NEUPERT, Klaus (Leipziger Straße 4, Pocking, 94060, DE)
OBERMAYR, Martin (Walter-Kolb-Str. 21, Kaiserslautern, 67659, DE)
STARK, Martin (Alte Straße 108 A, Passau, 94034, DE)
WATZINGER, Josef (Sonnenhang 5, Hutthurm, 94116, DE)
ZWACK, Josef (Haidzinger Straße 45, Pocking, 94060, DE)
HAUTZ, Rudolf (Franziskanerstr. 7, Pfarrkirchen, 84347, DE)
NEUPERT, Klaus (Leipziger Straße 4, Pocking, 94060, DE)
OBERMAYR, Martin (Walter-Kolb-Str. 21, Kaiserslautern, 67659, DE)
STARK, Martin (Alte Straße 108 A, Passau, 94034, DE)
WATZINGER, Josef (Sonnenhang 5, Hutthurm, 94116, DE)
ZWACK, Josef (Haidzinger Straße 45, Pocking, 94060, DE)
| Patentansprüche 1. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1), welche einen Fluidkreislauf und eine integrierte Pumpe aufweist, wobei insbesondere eine Pumpwirkung durch eine Rotationsbewegung der elektrischen Maschine (1) hervorrufbar ist. 2. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese einen konischen mit Fluid gefluteten Luftspalt (25) aufweist. 3. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der ko¬ nische mit Fluid geflutete Luftspalt (25) eine Stufenform aufweist. 4. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Statorwicklung (24) konisch positioniert ist. 5. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der An¬ spruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese einen radialen Kanal (31) aufweist. 6. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der An¬ spruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass diese Spiralstruktur (36) aufweist. 7. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der An- spruch 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese konisch positionierte Kanäle (25) aufweist. 8. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der An¬ spruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese einen mit dem Läufer (27) der elektrischen Maschine (1) gekoppelten Pumpenflügel (33) aufweist. 9. Fluidgekühlte elektrische Maschine (1) nach einem der An¬ spruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese eine geschrägte Ständernut (35) aufweist. |
Fluidgekühlte elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, welche mit ¬ tels eines Fluids kühlbar ist. Ein Fluid ist beispielsweise ein Öl, Wasser, ein hoch verdichtetes Gas oder auch ein hoch ¬ verdichtetes Kältemittel. Zur Kühlung elektrischer Maschinen können verschiedene Medien eingesetzt werden. Wird Luft eingesetzt, so kann die elektri ¬ sche Maschine beispielsweise mittels eines Fremdlüfters oder eines Eigenlüfters gekühlt werden. Elektrische Maschinen sind auch mittels einer Flüssigkeit kühlbar. Beispiele für Flüs- sigkeiten sind Wasser oder ein Öl.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fluid- kühlung einer elektrischen Maschine zu verbessern. Bei fluidgefüllten Maschinen, z.B. ölgefüllten, gibt es je nach Art der Kühlung verschiedenste Systeme. Weist die elekt ¬ rische Maschine keinen externen Kühler auf, kann der Motorin ¬ nenraum mit Flüssigkeit, insbesondere Öl gefüllt sein (z.B. ölgefüllte Aufzugsmotor) . Die Wärme wird durch Konvektion durch das Öl an das Gehäuse der elektrischen Maschine abgege ¬ ben. Steht das Öl im Luftspalt der elektrischen Maschine, so kann es dort zu Hot-spots kommen. Dies wird insbesondere durch den Wärmeeintrag durch den Läufer und durch hohe Rei ¬ bungsverluste hervorgerufen. Anstelle des Öls, kann als Fluid auch ein hochverdichtetes Gas zum Einsatz kommen.
Bei einer Ausführungsform der elektrischen Maschine mit einem externen Kühler wird das Öl bzw. eine andere Kühlflüssigkeit oder ein Fluid mit Hilfe einer Pumpe (extern oder intern) durch den Motor gefördert. Die fluidgefüllte elektrische Ma ¬ schine, welche keine externe Pumpe aufweist, kann mit einem externen oder internen Kühler versehen sein. So kann durch eine konstruktive Maßnahme am Läufer und/oder Ständer der elektrischen Maschine ein Fluidfluss insbesondere durch den Luftspalt oder auch durch ein oder mehrere Kühlkanäle hervor ¬ gerufen werden, wobei eine Rückführung über einen Bypass erfolgen kann. Dadurch lässt sich die Kühlung der fluidgefüll- ten elektrischen Maschine ohne den Einsatz einer externen
Fluidpumpe verbessern. Durch die entstehende Zirkulation des Fluids ergibt sich auch ein Ausgleich der Temperatur im gesamten Fluidvolumen . Der Transport des Fluids und der damit entstehende Fluidkreislauf der elektrischen Maschine wird durch deren Bewegung hervorgerufen. Dies bedeutet, dass nur dann, wenn die elektrische Maschine eine Rotationsbewegung vollführt, das Fluid aktiv innerhalb der elektrischen Maschi ¬ ne gefördert (gepumpt) wird. Um die Kühlung der elektrischen Maschine zu verbessern, kann ein Wärmetauscher in den Kreis- lauf des Kühlfluids mit integriert sein.
Durch die Gestaltung eines Aktivteiles der elektrischen Ma ¬ schine kann eine Förderwirkung (Pumpwirkung) des Fluids beispielsweise durch Fliehkräfte, durch eine Wendel, durch eine Schnecke oder gegebenenfalls durch die Gestaltung eines Läu ¬ fersteges erzielt werden. Das Fluid (beispielsweise eine Flüssigkeit) kann so, beispielsweise durch den Luftspalt oder den Läufer gefördert werden. Die Gestaltung eines Aktivteils der elektrischen Maschine betrifft dabei beispielsweise:
Ständer und/oder Läufer mit konischem bzw. treppenförmigen
Luftspalt bzw. eine Gestaltung des Läufers beispielsweise mit einem oder mehreren axialen und/oder radialen Kühlkanälen bzw. mit einer Hohlwelle oder auch geschrägte Ständernuten. Durch die Förderung des Fluids in der elektrischen Maschine ergibt sich ein Ausgleich der Fluidtemperatur, so dass beispielsweise ein Kochen von Flüssigkeit im Luftspalt verhindert werden kann. In Verbindung mit einem Bypass für den Rücklauf des Fluids (insbesondere Öl) , wodurch das Fluid wei- ter kühlbar ist, kann mit einfachen Mitteln die Leistung der elektrischen Maschine gesteigert werden. Eine Zirkulation des Fluids innerhalb der elektrischen Maschine kann, wie obig ausgeführt, ohne zusätzliche externe Einrichtungen und Hilfsaggregate allein durch Ausnutzung der rotatorischen Bewegung der elektrischen Maschine erzielt wer- den, wobei hierfür beispielsweise am Läufer, am Ständer, im Luftspalt, usw. verschiedenste Maßnahmen zu treffen sind, um eine Pumpwirkung bzw. Förderung des Fluids in der elektrischen Maschine zu erzielen. Dabei kann das Fluid durch den Luftspalt der elektrischen Maschine und/oder durch axiale bzw. radial angeordnete Kühlkanäle geführt werden. Hierfür sind beispielsweise geeignete Geometrien, d.h. eine axiale bzw. radiale Gestaltung von Ständer- oder Läuferstrukturen wie auch eine geeignete Modifikation von Endblechen oder der Einsatz einer Schnecke einsetzbar. Um die Kühlwirkung bei der elektrischen Maschine zu verbessern, kann das Fluid in eine integrierte Kühlkonstruktion (z.B. Hohlrippen) geführt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu ist auch der Einsatz eines externen Kühlers möglich. Eine fluidgekühlte (insbesondere ölgekühlte) elektrische Ma ¬ schine ist derart ausbildbar, dass diese einen Fluidkreislauf und eine integrierte Pumpe aufweist, wobei eine Pumpwirkung durch eine Rotationsbewegung der elektrischen Maschine hervorrufbar ist. Eine Aufgabe der Erfindung lösen entsprechend fluidgekühlte elektrische Maschinen, welche Merkmale nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweisen.
Die Pumpe, welche in der elektrischen Maschine integriert ist, kann durch verschiedenste konstruktive Maßnahmen reali- siert werden. In einer Ausgestaltung der fluidgekühlten elektrischen Maschine weist diese einen konischen mit Fluid gefüllten Luftspalt auf. Diese konische Form in Bezug auf eine Achse, der Rotationsachse, der elektrischen Maschine stellt die integrierte Pumpe dar. Durch die konische Positio- nierung des Luftspalts innerhalb der elektrischen Maschine welche dazu führt, dass am Anfang des Luftspalts in axialer Ausrichtung der Abstand zur Achse der elektrischen Maschine kleiner ist als am axialen Ende des Luftspalt der elektri- sehen Maschine, ergibt sich durch die unterschiedlichen
Fliehkräfte eine Sogwirkung innerhalb des Luftspaltes, so dass Fluid in der elektrischen Maschine und im Luftspalt durch die Maschine gepumpt werden kann.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der konisch positionierte und mit Fluid gefüllte Luftspalt eine Stufenform auf. Die Stufenform lässt sich beispielsweise durch Aneinanderreihung von Blechpaketen mit unterschiedli- chen Durchmessern erreichen. Der Läufer und/oder Ständer weist dann Teilpakete auf, welche die Stufen des Luftspaltes festlegen .
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist die Statorwicklung konisch positioniert. Durch die konische
Positionierung der Statorwicklung und die konische Ausführung des Luftspaltes lässt sich der Abstand zwischen Statorwick ¬ lung und Luftspalt gleich halten. Wird lediglich der Luft ¬ spalt innerhalb der elektrischen Maschine konisch positio- niert und die Statorwicklung tangential zur Achse der elekt ¬ rischen Maschine angeordnet, so ergeben sich unterschiedliche Abstände zwischen Luftspalt und Statorwicklung.
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese einen oder eine Vielzahl von radialen Kanälen auf. Die radialen Kanäle befinden sich insbesondere im Läufer der elektrischen Maschine und sind mit Fluid gefüllt, so dass bei einer Bewegung des Läufers Fliehkräfte Fluid innerhalb des radialen Kanals radial nach außen befördern.
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese eine oder eine Vielzahl von Spiralstrukturen auf. Dabei kann es beispielsweise zum Einsatz einer Schnecken ¬ oder Wendelkonstruktion kommen, durch welche Fluid transpor- tiert werden kann. Diese Spiralstruktur befindet sich insbe ¬ sondere am Läufer der elektrischen Maschine, so dass bei dessen rotatorischer Bewegung eine Förderwirkung erzielbar ist. Auch Kühlkanäle oder Kühlrohre können spiralförmig konstru- iert sein und sich so am Läufer befinden, dass durch diese Fluid transportierbar ist.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese einen oder eine Vielzahl konisch positionierter Kanäle auf, wobei sich diese Kanäle insbesondere im bzw. am Läufer der elektrischen Maschine befinden.
Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine oder auch eine Asynchronmaschine sein. Ferner ist eine Ausgestaltung als Außenläufer wie auch als Innenläufer möglich.
In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der Läufer eine Pumpe oder eine Vielzahl von Pumpenflügeln auf. Mit Hilfe dieser Flügel wird bei einer Rotationsbewegung des Läufers Fluid gefördert. Abhängig von der Ausgestaltung der Flügel ist es dann möglich Fluid radial nach außen oder auch radial nach innen, hin zur Rotationsachse, zu fördern. In einer Ausgestaltung der elektrischen Maschine können Pumpenflügel derart kombiniert werden, dass auf einer ersten Seite der elektrischen Maschine die Pumpwirkung radial nach innen erfolgt und auf einer anderen entgegengesetzten Seite der elektrischen Maschine die Pumpwirkung radial nach außen verläuft, wobei die eine Seite der elektrischen Maschine beispielsweise die Antriebsseite ist und die andere Seite der elektrischen Maschine deren Abtriebsseite.
In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist diese Ständernuten auf, wobei die Ständernuten geschrägt sind und Kanäle ausbilden, welche Fluid führen. Durch die Schrägung der Ständernuten kann nicht nur ein Rastmoment bei einer permanenterregten elektrischen Maschine reduziert werden, sondern es kann auch eine Pumpwirkung erreicht wer- den, um Fluid von einer Antriebsseite zur Abtriebsseite oder umgekehrt zu erzielen. Geschrägte Ständernuten können nicht nur bei permanenterregten Synchronmaschinen eingesetzt werden, sondern beispielsweise auch bei Asynchronmaschinen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er ¬ läutert. Es zeigen: FIG 1 eine elektrische Maschine, welche einen konisch posi ¬ tionierten Luftspalt aufweist,
FIG 2 eine elektrische Maschine, welche eine konisch posi ¬ tionierte Ständerwicklung aufweist,
FIG 3 eine elektrische Maschine, welche einen gestuften
Luftspalt aufweist,
FIG 4 eine elektrische Maschine, welche einen radialen Ka ¬ nal im Läufer aufweist,
FIG 5 eine elektrische Maschine, welche eine Spiralstruktur am Läufer aufweist,
FIG 6 eine elektrische Maschine, welche Pumpenflügel auf ¬ weist,
FIG 7 eine elektrische Maschine, welche einen radialen Ka ¬ nal im Ständer aufweist;
FIG 8 eine geschrägte Ständernut;
FIG 9 einen Querschnitt eines Kurzschlussrings;
FIG 10 einen weiteren Querschnitt eines Kurzschlussrings;
und
FIG 11 eine Detailansicht aus Figur 6. Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen Ständer 26 und einen Läufer 27 auf. Ein Luftspalt 25 zwischen Läufer 27 und Ständer 26 ist innerhalb der elektri ¬ schen Maschine 1 konisch positioniert, so dass sich der Ab- stand des Luftspaltes 25 zu einer Welle 23 axial ändert. Die elektrische Maschine 1 gemäß FIG 1 weist ferner Lagerschalen 22 und eine Hohlrippe 20 auf, wobei durch den Kühlkanal 21 in der Hohlrippe Fluid, insbesondere Kühlflüssigkeit, führbar ist. Der Kreislauf des Fluids ist durch Pfeile 19 darge- stellt. Das Fluid wird über den Luftspalt 25 axial durch die elektrische Maschine 1 befördert und über den Kanal 21 in der Kühlrippe 20 und einen Ständerkanal 32 zurückgeführt. Durch diese Zirkulation des Fluids, welches beispielsweise Öl ist, wird sowohl der Ständer 26 wie auch der Läufer 27 der elekt ¬ rischen Maschine 1 gekühlt. Im vorliegenden Fall weist der Läufer 27 einen Kurzschlusskäfig 28 auf. In den nachfolgenden Figuren sind weitere Ausgestaltungen ei ¬ ner elektrischen Maschine dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass im Folgen ¬ den insbesondere auf die Unterschiede der Ausführungsformen der elektrischen Maschine, welche eine integrierte Pumpe auf- weist, einzugehen ist.
Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt eine Ausgestaltung der elektrischen Maschine, welche eine konisch positionierte Sta ¬ torwicklung 24 aufweist. Wie in FIG 1 ist auch in FIG 2 der Luftspalt 25 konisch positioniert, wobei gemäß FIG 2 der Ab ¬ stand zwischen Luftspalt und Statorwicklung konstant ist. Im Gegensatz dazu ist der Abstand zwischen Luftspalt und Stän ¬ derwicklung in axialer Richtung in FIG 1 unterschiedlich. Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt eine stufig ausgeführte
Blechung des Läufers 27 und des Stators 26. Die Blechung 29 weist Teilpakete gleichen Durchmessers auf, wobei die Durch ¬ messer der Teilpakete sich zueinander unterscheiden. Durch die Verwendung von Stufenformen für den Luftspalt 25 ergibt sich eine einfachere Konstruktion der elektrischen Maschine im Vergleich zu einer kontinuierlichen Veränderung der Durchmesser der verwendeten Blechung für Läufer und Ständer.
Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt axiale Kühlkanäle 30 im Läufer 27 und einen radialen Kühlkanal 31 im Läufer 27. Das Fluid zirkuliert in diesen Kühlkanälen und wird über den Luftspalt 25 in den Bereich der Wicklungsköpfe der Ständer ¬ wicklung transportiert. Die Darstellung gemäß FIG 5 zeigt eine elektrische Maschine, welche eine Wendelstruktur 36 auf dem Läufer 27 aufweist. Durch die Wendelstruktur 36 wird das Fluid, wie dies durch die Pfeile 19 angedeutet ist, durch den Luftspalt 25 bei Be ¬ wegung des Läufers gefördert.
Die Darstellung gemäß FIG 6 zeigt einen Pumpenflügel 33 im Bereich eines Eingangs eines Kühlkanals 30 im Läufer. Durch den Pumpenflügel 33 wird bei Bewegung des Läufers Fluid in den Kanal 30 gefördert. Die Darstellung gemäß Figur 11 zeigt eine Detailansicht aus Figur 6, um die Wirkung bzw. Position der Pumpenflügel 33 leichter erkennen zu können.
Die Darstellung gemäß FIG 7 zeigt radiale Kühlkanäle 31 so ¬ wohl im Läufer 27 wie auch im Stator 26. Da der Stator 26 auch anschließende axiale Kühlkanäle 32 aufweist, kann sich hieraus eine neue Zirkulationsbewegung für das Fluid ausbil- den.
Die Darstellung gemäß FIG 8 zeigt in einem Schnitt schema ¬ tisch eine geschrägte Ständernut 35, durch welche bei Bewe ¬ gung des Läufers beispielsweise Öl, welches sich bereits im Luftspalt 25 befindet, durch diesen und den geschrägten Kühl ¬ kanal gefördert wird.
Die Darstellungen gemäß FIG 9 und FIG 10 zeigen einen Aus ¬ schnitt eines Querschnitts eines Kurschlussrings 28. Der Kurzschlussring 28 weist gemäß FIG 9 am äußeren Radiusbereich rechteckförmige Nuten auf. Der Kurzschlussring 28 weist gemäß FIG 10 am äußeren Radiusbereich bogenförmige Einkerbungen auf. Diese Nuten bzw. Einkerbungen stellen jeweils eine Art von Schlitz dar, welcher beispielsweise eingefräst ist. So können beispielsweise bei einem Gegenstand nach FIG 4 sowie nach FIG 7 beide Kurzschlussringe an der oberen Seite mit kleinen Schlitzen (Höhe im Millimeterbereich) versehen sein, womit eine gewisse Schleuderwirkung der Flüssigkeit (bzw. des Fluids) nach oben hin entsteht und somit die Zirkulation hilfreich unterstützt wird. Auch bei den Gegenständen nach
Figur 5 bzw. 6 könnte dies vorgesehen sein, wobei hier insbesondere nur an einem Kurzschlussring Schlitze sind.
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