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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, der mit dem Stator magnetisch zusammenwirkt, einem geschlossenen Gehäuse, das den Stator und den Rotor nach außen abdichtet, und einer Hohlwelle, auf der der Rotor angeordnet ist und die an dem Gehäuse gelagert ist, wobei die Hohlwelle das Gehäuse durchdringt und sowohl aus einer Antriebsseite des Gehäuses als auch aus einer Belüftungsseite des Gehäuses aus diesem ragt.
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Ein Stator einer elektrischen Maschine, der sich durch Verluste erwärmt, lässt sich relativ leicht durch eine Luft- oder Wasserkühlung direkt kühlen. Der Rotor einer elektrischen Maschine lässt sich nur dann direkt kühlen, wenn das Motorgehäuse offen ist. Diese Forderung des offenen Motorgehäuses steht aber unter Umständen einer speziellen Schutzart der elektrischen Maschine entgegen. Insbesondere ist es für elektrische Maschinen mit Explosionsschutz notwendig, dass das Gehäuse geschlossen ist. In diesem Fall lässt sich dann eine direkte Kühlung des Rotors mit bisher bekannten Techniken nicht realisieren.
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Die durch Verluste im Rotor entstehende Wärmeenergie kann auch indirekt durch Übertragung mittels Luft an das Motorgehäuse abgegeben werden. Dieses indirekte Kühlprinzip ist jedoch nicht so effizient wie ein direktes Kühlsystem. Darüber hinaus wird der Ständer durch die Rotorverluste aufgeheizt. Folge dieser Aufheizung der elektrischen Maschine ist unter anderem, dass die Fettgebrauchsdauer und damit die Lagerlebensdauer reduziert ist.
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Bislang werden hochwirksame Kühlungen beispielsweise bei durchzugsbelüfteten Motoren erreicht. Aufgrund des offenen Gehäuses lässt sich dabei lediglich die Schutzart IP 23 einhalten. Bei geschlossenen Gehäusen kann eine effiziente Kühlung beispielsweise durch einen so genannten „Thermosiphon“ im Rotor erreicht werden. Dieser führt die Wärme wirksam nach außen, ohne dass die Öffnung des Gehäuses notwendig wäre.
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Darüber hinaus beschreibt die Druckschrift
US 4,574,210 A einen Motor mit Außenrotor und ein entsprechendes Kühlsystem. Der Innenstator besitzt eine Hohlwelle, durch die Kühlmittel einströmen kann. Außerdem strömt das Kühlmittel um den Außenrotor herum. Ein Röhrchen mit einem flanschartigen Teller ist in der Hohlwelle des Stators platziert. Kühlluft strömt dann durch das Röhrchen in die Hohlwelle und zwischen dem Röhrchen und der Innenwand der Hohlwelle zurück nach außen. Dort wird das Kühlmittel von dem Hauptkühlstrom mitgerissen, der an dem Teller vorbei zum Außenrotor strömt.
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Eine ähnliche elektrische Maschine ist in der Druckschrift
US 3,445,696 A beschrieben. Dort strömt das Kühlmittel in die Hohlwelle eines Rotors, kehrt im Inneren der Hohlwelle um und wird von einer Injektionsdüse radial nach außen in den Kühlstrom gezogen, der den Außenstator kühlt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine geschlossene elektrische Maschine wirksamer kühlen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, der mit dem Stator magnetisch zusammenwirkt, einem geschlossenen Gehäuse, das den Stator und den Rotor nach außen abdichtet, und einer Hohlwelle, auf der der Rotor angeordnet ist und die an dem Gehäuse gelagert ist, wobei die Hohlwelle das Gehäuse durchdringt und sowohl aus einer Antriebsseite des Gehäuses als auch aus einer Belüftungsseite des Gehäuses aus dem Gehäuse ragt, wobei an der Belüftungsseite auf der Hohlwelle drehfest ein Radiallüfter angeordnet ist und die Hohlwelle an der Belüftungsseite mindestens einen radial gerichteten Durchgang aufweist, so dass ein innerer Kühlmittelstrom von dem Radiallüfter aus der Hohlwelle durch den Durchgang radial nach außen förderbar ist.
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In vorteilhafter Weise besitzt die elektrische Maschine also ein geschlossenes Gehäuse und der Rotor wird durch Kühlung der Hohlwelle, auf der der Rotor angeordnet ist, gekühlt. Dies erfolgt dadurch, dass die Hohlwelle außerhalb des Gehäuses eine Aussparung bzw. einen Durchgang besitzt, durch die/den das Kühlmittel radial aus der Hohlwelle nach außen strömen kann. Das aus der Aussparung bzw. dem Durchgang strömende Kühlmittel wird unmittelbar durch den Radiallüfter radial nach außen gefördert. Dies kann unabhängig von einem Kühlmittelstrom zur Kühlung des Stators bzw. des Gehäuses erfolgen.
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In einer Ausprägung besitzt die Hohlwelle auf der Antriebsseite eine Öffnung, durch die Kühlmittel in die Hohlwelle bis zur Belüftungsseite einströmen kann. Dies hat den Vorteil, dass der Kühlmittelstrom durch die Hohlwelle nicht axial umgelenkt werden muss und lediglich an der Belüftungsseite radial nach außen gelenkt wird.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Hohlwelle an der Antriebsseite verschlossen, und Kühlmittel kann an der Belüftungsseite stirnseitig in die Hohlwelle eindringen. Dies hat den Vorteil, dass an der Antriebsseite kein Raum für die Zufuhr von Kühlmittel vorgesehen sein muss. Vielmehr erfolgt der Kühlmittelzufluss komplett von der Belüftungsseite.
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Bei dieser zweiten Variante sollte die Hohlwelle durch den gesamten Rotor reichen, und in der Hohlwelle wird dann vorzugsweise ein Röhrchen angeordnet, durch das hindurch von der Belüftungsseite Kühlmittel durch den Rotor und zwischen der Außenwand des Röhrchens und der Innenwand der Hohlwelle zurück zur Belüftungsseite gefördert wird. Dies hat den Vorteil, dass das Kühlmittel den Rotor komplett durchströmt, auch wenn das Kühlmittel an der Belüftungsseite in die Hohlwelle einströmt und an der Belüftungsseite auch wieder ausströmt.
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Zwischen der Außenwand des Röhrchens und der Innenwand der Hohlwelle können mehrere axial verlaufende Kühlkanäle ausgebildet sein. Dadurch lässt sich die Verteilung des Kühlmittels am Innenumfang der Hohlwelle optimieren.
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Darüber hinaus kann der Radiallüfter dazu ausgebildet sein, einen axial auftreffenden äußeren Kühlmittelstrom zur Kühlung des Gehäuses radial nach außen zu fördern. Der Radiallüfter dient dabei also zur Förderung von zwei Kühlmittelströmen, nämlich dem inneren Kühlmittelstrom und dem äußeren Kühlmittelstrom.
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Der Radiallüfter kann außerdem einen radial gerichteten Teller aufweisen, der zum Rotor axial gerichtete, innere Lüfterflügel zum Antreiben des inneren Kühlmittelstroms und axial nach außen gerichtete, äußere Lüfterflügel zum Antreiben des äußeren Kühlmittelstroms aufweist. Durch den Teller wird also der innere Kühlmittelstrom von dem äußeren Kühlmittelstrom getrennt, so dass eine wirksame Förderung des inneren Kühlmittelstroms garantiert werden kann.
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Das Gehäuse der elektrischen Maschine kann auf der Belüftungsseite ein Lagerschild aufweisen, und die Kontur der zum Lagerschild gerichteten Seite der Flügel des Radiallüfters sollte dann an die Form des Lagerschilds angepasst sein. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad bei der Förderung des inneren Kühlmittelstroms erhöhen, insbesondere dann, wenn der Spalt zwischen Lagerschild und Lüfterflügel möglichst gering ist.
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Darüber hinaus sollte auch die Kontur des Tellers an die Form des Lagerschilds angepasst sein. Insbesondere kann der Teller parallel zu dem Lagerschild verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass sich der Strömungsquerschnitt des inneren Kühlmittelstroms bei der Passage des Radiallüfters nicht ändert.
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In einer speziellen Ausgestaltung bildet das Gehäuse um den Stator und den Rotor einen Explosionsschutz. Damit kann die elektrische Maschine trotz effizienter Rotorkühlung einer hohen Schutzart zugeordnet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 einen Längsquerschnitt durch einen Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 einen Längsquerschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
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3 eine Stirnseitenansicht der Rotorwelle des Motors von 2;
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4 einen Längsquerschnitt durch die Rotorwelle des Motors von 2;
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5 die andere Stirnseitenansicht der Rotorwelle;
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6 eine Stirnseitenansicht eines Radiallüfterrads;
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7 eine Querschnittsansicht des Radiallüfterrads; und
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8 die andere Stirnseitenansicht des Radiallüfterrads.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Das Beispiel von 1 betrifft einen elektrischen Motor oder Generator mit einem Stator 1 und einem Rotor 2. Der Rotor 2 ist innerhalb des Stators 1 auf einer Hohlwelle 3 drehbar gelagert.
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Der Stator 1 und der Rotor 2 sind in einem geschlossenen Gehäuse 4 untergebracht. Das Gehäuse 4 weist an den Stirnseiten ein antriebsseitiges Lagerschild 5 und ein belüftungsseitiges Lagerschild 6 auf. In den Lagerschilden 5 und 6 ist die Hohlwelle 3 gelagert. Das Gehäuse 4 dichtet den Innenraum des Motors einschließlich Stator 1 und Rotor 2 so ab, dass beispielsweise Explosionsschutz gewährleistet ist.
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Die Hohlwelle 3 ragt durch das gesamte Gehäuse 4, d.h. sie ragt aus dem antriebsseitigen Lagerschild 5 ebenso wie aus dem belüftungsseitigen Lagerschild 6. Darüber hinaus besitzt die Hohlwelle 3 ein Sackloch 7, das an der Antriebsseite A, d.h. dem Wellenspiegel 8, offen ist. Das Sackloch 7 reicht durch das gesamte Gehäuse 4 einschließlich des belüftungsseitigen Lagerschilds 6 und ein Stück weit darüber hinaus. An der belüftungsseitigen Stirnseite bzw. dem belüftungsseitigen Wellenspiegel 9 ist die Hohlwelle 3 geschlossen. Im Bereich des Bodens des Sacklochs 7 sind radiale Durchbrüche 10 in der Hohlwelle 3 vorgesehen. Die radialen Durchbrüche 10 sind beispielsweise mehrere am Umfang verteilte Bohrungen in radialer Richtung durch die Wand der Hohlwelle 3.
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Durch die spezielle Geometrie der Hohlwelle 3 kann ein Kühlmittelstrom 11 realisiert werden, der axial an der Antriebsseite A der elektrischen Maschine in die Hohlwelle 3 eindringt. Der Kühlmittelstrom 11 durchfließt dann die gesamte elektrische Maschine durch die Hohlwelle 3 bis zur Belüftungsseite. Außerhalb des belüftungsseitigen Lagerschilds 6 dringt der Kühlmittelstrom 11 dann radial nach außen durch die radialen Durchbrüche 10.
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An der Belüftungsseite B der elektrischen Maschine ist auf der Hohlwelle 3 ein Radiallüfter 12 drehfest befestigt. Der Radiallüfter 12 ist durch eine Lüfterhaube 13 umgeben, die an dem Gehäuse 4 befestigt ist. Die Lüfterhaube 13 besitzt an ihrer von dem Motor abweisenden Seite Durchbrüche 14, durch die Kühlmittel, insbesondere Luft, eindringen kann. Durch den Radiallüfter 12 wird das Kühlmittel radial nach außen gelenkt, so dass ein äußerer Kühlmittelstrom 15 entsteht, der an der Lüfterhaube 13 in axiale Richtung zu dem Mantel des Gehäuses 4, der gegebenenfalls Kühlrippen enthält, umgeleitet wird.
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Der Radiallüfter 12 ist in den 6 bis 8 einzeln dargestellt. Insbesondere ist ein Längsschnitt in 7 und in den 6 und 8 jeweils eine Stirnseitenansicht dargestellt. Der Radiallüfter 12 besitzt einen im Wesentlichen radial gerichteten Teller 16. Im vorliegenden Beispiel ist der Teller 16 kegelstumpfmantelförmig ausgebildet und besitzt in seiner Mitte einen rohrförmigen Abschnitt 17 zum Aufstecken auf die Hohlwelle 3. An der dem Motor zugewandten Seite des Tellers 16 befinden sich innere Lüfterflügel 18. Auf der gegenüberliegenden Seite des Tellers 16, d.h. der vom Motor abgewandten Seite bzw. der der Lüfterhaube 13 zugewandten Seite des Tellers 16, befinden sich äußere Lüfterflügel 19. Sowohl die inneren Lüfterflügel 18 als auch die äußeren Lüfterflügel 19 stehen radial ab, was die Stirnseitenansichten von 6 und 8 verdeutlichen.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, fördern die inneren Lüfterflügel 18 den inneren Kühlmittelstrom 11 radial nach außen. Die äußeren Lüfterflügel 19 fördern den äußeren Kühlmittelstrom 15 radial nach außen. Die beiden Kühlmittelströme 11 und 15 vereinigen sich vor dem Eintritt in das Gehäuse 4. Der innere Kühlmittelstrom 11 wird zusätzlich durch das Injektionsprinzip (Venturi-Injektion) radial nach außen gezogen, denn der äußere Kühlmittelhauptstrom 15 reißt beim Vorbeifließen an der Spitze der inneren Lüfterflügel 18 den inneren Kühlmittelstrom 11 mit.
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Um eine möglichst effiziente Lüfterwirkung zu erzielen, sind die inneren Lüfterflügel 18 in ihrer Kontur an das belüftungsseitige Lagerschild 6 angepasst. Im vorliegenden Beispiel verläuft der Rand eines inneren Lüfterflügels 18 parallel zu dem Lagerschild 6. Der Abstand zwischen beiden Teilen sollte möglichst gering sein. Darüber hinaus verläuft der Teller 16 ebenfalls parallel zu dem Lagerschild 6. Dadurch kommt es nicht zu einer Querschnittsverjüngung für den inneren Kühlmittelstrom 11, so dass dieser ungehindert fließen kann.
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In dem Beispiel von 1 wird also der Kühlmittelstrom von der Antriebsseite A durch die Hohlwelle 3 hindurch auf die Belüftungsseite B geleitet. Die erwärmte Luft wird dann an der Belüftungsseite B abgeführt. Dies setzt allerdings voraus, dass an der Antriebsseite Frischluft bzw. ein Kühlmittel zugeführt werden kann.
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Oftmals kann an der Antriebsseite A kein Kühlmittel zugeführt werden, was beispielsweise dann der Fall sein kann, wenn an das Motorgehäuse unmittelbar ein Getriebe angebaut ist. In diesem Fall ist es notwendig, dass die gesamte Belüftung bzw. Kühlung von der Belüftungsseite B aus erfolgt. Dies wird beispielsweise durch eine Ausführungsform gemäß 2 erreicht. Der dort dargestellte Elektromotor entspricht im Wesentlichen demjenigen von 1. Daher wird auf die Beschreibung von 1 verwiesen. Einziger Unterschied zu dem Motor von 1 ist, dass die Hohlwelle 3’ anders ausgebildet ist. Sie besitzt zwar auch ein Sackloch 7’, aber dieses ist zur Belüftungsseite B hin offen. An der Belüftungsseite B außerhalb des Lagerschilds 6 befinden sich hier ebenfalls die radialen Durchbrüche 10.
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Der innere Kühlmittelstrom 11’ fließt hier axial in das Sackloch 7’ der Hohlwelle 3’ ein. Das Sackloch 7’ reicht von der Belüftungsseite B her vollständig durch den Rotor 2. Damit der innere Kühlmittelstrom 11’ auch vollständig durch den Rotor hindurch fließt, ist in das Sackloch 7’ ein Führungselement 20 eingeschoben. In 4 ist das Sackloch 7’ der Welle 3’ im Längsschnitt, in 3 ist der Schnitt III-III und in 5 der Schnitt V-V dargestellt. Demnach besitzt das Führungselement 20 ein Röhrchen bzw. eine Röhre 21, die sich entlang der gesamten Tiefe des Sacklochs 7’ erstreckt. Die Röhre 21 ist durch Stege 22 an der Innenwand des Sacklochs abgestützt. In dem vorliegenden Beispiel sind es drei Stege 22, so dass sich entsprechende drei äußere Kanäle 23 zwischen der Außenwand der Röhre 21 und der Innenwand der Hohlwelle 3’ ergeben. Entsprechend der Anzahl der Stege 22 des Führungselements 20 können sich auch weniger oder mehr als drei Führungskanäle 23 ergeben.
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Etwa im axialen Bereich der Stirnseite des Rotors 2 auf der Antriebsseite A befinden sich in der Röhre 21 Aussparungen 24. Durch diese Aussparungen 24 kann das Kühlmittel aus der Röhre 21 radial nach außen in die äußeren Kanäle 23 einströmen.
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Aufgrund des Führungselements 20 ergibt sich also folgender innerer Kühlmittelstrom 11’: Von der Belüftungsseite B fließt der Kühlmittelstrom 11’ axial in die Röhre 21 in der Hohlwelle 3’. Er durchströmt den Rotor 2 und verlässt die Röhre 21 auf der Antriebsseite A durch die Aussparungen 24 radial nach außen in die äußeren Kanäle 23. In den äußeren Kanälen 23 fließt der Kühlmittelstrom 11’ zurück durch den Rotor 2 zur Belüftungsseite B. Dort verlässt er die Hohlwelle 3’ radial nach außen durch die Durchbrüche 10. Die Förderung des Kühlstroms erfolgt wie in dem Beispiel von 1.
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Das oben beschriebene Kühlkonzept kann sowohl bei geschlossenen als auch bei offenen Systemen angewandt werden.
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Das erfindungsgemäße Belüftungs- bzw. Kühlkonzept führt zu einer direkten Rotorkühlung über die Welle. Die daraus resultierende verbesserte Kühlung führt zu einer Lebensdauer- bzw. Wirkungsgradsteigerung der elektrischen Maschine. Die Schutzart der elektrischen Maschine bleibt unbeeinflusst, da das Gehäuse bzw. der Motorraum nicht geöffnet wird. Folglich kann das Kühlkonzept auch bei explosionsgeschützten Motoren angewendet werden. Vorteilhaft ist außerdem, dass das Bau- oder Anbauvolumen nicht verändert wird gegenüber konventionellen Maschinen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4574210 A [0005]
- US 3445696 A [0006]