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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, insbesondere für den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen.
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Elektrische Maschinen mit Rotor und Stator dienen gemäß dem Stand der Technik dem Antrieb von Aggregaten oder Fahrzeugen. Der Stator ist dabei in einem umgebenden Mantel angeordnet, welcher auch zum Halt und zur Stabilisierung des Stators dient. Dabei entsteht Verlustwärme unter anderem durch induzierte elektrische Kreisströme in den elektrisch leitenden Elementen der elektrischen Maschine. Dies führt zu einer Erwärmung von Rotor und Stator der elektrischen Maschine, was zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine führt. Der erwähnte Mantel hat in diesem Zusammenhang allerdings den Nachteil, dass die Wärmeabgabe von dem Stator durch den Mantel beeinträchtigt ist.
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Daher sind Kühlungen für elektrische Maschinen entwickelt worden, wie beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung, bei welcher eine Kühlflüssigkeit durch einen Kühlmantel strömt und dadurch den Rotor und den Stator kühlt. Die Flüssigkeitsversorgung des Rotors erfolgt dabei in der Regel über die Achse des Rotors, wobei die Flüssigkeitsversorgung des Stators in der Regel durch eine axial oder radial zugeführte Verrohrung oder Verschlauchung erfolgt. Die Kühlflüssigkeit wird dadurch durch den Stator und durch den Rotor gefördert, wo sie erwärmt wird, und außerhalb der elektrischen Maschine mittels eines beispielsweise luftgekühlten Kühlers wieder abgekühlt. Die Flüssigkeitskühlung erfordert somit einen erheblichen baulichen Aufwand und nicht unerhebliche Betriebskosten für die Flüssigkeitskühlung.
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Auch sind Luftkühlungen bekannt geworden, bei welchen an äußeren Mantel Kühlrippen vorgesehen sind, um die Oberfläche zu vergrößern, so dass Kühlluft am Mantel entlang gefördert werden kann, um den Mantel durch die Kühlluft abzukühlen. Dabei stellt der Mantel dennoch einen erheblichen Wärmewiederstand dar, so dass die Temperatur der elektrischen Maschine noch zu wünschen übrig lässt.
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Durch die
EP 1 432 102 A2 ist eine elektrische Maschine bekannt geworden, bei welcher so genannte Heatpipes eingesetzt werden, um Wärme aus dem Spalt zwischen Rotor und Stator zu einem Kühler abzuführen. Diese Gestaltung benötigt erheblichen Bauraum.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine zu schaffen, welche eine verbesserte Kühlung aufweist und dennoch einfach und kompakt aufgebaut ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor, wobei der Rotor einen Rotorkörper und über den radial äußeren Umfang verteilt Magnete aufweist und der Stator einen Statorkörper und an seinem radial inneren Umfang verteilt Wicklungen aufweist, wobei der Statorkörper nach radial außen abstehende Rippen aufweist. Diese Rippen stellen neben der Kühloberfläche des Statorkörpers eine zusätzliche „flache“ Fläche zur Verfügung, die kühlungswirksam ist.
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In einer Ausführungsform weist der Stator von den Wicklungen radial innen ausgehende Heatpipes auf, welche sich nach radial außen in die Rippen erstrecken. Dadurch wird eine Luftkühlung ermöglicht, welche dadurch verbessert ist, dass zum internen Wärmetransport zu den Rippen Heatpipes verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wicklungen sich in axialer Richtung des Stators erstrecken und zumindest einzelne Heatpipes zumindest teilweise von einer Wicklung umgeben sind. Dadurch wird erreicht, dass die Wärme aus den Wicklungen direkt abgeführt werden kann.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der Statorkörper aus einer Vielzahl von Scheiben besteht, die in axialer Richtung des Stators betrachtet geschichtet angeordnet sind, wobei die Scheiben Ausnehmungen aufweisen, zur Aufnahme der Wicklungen. So kann ein Statorkörper erreicht werden, welcher einfach aufgebaut werden kann und dennoch gute elektrische Eigenschaften im Hinblick auf die Vermeidung von Verlustströmen aufweist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Scheiben Ausnehmungen aufweisen zur Aufnahme eines Teilbereichs der Heatpipes. Dadurch kann eine Heatpipe zum Teil von einer Wicklung und zum Teil von dem Statorkörper aufgenommen werden, so dass eine verbesserte Wärmeabfuhr direkt aus der Wicklung zu erreichen.
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Ein weiterer Vorteil kann sich ergeben, wenn die Scheiben aus unterschiedlichen Blechtypen aufgebaut sind. So können die Scheiben z.B. aus mindestens zwei verschiedenen Blechtypen aufgebaut sein, wobei die größeren, d.h. die Scheiben mit einem größeren Durchmesser die Rippen bilden. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Scheiben aus wenigstens zwei verschiedenen Materialien aufgebaut sind, so können Scheiben aus einem besser wärmeleitendem Material zwischen den Scheiben mit einem schlechter Wärme leitendem Material vorgesehen sein. Z.B. kann es vorgesehen sein, dass nur ein kleiner Teil, d.h. nur jede dritte oder bevorzugt nur jede 10te Scheibe aus einem besser Wärme leitenden Material aufgebaut ist. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass in axialer Richtung die Scheiben mit der besseren Wärmeleitfähigkeit jeweils im Wesentlichen gleichbeabstandet sind. Insbesondere kann dabei auch Material für die besser wärmeleitfähigen Scheiben verwendet werden, welches eine schlechtere magnetische Leitfähigkeit aufweist, d.h. welches zu einer Verschlechterung des magnetischen Flusses und damit zu einem geringeren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine führt.
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Die Rippen können in einer möglichen Ausführungsform in den äußeren Bereichen, d.h. außerhalb der vom rippenlosen Bereich gebildeten Statoroberfläche auch eine, die Oberfläche der Rippen weiter vergrößernde Form, bzw. Ausgestaltung aufweisen. Hierunter ist z.B. zu verstehen, dass die Rippen auf wenigstens eine der folgenden Arten modifiziert sein können: Ausfransung, Einschneidungen, mit Löchern versehen sein, wie ein Streckgitter eingeschnitten und auseinandergezogen sein oder allgemein unrund gemacht sein. Hierdurch kann die Oberfläche vergrößert und/oder auch eine bessere Durchströmung der Rippen ermöglicht werden, was jeweils die Konvektion vorteilhaft unterstützt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist es möglich, dass die Rippen weitere funktionale Zusatzmerkmale aufweisen, welche der einfacheren Montage dienen können. Hierbei kann es sich um Montage und/oder Orientierungsmerkmale handeln. Weiter kann es sich um Befestigungslöcher, Haken oder Öder oder um mehrere verschiedene dieser Merkmale zusammen handeln. Diese Zusatzmerkmale erweitern jeweils die Nutzbarkeit der Rippen als solche. Auch die geschilderten Heatpipes wird die Funktionalität der Rippen entsprechend erweitert, indem sie einen thermischen Kühlpfad dazubauen, der bereits im Inneren der Wicklung beginnt, statt erst an der Oberfläche der Kupferwicklung.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der Statorkörper aus Scheiben zusammengesetzt ist, welche Ausnehmungen für die Heatpipes aufweisen und welche keine Ausnehmungen für die Heatpipes aufweisen. Dadurch kann in einer modularen Bauweise die beabstandete Anordnung von Heatpipes erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rippen in axialer Richtung verlaufen und aus Scheiben gebildet sind, welche die Heatpipes im Bereich der Rippen aufnehmen.
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Die axiale Richtung wird in Bezug auf den Rotor und den Stator definiert, wobei die Achse bezüglich der axialen Richtung die Drehachse des Rotors ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Rippen in Umfangsrichtung verlaufen und aus Scheiben gebildet sind, die die Heatpipes auch im Bereich der Rippen aufnehmen. Dadurch kann je nach Anordnung der elektrischen Maschine und der Luftströmung eine günstige Kühlung erreicht werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Scheiben die Ausnehmungen für die Wicklungen am inneren Umfang verteilt aufweisen, die sich nach radial außen erstrecken. So kann eine einfache Montage von radial innen erreicht werden und der Spalt zwischen den Wicklungen und den Magneten des Rotors kann reduziert werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Scheiben die Ausnehmungen für die Heatpipes aufweisen, welche sich ausgehend den Ausnehmungen für die Wicklungen nach radial außen erstrecken. Dadurch wird erreicht, dass ausgehend von den Wicklungen die Heatpipes nach außen zu den Rippen geführt werden können, um eine günstige Luftkühlung zu erreichen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Scheiben nach radial außen abragende Vorsprünge aufweisen, welche die Rippen bilden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert:
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Teilansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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2 eine Scheibe des Stators,
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3 eine Scheibe des Stators,
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4 eine Ansicht einer Wicklung mit Heatpipes,
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5 eine perspektivische Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,
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6 eine Scheibe des Stators,
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7 eine Scheibe des Stators, und
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8 eine Scheibe des Stators.
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Die 1 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht eine elektrische Maschine 1 mit einem Rotor 2 und mit einem Stator 3. Der Stator 3 ist radial außerhalb des Rotors 2 angeordnet, wobei sich der Rotor 2 radial innerhalb des Stators 3 drehen kann.
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Der Rotor 2 weist einen Rotorkörper 4 auf, welcher an seinem radial äußeren Umfang 5 Magnete 6 aufweist, die über den Umfang 5 verteilt angeordnet sind. Zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 ist ein Spalt 7 vorgesehen, so dass sich der Rotor 2 radial innerhalb des Stators 3 frei drehen kann.
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Der Stator 3 weist einen Statorkörper 8 auf, welcher sich um den Rotor 2 ringförmig erstreckt. Der Statorkörper 8 weist Aufnahmen 9 zur Aufnahme von Wicklungen 10 auf. Diese Wicklungen 10 erstrecken sich in axialer Richtung des Statorkörpers 8, wobei eine Vielzahl von Wicklungen 10 über den Umfang des Statorkörpers 8 verteilt angeordnet ist. die Wicklungen 10 erstrecken sich dabei bevorzugt in axialer Richtung. Radial außen weist der Statorkörper 8 nach radial außen abstehende Rippen 11 auf, wobei die Rippen 11 sich in axialer Richtung erstrecken.
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Ausgehend von einer Wicklung 10 sind Heatpipes 12 vorgesehen, die sich in radialer Richtung nach außen erstrecken und über einen Teil ihrer Erstreckung 13 in einer Wicklung 10 angeordnet sind und über einen weiteren Teil ihrer Erstreckung 14 sich innerhalb des Statorkörpers 8 im Bereich einer Rippe 11 erstrecken. Hierzu sind innerhalb der Wicklung 10 und des Statorkörpers 8 bzw. der Rippe 11 Ausnehmungen 15 vorgesehen, welche die Heatpipes 13 aufnehmen.
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Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können die Heatpipes 13 im radial inneren Bereich im Bereich der Wicklung 10 auch mittels eines Verbindungselements 16 verbunden sein, so dass das Verbindungselement 16, welches mit einer Mehrzahl von Heatpipes in Verbindung steht, in einer Wicklung 10 angeordnet ist.
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Die sich in axialer Richtung erstreckenden Rippen 11 sind nach radial außen abstehend über den Umfang des Statorkörpers 8 verteilt angeordnet, wobei die Rippen 11 eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsfläche aufweisen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Querschnittsfläche der Rippe 11 auch beispielsweise im Wesentlichen rechteckig oder dreieckig oder ähnlich sein.
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Die 2 und die 3 zeigen jeweils eine Scheibe 20, 21, welche durch benachbarte Aneinanderreihung in axialer Richtung den Statorkörper 8 gemäß 1 bilden. Die Scheibe 20 ist ringförmig ausgebildet und weist an ihrem radial inneren Umfang Ausnehmungen 22 auf, welche zur Aufnahme der Wicklungen 10 dienen. Diese sind vorteilhaft rechteckig ausgebildet, wobei auch anderweitige Formen der Ausnehmung möglich sind. Vorteilhaft sind die Ausnehmungen 22 nach radial innen offen.
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An ihrem radial äußeren Umfang weist die Scheibe 20 Vorsprünge 23 auf, welche die Rippen bilden. Die Vorsprünge sind über den Umfang verteilt angeordnet. Zur Befestigung und Montage sind Befestigungsaugen 24 vorgesehen.
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Die Scheibe 20 wird in der Anordnung gemäß 1 zwischen den Heatpipes 12 eingesetzt, um einen entsprechenden Teil des Statorkörpers 8 zwischen den Heatpipes 12 zu bilden.
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Die Scheibe 21 gemäß 3 weist an ihrem radial inneren Umfang Ausnehmungen 25 auf, die zur Aufnahme der Wicklungen 10 dienen. Ausgehend von den Ausnehmungen 25 sind nach radial außen sich erstreckende Ausnehmungen 26 vorgesehen, welche zur Aufnahme der Heatpipes 12 dienen. Am radial äußeren Umfang weist die Scheibe 21 Vorsprünge 27 auf, welche die Rippen 11 bilden. Die Ausnehmungen 26 stoßen bis in die Vorsprünge 27 vor, so dass die in der Ausnehmung 26 angeordneten Heatpipes 12 sich bis in die Rippen 11 erstrecken.
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Die Scheibe 21 wird in dem Ausführungsbeispiel der 1 im Bereich der Heatpipes 12 verwendet, um den entsprechenden Teil des Statorkörpers 8 zu bilden.
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Die 4 zeigt eine Anordnung eines Verbindungselements 16 mit einer Anordnung von Heatpipe 12 Elementen. Die Heatpipes 12 sind dabei über einen Teil ihrer radialen Erstreckung in dem Verbindungselement 16 eingebettet und ragen über einen weiteren Teil ihrer radialen Erstreckung über das Verbindungselement 16 hinaus. Das Verbindungselement 16 dient auch als Kollektor zur guten thermischen Ankopplung der Heatpipe 12 Elemente an die entsprechende Wicklung 10. Dabei ist der Kollektor mit einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer gleichzeitig guten elektrischen Isolation ausgebildet, wobei der Kollektor eine hohe mechanische Stabilität bei thermischem Einfluss aufweist. Bevorzugt sind die Materialien des Verbindungselements 16 aus Keramik oder Polymer.
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Die Heatpipes 12, die rohrförmig ausgebildet sind, werden in das als Kollektor ausgebildete Verbindungselement 16 eingebettet, wie bevorzugt in Bohrungen aufgenommen oder eingespritzt, wobei die Heatpipes 12 einen inneren Kreislauf aus verdampfendem und wieder kondensierendem Kühlmedium aufweisen.
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Die 5 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 51, welche wiederum einen Rotor 52 und einen Stator 53 aufweist. Der Rotor 52 weist einen Rotorkörper 54 mit über den Umfang 55 verteilt angeordneten Magneten 56 auf. Der Rotor 52 kann sich radial innerhalb des Stators 53 wiederum drehen, wobei sich der Statorkörper 58 ringförmig um den Rotor 52 erstreckt und zwischen Rotor 52 und Stator 53 ein Spalt 57 vorgesehen ist.
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Der Statorkörper 58 weist Aufnahmen 59 auf, zur Aufnahme von Wicklungen 60 des Stators, wobei die Aufnahmen 59 am radial inneren Randbereich des Statorkörpers 58 offen angeordnet sind. Am radial äußeren Randbereich des Statorkörpers 58 sind Rippen 61 vorgesehen, welche sich in Umfangsrichtung erstrecken, wobei einzelne Rippen 61 voneinander beabstandet angeordnet sind. In den Wicklungen 60 und in den Rippen 61 sind Heatpipes 62 angeordnet, welche über einen Teil ihrer Erstreckung 63 innerhalb der Wicklungen 60 und über einen weiteren Teil ihrer Erstreckung 64 innerhalb der Rippen 61 angeordnet sind. Die Heatpipes 62 sind dabei an ihrem radial inneren Randbereich bevorzugt in einem Verbindungselement 66 eingebettet.
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Die 6 bis 8 zeigen Scheiben 70 bis 72, welche zur Bildung des Statorkörpers 58 verwendet werden.
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Die Scheibe 70 dient der Aufnahme der Wicklungen 60 und der Heatpipes 62, wobei die Scheibe 70 an ihrem radial inneren Umfang Ausnehmungen 73 aufweist zur Aufnahme der Wicklungen 60 und radial außerhalb der Ausnehmungen 73 sich daran anschließende Ausnehmungen 74 vorgesehen sind, zur Aufnahme der Heatpipes 62. Zur Verbindung der Scheiben 70 sind Bohrungen 75 vorgesehen.
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Die Scheibe 71 weist lediglich die Ausnehmungen 73 auf, zur Aufnahme der Wicklungen 60, wobei die Ausnehmung 73 sich vom radial inneren Randbereich nach radial außen erstreckt. Ebenso sind Bohrungen 75 zur Befestigung vorgesehen.
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Die radiale Höhe bzw. Ausdehnung der Scheibe 71 entspricht der radialen Höhe der Scheibe 70, so dass durch die Scheiben 70 und 71 die Rippen 61 gebildet werden, wobei die Scheibe 70 die Scheibe ist, welche ein Heatpipe Element aufnimmt und die Scheibe 71 ein benachbartes Element ist, um die Heatpipe Elemente 72 seitlich abzudecken.
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Die Scheibe 72 ist ähnlich der Scheibe 71 ausgebildet, mit radial innen angeordneten Ausnehmungen 73, wobei die Scheibe 72 eine geringere radiale Ausdehnung aufweist als die Scheiben 70 und 71, so dass die Scheibe 72 in dem Ausführungsbeispiel der 5 verwendet wird, um die Rippen 61 voneinander zu beabstanden. Sie bilden den Statorkörper 58 im Bereich zwischen den Rippen 61
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Rotorkörper
- 5
- Umfang
- 6
- Magnet
- 7
- Spalt
- 8
- Statorkörper
- 9
- Aufnahme
- 10
- Wicklungen
- 11
- Rippen
- 12
- Heatpipes
- 13
- Teil der Erstreckung
- 14
- Teil der Erstreckung
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Verbindungselement
- 20
- Scheibe
- 21
- Scheibe
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Vorsprung
- 24
- Befestigungsauge
- 25
- Ausnehmung
- 26
- Ausnehmung
- 27
- Vorsprünge
- 51
- elektrische Maschine
- 52
- Rotor
- 53
- Stator
- 54
- Rotorkörper
- 55
- Umfang
- 56
- Magnet
- 57
- Spalt
- 58
- Statorkörper
- 59
- Aufnahme
- 60
- Wicklungen
- 61
- Rippen
- 62
- Heatpipes
- 63
- Teil der Erstreckung
- 64
- Teil der Erstreckung
- 66
- Verbindungselement
- 70
- Scheibe
- 71
- Scheibe
- 72
- Scheibe
- 73
- Ausnehmung
- 74
- Ausnehmung
- 75
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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