DE19921452C1 - Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, die einen Stator (1) und einen Rotor (2) hat, der eine Rotorwelle (5) und ein Blechpaket (3) aufweist. Die Rotorwelle (5) ist wenigstens teilweise aus einem hoch wärmeleitenden Material, das sich bis zu einem über das Blechpaket hinausragenden Wellenabschnitt erstreckt, von dem die Wärme über einen Wärmetauscher an eine Flüssigkeit abgegeben wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Stator und einem Rotor, der ein Eisenblechpaket auf einer Rotorwelle aufweist.

In jeder elektrischen Maschine entsteht durch fließende Ströme, Ummagnetisierung von Eisen, Luft- und Lagerreibung Wärme, die abgeführt werden muß, damit vorgegebene Grenzen der Temperatur in der Isolation der Wicklung nicht über­ schritten werden. Als Kühlmittel wird üblicherweise Luft verwendet. Bei großen Generatoren wird auch Wasserstoff als Kühlmittel eingesetzt. Bei manchen Maschinen sind auch im Innern Kanäle vorgesehen, in denen Wasser als Kühlmittel strömt. Bekannt sind elektrische Maschinen mit axialer oder radialer Luftführung im Rotor. Im Blechpaket des Rotors sind entsprechend der Luftführung axiale oder radiale Kanäle vor­ gesehen. Die Art der Kühlung beeinflußt vielfach die Konstruktion der jeweiligen elektrischen Maschine.

Aus der DE 197 53 261 A1 ist ein Verfahren zum Kühlen einer Wechselstrommaschine bekannt, bei dem Wärme aus einer Rotor­ welle abgeführt wird, indem ein Wärmetauscher an einer Wand nahe des Rotors angeordnet ist. Am Rotor sind dabei Zähne angeordnet, die zur besseren Kühlung komplementär in Zähne des Wärmetauschers eingreifen.

Auch aus der DE-OS 24 16 859 ist eine Kühlvorrichtung be­ kannt, bei der Wärme von einem Rotor über einen Stator einer elektrischen Maschine abgeführt wird. Dazu sind Ringelemente an der Rotorwelle und am Stator vorgesehen, welche die Wärmeabfuhr durch eine Oberflächenvergrößerung und so die Wärmeabfuhr verbessern. Die Ringelemente der Rotorwelle greifen dabei in die Zwischenräume der Ringelemente des Sta­ tors ein.

Aus der DE 196 15 382 A1 ist weiterhin eine Kühlung einer elektrischen Maschine bekannt, bei der Verlustwärme aus dem Rotor- und Statorbereich mittels sogen. Heatpipes abgeführt wird.

Aus der DE 36 01 089 A1, von der die Erfindung ausgeht, ist eine flüssigkeitsgekühlte Elektromaschine bekannt, die als Elektromotor ausgebildet ist und zusätzlich zu einem Brenn­ kraftantrieb als Alternativantrieb dient. Um eine unproblematische Kühlung eines solchen Elektromotors mit ho­ her Leistungskonzentration und kleinem Bauvolumen zu bekommen, ist um den Stator herum ein Wassermantel gelegt. Außerdem ist der Rotor mit einem rotorintegrierten Kühl­ kreislauf versehen, der entweder als Wärmerohr ausgebildet ist und mittelbar seine Wärme an den Kühlkreislauf abgibt oder der unmittelbar mit Kühlwasser beaufschlagt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Kühlung besonders für hoch belastete elektrische Maschinen zu verbessern.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine mit der Flüssigkeit gefüllte Kammer einen Wärmetaucher an einer weiteren Wand aufweist, der plattenförmige Wärmetauscherflä­ chen aufweist, die außerhalb der Kammer in eine weitere Kammer ragen, in der eine weitere Kühlflüssigkeit an den Wärmetauscheroberflächen entlangströmt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelangt der überwie­ gende Teil der im Rotor im Betrieb der Maschine entstehenden Wärme über ein hochwärmeleitendes Material zu der als Wärme­ tauscher arbeitenden Einrichtung an einem Wellenabschnitt, der über das Blechpaket hinausragt. Da das flüssige Kühlme­ dium eine sehr viel größere spezifische Wärme hat als ein Gas, findet ein intensiver Wärmeübergang statt. Die Wärmeab­ gabe durch Strahlung und Konvektion an der Oberfläche des Rotors gegenüber dem Stator wird hierdurch wesentlich redu­ ziert, so daß vielfach auf eine zusätzliche Kühlung verzichtet werden kann, d. h. es läßt sich ein Ventilator auf der Rotorwelle einsparen. Die elektrische Maschine kann ohne Ventilator kompakter und für eine höhere Schutzart gegen Feuchtigkeit bzw. Wasser ausgebildet werden.

Es reicht die von den Rippen des Wellenabschnitts erzeugte Strömung der Flüssigkeit aus, um einen guten Wärmeübergang zu den Austauschflächen des Wärmetauschers zu bewirken. Mit der Kühlflüssigkeit, die eine hohe spezifische Wärme haben kann und mit einer entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit an den Austauschflächen vorbeibewegt wird, läßt sich eine intensive Wärmeableitung erreichen. Als Kühlflüssigkeit kann Öl oder Wasser verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das hoch wärmelei­ tende Material Natrium, das in einem axial in der Rotorwelle verlaufenden, an beiden Enden geschlossenen Hohlraum ange­ ordnet ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Natrium ist so groß, daß praktisch ein wärmetechnischer Kurzschluß zwischen dem das Blechpaket tragenden Wellenbereich und dem Wellenab­ schnitt mit den Wärmetauscherelementen vorhanden ist. Durch eine entsprechende Ausbildung der Wärmetauschereinrichtung kann daher die Temperatur im Rotor auf gewünschtem niedrigen Werten gehalten werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform besteht die Rotorwel­ le aus Aluminiumnitrid. Dieses Material hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und ein geringeres spezifisches Gewicht als Stahl bei hoher Festigkeit. Da der tragende Querschnitt der Welle aus Gründen der Kühlung nicht vergrößert werden muß, läßt sich eine Gewichtseinsparung erzielen. Außerdem erzeugen magnetische Streufelder keine Eisenverluste in der Rotorwelle.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird die Kühlflüssig­ keit in einem Kreislauf bewegt, der die Kammer, eine Pumpe, einen Tank und einen Wärmetauscher enthält. Ein solcher Kreislauf wird eingesetzt, wenn die elektrische Maschine als Antrieb in einem Fahrzeug angeordnet ist.

Die elektrische Maschine kann eine Gleich- oder Wechsel- bzw. Drehstrommaschine, z. B. eine Asynchronmaschine oder ei­ ne Reluktanzmaschine, sein.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

In der Zeichnung ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor schematisch im Längsschnitt der oberen Hälfte dargestellt. Die untere Hälfte hat den gleichen Aufbau wie die obere Hälfte, d. h. sie ist zu dieser symmetrisch, so daß sich eine Darstellung erübrigt.

Die elektrische Maschine enthält einen Stator 1, der aus einem nicht näher bezeichneten Blechpaket und einer nicht näher be­ zeichneten Wicklung besteht, und einen Rotor 2, der ein Blech­ paket 3 mit nicht näher dargestellten Nuten aufweist, in die eine Wicklung 4 gelegt ist. Das Blechpaket 3 des Rotors 2 ist auf einer Rotorwelle 5 angeordnet. Der Stator ist im Inneren eines Gehäuses 6 befestigt, das zwei Lagerschilde 7, 8 auf­ weist. Der im Inneren des Gehäuses 6 angeordnete Rotor 2 ist in den beiden Lagerschilden 7, 8 beispielsweise mit Wälzlagern 9, 10 drehbar gelagert. Bei der elektrischen Maschine kann es sich um eine Asynchronmaschine oder Gleichstrommaschine handeln.

Im Inneren der Rotorwelle 5 befindet sich ein Hohlraum 11, der sich in axialer Richtung der Rotorwelle erstreckt. Der Hohlraum 11 hat vorzugsweise eine zylindrische Innenwand und ist an beiden Enden 12, 13 geschlossen. Der Hohlraum 11 verläuft symmetrisch zur Drehachse 14 der Rotorwelle 5. Im Hohlraum 11 befindet sich Natrium, das in Fig. 1 mit 15 bezeichnet ist. Das Natrium ist im Betrieb der elektrischen Maschine flüssig.

Die Rotorwelle 5 ragt mit einem Wellenabschnitt 16 über das La­ gerschild 7 hinaus. An den Wellenabschnitt 16 ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte Antriebseinheit ankuppelbar oder fest angekuppelt.

Mit einem zweiten Wellenabschnitt 17 ragt die Rotorwelle 5 auf ihrer dem Lagerschild 7 entgegengesetzten Seite über das Blech­ paket und das Lagerschild 8 mit dem Lager 10 hinaus. Das Ge­ häuse 6 der Maschine hat einen vor dem Lagerschild 8 angeord­ neten Gehäuseteil 18, der den Wellenabschnitt 17 bis zu dessen Ende umgibt. Im Gehäuseteil 18 ist eine erste Kammer 19 vor­ handen, in die der Wellenabschnitt 17 hineinragt. Von der Au­ ßenseite des Wellenabschnitts 17 ragen Rippen 20 radial nach außen in die Kammer 19, die an das Lager 10 angrenzt. Nahe am Ende der Rotorwelle 5 ist zwischen der nicht näher bezeichneten Wand der Kammer 19 und dem Wellenabschnitt 17 eine Dichtung 21 angeordnet. An der dem Rotor 2 zugewandten Seite des Lager­ schilds 8 ist im wellennahen Bereich ein gegen das Innere des Gehäuses abgedichteter, an das Lager 10 angrenzender Raum 22 vorgesehen, der eine Abdichtung 23 zur Rotorwelle 5 hin hat. Der Raum 22 steht zumindest über im Lager 10 vorhandene Spalte oder freie Räume mit der Kammer 17 in Verbindung.

In der Kammer 17 und dem Raum 22 befindet sich eine Flüssig­ keit, insbesondere Öl, in dem sich die Rippen 20 im Betrieb der Maschine drehen.

Die beispielsweise hohlzylindrische Kammer 19 ist von einer weitere Kammer 24 umgeben, die im Gehäuseteil 18 angeordnet und z. B. als ringförmiger Hohlraum ausgebildet ist. Die Kammern 19 und 24 sind durch Wand 25 voneinander getrennt. Wenigstens ein Teil der Wand 25 ist als plattenförmiger Wärmetauscher 26 aus­ gebildet, der eine Reibe von parallel im Abstand voneinander angeordneten plattenförmigen Wärmetauscherflächen bzw. Rippen 27 hat, die mit einer Hälfte jeweils in die Kammer 19 und mit der anderen Hälfte in die Kammer 24 ragen.

Der Hohlraum bzw. die Kammer 24 weist eine z. B. in der zylindrischen Außenwand angeordnete Öffnung 28 auf, an die eine in der Zeichnung schematisch dargestellte Rohrleitung 29 angeschlossen ist, die zu einem Wärmetauscher 30 verläuft. Vom Wärmetauscher 30 führt eine Leitung 31 zu einem Behälter 32 bzw. Tank für eine Kühlflüssigkeit. Eine Pumpe 33 ist über eine Leitung 34 an den Behälter 32 mit ihrer Saugseite angeschlos­ sen. Von der Pumpe 33 führt eine weitere Leitung 35 zu der Kammer 24. Der Anschluß der Leitung 35 an die Kammer 24 ist schematisch mit einem Pfeil angedeutet. Es ist zweckmäßig, wenn die Öffnung an die die Leitung 35 angeschlossen ist, der Öffnung 28 diametral gegenüberliegt. Da in der Zeichnung nur die eine Hälfte der Maschine dargestellt ist, ist der Anschluß der Leitung 35 an die Kammer 24 in der oberen Hälfte der Maschine angedeutet.

Im Behälter 30 befindet sich ein Vorrat an Kühlflüssigkeit, z. B. Öl oder Wasser. Die in der Zeichnung dargestellte Vorrich­ tung eignet sich besonders für den Einbau in ein Kraftfahrzeug, das einen oder mehrere Elektromotore zum Antrieb hat. Der Wär­ metauscher 30 kann als Kühler ausgebildet sein. Die Energie zum Betrieb der Pumpe, der elektrischen Antriebsmaschine und von Hilfsaggregaten wie Ventilatoren, Steuerungen usw. wird z. B. von eine Brennstoffzelle geliefert.

Im Betrieb der elektrischen Maschine entsteht in den Wicklungen Stromwärme und im Eisenblechpaket 3 Unmagnetisierungswärme sowie Reibungswärme in den Lagern und an den Gleitflächen der umlaufenden Teile. Die im Rotor 2 entstehenden Wärme strömt zur Rotorwelle 5. Das flüssige Natrium 15 bildet wärmetechnisch einen Kurzschluß, so daß der Wellenabschnitt 17 in etwa die gleiche Temperatur wie der Bereich der Rotorwelle 5 hat, über dem das Blechpaket 3 angeordnet ist. Der Wärmestrom gelangt vom Wellenabschnitt 17 zu den Rippen 20, die in der Flüssigkeit in der Kammer 19 umlaufen. Dabei strömt die Wärme an den Flächen der Rippen 20 in die Flüssigkeit, die durch die laufenden Rip­ pen in Bewegung gerät. Die Flüssigkeit in der Kammer 19 gibt Wärme über dem Wärmetauscher 26 an die Flüssigkeit in der Kammer 24 ab, die durch die Pumpe 33 in einem Kreislauf bewegt wird. Die Kühlflüssigkeit in der Kammer 24 und in dem Kreisauf, in dem sich die Kammer 24 befindet, ist insbesondere Wasser, durch das sich große Wärmemengen abführen lassen. Die Kühl­ mittelmenge pro Zeiteinheit kann durch die Pumpenförderleistung so vorgegeben werden, daß die Temperatur im Rotor 2 unterhalb einer zulässigen Grenze für die Temperatur liegt.

Die Wärmeableitung über die Rotorwelle 5 kann über die umlau­ fende Kühlflüssigkeit in gewünschter Höhe eingestellt werden. In Verbindung mit der durch Strahlung und Konvektion vom Rotor 2 zur Gehäusewand gelangenden Wärme reicht die für die Kühlung des Rotor 2 aus, so daß vielfach auf eine künstliche Konvektion für den Rotor 2 verzichtet werden kann. Zumindest kann die elektrische Maschine in geschlossener Bauart ausgeführt werden, wodurch die zufällige oder fahrlässige Berührung der stromfüh­ renden und umlaufenden Teile und das Eindringen von Fremdkör­ pern in das Gehäuse verhindert wird. Es ist aber auch möglich, auf der Rotorwelle noch einen Ventilator anzuordnen, der Kühl­ luft durch das Gehäuse der Maschine bewegt. Die Flüssigkeit in der Kammer 19 wird zugleich zur Schmierung des Lagers 10 ausge­ nutzt.

Bei hoch belasteten elektrischen Maschinen kann im Stator 1 eine Kühlung mittels Flüssigkeit vorgesehen sein. So ist es möglich, für Stator 1 und Rotor 2 einen gemeinsamen Kühlkreis­ lauf vorzusehen. An Stelle einer Welle mit einem natriumgef­ üllten Hohlraum kann auch eine Vollwelle aus einem hoch wärme­ leitfähigen Material wie Aluminiumnitrid vorgesehen sein. Mit einer solchen Welle, die aus einem Material von hoher Festig­ keit besteht, kann der Wellenquerschnitt kleiner sein, wodurch sich das Gewicht der Welle verringert.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit ei­ nem Stator und einem Rotor, der ein Eisenblechpaket auf einer Rotorwelle aufweist, wobei die Rotorwelle (5) teilwei­ se aus einem sich in axialer Richtung bis in einem über das Blechpaket (3) hinausragenden Wellenabschnitt (17) erstrec­ kenden, hoch wärmeleitenden Material besteht, wobei der Wellenabschnitt (17) radial nach außen vorspringende Rippen (20) aufweist, die in eine Wärme aus den Rippen (20) aufneh­ mende und an eine Kühleinrichtung abgebende Kühlflüssigkeit eintauchen und wobei die Rippen (20) des Wellenabschnitts (17) in eine mit der Flüssigkeit gefüllte Kammer (19) ragen, die als eine Wand einen Teil des einen Lagerschilds (8) der Maschine mit einem Lager (10) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Flüssigkeit gefüllte Kammer (19) einen Wär­ metauscher (26) an einer weiteren Wand aufweist, der plattenförmige Wärmetauscherflächen (27) aufweist, die au­ ßerhalb der Kammer (19) in eine weitere Kammer (24) ragen, in der eine weitere Kühlflüssigkeit an den Wärmetauscher­ oberflächen entlangströmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hoch wärmeleitende Material Natrium (15) ist, das in einem axial in der Rotorwelle (5) verlaufenden, an beiden Enden (12, 13) geschlossenen Hohlraum (11) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (11) zylindrisch ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwelle aus Aluminiumnitrid ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Öl ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Flüssigkeit Wasser ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kühlflüssigkeit in einem Kreislauf bewegt wird, der die Kammer (24), eine Pumpe (33), einen Behälter (32) und einen Wärmetauscher (30) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung in einem Kraftfahrzeug, das von der Maschine antreibbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Asynchron- oder Reluktanzmaschine ist.