DE10125612A1 - Elektrische Maschine mit Ständerabflachung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer (38) und einem Läufer. Der Ständer weist Kühlkanäle (10, 12) zur Kühlung auf. Durch Verkleinerung von Kühlkanälen (10, 12) an zumindest einer Flanke des Ständers (38) ist zumindest an dieser eine Abflachung (44) ermöglicht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einem Ständer mit Kühlkanälen und einem Läufer.

Elektrische Maschinen weisen zur Kühlung des Ständers Kühlka­ näle auf. Mit Hilfe eines Kühlmediums wird Wärme über Kühlka­ näle abgeführt.

Aus der US 5,747,900 ist eine elektrische Maschine mit Kühl­ kanälen im Ständer und einem Läufer bekannt. Innerhalb des Ständers sind die Kühlkanäle symmetrisch angeordnet. Die Au­ ßenmaße des zur Rotationsachse der elektrischen Maschine rechtwinkligen Querschnitts des Ständers sind durch die vier Flanken des Ständers gegeben. Die Maße der Flanken sind gleich und beeinflussen wesentlich das Höhenmaß, dass Brei­ tenmaß und das Achsmaß der elektrischen Maschine.

Nachteilig dabei ist, dass durch die symmetrische Anordnung der Kühlkanäle eine Reduktion des Höhenmaßes nur durch Ver­ kleinerung aller Kühlkanäle erzielbar ist. Bei einer zu er­ zielenden Verkleinerung der Achshöhe sind die gesamten Außen­ maße zu verkleinern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Ständer einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art derart aus­ zubilden, dass bei gleichbleibender flussleitender Fläche die Reduktion der Achshöhe ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, dass an mindestens einer Flanke des Ständers durch zumindest eine radiale Verkleine­ rung der dortigen Kühlkanäle eine Abflachung vorgesehen ist.

Eine Abflachung einer Flanke des Ständers zeigt sich durch einen geringeren Abstand der Flanke zur Rotationsachse des Läufers der elektrischen Maschine im Verhältnis zum Abstand zumindest einer anderen Flanke. Ein wesentliches Merkmal e­ lektrischer Maschinen ist deren Abmessung. Dabei ist neben der Tiefe in Achsrichtung auch die Breite und Höhe der elekt­ rischen Maschine von Bedeutung. In Anwendungsfällen, bei de­ nen der Einbauraum einer elektrischen Maschine beschränkt ist, sind deren Abmessungen zu minimieren. Sind für eine e­ lektrische Maschine Abmessungen nur in einer Raumrichtung vorgegeben und beeinflusst diese Abmessung die Höhe und/oder die Breite der elektrischen Maschine so ist zumindest eines dieser Maße zu reduzieren.

Ein weiteres eine elektrische Maschine kennzeichnendes Maß ist deren Achshöhe. Die Achshöhe einer elektrischen Maschine ist ein Maß zur Auslegung einer elektrischen Maschine. Dieses Maß der Achshöhe gibt einen Abstand von der Rotationsachse zum Befestigungspunkt bzw. zur Ebene der Befestigung einer elektrischen Maschine an, wobei hierbei zusätzliche Mittel zur Befestigung in der Berechnung des Abstandes mit einzube­ ziehen sind.

Die Bauhöhe bzw. auch die Baubreite einer elektrischen Ma­ schine sind unter anderem abhängig von den Außenmaßen des Ständers. Der Ständer bzw. das diesen kennzeichnende Ständer­ blechpaket weist radial zur Rotationsachse des Läufers Flan­ ken auf. Eine Flanke ist eine Struktur, welche Elemente einer Fläche oder Ebene aufweist bzw. diesen nahe kommt. Ist das Ständerblechpaket rund ausgeführt, so sind die Flanken tan­ gentiale Ebene und deren Abstand von der Rotationsachse der äußere Radius des Ständers. Der zweifache Radius des Ständers ergibt das Außenmaß. Ist ein Ständer rechteckartig ausge­ führt, so weist dieser zumindest vier Hauptflanken auf, durch welche die Außenmaße des Ständers bestimmt sind. Im Gegensatz dazu ergeben sich Eckmaße einer eckigen Form eines Ständers aus diagonalen Abständen von Ecken.

Durch Verkleinerung des Abstandes zwischen Rotationsachse und zumindest einer Flanke des Ständers ergibt sich eine Verände­ rung der Außenmaße. Zur Verkleinerung des Abstandes ist der Ständer abzuflachen. Da der Bereich des Ständers, welcher den Fluss führt, vorteilhafter Weise nicht verkleinert wird und für eine Verkleinerung auch der Bereich von Ständernuten vor­ zugsweise unbeeinflusst bleibt ist alleine der Bereich des Ständers veränderbar, welcher Kühlkanäle aufweisen kann. Zur Abflachung einer Flanke sind zumindest diejenigen Kühlkanäle des Ständers zu verkleinern, welche im Bereich der Flanke mit der vorzunehmenden Abflachung liegen. Kühlkanäle sind auch deswegen von einer Abflachung beeinflusst die für eine opti­ male Kühlung Kühlkanäle im gesamten Umfang des Ständers ver­ teilt sind. Zumindest an der Flankenseite mit der Abflachung ist der Abstand zur Rotationsachse reduziert.

Waren vor der Verkleinerung die Kühlkanäle des Ständers sym­ metrisch ausgeführt, so entsteht durch die Kühlkanalverklei­ nerung auf zumindest einer Flankenseite eine Unsymmetrie. Ei­ ne Symmetrie der Kühlkanalanordnung innerhalb oder am Ständer ist beispielsweise so ausgeführt, dass bei einer Art virtuel­ len Rotation des Ständers um die Rotationsachse des Läufers um 90° Kühlkanäle wieder aufeinander zu liegen kommen und diese also um 90° rotationssymmetrisch angeordnet sind. Kenn­ zeichnet eine Flanke mit die Achshöhe einer elektrischen Ma­ schine so reduziert sich die Achshöhe bei Abflachung der je­ weiligen Flanke. Eine Reduzierung der Achshöhe ermöglicht den Einbau größerer Maschinen an Orten in Maschinen oder Produk­ tionsanlagen, wo dies bisher nicht oder nur erschwert möglich war. Auf diese Weise ergibt sich eine Platz- und somit auch Kosteneinsparung. Von einer Abflachung von zumindest einer Flanke des Ständers der elektrischen Maschine bleibt die flussschließende Fläche des Ständerblechpaketes unbeein­ flusst. Dies hat den Vorteil, dass die elektrischen Eigen­ schaften der elektrischen Maschine sich nicht verändern.

Abhängig vom Anfangszustand einer zu betrachtenden elektri­ schen Maschine kann einerseits von einer Verkleinerung der Kühlkanäle im Abflachbereich zumindest einer Flanke ausgegan­ gen werden, andererseits ist jedoch dazu gleichbedeutend eine Vergrößerung der Kühlkanäle anderer Flanken. Beide Maßnahmen erreichen den selben Endzustand und beschreiben nur einen un­ terschiedlich beschrittenen Weg dahin. Ist bei einer gegebe­ nen elektrischen Maschine die Kühlleistung zu erhöhen, so ge­ schieht dies beispielsweise durch Vergrößerung von Kühlkanä­ len. Vollzieht sich die Vergrößerung von Kühlkanälen nicht rotationssymmetrisch, sondern flankenspezifisch und wird zu­ mindest an einer Flanke eine Vergrößerung nicht durchgeführt so ergibt sich an zumindest dieser ein Bereich verkleinerter Kühlkanäle. Dies setzt voraus, dass eine Vergrößerung zumin­ dest eines Kühlkanals in einem Ausmaß erfolgt, welches eine Vergrößerung des Ständers mit dessen Maßen nach sich zieht. Gerade bei bereits stark mit Kühlkanälen durchzogenen Stän­ dern trifft dies zu.

Bei einem gegebenen Ständer beschränken insbesondere dessen Stabilitätsanforderungen und die den magnetischen Fluss füh­ renden Bereiche die Größe und Form von Kühlkanälen. Die Ver­ kleinerung der Kühlkanäle kann bis zu deren Verschwinden füh­ ren. Durch die Vergrößerung von Kühlkanälen wird die Kühl­ leistung erhöht und die Auslastbarkeit und Leistungsdichte der elektrischen Maschine verbessert. Daraus ergeben sich Vorteile durch geringere Kosten, eine längere Lebensdauer, größeren Wartungsintervallen und anderen eine Maschine be­ schreibenden Parametern.

Kühlkanäle mit größerem Querschnitt bieten der Kühlluft einen geringeren Strömungswiderstand. Geringere Strömungswiderstän­ de, welche die Kühlluft zu überwinden hat ermöglichen den Einsatz leistungsärmerer und somit geräuschärmerer und preis­ günstigerer Lüfter. Insbesondere für den Fall dass durch grö­ ßere Kühlkanäle z. B. ein vierpoliger statt ein zweipoliger Fremdlüfter eingesetzt wird, was durch die kleineren Strömungswiderstände der größeren Kühlkanalquerschnitte begründ­ bar ist, ergeben sich die obig genannte Vorteile.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine Kühlkanäle innerhalb des Ständers auf.

Innerhalb des Ständers angeordnete Kühlkanäle haben den Vor­ teil, dass diese leicht zu fertigen sind. Dies trifft nicht nur für gesinterte oder gegossene Ständer zu, sondern auch für Ständer die als Ständerblechpaket ausführbar sind. Stän­ derbleche sind preisgünstig, schnell und einfach zu stanzen, wobei allerdings auch Aussparungen durch Bohrungen oder das Abtrennen und Ausschneiden von Metallstücken mit Hilfe von beispielsweise einem Laser möglich ist. Kanäle ergeben sich durch die aneinander Reihung der in ähnlicher Weise gestanz­ ten Ständerbleche. Die Kühlkanäle verlaufen längs der Rotati­ onsachse der elektrischen Maschine. Deren Abmessungen sind unter anderem begrenzt durch die Außenmaße des Ständers und durch den Bereich des Ständerbleches, welcher den flusslei­ tenden Bereich darstellt. Da zur Abgrenzung der Kühlkanäle zur Außenflanke des Ständers eine Mindestdicke des Bleches zu wählen ist, um eine Art Steg auszubilden, sind die Kühlkanäle in ihren Ausdehnungen und ihrem Querschnitt beschränkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine nutartige Kühlkanäle am Ständer auf. Die nutartigen Kühlkanäle längs der Rotationsachse der elektrischen Maschine sind abdeckbar, um geschlossene Kühlkanäle auszubilden. Nut­ artige Kühlkanäle an den Flanken des Ständers weisen keinen Abschluss durch den Ständer z. B. in Form von Ständerblechen, auf. Der Abschluss erfolgt durch eine zusätzliche Abdeckung am Ständer. Hieraus ergibt sich eine verhältnismäßig große Querschnittsfläche der nutartigen Kühlkanäle. Durch den er­ höhten Querschnitt vermindern sich die Strömungswiderstände und wie oben bereits beschrieben ist der Einsatz eines klei­ neren Lüfters vorsehbar. Nutartige Kühlkanäle befinden sich vorzugsweise an den Flanken, welche nur kleine oder keine Abflachungen aufweisen. Der Ständer einer elektrischen Maschine weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Kombination aus Kühlkanälen innerhalb des Ständers und nutartigen Kühlka­ nälen auf. So sind Vorteile beider Ausprägungen von Kühlkanä­ len kombinierbar. Da die Achshöhe eine den Einbau einer e­ lektrischen Maschine kritische Größe darstellt und der Ab­ stand von der Rotationsachse zur äußeren Flanke bei Flanken mit einem nutartigen Kühlkanal größer ist so befindet sich vorzugsweise an der Flanke, welche die Achshöhe beeinflusst zumindest ein verkleinerter nutartiger Kühlkanal oder auch kein nutartiger Kühlkanal im Ständer. Diese Betrachtung be­ trifft auch Kühlkanäle im Ständer.

Zur Verbesserung der Kühlung der elektrischen Maschine sind oberflächenvergrößernde Strukturen insbesondere bei Kühlkanä­ len vorsehbar. Oberflächenvergrößernde Strukturen leiten vor­ teilhafter Weise insbesondere dort Wärme verbessert ab, wo Querschnitte von Kühlkanälen zur Erzielung einer Abflachung verkleinert sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zei­ gen:

Fig. 1 den Querschnitt des Stators einer elektrischen Maschine mit nutartigen Kühlkanälen,

Fig. 2 den Querschnitt eines Stators einer elektrischen Ma­ schine mit innerhalb des Stators liegenden Kühlkanälen und

Fig. 3 oberflächenvergrößernde Strukturen bei Kühlkanälen.

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Stän­ ders 38 einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine mit einem Breiten-Außenmaß 2, welches durch eine linksseitige und eine rechtsseitige Flanke 30,32 des Ständers 38 vorgege­ ben ist und einem Höhenaußenmaß 4, welches durch die eine o­ bere und eine untere Flanke 34,36 des Ständers 38 vorgegeben ist. Innerhalb des Ständers 38, bei welchen es sich in der vorliegenden FIG beispielsweise um einen mit Ständerblechen 40 gebildeten handelt, wobei der Querschnitt auch als Auf­ sicht auf ein Ständerblech 40 zu verstehen ist, ist Raum für einen hier nicht dargestellten Läufer.

Das Ständerblech 40 weist Kühlkanäle 10 innerhalb des Stän­ ders 38 auf, welche zum Teil symmetrisch zur waagrechten Ach­ se 22 bzw. zur senkrechten Achse 20 angeordnet sind. Die Sym­ metrie trifft insbesondere auf diejenigen Kühlkanäle inner­ halb des Ständers 38 zu, welche sich im Bereich der Ecken des Ständerblechs 40 befinden. Symmetrien zeigen auch die Loch­ kreise 26. Einerseits sind diese beispielhaft als Kühlkanäle aber auch insbesondere als Kanäle anzusehen, in welchen sich ein Mittel zum Zusammenpressen der einzelnen Ständerbleche 40 befindet. Im Zentrum der Fig. 1 ist die Rotationsachse 28 ei­ nes sich im Ständer 38 rotierenden Läufers dargestellt. Im durch den Innendurchmesser 16 gegebenen Raum ist ein Läufer aufzunehmen. Für Ständerwicklungen sind Ständernuten 18 rota­ torisch um die Rotationsachse angeordnet. Im Anschluss an die Ständernuten 18 befindet sich der flussleitende Ring 24, der den magnetische Fluss führt. Dieser flussleitende Ring 24 ist weder durch Ständernuten 18 noch durch Kühlkanäle innerhalb des Ständers 38 in seiner Symmetrie um die Rotationsachse 28 beschränkt.

Symmetrisch zur waagrechten Achse 22 weisen die linke Flanke 30 und die rechte Flanke 32 der Fig. 1 nutartige Kühlkanäle 12 im Ständer 38 auf. Diese Kühlkanäle sind mit Kühlkanalabde­ ckungen 14 versehen um einen geschlossenen Kühlkanal auszu­ bilden. Ein dritter zusätzlicher Kühlkanal in der prinzipiel­ len Form einer Nut im Ständer 38 ist symmetrisch zur senk­ rechten Achse 20 in der oberen Hälfte der Fig. 1 dargestellt. Auch dieser ist mit einer Kühlkanalabdeckung 14 versehen. Zu­ sammen mit den Kühlkanälen 10 innerhalb des Ständers 38 erge­ ben die drei nutartigen Kühlkanäle 12 eine fast symmetrische Kühlung des Ständers 38. Bei guten Kühleigenschaften ist der Ständer 38 mit Kühlkanälen 10,12 so ausführbar, dass eine mi­ nimalere Achshöhe realisierbar ist. Die Achshöhe ergibt sich gemäß Fig. 1 nach dem unteren Teilmaß 6, wobei zur Achshöhe noch etwaige Befestigungsmittel mit deren Höhe zu addieren sind. Durch die unsymmetrische Gestaltung der Kühlkanäle in­ nerhalb des Ständers 38 ergeben sich bei gleicher Achshöhe im Vergleich zur elektrischen Maschine mit Ständern 38 mit sym­ metrischen Kühlkanälen 10 innerhalb des Ständers 38 eine gleichmäßigere Kühlung als bisher, da an den Seiten des Stän­ ders 38 nutartige Kühlkanäle 12 verlaufen, welche eine gleichmäßige Kühlung weitere Bereiche des Ständers 38 ermög­ lichen. Am Ständer 38 verlaufende nutartige Kühlkanäle 12 sind groß ausführbar. Große Kühlkanäle haben einen großen Querschnitt. Große Querschnitte weisen einen kleinen Strö­ mungswiderstand auf und ermöglichen hohe Kühlleistungen. Durch große Querschnitte sind kleinere Lüfter einsetzbar. Kleinere Lüfter sind kostengünstig und leiser ausführbar. Ei­ ne derartige Ausführungsform des Ständers 38 ist auch bei Guss und geschweißten Ständern möglich.

In Fig. 1 zeigt sich die Abflachung 44 zumindest einer Flanke des Ständers durch das untere Teilmaß 6 und das obere Teilmaß 8. Das untere Teilmaß 6 weist einen kleineren Betrag auf, als das obere Teilmaß 8. Beide Teilmaße 6,8 ergeben addiert das Höhenausmaß 4, welches vom Betrag her kleiner ist als das Breitenausmaß 2. Ist das obere Teilmaß 8 in derselben Größe wie das untere Teilmaß 6 auszuführen, so entfällt in der obi­ gen Bildhälfte von Fig. 1 der nutartige Kühlkanal 12 mit des­ sen Kühlkanalabdeckung 14, so dass das Höhenaußenmaß 4 weiter abnimmt im Vergleich zum Breitenaußenmaß 2. Die Ausführungs­ form mit nur zwei nutartigen Kühlkanälen 12 ist in der Fig. 1 jedoch nicht dargestellt.

Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt wie Fig. 1 im Querschnitt den Ständer 38 der elektrischen Maschine. Grundsätzlich tref­ fen die Erläuterungen zur Fig. 1 auch bei Fig. 2 zu. Beide FIG unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, dass Fig. 2 keine nutartigen Kühlkanäle 12 aufweist, sondern diese dort Kühlka­ näle 10 innerhalb des Ständers 38 darstellt. In vorteilhafter Weise werden dadurch Kühlkanalabdeckungen 14 überflüssig, wo­ durch die Anzahl der Einzelteile und die damit entstehenden Kosten durch die Handhabung reduziert sind. Dabei ist weiter­ hin von Vorteil, dass die Außenmaße der elektrischen Maschine reduziert sind, da der vorher durch die Kühlkanalabdeckungen 14 eingenommene Raum nicht mehr beansprucht ist.

Wie in Fig. 1 sind auch in Fig. 2 Kühlkanäle unsymmetrisch be­ züglich der waagrechten Achse 22 angeordnet. Aus der Unsym­ metrie ergibt sich ein Vorteil bezüglich des Teilmaßes unten 6 da es im Verhältnis zum Teilmaß oben 8 kleiner ist und so­ mit bei guter Kühlung zumindest dreier Flanken des Ständers die Achshöhe minimiert ist. Aus der unsymmetrischen Anordnung der Kühlkanäle sowohl innerhalb des Ständers 38 als auch am Ständer 38 durch die nutartigen Kühlkanäle 12 ist kein we­ sentlicher Nachteil bei der Kühlung begründet, da der Ständer 38 aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt ist. Als Material stehen beispielsweise Eisenbleche oder Aluminium zur Verfügung, welche Wärme gut an naheliegende Kühlkanäle mit dem entsprechenden Kühlmedium wie Luft ableiten. Einer ge­ ringfügig verschlechterten Entwärmung in einem kleinen Be­ reich des Ständers 38 steht der große Vorteil einer Bauhöhen­ reduktion gegenüber, welcher insbesondere bezüglich der Achs­ höhe einen flexibleren Einsatz von Maschinen unterschiedli­ cher Leistung und Baugrößen an gleichen Wellen und Einbauor­ ten ermöglicht.

Zur Verbesserung der Kühlung der elektrischen Maschine sind in Kühlkanälen oberflächenvergrößernde Strukturen vorsehbar, jedoch in Fig. 2 nicht dargestellt.

Die Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts des Ständers 38 mit Kühlkanälen 10 innerhalb des Ständers 38 und nutartigen Kühlkanälen 12 am Ständer 38. Da­ bei weisen beide Ausprägungsformen der Kühlkanäle 10, 12 zumindest teilweise oberflächenvergrößernde Strukturen 46 auf, welche die Kühlwirkung verbessern.

Claims (4)

1. Elektrische Maschine mit einem Ständer (38) mit Kühlkanä­ len und einem Läufer, dadurch gekennzeich­ net, dass an mindestens einer Flanke des Ständers (38) durch Verkleinerung der dortigen Kühlkanäle (10, 12) eine Ab­ flachung (44) vorgesehen ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (10) in­ nerhalb des Ständer (38) angeordnet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl­ kanäle (12) nutartig und abdeckbar seitlich am Ständer (38) angeordnet sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühlkanal (10, 12) oberflächenvergrößernde Strukturen (46) aufweist.