Elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor und einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Wickelköpfe des Stators.
Bekanntermaßen müssen elektrische Maschinen zur Effizienzsteigerung gekühlt wer den, da bei niedrigen Temperaturen die ohmschen Verluste sinken.
Des Weiteren sind in einer elektrischen Maschine temperaturempfindliche Komponen ten verbaut, diese sind zum Beispiel Rotormagnete, die bei hohen Temperaturen ent magnetisiert werden.
Auch ist je nach Fertigungsverfahren z. B. auch Backlack als eine kritische, tempera turempfindliche Komponente zu sehen.
Um Temperaturspitzen zu vermeiden, werden bekannte elektrische Maschinen mit Öl gekühlt.
Jedoch sind diese Maschinen derart ausgestaltet, dass die zu kühlenden Hotspots nicht zwingend erreicht werden und es dennoch zu lokalen Überhitzungen kommt.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine anzuge ben, welche kostengünstig eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine ge währleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Pa tentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un teransprüche.
Erfindungsgemäß umfasst bei der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine:
- einen Stator mit einem Blechpaket und mit Wicklungen,
- wobei an axialen Enden des Blechpakets ein jeweiliger Wickelkopf, gebildet von den Wicklungen, in axialer Richtung über das Blechpaket hinausragt, und
- einen Rotor, der in dem Stator drehbar gelagert ist,
- wobei der Rotor einen Rotorkörper und eine Welle umfasst, auf der der Rotor körper befestigt ist.
Bevorzugterweise umfasst die elektrische Maschine eine Kühleinrichtung zum Kühlen der elektrischen Maschine mittels eines Kühlmittels, wobei vorzugsweise die Kühlein richtung eingerichtet ist, das Kühlmittel von der Welle in Richtung zu den Wickelköp fen zu fördern und somit die Wickelköpfe zu kühlen.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Kühleinrichtung eingerichtet ist, das Kühlmittel von der Welle in Richtung zu den Wickelköpfen zu schleudern oder zu sprühen, um die Wickelköpfe zu kühlen. Auf diese Weise kann ein Sprühnebel geschaffen werden, der auf einer möglichst großen Oberfläche der Wickelköpfe Wärme tauscht, um diese zu kühlen.
Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung eingerichtet, das Kühlmittel in radialer und/oder axialer Richtung zu den Wickelköpfen zu führen oder zu schleudern oder zu sprühen, um diese zu kühlen. Somit kann zielgerichtet eine größere Menge von Kühlmittel in eine vorbestimmte Richtung abgegeben werden.
Günstigerweise umfasst die Kühleinrichtung die Welle, die als Hohlwelle zur Förde rung von Kühlmittel ausgebildet ist. Somit kann innerhalb der Welle ein Kühlmittel transportiert werden, wodurch der konstruktive Aufwand für Leitungen reduziert wird.
Auch ist es günstig, wenn die Kühleinrichtung mindestens einen Durchtritt in der Wand der Welle aufweist, sodass Kühlmittel aus dem Inneren der Welle durch die Wand der Welle hindurchförderbar ist.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Durchtritt ausgebildet, einen Sprühnebel zu er zeugen. Auf diese Weise kann eine möglichst große Kühloberfläche des Kühlmittels generiert werden.
Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung zwei oder mehr Durchtritte auf, die in Um fangsrichtung der Welle verteilt bzw. versetzt angeordnet sind. Hierbei ist es von Vor teil, wenn zum Beispiel zwei Durchtritte um 90 Grad in Umfangsrichtung versetzt zuei nander angeordnet sind.
Auch ist es ergänzend oder alternativ von Vorteil, wenn die Kühleinrichtung zwei oder mehr Durchtritte aufweist, die in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der mindestens eine Durchtritt als Düse, insbe sondere in der Wand der Welle, ausgebildet ist. Somit kann ein Sprühnebel auf einfa che Weise erzeugt werden.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Durchtritt in radialer und/oder axialer Rich tung in der Wand der Welle ausgerichtet. Mit anderen Worten ausgedrückt ist es von Vorteil, wenn der mindestens eine Durchtritt, insbesondere in radialer Richtung, ge neigt ausgebildet ist. Dies erlaubt es, Kühlmittel an bestimmte Stellen zu konzentrie ren, indem zum Beispiel der mindestens eine Durchtritt in entsprechende Richtung ausgerichtet wird.
Bevorzugterweise weist die Kühleinrichtung mindestens eine Kühlmittelführung auf, die das Kühlmittel von der Welle in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung zu den Wickelköpfen führt. Somit kann Kühlmittel konzentriert zu bestimmten Stellen mit zum Beispiel hoher Wärmeentwicklung geführt werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass eine erste Kühlmittelführung der Kühleinrichtung das Kühlmittel, insbesondere ausschließlich, in radialer Richtung von der Welle zu den Wickelköpfen führt. Auf diese Weise kann ein spezieller Abschnitt der Wickelköpfe bzw. können auch nur die Wickelköpfe an einer radial nach innen orientierten Oberflä che gekühlt werden.
Vorzugsweise führt eine zweite Kühlmittelführung der Kühleinrichtung das Kühlmittel zunächst in radialer Richtung und dann in axialer Richtung von der Welle zu den Wi ckelköpfen. Somit ist es möglich, eine axiale Stirnseite der Wickelköpfe zu kühlen.
Günstigerweise umfasst eine erste Kühlmittelführung der Kühleinrichtung ein erstes und ein zweites Führungsteil, die sich in radialer Richtung erstrecken und Kühlmittel von der Welle zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe führen. Auf diese Weise kann eine radial nach innen orientierte Oberfläche der Wickelköpfe gekühlt werden.
Ferner ist es günstig, wenn das erste und zweite Führungsteil in gerader Linie von der Welle zu den Wickelköpfen verläuft, und insbesondere jeweils als Blechscheibe aus gebildet sind.
Auch ist es möglich, dass die Wickelköpfe eine hohlzylinderförmige Gestalt an einem axialen Ende des Stators bilden.
Vorzugsweise weist die hohlzylinderförmige Gestalt eine innere und eine äußere Man telfläche sowie eine axiale Stirnseite auf, die nach außen von der elektrischen Ma schine weg gerichtet ist.
Vorteilhafterweise bilden das erste und zweite Führungsteil einen ersten Kühlraum, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe begrenzt.
Auch ist es von Vorteil, wenn das erste Führungsteil den Luftspalt zwischen Rotor und Stator abschirmt, um das Eindringen von Kühlmittel in den Luftspalt zu unterbinden. Denn ein Eindringen von Kühlmittel in den Luftspalt kann die Effizienz der elektrischen Maschine mindern.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das erste Führungsteil in radialer Richtung sich von der Welle bis zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe erstreckt.
Auch ist es möglich, dass das zweite Führungsteil in axialer Richtung mit dem axialen Ende der Wickelköpfe abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle, insbesondere ausschließlich, zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe führbar ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine zweite Kühlmittelführung der Kühleinrichtung ein zweites und ein drittes Führungsteil umfasst, die sich teils in radialer Richtung und teils in axialer Richtung erstrecken und Kühlmittel von der Welle zu einer axialen Stirnseite der Wickelköpfe führen.
Vorzugsweise verläuft das zweite Führungsteil in gerader Linie von der Welle zu den Wickelköpfen, und ist insbesondere als Blechscheibe ausgebildet.
Auch ist es möglich, dass das zweite Führungsteil in axialer Richtung mit dem axialen Ende der Wickelköpfe abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle, insbesondere ausschließlich, zu einer axialen Stirnseite der Wickelköpfe führbar ist.
Bevorzugterweise bilden das zweite und dritte Führungsteil einen zweiten Kühlraum, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe begrenzt.
Ferner ist bevorzugt, dass sich das zweite Führungsteil in radialer Richtung von der Welle bis zu einer inneren Mantelfläche der Wickelköpfe erstreckt.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das dritte Führungsteil im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist, und zwischen den sich geradlinig erstreckenden Schenkeln der L-
Form ein fließender rund-geformter Übergang ausgebildet ist, um die Strömung des Kühlmittels aus der radialen Richtung in die axiale Richtung umzulenken, sodass eine axiale Stirnseite der Wickelköpfe und/oder eine äußere Mantelfläche der Wickelköpfe kühlbar ist.
Vorteilhafterweise erstreckt sich das dritte Führungsteil in radialer Richtung von der Welle bis zu einer äußeren Mantelfläche der Wickelköpfe und endet in axialer Rich tung am Stator.
Auch ist es von Vorteil, wenn eine erste Kühlmittelführung und eine zweite Kühlmittel führung der Kühleinrichtung in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Kühleinrichtung zwei oder mehr Durchtritte aufweist, die in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Bevorzugterweise versorgt ein erster Durchtritt die erste Kühlmittelführung mit Kühl mittel und ein zweiter Durchtritt die zweite Kühlmittelführung mit Kühlmittel.
Auch ist es bevorzugt, wenn der erste Durchtritt einen ersten Kühlraum mit Kühlmittel versorgt und vorzugsweise der zweite Durchtritt einen zweiten Kühlraum mit Kühlmit tel versorgt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die erste Kühlmittelführung und/oder die zweite Kühlmittelführung am Stator befestigt ist.
Vorteilhafterweise ist die erste Kühlmittelführung an der zweiten Kühlmittelführung be festigt.
Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.
Dieser Gedanke betrifft vorzugsweise - vereinfacht dargestellt - eine Kühllösung für eine elektrische Maschine, bei der vorzugsweise der Fokus insbesondere auf der effi zienten Kühlung der Wickelköpfe liegt.
Neben der hohen Effizienz im Betrieb soll vorzugsweise die vorgestellte Kühllösung in der Fierstellung auch kosteneffektiv sein.
Das Prinzip ist vorzugsweise auf eine elektrische Maschine mit einer Wellenwicklung anwendbar, kann aber auch auf andere Typen von elektrischen Maschinen adaptiert werden.
Bei dem Prinzip handelt es sich bevorzugterweise um eine indirekte Kühlung, bei der das Kühlmedium bzw. ein Kühlmittel durch eine Hohlwelle des Rotors der elektrischen Maschine fließt und durch Öffnungen zweite Durchtritte geschleudert wird.
Diese Öffnungen bzw. Durchtritte können als Düsen ausgebildet sein; sie können aber auch jegliche Form besitzen. Das herausgeschleuderte bzw. herausgesprühte Kühl mittel trifft dann vorzugsweise gezielt auf die Wickelköpfe bzw. die Statorwicklungen und kühlt diese.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt schematisch:
Fig. 1 eine Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße elektrische
Maschine mit einer Kühleinrichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Ge genstände verwendet.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 mit einer Kühleinrichtung 10.
Genauer dargestellt zeigt Figur 1 eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2, wel cher ein Blechpaket 3 mit Wicklungen 4 aufweist.
An axialen Enden 5 des Blechpakets 3 ragt ein jeweiliger Wickelkopf 6, gebildet von den Wicklungen 4, in axialer Richtung A über das Blechpaket 3 hinaus.
Ferner hat die elektrische Maschine 1 einen Rotor 7, der in dem Stator 2 drehbar ge lagert ist, wobei der Rotor 7 einen Rotorkörper 8 und eine Welle 9 umfasst, auf der der Rotorkörper 8 befestigt ist.
Auch umfasst die elektrische Maschine 1 - wie bereits erwähnt - eine Kühleinrichtung 10 zum Kühlen der elektrischen Maschine 1 mittels eines Kühlmittels.
Hierbei ist die Kühleinrichtung 10 eingerichtet, das Kühlmittel von der Welle 9 in Rich tung zu den Wickelköpfen 6 zu fördern und somit die Wickelköpfe 6 zu kühlen.
Genauer gesagt ist die Kühleinrichtung 10 eingerichtet, das Kühlmittel von der Welle 9 in Richtung zu den Wickelköpfen 6 zu schleudern oder zu sprühen, um die Wickelköp fe 6 zu kühlen.
Des Weiteren ist - grob geschildert - die Kühleinrichtung 10 eingerichtet, das Kühlmit tel in radialer und/oder axialer Richtung R, A zu den Wickelköpfen 6 zu sprühen / zu schleudern, um diese zu kühlen.
Die Kühleinrichtung 10 umfasst die Welle 9, die als Hohlwelle zur Förderung von Kühlmittel ausgebildet ist, wobei die Kühleinrichtung 10 diverse Durchtritte 1 1 , 12, 13, 14 in der Wand der Welle 9 hat. Somit ist Kühlmittel aus dem Inneren der Welle 9 durch die Wand der Welle 9 hindurchförderbar.
Wie in Figur 1 gezeigt, sind die Durchtritte 1 1 - 14 in Umfangsrichtung U der Welle 9 verteilt bzw. versetzt angeordnet sind, wobei die Durchtritte 1 1 - 14 zudem in axialer Richtung A aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Ferner ist in Figur 1 zu erkennen, dass die Durchtritte 1 1 - 14 als Düse in der Wand der Welle 9 ausgebildet sind. Auf diese Weise kann ein Sprühnebel geschaffen wer den, der auf einer möglichst großen Oberfläche der Wickelköpfe 6 Wärme tauscht, um diese zu kühlen. Auch kann somit eine möglichst große Kühloberfläche des Kühlmit tels generiert werden.
Auch ist dargestellt, dass der Durchtritt 1 1 in axialer Richtung A in der Wand der Welle 9 ausgerichtet ist. Mit anderen Worten geschildert, ist der Durchtritt 1 1 geneigt in radi aler Richtung R ausgerichtet.
Des Weiteren ist in Figur 1 gezeigt, dass die Kühleinrichtung 10 zwei Kühlmittelfüh rungen 15, 16 aufweist, die das Kühlmittel von der Welle 9 in radialer Richtung R und in axialer Richtung A zu den Wickelköpfen 6 führen.
Hierbei führt die erste Kühlmittelführung 15 der Kühleinrichtung 10 das Kühlmittel in radialer Richtung R von der Welle 9 zu den Wickelköpfen 6, wohingegen die zweite Kühlmittelführung 16 der Kühleinrichtung 10 das Kühlmittel zunächst in radialer Rich tung R und dann in axialer Richtung A von der Welle 9 zu den Wickelköpfen 6 führt.
Die erste Kühlmittelführung 15 der Kühleinrichtung 10 hat ein erstes und ein zweites Führungsteil 17, 18, die sich in radialer Richtung R erstrecken und Kühlmittel von der Welle 9 zu einer inneren Mantelfläche IM der Wickelköpfe 6 führen.
Hierbei verläuft das erste und zweite Führungsteil 17, 18 in gerader Linie von der Wel le 9 zu den Wickelköpfen 6 und ist jeweils als Blechscheibe ausgebildet.
Wie Figur 1 zu entnehmen, bilden die Wickelköpfe 6 eine hohlzylinderförmige Gestalt an einem axialen Ende des Stators 2, wobei die hohlzylinderförmige Gestalt eine inne re IM und eine äußere Mantelfläche AM sowie eine axiale Stirnseite S hat, die nach außen von der elektrischen Maschine 1 weg gerichtet ist.
Des Weiteren zeigt Figur 1 , dass das erste und zweite Führungsteil 17, 18 einen ers ten Kühlraum K1 bilden, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickelköpfe 6 begrenzt.
Hierbei schirmt das erste Führungsteil 17 den Luftspalt L zwischen Rotor 7 und Stator 2 ab, um das Eindringen von Kühlmittel in den Luftspalt L zu unterbinden.
Ferner erstreckt sich das erste 17 und zweite Führungsteil 18 in radialer Richtung R von der Welle 9 bis zu der inneren Mantelfläche IM der Wickelköpfe 6, wobei das zweite Führungsteil 18 in axialer Richtung A mit dem axialen Ende der Wickelköpfe 6 abschließt, sodass Kühlmittel von der Welle 9 zu der inneren Mantelfläche IM der Wi ckelköpfe 6 geführt werden kann.
Die zweite Kühlmittelführung 16 der Kühleinrichtung 10 hat das zweite und ein drittes Führungsteil 18, 19, wobei sich das dritte Führungsteil 19 teils in radialer Richtung R und teils in axialer Richtung A erstreckt.
Das zweite und dritte Führungsteil 18, 19 dient nun dazu, Kühlmittel von der Welle 9 zu einer axialen Stirnseite S der Wickelköpfe 6 führen.
Auch geht aus Figur 1 hervor, dass das zweite und dritte Führungsteil 18, 19 einen zweiten Kühlraum K2 bilden, welcher das Aufbringen von Kühlmittel auf die Wickel köpfe 6 begrenzt.
Dabei ist das dritte Führungsteil 19 im Querschnitt L-förmig ausgebildet, und zwischen den sich geradlinig erstreckenden Schenkeln der L-Form ein fließender rund geformter Übergang ausgebildet. Auf diese Weise kann die Strömung des Kühlmittels
aus der radialen Richtung R in die axiale Richtung A umgelenkt werden, sodass die axiale Stirnseite S der Wickelköpfe 6 und die äußere Mantelfläche AM der Wickelköp fe 6 gekühlt werden können.
Genauer geschildert erstreckt sich das dritte Führungsteil 19 in radialer Richtung R von der Welle 9 bis zu der äußeren Mantelfläche AM der Wickelköpfe 6 und endet in axialer Richtung A am Stator 2.
Auch kann Figur 1 entnommen werden, dass die erste Kühlmittelführung 15 und die zweite Kühlmittelführung 16 der Kühleinrichtung 10 in axialer Richtung A aufeinander folgend angeordnet sind.
Hierbei hat die Kühleinrichtung 10 - wie erwähnt - diverse Durchtritte 11 - 14, die in axialer Richtung A aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die Durchtritte 11 , 13 die erste Kühlmittelführung 15 mit Kühlmittel und die Durchtritte 12, 14 die zweite Kühlmittelführung 16 mit Kühlmittel versorgen.
Des Weiteren ist in Figur 1 gezeigt, dass die erste Kühlmittelführung 15 und die zweite Kühlmittelführung 16 am Stator 2 befestigt ist.
Nachfolgend wird Figur 1 nochmals mit anderen Worten beschrieben.
Zusammengefasst ist vorteilhafterweise die Neuerung der hier vorgestellten Lösung gegenüber bisherigen Kühlmethoden, eine Kühlmittelführung bzw. eine Kühleinrich tung mit axial versetzten Düsen bzw. Durchtritten 11 bis 14.
Hierbei besteht die Kühleinrichtung 10 der elektrischen Maschine 1 im Wesentlichen aus zwei Teilen.
Der dritte Führungsteil 19 der zweiten Kühlmittelführung 16 stellt sicher, dass das ra dial geschleuderte Kühlmedium bzw. Kühlmittel an die äußeren Enden, sowie auf die Wickelköpfe 6 geleitet wird.
Der dritte Führungsteil 19 bewirkt durch die Rundung, eine Verteilung auf die Wickel köpfe 6 bzw. auf deren Stirnseite S sowie den radial außenliegenden Wicklungsflä chen bzw. die äußere Mantelfläche AM.
Der zweite Führungsteil 18 dient ebenfalls zur Führung des geschleuderten bzw. ge sprühten Kühlmediums / Kühlmittels auf die Wickelköpfe 6, und soll verhindern, dass das Kühlmedium axial Richtung Rotor 7 verloren geht.
Durch diese zwei Führungsteile 18, 19 wird sichergestellt, dass die maximale Menge Kühlmittel an die Wickelköpfe 6 geleitet wird. Für diesen Kühlungsanteil werden Durchtritte 11 bis 14 bzw. Düsen verwendet, welche über den Umfang versetzt plat ziert sind.
Der Durchtritt 11 dient für die Kühlung der radial inneren Wicklungsflächen bzw. Der inneren Mantelfläche IM der Wickelköpfe 6. Flier wird ebenfalls das Kühlmittel radial nach außen geschleudert bzw. gesprüht.
Bei der in Figur 1 gezeigten Lösung sind vier Düsen bzw. Durchtritte 11 bis 14 einge bracht, welche um 90° über den Umfang versetzt sind.
Um die bei der Wellenwicklung-Technologie lang ausgeprägten Wicklungen optimal zu benetzten, sind die Durchtritte 11 bis 14 abwechselnd, in axialer Richtung A, schräg nach links bzw. rechts angeordnet. Es ist ebenfalls denkbar, die Düsen bzw. Durchtritte 11 bis 14 gerade auszuführen, aber dafür die Düsen jeweils abwechselnd axial zu versetzten.
Der erste Führungsteil 10 verhindert das Eindringen des Kühlmittels in den Luftspalt L und vermindert dadurch Effizienz-Einbußen durch Scherung des Kühlmittels im Luft- spalt L.
Die dargestellte Kühleinrichtung 10 kann aus einem Teil bestehen. Die Kühleinrich tung lässt sich um das Rotorlager erweitern und könnte somit vorhandene Lagerschil de in Ihrer Funktion ersetzen.
Bezuqszeichenliste
1 elektrische Maschine
2 Stator
3 Blechpaket
4 Wicklungen
5 axialen Enden
6 Wickelkopf
7 Rotor
8 Rotorkörper
9 Welle
10 Kühleinrichtung
1 1 Durchtritt
12 Durchtritt
13 Durchtritt
14 Durchtritt
15 erste Kühlmittelführung
16 zweite Kühlmittelführung
17 erstes Führungsteil
18 zweites Führungsteil
19 drittes Führungsteil
A axiale Richtung
R radiale Richtung
U Umfangsrichtung
AM äußere Mantelfläche
IM innere Mantelfläche
S Stirnseite
L Luftspalt
K1 erster Kühlraum
K2 zweiter Kühlraum