DE102015207769A1 - Electric machine with fluid cooling on the coil winding - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (01) umfassend einen Stator (02) mit einer Spulenwicklung (03) und ein die Spulenwicklung (03) zumindest teilweise umgebendes Fluid (05) zur Aufnahme der während des Betriebs der elektrischen Maschine (01) in der Spulenwicklung (03) entstehenden Wärme. Die elektrische Maschine zeichnet sich insbesondere durch eine Wärmeabführkomponente (08) zum Abführen der Wärme aus dem Fluid (05) aus.The present invention relates to an electric machine (01) comprising a stator (02) having a coil winding (03) and a fluid (05) at least partially surrounding the coil winding (03) for receiving during operation of the electrical machine (01) in the Coil winding (03) resulting heat. The electric machine is characterized in particular by a heat dissipation component (08) for removing the heat from the fluid (05).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der eine Spulenwicklung umfasst. Weiterhin ist ein die Spulenwicklung zumindest teilweise umgebendes Fluid vorgesehen, zur Aufnahme der während des Betriebs der elektrischen Maschine in der Spulenwicklung entstehende Wärme.The invention relates to an electrical machine with a stator comprising a coil winding. Furthermore, the coil winding at least partially surrounding fluid is provided for receiving the generated during operation of the electric machine in the coil winding heat.
Zur Wärmeabfuhr von elektrischen Maschinen ist die Verwendung von Kühlmänteln bekannt, in welchen ein Kühlmittel geführt wird. Hierbei wird durch einen Massenstrom, welcher durch vorgegebene Kanäle fließt, die Wärme abgeführt. Der flüssigkeitsführende Kühlmantel befindet sich in der Regel auf dem äußeren Umfang des Stators. Darüber hinaus sind Lösungen bekannt, bei welchen Stator bzw. Statorwicklung direkt von einem Kühlmedium, wie beispielsweise einem dielektrischen Fluid umgeben sind. For the heat dissipation of electrical machines, the use of cooling jackets is known, in which a coolant is guided. In this case, the heat is dissipated by a mass flow which flows through predetermined channels. The liquid-conducting cooling jacket is usually located on the outer circumference of the stator. In addition, solutions are known in which stator or stator winding are directly surrounded by a cooling medium, such as a dielectric fluid.
Die
In der
Die
Die
Aus der
In den Fällen, bei denen die stromführenden Leiter nicht direkt von einem Kühlmedium umgeben sind, bestehen zusätzliche thermische Widerstände. Hierdurch wird eine effiziente Wärmeübertragung gehemmt. Lösungen, welche mit sogenanntem „nassen Luftspalt“ – d.h. ein Kühlmedium befindet sich auch im Luftspalt – betrieben werden, haben den Nachteil, dass eine dauerhafte Verträglichkeit der eingesetzten Materialien vorausgesetzt werden muss. Weiterhin ist mit einer verminderten Leistung aufgrund erhöhter Reibungsverluste zu rechnen.In cases where the live conductors are not directly surrounded by a cooling medium, additional thermal resistances exist. As a result, an efficient heat transfer is inhibited. Solutions which have a so-called "wet air gap" - i. a cooling medium is also in the air gap - operated, have the disadvantage that a permanent compatibility of the materials used must be assumed. Furthermore, a reduced performance due to increased friction losses can be expected.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine mit einer effizienten Kühlung zur Verfügung zu stellen. Die Kühlung sollte wenig Bauraum erfordern und aufwandsarm in die elektrische Maschine integrierbar sein.The object of the present invention is to provide an electric machine with efficient cooling. The cooling should require little installation space and be integrated into the electrical machine with little effort.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1.To achieve the object according to the invention is an electrical machine according to claim 1.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator mit einer Spulenwicklung und ein die Spulenwicklung zumindest teilweise umgebendes Fluid. The electric machine according to the invention comprises a stator with a coil winding and a fluid surrounding the coil winding at least partially.
Das Fluid dient zur Aufnahme der während des Betriebs der elektrischen Maschine in der Spulenwicklung entstehenden Wärme. Erfindungswesentlich ist, dass die elektrische Maschine außerdem eine Wärmeabführkomponente zum Abführen der Wärme aus dem Fluid aufweist. Im einfachsten Fall kann als Wärmeabführkomponente die Oberfläche des Gehäuses der elektrischen Maschine dienen, welche hierzu vorzugsweise mit entsprechenden Strukturen, wie Rippen oder Nadeln, zur Vergrößerung der Oberfläche ausgestattet ist.The fluid serves to absorb the heat generated during operation of the electrical machine in the coil winding. It is essential to the invention that the electric machine also has a heat dissipation component for removing the heat from the fluid. In the simplest case can serve as Wärmeabführkomponente the surface of the housing of the electric machine, which is this preferably equipped with appropriate structures, such as ribs or needles, to increase the surface.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch Verwendung einer Wärmeabführkomponente die Wärme aus dem die Spulenwicklung umgebenden Fluid gezielt und mit hoher Wärmetransportleistung abgeführt werden kann. Auf diese Weise wird eine sehr effiziente Kühlung der Spulenwicklung ermöglicht, denn die Kühlung erfolgt mithilfe des Fluids einerseits direkt an den Wärmequellen (Spulenwicklung), wodurch eine bestmögliche Wärmeübertragung realisiert werden kann, und andererseits kann die vom Fluid aufgenommene Wärme durch die Wärmeabführkomponente schnell aus dem Fluid abtransportiert werden. A significant advantage of the solution according to the invention is the fact that by using a Wärmeabführkomponente the heat from the coil winding surrounding fluid can be dissipated specifically and with high heat transfer performance. In this way, a very efficient cooling of the coil winding is made possible, because the cooling takes place by means of the fluid on the one hand directly to the heat sources (coil winding), whereby the best possible heat transfer can be realized, and on the other hand, the fluid absorbed heat by the Wärmeabführkomponente be quickly removed from the fluid.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Wärmeabführkomponente von einem Kühlmedium durchströmte Kanäle. Hierdurch kann das Fluid mittels freier Konvektion seine Wärme an das in den Kanälen befindliche Kühlmedium abgeben. Die Kanäle können umlaufend derart in den Stator eingebracht werden, dass sie vom Fluid umströmt werden. Alternativ können die Kanäle auch umlaufend am Stator angeordnet werden. In diesem Fall sind die Kanäle wärmeleitend mit dem Fluid zu verbinden. Die zweite Variante hat den Vorteil, dass in den Stator keine Kanäle eingebracht werden müssen und somit keine baulichen Modifikationen am Stator erforderlich sind. According to an advantageous embodiment, the heat dissipation component comprises channels through which a cooling medium flows. As a result, the fluid can release its heat to the cooling medium in the channels by means of free convection. The channels can be circumferentially introduced into the stator in such a way that they are flowed around by the fluid. Alternatively, the channels can also be arranged circumferentially on the stator. In this case, the channels are thermally conductively connected to the fluid. The second variant has the advantage that in the stator no channels must be introduced and thus no structural modifications to the stator are required.
Als günstig hat es sich erwiesen, den Stator an seinen Stirnseiten mit jeweils einem schalenförmigen Element zur Aufnahme des Fluids zu versehen. Durch das schalenförmige Element wird ein Austritt von Fluid verhindert. Das schalenförmige Element kann gleichzeitig auch die Aufgabe der elektrischen Isolation übernehmen und somit das derzeit üblicherweise zu diesem Zweck verwendete Isolierpapier ersetzen.As low it has proven to provide the stator at its end faces, each with a cup-shaped element for receiving the fluid. The cup-shaped element prevents leakage of fluid. The cup-shaped element can also take over the task of electrical insulation and thus replace the currently commonly used for this purpose insulating paper.
Die mit Kühlmedium durchströmten Kanäle, welche die Wärmeabführkomponente bilden, sind vorzugsweise innerhalb des schalenförmigen Elements angeordnet. The cooling medium flowed through channels forming the Wärmeabführkomponente are preferably disposed within the cup-shaped element.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein dielektrisches Fluid verwendet. Ein dielektrisches Fluid hat den Vorteil, dass es an der Spulenwicklung zusätzlich elektrisch isolierend wirkt. Das dielektrische Fluid kann somit die Aufgabe der bislang verwendeten, die Spulenwicklung umschließenden, isolierenden Vergussmasse mit übernehmen. Obwohl dielektrische Fluide nur eine geringe Wämeleitfähigkeit aufweisen, kann die erforderliche Wärmeabfuhr durch den Temperaturunterschied zwischen dem Fluid und der üblicherweise aus Kupfer bestehenden Spulenwicklung gewährleistet werden. Es soll jedoch keine Einschränkung auf dielektrische Fluide erfolgen. Bei Verwendung elektrisch isolierter Wicklungen können alternativ auch elektrisch leitende Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. According to an advantageous embodiment, a dielectric fluid is used. A dielectric fluid has the advantage that it also acts on the coil winding electrically insulating. The dielectric fluid can thus take over the task of the hitherto used, the coil winding enclosing, insulating potting compound. Although dielectric fluids have low thermal conductivity, the required heat dissipation can be ensured by the difference in temperature between the fluid and the coil winding, usually made of copper. However, it should not be limited to dielectric fluids. When electrically insulated windings are used, electrically conductive liquids may alternatively be used.
Das verwendete Fluid und dessen Strömungsweg im Stator werden vorzugsweise so gewählt, dass es die Abfuhr der Wärme aus der aus Kupfer bestehenden Spulenwicklung mittels natürlicher Konvektion ermöglicht. Natürliche Konvektion entsteht bekanntlich aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Die insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren bekannte Thermosiphonkühlung basiert beispielsweise auf natürlicher Konvektion.The fluid used and its flow path in the stator are preferably chosen so that it allows the removal of heat from the copper coil winding by means of natural convection. Natural convection is known to be due to the temperature difference between the heat source and the heat sink. The known particularly in connection with internal combustion engines Thermosiphonkühlung based for example on natural convection.
Zur Ermöglichung einer definierten Strömung des Fluids entlang der Spulenwicklung hat sich die Verwendung von kanalbildenden Abstandshaltern als zweckmäßig erwiesen. Die Abstandshalter könnten beispielsweise direkt beim Wickelprozess eingebracht werden.To enable a defined flow of the fluid along the coil winding, the use of channel-forming spacers has proven to be expedient. The spacers could for example be introduced directly during the winding process.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine eine Pumpe zum Erzeugen eines zirkulierenden Fluidstroms. Hierdurch kann mittels erzwungener Konvektion gekühlt werden. Die Abstandshalter dienen zusätzlich zur Isolation zwischen den Drähten der Spulenwicklung. Ohne Isolation könnten sich die Drähte berühren und die Drahtisolation selber müsste für ausreichende Isolation sorgen.According to an advantageous embodiment, the electric machine comprises a pump for generating a circulating fluid flow. This can be cooled by means of forced convection. The spacers additionally serve for insulation between the wires of the coil winding. Without insulation, the wires could touch and the wire insulation itself should provide sufficient insulation.
Das Fluid kann im Wesentlichen die gesamte Spulenwicklung umgeben. Alternativ kann das Fluid auch lediglich um den Wickelkopf der Spulenwicklung herum geführt werden und somit als Wickelkopfkühlung fungieren. Eine Wickelkopfkühlung ist auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit der in der Regel aus Kupfer bestehenden Wicklung in vielen Fällen ausreichend. The fluid may substantially surround the entire coil winding. Alternatively, the fluid can also be guided only around the winding head of the coil winding around and thus act as winding head cooling. Due to the high thermal conductivity of the winding, which generally consists of copper, a winding through the winding head is sufficient in many cases.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die Wärmeabfuhr auch mittels Phasenübergang erfolgen. Hierdurch kann die Entwärmung weiter verbessert werden. Das Fluid verdampft bei dieser Ausführung an der heißen Spulenwicklung und wird anschließend zur Wärmeabführkomponente geleitet. Im Bereich der Wärmeabführkomponente findet aufgrund deren niedrigeren Temperatur eine Kondensation statt. Ein derartiger Kreislauf, ähnlich dem Prinzip eines Heatpipe, könnte somit zur Wärmeabfuhr genutzt werden.In alternative embodiments, the heat dissipation can also be done by means of phase transition. As a result, the heat dissipation can be further improved. The fluid evaporates in this embodiment on the hot coil winding and is then passed to the Wärmeabführkomponente. In the area of the heat dissipation component, condensation takes place due to its lower temperature. Such a circuit, similar to the principle of a heat pipe, could thus be used for heat dissipation.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention as well as their advantages and details are explained in more detail below with reference to the attached figures. Show it:
Die Spulenwicklung
Ein weiterer Bestandteil der elektrischen Maschine
Über einen Kühlmantel
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- elektrische Maschine electric machine
- 0202
- Stator stator
- 0303
- Spulenwicklung coil winding
- 0404
- Rotor rotor
- 0505
- Fluid fluid
- 0606
- Vergussmasse potting compound
- 0707
- Verschlusskeile closing wedges
- 0808
- Bereich für Wärmeabführkomponente Area for heat dissipation component
- 0909
- Kühlmantel cooling jacket
- 1010
- schalenförmiges Element cup-shaped element
- 1111
- 1212
- Kanäle channels
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1109298 A1 [0006] EP 1109298 A1 [0006]
- DE 102012221325 A1 [0007] DE 102012221325 A1 [0007]
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