DE102005058031A1

DE102005058031A1 - Elektrische Maschine mit einem Kühlmantel

Info

Publication number: DE102005058031A1
Application number: DE102005058031A
Authority: DE
Inventors: Markus Östreich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US20080303359A1; WO2007065762A1; JP4948542B2; CN101317314A; JP2009518997A; US7745965B2

Abstract

Um die Kühlung einer elektrischen Maschine zu verbessern, wird eine elektrische Maschine mit einem Stator (4) und einem Rotor vorgeschlagen, wobei der Stator (4) einen Kühlmantel (10) über zumindest einem Teil des Stators (4) aufweist, wobei der Kühlmantel (10) einen den Stator (4) umfassenden Motormantel (3) und einen davon zumindest abschnittsweise beabstandeten Außenmantel (1) aufweist und in dem Abschnitt zwischen Motormantel (3) und Außenmantel (1) eine hohle Wendel (2) angeordnet ist, die eine vorgebbare Steigung (12) aufweist, und wobei Einlass (7) und Auslass (6) dieses Kühlmantels (10) sich im Wesentlichen auf einer axialen Ebene der elektrischen Maschine befinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator einen Kühlmantel über zumindest einen axialen Teil des Stators aufweist, wobei der Kühlmantel einen den Stator umfassenden Motormantel und einen davon zumindest abschnittsweise beabstandeten Außenmantel aufweist.
Zur Leistungssteigerung und aktiven Temperierung von elektrischen Maschinen werden insbesondere Kühlmäntel und dabei besonders flüssigkeitsdurchströmte Kühlmäntel eingesetzt. Die bisher bekannten Kühllösungen für elektrische Maschinen beruhen auf unidirektionalen radialen oder axialen Durchströmungen eines Kühlmantels bzw. einer Kühlleitung mit Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit entzieht dabei der elektrischen Maschine die Verlustwärme, wodurch sich eine höhere Ausnutzung der elektrischen Maschine realisieren lässt, d.h. die abgebbare Nutzleistung der elektrischen Maschine kann vergleichsweise angehoben werden.

Aus dem Umfeld der motorangetriebenen Pumpenantriebe sind Kühlmäntel bekannt, die neben einer um den Motor verlaufenden Kühlspirale eine zwischen der Kühlspirale angeordnete Kühlung aufweisen ( US 2 913 988 und US 3 478 689 ).

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, die eine Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Maschinen mit Kühlmänteln aufweist und wobei der Kühlmantel dieser elektrischen Maschine in einfacher Art und Weise zu realisieren ist, und wobei eine Kondensation der Luftfeuchte im Bereich des Kühlmitteleinlasses vermieden wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator einen Kühlmantel über zumindest einen axialen Teil des Stators aufweist, wobei der Kühlmantel ein den Stator umfassenden Motormantel und einen davon zumindest abschnittsweise beabstandeten Außenmantel aufweist, und sich in dem Abschnitt zwischen Motor- und Außenmantel eine hohle Wendel angeordnet ist, die eine vorgebbare Steigung aufweist und wobei sich Ein- und Auslass dieses Kühlmantels im wesentlichen auf einer axialen Ebene der elektrischen Maschine befindet.

Erfindungsgemäß wird bei diesem Kühlmantel das Kühlmittel im Gegenstrom geführt, um eine möglichst große wärmeabgebende Fläche der elektrischen Maschine zum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel zu nutzen. Die Wärmeaustauschfläche wird durch das Gegenstromprinzip maximiert. Dadurch ist es möglich, die elektrischen Maschinen effizienter zu entwärmen und damit die elektrische Maschine höher auszunutzen, d.h. im Einzelfall dass die elektrischen Maschinen bei gleicher Achshöhe kürzer und leichter gebaut werden kann oder dass bei vergleichbaren Abmessungen die Nutzleistung der elektrischen Maschine angehoben wird.

Prinzipiell sind die Temperaturen des Kühlmittels am Einlass und des Kühlmittels am Auslass aufgrund der aufgenommenen Verlustwärme der elektrischen Maschine stark unterschiedlich. Eine Bildung von Kaltpunkten insbesondere am Kühlmitteleinlass, an denen es gegebenenfalls Kondensation der Luftfeuchte kommt, wird bei diesem Gegenstromprinzip vermieden, da Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass sehr nahe bei einander liegen. Ein und Auslass befinden sich im Wesentlichen auf einer axialen Ebene der elektrischen Maschine, so dass die Zugänglichkeit von Ein- und Auslass z.B. zu Wartungszwecken in einfacher Art und Weise gegeben ist.

Durch das erfindungsgemäße Kühlmittelsystem der elektrischen Maschine wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die axiale Länge der elektrischen Maschine erreicht und damit eine rasche Einstellung eines stationären thermischen Betriebspunktes geschaffen.

Das erfindungsgemäße Gegenstromprinzip kann zur Kühlung aber auch zur Erwärmung von elektrischen Maschinen eingesetzt werden um den stationären thermischen Betriebspunkt möglichst schnell zu erreichen.

Vorteilhafterweise fließt bei diesem Gegenstromprinzip der Kühlmittelstrom am Ende der Wendel aus dieser Wendel in die verbleibenden Zwischenräume von Außenmantel und Motormantel und bewirken damit eine Entwärmung der elektrischen Maschine. Vorteilhafterweise fließt das Kühlmittel durch die als Zwischenwendel von der Wendel aufgespannten Zwischenräume zum Auslass zurück. Um den Kühlmittelstrom in die richtige Richtung zu lenken befindet sich vorteilhafterweise am Ende der Wendel eine Leitvorrichtung.

Die Wendel ist aus einem vergleichsweise gut wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere einem metallischen Werkstoff wie z.B. Kupfer oder Aluminium.

Die Wendel kann aber auch aus einem nicht-metallischen Werkstoff wie z.B. Kunststoff bestehen.

Das Hohlprofil der Wendel kann nahezu materialunabhängig beliebige Formen annehmen wie z.B. runde, ovale, dreieckige oder mehreckige Querschnittsprofile. Vorteilhafterweise weisen die Querschnittsprofile oberflächenvergrößernde Strukturen, wie z.B. Rippen auf.

Die Wendel wird auf den Motormantel und/oder auf den Außenmantel geklebt. Dies führt gleichzeitig zu einer Abdichtung, so dass Hin- und insbesondere Rückstrom des Kühlmittels in vorgegebenen Kanälen gegeben ist.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Wendel auch auf den Motormantel geschweißt sein.

Dabei wird dann die Wendel speziell gegen den Außenmantel durch geeignete Materialien wie Kleber oder einer Dichtmasse abgedichtet um die Zwischenwendel zu bilden.

Das erfindungsgemäße Gegenstromprinzip kann für Innen- und Außenläufermotoren angewendet werden.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche sind den folgenden Ausführungsbeispielen die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, aufgeführt. Darin zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung des Kühlmantels mit Stator
2 bis 4 Wendelanordnungen und Formen,
5 Kühlmantel mit geschnittenem Außenmantel,
6 Darstellung des Kühlmittelflusses bei aufgeschnittenem Außenmantel,
7 und 8 Ausschnitte aus 6,
9 Darstellung eines Kühlmantels bei einem Außenläufermotor.
1 zeigt einen Kühlmantel 10, der einen Außenmantel 1 und einen Motormantel 3 aufweist und der einen Abschnitt 11 aufweist, bei dem Kühlmantel 10 und Motormantel 3 voneinander auf einem vorgegebenen Abschnitt 11 voneinander beabstandet sind. In diesen Abschnitt 11 ist eine Wendel 2 angeordnet, die eine vorgebbare Steigung 12 aufweist. Der Motormantel 3 umfasst den Stator 4, der eine prinzipiell dargestellte Wicklung 14 aufweist. Ein Kühlmittel tritt am Einlass 7 ein und am Auslass 6 aus. Damit werden die Verluste aus dem Stator 4 und den an der Stirnseite des Stators vorhandenen Wickelköpfen mit abgeführt.
Vorteilhafterweise ist der Wickelkopf thermisch z.B. über eine Vergussmasse an den Motormantel 3 gekoppelt, so dass eine effizientere Kühlung der Wickelköpfe erfolgt.
2 bis 4 zeigen Möglichkeiten der Formgebung und der Anordnung von Profilen der Wendel 2, wie sie auf dem Motormantel 3 angeordnet sein können.
2 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt eines Abschnitts einer Wendel 2, wobei die einzelnen Windungen auf den Motormantel 3 aufgeschweißt sind.
3 zeigt in einer weiteren Ausführungsform Halbschalenelemente, die ebenfalls auf den Motormantel 3 aufgeschweißt bzw. aufgeklebt sind.
4 zeigt dreieckförmige Querschnittsprofile der Wendel 2 die ursprünglich auf einer Seite offen sind und erst durch Anlage an den Kühlmantel 10 die Wendel 2 ausbilden.
Es ist ebenfalls denkbar eine Wendel 2 mit Halbschalen zu bilden, die erst durch Anlage an den Motormantel 3 oder den Kühlmantel 10 eine geschlossene Wendel 2 bilden.
Die Anlage wird, wie oben beschrieben durch kleben oder schweißen gebildet.
5 zeigt einen Kühlmantel 10 mit geschnittenem Außenmantel 1, wobei eine Umlenkung des aus der Wendel 2 austretenden Kühlmittels durch ein Leitblech 9 erfolgt. Damit wird das über den Einlass 7 und durch die Wendel 2 bis zum Auslass 6 aus der Wendel 2 strömende Kühlmittel erwärmt und beim Austritt aus der Wendel 2 durch das Leitblech 9 in die Zwischenräume 13 umgelenkt, die sich zwischen den Steigungen 12 der Wendel 2 befinden. Abdichtungen 15 zwischen Motormantel 3, Außenmantel 1 und der Wendel 2 an den nicht geklebten oder verschweißten Anlageflächen steigern die Kühlwirkung dieses erfindungsgemäßen Gegenstromprinzips.
6 zeigt in einer weiteren Darstellung den Kühlmittelfluss bei aufgeschnittenem Außenmantel 1.
7 zeigt in einer detaillierteren Darstellung den Auslass 8 aus der Wendel 2 und das Umlenkblech 9, mit dem die Kühlmittelströmung in einfacher Art und Weise in die zwischen der Wendel 2 befindlichen Zwischenräume 13 umgelenkt wird.
8 zeigt in einer detaillierten Darstellung den Einlass 7 des Kühlmittels in die Wendel 2 und deren Austritt 6 aus dem zwischen der Wendel 2 befindlichen Zwischenraum 13.
In der Darstellung gemäß 9 wird das erfindungsgemäße Prinzip auch für Auflenläufermotoren dargestellt, mit einem Rotor 17, der zum Luftspalt gewandt Permanentmagnete 16 aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ändert sich die Steigung 12 der Wendel 2 über den axialen Verlauf des Stators 4. Dabei sind kleinere Windungsabstände der Wendel 2 in Bereichen größerer Wärmeverlustquellen, z.B. dem Bereich des Wickelkopfes möglich.
Als Kühlmittel eignen sich die an sich bekannten Gase und Flüssigkeiten.

Claims

Elektrische Maschine mit einem Stator (4) und einem Rotor, wobei der Stator (4) einen Kühlmantel (10) über zumindest einem Teil des Stators (4) aufweist, wobei der Kühlmantel (10) ein den Stator (4) umfassenden Motormantel (3) und einen davon zumindest abschnittsweise beabstandeten Außenmantel (1) aufweist, und sich in dem Abschnitt zwischen Motormantel (3) und Außenmantel (1) eine hohle Wendel (2) angeordnet ist, die eine vorgebbare Steigung (12) aufweist und wobei Einlass (7) und Auslass (6) dieses Kühlmantels (10) sich im wesentlichen auf einer axialen Ebene der elektrischen Maschine befindet.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Wendel (2) sich eine Leitvorrichtung (9) befindet, die den in der Wendel (2) befindlichen Kühlmittelstrom umlenkt, so dass ein Kühlmittelstrom in dem verbleibenden Zwischenraum (13) zwischen den Windungen der Wendel (2) zum Auslass (6) des Kühlmantels (10) zurückfließt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (2) des Kühlmantels (10) aus nicht-metallischen Werkstoffen besteht.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der hohlen Wendel (2) in nahezu beliebigen Formen wie rund, oval, dreieck- oder rechteckig ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (2) auf den Motormantel (3) und/oder Außenmantel (1) geklebt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (2) auf den Motormantel (3) geschweißt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wendel (2) gegenüber dem Außenmantel (1) abdichtbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (10) bei Innenläufermaschinen und Außenläufermaschinen einsetzbar ist.