DE102013205418A1 - Electrical machine e.g. inner runner machine, for e.g. vehicle drive, has housing in which stator is arranged, and rotor accommodated in stator in rotatable manner, where stator has toothed coils designed as hollow conductor for fluid - Google Patents

Electrical machine e.g. inner runner machine, for e.g. vehicle drive, has housing in which stator is arranged, and rotor accommodated in stator in rotatable manner, where stator has toothed coils designed as hollow conductor for fluid Download PDF

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Zeljko Jajtic
Markus Klöpzig
Markus Wilke
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Mirjam Mantel
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Abstract

The machine (1) has a housing (2) in which a stator (3) is arranged, and a rotor (4) accommodated in the stator in a rotatable manner. The rotor has a rotor yoke (5) that is connected with a rotatable shaft (7). A radial fan is arranged at a distance to a stator-sided cooling metal plate for cooling air flow generated by the radial fan. Distribution channels run between the toothed coils. The stator has toothed coils designed as a hollow conductor for cooling fluid e.g. transformer oil. Magnets (6) are arranged at an outer side of the rotor yoke and designed as Halbach magnets.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator und einer Hohlleiter aufweisenden Kühleinrichtung. The invention relates to an electrical machine with a rotor, a stator and a waveguide having cooling device.

Elektrische Maschinen, die in der Industrie oder für Fahrzeugantriebe eingesetzt werden, weisen typischerweise eine massebezogene Leistung von 2 kW/kg bei Dauerleistung und bis zu 4 kW/kg bei Kurzzeitleistung auf. Für bestimmte Anwendungen wäre es jedoch wünschenswert, die massebezogene Leistung (Leistungsdichte) im Vergleich zu heute bekannten Konzepten zu erhöhen, wobei eine Leistungsdichte von > 6 kW/kg bei Dauerleistung angestrebt wird. Electrical machines used in industry or for vehicle drives typically have a mass-based power of 2 kW / kg for continuous power and up to 4 kW / kg for short-time power. For certain applications, however, it would be desirable to increase the mass-related power (power density) compared to today's known concepts, with a power density of> 6 kW / kg is aimed at continuous power.

Herkömmliche elektrische Maschinen, die vorzugsweise als Radialflussmaschine ausgebildet sind, weisen eine große Differenz zwischen Kurzzeitleistung und Dauerleistung auf. Die Kurzzeitleistung ist typischerweise doppelt so hoch wie die Dauerleistung. Andererseits ist für manche Anwendungen die Dauerleistung das wichtigste Designziel und eine höhere Kurzzeitleistung ist nicht erforderlich oder wünschenswert. Der magnetische Kreis trägt wesentlich zum Gesamtgewicht der Maschine bei, daher wird angestrebt, eine elektrische Maschine mit einer möglichst hohen Tangentialkraftdichte (Drehschub) zu schaffen, so dass sich ein möglichst hohes Drehmoment bei möglichst geringem Gewicht der aktiven Komponente ergibt. Conventional electrical machines, which are preferably designed as a radial flux machine, have a large difference between short-term power and continuous power. The short-term power is typically twice as high as the continuous power. On the other hand, for some applications, continuous performance is the most important design goal, and higher short-term performance is not required or desirable. The magnetic circuit contributes significantly to the overall weight of the machine, therefore, the aim is to create an electric machine with the highest possible tangential force density (rotational thrust), so that the highest possible torque results in the lowest possible weight of the active component.

Es sind bereits elektrische Maschinen vorgeschlagen worden, die eine erhöhte Leistungsdichte und einen verbesserten Wirkungsgrad aufweisen. In der DE 1 062 804 B wird beispielsweise eine elektrische Maschine mit einer direkt gekühlten Wicklung beschrieben, wobei die Wicklung an Verteilkanäle und Sammelkanäle angeschlossen ist. Diese Verteil- und Sammelkanäle sind elektrisch von der Wicklung isoliert, die Kühlung erfolgt durch ein flüssiges Kühlmittel. Electrical machines have already been proposed which have increased power density and improved efficiency. In the DE 1 062 804 B For example, an electric machine is described with a directly cooled winding, wherein the winding is connected to distribution channels and collecting channels. These distribution and collection channels are electrically isolated from the winding, the cooling is done by a liquid coolant.

In der EP 1 852 956 A1 wird eine elektrische Maschine mit einer Hohlleiterkühlung vorgeschlagen, bei der das Kühlmedium einen Phasenwechsel durchläuft und dadurch bei einem geringen Temperaturgradienten eine große Wärmemenge abführen kann. Ein Beispiel für ein derartiges Kühlmedium ist CO2. Das dort beschriebene Verfahren erfordert jedoch einen hohen Druck im Kühlsystem. In the EP 1 852 956 A1 an electric machine is proposed with a waveguide cooling, in which the cooling medium passes through a phase change and thereby can dissipate a large amount of heat at a low temperature gradient. An example of such a cooling medium is CO 2 . The method described there, however, requires a high pressure in the cooling system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Leistungsdichte anzugeben. The invention has for its object to provide an electrical machine with improved power density.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stator als Hohlleiter für eine Kühlflüssigkeit ausgebildete Zahnspulen umfasst. To solve this problem, it is provided according to the invention in an electrical machine of the type mentioned that the stator comprises toothed coils designed as a waveguide for a cooling liquid.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine verbesserte Dauerleistungsdichte erreicht werden kann, wenn der Stator als Hohlleiter ausgebildete Zahnspulen umfasst. Eine Zahnspulenwicklung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulenweite, das heißt der Mittelabstand der beiden Spulenseiten und die Nutteilung aufeinander folgender Nuten einander entsprechen. In diesem Fall umfasst eine Spule genau einen Zahn. The invention is based on the finding that an improved continuous power density can be achieved if the stator comprises toothed coils designed as waveguides. A tooth coil winding is characterized in that the coil width, that is, the center distance of the two coil sides and the slot pitch successive grooves correspond to each other. In this case, a coil has exactly one tooth.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird es bevorzugt, dass die Zahnspulen einen an einen Verteilkanal angeschlossenen Zulauf und einen an einen Sammelkanal angeschlossenen Ablauf aufweisen, wobei der Verteilkanal und der Sammelkanal als Ringe oder Ringsegmente ausgebildet sind. Der Verteilkanal und die Sammelkanäle werden von einem Kühlmedium, vorzugsweise von einer Kühlflüssigkeit, durchströmt, wodurch die erforderliche Wärmeabfuhr bewirkt wird. Die dadurch erzielte Kühlung der elektrischen und magnetischen Komponenten ermöglicht den Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit hoher Dauerleistung. Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich um ein isolierendes Medium wie z. B. Trafoöl, Therminol® oder Galden®. In the electric machine according to the invention, it is preferred that the tooth coils have an inlet connected to a distribution channel and a drain connected to a collecting channel, wherein the distribution channel and the collecting channel are formed as rings or ring segments. The distribution channel and the collecting channels are traversed by a cooling medium, preferably by a cooling liquid, whereby the required heat dissipation is effected. The achieved cooling of the electrical and magnetic components enables the operation of the electric machine according to the invention with high continuous power. The cooling liquid is an insulating medium such. B. Transformer oil, Therminol ® or Galden ® .

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dass die Ringe oder Ringsegmente des Verteilkanals oder des Sammelkanals konzentrisch ausgebildet sind. Die konzentrische Ausgestaltung ermöglicht einen platzsparenden Aufbau, zudem wird eine gute Kühlleistung sichergestellt. According to the invention it is preferred that the rings or ring segments of the distribution channel or the collecting channel are formed concentrically. The concentric design allows a space-saving design, also a good cooling performance is ensured.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass auf dem Verteilkanal oder dem Sammelkanal wenigstens ein Leistungselektronikmodul angeordnet ist. Indem das Leistungselektronikmodul direkt auf einem von der Kühlflüssigkeit durchströmten Kanal angeordnet wird, kann gleichzeitig die gewünschte Kühlung des Leistungselektronikmoduls bewirkt werden, dementsprechend kann eine separate Kühleinrichtung für das Leistungselektronikmodul entfallen. Das wenigstens eine Leistungselektronikmodul ist bevorzugt im Verteilkanal angeordnet, da dort die Temperatur der Kühlflüssigkeit am niedrigsten ist. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann der Stator mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Statorsegmente aufweisen. It is also within the scope of the invention that at least one power electronics module is arranged on the distribution channel or the collecting channel. By arranging the power electronics module directly on a channel through which the coolant flows, the desired cooling of the power electronics module can be effected at the same time; accordingly, a separate cooling device for the power electronics module can be dispensed with. The at least one power electronics module is preferably arranged in the distribution channel, since there the temperature of the cooling liquid is lowest. In the electric machine according to the invention, the stator may have a plurality of circumferentially juxtaposed stator segments.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass mehrere Zahnspulen in Serie geschaltet sind und dass Verbindungsleiter zwischen den Zahnspulen angeordnet sind. In a further embodiment of the invention, it may be provided that a plurality of tooth coils are connected in series and that connecting conductors are arranged between the tooth coils.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann entweder als Innenläufermaschine oder als Außenläufermaschine ausgebildet sein. The electric machine according to the invention can be designed either as an internal rotor machine or as an external rotor machine.

Um die Kühlung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zu verbessern, kann es vorgesehen sein, dass an dem Rotor eine Radiallüfterstruktur angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine erzwungene Luftkühlung des Rotors bewirkt werden. In order to improve the cooling of the electric machine according to the invention, it can be provided that a radial fan structure is arranged on the rotor. In this way, a forced air cooling of the rotor can be effected.

Zur Optimierung der Masse kann es bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vorgesehen sein, dass der Rotor Permanentmagnete aufweist und als Halbachmagnet ausgebildet ist. To optimize the mass, it may be provided in the case of the electric machine according to the invention that the rotor has permanent magnets and is designed as a Halbach magnet.

Vorzugsweise ist unter dem Halbachmagnet ein ferromagnetischer Ring angeordnet. Preferably, a ferromagnetic ring is disposed below the Halbach magnet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen: Further advantages and details of the invention will be explained with reference to an embodiment with reference to the drawings. The drawings are schematic representations and show:

1 eine geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine; 1 a sectional view of an electric machine according to the invention;

2 ein Detail der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer perspektivischen Ansicht; 2 a detail of the electric machine according to the invention in a perspective view;

3 eine geschnittene vergrößerte Ansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Bereich der Rotorkühlung; 3 a sectional enlarged view of the electric machine according to the invention in the field of rotor cooling;

4 ein Rotorsegment mit Magneten; 4 a rotor segment with magnets;

5 ein Schaltdiagramm der Wicklung und der Kühlung; und 5 a circuit diagram of the winding and the cooling; and

6 eine perspektivische Ansicht wesentlicher Komponenten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. 6 a perspective view of essential components of the electric machine according to the invention.

Die in 1 in einer geschnittenen Ansicht gezeigte elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Stator 3 angeordnet ist. In dem Stator 3 ist ein Rotor 4 drehbar aufgenommen, umfassend ein Rotorjoch 5, das Magnete 6 trägt, wobei das Rotorjoch 5 mit einer drehbaren Welle 7 verbunden ist. Das Gehäuse 2 weist an beiden Seiten Flansche 8, 9 auf, in deren Zentrum die Welle 7 gelagert ist. In the 1 in a sectional view shown electric machine 1 includes a housing 2 in which a stator 3 is arranged. In the stator 3 is a rotor 4 rotatably received, comprising a rotor yoke 5 , the magnets 6 carries, with the rotor yoke 5 with a rotatable shaft 7 connected is. The housing 2 has flanges on both sides 8th . 9 in the center of which is the wave 7 is stored.

Die elektrische Maschine 1 weist einen Wickelkopfträger auf, der Wickelköpfe der aus einem Hohlleiter hergestellten Spulen trägt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Hohlleiter einen rechteckigen Querschnitt. Die elektrische Maschine 1 weist mehrere Ebenen von Schaltverbindungen auf, die jeweils mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt sind, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Kunststoff. Die einzelnen Ebenen werden gestapelt, das so erhaltene Bauteil umfasst Schaltverbindungen 10 zwischen Wickelkopf und den Hohlleitern, einen Verteilkanal und einen Sammelkanal für eine Kühlflüssigkeit und weitere elektrische Verbindungen. Alternativ zu gestapelten Schaltverbindungen können auch Kabel verwendet werden, die z.B. mittels Schraubverbindungen geklemmt sind. Die Schaltverbindungen können als Hohlleiter oder als massive Leiter ausgeführt sein. Die Ausführung als Hohlleiter ermöglicht größere Stromdichten im Leiter. Der Kühlkreislauf und die elektrische Schaltung sind aufeinander abgestimmt, indem zunächst die elektrische Auslegung der Maschine erfolgt. Aus der elektrischen Auslegung ergibt sich dann nach der Auswahl der Hohlleiter der hydraulische Arbeitspunkt für das Kühlsystem. Wenn es andererseits auch für den hydraulischen Arbeitspunkt bestimmte Vorgaben gibt, muss die hydraulische Schaltung von der elektrischen Schaltung entkoppelt werden. The electric machine 1 has a winding head carrier which carries winding heads of the coils produced from a waveguide. In the illustrated embodiment, the waveguide has a rectangular cross-section. The electric machine 1 has several levels of switching connections, which are each covered with an electrically insulating material, in the illustrated embodiment with plastic. The individual levels are stacked, the component thus obtained comprises switching connections 10 between the winding head and the waveguides, a distribution channel and a collecting channel for a cooling fluid and other electrical connections. As an alternative to stacked interconnections, it is also possible to use cables which are clamped by means of screw connections, for example. The switching connections can be designed as waveguides or solid conductors. The design as a waveguide allows larger current densities in the conductor. The cooling circuit and the electrical circuit are matched to each other by first the electrical design of the machine takes place. From the electrical design results then after the selection of the waveguide, the hydraulic operating point for the cooling system. On the other hand, if there are also certain specifications for the hydraulic operating point, the hydraulic circuit must be decoupled from the electrical circuit.

2 zeigt ein Detail der elektrischen Maschine 1 in einer perspektivischen Ansicht. In 2 erkennt man Zahnspulen 11 mit rechteckigen Holleitern, zwischen den Zahnspulen 11 verlaufen Verteilkanäle 12 und Sammelkanäle 13, Verteilkanäle 12 und Sammelkanäle 13 sind als gerade, parallele Leitungen ausgebildet. Die Verteilkanäle 12 sind an einen Verteilkanalzulauf 14 angeschlossen, der kreisförmig ausgebildet ist. Die Sammelkanäle 13 sind an einen Sammelkanalrücklauf 15 angeschlossen, der ebenfalls kreisförmig ausgebildet ist. Da eine Entwärmung des Stators 3 über eine Direktleiterkühlung nicht ausreichend ist, muss dieser zusätzlich gekühlt werden. Die Verteilkanäle 12 und die Sammelkanäle 13 haben somit die Funktion zusätzlicher Kühlleitungen, die in magnetisch gering belasteten Bereichen des Stators 3 angeordnet sind. Die Verteilkanalzuläufe 14 werden an die Verteilkanäle 12 im Schaltungsträger angeschlossen, die Sammelkanalrückläufe 15 werden an die Sammelkanäle 13 im Schaltungsträger angeschlossen. Die Durchflussmenge wird so eingestellt, dass der Rotor 3 im Betrieb eine Temperatur von ca. 120 bis 140°C erreicht, dadurch können Wirbelstromverluste im Stator 3 weiter reduziert werden. 2 shows a detail of the electric machine 1 in a perspective view. In 2 you can see tooth coils 11 with rectangular Holleitern, between the tooth coils 11 run distribution channels 12 and collection channels 13 , Distribution channels 12 and collection channels 13 are designed as straight, parallel lines. The distribution channels 12 are to a distribution channel inlet 14 connected, which is circular. The collection channels 13 are to a header return 15 connected, which is also circular. As a cooling of the stator 3 is not sufficient over a Direktleiterkühlung, this must be additionally cooled. The distribution channels 12 and the collection channels 13 thus have the function of additional cooling lines in magnetically low loaded areas of the stator 3 are arranged. The distribution channel inlets 14 be to the distribution channels 12 connected in the circuit carrier, the collection channel returns 15 be sent to the collection channels 13 connected in the circuit carrier. The flow rate is adjusted so that the rotor 3 During operation reaches a temperature of about 120 to 140 ° C, thereby eddy current losses in the stator 3 be further reduced.

Dieser Aufbau der Kühlung ist vorteilhaft, wenn das Gehäuse als Leichtbaugehäuse aus einem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff ausgeführt werden soll. Es werden keine hohen Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit des Materials gestellt, dadurch können Faserverbundwerkstoffe problemlos eingesetzt werden. Alternativ zu der beschriebenen Statorkühlung kann auch eine Mantelkühlung verwendet werden. Dazu wird ein Kühlkreislauf entweder parallel oder in Serie zur Hohlleiterkühlung aufgebaut. Die Wassermantelkühlung kann ebenso wie die Anschlüsse für die Hohlleiterkühlung in das Gehäuse integriert werden. Das Gehäuse kann z. B. aus Aluminium oder einem anderen Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden. This structure of the cooling is advantageous if the housing is to be designed as a lightweight housing made of a plastic or a fiber composite material. There are no high demands on the thermal conductivity of the material, thereby fiber composites can be used easily. As an alternative to the stator cooling described can also be used a jacket cooling. For this purpose, a cooling circuit is constructed either in parallel or in series for waveguide cooling. The water jacket cooling can as well as the connections for the waveguide cooling be integrated into the housing. The housing may, for. B. made of aluminum or other material with a good thermal conductivity.

3 zeigt eine geschnittene vergrößerte Ansicht der erfindungsgemäßen Maschine im Bereich der Rotorkühlung. 3 shows a sectional enlarged view of the machine according to the invention in the field of rotor cooling.

Erfahrungsgemäß sind Verluste im Rotor ein begrenzender Parameter für die Dauerleistung einer elektrischen Maschine. Um die Verluste im Rotor zu verringern, sind die Permanentmagnete axial und/oder in Umfangsrichtung segmentiert, zudem sind sie untereinander und zum Rotorjoch hin vollständig elektrisch isoliert. 3 zeigt den Stator 3 und die damit verbundenen Verbindungen 16 zwischen dem Kühlkreislauf und der elektrischen Schaltung. Im Inneren des Stators 3 befindet sich das Rotorjoch 5 mit den an seiner Außenseite angebrachten Magneten 6. Das Rotorjoch 5 weist an einer Seite einen Radiallüfter 17 auf, der mit geringem Abstand zu einem statorseitigen Kühlblech 18 angeordnet ist. Zwischen dem Radiallüfter 17 und dem Kühlblech 18 strömt während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 Kühlluft, was durch die Pfeile 19, 20 angedeutet wird. Der Radiallüfter 17 hat die Funktion eines Wärmeleiters in axialer Richtung und weist eine Auskragung auf. Gegenüber dem Radiallüfter 17 befindet sich das gekühlte Kühlblech, durch die erzwungene Strömung wird die gewünschte Kühlung des Radiallüfters 17 und damit des Rotorjochs 5 mit den Magneten 6 bewirkt. Experience has shown that losses in the rotor are a limiting parameter for the continuous output of an electrical machine. In order to reduce the losses in the rotor, the permanent magnets are axially and / or circumferentially segmented, also they are completely electrically isolated from each other and to the rotor yoke. 3 shows the stator 3 and the related connections 16 between the cooling circuit and the electrical circuit. Inside the stator 3 is the rotor yoke 5 with the magnets attached to its outside 6 , The rotor yoke 5 has a radial fan on one side 17 on, with a small distance to a stator-side cooling plate 18 is arranged. Between the radial fan 17 and the heat sink 18 flows during operation of the electric machine 1 Cooling air, what by the arrows 19 . 20 is hinted at. The radial fan 17 has the function of a heat conductor in the axial direction and has a projection. Opposite the radial fan 17 there is the cooled cooling plate, through which forced flow becomes the desired cooling of the radial fan 17 and thus the rotor yoke 5 with the magnets 6 causes.

Im Zusammenhang mit dem Radiallüfter kann auch mindestens ein Strömungskanal ausgebildet sein, der dafür sorgt, dass der Radiallüfter eine zirkulierende Strömung aufbaut. In connection with the radial fan and at least one flow channel can be formed, which ensures that the radial fan builds up a circulating flow.

Zur Reduzierung der Masse des Rotors 4 sind die Magnete 6 als Halbachmagnete ausgebildet. In einem Halbacharray wird der magnetische Fluss nicht über ein Joch geschlossen, stattdessen schließt er sich im Permanentmagnet selbst. Dazu ist es allerdings erforderlich, dass die Dicke des Permanentmagneten in Abhängigkeit von der Polbreite eingestellt ist, zusätzlich müssen Magnetsegmente mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen verwendet werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Pol aus vier unterschiedlichen Segmenten aufgebaut. Bei quadratischen Segmenten sind zwei verschiedene Magnetsegmente, die jeweils in vier verschiedenen Positionen eingebaut sind, ausreichend. Da zur Kühlung des Rotors ein Material mit guter Wärmeleitung in axialer Richtung verwendet werden muss, wird dieses Bauteil auch magnetisch leitend ausgeführt. Somit kann das Halbacharray mit etwas geringerer Höhe ausgeführt werden und ein Teil des magnetischen Flusses in das Joch und den magnetisch leitenden Wärmeleiter geführt werden. To reduce the mass of the rotor 4 are the magnets 6 designed as Halbachmagnete. In a Halbacharray the magnetic flux is not closed by a yoke, but instead it closes in the permanent magnet itself. For this purpose, however, it is necessary that the thickness of the permanent magnet is set as a function of the Polbreite, in addition, magnetic segments must be used with different magnetization directions. In the illustrated embodiment, one pole is made up of four different segments. For square segments, two different magnet segments, each installed in four different positions, are sufficient. Since a material with good heat conduction in the axial direction must be used to cool the rotor, this component is also designed to be magnetically conductive. Thus, the Halbacharray can be performed with a slightly lesser height and a part of the magnetic flux in the yoke and the magnetically conductive heat conductor can be performed.

4 zeigt schematisch ein Rotorsegment 21 mit in unterschiedlichen Richtungen angeordneten Magneten 22, wobei für jeden Magnet 22 eine Magnetisierungsrichtung durch einen Pfeil dargestellt ist. 4 schematically shows a rotor segment 21 with magnets arranged in different directions 22 , where for each magnet 22 a magnetization direction is shown by an arrow.

5 ist ein Schaltdiagramm der Wicklung und der Kühlung. Kühlleitungen sind dabei durch gestrichelte Linien, Stromleitungen durch punktierte Linien dargestellt. Man erkennt, dass die Kühlleitungen zur Kühlung des Rotors sowie der Leistungselektronik vorgesehen sind. 5 is a circuit diagram of the winding and the cooling. Cooling lines are shown by dashed lines, power lines by dotted lines. It can be seen that the cooling lines are provided for cooling the rotor and the power electronics.

6 ist eine perspektivische Ansicht wesentlicher Komponenten der elektrischen Maschine 1. In 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem Leistungshalbleiter in die elektrische Maschine integriert sind. Dementsprechend kann auf ein separates Gehäuse für die Leistungselektronik und die Kühlung der Leistungselektronik verzichtet werden. Die Module 23 für die Leistungshalbleiter sind am Verteilkanalzulauf 14 angeordnet, so dass eine Kühlung der thermisch kritischen Leistungshalbleiter gewährleistet ist. 6 is a perspective view of essential components of the electric machine 1 , In 6 an embodiment is shown, are integrated in the power semiconductor in the electric machine. Accordingly, it is possible to dispense with a separate housing for the power electronics and the cooling of the power electronics. The modules 23 for the power semiconductors are at Verteilkanalzulauf 14 arranged so that cooling of the thermally critical power semiconductor is ensured.

Die Leistungselektronikmodule werden wie in 6 dargestellt mit den Wicklungen in axialer Richtung verbunden. Jedes Einzelmodul hat beispielsweise bei einer dreiphasigen Maschine drei Anschlüsse zur Wicklung. Die Wicklung kann aus mehreren Teilwicklungssysteme bestehen, jedes der Teilwicklungssysteme kann durch ein Leistungselektronikmodul angesteuert werden. Weiterhin hat jedes Leistungselektronikmodul zwei Anschlüsse zur DC-Zwischenkreisspannung. The power electronics modules are as in 6 shown connected to the windings in the axial direction. For example, every single module has three connections to the winding in a three-phase machine. The winding may consist of several sub-winding systems, each of the sub-winding systems can be controlled by a power electronics module. Furthermore, each power electronics module has two connections to the DC link voltage.

Das Gehäuse der elektrischen Maschine ist in Leichtbauweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgebildet. The housing of the electric machine is made of lightweight fiberglass-reinforced plastic or carbon fiber reinforced plastic.

Alle beschriebenen Varianten und Optionen können in unterschiedlichen Kombinationen vorgesehen sein, auch wenn diese Kombinationen nicht im Detail beschrieben sind. All variants and options described may be provided in different combinations, even if these combinations are not described in detail.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 1062804 B [0004] DE 1062804 B [0004]
  • EP 1852956 A1 [0005] EP 1852956 A1 [0005]

Claims (15)

Elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator und einer Hohlleiter aufweisenden Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator als Hohlleiter für eine Kühlflüssigkeit ausgebildete Zahnspulen umfasst. Electric machine with a rotor, a stator and a waveguide having cooling device, characterized in that the stator comprises toothed coils designed as a waveguide for a cooling liquid. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnspulen einen an einen Verteilkanal angeschlossenen Zulauf und einen an einen Sammelkanal angeschlossenen Ablauf aufweisen, wobei der Verteilkanal und der Sammelkanal als Ringe oder Ringsegmente ausgebildet sind. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the tooth coils have an inlet connected to a distribution channel and an outlet connected to a collecting channel, wherein the distribution channel and the collecting channel are formed as rings or ring segments. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe oder Ringsegmente des Verteilkanals und des Sammelkanals konzentrisch ausgebildet sind. Electrical machine according to claim 2, characterized in that the rings or ring segments of the distribution channel and the collecting channel are formed concentrically. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Verteilkanal wenigstens ein Leistungselektronikmodul angeordnet ist.Electrical machine according to claim 2 or 3, characterized in that on the distribution channel at least one power electronics module is arranged. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mehrere in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete Statorsegmente umfasst. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the stator comprises a plurality of circumferentially juxtaposed stator segments. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zahnspulen in Serie geschaltet sind und dass Verbindungsleiter zwischen den Zahnspulen angeordnet sind. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of toothed coils are connected in series and that connecting conductors are arranged between the toothed coils. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zahnspulen parallel geschaltet sind und dass Verbindungsleiter zwischen den Zahnspulen angeordnet sind. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of toothed coils are connected in parallel and that connecting conductors are arranged between the toothed coils. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Innenläufermaschine oder als Außenläufermaschine ausgebildet ist. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed as an internal rotor machine or as an external rotor machine. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rotor eine Radiallüfterstruktur angeordnet ist, wobei die elektrische Maschine eine Kühlstruktur aufweist, die mit der von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Kühleinrichtung zum Kühlen der von der Radiallüfterstruktur erzeugten Luftströmung verbunden ist. Electric machine according to one of the preceding claims, characterized in that on the rotor, a radial fan structure is arranged, wherein the electrical machine has a cooling structure, which is connected to the flow-through of the cooling liquid cooling means for cooling the air flow generated by the radial fan structure. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Sprühnebelkühlung zum Kühlen des Rotors mittels der Kühlflüssigkeit aufweist. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a spray cooling for cooling the rotor by means of the cooling liquid. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor Permanentmagnete aufweist und als Halbachmagnet ausgebildet ist, wobei unter dem Halbachmagnet vorzugsweise ein ferromagnetischer Ring angeordnet ist. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor has permanent magnets and is designed as Halbach magnet, wherein below the Halbachmagnet preferably a ferromagnetic ring is arranged. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Hohlleiter aufweisende Kühleinrichtung einen Radiallüfter zum Erzeugen einer zirkulierenden Strömung aufweist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow conductor having the cooling device comprises a radial fan for generating a circulating flow. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Hohlleiter aufweisende Kühleinrichtung zum Kühlen von Schaltverbindungen ausgebildet ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow conductor having the cooling device is designed for cooling of interconnections. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor einen Wärmeleiter zum radialen Ableiten von thermischen Rotorverlusten aufweist. Electric machine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor has a heat conductor for the radial dissipation of thermal rotor losses. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Statorblechkühlung mit rohrförmigen Strukturen in magnetisch gering belasteten Bereichen des Stators aufweist. Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a stator lamination with tubular structures in magnetically low loaded areas of the stator.
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