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DE102018102024A1 - Rotary electric machine with internal rotor design for converting mechanical energy into electrical energy or vice versa - Google Patents

Rotary electric machine with internal rotor design for converting mechanical energy into electrical energy or vice versa Download PDF

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DE102018102024A1
DE102018102024A1 DE102018102024.4A DE102018102024A DE102018102024A1 DE 102018102024 A1 DE102018102024 A1 DE 102018102024A1 DE 102018102024 A DE102018102024 A DE 102018102024A DE 102018102024 A1 DE102018102024 A1 DE 102018102024A1
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Germany
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rotor
cooling
stator
machine
cooling device
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DE102018102024.4A
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German (de)
Inventor
Ewald Osseforth
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Eeo Tech GmbH
Original Assignee
Eeo Tech GmbH
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Publication date
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Priority to PCT/DE2019/100086 priority patent/WO2019149314A1/en
Priority to EP19705924.9A priority patent/EP3747110A1/en
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Abstract

Rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausfiihrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend einen Stator, einen Rotor im Inneren der Maschine, der vom Stator umschlossen und drehfest auf oder an einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/Abtriebswelle einschließlich des Rotors um eine Rotationsachse R drehbar ist, und eine Rotorkühleinrichtung, die gestaltet ist, um Kühlmedium entlang zumindest eines Teils der Innenfläche und/oder durch zumindest einen Teil des Inneren des Rotors für eine Wärmeabfuhr hauptsächlich durch Wärmeströmung zu fuhren oder in die Nähe der Innenfläche des Rotors für eine Wärmeabfuhr durch Wärmestrahlung zu bringen.Rotary electric machine in Innenläuferausfiihrung for converting mechanical energy into electrical energy or vice versa, comprising a stator, a rotor inside the machine, which is enclosed by the stator and rotationally fixed or rotatably mounted on or on a rotatably mounted drive / driven shaft or can be arranged so that the drive Output shaft including the rotor is rotatable about an axis of rotation R, and a rotor cooling device, which is designed to lead cooling medium along at least a portion of the inner surface and / or through at least a part of the interior of the rotor for heat dissipation mainly by heat flow or in the To bring near the inner surface of the rotor for heat dissipation by heat radiation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft rotierende elektrische Maschinen in Innenläuferausfiihrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt. Beispielsweise kann es sich um Elektrogeneratoren (elektrische Generatoren) und Elektromotoren handeln. Grundsätzlich gilt für Elektromotoren und Elektrogeneratoren, dass durch höhere Drehzahlen kleinere Bauformen mit höheren Leistungsdichten zum Einsatz kommen können. Mit höheren Leistungsdichten sind jedoch auch höhere Temperaturen verbunden. Die steigenden Temperaturen lassen die Verluste ansteigen und den Wirkungsgrad sinken. Durch eine effizientere Kühlung könnte der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.The present invention relates to rotary electric machines in Innenläuferausfiihrung for the conversion of mechanical energy into electrical energy or vice versa. For example, it may be electric generators (electric generators) and electric motors. Basically, for electric motors and electric generators, higher speeds mean that smaller designs with higher power densities can be used. However, higher power densities also involve higher temperatures. The rising temperatures increase the losses and decrease the efficiency. By more efficient cooling, the efficiency could be further improved.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausführung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt mit einer effizienteren Kühlung, insbesondere Rotorkühlung, bereitzustellen.The present invention is therefore based on the object, a rotating electric machine in internal rotor design for the conversion of mechanical energy into electrical energy or vice versa with a more efficient cooling, in particular rotor cooling to provide.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausfiihrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend: einen Stator, einen Rotor im Inneren der Maschine, der vom Stator umschlossen und drehfest auf oder an einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/Abtriebswelle einschließlich des Rotors um eine Rotationsachse R drehbar ist, und eine Rotorkühleinrichtung, die gestaltet ist, um Kühlmedium entlang zumindest eines Teils der Innenfläche und/oder durch zumindest einen Teil des Inneren des Rotors für eine Wärmeabfuhr hauptsächlich durch Wärmeströmung (Konvektion) zu führen oder in die Nähe der Innenfläche des Rotors für eine Wärmeabfuhr durch Wärmestrahlung zu bringen.According to the invention, this object is achieved according to a first aspect by a rotating electric machine in Innenläuferausfiihrung for converting mechanical energy into electrical energy or vice versa, comprising: a stator, a rotor inside the machine, which is enclosed by the stator and rotatably on or on a rotatable mounted drive input shaft or is arranged, so that the drive / output shaft including the rotor about an axis of rotation R is rotatable, and a rotor cooling means, which is designed to lead cooling medium along at least a part of the inner surface and / or through at least a part of the interior of the rotor for heat dissipation mainly by heat flow (convection) or in the vicinity of the inner surface of the rotor for to bring heat removal by thermal radiation.

Zur Wärmeabfuhr kann neben der Wärmeströmung auch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung genutzt werden. Eine Kühlung über Wärmestrahlung kann z. B. bei einem Vakuumbetrieb der rotierenden elektrischen Maschine sinnvoll sein. Das Kühlmedium kann z. B. eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder Öl, oder ein Gas, wie z. B. Luft oder Helium, sein.For heat dissipation, heat radiation and / or heat conduction can be used in addition to the heat flow. A cooling over heat radiation can z. B. be useful in a vacuum operation of the rotating electric machine. The cooling medium can, for. B. a liquid such. As water or oil, or a gas such. As air or helium.

Weiterhin wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch eine rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausführung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend einen Stator, ein Statorgehäuse, eine Statorkühleinrichtung, umfassend eine mit dem Stator fest verbundene Statorhülse zum Kühlen des Stators und eine optionale Wasserkühleinrichtung, umfassend einen Kühlmantel zum Kühlen des Statorgehäuses sowie indirekt auch der Statorhülse bzw. des Stators, einen Rotor im Inneren der Maschine, der vom Stator umschlossen und drehfest an einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/Abtriebswelle einschließlich des Rotors um eine Rotationsachse R drehbar ist, und eine Trennhaube, die den Rotor vom Stator hermetisch trennt, wobei die Antriebs/Abtriebswelle ein freies Wellenende aufweist und der Rotor auf das freie Wellenende gesteckt oder steckbar ist und becherartig gestaltet ist, vorzugsweise wobei die Statorhülse Statorkühlkanäle aufweist.Furthermore, this object is achieved according to a second aspect by a rotary electric machine in internal rotor design for converting mechanical energy into electrical energy or vice versa, comprising a stator, a stator housing, a Statorkühleinrichtung comprising a fixedly connected to the stator stator sleeve for cooling the stator and an optional water cooling device, comprising a cooling jacket for cooling the stator housing and indirectly also the stator sleeve or the stator, a rotor in the interior of the machine, which is enclosed by the stator and rotatably mounted on a rotatably mounted drive / driven shaft or can be arranged, so that the drive / Output shaft including the rotor about an axis of rotation R is rotatable, and a separation hood which hermetically separates the rotor from the stator, wherein the drive / output shaft has a free shaft end and the rotor is plugged or pluggable on the free shaft end and cup-shaped, preferably wherein the stator sleeve stator cooling channels.

Bei der rotierenden elektrischen Maschine kann vorgesehen sein, dass der Rotor mehrwandig, insbesondere doppelwandig, gestaltet ist. Alternativ oder zusätzlich können Einrichtungen zur Oberflächenvergrößerung vorgesehen sein.In the rotary electric machine can be provided that the rotor is multi-walled, in particular double-walled, designed. Alternatively or additionally, devices for surface enlargement may be provided.

Vorteilhafterweise umfasst die Rotorkühleinrichtung mindestens zwei Rotorkühlkanäle. Mit dem Begriff „Rotorkühlkanäle“ sollen auch beispielsweise „Rotorkühlbohrungen“ umfasst sein.Advantageously, the rotor cooling device comprises at least two rotor cooling channels. The term "rotor cooling passages" should also include, for example, "rotor cooling bores".

Vorteilhafterweise erstrecken sich die Rotorkühlkanäle nahe zum Außendurchmesser des Rotors, um eine hohen Kühleffekt für die Magnete zu erreichen. Vorzugsweise sind die Rotorkühlkanäle symmetrisch und/oder fluchtend mit der Rotorachse über den Rotor verteilt.Advantageously, the rotor cooling passages extend close to the outer diameter of the rotor in order to achieve a high cooling effect for the magnets. Preferably, the rotor cooling channels are distributed symmetrically and / or in alignment with the rotor axis over the rotor.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist die Antriebs/Abtriebswelle ein freies Wellenende auf und ist der Rotor auf das freie Wellenende gesteckt oder steckbar. Anstelle der Steckverbindung können auch andere Verbindungsarten verwendet werden.According to a particular embodiment, the drive / output shaft has a free shaft end and the rotor is plugged or plugged onto the free shaft end. Instead of the connector, other types of connection can be used.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Rotor becherartig gestaltet ist.In particular, it can be provided that the rotor is cup-shaped.

Dabei kann der Boden des becherartigen Rotors gestaltet sein, um auf das freie Wellenende gesteckt zu werden. Anstelle der Steckverbindung können auch andere Verbindungsarten verwendet werden.In this case, the bottom of the cup-shaped rotor can be designed to be plugged onto the free end of the shaft. Instead of the connector, other types of connection can be used.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden hohlen Kühlstutzen, der sich in Richtung der Rotationsachse des Rotors erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors in das Becherinnere hinein streckt und mit dessen vom Rotor abgewandten Ende mit einer Kühlmediumquelle zum Zuführen von Kühlmedium verbunden oder verbindbar ist, und einen Kühlmediumauslass zum Abgeben des Kühlmediums zur Außenseite der Maschine auf. Ganz allgemein kann bei einem offenen Kühlsystem, insbesondere wenn keine Zwangskühlung vorgesehen ist, beispielsweise ein externes Gebläse oder eine externe Pumpe vorgesehen sein. According to a further particular embodiment of the present invention, the rotor cooling device further comprises a fixed hollow cooling nozzle, which extends in the direction of the axis of rotation of the rotor extending from the open side of the cup-like rotor into the cup interior and with its end facing away from the rotor with a cooling medium source for feeding of cooling medium is connected or connectable, and a Kühlmediumauslass for discharging the cooling medium to Outside of the machine. Quite generally, in an open cooling system, in particular when no forced cooling is provided, for example, an external fan or an external pump may be provided.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das zum Rotor gewandte Ende des Kühlstutzens offen ist und sich auf der Außenseite des Kühlstutzens rippen- oder schaufelartige Vorsprünge für eine Zwangskühlung befinden. Ganz allgemein kann beispielsweise ein mechanischer Gasverdichter, wie z. B. ein Turbinenrad, ein Propeller, ein Schraubenverdichter etc., zum Einsatz kommen. Durch das offene Ende des Kühlstutzens kann ein Kühlmedium, wie z. B. Kühlgas, in den Rotor bzw. die Rotorhülse geführt werden.In particular, it may be provided that the rotor facing the end of the cooling nozzle is open and are on the outside of the cooling nozzle rib or blade-like projections for forced cooling. In general, for example, a mechanical gas compressor, such. As a turbine wheel, a propeller, a screw compressor, etc., are used. Through the open end of the cooling nozzle, a cooling medium, such. As cooling gas, are guided in the rotor or the rotor sleeve.

Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Vorsprünge unter einem Winkel α in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel α ca. 10°. Über den Winkel und/oder den Abstand der Vorsprünge/Schaufeln und/oder den Abstand zum Rotor bzw. zur Rotorhülse lässt sich die Kühlleistung einstellen.Conveniently, the projections extend at an angle α in a range of 0 ° to 45 ° to the longitudinal axis of the cooling nozzle. Particularly preferred is the angle α about 10 °. About the angle and / or the distance of the projections / blades and / or the distance to the rotor or to the rotor sleeve, the cooling capacity can be adjusted.

Alternativ kann das zum Rotor gewandte Ende des Kühlstutzens geschlossen sein.Alternatively, the rotor-facing end of the cooling nozzle may be closed.

Wiederum alternativ kann das zum Rotor gewandte Ende des Kühlstutzens offen sein und die Maschine eine Trennhaube aufweisen, die den Rotor vom Stator hermetisch trennt und sich zwischen dem Rotor und dem Kühlstutzen erstreckt, sodass das Kühlmedium nicht zum Rotor, aber zur Trennhaube gelangt.Again alternatively, the rotor-facing end of the cooling nozzle may be open and the machine may include a separation hood which hermetically separates the rotor from the stator and extends between the rotor and the cooling nozzle so that the cooling medium does not pass to the rotor but to the separation hood.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden Kühlstutzen aufweist, der sich in Richtung der Rotationsachse des Rotors erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors in das Becherinnere hinein erstreckt und dessen zum Rotor gewandtes Ende geschlossen ist sowie auf seiner Außenseite rippen- oder schaufelartige Vorsprünge für eine Zwangskühlung aufweist. Insbesondere kann es sich um eine Vollwelle handeln und kann das Kühlmedium über den bzw. einem dann gelochten Boden des Rotors bzw. der Rotorhülse geführt werden.According to a further particular embodiment of the present invention it can be provided that the rotor cooling device further comprises a fixed cooling nozzle which extends in the direction of the axis of rotation of the rotor extending from the open side of the cup-like rotor into the cup interior and whose rotor-facing end is closed and on its outside rib-like or blade-like projections for forced cooling has. In particular, it can be a solid shaft and the cooling medium can be passed over the or a then perforated bottom of the rotor or the rotor sleeve.

Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Vorsprünge unter einem Winkel α in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel α ca. 10°. Über den Winkel und/oder den Abstand der Vorsprünge/Schaufeln und/oder den Abstand zum Rotor bzw. zur Rotorhülse lässt sich die Kühlleistung einstellen.Conveniently, the projections extend at an angle α in a range of 0 ° to 45 ° to the longitudinal axis of the cooling nozzle. Particularly preferred is the angle α about 10 °. About the angle and / or the distance of the projections / blades and / or the distance to the rotor or to the rotor sleeve, the cooling capacity can be adjusted.

Günstigerweise weist die Maschine ferner eine Statorkühleinrichtung zum Kühlen des Stators auf.Conveniently, the machine further comprises a stator cooling device for cooling the stator.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Statorkühleinrichtung der Rotorkühleinrichtung nachgeschaltet ist.In particular, it can be provided that the stator cooling device of the rotor cooling device is connected downstream.

Zudem kann vorgesehen sein, dass die Statorkühleinrichtung integral mit der Rotorkühleinrichtung ausgebildet ist.In addition, it can be provided that the stator cooling device is formed integrally with the rotor cooling device.

Vorteilhafterweise weist die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung, auf.Advantageously, the stator cooling device has an external fluid cooling device, in particular a water cooling device.

Vorteilhafterweise weist die Statorkühleinrichtung eine um den Stator gelegte Statorhülse, vorzugsweise mit Statorkühlkanälen, auf. Mit „Statorkühlkanäle“ sollen beispielsweise auch „Statorkühlbohrungen“ gemeint sein.Advantageously, the stator cooling device has a stator sleeve placed around the stator, preferably with stator cooling channels. For example, "stator cooling holes" should also be understood to mean "stator cooling holes".

Vorteilhafterweise ist die Statorhülse als ein Wärmetauscherring ausgeführt.Advantageously, the stator sleeve is designed as a heat exchanger ring.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Antriebs/Abtriebswelle beidseitig gelagert ist und der Rotor drehfest auf der Antriebs/Abtriebswelle, diese umschließend, angeordnet ist.According to another particular embodiment of the present invention can be provided that the drive / output shaft is mounted on both sides and the rotor rotatably on the drive / output shaft, this enclosing, is arranged.

Vorteilhafterweise weist die Zwangskühleinrichtung rippen- und/oder schaufelartige Vorsprünge zwischen der Antriebs/Abtriebswelle und dem Rotor auf. Ganz allgemein kann z. B. ein mechanischer Gasverdichter, wie z. B. ein Turbinenrad, ein Propeller, ein Schraubenverdichter etc., zum Einsatz kommen.Advantageously, the forced cooling device has rib-shaped and / or blade-like projections between the drive / driven shaft and the rotor. In general, z. B. a mechanical gas compressor, such as. As a turbine wheel, a propeller, a screw compressor, etc., are used.

Die Vorsprünge (kühlmediumverdichtenden Komponenten) sind in einer besonderen Ausführungsform mit dem bzw. einem Statorgehäuse fest verbunden.The projections (cooling medium compressing components) are firmly connected in a particular embodiment with the or a stator housing.

Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Vorsprünge unter einem Winkel α in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel α ca. 10°. Über den Winkel und/oder den Abstand der Vorsprünge/Schaufeln und/oder den Abstand zum Rotor bzw. zur Rotorhülse lässt sich die Kühlleistung einstellen. Vorteilhafterweise ist die Rotorkühleinrichtung als eine offene innere Zwangskühleinrichtung mit einem Kühlmediumeinlass zum Zuführen eines Kühlmediums von der Außenseite der Maschine und einem Kühlmediumauslass zum Abführen des Kühlmediums zum Passieren des Rotors und gegebenenfalls auch des Stators ausgeführt.Conveniently, the projections extend at an angle α in a range of 0 ° to 45 ° to the longitudinal axis of the cooling nozzle. Particularly preferred is the angle α about 10 °. About the angle and / or the distance of the projections / blades and / or the distance to the rotor or to the rotor sleeve, the cooling capacity can be adjusted. Advantageously, the rotor cooling device is designed as an open internal forced cooling device with a cooling medium inlet for supplying a cooling medium from the outside of the machine and a cooling medium outlet for discharging the cooling medium for passing through the rotor and optionally also the stator.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Rotorkühleinrichtung als eine geschlossene innere Zwangskühleinrichtung ausgeführt ist. Alternatively it can be provided that the rotor cooling device is designed as a closed internal forced cooling device.

Zweckmäßigerweise weist die Maschine ferner eine, vorzugsweise der Rotorkühleinrichtung nachgeschaltete, vorzugsweise damit integral ausgebildete, Statorkühleinrichtung auf.Expediently, the machine further comprises a stator cooling device connected downstream, preferably downstream of the rotor cooling device, preferably integrally therewith.

Ebenfalls zweckmäßigerweise weist die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung, auf.Likewise expediently, the stator cooling device has an external fluid cooling device, in particular a water cooling device.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Statorkühleinrichtung eine um den Stator gelegte Statorhülse, vorzugsweise mit Statorkühlkanälen, aufweist.Furthermore, it can be provided that the stator cooling device has a stator sleeve placed around the stator, preferably with stator cooling channels.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Statorhülse als ein Wärmetauscherring ausgeführt ist.Finally, it can be provided that the stator sleeve is designed as a heat exchanger ring.

Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die spezielle Rotorkühlung und/oder spezielle Statorkühlung der Wirkungsgrad der rotierenden elektrischen Maschine erhöht werden kann.The present invention is based on the surprising finding that the efficiency of the rotating electrical machine can be increased by the special rotor cooling and / or special stator cooling.

Zumindest in einer besonderen Ausführungsform benötigt die rotierende elektrische Maschine kein Getriebe (getriebelos) und/oder keine Kupplung (kupplungslos) und/oder kein eigenes Lager.At least in one particular embodiment, the rotary electric machine does not require a gearbox (gearless) and / or a clutch (clutchless) and / or no dedicated bearing.

In besonderen Ausführungsformen werden z. B. bereitgestellt:

  • - eine rotierende elektrische Maschine, die ohne eigene Lagerung auf vorhandene freie Wellenenden einer anderen Maschine aufgesteckt werden kann und damit als magnetische Kupplung ohne direkte mechanische Verbindung wirkt,
  • - eine rotierende elektrsiche Mschine, die zusätzlich auch ein mechanisches Getriebe ersetzen kann, und
  • - eine rotierende Maschine, die diverse Kupplungsarten, wie. Z. B. Keilriemen, Sternkupplung etc., ersetzen kann, sodass damit mindestens zwei zusätzliche Lagerungen entfallen.
In particular embodiments, z. B. provided:
  • - A rotating electrical machine that can be plugged without own storage on existing free shaft ends of another machine and thus acts as a magnetic coupling without direct mechanical connection,
  • - a rotating electric machine, which can also replace a mechanical gear, and
  • - a rotating machine, the various types of couplings, such as. For example, V-belt, star coupling, etc., can replace, so that accounts for at least two additional bearings.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:

  • 1 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option innere Gaskühlung über Zwangskühlung (ohne externen Lüfter) und ohne Wasserkühlung;
  • 2 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option Trennhaube, innere Gaskühlung ohne externen Lüfter und ohne Wasserkühlung;
  • 3 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer dritten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option einer geschlossenen inneren Zwangskühlung und integrierter Wasserkühlung;
  • 4 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer vierten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option Wasserkühlung und innerer Kühlung mit Stutzen über Strahlungswärme;
  • 5 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer fünften besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Option der Trennhaube ohne Rotorkühlung und der Stator-Wasserkühlung;
  • 6 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer sechsten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 eine rotierende elektrische Maschine gemäß einer siebten besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine Detailschnittansicht und zwei Schnittansichten entlang der Linie A-A' von einem Rotor einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß weiteren besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 eine Schnittansicht und eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' von einer Statorhülse einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Further features and advantages of the invention will become apparent from the appended claims and from the following description in which several embodiments are explained in detail with reference to the schematic drawings. Showing:
  • 1 a rotating electrical machine according to a first particular embodiment of the present invention with the option of internal gas cooling via forced cooling (without external fan) and without water cooling;
  • 2 a rotating electrical machine according to a second particular embodiment of the present invention with the option separation hood, inner gas cooling without external fan and without water cooling;
  • 3 a rotary electric machine according to a third particular embodiment of the present invention with the option of a closed internal forced cooling and integrated water cooling;
  • 4 a rotating electrical machine according to a fourth particular embodiment of the present invention with the option water cooling and internal cooling with nozzles over radiant heat;
  • 5 a rotary electric machine according to a fifth particular embodiment of the present invention with the option of the separation hood without rotor cooling and the stator water cooling;
  • 6 a rotary electric machine according to a sixth specific embodiment of the present invention;
  • 7 a rotary electric machine according to a seventh particular embodiment of the present invention;
  • 8th a detail sectional view and two sectional views along the line A-A ' from a rotor of a rotary electric machine according to other particular embodiments of the present invention; and
  • 9 a sectional view and a sectional view taken along the line A-A ' of a stator sleeve of a rotary electric machine according to another particular embodiment of the present invention.

Die in der 1 gezeigte rotierende elektrische Maschine 100 in Innenläuferausfiihrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 4 im Inneren der Maschine 100, der vom Stator 2 umschlossen ist. Der Rotor 4 ist becherartig gestaltet. Sein Boden 4a ist auf ein freies Wellenende 5a einer Antriebs/Abtriebswelle 5 gesteckt.The in the 1 shown rotating electric machine 100 in Innenläuferausfiihrung for the conversion of mechanical energy into electrical energy or vice versa comprises a stator 2 and a rotor 4 inside the machine 100 , from the stator 2 is enclosed. The rotor 4 is cup-shaped. His bottom 4a is on a free shaft end 5a a drive / output shaft 5 plugged.

Zudem weist die Maschine 100 eine Rotorkühleinrichtung auf, die einen feststehenden hohlen Kühlstutzen 3, der sich in Richtung der Rotationsachse R des Rotors 4 streckend von der offenen Seite des becherartigen Rotor 4 in das Becherinnere hinein erstreckt und mit dessen vom Rotor 4 abgewandeten Ende 3a mit einer Kühlmediumquelle (nicht gezeigt) zum Zuführen von Kühlmedium verbunden oder verbindbar ist, und einen Kühlmediumauslass 19 zum Abgeben des Kühlmediums zur Außenseite der Maschine 100 aufweist. Genauer gesagt weist die Maschine 100 in diesem Beispiel ein Statorgehäuse 1 auf, aus dem über den Kühlmediumauslass 19 Kühlmedium zur Außenseite der Maschine abgegeben werden kann. Auf der Außenfläche 3c des zum Rotor 4 gewandten Endes 3b des Kühlstutzens 3 erstrecken sich rippen- bzw. schaufelartige Vorsprünge 7 für eine Zwangskühlung. Durch eine Relativbewegung zwischen dem Rotor 4 und den Vorsprüngen 7 wird das in der 1 von rechts in den Kühlstutzen 3 geleitete Kühlmedium am Ende des Kühlstutzens 3 im Spalt 22 zwischen der Außenfläche des Kühlstutzen 3 und der Innenfläche 4b des Rotors 4 angesaugt und aus dem becherartigen Rotor 4 in 1 nach rechts gedrückt. Dies kann noch durch ein Flügelrad 8, das auf dem Kühlstutzen 3 sitzt, verstärkt werden. Das Kühlmedium bewegt sich dann weiter - wie durch die Pfeile gekennzeichnet - durch einen Spalt 13 zwischen der mit einer Magnetbandage 15 versehenen Außenfläche 4c des Rotors 4 und der Innenfläche 2a des Stators 2 sowie parallel dazu durch eine Statorhülse 9 im Außenbereich des Stators 2 zum Kühlmediumauslass 19. Es erfolgt somit eine Zwangskühlung des Rotors 4 und des Stators 2 unter Zuführung eines Kühlmediums, wie z. B. eines Kühlgases, von außen. Dazu werden in diesem Beispiel weder eine externe Pumpe noch ein externes Gebläse (bzw. externer Lüfter) eingesetzt. Die Magnetbandage 15 enthält Permanentmagneten. Durch die innere Kühlung bleiben die Permanentmagneten der Magnetbandage 15 gekühlt und kann der Spalt 13 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 2 unabhängig vom Kühlbedarf optimal ausgelegt werden.In addition, the machine points 100 a rotor cooling device on which a fixed hollow cooling nozzle 3 moving in the direction of the axis of rotation R of the rotor 4 extending from the open side of the cup-like rotor 4 into the cup interior extends into and from the rotor 4 opposite end 3a is connected or connectable with a cooling medium source (not shown) for supplying cooling medium, and a cooling medium outlet 19 for discharging the cooling medium to the outside of the machine 100 having. More specifically, the machine points 100 in this example a stator housing 1 from, over the Kühlmediumauslass 19 Cooling medium can be discharged to the outside of the machine. On the outside surface 3c that to the rotor 4 clever end 3b of the cooling nozzle 3 rib-like projections extend 7 for a forced cooling. By a relative movement between the rotor 4 and the projections 7 will that be in the 1 from the right into the cooling connection 3 directed cooling medium at the end of the cooling nozzle 3 in the gap 22 between the outer surface of the cooling nozzle 3 and the inner surface 4b of the rotor 4 sucked in and out of the cup-like rotor 4 in 1 pressed to the right. This can still be done by an impeller 8th That on the cooling neck 3 sits, be strengthened. The cooling medium then continues to move - as indicated by the arrows - through a gap 13 between the one with a magnetic bandage 15 provided outer surface 4c of the rotor 4 and the inner surface 2a of the stator 2 as well as parallel through a stator sleeve 9 in the outer area of the stator 2 to the cooling medium outlet 19 , There is thus a forced cooling of the rotor 4 and the stator 2 under supply of a cooling medium, such as. B. a cooling gas, from the outside. For this purpose, neither an external pump nor an external fan (or external fan) are used in this example. The magnetic bandage 15 contains permanent magnets. Due to the internal cooling, the permanent magnets of the magnetic bandage remain 15 cooled and can the gap 13 between the rotor 4 and the stator 2 be designed optimally regardless of the cooling requirements.

Bei reiner Luftkühlung wird über den Kühlstutzen 3 gefilterte Luft angesaugt und verlässt die Maschine 100 bzw. den Elektromotor über den Kühlmediumauslass 19.With pure air cooling is via the cooling nozzle 3 sucked in filtered air and leaves the machine 100 or the electric motor via the Kühlmediumauslass 19 ,

In dieser besonderen Ausführungsform sind die Vorsprünge 7 und das Flügelrad 8 mit dem Kühlstutzen fest verbunden. Der Kühlstutzen 3 ist wiederum beispielhaft mit dem Statorgehäuse 1 fest und zentriert verbunden sowie in den drehfähigen Rotor 4 geführt. Das Statorgehäuse 1 ist wiederum beispielhaft zentriert an ein Antriebs- bzw. Abtriebsgehäuse 6 geschraubt.In this particular embodiment, the protrusions 7 and the impeller 8th firmly connected to the cooling nozzle. The cooling nozzle 3 is again exemplary with the stator housing 1 firmly and centered connected as well as in the rotatable rotor 4 guided. The stator housing 1 is again exemplified centered on a drive or driven housing 6 screwed.

Der Spalt 13 kann sehr flexibel (kleiner Spalt oder auch dickwandige thermisch isolierende Bandagen) ausgelegt werden, weil keine Rotoraußenkühlung benötigt wird.The gap 13 Can be designed very flexible (small gap or thick-walled thermally insulating bandages), because no external rotor cooling is needed.

Durch den Verzicht auf eine eigene Rotorlagerung ist die Maschine 100 (Elektromotor/Elektrogenerator) sehr kompakt und preiswert herzustellen und zusätzlich weniger verlustbehaftet.By dispensing with its own rotor bearing is the machine 100 (Electric motor / electric generator) very compact and inexpensive to produce and also less lossy.

Die in der 2 gezeigte Maschine 100 weist ebenfalls einen Kühlstutzen 3 mit einem zum Rotor 4 offenen Ende 3b auf. Der becherartige Rotor 4 ist jedoch durch eine korrespondierend gestaltete, vorzugsweise nicht ferritische, Trennhaube 12 hermetisch abgedichtet. Anders ausgedrückt, kann durch beispielsweise Aufstecken der, vorzugsweise dünnwandigen, Trennhaube 12 der Statorbereich vollständig hermetisch abgeschlossen werden. Dadurch werden durch das Kühlmedium lediglich der Stator 2 und die Trennhaube 12 direkt gekühlt. Der Rotor 4 selbst wird lediglich indirekt über die (gekühlte) Trennhaube 12 gekühlt. Zudem findet keine Zwangskühlung statt, sondern wird das Kühlmedium, wie z. B. Kühlgas, beispielsweise über ein Gebläse (nicht gezeigt) in die Maschine und auch aus dieser wieder heraus geführt. Dementsprechend fehlen die Vorsprünge 7 und das Flügelrad 8 von 1. Optional kann eine Wasserkühleinrichtung 11 vorgesehen sein mit dem Vorteil, dass dann eine geringe Fremdkühlung über ein externes Gebläse erfolgen muss und die Wärmeenergie des Wassers z.B. direkt für Heizzwecke genutzt werden kann.The in the 2 shown machine 100 also has a cooling nozzle 3 with one to the rotor 4 open end 3b on. The cup-like rotor 4 However, by a correspondingly shaped, preferably non-ferritic, separation hood 12 hermetically sealed. In other words, by, for example, attaching the, preferably thin-walled, separating hood 12 the stator area is completely hermetically sealed. As a result, only the stator is due to the cooling medium 2 and the divider 12 directly cooled. The rotor 4 itself becomes only indirectly over the (cooled) separation hood 12 cooled. In addition, there is no forced cooling, but is the cooling medium, such. B. cooling gas, for example via a fan (not shown) in the machine and out of this out again. Accordingly, the projections are missing 7 and the impeller 8th from 1 , Optionally, a water cooling device 11 be provided with the advantage that then a small external cooling must be done via an external fan and the heat energy of the water can be used eg directly for heating purposes.

Die in der 3 gezeigte Ausführungsform weist eine Rotor-Zwangs-Umluftkühlung (geschlossene innere Zwangskühlung) und eine (integrierte) Stator-Wasserkühlung auf. Genauer gesagt weist die Rotorkühleinrichtung einen feststehenden Kühlstutzen 3 auf, der sich in Richtung der Rotationsachse R des Rotors 4 erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors 4 in das Becherinnere hinein erstreckt und dessen zum Rotor gewandtes Ende 3b geschlossen ist sowie der auf seiner Außenfläche 3c rippen- oder schaufelartige Vorsprünge 7 sowie zusätzlich ein Flügelrad 8 aufweist. Genau wie bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich das Flügelrad 8 auf der Höhe der Oberkante des auf der Seite liegenden Bechers des Rotors 4. Wie sich anhand der Strömungspfeile in der 3 ergibt, handelt es sich um ein geschlossenes Kühlsystem und wird das Kühlmedium durch eine Relativbewegung zwischen dem (sich drehenden) Rotor 4 und den Vorsprüngen 7 und dem Flügelrad 8 im Inneren durch Rotorkühlbohrungen 9a im Boden 4a des Rotors 4 und einen Spalt (Ringspalt) zwischen dem Kühlstutzen 3 und dem Rotor 4 axial entlang der Innenfläche 4b des Rotors, aus dem Rotor 4 heraus und dann in entgegengesetzter Richtung durch axial verlaufende Bohrungen 9a in der Statorhülse 9 geführt. Nach Verlassen des Stators 2 kehrt sich die Strömungsrichtung des Kühlmediums wieder um und strömt ein Teil des Kühlmediums im Spalt 13 zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 4 und ein weiterer Teil im Spalt 22 zwischen dem Rotor und dem Kühlstutzen zurück. Durch die Wasserkühleinrichtung 11 im Bereich der Statorhülse 9 wird ermöglicht, dass das Kühlmedium, zum Beispiel Kühlluft, als über die Statorhülse gekühlte „Umluft“ innerhalb der Maschine gefahren werden kann und damit eine Kühlluftfilterung entfallen kann.The in the 3 The embodiment shown has a rotor forced circulating air cooling (closed internal forced cooling) and an (integrated) stator water cooling. More specifically, the rotor cooling device has a fixed cooling nozzle 3 on, moving in the direction of the axis of rotation R of the rotor 4 extending from the open side of the cup-shaped rotor 4 extends into the cup inside and its end facing the rotor 3b is closed as well as on its outer surface 3c ribbed or blade-like projections 7 as well as an impeller 8th having. Just like the one in the 1 the embodiment shown is the impeller 8th at the level of the top edge of the side cup of the rotor 4 , As can be seen from the flow arrows in the 3 results, it is a closed cooling system and the cooling medium by a relative movement between the (rotating) rotor 4 and the projections 7 and the impeller 8th inside through rotor cooling holes 9a in the ground 4a of the rotor 4 and a gap (annular gap) between the cooling nozzle 3 and the rotor 4 axially along the inner surface 4b of the rotor, out of the rotor 4 out and then in the opposite direction by axially extending holes 9a in the stator sleeve 9 guided. After leaving the stator 2 the flow direction of the cooling medium reverses again and flows a part of the cooling medium in the gap 13 between the stator 2 and the rotor 4 and another part in the gap 22 between the rotor and the cooling pipe back. Through the water cooler 11 in the area of the stator sleeve 9 will allow that the cooling medium, for example cooling air, can be driven as "circulating air" cooled over the stator sleeve inside the machine and thus eliminating cooling air filtering.

Die in der 4 gezeigte Ausführungsform weist eine Rotorkühlung mittels Strahlung (innere Kühlung über Strahlungswärme) und ohne „Umluft“ auf. Der Kühlstutzen 3 wird hierbei wie auch die Wasserkühleinrichtung (z. B. Kühlmantel) 11 vorzugsweise mit Wasser gekühlt, wodurch eine einfache Wärmeabwurf an andere Verbraucher (z.B. Heizung) möglich wird. Die Ausführungsform ist beispielsweise bei einem Vakuumbetrieb der Maschine geeignet. Eine Rotorkühlung erfolgt über Strahlungswärme zwischen dem Rotor 4 und einem beispielsweise mit Luft oder Wasser gekühlten Kühlstutzen 3. Anders als bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform werden dann keine Vorsprünge 7, kein Flügelrad 8 und auch kein Kühlmediumauslass 19 benötigt. Der Kühlstutzen 3 ist dazu an seinem zum Rotor 4 gewandten Ende 3b geschlossen.The in the 4 embodiment shown has a rotor cooling by means of radiation (internal cooling via radiant heat) and without "circulating air" on. The cooling nozzle 3 is here as well as the water cooling device (eg cooling jacket) 11 preferably cooled with water, whereby a simple heat dissipation to other consumers (eg heating) is possible. The embodiment is suitable, for example, in a vacuum operation of the machine. A rotor cooling takes place via radiant heat between the rotor 4 and a cooling nozzle cooled, for example, with air or water 3 , Unlike the one in the 1 shown embodiment are then no projections 7 , no impeller 8th and no Kühlmediumauslass 19 needed. The cooling nozzle 3 is at his to the rotor 4 clever end 3b closed.

Die in der 5 gezeigte Ausführungsform weist keine Rotorkühlung, sondern nur eine Statorkühlung und eine Trennhaube 12 auf, die den Rotor 4 vollständig umgibt und hermetisch abriegelt. Diese Anwendung ist sehr einfach gehalten und kommt bei geringerer Leistungsdichte und dem wesentlichen Ziel der hermetischen Trennung zum Tragen. Auch kann es Sinn machen, wenn z.B. die Antriebswelle 5 bedingt durch den Einsatzfall relativ kalt ist und damit die Kühlung übernimmt. Ihre äußere Kontur ist jedoch nicht an die becherförmige Gestalt des Rotors 4 angepasst. Genauer gesagt umfasst die in der 5 gezeigte rotierende elektrische Maschine in Innenläuferausfiihrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt einen Stator 2, eine Statorkühleinrichtung zum Kühlen des Stators 2,wobei die Statorkühleinrichtung eine externe Wasserkühleinrichtung 11 umfasst, einen Rotor 4 im Inneren der Maschine 100, der vom Stator 2 umschlossen und drehfest an bzw. auf ein freies Wellenende 5a einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle 5 befestigt ist, so dass die Antriebs/Abtriebswelle 5 einschließlich des Rotors 4 um eine Rotationsachse R drehbar ist, und eine Trennhaube 12. Die Statorkühleinrichtung weist neben der Wasserkühlung 11 eine um den Stator 2 gelegte Statorhülse 9 auf.The in the 5 embodiment shown has no rotor cooling, but only a stator cooling and a separation hood 12 on that the rotor 4 completely surrounds and hermetically seals off. This application is very simple and comes with lower power density and the essential goal of hermetic separation to fruition. It can also make sense if, for example, the drive shaft 5 is relatively cold due to the application and thus takes over the cooling. However, its outer contour is not on the cup-shaped shape of the rotor 4 customized. More specifically, the includes in the 5 internal rotating rotor type electric machine for converting mechanical energy into electric power or vice versa a stator 2 a stator cooling device for cooling the stator 2 wherein the stator cooling device is an external water cooling device 11 includes a rotor 4 inside the machine 100 , from the stator 2 enclosed and rotationally fixed on or on a free shaft end 5a a rotatably mounted drive / output shaft 5 is attached so that the drive / output shaft 5 including the rotor 4 around a rotation axis R is rotatable, and a divider 12 , The Statorkühleinrichtung has next to the water cooling 11 one around the stator 2 placed stator sleeve 9 on.

Bei der in der 6 gezeigten Ausführungsform ist die Antriebs/Abtriebswelle 5 über ein jeweiliges Lager 10 beidseitig gelagert (Eigenlagerung). (In den 1 bis 5 ist dagegen die Antriebs/Abtriebswelle über ein (einziges) Lager 10 einseitig gelagert.) Zudem weist die in der 7 gezeigte Maschine 100 eine Rotor-Zwangs-Umluftkühlung (geschlossene innere Kühlung) und eine Wasserkühlung auf. Genauer gesagt weist die Rotorkühleinrichtung ähnlich wie bei der Ausführungsform in der 1 Vorsprünge 7 und ein Flügelrad 8 auf. Es gibt jedoch keinen Kühlstutzen 3. Die Vorsprünge 7 und das Flügelrad 8 sind im Statorgehäuse 1 feststehend angebracht und mit dem Statorgehäuse 1 fest verbunden. Ähnlich wie bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform wird - wie durch die Strömungspfeile gekennzeichnet - ein Kühlmedium im Inneren des Statorgehäuses 1 zwangsweise im Kreis geführt, wobei die Kühlleistung über die Wasserkühleinrichtung 11 geliefert wird. Die Übertragung der Kühlleistung auf die Umluft erfolgt über die Bohrungen 9a der Statorhülse 9, die somit als Wärmetauscher wirkt. Die innere Kühlung ist der äußeren Wasserkühleinrichtung 11 nachgeschaltet. Die Kühleinrichtung 11 umfasst einen Kühlmantel, der bedarfsweise über das Statorgehäuse 1 stülpbar ist und umlaufend das komplette Statorgehäuse 1 kühlt.When in the 6 The embodiment shown is the drive / output shaft 5 about a respective camp 10 mounted on both sides (own storage). (In the 1 to 5 in contrast, the drive / output shaft via a (single) bearing 10 stored on one side.) In addition, the in the 7 shown machine 100 a forced-circulation forced-air cooling system (closed internal cooling) and a water cooling system. More specifically, the rotor cooling device similar to the embodiment in the 1 projections 7 and an impeller 8th on. However, there is no cooling nozzle 3 , The projections 7 and the impeller 8th are in the stator housing 1 fixedly mounted and with the stator housing 1 firmly connected. Similar to the one in the 3 shown embodiment - as characterized by the flow arrows - a cooling medium in the interior of the stator housing 1 Forcibly guided in a circle, the cooling capacity of the water cooling device 11 is delivered. The transfer of the cooling capacity to the circulating air via the holes 9a the stator sleeve 9 , which thus acts as a heat exchanger. The internal cooling is the outer water cooling device 11 downstream. The cooling device 11 includes a cooling jacket, if necessary, via the stator housing 1 The complete stator housing can be inverted and revolving around 1 cools.

Die in der 7 gezeigte Ausführungsform weist ebenfalls eine beidseitig gelagerte Antriebs/Abtriebswelle 5 auf (Eigenlagerung). Über einen Kühlmediumeinlass 20 wird ein Kühlmedium von außen zugeführt und über einen Kühlmediumauslass 19 nach außen wieder abgeführt. Aufgrund der Vorsprünge 7 und des Flügelrads 8 liegt aber auch wieder eine Zwangskühlung (z. B. innere Gaskühlung (ohne externe Lüfter etc.) und ohne Wasserkühlung) vor.The in the 7 embodiment shown also has a double-sided drive / output shaft 5 on (own storage). Via a cooling medium inlet 20 a cooling medium is supplied from the outside and via a Kühlmediumauslass 19 discharged to the outside again. Because of the projections 7 and the impeller 8th But again there is a forced cooling (eg, internal gas cooling (without external fans, etc.) and without water cooling).

8 zeigt links eine Detailansicht im Schnitt von einem Rotor 4 zur Verdeutlichung von möglichen Gestaltungen des Rotors 4 bzw. dessen Rotorwand zur Vergrößerung der Oberfläche. Dazu kann er mehrere zum Beispiel axial verlaufende Rotorkühlbohrungen 4d bzw. Rotorkühlkanäle aufweisen. In der rechten Hälfte der 8 sind zwei Beispiele für eine Gestaltung der Rotorwand 4e gezeigt. Besonders vorteilhaft ist bei hohem Rotor-Kühlbedarf eine doppelwandige (8 ganz rechts) Gestaltung. Sie kommt dann zum Tragen, wenn prozessbedingt die Antriebswelle 5 bedingt durch den Einsatzfall (z.B. Dampfturbine) Zusatzwärme in den Rotor einbringt. Durch eine hohe Oberfläche (ggf auch mehrwandig) kann dann die Energie leichter an das Kühlmedium übertragen werden. Links neben der doppelwandigen Gestaltung ist in der 8 die Gestaltung mit den Rotorkühlbohrungen 4 d gezeigt. 8th left shows a detail view in section of a rotor 4 to illustrate possible designs of the rotor 4 or its rotor wall to increase the surface. For this he may have several, for example, axially extending rotor cooling holes 4d or have rotor cooling channels. In the right half of the 8th are two examples of a design of the rotor wall 4e shown. With a high rotor cooling requirement, a double-walled ( 8th far right) design. It then comes into play, if the drive shaft is due to the process 5 due to the application (eg steam turbine) introduces additional heat into the rotor. Due to a high surface area (possibly also multi-walled), the energy can then be transferred to the cooling medium more easily. Left next to the double-walled design is in the 8th the design with the rotor cooling holes 4 d shown.

Schließlich zeigt 9 eine Radialschnittansicht (9 links) von einer Statorhülse 9 und eine Axialschnittansicht von selbiger entlang der Linie A-A' (9 rechts). Deutlich sind sich vorzugsweise axial erstreckende Bohrungen 9a zu erkennen (wobei nur einige gekennzeichnet sind). Die Statorhülse 9 kann beispielsweise als ein Wärmetauscherring ausgelegt sein.Finally shows 9 a radial section view ( 9 left) from a stator sleeve 9 and an axial sectional view of the same along the line A-A ' ( 9 right). Clearly preferred are axially extending holes 9a to recognize (with only a few are marked). The stator sleeve 9 For example, it may be designed as a heat exchanger ring.

Im Übrigen ist ganz allgemein noch auf Folgendes hinzuweisen: Grundsätzlich gilt, dass bei gleicher Leistung über höhere Drehzahlen die Bauform und das Gewicht von Elektromotoren und Elektrogeneratoren zumindest gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung deutlich reduziert werden können. Zum Beispiel wird eine 500 kW-Dampfturbine mit 20.000 UpM und Getriebe mit einem Hochgeschwindigkeits-Direktantrieb im Gewicht von ca. 5 bis 10 Tonnen auf ca. eine Tonne fallen.Incidentally, in general, the following should be noted: Basically, that at the same performance over higher speeds, the design and the weight of electric motors and electric generators can be significantly reduced at least according to particular embodiments of the present invention. For example, a 500 kW steam turbine at 20,000 rpm and a gearbox with a high-speed direct drive weighing approximately 5 to 10 tonnes will fall to approximately one tonne.

Ein weiteres Auslegungskriterium ist der Spalt bzw. Luftspalt zwischen dem Rotor und Stator. Dieser liegt üblicherweise in der Größenordnung von 0,5 mm bis 5 mm. Zumindest in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Rotorkühlung in dem Spalt nicht mehr benötigt. Somit kann der Spalt auf die Motor/Generatorbelange ausgelegt werden, was gegebenenfalls zusätzliche Optionen und Wirkungsgradverbesserungen zur Folge haben kann. Durch die kompaktere Bauform wird es aber aufwendiger, entsprechende Kühlungen zu integrieren. Bei Elektroantrieben, zum Beispiel in Elektroautos, kann mit der vorliegenden Erfindung zumindest in besonderen Ausführungsformen eine deutliche Gewichts- und Kosteneinsparung erzielt werden, weil eine effizientere Kühlung, insbesondere Rotorkühlung, möglich ist. Grundsätzlich können höhere Drehzahlen durch mechanische Getriebe oder Sondermotoren mit elektronischem Getriebe (Drives) realisiert werden, wobei aber oft Kupplungen eingesetzt werden müssen. Zumindest in besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann in vielen Fällen auf die Kupplung und/oder die Lagerung verzichtet werden, da bei hohen Geschwindigkeiten der Rotor sehr klein ausgelegt werden kann und die Lagerung der schon vorhandenen Maschine (Baugruppe) die Doppelfunktion übernimmt. In Konsequenz resultieren hieraus eine Effizienzsteigerung der kompletten Plattform bei deutlich reduzierten Herstellungskosten.Another design criterion is the gap or air gap between the rotor and stator. This is usually in the order of 0.5 mm to 5 mm. At least in one particular embodiment of the present invention, rotor cooling in the gap is no longer needed. Thus, the gap can be tailored to the motor / generator requirements, which may result in additional options and efficiency improvements. The more compact design, however, makes it more complicated to integrate corresponding cooling systems. In electric drives, for example in electric cars, with the present invention, at least in particular embodiments, a significant weight and cost savings can be achieved because a more efficient cooling, in particular rotor cooling, is possible. In principle, higher speeds can be realized by mechanical gearboxes or special motors with electronic gearboxes (drives), but couplings often have to be used. At least in particular embodiments of the present invention can be dispensed with the clutch and / or storage in many cases, since at high speeds, the rotor can be designed very small and the storage of the existing machine (assembly) takes over the dual function. As a consequence, this results in an increase in efficiency of the complete platform with significantly reduced production costs.

Mit Einsatz einer Trennhaube entstehen neue Anwendungsfälle, wenn Gase oder Flüssigkeiten sicher bzw. absolut dicht (zum Beispiel, wenn eine Seite im Vakuum gefahren werden muss) vom Elektromotor/Elektrogenerator abgetrennt werden müssen.With the use of a separating hood, new applications arise when gases or liquids have to be separated from the electric motor / electric generator safely or absolutely tight (for example, when one side has to be driven in a vacuum).

Es wird viele Anwendungen geben und als Beispiel kann man kleine Dampf-Turbinenplattformen (bis ca. 5 MW) nehmen. Diese werden mit Drehzahlen > 3000 U/min gefahren und benötigen daher ein Getriebe, um in das 50 Hz-Stromnetz einzuspeisen. Zur Effizienzsteigerung kann mit neuester Technologie auch über Hochgeschwindigkeitsmotoren mit elektronischem Getriebe die Energie ins Netz eingespeist werden. Dies erfordert allerdings Hochleistungskupplungen und kostenintensive Lagerungen des Generators. Zumindest gemäß besonderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entfallen Kupplung, Getriebe und Motorlagerung und wird auch das Motor/Generatorvolumen deutlich reduziert, was in der Summe zu deutlichen Effizienzsteigerungen führen kann. Nehme man als Beispiel eine 500 kW-Dampfturbine, so würde sich das Gewicht von ca. 5 Tonnen auf < eine Tonne reduzieren.There will be many applications and as an example you can take small steam turbine platforms (up to approx. 5 MW). These are driven at speeds> 3000 rpm and therefore require a gearbox to feed into the 50 Hz power grid. To increase efficiency, the latest technology can also be used to feed the energy into the grid via high-speed motors with electronic gearboxes. However, this requires high performance couplings and costly bearings of the generator. At least according to particular embodiments of the present invention eliminates the clutch, transmission and engine storage and also the engine / generator volume is significantly reduced, which in total can lead to significant efficiency gains. Take, for example, a 500 kW steam turbine, the weight would be reduced from about 5 tons to <one ton.

Gleiches gilt für viele Anwendungen mit Gasen als Fluid, wie Kühlaggregate, Kompressoren, Gebläse usw.. Wie schon bei den Generatoranwendungen übernimmt, der Rotor (die Rotorhülse) eine Kupplungsfunktion und entfällt die mechanische Kupplung, das Getriebe und die Motorlagerung, was in der Summe zu einer deutlichen Effizienzsteigerung führt.The same applies to many applications with gases as fluid, such as refrigeration units, compressors, blowers, etc. As with the generator applications, the rotor (the rotor sleeve) performs a coupling function and eliminates the mechanical clutch, the gearbox and the engine mounting, which in total leads to a significant increase in efficiency.

Bei Varianten mit Eigenlagerung können durch die besseren Kühlbedingungen höhere Leistungen realisiert werden, was die potentiellen Anwendungen erweitert.In the case of variants with integral bearings, higher performance can be achieved due to the improved cooling conditions, which extends the potential applications.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any desired combinations for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Statorgehäusestator
22
Statorstator
2a2a
Innenflächepalm
33
Kühlstützencooling columns
3a3a
EndeThe End
3b3b
EndeThe End
3c3c
Außenflächeouter surface
44
Rotorrotor
4a4a
Bodenground
4b4b
Innenflächepalm
4c4c
Außenflächeouter surface
4d4d
RotorkühlbohrungenRotor cooling holes
4e4e
Rotorwandrotor wall
55
Antrieb(swelle)/AbtriebswelleDrive (swelle) / output shaft
5a5a
Wellenendeshaft end
66
Antriebs/AbtriebsgehäuseDrive / output housing
77
Vorsprüngeprojections
88th
Flügelradimpeller
99
Statorhülsestator
9a9a
Bohrungendrilling
1010
Lagerwarehouse
1111
WasserkühleinrichtungWater cooler
1212
Trennhaubeseparating hood
1313
Spaltgap
13a13a
Spaltgap
1414
Spaltgap
1515
Magnetbandagemagnetic bandage
1616
Bohrungendrilling
1717
innerer Bereichinner area
1818
RotorkühlkanäleRotor cooling channels
1919
Kühlmediumauslasscoolant outlet
2020
KühlmediumeinlassCoolant inlet
2121
Statorkühlkanälestator cooling
2222
Spaltgap
100100
Maschinemachine
RR
Rotationsachseaxis of rotation
αα
Winkelcorner

Claims (30)

Rotierende elektrische Maschine (100) in Innenläuferausfiihrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend: - einen Stator (2), - einen Rotor (4) im Inneren der Maschine (100), der vom Stator (2) umschlossen und drehfest auf oder an einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle (5) angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/Abtriebswelle (5) einschließlich des Rotors um eine Rotationsachse R drehbar ist, und - eine Rotorkühleinrichtung, die gestaltet ist, um Kühlmedium entlang zumindest eines Teils der Innenfläche und/oder durch zumindest einen Teil des Inneren des Rotors (4) für eine Wärmeabfuhr hauptsächlich durch Wärmeströmung zu führen oder in die Nähe der Innenfläche des Rotors (4) für eine Wärmeabfuhr durch Wärmestrahlung zu bringen.Rotary electric machine (100) in internal rotor design for converting mechanical energy into electrical energy or vice versa, comprising: a stator (2), a rotor (4) in the interior of the machine (100) which is enclosed by the stator (2) and non-rotatably mounted on or rotatably mounted on a rotatably mounted drive / output shaft (5), so that the drive / output shaft (5) including the Rotor is rotatable about a rotation axis R, and a rotor cooling device designed to guide cooling medium along at least part of the inner surface and / or through at least a part of the interior of the rotor (4) for heat dissipation mainly by heat flow or in the vicinity of the inner surface of the rotor (4) to bring heat removal by thermal radiation. Maschine (100) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (4) mehrwandig, insbesondere doppelwandig, gestaltet ist.Machine (100) after Claim 1 , wherein the rotor (4) multi-walled, in particular double-walled, is designed. Maschine (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rotorkühleinrichtung mindestens zwei Rotorkühlkanäle (18) umfasst.Machine (100) after Claim 1 or 2 wherein the rotor cooling device comprises at least two rotor cooling channels (18). Maschine (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebs/Abtriebswelle (5) ein freies Wellenende (5a) aufweist und der Rotor (4) auf das freie Wellenende (5a) gesteckt oder steckbar ist.Machine (100) according to one of the preceding claims, wherein the drive / output shaft (5) has a free shaft end (5a) and the rotor (4) is plugged or plugged onto the free shaft end (5a). Maschine (100) nach Anspruch 4, wobei der Rotor (4) becherartig gestaltet ist.Machine (100) after Claim 4 , wherein the rotor (4) is cup-shaped. Maschine (100) nach Anspruch 5, wobei der Boden (4a) des becherartigen Rotors (4) gestaltet ist, um auf das freie Wellenende (5a) gesteckt zu werden.Machine (100) after Claim 5 , wherein the bottom (4a) of the cup-shaped rotor (4) is designed to be plugged onto the free shaft end (5a). Maschine (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden hohlen Kühlstutzen (3), der sich in Richtung der Rotationsachse R des Rotors (4) erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors (4) in das Becherinnere hinein streckt und mit dessen vom Rotor (4) abgewandten Ende (3a) mit einer Kühlmediumquelle zum Zuführen von Kühlmedium verbunden oder verbindbar ist, und einen Kühlmediumauslass (19) zum Abgeben des Kühlmediums zur Außenseite der Maschine auf.Machine (100) according to one of Claims 4 to 6 wherein the rotor cooling device further comprises a fixed hollow cooling stub (3) extending in the direction of the axis of rotation R of the rotor (4) extending from the open side of the cup-like rotor (4) into the interior of the cup and facing away from the rotor (4) End (3a) is connected or connectable to a cooling medium source for supplying cooling medium, and a cooling medium outlet (19) for discharging the cooling medium to the outside of the machine. Maschine (100) nach Anspruch 7, wobei das zum Rotor (4) gewandte Ende (3b) des Kühlstutzens (3) offen ist und sich auf der Außenseite des Kühlstutzens rippen- oder schaufelartige Vorsprünge (7) für eine Zwangskühlung befinden.Machine (100) after Claim 7 wherein the rotor (4) facing end (3b) of the cooling nozzle (3) is open and on the outside of the cooling nozzle are rib or blade-like projections (7) for a forced cooling. Maschine (100) nach Anspruch 8, wobei sich die Vorsprünge (7) unter einem Winkel α in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens (3) erstrecken.Machine (100) after Claim 8 , wherein the projections (7) extend at an angle α in a range of 0 ° to 45 ° to the longitudinal axis of the cooling nozzle (3). Maschine (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das zum Rotor (4) gewandte Ende (3b) des Kühlstutzens (3) geschlossen ist.Machine (100) after Claim 8 or 9 , wherein the rotor (4) facing end (3b) of the cooling nozzle (3) is closed. Maschine (100) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das zum Rotor (4) gewandte Ende (3b) des Kühlstutzens (3) offen ist und die Maschine eine Trennhaube (12) aufweist, die den Rotor (4) vom Stator (2) hermetisch trennt und sich zwischen dem Rotor (4) und dem Kühlstutzen (3) erstreckt, sodass das Kühlmedium nicht zum Rotor (4), aber zur Trennhaube (12) gelangt.Machine (100) after Claim 8 or 9 wherein the rotor (4) facing end (3b) of the cooling nozzle (3) is open and the machine has a separating hood (12) which hermetically separates the rotor (4) from the stator (2) and between the rotor (4 ) and the cooling nozzle (3) so that the cooling medium does not reach the rotor (4) but the separating hood (12). Maschine (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Rotorkühleinrichtung ferner einen feststehenden Kühlstutzen (3), der sich in Richtung der Rotationsachse R des Rotors (4) erstreckend von der offenen Seite des becherartigen Rotors (4) in das Becherinnere hinein erstreckt und dessen zum Rotor gewandtes Ende (3b) geschlossen ist sowie der auf seiner Außenfläche (3c) rippen- oder schaufelartige Vorsprünge (7) für eine Zwangskühlung aufweist.Machine (100) according to one of Claims 4 to 6 wherein the rotor cooling means further includes a fixed cooling stub (3) extending in the direction of the axis of rotation R of the rotor (4) extending from the open side of the cup-like rotor (4) into the cup interior and its rotor-facing end (3b) closed is and on its outer surface (3c) rib or blade-like projections (7) for a forced cooling has. Maschine (100) nach Anspruch 12, wobei sich die Vorsprünge (7) unter einem Winkel α in einem Bereich vom 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzens (3) erstrecken.Machine (100) after Claim 12 , wherein the projections (7) extend at an angle α in a range from 0 ° to 45 ° to the longitudinal axis of the cooling nozzle (3). Maschine (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sie ferner eine Statorkühleinrichtung zum Kühlen des Stators aufweist.A machine (100) according to any one of the preceding claims, further comprising stator cooling means for cooling the stator. Maschine (100) nach Anspruch 14, wobei die Statorkühleinrichtung der Rotorkühleinrichtung nachgeschaltet ist. Machine (100) after Claim 14 , wherein the Statorkühleinrichtung the rotor cooling device is connected downstream. Maschine (100) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Statorkühleinrichtung integral mit der Rotorkühleinrichtung ausgebildet ist.Machine (100) after Claim 14 or 15 wherein the stator cooling device is formed integrally with the rotor cooling device. Maschine (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung (11), aufweist.Machine (100) according to one of Claims 14 to 16 wherein the stator cooling device comprises an external fluid cooling device, in particular a water cooling device (11). Maschine (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Statorkühleinrichtung eine um den Stator (2) gelegte Statorhülse (9), vorzugsweise mit Statorkühlkanälen, aufweist.Machine (100) according to one of Claims 14 to 17 wherein the stator cooling device comprises a stator sleeve (9) placed around the stator (2), preferably with stator cooling channels. Maschine (100) nach Anspruch 18, wobei die Statorhülse (9) als ein Wärmetauscherring ausgeführt ist.Machine (100) after Claim 18 wherein the stator sleeve (9) is designed as a heat exchanger ring. Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Antriebs/Abtriebswelle (5) beidseitig gelagert ist und der Rotor (4) drehfest auf der Antriebs/Abtriebswelle (5), diese umschließend, angeordnet ist.Machine (100) according to one of Claims 1 to 19 , wherein the drive / output shaft (5) is mounted on both sides and the rotor (4) rotatably on the drive / output shaft (5), this enclosing, is arranged. Maschine (100) nach Anspruch 20, wobei die Zwangskühleinrichtung rippen- und/oder schaufelartige Vorsprünge (7) zwischen der Antriebs/Abtriebswelle (5) und dem Rotor (4) aufweist.Machine (100) after Claim 20 wherein the forced cooling device has rib and / or blade-like projections (7) between the drive / output shaft (5) and the rotor (4). Maschine (100) nach Anspruch 21, wobei sich die Vorsprünge (7) unter einem Winkel α in einem Bereich von 0° bis 45° zur Längsachse des Kühlstutzen (3) erstrecken.Machine (100) after Claim 21 , wherein the projections (7) extend at an angle α in a range of 0 ° to 45 ° to the longitudinal axis of the cooling nozzle (3). Maschine (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Rotorkühleinrichtung als eine offene innere Zwangskühleinrichtung mit einem Kühlmediumeinlass (20) zum Zuführen eines Kühlmediums von der Außenseite der Maschine und einem Kühlmediumauslass (19) zum Abführen des Kühlmediums zum Passieren des Rotors (4) und gegebenenfalls auch des Stators (2) ausgeführt ist.Machine (100) according to one of Claims 20 to 22 wherein the rotor cooling device is designed as an open internal forced cooling device with a cooling medium inlet (20) for supplying a cooling medium from the outside of the machine and a cooling medium outlet (19) for discharging the cooling medium for passing the rotor (4) and optionally also the stator (2) is. Maschine (100) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Rotorkühleinrichtung als eine geschlossene innere Zwangskühleinrichtung ausgeführt ist.Machine (100) according to one of Claims 20 to 22 wherein the rotor cooling device is designed as a closed internal forced cooling device. Maschine (100) nach Anspruch 24, wobei sie ferner eine, vorzugsweise der Rotorkühleinrichtung nachgeschaltete, vorzugsweise damit integral ausgebildete, Statorkühleinrichtung aufweist.Machine (100) after Claim 24 , wherein it further comprises a, preferably the rotor cooling device downstream, preferably integrally formed, stator cooling device. Maschine (100) nach Anspruch 25, wobei die Statorkühleinrichtung eine externe Fluidkühleinrichtung, insbesondere eine Wasserkühleinrichtung (11), aufweist.Machine (100) after Claim 25 wherein the stator cooling device comprises an external fluid cooling device, in particular a water cooling device (11). Maschine (100) nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Statorkühleinrichtung eine um den Stator (2) gelegte Statorhülse (9), vorzugsweise mit Statorkühlkanälen (21), aufweist.Machine (100) after Claim 25 or 26 wherein the stator cooling device comprises a stator sleeve (9) placed around the stator (2), preferably with stator cooling channels (21). Maschine (100) nach Anspruch 27, wobei die Statorhülse (9) als ein Wärmetauscherring ausgeführt ist.Machine (100) after Claim 27 wherein the stator sleeve (9) is designed as a heat exchanger ring. Rotierende elektrische Maschine (100) in Innenläuferausfiihrung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt, umfassend - einen Stator (2), - ein Statorgehäuse (1), - eine Statorkühleinrichtung, umfassend eine mit dem Stator fest verbundene Statorhülse (9) zum Kühlen des Stators (2) und -eine optionale (2) Wasserkühleinrichtung (11), umfassend einen Kühlmantel (11) zum Kühlen des Statorgehäuses (1)sowie indirekt auch der Statorhülse (9) bzw. des Stators (2), - einen Rotor (4) im Inneren der Maschine (100), der vom Stator (2) umschlossen und drehfest an einer drehbar gelagerten Antriebs/Abtriebswelle (5) angeordnet oder anordbar ist, sodass die Antriebs/Abtriebswelle (5) einschließlich des Rotors (4) um eine Rotationsachse R drehbar ist, und - eine Trennhaube (12), die den Rotor (4) vom Stator (2) hermetisch trennt, wobei die Antriebs/Abtriebswelle (5) ein freies Wellenende (5a) aufweist und der Rotor auf das freie Wellenende (5a) gesteckt oder steckbar ist und becherartig gestaltet ist, vorzugsweise wobei die Statorhülse (9)Statorkühlkanäle (21) aufweist.Rotary electric machine (100) in Innenläuferausfiihrung for the conversion of mechanical energy into electrical energy or vice versa, comprising a stator (2), a stator housing (1), a stator cooling device comprising a stator sleeve (9) fixedly connected to the stator for cooling the stator (2) and an optional (2) water cooling device (11), comprising a cooling jacket (11) for cooling the stator housing (1) and indirectly also the stator sleeve (9) or the stator (2), a rotor (4) in the interior of the machine (100), which is enclosed by the stator (2) and non-rotatably mounted on a rotatably mounted drive / output shaft (5) or is arranged so that the drive / output shaft (5) including the rotor ( 4) is rotatable about a rotation axis R, and - A separating hood (12) which hermetically separates the rotor (4) from the stator (2), wherein the drive / output shaft (5) has a free shaft end (5a) and the rotor is plugged or plugged onto the free shaft end (5a) and cup-shaped, preferably wherein the stator sleeve (9) stator cooling channels (21). Maschine nach Anspruch 29, wobei die Statorhülse (9) als ein Wärmetauscherring ausgeführt ist.Machine after Claim 29 wherein the stator sleeve (9) is designed as a heat exchanger ring.
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