WO2020239166A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2020239166A1
WO2020239166A1 PCT/DE2020/100364 DE2020100364W WO2020239166A1 WO 2020239166 A1 WO2020239166 A1 WO 2020239166A1 DE 2020100364 W DE2020100364 W DE 2020100364W WO 2020239166 A1 WO2020239166 A1 WO 2020239166A1
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coolant
shaft
winding heads
cooling device
guide
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PCT/DE2020/100364
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Patrick Gramann
Nicolai Gramann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a stator and a rotor and a cooling device for cooling the end windings of the stator.
  • temperature-sensitive components are built into an electrical machine, for example rotor magnets that are demagnetized at high temperatures.
  • baking varnish as a critical, temperature sensitive component.
  • an electrical machine comprises:
  • stator with a laminated core and windings
  • the electrical machine preferably comprises a cooling device for cooling the electrical machine by means of a coolant, the cooling device preferably being set up to convey the coolant from the shaft in the direction of the winding heads and thus to cool the winding heads.
  • the cooling device is set up to fling or spray the coolant from the shaft in the direction of the winding heads in order to cool the winding heads. In this way, a spray mist can be created that exchanges heat on the largest possible surface area of the winding heads in order to cool them.
  • the cooling device is preferably set up to guide the coolant in the radial and / or axial direction to the end windings or to fling or spray it in order to cool them.
  • a larger amount of coolant can be delivered in a targeted manner in a predetermined direction.
  • the cooling device advantageously comprises the shaft, which is designed as a hollow shaft for conveying coolant.
  • a coolant can thus be transported within the shaft, which reduces the structural complexity for lines.
  • the cooling device has at least one passage in the wall of the shaft, so that coolant can be conveyed from the interior of the shaft through the wall of the shaft.
  • the at least one passage is preferably designed to generate a spray mist. In this way, the largest possible cooling surface for the coolant can be generated.
  • the cooling device advantageously has two or more passages which are distributed or offset in the circumferential direction of the shaft.
  • two passages are arranged offset to one another by 90 degrees in the circumferential direction.
  • the cooling device has two or more passages which are arranged one after the other in the axial direction. Furthermore, it is advantageous if the at least one passage is designed as a nozzle, in particular in the wall of the shaft. Thus, a spray can be generated in a simple manner.
  • the at least one passage is advantageously oriented in the radial and / or axial direction in the wall of the shaft.
  • the at least one passage in particular in the radial direction, is designed to be inclined. This makes it possible to concentrate coolant at certain points by, for example, aligning the at least one passage in the corresponding direction.
  • the cooling device preferably has at least one coolant guide which guides the coolant from the shaft in the radial direction and / or in the axial direction to the end windings. In this way, coolant can be conducted in a concentrated manner to certain points with, for example, high levels of heat generation.
  • a first coolant guide of the cooling device guides the coolant, in particular exclusively, in the radial direction from the shaft to the end windings. In this way, a special section of the end windings or only the end windings can be cooled on a radially inwardly oriented surface.
  • a second coolant duct of the cooling device preferably guides the coolant first in the radial direction and then in the axial direction from the shaft to the winding heads. It is thus possible to cool an axial end face of the winding heads.
  • a first coolant guide of the cooling device expediently comprises a first and a second guide part, which extend in the radial direction and guide coolant from the shaft to an inner circumferential surface of the end windings. In this way, a radially inwardly oriented surface of the winding heads can be cooled.
  • first and second guide parts run in a straight line from the shaft to the end windings, and in particular are each formed as a sheet metal disc.
  • the end windings form a hollow cylindrical shape at one axial end of the stator.
  • the hollow cylindrical shape has an inner and an outer man face and an axial end face which is directed outwardly away from the electrical Ma machine.
  • the first and second guide parts advantageously form a first cooling space, which limits the application of coolant to the end windings.
  • the first guide part shields the air gap between the rotor and stator in order to prevent the penetration of coolant into the air gap. This is because the ingress of coolant into the air gap can reduce the efficiency of the electrical machine.
  • the first guide part extends in the radial direction from the shaft to an inner circumferential surface of the end windings.
  • the second guide part terminates in the axial direction with the axial end of the winding heads, so that coolant can be guided from the shaft, in particular exclusively, to an inner circumferential surface of the winding heads.
  • a second coolant guide of the cooling device comprises a second and a third guide part, which extend partly in the radial direction and partly in the axial direction and guide coolant from the shaft to an axial end face of the end windings.
  • the second guide part preferably runs in a straight line from the shaft to the end windings, and is designed in particular as a sheet metal disk.
  • the second guide part terminates in the axial direction with the axial end of the winding heads, so that coolant can be guided from the shaft, in particular exclusively, to an axial end face of the winding heads.
  • the second and third guide parts preferably form a second cooling space which limits the application of coolant to the end windings.
  • the second guide part extends in the radial direction from the shaft to an inner jacket surface of the end windings.
  • the third guide part is L-shaped in cross section, and between the straight legs of the L- Shape a flowing round-shaped transition is formed to deflect the flow of the coolant from the radial direction in the axial direction, so that an axial end face of the winding heads and / or an outer surface of the winding heads can be cooled.
  • the third guide part advantageously extends in the radial direction from the shaft to an outer jacket surface of the end windings and ends in the axial direction on the stator.
  • first coolant guide and a second coolant guide of the cooling device are arranged one after the other in the axial direction.
  • the cooling device has two or more passages which are arranged one after the other in the axial direction.
  • a first passage preferably supplies the first coolant guide with coolant and a second passage supplies the second coolant guide with coolant.
  • first passage supplies a first cooling space with coolant and preferably the second passage supplies a second cooling space with coolant.
  • first coolant guide and / or the second coolant guide is attached to the stator.
  • the first coolant guide is advantageously fastened to the second coolant guide.
  • This idea preferably relates - to put it simply - a cooling solution for an electrical machine, in which the focus is preferably in particular on the efficient cooling of the winding heads.
  • the cooling solution presented should preferably also be cost-effective in the lowering position.
  • the principle is preferably applicable to an electrical machine with a wave winding, but can also be adapted to other types of electrical machines.
  • the principle is preferably indirect cooling, in which the cooling medium or a coolant flows through a hollow shaft of the rotor of the electrical machine and second passages are hurled through openings.
  • openings or passages can be designed as nozzles; but they can also have any shape.
  • the hurled or sprayed coolant then hits the end windings or the stator windings in a targeted manner and cools them.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an electrical machine 1 according to the invention with a cooling device 10.
  • FIG. 1 shows an electrical machine 1 with a stator 2, which has a laminated core 3 with windings 4.
  • the electrical machine 1 has a rotor 7 which is rotatably supported in the stator 2, the rotor 7 comprising a rotor body 8 and a shaft 9 on which the rotor body 8 is fastened.
  • the electrical machine 1 also comprises a cooling device 10 for cooling the electrical machine 1 by means of a coolant.
  • the cooling device 10 is set up to convey the coolant from the shaft 9 in the direction of the winding heads 6 and thus to cool the winding heads 6.
  • the cooling device 10 is set up to fling or spray the coolant from the shaft 9 in the direction of the winding heads 6 in order to cool the winding heads 6.
  • the cooling device 10 is set up to spray / spin thedemit tel in the radial and / or axial direction R, A to the end windings 6 in order to cool them.
  • the cooling device 10 comprises the shaft 9, which is designed as a hollow shaft for conveying coolant, the cooling device 10 having various passages 1 1, 12, 13, 14 in the wall of the shaft 9. Thus, coolant can be conveyed from the interior of the shaft 9 through the wall of the shaft 9.
  • the passages 1 1 - 14 are distributed or offset in the circumferential direction U of the shaft 9, the passages 1 1 - 14 also being arranged one after the other in the axial direction A.
  • the passages 11-14 are designed as a nozzle in the wall of the shaft 9.
  • a spray can be created who exchanges heat on the largest possible surface area of the winding heads 6 in order to cool them.
  • the largest possible cooling surface of the coolant can thus also be generated.
  • passage 11 is oriented in the axial direction A in the wall of the shaft 9. In other words, the passage 11 is inclined in the radial direction R aligned.
  • FIG. 1 shows that the cooling device 10 has two coolant ducts 15, 16, which guide the coolant from the shaft 9 in the radial direction R and in the axial direction A to the end windings 6.
  • the first coolant duct 15 of the cooling device 10 guides the coolant in the radial direction R from the shaft 9 to the end windings 6, whereas the second coolant duct 16 of the cooling device 10 carries the coolant first in the radial direction R and then in the axial direction A from the shaft 9 leads to the winding heads 6.
  • the first coolant guide 15 of the cooling device 10 has a first and a second guide part 17, 18, which extend in the radial direction R and guide coolant from the shaft 9 to an inner circumferential surface IM of the winding heads 6.
  • first and second guide parts 17, 18 run in a straight line from the Wel le 9 to the winding heads 6 and are each designed as a sheet metal disc.
  • the end windings 6 form a hollow cylindrical shape at one axial end of the stator 2, the hollow cylindrical shape having an inner IM and an outer jacket surface AM as well as an axial end face S that extends outwards from the electrical machine 1 is directed.
  • FIG. 1 shows that the first and second guide parts 17, 18 form a first cooling space K1, which limits the application of coolant to the winding heads 6.
  • the first guide part 17 shields the air gap L between the rotor 7 and the stator 2 in order to prevent the penetration of coolant into the air gap L.
  • first 17 and second guide part 18 extends in the radial direction R from the shaft 9 to the inner circumferential surface IM of the winding heads 6, the second guide part 18 terminating in the axial direction A with the axial end of the winding heads 6, so that coolant from the Shaft 9 can be guided to the inner circumferential surface IM of the winding heads 6.
  • the second coolant guide 16 of the cooling device 10 has the second and a third guide part 18, 19, the third guide part 19 extending partly in the radial direction R and partly in the axial direction A.
  • the second and third guide parts 18, 19 now serve to guide coolant from the shaft 9 to an axial end face S of the winding heads 6.
  • the third guide part 19 is L-shaped in cross section, and a flowing, round transition is formed between the legs of the L-shape extending in a straight line. In this way the flow of the coolant can are deflected from the radial direction R into the axial direction A, so that the axial end face S of the winding heads 6 and the outer jacket surface AM of the winding heads 6 can be cooled.
  • the third guide part 19 extends in the radial direction R from the shaft 9 to the outer circumferential surface AM of the winding heads 6 and ends in the axial direction A on the stator 2.
  • first coolant guide 15 and the second coolant guide 16 of the cooling device 10 are arranged following one another in the axial direction A.
  • the cooling device 10 - as mentioned - has various passages 11-14, which are arranged one after the other in the axial direction A, the passages 11, 13 supplying the first coolant duct 15 with coolant and the passages 12, 14 supplying the second coolant duct 16 with coolant.
  • FIG. 1 shows that the first coolant guide 15 and the second coolant guide 16 are attached to the stator 2.
  • FIG. 1 is described again in other words below.
  • the innovation of the solution presented here compared to previous cooling methods is advantageously a coolant guide or a cooling device with axially offset nozzles or passages 11 to 14.
  • the cooling device 10 of the electrical machine 1 essentially consists of two parts.
  • the third guide part 19 of the second coolant guide 16 ensures that the coolant or coolant thrown ra dial is directed to the outer ends and to the end windings 6.
  • the third guide part 19 causes the rounding, a distribution on the winding heads 6 or on their end face S and the radially outer Wicklungsflä surfaces or the outer surface AM.
  • the second guide part 18 also serves to guide the hurled or sprayed coolant / coolant onto the end windings 6 and is intended to prevent the coolant from being lost axially in the direction of the rotor 7.
  • the passage 11 serves to cool the radially inner winding surfaces or the inner jacket surface IM of the end windings 6. Flier, the coolant is likewise thrown or sprayed radially outward.
  • the passages 11 to 14 are arranged alternately, in the axial direction A, obliquely to the left and right. It is also conceivable to make the nozzles or passages 11 to 14 straight, but to alternately offset the nozzles axially.
  • the first guide part 10 prevents the coolant from penetrating into the air gap L and thereby reduces efficiency losses due to shearing of the coolant in the air gap L.
  • the illustrated cooling device 10 can consist of one part.
  • the cooling device can be expanded to include the rotor bearing and could therefore replace existing bearing shields.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1 ) aufweisend: - einen Stator (2) mit einem Blechpaket (3) und mit Wicklungen (4), - wobei an axialen Enden (5) des Blechpakets (3) ein jeweiliger Wickelkopf (6), gebildet von den Wicklungen (4), in axialer Richtung (A) über das Blechpaket (3) hinausragt, - einen Rotor (7), der in dem Stator (2) drehbar gelagert ist - wobei der Rotor (7) einen Rotorkörper (8) und eine Welle (9) umfasst, auf der der Rotorkörper (9) befestigt ist, - und eine Kühleinrichtung (10) zum Kühlen der elektrischen Maschine (1) mittels eines Kühlmittels, - wobei die Kühleinrichtung (11 ) eingerichtet ist, das Kühlmittel von der Welle (9) in Richtung zu den Wickelköpfen (6) zu fördern und somit die Wickelköpfe (6) zu kühlen, - wobei vorzugsweise die Kühleinrichtung (10) ferner eingerichtet ist, da Kühlmittel von der Welle (9) in Richtung zu den Wickelköpfen (6) zu sprühen, um die Wickelköpfe (6) zu kühlen.

Description

Elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor und einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Wickelköpfe des Stators.
Bekanntermaßen müssen elektrische Maschinen zur Effizienzsteigerung gekühlt wer den, da bei niedrigen Temperaturen die ohmschen Verluste sinken.
Des Weiteren sind in einer elektrischen Maschine temperaturempfindliche Komponen ten verbaut, diese sind zum Beispiel Rotormagnete, die bei hohen Temperaturen ent magnetisiert werden.
Auch ist je nach Fertigungsverfahren z. B. auch Backlack als eine kritische, tempera turempfindliche Komponente zu sehen.
Um Temperaturspitzen zu vermeiden, werden bekannte elektrische Maschinen mit Öl gekühlt.
Jedoch sind diese Maschinen derart ausgestaltet, dass die zu kühlenden Hotspots nicht zwingend erreicht werden und es dennoch zu lokalen Überhitzungen kommt.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine anzuge ben, welche kostengünstig eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine ge währleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Pa tentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un teransprüche.
Erfindungsgemäß umfasst bei der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine:
- einen Stator mit einem Blechpaket und mit Wicklungen,
- wobei an axialen Enden des Blechpakets ein jeweiliger Wickelkopf, gebildet von den Wicklungen, in axialer Richtung über das Blechpaket hinausragt, und
- einen Rotor, der in dem Stator drehbar gelagert ist,
- wobei der Rotor einen Rotorkörper und eine Welle umfasst, auf der der Rotor körper befestigt ist. Bevorzugterweise umfasst die elektrische Maschine eine Kühleinrichtung zum Kühlen der elektrischen Maschine mittels eines Kühlmittels, wobei vorzugsweise die Kühlein richtung eingerichtet ist, das Kühlmittel von der Welle in Richtung zu den Wickelköp fen zu fördern und somit die Wickelköpfe zu kühlen.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Kühleinrichtung eingerichtet ist, das Kühlmittel von der Welle in Richtung zu den Wickelköpfen zu schleudern oder zu sprühen, um die Wickelköpfe zu kühlen. Auf diese Weise kann ein Sprühnebel geschaffen werden, der auf einer möglichst großen Oberfläche der Wickelköpfe Wärme tauscht, um diese zu kühlen.
Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung eingerichtet, das Kühlmittel in radialer und/oder axialer Richtung zu den Wickelköpfen zu führen oder zu schleudern oder zu sprühen, um diese zu kühlen. Somit kann zielgerichtet eine größere Menge von Kühlmittel in eine vorbestimmte Richtung abgegeben werden.
Günstigerweise umfasst die Kühleinrichtung die Welle, die als Hohlwelle zur Förde rung von Kühlmittel ausgebildet ist. Somit kann innerhalb der Welle ein Kühlmittel transportiert werden, wodurch der konstruktive Aufwand für Leitungen reduziert wird.
Auch ist es günstig, wenn die Kühleinrichtung mindestens einen Durchtritt in der Wand der Welle aufweist, sodass Kühlmittel aus dem Inneren der Welle durch die Wand der Welle hindurchförderbar ist.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Durchtritt ausgebildet, einen Sprühnebel zu er zeugen. Auf diese Weise kann eine möglichst große Kühloberfläche des Kühlmittels generiert werden.
Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung zwei oder mehr Durchtritte auf, die in Um fangsrichtung der Welle verteilt bzw. versetzt angeordnet sind. Hierbei ist es von Vor teil, wenn zum Beispiel zwei Durchtritte um 90 Grad in Umfangsrichtung versetzt zuei nander angeordnet sind.
Auch ist es ergänzend oder alternativ von Vorteil, wenn die Kühleinrichtung zwei oder mehr Durchtritte aufweist, die in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der mindestens eine Durchtritt als Düse, insbe sondere in der Wand der Welle, ausgebildet ist. Somit kann ein Sprühnebel auf einfa che Weise erzeugt werden.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Durchtritt in radialer und/oder axialer Rich tung in der Wand der Welle ausgerichtet. Mit anderen Worten ausgedrückt ist es von Vorteil, wenn der mindestens eine Durchtritt, insbesondere in radialer Richtung, ge neigt ausgebildet ist. Dies erlaubt es, Kühlmittel an bestimmte Stellen zu konzentrie ren, indem zum Beispiel der mindestens eine Durchtritt in entsprechende Richtung ausgerichtet wird.
Bevorzugterweise weist die Kühleinrichtung mindestens eine Kühlmittelführung auf, die das Kühlmittel von der Welle in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung zu den Wickelköpfen führt. Somit kann Kühlmittel konzentriert zu bestimmten Stellen mit zum Beispiel hoher Wärmeentwicklung geführt werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass eine erste Kühlmittelführung der Kühleinrichtung das Kühlmittel, insbesondere ausschließlich, in radialer Richtung von der Welle zu den Wickelköpfen führt. Auf diese Weise kann ein spezieller Abschnitt der Wickelköpfe bzw. können auch nur die Wickelköpfe an einer radial nach innen orientierten Oberflä che gekühlt werden.
Vorzugsweise führt eine zweite Kühlmittelführung der Kühleinrichtung das Kühlmittel zunächst in radialer Richtung und dann in axialer Richtung von der Welle zu den Wi ckelköpfen. Somit ist es möglich, eine axiale Stirnseite der Wickelköpfe zu kühlen.
Günstigerweise umfasst eine erste Kühlmittelführung der Kühleinrichtung ein erstes und ein zweites Führungsteil, die sich in radialer Richtung erstrecken und Kühlmittel von der Welle zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe führen. Auf diese Weise kann eine radial nach innen orientierte Oberfläche der Wickelköpfe gekühlt werden.
Ferner ist es günstig, wenn das erste und zweite Führungsteil in gerader Linie von der Welle zu den Wickelköpfen verläuft, und insbesondere jeweils als Blechscheibe aus gebildet sind.
Auch ist es möglich, dass die Wickelköpfe eine hohlzylinderförmige Gestalt an einem axialen Ende des Stators bilden. Vorzugsweise weist die hohlzylinderförmige Gestalt eine innere und eine äußere Man telfläche sowie eine axiale Stirnseite auf, die nach außen von der elektrischen Ma schine weg gerichtet ist.
Vorteilhafterweise bilden das erste und zweite Führungsteil einen ersten Kühlraum, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe begrenzt.
Auch ist es von Vorteil, wenn das erste Führungsteil den Luftspalt zwischen Rotor und Stator abschirmt, um das Eindringen von Kühlmittel in den Luftspalt zu unterbinden. Denn ein Eindringen von Kühlmittel in den Luftspalt kann die Effizienz der elektrischen Maschine mindern.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das erste Führungsteil in radialer Richtung sich von der Welle bis zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe erstreckt.
Auch ist es möglich, dass das zweite Führungsteil in axialer Richtung mit dem axialen Ende der Wickelköpfe abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle, insbesondere ausschließlich, zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe führbar ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine zweite Kühlmittelführung der Kühleinrichtung ein zweites und ein drittes Führungsteil umfasst, die sich teils in radialer Richtung und teils in axialer Richtung erstrecken und Kühlmittel von der Welle zu einer axialen Stirnseite der Wickelköpfe führen.
Vorzugsweise verläuft das zweite Führungsteil in gerader Linie von der Welle zu den Wickelköpfen, und ist insbesondere als Blechscheibe ausgebildet.
Auch ist es möglich, dass das zweite Führungsteil in axialer Richtung mit dem axialen Ende der Wickelköpfe abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle, insbesondere ausschließlich, zu einer axialen Stirnseite der Wickelköpfe führbar ist.
Bevorzugterweise bilden das zweite und dritte Führungsteil einen zweiten Kühlraum, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe begrenzt.
Ferner ist bevorzugt, dass sich das zweite Führungsteil in radialer Richtung von der Welle bis zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe erstreckt.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das dritte Führungsteil im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist, und zwischen den sich geradlinig erstreckenden Schenkeln der L- Form ein fließender rund-geformter Übergang ausgebildet ist, um die Strömung des Kühlmittels aus der radialen Richtung in die axiale Richtung umzulenken, sodass eine axiale Stirnseite der Wickelköpfe und/oder eine äußere Mantelfläche der Wickelköpfe kühlbar ist.
Vorteilhafterweise erstreckt sich das dritte Führungsteil in radialer Richtung von der Welle bis zu einer äußeren Mantelfläche der Wickelköpfe und endet in axialer Rich tung am Stator.
Auch ist es von Vorteil, wenn eine erste Kühlmittelführung und eine zweite Kühlmittel führung der Kühleinrichtung in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Kühleinrichtung zwei oder mehr Durchtritte aufweist, die in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Bevorzugterweise versorgt ein erster Durchtritt die erste Kühlmittelführung mit Kühl mittel und ein zweiter Durchtritt die zweite Kühlmittelführung mit Kühlmittel.
Auch ist es bevorzugt, wenn der erste Durchtritt einen ersten Kühlraum mit Kühlmittel versorgt und vorzugsweise der zweite Durchtritt einen zweiten Kühlraum mit Kühlmit tel versorgt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die erste Kühlmittelführung und/oder die zweite Kühlmittelführung am Stator befestigt ist.
Vorteilhafterweise ist die erste Kühlmittelführung an der zweiten Kühlmittelführung be festigt.
Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.
Dieser Gedanke betrifft vorzugsweise - vereinfacht dargestellt - eine Kühllösung für eine elektrische Maschine, bei der vorzugsweise der Fokus insbesondere auf der effi zienten Kühlung der Wickelköpfe liegt.
Neben der hohen Effizienz im Betrieb soll vorzugsweise die vorgestellte Kühllösung in der Fierstellung auch kosteneffektiv sein. Das Prinzip ist vorzugsweise auf eine elektrische Maschine mit einer Wellenwicklung anwendbar, kann aber auch auf andere Typen von elektrischen Maschinen adaptiert werden.
Bei dem Prinzip handelt es sich bevorzugterweise um eine indirekte Kühlung, bei der das Kühlmedium bzw. ein Kühlmittel durch eine Hohlwelle des Rotors der elektrischen Maschine fließt und durch Öffnungen zweite Durchtritte geschleudert wird.
Diese Öffnungen bzw. Durchtritte können als Düsen ausgebildet sein; sie können aber auch jegliche Form besitzen. Das herausgeschleuderte bzw. herausgesprühte Kühl mittel trifft dann vorzugsweise gezielt auf die Wickelköpfe bzw. die Statorwicklungen und kühlt diese.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt schematisch:
Fig. 1 eine Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße elektrische
Maschine mit einer Kühleinrichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Ge genstände verwendet.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 mit einer Kühleinrichtung 10.
Genauer dargestellt zeigt Figur 1 eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2, wel cher ein Blechpaket 3 mit Wicklungen 4 aufweist.
An axialen Enden 5 des Blechpakets 3 ragt ein jeweiliger Wickelkopf 6, gebildet von den Wicklungen 4, in axialer Richtung A über das Blechpaket 3 hinaus.
Ferner hat die elektrische Maschine 1 einen Rotor 7, der in dem Stator 2 drehbar ge lagert ist, wobei der Rotor 7 einen Rotorkörper 8 und eine Welle 9 umfasst, auf der der Rotorkörper 8 befestigt ist.
Auch umfasst die elektrische Maschine 1 - wie bereits erwähnt - eine Kühleinrichtung 10 zum Kühlen der elektrischen Maschine 1 mittels eines Kühlmittels. Hierbei ist die Kühleinrichtung 10 eingerichtet, das Kühlmittel von der Welle 9 in Rich tung zu den Wickelköpfen 6 zu fördern und somit die Wickelköpfe 6 zu kühlen.
Genauer gesagt ist die Kühleinrichtung 10 eingerichtet, das Kühlmittel von der Welle 9 in Richtung zu den Wickelköpfen 6 zu schleudern oder zu sprühen, um die Wickelköp fe 6 zu kühlen.
Des Weiteren ist - grob geschildert - die Kühleinrichtung 10 eingerichtet, das Kühlmit tel in radialer und/oder axialer Richtung R, A zu den Wickelköpfen 6 zu sprühen / zu schleudern, um diese zu kühlen.
Die Kühleinrichtung 10 umfasst die Welle 9, die als Hohlwelle zur Förderung von Kühlmittel ausgebildet ist, wobei die Kühleinrichtung 10 diverse Durchtritte 1 1 , 12, 13, 14 in der Wand der Welle 9 hat. Somit ist Kühlmittel aus dem Inneren der Welle 9 durch die Wand der Welle 9 hindurchförderbar.
Wie in Figur 1 gezeigt, sind die Durchtritte 1 1 - 14 in Umfangsrichtung U der Welle 9 verteilt bzw. versetzt angeordnet sind, wobei die Durchtritte 1 1 - 14 zudem in axialer Richtung A aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Ferner ist in Figur 1 zu erkennen, dass die Durchtritte 1 1 - 14 als Düse in der Wand der Welle 9 ausgebildet sind. Auf diese Weise kann ein Sprühnebel geschaffen wer den, der auf einer möglichst großen Oberfläche der Wickelköpfe 6 Wärme tauscht, um diese zu kühlen. Auch kann somit eine möglichst große Kühloberfläche des Kühlmit tels generiert werden.
Auch ist dargestellt, dass der Durchtritt 1 1 in axialer Richtung A in der Wand der Welle 9 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten geschildert, ist der Durchtritt 1 1 geneigt in radi aler Richtung R ausgerichtet.
Des Weiteren ist in Figur 1 gezeigt, dass die Kühleinrichtung 10 zwei Kühlmittelfüh rungen 15, 16 aufweist, die das Kühlmittel von der Welle 9 in radialer Richtung R und in axialer Richtung A zu den Wickelköpfen 6 führen.
Hierbei führt die erste Kühlmittelführung 15 der Kühleinrichtung 10 das Kühlmittel in radialer Richtung R von der Welle 9 zu den Wickelköpfen 6, wohingegen die zweite Kühlmittelführung 16 der Kühleinrichtung 10 das Kühlmittel zunächst in radialer Rich tung R und dann in axialer Richtung A von der Welle 9 zu den Wickelköpfen 6 führt. Die erste Kühlmittelführung 15 der Kühleinrichtung 10 hat ein erstes und ein zweites Führungsteil 17, 18, die sich in radialer Richtung R erstrecken und Kühlmittel von der Welle 9 zu einer inneren Mantelfläche IM der Wickelköpfe 6 führen.
Hierbei verläuft das erste und zweite Führungsteil 17, 18 in gerader Linie von der Wel le 9 zu den Wickelköpfen 6 und ist jeweils als Blechscheibe ausgebildet.
Wie Figur 1 zu entnehmen, bilden die Wickelköpfe 6 eine hohlzylinderförmige Gestalt an einem axialen Ende des Stators 2, wobei die hohlzylinderförmige Gestalt eine inne re IM und eine äußere Mantelfläche AM sowie eine axiale Stirnseite S hat, die nach außen von der elektrischen Maschine 1 weg gerichtet ist.
Des Weiteren zeigt Figur 1 , dass das erste und zweite Führungsteil 17, 18 einen ers ten Kühlraum K1 bilden, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe 6 begrenzt.
Hierbei schirmt das erste Führungsteil 17 den Luftspalt L zwischen Rotor 7 und Stator 2 ab, um das Eindringen von Kühlmittel in den Luftspalt L zu unterbinden.
Ferner erstreckt sich das erste 17 und zweite Führungsteil 18 in radialer Richtung R von der Welle 9 bis zu der inneren Mantelfläche IM der Wickelköpfe 6, wobei das zweite Führungsteil 18 in axialer Richtung A mit dem axialen Ende der Wickelköpfe 6 abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle 9 zu der inneren Mantelfläche IM der Wi ckelköpfe 6 geführt werden kann.
Die zweite Kühlmittelführung 16 der Kühleinrichtung 10 hat das zweite und ein drittes Führungsteil 18, 19, wobei sich das dritte Führungsteil 19 teils in radialer Richtung R und teils in axialer Richtung A erstreckt.
Das zweite und dritte Führungsteil 18, 19 dient nun dazu, Kühlmittel von der Welle 9 zu einer axialen Stirnseite S der Wickelköpfe 6 führen.
Auch geht aus Figur 1 hervor, dass das zweite und dritte Führungsteil 18, 19 einen zweiten Kühlraum K2 bilden, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickel köpfe 6 begrenzt.
Dabei ist das dritte Führungsteil 19 im Querschnitt L-förmig ausgebildet, und zwischen den sich geradlinig erstreckenden Schenkeln der L-Form ein fließender rund geformter Übergang ausgebildet. Auf diese Weise kann die Strömung des Kühlmittels aus der radialen Richtung R in die axiale Richtung A umgelenkt werden, sodass die axiale Stirnseite S der Wickelköpfe 6 und die äußere Mantelfläche AM der Wickelköp fe 6 gekühlt werden können.
Genauer geschildert erstreckt sich das dritte Führungsteil 19 in radialer Richtung R von der Welle 9 bis zu der äußeren Mantelfläche AM der Wickelköpfe 6 und endet in axialer Richtung A am Stator 2.
Auch kann Figur 1 entnommen werden, dass die erste Kühlmittelführung 15 und die zweite Kühlmittelführung 16 der Kühleinrichtung 10 in axialer Richtung A aufeinander folgend angeordnet sind.
Hierbei hat die Kühleinrichtung 10 - wie erwähnt - diverse Durchtritte 11 - 14, die in axialer Richtung A aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Durchtritte 11 , 13 die erste Kühlmittelführung 15 mit Kühlmittel und die Durchtritte 12, 14 die zweite Kühlmittelführung 16 mit Kühlmittel versorgen.
Des Weiteren ist in Figur 1 gezeigt, dass die erste Kühlmittelführung 15 und die zweite Kühlmittelführung 16 am Stator 2 befestigt ist.
Nachfolgend wird Figur 1 nochmals mit anderen Worten beschrieben.
Zusammengefasst ist vorteilhafterweise die Neuerung der hier vorgestellten Lösung gegenüber bisherigen Kühlmethoden, eine Kühlmittelführung bzw. eine Kühleinrich tung mit axial versetzten Düsen bzw. Durchtritten 11 bis 14.
Hierbei besteht die Kühleinrichtung 10 der elektrischen Maschine 1 im Wesentlichen aus zwei Teilen.
Der dritte Führungsteil 19 der zweiten Kühlmittelführung 16 stellt sicher, dass das ra dial geschleuderte Kühlmedium bzw. Kühlmittel an die äußeren Enden, sowie auf die Wickelköpfe 6 geleitet wird.
Der dritte Führungsteil 19 bewirkt durch die Rundung, eine Verteilung auf die Wickel köpfe 6 bzw. auf deren Stirnseite S sowie den radial außenliegenden Wicklungsflä chen bzw. die äußere Mantelfläche AM. Der zweite Führungsteil 18 dient ebenfalls zur Führung des geschleuderten bzw. ge sprühten Kühlmediums / Kühlmittels auf die Wickelköpfe 6, und soll verhindern, dass das Kühlmedium axial Richtung Rotor 7 verloren geht.
Durch diese zwei Führungsteile 18, 19 wird sichergestellt, dass die maximale Menge Kühlmittel an die Wickelköpfe 6 geleitet wird. Für diesen Kühlungsanteil werden Durchtritte 11 bis 14 bzw. Düsen verwendet, welche über den Umfang versetzt plat ziert sind.
Der Durchtritt 11 dient für die Kühlung der radial inneren Wicklungsflächen bzw. Der inneren Mantelfläche IM der Wickelköpfe 6. Flier wird ebenfalls das Kühlmittel radial nach außen geschleudert bzw. gesprüht.
Bei der in Figur 1 gezeigten Lösung sind vier Düsen bzw. Durchtritte 11 bis 14 einge bracht, welche um 90° über den Umfang versetzt sind.
Um die bei der Wellenwicklung-Technologie lang ausgeprägten Wicklungen optimal zu benetzten, sind die Durchtritte 11 bis 14 abwechselnd, in axialer Richtung A, schräg nach links bzw. rechts angeordnet. Es ist ebenfalls denkbar, die Düsen bzw. Durchtritte 11 bis 14 gerade auszuführen, aber dafür die Düsen jeweils abwechselnd axial zu versetzten.
Der erste Führungsteil 10 verhindert das Eindringen des Kühlmittels in den Luftspalt L und vermindert dadurch Effizienz-Einbußen durch Scherung des Kühlmittels im Luft- spalt L.
Die dargestellte Kühleinrichtung 10 kann aus einem Teil bestehen. Die Kühleinrich tung lässt sich um das Rotorlager erweitern und könnte somit vorhandene Lagerschil de in Ihrer Funktion ersetzen.
Bezuqszeichenliste
1 elektrische Maschine
2 Stator
3 Blechpaket
4 Wicklungen
5 axialen Enden
6 Wickelkopf
7 Rotor
8 Rotorkörper
9 Welle
10 Kühleinrichtung
1 1 Durchtritt
12 Durchtritt
13 Durchtritt
14 Durchtritt
15 erste Kühlmittelführung
16 zweite Kühlmittelführung
17 erstes Führungsteil
18 zweites Führungsteil
19 drittes Führungsteil
A axiale Richtung
R radiale Richtung
U Umfangsrichtung
AM äußere Mantelfläche
IM innere Mantelfläche
S Stirnseite
L Luftspalt
K1 erster Kühlraum K2 zweiter Kühlraum

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (1 ) aufweisend:
- einen Stator (2) mit einem Blechpaket (3) und mit Wicklungen (4),
- wobei an axialen Enden (5) des Blechpakets (3) ein jeweiliger Wickelkopf (6), gebildet von den Wicklungen (4), in axialer Richtung (A) über das Blechpaket (3) hinausragt,
- einen Rotor (7), der in dem Stator (2) drehbar gelagert ist,
- wobei der Rotor (7) einen Rotorkörper (8) und eine Welle (9) umfasst, auf der der Rotorkörper (8) befestigt ist,
- und eine Kühleinrichtung (10) zum Kühlen der elektrischen Maschine (1 ) mittels eines Kühlmittels,
- wobei die Kühleinrichtung (10) eingerichtet ist, das Kühlmittel von der Welle (9) in Richtung zu den Wickelköpfen (6) zu fördern und somit die Wickelköpfe (6) zu kühlen.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 ,
- wobei die Kühleinrichtung (10) eingerichtet ist, das Kühlmittel von der Welle (9) in Richtung zu den Wickelköpfen (6) zu sprühen, um die Wickelköpfe (6) zu kühlen,
- wobei vorzugsweise die Kühleinrichtung (10) eingerichtet ist, das Kühlmittel in radialer und/oder axialer Richtung (R, A) zu den Wickelköpfen (6) zu führen oder zu sprühen, um diese zu kühlen.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
- wobei die Kühleinrichtung (10) die Welle (9), die als Hohlwelle zur Förderung von Kühlmittel ausgebildet ist, umfasst,
- wobei vorzugsweise die Kühleinrichtung (10) mindestens einen Durchtritt (11 , 12, 13, 14) in der Wand der Welle (9) aufweist, sodass Kühlmittel aus dem In neren der Welle (9) durch die Wand der Welle (9) hindurchförderbar ist, - wobei vorzugsweise der mindestens eine Durchtritt (11 -14) ausgebildet ist, ei nen Sprühnebel zu erzeugen.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei die Kühleinrichtung (10) zwei oder mehr Durchtritte (11 - 14) aufweist, die in Umfangsrichtung (U) der Welle (9) versetzt angeordnet sind, und/oder
- wobei die Kühleinrichtung (10) zwei oder mehr Durchtritte (11 - 14) aufweist, die in axialer Richtung (A) aufeinanderfolgend angeordnet sind,
- wobei vorzugsweise der mindestens eine Durchtritt (11 - 14) als Düse, insbe sondere in der Wand der Welle (9), ausgebildet ist,
- wobei vorzugsweise der mindestens eine Durchtritt (11 - 14) in radialer
und/oder axialer Richtung (R, A) in der Wand der Welle (9) ausgerichtet ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei die Kühleinrichtung (10) mindestens eine Kühlmittelführung (15, 16) auf weist, die das Kühlmittel von der Welle (9) in radialer Richtung (R) und/oder in axialer Richtung (A) zu den Wickelköpfen (6) führt,
- wobei vorzugsweise eine erste Kühlmittelführung (15) der Kühleinrichtung (10) das Kühlmittel, insbesondere ausschließlich, in radialer Richtung (R) von der Welle (9) zu den Wickelköpfen (6) führt,
- wobei vorzugsweise eine zweite Kühlmittelführung (16) der Kühleinrichtung (10) das Kühlmittel zunächst in radialer Richtung (R) und dann in axialer Richtung (A) von der Welle (9) zu den Wickelköpfen (6) führt.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei eine erste Kühlmittelführung (15) der Kühleinrichtung (10) ein erstes und ein zweites Führungsteil (17, 18) umfasst, die sich in radialer Richtung (R) er strecken und Kühlmittel von der Welle (9) zu einer inneren Mantelfläche (IM) der Wickelköpfe (6) führen, - wobei vorzugsweise das erste und zweite Führungsteil (17, 18) in gerader Linie von der Welle (9) zu den Wickelköpfen (6) verläuft, und insbesondere jeweils als Blechscheibe ausgebildet sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6,
- wobei das erste und zweite Führungsteil (17, 18) einen ersten Kühlraum (K1 ) bilden, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe (6) begrenzt,
- wobei vorzugsweise das erste Führungsteil (17) den Luftspalt (L) zwischen Ro tor (7) und Stator (2) abschirmt, um das Eindringen von Kühlmittel in den Luft spalt (L) zu unterbinden,
- wobei vorzugsweise das erste Führungsteil (17) in radialer Richtung (R) sich von der Welle (9) bis zu einer inneren Mantelfläche (IM) der Wickelköpfe (6) er streckt,
- wobei vorzugsweise das zweite Führungsteil (18) in axialer Richtung (A) mit dem axialen Ende der Wickelköpfe (6) abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle (9), insbesondere ausschließlich, zu einer inneren Mantelfläche (IM) der Wickelköpfe (6) führbar ist.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei eine zweite Kühlmittelführung (16) der Kühleinrichtung (10) ein zweites und ein drittes Führungsteil (18, 19) umfasst, die sich teils in radialer Richtung (R) und teils in axialer Richtung (A) erstrecken und Kühlmittel von der Welle (9) zu einer axialen Stirnseite (S) der Wickelköpfe (6) führen,
- wobei vorzugsweise das zweite Führungsteil (18) in gerader Linie von der Wel le (9) zu den Wickelköpfen (6) verläuft, und insbesondere als Blechscheibe ausgebildet sind,
- wobei vorzugsweise das zweite Führungsteil (18) in axialer Richtung (A) mit dem axialen Ende der Wickelköpfe (6) abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle (9), insbesondere ausschließlich, zu einer axialen Stirnseite (S) der Wi ckelköpfe (6) führbar ist.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8,
- wobei das zweite und dritte Führungsteil (18, 19) einen zweiten Kühlraum (K2) bilden, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe (6) begrenzt,
- wobei vorzugsweise das zweite Führungsteil (18) in radialer Richtung (R) sich von der Welle (9) bis zu einer inneren Mantelfläche (IM) der Wickelköpfe (6) er streckt,
- wobei vorzugsweise das dritte Führungsteil (19) im Querschnitt L-förmig aus gebildet ist, und zwischen den sich geradlinig erstreckenden Schenkeln der L- Form ein fließender rund-geformter Übergang ausgebildet ist, um die Strömung des Kühlmittels aus der radialen Richtung (R) in die axiale Richtung (A) umzu lenken, sodass eine axiale Stirnseite (S) der Wickelköpfe (6) und/oder eine äu ßere Mantelfläche (AM) der Wickelköpfe (6) kühlbar ist,
- wobei sich vorzugsweise das dritte Führungsteil (19) in radialer Richtung (R) von der Welle (9) bis zu einer äußeren Mantelfläche (AM) der Wickelköpfe (6) erstreckt und in axialer Richtung (A) am Stator (2) endet.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- wobei eine erste Kühlmittelführung (15) und eine zweite Kühlmittelführung (16) der Kühleinrichtung (10) in axialer Richtung (A) aufeinanderfolgend angeordnet sind,
- wobei vorzugsweise die Kühleinrichtung (10) zwei oder mehr Durchtritte (11 - 14) aufweist, die in axialer Richtung (A) aufeinanderfolgend angeordnet sind,
- wobei vorzugsweise ein erster Durchtritt (11 ) die erste Kühlmittelführung (15) mit Kühlmittel und ein zweiter Durchtritt (12) die zweite Kühlmittelführung (16) mit Kühlmittel versorgt,
- wobei vorzugsweise die erste Kühlmittelführung (15) und/oder die zweite Kühl mittelführung (16) am Stator (2) befestigt ist,
- wobei vorzugsweise die erste Kühlmittelführung (15) an der zweiten Kühlmittel führung (16) befestigt ist.
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