DE19851439A1 - Elektrische Maschine mit Kühlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, 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.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Maschine mit Kühlung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Es ist bekannt, elektrische Generatoren oder Motoren über ihr Gehäuse zu kühlen. Die Verlustleistung wird über Luftkühlung mittels natürlicher oder künstlicher Konvektion oder durch am Gehäuse angebrachte kühlmitteldurchströmte Kühlrohre abgeführt. Es ist auch bekannt, Kühlrohre in eine Form einzubringen und mit einer Aluminiummasse zu umgießen, welche nach ihrer Erstarrung das Gehäuse eines Elektromotors bildet. Andere übliche Gehäuse elektrischer Maschinen sind aus Strangpreßprofilen gefertigt, in welche dann der Stator eingepreßt oder eingeschrumpft werden kann. Beidseitig werden üblicherweise Lagerschilde zur Lagerung der Rotorwelle angebracht, während etwaige Steuer- und Regelelektronik dann am Gehäuse in einem eigenen Gehäuse separat untergebracht oder dezentral montiert wird.

Derartige Gehäuse erlauben zwar eine preiswerte Herstellung, jedoch ist die Wärmeabfuhr ungünstig, da zwischen dem verlustwärmebelasteten Stator und der Kühlung ein beträchtlicher Wärmewiderstand des Gehäuses liegt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine anzugeben, welcher bei kompakter Bauweise eine verbesserte Kühlung des Stators ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Erfindungsgemäß ist ein Stator einer elektrischen Maschine mit flüssigem Kühlmittel beaufschlagt. Bevorzugt sind in den Stator Kühlkanäle und/oder am äußeren Umfang des Stators Vertiefungen integriert. Ein den Stator umgebendes Gehäuse und/oder der Stator weisen an ihrer Berührungsfläche Vertiefungen auf, die zur Aufnahme von Kühlmittel bestimmt sind.

Bevorzugt weist der Stator in Achsrichtung des Stators übereinander gestapelte, gestanzte Bleche auf, welche besonders bevorzugt so gestanzt sind, daß bei Übereinanderlegen der Bleche zu einem Stapel in Stapelrichtung verlaufende Vertiefungen und/oder Kanäle ausgebildet sind.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Vertiefungen auf der Stator-Mantelfläche und der Gehäuse- Mantelfläche korrespondierend übereinanderliegend angeordnet, so daß sie jeweils einen gemeinsamen Kühlkanalabschnitt bilden.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bilden Vertiefungen in der statorseitigen Mantelfläche des Gehäuses Verbindungskanäle zwischen Kühlkanalabschnitten auf der Mantelfläche des Gehäuses und/oder der Mantelfläche des Stators.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bilden Vertiefungen in der gehäuseseitigen Mantelfläche des Stators Verbindungskanäle zwischen Kühlkanalabschnitten auf der Mantelfläche des Gehäuses und/oder der Mantelfläche des Stators.

Der Vorteil ist, daß die Wärme ohne weitere zusätzliche Wärmewiderstände aus dem Bereich des Stators abgeführt werden kann.

Besonders bevorzugt wird eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse versehen, welches Druckgußschalen aufweist.

Vorzugsweise ist das Gehäuse aus zwei Druckguß-Halbschalen gebildet, welche parallel zur Achsrichtung des Stators aufgeschnitten sind.

Bevorzugt sind bereichsweise auf der statorseitigen Mantelfläche und/oder der Stirnseite des Gehäuses zusätzliche Vertiefungen und/oder Hervorhebungen ausgebildet, welche nach dem Zusammenbau des Gehäuses besonders bevorzugt integrierte Lagerschilde und/oder Elektronikgehäuse bilden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Stators in einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Draufsicht,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Stators in einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Draufsicht, und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Gehäuses in einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine darstellt.

Die Erfindung ist anhand eines Reluktanzmotors erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese Anwendung eingeschränkt, sondern für mit einem Stator ausgestattete elektrische Maschinen vorteilhaft.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die Stirnseite eines Stators 1 abgebildet. Die Draufsicht zeigt nur eine Hälfte des Stators, der zur gezeigten Mittellinie symmetrisch ist. Vorzugsweise ist der Stator 1 aus einem Blechpaket aus gestanzten Blechen gebildet, welche in Richtung der Achse 2 des Stators 1 übereinander gestapelt sind. Die Bleche werden mit ausreichendem Druck zusammengepreßt und verschweißt oder verklebt.

Zur zentralen Achse 2 des Stators 1, welche auch der Drehachse eines zugehörigen Rotors (nicht dargestellt) entspricht, weisen eine Mehrzahl von Statorzähnen 3, um welche Spulendrähte (nicht dargestellt) eines Reluktanzmotors in üblicher Weise angeordnet sind. Der äußere Umfang des Stators 1 weist von der Achse 2 weg gerichtete Zähne 4 auf, welche im zusammengefügten Blechpaket parallel zueinander verlaufende Vertiefungen 5, insbesondere Nuten 5, voneinander trennen. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige der Zähne 4 und der Nuten 5 mit einem Bezugszeichen bezeichnet. Die Nuten können mit beliebiger Form ausgebildet sein. Die äußeren Begrenzungen bilden bei aufeinander gestapelten Blechen die gehäuseseitige Mantelfläche des Stators 1. Die Nuten 5 können vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Achse 2 oder spiralförmig auf der gehäuseseitigen Mantelfläche 6 des Stator-Blechpakets verlaufen.

Der Stator 1 ist vorzugsweise von einem Gehäuse 7 umgeben. Das Gehäuse 7, von dem der Übersichtlichkeit wegen nur ein Abschnitt in der Figur dargestellt ist, dichtet die Nuten 5 ab, so daß diese Kanäle B bilden, welche zum Transport eines Kühlmittels, vorzugsweise eines flüssigen Kühlmittels, geeignet sind. Der Stator 1 wird somit vorteilhaft direkt gekühlt, so daß der Wärmeabtransport von Verlustleistung aus dem Stator 1 deutlich verbessert ist. Ein Kühlmittel kann in den Kanälen 8 in einer den Anforderungen nach optimierten Zahl von Schleifen über die Mantelfläche oder innerhalb des Stators 1 geleitet werden. Ein bevorzugtes Kühlmittel ist Wasser und/oder ein Kohlenwasserstoff. Es ist auch möglich, ein gasförmiges Kühlmittel einzusetzen.

In die statorseitige Mantelfläche 9 des Gehäuses 7 können ebenfalls zumindest bereichsweise Nuten 10 eingebracht sein, welche den Zähnen 4 gegenüberliegen oder welche den Nuten 5 gegenüberliegen. Diese sind vorzugsweise in etwa parallel zu den Nuten 5 des Stators 1 ausgebildet. Damit ist im ersten Fall die Anzahl von Kühlkanälen und/oder Kühlkanalabschnitten 8 erhöht, im zweiten Fall bilden die Nuten 5 und die Nuten 10 die Begrenzungen von gemeinsamen Kühlkanälen 8 mit einem größeren Querschnitt als dem Kanalquerschnitt der Nuten 5 entspräche. Es können auch bereichsweise Mischformen vorliegen, wobei entweder die Zahl der Nuten 5, 10 auf der Statorseite geringer ist als auf der Gehäuseseite oder umgekehrt auf der Statorseite höher als auf der Gehäuseseite ist. Es ist auch möglich, daß nur auf der statorseitigen Mantelfläche 9 des Gehäuses Nuten 10 eingebracht sind. Die gehäuseseitige Mantelfläche des Stators 1 dichtet dann die Nuten 10 ab, so daß Kühlmittel in diesen Nuten 10 geführt werden kann. Der Vorteil ist dabei, daß der Stator 1 mit seiner Mantelfläche direkt mit einem Kühlmedium in Kontakt und damit thermisch gut angekoppelt ist, so daß kein Material aus dem Stator geopfert werden muß, welches magnetischen Fluß tragen soll.

Zweckmäßigerweise ist das Statorblechpaket 1 an der Kontaktfläche zum Kühlmittel geeignet geschützt, so daß kein Kühlmittel durch das Blechpaket in das Innere des Motors, insbesondere zum Rotor gelangen kann. Insbesondere ist ein Dichtmaterial vorgesehen, so daß eine einfache Wasserkühlung zur Kühlung des Stators 1 eingesetzt werden kann.

Besonders günstig ist, wenn eine Umlenkung des Kühlmittels durch entsprechende Verbindungskanäle in der statorseitigen Mantelfläche 9 des Gehäuses 7 und/oder der gehäuseseitigen Mantelfläche des Stators 1 erfolgt. Derartige Verbindungskanäle weisen bei in etwa achsparallelen Kühlkanälen 8 zumindest eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung der Mantelfläche oder Mantelflächen 6, 9 auf.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist, daß die Statorbleche jeweils in achsseitigen Zähnen 3 durchbohrt sind, so daß sich innerhalb der Zähne 3 bei Übereinanderlegen der einzelnen Bleche des Blechpakets durchgehende Kühlkanäle 12 in etwa parallel zur Achse 2 bilden. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, welche eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines halben, zur Mittellinie im wesentlichen symmetrischen Stators 1 zeigt. Die Anordnung von Zähnen und Nuten entspricht sinngemäß der in Fig. 1. Es sind in der Fig. 2 mehrere unterschiedliche Anordnungen für der weitere Kühlkanäle 12, 13 gezeigt. Diese können einzeln verwendet oder in Kombination gleichzeitig verwendet werden.

Es kann jeder Zahn 3 oder nur ein Teil der Zähne 3 gestanzt sein. Der Kühlkanal 12 ist dann nach dem Zusammenbau des Blechpaktes ausgebildet. Diese Möglichkeit wird bevorzugt eingesetzt, wenn genug Material im Stator zur magnetischen Flußführung vorhanden ist. Die Kühlung ist vorteilhaft unmittelbar in der Nähe der einen elektrischen Strom tragenden Spulendrähte.

Eine weitere günstige Möglichkeit ist, zwischen den Zähnen 3 Nasen 14 vorzusehen, welche durchbohrt sind. Diese haben den Vorteil, daß eine etwaiges freibleibendes Volumen zwischen den drahtumwickelten Statorzähnen mit magnetflußtragendem Material gefüllt ist und eine gute Kühlung im Bereich der stromtragenden Spulen ermöglicht wird.

Eine weitere günstige Möglichkeit besteht darin, statt der Nasen 14 zwischen den Zähnen 3 Führungen 15 vorzusehen, in die ein Rohr 13 in etwa parallel zur Achse 2 gesteckt werden kann. Mehrere Rohre 13 können mit Verbindungsstücken verbunden sein, so daß ein Kühlmitteldurchfluß mit einem gemeinsamen Eingang und einem gemeinsamen Ausgang durch alle Kühlkanäle möglich ist. Der Querschnitt der Rohre 13 ist vorteilhaft so geformt, daß er eine optimale Raumerfüllung zwischen den drahtumwickelten Statorzähnen 3 ermöglicht. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt in etwa dreieckig geformt, wobei eine Spitze zur Achse 2 gerichtet ist. Damit ist eine optimale Raumausfüllung bei umwickelten Statorzähnen 3 gewährleistet.

Zur Abdichtung des Blechpakets gegen ein Kühlmittel in den Kühlkanälen 8, 12 kann in die Kanäle Dichtmaterial eingebracht werden, vorzugsweise ein zumindest zeitweise fließfähiges, gegen das Kühlmittel beständiges Material. Es ist auch möglich, Rohre in die Kanäle 8 einzubringen, durch welche eine separate Abdichtung der Kanäle entfallen kann. Gegebenenfalls können solche Rohre mit einem Wärmeleitmaterial umgeben sein. Bei einem massiven Stator 1 können entsprechende Nuten 5 und/oder Kanäle 8, 12 durch Bohren und/oder Fräsen hergestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das Gehäuse 7 aus Druckgußmaterial ausgebildet ist, besonders bevorzugt ist das Gehäuse durch zwei Halbschalen gebildet, welche zusammengesetzt ein geschlossenes Gehäuse bilden, welches den Stator 1 umgibt. Diese Ausführung des Gehäuses erlaubt auf einfache Art die Integration verschiedener Komponenten in die Gehäusewand und/oder Stirnfläche und/oder Außenwand des Gehäuses 7, welche mit stranggepreßten Gehäusen nicht herstellbar sind.

Insbesondere ist es möglich, durch entsprechende Vertiefungen und/oder Hervorhebungen auf der statorseitigen Gehäuseseite 9 verschiedene Gehäusewände für eine Leistungselektronik des Motors platzsparend in das Gehäuse zu integrieren.

Ebenso können auf entsprechend einfache Weise Lagerschilde für die Rotorhalterung in das Gehäuse integriert werden. Damit lassen sich alle Einzelbauteilfunktionen des Motors in das Gehäuse integrieren. Weiterhin entfallen Bearbeitungsschritte beim Zusammenbau der Teile, die erfindungsgemäße Anordnung weist eine kleinere Anzahl an Bearbeitungs- oder Dichtflächen am Gehäuse auf.

Die Kombination von einer in den Stator integrierten Kühlung und einem Aluminium-Druckgußgehäuse ist besonders vorteilhaft, da damit eine Großserienproduktion von entsprechenden elektrischen Maschinen möglich ist. Aufwendige Montageschritte zur Montage der Steuerelektronik in separate Gehäuse entfallen, da die Steuerelektronik in die integrierten Gehäuse im Motorgehäuse eingebaut werden können. Diese werden durch die integrierte Kühlung des Stators mit gekühlt, so daß eine separate Elektronikkühlung ebenfalls entfallen kann.

Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung liegen in einer höheren Wärmeabfuhr durch direkte Kühlung auf und/oder in dem Stator 1. Das Motorgehäuse 7 ist leicht und kompakt, da zum einen die sonst übliche Wandung zwischen Kühlanordnung und Stator entfällt, zum anderen die Integration von Motor- Elektronikgehäuse und Lagerschilden möglich ist. Der Montageaufwand ist daher stark verringert. Besonders vorteilhaft ist die Verringerung der Anzahl der Herstellungswerkzeuge bei der Fertigung des Motors. Der Motor kann erheblich kompakter ausgeführt werden als nach dem Stand der Technik und erlaubt eine deutliche Platzersparnis beim Einbau in eine vom Motor betriebene Vorrichtung.

Claims (11)

1. Elektrische Maschine mit einem Stator, wobei der Stator von einem Gehäuse umgeben ist und einer mit dem Gehäuse in Verbindung stehenden Kühlanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) mit flüssigem Kühlmittel beaufschlagt ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stator (1) Kühlkanäle (8) und/oder am äußeren Umfang Vertiefungen (5) integriert sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse (7) und Stator (1) zumindest bereichsweise flächig in Berührung miteinander sind und in Gehäuse (7) und/oder Stator (1) an deren Berührungsfläche Vertiefungen (5, 10) und/oder Vertiefungen zur Aufnahme von Kühlmittel vorgesehen sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (1) in Richtung der Statorachse (2) übereinander liegende, gestanzte Bleche aufweist und die Bleche so gestanzt sind, daß bei Übereinanderlegen der Bleche zu einem Stapel zumindest bereichsweise in Stapelrichtung verlaufende Nuten (5) und/oder Kanäle (12) ausgebildet sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vertiefungen (5) auf der Stator-Mantelfläche (6) und der Gehäuse-Mantelfläche (9) korrespondierend übereinanderliegend angeordnet sind, daß sie jeweils zumindest bereichsweise einen gemeinsamen Kühlkanalabschnitt (8) bilden.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vertiefungen (10) in der statorseitigen Mantelfläche (9) des Gehäuses (7) Verbindungskanäle zwischen Kühlkanalabschnitten (8) auf der statorseitigen Mantelfläche (6) des Gehäuses (7) und/oder der gehäuseseitigen Mantelfläche (6) des Stators (1) bilden.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vertiefungen (5) in der gehäuseseitigen Mantelfläche (6) des Stators (1) Verbindungskanäle zwischen Kühlkanalabschnitten (8) auf der statorseitigen Mantelfläche (9) des Gehäuses (7) und/oder der gehäuseseitigen Mantelfläche (6) des Stators (1) bilden.

8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vertiefungen (5, 13) und/oder Kanäle (12) des Stators (1) Kühlrohre (13) aufweisen.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) Druckgußschalen aufweist.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) aus zwei Druckguß-Halbschalen gebildet ist, welche längs der Achsrichtung des Stators (1) aufgeschnitten sind.

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bereichsweise auf der statorseitigen Mantelfläche (9) und/oder Stirnseite des Gehäuses (7) zusätzliche Vertiefungen und/oder Hervorhebungen ausgebildet sind, welche Lagerschilde und/oder Elektronikgehäuse (E) bilden.