwendungsfälle für elektrische Maschinen, bei denen eine relativ geringe Dauerbetriebslast abgerufen wird, die folgerichtig auch nur eine geringe Verlustwärme entstehen lässt. In solchen Fällen kann auf eine aktive Kühlung der elektrischen Maschine verzichtet werden, da die Verlustwärme überwiegend aufgrund des Wärmeübergangs zwischen den einzelnen Bauteilen der elektrischen Maschine von der elektrischen Wicklung auf das Gehäuse übertragen wird und dort an die Umwelt abgegeben wird, im einfachsten Fall durch Wärmeabgabe an die Umgebungsluft.
In bestimmten Anwendungssituationen werden von einer solchen elektrischen Maschine Spitzenlasten abgefordert, die für einen kurzen Zeitraum deutlich oberhalb der dimensionierten Dauerbetriebslast liegen können, insbesondere ein Vielfaches der Dauerbetriebslast sein können.
Die Dimensionierung der elektrischen Wicklung der elektrischen Maschine ist beim Verzicht auf eine aktiven Kühlung im Regelfall maßgebend durch die abzuführende Verlustwärme bestimmt. Um eine thermische Zerstörung der elektrischen Wicklung zu vermeiden müssen daher Drahtquerschnitte und Isolationsvorkehrungen gewählt wer- den, die allein unter elektrischen Gesichtspunkten einen deutlich höheren Betriebsstrom gestatten würden, also auch eine deutlich über der Dauerbetriebslast liegende Spitzenleistung elektromagnetisch erzeugen können. Beim Abrufen einer Spitzenlast steigt aber auch die Verlustwärme drastisch an, so dass solche Spitzenlasten nur sehr kurzfristig abgerufen werden können, da anderenfalls eine thermische Zerstörung der elektrischen Wicklung die Folge wäre, beispielsweise wenn es zu einer Erweichung oder sogar zum Brand des Isolationslackes an der elektrischen Wicklung kommt. Um über einen mittelfristigen Zeitraum eine erhöhte Betriebsleistung abzurufen, müssen elektrische Maschinen daher bislang wesentlich leistungsfähiger dimensioniert werden oder es muss in der oben genannten Weise eine aktive Kühlung zusätzlich vorgesehen sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine elektrische Maschi- ne bereitzustellen, die unter thermischen Aspekten für eine vorbestimmte Dauerbetriebslast ausgelegt ist, auf eine aktive Kühlung verzichtet und dennoch über einen mittelfristigen Zeitraum eine deutlich oberhalb der Dauerbetriebslast liegende erhöhte Spitzenleistung bereitstellen kann, ohne dass es zu thermischen Schäden an der elektrischen Maschine kommt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Be- reitstellung eine Antriebseinheit, die über eine Dauerbetriebsleistung hinaus eine deutlich erhöhte Spitzenleistung bereitstellen kann, für einen in typischen Antriebssituationen benötigten Zeitraum von einigen Minuten.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß dem beigefügten Ans- pruch 1 erfüllt. Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Antriebseinheit gemäß dem beigefügten Anspruch 7 als Lösung der genannten Aufgabe angegeben.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass in das Gehäuse eine dielektrische Flüssigkeit eingefüllt ist, die eine Wärmekapazität besitzt, welche derart bemessen ist, um eine Spitzenlastwärmemenge aufzunehmen, die von der elektrischen Wicklung abgegeben wird, wenn diese mit einem Spitzenstrom während einer Spitzenlastbetriebszeit betrieben wird. Vorzugsweise ist die Wärmekapazität der dielektrischen Flüssigkeit so bemessen, dass während der Spitzenlastbetriebszeit auch die Wärmemenge der weiteren Wärmequellen, die der elektrischen Maschi- ne immanent sind, aufnehmen kann, also herrührend z. B. aus Statoreisenverlusten, Rotoreisenverlusten, Lagerverlusten und Magnetverlusten. Die Spitzenlastbetriebszeit beträgt vorzugsweise 1 bis 15 Minuten, besonders bevorzugt 5 bis 10 Minuten.
Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt somit darin, dass im Gegensatz zum oben beschriebenen Stand der Technik die Verluste direkt an ihren Entstehungspunkten aufgenommen und gepuffert werden. Dabei erfolgt die Wärmeübertragung an das umgebende System (kühlere Bauteile) durch freie und nicht durch erzwungene Konvektion. Die in das Gehäuse eingefüllte dielektrische Flüssigkeit dient vor allem dazu, die thermische Trägheit der gesamten elektrischen Maschine zu erweitern, die Temperaturverteilung innerhalb der elektrischen Maschine zu homogenisieren und in einem bestimmten Umfang auch in mechanisch dämpfender Weise auf die bewegten Teile der elektrischen Maschine einzuwirken. In Abhängigkeit von der Menge der eingefüllten dielektrischen Flüssigkeit und der spezifischen Wärmekapazität der Flüssigkeit wird die Gesamtwärmekapazität der elektrischen Maschine gegenüber dem nicht gefüllten Zustand deutlich vergrößert. Im Spitzenlastfall kann daher die von der elektri- sehen Wicklung erzeugte Wärmemenge kurzfristig von der dielektrischen Flüssigkeit aufgenommen werden. Die dielektrische Flüssigkeit dient damit primär als Wärmepuffer und nicht als Wärmetransportmedium, da die dielektrische Flüssigkeit nicht mit einem Kühlsystem außerhalb der elektrischen Maschine kommuniziert. Innerhalb der elektrischen Maschine transportiert die dielektrische Flüssigkeit natürlich die entste- hende Verlustwärme an die unterschiedlichen Bauelemente und Räume, die in die dielektrische Flüssigkeit eingebettet bzw. von dieser durchströmt sind.
Bei der dielektrischen Flüssigkeit handelt es sich bevorzugt um ein gut wärmeleitendes Öl, welches einerseits eine hohe Wärmekapazität besitzt und andererseits keinen elektrischen Kurzschluss zwischen verschiedenen Abschnitten der elektrischen Wicklung entstehen lässt. Das Öl kann gleichzeitig für die Schmierung der Lagereinheiten der elektrischen Maschine dienen, wodurch auf ein separates Schmiersystem verzichtet werden kann. Dem Fachmann sind verschiedene Möglichkeiten zur Abdichtung von Rotationslagern bekannt, so dass ein Austreten des Öls aus der elektrischen Ma- schine auch an den Lagestellen sicher vermieden werden kann.
Mit dem als dielektrische Flüssigkeit dienenden Öl ist bevorzugt der überwiegende, besonders nahezu bevorzugt der gesamte Raum, der innerhalb des Gehäuses zwischen dem Rotor und dem Stator verbleibt, befüllt. Für eine schnelle Verteilung des Öls innerhalb der elektrischen Maschine während des Betriebs sorgt bereits die Rotation der beweglichen Teile der elektrischen Maschine. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind am Rotor zusätzliche Flügelelemente angebracht, die eine Durchmischung und Verteilung des Öls nochmals beschleunigen. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform besitzt das Gehäuse einen Füllstutzen, über welchen im Herstellungsprozess die elektrische Flüssigkeit einfüllbar ist. Nach Verschließen des Füllstutzens ist das Gehäuse insgesamt flüssigkeitsdicht verschlos- sen, so dass ein Austreten der dielektrischen Flüssigkeit ausgeschlossen ist.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann der Füllstutzen auch derart gestaltet sein, dass er vom Benutzer der elektrischen Maschine für das Einfüllen der dielektrischen Flüssigkeit geöffnet und wieder verschlossen werden kann. Auf diese Weise lassen sich standardmäßig hergestellte elektrische Maschinen vom Benutzer an unterschiedliche Einsatzfälle anpassen, indem die der Erhöhung der Wärmekapazität dienende dielektrische Flüssigkeit nur dann eingefüllt wird, wenn Spitzenlastzustände auftreten können, die ohne diese zusätzliche Wärmekapazität zu einer thermischen Überlastung der Maschine führen würden.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem an diesen Elektromotor angekoppelten Antriebselement bereit, wobei der Elektromotor als elektrische Maschine in der zuvor beschriebenen Bauweise ausgebildet ist.
Derartige Antriebseinheiten eignen sich insbesondere für Aktuatoraufgaben, bei denen nur für einen relativ kurzen Zeitraum, beispielsweise wenige Minuten, eine erhöhte Antriebskraft benötigt wird, d. h. eine Spitzenlast abrufen wird, während in den übrigen Zeiträumen der Elektromotor entweder still steht oder nur mit einer deutlich gerin- geren Dauerlast beaufschlagt ist. Der Elektromotor ist an die hauptsächlich auftretende Dauerlast dabei derart angepasst, dass die auftretende Verlustwärme ohne eine zusätzliche Kühleinrichtung passiv an die Umgebung abgegeben werden kann.
Als Antriebselement in einer solchen Antriebseinheit kommen beispielsweise Kugel- gewindespindeln, Kugelplanetenspindeln, Hydraulikzylinder, Seilwinden oder ähnliche Antriebselemente zum Einsatz. Damit lässt sich die erfindungsgemäße Antriebseinheit beispielsweise für Hub- oder Handlingantriebe an Arbeitsfahrzeugen, z. B. für die Müllentsorgung oder für die Be- und Entladung von Lasten verwenden. Eine erfin- dungsgemäße Antriebseinheit kann beispielsweise die Hubvorrichtung an einem Müllfahrzeug, die Ladebordwand an einem Lastkraftwagen oder den Hubkran an einem beliebigen Transportfahrzeug antreiben. Weitere typische Anwendungsfälle sind das Ausfahren von hydraulischen Stützen an Fahrzeugen oder das Positionieren von Ar- beitseinheiten an Baumaschinen. Generell eignet sich die erfindungsgemäße Antriebseinheit besonders für eine Kombination mit hydraulischen Antrieben, bei denen nur kurzzeitig ein erhöhter Lastbedarf entsteht. Durch die beschriebene Erhöhung der Wärmekapazität der elektrischen Maschine kann eine erhöhte Kraftdichte bereitgestellt werden, die vergleichbar ist mit einem hydraulischen Aktuator.
Die in das Gehäuse der elektrischen Maschine eingefüllte dielektrischen Flüssigkeit nimmt die erhöhte Verlustwärme auf und gibt diese nach Abschluss des Spitzenlastzustandes verzögert über das Gehäuse an die Umgebung ab, ohne dass dafür eine aktive Kühlung erforderlich wird. Durch die außerdem erreichte schnelle Verteilung der Verlustwärme innerhalb der elektrischen Maschine reduzieren sich auch die mechanischen Beanspruchungen, die anderenfalls bei einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb der elektrischen Maschine auftreten und zu Beschädigungen führen können. Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Die einzige Figur zeigt in einer stark vereinfachten Längsschnittansicht den prinzipiel- len Aufbau einer elektrischen Maschine, die als Innenläufer aufgebaut ist.
Ein in Fig. 1 dargestellter Elektromotor 01 besitzt ein Gehäuse 02, welches flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses 02 ist ein Stator 03 angeordnet, der eine elektrische Wicklung 04 trägt. Die elektrische Wicklung 04 kann mehrere Spuleneinheiten umfassen, die je nach der gewünschten Betriebsart elektrisch miteinander verschaltet sind und von einer externen Steuereinheit (nicht dargestellt) mit einem Antriebsstrom gespeist werden. Weiterhin besitzt der Elektromotor 01 einen in diesem Fall innenliegenden Rotor 06, der mit einer Motorwelle 07 verbunden ist. Die Motorwelle 07 ist in Wälzlagern 08 gelagert, die im Gehäuse 02 gehalten sind und jeweils über eine Lagerdichtung 09 abgedichtet sind, um das Austreten von Flüssigkeit aus dem Gehäuse 02 zu verhindern.
Die elektrische Wicklung 04 ist so dimensioniert, dass die während eines Dauer- bzw. Normalbetriebszustands auftretende Verlustwärme an das Gehäuse 02 und von dort an die Umgebung abgegeben werden kann, ohne dass es einer weiteren Kühlung bedarf und ohne dass eine zulässige maximale Wicklungstemperatur überschritten wird.
In den Hohlräumen, die innerhalb des Gehäuses 02 zwischen dem Stator 03 und dem Rotor 06 verbleiben, ist eine dielektrische Flüssigkeit 1 1 eingefüllt, welche in dieser Ausführungsform die Hohlräume nahezu vollständig auffüllt. In abgewandelten Ausführungsformen ist der freie Raum innerhalb des Gehäuses 02 zu etwa 50 bis 80 % befüllt, in Abhängigkeit von der benötigten Wärmekapazität, die durch die dielektrische Flüssigkeit bereitgestellt wird.
Die mindestens benötigte Menge an dielektrischer Flüssigkeit, insbesondere Öl, kann der Fachmann leicht bestimmen, indem er von der im Spitzenlastfall auftretenden Spitzenlastwärmemenge ausgeht. Die Differenz zu der Wärmemenge, die von der elektrischen Maschine im Normalbetriebszustand erzeugt und durch Wärmeübertragung an die Umgebung abgegeben wird, muss durch die dielektrische Flüssigkeit, die als Wärmepuffer wirkt, zunächst aufgenommen werden. Im einfachsten Fall kann unter Heranziehung der spezifischen Wärmekapazität der verwendeten dielektrischen Flüssigkeit die erforderliche Menge berechnet werden, um diese Spitzenlastwärmemenge vollständig aufzunehmen.
Wenn eine genauere Dimensionierung erwünscht ist, kann die passive Wärmeabgabe berücksichtigt werden, die auch im Spitzenlastzustand eine Abfuhr der auftretenden Verlustwärme zur Folge hat. Diese ist auch von der Umgebungstemperatur abhängig, die bei Bedarf durch einen Temperatursensor ermittelt werden kann. Der entstehende Temperaturgradient zwischen der aktuellen Betriebstemperatur am Gehäuse 02 und der Umgebungstemperatur lässt sich innerhalb einer Steuereinheit berücksichtigen, um bei Bedarf ein Warnsignal zu generieren oder den Spitzenlastbetriebszustand zu beenden, wenn eine Überhitzung der elektrischen Wicklung droht. Die Steuereinheit kann auch so konfiguriert sein, dass nach Durchlaufen eines Spitzenlastzustandes für einen vorgegebenen Zeitraum nur der Betrieb im Normalbetriebszustand ermöglicht ist, so dass ausreichende Zeit zur Verfügung steht, um die von der dielektrischen
Flüssigkeit aufgenommene zusätzliche Wärmemenge passiv an die Umgebung abzugeben. Erst nach Ablauf dieser Zeit bzw. nach Erreichen einer Normalbetriebstemperatur der dielektrischen Flüssigkeit kann dann erneut ein Spitzenlastzustand zugelassen werden.
Der Fachmann wird leicht erkennen, dass die Erfindung auch an abgewandelten Ausführungsformen elektrischer Maschinen angewendet werden kann. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, den mit der dielektrischen Flüssigkeit zu befüllenden Hohlraum innerhalb des Gehäuses konstruktiv gezielt zu vergrößern, um eine größere Wärmekapazität über die einzufüllende Flüssigkeit bereitstellen zu können.
In der erwähnten Steuereinheit können Temperaturverlaufsprofile hinterlegt werden, um typische Betriebszustände abbilden zu können und damit auf die Steuerung der elektrischen Maschine Einfluss zu nehmen.
Bezugszeichenliste
Elektromotor
Gehäuse
Stator
elektrische Wicklung
Rotor
Motorwelle
Wälzlager
Lagerdichtung dielektrische Flüssigkeit / Öl

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrische Maschine (01 ) mit einem Rotor (06), einem Stator (03), einer elektrischen Wicklung (04) und einem Gehäuse (02), wobei die elektrische Maschine einen Gesamtwärmewiderstand gegenüber der Umgebung aufweist, welcher so dimensioniert ist, dass die beim Einspeisen eines Dauerbetriebsstromes in die elektrische Wicklung (04) entstehende Dauerverlustwärme an die Umgebung abgeführt wird, bei einer vorbestimmten Umgebungstemperatur und einer vorbestimmten maximalen Wicklungstemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (02) eine dielektrische Flüssigkeit (1 1 ) eingefüllt ist, die eine Wärmekapazität besitzt, welche bemessen ist, um eine Spitzenlastwärmemenge aufzunehmen, die von der elektrischen Wicklung (04) über die Dauerverlustwärme hinaus abgegeben wird, wenn diese mit einem Spitzenstrom während einer Spitzenlastbetriebszeit betrieben wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Flüssigkeit (1 1 ) ein Öl oder eine ölhaltige Mischung ist und dass das Gehäuse (02) flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität der dielektrischen Flüssigkeit bemessen ist, um eine Spitzenlastwärmemenge aufzunehmen, die sowohl die von der elektrischen Wicklung (04) über die Dauerverlustwärme hinaus abgegebene Wärmemenge als auch die Wärmemenge, abgegeben von weiteren Wärmequellen, die der elektrischen Maschine immanent sind, umfasst.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (02) eine Menge der dielektrischen Flüssigkeit (1 1 ) eingefüllt ist, die 50% bis 100 % des freien Raums im Gehäuse (02) ausfüllt.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Rotor (06) Flügelelemente angebracht sind, die in die dielektri- sehen Flüssigkeit (1 1 ) eingreifen und bei Rotation eine Durchmischung und Verteilung der dielektrischen Flüssigkeit (1 1 ) bewirken.
6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (02) einen Füllstutzen hat, über welchen die dielektrische Flüssigkeit (1 1 ) einfüllbar ist.
7. Antriebseinheit mit einem Elektromotor und einem an diesen angekoppelten Antriebselement, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor eine elektrische Maschine (01 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.
8. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Steuereinheit umfasst, welche dem Elektromotor (01 ) in einem Normalbe- triebszustand einen Antriebsstrom einspeist, der nicht größer als der Dauerbetriebsstrom der elektrischen Maschine ist, und wobei die Steuereinheit in einem Spitzenlastzustand dem Elektromotor einen Spitzenstrom einspeist für einen Spitzenlastzeitraum, der nicht größer ist als die Zeit, welche benötigt wird, um die Spitzenlastwärmemenge zu erzeugen.
9. Antriebseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Temperatursensor umfasst, über welchen die Steuereinheit die aktuelle Umgebungstemperatur misst, wobei diese bei der Bestimmung der Spitzenlastwärmemenge berücksichtigt wird.
10. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement aus der folgenden Gruppe gewählt ist:
• Kugelgewindespindel,
• Kugelplanetenspindel,
• Hydraulikzylinder,
• Seilwinde.
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