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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs ist aus dem Stand der Technik bekannt. Aus der
DE 10 2019 124 208 A1 ist eine elektrische Maschine, ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine bekannt.
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Allgemein ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors / -generators, mit einer Flüssigkeit zu kühlen. Die Kühlung des Rotors und möglicherweise auch des Stators einer elektrischen Maschine ist ein entscheidender Beitrag für die von dieser maximal darstellbaren Leistung. In ausgeführten Konstruktionen ist es bekannt, die als Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle mittels Öl, welches in diese Hohlwelle geführt wird, gekühlt wird. Das Öl kann dazu axial in die Hohlwelle eingeleitet werden. Über einen radial außenliegenden Rückströmungskanal oder über in radialer Richtung verlaufende Bohrungen wird das Öl infolge der Zentrifugalkraft aus der Welle in das Gehäuse der elektrischen Maschine ausgeleitet. Das Öl kühlt beim Durchströmen der Rotorwelle und des Gehäuses Rotor und Stator und fließt aus der elektrischen Maschine, insbesondere in eine Ölwanne, ab.
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Eine derartige Wärmeabfuhr aus dem Rotor über die Kühlung der Hohlwelle mittels ist gering, dies kann sowohl durch eine geringe Wärmekapazität von Öl und eine relativ langsame Strömungsgeschwindigkeit desselben durch den Rotor verursacht sein. Infolge dieser geringen Kühlwirkung kann es vorgesehen sein, dass der Rotor auch durch das aus der Hohlwelle austretende und auf den Rotor auftreffende Öl direkt gekühlt wird um eine zusätzliche Kühlung zu bewirken. Dieses Kühlprinzip des Rotors bzw. das daraus resultierende Prinzip einer nasslaufenden elektrischen Maschine, bei welcher der Rotor auch auf seiner Außenseite mit Öl zur Kühlung in Berührung gebracht wird, erhöht die Reibungsverluste für den Rotor, selbst wenn im Gehäuse wenigstens teilweise ein Aerosol und vorhanden ist, ist die Reibung erhöht. Insbesondere in Anwendung einer elektrischen Maschine als Traktionsmaschine (Motor/Generator in einem Kraftfahrzeug) sind im Betrieb dieser hohen Drehzahlen zu erwarten und aufgrund dieser und des erforderlichen geringen Luftspalts zwischen Rotor und Stator führt Öl im Gehäuse der elektrischen Maschine zu einer erhöhten Verlustleistung und verschlechtert die Effizienz dieser. Weiter kann eine geringe Wärmeabfuhr die maximal darstellbare Leistung oder wenigstens den Zeitraum über welchen diese mit der elektrischen Maschine darstellbar ist begrenzen. Wasserbasierte Kühlmedien weisen eine höhere Wärmekapazität als Öl auf, sind aber auf Grund der im Betrieb der spannungsführenden Bauteile im Bereich von Rotor und Stator nicht einsetzbar.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine mit verbesserter Effizienz anzugeben, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung betrifft eine Rotorvorrichtung, welche in einem elektromechanischen Energiewandler einsetzbar ist. Weiter weist die Rotorvorrichtung eine Hohlwellenkühlung auf. Im Sinn der Erfindung ist unter einem elektromechanischen Energiewandler ein Elektromotor / -generator zu verstehen, welcher zur Wandlung von elektrischer Leistung (Strom, Spannung) in mechanische Leistung (Drehzahl, Drehmoment) oder umgekehrt eingerichtet ist. Weiter vorzugsweise ist dieser elektromechanische Energiewandler als sogenannte Traktions-E-Maschine ausgebildet und besonders bevorzugt zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug eingerichtet. Ein solcher elektromechanischer Energiewandler weist im Wesentlichen einen Stator und einen Rotor, welcher gegenüber dem Stator drehbar ist, auf. Der Stator ist vorzugsweise zum Erzeugen eines Felds, vorzugsweise eines elektrischen oder magnetischen Felds eingerichtet. Die Rotorvorrichtung ist demnach als Rotor für einen solchen elektromechanischen Energiewandler ausgebildet. Zur Abgabe beziehungsweise Aufnahme mechanischer Leistung (Drehzahl, Drehmoment) ist die Rotorvorrichtung um eine Rotorachse drehbar gelagert, vorzugsweise ist die Rotorvorrichtung, insbesondere berührungslos, durch das vom Rotor hervorgerufene Feld gegenüber diesem drehbar. Weiter weist die Rotorvorrichtung einen Strömungskanal auf, welcher als Ausnehmung in dieser Rotorvorrichtung ausgebildet ist. Der Strömungskanal weist einen Strömungskanal-Einlass auf, durch welchen ein Temperiermedium in die Rotorvorrichtung eintreten kann. Weiter ist in der Rotorvorrichtung und vorzugsweise an einem dem Strömungskanal-Einlass gegenüberliegenden Ende, insbesondere bei einer Betrachtung entlang der Rotorachse, des Strömungskanals ein Strömungskanal-Umlenkpunkt angeordnet. Im Sinn der Erfindung ist unter dem Strömungskanal-Umlenkpunkt der Ort zu verstehen, an welchem die Strömungsrichtung eines planmäßig durch die Rotorvorrichtung strömenden Temperiermediums in seiner Richtung umgekehrt oder wenigstens im Wesentlichen umgekehrt wird. Diese Hohlwellenkühlung ist funktional dazu eingerichtet, ein flüssiges Temperiermedium durch den Strömungskanal zu führen und, insbesondere wenigstens bei einer Drehung der Rotorvorrichtung um die Rotorachse, in eine Kühlströmungsrichtung zu leiten. Vorzugsweise ist die Kühlströmungsrichtung von dem Strömungskanal-Einlass zu diesem Strömungskanal-Umlenkpunkt gerichtet.
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Weiter ist dieser Strömungskanal, beziehungsweise die Ausnehmung in der Rotorvorrichtung, durch welche dieser gebildet ist, entlang der Rotorachse, wenigstens abschnittsweise oder vollständig, als konusförmig Ausnehmung in der Rotorvorrichtung ausgebildet. Weiter vorzugsweise weitet sich diese konusförmige Ausnehmung entlang der Rotorachse in der Kühlströmungsrichtung, wenigstens abschnittsweise, auf. Insbesondere durch diese Gestaltung des Strömungskanals wird bei einer Drehung der Rotorvorrichtung um die Rotorachse eine Strömung eins flüssigen Temperiermediums im Strömungskanal in dieser Kühlströmungsrichtung hervorgerufen. Weiter vorzugsweise weist die Rotorvorrichtung wenigstens einen Rückströmungskanal auf, welcher den Strömungskanal-Umlenkpunkt fluidleitend mit einem Rückströmkanal-Auslass verbindet. Vorzugsweise ist der Rückströmkanal-Auslass bezogen auf die Erstreckung der Hohlwellenvorrichtung entlang der Rotorachse näher am Strömungskanal-Einlass angeordnet als am Strömungskanal-Umlenkpunkt. Weiter ist der Rückströmungskanal wenigstens abschnittsweise radial außerhalb des Strömungskanals angeordnet, vorzugsweise ist dieser vollständig radial außerhalb des Strömungskanals angeordnet. Insbesondere mit einer solchen Ausgestaltung ist es erreichbar, dass durch die konusförmige Gestalt des Strömungskanals und der sich damit ausbildenten Sogwirkung bei Rotation der Rotorvorrichtung um die Rotationsachse eine Kühlmediumsströmung vom Strömungskanal-Einlass hin zum Strömungskanal-Umlenkpunkt entsteht und weiter strömt Temperiermedium mittels dieser Sogwirkung durch den Rückströmungskanal in geometrisch gegenläufiger Richtung im Strömungskanal vom Strömungskanal-Umlenkpunkt zum Rückströmkanal-Auslass. Bildlich gesprochen wird die Rotorvorrichtung so zweifach von dem Temperiermedium (1. Strömungskanal-Einlass zum Strömungskanal-Umlenkpunkt, 2. Strömungskanal-Umlenkpunkt zum Rückströmkanal-Auslass) und so ist eine längere Verweildauer des Temperiermediums in der Rotorvorrichtung erreichbar und damit ein besserer Energieübergang aus der Rotorvorrichtung in das Temperiermedium oder umgekehrt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens ein solcher Rückströmkanal, oder vorzugsweise mehrere und besonders bevorzugt alle, ausgehend von seinem Strömungskanal-Umlenkpunkt hin zu seinem Rückströmkanal-Auslass einen nach radial außen ansteigenden Verlauf auf. Insbesondere mittels einer solchen Ausgestaltung ist es erreichbar, dass im Betrieb der Rotorvorrichtung bei welchem diese um die Rotationsachse rotiert auf näher am Rückströmkanal-Auslass und damit weiter radial weiter Außen platziertes Temperiermedium stärkere Fliehkräfte einwirken und zu einer Strömung Richtung zum Rückströmkanal-Auslass führen oder anders gewendet, bildet sich bei einer Drehung der Rotorvorrichtung eine Vorzugsströmungsrichtung für ein durch den Rückströmungskanal geführtes Medium vom Strömungskanal-Umlenkpunkt hin zum Rückströmkanal-Auslass und verbessert so die Wirkweise der Rotorvorrichtung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Rotorvorrichtung weist diese eine Rotorwelle auf und dass der Strömungskanal und der Rückströmungskanal oder wenigstens einer dieser Kanäle wenigstens abschnittsweise in dieser Rotorwelle angeordnet sind. Weiter vorzugsweise weist die Rotorvorrichtung eine Rotoreinlasseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein Temperiermedium während des Betriebs der Rotorvorrichtung in die Rotorwelle einzuleiten. Weiter vorzugsweise ist die Rotorwelle gegenüber der Rotorwelleneinlasseinrichtung drehbar gelagert. Vorzugsweise ist der Strömungskanal-Einlass in der Rotoreinlasseinrichtung ausgebildet ist und bevorzugt ist zwischen der Rotoreinlasseinrichtung und der Rotorwelle eine Rotoreinlassdichtung angeordnet. Insbesondere ist die Rotoreinlassdichtung dazu eingerichtet, ein unplanmäßiges Austreten von Temperiermedium zwischen der Rotoreinlasseinrichtung und der Rotorwelle hindurch zu vermeiden. Vorzugsweise ist die Rotoreinlassdichtung als berührungslose Dichtung ausgebildet und bevorzugt als berührende Dichtung. Insbesondere eine berührungslose Dichtung weist geringe Verluste auf, so dass mit einer solchen eine effiziente elektrische Antriebsmaschine darstellbar ist, insbesondere mit einer berührenden Dichtung ist eine hohe Dichtwirkung erreichbar, so dass mit einer solchen, eine hohe Betriebssicherheit erreichbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weise die Rotorvorrichtung eine Strömungskanal-Umlenkung auf. Vorzugsweise ist die Strömungskanal-Umlenkung fluidleitend wenigstens mit dem Strömungskanal verbunden, weiter vorzugsweise ist die Strömungskanal-Umlenkung fluidleitend mit dem Rückströmungskanal verbunden und weiter vorzugsweise mit beiden Kanälen (Strömungskanal, Rückströmkanal). Weiter vorzugsweise ist der Strömungskanal-Umlenkpunkt in der Strömungskanal-Umlenkung angeordnet. Insbesondere durch die Strömungskanal-Umlenkung ist es erreichbar, dass ein durch den Strömungskanal und den Rückströmungskanal geführtes Tempereiermedium „lange“ mit der Rotorvorrichtung in Kontakt bleibt und so eine große Wärmemenge von dieser aufnehmen oder an diese abgeben kann.
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In einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung weist die Rotorvorrichtung eine Rotorauslasseinrichtung auf. Weiter vorzugsweise ist die Rotorwelle gegenüber der Rotorwellenauslasseinrichtung, insbesondere im planmäßigen Betrieb der Rotorvorrichtung drehbar. Weiter vorzugsweise ist der Rückströmkanal-Auslass in der Rotorauslasseinrichtung ausgebildet, beziehungsweise ist der Rückströmkanal-Auslass derart in der Rotorwelle ausgebildet, dass Temperiermedium aus der Rotorwelle, insbesondere aus dem Rückströmkanal, in die Rotorauslasseinrichtung im planmäßigen Betrieb der Rotorvorrichtung austritt. Vorzugsweise ist zwischen der Rotorauslasseinrichtung und der Rotorwelle eine Rotorauslassdichtung angeordnet, welche dazu eingerichtet ist, ein unplanmäßiges Austreten von Temperiermedium zwischen der Rotorwelle und der Rotorauslasseinrichtung zu verhindern. Vorzugsweise ist diese Dichtung als berührungslose Dichtung, insbesondere zum Erreichen einer hohen Effizienz, und weiter vorzugsweise als eine berührende Dichtung, insbesondere zum Erreichen einer guten Dichtwirkung, ausgebildet.
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Weiter ist neben der Rotorvorrichtung auch eine elektrische Maschine mit einer solchen Rotorvorrichtung vorgeschlagen. Eine derartige Rotorvorrichtung ermöglicht insbesondere einen hohen Wärmeübergang von der Rotorvorrichtung auf ein durch diese geführtes Temperiermedium und weiter ist somit eine hohe Leistungsdichte mit einer solchen elektrischen Maschine erreichbar. Vorzugsweise ist bei einer solchen elektrischen Maschine die Rotorvorrichtung wenigstens in radialer Richtung von einer Statorvorrichtung umgeben. Insbesondere ist die elektrische Maschine als ein elektromechanischer Energiewandler mit einer solchen Statorvorrichtung und mit einer solchen Rotorvorrichtung oder kurz mit einem Stator und einem Rotor ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Rotorvorrichtung innerhalb, insbesondere in radialer Richtung, der Gehäusevorrichtung angeordnet und weiter überdeckt die Statorvorrichtung die Rotorvorrichtung in axialer Richtung, insbesondere also entlang der Rotationsachse wenigstens abschnittsweise oder vorzugsweise vollständig. Weiter vorzugsweise ist geometrisch zwischen der Gehäusevorrichtung und der Rotorvorrichtung ein Maschineninnenraum ausgebildet, insbesondere ist der sogenannte Luftspalt zwischen der Statorvorrichtung und der Rotorvorrichtung Bestandteil dieses Maschineninnenraums und vorzugsweise ist mittels der Rotoreinlassdichtung oder der Rotorauslassdichtung oder mittels dieser beiden Dichtungen der Maschineninnenraum gegenüber dem Strömungskanal in der Rotorvorrichtung fluiddicht abgeschlossen, so dass insbesondere im planmäßigen Betrieb der elektrischen Maschine damit verhindert ist, dass durch die Rotorvorrichtung tretendes Medium in den Maschineninnenraum gelangt. Insbesondere mittels einer solchen Ausgestaltung ist einerseits eine hoher Wärmeübertrag in der Rotorvorrichtung erreichbar und andererseits kann insbesondere oben genannter Luftspalt gering ausgebildet werden, was zu einer effizienten elektrischen Maschine beiträgt.
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Nachfolgend sind einzelne Merkmale und bevorzugte Kombination von Merkmalen in den Figuren dargestellt und näher erläutert, dabei ist darauf hingewiesen, dass auch andere als die dargestellten Merkmalskombinationen grundsätzlich möglich sind, es zeigt:
- 1: eine Rotorvorrichtung gemäß der vorgeschlagenen Art in einer Längsschnittdarstellung,
- 2: eine schematisierte Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine mit einer solchen Rotorvorrichtung.
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In 1 ist eine Längsschnittdarstellung einer Rotorvorrichtung 1 mit einer Hohlwellenkühlung für einen elektromechanischen Energiewandler teilweise schematisiert dargestellt. Der elektromechanischen Energiewandler, in welchem die dargestellt Rotorvorrichtung 1 einsetzbar ist, weist zudem einen Stator / Statorvorrichtung zur Erzeugung wenigstens eines Magnetfeldes, insbesondere eines Drehfelds, auf. Die vorgeschlagene Rotorvorrichtung 1, ist im planmäßigen Betrieb durch dieses wenigstens ein Magnetfeld gegenüber diesem Stator um eine Rotorachse 2 drehbar. Weiter weist die Rotorvorrichtung 1 einen Strömungskanal 3 und einen Strömungskanal-Einlass 4 in diese auf. In der Rotorvorrichtung 1 ist zudem ein Strömungskanal-Umlenkpunkt 5 angeordnet, an welchem ein Kühlmediumszustrom 16, welcher durch den Strömungskanal-Einlass 4 in den Strömungskanal 3 eintritt und in Kühlströmungsrichtung 6 zu einem Rückströmungskanal 7 strömt, umgelenkt wird.
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Weiter ist die in der Rotorvorrichtung 1 vorgesehene Hohlwellenkühlung dazu eingerichtet, ein flüssiges Temperiermedium, insbesondere das sogenannte Kühlmedium, durch den Strömungskanal 3, beziehungsweise durch die während einer Drehung der Rotorvorrichtung 1 um die Rotorachse 2 auf diese einwirkenden Fliehkräfte, in der Kühlströmungsrichtung 6 zu leiten. Der Strömungskanal 3 weist zum Ausnutzen dieser Fliehkräfte und zum Erzeugen der Kühlströmungsrichtung 6 dieses Kühlmediums vom Strömungskanal-Einlass 4, hin zum Strömungskanal-Umlenkpunkt 5, entlang der Rotorachse 2 wenigstens abschnittsweise oder vollständig eine konusförmig Ausnehmung in der Rotorwelle 10 auf, beziehungsweise ist als eine solche Ausnehmung in der Rotorvorrichtung 1 ausgestaltet, welche sich in Kühlströmungsrichtung 6, also in Richtung vom Strömungskanal-Einlass 4 hin zum Strömungskanal-Umlenkpunkt 5, aufweitet.
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Weiter ist in der Rotorvorrichtung 1 ein oder mehrere Rückströmungskanäle 7 angeordnet. Der wenigstens eine Rückströmungskanal 7 verbindet den Strömungskanal-Umlenkpunkt 5 fluidleitend mit einem Rückströmkanal-Auslass 8 und führt damit dazu, dass Kühlmedium aus dem Strömungskanal 3 durch den Rückströmkanal-Auslass 8 wieder aus der Rotorvorrichtung 1 austreten kann. Dieser Rückströmkanal-Auslass 8 ist bezogen auf die Erstreckung der Hohlwellenvorrichtung 1 entlang der Rotorachse 2 näher am Strömungskanal-Einlass 4, als am Strömungskanal-Umlenkpunkt 5. Weiter ist der Rückströmungskanal 7 wenigstens abschnittsweise, vorzugsweise aber vollständig, radial außerhalb des Strömungskanals 3 angeordnet ist und dass das Kühlmedium in diesem Rückströmungskanal 7 im planmäßigen Betrieb der Rotorvorrichtung 1 im Wesentlichen entgegen der Kühlströmungsrichtung 6, also in der Vorzugsströmungsrichtung 9, strömt.
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Der dargestellte Rückströmungskanal 7 weist entlang der Rotorachse 2 einen nach radial außen ansteigenden Verlauf, bezogen auf die Vorzugsströmungsrichtung 9, auf. Der Rotorvorrichtung 1 wird über den Kühlmediumszustrom 16 Kühlmedium zugeführt und dieses verlässt über den Kühlmediumsabstrom 17 die Rotorvorrichtung 1 wieder. Der Strömungskanal-Einlass 4 ist in der Rotoreinlasseinrichtung 11 angeordnet. Die Rotoreinlasseinrichtung 11 weist eine Rotoreinlassdichtung 12 gegenüber der Rotorwelle 10 auf, so dass kein Kühlmedium unplanmäßig aus der Rotorvorrichtung 1 austritt. Weiter ist der Rückströmkanal-Auslass 8 in der Rotorwellenauslasseinrichtung 14 angeordnet. Und die Rotorwellenauslasseinrichtung 14 weist eine Rotorauslassdichtung 15 gegenüber der Rotorwelle 10 auf, so dass auch an dieser Stelle verhindert ist, dass unplanmäßig Kühlmedium austritt. Sowohl die Rotoreinlasseinrichtung 11 wie auch die Rotorwelleauslasseinrichtung 14 sind jeweils ortsfest gegenüber dem Stator (nicht dargestellt) angeordnet, so dass die Rotorvorrichtung 1 im planmäßigen Betriebe gegenüber diesem um die Rotorachse 2 rotiert.
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In 2 ist eine schematisierte Darstellung eines elektromechanischen Energiewandlers, sogenannte elektrische Maschine, gezeigt, dabei ist die Rotorvorrichtung 1 in einem Elektromotorgehäuse mit Stator 18 drehbar um die Rotorachse 2 aufgenommen. Der Kühlmediumszustrom 16 führt der Rotorvorrichtung 1 Kühlmedium aus einem Kühlkreislauf zu, welches von dieser mittels des Kühlmediumsabstroms 17 wieder abgeführt und in einen Kühlkreislauf zugeführt wird. Die in 1 im Detail dargestellten Dichtungen (Rotorauslassdichtung 15, Rotoreinlassdichtung 12) verhindern einen unplanmäßigen Austritt von Kühlmedium in den Maschineninnraum innerhalb des Elektromotorgehäuses mit Stator 18 und dort insbesondere in den Luftspalt 19.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der Hintergrund der Erfindung die technischen Bedürfnisse einer „guten“ Kühlung des Rotors eines Elektromotors beziehungsweise -generators oder allgemein eines elektromechanischen Energiewandlers und damit insbesondere einer Leistungssteigerung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Möglichkeit der Verbesserung der Kühlung einer hochintegrierten Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug. Insgesamt ist die Kühlung des Rotors und oder des Stators eines elektromechanischen Energiewandlers entscheidend für die maximal darstellbare Leistung dieser Maschine. Es ist bekannt bei einer solchen Maschine die Rotorwelle wenigstens abschnittsweise als Hohlwelle auszuführen und im planmäßigen Betrieb mittels eines Kühlmediums, insbesondere mittels Öl zu kühlen. Bei einer derartigen Kühlung kann das Kühlmedium axial in die Hohlwelle eingeleitet. Über radiale Bohrungen, welche aus der dem Hohlraum der Hohlwelle nach außen führen kann das Kühlmedium infolge der Zentrifugalkraft aus der Rotorwelle in das Rotor und Stator Gehäuse, sogenanntes Maschinengehäuse ausgeleitet werden. Das austretende Kühlmedium kühlt dabei insbesondere den Rotor und Stator und fließt nach dann in eine Ölwanne, welche mit der Maschine fluidleitend verbunden ist. Eine solche bekannte Kühlung weist den Nachteil auf, dass die Wärmeabfuhr aus dem Rotor über die Kühlung der Hohlwelle mittels Kühlmedium gering ist. Weiter wird der Rotor auch durch das aus der Hohlwelle austretende und auf die Rotoraußenseite auftreffende Kühlmedium direkt gekühlt. Dieses Kühlprinzip des Rotors beziehungsweise das daraus resultierende Prinzip einer nass laufenden elektrischen Maschine, erhöht die Reibungsverluste, weil sich nunmehr ein Kühlmedium-Luftgemisch in dem Zwischenraum zwischen dem im Betrieb rotierenden Rotor und dem ruhenden Stator befindet. Insbesondere aufgrund der hohen Drehzahl des Rotors gegenüber dem Stator und des zu bevorzugenden geringen Spaltes zwischen Rotor und Stator führt Kühlmedium im Gehäuse des elektromechanischen Energiewandlers zu einer erhöhten Verlustleistung und verschlechtert die Effizienz dieser. Weiter kann eine beschränkt Wärmeabfuhr mittels dieser Kühlmethode die maximal darstellbare Leistung der elektrischen Maschine begrenzen. Insbesondere durch die Verwendung von Öl als Kühlmedium fällt die Wärmeabfuhr geringer aus, als dies etwa mit einem wasserbasierten Kühlmedium der Fall wäre, da die Wärmekapazität eines wasserbasierten Kühlmittels z.B. um den Faktor 1,5 größer ausfällt, bei der beschriebenen „offenen“ Kühlung, bei welcher das Kühlmedium aus dem Rotor in den Innenraum der elektrischen Maschine austritt, ist aber ein elektrisch nichtleitendes Kühlmedium einzusetzen.
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Demgegenüber schlägt die Erfindung vor, die Rotorvorrichtung 1 und vorzugsweise die Rotorwelle 10 nach dem Prinzip der Umkehrkühlung, insbesondere umso eine gesteigerte Wärmeabfuhr zu erreichen, zu kühlen. Bei der vorgeschlagenen Hohlwellenkühlung der Rotorvorrichtung wird ein geeignetes Kühlmittel, dies kann ein elektrisch leitfähiges Kühlmedium sein, axial in die Rotorwelle 10 eingeleitet. Das Kühlmedium durchläuft den Strömungskanal 3 aufgrund von dessen, wenigstens abschnittsweisen konischen Gestaltung, in axialer Richtung (Kühlströmungsrichtung 6) bis zum der Einleitung gegenüberliegenden Ende der Rotorvorrichtung 1, beziehungsweise bis zu einem Strömungskanal-Umlenkpunkt 5, welcher in einer Strömungskanal-Umlenkung angeordnet sein kann, welche vorzugsweise als eine Endkappe auf der Rotorwelle 10 ausgebildet ist, und wird dort in die Gegenrichtung, also im Wesentlichen um 180° umgelenkt, und strömt sodann axial in entgegengesetzte Richtung (Vorzugsströmungsrichtung 9) in den wenigstens einen Rückströmungskanal 7. Das Kühlmedium kann die Rotorvorrichtung dann durch den Rückströmkanal-Auslass 8 in radialer Richtung nach außen durch die Rotorwellenauslasseinrichtung 14 verlassen. Die Rotorwellenauslasseinrichtung weist eine nicht rotierenden Auffangschnecke auf, welche das Kühlmedium sammelt und so über den Kühlmediumabstrom 17 in einen Kühlkreislauf zurückführt.
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Durch dieses neuartige Kühlprinzip und die Möglichkeit der Verwendung eines wasserbasierten Kühlmittels wird die Wärmeabfuhr aus der Rotorwelle gegenüber der erläuterten bekannten Lösung gesteigert. Insbesondere mittels einer verbesserten Kühlung kann eine hohe Leistung des elektromechanischen Energiewandlers realisiert werden. Weiter ist es vorgeschlagen, von einer nasslaufenden zu einer trockenlaufenden Maschine überzugehen und so Verluste des elektromechanischen Energiewandlers zu reduzieren und die Effizienz zu steigern.
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Insbesondere dadurch, dass der radiale Abstand des wenigstens einen Rückströmkanals 7 und des Strömungskanals 3 zunimmt, wird ein drehzahlabhängiger Druckaufbau des Kühlmediums erzeugt und so kann eine Kühlmediumspumpe im Kühlkreislauf kleiner ausgeführt werden oder diese kann ganz entfallen
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In einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Rotorvorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip der Umkehrkühlung insbesondere für eine gesteigerte Wärmeabfuhr aus der Rotorwelle gekühlt ist, kann ein geeignetes Kühlmedium, vorzugsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch als Kühlmedium eingesetzt werden und axial über den Strömungskanal-Einlass 4 in die Rotorwelle 10 eingeleitet werden. Zwischen Rotoreinlasseinrichtung 11 und der Rotorwelle 10 ist gegebenenfalls eine Dichtung, sogenannte Rotoreinlassdichtung 12 vorzusehen. Aufgrund der konisch ausgeführten Aufweitung der des Strömungskanals 3 in der Rotorwelle 10 und der Zentrifugalkraft während der Rotation der Rotorvorrichtung 1 um die Rotorachse 2 wird das Kühlmedium mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit axial zum gegenüberliegenden Ende der Rotorwelle transportiert, also in Kühlströmungsrichtung 6 hin zum Strömungskanal-Umlenkpunkt 5. Am Strömungskanal-Umlenkpunkt 5 wird das Kühlmedium durch einen strömungstechnisch günstigen Abschluss, welcher vorliegend durch die Strömungskanal-Umlenkung 13 gebildet ist in der Rotorwelle um etwa 180° umgelenkt. Durch den wenigstens einen Rückströmungskanal 7 der in der Rotorwelle 10 so gestaltet ist, dass dessen radialer Abstand zur Rotorachse 2 in Vorzugsströmungsrichtung 9 zunimmt, wird das Kühlmedium in entgegengesetzter Richtung transportiert, es stellt sich also eine Umkehrkühlung ein. Durch die Zunahme des radialen Abstands des wenigstens einen Rückströmungskanals 7 zur Rotorachse 2 und die Zentrifugalkraft während des planmäßigen Betriebs der Rotorvorrichtung wird eine für die Wärmeabfuhr günstige Strömungsgeschwindigkeit im Kühlmedium erreicht. Insbesondere durch die radial nach außen ansteigende Gestaltung des wenigstens einen Rückströmkanals 7, wird zudem ein drehzahlabhängiger Druckaufbau im Kühlmedium erzeugt und so kann eine bedarfsgerechte oder wenigstens bedarfsorientierte Kühlung erreicht werden und insbesondere kann eine Kühlmediumspumpe im Kühlkreislauf kleiner ausgeführt sein als ohne die vorgeschlagene Gestaltung der Rotorvorrichtung oder diese Pumpe kann ganz entfallen.
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Auf seinem Weg durch die Rotorvorrichtung tritt das Kühlmedium durch radiale Öffnungen, sogenannter Rückströmkanal-Auslass 8 aus der Rotorwelle 10 aus und in die Rotorwellenauslasseinrichtung 14 mit Auffangschnecke ein. Diese nicht rotierende Rotorwellenauslasseinrichtung 14 sammelt das aus der Rotorwelle 10 austretende Kühlmedium und leitet es in den Kühlkreislauf ab. Die Auffangschnecke der Rotorwellenauslasseinrichtung 14 ist in der gezeigten Ausführungsform zusätzlich strömungstechnisch optimiert, so ist deren Innenkontur im Bereich des auftreffenden Kühlmediums der Form einer Pelton-Turbinenschaufel ähnlich, beziehungsweise an diese angelehnt. Weiter ist in der Rotorwellenauslasseinrichtung 14, insbesondere zwischen der Auffangschnecke und Rotorwelle 10 die Rotorauslassdichtung 15 vorgesehen. Die Rotorwelle 10 ist vorliegend mehrteilig ausgebildet, ein entsprechendes Fertigungsverfahren vorausgesetzt, kann diese auch einstückig ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorvorrichtung
- 2
- Rotorachse
- 3
- Strömungskanal
- 4
- Strömungskanal-Einlass
- 5
- Strömungskanal-Umlenkpunkt
- 6
- Kühlströmungsrichtung
- 7
- Rückströmkanal
- 8
- Rückströmkanal-Auslass
- 9
- Vorzugsströmungsrichtung
- 10
- Rotorwelle
- 11
- Rotoreinlasseinrichtung
- 12
- Rotoreinlassdichtung
- 13
- Strömungskanal-Umlenkung
- 14
- Rotorwellenauslasseinrichtung
- 15
- Rotorauslassdichtung
- 16
- Kühlmediumszustrom
- 17
- Kühlmediumsabstrom
- 18
- Elektromotorgehäuse mit Stator
- 19
- Luftspalt zwischen Stator und Rotorvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019124208 A1 [0001]
