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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer dynamoelektrischen Radialflussmaschine sowie eine dynamoelektrische Maschine mit einem derartigen Rotor.
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Elektrische Maschinen müssen aufgrund der Verluste, die im Betrieb auftreten, effektiv gekühlt werden. Insbesondere bei hohen elektrischen Leistungen und damit einhergehenden vergleichsweise großen absoluten Wärmeverlusten werden elektrische Maschinen häufig durch einen geschlossenen Kühlkreislauf entwärmt, bei dem eine Kühlflüssigkeit nahe der aktiven Teilen der Maschine geleitet wird. In vielen Fällen wird hierzu ein Kühlmantel auf das Blechpaket eines Stators der elektrischen Maschine geschrumpft, durch das die Kühlflüssigkeit geführt wird.
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Der Kühlkreislauf arbeitet umso effektiver, je näher das Kühlmedium an die aktiven Teile der elektrischen Maschine herangeführt werden kann. In diesem Zusammenhang ist bekannt, eine Kühlflüssigkeit durch axial verlaufende Bohrungen im Blechpaket des Stators zu führen, um Wirbelsturmverluste und Eisenverluste möglichst effektiv abführen zu können. Häufig werden solche Kühlkanäle auch durch Startorzähne bei einem Stator mit Zahnspulenwicklung geführt, um die von den Zahnspulen erzeugten ohmsche Verluste abführen zu können.
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Schwieriger gestaltet sich die Wärmeabfuhr am Rotor, da es sich hierbei um ein rotierendes Teil handelt. Bekannt sind Rotorkühlkonzepte, bei denen die Kühlflüssigkeit über eine als Hohlwelle ausgebildete Welle eingespritzt wird. Die Kühlflüssigkeit wird hier links und rechts des Rotors radial nach außen eingespritzt. Die Kühlflüssigkeit läuft entlang der Rotorstirnseiten und weiter auf die Wickelköpfe. Diese Lösung kühlt den Rotor nur von den Stirnseiten und von der inneren Mantelfläche der Rotorhohlwelle.
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Aus der
US 2019/0074742 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Rotor bekannt, bei dem die Kühlflüssigkeit über eine Rotorwelle in ein Rotorblechpaket eingebracht wird. Das Rotorblechpaket weist axial verlaufende Kühlkanäle auf. Im axial betrachtet mittleren Bereich des Rotorblechpaketes ist eine im Wesentlichen radial verlaufende Zuflussöffnung vorgesehen, über die das Kühlmittel von der Rotorwelle in die axial verlaufenden Kühlkanäle des Blechpaketes gelangt. Einige Bleche des Rotorblechpaketes umfassen darüber hinaus radial verlaufende, sacklochähnliche Passagen, in denen etwaiges Fremdmaterial, das in das Kühlmittel gelangt ist, gesammelt wird.
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Insbesondere permanenterregte elektrische Maschinen weisen im Betrieb eine gewisse Drehmomentwelligkeit auf. Zu deren Reduktion sind verschiedene Maßnahmen aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise in der
DE 101 47 310 A1 sind zur Unterdrückung von Oberwellen einer permanenterregten Synchronmaschine eine Schrägung des Ständers und/oder des Rotors um eine Nutteilung oder einen bestimmten Betrag dieser genannt. Alternativ zur Schrägung kann auch eine sogenannte Staffelung vorgesehen werden, bei der ein Stator- und/oder Rotorblechpaket in verschiedene Teilblechpakete unterteilt wird, die gegeneinander um einen vorbestimmten Verdrehungswinkel verdreht sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen kostengünstigen und hocheffizienten Rotor für eine dynamoelektrische Maschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Der Rotor umfasst ein Rotorblechpaket mit axial übereinandergestapelten Einzelblechen. Diese Einzelbleche sind in der Regel elektrisch voneinander isoliert, um die Ausbildung von Wirbelströmen im Rotor zu vermeiden. Innerhalb des Rotorblechpaketes sind über seinen Umfang Kühlkanäle verteilt, die axial das Rotorblechpaket durchdringen. Diese Kühlkanäle sind mit im Wesentlichen radial verlaufenden Zuflusskanälen verbunden, über die den axial verlaufenden Kühlkanälen ein Kühlmedium zugeführt werden kann.
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Die Zuflusskanäle können eine Einlassöffnung aufweisen, über die ein durch eine Rotorwelle geleitetes Kühlmittel in das Rotorblechpaket eingelassen werden kann. Bei einer solchen Ausführungsform hat zum Beispiel die Rotorwelle selbst einen axial verlaufenden Kühlkanal, über den das Kühlmedium in die Einlassöffnung und somit in die Zuflusskanäle eingebracht werden kann. Die Rotorwelle ist beispielsweise als Hohlwelle ausgebildet. Über die Zuflusskanäle gelangt das Kühlmedium schließlich in die axial verlaufenden Kühlkanäle innerhalb des Rotorblechpaketes.
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Die axial verlaufenden Kühlkanäle können jeweils an den stirnseitigen Enden des Rotorblechpaketes eine Auslassöffnung aufweisen, über die das Kühlmedium das Rotorblechpaket verlässt. Eine dynamoelektrische Maschine mit einem derartigen Rotorblechpaket kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass das aus den Auslassöffnungen heraustretende Kühlmittel auf die Wickelköpfe der Statorwicklung gespritzt wird, um diese zu entwärmen.
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Der Fertigungsaufwand des Rotors wird dadurch signifikant reduziert, dass besagte Einzelbleche einen gleichen Blechschnitt aufweisen. Um dies zu ermöglichen, umfasst jedes Einzelblech Kühlkanallöcher und Zuflusskanallöcher.
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Insbesondere zur Reduktion von Drehmomentwelligkeiten ist das Rotorblechpaket gestaffelt ausgebildet. Es umfasst eine Anzahl gegeneinander verdrehter Teilblechpakete. Die Herausforderung besteht nun darin, mit einem einzigen Blechschnitt für den Rotor einen gestaffelten Läufer mit axial durchgehenden Kühlkanälen zu realisieren. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass die Zuflusskanallöcher der Einzelbleche eines ersten Teilblechpaketes axial mit den Kühlkanallöchern der Einzelbleche der verbleibenden Teilblechpakete überlappen. Beispielsweise tritt ein Kühlmedium von einem in einer Rotorwelle ausgebildeten Kühlkanal in den im ersten Teilblechpaket ausgebildeten radial verlaufenden Zuflusskanal ein. Dieser Zuflusskanal mündet in die axial verlaufenden Kühlkanäle der angrenzenden Teilblechpakete. Zum Beispiel fliehkraftbedingt wird das Kühlmedium vom Zuflusskanal in diese axialen Kühlkanäle gefördert. Die Kühlkanäle weiterer angrenzender Teilblechpakete überlappen mit den Kühlkanälen der an das erste Teilblechpaket angrenzenden Kühlkanäle, sodass sich von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite des Rotors durchgängige Kühlkanäle ergeben. Hierbei wird die Aufgabe des axial verlaufenden Kühlkanal innerhalb des ersten Teilblechpaketes von dem Abschnitt des Zuflusskanals, dessen Querschnittsfläche mit der Querschnittsfläche des axial verlaufenden Kühlkanals überlappt, übernommen. Das Kühlmedium kann an Auslassöffnungen der stirnseitigen Teilblechpakete schließlich den Rotor verlassen.
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Die Durchgängigkeit der axial verlaufenden Kühlkanäle bei gleichzeitiger Staffelung des Rotors lässt sich beispielsweise dadurch gewährleisten, dass die Zuflusskanallöcher und die Kühlkanallöcher gleichmäßig über den Umfang der Einzelbleche verteilt sind und einen umfangsseitigen Abstand zueinander haben, dessen Bogenmaß dem Verdrehungswinkel axial benachbarter Teilblechpakete entspricht. Alternativ kann der Verdrehungswinkel auch ein ganzzahliges Vielfaches dieses Bogenmaßes sein.
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Zum Beispiel dann, wenn eine Zufuhr des Kühlmediums zum Rotorblechpaket über einen axialen Kühlkanal in der Rotorwelle in der axialen Mitte des Rotorblechpaketes vorgesehen ist, ist es zweckmäßig, wenn das erste Teilblechpaket in der Mitte des Rotorblechpaketes angeordnet ist. Bei einer solchen Ausführungsform gelingt auch eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels in die axialen Kühlkanäle auf beiden Seiten des ersten Teilblechpaketes auf einfache Art und Weise.
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Die Teilblechpakete können jeweils mit Permanentmagneten zur Erzeugung eines Rotorfeldes bestückt sein. Um eine optimale Kühlung der Permanentmagneten des Rotors zu gewährleisten, können die Kühlkanäle radial unterhalb der Permanentmagnete angeordnet sein. Die Permanentmagnete können beispielsweise auf der insbesondere zylindrischen Außenfläche der Teilblechpakete aufgeklebt sein. Häufig und insbesondere bei sehr hohen Maschinendrehzahlen ist es aber zweckmäßig, dass die umfangseitig angeordneten Permanentmagnete in axial verlaufenden, oberflächennahen Magnettaschen eingeschoben sind. Um ein Konzentrationseffekt für den von den Permanentmagneten erzeugten Rotorfluss zu bewirken, können benachbarte Magnettaschen V-förmig zueinander angestellt sein. Durch die erfindungsgemäße Verdrehung der aneinander angrenzenden Teilblechpakete zueinander sind auch die Permanentmagnete der einzelnen Teilblechpakete umfangseitig gegeneinander verdreht. Hierdurch entsteht in dieser vorteilhaften Ausführungsform der Effekt der Staffelung, der die Drehmomentwelligkeit einer dynamoelektrischen Maschine mit einem derartigen Rotor in signifikanter Weise reduzieren kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines Kühlmittelpfades gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine stirnseitige Aufsicht auf Teilblechpakete eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 3 eine schematische Illustration des Kühlmittelverlaufs durch die Teilblechpakete nach 2 und
- 4 eine Prinzipdarstellung eines gestaffelten Rotors nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines Kühlmittelpfades innerhalb einer Ausführungsform des Rotors. Dargestellt sind Abschnitte des Rotors inklusive der Rotorwelle 10 und des Rotorblechpaketes 11 sowie eines über einen Luftspalt 14 vom Rotor beabstandeten Stators inklusive eines Statorblechpaketes 12 und einer Statorwicklung 13.
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Die Rotorwelle 10 hat einen Einlasskanal 16, der sich links der Mitte der Rotorwelle 10 axial erstreckt und dem Zufluss eines Kühlmediums, insbesondere eines Öls, zum Rotorblechpaket 11 dient. Der Einlasskanal 16 mündet in eine innerhalb der Rotorwelle 10 radial verlaufende Bohrung, von der das Kühlmittel fliehkraftgetrieben schließlich in einen Zuflusskanal 7 des Rotorblechpaketes 11 gelangt. Auch der Zuflusskanal 7 erstreckt sich im Wesentlichen radial. Dieser mündet in einen axial verlaufenden Kühlkanal 6, der sich zwischen beiden Stirnseiten des Rotorblechpaketes 11 erstreckt. An den beiden Stirnseiten des Rotorblechpaketes 11 endet der axial verlaufende Kühlkanal an Auslassöffnungen, aus denen das Kühlmittel austritt und über Ableitbleche 15 zu Wickelköpfen 13 einer Statorwicklung geleitet wird. Da auch die Wickelköpfe 13 eine erhebliche Wärmequelle darstellen, ist es sinnvoll, diese in den Kühlmittelpfad zu integrieren.
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Die axial verlaufenden Kühlkanäle 6 liegen radial betrachtet oberhalb von Permanentmagneten 9. Da die maximal zulässige Betriebstemperatur von Seltenenerdenmagneten, wie sie häufig in leistungsstarken Elektromotoren eingesetzt werden, begrenzt ist, ist es sinnvoll, den Abstand zwischen den axial verlaufenden Kühlkanälen 6 und den Permanentmagneten 9 möglichst gering zu halten.
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Das Rotorblechpaket 11 umfasst axial aneinandergrenzende Einzelbleche, die zur Vermeidung von Wirbelströmen elektrisch voneinander isoliert sind. Der Zuflusskanal 7 wird dadurch realisiert, dass die im mittleren Bereich des Rotorblechpaketes 11 angeordneten Einzelbleche in der hier gewählten Schnittebene eine entsprechende Öffnung aufweisen, die einen radialen Eintritt des Kühlmittels ermöglicht. Die axial an den Zuflusskanal 7 angrenzenden Einzelbleche haben in der dargestellten Schnittebene betrachtet diese Öffnung nicht. Vielmehr liegen in der Schnittebene dieser Einzelbleche Bohrungen, die die Ausbildung des axial verlaufenden Kühlkanals 6 ermöglichen. Bei den beiden stirnseitigen Einzelblechen bilden diese Bohrungen die Austrittsöffnungen für das Kühlmittel. Um eine möglichst wirtschaftliche Fertigung des Rotors zu ermöglichen, ist dessen Rotorblechpaket 11 dennoch aus identischen Elektroblechen aufgebaut.
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Um dies zu erläutern, zeigt 2 eine stirnseitige Aufsicht auf Teilblechpakete 1-5 eines Rotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 3 zeigt ergänzend eine schematische Illustration des Kühlmittelverlaufs durch die Teilblechpakete 1-5 nach 2.
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Insgesamt ist das Rotorblechpaket aus den dargestellten 5 Teilblechpaketen 1-5 aufgebaut, die jeweils eine zylindrische Form aufweisen und aus Einzelblechen gleichen Blechschnitts bestehen. Zur Ausbildung des ebenfalls zylinderförmigen Rotorblechpaketes werden die fünf Teilblechpakete 1-5 axial hintereinander angeordnet. Das gesamte Rotorblechpaket umfasst demnach Einzelbleche, die allesamt den gleichen Blechschnitt aufweisen. Dieser Blechschnitt ist in 2 in einer Aufsicht zu erkennen.
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Jedes der Teilblechpakete 1-5 weist axial verlaufende Kühlkanäle 6 auf, die umfangseitig verteilt sind. Zudem umfasst jedes der Teilblechpakete 1-5 Zuflusskanäle 7, die ebenfalls umfangseitig verteilt sind. Die Zuflusskanäle 7 sind in Umfangsrichtung betrachtet äquidistant angeordnet. Zwischen zwei Zuflusskanälen 7 liegen jeweils zwei axial verlaufende Kühlkanäle 6, die ebenfalls durch ein immer gleiches Bogenmaß voneinander beabstandet sind. Das Bogenmaß zwischen zwei Kanälen, egal ob Zuflusskanal oder Kühlkanal, ist für jedes Einzelblech stets gleich.
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Die Teilblechpakete 1-5 sind von links nach rechts in 2 betrachtet jeweils um einen Winkel gegeneinander im Uhrzeigersinn verdreht, der dem Winkel entspricht, der den Abstand zweier nebeneinanderliegender Kanäle 6,7, egal ob Zuflusskanal 7 oder Kühlkanal 6, entspricht. In diesem gegeneinander verdrehten Zustand sind die dargestellten Teilblechpakete 1-5 im fertigen Rotorblechpaket axial aufeinandergestapelt und zwar derart, dass sich ein erstes Teilblechpaket 1 in der axialen Mitte des Rotorblechpaketes befindet.
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Die unterschiedlichen Schraffierungen in 2 zeigen beispielhaft den Kühlmittelfluss in drei umfangsseitigen nebeneinanderliegenden axial verlaufenden Kühlkanälen 6. Das erste Teilblechpaket 1 wird über die Rotorwelle mit Kühlmittel gespeist. Dieses gelangt in die Zuflusskanäle 7. Fliehkraftbedingt wird das Kühlmittel nunmehr vom ersten Teilblechpaket 1 in die benachbarten Teilblechpakete, nämlich linksseitig in ein zweites und rechtsseitig in ein drittes Teilblechpaket 2, 3 gefördert. Durch die Verdrehung der Teilblechpakete 1-5 zueinander befindet sich der Zuflusskanal 7 des ersten Teilblechpaketes 1 jeweils in Überdeckung mit einem axial verlaufenden Kühlkanal 6 des zweiten Teilblechpakets 2 und des dritten Teilblechpakets 3. Von dort aus gelangt das Kühlmittel weiter in randseitige vierte und fünfte Teilblechpakete 4,5, deren axiale Kühlkanäle 6 ebenfalls in Überdeckung sind mit axialen Kühlkanälen 6 der zweiten und dritten Teilblechpakete 2, 3.
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Das vierte Teilblechpaket 4 ist gegenüber dem zweiten Teilblechpaket 2 ebenfalls um einen Verdrehungswinkel verdreht, der dem Abstand der umfangseitig benachbarten Kühlkanäle 6 entspricht. Durch diese Winkelentsprechung ist gewährleistet, dass die Kühlkanäle 6 des vierten Teilblechpaketes 4 mit den Kühlkanälen 6 des zweiten Teilblechpaketes 2 in Überdeckung liegen. Die Verhältnisse sind bezüglich des dritten Teilblechpaketes und des hierzu verdrehten fünften Teilblechpaketes 5 analog.
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4 zweigt eine Prinzipdarstellung eines gestaffelten Rotors nach einer Ausführungsform der Erfindung. Es zeigt Teilblechpakete 1-5, deren prinzipieller Aufbau bereits im Zusammenhang mit den 2 und 3 beschrieben wurde, in einem zusammengebauten Zustand. Die Teilblechpakete 1-5 sind an ihrem Außenumfang mit Permanentmagneten 9 bestückt. Sämtliche Einzelbleche der Teilblechpakete 1-5 umfassen auch hier wieder den gleichen Blechschnitt. Dadurch, dass die an sich baugleichen Teilblechpakete 1-5 um den bereits beschriebenen Verdrehungswinkel gegeneinander verdreht sind, sind auch die Permanentmagnete 9 am Außenumfang der Teilblechpakete 1-5 umfangseitig versetzt zueinander um diesen besagten Verdrehungswinkel angeordnet. Auf diese Art und Weise entsteht ein sogenannter Staffelläufer, der einen signifikanten Beitrag zur Reduktion der unerwünschten Drehmomentwelligkeit in einer dynamoelektrischen Maschine leistet.
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Durch den erfinderischen Gedanken der Verdrehung einzelner Teilblechpakete 1-5 mit gleichen Blechschnitt gegeneinander kann also nicht nur eine sehr einfache Fertigung eines insbesondere flüssigkeitsgekühlten Rotors ermöglicht werden, sondern zusätzlich das dynamische Verhalten der elektrischen Maschine durch dieselbe Maßnahme verbessert werden, sofern die Teilblechpakete 1-5 mit Permanentmagneten 9 bestückt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1-5
- Teilblechpaket
- 6
- Kühlkanal
- 7
- Zuflusskanal
- 8
- Einlassöffnung
- 9
- Permanentmagnete
- 10
- Rotorwelle
- 11
- Rotorblechpaket
- 12
- Statorblechpaket
- 13
- Statorwicklung
- 14
- Luftspalt
- 15
- Ableitblech
- 16
- Einlasskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2019/0074742 A1 [0005]
- DE 10147310 A1 [0006]
