WO2018137955A1 - Verfahren zum kühlen einer elektrischen maschine, sowie elektrische maschine wo dieses verfahren angewendet wird - Google Patents

Verfahren zum kühlen einer elektrischen maschine, sowie elektrische maschine wo dieses verfahren angewendet wird Download PDF

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WO2018137955A1
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coolant
rotor
supply line
coolant supply
radial
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PCT/EP2018/050854
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Andreas Huber
Thinh NGUYEN-XUAN
Klaus Vollmer
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02K9/16—Arrangements for cooling or ventilating wherein gaseous cooling medium circulates between the machine casing and a surrounding mantle wherein the cooling medium circulates through ducts or tubes within the casing

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling an electric machine with a rotor rotatably mounted on a rotor and a stator.
  • the invention relates to an electric machine with a rotatably mounted on a rotor shaft rotor and a stator.
  • the rotor shaft is designed as a hollow shaft open on one side.
  • a tube called a "cooling lance” is inserted into the hollow shaft in such a way that the cooling lance does not rotate with the rotor shaft, the cooling fluid then flows through this tube into the hollow shaft and out of this through an annular space between the hollow shaft and the cooling lance.
  • the object of the invention is to improve the liquid cooling of electrical machines, in particular of electric motors.
  • the improvement should in particular be made overall.
  • a good heat dissipation from the rotor and the stator should be ensured, whereby a low temperature level in the rotor and stator should be ensured.
  • the object is achieved by a method of the type mentioned above, with the following steps: a) guiding a coolant in an axial coolant supply line which is arranged in the rotor shaft,
  • the interior of the electric machine is limited by a housing of the electrical machine.
  • the axial coolant supply line and the radial coolant supply line are preferably designed as bores.
  • the axial coolant supply line is either a blind bore or a through hole closed on one side. Because the coolant is present in the interior of the electrical machine, it can interact directly with the components of the electric machine to be cooled. So short and low-resistance balleitpfade be realized between the areas to be cooled and / or components of the electric machine (hot spots) and the coolant. In addition, the effective heat transfer area between the components of the electric machine and the coolant is significantly increased compared to a lance cooling.
  • the electric machine is preferably an electric motor.
  • an electrically non-conductive coolant is used, in particular an oil, preferably a transmission oil.
  • an oil preferably a transmission oil.
  • the coolant can be brought very close to the points to be cooled and / or components of the electrical machine and dissipate the heat from there.
  • the coolant can also be used simultaneously for cooling and / or lubricating other grain components of the electrical machine or related components.
  • a transmission oil is used, a seal between the electric machine and a gearbox coupled with it can also be dispensed with. This results in a simple construction of a drive unit comprising such an electrical machine.
  • oil or gear oil is relatively cheap and easy to handle.
  • a rotor core of the rotor and / or at least one end side of the rotor is / are subjected to coolant.
  • the heat generated in the rotor is absorbed and transported away from the coolant particularly efficiently.
  • the result is good cooling of the rotor, in which then a relatively low temperature level can be set.
  • the coolant in the interior space and / or in the radial coolant supply line is transported radially outwards by centrifugal force.
  • the rotation of the rotor creates a suction effect in the radial coolant supply line as well as on the other rotating components.
  • the coolant is always circulated and thus protected against overheating.
  • the radial coolant supply line is connected coolant-conducting with the axial coolant supply line, the suction effect also acts on these.
  • the suction effect of the rotor can thereby relieve a coolant pump arranged outside the electric machine, so that it can be dimensioned smaller and lighter.
  • the coolant may be transported through the rotor or along at least one end face of the rotor. If the rotor consists of several rotor laminations, i. is a so-called bladed rotor, the coolant can be conveyed between the individual rotor laminations by the centrifugal force generated by the rotating rotor. In this case, the coolant can be conveyed in particular axially between the individual rotor laminations. The same applies to the end faces of the rotor. Also, the coolant can flow through a rotor winding. This results in a flow of coolant through the rotor, which ensures reliable and efficient heat dissipation. The coolant is guided directly or very close to the points to be cooled.
  • coolant is transferred from the rotor to the stator, preferably transmitted in portions.
  • the stator and in particular the Winding heads of the stator cooled.
  • coolant spouts from the rotor onto the stator as the rotor rotates. It can be spoken here of a ⁇ lspritzkühlung the stator. It is thus applied coolant directly to the stator, which can be removed in a simple and effective way from this heat. This results in a low temperature level in the stator, in particular in the Statorwickelköpfen.
  • the coolant can be performed in a coolant circuit, wherein preferably a coolant radiator is arranged in the coolant circuit.
  • Thedemittekühler is preferably outside the electric machine. It extracts heat from the coolant before it is reintroduced into the electric machine. It can be realized as a closed coolant circuit.
  • the temperature level in the electrical machine can be influenced via the cooling capacity of the coolant cooler. In particular, can be ensured by a powerful coolant radiator, a particularly low temperature level in the electric machine.
  • the coolant may also be used to cool and / or lubricate a bearing of the rotor.
  • the coolant is used for several tasks, resulting in a simple and inexpensive construction of the electric machine.
  • seals between the bearing of the rotor and the interior to be cooled can be omitted in this case. As a result, the efficiency of the electric machine is improved, since the frictional resistance of the seals is eliminated.
  • an electric machine of the aforementioned type wherein in the rotor shaft, an axial coolant supply line and at least one coolant line connected to the axial coolant supply line radial coolant supply line are arranged and an interior of the electric machine with the radial coolant supply line is connected coolant leading. Since coolant can thus be located in the interior of the electric machine, it is also possible to speak of a wet electrical machine, in particular a wet electric motor.
  • the interior of the electric machine is preferably limited by a housing of the electrical machine.
  • the axial coolant supply line and the radial coolant supply line are preferably designed as bores.
  • the axial coolant supply line is either a blind bore or a one-sided closed through-hole.
  • a plurality of radial coolant supply lines are arranged in the rotor shaft, which are preferably radially continuous, wherein in particular two, four, six or eight coolant supply lines are arranged.
  • the number of coolant supply lines can be adapted to the particular application. This results in a plurality of openings through which coolant can flow into the interior of the electrical machine. Preferably, there are four to 16 such openings. It is then a uniform and effective cooling of the electric machine possible.
  • At least two of the radial coolant supply lines may be arranged axially outside the rotor in each case on the outside on opposite axial sides of the rotor, in particular be arranged adjacent to the axial end faces of the rotor.
  • the coolant can be selectively applied to the axial end faces of the rotor, whereby the rotor is effectively cooled.
  • a development of the invention provides that in the axial coolant supply line, the radial coolant supply line and / or the interior of an electrically non-conductive coolant, preferably an oil, in particular a transmission oil, is arranged.
  • an electrically non-conductive coolant preferably an oil, in particular a transmission oil
  • the rotor can be embodied as a bladed rotor and the radial coolant supply line can be connected in a coolant-conducting manner to at least one sheet-metal intermediate space of the laminated rotor, wherein preferably a plurality of radial coolant supply lines are connected in a coolant-conducting manner to a plurality of respectively assigned sheet-metal intermediate spaces.
  • the core of the rotor consists of a package of sheets. This results in low eddy current losses in the rotor.
  • the coolant By introducing the coolant into the sheet gap, the rotor is cooled internally. As a result, the cooling is particularly effective and it can be achieved a low temperature level in the rotor.
  • the rotor is arranged in the interior, wherein preferably also the stator is arranged in the interior.
  • the stator can also be effectively cooled by the coolant present in the interior of the electric machine and the winding heads of the stator.
  • the axial and the radial coolant supply line can be implemented as components of a coolant circuit, which preferably comprises a coolant radiator.
  • the axial coolant supply line, the rotor, the stator and / or a bearing of the rotor are arranged in pairs coolant-permeable to each other.
  • these components can be cooled by a common coolant.
  • a mutual seal is not necessary.
  • FIG. 1 shows schematically an electrical machine according to the invention, with which an inventive method for cooling an electrical machine can be performed.
  • FIG. 1 shows a drive unit with an electric machine 10, which in the example illustrated is designed as an electric motor, and a transmission 12 connected thereto.
  • the electric machine 10 includes a stator 14 and a rotatably mounted on a rotor shaft 16 rotor 18.
  • the rotor shaft 16 is rotatably supported in a housing 20 via a first bearing 22 and a second bearing 24.
  • Both the stator 14 and the rotor 18 are arranged in an inner space 26 of the housing 20.
  • an axial coolant supply line 28 is arranged in the rotor shaft 16, which is formed in the illustrated embodiment as a blind bore.
  • the coolant supply line 28 is coolant-connected to a coolant inlet port 30, via which it is supplied with coolant.
  • the rotor shaft 16 includes a first radial coolant supply line 32, a second radial coolant supply line 33, a third radial Coolant supply line 34 and a fourth radial coolant supply line 35th
  • first radial coolant supply line 32 and the second radial coolant supply line 33 are radially continuous.
  • the radial coolant supply lines 32-35 are coolant-conducting connected to the axial coolant supply line 28 and to the interior 26 coolant-carrying.
  • the first radial coolant supply line 32 is disposed axially outside the rotor 18 so as to be adjacent to an axial end face 36 of the rotor 18 on the outside.
  • the second radial coolant supply line 33 is disposed on an opposite side of the rotor 18 so as to be adjacent to an opposite end face 38 of the rotor 18 on the outside.
  • the rotor 18 is designed as a bladed rotor in the illustrated embodiment.
  • the rotor 18 thus comprises a rotor plate package 39 consisting of a plurality of metal sheets.
  • the third and fourth radial coolant supply lines 34, 35 are arranged such that they are each connected to a sheet metal intermediate space 40, 41 of the laminated rotor 18 in a coolant-conducting manner.
  • an electrically non-conductive coolant is guided, which is a transmission oil in the illustrated embodiment.
  • the coolant is not shown in detail.
  • the axial coolant supply line 28 and the radial coolant supply lines 32-35 are components of a coolant circuit, which also includes a coolant sump 42, a coolant pump 44, a coolant reservoir 46 and a coolant cooler 48.
  • the course of the coolant through the coolant inlet nozzle 30 and the axial coolant supply line 28 are represented by an arrow 50a.
  • the course of the coolant through the first radial coolant supply line 32 is illustrated by arrows 50b and 50c, the course of the coolant through the second radial coolant supply line 33 by arrows 50d and 50e.
  • the path of the coolant through the third and fourth coolant supply lines 34, 35 is not shown in detail, but is analogous to the arrows 50b and 50d.
  • the axial coolant supply line 28, the rotor 18, the stator 14, the bearing 22 and / or the bearing 24 are each arranged in pairs coolant-permeable to each other.
  • An inlet and an outlet of the coolant reservoir 46 are represented by arrows 50i and 50j.
  • the coolant-conducting connection of the coolant pump 44 with the coolant cooler 48 is illustrated by an arrow 50k.
  • the drive unit also includes a coolant line which connects the coolant cooler 48 to the transmission 12. This is represented by an arrow 50I.
  • the coolant line by means of which the coolant is introduced from the transmission 12 into the coolant pump 44, is symbolized by an arrow 50m.
  • the cooling of the electric machine 10 takes place as follows.
  • the coolant is introduced into the axial coolant supply line 28 via the coolant inlet port 30. From there, it is introduced via the radial coolant supply lines 32-35 into the interior 26 of the electric machine, in which the rotor 18 and the stator 14 are arranged.
  • the coolant As the rotor 18 rotates, the coolant is transported radially outwardly by a centrifugal force created by the rotary motion. This applies in particular to the coolant present in the radial coolant supply lines 32-35.
  • the coolant present in the radial coolant supply lines 34, 35 is transported radially outward through the rotor 18. In this case, heat is transferred from the rotor 18 to the coolant, which is shown by arrows 52a, 52b.
  • the coolant present in the radial coolant supply lines 32 and 33 is transported radially outwards via the end faces 36, 38. Heat is also transferred from the rotor 18 to the coolant. This is symbolized by arrows 52c and 52d.
  • coolant is transferred from the rotor 18 to the stator 14. This is preferably done in portions, for example by injecting coolant from the rotor 18 onto the stator 14.
  • the coolant may then absorb heat from the stator 14. This is illustrated by arrows 54a and 54b.
  • the coolant is also used to cool and / or lubricate the bearings 22, 24.
  • the coolant is finally supplied via the coolant sump 42 and the coolant pump 44 to the coolant cooler 48. It is then reintroduced into the rotor shaft 16 via the coolant inlet port 30. Thus, the coolant circuit is closed.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine (10) beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Führen eines Kühlmittels in einer axialen Kühlmittelversorgungsleitung (28), die in der Rotorwelle (16) angeordnet ist, Einleiten des Kühlmittels in einen Innenraum (26) der elektrischen Maschine (10) über eine kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung (28) verbundene radiale Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35). Zusätzlich wird eine elektrische Maschine (10) präsentiert, wobei in der Rotorwelle (16) eine axiale Kühlmittelversorgungsleitung (28) und mindestens eine kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung (28) verbundene radiale Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35) angeordnet sind und ein Innenraum (26) der elektrischen Maschine (10) mit der radialen Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35) kühlmittelführend verbunden ist.

Description

VERFAHREN ZUM KÜHLEN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE, SOWIE ELEKTRISCHE MASCHINE WO DIESES VERFAHREN ANGEWENDET WIRD
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine mit einem auf einer Rotorwelle drehfest angeordneten Rotor und einem Stator.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem auf einer Rotorwelle drehfest angeordneten Rotor und einem Stator.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen, insbesondere von Elektromotoren, temperaturabhängig ist. Daher werden elektrische Maschinen häufig gekühlt, wobei die Kühlung als Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung realisiert sein kann. In einer elektrischen Maschine ist es dabei insbesondere wichtig, den Stator und den Rotor zu kühlen.
Im Bereich der Flüssigkeitskühlung ist die sogenannte Lanzenkühlung weit verbreitet, die z. B. in der US 2008/0272661 A1 beschrieben ist. Bei der Lanzenkühlung wird die Rotorwelle als einseitig offene Hohlwelle ausgeführt. Es wird eine „Kühllanze" genannte Röhre derart in die Hohlwelle eingesteckt, dass sich die Kühllanze nicht mit der Rotorwelle dreht. Das Kühlfluid strömt dann über diese Röhre in die Hohlwelle ein und über einen ringförmigen Raum zwischen der Hohlwelle und der Kühllanze wieder aus dieser aus. Vorteilhaft ist dabei, dass die Rotorwelle nur von einer Seite aus zugänglich sein muss.
Die Aufgabe der Erfindung ist, die Flüssigkeitskühlung von elektrischen Maschinen, insbesondere von Elektromotoren, zu verbessern. Die Verbesserung soll dabei insbesondere gesamthaft erfolgen. Dabei soll vorzugsweise eine gute Wärmeabfuhr aus dem Rotor und dem Stator gewährleistet sein, wodurch ein geringes Temperaturniveau in Rotor und Stator sichergestellt werden soll.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, mit den folgenden Schritten gelöst: a) Führen eines Kühlmittels in einer axialen Kühlmittelversorgungsleitung, die in der Rotorwelle angeordnet ist,
b) Einleiten des Kühlmittels in einen Innenraum der elektrischen Maschine über eine kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung verbundene radiale Kühlmittelversorgungsleitung, die in der Rotorwelle angeordnet ist, wobei zumindest der Rotor im Innenraum angeordnet ist.
Der Innenraum der elektrischen Maschine wird hierbei durch ein Gehäuse der elektrischen Maschine begrenzt. Die axiale Kühlmittelversorgungsleitung und die radiale Kühlmittelversorgungsleitung sind vorzugsweise als Bohrungen ausgeführt. Dabei ist die axiale Kühlmittelversorgungsleitung entweder eine Sackbohrung oder eine einseitig verschlossene Durchgangsbohrung. Dadurch, dass das Kühlmittel im Innenraum der elektrischen Maschine vorliegt, kann es direkt mit den zu kühlenden Komponenten der elektrischen Maschine wechselwirken. So werden kurze und widerstandsarme Wärmeleitpfade zwischen den zu kühlenden Stellen und/oder Komponenten der elektrischen Maschine (Hot Spots) und dem Kühlmittel realisiert. Darüber hinaus ist die wirksame Wärmeübertragungsfläche zwischen den Komponenten der elektrischen Maschine und dem Kühlmittel im Vergleich zu einer Lanzenkühlung deutlich vergrößert. Somit kann ein verhältnismäßig niedriges Temperaturniveau in der elektrischen Maschine und insbesondere im Rotor erreicht werden. Dadurch ist eine höhere Dauerleistung der elektrischen Maschine möglich. Aufgrund des niedrigeren Temperaturniveaus können bei einer gleichbleibenden Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine kostengünstigere Magnete verwendet werden. Dies gilt insbesondere für permanenterregte Synchronmaschinen, stromerregte Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen
Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Elektromotor.
Vorzugsweise wird ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel verwendet, insbesondere ein Öl, vorzugsweise ein Getriebeöl. Somit kann das Kühlmittel, falls es in direkten Kontakt mit stromführenden Komponenten der elektrischen Maschine kommt, die Funktionsfähigkeit der elektrischen Maschine nicht beeinträchtigen. Insbesondere führt es keinen Kurzschluss herbei. Dadurch kann das Kühlmittel besonders nahe an die zu kühlenden Stellen und/oder Komponenten der elektrischen Maschine gebracht werden und die Wärme von dort abführen. Wird ein Öl verwendet, kann das Kühlmittel auch gleichzeitig zur Kühlung und/oder Schmierung anderer Korn- ponenten der elektrischen Maschine oder damit verbundener Komponenten genutzt werden. Wird ein Getriebeöl verwendet, kann zudem eine Abdichtung zwischen der elektrischen Maschine und einem mit dieser gekoppelten Getriebe entfallen. Es ergibt sich ein einfacher Aufbau einer eine solche elektrische Maschine umfassenden Antriebseinheit. Darüber hinaus ist Öl oder Getriebeöl verhältnismäßig günstig und einfach handzuhaben.
Gemäß einer Ausführungsform wird bzw. werden ein Rotorblechpaket des Rotors und/oder mindestens eine Stirnseite des Rotors mit Kühlmittel beaufschlagt. Dadurch wird die im Rotor entstehende Wärme besonders effizient vom Kühlmittel aufgenommen und abtransportiert. Es ergibt sich eine gute Kühlbarkeit des Rotors, in dem dann ein verhältnismäßig niedriges Temperaturniveau eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise wird während einer Drehbewegung des Rotors das Kühlmittel im Innenraum und/oder in der radialen Kühlmittelversorgungsleitung durch Fliehkraft radial nach außen transportiert. Durch die Rotation des Rotors entsteht in der radialen Kühlmittelversorgungsleitung sowie an den übrigen drehenden Komponenten eine Sogwirkung. Es wird somit das Kühlmittel stets umgewälzt und so vor einem Überhitzen geschützt. Da die radiale Kühlmittelversorgungsleitung kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung verbunden ist, wirkt die Sogwirkung auch auf diese zurück. Die Sogwirkung des Rotors kann dabei eine außerhalb der elektrischen Maschine angeordnete Kühlmittelpumpe entlasten, sodass diese kleiner und leichter dimensioniert werden kann.
Das Kühlmittel kann durch den Rotor hindurch oder an mindestens einer Stirnseite des Rotors entlang transportiert werden. Wenn der Rotor aus mehreren Rotorblechen besteht, d.h. ein sogenannter geblechter Rotor ist, kann das Kühlmittel durch die Fliehkraft, die durch den sich drehenden Rotor generiert wird, zwischen den einzelnen Rotorblechen hindurch gefördert werden. Dabei kann das Kühlmittel insbesondere axial zwischen den einzelnen Rotorblechen hindurch gefördert werden. Gleiches gilt für die Stirnseiten des Rotors. Auch kann das Kühlmittel durch eine Rotorwicklung hindurchfließen. Es ergibt sich so ein Kühlmittelfluss durch den Rotor, der für eine zuverlässige und effiziente Wärmeabfuhr sorgt. Das Kühlmittel wird dabei direkt oder sehr nahe an die zu kühlenden Stellen geführt.
In einer Variante wird Kühlmittel vom Rotor auf den Stator übertragen, vorzugsweise portionsweise übertragen. Somit werden auch der Stator und insbesondere die Wickelköpfe des Stators gekühlt. Vereinfacht gesagt spritzt Kühlmittel vom Rotor auf den Stator, wenn sich der Rotor dreht. Es kann hier von einer Ölspritzkühlung des Stators gesprochen werden. Es wird damit Kühlmittel direkt auf den Stator aufgebracht, wodurch auf einfache und wirkungsvolle Weise aus diesem Wärme abgeführt werden kann. Es ergibt sich so ein geringes Temperaturniveau im Stator, insbesondere in den Statorwickelköpfen.
Darüber hinaus kann das Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf geführt werden, wobei vorzugsweise ein Kühlmittelkühler im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist. Der Kühlmittekühler liegt dabei vorzugsweise außerhalb der elektrischen Maschine. Er entzieht dem Kühlmittel Wärme, bevor es wieder in die elektrische Maschine eingeleitet wird. Es kann so ein geschlossener Kühlmittelkreislauf realisiert werden. Über die Kühlleistung des Kühlmittelkühlers kann zudem das Temperaturniveau in der elektrischen Maschine beeinflusst werden. Insbesondere kann durch einen leistungsfähigen Kühlmittelkühler ein besonders niedriges Temperaturniveau in der elektrischen Maschine gewährleistet werden.
Das Kühlmittel kann zudem zum Kühlen und/oder Schmieren eines Lagers des Rotors verwendet werden. Somit wird das Kühlmittel für mehrere Aufgaben verwendet, was zu einem einfachen und kostengünstigen Aufbau der elektrischen Maschine führt. Zudem können in diesem Fall Dichtungen zwischen dem Lager des Rotors und dem zu kühlenden Innenraum entfallen. Dadurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert, da der Reibungswiderstand der Dichtungen entfällt.
Ferner wird die Aufgabe durch eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art gelöst, wobei in der Rotorwelle eine axiale Kühlmittelversorgungsleitung und mindestens eine kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung verbundene radiale Kühlmittelversorgungsleitung angeordnet sind und ein Innenraum der elektrischen Maschine mit der radialen Kühlmittelversorgungsleitung kühlmittelführend verbunden ist. Da sich somit Kühlmittel im Innenraum der elektrischen Maschine befinden kann, kann auch von einer nassen elektrischen Maschine, insbesondere von einem nassen Elektromotor, gesprochen werden. Der Innenraum der elektrischen Maschine ist dabei bevorzugt durch ein Gehäuse der elektrischen Maschine begrenzt.
Die axiale Kühlmittelversorgungsleitung und die radiale Kühlmittelversorgungsleitung sind vorzugsweise als Bohrungen ausgeführt. Dabei ist die axiale Kühlmittelversorgungsleitung entweder eine Sackbohrung oder eine einseitig verschlossene Durchgangsbohrung. Es werden so die gleichen Vorteile und Effekte erreicht, die bereits zum erfindungsgemäßen Verfahren erläutert wurden.
In einer Gestaltungsvariante sind in der Rotorwelle mehrere radiale Kühlmittelversorgungsleitungen angeordnet, die vorzugsweise radial durchgängig sind, wobei insbesondere zwei, vier, sechs oder acht Kühlmittelversorgungsleitungen angeordnet sind. Die Anzahl der Kühlmittelversorgungsleitungen kann dabei an den jeweils vorliegenden Anwendungsfall angepasst werden. Es ergeben sich so mehrere Öffnungen, über die Kühlmittel in den Innenraum der elektrischen Maschine ausströmen kann. Vorzugsweise ergeben sich vier bis 16 solcher Öffnungen. Es ist dann eine gleichmäßige und wirkungsvolle Kühlung der elektrischen Maschine möglich.
Mindestens zwei der radialen Kühlmittelversorgungsleitungen können axial außerhalb des Rotors jeweils außenseitig auf entgegengesetzten axialen Seiten des Rotors angeordnet sein, insbesondere angrenzend an axiale Stirnseiten des Rotors angeordnet sein. Somit kann das Kühlmittel gezielt auf die axialen Stirnseiten des Rotors aufgebracht werden, wodurch der Rotor wirksam gekühlt wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der axialen Kühlmittelversorgungsleitung, der radialen Kühlmittelversorgungsleitung und/oder dem Innenraum ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel, vorzugsweise ein Öl, insbesondere ein Getriebeöl, angeordnet ist. Es wird auf die zum erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Effekte und Vorteile verwiesen.
Der Rotor kann als geblechter Rotor ausgeführt sein und die radiale Kühlmittelversorgungsleitung kühlmittelleitend mit mindestens einem Blechzwischenraum des geblechten Rotors verbunden sein, wobei vorzugsweise mehrere radiale Kühlmittelversorgungsleitungen mit mehreren, jeweils zugeordneten Blechzwischenräumen kühlmittelleitend verbunden sind. Bei einem geblechten Rotor besteht der Kern des Rotors aus einem Paket an Blechen. Es ergeben sich dadurch im Rotor geringe Wirbelstromverluste. Durch das Einleiten des Kühlmittels in den Blechzwischenraum wird der Rotor im Inneren gekühlt. Dadurch ist die Kühlung besonders wirkungsvoll und es kann ein geringes Temperaturniveau im Rotor erreicht werden. In einer Ausführungsform ist der Rotor im Innenraum angeordnet, wobei vorzugsweise auch der Stator im Innenraum angeordnet ist. Dadurch können auch der Stator durch das im Innenraum der elektrischen Maschine vorliegende Kühlmittel und die Wickelköpfe des Stators wirkungsvoll gekühlt werden.
Die axiale und die radiale Kühlmittelversorgungsleitung lassen sich als Bestandteile eines Kühlmittelkreislaufs ausführen, der vorzugsweise einen Kühlmittelkühler umfasst.
Bevorzugt sind die axiale Kühlmittelversorgungsleitung, der Rotor, der Stator und/oder ein Lager des Rotors paarweise kühlmitteldurchlässig zueinander angeordnet. Somit können diese Komponenten durch ein gemeinsames Kühlmittel gekühlt werden. Eine gegenseitige Abdichtung ist dabei nicht notwendig.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigt:
- Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine ausgeführt werden kann.
Figur 1 zeigt eine Antriebseinheit mit einer elektrischen Maschine 10, die im dargestellten Beispiel als Elektromotor ausgeführt ist, und einem mit dieser verbundenen Getriebe 12.
Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Stator 14 und einen drehfest auf einer Rotorwelle 16 angeordneten Rotor 18. Die Rotorwelle 16 ist dabei in einem Gehäuse 20 über ein erstes Lager 22 und ein zweites Lager 24 drehbar gelagert.
Sowohl der Stator 14 als auch der Rotor 18 sind in einem Innenraum 26 des Gehäuses 20 angeordnet.
Zur Kühlung der elektrischen Maschine 10 ist in der Rotorwelle 16 eine axiale Kühlmittelversorgungsleitung 28 angeordnet, die in der dargestellten Ausführungsform als Sackbohrung ausgebildet ist. Die Kühlmittelversorgungsleitung 28 ist kühlmittelleitend mit einem Kühlmittel-Einlassstutzen 30 verbunden, über den sie mit Kühlmittel versorgt wird.
Darüber hinaus umfasst die Rotorwelle 16 eine erste radiale Kühlmittelversorgungsleitung 32, eine zweite radiale Kühlmittelversorgungsleitung 33, eine dritte radiale Kühlmittelversorgungsleitung 34 und eine vierte radiale Kühlmittelversorgungsleitung 35.
Dabei sind die erste radiale Kühlmittelversorgungsleitung 32 und die zweite radiale Kühlmittelversorgungsleitung 33 radial durchgängig.
Die radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 32 - 35 sind kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung 28 und mit dem Innenraum 26 kühlmittelführend verbunden.
Die erste radiale Kühlmittelversorgungsleitung 32 ist axial außerhalb des Rotors 18 so angeordnet, dass sie an eine axiale Stirnseite 36 des Rotors 18 außenseitig angrenzt. Die zweite radiale Kühlmittelversorgungsleitung 33 ist auf einer entgegengesetzten Seite des Rotors 18 so angeordnet, dass sie an eine entgegengesetzte Stirnseite 38 des Rotors 18 außenseitig angrenzt.
Der Rotor 18 ist in der dargestellten Ausführungsform als geblechter Rotor ausgeführt. Der Rotor 18 umfasst also ein aus mehreren Blechen bestehendes Rotorblechpaket 39.
Dabei sind die dritte und vierte radiale Kühlmittelversorgungsleitung 34, 35 so angeordnet, dass sie mit jeweils einem Blechzwischenraum 40, 41 des geblechten Rotors 18 kühlmittelleitend verbunden sind.
In der axialen Kühlmittelversorgungsleitung 28 und den radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 32 - 35 sowie im Innenraum 26 ist ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel geführt, das in der dargestellten Ausführungsform ein Getriebeöl ist. Das Kühlmittel ist nicht näher dargestellt.
Die axiale Kühlmittelversorgungsleitung 28 sowie die radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 32 - 35 sind Bestandteile eines Kühlmittelkreislaufs, der auch einen Kühlmittelsumpf 42, eine Kühlmittelpumpe 44, ein Kühlmittelreservoir 46 sowie einen Kühlmittelkühler 48 umfasst.
Der Verlauf des Kühlmittels durch den Kühlmittel-Einlassstutzen 30 und die axiale Kühlmittelversorgungsleitung 28 sind durch einen Pfeil 50a dargestellt. Der Verlauf des Kühlmittels durch die erste radiale Kühlmittelversorgungsleitung 32 ist durch Pfeile 50b und 50c veranschaulicht, der Verlauf des Kühlmittels durch die zweite radiale Kühlmittelversorgungsleitung 33 durch Pfeile 50d und 50e. Der Weg des Kühlmittels durch die dritte und vierte Kühlmittelversorgungsleitung 34, 35 ist nicht im Detail dargestellt, erfolgt jedoch analog zu den Pfeilen 50b und 50d.
Es sind somit die axiale Kühlmittelversorgungsleitung 28, der Rotor 18, der Stator 14, das Lager 22 und/oder das Lager 24 jeweils paarweise kühlmitteldurchlässig zueinander angeordnet.
Das Ablaufen des Kühlmittels über den Kühlmittelsumpf 42 ist durch Pfeile 50f und 50g symbolisiert und die Verbindungsleitung zwischen dem Kühlmittelsumpf 42 und der Kühlmittelpumpe durch einen Pfeil 50h.
Ein Einlauf und ein Auslauf des Kühlmittelreservoirs 46 sind durch Pfeile 50i und 50j dargestellt.
Die kühlmittelleitende Verbindung der Kühlmittelpumpe 44 mit dem Kühlmittelkühler 48 ist durch einen Pfeil 50k veranschaulicht.
Da es sich beim Kühlmittel in der dargestellten Ausführungsform um ein Getriebeöl handelt, umfasst die Antriebseinheit auch eine Kühlmittelleitung, die den Kühlmittelkühler 48 mit dem Getriebe 12 verbindet. Diese ist durch einen Pfeil 50I dargestellt.
Die Kühlmittelleitung, mittels der das Kühlmittel aus dem Getriebe 12 in die Kühlmittelpumpe 44 eingeleitet wird, ist durch einen Pfeil 50m symbolisiert.
Die Kühlung der elektrischen Maschine 10 erfolgt folgendermaßen.
Zunächst wird das Kühlmittel über den Kühlmittel-Einlassstutzen 30 in die axiale Kühlmittelversorgungsleitung 28 eingebracht. Von dort aus wird es über die radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 32 - 35 in den Innenraum 26 der elektrischen Maschine eingebracht, in dem der Rotor 18 und der Stator 14 angeordnet sind.
Über die radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 32 - 35 werden die Stirnseiten 36, 38 des Rotors 18 sowie das Rotorblechpaket 39 des Rotors 18, genauer gesagt die Blechzwischenräume 40 und 41 , mit Kühlmittel beaufschlagt.
Wenn sich der Rotor 18 dreht, wird das Kühlmittel durch eine durch die Drehbewegung entstehende Fliehkraft radial nach außen transportiert. Dies gilt insbesondere für das in den radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 32 - 35 vorliegende Kühlmittel. Das in den radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 34, 35 vorliegende Kühlmittel wird dabei durch den Rotor 18 hindurch radial nach außen transportiert. Dabei wird Wärme vom Rotor 18 auf das Kühlmittel übertragen, was durch Pfeile 52a, 52b dargestellt ist.
Das in den radialen Kühlmittelversorgungsleitungen 32 und 33 vorliegende Kühlmittel wird über die Stirnseiten 36, 38 radial nach außen transportiert. Dabei wird ebenfalls Wärme vom Rotor 18 auf das Kühlmittel übertragen. Dies ist durch Pfeile 52c und 52d symbolisiert.
Zusätzlich wird bei einer Drehung des Rotors 18 Kühlmittel vom Rotor 18 auf den Stator 14 übertragen. Dies erfolgt vorzugsweise portionsweise, zum Beispiel indem Kühlmittel vom Rotor 18 auf den Stator 14 spritzt.
Das Kühlmittel kann dann Wärme aus dem Stator 14 aufnehmen. Dies ist durch Pfeile 54a und 54b veranschaulicht.
Das Kühlmittel wird auch zum Kühlen und/oder Schmieren der Lager 22, 24 verwendet.
Das Kühlmittel wird schließlich über den Kühlmittelsumpf 42 und die Kühlmittelpumpe 44 dem Kühlmittelkühler 48 zugeführt. Daraufhin wird es wieder über den Kühlmittel-Einlassstutzen 30 in die Rotorwelle 16 eingebracht. Somit ist der Kühlmittelkreislauf geschlossen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine (10) mit einem auf einer Rotorwelle (16) drehfest angeordneten Rotor (18) und einem Stator (14), mit den folgenden Schritten:
a) Führen eines Kühlmittels in einer axialen Kühlmittelversorgungsleitung (28), die in der Rotorwelle (16) angeordnet ist,
b) Einleiten des Kühlmittels in einen Innenraum (26) der elektrischen Maschine (10) über eine kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung (28) verbundene radiale Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35), die in der Rotorwelle (16) angeordnet ist, wobei zumindest der Rotor (18) im Innenraum (26) angeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel verwendet wird, insbesondere ein Öl, vorzugsweise ein Getriebeöl.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotorblechpaket (39) des Rotors (18) und/oder mindestens eine Stirnseite (36, 38) des Rotors (18) mit Kühlmittel beaufschlagt wird bzw. werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Drehbewegung des Rotors (18) das Kühlmittel im Innenraum (26) und/oder in der radialen Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35) durch Fliehkraft radial nach außen transportiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch den Rotor (18) hindurch oder an mindestens einer Stirnseite (36, 38) des Rotors (18) entlang transportiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmittel vom Rotor (18) auf den Stator (14) übertragen wird, vorzugsweise portionsweise übertragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf (50a - 50k) geführt wird, wobei vorzugsweise ein Kühlmittelkühler (48) im Kühlmittelkreislauf (50a - 50k) angeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel zum Kühlen und/oder Schmieren eines Lagers (22, 24) des Rotors (18) verwendet wird.
9. Elektrische Maschine (10) mit einem auf einer Rotorwelle (16) drehfest angeordneten Rotor (18) und einem Stator (14), wobei in der Rotorwelle (16) eine axiale Kühlmittelversorgungsleitung (28) und mindestens eine kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung (28) verbundene radiale Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35) angeordnet sind und ein Innenraum (26) der elektrischen Maschine (10) mit der radialen Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35) kühlmittelführend verbunden ist.
10. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rotorwelle (16) mehrere radiale Kühlmittelversorgungsleitungen (32, 33) angeordnet sind, die vorzugsweise radial durchgängig sind, wobei insbesondere zwei, vier, sechs oder acht Kühlmittelversorgungsleitungen (32, 33) angeordnet sind.
1 1 . Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der radialen Kühlmittelversorgungsleitungen (32, 33) axial außerhalb des Rotors (18) jeweils außenseitig auf entgegengesetzten axialen Seiten des Rotors (18) angeordnet sind, insbesondere angrenzend an axiale Stirnseiten (36, 38) des Rotors (18) angeordnet sind.
12. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der axialen Kühlmittelversorgungsleitung (28), der radialen Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35) und/oder dem Innenraum (26) ein elektrisch nicht leitendes Kühlmittel, vorzugsweise ein Öl, insbesondere ein Getriebeöl, angeordnet ist.
13. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) als geblechter Rotor ausgeführt ist und die radiale Kühlmittelversorgungsleitung (34, 35) kühlmittelleitend mit mindestens einem Blechzwischenraum (40, 41 ) des geblechten Rotors verbunden ist, wobei vorzugsweise mehrere radiale Kühlmittelversorgungsleitungen (34, 35) mit mehreren, jeweils zugeordneten Blechzwischenräumen (40, 41 ) kühlmittelleitend verbunden sind.
14. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (18) im Innenraum (26) angeordnet ist, wobei vorzugsweise auch der Stator (14) im Innenraum (26) angeordnet ist.
15. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Kühlmittelversorgungsleitung (28) und die radiale Kühlmittelversorgungsleitung (32 - 35) Bestandteile eines Kühlmittelkreislaufs (50a - 50k) sind, der vorzugsweise einen Kühlmittelkühler (48) umfasst.
16. Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Kühlmittelversorgungsleitung (28), der Rotor (18), der Stator (14) und/oder ein Lager (22, 24) des Rotors (18) paarweise kühlmitteldurchlässig zueinander angeordnet sind.
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