Die vorliegende Erfindung betrifft rotierende elektrische Maschinen in Innenläuferausfuhrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt. Beispielsweise kann es sich um Elektrogeneratoren (elektrische Generatoren) und Elektromotoren handeln. Grundsätzlich gilt für Elektromotoren und Elektrogeneratoren, dass durch höhere Drehzahlen kleinere Bauformen mit höheren Leistungsdichten zum Einsatz kommen können. Mit höheren Leistungsdichten sind jedoch auch höhere Temperaturen verbunden. Die steigenden Temperaturen lassen die Verluste ansteigen und den Wirkungsgrad sinken. Durch eine effizientere Kühlung könnte der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausfuhrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt mit einer effizienteren Kühlung, insbesondere Rotorkühlung, bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausführung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend: einen Stator, einen Rotor im Inneren der Maschine, der vom Stator umschlossen und drehfest auf oder an einer drehbar gelagerten Antriebs/ Abtriebswelle angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/ Abtriebswelle einschließlich des Rotors um eine Rotationsachse R drehbar ist, und eine Rotorkühleinrichtung, die gestaltet ist, um Kühlmedium entlang zumindest eines Teils der Innenfläche und/oder durch zumindest einen Teil des Inneren des Rotors für eine Wärmeabfuhr hauptsächlich durch Wärmeströmung (Konvektion) zu führen oder in die Nähe der Innenfläche des Rotors für eine Wärmeabführ durch Wärmestrahlung zu bringen.

Zur Wärmeabfuhr kann neben der Wärmeströmung auch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung genutzt werden. Eine Kühlung über Wärmestrahlung kann z. B. bei einem Vakuumbetrieb der rotierenden elektrischen Maschine sinnvoll sein. Das Kühlmedium kann z. B. eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder Öl, oder ein Gas, wie z. B. Luft oder Helium, sein.

Weiterhin wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch eine rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausführung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend einen Stator, ein Statorgehäuse, eine Statorkühleinrichtung, umfassend eine mit dem Stator fest verbundene Statorhülse zum Kühlen des Stators und eine optionale Wasserkühl einrichtung, umfassend einen Kühlmantel zum Kühlen des Statorgehäuses sowie indirekt auch der Statorhülse bzw. des Stators, einen Rotor im Inneren der Maschine, der vom Stator umschlossen und drehfest an einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/ Abtriebswelle einschließlich des Rotors um eine Rotationsachse R drehbar ist, und eine Trennhaube, die den Rotor vom Stator hermetisch trennt, wobei die Antriebs/Abtriebswelle ein freies Wellenende aufweist und der Rotor auf das freie Wellenende gesteckt oder steckbar ist und becherartig gestaltet ist, vorzugsweise wobei die Statorhülse Statorkühlkanäle aufweist.

Bei der rotierenden elektrischen Maschine kann vorgesehen sein, dass der Rotor mehrwandig, insbesondere doppelwandig, gestaltet ist. Alternativ oder zusätzlich können Einrichtungen zur Oberflächenvergrößerung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise umfasst die Rotorkühleinrichtung mindestens zwei Rotorkühlkanäle. Mit dem Begriff „Rotorkühlkanäle“ sollen auch beispielsweise„Rotorkühlbohrungen“ umfasst sein.

Vorteilhafterweise erstrecken sich die Rotorkühlkanäle nahe zum Außendurchmesser des Rotors, um eine hohen Kühleffekt für die Magnete zu erreichen. Vorzugsweise sind die Rotorkühlkanäle symmetrisch und/oder fluchtend mit der Rotorachse über den Rotor verteilt.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die Antriebs/ Abtriebswelle ein freies Wellenende auf und ist der Rotor auf das freie Wellenende gesteckt oder steckbar. Anstelle der Steckverbindung können auch andere Verbindungsarten verwendet werden.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Rotor becherartig gestaltet ist.

Dabei kann der Boden des becherartigen Rotors gestaltet sein, um auf das freie Wellenende gesteckt zu werden. Anstelle der Steckverbindung können auch andere Verbindungsarten verwendet werden.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden hohlen Kühlstutzen, der sich in Richtung der Rotationsachse des Rotors erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors in das Becherinnere hinein streckt und mit dessen vom Rotor abgewandten Ende mit einer Kühlmediumquelle zum Zuführen von Kühlmedium verbunden oder verbindbar ist, und einen Kühlmediumauslass zum Abgeben des Kühlmediums zur Außenseite der Maschine auf. Ganz allgemein kann bei einem offenen Kühlsystem, insbesondere wenn keine Zwangskühlung vorgesehen ist, beispielsweise ein externes Gebläse oder eine externe Pumpe vorgesehen sein. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das zum Rotor gewandte Ende des Kühlstutzens offen ist und sich auf der Außenseite des Kühlstutzens rippen- oder schaufelartige Vorsprünge für eine Zwangskühlung befinden. Ganz allgemein kann beispielsweise ein mechanischer Gasver dichter, wie z. B. ein Turbinenrad, ein Propeller, ein Schraubenverdichter etc., zum Einsatz kommen. Durch das offene Ende des Kühlstutzens kann ein Kühlmedium, wie z. B. Kühlgas, in den Rotor bzw. die Rotorhülse geführt werden.

Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Vorsprünge unter einem Winkel a in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel a ca. 10°. Über den Winkel und/oder den Abstand der Vorsprünge/Schaufeln und/oder den Abstand zum Rotor bzw. zur Rotorhülse lässt sich die Kühlleistung einstellen.

Alternativ kann das zum Rotor gewandte Ende des Kühlstutzens geschlossen sein.

Wiederum alternativ kann das zum Rotor gewandte Ende des Kühlstutzens offen sein und die Maschine eine Trennhaube aufweisen, die den Rotor vom Stator hermetisch trennt und sich zwischen dem Rotor und dem Kühlstutzen erstreckt, sodass das Kühlmedium nicht zum Rotor, aber zur Trennhaube gelangt.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden Kühlstutzen aufweist, der sich in Richtung der Rotationsachse des Rotors erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors in das Becherinnere hinein erstreckt und dessen zum Rotor gewandtes Ende geschlossen ist sowie auf seiner Außenseite rippen- oder schaufelartige Vorsprünge für eine Zwangskühlung aufweist. Insbesondere kann es sich um eine Vollwelle handeln und kann das Kühlmedium über den bzw. einem dann gelochten Boden des Rotors bzw. der Rotorhülse geführt werden. Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Vorsprünge unter einem Winkel a in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel a ca. 10°. Über den Winkel und/oder den Abstand der Vorsprünge/Schaufeln und/oder den Abstand zum Rotor bzw. zur Rotorhülse lässt sich die Kühlleistung einstellen.

Günstigerweise weist die Maschine ferner eine Statorkühleinrichtung zum Kühlen des Stators auf.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Statorkühleinrichtung der Rotorkühleinrichtung nachgeschaltet ist.

Zudem kann vorgesehen sein, dass die Statorkühleinrichtung integral mit der Rotorkühleinrichtung ausgebildet ist.

Vorteilhafterweise weist die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung, auf.

Vorteilhafterweise weist die Statorkühleinrichtung eine um den Stator gelegte Statorhülse, vorzugsweise mit Statorkühlkanälen, auf. Mit„Statorkühlkanäle“ sollen beispielsweise auch „Statorkühlbohrungen“ gemeint sein.

Vorteilhafterweise ist die Statorhülse als ein Wärmetauscherring ausgeführt.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Antriebs/ Abtriebswelle beidseitig gelagert ist und der Rotor drehfest auf der Antriebs/ Abtriebswelle, diese umschließend, angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist die Zwangskühleinrichtung rippen- und/oder schaufelartige Vorsprünge zwischen der Antriebs/ Abtriebswelle und dem Rotor auf. Ganz allgemein kann z. B. ein mechanischer Gasver dichter, wie z. B. ein Turbinenrad, ein Propeller, ein Schraubenverdichter etc., zum Einsatz kommen.

Die Vorsprünge (kühlmediumverdichtenden Komponenten) sind in einer besonderen Ausführungsform mit dem bzw. einem Statorgehäuse fest verbunden.

Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Vorsprünge unter einem Winkel a in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel a ca. 10°. Über den Winkel und/oder den Abstand der Vorsprünge/Schaufeln und/oder den Abstand zum Rotor bzw. zur Rotorhülse lässt sich die Kühlleistung einstellen. Vorteilhafterweise ist die Rotorkühleinrichtung als eine offene innere Zwangskühleinrichtung mit einem Kühlmediumeinlass zum Zuführen eines Kühlmediums von der Außenseite der Maschine und einem Kühlmediumauslass zum Abführen des Kühlmediums zum Passieren des Rotors und gegebenenfalls auch des Stators ausgeführt.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Rotorkühleinrichtung als eine geschlossene innere Zwangskühleinrichtung ausgeführt ist.

Zweckmäßigerweise weist die Maschine ferner eine, vorzugsweise der Rotorkühleinrichtung nachgeschaltete, vorzugsweise damit integral ausgebildete, Statorkühleinrichtung auf.

Ebenfalls zweckmäßigerweise weist die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung, auf.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Statorkühleinrichtung eine um den Stator gelegte Statorhülse, vorzugsweise mit Statorkühlkanälen, aufweist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Statorhülse als ein Wärmetauscherring ausgeführt ist.

Schließlich liefert die vorliegende Erfindung eine Doppelmaschine, umfassend eine erste Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis 19 und eine zweite Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 20 und 21, wobei die Antriebs/Abtriebswelle der ersten Maschine ein freies Wellenende aufweist und der Rotor der zweiten Maschine auf das freie Wellenende der Antriebs/ Abtriebswelle der ersten Maschine gesteckt oder steckbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die spezielle Rotorkühlung und/oder spezielle Statorkühlung der Wirkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden kann.

Zumindest in einer besonderen Ausführungsform benötigt die rotierende elektrische Maschine kein Getriebe (getriebelos) und/oder keine Kupplung (kupplungslos) und/oder kein eigenes Lager.

In besonderen Ausführungsformen werden z. B. bereitgestellt:

eine rotierende elektrische Maschine, die ohne eigene Lagerung auf vorhandene freie Wellenenden einer anderen Maschine aufgesteckt werden kann und damit als magnetische Kupplung ohne direkte mechanische Verbindung wirkt,

eine rotierende elektrsiche Mschine, die zusätzlich auch ein mechanisches Getriebe ersetzen kann, und eine rotierende Maschine, die diverse Kupplungsarten, wie. Z. B. Keilriemen, Sternkupplung etc., ersetzen kann, sodass damit mindestens zwei zusätzliche Lagerungen entfallen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:

Figur 1 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer ersten besonderen

Ausfiihrungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option innere Gaskühlung über Zwangskühlung (ohne externen Lüfter) und ohne Wasserkühlung;

Figur 2 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer zweiten besonderen

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option Trennhaube, innere Gaskühlung ohne externen Lüfter und ohne Wasserkühlung;

Figur 3 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer dritten besonderen

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option einer geschlossenen inneren Zwangskühlung und integrierter Wasserkühlung;

Figur 4 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer vierten besonderen

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option Wasserkühlung und innerer Kühlung mit Stutzen über Strahlungswärme;

Figur 5 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer fünften besonderen

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option der Trennhaube ohne Rotorkühlung und der Stator-Wasserkühlung; Figur 6 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer sechsten besonderen

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 7 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer siebten besonderen

Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 8 eine Detailschnittansicht und zwei Schnittansichten entlang der Linie A-A‘ von einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß weiteren besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

Figur 9 eine Schnittansicht und eine Schnittansicht entlang der Linie A-A‘ von einer

Statorhülse einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 10 eine Doppelmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Figur 11 eine Doppelmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die in der Figur 1 gezeigte rotierende elektrische Maschine 100 in Innenläuferausführung zur Ehnwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 4 im Inneren der Maschine 100, der vom Stator 2 umschlossen ist. Der Rotor 4 ist becherartig gestaltet. Sein Boden 4a ist auf ein freies Wellenende 5a einer Antriebs/ Abtriebswelle 5 gesteckt. Zudem weist die Maschine 100 eine Rotorkühleinrichtung auf, die einen feststehenden hohlen Kühlstutzen 3, der sich in Richtung der Rotationsachse R des Rotors 4 streckend von der offenen Seite des becherartigen Rotor 4 in das Becherinnere hinein erstreckt und mit dessen vom Rotor 4 abgewandeten Ende 3a mit einer Kühlmediumquelle (nicht gezeigt) zum Zuführen von Kühlmedium verbunden oder verbindbar ist, und einen Kühlmediumauslass 19 zum Abgeben des Kühlmediums zur Außenseite der Maschine 100 aufweist. Genauer gesagt weist die Maschine 100 in diesem Beispiel ein Statorgehäuse 1 auf, aus dem über den Kühlmediumauslass 19 Kühlmedium zur Außenseite der Maschine abgegeben werden kann. Auf der Außenfläche 3c des zum Rotor 4 gewandten Endes 3b des Kühlstutzens 3 erstrecken sich rippen- bzw. schaufelartige Vorsprünge 7 für eine Zwangskühlung. Durch eine Relativbewegung zwischen dem Rotor 4 und den Vorsprüngen 7 wird das in der Figur 1 von rechts in den Kühlstutzen 3 geleitete Kühlmedium am Ende des Kühlstutzens 3 im Spalt 22 zwischen der Außenfläche des Kühlstutzen 3 und der Innenfläche 4b des Rotors 4 angesaugt und aus dem becherartigen Rotor 4 in Figur 1 nach rechts gedrückt. Dies kann noch durch ein Flügelrad 8, das auf dem Kühlstutzen 3 sitzt, verstärkt werden. Das Kühlmedium bewegt sich dann weiter - wie durch die Pfeile gekennzeichnet - durch einen Spalt 13 zwischen der mit einer Magnetbandage 15 versehenen Außenfläche 4c des Rotors 4 und der Innenfläche 2a des Stators 2 sowie parallel dazu durch eine Statorhülse 9 im Außenbereich des Stators 2 zum Kühlmediumauslass 19. Es erfolgt somit eine Zwangskühlung des Rotors 4 und des Stators 2 unter Zuführung eines Kühlmediums, wie z. B. eines Kühlgases, von außen. Dazu werden in diesem Beispiel weder eine externe Pumpe noch ein externes Gebläse (bzw. externer Lüfter) eingesetzt. Die Magnetbandage 15 enthält Permanentmagneten. Durch die innere Kühlung bleiben die Permanentmagneten der Magnetbandage 15 gekühlt und kann der Spalt 13 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 2 unabhängig vom Kühlbedarf optimal ausgelegt werden.

Bei reiner Luftkühlung wird über den Kühlstutzen 3 gefilterte Luft angesaugt und verlässt die Maschine 100 bzw. den Elektromotor über den Kühlmediumauslass 19. In dieser besonderen Ausführungsform sind die Vorsprünge 7 und das Flügelrad 8 mit dem Kühlstutzen fest verbunden. Der Kühlstutzen 3 ist wiederum beispielhaft mit dem Statorgehäuse 1 fest und zentriert verbunden sowie in den drehfähigen Rotor 4 geführt. Das Statorgehäuse 1 ist wiederum beispielhaft zentriert an ein Antriebs- bzw. Abtriebsgehäuse 6 geschraubt.

Der Spalt 13 kann sehr flexibel (kleiner Spalt oder auch dickwandige thermisch isolierende Bandagen) ausgelegt werden, weil keine Rotoraußenkühlung benötigt wird.

Durch den Verzicht auf eine eigene Rotorlagerung ist die Maschine 100 (Elektromotor/Elektrogenerator) sehr kompakt und preiswert herzustellen und zusätzlich weniger verlustbehaftet.

Die in der Figur 2 gezeigte Maschine 100 weist ebenfalls einen Kühlstutzen 3 mit einem zum Rotor 4 offenen Ende 3b auf. Der becherartige Rotor 4 ist jedoch durch eine korrespondierend gestaltete, vorzugsweise nicht ferritische, Trennhaube 12 hermetisch abgedichtet. Anders ausgedrückt, kann durch beispielsweise Aufstecken der, vorzugsweise dünnwandigen, Trennhaube 12 der Statorbereich vollständig hermetisch abgeschlossen werden. Dadurch werden durch das Kühlmedium lediglich der Stator 2 und die Trennhaube 12 direkt gekühlt. Der Rotor 4 selbst wird lediglich indirekt über die (gekühlte) Trennhaube 12 gekühlt. Zudem findet keine Zwangskühlung statt, sondern wird das Kühlmedium, wie z. B. Kühlgas, beispielsweise über ein Gebläse (nicht gezeigt) in die Maschine und auch aus dieser wieder heraus geführt. Dementsprechend fehlen die Vorsprünge 7 und das Flügelrad 8 von Fig. 1. Optional kann eine Wasserkühleinrichtung 11 vorgesehen sein mit dem Vorteil, dass dann eine geringe Fremdkühlung über ein externes Gebläse erfolgen muss und die Wärmeenergie des Wassers z.B. direkt für Heizzwecke genutzt werden kann.

Die in der Figur 3 gezeigte Ausführungsform weist eine Rotor-Zwangs-ETmluftkühlung (geschlossene innere Zwangskühlung) und eine (integrierte) Stator- Wasserkühlung auf. Genauer gesagt weist die Rotorkühleinrichtung einen feststehenden Kühlstutzen 3 auf, der sich in Richtung der Rotationsachse R des Rotors 4 erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors 4 in das Becherinnere hinein erstreckt und dessen zum Rotor gewandtes Ende 3b geschlossen ist sowie der auf seiner Außenfläche 3c rippen- oder schaufelartige Vorsprünge 7 sowie zusätzlich ein Flügelrad 8 aufweist. Genau wie bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich das Flügelrad 8 auf der Höhe der Oberkante des auf der Seite liegenden Bechers des Rotors 4. Wie sich anhand der Strömungspfeile in der Figur 3 ergibt, handelt es sich um ein geschlossenes Kühlsystem und wird das Kühlmedium durch eine Relativbewegung zwischen dem (sich drehenden) Rotor 4 und den Vorsprüngen 7 und dem Flügelrad 8 im Inneren durch Rotorkühlbohrungen 9a im Boden 4a des Rotors 4 und einen Spalt (Ringspalt) zwischen dem Kühlstutzen 3 und dem Rotor 4 axial entlang der Innenfläche 4b des Rotors, aus dem Rotor 4 heraus und dann in entgegengesetzter Richtung durch axial verlaufende Bohrungen 9a in der Statorhülse 9 geführt. Nach Verlassen des Stators 2 kehrt sich die Strömungsrichtung des Kühlmediums wieder um und strömt ein Teil des Kühlmediums im Spalt 13 zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 4 und ein weiterer Teil im Spalt 22 zwischen dem Rotor und dem Kühlstutzen zurück. Durch die Wasserkühleinrichtung 11 im Bereich der Statorhülse 9 wird ermöglicht, dass das Kühlmedium, zum Beispiel Kühlluft, als über die Statorhülse gekühlte„Umluft“ innerhalb der Maschine gefahren werden kann und damit eine Kühlluftfilterung entfallen kann.

Die in der Figur 4 gezeigte Ausführungsform weist eine Rotorkühlung mittels Strahlung (innere Kühlung über Strahlungswärme) und ohne„Umluft“ auf. Der Kühlstutzen 3 wird hierbei wie auch die Wasserkühl einrichtung (z. B. Kühlmantel) 11 vorzugsweise mit Wasser gekühlt, wodurch eine einfache Wärmeabwurf an andere Verbraucher (z.B. Heizung) möglich wird. Die Ausführungsform ist beispielsweise bei einem Vakuumbetrieb der Maschine geeignet. Eine Rotorkühlung erfolgt über Strahlungswärme zwischen dem Rotor 4 und einem beispielsweise mit Luft oder Wasser gekühlten Kühlstutzen 3. Anders als bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform werden dann keine Vorsprünge 7, kein Flügelrad 8 und auch kein Kühlmediumauslass 19 benötigt. Der Kühlstutzen 3 ist dazu an seinem zum Rotor 4 gewandten Ende 3b geschlossen. Die in der Figur 5 gezeigte Ausführungsform weist keine Rotorkühlung, sondern nur eine Statorkühlung und eine Trennhaube 12 auf, die den Rotor 4 vollständig umgibt und hermetisch abriegelt. Diese Anwendung ist sehr einfach gehalten und kommt bei geringerer Leistungsdichte und dem wesentlichen Ziel der hermetischen Trennung zum Tragen. Auch kann es Sinn machen, wenn z.B. die Antriebswelle 5 bedingt durch den Einsatzfall relativ kalt ist und damit die Kühlung übernimmt. Ihre äußere Kontur ist jedoch nicht an die becherförmige Gestalt des Rotors 4 angepasst. Genauer gesagt umfasst die in der Figur 5 gezeigte rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausführung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt einen Stator 2, eine Statorkühleinrichtung zum Kühlen des Stators 2, wobei die Statorkühleinrichtung eine externe Wasserkühleinrichtung 11 umfasst, einen Rotor 4 im Inneren der Maschine 100, der vom Stator 2 umschlossen und drehfest an bzw. auf ein freies Wellenende 5a einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle 5 befestigt ist, so dass die Antriebs/Abtriebswelle 5 einschließlich des Rotors 4 um eine Rotationsachse R drehbar ist, und eine Trennhaube 12. Die Statorkühleinrichtung weist neben der Wasserkühlung 11 eine um den Stator 2 gelegte Statorhülse 9 auf.

Bei der in der Figur 6 gezeigten Ausführungsform ist die Antriebs/ Abtriebswelle 5 über ein jeweiliges Lager 10 beidseitig gelagert (Eigenlagerung). (In den Figuren 1 bis 5 ist dagegen die Antriebs/ Abtriebswelle über ein (einziges) Lager 10 einseitig gelagert.) Zudem weist die in der Figur 7 gezeigte Maschine 100 eine Rotor-Z wangs-Umluftkühlung (geschlossene innere Kühlung) und eine Wasserkühlung auf. Genauer gesagt weist die Rotorkühleinrichtung ähnlich wie bei der Ausführungsform in der Figur 1 Vorsprünge 7 und ein Flügelrad 8 auf. Es gibt jedoch keinen Kühlstutzen 3. Die Vorsprünge 7 und das Flügelrad 8 sind im Statorgehäuse 1 feststehend angebracht und mit dem Statorgehäuse 1 fest verbunden. Ähnlich wie bei der in der Figur 3 gezeigten Ausführungsform wird - wie durch die Strömungspfeile gekennzeichnet - ein Kühlmedium im Inneren des Statorgehäuses 1 zwangsweise im Kreis geführt, wobei die Kühlleistung über die Wasserkühleinrichtung 11 geliefert wird. Die Übertragung der Kühlleistung auf die Umluft erfolgt über die Bohrungen 9a der Statorhülse 9, die somit als Wärmetauscher wirkt. Die innere Kühlung ist der äußeren Wasserkühleinrichtung 11 nachgeschaltet. Die Kühleinrichtung 11 umfasst einen Kühlmantel, der bedarfsweise über das Statorgehäuse 1 stülpbar ist und umlaufend das komplette Statorgehäuse 1 kühlt.

Die in der Figur 7 gezeigte Ausführungsform weist ebenfalls eine beidseitig gelagerte Antriebs/Abtriebswelle 5 auf (Eigenlagerung). Über einen Kühlmediumeinlass 20 wird ein Kühlmedium von außen zugeführt und über einen Kühlmediumauslass 19 nach außen wieder abgeführt. Aufgrund der Vorsprünge 7 und des Flügelrads 8 liegt aber auch wieder eine Zwangskühlung (z. B. innere Gaskühlung (ohne externe Lüfter etc.) und ohne Wasserkühlung) vor.

Figur 8 zeigt links eine Detailansicht im Schnitt von einem Rotor 4 zur Verdeutlichung von möglichen Gestaltungen des Rotors 4 bzw. dessen Rotorwand zur Vergrößerung der Oberfläche. Dazu kann er mehrere zum Beispiel axial verlaufende Rotorkühlbohrungen 4d bzw. Rotorkühlkanäle aufweisen. In der rechten Hälfte der Figur 8 sind zwei Beispiele für eine Gestaltung der Rotorwand 4e gezeigt. Besonders vorteilhaft ist bei hohem Rotor- Kühlbedarf eine doppelwandige (Figur 8 ganz rechts) Gestaltung. Sie kommt dann zum Tragen, wenn prozessbedingt die Antriebswelle 5 bedingt durch den Einsatzfall (z.B. Dampfturbine) Zusatzwärme in den Rotor einbringt. Durch eine hohe Oberfläche (ggf auch mehrwandig) kann dann die Energie leichter an das Kühlmedium übertragen werden. Links neben der doppelwandigen Gestaltung ist in der Fig. 8 die Gestaltung mit den Rotorkühlbohrungen 4 d gezeigt.

Weiterhin zeigt Figur 9 eine Radialschnittansicht (Figur 9 links) von einer Statorhülse 9 und eine Axial Schnittansicht von selbiger entlang der Linie A-A' (Figur 9 rechts). Deutlich sind sich vorzugsweise axial erstreckende Bohrungen 9a zu erkennen (wobei nur einige gekennzeichnet sind). Die Statorhülse 9 kann beispielsweise als ein Wärmetauscherring ausgelegt sein. Die in der Figur 10 gezeigte Ausführungsform stellt im Prinzip eine Kombination (Hintereinanderschaltung) der in der Figur 1 (in Figur 10 rechts) gezeigten Ausführungsform mit der in der Figur 7 (in Figur 10 links) gezeigten Ausführungsform dar und bildet eine Doppelmaschine 200, beispielsweise einen elektrischen Doppelmotor. Alternativ könnte es sich aber auch um einen elektrischen Doppelgenerator handeln. Es wird daher auf die obigen Beschreibungen verwiesen. Der Boden 4a des rechten Rotors 4 ist auf ein freies Wellenende 5a der (einzigen) Antriebs/Abtriebswelle 5 gesteckt.

Die in der Figur 10 gezeigte Ausführungsform weist eine externe Luftkühlung bei integrierter innerer Zwangskühlung auf. Ein externes Kühlgebläse ist wie schon bei den einzelnen rotierenden elektrischen Maschinen (siehe Figuren 1 bis 9) nicht erforderlich.

Die in der Figur 11 gezeigte Ausführungsform stellt im Prinzip eine Kombination (Hintereinanderschaltung) der in der Figur 6 gezeigten Ausführungsform (in der Figur 11 links) mit der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform (in der Figur 11 rechts) dar und bildet eine Doppelmaschine 300, wie z. B. einen elektrischen Doppelmotor. Alternativ könnte es sich aber auch um einen elektrischen Doppelgenerator handeln. Es wird daher auf die diesbezüglichen Beschreibungen verwiesen. Der Boden 4a des rechten Rotors 4 ist auf ein freies Wellenende 5a der (einzigen) Antriebs-/ Abtriebswelle 5 gesteckt.

Die in der Figur 11 gezeigte Ausführungsform weist eine Wasserkühlung und eine integrierte innere Zwangskühlung auf.

Ganz allgemein weisen die in den Figuren 10 und 11 beispielhaft gezeigten Doppelmaschinen den zusätzlichen Vorteil auf, dass mit einem Lagerungssatz zwei unabhängige Maschinen, beispielsweise Motoren, auf eine Antriebs-/ Abtriebswelle wirken und somit bei Ausfall einer Maschine die zweite Maschine zumindest mit der verbleibenden Leistung weitergeführt werden kann. Zudem sind die Doppelmaschinen von Vorteil, wenn bauliche Bedingungen eine größere Bauform im Durchmesser nicht zulassen oder eine Wärmeabfuhr bei einer normalen Statorverlängerung nicht mehr effizient betrieben werden kann.

Im Übrigen ist ganz allgemein noch auf Folgendes hinzuweisen: Grundsätzlich gilt, dass bei gleicher Leistung über höhere Drehzahlen die Bauform und das Gewicht von Elektromotoren und Elektrogeneratoren zumindest gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung deutlich reduziert werden können. Zum Beispiel wird eine 500 kW-Dampfturbine mit 20.000 ETpM und Getriebe mit einem Hochgeschwindigkeits-Direktantrieb im Gewicht von ca. 5 bis 10 Tonnen auf ca. eine Tonne fallen.

Ein weiteres Auslegungskriterium ist der Spalt bzw. Luftspalt zwischen dem Rotor und Stator. Dieser liegt üblicherweise in der Größenordnung von 0,5 mm bis 5 mm. Zumindest in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Rotorkühlung in dem Spalt nicht mehr benötigt. Somit kann der Spalt auf die Motor/Generatorbelange ausgelegt werden, was gegebenenfalls zusätzliche Optionen und Wirkungsgradverbesserungen zur Folge haben kann. Durch die kompaktere Bauform wird es aber aufwendiger, entsprechende Kühlungen zu integrieren. Bei Elektroantrieben, zum Beispiel in Elektroautos, kann mit der vorliegenden Erfindung zumindest in besonderen Ausführungsformen eine deutliche Gewichts- und Kosteneinsparung erzielt werden, weil eine effizientere Kühlung, insbesondere Rotorkühlung, möglich ist. Grundsätzlich können höhere Drehzahlen durch mechanische Getriebe oder Sondermotoren mit elektronischem Getriebe (Drives) realisiert werden, wobei aber oft Kupplungen eingesetzt werden müssen. Zumindest in besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in vielen Fällen auf die Kupplung und/oder die Lagerung verzichtet werden, da bei hohen Geschwindigkeiten der Rotor sehr klein ausgelegt werden kann und die Lagerung der schon vorhandenen Maschine (Baugruppe) die Doppelfunktion übernimmt. In Konsequenz resultieren hieraus eine Effizienzsteigerung der kompletten Plattform bei deutlich reduzierten Herstellungskosten. Mit Einsatz einer Trennhaube entstehen neue Anwendungsfälle, wenn Gase oder Flüssigkeiten sicher bzw. absolut dicht (zum Beispiel, wenn eine Seite im Vakuum gefahren werden muss) vom Elektromotor/Elektrogenerator abgetrennt werden müssen.

Es wird viele Anwendungen geben und als Beispiel kann man kleine Dampf- Turbinenplattformen (bis ca. 5 MW) nehmen. Diese werden mit Drehzahlen > 3000 U/min gefahren und benötigen daher ein Getriebe, um in das 50 Hz-Stromnetz einzuspeisen. Zur Effizienzsteigerung kann mit neuester Technologie auch über Hochgeschwindigkeitsmotoren mit elektronischem Getriebe die Energie ins Netz eingespeist werden. Dies erfordert allerdings Hochleistungskupplungen und kostenintensive Lagerungen des Generators. Zumindest gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entfallen Kupplung, Getriebe und Motorlagerung und wird auch das Motor/Generatorvolumen deutlich reduziert, was in der Summe zu deutlichen Effizienzsteigerungen führen kann. Nehme man als Beispiel eine 500 kW-Dampfturbine, so würde sich das Gewicht von ca. 5 Tonnen auf < eine Tonne reduzieren.

Gleiches gilt für viele Anwendungen mit Gasen als Fluid, wie Kühlaggregate, Kompressoren, Gebläse usw.. Wie schon bei den Generatoranwendungen übernimmt der Rotor (die Rotorhülse) eine Kupplungsfunktion und entfällt die mechanische Kupplung, das Getriebe und die Motorlagerung, was in der Summe zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führt.

Bei Varianten mit Eigenlagerung können durch die besseren Kühlbedingungen höhere Leistungen realisiert werden, was die potentiellen Anwendungen erweitert.

Weitere Merkmale von Ausführungsformen verschiedener Aspekte der Erfindung:

1 Rotierende elektrische Maschine (100) in Innenläuferausführung zur ETmwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend: - einen Stator (2),

- einen Rotor (4) im Inneren der Maschine (100), der vom Stator (2) umschlossen und drehfest auf oder an einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle (5) angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/ Abtriebswelle (5) einschließlich des Rotors um eine Rotationsachse R drehbar ist, und

- eine Rotorkühleinrichtung, die gestaltet ist, um Kühlmedium entlang zumindest eines Teils der Innenfläche und/oder durch zumindest einen Teil des Inneren des Rotors (4) für eine Wärmeabfuhr hauptsächlich durch Wärmeströmung zu führen oder in die Nähe der Innenfläche des Rotors (4) für eine Wärmeabfuhr durch Wärmestrahlung zu bringen.

Maschine (100) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (4) mehrwandig, insbesondere doppelwandig, gestaltet ist.

Maschine (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rotorkühl einrichtung mindestens zwei Rotorkühlkanäle (18) umfasst.

Maschine (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die

Antriebs/ Abtriebswelle (5) ein freies Wellenende (5a) aufweist und der Rotor (4) auf das freie Wellenende (5a) gesteckt oder steckbar ist.

Maschine (100) nach Anspruch 4, wobei der Rotor (4) becherartig gestaltet ist.

Maschine (100) nach Anspruch 5, wobei der Boden (4a) des becherartigen Rotors (4) gestaltet ist, um auf das freie Wellenende (5a) gesteckt zu werden. Maschine (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden hohlen Kühlstutzen (3), der sich in Richtung der

Rotationsachse R des Rotors (4) erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors (4) in das Becherinnere hinein streckt und mit dessen vom Rotor (4) abgewandten Ende (3a) mit einer Kühlmediumquelle zum Zuführen von Kühlmedium verbunden oder verbindbar ist, und einen Kühlmediumauslass (19) zum Abgeben des Kühlmediums zur Außenseite der Maschine auf.

Maschine (100) nach Anspruch 7, wobei das zum Rotor (4) gewandte Ende (3b) des Kühlstutzens (3) offen ist und sich auf der Außenseite des Kühlstutzens rippen- oder schaufelartige Vorsprünge (7) für eine Zwangskühlung befinden.

Maschine (100) nach Anspruch 8, wobei sich die Vorsprünge (7) unter einem Winkel a in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens (3) erstrecken.

Maschine (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das zum Rotor (4) gewandte Ende (3b) des Kühlstutzens (3) geschlossen ist.

Maschine (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das zum Rotor (4) gewandte Ende (3b) des Kühlstutzens (3) offen ist und die Maschine eine Trennhaube (12) aufweist, die den Rotor (4) vom Stator (2) hermetisch trennt und sich zwischen dem Rotor (4) und dem Kühlstutzen (3) erstreckt, sodass das Kühlmedium nicht zum Rotor (4), aber zur Trennhaube (12) gelangt.

Maschine (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden Kühlstutzen (3), der sich in Richtung der Rotationsachse R des Rotors (4) erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors (4) in das Becherinnere hinein erstreckt und dessen zum Rotor gewandtes Ende (3b) geschlossen ist sowie der auf seiner Außenfläche (3c) rippen- oder schaufelartige Vorsprünge (7) für eine Zwangskühlung aufweist.

Maschine (100) nach Anspruch 12, wobei sich die Vorsprünge (7) unter einem Winkel a in einem Bereich vom 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens (3) erstrecken.

Maschine (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sie ferner eine Statorkühleinrichtung zum Kühlen des Stators aufweist.

Maschine (100) nach Anspruch 14, wobei die Statorkühleinrichtung der

Rotorkühleinrichtung nachgeschaltet ist.

Maschine (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Statorkühleinrichtung integral mit der Rotorkühleinrichtung ausgebildet ist.

Maschine (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung (11), aufweist.

Maschine (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Statorkühleinrichtung eine um den Stator (2) gelegte Statorhülse (9), vorzugsweise mit Statorkühlkanälen, aufweist.

Maschine (100) nach Anspruch 18, wobei die Statorhülse (9) als ein

Wärmetauscherring ausgeführt ist. Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Antriebs/ Abtriebswelle (5) beidseitig gelagert ist und der Rotor (4) drehfest auf der Antriebs/ Abtriebswelle (5), diese umschließend, angeordnet ist.

Maschine (100) nach Anspruch 20, wobei die Zwangskühl einrichtung rippen- und/oder schaufelartige Vorsprünge (7) zwischen der Antriebs/ Abtriebswelle (5) und dem Rotor (4) aufweist.

Maschine (100) nach Anspruch 21, wobei sich die Vorsprünge (7) unter einem Winkel a in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzen (3) erstrecken.

Maschine (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Rotorkühleinrichtung als eine offene innere Zwangskühleinrichtung mit einem Kühlmediumeinlass (20) zum Zuführen eines Kühlmediums von der Außenseite der Maschine und einem

Kühlmediumauslass (19) zum Abführen des Kühlmediums zum Passieren des Rotors (4) und gegebenenfalls auch des Stators (2) ausgeführt ist.

Maschine (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Rotorkühl einrichtung als eine geschlossene innere Zwangskühleinrichtung ausgeführt ist.

Maschine (100) nach Anspruch 24, wobei sie ferner eine, vorzugsweise der

Rotorkühleinrichtung nachgeschaltete, vorzugsweise damit integral ausgebildete, Statorkühleinrichtung aufweist.

Maschine (100) nach Anspruch 25, wobei die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung (11), aufweist. Maschine (100) nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Statorkühleinrichtung eine um den Stator (2) gelegte Statorhülse (9) , vorzugsweise mit Statorkühlkanälen (21), aufweist.

Maschine (100) nach Anspruch 27, wobei die Statorhülse (9) als ein

Wärmetauscherring ausgeführt ist.

Rotierende elektrische Maschine (100) in Innenläuferausführung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend

- einen Stator (2),

- ein Statorgehäuse (1),

- eine Statorkühleinrichtung, umfassend eine mit dem Stator fest verbundene Statorhülse (9) zum Kühlen des Stators (2) und

-eine optionale (2) Wasserkühleinrichtung (11), umfassend einen Kühlmantel (11) zum Kühlen des Statorgehäuses (l)sowie indirekt auch der Statorhülse (9) bzw. des Stators (2),

- einen Rotor (4) im Inneren der Maschine (100), der vom Stator (2) umschlossen und drehfest an einer drehbar gelagerten Antriebs/ Abtriebswelle (5) angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/ Abtriebswelle (5) einschließlich des Rotors (4) um eine Rotationsachse R drehbar ist, und - eine Trennhaube (12), die den Rotor (4) vom Stator (2) hermetisch trennt, wobei die Antriebs/ Abtriebswelle (5) ein freies Wellenende (5a) aufweist und der Rotor auf das freie Wellenende (5a) gesteckt oder steckbar ist und becherartig gestaltet ist, vorzugsweise wobei die Statorhülse (9)Statorkühlkanäle (21) aufweist.

30. Maschine nach Anspruch 29, wobei die Statorhülse (9) als ein Wärmetauscherring ausgeführt ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste Statorgehäuse

Stator

a Innenfläche

Kühl stützen

a Ende

b Ende

c Außenfläche

Rotor

a Boden

b Innenfläche

c Außenfläche

d Rotorkühlbohrungen

e Rotorwand

Antrieb(swelle)/Abtriebswelle

a Wellenende

Antriebs/Abtriebsgehäuse

Vorsprünge

Flügelrad Statorhülse a Bohrungen

10 Lager

11 Wasserkühleinrichtung

12 Trennhaube

13 Spalt

l3a Spalt

14 Spalt

15 Magnetbandage

16 Bohrungen

17 innerer Bereich

18 Rotorkühlkanäle

19 Kühlmediumauslass

20 Kühlmediumeinlass

21 Statorkühlkanäle

22 Spalt

100 Maschine

200 Doppelmaschine

300 Doppelmaschine

R Rotationsachse a Winkel