DE19905539A1

DE19905539A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19905539A1
Application number: DE19905539A
Authority: DE
Inventors: Max Bachmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-17

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (2) mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden, drehbar gelagerten Rotor vorgeschlagen, der ein Rotorblechpaket (18) und eine mit dem Rotorblechpaket (18) drehfest verbundene Rotorwelle (4) aufweist. Ein Wärmetauscher (36) zur Kühlung eines in der Maschine (2) verwendeten Kühlmediums ist in die elektrische Maschine (2) integriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine ins besondere als Elektromotor zum Antreiben von Fahrzeugen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige Maschinen sind häufig Asynchronmaschinen, die mit einem Stator und einem in dem Stator vorgesehenen Rotor ausgebildet sind. Der Rotor wird als Kurzschlußläufer ausgebildet und besteht vorzugsweise aus elektrisch leitfä higem Aluminium, das in Form eines Druckgusses zum Rotor geformt wird. Das Aluminium wird bei der Herstellung in die vom Blechpaket des Rotors gebildeten Nuten eingegossen und an den Stirnseiten des Rotors werden die Aluminiumstränge aus den jeweiligen Nuten zu einem Ring zusammengeschlossen und damit kurzgeschlossen (Kurzschlußkäfig). Die Asynchron motoren sind vorwiegend hoch ausgenutzte Motoren, deren Wärmeentwicklung eine optimierte Kühlung verlangen.

Eine derartige elektrische Maschine ist beispielsweise aus der EP 0 484 548 B1 bekannt. Die verwendeten elektri schen Maschinen weisen einen innenliegenden Rotor mit Ro torwelle und Rotorblechpaket und einen außenliegenden Sta tor auf. Die elektrische Maschine ist mit dem Kühlkreislauf des Fahrzeuges verbunden.

Ein besonderes Problem bei der Kühlung derartiger elektrischer Maschinen besteht in der Kühlung von im Inne ren der elektrischen Maschine befindlichen Kühlmediums, insbesondere Umluft, das durch die Rotation des Rotors mit an dem Rotor ausgebildeten Flügeln gefördert wird. Meist sind die die Umluft führenden Kanäle zwischen dem Stator blechpaket und dem Gehäuse der Maschine eingebracht, über wiegend eingegossen. Dort erschweren relativ hohe Tempera turen die Kühlung der Umluft. Der Lufteintritt in die meist vielen, kleinen am Umfang verteilten Kanäle ist äußerst widerstandsbehaftet und führt zu einem Drosseleffekt.

Das Kühlmedium Umluft muß effizient an möglichst nied rig temperierten Flächen gekühlt werden. Die Druckverluste in der Zirkulation der Umluft müssen gering gehalten werden bzw. der Volumenstrom muß groß gehalten werden.

Gleichzeitig ist der Transport eines Kühlmediums in der elektrischen Maschine durch die baulich bedingte räumliche Begrenzung erschwert, wodurch die anfallenden Temperaturen insbesondere bei hoch ausgenutzten Maschinen nur schwer aus der Maschine abgeführt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine aufzuzeigen, die eine verbesserte Kühlung des Kühlmediums ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Ausgestaltungen des erfinderi schen Gedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die von elektrischen Maschinen erzeugte Wärme muß zur Kühlung der Maschine an ein Kühlmedium abgegeben werden, das mit der Maschine in Verbindung bringbar ist. Ein vor teilhaftes Kühlmedium stellt die Luft dar, die ihrerseits mit geeigneten Mitteln wieder rückgekühlt wird oder sich gegen andere Luft austauscht. Luft ist ein hervorragender Isolator, so daß in der elektrischen Maschine keine beson deren elektrischen Isolationen durchgeführt werden müssen, um die verschiedenen Bauteile der Maschine gegen Kurz schlußprobleme zu schützen, die im Zusammenhang mit dem Kühlmedium auftreten könnten. Um das Kühlmedium in der Ma schine sicher zu führen, müssen mögliche Strömungshinder nisse weitestgehend vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird in einer elektrischen Maschine mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden, drehbar gelagerten Rotor, der ein Rotorblechpaket und eine mit dem Rotorblechpaket drehfest verbundene Rotorwelle auf weist, ein Wärmetauscher zur Kühlung eines in der Maschine verwendeten Kühlmediums in die elektrische Maschine inte griert. In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Füh rung des Kühlmediums in Kanälen mit großen Querschnitten und der Wärmetauscher ist in einem von diesen Kanälen ange ordnet.

In weiteren Ausführungen kann der Wärmetauscher Kühlrohre aufweisen, die den Stator umgeben und die Kühlrohre können zur Wärmeübertragung mit Kühlrippen in Verbindung stehen. Eine weitere Ausführung zeigt die Kühlrippen in einem sepa raten Bauteil angeordnet, das in Form einer Kühlwanne an die elektrische Maschine montierbar ist. Noch eine weitere Ausführung zeigt die Kühlrippen in einem separaten Bauteil angeordnet, das in einer Kühlwanne vorgesehen ist, die an die elektrische Maschine montierbar ist. Eine andere vor teilhafte Ausführung weist in den Kühlrippen Kühlrohre auf, die mit den Kühlrohren, die den Stator umgeben, verbindbar sind. Die Kühlrohre in den Kühlrippen können in einer Aus gestaltung unter einem Winkel zu den Kühlrohren montiert sein, die den Stator umgeben.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeigt einen hohl ausgebildeten Rotor, der einen der Kanäle bildet, und in dem zwischen Rotorblechpaket und Rotorwelle das Kühlmedium hindurch geführt werden kann. Eine Ausführung weist Elemen te auf zur Unterstützung einer drallfreien Zuführung des Kühlmediums zum Wärmetauscher. Als Kühlmedium wird in vor teilhafte Ausgestaltung Luft verwendet.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher beschrie ben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Maschine mit sternförmiger Stegwelle;

Fig. 2 einen Schnitt durch Stegwelle und Rotorwelle nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Wärmetauscher nach Fig. 1;

Fig. 4 eine elektrische Maschine mit sichelförmiger Stegwelle;

Fig. 5 einen Schnitt durch Stegwelle und Blechpaket nach Fig. 4;

Fig. 6 eine elektrische Maschine mit Lüftereinrich tung in der Rotorwelle;

Fig. 7 einen Schnitt durch Stegwelle und Rotorwelle nach Fig. 6;

Fig. 8 eine elektrische Maschine mit schneckenför miger Stegwelle;

Fig. 9 einen Schnitt durch den Wärmetauscher mit Kühlwanne;

Fig. 10 einen weiteren Schnitt durch den Wärmetau scher mit Kühlwanne;

Fig. 11 einen Schnitt durch die Kühlwanne nach Fig. 9 und

Fig. 12 einen Schnitt durch die Kühlwanne nach Fig. 10.

Die Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine 2 mit einer Rotorwelle 4, die in einer ersten Lagerung 6 und in einer zweiten Lagerung 8 drehbar in einem Gehäuse 10 gelagert ist. Die Rotorwelle 4 weist eine Verzahnung 11 auf, über die die elektrische Maschine 2 mit weiteren und hier nicht gezeigten Elementen des Antriebsstranges zusammenwirkt. In dem Gehäuse 10 ist ein Statorblechpaket 12 angeordnet, durch das die Statorwicklung 14 hindurchragt. Mit einem geringen Luftspalt 16 beabstandet liegt radial innerhalb des Statorblechpakets 12 ein Rotorblechpaket 18, das von Metallstäben 20, vorzugsweise aus Aluminium durchdrungen wird. Eine Kappe 24 ist an dem Rotorblechpaket 18 mit Ver schraubungen 22 befestigt. Alternativ können die Metallstä be 20 auch in das Rotorblechpaket 18 in einem Druckgußver fahren eingepreßt werden. Das Rotorblechpaket 18 sitzt auf einer runden, hohlen Zwischenwelle 26 auf. Innerhalb der Zwischenwelle 26 ist die Rotorwelle 4 drehfest angeordnet, beispielsweise mit Preßsitz eingepreßt. Die Rotorwelle 4 kann jedoch unmittelbar in das Rotorblechpaket 18 einge preßt sein. Die Rotorwelle 4 weist vier Stege 28 auf, die in der Form eines Sternes angeordnet sind (siehe Fig. 2). Die Stege 28 weisen in der hier gezeigten Anordnung Ausspa rungen 29 auf, so daß die Stege 28 nicht auf ihrer vollen Länge an der Innenwand der hohlen Zwischenwelle 26 anlie gen. In den Zwischenräumen 30 zwischen den Stegen 28 kann ein erstes Kühlmedium, vorzugsweise Luft, durch die Zwi schenwelle 26 bzw. das Rotorblechpaket 18 gefördert werden. Dazu ist an einem axialen Ende des Rotorblechpaketes 18 ein Lüfterrad 32 angeordnet, das eine Strömung des Kühlmediums hervorruft. An dem anderen axialen Ende des Rotorblechpake tes 18 ist ein Blechring 34 vorgesehen, der das durch einen Wärmetauscher 36 strömende Kühlmedium drallfrei in Richtung auf die Rotorwelle 26 leitet. Der Wärmetauscher 36 weist Kühlrippen 38 (siehe Fig. 3) auf, die das Kühlmedium durch strömt und die in der hier gezeigten Ausgestaltung von dem Gehäuseteil 40 gebildet werden. Die Kühlrippen 38 sind nach außen von einem Deckel 42 begrenzt, der an das Gehäuseteil 40 angeschraubt ist.

In dem Gehäuseteil 40 sind Kühlrohre 44 vorgesehen, durch die ein zweites Kühlmedium strömt. Die vom ersten Kühlmedi um im Wärmetauscher 36 über die Kühlrippen 38 auf die Kühl rohre 44 übertragene Wärme wird vom zweiten Kühlmedium von der elektrischen Maschine 2 wegtransportiert. Gleichzeitig kann vom Statorblechpaket 12 Wärme auf die Kühlrohre 44 übertragen werden, wodurch eine Kühlung des Statorblechpa ketes 12 erfolgt.

In der in Fig. 4 gezeigten Anordnung weist die elek trische Maschine 2 eine Rotorwelle 4 auf, die drei sichel förmig gebogene Stege 46 besitzt. Die sichelförmig ge schwungene Form der Stege 46 erlaubt ein hohes Arbeitsver mögen bezüglich der aufzunehmenden Spannungsenergie beim Einpreßvorgang der Stegwelle 4 in das Blechpaket 18. Dabei können Setzungen und Fertigungstoleranzen egalisiert bzw. aufgefangen werden.

Die Kühlrohre 48 sind in der hier gezeigten Ausführungsform mit einem rechtwinkligen Querschnitt versehen. Die Lage rung 50, die hier als Rollenlager ausgeführt ist, weist hinter einer Kappe 52 ein Fettdepot auf.

In der Fig. 6 befinden sich innerhalb der Zwischenwel le 26 keine Stege, sondern Lüftereinrichtungen 54, wobei in der hier gezeigten Anordnung an jedem axialen Ende der Zwi schenwelle 26 eine Einrichtung 54 vorgesehen ist. Der In nenring 56 der Lüftereinrichtung 54 ist über eine Verzah nung 58 drehfest mit der Rotorwelle 4 verbunden (siehe Fig. 7). Der Außenring 60 ist über eine Verzahnung 62 dreh fest mit der Zwischenwelle 26 verbunden. Die Flügel 64 der Lüftereinrichtung 54 transportieren das erste Kühlmedium, auch hier vorzugsweise Luft, durch die hohle Zwischenwel le 26 bzw. das Rotorblechpaket 18. Die Berührungsflächen zum Wärmeübergang zwischen Zwischenwelle 26 und Rotorwel le 4 sind hier sehr begrenzt.

Die in der Fig. 8 gezeigte Ausführungsform weist eine Rotorwelle 4 auf, die wie ein Schneckenförderer geformt ist. Die Stege sind schneckenförmig gewunden und können so bei Rotation das erste Kühlmedium durch die hohle Zwischen welle 26 fördern. Auch hier beschränkt sich die Berührungs fläche zwischen der Zwischenwelle 26 und der Rotorwelle 4 auf quasi linienförmige Berührungsflächen entlang der Ste ge, so daß der Wärmeübergang weitgehend gering gehalten werden kann. Gleichzeitig kann wie bei allen vorher be schriebenen Ausführungsformen das Material der Rotorwelle 4 so gewählt sein, daß eine schlechte Wärmeleitung erzielt wird. Als derartige Materialien eignen sich insbesondere hochlegierte Stähle oder Titan.

In den Fig. 9 bis Fig. 12 werden unterschiedliche Aus gestaltungen des Wärmetauschers 36 beschrieben. In der Fig. 9 wird der Wärmetauscher 36 für einen luftge kühlten Motor gezeigt. Die Kühlrohre 44 sind so angeordnet, daß sie nur über einen Teil ihres Umfanges im Gehäuse teil 40 eingebettet sind. Der andere Teil des Umfanges strahlt die vorhandene Wärme in Richtung auf die Kühlrip pen 38 ab, die in einer Kühlwanne 66 angeordnet sind, die wiederum von außen gekühlt wird. Die Kühlwanne 66 ist mit dem Gehäuse 10 verbunden. Die Fig. 11 zeigt einen Schnitt durch den Wärmetauscher 36 nach Fig. 9. Die Kühlrohre 44 ragen bis nahe an die Kühlrippen 38 heran, so daß die Wärme gut aufgenommen werden kann. Mit Verschraubungen 68 ist die Kühlwanne 66 an das Gehäuse 10 angeschraubt. Auch in der Fig. 10 sind die Kühlrohre 44 so angeordnet, daß sie nur über einen Teil ihres Umfanges im Gehäuse teil 40 eingebettet sind. Der andere Teil des Umfanges strahlt die vorhandene Wärme in Richtung auf die Kühlrip pen 38 ab, die in einer Kühlwanne 66 angeordnet sind. Die Kühlwanne 66 ist mit dem Gehäuse 10 verbunden. Mit den Kühlrohren 44 sind hier in Strichen dargestellte Kühlroh re 70 verbunden, die sich innerhalb des Bereichs der Kühl rippen 38 befinden und diese durchdringen und die die Kühl rohre 44 unter einem Winkel von 90° kreuzen. Dabei durch ziehen die Kühlrohre 70 vorzugsweise die Kühlrippen 38 in der Form eines Mäanders und sind am Anfang und Ende mit den Kühlrohren 44 verbunden. Die Kühlrohre 70 können auch von einem niedrig temperierten Kühlmedium durchflossen sein, das von außerhalb dem Motor zugeführt wird.

Die Fig. 12 zeigt einen Schnitt durch den Wärmetau scher 36 nach Fig. 10. Die Kühlrohre 44 ragen bis nahe an die Kühlrippen 38 heran, sodaß die Wärme gut aufgenommen werden kann. Die Kühlrippen 38 bilden hier einen separaten Kühler 72, der in der Kühlwanne 66 angeordnet ist. Die Kühlrippen 38 sind von den Kühlrohren 70 in Form einer Kühlschlange durchzogen. Mit Verschraubungen 68 ist die Kühlwanne 66 an das Gehäuse 10 angeschraubt.

Mit gleichbleibend großen und strömungsgünstigen Quer schnitten zur Luftdurchdringung können ein großer Volumen strom und eine große Kühlleistung erreicht werden. Zudem verschafft die erfindungsgemäße Anordnung eine kostengün stige Fertigung. Unter Berücksichtigung der Anschlußmaße kann der Wärmetauscher unabhängig von der elektrischen Ma schine variiert werden und unterschiedlichen Ansprüchen angepaßt werden. Eine bauliche Vergrößerung der elektri schen Maschine findet nur lokal und an gewünschter Stelle statt.

Bezugszeichen

2

elektrische Maschine

4

Rotorwelle

6

Lagerung

8

Lagerung

10

Gehäuse

11

Verzahnung

12

Statorblechpaket

14

Statorwicklung

16

Luftspalt

18

Rotorblechpaket

20

Metallstab

22

Verschraubung

24

Kappe

26

Zwischenwelle

28

Steg

29

Aussparungen

30

Zwischenraum

32

Lüfterrad

34

Blechring

36

Wärmetauscher

38

Kühlrippe

40

Gehäuseteil

42

Deckel

44

Kühlrohr

46

Steg

48

Kühlrohr

50

Lagerung

52

Kappe

54

Lüftereinrichtung

56

Innenring

58

Verzahnung

60

Außenring

62

Verzahnung

64

Flügel

66

Kühlwanne

68

Verschraubung

70

Kühlrohr

72

Kühler

Claims

1. Elektrische Maschine (2) mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden, drehbar gelagerten Rotor, der ein Rotorblechpaket (18) und eine mit dem Rotorblechpa ket (18) drehfest verbundene Rotorwelle (4) aufweist, da durch gekennzeichnet, daß ein Wärmetau scher (36) zur Kühlung eines in der Maschine (2) verwende ten Kühlmediums in die elektrische Maschine (2) integriert ist.

2. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung des Kühlme diums in Kanälen mit großen Querschnitten erfolgt und der Wärmetauscher (36) in einem Kanal davon angeordnet ist.

3. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetau scher (36) Kühlrohre (44, 48) aufweist, die den Stator um geben.

4. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (44, 48) im Wärmetauscher (36) zur Wärmeübertragung mit Kühlrippen (38) in Verbindung stehen.

5. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (38) in einem separaten Bauteil angeordnet sind, das in Form einer Kühlwanne (66) an die elektrische Maschine (2) montierbar ist.

6. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (38) in einem separaten Bauteil (72) in einer Kühlwanne (66) ange ordnet sind, die an die elektrische Maschine (2) montierbar ist.

7. Elektrische Maschine (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kühlrippen (38) Kühlrohre (70) vorgesehen sind.

8. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre (70) in den Kühlrippen (38) unter einem Winkel zu den Kühlrohren (44, 48) montiert sind, die den Stator umgeben.

9. Elektrische Maschine (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor hohl ausgebildet ist und einen der Kanäle bildet, in dem zwischen Rotorblechpaket (18) und Rotorwelle (4) das Kühlmedium hindurch geführt werden kann.

10. Elektrische Maschine (2) nach einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (34) zur Unterstützung einer drallfreien Führung des Kühlmediums vorgesehen sind.

11. Elektrische Maschine (2) nach einem der Ansprü che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium Luft ist.