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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, vollständig geflutete elektrische Maschinen als Kältemittelverdichter einzusetzen. Diese eignen sich jedoch nicht für die Anwendung in Fahrzeugantrieben, da hier aufgrund der hohen Drehzahlen sehr hohe Reibungsverluste am Rotor entstehen würden.
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Aus der
DE 198 51 439 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Stator bekannt, wobei der Stator von einem Gehäuse umgeben ist, und einer mit dem Gehäuse in Verbindung stehenden Kühlanordnung, wobei der Stator mit flüssigem Kühlmittel beaufschlagt ist.
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Die
EP 1 271 747 A1 offenbart, dass in Elektromotoren oft Spaltrohre Anwendung finden, welche eine Flüssigkeitskühlung des Stators ermöglichen. Das Mittelteil eines beschriebenen Spaltrohres ist dünnwandiger ausgebildet als die Seitenteile. Diese Seitenteile sind zudem in ihrer Form und Materialwahl an die spezifischen thermischen Gegebenheiten angepasst. Besonders geeignet ist der Gegenstand für Werkzeugmaschinen mit Hauptspindelantrieben mit Mittelfrequenz-Synchronmotoren, da damit die Betriebstemperatur im antriebsseitigen Lager herabsetzbar ist. Verfahrensgemäß wird bei sehr engen Luftspalten zwischen Stator und Rotor das Mittelteil ausgedreht und kalibriert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte elektrische Maschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ein Gehäuse, einen Stator und einen im Stator rotierbaren Rotor, wobei ein Rotorraum, in dem der Rotor sich befindet, durch eine im Stator angeordnete Hülse aus einem elektrisch nicht leitfähigen und nicht ferromagnetischem Material, die an ihren Enden gegen das Gehäuse abgedichtet ist, fluiddicht vom Stator getrennt ist, wobei der Stator mit einem dielektrischen Kühlmedium geflutet ist, wobei ein Öleinlass auf einer Stirnseite des Stators in Radialrichtung von einer Längsachse beabstandet angeordnet ist, wobei ein Ölauslass auf einer Stirnseite des Stators in Radialrichtung von der Längsachse beabstandet und um einen Winkel von 180° versetzt zum Öleinlass angeordnet ist, wobei der Stator zwei Wickelköpfe aufweist, für die jeweils ein umlaufender Wickelkopfraum zum Strömen des Kühlmediums vorgesehen ist, wobei auf der Winkelposition des Öleinlasses radial außerhalb einer Statorwicklung oder in einem Statorblech ein axial verlaufender Bypasskanal vorgesehen ist, der die beiden Wickelkopfräume miteinander verbindet. Erfindungsgemäß sind der Öleinlass und der Ölauslass auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators angeordnet, wobei auf der Winkelposition des Ölauslasses radial außerhalb der Statorwicklung oder im Statorblech ein weiterer axial verlaufender Bypasskanal vorgesehen ist, der die beiden Wickelkopfräume miteinander verbindet, wobei verteilt über den Umfang mehrere Axialkanäle vorgesehen sind, welche beide Wickelkopfräume miteinander verbinden, wobei die Axialkanäle in das Statorblech integriert und/oder in einem Hohlraum zwischen einem innersten Leiter der Statorwicklung und der Hülse ausgebildet sind, wobei die Bypasskanäle jeweils einen größeren Querschnitt aufweisen als die Axialkanäle, wobei zur Abfuhr geringer Leckage-Mengen des Kühlmediums in den Rotorraum ein Ablauf aus diesem vorgesehen ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Steigerung der (Dauer-)Leistungsdichte der elektrischen Maschine durch die deutliche Verbesserung der Kühlung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem im Stator rotierbaren Rotor,
- 2 eine schematische Ansicht eines Öleinlasses, eines Ölauslasses, zweier Wickelkopfräume, von Bypasskanälen und Axialkanälen für die Kühlung des Stators der elektrischen Maschine,
- 3 schematische Diagramme eines tangentialen Volumenstroms, einer Druckdifferenz sowie eines axialen Volumenstroms in Abhängigkeit von einem Winkel für den Fall, dass keine Bypasskanäle vorgesehen wären, und
- 4 schematische Diagramme eines tangentialen Volumenstroms, einer Druckdifferenz sowie eines axialen Volumenstroms in Abhängigkeit von einem Winkel bei Verwendung von Bypasskanälen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine 1 mit einem Stator 2 und einem im Stator 2 rotierbaren Rotor 3. Ein Rotorraum 4, in dem der Rotor 3 sich befindet, ist durch eine im Stator 2 angeordnete Hülse 5 fluiddicht vom Stator 2 getrennt. Beispielsweise ist die Hülse 5 an ihren Enden gegen ein Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 1 abgedichtet. Der Stator 2 ist mit einem dielektrischen Kühlmedium, insbesondere Getriebeöl, geflutet. Durch den fluiddicht abgetrennten Rotorraum 4 ist dieser ölfrei. Zur Abfuhr geringer Leckage-Mengen in den Rotorraum 4 ist ein Ablauf aus diesem vorgesehen.
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Die Hülse 5 ist in ein Statorblechpaket eingefügt und aus einem elektrisch nicht leitfähigen und nicht ferromagnetischem Material gefertigt, um keine zusätzlichen Verluste zu erzeugen, welche den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 1 negativ beeinflussen würden. Beispielsweise kann die Hülse 5 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gefertigt sein um diese Anforderungen zu erfüllen.
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Die Erfindung ermöglicht eine deutliche Steigerung der (Dauer-)Leistungsdichte der elektrischen Maschine 1, welche auf der deutlich verbesserten Kühlwirkung basiert. Diese kommt durch die Überströmung des gesamten Wickelkopfes 8 mit dem Kühlmedium zustande. Die Wicklung der elektrischen Maschine 1 besteht aus Kupfer und besitzt somit eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Gleichzeitig fällt ein Großteil der Verlustleistung in der Statorwicklung der elektrischen Maschine 1 an. Gegenüber dem Stand der Technik, einer Wassermantelkühlung, wird somit eine deutlich verbesserte Kühlwirkung erzielt und damit eine deutliche Steigerung der Dauerleistungsdichte erzielt.
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Die Kühlung über den Wickelkopf 8 ist bei Hairpin-Wicklungen besonders wirksam, da dieser eine größere Oberfläche gegenüber dem Kühlmedium bietet als eine Runddrahtwicklung. Gleichzeitig ist die Hairpin-Wicklung jedoch auch anfällig für tangentiale Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Leitern, da die einzelnen Leiter sich tangential vergleichsweise schlecht thermisch homogenisieren.
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Daher ist eine Strömungsführung des Kühlmediums vorgesehen, die darauf ausgelegt ist, über den gesamten Umfang beider Wickelköpfe 8 eine ausreichende Strömung zu erzeugen und somit eine gleichmäßige Kühlwirkung über den gesamten Wickelkopf 8 zu erzielen. Um dies zu erreichen ist die Ölzufuhr und Ölabfuhr auf axial gegenüberliegenden Seiten und um einen Winkel φ von 180° versetzt angeordnet, das heißt ein Öleinlass 6 ist auf einer Stirnseite des Stators 2 in Radialrichtung von einer Längsachse L beabstandet angeordnet und ein Ölauslass 7 ist auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Stators 2 in Radialrichtung von der Längsachse L beabstandet und um den Winkel φ von 180° versetzt zum Öleinlass 6 angeordnet. 2 ist eine schematische Ansicht des Öleinlasses 6, des Ölauslasses 7, zweier Wickelkopfräume 9, von Bypasskanälen 10 und Axialkanälen 11. Im Bereich beider Wickelköpfe 8 ist jeweils ein umlaufender Wickelkopfraum 9 vorgesehen, in dem das Kühlmedium strömen kann.
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Auf der Winkelposition des Öleinlasses 6 und des Ölauslasses 7 ist radial außerhalb der Statorwicklung oder im Statorblech jeweils ein axial verlaufender Bypasskanal 10 vorgesehen, der die beiden Wickelkopfräume 9 miteinander verbindet. Ferner sind verteilt über den Umfang mehrere Axialkanäle 11 vorgesehen, welche beide Wickelkopfräume 9 miteinander verbinden. Diese Axialkanäle 11 können in das Statorblech integriert sein oder über einen Hohlraum zwischen dem innersten Leiter der Statorwicklung und der Hülse 5 dargestellt werden. Durch die Nutzung des Hohlraums zwischen dem innersten Leiter und der Hülse 5 ist keine Schwächung des Statorblechs erforderlich, sondern es wird ein Raum genutzt, der ohnehin ohne elektromagnetische Eigenschaften ist und ansonsten nur durch Harz und/oder Vergussmasse gefüllt werden würde. In einer Ausführungsform weisen die Bypasskanäle 10 einen größeren Querschnitt auf als die Axialkanäle 11.
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3 zeigt ein schematisches Diagramm eines tangentialen Volumenstroms V für die Wickelköpfe 8 am Öleinlass 6 und am Ölauslass 7 in Abhängigkeit vom Winkel φ, ein schematisches Diagramm einer Druckdifferenz Δpaxial zwischen den beiden Wickelköpfen 8 in Abhängigkeit vom Winkel φ sowie ein schematisches Diagramm eines axialen Volumenstroms V̇axial zwischen den beiden Wickelköpfen 8 in Abhängigkeit vom Winkel φ für den Fall, dass keine Bypasskanäle 10 vorgesehen wären. 4 zeigt ein schematisches Diagramm eines tangentialen Volumenstroms V für die Wickelköpfe 8 am Öleinlass 6 und am Ölauslass 7 in Abhängigkeit vom Winkel φ, ein schematisches Diagramm einer Druckdifferenz Δpaxial zwischen den beiden Wickelköpfen 8 in Abhängigkeit vom Winkel φ sowie ein schematisches Diagramm eines axialen Volumenstroms V̇axial zwischen den beiden Wickelköpfen 8 in Abhängigkeit vom Winkel φ bei Verwendung von Bypasskanälen 10.
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Die Bypasskanäle 10 sorgen dafür, dass der Volumenstrom V in allen Bereichen des Wickelkopfs 8 ausreichend groß ist. Ohne die Bypasskanäle 10 bei 0° und 180° würde in genau diesen Bereichen ein tangential fließender Volumenstrom V im Wickelkopfbereich gegen null gehen. Weiterhin sorgen die Bypasskanäle 10 für einen gleichmäßigeren Volumenstrom V̇axial über die verbleibenden Axialkanäle 11 und somit zu einer tangential gleichmäßigeren Kühlung.
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Die Zuführung und Abführung axial gegenüberliegend um 180° versetzt mit Bypasskanälen 10 bei 0° und 180° führt dazu, dass die Druckgradienten über den Umfang gleich bleiben und darüber sowohl eine gleichmäßige Durchströmung der Axialkanäle 11 als auch eine ausreichende Durchströmung des Wickelkopfraums 9 in Umfangsrichtung ermöglicht werden.
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Die elektrische Maschine 1 kann beispielsweise zum Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Rotorraum
- 5
- Hülse
- 6
- Öleinlass
- 7
- Ölauslass
- 8
- Wickelkopf
- 9
- Wickelkopfraum
- 10
- Bypasskanal
- 11
- Axialkanal
- 12
- Gehäuse
- L
- Längsachse
- V
- tangentialer Volumenstrom
- V̇axial
- axialer Volumenstrom
- Δpaxial
- Druckdifferenz
- φ
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19851439 A1 [0003]
- EP 1271747 A1 [0004]
