DE102006044963B3

DE102006044963B3 - Stator für eine elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung

Info

Publication number: DE102006044963B3
Application number: DE102006044963A
Authority: DE
Inventors: Christoph Monzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-09-23
Also published as: US20100026111A1; WO2008034864A1; JP2010504725A; US8072100B2; JP5121833B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (2), insbesondere für eine gehäuselose elektrische Maschine (1), wobei sich im Stator (2) im Wesentlichen axial verlaufende Kühlkanäle (3, 13) befinden, in die Kühlrohre (4, 6, 7) einsetzbar sind und zumindest abschnittsweise Mittel vorhanden sind, die über eine Verformung der Kühlkanäle (3, 13) eine Anpressung der Kühlrohre (4, 6, 7) an den Kühlkanal (3, 13) auf der den Wärmequellen der elektrischen Maschine (1) zugewandten Seite schafft; damit stellt sich eine effiziente Flüssigkeitskühlung ein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator insbesondere einer gehäuselosen elektrischen Maschine mit Flüssigkeitskühlung, als auch ein Herstellverfahren einer derartigen Statoranordnung ( DE 10 2004 052 070 A1 ).
Seit langem ist bekannt, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium zu kühlen. Vorzugsweise wird Luft als gasförmiges Medium und Wasser als flüssiges Medium verwendet. Im Fall der Luftkühlung spricht man von eigenbelüfteten oder fremdbelüfteten elektrischen Maschinen.
Im Falle einer Flüssigkeitskühlung wird typischerweise Wasser als Kühlmedium verwendet, welches durch metallene Rohre wie z. B. durch Kupfer- oder Stahlrohre geleitet wird. Diese Rohre können mäanderförmig durch den Stator der elektrischen Maschine verlegt sein. Dazu sind die jeweiligen Kühlrohre an den beiden Stirnseiten der elektrischen Maschine an Umlenkeinrichtungen, wie z. B. U-Rohre, oder an eine Umlenkkammer angeschlossen. Darüber hinaus sind noch ein Kühlwassereinlass und ein Kühlwasserauslass vorzusehen. Das erhitzte Kühlwasser wird einem Wärmetauscher oder einem Kühler zugeführt, über den der Großteil der Abwärme der elektrischen Maschine weiter an die Umgebung abgeführt werden kann.
Der Stator einer elektrischen Maschine ist üblicherweise geblecht ausgeführt, um die bei der Erregung entstehenden Wirbelstromverluste zu minimieren. Der Stator ist hierzu als Blechpaket aus einer Vielzahl von dünnen Dynamoblechen in axialer Stapelfolge ausgebildet. Zur Kühlung der elektrischen Maschine sind vor allem im Blechschnitt eines Statordynamobleches entsprechende Aussparungen, vorzugsweise in Form von Ausstanzungen vorgesehen. Nach dem Zusammenbau des Blechpaketes entstehen axial verlaufende Kühlkanäle, durch die z. B. Luft zur Kühlung geleitet werden kann.
Im Falle einer Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine können Metallrohre in die durch die Ausstanzung entstandenen Kanäle eingepasst werden, wobei der Durchmesser der zumeist kreisförmigen Metallrohre geringfügig kleiner sein soll als der Durchmesser der korrespondierenden kreisförmigen Ausstanzungen im Dynamoblech. Damit wird versucht, einen guten Wärmeübergang zwischen dem Blechpaket und der Kühlflüssigkeit zu schaffen.
Nachteilig dabei ist der erhebliche Montageaufwand um die Kühlrohre vor allem bei axial längeren elektrischen Maschinen in den Stator einzubringen.
Eine Flüssigkeitskühlung wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn elektrische Maschinen nahe an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden sollen, die abzuführende thermische Verlustleistung also vergleichsweise hoch ist. Die elektrische Anschlussleistung solcher elektrischen Maschinen beträgt typischerweise mehr als 5 kW. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschinen sind zudem leiser im Betrieb, da keine Lüfter benötigt werden. Dagegen ist der technische Aufwand für eine Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luftkühlung erheblich größer.
Für die elektrischen Maschinen werden je nach Kühlart unterschiedliche Gehäuse verwendet, in denen Mittel zur Kühlung vorgesehen sind. Bei gehäuselosen elektrischen Maschinen können auch beide Kühlarten durch geeigneten Blechschnitt der Dynamobleche geschaffen werden. So können bei einer Flüssigkeitskühlung Kühlrohre mit einem vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt in entsprechende Kanäle im Blechpaket eingesetzt werden.
Der Nachteil dabei ist, dass im Falle einer Flüssigkeitskühlung eine Vielzahl von Rohrverbindungen benötigt wird, um die zahlreichen Kühlrohrenden im hydraulischen Sinne dicht zu verbinden. Dies kann im Falle von Kupferrohren z. B. mittels einer Löt- oder Schraubverbindung erfolgen. Die Herstellung einer solchen Kühleinrichtung ist dementsprechend aufwändig.
Um eine gehäuselose elektrische Maschine mit Wasser zu kühlen, müssen Kühlrohre, Heat Pipes oder Cool Jets durch das Blechpaket des Stators geführt werden, weil das Blechpaket allein keine ausreichende Dichtwirkung schafft. Diese mangelnde Dichtwirkung kann insbesondere in Richtung des Wicklungssystems der elektrischen Maschine zu erheblichen Funktionsstörungen führen. Zwischen Kühlrohr und Blechpaket entsteht somit ein Luftspalt, der die thermische Anbindung des Kühlrohrs an den Stator verschlechtert.
Die Möglichkeit, den Luftspalt zwischen Kühlrohr und Blechpaket des Stators zu verringern, kann entweder durch axiale Einpressvorgänge der Kühlrohre in die Kühlkanäle des Stators erfolgen, oder aber dadurch, dass dieser Luftspalt mit Wärmeleitpaste oder durch Tränkharz gefüllt wird, um die thermische Anbindung zu verbessern.
So ist aus der DE 197 42 255 C1 eine gehäuselose Drehstrommaschine mit achsparallelen Kühlmittelrohren bekannt, die im Statorblechpaket angeordnet sind. Da diese Kühlmittelrohre starr ausgeführt sind, können sich bei deren Einschieben in Bohrungen des Statorblechpakets Schwierigkeiten ergeben, vor allem da ein verhältnismäßig geringer Luftspalt zwischen Kühlrohr und Statorblechpaket vorhanden sein soll.
Aus der DE 101 03 447 A1 ist ein gekühlter Stator für eine elektrische Maschine bekannt, bei der in den Kühlkanälen ein Wellschlauch aus Metall angeordnet ist, um die Montage zu erleichtern.
Aus der US 2004/0012272 A ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der auf der dem Wicklungssystem abgewandten Seite des Blechpakets Metallrohre in halboffene Kühlkanäle eingepresst werden.
Aus der DE 10 2004 052 070 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Ständer bekannt, wobei der Ständer derart angeordnet ist, dass er die Rotationsachse umgibt und durch ein flüssiges Kühlmedium gekühlt wird. Die Leitungen des Kühlmediums sind dabei starr auf dem Ständer selbst aufgebracht.
Aus der DE 31 30 515 A1 ist ein Statorgehäuse für elektrische Kältemaschinen bekannt, wobei sich am Statorgehäuse eine Nut befindet, in die eine Rohrschlange eingesetzt und durch Fortsetze gehalten ist. Dabei sind diese Fortsetze als die Nut begleitenden Rippen ausgebildet.
Diese bereits bekannten Lösungen sind entweder fertigungstechnisch äußerst aufwändig und/oder thermisch verhältnismäßig wenig wirksam.
Ausgehend davon legt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator, insbesondere für eine gehäuselose elektrische Maschine zu schaffen, mit dem eine effiziente Kühleinrichtung geschaffen werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine ausreichende thermische Anbindung von Kühlrohren an einen Kühlkanal zu schaffen. Des Weiteren soll ein geeignetes Herstellverfahren für einen solchen Stator und eine elektrische Maschine angegeben werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Stator nach Anspruch 1 als auch durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 8 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Stators nach Anspruch 10.
Die Kühlrohre werden durch geeignete Mittel an die Kühlkanäle des Stators angepresst. Dabei wird vorteilhafterweise durch äußere zielgerichtete Krafteinwirkung diese Pressung geschaffen. Insbesondere auf der der Wärmequelle zugewandten Seite des Kühlrohres ist ein effizienter Wärmeübergang notwendig, der aber durch Anpressung an eben diese Seite zu einem äußerst effizienten Wärmeübergang und damit zu einer ausgezeichneten Wärmeabfuhr führt. Die von der Wärmequelle abgewandte Abschnitte der Kühlrohre, die durch geeignete Mittel des Blechpakets, insbesondere einen oder mehrere Höcker oder eine Eindellung, werden an die der Wärmequelle zugewandten Abschnitte angepresst. Als Wärmequelle treten dabei im Wesentlichen die Stromwärmeverluste der Wicklung, die Eisenverluste und die Wirbelstromverluste auf.
Die der Wärmequelle abgewandte Seite der Kühlrohre tragen zur Wärmeabfuhr auch bei thermisch guter Anbindung nur einen vergleichsweise geringen Anteil bei. Deshalb ist der zumindest punktuelle Kontakt zwischen Blechpaket und Kühlrohr durch die Höcker, Eindellungen etc. für die Kühleffizienz der Kühleinrichtung unerheblich. Daher muss das Blechpaket des Stators in diesem der Wärmequelle abgewandtem Abschnitt nicht an das Kühlrohr anliegen. Die gegebenenfalls in diesem Abschnitt vorhanden Hohlräume können durch Wärmeleitpaste oder Tränkharz ausgefüllt werden.
Derartige Höcker, Noppen oder Eindellungen an den einzelnen Blechen sind durch Stanzwerkzeuge relativ einfach herstellbar. Dabei ist die Anzahl der Höcker, Eindellungen oder Noppen pro Kühlkanal nicht beschränkt und zwar weder in Umfangsrichtung noch in axialer, Richtung; es sollte nur eine ausreichende Anpressung der Kühlrohre im Bereich der der Wärmequelle zugewandten Seite hergestellt werden.
Durch Markierung der Bereiche an der Außenseite des Stators, ist es nunmehr durch ein geeignetes Werkzeug in einfacher Art und Weise möglich, diese Bereiche nach innen zu drücken und somit das Kühlrohr durch Höcker, Noppen, oder die Eindellung an den Kühlkanal dauerhaft zu pressen.
In vorteilhafter Weise wird die Kühleffizienz durch eine zusätzliche Verformung des Kühlrohrs durch eine Anpassung des Kühlrohrs an die Form des Kühlkanals weiter gesteigert. Damit liegt nicht nur ein punktueller Kontakt sondern sogar ein flächiger Kontakt zwischen Kühlrohr und Kühlkanal vor.
Dieses Prinzip lässt sich selbstverständlich auch von geblecht ausgeführten Statoren auf gesinterte Statoren übertragen. Entscheidend ist dabei jeweils, dass durch eine Verformung zumindest des Kühlkanals die darin befindlichen Kühlrohre vorzugsweise an der der Wärmequelle zugewandten Seite an den Kühlkanal gepresst werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Pressung auch eine Verformung des Kühlrohres durch die Höcker, Noppen oder Eindellungen etc. herbeigeführt, die zu einer optimalen Formanpassung von Kühlkanal und Kühlrohr führt.
Derartige Statoren eignen sich insbesondere für alle Arten von elektrischen Maschinen, seien es Linearmotoren oder rotatorische Motoren, unabhängig von ihrer Erregung, die elektrisch oder durch Permanentmagnete erfolgen kann.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines prinzipiellen elektrischen Motors,
2 einen Querschnitt eines weiteren Motors,
3, 4 eine Detaildarstellung eines Stators vor und nach der Verformung der Kühlkanäle.
1 zeigt eine elektrische Maschine 1, die gehäuselos ausgeführt ist und die einen Stator 2 aufweist, der aus Einzelblechen 10 aufgebaut ist. Die gestanzten Einzelbleche 10 sind derart gestapelt, dass Ausstanzungen, insbesondere Kühlkanäle, die als runde Kühlkanäle 13 oder als ovale Kühlkanäle 3 ausgeführt sind, in der Stapelfolge hintereinander angeordnet axial verlaufende Kühlkanäle ausbilden.
In Nuten 5 ist ein nicht näher dargestelltes Wicklungssystem untergebracht, das im Betrieb der elektrischen Maschine 1 u. a. eine maßgebliche Wärmequelle darstellt. Das Wicklungssystem kann dabei aus Zahnspulen oder einem klassischen gesehnten Wicklungssystem besten. Unter Zahnspulen werden dabei Spulen verstanden, die jeweils nur einen Zahn umfassen. Des Weiteren zeigt prinzipiell die Zeichnung nach 1 einen beblecht ausgeführten Rotor 22, der auf eine Welle 20 aufgeschrumpft ist.
2 zeigt in einem Querschnitt eine weitere gehäuselose elektrische Maschine mit in den Eckpunkten des Stators 2 vorhandenen Kühlkanälen 13, die eine im Wesentlichen um die Nuten 5 des Stators 2 angeordnete Kühleinrichtung bilden. Des Weiteren wird ein Rotor 22 gezeigt, der an seiner Oberfläche Permanentmagnete aufweist, die vorzugsweise durch eine Bandage und/oder eine Klebeverbindung am Rotor 22 positioniert und fixiert sind.
3 zeigt in einer Detaildarstellung eine gemäß 2 ausgeführte elektrische Maschine 1 mit Nuten 5 und in den Eckpunkten und/oder an der Oberfläche vorhandene Kühlkanäle 3, 13. Diese Kühlkanäle 3, 13 weisen insbesondere auf der den Nuten 5, also der der Wärmequelle abgewandten Seite zumindest einen Höcker 8, Noppen oder eine Eindellung 9 auf, die aber aufgrund der Gestaltung des Dynamoblechs des Stators 2 trotzdem ein müheloses axiales Einschieben von Kühlrohren 4, 6 oder 7 gestattet. Die Kühlrohre 4, 6 oder 7 können dabei, wie prinzipiell dargestellt unterschiedlichste Querschnittsformen aufweisen. Ebenso sind die Kühlkanäle 3, 13 in ihrer Querschnittsform nicht beschränkt.
Durch Krafteinwirkung F, wie sie prinzipiell in 3 dargestellt ist, wird nunmehr eine Kraft auf den Höcker 8 bzw. die Eindellungen 9 nach innen ausgeübt, so dass sich, wie in 4 dargestellt, eine Verformung des Kühlkanals 3, 13 ergibt. Durch diese Verformung des Kühlkanals 3, 13 und ggf. des dem Höcker 8 zugewandten Teils des Kühlrohrs 4, 6 und 7, werden die Kühlrohre 4, 6, 7 an die dem Luftspalt zugewandten Seite des Stators 2 der elektrischen Maschine 1 angepresst.
Damit ist ein ausgezeichneter Wärmeübergang zwischen dem Blechpaket des Stators 2 und den in den Kühlkanälen 3, 13 befindlichen Kühlrohren 4, 6, 7 geschaffen. Insbesondere da es sich beim Wärmeübergang auf der der Wärmequelle zugewandten Seite des Kühlrohres um den entscheidenden Faktor für die Güte der Entwärmung handelt, ist diese Art der Fixierung, Posi tionierung und Pressung der Kühlrohre 4, 6, 7 in den Kühlkanälen 3, 13 äußerst vorteilhaft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 wird nunmehr ein über den Stator 2 mäanderförmig verlaufender Kühlmantel durch Umlenkelemente an den Stirnseiten des Stators 2 gebildet.
Die Umlenkelemente können aber auch als Umlenkkammern ausgebildet sein, wobei eine Umlenkammer zumindest einen Zufluss und zumindest einen Abfluss aufweist.

Claims

Stator (2), insbesondere für eine gehäuselose elektrische Maschine (1), wobei sich im Stator (2) im wesentlichen axial verlaufende Kühlkanäle (3, 13) befinden, in die Kühlrohre (4, 6, 7) einsetzbar sind und zumindest abschnittsweise Mittel vorhanden sind, die über eine Verformung der Kühlkanäle (3, 13) eine Anpressung der Kühlrohre (4, 6, 7) an den Kühlkanal (3, 13) auf der den Wärmequellen der elektrischen Maschine (1) zugewandten Seite schafft, wobei die Mittel als Höcker (8), Noppen oder Eindellungen (9) der Kühlkanäle (3, 13) ausgebildet sind, wobei die Höcker (8), Noppen oder Eindellungen (9) der Kühlkanäle (3, 13) in Richtung Luftspalt der elektrischen Maschine weisen.
Stator (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsformen der Kühlkanäle (3, 13) rund, rundlich, oval oder polygonal ausgeführt sind.
Stator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (4, 6, 7) rund, rundlich oder polygonal ausgeführt sind, derart, dass sie ohne Verformung axial in die Kühlkanäle (3, 13) eingesteckt werden können.
Stator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressung auch eine Verformung des Kühlrohres (4, 6 oder 7) durch die Höcker (8), Noppen oder Eindellungen (9) herbeiführt.
Stator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Stator (2) Markierungen angebracht sind, die den Ort einer Krafteinwirkung (F) zur Verformung der Kühlkanäle (3, 13) näher bezeichnet.
Stator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen Kühlkanal und Kühlrohr vorhandenen Hohlräume durch Wärmeleitpaste oder Tränkharz ausgefüllt werden.
Stator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Stator geblecht oder gesintert ausgeführt ist.
Stator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator für alle Arten von elektrischen Maschinen, Linearmotoren oder rotatorische Motoren unabhängig von ihrer Erregung, die elektrisch oder durch Permanentmagnete erfolgen kann, einsetzbar ist.
Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Umlenkung eines Kühlstroms in den Kühlrohren (4, 6, 7) an den Stirnseiten des Stators (2) durch Umlenkelemente und/oder in den Lagerschilden erfolgt, so dass sich ein mäanderförmiger Verlauf des Kühlstroms um den Stator (2) ergibt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre (4, 6, 7) axial aus dem Stator (2) herausragen, so dass sie mit den Umlenkelementen und/oder dem Lagerschild verpressbar sind und damit eine Abdichtung eines Kühlkreislaufs bewirken.
Verfahren zur Herstellung eines Stators nach Anspruch 1 bis 7 durch folgende Schritte: – Stanzen von Dynamoblechen (10) mit geometrischen Konturen der Kühlkanäle (3, 13) und der Höcker (8), Noppen oder Eindellungen (9), – Paketieren dieser Einzelbleche (10) derart, dass sich Kühlkanäle (3, 13) in einem axialen Verlauf des Stators (2) einstellen, – axiales Einsetzen der Kühlrohre (4, 6, 7) in die jeweiligen Kühlkanäle (3, 13), – Anpressen der Kühlrohre (4, 6, 7) an die den Wärmequellen zugewandten Seite der elektrischen Maschine (1) durch dementsprechende Krafteinwirkung (F) auf den jeweiligen Außenseiten des Stators (2).