WO2012159791A2 - Elektrodynamische maschine mit einem zusatzmantel - Google Patents

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WO2012159791A2
WO2012159791A2 PCT/EP2012/054872 EP2012054872W WO2012159791A2 WO 2012159791 A2 WO2012159791 A2 WO 2012159791A2 EP 2012054872 W EP2012054872 W EP 2012054872W WO 2012159791 A2 WO2012159791 A2 WO 2012159791A2
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WO
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stator
jacket
housing
electrodynamic machine
shaft
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French (fr)
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Timo Wehlen
Karl-Hermann Ketteler
Stephan Scharr
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/18—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures
    • H02K1/185—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures to outer stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
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    • 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
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/24—Casings; Enclosures; Supports specially adapted for suppression or reduction of noise or vibrations

Definitions

  • the invention relates to an electrodynamic machine with an active unit comprising at least one stator and with a shaft having a longitudinal axis.
  • electrodynamic machines are known in various configurations. They can be designed for example as electric motors or as electrical generators. Also for the active unit, within which the actual electrodynamic interaction takes place, various embodiments are known. In addition to the stator, the active unit in particular also includes a rotor, which is usually arranged rotationally fixed on the shaft.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrodynamic machine of the type described, which has a reduced noise even at a high speed.
  • an electrodynamic machine In the electrodynamic machine, the active unit and at least part of the shaft are arranged in a housing. Between the housing and the active unit, an additional jacket is provided, in which the stator is held.
  • the jacket has seen in the direction of the longitudinal axis two axial end faces. It is provided at the two axial end faces, each with a tangential contact edge, wherein the jacket at least in Circumferentially supported solely by means of the two contact edges on the housing.
  • the electrodynamic machine may in particular be an electric motor or an electric generator.
  • the electrodynamically active unit also includes a rotor, which is magnetically coupled to the stator at least during operation. Due to the special storage or support of the stator - and thus in particular the active unit as a whole - within the housing over the additional jacket, a significant reduction in the externally perceptible noise is achieved. This favorable acoustic emission behavior results in particular due to the exclusive support of the jacket on the housing via the two contact edges. Apart from the contact surfaces formed by these two contact edges there are no other points of contact between the shell and the housing in the circumferential direction.
  • the main cause of the noise is the radial force excitation, since the Tangentialkraftanregung is due to the large mass involved masses of the stator and the rotor only rarely of importance.
  • the bending natural frequency of the teeth of the stator and / or the rotor falls in the audible frequency range in particular only in very large-volume electrodynamic machines.
  • the Statorjoch is elastic in itself and can be deformed by the action of the magnetic forces in the air gap between the rotor and the stator in a variety of different eigenmodes.
  • the oscillating stator yoke of the electrodynamic machine can be acoustically interpreted as a zonal spherical radiator.
  • the relative radiant power of the zonal spherical radiator decreases with increasing atomic number of the radial force excitation.
  • the stiffness of the stator yoke increases with increasing atomic number.
  • the acoustic radiation power increases relatively and reaches a high plateau at very high frequencies, which, however, are still within the audible range. This is particularly important for electrodynamic machines that are operated at a high speed, as the sound excitation frequencies increase with the operating frequency of the electrodynamic machine.
  • excitations which lie in the vicinity of the vibration resonance of the stator laminated core in the respective radial deformation modes. Nevertheless, this excitation can not be prevented, for example, with an electrodynamic machine designed as a speed control drive.
  • stator has a stator magnetic body and the jacket overhangs the stator magnet body on both sides axially, so that the two contact edges are axially spaced from the stator magnet body are arranged.
  • the stator magnet body may in particular be a laminated core, for example of an iron material.
  • the stator magnet body can also comprise a stator winding body. The above-mentioned mechanical vibrations arise mainly within the stator magnetic body.
  • the contact edges by means of which the support of the jacket takes place on the housing, are arranged outside the axial region in which the stator magnet body is located and which is very significant with regard to the transmission of acoustically perceptible mechanical vibrations. In this area there is no direct mechanical contact between the jacket and the housing. In this respect, the axial projection of the jacket over the area with the stator magnetic body provides a very good acoustic decoupling.
  • stator magnet body has a stator outer diameter and an axial distance between the stator magnet body and the two contact edges amounts to at least 10% of the stator outer diameter.
  • the stator has a stator winding with two arranged on the two axial end face of the stator winding heads and the jacket extends beyond the winding heads axially, so that the two contact edges are axially spaced from the winding heads.
  • the contact edges are very far away from the source of the acoustically decoupled vibrations.
  • the jacket is provided at least in the region of the stator with cooling channels in the form of open towards the housing recesses. Between the region provided with cooling channels and the two contact edges, a seal, for example in the form of a sealing ring, is provided between the jacket and the housing.
  • the jacket has a double function. In addition to the mentioned acoustic decoupling, it also serves for cooling.
  • the design of the cooling channels as open towards the housing recesses within the mantle surface is particularly simple.
  • the cooling channels can run tangentially and / or axially.
  • a decoupling gap in particular with a radial gap width in the range between 0.05 mm and 1 mm, is provided in the region between the housing and the jacket lying between the two contact margins.
  • the decoupling gap is used for sound decoupling.
  • said preferred range of values covers only relatively small gap widths, such small gap widths nevertheless suffice for effective sound decoupling.
  • the noise-relevant and caused by the radial force waves deformations of the stator magnetic body are usually in the range below 1 ⁇ .
  • the said range for the width of the decoupling gap is also small enough to prevent passage of cooling liquid.
  • Such a small sized decoupling gap is classified as practically dense from a hydraulic point of view.
  • the jacket also serves for cooling and accordingly is provided on its surface with recesses for the formation of cooling channels, the cooling liquid is conducted almost exclusively as desired in the cooling channels despite the decoupling gap. In any case, the cooling liquid can not leave the cooling channels to any appreciable extent via the decoupling gap.
  • the jacket is slotted at least in the region of the two contact edges, in particular slotted axially, ie preferably provided with outgoing from the axial edges longitudinal slots.
  • the jacket then does not run out at its two axial end faces as a hollow cylinder, but as a tooth-shaped sleeve with several web-like cantilevers.
  • the support function of the jacket on the housing in the region of the contact edges is still maintained. It is ensured by the web-like cantilevers, which ensure both a sufficient hold of the stator magnet body within the housing and a sufficient torque support during a rotational movement of the shaft. Due to the slit, the bending stiffness is reduced. Conversely, the mechanical elasticity increases.
  • the deformation deflections of the radial vibrations which are decisive for the noise, insofar as they are even transmitted to the region of the contact edges, are damped and / or absorbed on account of the reduced bending stiffness.
  • the slit of the contact areas further reduces the transmission of these mechanical vibrations to the housing.
  • the higher mechanical elasticity in the region of the contact edges also facilitates the assembly of the jacket within the housing.
  • the weight is reduced due to the material savings through the recessed slots.
  • the jacket is provided at least in the region of the two contact edges with extending in the axial direction slots.
  • a design for a maximum speed of the shaft is provided so that in an area of the shaft with a smallest outer shaft diameter, an outer circumferential surface of the shaft at the maximum speed of the shaft has a peripheral speed of at least 100 m / s. It is therefore a high-revving, that is very fast rotating, electrodynamic machine, where it could come without the acoustic decoupling to a very strong noise.
  • the configuration as a high-speed machine can additionally or alternatively also be defined with reference to the first bending natural vibration of the shaft.
  • This bending natural vibration is excited at a certain speed of the shaft, the excitation speed.
  • the maximum speed of the shaft on which the electrodynamic machine is designed is at least 50% of the excitation speed, ie the speed at which the first bending natural vibration of the shaft is excited. Thanks to the acoustic decoupling, the noise level of such high-speed machines is reduced considerably. In principle, the acoustic decoupling also unfolds its advantageous effect on machines designed for lower speeds.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an electrodynamic machine with an acoustically decoupled mounting of the stator in a housing by means of an additional jacket
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a slotted contact edge of the additional jacket provided for acoustic decoupling according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows the contact edge of FIG. 2 in representation of the cross section III-III of FIG. 2, and
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a contact edge provided with oblong holes of the additional jacket provided for acoustic decoupling according to FIG. 1. Corresponding parts are provided in FIGS. 1 to 4 with the same reference numerals. Also details of the embodiments explained in more detail below can constitute an invention in itself or be part of an inventive subject matter.
  • FIG. 1 an embodiment of an electric motor designed as an electrodynamic machine 1 is shown.
  • the electrodynamic machine 1 comprises an active unit 2 with a stator 3 and a rotor 4, which are separated from one another by an air gap 5 and magnetically coupled to one another via the air gap 5 during operation.
  • the rotor 4 is rotatably mounted on a shaft 6, which has a central longitudinal axis 7 and is mounted rotatably about this central longitudinal axis 7.
  • the central longitudinal axis 7 is therefore the axis of rotation of the shaft 6 and also of the electric motor.
  • the shaft 6 is designed as a hollow shaft. Other configurations, for example as a solid shaft, but are also possible in principle.
  • orientation data used here "axial”, “radial” and “tangential” refer to the central longitudinal axis 7.
  • axially means an orientation parallel to the central longitudinal axis 7
  • radially means a direction perpendicular to the central longitudinal axis 7 and “tangential” on the center longitudinal axis 7 related circumferential direction.
  • the stator 3 comprises a stator magnetic body in the form of a stator laminated core 9 and an electric stator winding 10, whose lines extend at least partially into grooves of the stator laminated core 9 and the two arranged on the two axial end faces of the stator 3 winding heads 1 first includes.
  • the rotor 4 comprises a rotor laminated core 12 and a short-circuited electric rotor winding 13, which in the exemplary embodiment is a short-circuit cage made of aluminum.
  • the electrodynamically active unit 2 with the stator 3 and the rotor 4 and a part of the shaft 6 are arranged within a housing 8. there the stator 3 is not directly adjacent to the inner wall of the housing 8. Rather, an additional jacket 15 is placed between the housing 8 and the stator 3, which serves to support the stator 3 within the housing 8.
  • the additional jacket 15 surrounds the active unit 2 tangentially completely. He has at its two axial end faces in each case a tangential contact edge 16 and 17.
  • the additional jacket 15 is connected to the housing 8 only via these two contact edges 16 and 17 in direct mechanical connection. In the circumferential direction of the additional jacket 15 is supported exclusively by means of the two contact edges 16 and 17 on the housing 8. In addition to support the contact edges 16 and 17 also serve to center the additional jacket 15 and the therein disposed active unit 2 within the housing 8. Inrum, the contact edges 16 and 17 also understood and referred to as "centering edges".
  • the additional jacket 15 extends on both axial end faces in the axial direction further than the stator laminated core 9.
  • There are axial projections 18 and 19 are formed, wherein the two contact edges 17 and 17 are disposed within each of the projections 18 and 19, namely in particular each
  • the projections 18 and 19 have an axial length of at least 10% of an outer diameter of the stator laminated core 9. In the embodiment shown, this outer diameter is about 150 mm, so that the projections 18 and 19 are therefore each at least 15 mm long, with different lengths are provided on both axial sides.
  • the additional jacket 15 and the housing 8 are spaced from each other by a narrow decoupling gap 20.
  • the decoupling gap 20 has a radial gap width of about 0.2 mm.
  • the decoupling gap 20 is used for acoustic decoupling between the housing 8 on the one hand and the components of the electrodynamic machine 1 arranged inside the housing 8, in particular the components of the active unit 2.
  • the decoupling gap 20 largely suppresses a transmission of radial vibrations of the stator Sheet metal package 9 on the housing 8. In this way, the noise on the outside of the housing 8 is reduced considerably. This is all the more true, as the electrodynamic machine 1 shown by way of example in FIG.
  • the additional jacket 15 has a double function in the embodiment shown. In addition to the already explained sound decoupling, it also serves to cool the electrodynamic machine 1 at the same time.
  • the decoupling gap 20 leads to no appreciable loss of cooling liquid, since its gap width is so small that it from a hydraulic point of view as dense, d. H. for the coolant is not passable, is to be considered.
  • a seal in the form of a sealing ring 22 is arranged on each axial side.
  • the contact edge 17 of the additional jacket 15 comprises longitudinal slots 23 which, starting from the axial end face in the region of the projection 19, extend axially into the otherwise substantially hollow cylindrical wall of the additional jacket 15.
  • the longitudinal slots 23 are arranged distributed uniformly in the circumferential direction.
  • elongated holes 25 are provided in this embodiment, which are arranged distributed tangentially evenly and whose longitudinal direction is oriented in each case parallel to the central longitudinal axis 7.
  • all possible realization variants for the contact edges 16 and 17 also ensure a torque support.

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Abstract

Die elektrodynamische Maschine (1) hat eine zumindest einen Stator (3) umfassende Aktiveinheit (2) und eine eine Längsachse (7) aufweisende Welle (6). Die Aktiveinheit (2) und zumindest ein Teil der Welle (6) sind in einem Gehäuse (8) angeordnet. Zwischen dem Gehäuse (8) und der Aktiveinheit (2) ist ein zusätzlicher Mantel (15) vorgesehen, in dem der Stator (3) gehalten ist. Der Mantel (15) hat in Richtung der Längsachse (7) gesehen zwei axiale Stirnseiten und ist an den beiden axialen Stirnseiten mit jeweils einem tangentialen Kontaktrand (16, 17) versehen, wobei der Mantel (15) zumindest in Umfangsrichtung ausschließlich mittels der beiden Kontaktränder (16, 17) an dem Gehäuse (8) abgestützt ist.

Description

Elektrodynamische Maschine mit einem Zusatzmantel
Die Erfindung betrifft eine elektrodynamische Maschine mit einer zumindest einen Stator umfassenden Aktiveinheit und mit einer eine Längsachse aufweisenden Welle.
Derartige elektrodynamische Maschinen sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Sie können beispielsweise als Elektromotoren oder auch als elektrische Generatoren ausgeführt sein. Auch für die Aktiveinheit, innerhalb derer die eigentliche elektrodynamische Wechselwirkung stattfindet, sind verschiedene Ausführungsformen bekannt. Neben dem Stator umfasst die Aktiveinheit insbesondere auch einen Rotor, der üblicherweise drehfest auf der Welle angeordnet ist.
Während des Betriebs bislang bekannter elektrodynamischer Maschinen kommt es zu einer zum Teil nicht unerheblichen Geräuschentwicklung, die vor allem bei einer hohen Wellendrehzahl stark ausgebildet sein kann. Die diese Geräusche verursachenden mechanischen Schwingungen erzeugen dabei nicht nur einen das Bedienpersonal beeinträchtigenden Lärmpegel. Vielmehr können sie auch zu einer Beschädigung der elektrodynamischen Maschine oder von Komponenten, die im Umfeld der elektrodynamischen Maschine angeordnet sind, führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine elektrodynamische Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die auch bei einer hohen Drehzahl eine reduzierte Geräuschentwicklung aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine elektrodynamische Maschine entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei der elektrodynamischen Maschine sind die Aktiveinheit und zumindest ein Teil der Welle in einem Gehäuse angeordnet. Zwischen dem Gehäuse und der Aktiveinheit ist ein zusätzlicher Mantel vorgesehen, in dem der Stator gehalten ist. Der Mantel hat in Richtung der Längsachse gesehen zwei axiale Stirnseiten. Er ist an den beiden axialen Stirnseiten mit jeweils einem tangentialen Kontaktrand versehen, wobei der Mantel zumindest in Umfangsrichtung ausschließlich mittels der beiden Kontaktränder an dem Gehäuse abgestützt ist.
Bei der elektrodynamischen Maschine kann es sich insbesondere um einen elektrischen Motor oder um einen elektrischen Generator handeln. Die elektrodynamisch wirksame Aktiveinheit umfasst insbesondere neben dem Stator auch einen Rotor, der zumindest während des Betriebs magnetisch mit dem Stator gekoppelt ist. Aufgrund der besonderen Lagerung bzw. Abstützung des Stators - und damit insbesondere auch der Aktiveinheit insgesamt - innerhalb des Gehäuses über dem zusätzlichen Mantel, wird eine erhebliche Verringerung der von außen wahrnehmbaren Geräusche erreicht. Dieses günstige Schallemissionsverhalten ergibt sich insbesondere aufgrund der ausschließlichen Abstützung des Mantels an dem Gehäuse über die beiden Kontaktränder. Abgesehen von den durch diese beiden Kontaktränder gebildeten Kontaktflächen gibt es in Umfangsrichtung keine weiteren Berührungsstellen zwischen dem Mantel und dem Gehäuse.
Es wurde erkannt, dass die Geräuschentwicklung von elektrodynamischen Maschinen einerseits durch die Anregung von Pendelmomenten (= Tangentialan- regung über Lorentzkräfte), die über die Befestigungspunkte der elektrodynamischen Maschine durch Körperschallweiterleitung in die umgebende Struktur gekoppelt werden, und andererseits durch Radialschwingungen des Statorjochs, die durch elektromagnetische Kräfte (= Radialanregung mittels Maxwell'scher Zugspannungen) erzeugt und als Luft- und Körperschall weitergeleitet werden. Beide Anregungsarten haben ihre Ursache in der diskreten Verteilung von elektrischen Wicklungen in Nuten des Stators bzw. ggf. auch des Rotors und können grundsätzlich nicht verhindert werden. Eine weitere Ursache für Geräuschentwicklung ergibt sich bei einem Betrieb der elektrodynamischen Maschine über eine pulsierende Spannung eines pulswei- tenmodulierten (PWM)-Wechselrichters. Die Hauptursache für die Geräuschentwicklung ist die Radialkraftanregung, da die Tangentialkraftanregung wegen der großen beteiligten Schwungmassen des Stators und des Rotors nur selten von Bedeutung ist. Außerdem fällt die Biegeeigenfrequenz der Zähne des Stators und/oder des Rotors insbesondere erst bei sehr großvolumigen elektrodynamischen Maschinen in den hörbaren Frequenzbereich. Das Statorjoch ist in sich elastisch und kann sich durch Einwirkung der magnetischen Kräfte im Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator in einer Vielzahl unterschiedlicher Eigenmoden verformen.
Das schwingende Statorjoch der elektrodynamischen Maschine lässt sich akustisch als zonaler Kugelstrahler auffassen. Bei kleinen Frequenzen nimmt die relative Strahlungsleistung des zonalen Kugelstrahlers mit steigender Ordnungszahl der Radialkraftanregung ab. Weiterhin nimmt die Steifigkeit des Stator-Jochs mit wachsender Ordnungszahl zu. Bei höheren Frequenzen nimmt die akustische Strahlungsleistung relativ gesehen zu und erreicht bei sehr hohen Frequenzen, die allerdings immer noch im hörbaren Bereich liegen, ein hohes Plateau. Dies ist insbesondere für elektrodynamische Maschinen, die bei einer hohen Drehzahl betrieben werden, von Bedeutung, da die Schall-Anregungsfrequenzen mit der Betriebsfrequenz der elektrodynamischen Maschine zunehmen. Insbesondere von Bedeutung sind weiterhin Anregungen, die in der Nähe der Schwingungsresonanz des Stator-Blechpakets in den jeweiligen Radialverformungsmoden liegen. Dennoch lässt sich diese Anregung zum Beispiel bei einer als Drehzahlstellantrieb ausgebildeten elektrodynamischen Maschine nicht verhindern.
Da die Ursachen, die zu einer störenden Geräuschentwicklung führen können, also durch den Aufbau und die Funktionsweise der elektrodynamischen Maschine bedingt sind und nicht grundsätzlich beseitigt werden können, wird durch die oben beschriebene akustische Entkopplung zumindest weitgehend verhindert, dass die im Inneren der elektrodynamischen Maschine entstehenden Schwingungen auf das Gehäuse übertragen und von dort als störender Schall abgestrahlt werden können. Insbesondere in dem Bereich, in dem die Schwingungen hauptsächlich entstehen, berühren der Mantel und das Gehäuse einander nicht. Die Abstützung erfolgt ausschließlich außerhalb dieses für die Geräuschentwicklung maßgeblichen Bereichs, nämlich an den seitlichen Kontakträndern. Somit wird die direkte Schallankopplung des Stators an das Gehäuse reduziert, und die Wirkung der primären Geräuschanregung durch die elektrodynamische Maschine wird gedämpft.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrodynamischen Maschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche. Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der der Stator einen Stator-Magnetkörper aufweist und der Mantel den Stator- Magnetkörper beiderseits axial überragt, so dass die beiden Kontaktränder axial beabstandet von dem Stator- Magnetkörper angeordnet sind. Bei dem Stator-Magnetkörper kann es sich insbesondere um ein Blechpaket, beispielsweise aus einem Eisenmaterial, handeln. Grundsätzlich kann der Stator- Magnetkörper auch einen Stator-Wickelkörper mit umfassen. Die vorstehend angesprochenen mechanischen Schwingungen entstehen hauptsächlich innerhalb des Stator- Magnetkörpers. Es ist deshalb günstig, wenn die Kontaktränder, mittels derer die Abstützung des Mantels an dem Gehäuse erfolgt, außerhalb des axialen Bereichs angeordnet sind, in dem sich der Stator-Magnetkörper befindet und der im Hinblick auf die Übertragung akustisch wahrnehmbarer mechanischer Schwingungen sehr maßgeblich ist. In diesem Bereich liegt dann keine unmittelbare mechanische Kontaktierung zwischen dem Mantel und dem Gehäuse vor. Insofern bietet der axiale Überstand des Mantels über den Bereich mit dem Stator-Magnetkörper eine sehr gute akustische Entkopplung.
Günstig ist eine weitere Ausgestaltung, bei der der Stator-Magnetkörper einen Stator-Außendurchmesser aufweist und ein axialer Abstand zwischen dem Stator- Magnetkörper und den beiden Kontakträndern mindestens 10% des Stator-Außendurchmessers beträgt. Mit einem dementsprechend bemessenen axialen Überstand des Mantels über dem Stator-Magnetkörper lässt sich die vorstehend angesprochene akustische Entkopplung sehr gut erreichen. Dabei kann der Überstand an beiden axialen Stirnseiten entweder gleich groß oder verschieden ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist der Stator eine Stator- Wicklung mit zwei an den beiden axialen Stirnseite des Stators angeordneten Wicklungsköpfen auf und der Mantel überragt die Wicklungsköpfe axial, so dass die beiden Kontaktränder axial beabstandet von den Wicklungsköpfen angeordnet sind. Dadurch liegen die Kontaktränder sehr weit von der Quelle der akustisch zu entkoppelnden Schwingungen entfernt. Die akustische Entkopplung ist umso größer, je größer der axiale Überstand des Mantels über die Stator- Komponenten ist, in denen die für die Geräuschentwicklung maßgeblichen mechanischen Schwingungen ent- stehen, bzw. je größer der axiale Abstand der Kontaktränder von diesen Stator- Komponenten ist.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist der Mantel zumindest im Bereich des Stators mit Kühlkanälen in Form von zum Gehäuse hin offenen Ausnehmungen versehen. Zwischen dem mit Kühlkanälen versehenen Bereich und den beiden Kontakträndern ist jeweils eine Dichtung, beispielsweise in Form eines Dichtrings, zwischen dem Mantel und dem Gehäuse vorgesehen. In dieser Ausgestaltung hat der Mantel eine Doppelfunktion. Neben der angesprochenen akustischen Entkopplung dient er zugleich der Kühlung. Die Ausgestaltung der Kühlkanäle als zum Gehäuse hin offene Ausnehmungen innerhalb der Manteloberfläche ist besonders einfach. Die Kühlkanäle können dabei tangential und/oder axial verlaufen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist im zwischen den beiden Kontakträndern liegenden Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Mantel ein Entkopplungsspalt insbesondere mit einer radialen Spaltbreite im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm vorgesehen. Der Entkopplungsspalt dient der Schallentkopplung. Obwohl der genannte bevorzugte Wertebereich nur relativ geringe Spaltbreiten abdeckt, reichen so kleine Spaltbreiten dennoch für eine wirksame Schallentkopplung aus. Die geräuschrelevanten und durch die Radialkraftwellen hervorgerufenen Verformungen des Stator- Magnetkörpers liegen üblicherweise im Bereich unter 1 μιη. Vorteilhafterweise ist der genannte Bereich für die Breite des Entkopplungsspalts andererseits auch klein genug, um einen Durchtritt von Kühlflüssigkeit zu verhindern. Ein derartig klein bemessener Entkopplungsspalt ist unter hydraulischen Gesichtspunkten als praktisch dicht einzustufen. Falls der Mantel also auch zur Kühlung dient und dementsprechend an seiner Oberfläche mit Ausnehmungen zur Bildung von Kühlkanälen versehen ist, wird die Kühlflüssigkeit trotz des Entkopplungsspalts praktisch ausschließlich wie gewünscht in den Kühlkanälen geführt. Die Kühlflüssigkeit kann die Kühlkanäle jedenfalls nicht in nennenswertem Umfang über den Entkopplungsspalt verlassen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist der Mantel zumindest im Bereich der beiden Kontaktränder geschlitzt, insbesondere axial geschlitzt, d. h. vor- zugsweise mit von den axialen Rändern ausgehenden Längsschlitzen, versehen. Der Mantel läuft dann an seinen beiden axialen Stirnseiten nicht als Hohlzylinder aus, sondern als zahnförmige Manschette mit mehreren stegartigen Kragarmen. Die Abstützfunktion des Mantels an dem Gehäuse im Bereich der Kontaktränder bleibt dennoch erhalten. Sie wird durch die stegartigen Kragarme gewährleistet, die sowohl einen ausreichenden Halt des Stator- Magnetkörpers innerhalb des Gehäuses sicherstellen als auch eine ausreichende Drehmomentabstützung bei einer Drehbewegung der Welle. Aufgrund der Schlitzung reduziert sich die Biegesteifigkeit. Umgekehrt erhöht sich die mechanische Elastizität. Dadurch werden die Verformungsauslenkungen der für die Geräuschentwicklung maßgeblichen Radialschwingungen, insofern sie überhaupt bis in den Bereich der Kontaktränder übertragen werden, aufgrund der reduzierten Biegesteifigkeit gedämpft und/oder aufgenommen. Insgesamt verringert sich durch die Schlitzung der Kontaktbereiche die Übertragung dieser mechanischen Schwingungen auf das Gehäuse weiter. Weiterhin erleichtert die höhere mechanische Elastizität im Bereich der Kontaktränder auch die Montage des Mantels innerhalb des Gehäuses. Darüber hinaus reduziert sich aufgrund der Materialeinsparung durch die ausgesparten Schlitze das Gewicht.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist der Mantel zumindest im Bereich der beiden Kontaktränder mit in axialer Richtung verlaufenden Langlöchern versehen. Dadurch ergeben sich im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie bei der vorstehend beschriebenen geschlitzten Ausgestaltung, nämlich zusätzliche Dämpfung der akustisch maßgeblichen Schwingungen, Vereinfachung der Montage und Gewichtseinsparung. Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen geschlitzten Ausführungsform sind die beiden axialen Stirnseiten des Mantels bei der mit Langlöchern versehenen Ausgestaltung insbesondere durch einen komplett umlaufenden ringförmigen Rand gebildet, der eine gute mechanische Stabilität bewirkt.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist eine Auslegung für eine Maximaldrehzahl der Welle vorgesehen, so dass in einem Bereich der Welle mit einem kleinsten Wellen-Außendurchmesser eine Außenumfangsfläche der Welle bei der Maximaldrehzahl der Welle eine Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 100 m/s aufweist. Es handelt sich also um eine hochdrehende, das heißt sehr schnell drehende, elektrodynamische Maschine, bei der es ohne die akustische Entkopplung zu einer sehr starken Geräuschentwicklung kommen könnte. Außer durch die genannte Umfangsgeschwindigkeit, die insbesondere für ein beliebiges Teilelement der Außenumfangsfläche der Welle in dem Bereich mit dem kleinsten Wellen-Außendurchmesser gilt, kann die Ausgestaltung als Hochdrehzahlmaschine ergänzend oder alternativ auch in Bezug auf die erste Biegeeigenschwingung der Welle definiert werden. Diese Biegeeigenschwingung wird bei einer bestimmten Drehzahl der Welle, der Anregungsdrehzahl, angeregt. Bei einer Ausgestaltung als Hochdrehzahlmaschine liegt die Maximaldrehzahl der Welle, auf die die elektrodynamische Maschine ausgelegt ist, bei mindestens 50 % der Anregungsdrehzahl, also der Drehzahl, bei der die erste Biegeeigenschwingung der Welle angeregt wird. Dank der akustischen Entkopplung reduziert sich der Schallpegel gerade solcher Hochdrehzahlmaschinen erheblich. Grundsätzlich entfaltet die akustische Entkopplung aber auch bei Maschinen, die für niedrigere Drehzahlen ausgelegt sind, ihre vorteilhafte Wirkung.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der Zeichnung. Es zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrodynamischen Maschine mit einer akustisch entkoppelten Lagerung des Stators in einem Gehäuse mittels eines Zusatzmantels,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines geschlitzten Kontaktrands des zur akustischen Entkopplung vorgesehenen Zusatzmantels gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 den Kontaktrand gemäß Fig. 2 in Darstellung des Querschnitts III-III gemäß Fig. 2, und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mit Langlöchern versehenen Kontaktrands des zur akustischen Entkopplung vorgesehenen Zusatzmantels gemäß Fig. 1 . Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstandes sein.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer als elektrischer Motor ausgeführten elektrodynamischen Maschine 1 dargestellt. Die elektrodynamische Maschine 1 um- fasst eine Aktiveinheit 2 mit einem Stator 3 und einem Rotor 4, die durch einen Luftspalt 5 voneinander getrennt und während des Betriebs magnetisch über den Luftspalt 5 miteinander gekoppelt sind. Der Rotor 4 ist drehfest auf einer Welle 6 montiert, welche eine Mittenlängsachse 7 aufweist und drehbar um diese Mittenlängsachse 7 gelagert ist. Die Mittenlängssache 7 ist also die Drehachse der Welle 6 und auch des elektrischen Motors. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Welle 6 als Hohlwelle ausgeführt. Andere Ausgestaltungen, beispielsweise als Vollwelle, sind aber grundsätzlich ebenfalls möglich.
Die hier verwendeten Orientierungsangaben„axial",„radial" und„tangential" beziehen sich auf die Mittenlängsachse 7. Dabei bedeutet„axial" eine Orientierung parallel zu der Mittenlängsachse 7,„radial" eine Richtung senkrecht zur Mittenlängsachse 7 und„tangential" eine auf die Mittenlängsachse 7 bezogene Umfangsrich- tung.
Der Stator 3 umfasst einen Stator-Magnetkörper in Form eines Stator-Blechpakets 9 sowie eine elektrische Stator-Wicklung 10, deren Leitungen zumindest teilweise in Nuten des Stator-Blechpakets 9 verlaufen und die zwei an den beiden axialen Stirnseiten des Stators 3 angeordnete Wicklungsköpfe 1 1 umfasst.
Der Rotor 4 umfasst ein Rotor-Blechpaket 12 sowie eine kurzgeschlossene elektrische Rotor-Wicklung 13, die beim Ausführungsbeispiel ein Kurzschlusskäfig aus Aluminium ist.
Die elektrodynamisch wirksame Aktiveinheit 2 mit dem Stator 3 und dem Rotor 4 sowie ein Teil der Welle 6 sind innerhalb eines Gehäuses 8 angeordnet. Dabei liegt der Stator 3 nicht unmittelbar an der Innenwand des Gehäuses 8 an. Vielmehr ist zwischen dem Gehäuse 8 und dem Stator 3 noch ein Zusatzmantel 15 platziert, der zur Halterung des Stators 3 innerhalb des Gehäuses 8 dient. Der Zusatzmantel 15 umgibt die Aktiveinheit 2 tangential vollständig. Er hat an seinen beiden axialen Stirnseiten jeweils einen tangentialen Kontaktrand 16 und 17. Der Zusatzmantel 15 steht mit dem Gehäuse 8 nur über diese beiden Kontaktränder 16 und 17 in unmittelbarer mechanischer Verbindung. In Umfangsrichtung ist der Zusatzmantel 15 ausschließlich mittels der beiden Kontaktränder 16 und 17 an dem Gehäuse 8 abgestützt. In Umfangsrichtung gibt es keine weitere unmittelbare Kontaktfläche zwischen dem Zusatzmantel 15 und dem Gehäuse 8. Außer zur Abstützung dienen die Kontaktränder 16 und 17 auch zur Zentrierung des Zusatzmantels 15 sowie der darin angeordneten Aktiveinheit 2 innerhalb des Gehäuses 8. Insofern können die Kontaktränder 16 und 17 auch als„Zentrierränder" verstanden und bezeichnet werden.
Der Zusatzmantel 15 erstreckt sich an beiden axialen Stirnseiten in axialer Richtung weiter als das Stator-Blechpaket 9. Es sind axiale Überstände 18 und 19 gebildet, wobei die beiden Kontaktränder 17 und 17 innerhalb jeweils eines der Überstände 18 und 19 angeordnet sind, nämlich insbesondere jeweils am äußeren axialen Ende des betreffenden Überstands 18 bzw. 19. Die Überstände 18 und 19 haben eine axiale Länge von mindestens 10 % eines Außendurchmessers der Stator-Blechpakets 9. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt dieser Außendurchmesser etwa 150 mm, so dass die Überstände 18 und 19 hier also jeweils mindestens 15 mm lang sind, wobei auf beiden axialen Seiten unterschiedliche Längen vorgesehen sind.
Im Bereich zwischen den beiden Kontakträndern 16 und 17 sind der Zusatzmantel 15 und das Gehäuse 8 durch einen schmalen Entkopplungsspalt 20 voneinander beabstandet. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Entkopplungsspalt 20 eine radiale Spaltbreite von etwa 0,2 mm. Der Entkopplungsspalt 20 dient der akustischen Entkopplung zwischen dem Gehäuse 8 einerseits und den innerhalb des Gehäuses 8 angeordneten Komponenten der elektrodynamischen Maschine 1 , insbesondere den Komponenten der Aktiveinheit 2. So unterdrückt der Entkopplungsspalt 20 weitgehend eine Übertragung radialer Schwingungen des Stator- Blechpakets 9 auf das Gehäuse 8. Auf diese Weise reduziert sich die Geräuschentwicklung auf der Außenseite des Gehäuses 8 erheblich. Dies gilt umso mehr, als es sich bei der in Fig. 1 beispielhaft dargestellten elektrodynamischen Maschine 1 um einen Hochdrehzahlantrieb handelt, bei dem ohne die Maßnahme des Entkopplungsspalts 20 aufgrund von Radialschwingungen des Stators 3 eine beträchtliche Geräuschentwicklung auftreten würde. Bei der in Fig. 1 gezeigten elektrodynamischen Maschine 1 ist der außen wahrnehmbare Schallpegel gerade wegen der akustischen Entkopplung stark gedämpft.
Der Zusatzmantel 15 hat bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Doppelfunktion. Neben der bereits erläuterten Schallentkopplung dient er zugleich auch der Kühlung der elektrodynamischen Maschine 1 . Hierzu sind an der außenliegenden Umfangsfläche des Zusatzmantels 15 Kühlkanäle 21 in Form von zum Gehäuse 8 offenen, tangential verlaufenden Ausnehmungen vorgesehen. Durch die Kühlkanäle 21 wird während des Betriebs der elektrodynamischen Maschine 1 Kühlflüssigkeit geleitet, die die Verlustwärme aufnimmt und abtransportiert. Dabei führt der Entkopplungsspalts 20 zu keinem nennenswerten Verlust an Kühlflüssigkeit, da dessen Spaltbreite so klein ist, dass er unter hydraulischen Gesichtspunkten als dicht, d. h. für die Kühlflüssigkeit nicht passierbar, anzusehen ist. Zwischen den Kühlkanälen 21 und den Kontakträndern 16 und 17 ist auf jeder axialen Seite eine Dichtung in Form eines Dichtrings 22 angeordnet.
In Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine mögliche Ausgestaltung des Kontaktrands 17 des Zusatzmantels 15 dargestellt, wobei der Kontaktrand 17 beispielhaft ausgewählt wurde. Der andere Kontaktrand 16 ist dann insbesondere in der gleichen Weise ausgebildet. In dieser Ausgestaltung umfasst der Kontaktrand 17 Längsschlitze 23, die sich ausgehend von der axialen Stirnseite im Bereich des Überstands19 axial in die ansonsten im Wesentlichen hohlzylindrische Wand des Zusatzmantels 15 erstrecken. Die Längsschlitze 23 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Der Zusatzmantel 15 läuft bei diesem Ausführungsbeispiel stirnseitig als zahnförmige Manschette mit zwischen den Längsschlitzen 23 verbleibenden Längsstegen 24 (= stegartige Kragarme) aus. In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel zur Ausgestaltung des Kontaktrands 17 des Zusatzmantels 15 gezeigt. Anstelle der Längsschlitze 23 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Langlöcher 25 vorgesehen, die tangential gleichmäßig verteilt angeordnet sind und deren Längsrichtung jeweils parallel zur Mittenlängsachse 7 orientiert ist.
Die beiden in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele für den Kontaktrand 17 erfüllen wie auch andere denkbare Ausführungsformen die beiden folgenden Hauptfunktionen. Zum einen erfolgt eine Fixierung (und Zentrierung) der Aktiveinheit 2, insbesondere des Stator-Blechpakets 9, innerhalb des Gehäuses 8. Zum anderen gewährleisten alle möglichen Realisierungsvarianten für die Kontaktränder 16 und 17 auch eine Drehmomentabstützung.
Bezuqszeichen elektrodynamische Maschine
Aktiveinheit
Stator
Rotor
Luftspalt
Welle
Mittenlängsachse
Gehäuse
Stator-Blechpaket
Stator-Wicklung
Wicklungskopf
Rotor-Blechpaket
Rotor-Wicklung
Zusatzmantel
Kontaktrand
Kontaktrand
Überstand
Überstand
Entkopplungsspalt
Kühlkanal
Dichtring
Längsschlitz
Längssteg
Langloch

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrodynamische Maschine mit einer zumindest einen Stator (3) umfassenden Aktiveinheit (2) und mit einer eine Längsachse (7) aufweisenden Welle (6), wobei
a) die Aktiveinheit (2) und zumindest ein Teil der Welle (6) in einem Gehäuse (8) angeordnet sind,
b) zwischen dem Gehäuse (8) und der Aktiveinheit (2) ein zusätzlicher Mantel (15) vorgesehen ist, in dem der Stator (3) gehalten ist, und
c) der Mantel (15) in Richtung der Längsachse (7) gesehen zwei axiale Stirnseiten hat und an den beiden axialen Stirnseiten mit jeweils einem tangentialen Kontaktrand (16, 17) versehen ist, wobei der Mantel (15) zumindest in Um- fangsrichtung ausschließlich mittels der beiden Kontaktränder (16, 17) an dem Gehäuse (8) abgestützt ist.
2. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 1 , bei der der Stator (3) einen Stator- Magnetkörper (9) aufweist und der Mantel (15) den Stator- Magnetkörper (9) beiderseits axial überragt, so dass die beiden Kontaktränder (16, 17) axial beabstandet von dem Stator- Magnetkörper (9) angeordnet sind.
3. Elektrodynamische Maschine nach Anspruch 2, bei der der Stator-Magnetkörper (9) einen Stator-Außendurchmesser aufweist und ein axialer Abstand zwischen dem Stator- Magnetkörper (9) und den beiden Kontakträndern (16, 17) mindestens 10% des Stator-Außendurchmessers beträgt.
4. Elektrodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Stator (3) eine Stator-Wicklung (10) mit zwei an den beiden axialen Stirnseiten des Stators (3) angeordneten Wicklungsköpfen (1 1 ) aufweist und der Mantel (15) die Wicklungsköpfe (1 1 ) axial überragt, so dass die beiden Kontaktränder (16, 17) axial beabstandet von den Wicklungsköpfen (1 1 ) angeordnet sind.
5. Elektrodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Mantel (15) zumindest im Bereich des Stators (3) mit Kühlkanälen (21 ) in Form von zum Gehäuse (8) hin offenen Ausnehmungen versehen ist, und zwischen dem mit Kühlkanälen (21 ) versehenen Bereich und den beiden Kontakträndern (16, 17) jeweils eine Dichtung (22) zwischen dem Mantel (15) und dem Gehäuse (8) vorgesehen ist.
6. Elektrodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im zwischen den beiden Kontakträndern (16, 17) liegenden Bereich zwischen dem Gehäuse (8) und dem Mantel (15) ein Entkopplungsspalt (20) insbesondere mit einer radialen Spaltbreite im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm vorgesehen ist.
7. Elektrodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Mantel (15) zumindest im Bereich der beiden Kontaktränder (16, 17) geschlitzt ist.
8. Elektrodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Mantel (15) zumindest im Bereich der beiden Kontaktränder (16, 17) mit in axialer Richtung verlaufenden Langlöchern (25) versehen ist.
9. Elektrodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Auslegung für eine Maximaldrehzahl der Welle (6) vorgesehen ist, so dass in einem Bereich der Welle (6) mit einem kleinsten Wellen-Außendurchmesser eine Außenumfangsfläche der Welle (6) bei der Maximaldrehzahl der Welle (6) eine Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 100 m/s aufweist.
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