DE102004049795A1

DE102004049795A1 - Kühlvorrichtung für eine mit einer Kühlflüssigkeit kühlbaren elektrischen Maschine

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Publication number: DE102004049795A1
Application number: DE102004049795A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Dr. Tarasinski; Joachim Dr. Sobotzik; Bernd Kneer; Klaus Hahn; Mattias Lang
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine mit einer Kühlflüssigkeit kühlbaren elektrischen Maschine (10). Die Kühlvorrichtung umfasst eine Zuführeinrichtung (40, 42), mit welcher Kühlflüssigkeit (38) der elektrischen Maschine (10) zuführbar ist. Die elektrische Maschine (10) weist einen Stator (12) und einen eine Rotationsachse (22) aufweisenden Rotor (20) auf. Mit der Zuführeinrichtung (40, 42) der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist Kühlflüssigkeit (38) zu einem ersten Bereich (44, 46) des Rotors (20) der elektrischen Maschine (10) leitbar und mit dem Rotor (20) in Kontakt bringbar. Bei einer Rotation des Rotors (20) gelangt die Kühlflüssigkeit (38) von dem ersten Bereich (44, 46) des Rotors (20) zu einem zweiten Bereich (48, 50) des Rotors (20). Der Abstand des zweiten Bereichs (48, 50) von der Rotationsachse (22) ist größer als der Abstand des ersten Bereichs (44, 46) von der Rotationsachse (22). Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine (10), welche mit einer Kühlflüssigkeit (38) kühlbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine mit einer Kühlflüssigkeit kühlbaren elektrischen Maschine. Die Kühlvorrichtung umfasst eine Zuführeinrichtung, mit welcher Kühlflüssigkeit der elektrischen Maschine zuführbar ist. Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen eine Rotationsachse aufweisenden Rotor auf. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, welche mit einer Kühlflüssigkeit kühlbar ist.

Bei dem Betrieb elektrischer Maschinen fällt aufgrund der vorhandenen Verlustleistung Wärmeenergie an. Um diese abführen zu können, müssen elektrische Maschinen gekühlt werden. Diese Kühlung wird bei aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen vorwiegend mit Kühlluft (Durchzugsbelüftung) oder Kühlflüssigkeit (Kühlmantel) realisiert. Bei Generatoren wird auch eine Kühlung mit Wasserstoff eingesetzt. In der DE 196 50 572 A1 wird zudem eine Kühlung elektrischer Maschinen mittels eines Ölsumpfs beschrieben, der durch die Rotation des Läufers zerstäubt wird. Dies bringt jedoch Planschverluste mit sich, so dass der Wirkungsgrad einer solchen elektrischen Maschinen nicht optimal ist. Da bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei Asynchronmaschinen, ein Großteil der Wärme im Läufer, insbesondere in den Kurzschlussringen, entsteht, ist eine intensive Kühlung dieser von Vorteil.

Zudem ist bei vielen Anwendungen elektrischer Maschinen der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt. Der zu integrierende Wassermantel oder Lüfter geht hierbei zu Lasten des eigentlichen Bauraums für die elektrische Maschine. Grundsätzlich steigert eine intensive Kühlung der elektrischen Maschine zudem deren Wirkungsgrad.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für eine mit einer Kühlflüssigkeit kühlbaren elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine anzugeben und weiterzubilden, durch welche die vorgenannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll eine intensive Kühlung der elektrischen Komponenten der elektrischen Maschine möglich sein, wobei die Maßnahmen für die Kühlung den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine nicht wesentlich herabsetzen oder nicht zu Lasten des Bauraums der elektrischen Maschine gehen sollen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Erfindungsgemäß ist eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass mit der Zuführreinrichtung Kühlflüssigkeit zu einem ersten Bereich des Rotors der elektrischen Maschine leitbar und mit dem Rotor in Kontakt bringbar ist. Bei einer Rotation des Rotors gelangt die Kühlflüssigkeit aufgrund von auf die Kühlflüssigkeit wirkenden Fliehkräfte von dem ersten Bereich des Rotors zu einem zweiten Bereich des Rotors. Der Abstand des zweiten Bereichs von der Rotationsachse ist größer als der Abstand des ersten Bereichs von der Rotationsachse.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass die mit dem Rotor in Kontakt gebrachte Kühlflüssigkeit aufgrund der Rotation des Rotors und den hiermit verbundenen Fliehkräften nach außen geschleudert wird. Hierdurch erfolgt eine definierte Verteilung der Kühlflüssigkeit innerhalb der elektrischen Maschine. Die Kühlwirkung ergibt sich insbesondere dadurch, dass die Kühlflüssigkeit mit den erwärmten bzw. erhitzten elektrischen Komponenten in Kontakt gebracht wird bzw. von der Kühlflüssigkeit beaufschlagt oder umströmt wird. So ist einerseits der Rotor auf diese Art und Weise kühlbar, andererseits ist hierdurch auch der Stator kühlbar. Bei entsprechender Anordnung und Ausbildung von Rotor, Stator und Zuführreinrichtung ist es in ganz besonders vorteilhafter Weise möglich, sowohl den Rotor als auch den Stator intensiv zu kühlen, insbesondere dann, wenn durch die Ausbildung des Rotors in Zusammenwirkung mit der Zuführreinrichtung der rotierende Rotor als Pumpe für die Kühlflüssigkeit wirkt.

Es ist ein geeignetes Zuführen der Kühlflüssigkeit zu einem ersten Bereich des Rotors der elektrischen Maschine erforderlich, wobei der erste Bereich achsnäher als der zweite Bereich des Rotors angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die Kühlflüssigkeit – bezogen auf die Rotationsachse – dem Rotor weiter innen zugeleitet, so dass aufgrund der wirkenden Fliehkräfte die Kühlflüssigkeit nach außen – zum zweiten Bereich des Rotors und/oder über den zweiten Bereich des Rotors hinaus – geschleudert wird.

Zum Vermeiden von Planschverlusten im Zusammenhang vom Rotor innerhalb der elektrischen Maschine kann es erforderlich sein, dass der Kühlflüssigkeitsstand in der elektrischen Maschine auf einem Niveau gehalten wird, welches im Betriebszustand jedenfalls unterhalb des äußersten Bereichs des Rotors liegt. Dies könnte grundsätzlich dadurch erzielt werden, dass innerhalb der elektrischen Maschine ein Überdruck mit Hilfe eines zweiten Mediums – beispielsweise Luft – erzeugt wird, welcher die der elektrischen Maschine bereits zugeführte Kühlflüssigkeit durch eine entsprechende Kühlflüssigkeitsrückführung oder Abführeinrichtung aus der elektrischen Maschine drängt.

So könnte die elektrische Maschine beispielsweise eine Gas- oder Luftzufuhrleitung aufweisen, durch welche Gas oder Luft unter einem vorgebbaren Druck der elektrischen Maschine zuführbar ist.

Die Zuführeinrichtung könnte jedoch auch eine Mischeinrichtung aufweisen, mit welcher der Kühlflüssigkeit ein Gas, vorzugsweise Luft, beimischbar ist. In diesem Fall wird sowohl die Kühlflüssigkeit zum Kühlen der elektrischen Maschine als auch das Gas bzw. die Luft zum Herstellen des Überdrucks mit Hilfe der Zuführreinrichtung der elektrischen Maschine zugeleitet. Nach dem Einspritzen von Kühlflüssigkeit und Gas findet eine Entmischung statt und das der elektrischen Maschine zugeführte Gas bildet einen Überdruck über der Kühlflüssigkeit aus.

Das Mischen von Kühlflüssigkeit und Gas könnte nach dem Prinzip der Saugstrahlpumpe erfolgen. Hierbei könnte insbesondere vorgesehen sein, dass die Mischeinrichtung eine Zuführleitung aufweist, welche ein düsenförmig ausgebildetes Ende aufweist. Dieser Düse gegenüberliegend angeordnet könnte eine weitere Kühlflüssigkeitsleitung angeordnet sein, welche die aus der Düse der Zuführleitung austretende Kühlflüssigkeit aufnimmt und der elektrischen Maschine zuführt. Die Mischeinrichtung ist derart ausgebildet, dass bei dem Übergang der Kühlflüssigkeit von der Zuführleitung zu der Kühlflüssigkeitsleitung die Kühlflüssigkeit auch Gas oder Luft der Umgebung in der Mischeinrichtung mit aufnimmt – gemäß dem Prinzip der Saugstrahlpumpe -, so dass mit einer derart ausgebildeten Mischeinrichtung der Kühlflüssigkeit mit einfachen konstruktiven Mitteln ein Gas beimischbar ist.

Insbesondere zum Einstellen der Fördermenge der Kühlflüssigkeit pro Zeitintervall und/oder zur Einstellung des Drucks der zugeführten Kühlflüssigkeit könnte die Zuführeinrichtung eine Kühlflüssigkeitspumpe aufweisen. So kann beispielsweise im Zusammenhang mit der Mischeinrichtung das Verhältnis zwischen Kühlflüssigkeit und Gas eingestellt werden oder aber, beispielsweise bei erhöhter Temperatur einer oder mehrerer Komponenten der elektrischen Maschine, die Menge der zur Kühlung dieser Komponenten dienenden Kühlflüssigkeit erhöht werden, wenn die Fördermenge der Kühlflüssigkeit pro Zeitintervall mit der Kühlflüssigkeitspumpe erhöht wird.

Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte die Zuführeinrichtung eine Ventilanordnung aufweisen, mit der unter Druck stehende Kühlflüssigkeit oder von einem bestehenden Kühlflüssigkeitsvolumenstrom die der elektrischen Maschine zugeführte Fördermenge an Kühlflüssigkeit pro Zeitintervall variierbar ist. Im Konkreten könnte ein Ventil vorgesehen sein, mit welchem der wirksame Querschnitt der durch das Ventil fließenden Kühlflüssigkeit variierbar ist und/oder mit welchem der Druck der zugeführten Kühlflüssigkeit einstellbar ist.

Grundsätzlich wird die Stelle bzw. werden die Stellen der elektrischen Maschine, welche mit der Kühlflüssigkeit zu beaufschlagen sind, von der konkreten Ausgestaltung der elektrischen Maschine abhängen. Falls beispielsweise ein innenliegender Rotor im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, könnte vorgesehen sein, mit der Zuführeinrichtung die Kühlflüssigkeit zumindest einer Stirnfläche des Rotors zuzuleiten. Im Konkreten könnte die Zuführeinrichtung beispielsweise ein handelsübliches Hydraulikrohr, ggf. mit einem düsenförmigen Ende, aufweisen. Hierdurch kommt die Kühlflüssigkeit mit der Stirnseite des Rotors in Kontakt, kühlt daher den Rotor von der Stirnseite aus und die Kühlflüssigkeit wird vom rotierenden Rotor nach außen geschleudert.

Der Rotor könnte allerdings auch derart ausgebildet sein, dass mit der Zuführeinrichtung die Kühlflüssigkeit an oder in einen inneren Bereich des Rotors leitbar ist, beispielsweise mittels einer Hohlwelle oder Hohlachse des Rotors. Von dort aus wird aufgrund der wirkenden Fliehkräfte die Kühlflüssigkeit innerhalb des Rotors nach außen geschleudert, so dass der Rotor praktisch von innen gekühlt wird.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor mindestens einen Durchgang auf, durch welchen die Kühlflüssigkeit von dem ersten Bereich des Rotors zu einem zweiten Bereich des Rotors leitbar ist. Der Durchgang könnte im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufend angeordnet sein. Im Konkreten könnte der Durchgang einen Schlitz, eine Nut und/oder eine Bohrung aufweisen. Bevorzugt sind mehrere Durchgänge am Rotor vorgesehen, welche entlang des Umfangs gleichverteilt angeordnet sind, wodurch eine gleichmäßige Kühlwirkung erzielbar ist.

Ein Durchgang könnte einen mäanderförmigen oder kurvenförmigen Verlauf aufweisen. Alternativ oder zusätzlich könnten mehrere Durchgänge einen wabenförmigen oder einen miteinander in Verbindung stehenden Verlauf aufweisen. Somit kann die wirksame Oberfläche zwischen Rotor und Kühlflüssigkeit erhöht werden, so dass eine optimale Kühlwirkung möglich ist.

Falls der Rotor der elektrischen Maschine eine hohe Wärmeentwicklung im Betrieb aufweist und daher zu kühlen ist, sind vorzugsweise die Durchgänge in ihrer Anzahl, in ihrem Maß und/oder in ihrem Verlauf jeweils derart bemessen und angeordnet, dass die Kühlflüssigkeit und ggf. das Gas unter möglichst hohem Wärmeübergang zwischen Rotor und Kühlflüssigkeit von dem ersten Bereich des Rotors zu einem zweiten Bereich des Rotors gelangt.

Falls sowohl der Rotor als auch der Stator der elektrischen Maschine aufgrund der jeweiligen Wärmeentwicklung im Betrieb zu kühlen ist, sind die Durchgänge in ihrer Anzahl, in ihrem Maß und/oder in ihrem Verlauf jeweils derart bemessen und angeordnet, dass die Kühlwirkung der Kühlflüssigkeit und ggf. des Gases auf ein vorgebbares Verhältnis der Kühlwirkung zwischen Rotor und Stator einstellbar ist. So könnte vorgesehen sein, dass fast ausschließlich nur der Stator von der Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Die Durchgänge könnten auch derart dimensioniert bzw. angeordnet sein, dass der Stator und der Rotor zu gleichen Anteilen gekühlt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Mittel vorgesehen, welches zum Leiten der Kühlflüssigkeit von dem ersten Bereich des Rotors zu einem zweiten Bereich des Rotors dient. Vorzugsweise ist dieses Mittel am Rotor angeordnet. Das Mittel könnte mindestens eine seitlich angeordnete Scheibe, einen Sammelring und/oder mehrere Flügel oder Schaufeln aufweisen. Mit anderen Worten könnten am Rotor Schaufeln vorgesehen sein, mit welchen die Kühlflüssigkeit an einem äußeren Bereich des Rotors von innen nach außen leitbar ist. Zusätzlich könnten am Gehäuse der elektrischen Maschine entsprechende Mittel zur Leitung der Kühlflüssigkeit vorgesehen sein, so dass in Zusammenwirkung mit am Rotor angeordneten Mitteln letztendlich eine Kühlflüssigkeitspumpe realisierbar ist.

Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist mit dem Rotor Kühlflüssigkeit in Richtung des Stators der elektrischen Maschine schleuderbar. Hierdurch ist auch der Stator kühlbar, und zwar kann dies in ganz besonders vorteilhafter Weise gezielt erfolgen, indem die am Rotor vorgesehenen Durchgänge und/oder die vorgesehenen Mittel zum Leiten der Kühlflüssigkeit derart ausgebildet sind, dass beispielsweise Wicklungsköpfe oder andere Komponenten des Stators gezielt mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden, so dass hauptsächlich die Komponenten des Stators kühlbar sind, bei welchen die größte Wärmeentwicklung vorliegt. Im Konkreten ist der Durchgang und/oder das Mittel derart ausgebildet, dass die Kühlflüssigkeit in einem vorgebbaren Winkel zur Tangente des Rotors zu dem Stator schleuderbar ist. So könnten beispielsweise Mittel zum Leiten der Kühlflüssigkeit am Rotor vorgesehen sein, welche vergleichbar zu denen eines Kreiselpumpenlüfters mit rückwärts gekrümmten Schaufeln ausgebildet sind.

Für konkrete Anwendungen könnte der Rotor der elektrischen Maschine zumindest teilweise in Form eines Hohlläufers ausgebildet sein. So könnte beispielsweise innerhalb des Hohlläufers ein Getriebebauteil, beispielsweise ein Mischgetriebe, angeordnet sein, wie dies beispielsweise bei der Europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldungsnummer 04101458.0-1523 der Fall ist, deren gesamter Offenbarungsgehalt hier einbezogen wird. Letztendlich kann hierdurch bei einer konkreten Anwendung in vorteilhafter Weise Bauraum eingespart werden.

Zum Abführen der der elektrischen Maschine zugeführten Kühlflüssigkeit ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Abführeinrichtung vorgesehen. Eine solche Abführeinrichtung könnte in einem unteren Bereich der elektrischen Maschine vorgesehen sein. Die von der elektrischen Maschine abgeführte Kühlflüssigkeit könnte beispielsweise zu einem Kühlflüssigkeitskühler leitbar sein, so dass ein Kühlflüssigkeitskreislauf realisiert ist. Im Konkreten könnte die elektrische Maschine für einen Traktor vorgesehen sein, wobei die elektrische Maschine mit dem Getriebeöl eines Getriebes des Traktors kühlbar ist. In diesem Fall könnte der Kühlkreislauf derart ausgebildet sein, dass das Getriebeöl zunächst durch die elektrische Maschine, dann durch das Getriebe und dann durch einen Getriebeölkühler – z.B. von einem Getriebeölpumpe gepumpt – geleitet wird.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Steuer- oder Regelmittel vorgesehen, mit welchem der Kühlflüssigkeitsstand in der elektrischen Maschine einstellbar ist. Zum Vermeiden von Planschverlusten wird der Kühlflüssigkeitsstand derart angesteuert bzw. geregelt, dass dieser im Betrieb der elektrischen Maschine stets unterhalb oder außerhalb des Rotors liegt, so dass der Rotor mit der im unteren Bereich der elektrischen Maschine angeordneten Kühlflüssigkeit nicht in Kontakt gebracht wird. Mit dem Steuer- oder Regelmittel könnte sowohl die Menge der der elektrischen Maschine zugeführten Kühlflüssigkeit als auch die Menge von der der elektrischen Maschine abgeführten Kühlflüssigkeit steuer- bzw. regelbar sein, beispielsweise mit Hilfe von einer oder mehreren Kühlflüssigkeitspumpen.

Besonders bevorzugt, da kostengünstig realisierbar, ist mit dem Steuer- oder Regelmittel der Gasdruck – also eines anderen Mediums als das der Kühlflüssigkeit – innerhalb der elektrischen Maschine steuer- oder regelbar. Hierbei könnte eine Gas- bzw. Luftpumpe vorgesehen sein, mit welcher – beispielsweise über eine separate Gaszufuhr – der Gasdruck innerhalb der elektrischen Maschine einstellbar ist. Hierzu könnte es erforderlich sein, die Zuführreinrichtung und die Abführeinrichtung derart auszubilden, dass im Betrieb der elektrischen Maschine einerseits eine Kühlung mit Hilfe der Kühlflüssigkeit sichergestellt werden kann und andererseits die der elektrischen Maschine zugeführte Kühlflüssigkeit einen vorgebbaren Flüssigkeitsstand nicht überschreitet.

Grundsätzlich könnte als Kühlflüssigkeit eine elektrisch leitende Flüssigkeit verwendet werden. Hierzu wären jedoch sämtliche, mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt kommenden Baugruppen der elektrischen Maschine isoliert auszubilden. Eine kostengünstigere Herstellung der elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann dann erfolgen, wenn die Kühlflüssigkeit nicht elektrisch leitend ausgebildet ist. In diesem Fall müssen nicht sämtliche Baugruppen der elektrischen Maschine, die mit der Kühlflüssigkeit in Kontakt kommen, elektrisch isolierend ausgebildet sein. Bevorzugt wird Öl als Kühlflüssigkeit verwendet, insbesondere Getriebeöl, was elektrisch nicht leitend ist.

Falls der Rotor mit mindestens einem Lager an einem Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagert ist, könnte die Kühlflüssigkeit auch zur Schmierung des Lagers des Rotors nutzbar sein. Hierzu ist eine Kühlflüssigkeit zu verwenden, die auch schmierende Eigenschaften aufweist, beispielsweise Getriebeöl. Dementsprechend ist die Kühlflüssigkeit auch dem Lager geeignet zuzuleiten.

Hinsichtlich einer elektrischen Maschine wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 21 gelöst. Hiernach weist eine elektrische Maschine einen Stator und einen eine Rotationsachse aufweisenden Rotor auf. Die elektrische Maschine ist mit einer Kühlflüssigkeit mit Hilfe einer Kühlvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 20 kühlbar. Mit anderen Worten umfasst die elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 21 eine Zuführeinrichtung, mit welcher Kühlflüssigkeit der elektrischen Maschine zuführbar ist. Die Kühlflüssigkeit ist mit der Zuführreinrichtung einem ersten Bereich des Rotors der elektrischen Maschine zuführbar und mit dem Rotor in Kontakt bringbar. Bei einer Rotation des Rotors gelangt die Kühlflüssigkeit von dem ersten Bereich des Rotors zu einem zweiten Bereich des Rotors. Der Abstand des zweiten Bereichs von der Rotationsachse ist größer als der Abstand des ersten Bereichs von der Rotationsachse. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf den vorangegangenen Teil der Beschreibung verwiesen.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine in Form einer Asynchronmaschine ausgebildet. Dementsprechend weist der Rotor mindestens einen, bevorzugt zwei Kurzschlussringe auf.

Die elektrische Maschine könnte derart ausgebildet sein, dass sie als Motor und/oder als Generator betreibbar ist und somit ein mechanisches Drehmoment oder elektrische Energie zur Verfügung stellt.

Ganz besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine einen innenliegenden Rotor auf, so dass die mit dem Rotor in Kontakt gebrachte Kühlflüssigkeit nach außen schleuderbar ist, wo vorzugsweise unter anderem auch der Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung
1 in einer Querschnittsansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
2 bis 4 jeweils eine perspektivisch Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines am Rotor der elektrischen Maschine angeordneten Bauteils.
In den Fig. sind gleiche oder ähnliche Bauteile bzw. Baugruppen mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. 1 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht eine elektrische Maschine 10, die in Form einer Asynchronmaschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Stator 12, der am Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 12 fixiert ist. Der Stator 12 weist zwei voneinander räumlich getrennte Wickelköpfe 16, 18 auf, welche jeweils ringförmig im Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 10 angeordnet sind. Die elektrische Maschine 10 umfasst weiterhin einen Rotor 20, welcher um eine Rotationsachse 22 drehbar gelagert ist. Hierzu sind an beiden Seiten der elektrischen Maschine 10 Lager 24, 26 vorgesehen.
Der Rotor 20 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist eine Welle 28 sowie eine linke und eine rechte Stirnseite 30, 32 auf. An den Stirnseiten 30, 32 des Rotors 20 sind Kurzschlussringe 34, 36 vorgesehen, die jeweils im Wesentlichen – in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 22 – auf der gleichen Höhe wie die Wickelköpfe 16, 18 angeordnet sind. Des Weiteren weist der Rotor 20 die in 1 nicht gezeigten Kurzschlussstäbe auf, die im äußeren Bereich des Rotors 20 sich jeweils von dem linken Kurzschlussring 34 zum rechten Kurzschlussring 36 erstrecken.
Die elektrische Maschine 10 ist mit einer Kühlflüssigkeit 38 kühlbar. Hierzu ist eine Zuführreinrichtung 40, 42 vorgesehen, mit welcher Kühlflüssigkeit 38 zu einem ersten Bereich 44, 46 des Rotors 20 der elektrischen Maschine leitbar ist und mit dem Rotor 20 – im Konkreten mit den jeweiligen Stirnseiten 30, 32 – in Kontakt bringbar ist. Bei einer Rotation des Rotors 20 wird die Kühlflüssigkeit 38 von dem ersten Bereich 44, 46 des Rotors 20 zu einem zweiten Bereich 48, 50 des Rotors 20 aufgrund der auf die Kühlflüssigkeit 38 wirkenden Fliehkräfte geleitet. Die Zuführreinrichtung 40 bzw. 42 weist jeweils ein Hydraulikrohr auf, mit welchem unter Druck stehende Kühlflüssigkeit 38 jeweils auf die Stirnseite 30 bzw. 32 des Rotors 20 gespritzt wird.
In 1 ist lediglich schematisch angedeutet, dass die dem ersten Bereich 44, 46 des Rotors 20 zugeleitete Kühlflüssigkeit 38 nach außen zum zweiten Bereich 48, 50 durch an den Kurzschlussringen 34, 36 vorgesehene Durchgänge 52, 54 gelangt. Hierdurch wird der Rotor 20 von seinen Stirnseiten 30, 32 her sowie an den Kurzschlussringen 34, 36 intensiv gekühlt. Die durch die Durchgänge 52, 54 hindurchgetretene Kühlflüssigkeit 38 wird vom Rotor 20 nach außen geschleudert, so dass dieses Kühlmittel 38 unmittelbar an den Wickelköpfen 16, 18 auftrifft, wodurch die Wickelköpfe 16, 18 ebenfalls intensiv gekühlt werden. Die nach außen geschleuderte Kühlerflüssigkeit 38 läuft im Inneren des Gehäuses 14 der elektrischen Maschine 10 entlang und wird in einem unteren Bereich in einem Kühlflüssigkeitssumpf 56 gesammelt. Hierbei weist der Kühlflüssigkeitssumpf 56 einen Pegel 58 auf, welcher jedenfalls unterhalb des Rotors 20 liegt.
Zum Abführen der Kühlflüssigkeit 38 ist eine Abführeinrichtung vorgesehen, welche eine Rohrleitung 60 aufweist, die an einem unteren Bereich des Gehäuses 14 der elektrischen Maschine 10 die Kühlflüssigkeit 38 zu einem in den Fig. nicht gezeigten Kühlflüssigkeitskühler leitet. Die elektrische Maschine 10 weist eine Luftzufuhr 62 auf, mit welcher unter Druck stehende Luft der elektrischen Maschine 10 zuleitbar ist. Die der elektrischen Maschine 10 zugeleiteten Luft kann einerseits zum Kühlen der elektrischen Maschine 10 dienen. Andererseits dient die der elektrischen Maschine 10 zugeführte Luft bevorzugt dazu, den Kühlflüssigkeitsstand 58 des Kühlflüssigkeitssumpfs 56 auf einem Niveau zu halten, welches jedenfalls von den unteren äußeren Bereichen 48, 50 des Rotors 20 beabstandet ist, so dass die Kühlflüssigkeit 38 im Kühlflüssigkeitssumpf 56 nicht mit dem rotierenden Rotor 20 in Kontakt kommt und somit keine Planschverluste in der elektrischen Maschine 10 entstehen. Eine Niveauregulierung des Kühlflüssigkeitssumpfs 56 ist dadurch vorgesehen, dass die pro Zeiteinheit der elektrischen Maschine 10 zugeführte Kühlflüssigkeitsmenge sowie die der elektrischen Maschine 10 zugeführte Luft derart geregelt wird, dass der Kühlflüssigkeitsstand 58 einen vorgebbaren oberen Wert nicht überschreitet. Hierzu könnte beispielsweise ein Flüssigkeitsstandsensor 64 vorgesehen sein, welcher den aktuell vorliegenden Kühlflüssigkeitsstand 58 oder ein Überschreiten eines vorgebbaren Kühlflüssigkeitsstands detektiert und einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung zuleitet.
Obwohl in 1 nicht gezeigt, wäre es jedoch denkbar, dass die Kühlflüssigkeit 38 durch die Welle 28 dem Rotor 20 zugeleitet wird, wobei in einem Bereich der Stirnseiten 30, 32 – nicht gezeigte – Bohrungen in der Welle 28 vorgesehen sein könnten, durch welche die Kühlflüssigkeit 38 nahe der Rotationsachse 22 aus der Welle austreten könnte. Hierdurch wäre in einer zur Darstellung aus 1 vergleichbaren Weise ein Kühlflüssigkeitsfluss realisierbar, bei welchem sowohl die Stirnseiten 30, 32 als auch die Kurzschlussringe 34, 36 des Rotors 20 von der Kühlflüssigkeit 38 gekühlt werden könnten.
In den 2 bis 5 sind jeweils in einer perspektivischen Ansicht unterschiedliche Ausführungsformen eines Bauteils 66 gezeigt, welches den Kurzschlussring 34 aufweist oder welches an den Kurzschlussring 34 montierbar ist.
Das Bauteil 66 aus 2 weist eine Bohrung 68 auf, durch welche die Welle 28 des Rotors 20 verläuft. Weiterhin umfasst das Bauteil 66 den Kurzschlussring 34 und einen scheibenförmigen Bereich 70, an welchen sich der Kurzschlussring 34 anschließt. Der Innendurchmesser des Kurzschlussrings 34 ist größer als der Innendurchmesser der auf der Stirnseite des Kurzschlussrings 34 angeordneten Scheibe 72. Somit wird die mit dem scheibenförmigen Bereich 70, der (auch in den 2, 5 und 6) die Stirnfläche des Rotors 20 darstellt, in Kontakt gebrachte Kühlflüssigkeit 38 durch die Fliehkräfte nach außen geschleudert und verbleibt zunächst in dem Bereich 74, welcher von dem schreibenförmigen Bereich 70, von der der Rotationsachse 28 zugewandten Oberfläche des Kurzschlussrings 34 und von der dem scheibenförmigen Bereich 70 zugewandten Oberfläche der Scheibe 72 gebildet ist. Lediglich schematisch ist angedeutet, dass der Kurzschlussring 34 in Form von Bohrungen ausgebildete Durchgänge 52 aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit 38 in der angedeuteten Richtung 75 in Richtung des Stators 12 geschleudert wird.
3 zeigt ein Bauteil 66, welches im Wesentlichen in Form einer Kreisringscheibe 74 ausgebildet ist und welches in seiner Mitte eine Ausnehmung 76 aufweist. Durch diese Ausnehmung 76 verläuft die Welle 28 des Rotors 20. Es sind nahe des äußeren Rands der Kreisringscheibe 74 jeweils im gleichen Abstand Bohrungen 78 vorgesehen, welche zur Befestigung der Kreisringscheibe 74 an dem in 3 nicht gezeigten Kurzschlussring 34 dienen. Ebenfalls nahe des äußeren Rands der Kreisringscheibe 74 sind vertiefte Bereiche 80 vorgesehen, die bei einer am Kurzschlussring 34 montierten Kreisringscheibe 74 jeweils einen nutförmigen und in radialer Richtung verlaufenden Durchgang bilden, durch welchen Kühlflüssigkeit 38 nach außen treten kann. Dementsprechend sind die Bereiche, in welchen die Bohrungen 78 vorgesehen sind, gegenüber den Bereichen 80 in axialer Richtung erhöht angeordnet.
4 zeigt ein dem 3 vergleichbares Bauteil 66, wobei an Stelle der vertieften Bereiche 80 nunmehr rillenförmige Vertiefungen 82 vorgesehen sind. Die rillenförmigen Vertiefungen 82 verlaufen jeweils von innen nach außen, wobei die rillenförmigen Vertiefungen 82 sich kreuzen und somit miteinander verbunden sind. Sie sind derart ausgerichtet, dass für die zwei entgegengesetzten Drehrichtungen des Rotors 20 die Kühlflüssigkeit 38 jeweils im Wesentlichen unter einem Winkel von ca. 45 Grad, gemessen zur Tangente, nach außen geschleudert wird. Die in den 3 und 4 gezeigten Kreisringscheiben 74 werden mit den in diesen Figuren jeweils sichtbaren Stirnseite an dem Kurzschlussring montiert.
5 zeigt einen Kurzschlussring 34, an welchem eine Kreisringscheibe 74 montiert ist, die Flügel 84 aufweist. Diese Flügel 84 sind im Wesentlichen in radialer Richtung orientiert, ragen in axialer Richtung von der Kreisringscheibe 74 ab und sind in gleichem Abstand entlang des Umfangs am Bauteil 66 angeordnet. Solche Bauteile sind auf dem Markt – für Luftkühlungen – erhältlich, so dass in vorteilhafter Weise eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Im Betrieb wird die Kühlflüssigkeit 38 mit Hilfe der Zuführreinrichtung 40 auf den scheibenförmigen Bereich 70 des Bauteils 66 aufgespritzt und wird dann bei der Rotation des Rotors 20 aufgrund der Fliehkräfte nach außen und zwischen den Flügeln 84 hindurch geschleudert.
6 zeigt eine perspektivische Darstellung des Bauteils 66, welches den Kurzschlussring 34 mit dem scheibenförmigen Bereich 70 und der Bohrung 68, durch die die Welle 28 des Rotors verläuft, aufweist. Sowohl der Kurzschlussring 34 als auch die Kreisringscheibe 74 weisen jeweils Bohrungen 78 auf, die miteinander fluchten und durch die mit geeigneten Befestigungsmitteln die Kreisringscheibe 74 an dem Kurzschlussring 34 befestigt werden kann. In 6 ist besonders deutlich der Bereich 74 erkennbar, in welchem die radial nach außen geschleuderte Kühlflüssigkeit 38 zunächst gesammelt wird, bevor sie durch die in 6 nicht gezeigten Durchgänge nach außen durchtreten kann. Die in 6 erkennbare Oberfläche des scheibenförmigen Bereichs 70 bildet letztendlich die Stirnfläche oder eine äußere Oberfläche des Rotors 20.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Kühlvorrichtung für eine mit einer Kühlflüssigkeit kühlbaren elektrischen Maschine, mit einer Zuführeinrichtung (40, 42), mit welcher Kühlflüssigkeit (38) der elektrischen Maschine (10) zuführbar ist, wobei die elektrische Maschine (10) einen Stator (12) und einen eine Rotationsachse (22) aufweisenden Rotor (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Zuführreinrichtung (40, 42) Kühlflüssigkeit (38) zu einem ersten Bereich (44, 46) des Rotors (20) der elektrischen Maschine (10) leitbar und mit dem Rotor (20) in Kontakt bringbar ist, dass bei einer Rotation des Rotors (20) die Kühlflüssigkeit (38) von dem ersten Bereich (44, 46) des Rotors (20) zu einem zweiten Bereich (48, 50) des Rotors (20) gelangt und dass der Abstand des zweiten Bereichs (48, 50) von der Rotationsachse (22) größer als der Abstand des ersten Bereichs (44, 46) von der Rotationsachse (22) ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (40, 42) eine Mischeinrichtung aufweist, mit welcher der Kühlflüssigkeit (38) ein Gas, vorzugsweise Luft, beimischbar ist, und dass insbesondere das Mischen von Kühlflüssigkeit (38) und Gas nach dem Prinzip der Saugstrahlpumpe erfolgt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (40, 42) eine Kühlflüssigkeitspumpe aufweist, mit welcher vorzugsweise die Fördermenge der Kühlflüssigkeit (38) pro Zeitintervall variierbar ist und/oder mit welcher der Druck der zugeführten Kühlflüssigkeit (38) einstellbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (40, 42) eine Ventilanordnung aufweist, mit welcher vorzugsweise von einem bestehenden Kühlflüssigkeitsvolumenstrom die der elektrischen Maschine (10) zugeführte Fördermenge an Kühlflüssigkeit (38) pro Zeitintervall variierbar ist und/oder mit welcher der Druck der zugeführten Kühlflüssigkeit (38) einstellbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Zuführeinrichtung (40, 42) die Kühlflüssigkeit (38) einer Stirnfläche (30, 32) des Rotors (20) zuleitbar ist oder dass mit der Zuführeinrichtung (40, 42) die Kühlflüssigkeit (38) in einen inneren Bereich des Rotors (20) leitbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) mindestens einen Durchgang (52, 54) aufweist, durch welchen die Kühlflüssigkeit (38) von dem ersten Bereich (44, 46) des Rotors (20) zu einem zweiten Bereich (48, 50) des Rotors (20) leitbar ist, und dass der Durchgang (52, 54) vorzugsweise im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufend angeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (52, 54) einen Schlitz (80), eine Nut (82) und/oder eine Bohrung (52) aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchgang (52, 54) einen mäanderförmigen oder kurvenförmigen Verlauf aufweist oder dass mehrere Durchgänge (52, 54) einen wabenförmigen oder einen miteinander in Verbindung stehenden Verlauf aufweisen.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge (52, 54) in ihrer Anzahl, in ihrem Maß und/oder in ihrem Verlauf jeweils derart bemessen und angeordnet sind, dass die Kühlflüssigkeit (38) und ggf. das Gas unter möglichst hohem Wärmeübergang zwischen Rotor (20) und Kühlflüssigkeit (38) von dem ersten Bereich (44, 46) des Rotors (20) zu einem zweiten Bereich (48, 50) des Rotors (20) gelangt.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge (52, 54) in ihrer Anzahl, in ihrem Maß und/oder in ihrem Verlauf jeweils derart bemessen und angeordnet sind, dass die Kühlwirkung der Kühlflüssigkeit (38) und ggf. des Gases auf ein vorgebbares Verhältnis der Kühlwirkung zwischen Rotor (20) und Stator (12) einstellbar.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein – vorzugsweise am Rotor (20) angeordnetes – Mittel (74) vorgesehen ist, welches zum Leiten der Kühlflüssigkeit (38) von dem ersten Bereich (44, 46) des Rotors (20) zu einem zweiten Bereich (48, 50) des Rotors (20) dient.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (74) mindestens eine seitlich angeordnete Scheibe, einen Sammelring und/oder mehrere Flügel (84) oder Schaufeln aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Rotor (20) Kühlflüssigkeit (38) in Richtung des Stators (12) der elektrischen Maschine schleuderbar ist, wodurch der Stator (12) kühlbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (52, 54) und/oder das Mittel (74) derart ausgebildet ist, dass die Kühlflüssigkeit (38) in einem vorgebbaren Winkel zur Tangente des Rotors (20) zum Stator (12) schleuderbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) der elektrischen Maschine (10) zumindest teilweise in Form eines Hohlläufers ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Abführeinrichtung (60), mit welcher die Kühlflüssigkeit (38) von der elektrischen Maschine (10) abführbar ist, wobei die Kühlflüssigkeit (38) vorzugsweise zu einem Kühlflüssigkeitskühler leitbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuer- oder Regelmittel vorgesehen ist, mit welchem der Kühlflüssigkeitsstand in der elektrischen Maschine (10) einstellbar ist, vorzugsweise derart, dass der Kühlflüssigkeitsstand unterhalb des Rotors (20) liegt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Steuer- oder Regelmittel der Gasdruck innerhalb der elektrischen Maschine (10) steuer- oder regelbar ist, wobei eine Gaspumpe vorgesehen sein kann, mit welcher – beispielsweise über eine separate Gaszufuhr (62) – der Gasdruck innerhalb der elektrischen Maschine (10) einstellbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (38) nicht elektrisch leitend ausgebildet ist, und vorzugsweise Öl, insbesondere Getriebeöl, aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) mit mindestens einem Lager (24, 26) an einem Gehäuse (14) der elektrischen Maschine (10) drehbar gelagert ist, und dass die Kühlflüssigkeit (38) zur Schmierung des Lagers (24, 26) des Rotors (20) nutzbar ist.
Elektrische Maschine mit einem Stator (12) und einem eine Rotationsachse (22) aufweisenden Rotor (20), wobei die elektrische Maschine (10) mit einer Kühlflüssigkeit (38) kühlbar ist, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Elektrische Maschine nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Asynchronmaschine und/oder dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) mindestens einen Kurzschlussring (34, 36) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) als Motor und/oder als Generator betreibbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 21 bis 23, gekennzeichnet durch einen innenliegenden Rotor (20).