DE102014215148A1

DE102014215148A1 - Wärmetransfereinrichtung, sowie unter Einschluss derselben gebildetes Wicklungsmodul

Info

Publication number: DE102014215148A1
Application number: DE102014215148.1A
Authority: DE
Inventors: Pierre-Yves Berthelemy; Dominik Ströhle; Dominik Hans
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2014-08-01
Publication date: 2015-02-19
Also published as: WO2015021977A2; DE112014003748A5; WO2015021977A3

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Wärmetransfereinrichtung zur Bewerkstelligung eines Wärmeabgriffs aus einem durch eine elektrische Wicklung gebildeten Wicklungsbereich, mit einem Kühlkörper der sich in verbautem Zustand entlang des Wicklungsbereiches erstreckt und der eine, einen Rohrquerschnitt definierende Rohrwandung aufweist, wobei der Kühlkörper zudem wenigstens eine Stegwandung umfasst, die an die Rohrwandung des Kühlkörpers angebunden ist und von der Rohrwandung nach außen derart abragt, dass die Stegwandung in verbautem Zustand in den von der Wicklung eingenommenen Raumbereich hinein eintaucht, oder sich entlang des Wicklungsbereiches erstreckt, zur Aufnahme eines Wärmestromes aus dem Wicklungsbereich und zur Leitung des Wärmestromes zu der Rohrwandung.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Wärmetransfereinrichtung zur Bewerkstelligung des Abgriffs von Abwärme aus dem Bereich einer Wicklung, insbesondere einer Rotor- oder Statorwicklung eines Elektromotors oder Generators. Weiterhin richtet sich die Erfindung auch auf ein unter Einschluss jener Wärmetransfereinrichtung gebildetes Wicklungsmodul, das als solches bei der Fertigung eines Elektromotors/Generators als vorgefertigte Baugruppe in den Rotor oder den Stator eingebunden werden kann.
Wie allgemein bekannt wird im Bereich einer zur Generierung eines Magnetfeldes vorgesehenen Wicklung infolge des elektrischen Widerstands des Wicklungsdrahtes, sowie aufgrund von Wirbelstrominduktionen in einen die Wicklung tragenden Anker, Abwärme freigesetzt. Diese Abwärme wird insbesondere bei Elektromotoren überwiegend durch einen Luftstrom abgeführt der als solcher möglichst nahe an der Wicklung oder zumindest an dem die Wicklung tragenden Anker vorbeigeführt wird. Neben diesem Ansatz ist es auch bekannt, in die Wicklung eine Kühlleitung einzubinden die von einem Kühlmedium durchströmt wird und hierbei Wärme aus dem Bereich der Wicklung ableiten kann. Weiterhin ist es bekannt, die Wicklung selbst durch ein Rohrmaterial zu bilden das dann von einem Kühlmedium durchströmt werden kann.
Aus EP 2 182 570 A1 ist eine Wärmetransfereinrichtung für eine Wicklung bekannt, die eine Rohrschleife umfasst, die sich in einem Zwischenraum zwischen einem Wicklungsnutboden eines Ankers und einer in der Wicklungsnut sitzenden Wicklung erstreckt. Durch diese Rohrschleife wird ein Kühlmedium geführt.
Aus US 7,514,826 B2 ist ebenfalls eine Wärmetransfereinrichtung zur Ableitung der im Bereich einer Wicklung anfallenden Abwärme bekannt. Die Wärmetransfereinrichtung umfasst eine Rohrschleife die gemeinsam mit der zu kühlenden Wicklung in einen Harzkörper eingegossen ist. Der Harzkörper, sowie die darin aufgenommene Wicklung und die Rohrschleife bilden ein innen gekühltes Wicklungsmodul.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmetransfereinrichtung für eine Wicklungsanordnung zu schaffen, die unter fertigungstechnischen und montagetechnischen Gesichtspunkten Vorteile bietet und sich durch ein hohes und hinsichtlich der Temperaturverteilung innerhalb der Wicklung vorteilhaftes Wärmetransfervermögen auszeichnet.
Die vorangehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wärmetransfereinrichtung zur Bewerkstelligung eines Wärmeabgriffs aus einem durch eine elektrische Wicklung gebildeten Wicklungsbereich, mit:

– einem Kühlkörper der sich in verbautem Zustand entlang des Wicklungsbereiches erstreckt und eine Rohrwandung aufweist die einen zum Durchtritt eines Kühlmediums vorgesehenen Rohrquerschnitt definiert, wobei der Kühlkörper zudem eine Stegwandung umfasst, die an die Rohrwandung des Kühlkörpers angebunden ist und von der Rohrwandung nach außen derart abragt, dass die Stegwandung in verbautem Zustand in den von der Wicklung eingenommenen Raumbereich hinein eintaucht, oder sich entlang des Wicklungsbereiches erstreckt, zur Aufnahme eines Wärmestromes aus dem Wicklungsbereich und zur Leitung des Wärmestromes zu der Rohrwandung.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, eine hocheffiziente Kühlung der Wicklung innerhalb einer Ankernut und insbesondere innerhalb des hier typischerweise vorgesehenen Isolierpapiers vorzunehmen, so dass der Abgriff des Wärmestroms aus der Wicklung unter einem gegenüber bisherigen Konzepten deutlich reduzierten thermischen Widerstand erfolgt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmetransfereinrichtung derart ausgebildet, dass die Stegwandung stromtragend ist. Bei dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise der Kühlkörper in seinem Innenbereich mit einer elektrisch isolierenden Lage ausgestattet, die als solche den Kühlkörper gegenüber dem durch dessen Innenquerschnitt strömenden Kühlmedium elektrisch isoliert.
Weiterhin ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Kühlkörper in seinem Außenbereich mit einer elektrisch isolierenden Lage zu versehen. Diese isolierende Lager kann als Eloxal- oder anderweitige durch chemische Behandlung des Rohrmaterial gebildete Schicht insbesondere AL2O3-Schicht gefertigt werden. Diese chemisch gebildete Schicht kann dann zusätzlich noch mit einer anderweitigen isolierenden Beschichtung, insbesondere einem isolierenden duroplastischen Lack überzogen werden. Die isolierende Schicht kann auf jene
Wandungsabschnitte beschränkt werden, welche sich in enger Nachbarschaft zu der zu kühlenden Wicklung oder der Nutwandung des Ankers erstrecken.
Insgesamt wird die erfindungsgemäße Wärmetransfereinrichtung vorzugsweise so gestaltet, dass die Stegwandung derart ausgerichtet ist, dass diese im wesentlichen parallel zur N/S-Achse des Wicklungsbereiches verläuft. Hierdurch wird erreicht, dass die Feldlinien des durch die Wicklung generierten Feldes im wesentlichen parallel zur Stegwandung verlaufen und in diese Stegwandung damit allenfalls geringe Wirbelströme induziert werden.
Das Kühlelement ist vorzugsweise so dimensioniert, dass die in Richtung der N/S-Achse gemessene Höhe der Stegwandung gleich oder größer ist, als die quer zur N/S-Achse gemessene Breite der Wicklung. Hierdurch wird es möglich, den Flächenanteil der Rohrwandung welche z. T. senkrecht von den Feldlinien der Wicklung durchquert wird zu reduzieren. Die quer zur N/S-Achse gemessene Breite des Rohrquerschnitts ist dabei vorzugsweise so abgestimmt, dass diese in etwa der ebenfalls quer zur N/S-Achse gemessenen Breite (b) der Wicklung entspricht.
Der Kühlkörper ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so gestaltet, dass dieser in der Draufsicht, also aus Richtung der Wicklungsachse eine U-förmige Struktur bildet die einen ersten Kühlschenkel, einen Umlenkabschnitt und einen zweiten Kühlschenkel aufweist. Die beiden Kühlschenkel sind vorzugsweise in ihrem dem Umlenkabschnitt abgewandten Endbereich jeweils mit einem Anschlussabschnitt ausgestattet, zur Anbindung des Rohrinnenraumes an ein Fluidführungsorgan.
Weiterhin ist der Kühlkörper vorzugsweise so gestaltet, dass die Rohrseele einen unrunden Querschnitt aufweist. Der Kühlkörper ist vorzugsweise aus einem duktilen Werkstoff mit hohem Wärmeleitvermögen und geringer Permeabilität gefertigt. Insbesondere ist der Kühlkörper aus einem Kupfer-, Messing-, oder Aluminiummaterial gefertigt. Der Kühlkörper ist gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als Strangpressprofil gefertigt ist. Dieses Strangpressprofil wird in vorteilhafter Weise presstechnisch, schneidtechnisch und/oder spanabhebend überarbeitet und einer Biegeumformung unterzogen. Im Rahmen der Biegeumformung kann der Innenraum mit einem Druckmedium beaufschlagt werden, so dass sich im Rahmen der Biegumformung, insbesondere im Rahmen der Herbeiführung der U-förmigen Gestalt keine ungünstigen Querschnittsverengungen in der Biegezone ergeben.
Insbesondere an der Stegwandung können Ausklinkungen, Ausschnitte, oder Aussparungen ausgebildet werden, so dass beispielsweise im Bereich der Biegezone oder der Anschlussendabschnitte der Schenkel die Rohrwandung von der Stegwandung befreit ist.
An der erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung können auf umformtechnischem Wege, insbesondere unter Rückgriffnahme auf Zonen der Stegwandung Fixiermittel ausgebildet werden, die als solche eine Fixierung des Kühlelements in einem Anker ermöglichen. Über entsprechende Abschnitte der Stegwandung können auch Anschlusszungen realisiert werden, die eine elektrische Kontaktierung der Wärmetransfereinrichtung und eine Einbindung in einen Stromkreis ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Wärmetransfereinrichtung bildet eine von einem Kühlmedium, z.B. Wasser, Glykol, oder Gas durchströmte "Lanze" oder "U-Rohr" das sowohl der Kühlung, dem el. Stromfluss, ggf. der Wicklungsverschaltung, und ggf. als Unterbaugruppenträger dient, und sich direkt in der Nut eines Ankers, Rotors oder Stators befindet oder in diese einsetzen lässt.
Das erfindungsgemäße Kühlelement besitzt einen Strömungsraum, durch den Kühlmedium gefördert wird, und einen Wandanteil der stromtragend ist, und besonders vorteilhaft einen Kragen, der wärmestromtragend ist. Die Höhe des Kragens ist besonders vorteilhaft etwa gleich oder größer als die Breite des Kühlelements. Das Kühlelement ist innen und/oder außen elektrisch isoliert (z.B. mit 0.03–0.3mm dick, durch Tauchen in Lack, ggf. als Mehrschichtsystem mit Haftvermittlern, Diffusionsbarrieren, und/oder Oxid/Passivierschicht. Das Kühlelement besitzt bevorzugt an den Enden ein Kontaktiermittel, z.B. einen Schlitz in den eine Wicklungslitze eingelegt und kontaktiert wird, oder ein Fähnchen, auf/um das herum elektrisch kontaktiert werden kann (z.B. durch Krimpen, Reibschweißen, Löten etc.). Das Kühlelement weist vorzugsweise Knicke oder Formmerkmale (z.B. U-Form, Profil mit Schnappnasen) auf, durch die eine Positionierung beim Montieren im Elektromotor bewirkt wird. Das Kühlelement weist Öffnungen zum Zu- und Abfluss von Kühlmedium auf, so dass mehrere Kühlelemente hydrodynamisch mit einem Verteiler und Sammler (seriell oder parallel) verbunden werden können.
Das Kühlelement und die Zahnform des Blechpaketes sind weiterhin vorzugsweise durch Verrundungen und/oder Freischnitte so angepasst, dass wenige magnetische Feldlinien das Kühlelement kreuzen. D.h. die Randflächen des Kühlelements werden den Feldlinien zumindest örtlich in der Form tangential angeglichen. Dadurch entstehen weniger Wirbelstromverluste bei Hochfrequenzbetrieb (d.h. hohen Drehzahlen). Die Konstruktion erlaubt eine optimierte Herstellung, indem das Kühlelement zunächst zusammen mit der Wicklung (und ggf. Papier- oder Lackisolation) eine Unterbaugruppe bildet. Bezogen auf den Gesamtmotor kann der Kühlmantel entfallen, was eine Ersparnis an Bauraum, Gewicht, Kosten und Anforderungen bewirkt (z.B. kann eine kostenintensive, momententragende Passung am Kühlmantel entfallen).
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Es zeigen:
1 eine vereinfachte Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus einer in einen Stator eingebundenen erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung zur Kühlung einer aus Litzengängen gefertigten Wicklung;
2 eine weitere Querschnittsdarstellung wiederum zur Veranschaulichung des Aufbaus einer in einen Stator eingebundenen erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung zur Kühlung einer aus isolierten Flachleitern gefertigten Wicklung;
3 eine dritte Querschnittsdarstellung wiederum zur Veranschaulichung einer in einen Stator eingebundenen erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung zur Kühlung einer aus isolierten Flachleitern gefertigten Wicklung, wobei die Flachquerschnitte so ausgerichtet sind, das sich die längeren Seiten in N/S-Richtung erstrecken;
4 eine vierte Querschnittsdarstellung wiederum zur Veranschaulichung einer in einen Stator eingebundenen erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung zur Kühlung einer aus isolierten Flachleitern gefertigten Wicklung, wobei die Flachquerschnitte so ausgerichtet sind, das sich die Flachseiten im wesentlichen quer zur N/S-Richtung und dabei zu dieser um etwa 10° bis 30° geneigt erstrecken;
5 eine fünfte Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung des Wärmestroms bei einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung zur Kühlung einer in einem Stator sitzenden Wicklung;
6a bis 6f eine Serie unterschiedlicher Varianten des Kühlkörpers einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung;
7 eine perspektivische Darstellung des zu einer U-förmigen Schleife gebogenen Kühlkörpers einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung;
8 eine perspektivische Darstellung einer unter Einschluss des Kühlkörpers nach 7 gefertigten Wicklungsmoduls mit integriertem Kühlkanal;
9 eine Querschnittsdarstellung zur Erläuterung bevorzugter Dimensionierungsverhältnisse;
10 eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung des Feldlinienverlaufes bei einer durch eine erfindungsgemäße Wärmetransfereinrichtung gekühlten, in einem Stator sitzenden Wicklung;
11a eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Einbauzustandes einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung in einem Stator;
11b eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Anschlusses einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung an einen Anschlussring mit zwei separaten Kühlkanälen;
12 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung, nunmehr mit einem von schmalen Schlitzen durchsetzten Kühlkragen zur Reduktion von Wirbelstromverlusten.
Die Darstellung nach 1 veranschaulicht in Form einer Querschnittsdarstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung 1. Diese Wärmetransfereinrichtung 1 dient der Bewerkstelligung eines Wärmeabgriffs aus einem durch eine elektrische Wicklung 2 gebildeten Wicklungsbereich 4. Die Wicklung 2 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus mehreren Wicklungen eines Wicklungsdrahtes 2a und sitzt in einer Wicklungsnut 3a in einem Stator 3.
Die Wärmetransfereinrichtung 1 besteht aus einem Kühlkörper 5 der sich in verbautem Zustand entlang des Wicklungsbereiches 4 erstreckt und der eine Rohrseele 6 und eine diese umgreifende Rohrwandung 7 aufweist. Erfindungsgemäß umfasst der Kühlkörper 5 eine Stegwandung 8, die einstückig mit der die Rohrseele 6 umgreifenden Rohrwandung 7 des Kühlkörpers 5 ausgebildet ist und von der Rohrwandung 7 nach außen derart abragt, dass die Stegwandung 8 in verbautem Zustand in den von der Wicklung 2 eingenommenen Raumbereich hinein eintaucht, – oder wie hier gezeigt – sich entlang des Wicklungsbereiches 4 erstreckt, zur Aufnahme eines Wärmestromes aus dem Wicklungsbereich 4 und zur Leitung des Wärmestromes zu der Rohrwandung 7.
Die Stegwandung 8 ist stromtragend und zudem derart ausgerichtet, dass diese im wesentlichen parallel zur N/S-Achse des bei Spannungsbeaufschlagung des Wicklungsdrahtes 2a durch den Wicklungsbereich 4 generierten magnetischen Feldes verläuft. Die in Richtung der N/S-Achse gemessene Höhe der Stegwandung ist bei diesem Ausführungsbeispiel größer als die quer zur N/S-Achse gemessene Breite der Wicklung. Die quer zur N/S-Achse gemessene Breite des Rohrinnenquerschnitts entspricht in etwa der ebenfalls quer zur N/S-Achse gemessenen Breite der Wicklung abzüglich der Wanddicke der Stegwandung 8.
Obgleich in dieser Darstellung nicht näher erkennbar, ist der Kühlkörper 5 in seinem Außenbereich mit einer elektrisch isolierenden Lage versehen, die als solche die zu kühlende Wicklung 2 gegenüber dem Kühlkörper 5 elektrisch isoliert. Die Rohrseele 6 hat einen unrunden Querschnitt und ist dabei quer zur N/S-Achse gemessen etwas breiter als in Richtung der N/S-Achse. Konkret ist die Breite der Rohrseele quer zur N/S-Achse hier etwa doppelt so groß wie die in Richtung der N/S-Achse gemessene Tiefe der Rohrseele 6. Der Kühlkörper 5 ist als Strangpressprofil gefertigt.
Die Wicklung 2 sitzt in einer in dem Stator 3 gebildeten Nut 3a. Zwischen der Nutwandung und der Wicklung 2, sowie zwischen der Nutwandung und dem Kühlkörper 5 ist eine Isolierpapierlage 9 eingefügt. Der Wärmeabgriff durch die erfindungsgemäße Wärmetransfereinrichtung 1 erfolgt damit innerhalb der Isolierpapierlage 9.
Für das Ausführungsbeispiel nach 2 gelten die vorangegangenen Ausführungen sinngemäß. Der Hauptunterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 besteht in der Gestaltung der Wicklung 2, die hier aus einem zu einer Wicklung gewundenen isolierten Flachleiter 2b gefertigt ist. Der Flachleiter 2b ist hier derart ausgerichtet gewickelt, dass die Flachseiten 2c des Flachleiters 2b im wesentlichen parallel zu einer zur N/S-Achse radialen Ebene E1 bzw. im wesentlichen parallel zum Nutboden 3b der Nut 3a ausgerichtet sind. Diese Anordnung ergibt eine mechanisch hochfeste Wicklung 2 mit einem hohen Wicklungsfüllungsgrad, sowie eine gute thermische Koppelung der Wicklung 2 mit der Wärmetransfereinrichtung 1 und zwar sowohl im Auflagebereich der Wicklung 2 auf der Rohrwandung 5, als auch im Anlagebereich der Wicklung 2 an der Stegwandung 8. Die Flachleiter 2b sind auch hier als außenseitig isolierte Leiter ausgebildet und gegenüber der Rohrwandung 5 und der Stegwandung 8 elektrisch isoliert. Die aus der Wärmetransfereinrichtung 1 und der Wicklung 2 gebildete Einheit ist unter Zwischenlage von Isolierpapier 9 in die Nut 3a des Stators 3 eingesetzt.
In 3 ist eine weitere Variante einer unter Einschluss einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung 1 gebildeten Statorwicklung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wicklung 2 aus Flachleitern 2b gebildet die so ausgerichtet angeordnet sind, dass deren Flachseiten 2c (d.h. die Seiten mit der quer zur Leitererstreckung größeren Breite) im wesentlichen parallel zur N/S-Achse, bzw. parallel zur Stegwandung 8 ausgerichtet sind. Diese Anordnung ergibt einen hohen Füllgrad, eine hochsteife Wicklung 2, sowie einen geringen elektrischen Widerstand der Wicklung 2. Für die Querschnittsgestaltung der Wärmetransfereinrichtung 1 gelten die Ausführungen zu 1 sinngemäß.
In 4 ist eine vierte Variante einer unter Einschluss einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung 1 gebildeten Statorwicklung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wicklung 2 aus Flachleitern 2b gebildet die so ausgerichtet angeordnet sind, dass deren Flachseiten 2c (d.h. die Seiten mit der quer zur Leitererstreckung größeren Breite) zu einer zur N/S-Achse radial ausgerichteten Ebene E1 „schräg angestellt“ sind. Die Flachseiten 2c sind dabei so ausgerichtet, dass diese auch zur seitlichen Wandung 3c der Nut 3a geneigt verlaufen, wobei der Neigungswinkel gegenüber der Wandung 3c hier etwa 30° beträgt. Die Flachleiter 2b haben einen Parallelogrammquerschnitt der derart abgestimmt ist, dass die Schmalseiten 2d, 2e der Flachleiter 2b im wesentlichen parallel zu der Nutwandung 3c bzw. der der Innenfläche zugewandten Wärmeaufnahmefläche 8a der Stegwandung 8 ausgerichtet sind. Die Rohrwandung 5 ist so gestaltet, dass diese in ihrem der Wicklung 2 benachbarten Bereich parallel zu den geneigt ausgerichteten Flachseiten 2c der Flachleiter 2b verläuft und damit die erste Lage flächig (elektrisch isoliert) thermisch kontaktiert. Bei der Herstellung der hier gezeigten Wicklung kann diese zunächst an einem Formkern gewickelt und zur Herbeiführung der Schräglagen der Flachleiterquerschnitte gepresst werden. Die so gebildete Wicklung kann dann dem Formwerkzeug entnommen und leicht elastisch axial aufgezogen werden. In diesem Zustand kann dann die Wicklung ggf. nochmals einer Eloxalbehandlung zur Ausbildung einer isolierenden Oxydschicht unterzogen und zudem mit einer Lackschicht beschichtet werden. Die so zuverlässig isolierten Wicklungslagen können dann wieder leicht gestaucht werden, wobei bei dieser Stauchung keine für die Qualität der Isolierung kritischen Umformgrade erreicht werden. Die so gebildete Wicklung kann mit der erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung 1 zu einer Baugruppe vereinigt, insbesondere verklebt werden und dann unter Einlage von Isolierpapier 9 in die Nut 3a des Stators 3 eingesetzt werden.
In 5 ist in Form einer Querschnittsskizze der Abgriff der Abwärme aus der Wicklung 2 durch die erfindungsgemäße Wärmetransfereinrichtung 1 veranschaulicht. Ein Teil der in der Wicklung 2 anfallenden Wärme wird direkt von der Rohrwandung 5 abgegriffen. Ein weiterer Teil der Abwärme wird durch die Stegwandung 8 aus dem Seitenbereich der Wicklung 2 abgegriffen und der Rohrwandung 5 zugeführt. Die Rohrwandung 5 wird innenseitig durch das durch die Rohrseele bzw. den Rohrinnenquerschnitt 6 geführte Kühlmedium gekühlt. Über die Rohrwandung 5 wird weiterhin auch der Stator 3 selbst gekühlt. Dieser gekühlte Stator 3 kann dabei selbst auf der der Stegwandung 8 abgewandten Seite einen Wärmstrom aus der Wicklung 2 abgreifen.
In den 6a bis 6f sind vorteilhafte Querschnittsvarianten der erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung dargestellt.
Bei der Variante nach 6a ist die Stegwandung 8 derart an die Rohrwandung 5 angebunden, dass die Stegwandung 8 in den Mittenbereich einer zugeordneten Wicklung eintaucht. Die Rohrwandung 5 bildet einen Flachabschnitt 5a der ebenfalls dem Abgriff von Wärme aus der Wicklung dient. Der Querschnitt der Rohrwandung 5 ist so gestaltet, dass dessen quer zur Stegwandung 8 gemessene Breite größer ist als dessen in der Stegwandungsebene gemessene Höhe h. Die Rohrwandung 5 bildet einen Radiusabschnitt 5b der als solcher eine Verrundung der Innenkante einer Statornut ermöglicht und damit zu einer besseren Feldlinienführung führt. Im Innenbereich der Rohrwandung 5 ist im Bereich der Anbindungszone der Stegwandung 8 eine Innenrippe 5d ausgebildet, die den Wärmeübergang von der Stegwandung 8 auf das Kühlmedium noch weiter verbessert.
In 6b ist der Querschnitt der bereits in Verbindung mit 4 beschriebenen Wärmetransfereinrichtung dargestellt. Die Rohrwandung 5 bildet eine zur flachen Anlage an der Wicklung vorgesehene Flachseite 5a sowie einen zur Optimierung der Feldlinienführung im Anker gerundet ausgeführten Wandungsabschnitt 5b. Insgesamt ist der Querschnitt der Rohrwandung 5 so gestaltet, dass dessen quer zur Stegwandung 8 gemessene Breite b größer ist als dessen in Stegrichtung gemessene Höhe h.
In 6c ist eine Querschnittsgestaltung veranschaulicht bei welcher die Rohrwandung 5 einen Bauchabschnitt 5e aufweist der als solcher ein elastisches Einschnappen der Wärmetransfereinrichtung in eine entsprechende Komplementärgeometrie des Ankers/Stators ermöglicht. Die Stegwandung 8 dient hier dem seitlichen Wärmeabgriff aus einem Wicklungsbereich und bildet zudem eine Schutzwandung für den durch diese Stegwandung 8 abgedeckten Wicklungsbereich. Hinsichtlich der Verhältnisse der Höhe h und der Breite B des Rohrquerschnitts gelten die Ausführungen zu den 6a und 6b wiederum sinngemäß.
In 6d ist eine Doppelkühlschenkel-Variante einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind an die Rohrwandung 5 insgesamt zwei als Kühlschenkel fungierende Stegwandungen 81, 82 integral angebunden. Diese beiden Stegwandungen 81, 82 dienen dem Wärmeabgriff aus dem Seitenbereich eines in einem zwischen den Stegwandungen 81, 82 liegenden Wicklungsbereiches. Die Wicklung kann als Flachleiter, als Draht, oder als Litzenwicklung ausgeführt und in den zwischen den Stegwandungen 81, 82 liegenden Bereich eingesetzt und dann gemeinsam mit der Wärmetransfereinrichtung 1 montiert werden. Die Rohrwandung 5 ist hinsichtlich ihres Querschnitts so gestaltet, dass sich wiederum eine größere Breite als Höhe ergibt.
In 6e ist eine Querschnittsgestaltung der Wärmetransfereinrichtung veranschaulicht, bei welcher die Rohrwandung 5 seitlich in den Wicklungsbereich eintaucht. Die beiden an die Rohrwandung 5 angebundenen Stegwandungen 81, 82 greifen die im Wicklungsbereich anfallende Abwärme aus dem verbleibenden Seitenbereich der Wicklung ab. Die Stegwandung 81 weist einen Bodenabschnitt auf der als solcher die an der Wärmetransfereinrichtung 1 anliegende (hier nicht näher dargestellte Wicklung) im Bereich des Nutbodens einer Ankernut zumindest teilweise untergreift.
In 6f ist eine Variante dargestellt, bei welcher die Rohrwandung 5 einen Eckkanal bildet der einen Wärmeabgriff aus dem, dem Nutboden benachbarten Eckbereich einer Wicklung ermöglicht. An diese Rohrwandung schließen sich die Kühlschenkel 81, 82 unter Bildung eines Eckprofils an. Der Kühlschenkel 82 ist hinsichtlich seiner Wanddicke gestuft ausgebildet, so dass in der Nähe der Rohrwandung 5 eine etwas größere Wanddicke und damit mehr Material zur Bewerkstelligung des Wärmetransfers zur Verfügung steht.
In 7 ist in Form einer perspektivischen Darstellung 5 die Gesamtgeometrie einer erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung zur Ableitung von Abwärme aus einer Wicklung dargestellt. Der Kühlkörper 5 bildet eine U-förmige Struktur und weist einen ersten Kühlschenkel 51, einen Umlenkabschnitt 53 und einen zweiten Kühlschenkel 52 auf. Die beiden Kühlschenkel 51, 52 sind in ihrem dem Umlenkabschnitt 53 abgewandten Endbereich jeweils mit einem Anschlussabschnitt 54, 55 ausgestattet zur Anbindung des Rohrinnenraumes an ein Fluidführungsorgan (vgl. 11b). Die Anschlussabschnitte 54, 55 sind umformtechnisch durch plastische Umformung des ursprünglich als Strangpressstruktur gefertigten Ausgangsprofils gefertigt. Dieses Ausgangsprofil entspricht hinsichtlich seines Querschnitts im wesentlichen dem Profil nach 6d.
Von dem Ausgangsprofil werden bestimmte Bereiche der zunächst mit dem Ausgangsprofil integralen Stegwandungen entfernt, so dass nur die hier erkennbaren Abschnitte der Stegwandungen 81, 82 verbleiben. Diese können dann weiter ausgespart und umgeformt werden. Die bei dieser U-förmigen Gestaltung innere Stegwandung 82 bildet eine nahezu geschlossene Spulenstützwand und erstreckt sich durchgängig entlang des Umlenkabschnitts 53. Die Stegwandung 81 ist in diesem Bereich ausgespart. Diese Aussparung erleichtert die Umformung des Ausgangsprofils und erleichtert zudem auch die Einbringung der Wicklung.
An der Wärmetransfereinrichtung 1 sind wie dargestellt weiterhin Kontaktflügel 56, 57 ausgebildet die als solche die elektrische Einbindung der Wärmetransfereinrichtung und Nutzung derselben als elektrischen Leiterabschnitt ermöglichen. Die den Anschlussabschnitten 54, 55 benachbarten, von der Rohrwandung 5 aufeinander zu kreisbogenartig abgebogenen Flanken 58, 59 sind so gestaltet, dass sich diese nicht elektrisch kontaktieren, d.h. sich nicht kurzschließen.
In 8 ist eine unter Einschluss der Wärmetransfereinrichtung nach 7 gebildete Spulenanordnung dargestellt. In die Wärmetransfereinrichtung 1 ist hierbei eine aus Flachleitern 2b gebildete Wicklung 2 eingesetzt. Die als Kühlelement fungierende Wärmetransfereinrichtung 1, die darin sitzende Wicklung 2 und auch das Isolationspapier werden als Modul oder Baugruppe vormontiert und ggf. sogar vorher noch als Baugruppe auf Dichtigkeit, Widerstand und Isolation getestet.
In 9 ist nochmals der Querschnitt des Wicklungsmoduls nach 1 veranschaulicht. Die Wicklung ist in Richtung der Feldachse gestreckt und der durch die Stegwandung 8 definierte Kragen hat eine Höhe h die größer ist als die Breite b der Wicklung 2. Die Isolation I1, I2 (I1 gegenüber der Wicklung, I2 gegenüber dem Kühlmedium) kann aus Lack oder Passivierung (z.B. Al2O3) bestehen und ggf. durch weitere Funktionen oder Funktionsschichten ergänzt werden (z.B. Haftvermittler, Diffusionsbarrieren, Klebeschichten) Als mechanisch robuste Schicht nach Außen kann Isolierpapier 9 oder Kunststoff dienen und vorteilhaft aufgebracht werden.
In 10 ist beispielhaft der Verlauf der Feldlinien bei einem unter Einsatz der Erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung innen gekühlten Stator 3 veranschaulicht. Wie in der Darstellung angegeben, kann der Verlauf der Feldlinien durch Verrundung des Übergangsbereichs zwischen der Nutwand 3a und dem Nutboden 3b optimiert werden. Der Querschnitt der Rohrwandung 5 der Wärmetransfereinrichtung 1 ist an diese optimierte Nutgeometrie angepasst.
In den 11a und 11b ist dargestellt, wie die erfindungsgemäße Wärmetransfereinrichtung 1 an ein Fluidführungssystem angebunden werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Anschlussabschnitte 54, 55 als Hohlzylinderzapfen ausgebildet die in abdichtender Weise in ein Ringelement 60 mit innen liegenden Kühlkanälen 61, 62 eingesetzt sind. Über den Kühlkanal 61 wird Kühlmedium in den Anschlussabschnitt 54 eingespeist, über den Kühlkanal 62 wird das Kühlmedium aus dem Anschlussabschnitt 55 abgeleitet. Die hier erkennbaren Kühlkanäle 61, 62 werden bei funktionsfertigem Zusammenbau des Ringelementes 60 durch einen Ringdeckel abgedeckt. Das Ringelement 60 und der dieses bedeckende, hier nicht weiter gezeigte Ringdeckel können so ausgestaltet sein, dass diese bereits eine signifikante Abgabe der Wärme des in diesen Bauteilen geführten Mediums an die Umgebung ermöglichen, insbesondere in dem diese Bauteil durch einen erzwungenen Luftstrom überströmt werden.
Die vorliegende Erfindung kann wie ausgeführt in besonders vorteilhafter Weise zur Kühlung der Wicklungen bei einem Stator eines Elektromotors oder Generators, insbesondere bei einem Elektromotor für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz in einem Stator beschränkt, die erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann insbesondere auch in einen Rotor eingebunden werden und dabei die im Rotor sitzenden Wicklungen, oder ggf. auch etwaige dort sitzende Permanentmagnete kühlen.
Anstelle der Ausbildung des erfindungsgemäßen Wärmetransferelementes aus einem Strangpressprofil ist es auch möglich, dieses beispielsweise aus mehreren Blechbauteilen zusammenzusetzen und diese Bauteile zu verlöten, zu verkleben, oder zu verschweißen. Es ist auch möglich das Wärmetransferelement auf elektrochemischem Wege, insbesondere als galvanoplastische Struktur zu fertigen, indem beispielsweise auf einem entsprechend geformten ggf. später durch Ausschmelzen oder Auflösen entfernten „verlorenen Kern“ elektrochemisch eine mechanisch hinreichend tragfähige metallische Schicht abgeschieden wird.
In 12 ist in Form einer weiteren perspektivischen Darstellung eine Variante der erfindungsgemäßen Wärmetransfereinrichtung dargestellt. Diese Wärmetransfereinrichtung 1 besteht wiederum aus einem U-förmig ausgebildeten Kühlkörper 5 der sich in verbautem Zustand entlang eines Wicklungsbereiches 4 eines Rotors oder Stators oder anderweitigen Wicklungsträgers erstreckt und der einen von einer Rohrwandung 7 definierten Rohrquerschnitt aufweist. Der Kühlkörper 5 umfasst eine Stegwandung 8, die einstückig mit der Rohrwandung 7 des Kühlkörpers 5 ausgebildet ist und von der Rohrwandung 7 nach außen derart abragt, dass die Stegwandung 8 in verbautem Zustand in den von der Wicklung 2 eingenommenen Raumbereich hinein eintaucht, – oder wie hier gezeigt – sich entlang des Wicklungsbereiches erstreckt, zur Aufnahme eines Wärmestromes aus dem Wicklungsbereich und zur Leitung des Wärmestromes zu der innenseitig flüssigkeitsgekühlten Rohrwandung 7.
Die gezeigte Variante zeichnet sich dadurch aus, dass die dem Wärmeaufgriff dienende Stegwandung 8 von einer Vielzahl an kleinen Schlitzen 80 durchbrochen ist. Diese Schlitze 80 führen für den Fall, dass die Stegwandung 8 quer von magnetischen Feldlinien (mit alternierender Feldstärke) durchdrungen wird zu einer Reduktion der Wirbelstrominduktion in die Stegwandung 8. Die Schlitze 80 sind so ausgerichtet, dass sich diese im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse der Rohrwandung 8 erstrecken. Die Schlitze 80 erstrecken sich hierbei von dem der Rohrwandung 7 abgewandten Randbereich bis an die Rohrwandung 7 heran. Die Schlitze 80 können auch von der dargestellten Form abweichende Verläufe aufweisen. Bei der hier gezeigten Gestaltung wird durch die Schlitze 80 das Wärmetransfervermögen der Stegwandung 80 nur geringfügig reduziert, da die Schlitze 80 in Richtung des Wärmestromes kaum eine Querschnittsreduktion verursachen. Der Abstand zwischen zwei abfolgenden Schlitzen 80 ist kleiner als die quer zur Rohrachse gemessene Breite der Stegwandung 8. An dem Kühlkörper 5 sind ähnlich wie bezüglich 7 ausgeführt, Kontaktflügel 56, 57 ausgebildet.
Das hier gezeigte Konzept zur Reduktion der Wirbelstromverluste eignet sich insbesondere auch für Ausführungsformen mit zwei von der Rohrwandung abragenden Stegwandungen 8 wie dies auf die Variante nach 7 zutrifft. Der Abstand zwischen den Schlitzen kann über die Länge des Kühlkörpers variieren. Die Ausbildung der Schlitze 80 kann auf jene Zonen der Stegwandung 8 beschränkt sein die wicklungsbedingt stärkeren quer zur Wandung 8 gerichteten wechselnden B-Feldern ausgesetzt sind. Die Schlitze 80 können auch durch isolierende Verguss- oder Verpressmittel geschlossen oder von Isolierpapier durchwebt sein.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetransfereinrichtung
2: Wicklung
2a: Wicklungsdrahtes
2b: Flachleiter
2c: Flachseiten
3: Stator
3a: Wicklungsnut
3b: Nutboden
3c: Wandung
4: Wicklungsbereich
5: Kühlkörper
5a: Flachseite
5b: Wandungsabschnitt
6: Rohrseele / Rohrinnenquerschnitt
7: Rohrwandung
8: Stegwandung
8a: Wärmeaufnahmefläche
9: Isolierpapierlage
51: Kühlschenkel
52: Kühlschenkel
53: Umlenkabschnitt
54: Anschlussabschnitte,
55: Anschlussabschnitte
56: Kontaktflügel
57: Kontaktflügel
61: Kühlkanal
62: Kühlkanal
81: Stegwandung / Kühlschenkel
82: Stegwandung / Kühlschenkel
b: Breite
h: Höhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2182570 A1 [0003]
US 7514826 B2 [0004]

Claims

Wärmetransfereinrichtung zur Bewerkstelligung eines Wärmeabgriffs aus einem durch eine elektrische Wicklung (2) gebildeten Wicklungsbereich, mit: – einem Kühlkörper (7) der sich in verbautem Zustand entlang des Wicklungsbereiches erstreckt und der eine, einen Rohrquerschnitt (6) definierende Rohrwandung (5) aufweist, wobei der Kühlkörper (7) zudem wenigstens eine Stegwandung (8, 81, 82) umfasst, die an die Rohrwandung des Kühlkörpers angebunden ist und von der Rohrwandung (5) nach außen derart abragt, dass die Stegwandung (8, 81, 82) in verbautem Zustand in den von der Wicklung (2) eingenommenen Raumbereich hinein eintaucht, oder sich entlang des Wicklungsbereiches erstreckt, zur Aufnahme eines Wärmestromes aus dem Wicklungsbereich und zur Leitung des Wärmestromes zu der Rohrwandung (5).
Wärmetransfereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwandung (8) stromtragend ist.
Wärmetransfereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Stegwandung (8) einstückig mit der vorgenannten Rohrwandung (5) des Kühlkörpers (7) ausgebildet ist
Wärmetransfereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwandung (8) derart ausgerichtet ist, dass diese im wesentlichen parallel zur N/S-Achse des Wicklungsbereiches verläuft.
Wärmetransfereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung der N/S-Achse gemessene Höhe (h) der Stegwandung (8) gleich oder größer ist als die quer zur N/S-Achse gemessene Breite (b) der Wicklung (2).
Wärmetransfereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur N/S-Achse gemessene Breite des Rohrquerschnitts in etwa der ebenfalls quer zur N/S-Achse gemessenen Breite (b) der Wicklung entspricht.
Wärmetransfereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (7) in seinem Außenbereich mit einer elektrisch isolierenden Lage (I1) ausgestattet ist die als solche die zu kühlende Wicklung (2) gegenüber dem Kühlkörper (7) elektrisch isoliert, und/oder dass der Kühlkörper (7) in seinem Innenbereich mit einer elektrisch isolierenden Lage (I2) ausgestattet ist die als solche den Kühlkörper (7) gegenüber dem Kühlmedium elektrisch isoliert.
Wärmetransfereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (7) als U-förmige Struktur ausgebildet ist und einen ersten Kühlschenkel (51), einen Umlenkabschnitt (53) und einen zweiten Kühlschenkel (52) aufweist, wobei die beiden Kühlschenkel (51, 52) in ihrem dem Umlenkabschnitt (53) abgewandten Endbereich jeweils mit einem Anschlussabschnitt (54, 55) ausgestattet sind, zur Anbindung des Rohrinnenraumes an ein Fluidführungsorgan (60).
Wärmetransfereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrseele einen unrunden Querschnitt aufweist, und/oder dass der Kühlkörper (7) als Strangpressprofil gefertigt ist.
Wärmetransfereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransfereinrichtung (1) Fixiermittel (56, 57) aufweist, zur Fixierung des Kühlelements in einem Anker.