Elektrodynamische rotatorische Maschine mit Eigenlüftung

Die Erfindung betri f ft eine elektrodynamische rotatorische Maschine mit Eigenlüftung .

Das Belüftungskonzept derartiger Maschinen, beispielsweise eines Elektromotors ist üblicherweise aufgebaut mit einem auf einer Welle drehfest fixierten Lüfter und einer den generierten Luftstrom führenden Belüftungshaube . Kühlluft wird dabei durch ein Gitter der Belüftungshaube axial angesaugt und durch einen Radiallüfter nach außen geschleudert . Dadurch ergibt sich ein Druckaufbau an der Hauben- Innenwand . Es kommt zu einer axialen Umlenkung und Beschleunigung dieser Kühlluft in Richtung Maschinengehäuse . Die Kühlluft tritt aus der Haube aus und bewegt sich idealerweise innerhalb bzw . zwischen den Gehäuserippen entlang dem Gehäuse von der Belüftungsseite zur Antriebsseite .

Diese theoretische Betrachtung der Belüftung entspricht j edoch nicht der tatsächlichen Realität . Bereits nach Austritt aus der Haube entweicht Kühlluft radial aus dem Rippenbereich des Gehäuses und verliert somit die Kühl funktion . Der Verlust der Kühlluft nimmt dabei im axialen Verlauf entlang der Rippen zur Antriebsseite stark zu, so dass der Anteil der Kühlluft , die auf der Antriebsseite noch eine Kühlwirkung entfaltet , sehr gering ist .

Durch die unzureichende Kühl funktion wird die Maschine bzw . der Motor wärmer . Zudem ist die Temperatur auf AS (Antriebsseite ) höher als auf BS (Belüftungsseite ) . Durch diesen axialen Wärmegradient innerhalb der Maschine kann die Maschine nicht voll ausgelastet werden . Ebenso stehen dabei vor allem die Lager der Antriebsseite unter erhöhtem thermischem Stress . Zur Erreichung der geforderten Leistung oder des Wirkungsgrads der elektrodynamischen rotatorischen Maschine wird somit mehr Aktivteilvolumen spendiert . Teilweise kommt eine Fremdbelüftung zum Einsatz .

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine elektrodynamische rotatorische Maschine mit Eigenlüftung zu schaffen, die einen verbesserten Einsatz der Kühlluft aufweist und somit eine kompaktere Bauweise gewährleisten kann .

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Elektrodynamische rotatorische Maschine mit Eigenlüftung, mit einem Gehäuse , das die rotatorische Maschine zumindest abschnittsweise axial umgibt , wobei die elektrodynamische rotatorische Maschine eine Antriebsseite und eine Belüftungsseite aufweist , wobei auf der Belüftungsseite zumindest ein Lüfter mit einer Welle drehfest verbunden ist , und bei Rotation dieser Welle um eine Achse einen Hauptluf tstrom generiert , wobei der Lüfter mit einer Haube versehen ist , die den durch den Lüfter generierten Hauptkühlluftstrom auf das Gehäuse lenkt , wobei an der Haube Mittel vorgesehen sind, die zumindest die Kühlung des Gehäuses zu verbessern .

Erfindungsgemäß sind nunmehr an der Haube Mittel vorgesehen, die einen Kühlluftstrom entlang dem Gehäuse führen . Dabei wird zum einen der Kühlluftstrom derart geführt , dass er möglichst lange am Gehäuse entlang strei ft , zum anderen wird ein Zusatzkühlluftstrom bereit gestellt .

Die Haube weist zumindest ein Luf tleitelement auf , das einen Zusatzkühlluftstrom bereitstellt . Das Luf tleitelement ist am Haubenaustritt vorgesehen, welches den Zusatzkühlluftstrom nach innen Richtung Maschinenachse richtet . Das Luftleitelement weist Öf fnungen auf , die sich zwischen axial erstreckenden Stegen und dazwischen angeordneten Luf tleit flächen ergeben . Dabei wird im Betrieb des Lüfters - und damit der elektrodynamischen Maschine , ergänzend zum Hauptkühlluftstrom nach dem Prinzip eines Inj ektors radial von außen Frischluft ange- saugt bzw . der Zusatzkühlluftstrom generiert . Diese kühlere Luft , von außen kommend, wird vorzugsweise unter einem schrägen Winkel auf die Oberfläche des Gehäuses , insbesondere einen Kühlrippengrund (bei einem berippten Gehäuse ) gefördert . Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung der Kühl funktion, die sich bis auf die Antriebsseite (AS ) auswirkt , sodass sich der axiale Temperaturgradient innerhalb der Maschine reduziert .

Dabei ist das Luf tleitelement so ausgebildet , dass es zu einer Vermischung mit der aus der Haube austretenden Kühlluft kommt . Damit steigert sich über die axiale Länge der Maschine betrachtet der Kühlef fekt .

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Haube kann die Kühlfunktion erheblich gesteigert werden, indem eine längere Verweildauer der Kühlluft an der Gehäuseoberfläche bzw . zwischen den Gehäuserippen erreicht wird .

Die Temperatur der gesamten elektrischen Maschine wird abgesenkt . Der Temperaturunterschied zwischen AS und BS wird reduziert . Wicklungs- und Lagertemperatur werden reduziert , wodurch Lebensdauer gewonnen wird . Der Wirkungsgrad der elektrodynamischen Maschine wird gesteigert .

Die Luf tleit flächen verlaufen bzgl . der Achse schräg . Dies verbessert das Inj ektorprinzip und damit den Zusatzkühlluftstrom . Die Luf tleit flächen sind vorzugsweise mit dem gleichen Winkel zur Achse versehen, es ist j edoch auch möglich den Luf tleit flächen unterschiedliche Winkel bei der Fertigung des Luf tleitelements zuzuweisen .

Des Weiteren folgen die Luf tleit flächen der Kontur des Gehäuses , mit anderen Worten, die Krümmung der j eweiligen Luftleitflächen in Umfangsrichtung betrachtet , hat einen vom Durchmesser des Gehäuses abhängigen Radius . Die Haube kann einstückig mit einer vorgebbaren Anzahl von Luf tleitelementen ausgeführt sein . Unter einem Luftleitelement wird dabei ein umfänglich geschlossenes oder segmentiertes Teil verstanden . Ebenso sind diese Teile auch axial hintereinander anordenbar .

Eine einstückige Aus führung vereinfacht die Fertigung, da somit nur ein Teil „gehandelt" werden muss . Dieses eine Teil weist somit die Haube , ein oder mehrere Luftleitelemente , auf , wobei die Luf tleitelemente j eweils Stege , Luftleitflächen und Öf fnungen aufweisen .

Alternativ ist das Luf tleitelement in Umfangrichtung betrachtet segmentiert auf gebaut und mit der Haube lösbar befestigt . Die Haube und das oder die Luf tleitelemente sind separate Teile , die j e nach thermischem Bedarf der elektrischen Maschine nachträglich an der Haube anbringen lassen .

Um den thermischen Bedarf der elektrischen Maschine optimal abdecken zu können, weisen die Segmente der Luf tleitelemente axial unterschiedliche Ausdehnungen und/oder unterschiedliche Anzahl von Öf fnungen und/oder unterschiedliche Schrägung der Luf tleit flächen auf .

Je nach thermischem Bedarf sind axial entlang des Gehäuses auch mehrere der segmentierten Luf tleitelemente anordenbar . Beispielsweise werden somit an der Haube umfänglich vier oder sechs Segmente von Luf tleitelemente angeordnet . Damit wird der gesamte Umfang beaufschlagt . Gerade bei axial kürzeren Maschinen steht für eine weitere axiale Verlängerung ggf . der Klemmenkasten im Wege , so dass lediglich auf dem verbleibenden Umfang weitere Luf tleitelemente axial vorzusehen wären .

Die mechanische Verbindung zwischen Haube und Luf tleitelemente , als auch zwischen den Luf tleitelementen, insbesondere in axialer Richtung geschieht durch lösbare Clips- oder Schnappverbindungen . Alternativ oder ergänzend dazu sind am axialen Ende der Haube (der AS-Seite zugewandt ) am Innenradius Mittel zur Reduzierung des Innenradius vorgesehen sind . Erfindungsgemäß wird nunmehr dort die Kühlluft nicht achsparallel auf die Gehäuseoberfläche bzw . in den Rippenbereich geleitet , sondern mit einem zur Maschinenachse weisenden, also nach innen zur Maschinenachse gerichtetem Winkel auf die Oberfläche bzw . in den Kühlrippengrund gelenkt .

Dies wird durch entsprechend Konturen am axialen Ende der Haube erreicht . Vor Austritt aus der Haube wird die Kühlluft beispielsweise mittels einer Schrägung bzw . stetige Reduzierung des Innenradius , nach innen zum Kühlrippengrund gelenkt . Somit wird die Verweildauer der Kühlluft in den Kühlrippen wesentlich verlängert und die Kühl funktion entlang der dem Gehäuse gesteigert .

Dies kann auch durch ein separates Reduzierelement erreicht werden, das am Ende der Haube positioniert wird . Dieses Reduzierelemente weist einen keil förmigen Querschnitt auf .

Dieses Reduzierelement ist in Umfangsrichtung betrachtet zumindest abschnittsweise vorhanden, insbesondere an den Abschnitten der Haube , die einer bevorzugten Kühlung bedürfen .

Die Haube ist im Wesentlichen topf förmig ausgestaltet , was die Montage und das Anbringen der Luf tleitelemente und/oder der Reduzierelemente vereinfacht .

Wenn der Innenradius der Haube größer ist als der Außenradius des Gehäuses kann die Schrägung der Haube insbesondere auf den Rippen des Gehäuses aufsetzen .

Sofern das Gehäuse zumindest abschnittsweise mit Rippen versehen ist , kann dies die Kühlung verbessern, als auch zur mechanischen Stabilität der Luf tleitelemente auf dem Gehäuse und an der Haube beitragen . Erfindungsgemäß wird nunmehr die Kühlluft nicht achsparallel in den Rippenbereich geleitet , sondern mit einem zur Maschinenachse weisenden, also nach innen zur Maschinenachse gerichtetem Winkel in den Kühlrippengrund gelenkt wird .

Durch die Schrägung am Haubenende wird die Verweildauer der Kühlluft in den Kühlrippen wesentlich verlängert und die Kühl funktion entlang der dem Gehäuse gesteigert .

Wenn nunmehr ergänzend noch mindestens ein Luf tleitelement am Haubenaustritt vorgesehen ist , welches die Luftführung ebenfalls nach innen Richtung Maschinenachse lenkt wird der Kühlef fekt noch verstärkt . Dabei wird im Betrieb des Lüfters - und damit der elektrodynamischen Maschine zusätzlich nach dem Prinzip eines Inj ektors radial von außen Frischluft angesaugt bzw . ein Zusatzkühlluftstrom generiert . Diese kühlere Luft , von außen kommend, wird vorzugsweise unter einem schrägen Winkel in den Kühlrippengrund gefördert und bringt eine erhebliche Verbesserung der Kühl funktion, die sich bis auf die Antriebsseite (AS ) auswirkt , so dass sich der axiale Temperaturgradient innerhalb der Maschine reduziert .

Dabei ist das Luf tleitelement so ausgebildet , dass es vorzugsweise zu einer Vermischung mit der aus der Haube austretenden Kühlluft kommt . Damit steigert sich über die axiale Länge der Maschine betrachtet der Kühlef fekt .

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Haube und/oder die Luf tleitelemente kann die Kühl funktion erheblich gesteigert werden, indem eine längere Verweildauer der Kühlluft in den Gehäuserippen erreicht wird .

Die Temperatur des gesamten Motors wird abgesenkt . Das Temperaturdelta zwischen AS und BS wird reduziert . Wicklungs- und Lagertemperatur werden reduziert , wodurch Lebensdauer gewonnen wird . Der Wirkungsgrad der elektrodynamischen Maschine wird gesteigert . Das Luf tleitelement kann ebenso wie die Haube aus Metall oder aus Kunststof f geformt sein . Ebenso kann die Haube und/oder das Luf tleitelement aus Spritzguss oder 3-D-Druck gefertigt werden .

Eine zusätzliche Abstützung des Luf tleitelements am Gehäuse oder den Gehäuserippen verbessert die mechanische Stabilität , insbesondere wenn mehrere axial hintereinander angeordnete Luf tleitelemente vorgesehen werden .

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand prinzipiell dargestellter Aus führungsbeispiel näher erläutert ; darin zeigen :

FIG 1 eine dynamoelektrische Maschine im Längsschnitt ,

FIG 2 eine Detaildarstellung

FIG 3 bis 7 teilperspektivische Darstellungen

FIG 8 Teillängsschnitt der dynamoelektrischen Maschine ,

FIG 9 Teilquerschnitt der dynamoelektrischen Maschi- ne ,

FIG 10 perspektivische Darstellung einer dynamoelektrischen Maschine

FIG 11 Draufsicht auf einen Teil einer dynamoelektrischen Maschine .

FIG 1 zeigt einen Längsschnitt einer prinzipiell dargestellten dynamoelektrischen rotatorischen Maschine 1 , insbesondere eines Asynchronmotors mit Käfigläufer . Die dynamoelektrische Maschine 1 weist einen Stator 14 auf , der geblecht ausgeführt ist und an seinen Stirnseiten Wickelköpfe eines Wicklungssystems 15 aufweist . Der Stator 14 ist in einem Gehäuse 6 eingesetzt , insbesondere derart , dass ein Wärmeübergang vom Stator 14 auf das Gehäuse 6 erfolgt . Das Gehäuse 6 weist an seinem Außenumfang verteilt im Wesentlichen radial abstehende Rippen 13 auf , die der Kühlung der elektrischen Maschine 1 dienen . Durch das bestreikten Wicklungssystems 15 des Stators 14 tritt über einen Luftspalt 17 eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einem Rotor 16 ein, aufgrund der sich eine Welle 9 in Drehung um eine Achse 10 versetzt . Die Welle 9 ist über Lager 11 und deren Lagerschild 12 am Gehäuse 6 positioniert . Auf der Welle 9 ist ein Lüfter 2 drehfest mit der Welle 9 verbunden . Dieser Lüfter 2 weist im Wesentlichen radial verlaufende Lüfterflügel 4 auf . Der Lüfter 2 saugt über Durchbrüche 5 einer Haube 3 axial einen Luftstrom an, der dann durch die Lüfterflügel 4 und mithil fe der Haube 3 umgelenkt wird, sodass sich ein Hauptkühlluftstroms 7 im Wesentlichen axial entlang den Rippen 13 einstellt .

Nach Austritt aus der Haube 3 entweicht j edoch Kühlluft allmählich radial aus dem Rippenbereich des Gehäuses 6 und verliert somit die Kühl funktion . Der Verlust der Kühlluft nimmt dabei im axialen Verlauf entlang der Rippen 13 zur Antriebsseite stark zu, so dass der Anteil der Kühlluft , die auf der Antriebsseite noch eine Kühlwirkung entfaltet , sehr gering ist .

Diese vorzeitige Ablösung des Kühlluf tstromes von der Gehäuseoberfläche wird nunmehr gemäß FIG 2 durch die Reduktion des Innenradius der Haube 3 an ihrem axialen Ende und/oder durch die Luf tleitelemente 18 vermieden und dadurch die Kühlung wesentlich verbessert .

Die Reduktion des Innenradius am axialen Ende der Haube 3 , kann auch durch ein zusätzlichen Reduzierelement geschaf fen werden, das in bzw . an der Haube 3 positioniert ist . Im Querschnitt betrachtet ist dies Reduzierelement keil förmig ausgeführt .

Durch Luf tleitelemente 18 , die einstückig an der Haube 3 bereits vorhanden sind oder durch zusätzlich anbringbar sind, wird im Betrieb des Lüfters 2 ein Zusatzkühlluftstrom 8 erzeugt , der über die Öf fnungen 21 an die Gehäuseoberfläche Und/oder zwischen die Rippen 13 strömt . Auch bei einstückiger Haube 3 sind durch die Luf tleitelemente 18 nur gewisse Winkelbereiche um die Haube 3 belegbar . Es gibt also Hauben 3 , bei denen nur ein vorgebbarer Winkelbereich belegt ist , ebenso gibt es Hauben 3 , bei denen Luftleitelemente 18 , den ganzen Umfang belegen .

Bei in Umfangrichtung segmentierten separaten Luf tleitelemen- ten 18 , sind diese an der Haube 3 und/oder am Gehäuse 6 positionierbar .

Das Luf tleitelemente 18 weist axial verlaufende Stege 23 auf , an denen Luf tleit flächen 26 angeordnet sind . Zwischen den Luf tleit flächen 26 in axialer Richtung sind Öf fnungen 21 , die den Zusatzkühlluftstrom 8 im Betrieb der elektrodynamische rotatorische Maschine 1 ermöglichen . Die Luf tleit flächen 26 folgen im Wesentlichen der Kontur des Gehäuses 6 , mit anderen Worten, die Krümmung der j eweiligen Luf tleit flächen 26 in Umfangsrichtung betrachtet , hat einen vom Durchmesser des Gehäuses 6 abhängigen Radius .

FIG 3 zeigt mehrere separate Luf tleitelemente 18 , die an der Haube 3 angeordnet sind . In Umfangrichtung sind dabei nicht alle Winkelbereiche belegt .

FIG 4 zeigt in einer weiteren Detaildarstellung die Haube 3 , mit einem segmentierten Luf tleitelement 18 , das an der Haube 3 mittels einer beispielsweise lösbaren Clipverbindung in einer Ausnehmung der Haube 3 befestigt ist .

Die Stege 23 ragen dabei aus mechanischen und/oder strömungstechnischen Gründen axial in Richtung Belüftungsseite , wie dies insbesondere auch der FIG 5 zu entnehmen ist .

FIG 6 zeigt ein Segment eines Luf tleitelements 18 an der Haube 3 mit zwei Reihen von j eweils drei axial hintereinander angeordnete Luf tleit flächen 26 , die zwischen axialem Haubenende und erster Luf tleit fläche 26 bzw . zwischen den Luftleitflächen 26 Öf fnungen 21 aufweisen . FIG 7 zeigt insbesondere den Neigungswinkel der Luftleitflächen 26 bzgl . der Achse 10 . Dadurch ergibt sich die Inj ektorwirkung, so dass neben einem Hauptkühlluftstrom 7 eine Zusatzkühlluftstrom 8 generiert wird der zur Kühlung der Maschine 1 beiträgt .

Die Winkelstellung der Luftleit flächen 26 wird vorzugsweise bei der Herstellung der Haube 3 berücksichtigt , wenn Haube 3 und Luf tleitelemente 18 einstückig ausgeführt sind, bei- spielswiese durch Spritzguss oder 3D-Druck .

Bei separater Herstellung der Luf tleitelemente 18 , die an die Haube 3 geclipst werden sollen, kann die Winkelstellung bei der Herstellung berücksichtigt werden . Durch die separaten Luf tleitelemente 18 lassen sich diese auch austauschen, um somit axial längere Luf tleitelemente 18 zu erhalten und/oder eine andere Winkelstellung der Luf tleit flächen 26 zu erhalten .

FIG 8 zeigt prinzipiell , wie die segmentierten Luftleitelemente 18 an der Haube 3 befestigbar sind, indem beispielsweise ein Haken in eine Ausnehmung am axialen Ende der Haube 3 eingrei ft . Die Luf tleit flächen 26 liegen auf den Rippen 3 auf oder sind von ihnen geringfügig beabstandet . Die Stege 23 liegen auf der Haube 3 auf .

Die Auflage der Luf tleit flächen 26 auf den Rippen ist auch der FIG 9 zu entnehmen .

FIG 10 zeigt eine Haube 3 mit Luf tleitelemente 18 , wobei ein Winkelsegment an der Haube 3 durch das Luf tleitelement 18 nicht belegt ist .

FIG 11 zeigt in Draufsicht ein Luf tleitelement 18 an der Haube 3 und einen Abschnitt der dynamoelektrischen Maschine 1 mit dem zu kühlenden Gehäuses 6 bzw . den Rippen 13 .