DE10035029A1 - Elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Elektrische Maschine als Elektromotor und/oder als Generator mit einem Stator (8), bei welchem eine Vielzahl von Kühlkanälen (34; 34-1, 34-2) zwischen einem Einlaß (40) und einem Auslaß (42) strömungsmäßig parallel geschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine elektrische Maschine dieser Art ist aus der DE 44 42 867 C2 bekannt. Sie hat zwischen einer Pumpe und der elektrischen Wicklung des Stators der elektrischen Maschine einen Vorlaufkanal und einen Rücklaufkanal. Die elektrische Maschine ist insbesondere für Straßenfahrzeuge vorgesehen. Die bekannte elektrische Maschine kann ebenso wie der Gegenstand der vorliegenden neuen Erfindung zur Verwendung als elektrischer Motor, als Generator oder als eine Maschine ausgebildet sein, welche wahlweise als Elektromotor oder Generator verwendbar ist. Die bekannte elektrische Maschine kann, ebenso wie die elektrische Maschine der vorliegenden neuen Erfindung, Bestandteil eines Hybridantriebes sein, beispielsweise eines sogenannten seriellen Hybridantriebes oder eines parallelen Hybridantriebes. Beim seriellen Hybridantrieb treibt ein Verbrennungsmotor einen Generator an, welcher Strom für die als Elektromotor betreibbare elektrische Maschine liefert. Beim parallelen Hybridantrieb ist die elektrische Maschine zusätzlich zum herkömmlichen Antriebsstrang vorgesehen, welchem sie zuschaltbar ist.

Aus der DE 40 04 330 C2 ist es bekannt, einen Starter für eine Verbrennungsmaschine wahlweise auch als Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeuges zu verwenden.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer kompakten, leichten elektrischen Hochleistungsmaschine. Sie soll insbesondere für Traktionszwecke in Kraftfahrzeugen, jedoch auch für Antriebszwecke jeder Art geeignet sein, beispielsweise als Starter und/oder Generator für einen Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor, ferner als Fahrantriebsquelle für Kraftfahrzeuge in Verbindung mit Brennstoffzellen, und als Elektromotor und/oder als Generator bei Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb.

Solche elektrische Maschinen benötigen ein Kühlungssystem mit Kühlfluid, welches ein Gas oder vorzugsweise eine Flüssigkeit ist, die ihre Kühlwirkung effektiv und insbesondere gleichmäßig über den zu kühlenden Bereich der elektrischen Maschine verteilen kann. Gleichzeitig sollte die erforderliche hydraulische Durchsatzleistung des Kühlmediums gering bleiben, d. h. der erforderliche Pumpendruck zur Förderung des Kühlfluides sollte niedrig bleiben, weil die Förderleistung zur Förderung des Kühlfluides den Energiewirkungsgrad mindert und insbesondere bei Kraftfahrzeugen den Strombedarf und damit auch den Brennstoffbedarf spürbar hochtreiben kann.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, den zur Kühlung einer elektrischen Maschine (Elektromotor und/oder Generator) erforderlichen Energiebedarf auf einfache und preiswerte Art zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Demgemäß betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine in Form eines Elektromotors oder eines Generators oder in Form einer wahlweise als Elektromotor oder als Generator betreibbaren Maschine, enthaltend einen Stator, einen Rotor und Kühlkanäle für hindurchströmendes Kühlfluid im Stator, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vielzahl der Kühlkanäle zwischen einem Einlaß und einem Auslaß strömungsmäßig parallel geschaltet sind.

Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

• 1. Durch die Verwendung einer Vielzahl von strömungsmäßig parallel geschalteten Kühlkanälen anstelle eines einzigen Kühlkanales, dessen Länge der Summe der Einzellängen der Kühlkanäle entspricht, ergibt sich eine wesentliche Vergrößerung des Gesamt-Strömungsquerschnittes und eine Verkürzung der insgesamt erforderlichen Strömungsstrecke, durch welche von einer Pumpe das Kühlfluid gefördert werden muß, beispielsweise im Vergleich zu einem sich schraubenförmig durch den Stator über seine gesamte Länge erstreckenden einzelnen Kühlmittelkanal. Wenn anstelle eines solchen schraubenförmig sich erstreckenden Kühlkanales zwei halb so lange Kühlkanäle mit gleichem Querschnitt verwendet werden, so ergibt dies eine Querschnittsverdoppelung für das Kühlfluid und nur eine halb so lange Kühlfluidförderstrecke. Da der Druckverlust sich im Quadrat zur Strömungsgeschwindigkeit ändert, ergibt sich bei diesem Beispiel nur 1/8 des Druckabfalles bei der Erfindung gegenüber dem schraubenartig verlaufenden, als Beispiel genannten Kühlkanal. Damit ergibt sich bei gleicher Menge pro Zeiteinheit gefördertem Kühlfluid eine wesentliche Reduzierung der dafür erforderlichen Pumpleistung.
• 2. Die Erfindung ergibt eine gleichmäßigere Verteilung der Kühlleistung über den zu kühlenden Bereich der elektrischen Maschine, da am Ende der parallel geschalteten Kühlkanäle das Kühlfluid noch wesentlich mehr Kühlleistung hat, d. h. weniger stark erwärmt ist, relativ zu einem entsprechend längeren einzelnen Kühlkanal.
• 3. Die Erfindung hat fertigungstechnische Vorteile:
  Die Kühlkanäle können dadurch gebildet werden, daß in der Umfangsfläche eines Statorträgerkörpers Nuten gebildet werden, beispielsweise durch Herausfräsen dieser Nuten aus dem Statorträgerkörper oder durch Herstellen dieser Nuten in einem Formungsverfahren (z. B. Spritzgußverfahren oder Druckgußverfahren) bei der Herstellung des Statorträgerkörpers, und durch anschließendes Verschließen dieser Nuten durch einen auf den Statorträgerkörper aufgesetzten Abdeckzylinder.
• 4. Durch die kurzen Kühlkanäle der Erfindung im Gegensatz zu langen Kühlkanälen entstehen wesentlich niedrigere Druckverluste, und der Kühlflüssigkeits-Förderdruck kann reduziert werden, so daß die bei hohen Förderdrücken gegebene Gefahr von Undichtigkeiten im thermischen Wechselbetrieb der elektrischen Maschine wesentlich reduziert wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 schematisch einen Axialschnitt durch eine elektrische Maschine nach der Erfindung entlang der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt der elektrischen Maschine von Fig. 1 längs der Ebene II-II von Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie III-III von Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt, ähnlich Fig. 2, jedoch einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Maschine nach der Erfindung.

Alle elektrischen Maschinen nach der Erfindung können als Motor oder als Generator oder als eine Maschine ausgebildet sein, welche wahlweise als Motor oder als Generator betreibbar ist. Sie finden vorzugsweise in Kombination mit Fahrantriebssträngen von Kraftfahrzeugen Verwendung, mit welchen sie antriebsmäßig verbunden oder verbindbar sind.

In allen Fig. 1 bis 4 sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten beiden elektrischen Maschinen 2 bzw. 4 sind Außenläufermaschinen, welche einen topfförmigen Rotor 6 und einen radial innerhalb von diesem angeordneten Stator 8 aufweisen. Das eine Ende des Rotors 6 ist durch einen Steg 10 mit einer Welle 12 drehfest verbunden, welche sich axial zur Rotationsachse des Rotors 6 durch die elektrische Maschine erstreckt und beispielsweise ein Teil eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges ist, beispielsweise einer Kurbelwelle. Die Welle 12 ist in mindestens einem Lager 16 drehbar radial gelagert.

Durch das vom Steg 10 entfernte, offene Ende des Rotors 6 ragt ein Statorträgerkörper 18, welcher mit einem Maschinengehäuse 20 verbunden ist.

Die Welle 12 ist durch ein zweites Lager 22 radial in dem Statorträgerkörper 18 drehbar gelagert.

Der Statorträgerkörper 18 trägt mindestens eine Erregerwicklung oder Feldwicklung 24 radial gegenüber von Permanentmagneten 26, die sich im Rotor 6 befinden. Zwischen dem Rotor 6 und dem Stator 8 befindet sich ein sie radial trennender Luftspalt 30.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 sind am Außenumfang 32 des Statorträgerkörpers 18 über die Statorlänge verteilt eine Vielzahl von Kühlkanälen 34 gebildet, welche axial getrennt voneinander über die gesamte Länge des Stators 8 verteilt angeordnet sind und durch eine sich achsparallel erstreckende Trennwand 36 in Umfangsrichtung unterbrochen sind, welche in Fig. 2 sichtbar ist. Auf der einen Umfangsseite der Trennwand 36 befindet sich ein Einlaß 40 für Kühlfluid und auf der anderen Seite der Trennwand 36 befindet sich ein Auslaß 42 für das Kühlfluid. Der Einlaß 40 und der Auslaß 42 haben jeweils die Form einer in der Außenumfangsfläche 32 gebildeten Längsnut, die sich in Maschinenlängsrichtung durch alle Kühlkanäle 34 hindurch erstreckt und somit diese derart miteinander verbindet, daß das Kühlfluid 44 vom Einlaß 40 her gleichzeitig durch alle Kühlkanäle 34 in parallelen Strömungen hindurchströmt und am Auslaß 42 wieder herausströmt. Die Stegwände der Kühlkanäle können auch unterbrochen sein, so daß Querverbindungen zwischen den Kanälen entstehen. Damit vergrößert sich die aktive Kühlfläche.

Das Kühlfluid, z. B. Kühlgas oder vorzugsweise Kühlwasser oder eine andere Flüssigkeit, strömt über eine erste Anschlußöffnung 46 des Statorträgerkörpers 18 in den Einlaß 40 und über eine zweite Anschlußöffnung des Statorträgerkörpers 18 aus dem Auslaß 44 hinaus.

Die Kühlkanäle 34 sind vorzugsweise durch parallel nebeneinander angeordnete Nuten 50, die im Außenumfang 32 des Statorträgerkörpers 18 gebildet sind, und durch einen diese Nuten überdeckenden Zylinder 52 gebildet. Der Zylinder 52 befindet sich radial zwischen den Nuten 50 und der Feldwicklung 24 und trennt damit diese bezüglich des Kühlfluides, er hat jedoch eine gute Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeübertragung von der Feldwicklung 24 auf das Kühlfluid in den Nuten 50.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 hat jeder Kühlkanal 34 jeweils nur eine dem Außenumfang 32 des Statorträgerkörpers 18 entsprechende Länge. Die Strömungsrichtung des Kühlfluides durch die elektrische Maschine ist durch Pfeile 44 angegeben. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1, 2 und 3 ist eine einzige Gruppe von strömungsmäßig parallel durchströmten Kühlkanälen 34 vorgesehen.

Der Gesamtströmungswiderstand von allen Kühlkanälen zusammen kann bei Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Kühlleistung über die gesamte Länge weiter reduziert werden, wenn die Länge der durch die Kühlkanäle in Kanallängsrichtung gebildeten Kühlstrecke auf mindestens zwei oder mehr Gruppen von Kühlkanälen unterteilt wird und in jeder Gruppe die Kühlkanäle strömungsmäßig zueinander parallel geschaltet sind zwischen einem Einlaß von jeder Gruppe und einem Auslaß von jeder Gruppe.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Länge der durch die Kühlkanäle in Kanallängsrichtung gebildeten Kühlstrecke auf zwei Gruppen von Kühlkanälen 34-1 und 34-2 unterteilt. In jeder Gruppe sind die Kühlkanäle 34-1 bzw. 34-2 strömungsmäßig parallel zueinander geschaltet zwischen einem Einlaß 40 von jeder Grwppe und einem Auslaß 42 von jeder Gruppe. Die erste Gruppe von Kühlkanälen 34-1 und die zweite Gruppe von Kühlkanälen 34-2 können entsprechend Fig. 4 einen gemeinsamen Einlaß 40 und einen gemeinsamen Auslaß 42 haben oder je getrennte Einlässe und getrennte Auslässe.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 strömt das durch den Einlaß 40 in die Maschine strömende Kühlfluid 44 durch strömungsmäßig parallel geschaltete Kühlkanäle 34-1 der ersten Gruppe in der einen Umfangsrichtung (Uhrzeigersinn), was durch Pfeile 44-1 gekennzeichnet ist, und in entgegengesetzter Umfangsrichtung (Gegenuhrzeigersinn) durch die strömungsmäßig parallel geschalteten Kühlkanäle 34-2 der zweiten Gruppe, was durch Kühlfluid-Richtungspfeile 44-2 in Fig. 4 gekennzeichnet ist. Die Einlaßöffnung 46 und die Auslaßöffnung 48, die im Statorträgerkörper 18 gebildet sind, ebenso wie der Einlaß 40 und der Auslaß 42, sind bei der Ausführungsform von Fig. 4 um 180° diametral einander gegenüberliegend angeordnet.

Bei allen Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 4 schneiden die als Längsnuten ausgebildeten Einlaß 40 und Auslaß 42 jeweils den Grund der Nuten 50, welche die Kühlkanäle 34 der Fig. 1 bis 3 bzw. die Kühlkanäle 34-1 der ersten Gruppe und 34-2 der zweiten Gruppe von Fig. 4 bilden.

Die Nuten 50 können in den Statorträgerkörper 18 eingefräst oder bei der Herstellung des Statorträgerkörpers 18 im Druckgußverfahren oder Spritzgußverfahren gegossen werden. Die Toleranzanforderungen an die Kanalquerschnitte und die Kanalflächen sind nur gering, so daß eine Nachbearbeitung nicht erforderlich ist. Durch die parallel mit Kühlfluid durchströmten Kühlkanäle ergibt sich nur eine geringe Temperaturdifferenz des Kühlfluides zwischen ihrem Einlaß 40 und ihrem Auslaß 42. Dies hat eine gleichmäßige Kühlung über den gesamten zu kühlenden Bereich der elektrischen Maschine zur Folge.

Das in den Zeichnungen dargestellte Prinzip läßt sich auch für Innenläufermaschinen anwenden, d. h. bei Maschinen, bei welchen der Stator außen und der Rotor radial innerhalb des Stators angeordnet ist. In diesem Falle sind die Nuten 50 bzw. die Kühlkanäle 34 bzw. 34-1 und 34-2 in der Innenumfangsfläche des Stators gebildet.

Gemäß anderer Ausführungsform können die parallel geschalteten Kühlkanäle in Maschinenlängsrichtung anstatt in Maschinenumfangsrichtung sich erstrecken. Die Ausführungen mit Kühlkanälen in Umfangsrichtung wird jedoch bevorzugt. Die Kühlkanäle erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander, jedoch sind auch schräg zueinander verlaufende Kühlkänale verwendbar, die strömungsmäßig parallel geschaltet sind.

Claims (11)

1. Elektrische Maschine in Form eines Elektromotors oder eines Generators oder in Form einer wahlweise als Elektromotor oder als Generator betreibbaren Maschine, enthaltend einen Stator (8), einen Rotor (6) und Kühlkanäle (34; 34-1, 34-2) für hindurchströmendes Kühlfluid im Stator, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vielzahl der Kühlkanäle (34; 34-1, 34-2) zwischen einem Einlaß (40) und einem Auslaß (42) strömungsmäßig parallel geschaltet sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel geschalteten Kühlkanäle (34; 34-1, 34-2) sich in Statorumfangsrichtung erstrecken.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (40) und der Auslaß (42) in Statorumfangsrichtung mit nur kleinem Abstand nebeneinander angeordnet sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der durch die Kühlkanäle in Kanallängsrichtung gebildeten Kühlstrecke in mindestens zwei Gruppen von Kühlkanälen (34-1, 34-2) unterteilt ist, und daß in jeder Gruppe die Kühlkanäle strömungsmäßig parallel zueinander geschaltet sind zwischen einem oder dem Einlaß (40) und einem oder dem Auslaß (42).

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Gruppen von Kühlkanälen (34-1, 34-2) in Statorumfangsrichtung verteilt nacheinander angeordnet sind.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (34; 34-1, 34-2) benachbart zu einer von ihnen zu kühlenden elektrischen Wicklung (24) des Stators (8) angeordnet sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (34; 34-1, 34-2) durch Nuten (50) in einer Umfangsfläche des Stators (8) und durch ein die Nuten überdeckendes Statorelement (52) gebildet sind.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (40) durch einen Verteilerkanal und der Auslaß (42) durch einen Sammlerkanal gebildet sind und daß diese beiden Kanäle sich in Statorlängsrichtung über die Kühlkanäle (34; 34-1, 34-2) hinweg erstrecken.

9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Außenläufermaschine ist.

10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Stegwände der Kühlkanäle (34; 34-1, 34-2) unterbrochen sind, so daß Querverbindungen zwischen den Kanälen (34; 34-1, 34-2) entstehen.

11. Verwendung der elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug- Fahrantriebsstrang, mit welchem sie antriebsmäßig verbunden oder verbindbar ist.