DE102005002564A1

DE102005002564A1 - Elektrische Antriebseinrichtung mit Heatpipekühlung

Info

Publication number: DE102005002564A1
Application number: DE102005002564A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Platen; Michael Zisler; Sebastian Räder
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-08-10
Also published as: WO2006077188A1

Abstract

Um die Kühleffizienz einer elektrischen Antriebseinrichtung mit zumindest einer elektrischen Maschine (1) mit Stator (7) und Rotor zu steigern, wobei eine Kühlung zumindest des Stators (7) über zumindest eine Heatpipe (5) erfolgt, die einen Verdampfer und eine Kondensatzone aufweist, gelingt dadurch, dass die Kondensatzone im Bereich eines Lagerschildes (2, 3) und/oder eines Zwischenflansches (4) liegt, der von einer Kühlflüssigkeit eines weiteren Kühlkreislaufes durchströmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung mit zumindest einer elektrischen Maschine mit Stator und Rotor, wobei eine Kühlung zumindest des Stators im wesentlichen über Heatpipes mit Verdampferteil und Kondensatzone erfolgt.
Heatpipes, die auch als Wärmeleitrohre bezeichnet werden, bestehen aus einem geschlossenen Aluminium- oder Kupferhohlkörper, wobei auf der Innenseite ein kapillar wirksames dochtartiges Material vorhanden ist. In diesem Hohlkörper befindet sich eine Flüssigkeit unter Eigendruck, die durch die kapillaren alle internen Flächen benetzt. Bei Wärmeeintrag an irgend einem Punkt der Oberfläche der Heatpipes beginnt dort die Flüssigkeit lokal zu kochen und geht unter Wärmeenergieaufnahme in Dampf über. Der Dampf verteilt sich mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit im Hohlkörper und kondensiert unter Wärmeabgabe an einer kälteren Stelle der Heatpipes. Da die Heatpipes eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer aufweisen, sind sie ein im Elektromaschinenbau bekanntes Kühlmittel.

So ist aus der DE 23 30 172 eine rotierende elektrische Maschine mit durch Wärmerohre gekühlten Rotoren und Statoren bekannt. Dabei wird die Kühlung der Wärmerohre über Konvektion zur Umgebungsluft durch gerippte Wärmetauscher sichergestellt. Diese Kondensatorzone wird somit durch den Luftstrom gekühlt und steigert die Effizienz der Kühlung durch Heatpipes.

Ausgehend von den oben genannten Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Antriebseinrichtung zu schaffen, bei der die Kühleffizienz weiter gesteigert werden, und der Aufwand für die Montage minimiert werden soll.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass die Kondensatzone im Bereich eines Lagerschildes und/oder eines Zwischenflansches und/oder einer anderen Komponente der elektrischen Maschine liegt, der von einer Kühlflüssigkeit eines weiteren Kühlkreislaufs durchströmt ist.

Dadurch steigert sich die Kondensatwirkung im Bereich der Kondensatzone und die Kühlung der elektrischen Antriebseinrichtung wird effizienter.

Die elektrische Antriebseinrichtung umfasst zumindest eine elektrische Maschine, vorteilhafterweise sind aber ein Umrichter und/oder weitere Wärmequellen beinhaltende Elemente vorhanden. Sowohl die Umrichter als auch diese wärmequellenaufweisenden Elemente können mittels Heatpipes an die bestehende Flüssigkeitskühlung thermisch angekoppelt werden. Ebenso können diese weiteren Elemente wie auch der Umrichter an den weiteren Kühlkreislauf angeschlossen sein.

Vorteilhafterweise sind dabei die Kondensatzonen der Heatpipes nicht direkt im Flüssigkeitsstrom des weiteren Kühlkreislaufes angeordnet. D.h. eine direkte Umspülung der Heatpipes erfolgt nicht. Es erfolgt somit eine indirekte Umströmung bzw. Kühlung der Heatpipes durch den Flüssigkeitsstrom des weiteren Kühlkreislaufs. Dies erleichtert die Abdichtungen in den Lagerschilden und/oder Zwischenflanschen gegenüber der elektrischen Maschine oder den anderen elektrischen Verbrauchern. Die anderen Komponenten der elektrischen Maschine, in denen die Kondensatzone der Heatpipes angeordnet ist, sind u.a. Gehäuseteile, die von Flüssigkeiten durchströmt sind.

Die Anbindung dieser Heatpipes erfolgt vorteilhafterweise dadurch, dass über eine wärmeleitende Fixiermasse sowohl die Verdampferzone mit dem Stator als auch die Kondensatzone mit dem Zwischenflansch bzw. Lagerschild insbesondere thermisch verbunden wird, um einen ausreichenden Wärmeübergang von der Kondensatzone über Fixiermasse und Metall des Lagerflansches bzw. Zwischenflansches zum weiteren Kühlkreislauf zu schaffen.

Der thermische Übergang vom Blechpaket des Stators gestaltet sich demnach wie folgt: Blechpaket – Fixiermasse – Heatpipe – Fixiermasse – Metall des Zwischenflansches und/oder Lagerschildes – Kühlflüssigkeit des weiteren Kühlkreislaufes.

Falls sich die Heatpipes im Gehäuse befinden, ist ein weiterer Wärmeübergang vom Blechpaket zum Gehäuse vorhanden.

Vorteilhafterweise ist die elektrische Maschine gehäuselos ausgeführt, so dass die Heatpipes sich achsparallel im Blechpaket der elektrischen Maschine erstrecken und durch die oben beschriebene thermische Anbindung an diesen weiteren Kühlkreislauf angeschlossen sind. In einer weiteren Ausführungsform sind diese Heatpipes gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt um die Kühlwirkung zu vergleichmäßigen.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden in der schematisch dargestellten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt in einer Explosionsdarstellung schematisch dargestellt eine elektrische Maschine 1, die gehäuselos ausgeführt ist. Außer der Statorbohrung 8 sind in einem Blechpaket des Stators 7 Öffnungen 9 zur Aufnahme der Heatpipes 5 vorgesehen, die achsparallel ausgerichtet und eingesetzt werden. Der Zwischenflansch 4 wird an den Stator 7 angesetzt, wobei damit die Heatpipes 5 in korrespondierende Ausnehmungen des Zwischenflansches 4 eingreifen und durch Fixiermasse thermisch leitfähig mit dem Zwischenflansch 4 verbunden werden.
Ebenso können die Heatpipes 5 in dementsprechende Ausnehmungen eines Lagerschildes 2 oder 3 eingreifen und durch Fixiermasse wärmetechnisch leitfähig mit dem Zwischenflansch 4 verbunden werden. Beispielhaft zeigt der Zwischenflansch 4 Kühl kanäle 6 in die ein Kühlmittel über die Zufuhröffnungen 10 und Abfuhröffnung 11 ein- bzw. ausgeleitet werden kann. Durch die thermische Anbindung der Kondensatzone der Heatpipes 5 im Zwischenflansch 4 wird die Kondensatorzone gekühlt und somit die thermische Effizienz der gesamten Kühlanordnung gesteigert.
Des Weiteren lassen sich durch diesen zweiten Kühlkreislauf, der durch die Kühlkanäle 6 gebildet wird, weitere Heatpipes 5, die in den Zwischenflansch 4 oder in die Lagerschilde 2 eingreifen, zusätzliche Elemente einer nicht näher dargestellten elektrischen Antriebseinrichtung wie Umrichter mitkühlen. Dabei sind vorteilhafterweise die Heatpipes 5 flächig ausgeführt.
Die Heatpipes 5 sind vorteilhafterweise nicht nur als gerade, starre, stabförmige Teile ausgeführt sondern sind flexibel ausgebildet, so dass sich die Heatpipes 5 den jeweiligen Erfordernissen bei der Montage anpassen lassen. Dabei sind die Heatpipes 5 an beliebigen Stellen der Heatpipe 5 oder an konstruktiv vorgegebenen Stellen der Heatpipe 5 biegbar.
Ein großer erfindungsgemäßer Vorteil liegt darin, dass die Kondensatzone obwohl sie flüssigkeitsgekühlt ist, nicht eigens abgedichtet werden muss. Die Kondensatzone der Heatpipes 5 steht somit nicht in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit. Dies erleichtert die Montage und gewährleistet einen störungsfreien Betrieb der elektrischen Maschine.

Claims

Elektrische Antriebseinrichtung mit zumindest einer elektrischen Maschine (1) mit Stator und Rotor, wobei eine Kühlung zumindest des Stators (7) über zumindest eine Heatpipe (5) erfolgt, die einen Verdampfer und ein Kondensatzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatzone im Bereich eines Lagerschildes und/oder eines Zwischenflansches und/oder einer anderen Komponente der elektrischen Maschine liegt, der von einer Kühlflüssigkeit eines weiteren Kühlkreislaufs durchströmt ist.
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere durch Heatpipes (5) zu kühlende Elemente, wie Umrichter an diesem weiteren Kühlkreislauf thermisch angeschlossen sind.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipe (5) durch wärmeleitfähige Fixiermasse im Lagerschild (2, 3) und/oder dem Zwischenflansch (4) eingebettet ist.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipes (5) im Stator (7) in Umfangsrichtung achsparallel verteilt sind.
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipes (5) im Stator (7) in Umfangsrichtung gleichmäßig achsparallel verteilt sind.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) gehäuselos ausge führt ist, wobei sich die Heatpipes (5) im Blechpaket des Stators (7) befinden.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipes (5) flexibel ausgebildet sind.