WO2014005910A2 - Elektromaschine mit einem mit wirbelgeneratoren versehenen stator-lamellenpaket für eine integrierte kühlanordnung - Google Patents

Elektromaschine mit einem mit wirbelgeneratoren versehenen stator-lamellenpaket für eine integrierte kühlanordnung Download PDF

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WO2014005910A2
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stator
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vortex generators
flow
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Daniel Kuehbacher
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets

Definitions

  • the present invention relates to an electric machine with an integrated cooling arrangement and to a stator for such an electric machine.
  • Electric machines such as electric motors or generators are used for a wide variety of applications. For example,
  • a cooling fluid can be passed to walls of the electric machine along or through these walls to heat from the
  • Cooling fluid which has been passed through such a cooling channel and has thereby absorbed heat, can then release this heat, for example in a heat exchanger to the environment and then be passed back into the cooling channel. In this way, a closed cooling circuit can be formed.
  • the cooling channel is often formed helical or meandering in the electric machine housing, wherein the
  • Cooling fluid should be accelerated on the one hand in its flow, on the other hand, however, high flow resistance should be avoided.
  • Cooling arrangements can often be met only insufficient, since, for example, for cooling advantageous geometric structures in the
  • Electric machines are defined in the dependent claims. According to a first aspect of the invention, an electric machine with an integrated cooling arrangement is proposed, wherein the electric machine has a rotor, a stator enclosing the rotor and preferably a housing enclosing the stator.
  • the stator has a
  • Disk pack on, or is formed by such a disk set the disk set is composed of a plurality of juxtaposed slats.
  • the electric machine is characterized in that radially outside the stator, i. For example, between the stator and the housing, a flow space is provided, through which a cooling fluid can flow, wherein of at least some of the fins of the disk set so-called vortex generators in the
  • These vortex generators are like that are configured to generate turbulence in a fluid flowing through the flow gap.
  • a stator for a stator for a stator
  • stator has a disk set, which consists of a plurality of juxtaposed slats
  • the stator has vortex generators which protrude radially outward from at least some of the fins of the fin package.
  • the cooling fluid can come into direct thermal contact with the lamellae of the lamellae packages forming the stator and thus ensure an efficient discharge of the heat released there.
  • the cooling fluid guided along the stator should be mixed as precisely as possible in order to be able to mix cooler outer layers of the cooling fluid with hot layers on the surface to be cooled. In this case, the flow resistance that the cooling fluid experiences should be increased as little as possible.
  • Vortex generators can be formed by regions of the stator-forming plate pack, the projecting from individual lamellae radially outwardly in the flow space between the stator and the
  • Vortex generators (sometimes referred to as longitudinal vortex generator, LVG,) can be the cooling fluid that flows directly on the outside of the
  • Statorlamellenpers is performed, selectively circulated and mixed.
  • a vortex generator generates turbulences in the direction of flow of the cooling fluid, as a result of which colder external fluid layers are swirled into warmer fluid layers adjoining the stator surface.
  • a large increase in the heat transfer can be achieved, while the pumping costs increase only slightly.
  • the cooling efficiency of a provided with such a cooling arrangement electric machine can be significantly improved and thus the possible continuous power of the electric machine can be increased.
  • Electric machine integrated cooling arrangement can be seen that the necessary for a turbulence of the cooling fluid vortex generators can be generated in a very simple manner that they are integrally formed on the fins of the stator laminations.
  • the stator of the electric machine typically consists of one or more disk packs arranged one behind the other, wherein each of the disk packs in turn consists of a multiplicity of lamellae stacked next to one another.
  • Each of the slats consists of a metallic thin sheet, which can be brought by simple manufacturing processes such as punching and bending in a desired shape.
  • the lamellae have an annular geometry, wherein an outer edge is circular and inwardly projecting webs are provided, around which, for example, wire windings for generating electric coils for the electric machine are wound.
  • the rotor of the electric machine In a central recess within the annular stator blades, the rotor of the electric machine
  • lamellae While in stators conventional electric machines all lamellae have a circular outer geometry, so that the stack of lamellae has a cylindrical surface, it is now proposed to provide at least some of the lamellae small areas that protrude beyond the circular outer edge of the lamella to the outside. These areas may serve as vortex generators in the stacked stator when installed in the enclosing housing, as they may protrude into a flow of the cooling fluid along the surface of the stator and locally fluidize that flow.
  • the projecting areas can be co-produced in a simple manner already during the punching of the slats. For this, the conventional need
  • vortex generators can only project directly radially outward from an associated lamella. However, it has been found that it can be advantageous to the generation of vortex, when the vortex generators project obliquely against a flow direction of the fluid in the flow space between the stator and the housing. In other words, a furthest protruding portion of a vortex generator should oppose the
  • An angle of attack of such an obliquely arranged vortex generator may, for example, in the range of 10 ° to 60 ° relative to the direction of flow of the cooling fluid.
  • the vortex generators may be tapered in a direction toward the housing surrounding the stator.
  • the vortex generators may be at a radially inner and at the circular Slat adjacent base wider than in a more radially outward area.
  • the vortex generators may be triangular with a radially outwardly directed tip or partially circular outwardly projecting.
  • the vortex generators may have a through opening in a region of a base adjacent to an associated fin.
  • the vortex generators need not be formed over the entire surface, but it may be provided one or more openings through which parts of the cooling fluid can flow closer to the adjacent stator. In this way, on the one hand a good mixing of the
  • Two vortex generators adjacent to one another in the longitudinal direction of the disk pack can have a certain distance from one another, which may be greater than a thickness of a disk and preferably a multiple, for example more than 10 times, more preferably more than 50 times, this disk thickness.
  • a vortex generator can only fulfill its function of generating turbulence satisfactorily if the fluid impinging on the vortex generator could previously flow over a certain free inflow path.
  • a vortical generator should not be formed on each disk of the disk pack or, in the case where a vortical generator is formed on each disk of the disk pack, adjacent disks should be circumferentially staggered to prevent each other outwardly projecting and acting as a vortex generator areas of adjacent lamellae are arranged such that they directly adjacent to each other in the longitudinal direction of the disk set and aligned and thus no distance between these vortex generators remains, which could serve as Anströmux for the cooling fluid.
  • a lamella can have a recess radially inwardly of a vortex generator which is formed integrally on the lamella.
  • This recess may for example have a surface which larger than the area of the vortex generator itself.
  • the recess can be produced by punching out a portion projecting beyond the circular outer circumference and serving as a vortex generator, as in the example described above, during the punching process while punching the blade with a purely circular
  • subsequent bending step can be bent outward so that it can serve as outwardly projecting vortex generator.
  • the flow gap can be formed meander-shaped along an outer surface of the disk set of the stator to be able to increase flow gap formed cooling arrangement and thus to ensure good heat dissipation by the cooling fluid.
  • the vortex generators can preferably be arranged in the meander-shaped flow-through gap in regions in which the fluid flows substantially perpendicular to a plane of the laminations. In other words, for example, by
  • Cooling fluid are guided meandering along the surface of the stator, wherein the meandering form formed by the webs should be designed so that a flow direction of the cooling fluid over long areas in the longitudinal direction of the stator, that is perpendicular to the individual slats, aligned so that the vortex generators projecting outwards from the individual lamellae can provide the most efficient possible turbulence of the fluid flowing through. It should be noted that possible benefits and characteristics of
  • FIG. 1 shows a perspective view of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a perspective partial view of a stator according to the invention.
  • FIG. 3 shows in a two-dimensional representation a plan view of a stator according to the invention.
  • FIG. 4 shows plan views of various embodiments of FIG.
  • Vortex generators on lamellae of a stator according to the invention Vortex generators on lamellae of a stator according to the invention.
  • Figures 5 and 6 show plan views of alternative embodiments for vortex generators on lamellae of a stator according to the invention.
  • Figure 1 shows an electric machine 1 with a rotor 3, a stator 5 and a housing 7.
  • rotor 3 In the rotor 3 are along a cylindrical
  • outside perimeter permanent magnets 9 was added.
  • the stator 5 which also has a cylindrical outer periphery, recesses are provided inwardly, which are separated by webs 11 in the circumferential direction from each other.
  • windings of a coil forming electrical conductor (not shown in Figure 1) may be included, by means of which a time-varying magnetic field can be generated to To exert forces on the received in the rotor 3 permanent magnets 9 and thus to enable the rotor 3 relative to the stator 5 in a rotating movement.
  • a flow gap 16 is provided between an outer surface 15 of the stator 5 and the housing 7 surrounding the stator. This flow gap 16 is subdivided into individual regions by walls 17 running in the longitudinal direction of the electric machine 1, so that a gaseous or liquid cooling fluid flowing through the flow gap 16 can be meandered along the surface 15 of the stator by means of the walls 17.
  • Vortex generators 19 are provided, which protrude into the flow gap 16.
  • the stator 5 consists of a plurality of fins 21.
  • Each of the fins 21 consists of a thin metal sheet with
  • the individual lamellae 21 in this case have substantially the same geometry and are arranged stacked next to one another in alignment with one another, so that they form lamella packages, from which in turn the stator 5 can be assembled. At some or preferably all of the lamellae 21, an outwardly projecting area serving as a vortex generator 19 may be integrally formed.
  • the vortex generator 19 is already formed when punching the fins 21, so that its production brings little additional effort with it.
  • Cooling fluid can in a flow direction 23, for example, first coming from a heat exchanger, for example, flow into a flow gap 16, as shown in Figure 3 top left.
  • the cooling fluid is guided meander-shaped along the surface of the stator 5, wherein the flow direction 23 extends in many areas perpendicular to the extension planes of the fins 21 of the stator 5. After the cooling fluid could absorb heat from the stator 5, it finally flows out of the flow gap 16, as shown in Figure 3 bottom right.
  • each of the lamellae 21 has a vortex generator 19, wherein the individual lamellae 21 are arranged offset in their circumferential direction 35 to each other so that between some arranged in the longitudinal direction 37 vortex generators 19 some fins 21 are arranged at in which no projecting region is provided at the corresponding position, so that the fluid flowing through receives a sufficiently long free flow path before it encounters a vortex generator 19.
  • Anströmux here, for example, be greater than twice the Abrag God the vortex generators 19. While this is shown only schematically in FIG. 3, with lamination stacks of real stators, with a sheet thickness of, for example, 0.3 millimeters, ten to seventy fins can be provided between two vortex generators 19 adjacent in the longitudinal direction, in order to ensure a sufficiently long free inflow path.
  • the required spacing of adjacent vortex generators 19 can also be achieved by stacking different lamellae 21 into a lamella packet, wherein some of the lamellae have outwardly projecting vortex generators and others therebetween lying slats have no such areas. For example, in the intervening fins, these areas may be removed after the initial punching.
  • FIG 4 different geometries of vortex generators 19 are shown. As shown in Figures 4 a, c, d, f, the
  • Whirl generators 19 be formed over its entire surface with a triangular, semicircular or rectangular geometry.
  • a passage opening 25 is provided in the region of a base on which the vortex generator 19 adjoins the associated fin. Through this passage opening 25 cooling fluid can flow in the vicinity of the surface of the stator 5 and cool it well, with the surrounding areas of the vortex generator 19 can provide for efficient turbulence of the cooling fluid.
  • Vortex generators 19 provided lamella 21.
  • a lamella 21 has a recess 29, 33 radially inside a vortex generator 19, which is formed integrally on the lamella.
  • This recess 29, 33 can, as shown in Figures 5 a, 6 a, arise from the fact that already during punching of the lamella 21 within the circular outer periphery lying region 27, 31 of suitable geometry is punched with, so that a radially outward adjacent thereto area can then be selectively bent outwardly and then act as a vortex generator 19 in the flow gap protruding.
  • slats 21 can be achieved that all the slats of the stator 5 can be formed punching in the same way, but only in some of the slats then the vortex generator 19 forming areas are bent outwards, so that for a sufficient distance between longitudinally adjacent stator 5
  • Vortex generators 19 and thus can be provided for a sufficient inflow.

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Abstract

Es wird eine Elektromaschine (1) und ein für diese geeigneter Stator (5) vorgeschlagen, bei denen zwischen dem Stator (5) und vorzugsweise einem umschließenden Gehäuse (7) ein Durchflusszwischenraum (16) vorgesehen ist, durch den Kühlfluid strömen kann. Der Stator (5) besteht dabei aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen (21), von denen radial nach außen in den Durchflusszwischenraum (16) Wirbelgeneratoren (19) abragen. Diese Wirbelgeneratoren (19) können bereits beim Stanzen der Lamellen (21) mit ausgebildet werden und für eine gute Verwirbelung des Kühlfluids und damit für eine erhöhte Kühlwirkung sorgen.

Description

Beschreibung Titel
Elektromaschine mit einem mit Wirbelgeneratoren versehenen Stator- Lamellenpaket für eine integrierte Kühlanordnung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine mit einer integrierten Kühlanordnung sowie einen Stator für eine solche Elektromaschine.
Stand der Technik
Elektromaschinen wie beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren werden für vielfältigste Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise werden
Elektromaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das Fahrzeug als Motor anzutreiben oder um kinetische Energie als Generator in elektrische Energie zu rekuperieren.
Insbesondere Elektromaschinen mit hoher Dauerleistungsdichte, wie sie für Anwendungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, müssen aktiv gekühlt werden. Hierzu kann ein Kühlfluid an Wänden der Elektromaschine entlang oder durch diese Wände hindurch geleitet werden, um Wärme aus der
Elektromaschine aufnehmen und abführen zu können.
Um das Kühlfluid, wie beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, gezielt derart durch die Elektromaschine leiten zu können, dass eine möglichst effiziente Kühlung stattfinden kann, werden herkömmlich meist in einem Gehäuse der
Elektromaschine geeignete Kühlkanäle vorgesehen, um das Kühlfluid zu führen. Kühlfluid, welches durch einen solchen Kühlkanal geführt wurde und dabei Wärme aufgenommen hat, kann diese Wärme anschließend beispielsweise in einem Wärmetauscher an die Umgebung abgeben und dann zurück in den Kühlkanal geleitet werden. Auf diese Weise kann ein geschlossener Kühlkreislauf gebildet werden. Um einen Wärmeübergang von der Elektromaschine auf das Kühlfluid einerseits zu verbessern und andererseits eine notwendige Pumpleistung zum Fördern des Kühlfluids in Grenzen halten zu können, wird der Kühlkanal häufig helixförmig oder mäanderförmig in dem Elektromaschinengehäuse ausgebildet, wobei das
Kühlfluid einerseits in seiner Strömung beschleunigt werden sollte, andererseits jedoch hohe Strömungswiderstände vermieden werden sollten.
Es wurde beobachtet, dass die geschilderten, teilweise gegenläufigen
Anforderungen an eine Elektromaschinenkühlung mit herkömmlichen
Kühlungsanordnungen oft nur unzureichend erfüllt werden können, da beispielsweise zur Kühlung vorteilhafte geometrische Strukturen in dem
Elektromaschinengehäuse häufig nur mit komplexen Herstellungsverfahren und somit teuer erzeugbar sind, was eine wirtschaftliche Anwendung solcher Kühlungsanordnungen oft verhindert.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen
beansprucht ist, ermöglicht eine effiziente Kühlung einer Elektromaschine bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellbarkeit der hierfür verwendeten
Kühlanordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Elektromaschine sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Elektromaschine mit einer integrierten Kühlanordnung vorgeschlagen, wobei die Elektromaschine einen Rotor, einen den Rotor umschließenden Stator sowie vorzugsweise ein den Stator umschließendes Gehäuse aufweist. Der Stator weist dabei ein
Lamellenpaket auf, beziehungsweise wird von einem solchen Lamellenpaket gebildet, wobei das Lamellenpaket aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen zusammengesetzt ist. Die Elektromaschine zeichnet sich dadurch aus, dass radial außerhalb des Stators, d.h. beispielsweise zwischen dem Stator und dem Gehäuse, ein Durchflusszwischenraum vorgesehen ist, durch den ein Kühlfluid strömen kann, wobei von zumindest einigen der Lamellen des Lamellenpakets so genannte Wirbelgeneratoren in den
Durchflusszwischenraum hineinragen. Diese Wirbelgeneratoren sind derart ausgebildet, dass sie in einem durch den Durchflusszwischenraum fließenden Fluid Verwirbelungen erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Stator für eine
Elektromaschine vorgeschlagen, wobei der Stator ein Lamellenpaket aufweist, welches aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen
zusammengesetzt ist. Der Stator weist Wirbelgeneratoren auf, die von zumindest einigen der Lamellen des Lamellenpakets radial nach außen abragen.
Ideen und Erkenntnisse zu der vorliegend vorgeschlagenen Elektromaschine können unter anderem darin gesehen werden, dass erkannt wurde, dass eine gezielte Führung und Durchmischung von Kühlfluid durch Strukturen, die innerhalb eines Gehäuses einer Elektromaschine vorgesehen werden, häufig schwierig zu erzielen sind. Stattdessen kann ein Kühlfluid jedoch durch einen Zwischenraum hindurchgeführt werden, der zwischen dem Stator der
Elektromaschine und dem diesen Stator umschließenden Gehäuse vorgesehen wird. Das Kühlfluid kann dabei in direkten thermischen Kontakt mit den Lamellen der den Stator bildenden Lamellenpakete kommen und so für ein effizientes Abführen der dort frei werdenden Wärme sorgen.
Dabei wurde beobachtet, dass das an dem Stator entlang geführte Kühlfluid möglichst gezielt durchmischt werden sollte, um kühlere äußere Schichten des Kühlfluids mit warmen Schichten an der zu kühlenden Oberfläche durchmischen zu können. Hierbei sollte der Strömungswiderstand, den das Kühlfluid erfährt, möglichst wenig erhöht werden.
Es wurde erkannt, dass eine solche Durchmischung des Kühlfluids vorteilhaft durch so genannte Wirbelgeneratoren bewirkt werden kann. Die
Wirbelgeneratoren können dabei durch Bereiche des den Stator bildenden Lamellenpakets gebildet werden, die von einzelnen Lamellen radial nach außen abragend in den Durchflusszwischenraum zwischen dem Stator und dem
Gehäuse hineinragen.
Mithilfe dieser Wirbelgeneratoren kann beispielsweise vermieden werden, dass sich aufgrund einer geringen Reynolds-Zahl infolge einer hohen Viskosität von beispielsweise als Kühlfluid verwendetem Öl eine gleichmäßig geschichtete Strömung entlang der Oberfläche des Stators ausbildet, die sich durch einen geringen Wärmeaustausch quer zur Strömungsrichtung auszeichnet. Eine solche gleichmäßig geschichtete Strömung würde zu geringer Kühleffizienz führen, weil das Kühlfluid direkt an der benetzten Oberfläche des Stators schnell erwärmt würde und damit kaum weitere Wärmeenergie aufnehmen kann, während außerhalb einer an der Statoroberfläche anliegenden Grenzschicht sehr viel kälteres Fluid verfügbar wäre, welches jedoch nicht in ausreichenden
thermischen Kontakt mit der Statoroberfläche gelangt.
Mithilfe der hierin vorgeschlagenen in die Kühlanordnung integrierten
Wirbelgeneratoren (teilweise auch als longitudinal vortex Generator, LVG, bezeichnet) kann das Kühlfluid, das direkt auf der Außenseite des
Statorlamellenpakets geführt wird, gezielt umgewälzt und vermischt werden. Ein Wirbelgenerator erzeugt dabei Verwirbelungen in Strömungsrichtung des Kühlfluids, wodurch kältere außen liegende Fluidschichten in wärmere, an der Statoroberfläche angrenzende Fluidschichten verwirbelt werden. Dadurch kann eine starke Erhöhung des Wärmeübergangs erzielt werden, während der Pumpaufwand nur geringfügig ansteigt. Insgesamt kann die Kühleffizienz bei einer mit einer solchen Kühlanordnung versehenen Elektromaschine erheblich verbessert und somit die mögliche Dauerleistung der Elektromaschine gesteigert werden.
Ein weiterer möglicher Vorteil der hierin vorgeschlagenen in eine
Elektromaschine integrierten Kühlanordnung kann darin gesehen werden, dass die für eine Verwirbelung des Kühlfluids notwendigen Wirbelgeneratoren in sehr einfacher Weise dadurch erzeugt werden können, dass sie einstückig an den Lamellen des den Stator bildenden Lamellenpakets angeformt werden.
Der Stator der Elektromaschine besteht typischerweise aus einem oder mehreren hintereinander angeordneten Lamellenpaketen, wobei jedes der Lamellenpakete wiederum aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen besteht. Jede der Lamellen besteht dabei aus einem metallischen dünnen Blech, das durch einfache Fertigungsprozesse wie zum Beispiel ein Stanzen und Biegen in eine gewünschte Form gebracht werden kann.
Herkömmlich weisen dabei die Lamellen eine ringförmige Geometrie auf, wobei ein äußerer Rand kreisförmig ist und nach innen ragend Stege vorgesehen sind, um die beispielsweise Drahtwicklungen zur Erzeugung von elektrischen Spulen für die Elektromaschine gewickelt sind. In einer zentralen Ausnehmung innerhalb der ringförmigen Statorlamellen kann der Rotor der Elektromaschine
aufgenommen sein.
Während bei Statoren herkömmlicher Elektromaschinen alle Lamellen eine kreisförmige Außengeometrie aufweisen, sodass der Stapel von Lamellen eine zylinderförmige Mantelfläche aufweist, wird nun vorgeschlagen, zumindest an einigen der Lamellen kleine Bereiche vorzusehen, die über den kreisförmigen Außenrand der Lamelle nach außen abragen. Diese Bereiche können bei dem stapelnd zusammengesetzten Stator nach Einbau in das umschließende Gehäuse als Wirbelgeneratoren dienen, da sie in eine Strömung des Kühlfluids entlang der Oberfläche des Stators hineinragen und diese Strömung lokal verwirbeln können.
Die abragenden Bereiche können dabei in einfacher Weise schon beim Stanzen der Lamellen miterzeugt werden. Hierfür brauchen die herkömmlichen
Stanzwerkzeuge lediglich geringfügig modifiziert werden. Wenn allen Lamellen die abragenden Bereiche aufweisen, um z.B. mit einem einzigen Stanzwerkzeug auszukommen, können, um die notwendigen Zwischenräume zwischen den Wirbelgeneratoren zu erhalten, überflüssige abragende Bereiche vor oder nach dem Zusammenfügen der Statorlamellen entfernt werden.
Generell können Wirbelgeneratoren lediglich direkt radial nach außen von einer zugehörigen Lamelle abragen. Es wurde jedoch erkannt, dass es sich vorteilhaft auf die Wirbelerzeugung auswirken kann, wenn die Wirbelgeneratoren schräg entgegen einer Strömungsrichtung des Fluids in den Durchflusszwischenraum zwischen dem Stator und dem Gehäuse hineinragen. Mit anderen Worten sollte ein am weitesten abragender Bereich eines Wirbelgenerators gegen die
Durchströmrichtung des Fluids ausgerichtet sein. Ein Anstellwinkel eines derart schräg angeordneten Wirbelgenerators kann beispielsweise im Bereich von 10° bis 60° gegenüber der Anströmrichtung des Kühlfluids liegen.
Die Wirbelgeneratoren können in einer Richtung hin zu dem den Stator umgebenden Gehäuse verjüngend ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Wirbelgeneratoren an einer radial innen liegenden und an die kreisförmige Lamelle angrenzenden Basis breiter sein als in einem weiter radial außen liegenden Bereich. Beispielsweise können die Wirbelgeneratoren dreieckig mit einer radial nach außen gerichteten Spitze sein oder teilkreisförmig nach außen abragend ausgebildet sein.
Ferner können die Wirbelgeneratoren in einem Bereich einer an einer zugehörigen Lamelle angrenzenden Basis eine Durchgangsöffnung aufweisen. Mit anderen Worten brauchen die Wirbelgeneratoren nicht vollflächig ausgebildet zu sein, sondern es können eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein, durch die Teile des Kühlfluids näher an dem angrenzenden Stator vorbeiströmen können. Auf diese Weise kann einerseits eine gute Durchmischung des
Kühlfluids und andererseits eine gute Wärmeübergabe von dem Stator an das Kühlfluid bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand erreicht werden.
Zwei in Längsrichtung des Lamellenpakets benachbarte Wirbelgeneratoren können dabei einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, der beispielsweise größer als eine Dicke einer Lamelle und vorzugsweise ein Vielfaches, beispielsweise ein mehr als 10-faches, stärker bevorzugt ein mehr als 50-faches, dieser Lamellendicke betragen kann. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass ein Wirbelgenerator seine Funktion der Wirbelerzeugung meist nur dann zufrieden stellend erfüllen kann, wenn das auf den Wirbelgenerator auftreffende Fluid zuvor über eine gewisse freie Anströmstrecke anströmen konnte.
Dementsprechend sollten bei einem Lamellenpaket entweder nicht an jeder Lamelle des Lamellenpakets ein Wirbelgenerator ausgebildet sein oder für den Fall, dass an jeder Lamelle des Lamellenpakets ein Wirbelgenerator ausgebildet ist, sollten benachbarte Lamellen in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet werden, um auf diese Weise zu verhindern, dass nach außen abragende und als Wirbelgenerator wirkende Bereiche von benachbarten Lamellen derart angeordnet sind, dass sie in Längsrichtung des Lamellenpakets direkt aneinander angrenzen und miteinander fluchten und somit kein Abstand zwischen diesen Wirbelgeneratoren verbleibt, der als Anströmstrecke für das Kühlfluid dienen könnte.
In einer speziellen Ausgestaltung kann eine Lamelle radial innerhalb zu einem an der Lamelle einstückig ausgebildeten Wirbelgenerator eine Ausnehmung aufweisen. Diese Ausnehmung kann beispielsweise eine Fläche aufweisen, die größer ist als die Fläche des Wirbelgenerators selbst. Die Ausnehmung kann dadurch erzeugt werden, dass, anstatt wie bei dem oben beschriebenen Beispiel direkt beim Stanzen der Lamelle einen über den kreisförmigen Außenumfang überstehenden und als Wirbelgenerator dienenden Bereich mit auszustanzen, während des Stanzprozesses eine Lamelle zwar mit einem rein kreisförmigen
Außenumfang ausgestanzt wird, allerdings zusätzlich ein weiter radial innen liegender Bereich auch frei gestanzt wird, sodass ein zwischen diesem frei gestanzten Bereich und dem kreisförmigen Außenumfang der Lamelle verbleibender Bereich des die Lamelle bildenden Bleches in einem
nachfolgenden Biegeschritt derart nach außen gebogen werden kann, dass er als nach außen abragender Wirbelgenerator dienen kann.
Um eine Durchflussgeschwindigkeit des Kühlfluids durch die von dem
Durchflusszwischenraum gebildete Kühlanordnung erhöhen zu können und somit für einen guten Wärmeabtransport durch das Kühlfluid sorgen zu können, kann der Durchflusszwischenraum mäanderförmig entlang einer Außenoberfläche des Lamellenpakets des Stators ausgebildet sein. Die Wirbelgeneratoren können dabei vorzugsweise in dem mäanderförmigen Durchflusszwischenraum in Bereichen angeordnet sein, in denen das Fluid im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Lamellen strömt. Mit anderen Worten kann beispielsweise durch
Vorsehen geeigneter Stege zwischen dem Stator und dem Gehäuse das
Kühlfluid mäanderförmig entlang der Oberfläche des Stators geleitet werden, wobei die von den Stegen gebildete Mäanderform möglichst so ausgebildet sein sollte, dass eine Strömungsrichtung des Kühlfluids über weite Bereiche hin in Längsrichtung des Statorpakets, das heißt senkrecht zu den einzelnen Lamellen, ausgerichtet ist, so dass die von den einzelnen Lamellen flächig nach Außen abragenden Wirbelgeneratoren für eine möglichst effiziente Verwirbelung des durchströmenden Fluids sorgen können. Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Merkmale von
Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf die
vorgeschlagene Elektromaschine, teilweise mit Bezug auf einen geeigneten Stator und teilweise mit Bezug auf ein Herstellungsverfahren für diese
Komponenten beschrieben ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und gegebenenfalls zu Synergieeffekten zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind. Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Elektromaschine.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Stators. Figur 3 zeigt in zweidimensionaler Darstellung eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Stator.
Figur 4 zeigt Draufsichten auf verschiedene Ausgestaltungen von
Wirbelgeneratoren an Lamellen eines erfindungsgemäßen Stators.
Figuren 5 und 6 zeigen Draufsichten auf alternative Ausgestaltungen für Wirbelgeneratoren an Lamellen eines erfindungsgemäßen Stators.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Elektromaschine 1 mit einem Rotor 3, einem Stator 5 und einem Gehäuse 7. In dem Rotor 3 sind entlang eines zylindrischen
Außenumfangs Permanentmagnete 9 aufgenommen. In dem Stator 5, der ebenfalls einen zylindrischen Außenumfang hat, sind nach innen Ausnehmungen vorgesehen, die durch Stege 11 in Umfangsrichtung voneinander getrennt sind. In den Ausnehmungen können Wicklungen eines eine Spule bildenden elektrischen Leiters ( in Figur 1 nicht dargestellt) aufgenommen sein, mithilfe derer ein zeitlich variierendes magnetisches Feld erzeugt werden kann, um Kräfte auf die in dem Rotor 3 aufgenommenen Permanentmagnete 9 auszuüben und damit den Rotor 3 relativ zu dem Stator 5 in eine drehende Bewegung versetzen zu können. Zwischen einer Außenoberfläche 15 des Stators 5 und dem den Stator umgebenden Gehäuse 7 ist ein Durchflusszwischenraum 16 vorgesehen. Dieser Durchflusszwischenraum 16 ist durch in Längsrichtung der Elektromaschine 1 verlaufende Wände 17 in einzelne Bereiche unterteilt, sodass ein durch den Durchflusszwischenraum 16 strömendes gasförmiges oder flüssiges Kühlfluid mithilfe der Wände 17 mäanderförmig entlang der Oberfläche 15 des Stators geführt werden kann.
Um in dem durch den Durchflusszwischenraum 16 fließenden Fluid
Verwirbelungen zu erzeugen, sind von dem Stator 5 ausgehend
Wirbelgeneratoren 19 vorgesehen, die in den Durchflusszwischenraum 16 hineinragen.
Wie in Figur 2 dargestellt, besteht der Stator 5 aus einer Mehrzahl von Lamellen 21. Jede der Lamellen 21 besteht aus einem dünnen Metallblech mit
beispielsweise einer Dicke von 0,3 Millimetern. Die einzelnen Lamellen 21 weisen dabei im Wesentlichen alle die gleiche Geometrie auf und sind fluchtend zueinander nebeneinander gestapelt angeordnet, sodass sie Lamellenpakete bilden, aus denen wiederum der Stator 5 zusammengesetzt werden kann. An einigen oder vorzugsweise allen der Lamellen 21 kann ein nach außen abragender und als Wirbelgenerator 19 dienender Bereich einstückig angeformt sein. Der Wirbelgenerator 19 wird dabei bereits beim Stanzen der Lamellen 21 mit ausgebildet, sodass seine Fertigung kaum zusätzlichen Aufwand mit sich bringt.
Damit der Wirbelgenerator 19 für eine möglichst gute Verwirbelung des in einer Strömungsrichtung 23 strömenden Kühlfluids sorgen kann, ist er schräg entgegen der Strömungsrichtung 23 angeordnet. In Figur 3 ist eine zweidimensionale abgewickelte Ansicht der zylindrischen
Außenoberfläche 15 des Stators 5 schematisch dargestellt. Kühlfluid kann in einer Strömungsrichtung 23 zunächst zum Beispiel von einem Wärmetauscher kommend in einen Durchflusszwischenraum 16 einströmen, wie in Figur 3 links oben gezeigt. Durch Wände 17 wird das Kühlfluid mäanderförmig entlang der Oberfläche des Stators 5 geleitet, wobei die Strömungsrichtung 23 in weiten Bereichen senkrecht zu Erstreckungsebenen der Lamellen 21 des Stators 5 verläuft. Nachdem das Kühlfluid dabei Wärme von dem Stator 5 absorbieren konnte, strömt es letztendlich aus dem Durchflusszwischenraum 16 aus, wie in Figur 3 rechts unten dargestellt.
Um das Kühlfluid während des Durchströmens des Durchflusszwischenraums 16 effizient zu verwirbeln und damit für eine gute Durchmischung von bereits erwärmten mit noch kühlen Anteilen des Kühlfluids zu sorgen, sind eine Vielzahl von Wirbelgeneratoren 19 vorgesehen. Bei dem in Figur 3 dargestellten Beispiel weist dabei jede der Lamellen 21 einen Wirbelgenerator 19 auf, wobei die einzelnen Lamellen 21 in ihrer Umfangsrichtung 35 derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass zwischen zwei in Längsrichtung 37 benachbart angeordneten Wirbelgeneratoren 19 einige Lamellen 21 angeordnet sind, bei denen an der entsprechenden Position kein abragender Bereich vorgesehen ist, sodass das durchströmende Fluid eine ausreichend lange freie Anströmstrecke erhält, bevor es auf einen Wirbelgenerator 19 trifft. Die Länge„d" der
Anströmstrecke kann hierbei beispielsweise größer als zweimal die Abraghöhe der Wirbelgeneratoren 19 sein. Während dies in Figur 3 lediglich schematisch dargestellt ist, können bei Lamellenpaketen realer Statoren bei einer Blechdicke von beispielsweise 0,3 Millimetern zehn bis siebzig Lamellen zwischen zwei in Längsrichtung benachbarten Wirbelgeneratoren 19 vorgesehen sein, um für eine ausreichend lange freie Anströmstrecke zu sorgen.
Alternativ zu einem Versetzen in Umfangsrichtung von gleich ausgebildeten Lamellen und den daran angeordneten Wirbelgeneratoren kann die benötigte Beabstandung von benachbarten Wirbelgeneratoren 19 auch dadurch erreicht werden, dass unterschiedliche Lamellen 21 zu einem Lamellenpaket gestapelt werden, wobei einige der Lamellen nach außen abragende Wirbelgeneratoren aufweisen und andere dazwischen liegende Lamellen keine solchen Bereiche aufweisen. Beispielsweise können bei den dazwischen liegenden Lamellen diese Bereiche nach dem anfänglichen Stanzen entfernt werden. In Figur 4 sind unterschiedliche Geometrien von Wirbelgeneratoren 19 dargestellt. Wie in den Figuren 4 a, c, d, f dargestellt, können die
Wirbelgeneratoren 19 ganzflächig mit einer dreieckigen, halbrunden oder rechteckigen Geometrie ausgebildet sein. Bei den in den Figuren 4 b, e dargestellten Beispielen ist im Bereich einer Basis, an der der Wirbelgenerator 19 an die zugehörige Lamelle angrenzt, eine Durchgangsöffnung 25 vorgesehen. Durch diese Durchgangsöffnung 25 kann Kühlfluid in der Nähe der Oberfläche des Stators 5 strömen und diesen gut kühlen, wobei die umliegenden Bereiche des Wirbelgenerators 19 für eine effiziente Verwirbelung des Kühlfluids sorgen können.
In den Figuren 5 und 6 sind weitere Ausführungsformen einer mit
Wirbelgeneratoren 19 versehenen Lamelle 21 dargestellt. Wie in den Figuren 5 b und 6 b zu erkennen, weist dabei eine Lamelle 21 radial innerhalb eines an der Lamelle einstückig ausgebildeten Wirbelgenerators 19 eine Ausnehmung 29, 33 auf. Diese Ausnehmung 29, 33 kann, wie in den Figuren 5 a, 6 a dargestellt, dadurch entstehen, dass bereits beim Stanzen der Lamelle 21 ein innerhalb des kreisförmigen Außenumfangs liegender Bereich 27, 31 geeigneter Geometrie mit ausgestanzt wird, so dass ein radial nach außen daran angrenzender Bereich anschließend gezielt nach außen umgebogen werden kann und dann als Wirbelgenerator 19 in den Durchflusszwischenraum ragend wirken kann.
Mit einer solchen Ausgestaltung der Lamellen 21 kann erreicht werden, dass alle Lamellen des Stators 5 in gleicher Weise stanzend ausgebildet werden können, jedoch lediglich bei einigen der Lamellen anschließend die den Wirbelgenerator 19 bildenden Bereiche nach außen gebogen werden, so dass für einen ausreichenden Abstand zwischen in Längsrichtung benachbarten
Wirbelgeneratoren 19 und somit für eine ausreichende Anströmstrecke gesorgt werden kann.

Claims

Ansprüche
Elektromaschine (1 ) mit integrierter Kühlanordnung, wobei die
Elektromaschine (1 ) aufweist:
einen Rotor (3);
einen den Rotor (3) umschließenden Stator (5); wobei der Stator (5) ein Lamellenpaket aufweist, welches aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen (21 ) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
radial außerhalb des Stators (5) ein Durchflusszwischenraum (16) vorgesehen ist, durch den ein Kühlfluid strömen kann, und
von zumindest einigen der Lamellen (21 ) des Lamellenpakets
Wirbelgeneratoren (19) in den Durchflusszwischenraum (16) hineinragen, die in einem durchfließenden Fluid Verwirbelungen erzeugen.
Elektromaschine nach Anspruch 1 , wobei ein Wirbelgenerator (19) an einer der Lamellen (21 ) einstückig angeformt ist.
Elektromaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wirbelgeneratoren (19) schräg entgegen einer Strömungsrichtung (23) des Fluids in den
Durchflusszwischenraum (16) hineinragen.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der
Durchflusszwischenraum (16) mäanderförmig entlang einer
Außenoberfläche (15) des Lamellenpakets des Stators (5) ausgebildet ist.
Elektromaschine nach Anspruch 4, wobei die Wirbelgeneratoren (19) in dem mäanderförmigen Durchflusszwischenraum (16) in Bereichen angeordnet sind, in denen das Fluid im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Lamellen (21 ) strömt.
6. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die
Wirbelgeneratoren (19) in einer Richtung radial nach außen verjüngend ausgebildet sind.
7. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die
Wirbelgeneratoren (19) in einem Bereich einer an einer zugehörigen Lamelle (21 ) ansetzenden Basis eine Durchgangsöffnung (25) aufweisen. 8. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen zwei in
Längsrichtung (37) des Lamellenpakets benachbarten Wirbelgeneratoren (19) ein Abstand (d) von mehr als einer Dicke einer Lamelle (21 ) besteht.
9. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede Lamelle (21 ) des Lamellenpakets einen Wirbelgenerator (19) aufweist und wobei benachbarte Lamellen (21 ) in Umfangsrichtung (35) versetzt zueinander angeordnet sind.
10. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei nicht an jeder Lamelle (21 ) des Lamellenpakets ein Wirbelgenerator (19) ausgebildet ist.
1 1 . Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Lamelle (21 ) radial innerhalb zu einem an der Lamelle (21 ) einstückig ausgebildeten Wirbelgenerator (19) eine Ausnehmung (29, 33) aufweist.
12. Elektromaschine nach Anspruch 1 1 , wobei die Ausnehmung (29, 33) eine Fläche größer als die Fläche des Wirbelgenerators (19) aufweist.
13. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner aufweisend ein den Stator (5) umschließendes Gehäuse (7), wobei der
Durchflusszwischenraum (16) zwischen dem Stator (5) und dem Gehäuse (7) ausgebildet ist.
14. Stator (5) für eine Elektromaschine (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Stator (5) ein Lamellenpaket aufweist, welches aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen (21 ) zusammengesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (5) von zumindest einigen der Lamellen (21 ) des Lamellenpakets radial nach außen abragende Wirbelgeneratoren (19) aufweist.
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