DE102004013133A1

DE102004013133A1 - Elektrische Maschine mit verbesserter Kühlung und entsprechendes Kühlverfahren

Info

Publication number: DE102004013133A1
Application number: DE102004013133A
Authority: DE
Inventors: Klaus Georg; Jürgen Matin; Klaus Greubel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-10-13
Also published as: US20050206252A1

Abstract

Die Kühlung von elektrischen Maschinen soll optimiert werden. Hierzu ist vorgesehen, dass eine Kühlmittelöffnung (5), die mit Kühlkanälen (2) in Verbindung steht, im Bereich der axialen Mitte des Gehäuses (1) angeordnet ist, so dass ein Kühlmittel von der Kühlmittelöffnung (5) durch die Kühlkanäle (2) zum jeweiligen Wickelkopf (4) oder in umgekehrter Richtung strömen kann. Die effektivste Kühlung ergibt sich dann, wenn die Kühlmittelströmung zunächst auf die Wickelköpfe (4) des Aktivteils der elektrischen Maschine geführt wird, da die Wickelköpfe (4) gegenüber dem Blechpaket üblicherweise Heißpunkte darstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einem zylinderförmigen Statorblechpaket, das von dem Gehäuse umgeben ist, wobei im Gehäuse oder im Statorblechpaket Kühlkanäle in axialer Richtung angeordnet sind, und Wickelköpfen an beiden axialen Enden des Statorblechpakets. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer derartigen elektrischen Maschine.
Elektrische Maschinen hoher Leistungsdichte erfordern eine spezielle Entwärmung. Daher sind derartige Maschinen in der Regel mit Kühlsystemen zur forcierten Kühlung mit Luft oder einem anderen Kühlmittel ausgestattet.

Aus der Druckschrift DE 43 11 431 ist bekannt, radiale Luftkanäle vorzusehen, die durch abgestufte Aktivteilbleche mit unterschiedlichen Außendurchmessern oder durch Einbringen von radialen Nuten in das das Aktivteil umgebende Kühlgehäuse (Inaktivteil) erzielt werden. Dabei lässt man das Kühlmittel in der axialen Mitte des Motors auf die radialen Kühlkanäle strömen, die es weiter nach innen leiten. Von dort wird es wieder durch spezielle Führungen nach außen gelenkt.

Vielfach sind aber auch axiale Luftführungen bekannt, um speziell den Stator effektiv zu kühlen. Durch diese Kühlsysteme ist jedoch nicht immer gewährleistet, dass die Wickelköpfe, die die Heißpunkte im Aktivteil des Motors, d.h. im Stator bzw. Rotor, darstellen, ausreichend mit nicht erwärmter Kühlluft versorgt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Kühlung einer elektrischen Maschine weiter zu optimieren.

Hierzu soll eine entsprechende elektrische Maschine und ein Kühlverfahren vorgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einem zylinderförmigen Statorblechpaket, das von dem Gehäuse umgeben ist, wobei im Statorblechpaket und/oder im Gehäuse Kühlkanäle in axialer Richtung angeordnet sind, und Wickelköpfen an beiden axialen Enden des Statorblechpakets sowie einer Kühlmittelöffnung, die mit den Kühlkanälen in Verbindung steht und im Bereich der axialen Mitte des Gehäuses angeordnet ist, so dass ein Kühlmittel von der Kühlmittelöffnung durch die Kühlkanäle zum jeweiligen Wickelkopf oder in umgekehrter Richtung strömen kann.

Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ein Verfahren zum Kühlen einer elektrische Maschine, deren Stator einschließlich Wickelköpfen von einem zylindrischen Gehäuse umgeben ist, durch Führen eines Kühlmittels in das Gehäuse im Bereich der axialen Mitte des Gehäuses, Führen des Kühlmittels in beide axialen Richtungen zu den Wickelköpfen und Führen des Kühlmittels durch die Wickelköpfe jeweils radial nach innen.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Kühlmittelstrom an beiden axialen Enden der elektrischen Maschine zunächst durch die Wickelköpfe und dann zur axialen Mitte am Blechpaket vorbeiströmt, wo er durch einen Kühlmittelaustritt nach außen gelangt. Durch diesen Strömungsweg zunächst vorbei an den Heißpunkten der Wickelköpfe und anschließend durch das Blechpaket sowie durch die Realisierung von parallelen Luftströmungen gleichzeitig von der Antriebsseite und der gegenüber liegenden Seite jeweils zur axialen Mitte der Maschine erfolgt ein maximaler Kühleffekt an diesen Heißpunkten, nämlich den Wickelköpfen, und eine minimale Erwärmung des Kühlmediums über die restliche Kühlstrecke. Dadurch lässt sich eine Motorausnutzung ähnlich hoch wie bei einer Wasserkühlung erzie len. Der erfindungsgemäße Kühlmittelverlauf ermöglicht ferner eine kompakte Bauweise und führt zu Materialeinsparungen.

Vorzugsweise besitzt das Gehäuse am Umfang verteilt mehrere Einzelöffnungen als Kühlmittelöffnung. Damit kann das Kühlmittel am Umfang gleich verteilt in die elektrische Maschine eingebracht oder von ihr entnommen werden.

Die Kühlkanäle können durch axial verlaufende Vertiefungen im Gehäuse oder im Statorblechpaket gebildet sein. Auf diese Weise lassen sich Kühlkanäle in axialer Richtung ohne großen Aufwand realisieren.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist jeweils ein ringförmige Scheibe zwischen einem der Wickelköpfe und dem Gehäuse angeordnet, so dass ein Kühlmittelstrom durch den Wickelkopf hindurch erzwungen wird. Damit umströmt das Kühlmittel den Wickelkopf nicht nur außen, sondern sorgt auch für eine Kühlung im Inneren des Wickelkopfs.

Weitere Kühlmittelöffnungen können an den Stirnseiten des Gehäuses radial innerhalb der Wickelköpfe angeordnet sein. Durch diese weiteren Kühlmittelöffnungen lässt sich das Kühlmittel unmittelbar auf die Wickelköpfe führen, so dass ein maximaler Kühleffekt erzielt werden kann.

Alternativ oder zusätzlich können weitere Kühlmittelöffnungen mit radialer Durchgangsrichtung an einem der axialen Enden des Gehäuses radial außerhalb des jeweiligen Wickelkopfs ausgebildet sein. Dadurch wird das Kühlmittel zumindest teilweise außen um die Wickelköpfe geleitet, wenn die ringförmige Scheibe den Wickelkopf gegenüber dem Gehäuse abdichtet und der Kühlmittelstrom durch den Wickelkopf hindurch erzwungen wird. Somit wird der gesamte Wickelkopf vom Kühlmittel umströmt. Dies lässt sich weiter optimieren, indem die weiteren Kühlmittelöffnungen axial unmittelbar anschließend an die ringförmige Scheibe angeordnet werden. In diesem Fall muss der Kühlmittelstrom die Wickelköpfe fast vollständig umströmen.

Grundsätzlich kann der Kühlmittelstrom, wie bereits angedeutet, in beiden Richtungen betrieben werden, ein Einströmen des Kühlmittelstroms unmittelbar in der Nähe der Wickelköpfe wird jedoch bevorzugt.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 einen Querschnitt einer elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Teilstirnseitenansicht auf die Maschine von 1 von der rechten Seite;
3 eine Stirnseitenansicht auf die Maschine von 1 von der linken Seite;
4 eine Draufsicht auf die Maschine von 1;
5 einen Querschnitt einer elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Teilstirnseitenansicht der Maschine von 5 von der rechten Seite;
7 eine Stirnseitenansicht der Maschine von 5 von der linken Seite;
8 eine Draufsicht auf die Maschine von 5;
9 eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses einer elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10 die Darstellung von 9 mit umgekehrten Kühlmittelstrom.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Die in 1 dargestellte elektrische Maschine besitzt ein Gehäuse 1 mit axial verlaufenden Vertiefungen 2. Die Vertiefungen 2 werden durch den Stator 3 radial nach innen abgeschlossen, so dass sich entsprechende Kühlkanäle ergeben. An beiden axialen Enden des Stators 3 sind Wickelköpfe 4 angeordnet. An den ringförmigen Stirnseiten 10 besitzt das Gehäuse 1 eine zentrale Luftaustrittsöffnung radial innerhalb der Wickelköpfe 4. Die Stirnseiten 10 des Gehäuses 1 liegen an den Wickelköpfen 4 an oder es besteht dazwischen nur ein sehr kleiner Spalt. In der axialen Mitte des Gehäuses ist ein umlaufendender Spalt 5 als Kühlmitteleintritt vorgesehen.
Es ergibt sich entsprechend den eingezeichneten Pfeilen somit ein Kühlmittelverlauf in den, bezogen auf die elektrische Maschine, mittigen Spalt 5, in beiden axialen Richtungen durch die Vertiefungen 2 bzw. Kühlmittelkanäle zu den Wickelköpfen 4, durch die Wickelköpfe 4 hindurch und an den Stirnseiten des Gehäuses 1 aus dem Gehäuse heraus. Der Kühlmittelstrom kann aber auch in umgekehrter Richtung erfolgen, so dass das kalte Kühlmittel, z.B. Gas, Luft etc., zuerst beidseitig auf die Wickelköpfe, die die Heißpunkte im Aktivteil des Motors darstellen, zur Verbesserung der Kühlung geführt wird. In diesem Fall baut sich dann im Wickelkopfraum Druck auf, so dass das Kühlmittel über die vorgesehenen axialen Kanäle in die Mitte des Aktivteils geführt wird. Dort strömen die beiden Teilkühlmittelströme von der Antriebsseite und der gegenüberliegenden Seite durch Öffnungen bzw. den Spalt 5 wieder aus dem Gehäuse aus. Der Spalt 5 kann durch am Umfang des Gehäuses verteilte, radiale Bohrungen ersetzt sein.
In der Teilstirnseitenansicht von 2, die die elektrische Maschine von 1 von der rechten Seite zeigt, ist diejenige Schnittlinie eingezeichnet, aus der die Schnittansicht von 1 resultiert. Wie aus der unteren Hälfte der Schnittzeichnung von 1 hervorgeht, liegt das Gehäuse 1 mit seinem Rücken unmittelbar auf dem Stator 3 auf. In den axialen Vertiefungen 2 des Gehäuses 1 entstehen somit Kühlkanäle.
In der Stirnseitenansicht von 3, die die elektrische Maschine von 1 von der linken Seite zeigt, sind die Kühlkanäle 2 gut zu erkennen, da die Stirnseitenabdeckung 10 des Gehäuses für diese Ansicht abgenommen ist, im Gegensatz zu 2.
In 4 ist eine Draufsicht auf die elektrische Maschine von 1 wiedergegeben. Es ist zu erkennen, dass in dem Gehäuse 1 der mittige Spalt 5 zum Luftein- bzw. -austritt freigedreht ist. Im Bereich des Spalts 5 sind somit Kühlkanäle 2 zu erkennen.
Die in 5 dargestellte elektrische Maschine entspricht im Wesentlichen der von 1. Bei der Ausführungsform von 5 sind jedoch ringförmige Scheiben 6 zwischen den Wickelköpfen 4 und dem Gehäuse 1 angeordnet. Diese ringförmigen Scheiben 6 besitzen einen entsprechende Gegenkontur zu dem Gehäuse 1 mit seinen Vertiefungen 2, so dass sie in das Gehäuse 1 passgenau eingesetzt werden können. Dies ist der Stirnseitenansicht von 6 zu entnehmen, bei der die Stirnseitenscheibe 10 abgenommen ist. Bei der Stirnseitenansicht von der gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine gemäß 7 ist darüber hinaus die Scheibe 6 abgenommen, so dass hier die Kühlkanäle bzw. Vertiefungen 2 im Gehäuse 1 zu erkennen sind.
Durch die Scheiben 6 wird der Kühlmittelstrom, der von der Mitte der Maschine kommt, durch die Wickelköpfe 4 gezwungen. Nachdem bei dieser Ausführungsform an den Stirnseiten des Gehäuses 1 keine Luftaustritte vorgesehen sind, und die Stirnflächen 10 nicht unmittelbar an den Wickelköpfen 4 anliegen, strömt das Kühlmittel um die Wickelköpfe 4 herum und durch radiale Kühlmittelaustrittsöffnungen 7 aus dem Gehäuse 1 heraus. Der Strömungsverlauf des Kühlmittels ist ebenso wie in 1 auch in 2 mit Pfeilen dargestellt. Je näher die Kühlmittelaustrittsöffnungen 7, die hier ebenfalls als umlaufende Spalte ausgebildet sind, an den Scheiben 6 angeordnet sind, desto mehr ist das Kühlmittel gezwungen, den jeweiligen Wickelkopf 4 vollständig zu umströmen.
Selbstverständlich kann der Kühlmittelstrom auch bei dieser Ausführungsform in umgekehrter Richtung erfolgen, was zu einer besseren Entwärmung der Wickelköpfe 4 führt.
Aus 8 ist ersichtlich, dass die in Form von Umlaufspalten ausgebildeten Kühlmittelein- und -austritte 5 bzw. 7 einfach durch Ausdrehen des mit Vertiefungen 2 versehenen Gehäuses 1 hergestellt werden können.
In 9 ist ein Gehäuse einer elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform perspektivisch dargestellt. Das Gehäuse 1 besitzt in seiner axialen Mitte am Umfang gleich verteilt eine Vielzahl an paarweise angeordneten Bohrungen 20 für die Kühlmittelzufuhr 21. In der Maschine verläuft der Kühlmittelstrom gemäß den Pfeilen 22 in axialer Richtung.
Zum Kühlmittelaustritt sind ähnlich der Ausführungsform von 5 bis 8 in der Nähe der Gehäusestirnseiten (in 9 nicht dargestellt) Kühlmittelöffnungen 23, hier in Rechteckform, vorgesehen. Aus diesen Kühlmittelöffnungen 23 strömt das Kühlmittel gemäß den Pfeilen 24 radial nach außen.
Bei dieser Gehäusevariante sind die Gehäusevertiefungen 2 nicht bis zu den Stirnseiten ausgebildet. Daher kann der Kühlmittelstrom in der Nähe der Stirnflächen des Gehäuses 1 auch in Umfangsrichtung gemäß Pfeil 25 geführt werden. Dies hat Vorteile, wenn im montierten Zustand der elektrischen Maschine die ein oder andere Kühlmittelaustrittsöffnung 23 verbaut ist.
In 10 ist das gleiche Gehäuse wie in 9 dargestellt. Der Kühlmittelverlauf ist jedoch in umgekehrter Richtung gewählt. Dementsprechend erfolgt die Kühlmittelzufuhr über die Öffnungen 23 und die Kühlmittelabfuhr durch die Bohrungen 20.
Die Pfeile 21, 22, 24 und 25 sind infolgedessen in 10 in der umgekehrten Richtung dargestellt. Diese Kühlmittelströmung hat wieder die genannten Vorteile.

Claims

Elektrische Maschine mit – einem Gehäuse (1) – einem zylinderförmigen Statorblechpaket (3), das von dem Gehäuse (1) umgeben ist, wobei in dem Statorblechpaket (3) und/oder dem Gehäuse (1) Kühlkanäle in axialer Richtung angeordnet sind, und – Wickelköpfen (4) an beiden axialen Enden des Statorblechpakets (3), gekennzeichnet durch – eine Kühlmittelöffnung (5), die mit den Kühlkanälen in Verbindung steht, im Bereich der axialen Mitte des Gehäuses (1) angeordnet ist, so dass ein Kühlmittel von der Kühlmittelöffnung (5) durch die Kühlkanäle zum jeweiligen Wickelkopf (4) oder in umgekehrter Richtung strömen kann.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelöffnung (5) mehrere am Umfang verteilte Einzelöffnungen (20) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlkanäle durch die axial verlaufende Vertiefungen (2) im Gehäuse (1) gebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlkanäle durch axial verlaufende Vertiefungen (2) oder Kanäle im Statorblechpaket (3) gebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine ringförmige Scheibe (6) zwischen einem der Wickelköpfe (4) und dem Gehäuse (1) angeordnet ist, so dass ein Kühlmittelstrom durch den Wickelkopf (4) hindurch erzwungen wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei weitere Kühlmittelöffnungen an den Stirnseiten (10) des Gehäuses radial außerhalb der Wickelköpfe (4) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei weitere Kühlmittelöffnungen (7) zur radialen Durchströmung an einem der axialen Enden des Gehäuses (1) radial außerhalb des jeweiligen Wickelkopfs (4)ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, wobei die weiteren Kühlmittelöffnungen (7) axial unmittelbar anschließend an die ringförmige Scheibe (6) angeordnet sind.
Verfahren zum Kühlen einer elektrische Maschine, deren Stator einschließlich Wickelköpfen (7) von einem zylindrischen Gehäuse (1) umgeben ist, gekennzeichnet durch – Führen eines Kühlmittels in das Gehäuse (1) im Bereich der axialen Mitte des Gehäuses, – Führen des Kühlmittels in beide axialen Richtungen zu den Wickelköpfen (4) und – Führen des Kühlmittels durch die Wickelköpfe (4) jeweils radial nach innen.
Verfahren nach Anspruch 9 mit dem weiteren Schritt des Führens des Kühlmittels um den jeweiligen Wickelkopf (4) herum radial nach außen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Strömungsverlauf des Kühlmittels in umgekehrter Richtung erfolgt.