DE102014202056A1

DE102014202056A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102014202056A1
Application number: DE102014202056.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Faistauer; Thomas Gumpoldsberger
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-09-17
Also published as: WO2015117826A3; US20160352186A1; CN105981271A; WO2015117826A2

Abstract

Beschrieben wird eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem Rotor. wobei der Rotor eine Rotorwelle umfasst, die als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei in der Hohlwelle ein abgeschlossener Hohlraum gebildet wird, in dem ein Unterdruck herrscht und in dem ein wärmetransportierendes Medium aufgenommen ist, und wobei die Hohlwelle einen Verdampfungsbereich (Heißzone) und einen Kondensationsbereich (Kaltzone) aufweist und wobei in dem Hohlraum ein Dampfkanal vorgesehen ist, und wobei die Oberfläche des Hohlraums Strukturen aufweist, welche durch die Rotation einen Transport des Kondensats des wärmetransportierenden Mediums bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle umfasst, die als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei in der Hohlwelle ein abgeschlossener Hohlraum gebildet wird, in dem ein Unterdruck herrscht und in dem ein Fluid aufgenommen ist, und wobei die Hohlwelle einen Wärmeaufnahmebereich (Heißzone) und einen Wärmeabgabebereich (Kaltzone) aufweist.
Elektrische Maschinen mit einem Rotor und einem Stator entwickeln im Betrieb Wärme, welche aus dem Innenbereich abzuführen ist. Für eine Wärmeabfuhr und einen Wärmetransport sind bereits als Wärmeleitrohre ausgeführte Rotorwellen bekannt.
Die DE 10 2009 051 114 A1 beschreibt beispielsweise eine elektrische Maschine mit einer Hohlwelle des Rotors, welche als ein geschlossener Hohlraum ausgebildet und mit einem Kältemittel gefüllt ist. In dem Hohlraum ist eine dreidimensionale Transportstruktur vorgesehen, welche dem Transport des Kältemittels dient. Elektrische Maschinen mit einer Hohlwelle für den Wärmetransport sind ferner aus der DE 10 2007 043 656 A1 und der GB 1 361 047 A bekannt.
Es liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Maschine in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Form bereitzustellen. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschine derart weiterzubilden, dass eine homogenere Temperaturverteilung und verbesserte Wärmeabfuhr sowie Wärmetransport erzielt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird derart weitergebildet, dass die den Rotor tragende Welle ihrerseits hohl und als Heat-Pipe (Wärmeleitrohr) ausgeführt ist. Bei rotierenden Maschinenteilen entsteht Verlust- oder Reibungswärme, die zur thermischen Überlastung des Bauteils oder der zugeordneten Lagerstellen führen kann. Durch die Ausführung des Rotors einer elektrischen Maschine als Wärmeleitrohr, wird ein verbesserter Wärmetransport vom Inneren der Maschine an die Oberfläche erzielt. Insgesamt kann eine bessere Abkühlung des Rotors zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine führen. Bei Wärmeleitrohren für rotierende Bauteile wird die Rotation oder die Fliehkräfte in besonders vorteilhafter Weise genutzt, um das Kondensat an die Heißseite (Wärmeabgabebereich) zu befördern.
Wärmeleitrohre bestehen aus einem abgeschlossenen Hohlraum in dem ein Unterdruck herrscht und der eine geringe Menge eines wärmetransportierenden Mediums enthält. Dieses Medium ist beispielsweise Wasser. Aufgrund des herrschenden Unterdruckes verdampft das Wasser am heißen Ende im Inneren des Wärmeleitrohres bereits bei einem niedrigen Temperaturniveau. Der Dampf strömt dann zum kalten Ende und kondensiert dort. Aufgrund der Rotation und/oder der Fliehkräfte beim Betrieb des als Wärmeleitrohres ausgebildeten Rotors wird das Kondensat wieder an die Heißseite befördert.
Bevorzugt ist der Hohlraum der Rotorwelle an seiner Innenwand mit einer Strukturierung versehen, welche durch die Rotation den Transport der kondensierten Kühlflüssigkeit bewirkt.
Diese Struktur umfasst dabei beispielsweise eine konisch ausgeführte Innenwandung der Rotorwelle oder auch eine Ausführungsvariante bei der der Innendurchmesser der Hohlwelle abgestuft ausgeführt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der elektrischen Maschine werden nachfolgend beispielshalber beschrieben, wobei veranschaulichend auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
Es zeigt:
1 einen Schnitt durch eine als Wärmeleitrohr ausgebildete Rotorwelle,
2 einen Schnitt durch eine als Wärmeleitscheibe ausgebildetes Rotorelement,
3 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Wärmeleitrohr ausgebildeten Rotorwelle,
4 eine perspektivische Ansicht der Schnittdarstellung gemäß 3; und
5 eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung einer weiteren Ausgestaltung einer als Wärmeleitrohr ausgebildeten Rotorwelle.
Nachfolgend werden anhand der 1, 3–5 als Wärmeleitrohre (Heat-Pipes) ausgebildete Rotorwellen beschrieben. Die Rotorwellen können in elektrischen Maschine eingesetzt werden und sind in an sich bekannter Weise über Lagerstellen in einem Gehäuse gelagert. Auf den Rotorwellen ist ein Rotor angeordnet. Dieser grundsätzliche Aufbau ist bekannt und zeichnerisch nicht dargestellt.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer als Wärmeleitrohr ausgebildeter Rotorwelle 1 einer elektrischen Maschine gezeigt. Die Rotationsachse ist strichpunktiert eingezeichnet. Die Rotation ist durch den Pfeil angedeutet. Die Rotorwelle 1 ist als abgeschlossene Hohlwelle HW ausgeführt. In der Hohlwelle ist ein wärmetransportierendes Medium, beispielsweise ein Fluid wie Wasser aufgenommen. In dem Hohlraum herrscht ein Unterdruck.
Die Endbereiche der Rotorwelle definieren einen Verdampfungsbereich (Heißseite H) und einen Kondensationsbereich (die Kaltseite K). Der Verdampfungsbereich H ist auf der rechten Seite der Zeichnung am Endbereich der Hohlwelle angeordnet. Im Verdampfungsbereich besitzt der Hohlraum der Rotorwelle den größten Durchmesser D1 und ist über einen ersten Abschnitt A1 zylindrisch ausgeführt. An diesen ersten zylindrischen Abschnitt A1 schließt sich ein zweiter konischer Abschnitt A2 an. Aus der Schnittdarstellung ist ersichtlich, dass die konisch verlaufende Bohrung 2 zum Endbereich der Rotorwelle, die den Kondensationsbereich definiert, hin verjüngend ausgeführt ist. Im Abschnitt A2 ist ein konisches Rohr 3 längs eines Abschnitts A3 eingefügt. Das konische Rohr 3 ist konzentrisch zu dem in die Welle eingebrachten Konus angeordnet und endet beabstandet vom Endbereich dieses Konus im Abschnitt A2. Durch die Anordnung eines zusätzlichen Rohres 3 wird in dem Hohlraum der Rotorwelle 1 ein zusätzlicher Kondensationskanal 4 gebildet. Dieser Kondensationskanal verhindert eine Behinderung des Kondensatflusses durch den Dampfstrom.
Ausgehend von den Endbereichen des konischen Rohres 3 bis jeweils zu einer inneren Stirnfläche 5 des Kondensationsbereichs bzw. des Verdampfungsbereichs ist an der inneren Mantelfläche ein Metallgeflecht oder ein Metallschaum 6 eingefügt. Dies dient an diesen Stellen der Vergrößerung der Oberfläche und somit der Verbesserung des Wärmeübergangs.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Innendurchmesser der Hohlwelle auch ausgehend von der Heißseite abgestuft mit kleinerem Durchmesser zu der Kaltseite verlaufend ausgeführt sein.
Wie bereits erläutert, ist der Verdampfungsbereich an der Stelle des größten Innendurchmessers angeordnet. Bei Betrieb der Hohlwelle als Rotor/Rotorwelle in einer elektrischen Maschine fließt das wärmetransportierende Medium als Kondensat im Hohlraum aufgrund der Fliehkräfte zur Stelle des größten Durchmessers. An dieser Stelle wird nun Wärme zugeführt (Pfeil bei H) und das Kondensat verdampft. Da durch die Ausführung und Anordnung des konischen Abschnitts Kondensat nachgefördert wird, wird der Dampf im Bereich der Heißseite verdrängt und strömt über den Dampfkanal zu den Stellen des Wärmeleitrohres mit dem kleinsten Durchmesser, nämlich dem Kondensationsbereich. Der Dampfkanal befindet sich im inneren des konischen Rohres 3. An dem Kondensationsbereich wird dann die Wärme entzogen (Pfeil bei K), wodurch der Dampf kondensiert. Das Kondensat fließt nun über den als Spalt ausgebildeten Kondensationskanal 4 zwischen innerer konischer Mantelfläche und äußerer Mantelfläche des konischen Rohres 3 längs des Abschnitts A3 in Richtung zum Verdampfungsbereich zurück. Der Wärmetransport bzw. die Zirkulation des wärmetransportierenden Mediums ist durch die Pfeile angedeutet.
Die 4 und 5 zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Wärmeleitrohres 1'. Die Zeichnungen zeigt eine zylindrische Hohlwelle 10, welche stirnseitig über Deckelelemente 11 abgeschlossen ausgeführt ist. Im Inneren der Hohlwelle ist konzentrisch ein rohrförmiges Element 12 angeordnet. Das rohrförmige Element 12 ist jeweils beabstandet zu den Deckelelementen 11 angeordnet. In den Endbereichen d. h. dem Heißbereich und dem Kaltbereich ist jeweils wie zu der 1 bereits beschrieben ein Metallschaum oder ein Metallgewebe angeordnet. Dies ist zeichnerisch nicht dargestellt. Wie es aus den Schnittdarstellungen ersichtlich ist, ist in dem als Ringkanal 14 ausgebildeten Kondensationskanal zwischen dem rohrförmigen Element 12 und der Innenwandung der Hohlwelle 10 eine archimedische Spirale 15 angeordnet. Diese dient dem Kondensattransport von der Kaltseite zur Heißseite. Insgesamt ist die dargestellte Ausgestaltung nur für langsam rotierende Wellen einsetzbar. Die archimedische Spirale zur Rückführung des Kondensats von der Kaltseite zur Heißseite funktioniert nur solange die Gravitation größer als die Fliehkräfte ist. Der Dampfkanal 16 ist durch den inneren Hohlraum des rohrförmigen Elementes 12 begrenzt.
In Abwandlung zu der in den 4 und 5 gezeigten Ausgestaltung zeigt die 5 ein Wärmeleitrohr, bei dem das rohrförmige Element 17 in gelochter Ausführung ausgestaltet ist.
Die 2 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Rotorscheibe 20. Diese ist als flaches, hohles scheibenförmiges Element (Hohlscheibe) ausgeführt und ebenfalls abgeschlossen bzw. abgedichtet ausgebildet. Auch die Wärmeleitscheibe 20 ist mit einer geringen Menge eines wärmetransportierenden Mediums befüllt und ist mit einem Unterdruck eingestellt. Die Heißzone H befindet sich im äußeren Randbereich am Außenumfang 21 der Rotorscheibe mit dem maximalen Scheibendurchmesser D2. Die Kaltzone bzw. der Wärmeabgabebereich/Kondensationsbereich ist im Bereich der Rotationsachse 22 der Rotorscheibe 20 angeordnet. Wie es aus der Schnittdarstellung ersichtlich ist, sind sowohl im Bereich der Heißzone H als auch im Bereich der Kaltzone im Bereich der Innenwandung des scheibenförmigen Elementes Metallgeflechte oder Metallschäume M zur Vergrößerung der Oberfläche angeordnet. Dies dient der besseren Wärmeverteilung und der gleichmäßigen Verteilung des Kondensats.
Wie bereits zu den rotierenden Wärmeleitrohren gemäß der 1, 3–5 beschrieben, wird das Kondensat durch Fliehkraft nach außen zur Heißzone geschleudert. Dort wird das Kondensat durch Einleitung von Wärme über die Heißzone verdampft und der Dampf durch das nachkommende Kondensat in Richtung Kaltzone verdrängt. In der Kaltzone kondensiert der Dampf unter Wärmeabgabe an das Metallgeflecht bzw. den Metallschaum in diesem Bereich und Abgabe über die Kaltzone nach außen. Wie bereits zu den anderen Ausführungsformen beschrieben können auch bei der Rotorscheibe zusätzliche Bleche angeordnet werden, die einen Kondensationskanal bilden und eine Abgrenzung des Kondensatflusses und des Dampfstromes bewirken.
Die zuvor beschriebene Rotorscheibe 20 dient allgemein dem Wärmetransport in radialer Richtung bei rotierenden Bauteilen. Einsatzmöglichkeit sind beispielsweise Rotorflügel, Brems-, Kupplungsscheiben, Elektromotoren, Turbinen- und Verdichterrotoren.
In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante sind auch Kombinationen von Rotorscheiben 20 und Wärmeleitrohre möglich. Hierbei kann zunächst über eine Rotorscheibe die Wärme in einer radialen Richtung an ein Wärmeleitrohr geleitet werden und anschließend über die Heißzone eines Wärmeleitrohres die Wärme in axialer Richtung zur Kaltzone/Wärmeabgabebereich transportiert und abgeleitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009051114 A1 [0003]
DE 102007043656 A1 [0003]
GB 1361047 A [0003]

Claims

Elektrische Maschine, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle (1, 1', 1'') umfasst, die als Hohlwelle (HW) ausgebildet ist, wobei in der Hohlwelle (HW) ein abgeschlossener Hohlraum gebildet wird, in dem ein Unterdruck herrscht und in dem ein wärmetransportierendes Medium aufgenommen ist, und wobei die Hohlwelle (HW) einen Verdampfungsbereich (Heißzone H) und einen Kondensationsbereich (Kaltzone K) aufweist und wobei in dem Hohlraum ein Dampfkanal (16) vorgesehen ist, und wobei die Oberfläche des Hohlraums Strukturen aufweist, welche durch die Rotation einen Transport des Kondensats des wärmetransportierenden Mediums bewirken.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Verdampfungsbereich und der Kondensationsbereich an gegenüberliegenden Endbereichen der Hohlwelle (HW) ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Struktur als Konisch verlaufende Bohrung (A2) ausgeführt ist und der Konus ausgehend von einem Durchmesser D1 der im Verdampfungsbereich ausgeführt ist zum Kondensationsbereich hin verjüngend ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Struktur als abgestuft ausgeführte Bohrung mit zylindrischen Bohrungsabschnitten ausgeführt ist, und der zylindrische Bohrungsabschnitt mit dem größten Durchmesser im Verdampfungsbereich ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Hohlraum der Rotorwelle (1) zwischen Verdampfungsbereich und Kondensationsbereich ein Kondensationskanal vorgesehen ist, der das Kondensat von dem Kondensationsbereich zum Verdampfungsbereich führt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei der Kondensationskanal durch ein beabstandet zu der inneren Mantelfläche der Rotorwelle konzentrisch angeordnetes Rohr (3) gebildet wird.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Hohlraum der Rotorwelle (1) im Verdampfungsbereich und/oder im Kondensationsbereich ein Metallgeflecht und/oder ein Metallschaum (6) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei längs des Kondensationskanals eine archimedische Spirale (15) zum Transport des Kondensats angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor eine Rotorscheibe (20) umfasst, die als Hohlscheibe ausgebildet ist, wobei in der Hohlscheibe ein abgeschlossener Hohlraum gebildet wird, in dem ein Unterdruck herrscht und in dem ein wärmetransportierendes Medium aufgenommen ist, und wobei die Hohlscheibe einen am Außenumfang der Rotorscheibe liegenden Verdampfungsbereich (Heißzone) und einen im Bereich der Rotorachse liegenden Kondensationsbereich (Kaltzone) aufweist und wobei in dem Hohlraum ein Dampfkanal vorgesehen ist.