WO2017050447A1 - Kühlung einer elektrischen rotierenden maschine - Google Patents

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WO2017050447A1
WO2017050447A1 PCT/EP2016/065341 EP2016065341W WO2017050447A1 WO 2017050447 A1 WO2017050447 A1 WO 2017050447A1 EP 2016065341 W EP2016065341 W EP 2016065341W WO 2017050447 A1 WO2017050447 A1 WO 2017050447A1
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rotor
cooling medium
rotating machine
electric rotating
cooling
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PCT/EP2016/065341
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Inventor
Christoph Balzer
Sabrina Schulz
Frank Seibicke
Konrad Wende
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • H02K1/30—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures using intermediate parts, e.g. spiders
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
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    • H02K9/10—Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing
    • H02K9/12—Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing wherein the cooling medium circulates freely within the casing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H5/00—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water
    • B63H5/07—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers
    • B63H5/125—Arrangements on vessels of propulsion elements directly acting on water of propellers movably mounted with respect to hull, e.g. adjustable in direction, e.g. podded azimuthing thrusters
    • B63H2005/1254—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis
    • B63H2005/1258—Podded azimuthing thrusters, i.e. podded thruster units arranged inboard for rotation about vertical axis with electric power transmission to propellers, i.e. with integrated electric propeller motors

Definitions

  • the invention relates to an electric rotating machine having a rotatable about a rotation axis rotor having a rotor tube and a stub shaft, wherein the stub shaft is arranged on a non-drive side of the electric rotie ⁇ - generating machine and wherein the rotor tube at an axial end of the rotor tube mechanically connected to the stub shaft.
  • the invention relates to a nacelle drive with min ⁇ least one such electric rotating machine.
  • the invention relates to a ship with at least one such gondola drive.
  • the invention relates to a method for cooling such an electric rotating machine.
  • Such an electric rotating machine for example a motor or generator, preferably occurs in a propeller pod drive, also referred to below as POD drive or gondola drive.
  • POD drive or gondola drive Such an electric rotating machine in Ma ⁇ a POD propulsion system preferably has a power of at least 5 megawatts and is embodied for instance as a perma ⁇ nenterregte synchronous machine. The speed is preferably in the range of 50 rpm to 250 rpm.
  • the electric rotating machine of the Propellergondelan ⁇ drive is preferably with a streamlined housing, the nacelle, dressed and, for example, mounted on a ship, preferably rotatable about 360 degrees about the vertical axis.
  • the pod propulsion may further be used advantageously in a subsea ⁇ boot or in a propeller driven aircraft.
  • the resulting in the electric rotating machine heat loss must be dissipated in a suitable form. So far, at least a large part of the losses over the surface of the Ge ⁇ housing was delivered by convection to the seawater.
  • a gondola drive for a floating device which flows around a water underwater housing with a rotatably mounted propeller shaft with at least one propeller arranged thereon and arranged in the underwater housing electric motor with a stator and a rotor for driving the propeller shaft, wherein between the stator and the underwater housing, a space is formed which is at least partially bounded by the stator and a Ab ⁇ section of the underwater housing and in which flows for cooling the motor, a cooling liquid, wherein the space for the Water circulating underwater housing is closed off and heat is transferred from the stator via the cooling liquid flowing in the space to the section of the underwater housing which delimits the space, and from there to the water flowing around the underwater housing.
  • the removal of the entire engine heat is via thedefact ⁇ speed in the room to the portion of the underwater housing, which limits the space, and from there to the underwater Ge ⁇ housing flowing around water.
  • a ship drive which consists of a gondola-like to be arranged on the underside of the ship hull ⁇ housing with a in the Housing located synchronous motor consists.
  • the rotor of the synchronous motor is formed as permanentmag ⁇ neterregter rotor and the stator of the synchronous motor for cooling through the housing wall is positively fitted into the housing.
  • each winding head can be assigned an additional cooling device in the form of a fan or a spray device.
  • a device for the self-sustaining rotor cooling pod propellers with one or two electric motors is disclosed.
  • the device uses a propeller cap with central and peripheraldebergein ⁇ baums- coaxial outlet orifices, wherein the warm cooling water is ejected by centrifugal force. It allows cooling via the rotor housing and through pipes via the active rotor iron.
  • the main propulsion system has a housing which comprises a tubular shaft and a spherical part, wherein the lower part of the verbun ⁇ with the tubular shaft ⁇ and is rotatable together with this.
  • the housing Ku gelatinous portion has an inner space which contains an electric drive motor and a propeller shaft which is verbun with at least one propeller external to the housing ⁇ .
  • a cooling pipe is axially in the propeller shaft at ⁇ sorted, said can flow through this conduit surrounding water.
  • the publication US 2015/0048699 AI discloses a rotor for a high-speed generator comprising a rotor body having inner surfaces and outer surfaces, a coolant inlet and a coolant outlet, and a Ro ⁇ torkühlpfad to cool the rotor body.
  • the invention has for its object to provide an electric rotating machine, which, in contrast to the prior art, provides a space savings and saves costs.
  • an electric rotating machine having a rotatable about a rotation axis rotor with a rotor tube and a stub shaft, wherein the stub shaft is arranged on a non-drive side of the electric rotating machine, wherein the rotor tube at an axial end of the rotor tube is mechanically connected to the stub shaft and wherein the Wel ⁇ stub end has a central bore and / or parallel bores, which are provided for supplying a cooling medium in the Läu ⁇ ferrrohr, wherein the rotor tube has at least one cooling opening and wherein the central bore and / or the parallel holes are in fluid communication with the at least one cooling ⁇ opening.
  • the cooling medium may be, among other things, a gaseous cooling medium such as air or inert gas, or a liquid cooling medium such as water or oil, han ⁇ spindles.
  • the parallel holes are parallel to the axis of rotation.
  • a nacelle drive with min ⁇ least one such electric rotating machine, a first bearing assembly on the non-drive side of electric rotating machine, a second bearing assembly on the drive side of the electric rotating machine and a propeller rooted, wherein the propeller with egg ⁇ ner drive shaft of the electric rotating machine is connected.
  • the object is achieved by a ship with at least one such gondola drive and a first heat exchanger, which is arranged outside of the nacelle drive, where ⁇ is provided in the first heat exchanger for supplying the gondola a cooling medium and to cool down a cooling medium flowing from the nacelle drive again.
  • the object is achieved by a method for cooling ei ⁇ ner such an electric rotating machine, wherein the cooling medium is first passed through the central bore and / or the parallel holes of the stub shaft in the axial Rich ⁇ tion in the rotor tube, then in the radial direction through the Thereafter, the guided cooling medium is passed through the air gap and / or between the rotor tube and the rotor core to the axial ends of the rotor and then passed the guided cooling medium in the radial direction over the Statorwickelkmü in the axial center of the rotor tube and the rotor laminated core becomes.
  • Such a method of cooling is particularly advantageous ⁇ way, since a uniform distribution of the cooling medium in the ro tor is reached. Furthermore, the coolant supply is simplified, resulting in a space and cost savings.
  • the shaft stub is preferably rotationssymmet ⁇ driven, which leads to a good stability and a uniform supply of the cooling medium.
  • the parallel holes around the rotation ⁇ axis are arranged to extend in the axial direction.
  • the parallel holes are arranged concentrically around the axis of rotation. This leads to a uniform distribution of the cooling medium in the rotor.
  • the stub shaft is connected to the rotor tube via a first shrink connection or via a first flange connection.
  • Flange connection of the stub shaft is, for example derar ⁇ term executed that it is connected by means of screws and / or a welded joint with the rotor tube.
  • a shrink-fit connection is preferably the runner tube, examples of play, heated to several hundred degrees Celsius, whereby the inner diameter of the rotor tube due to thermal expansion ⁇ , which is also called thermal expansion is increased.
  • the stub shaft is then partially inserted into the heated rotor tube.
  • Upon cooling of the rotor tube is a heat shrinkage, which is also called thermal contraction, instead of whereby the rotor tube gets the previous size again and rotatably ver ⁇ connected with the stub shaft.
  • Such mechanical connections are platzspa ⁇ rend, robust and inexpensive to implement.
  • the electric rotating machine has a stator surrounding the rotor and an air gap located between the rotor and the stator, the rotor having a rotor plate surrounding the rotor tube Torblechumb, wherein the rotor tube and the rotor ⁇ plate package in its axial center at least have a cooling opening extending in the radial direction and wherein the cooling opening is intended to be a by the shaft stub in the rotor tube supplied cooling medium to the air ⁇ gap and / or between the rotor tube and the Rotorblechpa ⁇ ket to lead to the axial ends of the rotor.
  • the cooling medium is smoothly directed from the cooling port to the axial ends of the rotor. This is particularly advantageous since the rotor has a more uniform temperature distribution ⁇ .
  • parallel ventilation ⁇ channels for example in the air gap, the magnetic pockets and between rotor tube and laminated core, made possible, which improve the cooling.
  • the rotor laminated core has at least one permanent magnet, which is intended to be cooled by the cooling medium conducted through the air gap. This is advantageous because the per ⁇ manentmagnet is before the cooling medium to ⁇ cooled by the cooling medium is warmed prime example via winding heads.
  • the permanent magnet preferably has a proportion of rare earths, in particular a proportion of dysprosium, the permanent magnet being provided for, during operation, cooled to a temperature between 70 ° C. and 100 ° C., in particular between 80 ° C. and 90 ° C. to become.
  • the Perma ⁇ nentmagnet has due to the low operating temperature, which is contributed play as possible by the advantageous cooling, to a comparatively small proportion of rare earths. This is advantageous because costs are saved by the low proportion of rare earths.
  • the Perma ⁇ nentmagnet has due to the low operating temperature, which is contributed play as possible by the advantageous cooling, to a comparatively small proportion of rare earths. This is advantageous because costs are saved by the low proportion of rare earths.
  • the Stator at one axial end to a Statorwickelkopf, where ⁇ is provided at a directed to the axial ends of the rotor cooling medium to cool the Statorwickelkopf.
  • ⁇ is provided at a directed to the axial ends of the rotor cooling medium to cool the Statorwickelkopf.
  • the rotor tube around the cooling opening on a thickening which is intended to increase the rigidity of the rotor tube. This is particularly advantageous, thereby the thickening is compensated by the weakening of the cross-sectional structure caused by the cooling opening in the rotor tube.
  • the rotor tube on a coolant-impermeable partition which is intended to direct the supplied through the stub shaft cooling medium to the cooling opening.
  • the electric rotating machine has a first baffle arranged to provide separation between the cooler cooling medium supplied by the shaft stub and the cooling medium directed to the axial ends of the rotor. This is advantageous because it provides more efficient cooling.
  • the electric rotating machine has a drive shaft, which is arranged on a drive side of the electric rotating machine, wherein the drive shaft further parallel Boh ⁇ ments has, which are provided for supplying an additional cooling medium in the rotor tube.
  • the further parallel bores are preferably arranged concentrically around the axis of rotation in the axial direction.
  • the electric rotating machine has a second baffle which is therefor is provided to achieve a separation between the supplied through the drive shaft additional cooling medium and the guided to the axial ends of the rotor cooling medium. This is advantageous because it provides more efficient cooling.
  • the drive shaft is connected to the rotor tube via a second shrink connection or via a second flange connection.
  • Such mechanical connections are space-saving, robust and inexpensive to implement.
  • first bearing arrangement and / or the second bearing arrangement each have at least one radial bearing and one axial bearing.
  • the thrust bearing is preferably used as an axial spherical roller bearing or as a carburized
  • the drive shaft and the stub shaft each have a journal bearing and a pilot bearing, which improves the efficiency of the nacelle propulsion, especially under the prevailing marine conditions.
  • the guided cooling medium is symmet ⁇ risch and almost uniformly distributed to the axial ends of the rotor and passed to the Statorwickelköpfen. This results in a uniform temperature distribution.
  • an outflowing cooling medium from the Statorwickelköpfen is passed on both sides by a stator lamination stack and in the axial center of the stator lamination stack together ⁇ leads.
  • the outflowing cooling medium in the axial center of the laminated stator core can be dissipated to save space.
  • an additional cooling medium is led by the further parallel bores of the drive shaft in the axial direction in the rotor tube gelei ⁇ tet and the cooling medium with the additional cooling medium in the rotor tube to a two-sided supplied cooling medium together.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a first embodiment of an electric rotating machine
  • FIG. 5 shows a three-dimensional representation of a first form from ⁇ a guide associated with a runner pipe Wellenstummeis
  • FIG. 6 shows a three-dimensional representation of a second off ⁇ EMBODIMENT OF A connected with a runner pipe stub shaft and
  • the electric rotating machine 1 shows a longitudinal section of a first embodiment of an electric rotating machine 1.
  • the electric rotating machine 1 has a rotor 3 rotatable about a rotation axis 4, a stator 2 surrounding the rotor 3 and an air gap 6 located between the rotor 3 and the stator 2 on.
  • the rotation axis 4 defines an axial direction, ei ⁇ ne radial direction and a circumferential direction.
  • the rotor has a rotor core 3a and a rotor tube 3b.
  • a plurality of Perma ⁇ mag- nets 21 in the circumferential direction and in axial direction is arranged, the permanent magnets 21 are at least partially integrated in the laminated rotor core 3a.
  • Wel ⁇ lenstummel 7 is connected via a first shrinkage joint 7e with the rotor tube 3b.
  • a drive shaft 11 is connected to the rotor tube 3b via a second shrink connection lld.
  • the stub shaft 7 has a central bore 7b and parallel holes 7c.
  • the parallel holes 7c parallel to the rotation axis 4.
  • the central bore 7b and the pa ⁇ rallelen holes 7c are provided for supplying a cooling medium 19 into the runner pipe 3b.
  • the cooling medium 19 may be a gaseous cooling medium such as air or inert gas, or a liquid cooling medium, ⁇ example, water or oil, acting.
  • the central bore 7b extends in the axial direction through the rotation axis 4 and is therefore arranged rotationally symmetrically about the rotation axis 4.
  • the parallel bores 7c are arranged around the axis of rotation 4 in the circumferential direction and in the axial direction, preferably concentrically, ie at equal distances from the axis of rotation 4.
  • the rotor core 3 a and the rotor tube 3 b have in their axial center a plurality of extending in the radial direction of the cooling holes 3 c, which are arranged in the circumferential direction and / or in the axial direction.
  • the cooling holes 3c are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the cooling openings 3 c are intended to provide a cooling medium 19, which is supplied through the stub shaft 7 into the rotor tube 3 b, to the air gap 6 and / or between see the rotor tube 3b and the rotor core 3a to lead to the axial ends of the rotor 3.
  • the rotor tube 3b has around the cooling hole 3c around a thickening 3d, which is intended to increase the rigidity of the rotor tube 3b.
  • the thickening compensates for the weakening of the cross-sectional structure caused by the cooling opening 3c in the rotor tube 3b.
  • the stator 2 has a laminated stator core 2 a and stator windings 2 c, the stator windings 2 c having stator winding heads 2 b at the axial ends of the stator 2.
  • Stator laminated core 2a has channels to merge the heated cooling medium 19c flowing away from the stator winding heads 2b in the axial center of the laminated stator core 2a and preferably to divert it to the heat exchanger 5.
  • a first guide plate 8 and a second guide plate 9 are each ⁇ wells partially fixed 2 and a movable kühlstoffun preparee mutually moveable che / compound, for example a gap at the rotor 3 and partially on the stator, connected to each other.
  • a separation between the supplied through the stub shaft 7 cooler cooling medium 19 and the guided to the axial ends of the rotor 3 cooling medium 19 b is achieved.
  • the electric rotating machine has a housing 20.
  • the guideddemedi ⁇ 19b is further passed through the air gap 6 and between the rotor tube 3b and the rotor core 3a to the axial ends of the rotor 3, where the guided cooling medium 19b through the two-sided baffles 8, 9 is guided in radial Rich ⁇ tion on the Statorwickelkexcellent 2b.
  • the guided cooling medium 19b is approximately symmetrically distributed and almost uniformly distributed to the axial ends of the rotor 3 and to the Statorwickelköpfen 2b.
  • the outflowing cooling ⁇ medium 19c is passed on both sides of the Statorwickelköpfen 2b through channels in the laminated stator core 2a and merged in the axia ⁇ len middle of the stator lamination 2a and before ⁇ given the heat exchanger 5 fed again.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of a second embodiment of an electric rotating machine 1.
  • This second embodiment of the electric rotating machine 1 substantially corresponds to the first embodiment of Figure 1 and differs in that the stub shaft 7 on the non-drive side NDE of the rotor tube 3b via a first Flange connection 7a is connected to the rotor tube 3b and the drive shaft 11 is connected to the drive side DE of the rotor tube 3b via a second flange connection IIa with the rotor tube 3b.
  • the first flange connection 7a is made by means of a first screw 7d and the second flange connection IIa is made by means of a second screw IIb.
  • an optional coolant-impermeable partition wall 10 is provided in the rotor tube 3b, which is provided for directing the cooling medium 19 supplied through the stub shaft 7 to the cooling opening 3c.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of a third embodiment of an electric rotating machine 1.
  • This third embodiment of the electric rotating machine 1 corresponds essentially to the second embodiment of FIG. 2 and differs in that an additional cooling medium 19a generated by a second heat exchanger 12 the drive side DE is supplied.
  • the additional cooling Dium 19a is passed through further parallel holes 11c in the drive shaft 11 in the axial direction in the rotor tube 3b and merged with the cooling medium 19 in the rotor tube 3b to a two-sided cooling medium supplied 19d.
  • a larger amount of coolant can be supplied to the electric rotating machine 1, which leads to a greater total cooling power.
  • the propulsion pod 15 has an electrical Rotie ⁇ -saving machine 1, which corresponds in its execution example in Fig. 1
  • the cooling openings 3c are exemplarily designed as elongated holes and are arranged equidistantly in the circumferential direction.
  • the nacelle drive 15 has a first Lageranord ⁇ tion 17 on the non-drive side NDE of the electric rotating machine 1, with the shaft stub 7 is mounted. Furthermore, the drive shaft 11 is mounted with a second bearing arrangement 18 on the drive side DE of the electric rotating machine 1. Both bearing assemblies 17, 18 each have at least one radial bearing and a thrust bearing.
  • the thrust bearing designed as an axial spherical roller bearing or as a carb-bearing.
  • each one supports and Introductio ⁇ approximately bearings on the drive shaft 11 and the shaft stub 7, which, to ⁇ special under the prevailing conditions at sea, improves the efficiency of the gondola drive 15th
  • a propeller 13 is connected to the drive side DE with a drive shaft 11 of the electric rotating machine 1.
  • the laminated stator core 2a is additionally cooled ge ⁇ in operation by water 16 which surrounds the pod propulsion 15th
  • the housing 20 around the cable drive 15 protects the electric rotating machine 1, the bearings 17, 18 and at the other ⁇ re components against the ingress of water 16.
  • the housing may at the laminated stator core 2a recessed be to allow direct contact of the stator lamination 2a with the cooling water 16.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional view of a first embodiment of a connected to a rotor tube 3b
  • the stub shaft 7 is attached to the rotor tube 3b via a shrink connection.
  • the rotor tube 3b for example, heated by a few hundred degrees Celsius, whereby the inner diameter of the rotor tube 3b due to thermal expansion, which is also called thermal expansion increases.
  • the stub shaft 7 is then before ⁇ added to flush inserted into the heated rotor tube 3b.
  • a heat shrinkage which is also called thermal contraction, instead of where ⁇ through the runner pipe 3b returns to its previous size and rotationally fixed to the stub shaft 7 is connected.
  • the stub shaft 7 is for the most part substantially thinner than the inner diameter of the rotor tube 3b executed.
  • the stub shaft 7 is made slightly thicker than the inner diameter of the rotor tube 3b in the cooled state, to allow a stable rotationally fixed shrink connection.
  • the parallel holes 7c are arranged, which therefore do not extend over the full axial length of the stub shaft 7.
  • the central bore 7b extends in axial direction over the full axial length of the stub shaft 7 through the rotation axis 4.
  • the Mittelboh ⁇ tion 7b is arranged rotationally symmetrically around the rotation axis. 4
  • the parallel bores 7c are arranged concentrically around the rotation axis 4 in the axial direction.
  • the distance of the concentrically arranged parallel bores 7c in the circumferential direction to each other is preferably the same.
  • 6 shows a three-dimensional representation of a second embodiment of a rotor 3b having a tube connected shaft stub 7.
  • This second embodiment of the shafts ⁇ stub 7 corresponds essentially to the first embodiment of FIG 5, and differs in that the Wel ⁇ lenstummel is cylindrical , that is, that the stub shaft 7 has a nearly constant thickness over its axial length and preferably slightly thicker than the inner diameter of the rotor tube 3b in the cooled state, to ⁇ a stable rotationally fixed shrink connection.
  • Both the central bore 7b and the parallel bores 7c extend in the axial direction over the full axial length of the stub shaft 7. Accordingly, in ⁇ example, in comparison to the first embodiment of Figure 5, larger inner diameter of the first bearing 17 on the non-drive side NDE required.
  • the ship 14 is located in the water 16, so that the nacelle drive 15 is located below the water surface.
  • the Gon ⁇ delantrieb 15 has an electric rotating machine 1 with a drive shaft 11 and a propeller 13.
  • the propeller 13 is attached to the rear of the nacelle drive 15 as a pusher propeller, but can also be mounted as a traction propeller on the front of the gondola drive 15.
  • a first heat exchanger 5 ⁇ be found in the hull of the vessel 14 outside the Gondelan ⁇ drive 15 and to the propulsion pod, a cooling medium 19 to.
  • a heated compared to the supplied cooling medium 19 outflowing cooling medium 19c is passed in the opposite direction to the first heat exchanger 5, which the outflowing
  • Cooling medium 19c cools again. Since the first réelletau ⁇ shear 5 is not in the nacelle drive 15, space is ⁇ saves and the nacelle drive 15 can be made more compact ⁇ who.
  • the invention relates to an electric ro ⁇ tierende machine 1 having a rotatable about a rotation axis 4 rotor 3 with a rotor tube 3b and a shaft stub 7, wherein the stub shaft 7 is disposed on a Seaantriebs- side NDE of the electric rotating machine 1 and wherein the rotor tube 3b is mechanically connected at one axial end of the rotor tube 3b with the stub shaft 7.
  • the stub shaft 7 has a central bore 7b and / or pa ⁇ rallele holes 7c, which are provided for supplying a cooling medium 19 in the rotor tube 3b.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Kühlung einer elektrischen rotierenden Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische rotierende Maschine (1) aufweisend einen um eine Rotationsachse (4) drehbaren Rotor (3) mit einem Läuferrohr (3b) und einem Wellenstummel (7), wobei der Wellenstummel (7) an einer Nichtantriebsseite (NDE) der elektrischen rotierenden Maschine (1) angeordnet ist und wobei das Läuferrohr (3b) an einem axialen Ende des Läuferrohrs (3b) mechanisch mit dem Wellenstummel (7) verbunden ist. Um Platz und Kosten einzusparen, wird vorgeschlagen, dass der Wellenstummel (7) eine Mittelbohrung (7b) und/oder parallele Bohrungen (7c) aufweist, welche zur Zuführung eines Kühlmediums (19) in das Läuferrohr (3b) vorgesehen sind, wobei das Läuferrohr (3b) mindestens eine Kühlungsöffnung (3c) aufweist und wobei die Mittelbohrung (7b) und/oder die parallelen Bohrungen (7c) mit der mindestens einen Kühlungsöffnung (3c) in fluidtechnischer Verbindung stehen.

Description

Beschreibung
Kühlung einer elektrischen rotierenden Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische rotierende Maschine aufweisend einen um eine Rotationsachse drehbaren Rotor mit einem Läuferrohr und einem Wellenstummel, wobei der Wellenstummel an einer Nichtantriebsseite der elektrischen rotie¬ renden Maschine angeordnet ist und wobei das Läuferrohr an einem axialen Ende des Läuferrohrs mechanisch mit dem Wellenstummel verbunden ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Gondelantrieb mit min¬ destens einer derartigen elektrischen rotierenden Maschine.
Ferner betrifft die Erfindung ein Schiff mit mindestens einem derartigen Gondelantrieb.
Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung ei- ner derartigen elektrischen rotierenden Maschine.
Ein derartige elektrische rotierende Maschine, beispielsweise ein Motor oder Generator, kommt bevorzugt in einem Propellergondelantrieb, im Folgenden auch POD-Antrieb oder Gondelan- trieb genannt, vor. Eine derartige elektrische rotierende Ma¬ schine in einem POD-Antrieb weist bevorzugt eine Leistung von mindestens 5 Megawatt auf und ist beispielweise als perma¬ nenterregte Synchronmaschine ausgeführt. Die Drehzahl liegt bevorzugt im Bereich von 50 U/min bis 250 U/min.
Die elektrische rotierende Maschine des Propellergondelan¬ triebs ist vorzugsweise mit einem strömungsgünstigen Gehäuse, der Gondel, verkleidet und, beispielsweise an einem Schiff montiert, bevorzugt um 360 Grad um die Hochachse drehbar. Der Gondelantrieb kann weiterhin vorteilhaft in einem Untersee¬ boot oder in einem propellerbetriebenen Flugzeug eingesetzt werden . Bei derartigen beispielsweise im Meerwasser außerhalb des Schiffsrumpfs lokalisierten elektrischen Antrieben muss die in der elektrischen rotierenden Maschine entstehende Verlustwärme in geeigneter Form abgeführt werden. Bisher wurde zumindest ein Großteil der Verluste über die Oberfläche des Ge¬ häuses durch Konvektion ans Seewasser abgegeben. Der Rest der entstandenen Verlustwärme, insbesondere an Positionen an de¬ nen das Gehäuse keine direkte Verbindung zum den Antrieb um¬ gebenden Wasser hat, wird derzeit über komplizierte Luftfüh¬ rungen, beispielsweise einseitig über die Wickelköpfe des Ständerblechpaketes, dann teilweise durch den Luftspalt oder die Welle, über Luftkanäle durch die Maschine bis zum Tragke¬ gel und dort platzierte Wärmetauscher, abgeführt.
Aus dem europäischen Patent EP 2 420 443 Bl ist ein Gondelantrieb für eine schwimmende Einrichtung bekannt, welcher ein von Wasser umströmtes Unterwassergehäuse mit einer darin drehbar gelagerten Propellerwelle mit zumindest einem daran angeordneten Propeller und einen in dem Unterwassergehäuse angeordneten elektrischen Motor mit einem Stator und einem Läufer zum Antrieb der Propellerwelle umfasst, wobei zwischen dem Stator und dem Unterwassergehäuse ein Raum ausgebildet ist, der zumindest teilweise von dem Stator und einem Ab¬ schnitt des Unterwassergehäuses begrenzt ist und in dem zur Kühlung des Motors eine Kühlflüssigkeit strömt, wobei der Raum für das das Unterwassergehäuse umströmende Wasser ver¬ schlossen ist und eine Wärmeübertragung von dem Stator über die in dem Raum strömende Kühlflüssigkeit an den Abschnitt des Unterwassergehäuses, der den Raum begrenzt, und von dort an das das Unterwassergehäuse umströmende Wasser erfolgt. Die Abfuhr der gesamten Motorwärme erfolgt über die Kühlflüssig¬ keit in dem Raum an den Abschnitt des Unterwassergehäuses, der den Raum begrenzt, und von dort an das das Unterwasserge¬ häuse umströmende Wasser.
Aus dem europäischen Patent EP 0 907 556 Bl ist ein Schiffsantrieb bekannt, der aus einem an der Unterseite des Schiff¬ rumpfes gondelartig anzuordnenden Gehäuse mit einem in dem Gehäuse befindlichen Synchronmotor besteht. Um bei Antriebs¬ leistungen von etwa 10 MW den Propulsionswirkungsgrad zu ver¬ bessern, ist der Läufer des Synchronmotors als permanentmag¬ neterregter Läufer ausgebildet und ist der Stator des Syn- chronmotors zur Kühlung über die Gehäusewandung formschlüssig in das Gehäuse eingepasst. Dabei kann jedem Wickelkopf eine zusätzliche Kühleinrichtung in Form eines Lüfters oder einer Sprüheinrichtung zugeordnet sein. In der Offenlegungsschrift DE 100 00 578 AI wird eine Ein¬ richtung für die autarke Rotorkühlung von Gondelpropellern mit ein oder zwei Elektromotoren offenbart. Die Einrichtung benutzt eine Propellerkappe mit zentralen Kühlwasserein¬ tritts- und peripheren koaxialen Austrittsöffnungen, wobei das warme Kühlwasser durch Zentrifugalkraft ausgestoßen wird. Sie ermöglicht die Kühlung über das Rotorgehäuse und durch Rohre über das aktive Rotoreisen.
In der Offenlegungsschrift EP 0 590 867 AI wird eine Hauptan- triebsanlage eines starkmotorigen Schiffes oder anderen gro¬ ßen Seeschiffes offenbart. Die Hauptantriebsanlage weist ein Gehäuse auf, das eine Rohrwelle und einen kugelförmigen Teil umfasst, wobei der untere Teil der mit der Rohrwelle verbun¬ den und zusammen mit dieser drehbar ist. Das Gehäuse im ku- gelförmigen Teil weist einen Innenraum auf, der einen elektrischen Antriebsmotor und eine Propellerwelle enthält, die mit mindestens einem Propeller außerhalb des Gehäuses verbun¬ den ist. Eine Kühlleitung ist axial in der Propellerwelle an¬ geordnet, wobei durch diese Leitung Umgebungswasser fließen kann.
In der Offenlegungsschrift EP 2 757 666 AI wird eine elektri¬ sche rotierende Maschine mit einem Stator und einem Rotor, welche in einem Gehäuse angeordnet sind, offenbart. Der Rotor weist zumindest ein Rotor-Kühlmittelleitblech auf, welches im Bereich der axialen Mitte des Rotors zumindest eine Öffnung nach radial außen aufweist, durch welche das Kühlmittel in- nerhalb des Rotors nach radial außen zur Innenfläche des Ro¬ tor-Mantels führbar ist.
Die Offenlegungsschrift US 2015/0048699 AI offenbart einen Rotor für einen Hochgeschwindigkeits-Generator aufweisend einen Rotorkörper mit Innenflächen und Außenflächen, einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass , und einen Ro¬ torkühlpfad, um den Rotorkörper zu kühlen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische rotierende Maschine anzugeben, welche, im Gegensatz zum Stand der Technik, eine Platzersparnis liefert und Kosten einspart.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische ro- tierende Maschine gelöst, welche einen um eine Rotationsachse drehbaren Rotor mit einem Läuferrohr und einem Wellenstummel aufweist, wobei der Wellenstummel an einer Nichtantriebsseite der elektrischen rotierenden Maschine angeordnet ist, wobei das Läuferrohr an einem axialen Ende des Läuferrohrs mecha- nisch mit dem Wellenstummel verbunden ist und wobei der Wel¬ lenstummel eine Mittelbohrung und/oder parallele Bohrungen aufweist, welche zur Zuführung eines Kühlmediums in das Läu¬ ferrohr vorgesehen sind, wobei das Läuferrohr mindestens eine Kühlungsöffnung aufweist und wobei die Mittelbohrung und/oder die parallelen Bohrungen mit der mindestens einen Kühlungs¬ öffnung in fluidtechnischer Verbindung stehen.
Bei dem Kühlmedium kann es sich unter anderem um ein gasförmiges Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Schutzgas, oder um ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Öl, han¬ deln. Die parallelen Bohrungen verlaufen parallel zur Rotationsachse. Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Kühlmittelzuführung vereinfacht wird. Dies führt zu einer Platzersparnis und spart Kosten ein.
Weiterhin wird die Aufgabe durch einen Gondelantrieb mit min¬ destens einer derartigen elektrischen rotierenden Maschine, einer ersten Lageranordnung an der Nichtantriebsseite der elektrischen rotierenden Maschine, einer zweiten Lageranordnung an der Antriebsseite der elektrischen rotierenden Maschine und einem Propeller geöst, wobei der Propeller mit ei¬ ner Antriebswelle der elektrischen rotierenden Maschine ver- bunden ist.
Dies ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise ein sehr kompakter und platzsparender Gondelantrieb realisiert wird. Ferner wird die Aufgabe durch ein Schiff mit mindestens einem derartigen Gondelantrieb und einem ersten Wärmetauscher, welcher außerhalb des Gondelantriebs angeordnet ist, gelöst, wo¬ bei der erste Wärmetauscher dafür vorgesehen ist, dem Gondelantrieb ein Kühlmedium zuzuführen und ein vom Gondelantrieb abströmendes Kühlmedium wieder abzukühlen.
Dies führt zu einer effizienten Kühlung und einer Platzersparnis im Gondelantrieb. Überdies wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Kühlung ei¬ ner derartigen elektrischen rotierenden Maschine gelöst, wobei das Kühlmedium zunächst durch die Mittelbohrung und/oder die parallelen Bohrungen des Wellenstummels in axiale Rich¬ tung in das Läuferrohr geleitet wird, daraufhin in radiale Richtung durch die in der axialen Mitte des Läuferrohrs und des Rotorblechpakets angeordnete Kühlungsöffnung geleitet wird, daraufhin das geleitete Kühlmedium durch den Luftspalt und/oder zwischen das Läuferrohr und das Rotorblechpaket zu den axialen Enden des Rotors geleitet wird und daraufhin das geleitete Kühlmedium in radiale Richtung über die Statorwickelköpfe geleitet wird.
Ein derartiges Verfahren zur Kühlung ist besonders vorteil¬ haft, da eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums im Ro- tor erreicht wird. Weiterhin wird die Kühlmittelzuführung vereinfacht, was zu einer Platz- und Kostenersparnis führt. Auf besonders vorteilhafte Weise ist die Mittelbohrung in axiale Richtung durch die Rotationsachse verlaufend angeord¬ net. Dadurch ist der Wellenstummel bevorzugt rotationssymmet¬ risch, was zu einer guten Stabilität und einer gleichmäßigen Zuführung des Kühlmediums führt.
Vorteilhaft sind die parallelen Bohrungen um die Rotations¬ achse herum in axiale Richtung verlaufend angeordnet. Bei¬ spielsweise sind die parallelen Bohrungen konzentrisch um die Rotationsachse angeordnet. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung des Kühlmediums im Rotor.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wellenstummel mit dem Läuferrohr über eine erste Schrumpfverbindung oder über eine erste Flanschverbindung verbunden. Bei einer
Flanschverbindung ist der Wellenstummel beispielsweise derar¬ tig ausgeführt, dass er mit Hilfe von Schrauben und/oder eine Schweißverbindung mit dem Läuferrohr verbunden wird. Bei einer Schrumpfverbindung wird bevorzugt das Läuferrohr, bei- spielsweise um einige hundert Grad Celsius, erhitzt, wodurch sich der Innendurchmesser des Läuferrohrs aufgrund von Wärme¬ ausdehnung, welche auch thermische Expansion genannt wird, vergrößert. Der Wellenstummel wird daraufhin teilweise in das erhitzte Läuferrohr eingeführt. Beim Abkühlen des Läuferrohrs findet eine Wärmeschrumpfung, welche auch thermische Kontraktion genannt wird, statt wodurch das Läuferrohr die vorherige Größe wieder bekommt und drehfest mit dem Wellenstummel ver¬ bunden ist. Derartige mechanische Verbindungen sind platzspa¬ rend, robust und kostengünstig zu realisieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektrische rotierende Maschine einen den Rotor umgebenden Stator und einen zwischen Rotor und Stator befindlichen Luftspalt auf, wobei der Rotor ein das Läuferrohr umgebendes Ro- torblechpaket aufweist, wobei das Läuferrohr und das Rotor¬ blechpaket in ihrer axialen Mitte mindestens eine in radiale Richtung verlaufende Kühlungsöffnung aufweisen und wobei die Kühlungsöffnung dafür vorgesehen ist, ein durch den Wellen- stummel in das Läuferrohr zugeführtes Kühlmedium zum Luft¬ spalt und/oder zwischen das Läuferrohr und das Rotorblechpa¬ ket zu den axialen Enden des Rotors zu leiten. Das Kühlmedium wird beispielsweise gleichmäßig von der Kühlungsöffnung zu den axialen Enden des Rotors geleitet. Dies ist besonders vorteilhaft, da so der Rotor eine gleichmäßigere Temperatur¬ verteilung aufweist. Weiterhin werden parallele Belüftungs¬ kanäle, beispielsweise im Luftspalt, den Magnettaschen und zwischen Läuferrohr und Blechpaket, ermöglicht, welche die Kühlung verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Rotorblechpaket mindestens einen Permanentmagneten auf, welcher dafür vorgesehen ist, von dem durch den Luftspalt geleiteten Kühl- medium gekühlt zu werden. Dies ist vorteilhaft, weil der Per¬ manentmagnet vom Kühlmedium gekühlt wird bevor das Kühlmedi¬ um, beispielsweise über Wickelköpfe, teilerwärmt wird.
Bevorzugt weist der Permanentmagnet einen Anteil seltener Er- den, insbesondere einen Anteil Dysprosium, auf, wobei der Permanentmagnet dafür vorgesehen ist, im Betrieb auf eine Temperatur zwischen 70°C bis 100°C, insbesondere zwischen 80°C bis 90°C, gekühlt zu werden. Bevorzugt weist der Perma¬ nentmagnet durch die geringe Betriebstemperatur, welche bei- spielsweise von der vorteilhaften Kühlung ermöglicht wird, einen vergleichsweise geringen Anteil seltener Erden auf. Dies ist vorteilhaft, da durch den geringen Anteil seltener Erden Kosten eingespart werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der
Stator an einem axialen Ende einen Statorwickelkopf auf, wo¬ bei ein zu den axialen Enden des Rotors geleitetes Kühlmedium dafür vorgesehen ist, den Statorwickelkopf zu kühlen. Dies ist besonders vorteilhaft, da für die Kühlung der Wickelköpfe kein zusätzlicher Kühler erforderlich ist. Dies führt zu einer Platz- und Kostenersparnis. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Läuferrohr um die Kühlungsöffnung herum eine Aufdickung auf, welche dafür vorgesehen ist, die Steifigkeit des Läuferrohrs zu erhöhen. Dies ist besonders vorteilhaft, dadurch die Aufdickung die durch die Kühlungsöffnung im Läuferrohr verursachte Schwächung der Querschnittsstruktur kompensiert wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Läuferrohr eine kühlmittelundurchlässige Trennwand auf, welche dafür vorgesehen ist, das durch den Wellenstummel zugeführte Kühlmedium zur Kühlungsöffnung zu leiten. Dies ist besonders vorteilhaft, da beispielsweise die Kühlmittelzuführung ver¬ bessert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische rotierende Maschine ein erstes Leitblech auf, welches dafür vorgesehen ist, eine Trennung zwischen dem durch den Wellenstummel zugeführten kühleren Kühlmedium und dem zu den axialen Enden des Rotors geleiteten Kühlmedium zu erzielen. Dies ist vorteilhaft, da so eine effizientere Kühlung erzielt wird .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektrische rotierende Maschine eine Antriebswelle auf, welche an einer Antriebsseite der elektrischen rotierenden Maschine angeordnet ist, wobei die Antriebswelle weitere parallele Boh¬ rungen aufweist, welche zur Zuführung eines zusätzlichen Kühlmediums in das Läuferrohr vorgesehen sind. Die weiteren parallelen Bohrungen sind bevorzugt konzentrisch um die Rota- tionachse in axiale Richtung verlaufend angeordnet. Eine Zu¬ führung eines zusätzlichen Kühlmediums in das Läuferrohr ist besonders vorteilhaft, da so eine größere Menge Kühlmittel, beispielsweise mit Hilfe von zweiseitig angeordneten Wärme¬ tauschern, zugeführt werden kann, was zu einer größeren Ge- samtkühlleistung führt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische rotierende Maschine ein zweites Leitblech auf, welches dafür vorgesehen ist, eine Trennung zwischen dem durch die Antriebswelle zugeführten zusätzlichen Kühlmedium und dem zu den axialen Enden des Rotors geleiteten Kühlmedium zu erzielen. Dies ist vorteilhaft, da so eine effizientere Kühlung erzielt wird.
Bevorzugt ist die Antriebswelle mit dem Läuferrohr über eine zweite Schrumpfverbindung oder über eine zweite Flanschverbindung verbunden. Derartige mechanische Verbindungen sind platzsparend, robust und kostengünstig zu realisieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die erste Lageranordnung und/oder die zweite Lageranordnung jeweils mindestens ein Radiallager und ein Axiallager auf. Bevorzugt ist das Axiallager als Axial-Pendelrollenlager oder als Carb-
Lager ausgebildet. Entsprechend weisen die Antriebswelle und der Wellenstummel jeweils ein Traglager und ein Führungslager auf, was die Effizienz des Gondelantriebs, insbesondere unter den vorherrschenden Bedingungen auf See, verbessert.
Auf vorteilhafte Weise wird das geleitete Kühlmedium symmet¬ risch und nahezu gleichmäßig verteilt zu den axialen Enden des Rotors und zu den Statorwickelköpfen geleitet. Dies hat eine gleichmäßige Temperaturverteilung zur Folge.
Bevorzugt wird ein abströmendes Kühlmedium von den Statorwickelköpfen beidseitig durch ein Statorblechpaket geleitet und in der axialen Mitte des Statorblechpakets zusammenge¬ führt. Dies ist vorteilhaft, da so das Statorblechpaket durch das abströmende Kühlmedium zusätzlich gekühlt wird. Weiterhin kann das abströmende Kühlmedium in der axialen Mitte des Statorblechpakets platzsparend abgeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein zu- sätzliches Kühlmedium durch die weiteren parallelen Bohrungen der Antriebswelle in axiale Richtung in das Läuferrohr gelei¬ tet und das Kühlmedium mit dem zusätzlichen Kühlmedium im Läuferrohr zu einem zweiseitig zugeführten Kühlmedium zusam- mengeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, da so eine größe¬ re Menge Kühlmittel zugeführt wird, was die Kühlung verbes¬ sert .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .
Es zeigen:
FIG 1 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer elektrischen rotierenden Maschine,
FIG 2 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform
einer elektrischen rotierenden Maschine,
FIG 3 einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform
einer elektrischen rotierenden Maschine,
FIG 4 eine dreidimensionale Darstellung eines Gondel¬ antriebs,
FIG 5 eine dreidimensionale Darstellung einer ersten Aus¬ führungsform eines mit einem Läuferrohr verbundenen Wellenstummeis ,
FIG 6 eine dreidimensionale Darstellung einer zweiten Aus¬ führungsform eines mit einem Läuferrohr verbundenen Wellenstummels und
FIG 7 ein Schiff mit einem Gondelantrieb,
FIG 1 zeigt einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer elektrischen rotierenden Maschine 1. Die elektrische rotierende Maschine 1 weist einen um eine Rotationsachse 4 drehbaren Rotor 3, einen den Rotor 3 umgebenden Stator 2 und einen zwischen Rotor 3 und Stator 2 befindlichen Luftspalt 6 auf. Die Rotationsachse 4 definiert eine axiale Richtung, ei¬ ne radiale Richtung und eine Umfangsrichtung .
Der Rotor weist ein Rotorblechpaket 3a und ein Läuferrohr 3b auf. Auf dem Rotorblechpaket 3a ist eine Vielzahl von Perma¬ nentmagneten 21 in Umfangsrichtung und in axiale Richtung angeordnet, wobei die Permanentmagnete 21 zumindest teilweise in das Rotorblechpaket 3a integriert sind. An der Nichtantriebsseite NDE des Läuferrohrs 3b ist ein Wel¬ lenstummel 7 über eine erste Schrumpfverbindung 7e mit dem Läuferrohr 3b verbunden. Weiterhin ist an der Antriebsseite DE des Läuferrohrs 3b eine Antriebswelle 11 über eine zweite Schrumpfverbindung lld mit dem Läuferrohr 3b verbunden.
Der Wellenstummel 7 weist eine Mittelbohrung 7b und parallele Bohrungen 7c auf. Die parallelen Bohrungen 7c verlaufen parallel zur Rotationachse 4. Die Mittelbohrung 7b und die pa¬ rallelen Bohrungen 7c sind zur Zuführung eines Kühlmediums 19 in das Läuferrohr 3b vorgesehen. Bei dem Kühlmedium 19 kann es sich um ein gasförmiges Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Schutzgas, oder um ein flüssiges Kühlmedium, beispiels¬ weise Wasser oder Öl, handeln. Die Mittelbohrung 7b ist in axiale Richtung durch die Rotationsachse 4 verlaufend und da- mit rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 4 angeordnet. Die parallelen Bohrungen 7c sind um die Rotationachse 4 herum in Umfangsrichtung und in axiale Richtung verlaufend, vorzugsweise konzentrisch, also mit gleichen Abständen von der Rotationachse 4, angeordnet.
Das Rotorblechpaket 3a und das Läuferrohr 3b weisen in ihrer axialen Mitte eine Vielzahl von in radiale Richtung verlaufende Kühlungsöffnungen 3c auf, welche in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung angeordnet sind. Beispielsweise sind die Kühlungsöffnungen 3c mit gleichen Abständen in Um- fangsrichtung angeordnet. Die Kühlungsöffnungen 3c sind dafür vorgesehen, ein durch den Wellenstummel 7 in das Läuferrohr 3b zugeführtes Kühlmedium 19 zum Luftspalt 6 und/oder zwi- sehen das Läuferrohr 3b und das Rotorblechpaket 3a zu den axialen Enden des Rotors 3 zu leiten. Das Läuferrohr 3b weist um die Kühlungsöffnung 3c herum eine Aufdickung 3d auf, welche dafür vorgesehen ist, die Steifigkeit des Läuferrohrs 3b zu erhöhen. Durch die Aufdickung wird die durch die Kühlungsöffnung 3c im Läuferrohr 3b verursachte Schwächung der Querschnittsstruktur kompensiert.
Der Stator 2 weist ein Statorblechpaket 2a und Statorwick- lungen 2c auf, wobei die Statorwicklungen 2c an den axialen Enden des Stators 2 Statorwickelköpfe 2b aufweisen. Das
Statorblechpaket 2a weist Kanäle auf, um das aufgeheizte von den Statorwickelköpfen 2b abströmende Kühlmedium 19c in der axialen Mitte des Statorblechpakets 2a zusammenzuführen und bevorzugt zum Wärmetauscher 5 abzuleiten.
Ein erstes Leitblech 8 und ein zweites Leitblech 9 sind je¬ weils teilweise am Rotor 3 und teilweise am Stator befestigt 2 und über eine kühlmittelundurchlässige zueinander bewegli- che/verschiebbare Verbindung, beispielsweise einen Spalt, miteinander verbunden. Durch die Leitbleche 8, 9 wird eine Trennung zwischen dem durch den Wellenstummel 7 zugeführten kühleren Kühlmedium 19 und dem zu den axialen Enden des Rotors 3 geleiteten Kühlmedium 19b erreicht. Weiterhin weist die elektrische rotierende Maschine ein Gehäuse 20 auf.
Ein Kühlmedium 19, welches von einem ersten Wärmetauscher 5 erzeugt wird, welcher sich außerhalb der elektrischen rotie¬ renden Maschine befindet, wird der elektrischen rotierenden Maschine 1 zugeführt und durch die Mittelbohrung 7b und die parallelen Bohrungen 7c des Wellenstummels 7 in axiale Richtung in das Läuferrohr 3b geleitet. Daraufhin wird das Kühlmedium 19 in radiale Richtung durch Kühlungsöffnungen 3c geleitet, welche sich in der axialen Mitte des Läuferrohrs 3b und des Rotorblechpakets 3a befinden. Das geleitete Kühlmedi¬ um 19b wird weiter durch den Luftspalt 6 und zwischen dem Läuferrohr 3b und dem Rotorblechpaket 3a zu den axialen Enden des Rotors 3 geleitet, wo das geleitete Kühlmedium 19b durch die beidseitig angeordneten Leitbleche 8, 9 in radiale Rich¬ tung über die Statorwickelköpfe 2b geleitet wird. Dabei wird das geleitete Kühlmedium 19b annähernd symmetrisch und nahezu gleichmäßig verteilt zu den axialen Enden des Rotors 3 und zu den Statorwickelköpfen 2b geleitet. Das abströmende Kühl¬ medium 19c wird beidseitig von den Statorwickelköpfen 2b durch Kanäle im Statorblechpaket 2a geleitet und in der axia¬ len Mitte des Statorblechpakets 2a zusammengeführt und bevor¬ zugt dem Wärmetauscher 5 wieder zugeführt.
FIG 2 zeigt einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen rotierenden Maschine 1. Diese zweite Ausführungsform der elektrischen rotierenden Maschine 1 entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform aus FIG 1 und unterscheidet sich dadurch, dass der Wellenstummel 7 an der Nichtantriebsseite NDE des Läuferrohrs 3b über eine erste Flanschverbindung 7a mit dem Läuferrohr 3b verbunden ist und die Antriebswelle 11 an der Antriebsseite DE des Läuferrohrs 3b über eine zweite Flanschverbindung IIa mit dem Läuferrohr 3b verbunden ist. Die erste Flanschverbindung 7a wird mit Hilfe einer ersten Schraube 7d hergestellt und die zweite Flanschverbindung IIa wird mit Hilfe einer zweiten Schraube IIb hergestellt. Weiterhin ist es möglich die Flanschverbindung, bevorzugt zusätzlich, mit einer Schweißverbindung her- zustellen.
Zusätzlich ist im Läuferrohr 3b eine optionale kühlmittelundurchlässige Trennwand 10 angebracht, welche dafür vorgesehen ist, das durch den Wellenstummel 7 zugeführte Kühlmedium 19 zur Kühlungsöffnung 3c zu leiten.
FIG 3 zeigt einen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform einer elektrischen rotierenden Maschine 1. Diese dritte Ausführungsform der elektrischen rotierenden Maschine 1 ent- spricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform aus FIG 2 und unterscheidet sich dadurch, dass ein von einem zweiten Wärmetauscher 12 erzeugtes zusätzliches Kühlmedium 19a auf der Antriebsseite DE zugeführt wird. Das zusätzliche Kühlme- dium 19a wird durch weitere parallele Bohrungen 11c in der der Antriebswelle 11 in axiale Richtung in das Läuferrohr 3b geleitet und mit dem Kühlmedium 19 im Läuferrohr 3b zu einem zweiseitig zugeführten Kühlmedium 19d zusammengeführt. Da- durch kann der elektrischen rotierenden Maschine 1 eine größere Menge Kühlmittel zugeführt werden, was zu einer größeren Gesamtkühlleistung führt.
FIG 4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Gondelan- triebs 15. Der Gondelantrieb 15 weist eine elektrische rotie¬ rende Maschine 1 auf, welche in ihrer Ausführung exemplarisch der in FIG 1 entspricht. Die Kühlungsöffnungen 3c sind exemplarisch als Langlöcher ausgeführt und sind äquidistant in Um- fangsrichtung angeordnet.
Weiterhin weist der Gondelantrieb 15 eine erste Lageranord¬ nung 17 an der Nichtantriebsseite NDE der elektrischen rotierenden Maschine 1 auf, mit der der Wellenstummel 7 gelagert ist. Ferner wird die Antriebswelle 11 mit einer zweiten La- geranordnung 18 an der Antriebsseite DE der elektrischen rotierenden Maschine 1 gelagert. Beide Lageranordnungen 17, 18 weisen jeweils mindestens ein Radiallager und ein Axiallager auf. Das Axiallager als Axial-Pendelrollenlager oder als Carb-Lager ausgebildet. Entsprechend weisen die Antriebswelle 11 und der Wellenstummel 7 jeweils ein Traglager und ein Füh¬ rungslager auf, was die Effizienz des Gondelantriebs 15, ins¬ besondere unter den vorherrschenden Bedingungen auf See, verbessert . Ein Propeller 13 ist an der Antriebsseite DE mit einer Antriebswelle 11 der elektrischen rotierenden Maschine 1 verbunden. Das Statorblechpaket 2a wird im Betrieb zusätzlich durch Wasser 16, welches den Gondelantrieb 15 umgibt, ge¬ kühlt. Das Gehäuse 20 um den Gondelantrieb 15 schützt die elektrische rotierende Maschine 1, die Lager 17, 18 und ande¬ re Komponenten vor eindringendem Wasser 16. Um eine effizientere Kühlung durch das im Betrieb umgebende Wasser 16 zu er¬ möglichen, kann das Gehäuse am Statorblechpaket 2a ausgespart werden, um einen direkten Kontakt des Statorblechpakets 2a mit dem kühlenden Wasser 16 zu ermöglichen.
FIG 5 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer ersten Ausführungsform eines mit einem Läuferrohr 3b verbundenen
Wellenstummels 7. Der Wellenstummel 7 ist mit dem Läuferrohr 3b über eine Schrumpfverbindung befestigt.
Bei einer derartigen Schrumpfverbindung wird das Läuferrohr 3b, beispielsweise um einige hundert Grad Celsius, erhitzt, wodurch sich der Innendurchmesser des Läuferrohrs 3b aufgrund von Wärmeausdehnung, welche auch thermische Expansion genannt wird, vergrößert. Der Wellenstummel 7 wird daraufhin bevor¬ zugt bündig in das erhitzte Läuferrohr 3b eingeführt. Beim Abkühlen des Läuferrohrs 3b findet eine Wärmeschrumpfung, welche auch thermische Kontraktion genannt wird, statt wo¬ durch das Läuferrohr 3b wieder die vorherige Größe annimmt und drehfest mit dem Wellenstummel 7 verbunden ist. Der Wellenstummel 7 ist zum größten Teil wesentlich dünner als der Innendurchmesser des Läuferrohrs 3b ausgeführt. Nur an dem Ende des Wellenstummels 7, welches mit dem Läuferrohr 3 über oben beschriebene Schrumpfverbindung verbunden ist, ist der Wellenstummel 7 geringfügig dicker ausgeführt als der Innendurchmesser des Läuferrohrs 3b im abgekühlten Zustand, um eine stabile drehfeste Schrumpfverbindung zu ermöglichen. In diesem Bereich sind die parallelen Bohrungen 7c angeordnet, welche demnach nicht über die volle axiale Länge des Wellenstummels 7 verlaufen. Die Mittelbohrung 7b verläuft hingegen in axiale Richtung über die volle axiale Länge des Wellenstummels 7 durch die Rotationsachse 4. Die Mittelboh¬ rung 7b ist rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 4 angeordnet. Die parallelen Bohrungen 7c sind konzentrisch um die Rotationachse 4 herum in axiale Richtung verlaufend ange- ordnet. Der Abstand der konzentrisch angeordneten parallelen Bohrungen 7c in Umfangsrichtung zueinander ist vorzugsweise gleich . FIG 6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines mit einem Läuferrohr 3b verbundenen Wellenstummels 7. Diese zweite Ausführungsform des Wellen¬ stummels 7 entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungs- form aus FIG 5 und unterscheidet sich dadurch, dass der Wel¬ lenstummel zylindrisch ausgeführt ist, das heißt, dass der Wellenstummel 7 über seine axiale Länge eine nahezu konstante Dicke aufweist und bevorzugt geringfügig dicker ausgeführt als der Innendurchmesser des Läuferrohrs 3b im abgekühlten Zustand, um eine stabile drehfeste Schrumpfverbindung zu er¬ möglichen. Sowohl die Mittelbohrung 7b als auch die die parallelen Bohrungen 7c verlaufen in axiale Richtung über die volle axiale Länge des Wellenstummels 7. Demnach ist bei¬ spielsweise ein, im Vergleich zu der ersten Ausführungsform aus FIG 5, größerer Innendurchmesser des ersten Lagers 17 an der Nichtantriebsseite NDE erforderlich.
FIG 7 zeigt ein Schiff 14 mit einem Gondelantrieb 15. Das Schiff 14 befindet sich im Wasser 16, sodass sich der Gondel- antrieb 15 unterhalb der Wasseroberfläche befindet. Der Gon¬ delantrieb 15 weist eine elektrische rotierende Maschine 1 mit einer Antriebswelle 11 und einem Propeller 13 auf. Der Propeller 13 ist als Schubpropeller hinten am Gondelantrieb 15 angebracht, kann aber auch als Zugpropeller vorne am Gon- delantrieb 15 angebracht sein. Ein erster Wärmetauscher 5 be¬ findet sich im Rumpf des Schiffes 14 außerhalb des Gondelan¬ triebs 15 und führt dem Gondelantrieb ein Kühlmedium 19 zu. Ein im Vergleich zum zugeführten Kühlmedium 19 aufgeheiztes abströmendes Kühlmedium 19c wird in die Gegenrichtung zum ersten Wärmetauscher 5 geleitet, welcher das abströmende
Kühlmedium 19c wieder abkühlt. Da sich der erste Wärmetau¬ scher 5 nicht im Gondelantrieb 15 befindet, wird Platz einge¬ spart und der Gondelantrieb 15 kann kompakter ausgeführt wer¬ den .
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische ro¬ tierende Maschine 1 aufweisend einen um eine Rotationsachse 4 drehbaren Rotor 3 mit einem Läuferrohr 3b und einem Wellen- stummel 7, wobei der Wellenstummel 7 an einer Nichtantriebs- seite NDE der elektrischen rotierenden Maschine 1 angeordnet ist und wobei das Läuferrohr 3b an einem axialen Ende des Läuferrohrs 3b mechanisch mit dem Wellenstummel 7 verbunden ist. Um Platz und Kosten einzusparen, wird vorgeschlagen, dass der Wellenstummel 7 eine Mittelbohrung 7b und/oder pa¬ rallele Bohrungen 7c aufweist, welche zur Zuführung eines Kühlmediums 19 in das Läuferrohr 3b vorgesehen sind.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische rotierende Maschine (1) aufweisend einen um eine Rotationsachse (4) drehbaren Rotor (3) mit einem Läu¬ ferrohr (3b) und einem Wellenstummel (7),
wobei der Wellenstummel (7) an einer Nichtantriebsseite (NDE) der elektrischen rotierenden Maschine (1) angeordnet ist,
wobei das Läuferrohr (3b) an einem axialen Ende des Läuferrohrs (3b) mechanisch mit dem Wellenstummel (7) verbunden ist,
wobei der Wellenstummel (7) eine Mittelbohrung (7b) und/oder parallele Bohrungen (7c) aufweist,
welche zur Zuführung eines Kühlmediums (19) in das Läufer¬ rohr (3b) vorgesehen sind,
wobei das Läuferrohr (3b) mindestens eine Kühlungsöffnung (3c) aufweist und
wobei die Mittelbohrung (7b) und/oder die parallelen Bohrun- gen (7c) mit der mindestens einen Kühlungsöffnung (3c) in fluidtechnischer Verbindung stehen.
2. Elektrische rotierende Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Mittelbohrung (7b) in axiale Richtung durch die Rotationsachse (4) verlaufend angeordnet ist.
3. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 1 oder 2,
wobei die parallelen Bohrungen (7c) um die Rotationachse (4) herum in axiale Richtung verlaufend angeordnet sind.
4. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 3,
wobei der Wellenstummel (7) mit dem Läuferrohr (3b) über ei- ne erste Schrumpfverbindung (7e) oder über eine erste
Flanschverbindung (7a) verbunden ist.
5. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 4,
aufweisend einen den Rotor (3) umgebenden Stator (2) und einen zwischen Rotor (3) und Stator (2) befindlichen Luftspalt (6) ,
wobei der Rotor (3) ein das Läuferrohr (3b) umgebendes Ro¬ torblechpaket (3a) aufweist,
wobei das Läuferrohr (3b) und das Rotorblechpaket (3a) in ihrer axialen Mitte mindestens eine in radiale Richtung ver- laufende Kühlungsöffnung (3c) aufweisen und
wobei die Kühlungsöffnung (3c) dafür vorgesehen ist, ein durch den Wellenstummel (7) in das Läuferrohr (3b) zugeführtes Kühlmedium (19) zum Luftspalt (6) und/oder zwischen das Läuferrohr (3b) und das Rotorblechpaket (3a) zu den axialen Enden des Rotors (3) zu leiten.
6. Elektrische rotierende Maschine (1) nach Anspruch 5, wobei das Rotorblechpaket (3a) mindestens einen Permanent¬ magneten (21) aufweist,
welcher dafür vorgesehen ist, von dem durch den Luftspalt (6) geleiteten Kühlmedium (19b) gekühlt zu werden.
7. Elektrische rotierende Maschine (1) nach Anspruch 6, wobei der Permanentmagnet (21) einen Anteil seltener Erden, insbesondere einen Anteil Dysprosium, aufweist, wobei der
Permanentmagnet (21) dafür vorgesehen ist, im Betrieb auf eine Temperatur zwischen 70°C bis 100°C, insbesondere zwi¬ schen 80°C bis 90°C, gekühlt zu werden.
8. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 5 bis 7,
wobei der Stator (2) an einem axialen Ende einen Statorwickelkopf (2b) aufweist,
wobei ein zu den axialen Enden des Rotors (3) geleitetes Kühlmedium (19b) dafür vorgesehen ist, den Statorwickelkopf (2b) zu kühlen.
9. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 5 bis 8,
wobei das Läuferrohr (3b) um die Kühlungsöffnung (3c) herum eine Aufdickung (3d) aufweist,
welche dafür vorgesehen ist, die Steifigkeit des Läuferrohrs (3b) zu erhöhen.
10. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 5 bis 9,
wobei das Läuferrohr (3b) eine kühlmittelundurchlässige Trennwand (10) aufweist,
welche dafür vorgesehen ist, das durch den Wellenstummel (7) zugeführte Kühlmedium (19) zur Kühlungsöffnung (3c) zu leiten .
11. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 5 bis 10,
aufweisend ein erstes Leitblech (8), welches dafür vorgese¬ hen ist, eine Trennung zwischen dem durch den Wellenstummel (7) zugeführten kühleren Kühlmedium (19) und dem zu den axi- alen Enden des Rotors (3) geleiteten Kühlmedium (19b) zu erzielen .
12. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 5 bis 11,
aufweisend eine Antriebswelle (11),
welche an einer Antriebsseite (DE) der elektrischen rotierenden Maschine (1) angeordnet ist,
wobei die Antriebswelle (11) weitere parallele Bohrungen (11c) aufweist, welche zur Zuführung eines zusätzlichen Kühlmediums (19a) in das Läuferrohr (3b) vorgesehen sind.
13. Elektrische rotierende Maschine (1) nach Anspruch 12, wobei die Antriebswelle (11) mit dem Läuferrohr (3b) über eine zweite Schrumpfverbindung (lld) oder über eine zweite Flanschverbindung (IIa) verbunden ist.
14. Elektrische rotierende Maschine (1) nach einem der
Ansprüche 12 oder 13, aufweisend ein zweites Leitblech (9), welches dafür vorgese¬ hen ist, eine Trennung zwischen dem durch die Antriebswelle (11) zugeführten zusätzlichen Kühlmedium (19a) und dem zu den axialen Enden des Rotors (3) geleiteten Kühlmedium (19b) zu erzielen.
15. Gondelantrieb (15) mit mindestens einer elektrischen ro¬ tierenden Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, einer ersten Lageranordnung (17) an der Nichtantriebsseite (NDE) der elektrischen rotierenden Maschine (1), einer zweiten Lageranordnung (18) an der Antriebsseite (DE) der elektrischen rotierenden Maschine (1) und einem Propeller (13), wobei der Propeller (13) mit einer Antriebswelle (11) der elektrischen rotierenden Maschine (1) verbunden ist.
16. Gondelantrieb (15) nach Anspruch 15,
wobei die erste Lageranordnung (17) und/oder die zweite Lageranordnung (18) jeweils mindestens ein Radiallager und ein Axiallager aufweisen.
17. Schiff (14) mit mindestens einem Gondelantrieb (15) nach einem der Ansprüche 15 oder 16 und mit einem ersten Wärme¬ tauscher (5), welcher außerhalb des Gondelantriebs (15) an¬ geordnet ist,
wobei der erste Wärmetauscher (5) dafür vorgesehen ist, dem Gondelantrieb (15) ein Kühlmedium (19) zuzuführen und ein vom Gondelantrieb (15) abströmendes Kühlmedium (19c) wieder abzukühlen .
18. Verfahren zur Kühlung einer elektrischen rotierenden Maschinen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
wobei das Kühlmedium (19) zunächst durch die Mittelbohrung (7b) und/oder die parallelen Bohrungen (7c) des Wellenstummels (7) in axiale Richtung in das Läuferrohr (3b) geleitet wird,
daraufhin in radiale Richtung durch die in der axialen Mitte des Läuferrohrs (3b) und des Rotorblechpakets (3a) angeord¬ nete Kühlungsöffnung (3c) geleitet wird, daraufhin das geleitete Kühlmedium (19b) durch den Luftspalt (6) und/oder zwischen das Läuferrohr (3b) und das Rotorblechpaket (3a) zu den axialen Enden des Rotors (3) geleitet wird und
daraufhin das geleitete Kühlmedium (19b) in radiale Richtung über die Statorwickelköpfe (2b) geleitet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
wobei das geleitete Kühlmedium (19b) symmetrisch und nahezu gleichmäßig verteilt zu den axialen Enden des Rotors (3) und zu den Statorwickelköpfen (2b) geleitet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
wobei ein abströmendes Kühlmedium (19c) von den Stator- wickelköpfen beidseitig durch ein Statorblechpaket (2a) ge¬ leitet und in der axialen Mitte des Statorblechpakets (2a) zusammengeführt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
wobei ein zusätzliches Kühlmedium (19a) durch die weiteren parallelen Bohrungen (11c) der Antriebswelle (11) in axiale Richtung in das Läuferrohr (3b) geleitet wird und
das Kühlmedium 19 mit dem zusätzlichen Kühlmedium (19a) im Läuferrohr (3b) zu einem zweiseitig zugeführten Kühlmedium (19d) zusammengeführt wird.
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