Elektrische Maschine mit einer in einem geschlossenen Gehäuse integrierten Innenkühlung und Verfahren zur Bestimmung eines Füllgrades der Innenkühlung Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse inte- grierten Innenkühlung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen und ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllgrades einer Flüssigkeit an einem Flüssigkeits- Gas-Gemisch für die Innenkühlung der elektrischen Maschine mit den im Anspruch 7 genannten Merkmalen.

Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen unterschiedlichster Bauart bekannt. So sind bei- spielsweise Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge entwickelt worden, die sicherstellen, dass bei allen im Fahrbetrieb vorkommenden Betriebsbedingungen genü- gend Strom an ein Bordnetz geliefert wird beziehungs- weise eine Batterie als Energiespeicher immer ausrei- chend geladen ist. Je nach Auslegung'der elektrischen Maschine müssen zu einem optimalen Betrieb bestimmte Temperaturbereiche eingehalten werden. Dazu ist es bekannt, der elektrischen Maschine eine Kühlung zuzu-

ordnen. Eine Dimensionierung der Kühlung muss so aus- gelegt sein, dass die Temperaturen der Komponenten der elektrischen Maschine unter allen möglichen Rand- bedingungen spezifische Grenzwerte nicht überschrei- ten. Weiterhin muss eine im Betrieb auftretende Ver- lustwärme im Inneren der elektrischen Maschine mög- lichst optimal abgeführt werden, da zu hohe Tempera- turen auch eine Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine negativ beeinflussen. Zur Bewältigung dieser Aufgabe sind einerseits Kühlungen bekannt, die auf Basis eines kühlenden Luftstromes und andererseits auf Basis eines kühlenden Flüssigkeitsstromes reali- siert wurden.

Luftkühlungen-wie sie beispielsweise'Anwendung finden bei luftgekühlten Drehstromgeneratoren von Kraftfahrzeugen-werden praktisch immer von an- beziehungsweise eingebauten Radiallüftern mit Kühl- luft versorgt. Beispielhaft seien hier Ausführungsva- <BR> <BR> rianten wie ein Klauenp-olgenerator, ein Compact-Gene- rator oder ein Generator mit Leitstückläufer genannt.

Die Kühlluft kann dabei je nach Ausführungsvariante auch durch einen Innenraum des Generatorgehäuses geführt werden und dabei die zu kühlenden rotierenden und feststehenden Komponenten umströmen. Zwar sind naturgemäß die Reibungsverluste bei Luftkühlung sehr gering, jedoch ist aufgrund der ungünstigen spezifi- schen Wärmeleitfähigkeit von Luft eine Abfuhr der Verlustwärme stark begrenzt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Generatorgehäuse hermetisch ver- schlossen werden soll, um beispielsweise schädigende Umwelteinflüsse zu vermeiden.

Die Flüssigkeitskühlung ermöglicht zwar prinzipiell eine sehr hohe Kühlleistung, weil die spezifischen Wärmeleitfähigkeiten der Kühlflüssigkeit entsprechend hoch sind, jedoch ist es aus bautechnischen Gründen zumeist nicht möglich die Flüssigkeitskühlung unmit- telbar an die zu kühlenden Komponenten zu legen. Ins- besondere bei hermetisch geschlossenen Generatorge- häusen kann dann lediglich eine Außenummantelung von der Kühlflüssigkeit umströmt werden (Wassermantelküh- lung). Zusätzlich notwendig sind bei dieser Kühl- variante Kühlmittelanschlüsse, zum Beispiel über Schläuche, was wiederum einen erhöhten Bauraumbedarf verursacht beziehungsweise die Kühlmittelbereitstel- lung im Rahmen der Applikation aufwendiger gestaltet.

Vorteile der Erfindung Durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer zur Kühlung rotierender und feststehender Kom- ponenten der elektrischen Maschine in einem geschlos- senen Gehäuse integrierten Innenkühlung nach den im -Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie das erfindungs- gemäße Verfahren zur Bestimmung eines Füllgrades der Innenkühlung nach den im Anspruch 7 genannten Merk- malen lassen sich die geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwinden. Die Innenkühlung um- fasst als Kühlmedium dazu ein Flüssigkeits-Gas- Gemisch. Nach Inbetriebnahme der elektrischen Maschi- ne wird mit Hilfe der rotierenden Komponenten ein Aerosol aus dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch erzeugt. Das Aerosol hat dabei den Vorteil, dass zum einen eine Scherbeanspruchung der Komponenten gering bleibt,

also die Reibungsverluste, die bei der Verwendung einer Kühlflüssigkeit auftreten wurden, vermieden werden. Zum anderen besitzt das Aerosol gegenüber Luft eine sehr viel höhere spezifische Wärmeleit- fähigkeit, so dass eine sehr viel bessere Wärme- ableitung rotorseitig über das geschlossene Genera- torgehäuse möglich ist.

Nach dem Verfahren wird ein Füllgrad des freien In- nenraumes im Gehäuse anhand von Auswahlkriterien be- stimmt, die die Materialeigenschaften der Flüssigkeit und einen applikationsgemäßen Drehzahlbereich der elektrischen Maschine umfassen. Als Materialeigen- schaften der Flüssigkeit kommen dabei in Frage Visko- sität, Entflammbarkeit, Temperaturresistenz, spezifi- sche Wärmeleitfähigkeit und Aerosolbildungsfähigkeit.

Auf diese Weise kann die Auswahl der Flüssigkeit der jeweiligen Applikation angepasst werden. Als beson- ders geeignet haben sich in diesem Zusammenhang ins- besondere Öle herausgestellt.

Unter Berücksichtigung der-vorab genannten Auswahl- kriterien für den Füllgrad wurden als besonders vor- teilhaft Bereiche aufgefunden, in denen ein Verhält- nis der Flüssigkeit zum freien Innenraumvolumen 1 bis 30 %, bevorzugt 5 bis 25 %, insbesondere 15 bis 22, beträgt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er- geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs- beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die eine Schnittansicht durch einen Drehstromgenerator zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die einzige Figur zeigt eine Schnittansicht durch ei- nen Drehstromgenerator 10 mit einem Leitstückläufer 12, wie er Anwendung im Kraftfahrzeugbau findet. Der Drehstromgenerator 10 weist eine feststehende Erre- gerwicklung 14 und eine Ständerwicklung 16 auf, die im Inneren eines Generatorgehäuses 18 untergebracht sind. Bei dieser Bauart versorgt ein Gleichrichter die Erregerwicklung 14 direkt über einen Regler 20 mit Strom. Weist die eingesetzte elektrische Maschine ein Schließsystem auf, so kann diese einerseits in das Gehäuse integriert werden-unter Berucksich- tigung gegebenenfalls notwendiger Anpassungen an das Kühlmedium-oder andererseits außerhalb des Gehäuses- 18 (B-seitig) realisiert werden. Funktionsweise und Aufbau derartiger Drehstromgeneratoren 10 sind allge- mein bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.

Das Generatorgehäuse 18 ist-abgesehen von einem Druckausgleich-hermetisch verschlossen, das heißt eine Kühlung der rotierenden und feststehenden Komponenten im Innenraum 22 kann nur über eine Wärme- ableitung durch die Wandungen des Generatorgehäuse 18

erfolgen. Dazu ist vorgesehen, einen freien Anteil des Innenraumes 22 (freier Innenraum 24) mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch zu befüllen. Der freie Innenraum 24 ergibt sich durch Abzug der Volumina der Komponenten von dem Volumen des Innenraumes 22. Ein Füllgrad gibt den prozentualen Anteil der Flüssigkeit an den freien Innenraum 24 ab.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel wurde der Drehstromge- nerator 10 auf einem Prüfstand bei verschiedenen Füllgraden und in Abhängigkeit von einer Drehzahl hinsichtlich seiner Leistung und der an einzelnen Komponenten auftretenden Temperaturen vermessen. Als Flüssigkeit diente ein synthetisches Motorenöl. Als Messpunkte dienten A-und B-seitige Kugellager 26, 28, ein A-beziehungsweise B-seitiger Bereich des Polkerns 30,32, der Regler 20, ein Ständereisenpaket 34 sowie die Erreger-beziehungsweise Leistungsdioden 36,38. Weiterhin wurden Leistung und Wirkungsgrad des Drehstromgenerators 10 erfasst.

Es wurde eine signifikante Erhöhung der Kühlleistung nachgewiesen, insbesondere im Bereich A-und B-seitig des Polkernes 30,32 als auch im Bereich des Ständereisenpaketes 34. Ein Optimum liegt in diesem Fall bei einem Füllgrad von 20 %. Weiterhin steigt die Stromabgabe-Fähigkeit des Drehstromgenerators 10 mit zunehmendem Füllgrad an und durchläuft wiederum ein Maximum bei einem Füllgrad von 20 %.

An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass der optimale Füllgrad einerseits stark vom kon- struktiven Aufbau sowie den spezifischen Betriebsbe- dingungen der elektrischen Maschine und andererseits von der Beschaffenheit der Flüssigkeit abhängt. Als Auswahlkriterien für den Füllgrad lassen sich demnach Größen heranziehen, wie ein applikationsgemäBer Dreh- zahlbereich der elektrischen Maschine und die Mate- rialeigenschaften der Flüssigkeit. Eine Auswahl der Flüssigkeit kann unter Berücksichtigung von Größen, wie einer Viskosität, Temperaturresistenz, Entflamm- barkeit, Aerosolbildungsfähigkeit sowie spezifischer Wärmeleitfähigkeit, erfolgen. Im Allgemeinen wird eine hohe Temperaturresistenz, schwere Entflammbar- keit, niedrige Viskosität, hohe spezifische Wärme- leitfähigkeit und gute Aerosolbildungsfähigkeit ange- strebt.