WO2015117825A2 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2015117825A2
WO2015117825A2 PCT/EP2015/051149 EP2015051149W WO2015117825A2 WO 2015117825 A2 WO2015117825 A2 WO 2015117825A2 EP 2015051149 W EP2015051149 W EP 2015051149W WO 2015117825 A2 WO2015117825 A2 WO 2015117825A2
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WO
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heat
winding
stator
laminated core
electric machine
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PCT/EP2015/051149
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French (fr)
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WO2015117825A3 (de
Inventor
Wolfgang Bäck
Florian FAISTAUER
Klaus Nenninger
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Magna Powertrain Ag & Co Kg
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Publication date
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
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    • H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine, comprising a stator and a surrounding of the stator, rotatably mounted rotor, wherein the stator has a laminated core, with a winding groove in the laminated core, which receives a winding and at least one cooling ring, which is in the region of Wickelköp - Fe connects to the laminated core.
  • Electric machines with a rotor and a stator develop during operation heat, which is dissipate from the interior.
  • heat which is dissipate from the interior.
  • it is known to surround the laminated core of the stator with a cooling jacket. The heat from the copper windings is dissipated via the moderately heat-conducting laminated core in the cooling water of the cooling jacket.
  • DE 10 2005 002 564 A1 describes an electric machine with a stator having windings.
  • heat pipes are arranged in the laminated core of the stator, which transport heat into cooled flanges.
  • the use of heat pipes in electrical machines is also known from DE 10 258 778 A1, US 2005156470 A1 and US 2008023177 A1.
  • DE 10 2009 051 1 14 A1 describes an electric machine with a hollow shaft of the rotor, which is designed as a closed cavity and filled with a refrigerant. In the cavity, a three-dimensional transport structure is provided, which serves for the transport of the refrigerant. Electric machines with a hollow shaft for heat transport are also known from DE 10 2007 043 656 A1 and GB 1 361 047 A.
  • the object of the invention is to provide an electric machine in relation to the known solutions of improved form.
  • the object of the present invention is to further develop an electrical machine such that a more homogeneous temperature distribution and improved heat dissipation to a cooling medium are achieved, and that, despite effective cooling, the outer diameter of the electrical machine is as low as possible.
  • the solution of this object is achieved by an electric machine having the features of claim 1.
  • an electric machine which has a stator, with a laminated core, a winding groove in the laminated core, which accommodates a winding and at least one cooling ring which adjoins the laminated core in the region of the winding heads, wherein in the winding groove between winding (FIG. Copper winding) and the bottom of the winding groove, a heat pipe in the form of a heat pipe is used, wherein the heat dissipation region of the heat pipe is in the region of the cooling ring.
  • the heat dissipation region of the heat pipe may be located on an inner peripheral region of the cooling ring or on a lateral region of the cooling ring.
  • the heat pipe lying in the bottom of the winding groove conducts the heat generated in the copper winding in the direction of the cooling ring. Furthermore, the heat loss from the laminated core is delivered to the heat pipe and forwarded via the heat pipe to the cooling ring.
  • the heat is absorbed by the coolant flowing in the cooling channel and removed to a connected cooling device.
  • the heat generated in the winding heads is also directly absorbed and dissipated.
  • the laminated core is bounded on both sides by a respective cooling ring, and the heat pipe rests at each end on a respective cooling ring.
  • a preferred development of the invention provides in this case that the cooling ring is flowed through by a cooling liquid.
  • the laminated core between the cooling rings is surrounded by a motor housing. Due to the inventive design of the electric machine with lying in the bottom of the winding groove of the stator heat pipe, wherein the heat pipe has at least one heat dissipation region which is in the range of a cooling ring, the outer diameter of the electric machine can be reduced. Although by the arrangement of the heat pipes in the grooves, the grooves themselves have a greater depth and thereby increases the diameter of the laminated core. However, the cooling jacket around the complete housing of the electric machine can be omitted.
  • a cooling ring is arranged in each case, which has a channel through which a coolant flows.
  • the cooling ring has at its outer edge region in contact with a jacket-shaped motor housing, which surrounds the laminated core of the stator.
  • the motor housing has no cooling jacket or is surrounded by no cooling jacket.
  • the heat pipe runs between the winding and the bottom of the winding groove.
  • the heat pipe extends over the length of the laminated core, the stator and has at both ends depending on a heat dissipation region which ends in the region of the winding head on the inside of the cooling ring or has contact with the cooling ring.
  • the electric machine according to the invention is further developed in that the shaft carrying the rotor is in turn hollow and designed as a heat pipe (heat pipe).
  • Rotating machine parts generate loss or frictional heat, which can lead to thermal overloading of the component or the associated bearing points.
  • the rotor of an electrical machine as a heat pipe, improved heat transfer from the interior of the machine to the surface is achieved.
  • the rotation or the centrifugal forces is used in a particularly advantageous manner to convey the condensate to the hot side (heat release area).
  • the cavity of the rotor shaft is provided on its inner wall with a structuring, which causes the transport of the condensed cooling liquid by the rotation.
  • the cooling concept according to the invention uses cooling rings which are arranged as directly as possible on the winding heads.
  • the heat of the winding heads can be passed directly into the cooling rings.
  • the heat loss from the interior of the stator, ie from the copper windings and the laminated core, is conducted in the direction of the cooling ring via the heat pipes (heat pipes) arranged between the laminated core and the copper winding.
  • the between the laminated core and copper winding, extending in the bottom of the winding groove in the longitudinal direction of the heat pipes can absorb heat from the copper coils as well as from the laminated core by the aforementioned arrangement.
  • the embodiment according to the invention achieves a homogeneous temperature distribution in the stator. By dispensing with a cooling jacket surrounding the stator, a reduction in the outer diameter of the electrical machine can be achieved.
  • FIG. 3 shows a section through a rotor element designed as a heat element
  • FIG. 4 shows a section through a further exemplary embodiment of a rotor shaft designed as a heat conduction tube
  • Fig. 5 is a perspective view of the sectional view of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a perspective view of a sectional view of another embodiment of a heat pipe designed as a rotor shaft.
  • Figure 1 shows a section through a stator of an electric machine, not shown. The cut leads in this case centrally through the winding groove WN of a stator which surrounds a rotor, not shown.
  • the winding groove WN extends in the axial direction of the rotor on the inside of the laminated core BP, which is formed by a plurality of disks and thus forms the tubular stator.
  • the laminated core BP extends over the length of the stator.
  • the winding groove WN accommodates one strand of a winding, usually a copper winding W, which forms winding heads WK forming a next winding groove WN at both ends of the stator.
  • the inner circumference of the stator, the laminated core BP thus has a plurality of parallel winding grooves WN, which receive the looped windings W.
  • a cooling ring KR is arranged in each case, which has a traversed by a cooling liquid annular channel.
  • the cooling rings KR each have contact with a jacket-shaped motor housing MG, which surrounds the laminated core BP, in each case on its edge region facing the laminated core.
  • the motor housing does not have an additional cooling jacket surrounding the motor housing.
  • a heat pipe WR is inserted in the form of a heat pipe.
  • the heat pipe WR extends over the length of the laminated core BP and has at both ends depending on a heat dissipation region which ends in the region of the winding head WK on the inside of the cooling ring KR.
  • the heat pipe dissipates the heat generated in the copper winding W and in the laminated core BP in the direction of its ends to the cooling rings KR.
  • Thermoelectric tubes are basically already known and will not be described in detail at this point. Overall, heat pipes are closed tubes, some of which are filled with water and in which a negative pressure is set. Due to the heat input of the copper winding and the laminated core, the water evaporates inside the heat pipe and flows to cooling surfaces, where the steam condenses again. Via capillary action, the condensate is conveyed back to the hot surfaces. As already described above, the heat is conducted to the ends of the heat pipes (heat dissipation area) and there into the cooling rings KR.
  • the heat is absorbed by the cooling liquid flowing in the cooling channels and transported away.
  • the heat transfer from the copper winding W and the laminated core BP via the heat pipe WR to the cooling rings KR is indicated in the drawing by the arrows.
  • the heat generated in the winding heads WK is also directly absorbed and dissipated by the cooling rings KR.
  • the cooling rings and the winding heads are directly adjacent to one another via an annular region RB.
  • the heat transfer from the winding heads WK to the cooling rings via the annular region RB is also shown by arrows.
  • heat pipes heat pipes
  • heat pipes consist of a closed cavity in which a negative pressure prevails and which contains a small amount of water. Due to the prevailing negative pressure, the water evaporates at the hot end in the interior of the heat pipe even at a low temperature level. The steam then flows to the cold end and condenses there. Due to the rotation and / or the centrifugal forces during operation of the rotor designed as a heat pipe, the condensate is conveyed back to the hot side.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a rotor R of an electrical machine designed as a heat conduction tube.
  • the axis of rotation is shown in phantom. The rotation is indicated by the arrow.
  • the shaft is designed as a closed hollow shaft HW.
  • the end portions of the shaft define the hot side and the cold side.
  • the hot side H is located on the right side of the drawing.
  • a second conical section A2 connects. From the sectional view it can be seen that the cone K1 is tapered towards the end region of the cold side K.
  • a conical tube K2 is inserted along a section A3.
  • the conical tube K2 is arranged concentrically with the cone introduced into the shaft and ends at a distance from the end region of this cone in the section A2.
  • the arrangements tion of an additional pipe K2 prevents obstruction of the condensate flow through the steam flow.
  • a metal mesh or a metal foam M is inserted on the inner circumferential surface. This serves at these points to increase the surface area and thus to improve the heat transfer.
  • the inner diameter of the hollow shaft may also be designed starting from the hot side stepped with a smaller diameter to the cold side running.
  • the hot side is arranged at the location of the largest inner diameter.
  • FIG. 4 and 5 show a further embodiment of a heat pipe.
  • the drawings shows a cylindrical hollow shaft H1, which is carried out at the end over the cover elements D1 completed. Inside the hollow shaft, a tubular element is arranged concentrically. The tubular element R3 is in each case arranged at a distance from the cover elements D1. In the end regions, ie the hot region and the cold region, a metal foam or a metal fabric is arranged in each case as already described with reference to FIG. This is not shown in the drawing.
  • an Archimedean spiral AS is arranged in the annular channel R between the tubular element and the inner wall of the hollow shaft H1. This serves to transport condensate from the cold side to the hot side.
  • the embodiment shown can only be used for slowly rotating shafts. The archimedi The spiral for returning the condensate from the cold side to the hot side only works as long as the gravity is greater than the centrifugal forces.
  • FIG. 6 shows a heat pipe in which the tubular element R4 is designed in a perforated embodiment.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a heat conducting disk S1.
  • This is designed as a flat, hollow disc-shaped element and also formed closed or sealed.
  • the thermal pad S1 is filled with a small amount of water and was set with a negative pressure.
  • the hot zone H is located in the outer edge region of the disk with the maximum disk diameter D1.
  • the cold zone or the heat dissipation area is arranged in the region of the axis of rotation of the disk.
  • metal braids or metal foams M are arranged to increase the surface both in the region of the hot zone H and in the region of the cold zone in the region of the inner wall of the disk-shaped element. This serves the better heat distribution and the uniform distribution of the condensate.
  • the condensate is centrifuged outward to the hot zone H by centrifugal force. There, the condensate is vaporized by the introduction of heat through the hot zone and the steam displaced by the coming condensate in the direction of cold zone K. In the cold zone, the steam condenses with heat to the metal mesh or the metal foam in this area and discharge through the cold zone to the outside.
  • additional sheets can also be arranged in the heat-conducting disk, which effect a delimitation of the condensate flow and of the steam flow.
  • the heat-conducting disk S1 described above generally serves for heat transport in the radial direction in the case of rotating components. Possible applications are, for example, rotor blades, brake disks, clutch disks, electric motors, turbine and compressor rotors. In an embodiment variant, not shown, combinations of heat-conducting discs and heat pipes are also possible. In this case, the heat can first be conducted via a heat-conducting disk in a radial direction to a heat-conducting pipe, and then the heat can be transported and discharged in the axial direction to the cold-zone / heat-dissipating area via the hot zone of a heat-conducting pipe.

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  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
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Abstract

Beschrieben wird eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem von dem Stator umgebenden, drehbar gelagertem Rotor, wobei der Stator ein Blechpaket (BP) aufweist, mit einer Wicklungsnut (WN) im Blechpaket (BP), welche eine Wicklung (W) aufnimmt und wenigstens einem Kühlring (KR), der sich im Bereich der Wickelköpfe (WK) an das Blechpaket (BP) anschließt, wobei in der Wicklungsnut (WN) zwischen Wicklung (W) und dem Grund der Wicklungsnut (WN) ein Wärmeleitrohr (WR) in Form einer Heat-Pipe eingesetzt ist, wobei der Wärmeabgabebereich des Wärmerohres (WR) im Bereich des Kühlringes (KR) liegt.

Description

Elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem von dem Stator umgebenden, drehbar gelagertem Rotor, wobei der Stator ein Blechpaket aufweist, mit einer Wicklungsnut im Blechpaket, welche eine Wicklung aufnimmt und wenigstens einem Kühlring, der sich im Bereich der Wickelköp- fe an das Blechpaket anschließt.
Elektrische Maschinen mit einem Rotor und einem Stator entwickeln im Betrieb Wärme, welche aus dem Innenbereich abzuführen ist. Zur Kühlung des Stators ist es bekannt, das Blechpaket des Stators mit einem Kühlmantel zu umgeben. Die Wärme aus den Kupferwicklungen wird dabei über das mäßig wärmeleitende Blechpaket in das Kühlwasser des Kühlmantels abgeführt.
Die DE 10 2005 002 564 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit einem Wicklungen aufweisenden Stator. Zur Wärmeabfuhr sind im Blechpaket des Stators Heat-Pipes angeordnet, die Wärme in gekühlte Flansche transportieren. Die Verwendung von Heat-Pipes in elektrischen Maschinen ist ferner aus der DE 10 258 778 A1 , der US 2005156470 A1 und der US 2008023177 A1 bekannt.
Die DE 10 2009 051 1 14 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit einer Hohlwelle des Rotors, welche als ein geschlossener Hohlraum ausgebildet und mit einem Kältemittel gefüllt ist. In dem Hohlraum ist eine dreidimensionale Transportstruktur vorgesehen, welche dem Transport des Kältemittels dient. Elektrische Maschinen mit einer Hohlwelle für den Wärmetransport sind ferner aus der DE 10 2007 043 656 A1 und der GB 1 361 047 A bekannt.
Es liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Maschine in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Form bereitzustellen. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschine derart wei- terzubilden, dass eine homogenere Temperaturverteilung und verbesserte Wärmeabfuhr an ein Kühlmedium erzielt wird, und dass trotz einer effektiven Kühlung der Außendurchmesser der elektrischen Maschine möglichst gering ist. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .
Gemäß der Erfindung ist eine elektrische Maschine vorgesehen, welche einen Stator aufweist, mit einem Blechpaket, einer Wicklungsnut im Blechpaket, welche eine Wicklung aufnimmt und wenigstens einem Kühlring, der sich im Bereich der Wickelköpfe an das Blechpaket anschließt, wobei in der Wicklungsnut zwischen Wicklung (Kupferwicklung) und dem Grund der Wicklungsnut ein Wärmeleitrohr in Form einer Heat-Pipe eingesetzt ist, wobei der Wärmeabgabebereich des Wärmeleitrohres im Bereich des Kühlringes liegt. Hierbei kann der Wärmeabgabebereich des Wärmeleitrohres an einem inneren Umfangsbereich des Kühlrings oder auch an einem seitlichen Bereich des Kühlrings liegen.
Bei Betrieb der elektrischen Maschine leitet das im Grund der Wicklungsnut liegende Wärmeleitrohr die in der Kupferwicklung entstehende Wärme in Richtung des Kühlrings ab. Des Weiteren wird die Verlustwärme aus dem Blechpaket an das Wärmeleitrohr abgegeben und über das Wärmeleitrohr an den Kühlring weitergeleitet. In dem Kühlring wird die Wärme durch die im Kühlkanal strömende Kühlflüssigkeit aufgenommen und zu einer angeschlossenen Kühleinrichtung abtransportiert. Durch die Kühlringe wird ferner auch die in den Wicklungsköpfen entstehende Wärme direkt aufgenommen und abgeführt. Durch die vorstehend beschriebenen Wärmeübergänge und die entsprechende Ableitung der Wärme in dem Kühlring kann eine verbesserte Wärmeabfuhr erreicht werden. Gleichzeitig wird eine homogene Temperaturverteilung im Stator erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Blechpaket beidseitig von je einem Kühlring begrenzt ist, und das Wärmeleitrohr an beiden Enden an je einem Kühlring anliegt. Hierdurch wird eine besonders effektive Wärmeabfuhr und homogene Temperaturverteilung erzielt. Insbesondere kann durch die spezielle Anordnung der Wärmeleitrohre die Motorleistung erhöht werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht hierbei vor, dass der Kühlring von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Blechpaket zwischen den Kühlringen von einem Motorengehäuse umgeben. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der elektrischen Maschine mit dem im Grund der Wicklungsnut des Stators liegenden Wärmeleitrohres, wobei das Wärmeleitrohr zumindest einen Wärmeabgabebereich aufweist, der im Bereich eines Kühlringes liegt, kann der Außendurchmesser der elektrischen Maschine reduziert werden. Zwar müssen durch die Anordnung der Wärmeleitrohre in den Nuten die Nuten selbst eine größere Tiefe aufweisen und hierdurch vergrößert sich der Durchmesser des Blechpaketes. Allerdings kann der Kühlmantel um das komplette Gehäuse der elektri- sehen Maschine entfallen.
An den Enden des Stators, des Blechpaketes ist je ein Kühlring angeordnet, der einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kanal aufweist. Der Kühlring weist an seinem äußeren Randbereich Kontakt mit einem mantelförmigen Motorgehäuse auf, welches das Blechpaket des Stators umgibt. Das Motorgehäuse weist keinen Kühlmantel auf bzw. ist von keinem Kühlmantel umgeben.
Das Wärmeleitrohr verläuft zwischen der Wicklung und dem Grund der Wicklungsnut. Das Wärmeleitrohr erstreckt sich über die Länge des Blechpaketes, des Stators und weist an beiden Enden je einen Wärmeabgabebereich auf, der im Bereich des Wicklungskopfes an der Innenseite des Kühlringes endet bzw. mit dem Kühl- ring Kontakt hat.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird dadurch weitergebildet, dass die den Rotor tragende Welle ihrerseits hohl und als Heat-Pipe (Wärmeleitrohr) ausgeführt ist. Bei rotierenden Maschinenteilen entsteht Verlust- oder Reibungswärme, die zur thermischen Überlastung des Bauteils oder der zugeordneten Lagerstellen führen kann. Durch die Ausführung des Rotors einer elektrischen Maschine als Wärmeleitrohr, wird ein verbesserter Wärmetransport vom Inneren der Maschine an die Oberfläche erzielt. Bei Wärmeleitrohren für rotierende Bauteile wird die Rotation oder die Fliehkräfte in besonders vorteilhafter Weise genutzt, um das Kondensat an die Heißseite (Wärmeabgabebereich) zu befördern. Bevorzugt ist der Hohlraum der Rotorwelle an seiner Innenwand mit einer Strukturierung versehen, welche durch die Rotation den Transport der kondensierten Kühlflüssigkeit bewirkt. Das erfindungsgemäße Kühlkonzept verwendet anstelle eines das Motorgehäuse umgebenden Wassermantels Kühlringe, welche möglichst unmittelbar an den Wicklungsköpfen angeordnet sind. Hierbei kann die Wärme der Wicklungsköpfe unmittelbar in die Kühlringe geleitet werden. Die Verlustwärme aus dem Inneren des Stators, d.h. aus den Kupferwicklungen und dem Blechpaket, wird über die zwischen Blechpaket und Kupferwicklung angeordneten Wärmeleitrohre (Heat- Pipes) in Richtung Kühlring geleitet. Die zwischen Blechpaket und Kupferwicklung, im Grund der Wicklungsnut in Längsrichtung verlaufenden Wärmeleitrohre können durch die vorgenannte Anordnung sowohl Wärme aus den Kupferwicklungen als auch aus dem Blechpaket aufnehmen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird eine homogene Temperaturverteilung im Stator erzielt. Durch den Verzicht auf einen den Stator umgebenden Kühlmantel kann eine Reduktion des Außendurchmessers der elektrischen Maschine erzielt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der elektrischen Maschine werden nachfolgend beispielshalber beschrieben, wobei veranschaulichend auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Stator mit in der Wicklungsnut angeordneten Wärmeleitrohren,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine als Wärmeleitrohr ausgebildete Rotorwelle,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine als Wärmeleitscheibe ausgebildetes Rotorelement,
Fig. 4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Wärmeleitrohr ausgebildeten Rotorwelle,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4; und
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltung einer als Wärmeleitrohr ausgebildeten Rotorwelle. Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Stator einer nicht weiter dargestellten elektrischen Maschine. Der Schnitt führt hierbei mittig durch die Wicklungsnut WN eines Stators, der einen nicht dargestellten Rotor umgibt. Die Wicklungsnut WN verläuft in Achsrichtung des Rotors an der Innenseite des Blechpaketes BP, wel- ches durch eine Vielzahl von Scheiben gebildet ist und so den rohrförmigen Stator bildet. Das Blechpaket BP erstreckt sich über die Länge des Stators.
Die Wicklungsnut WN nimmt einen Strang einer Wicklung, üblicherweise einer Kupferwicklung W auf, welche an beiden Enden des Stators Wicklungsköpfe WK bildend zu einer nächsten Wicklungsnut WN laufen. Der Innenumfang des Stators, des Blechpaketes BP weist somit eine Vielzahl von parallelen Wicklungsnuten WN auf, welche die durchgeschleiften Wicklungen W aufnehmen.
An den Enden des Stators, des Blechpaketes PB ist je ein Kühlring KR angeordnet, der einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten ringförmigen Kanal aufweist. Die Kühlringe KR weisen jeweils an ihrem dem Blechpaket zugewandten Randbereich Kontakt mit einem mantelförmigen Motorgehäuse MG auf, welches das Blechpaket BP umgibt. Das Motorgehäuse weist keinen das Motorgehäuse umgebenden zusätzlichen Kühlmantel auf.
Zwischen der Wicklung W und dem Grund der Wicklungsnut WN ist ein Wärmeleitrohr WR in Form einer Heat-Pipe eingelegt. Das Wärmeleitrohr WR erstreckt sich über die Länge des Blechpaketes BP und weist an beiden Enden je einen Wärmeabgabebereich auf, der im Bereich des Wicklungskopfes WK an der Innenseite des Kühlringes KR endet.
Das Wärmeleitrohr leitet die in der Kupferwicklung W und im Blechpaket BP entstehende Wärme in Richtung seiner Enden zu den Kühlringen KR ab. Wärmeleit- röhre sind grundsätzlich bereits bekannt und werden an dieser Stelle nicht ausführlich beschrieben. Insgesamt sind Wärmeleitrohre geschlossene Rohre, die zum Teil mit Wasser gefüllt sind und in denen ein Unterdruck eingestellt ist. Durch den Wärmeeintrag der Kupferwicklung und des Blechpaketes verdampft das Wasser im Inneren des Wärmerohres und strömt zu Kühlflächen, an denen der Dampf wieder kondensiert. Über Kapillarwirkung wird das Kondensat zurück zu den Heißflächen befördert. Wie bereits obenstehend beschrieben, wird die Wärme zu den Enden der Wärmeleitrohre (Wärmeabgabebereich) und dort in die Kühlringe KR geleitet. In den Kühlringen KR wird die Wärme durch die in den Kühlkanälen strömende Kühlflüssigkeit aufgenommen und abtransportiert. Die Wärmeübergänge ausgehend von der Kup- ferwicklung W sowie dem Blechpaket BP über das Wärmeleitrohr WR zu den Kühlringen KR ist in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet. Durch die Kühlringe KR wird ferner auch die in den Wicklungsköpfen WK entstehende Wärme unmittelbar aufgenommen und abgeführt. Wie man es aus der Schnittdarstellung erkennen kann, liegen die Kühlringe und die Wicklungsköpfe über einen ringförmigen Bereich RB direkt aufeinander. Der Wärmeübergang von den Wickelköpfen WK zu den Kühlringen über den ringförmigen Bereich RB ist ebenso durch Pfeile gezeigt.
Nachfolgend werden anhand der Figuren 2, 4-6 Ausgestaltungen von Wärmeleitrohre (Heat-Pipes) beschrieben, die als Rotorwellen der elektrischen Maschine eingesetzt werden können. Wie bereits obenstehend beschrieben bestehen Wär- meleitrohre aus einem abgeschlossenen Hohlraum in dem ein Unterdruck herrscht und der eine geringe Menge Wasser enthält. Aufgrund des herrschenden Unterdruckes verdampft das Wasser am heißen Ende im Inneren des Wärmeleitrohres bereits bei einem niedrigen Temperaturniveau. Der Dampf strömt dann zum kalten Ende und kondensiert dort. Aufgrund der Rotation und /oder der Fliehkräfte beim Betrieb des als Wärmeleitrohres ausgebildeten Rotors wird das Kondensat wieder an die Heißseite befördert.
In Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines als Wärmeleitrohr ausgebildeten Rotors R einer elektrischen Maschine gezeigt. Die Rotationsachse ist strichpunktiert eingezeichnet. Die Rotation ist durch den Pfeil angedeutet. Wie bereits erläu- tert, ist die Welle als abgeschlossene Hohlwelle HW ausgeführt. Die Endbereiche der Welle definieren die Heißseite und die Kaltseite. Die Heißseite H ist auf der rechten Seite der Zeichnung angeordnet. Im Bereich der Heißseite besitzt der Hohlraum der Welle den größten Durchmesser und ist über einen ersten Abschnitt A1 zylindrisch ausgeführt. An diesen ersten zylindrischen Abschnitt A1 schließt sich ein zweiter konischer Abschnitt A2 an. Aus der Schnittdarstellung ist ersichtlich, dass der Konus K1 zum Endbereich der Kaltseite K hin verjüngend ausgeführt ist. Im Abschnitt A2 ist ein konisches Rohr K2 längs eines Abschnitts A3 eingefügt. Das konische Rohr K2 ist konzentrisch zu dem in die Welle eingebrachten Konus angeordnet und endet beabstandet vom Endbereich dieses Konus im Abschnitt A2. Die Anord- nung eines zusätzlichen Rohres K2 verhindert eine Behinderung des Kondensatflusses durch den Dampfstrom.
Ausgehend von den Endbereichen des konischen Rohres K2 bis jeweils zu der inneren Stirnfläche des Kaltbereichs bzw. des Heißbereichs ist an der inneren Mantelfläche ein Metallgeflecht oder ein Metallschaum M eingefügt. Dies dient an diesen Stellen der Vergrößerung der Oberfläche und somit der Verbesserung des Wärmeübergangs.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Innendurchmesser der Hohlwelle auch ausgehend von der Heißseite abgestuft mit kleinerem Durchmesser zu der Kaltseite verlaufend ausgeführt sein. Wie bereits erläutert, ist die Heißseite an der Stelle des größten Innendurchmessers angeordnet. Bei Betrieb der Hohlwelle als Rotor/Rotorwelle in einer elektrischen Maschine fließt das Wasser im Hohlraum aufgrund der Fliehkräfte zur Stelle des größten Durchmessers. An dieser Stelle wird nun Wärme zugeführt und das Wasser, welches sich in dem Hohlraum befindet, verdampft. Da durch die Ausführung und Anordnung des konischen Abschnitts Wasser nachgefördert wird, wird der Dampf im Bereich der Heißseite verdrängt und strömt zu den Stellen des Wärmeleitrohres mit dem kleinsten Durchmesser, nämlich der Kaltseite. An der Kaltseite wird dann die Wärme entzogen, wodurch der Dampf kondensiert. Das Kondensat fließt nun über den Spalt zwischen innerer konischer Mantelfläche und äußerer Mantelfläche des konischen Rohres K2 längs des Abschnitts A3 in Richtung zur Heißseite zurück.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Wärmeleitrohres. Die Zeichnungen zeigt eine zylindrische Hohlwelle H1 , welche stirnseitig über Deckelelemente D1 abgeschlossen ausgeführt ist. Im Inneren der Hohlwelle ist konzentrisch ein rohrförmiges Element angeordnet. Das rohrförmige Element R3 ist jeweils beabstandet zu den Deckelelementen D1 angeordnet. In den Endbereichen d.h. dem Heißbereich und dem Kaltbereich ist jeweils wie zu der Figur 2 bereits beschrieben ein Metallschaum oder ein Metallgewebe angeordnet. Dies ist zeichnerisch nicht dargestellt. Wie es aus den Schnittdarstellungen ersichtlich ist, ist in dem Ringkanal R zwischen dem rohrförmigen Element und der Innenwan- dung der Hohlwelle H1 eine archimedische Spirale AS angeordnet. Diese dient dem Kondensattransport von der Kaltseite zur Heißseite. Insgesamt ist die dargestellte Ausgestaltung nur für langsam rotierende Wellen einsetzbar. Die archimedi- sche Spirale zur Rückführung des Kondensats von der Kaltseite zur Heißseite funktioniert nur solange die Gravitation größer als die Fliehkräfte ist.
In Abwandlung zu der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Ausgestaltung zeigt die Figur 6 ein Wärmeleitrohr, bei dem das rohrförmige Element R4 in gelochter Aus- führung ausgestaltet ist.
Die Figur 3 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Wärmeleitscheibe S1. Diese ist als flaches, hohles scheibenförmiges Element ausgeführt und ebenfalls abgeschlossen bzw. abgedichtet ausgebildet. Auch die Wärmeleitscheibe S1 ist mit einer geringen Menge Wasser befüllt und wurde mit einem Unterdruck eingestellt. Die Heißzone H befindet sich im äußeren Randbereich der Scheibe mit dem maximalen Scheibendurchmesser D1. Die Kaltzone bzw. der Wärmeabgabebereich ist im Bereich der Rotationsachse der Scheibe angeordnet. Wie es aus der Schnittdarstellung ersichtlich ist, sind sowohl im Bereich der Heißzone H als auch im Bereich der Kaltzone im Bereich der Innenwandung des scheibenförmigen Elementes Metallgeflechte oder Metallschäume M zur Vergrößerung der Oberfläche angeordnet. Dies dient der besseren Wärmeverteilung und der gleichmäßigen Verteilung des Kondensats.
Wie bereits zu den rotierenden Wärmeleitrohren gemäß der Figuren 2, 4-6 beschrieben, wird das Kondensat durch Fliehkraft nach außen zur Heißzone H ge- schleudert. Dort wird das Kondensat durch Einleitung von Wärme über die Heißzone verdampft und der Dampf durch das nachkommende Kondensat in Richtung Kaltzone K verdrängt. In der Kaltzone kondensiert der Dampf unter Wärmeabgabe an das Metallgeflecht bzw. den Metallschaum in diesem Bereich und Abgabe über die Kaltzone nach außen. Wie bereits zu den anderen Ausführungsformen be- schrieben können auch bei der Wärmeleitscheibe zusätzliche Bleche angeordnet werden, die eine Abgrenzung des Kondensatflusses und des Dampfstromes bewirken.
Die zuvor beschriebene Wärmeleitscheibe S1 dient allgemein dem Wärmetransport in radialer Richtung bei rotierenden Bauteilen. Einsatzmöglichkeit sind bei- spielsweise Rotorflügel, Brems-, Kupplungsscheiben, Elektromotoren, Turbinen- und Verdichterrotoren. ln einer nicht dargestellten Ausführungsvariante sind auch Kombinationen von Wärmeleitscheiben und Wärmeleitrohre möglich. Hierbei kann zunächst über eine Wärmeleitscheibe die Wärme in einer radialen Richtung an ein Wärmeleitrohr geleitet werden und anschließend über die Heißzone eines Wärmeleitrohr die Wärme in axialer Richtung zur Kaltzone / Wärmeabgabebereich transportiert und abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste
R Rotor
ST Stator
W Wicklung, Kupferwicklung
WK Wicklungskopf
WN Wicklungsnut
BP Blechpaket (Stator)
WR Wärmeleitrohr
KR Kühlring
KK Kühlkanal
MG Motorgehäuse
RB ringförmiger Bereich

Claims

Ansprüche
1 . Elektrische Maschine, mit einem Stator und einem von dem Stator umge- benden, drehbar gelagertem Rotor, wobei der Stator ein Blechpaket (BP) aufweist, mit einer Wicklungsnut (WN) im Blechpaket (BP), welche eine Wicklung (W) aufnimmt und wenigstens einem Kühlring (KR), der sich im Bereich der Wickelköpfe (WK) an das Blechpaket (BP) anschließt, wobei in der Wicklungsnut (WN) zwischen Wicklung (W) und dem Grund der Wicklungsnut (WN) ein Wärmeleitrohr (WR) in Form einer Heat-Pipe eingesetzt ist, wobei das Wärmeleitrohr (WR) zumindest einen Wärmeabgabebereich aufweist und der Wärmeabgabebereich im Bereich des Kühlringes (KR) liegt.
2 Elektrische Maschine nach Anspruch 1 ,
wobei dem Blechpaket (BP) das Stators beidseitig ein Kühlring (KR) zugeordnet ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Kühlring (KR) einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmbaren Kühlka- nal (KK) aufweist.
4. Elektrische Maschine wenigstens nach Anspruch 1 ,
wobei der Wärmeabgabebereich des Wärmerohres (WR) einen Kontakt mit dem Kühlring (KR) aufweist, und wobei dieser Kontakt vorzugsweise über einen ring- förmigen Bereich (RB) erfolgt.
5. Elektrische Maschine wenigstens nach Anspruch 1 ,
wobei die Rotorwelle (R) im Inneren einen Hohlraum aufweist, der mit einem Fluid gefüllt ist und die Rotorwelle ein Wärmeleitrohr bildet.
6. Elektrische Maschine wenigstens nach Anspruch 5,
wobei der Hohlraum der Rotorwelle an seinem Innenumfang Strukturen aufweist, welche durch die Rotation einen Transport des Fluids bewirken.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Hohl- raum der Rotorwelle zumindest in einem Abschnitt konisch verlaufend ausgeführt ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum der Rotorwelle (R) mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern umfasst.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei beabstandet zu der konisch verlaufenden inneren Mantelfläche der Rotorwelle konzentrisch ein konisches Rohr (K2) angeordnet ist.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Bereich der Kalt und Heißzone im inneren Oberflächenbereich der Rotorwelle (R) ein Metallgeflecht und/oder ein Metallschaum (M) angeordnet ist.
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