AT513919B1 - Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung und elektrische Maschine mit dieser Anordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung (3), mit einem aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellten, ein- oder mehrteiligen Bauteil (5), das wenigstens bereichsweise einen elektromagnetischen Fluss (6) der Wicklung (3) führt und eine im Bereich dieser Flussführung vorgesehene Ausnehmung (7) aufweist, und mit einem ein- oder mehrteiligen, insbesondere metallischen Anschlussteil (8) gezeigt, das im Vergleich zum Bauteil (5) eine höhere mechanische Festigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit und/oder thermische Leitfähigkeit aufweist und in die Ausnehmung (7) des Bauteils (5) ragt. Um besondere thermische mechanische und/oder elektrische Eigenschaften zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Ausnehmung (7) das Bauteil (5) im Bereich seiner Flussführung durchdringt und dass das durch diese Ausnehmung (7) ragende Anschlussteil (8) eine das Bauteil (5) überbrückende mechanische, elektrische und/oder thermische Brücke ausbildet.

Description

österreichisches Patentamt AT513 919B1 2014-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betriff eine Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung, mit einem aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellten, ein- oder mehrteiligen Bauteil, das wenigstens bereichsweise einen elektromagnetischen Fluss der Wicklung führt und eine im Bereich dieser Flussführung vorgesehene Ausnehmung aufweist, und mit einem ein- oder mehrteiligen, insbesondere metallischen Anschlussteil, das im Vergleich zum Bauteil eine höhere mechanische Festigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit und/oder thermische Leitfähigkeit aufweist und in die Ausnehmung des Bauteils ragt.

[0002] Um die Spulen der aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellten Jochteile eine Klauenpolmaschine zu kühlen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt (DE 10 2009 021 703 A1) eine Tragscheibe aus Aluminium zwischen den Jochteilen einzusetzen. Diese Jochteile bilden hierzu Ausnehmungen aus, die im Führungsbereich seines elektromagnetischen Flusses vorgesehen sind. Ein thermischer Pfad zu einer Wärmesenke kann dadurch ausgebildet werden. Die Wärmesenke kann ein eine Kühlflüssigkeit führendes Rohr darstellen. Damit kann zwar die Kühlung der vergleichsweise schlecht wärmeleitenden Jochteile verbessert, eine effiziente Kühlung im Falle hoher Leistungsdichten jedoch nicht ermöglicht werden.

[0003] Des Weiteren ist es bekannt, bei Jochteilen aus einem Pulververbundwerkstoff (EP 1267471 B1) abgegrenzte Ausnehmungen für Kühlkanäle mit Kühlflüssigkeit vorzusehen. Damit kann eine verbesserte Kühlung des Jochteils erreicht werden. Trotz dieses vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwands kann damit jedoch eine entsprechende Kühlung, wie diese bei Erreichen hoher Leistungsdichten erforderlich ist, nicht gewährleistet werden.

[0004] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung mit, einen elektromagnetischen Fluss führenden Bauteilen konstruktiv derart zu verändern, dass selbst hohen Leistungsdichten standgehalten werden kann.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Ausnehmung das Bauteil im Bereich seiner Flussführung durchdringt und dass das durch diese Ausnehmung ragende Anschlussteil eine das Bauteil überbrückende mechanische, elektrische und/oder thermische Brücke ausbildet.

[0006] Obwohl die Ausnehmung das Bauteil im Bereich seiner elektromagnetischen Flussführung durchdringt, konnte keine wesentliche Störung der Flussführung festgestellt werden, was sich im Wesentlichen auf die isotrope Eigenschaft des aus weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellten Bauteils zurückführen lässt. Durch den sich dadurch ergebenden hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der Anordnung der Ausnehmung kann beispielsweise auch möglich werden, für eine erhöhte Wärmeableitung bzw. verbesserte Kühlung der Anordnung zu sorgen, indem das durch diese Ausnehmung ragende Anschlussteil eine das Bauteil überbrückende thermische Brücke ausbildet. Selbst ein durch das Bauteil abgeschotteter Bereich der Anordnung kann so vor einer unerwünscht hohen Erwärmung bewahrt werden, so dass mit der erfindungsgemäß verbesserten Kühlung auch besonders hohen Leistungsdichten standgehalten werden kann. Dies gilt insbesondere auch für eine durch das Bauteil abgeschottete Wicklung, die beispielsweise an einem Zahn des Bauteils befestigt von der Rückseite des Bauteils vergleichsweise schwer zugänglich bzw. zu kühlen sein kann. Außerdem kann diese durchdringende Ausnehmung auch für eine belastbare Verbindungsmöglichkeit zwischen den Teilen der Anordnung genutzt werden, indem das durch diese Ausnehmung ragende Anschlussteil eine das Bauteil überbrückende mechanische Brücke ausbildet. Das aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellte Bauteil kann dadurch nämlich entlastet und gleichzeitig auch am Anschlussteil besonders robust gelagert werden. Die von weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen bekannte und im Vergleich zu Blechpaketen meist verminderte mechanische Belastbarkeit des Bauteils spielt daher eine eher untergeordnete Rolle, wodurch eine mechanisch belastbare Anordnung trotz Verwendung von Verbundwerkstoffen geschaffen werden kann. Zudem kann das Anschlussteil auch als elektrische Brücke zur elektrischen Ver- 1 /10 österreichisches Patentamt AT513 919B1 2014-12-15 sorgung von elektrischen Verbrauchern herangezogen werden. Das Anschlussteil kann daher im Gegensatz zum Stand der Technik einen verbesserten Beitrag in Bezug auf thermische und mechanische Standfestigkeit der Anordnung bzw. zur vereinfachten Energieversorgung leisten und sich so von bekannten und konstruktiv vergleichsweise aufwendigen Maßnahmen zur Kühlung von Bauteilen aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff abheben.

[0007] Die Erfindung kann sich gegenüber dem Stand der Technik besonders auszeichnen, wenn das durch die Ausnehmung ragende Anschlussteil an der Wicklung mindestens bereichsweise angrenzt. Das Anschlussteil kann damit nämlich für eine direkte Wärmeableitung von der Wicklung zu einer Wärmesenke sorgen, ohne dass dadurch mit einer reduzierten Leistungsdichte der Anordnung gerechnet werden muss, was aufgrund einer vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit des Bauteils aufgrund des weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff zu befürchten ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann daher eine hohe konstruktive Freiheit in einer dreidimensionalen Flussführung durch das Bauteil selbst bei hohen Leistungsdichten erreicht werden, weil auch im Falle komplexer und kompakter Bauverhältnisse des flussführenden Bauteils eine ausreichende Kühlung der Anordnung gewährleistet werden kann.

[0008] Konstruktive Einfachheit am Anschlussteil kann sich ergeben, wenn das Anschlussteil einen Steg aufweist, der durch die Ausnehmung des Bauteils ragt.

[0009] Weist das Anschlussteil einen plattenförmigen Wärmeflusssammler auf, der an der Wicklung ansteht, kann mit dessen Hilfe Abwärme von der Wicklung vergleichsweise breit abgetragen und damit die Wicklung besonders gut gekühlt werden. Vorzugseiwese steht der Wärmeflusssammler am Wicklungsboden an. Durch diese vergleichsweise deutliche Reduktion der Erwärmung der Wicklung kann gewährleistete werden, dass bei gleichbleibender Temperatur an der Wicklung erhöhte Betriebsströme bzw. Stromdichten in das Bauteil eingeprägt werden können. Dies kann beispielsweise also dazu genutzt werden, die Leistung der Anordnung zu steigern.

[0010] Kompakte Bauverhältnisse bei der Anordnung können erzielt werden, wenn der plattenförmige Wärmeflusssammler in thermischem Anschlussverbund mit dem Steg des Anschlussteils steht, insbesondere an den Steg ansteht.

[0011] Durch die verhältnismäßig freie Positionierbarkeit der Ausnehmung am Bauteil kann sich auch die Möglichkeit eröffnen, dass das Bauteil wenigstens bereichsweise die elektrische Wicklung mindestens teilweise trägt. Erfindungsgemäß können so auch die dem Bauteil zugewandten Wicklungsteile ausreichend vom Anschlussteil gekühlt werden, wodurch nicht mit Nachteilen hinsichtlich einer eventuell reduzierten Leistungsdichte der Anordnung gerechnet werden muss.

[0012] Eine Sättigung im Bauteilbereich der Ausnehmung kann auf konstruktiv einfache Weise verhindert werden, wenn der durch die Ausnehmung in seiner magnetischen Führung beschränkte Führungsbereich des Bauteils gegenüber einem anderen Bauteil mit in diesem Bereich unbeschränkten Führungsbereich derart veränderte Abmessungen aufweist, dass in beiden Bereichen der Bauteile im Wesentlichen gleiche Flussdichten auftreten. So ist beispielsweise vorstellbar, die durch eine Ausnehmung reduzierte Querschnittsfläche seitlich der Ausnehmung vorzusehen, um damit keinen Flaschenhals in der Flussführung zu erzeugen. Wie bereits erwähnt, wirkt sich diese seitliche Materialerhöhung aufgrund des isotropen Aufbaus des Bauteils nicht negativ auf die Flussführung aus. Eine derartige seitliche Materialerhöhung kann beispielsweise durch Schultern am Bauteil realisiert werden.

[0013] Konstruktiv einfach können das Bauteil und das Anschlussteil miteinander stoffschlüssig verbunden sein. Insbesondere ein Gussmaterial kann sich für diesen stoffschlüssigen Verbund als Klebstoff anbieten.

[0014] Um hohen mechanischen, elektrischen und thermischen Anforderungen standhalten zu können, kann das Anschlussteil aus einem Vollmaterial bestehen. Insbesondere Aluminium kann sich hierfür auszeichnen, da dieses als vergleichsweise magnetisch schlecht leitender Werkstoff magnetische Kurzschlüsse vermeiden und für eine effiziente thermische Brücke zur 2/10 österreichisches Patentamt AT513 919B1 2014-12-15 Kühlung der Anordnung sorgen kann.

[0015] Besonders kann sich die erfindungsgemäße Anordnung auszeichnen, wenn diese bei elektrischen Maschinen Anwendung findet. So können Bauteil, Wicklung und Anschlussteil einem Stator zugehören bzw. Teile des Stators dieser elektrischen Maschine ausbilden, um hohe konstruktive Freiheit in der Flussführung sowie eine kompakte Bauweise trotz vergleichsweise hohen Leistungsdichten zu ermöglichen.

[0016] Vorteilhaft für einen Zusammenbau der elektrischen Maschine kann das Anschlussteil neben einer thermischen auch eine das Bauteil gegenüber anderen Statorteilen zentrierende mechanische Brücke ausbilden. Über ein Zusammenfügen des Anschlussteils mit dem flussführenden Bauteil kann nämlich die Lage des Bauteils reproduzierbar festgelegt werden, wodurch nicht nur engen Fertigungstoleranzen gefolgt wird. Diese zentrierende mechanische Brücke kann auch dafür genutzt werden, das Bauteil gegenüber dem Anschlussteil zu befestigen. Wird hierfür eine radiale Befestigung gewählt, kann auf konstruktiv einfache Weise ein belastbares Radiallager zwischen Bauteil und Anschlussteil ausgebildet werden.

[0017] Einfache Konstruktionsverhältnisse können sich ergeben, wenn das insbesondere mehrteilige Bauteil in das jochförmige Anschlussteil eingesetzt ist. Außerdem kann damit die Kühlung des Bauteils verbessert werden, indem das Anschlussteil als Wärmesenke verhältnismäßig großflächig an dem Bauteil anliegt. Die konstruktive Einfachheit kann noch weiter verbessert werden, indem das Bauteil wenigstens einen Zahn zum Tragen von Wicklungsteilen ausbildet.

[0018] In den Figuren ist beispielsweise der Erfindungsgegenstand anhand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen [0019] Fig. 1 eine teilweise aufgerissene Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel, [0020] Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der Fig. 1, [0021] Fig. 3 eine Schnittansicht der Fig. 1 nach lll-lll, [0022] Fig. 4 eine darstellende Vergleichsansicht zu Bauteilen mit und ohne durchdringender

Ausnehmung und [0023] Fig. 5 eine teilweise dargestellte Schnittansicht auf die erfindungsgemäße Anordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.

[0024] Nach den Figuren 1 und 2 wird beispielsweise eine Anordnung 1 als erstes Ausführungsbeispiel zu einem Stator 2 einer elektrischen Maschine dargestellt. Die Anordnung 1 weist eine Wicklung 3 auf, die als Zahnspulenwicklung mit Spulen 4 ausgeführt ist. Die Wicklung 3 prägt in ein mehrteiliges Bauteil 5 einen elektromagnetischen Fluss 6 ein. Das Bauteil 5 wir aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellt bzw. gepresst und eventuell noch wärmebehandelt. Dadurch kann erfindungsgemäß eine hohe konstruktive Freiheit in der dreidimensionalen Flussführung erreicht werden, wodurch im Vergleich zu Bauteilen mit Blechpaketen eine vergleichsweise kompakte Bauform erreicht werden kann. Für Kühlzwecke sind in das Bauteil 5 Ausnehmungen 7 eingebracht, die - durch die Kompaktheit des Bauteils bedingt -, auch im Bereich der Flussführung vorgesehen sind. In die Ausnehmung 7 ragt nun ein mehrteiliges Anschlussteil 8, das durch seine im Vergleich zum Bauteil 5 höhere thermische Leitfähigkeit vom Bauteil 5 Wärme zu einer Wärmesenke abführen kann. Um eine besonders effektive Kühlung der Anordnung 1 im Falle vergleichsweise hoher Leistungsdichten sicherstellen zu können, durchdringt diese Ausnehmung 7 das Bauteil 5 im Bereich der Flussführung des Bauteils 5, sodass ein durch diese Ausnehmung 7 ragendes Anschlussteil 8 eine das Bauteil 5 überbrückende thermische Brücke schafft. Über diese thermische Brücke kann nun von beiden Seiten des Bauteils 5 Wärme aufgenommen und auch abgeleitet werden - besonders dadurch, dass das Anschlussteil 8 aus einem Aluminiumvollmaterial besteht.

[0025] Das durch die Ausnehmung 7 ragende Anschlussteil 8 grenzt an der Wicklung 3 an, um damit die Wicklung 3 besonders vorteilhaft zu kühlen. Es kann erfindungsgemäß nämlich nun auch die Wärmesenke auf der Rückseite 9 des Stators 2 verbessert genützt werden, um einen 3/10 österreichisches Patentamt AT513 919B1 2014-12-15

Temperaturanstieg der Wicklung 3 zu kompensieren, weil das Anschlussteil 8 das Bauteil 5 thermisch überbrückt. Somit kann eine verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit des Bauteils 5 damit nicht mehr derart nachteilig zum Tragen kommen.

[0026] Das mehrteilige Anschlussteil 8 bildet einen durch die Ausnehmung 7 des Bauteils 5 ragenden Steg 10 aus, an den ein plattenförmiger Wärmeflusssammler 11 anschließt, was der Fig. 3 besser entnommen werden kann.

[0027] Der Wärmeflusssammler 11 steht an die Wicklung 3 an und steht somit dieser und dem Steg in einem thermischen Verbund.

[0028] Eine Spule 4 der Wicklung 3 ist um einen Zahn 13 des Bauteils 5 gewickelt, wodurch das Bauteil 5 die Wicklung 3 tragend aufnimmt. Neben konstruktiver Einfachheit ist dadurch auch eine besonders effiziente magnetische Flusseinprägung in das Bauteil 5 gewährleistet.

[0029] Indem das Bauteil 5 und das Anschlussteil 8 stoffschlüssig miteinander verbunden sind, ist ein mechanisch besonders belastbarer Verbund geschaffen. Gussmaterial zeichnet sich hierfür besonders aus - auch dann, wenn das mehrteilige Bauteil 5 in ein jochförmiges Anschlussteil 8 eingesetzt ist.

[0030] Nach Fig. 4 wird der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Bauteil 5 der Erfindung und einem aus dem Stand der Technik bekannten Bauteil 12 näher dargestellt. Vom erfindungsgemäßen mehrteiligen Bauteil 5 sind zwei Bauteilsegmente 14 und 15 dargestellt, die aneinandergereiht eine das Bauteil 5 durchdringende Ausnehmung 7 bilden. Diese Ausnehmung 7 ist im ebenfalls mehrteiligen aus dem Stand der Technik bekannten Bauteil 12 nicht zu erkennen. Die hier dargestellten, aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellten Bauteilsegmente 16 und 17 weisen daher keinen beschränkten Führungsbereich für den elektromagnetischen Fluss 6 auf.

[0031] Die Lage der Ausnehmung 7 im Bereich der Flussführung des elektromagnetischen Flusses 6 ist aufgrund des Bauteilwerkstoffs vergleichsweise unproblematisch - die eventuelle Sättigung aufgrund einer reduzierten Querschnittsfläche wird vermieden, indem den Bauteilsegmenten 14 und 15 randseitig Auskragungen 18 zugeordnet werden. Konstruktiv einfach Auskragungen 15 sind schulterförmig, der Kontur der Ausnehmung folgend, ausgebildet. Dadurch wird ermöglicht, dass ein durch die Ausnehmung 7 in seiner magnetischen Führung beschränkter Führungsbereich des Bauteils 5 gegenüber einem anderen Bauteil 12 mit in diesem Bereich unbeschränkten Führungsbereich derart veränderte Abmessungen aufweist, dass trotz Ausnehmung 7 dennoch in beiden Bereichen der Bauteile 5 und 12 im Wesentlichen gleiche Flussdichten auftreten.

[0032] Wie der Fig. 4 weiter zu erkennen, bilden die beiden Bauteile 5 und 12 mit Ihren Segmenten 14 und 15 bzw. 16 und 17 Zähne 13 bzw. 19 aus, um damit nicht näher dargestellte Spulen 4 der Wicklung 3 aufzunehmen.

[0033] Gemäß Fig. 5 ist beispielsweise eine Anordnung 20 als zweites Ausführungsbeispiel zu einer elektrischen Maschine dargestellt. Diese als Radialflussmaschine ausgeführte elektrische Maschine zeigt einem Stator 21 mit einem Anschlussteil 22, das durch eine durchdringende Ausnehmung 23 eines den magnetischen Fluss 6 führenden Bauteils 24 ragt. Damit wird die Spule 4 gekühlt, die um den Zahn 25 des Bauteils 24 gewickelt ist. Um eine breitflächige Kühlung der Spule 4 zu sicherzustellen, ist auch hier ein Wärmeflusssammler 26 als ein Teil des Anschlussteils 22 vorgesehen, der an die Spule 4 und den Steg 27 des Anschlussteils ansteht, um damit eine besonders effiziente thermische Brücke zu schaffen. 4/10

Claims (12)

1. österreichisches Patentamt AT513 919B1 2014-12-15 Patentansprüche 1. Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung (3), mit einem aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff hergestellten, ein- oder mehrteiligen Bauteil (5), das wenigstens bereichsweise einen elektromagnetischen Fluss (6) der Wicklung (3) führt und eine im Bereich dieser Flussführung vorgesehene Ausnehmung (7) aufweist, und mit einem ein- oder mehrteiligen, insbesondere metallischen Anschlussteil (8), das im Vergleich zum Bauteil (5) eine höhere mechanische Festigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit und/oder thermische Leitfähigkeit aufweist und in die Ausnehmung (7) des Bauteils (5) ragt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (7) das Bauteil (5) im Bereich seiner Flussführung durchdringt und dass das durch diese Ausnehmung (7) ragende Anschlussteil (8) eine das Bauteil (5) überbrückende mechanische, elektrische und/oder thermische Brücke ausbildet.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Ausnehmung (7) ragende Anschlussteil (8) an der Wicklung (3) mindestens bereichsweise angrenzt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (8) einen Steg (10) aufweist, der durch die Ausnehmung (7) des Bauteils (5) ragt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (8) einen plattenförmigen Wärmeflusssammler (11) aufweist, der an der Wicklung (3) ansteht.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Wärmeflusssammler (11) in thermischem Anschlussverbund mit dem Steg (10) des Anschlussteils (8) steht.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (5) wenigstens bereichsweise die elektrische Wicklung (3) mindestens teilweise trägt.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Ausnehmung (7) in seiner magnetischen Führung beschränkte Führungsbereich des Bauteils (5) gegenüber einem anderen Bauteil (12) mit unbeschränktem Führungsbereich derart veränderte Abmessungen aufweist, dass in beiden Bereichen der Bauteile (5, 12) im Wesentlichen gleiche Flussdichten auftreten.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass das Bauteil (5) und das Anschlussteil (8) stoffschlüssig, insbesondere mit Hilfe eines Gussmaterials, verbunden sind.
9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (8) aus einem Vollmaterial, insbesondere aus Aluminium, besteht.
10. 10. Elektrische Maschine mit einem Stator und mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Bauteil (5) Wicklung (3) und das Anschlussteil (8) Teile des Stators der elektrischen Maschine ausbilden.
11. 11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (8) neben einer thermischen auch eine das Bauteil (5) gegenüber anderen Statorteilen zentrierende mechanische Brücke ausbildet, insbesondere damit das Bauteil (5) gegenüber dem Anschlussteil (8), insbesondere radial, befestigt.
12. 12. Elektrische Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das insbesondere mehrteilige Bauteil (5) in das jochförmige Anschlussteil (8) eingesetzt ist, wobei das Bauteil (5) wenigstens einen Zahn (13) zum Tragen von Spulen (4) der Wicklung (3) ausbildet. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 5/10