DE10110129A1

DE10110129A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10110129A1
Application number: DE10110129A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bilsing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-05
Also published as: WO2002071576A1; BR0207793A; US6841901B2; JP2004521591A; MXPA03007854A; EP1374372A1; US20040108775A1

Abstract

Bei einer elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Generator für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein Gehäuse (2), einen in dem Gehäuse (2) um eine Drehachse (5) drehbar gelagerten Läufer (6) mit mindestens einer Läuferwicklung (14) und mindestens einem an dem Läufer (6) angeordneten Lüfterrad (21) zur Erzeugung von Konvektion in dem Gehäuse (2) und zur Abführung von Wärme von der mindestens einen Läuferwicklung (14), ist zur besseren Kühlung des Läufers (6) vorgesehen, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) zumindest linienförmig mit dem Läufer (6) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der DE 198 28 518 ist ein gattungsgemäßer Generator mit einem Läu fer bekannt, der zur Kühlung zwei Lüfterräder auf der Welle trägt. Das an triebsseitige Lüfterrad befindet sich direkt an der Stirnseite einer Klauen polplatine. Typischerweise werden Lüfterräder aus Stahlblech eingesetzt, die mittels Punkt- oder Buckelschweißung am Klauenpol befestigt sind. Diese Schweißverbindungen weisen den Nachteil auf, daß eine effiziente Wärmeabfuhr vom Klauenpol über die Lüfterräder an die Kühlluft nicht erfolgen kann, da ein hoher thermischer Widerstand zwischen dem Lüfter rad und dem Klauenpol vorliegt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gene rator der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß die Wärmeabfuhr verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Diese Ausgestaltung bewirkt, daß die Wärmeleitung aufgrund der größeren Übergangsfläche vom Läufer über das Lüfterrad an die Kühlluft drastisch verbessert wird. Folglich reduzieren sich sowohl die Temperaturen in der Erregerwicklung als auch die Temperaturen im Bereich der Polfinger, wo durch ein Leistungsvorteil des Generators erzielbar ist. Die Oberfläche des Läufers ist also um die Oberfläche des Lüfterrads vergrößert, wodurch ein größerer Wärmeabfluß erreichbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß mindestens ein Lüfterrad und der Läufer durch großflächiges Ver schweißen miteinander verbunden sind. Die Verschweißung gewährleistet eine kostengünstige, gut wärmeleitende und sichere Anbindung des Lüfter rades an den Läufer.

Es ist außerdem zweckmäßig, daß das mindestens eine Lüfterrad und der Läufer zumindest entlang eines Teilkreisbogens miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung auch flächig realisierbar ist. Das Lüfterrad wird also großflächig an dem Läufer befestigt, um so den thermischen Wi derstand zu reduzieren. Eine bessere Kühlung des Läufers wird ermöglicht aufgrund der Vergrößerung der Querschnittsfläche für die Wärmeleitung.

Vorzugsweise sind das mindestens eine Lüfterrad und der Läufer miteinan der ultraschall-verschweißt. Durch die Ultraschallverschweißung kann die Schweißfläche und damit auch die thermische Kontaktfläche zwischen Lüfterrad und Läufer im Vergleich zu anderen Schweißverfahren deutlich erhöht werden bei geringen Kosten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das mindestens eine Lüf terrad aus einer Aluminiumlegierung. Der Einsatz von Lüfterrädern aus einer Aluminiumlegierung weist den Vorteil auf, daß die Wärmeleitung im Lüfterrad an sich im Vergleich zu Lüfterrädern aus Stahl erheblich verbes sert wird. Dies ist auf den höheren Wärmeleitkoeffizienten zurückzuführen. Des weiteren ist durch die Werkstoffkombination Aluminium-Stahl eine Ultraschallverschweißung möglich. Außerdem bewirkt die Verwendung von Lüferrädern aus einer Aluminiumlegierung eine Unterdrückung des magnetischen Streuflusses zwischen den beiden Klauenpolen durch das unmagnetische Lüfterrad.

Es ist außerdem zweckmäßig, daß an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Läufers jeweils ein Lüfterrad vorgesehen ist. Die beidseitige Anord nung der Lüfterräder bewirkt eine effiziente Kühlung des Läufers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs beispieles in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zei gen:

Fig. 1 einen Generator mit beidseitigen Lüfterrädern im Längsschnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Ansicht gemäß Fig. 1 am an triebsseitigen Lüfterrad, und

Fig. 3 eine Aufsicht auf ein Lüfterrad.

Eine elektrische Maschine, in diesem Ausführungsbeispiel ein Generator 1, weist in einem Gehäuse 2, bestehend aus zwei Gehäusehälften 3 und 4, einen um eine Drehachse 5 drehbar gelagerten Läufer 6 auf. Ein dreiteiliges Gehäuse 2 ist ebenfalls möglich. Die Lagerung des Läufers 6 erfolgt durch zwei Kugellager 7 und 8, wobei das Kugellager 7 in der vorderen Gehäuse hälfte 3 größer und als Festlager ausgebildet ist. Das Kugellager 8 befindet sich in der hinteren Gehäusehälfte 4 und bildet das Loslager. Die vordere Gehäusehälfte 3 ist als Lagerschild für das Kugellager 7 und die hintere Gehäusehälfte 4 als Lagerschild für das Kugellager 8 ausgebildet. Außer halb der Gehäusehälfte 3 ist am Ende der Läuferwelle 9 eine Riemenschei be 10, befestigt durch eine Mutter 11, zum Antrieb des Läufers 6 ange bracht. Am hinteren Ende der Läuferwelle 9 ist eine Schleifringanordnung 12 vorgesehen. Die Schleifringanordnung 12 umfaßt auf der Läuferwelle 9 Kohlebürsten 13. Die Kohlebürsten 13 wirken in bekannter Weise mit Schleifringen 27 zusammen. Eine schleifring- bzw. bürstenlose Ausgestal tung ist ebenfalls möglich. Der Läufer 6 umfaßt auf der Läuferwelle 9 im mittleren Bereich eine Läuferwicklung 14, die einer Erregerwicklung ent spricht, auf einem Kernstück 15 und zwei, direkt an die Läuferwicklung 14 angrenzenden Klauenpolplatinen 16 mit ineinandergreifenden Klauenpol fmgern 17. Die beiden Gehäusehälften 3 und 4, miteinander verbunden durch Schrauben 18, fixieren eine auf der Gehäuseinnenseite umlaufende Ständerwicklung 19.

Auf der Läuferwelle 9 befinden sich an den außenliegenden Stirnseiten 20 der Klauenpolplatinen 16 Lüfterräder 21 aus einer Aluminiumlegierung. Die Lüfterräder 21 sind aufgrund einer zentralen Bohrung 22 auf die Läuferwelle 9 aufschiebbar. Die Stirnseiten 20 der Klauenpolplatinen 16 sind dann mit der Lüfterscheibe 23 des Lüfterrades 21 ultraschall verschweißt. Die Lüfterräder 21 weisen einzelne, radial abstehende Lüfter schaufeln 24 im Außenbereich auf. Die Lüfterschaufel 24 umfaßt ein axial orientierten hervorstehendes Lüfterblatt 28, wobei die Lüfterschaufel 24 und das Lüfterblatt 28 einstückig ausgebildet ist. Die Lüfterschaufel 24 ist bezogen auf die Bohrungsachse 29 mit einem Winkel W geneigt. Der Win kel W beträgt vorzugsweise 25°. Das Lüfterblatt 28 weist auf seiner Stirn seite eine Ausnehmung 30 auf. Alternativ sind auch Lüfterräder 21 aus Stahl einsetzbar. Bei der Verwendung von Lüfterrädern 21 aus Stahl ist eine Laserverschweißung erforderlich. Der Einsatz von aluminiumlegierten Lüfterrädern 21 ist vorzuziehen, da Aluminium einen höheren Wärmeleit koeffizienten aufweist und außerdem den magnetischen Streufluß zwischen den Klauenpolen über das unmagnetische Lüfterrad 21 verhindert. Die Ver schweißung erfolgt in einem zur Wellenachse 5 konzentrischen Bereich mit einem Innendurchmesser D und einer Breite B. Die Verschweißung ist in diesem Bereich ringförmig ausgebildet.

In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Kreisringfläche der Verschwei ßung für jedes Lüfterrad 706,9 mm², wobei ein Innendurchmesser von 40 mm und eine Kreisringbreite von 5 mm zugrundegelegt sind. Andere Ver bindungsarten sind ebenfalls möglich. Grundlage für eine Verbindung ist die gute Leitfähigkeit. Alternativ sind z. B. Lötverbindungen oder Klebver bindungen heranziehbar. Die Verbindung zwischen dem Lüfterrad 21 und dem Läufer 6 kann auch auf einem Teilkreisbogen erfolgen. Eine quadrati sche Ausbildung der Verbindungsfläche ist ebenfalls möglich.

Zwischen dem Lüfterrad 21 in der vorderen Gehäusehälfte 3 und dem an triebsseitigem Kugellager 7 befindet sich auf der Läuferwelle 9 ein Di stanzstück 25. Des weiteren ist das Lüfterrad 21 in der Gehäusehälfte 3 am Ende der Lüfterscheibe 23 mit Ausnehmungen 26 versehen zur Befestigung an den äußeren Stirnseiten 20 der Klauenpolplatinen 16.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Generators ist identisch mit der Wirkungsweise von bekannten Generatoren. Die fließenden Ströme in der Ständerwicklung 19 und in der Läuferwicklung 14 bewirken eine starke Wärmebildung im Gehäuse 2 des Generators 1. Bei bekannten Generatoren wird zur Kühlung ein Luftstrom axial durch Schlitze des Gehäuses ange saugt und am vorderen Wickelkopf der Ständerwicklung durch außenlie gende Gehäuseschlitze radial nach außen geblasen. Die Kühlung mittels Lüfterräder erfolgt bei den bekannten Generatoren also einerseits durch den Antransport von Kühlluft und andererseits durch den Abtransport der ent standenen Wärme.

Bei bekannten Generatoren sind die Lüfterräder mittels Punkt- oder Buc kelschweißung an den Klauenpolstirnseiten befestigt. Bei Generatoren mit zwei Lüfterrädern zeigt der Stand der Technik, daß typischerweise nur die schleifringseitigen Lüfter an den Klauenpolplatinen befestigt sind. Diese Befestigung erfolgt in der Regel durch 12 Schweißpunkte, die jeweils einen Durchmesser von 5 mm aufweisen. Dies ergibt eine Gesamtschweißfläche von 235,6 mm². Diese geringe Fläche bewirkt einen hohen thermischen Widerstand zwischen Lüfter und Klauenpol. Im Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Generator 1 ist die Verbindungsfläche um den Faktor 6 kleiner ausgebildet.

Alternativ ist eine großflächige Verschweißung auch bei elektrischen Ma schinen mit anderen Polausführungsarten möglich. Das Lüfterrad 21 kann auch zwischen den Klauenpolplatinen 16 angeordnet sein, wobei dann die Verschweißung des Lüfterrads 21 mit der Innenseite der Klauenpolplatine 16 erfolgt.

Aufgrund der großflächigen Ausbildung der Schweißfläche zwischen der Klauenpolplatine 16 und dem Lüfterrad 21 ist bei dem erfindungsgemäßen Generator 1 die Wärmeleitung vom Läufer 6 über das Lüfterrad 21 an die Kühlluft erheblich verbessert. Aus diesem Grund ist diese Verbindung gut wärmeleitend ausgebildet. Wegen der Temperaturreduzierung in der Läuferwicklung 14 ist ein Leistungsvorteil des Generators 1 erzielbar. Die problematische Aufweitung der Klauenpolfinger 17 in Folge der hohen Betriebsdrehzahlen des Läufers ist ebenfalls durch die geringe Temperatur positiv beeinflußt, da der Elastizitätsmodul des Polfingermaterials tempe raturabhängig ist.

Claims

1. Elektrische Maschine, insbesondere Generator für ein Kraftfahrzeug,

a) mit einem Gehäuse (2),
b) mit einem in dem Gehäuse (2) um eine Drehachse (5) drehbar gelagerten Läufer (6), welcher mindestens eine Läuferwicklung (14) aufweist,
c) mit mindestens einem an dem Läufer (6) angeordneten Lüfterrad (21) zur Erzeugung von Konvektion in dem Gehäuse (2) und zur Abführung von Wärme von der mindestens einen Läuferwicklung (14), dadurch gekennzeichnet, daß
d) das mindestens eine Lüfterrad (21) zumindest linienförmig mit dem Läufer (6) zur Ableitung von Wärme von dem Läufer (6) zu dem Lüfterrad (21) verbunden ist.

2. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (6) zwei einander gegenüberliegende Stirnseiten (20) aufweist, wobei das Lüfterrad (21) stirnseitig an dem Läufer (6) ange ordnet ist.

3. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) und der Läufer (6) durch Verschweißen miteinander verbunden sind.

4. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) und der Läufer (6) zumindest entlang eines Teilkreisbogens miteinander verbunden sind.

5. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) und der Läufer (6) flächig miteinander verbunden sind.

6. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) und der Läufer (6) miteinander ultraschall-verschweißt sind.

7. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) aus einer Aluminium- Legierung besteht.

8. Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) mit dem Läu fer (6) durch Laserschweißung verbunden ist.

9. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Lüfterrad (21) und der Läufer (6) entlang ei nes ringförmigen Bereichs miteinander verbunden sind.

10. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den gegenüberliegenden Stirnseiten (20) des Läufers (6) jeweils ein Lüfterrad (21) vorgesehen ist.

11. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem minde stens einen Lüfterrad (21) und dem Läufer (6) stark wärmeleitend aus gebildet ist.