DE102004022557A1

DE102004022557A1 - Elektrische Maschine mit Wasserkühlung

Info

Publication number: DE102004022557A1
Application number: DE102004022557A
Authority: DE
Inventors: Hubertus BÄHR; Michael Zisler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-08
Also published as: CN1950986A; WO2005112228A1; CN100541979C; DE102004022557B4; JP2007536887A; US20070210655A1; US7737585B2

Abstract

Um eine Flüssigkeitsabkühlung einer elektrischen Maschine in einfacher Art und Weise zu realisieren, wird ein Gehäuse (1) zweiteilig ausgeführt, derart, dass jedes Gehäuseteil (2, 3) ein Lagerschild (4, 5) aufweist und die Gehäuseteile (2, 3) derart ausgeführt sind, dass die Gehäuseteile (2, 3) zusammengesetzt Kühlkanäle bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, das einen aus Blechen geschichteten Stator aufweist, einen Rotor, dessen Welle über in Lagerschilden positionierten Lager drehbar gelagert ist und einen Flüssigkeitsmantel im Gehäuse mit mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen aufweist.
Zur Leistungs- bzw. Drehmomentsteigerung wird bei elektrischen Maschinen das Prinzip der Flüssigkeit- bzw. Wasserkühlung eingesetzt. Bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen werden dabei unterschiedliche Prinzipien der Flüssigkeitskühlung angewendet. Die Flüssigkeit durchflutet ein Strangpressprofil, dass mit axialen Kühlkanälen, meist in den Eckbereichen ausgestattet ist. Die Umlenkung des Flüssigkeitsstromes erfolgt in den separaten Lagerschilden oder durch zusätzliche Umlenkplatten, die außen an der elektrischen Maschine angebracht sind.
Eine Umlenkungen in den Lagerschilden erfolgt durch eingegossene oder gebohrte Kanäle, auch werden zum Teil Rohre in die Gussteile mit eingegossen. Die Abdichtung zu den Lagerschilden oder Umlenkplatten erfolgt konstruktionsbedingt überwiegend durch Flächendichtmittel, z.B. Flachdichtung oder Fluiden und gestaltet sich aus diesem Grunde äußerst schwierig.
Ein weiteres Prinzip zur Kühlung einer elektrischen Maschine ist das Einlegen einer Kühlschlange in ring- oder mäanderförmig angeordneten Nuten im Rücken des Stators. Dies führt zu einer aufwändigen Montage, außerdem ist der Wärmeübergang vom Stator auf die Kühlschlange unzureichend.
Des weiteren ist auch eine Anordnung von Kühlmanschetten um das Gehäuse eines Elektromotors bekannt. Die Herstellung die ser Kühlmanschetten ist sehr aufwändig; ebenso ist der Wärmeübergang von den Wärmequellen der elektrischen Maschine zu den Kühlmanschetten äußerst mangelhaft.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung zu schaffen, die in einfacher Art und Weise eine ausreichende Kühlung bei einfacher Montage der einzelnen Teile vorsieht.

Außerdem soll eine zuverlässige Abdichtung des Kühlkreislaufes geschaffen werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, das einen aus Blechen geschichteten Stator aufweist,
einem Rotor, dessen Welle über in Lagerschilden positionierten Lagern drehbar gelagert ist,
einer Flüssigkeitskühlung im Gehäuse mit Kühlkanälen, wobei das Gehäuse zweiteilig ausgeführt ist, derart, dass jedes Gehäuseteil ein Lagerschild aufweist und die Gehäuseteile derart ausgeführt sind, dass die Gehäuseteile zusammengesetzt diese Kühlkanäle bilden.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der beiden Lagerschilde wird ein Kühlmittelstrom wendelförmig oder mäanderförmig um den Stator geführt, wobei die Anzahl der Dichtstellen zu angrenzenden Bauteilen minimiert ist. Die vergleichsweise gute thermische Anbindung an den Stator führt zu einer Steigerung der Ausnutzung der elektrischen Maschine.

Erfindungsgemäß ergibt sich eine Reduzierung der Bauteile des Gehäuses, es sind keine Umlenkplatten erforderlich ebensowenig wie zusätzliche Kühlschlangen bzw. Kühlmanschetten. Die Montagezeit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine reduziert sich aufgrund des Wegfalls der vergleichsweise aufwendigen Flächendichtmittel, der Gehäusemontage und gegebenenfalls der Kühlschlangen bzw. der Kühlmanschetten.

Es erübrigt sich ebenfalls das Eingießen von Rohren in die Lagerschilde ebenso wie das Bohren oder Eingießen der Umlenkkanäle in die Lagerschilde.

Durch die Reduzierung der Dichtstellung und der damit verbundenen Umstellung von Flächendichtung auf radialdichtende O-Ringe, sind höhere Drücke im Kühlkreislauf möglich, was wiederum der Ausnutzung der elektrischen Maschine zu Gute kommt.

Durch die Gestaltung der Außenkontur der elektrischen Maschine als Kreuzprofil sind die Eckbereiche frei, so dass von der Rückseite der elektrischen Maschine freier Zugang zu Befestigungsschrauben am Flansch möglich ist. Ebenso ist eine Realisierung von runden oder achteckigen Außenkonturen möglich, die ebenfalls einen Zugang zu den Befestigungsschrauben am Flansch gestatten.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile gemäß den Unteransprüchen sind den schematisch dargestellten Ausführungen in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen Längsschnitt eines Gehäuses,
2 eine Querschnittsansicht des Gehäuses,
3, 4 perspektivische Darstellungen,
5 einen weiteren Längsschnitt eines Gehäuses.
1 zeigt in einem Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Gehäuses 1 einer elektrischen Maschine mit einem Stator 11 und einem Rotor 12. Zwei Gehäuseteile 2 und 3, die tubusartig ineinander geschoben werden bilden das Gehäuse 1. Jedes Gehäuseteil 2, 3 weist jeweils ein Lagerschild 5, 4 auf, in das ein Lager 9 eingesetzt und durch z.B. eine Manschette 14 positionierbar ist. Die Manschette 14 ist dabei vorzugsweise Teil einer Welle 13; kann aber auch als zusätzliches Teil an der Welle 13 angebracht sein. Die Welle 13 trägt einen Rotor 12. Gehäuseteil 2,3 und jeweiliges Lagerschild 4, 5 sind vorzugsweise jeweils einteilig ausgebildet.
Die zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 vorhandenen Dichtstellen im zusammengeschobenen Zustand werden über O-Ringe 6 und 7 abgedichtet. Der Tubus des jeweiligen Gehäuseteils 2, 3 erstreckt sich axial über den Stator 11, vorzugsweise sogar weit über die jeweiligen Wickelköpfe 15. Zur Erleichterung der Montage des Stators 11, ist das Gehäuseteil 3 vorteilhafterweise auf seiner Innenseite 16 leicht konusförmig ausgebildet. Der dabei vorhandene Hohlraum 19 kann durch wärmeleitende Materialen gefüllt werden, um zwischen Gehäuse und Stator 11 eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.
Wie 2 zeigt wird durch den Zusammenbau der Gehäuseteile 2 und 3 ein Kühlmantel geschaffen. Axiale Kühlkanäle 8 werden durch das Zusammenstecken der Gehäuseteile 2, 3 geschaffen, indem die jeweiligen Zapfen 15 der Gehäuseteile 2, 3 versetzt angeordnet in die jeweiligen Zwischenräume 16 greifen. Eine Umlenkung 10 dieser Kühlkanäle 8 erfolgt durch die zusammengefügten Gehäuseteilen 2 und 3, indem die axiale Ausdehnung der Zapfen 15 kleiner als die axiale Ausdehnung der Zwischenräume 16 ist. Damit reichen die Zapfen 15 nicht bis an das Ende der jeweiligen Zwischenräume 16.
Es sind somit lediglich zwei nach außen abzudichtende Dichtstellen vorhanden, die durch O-Ringe 6, 7 abgedichtet werden. Dieses Gehäuse 1 mit integriertem Kühlmantel wird kostengünstig durch Druckgussteile geschaffen. Vorzugsweise werden die beiden Dichtstellen, die mit den O-Ringen 6 und 7 versehen werden, bearbeitet.
Alternative dazu können die Kühlkanäle 8 z.B. spanabhebend in ein oder beide Gehäuseteile 2, 3 eingearbeitet werden. Damit können auch wendelförmig verlaufende Kühlkanäle geschaffen werden.
3 zeigt in einem halb zusammengebauten Zustand die Gehäuseteile 2 und 3 während der Montage. Im zusammengebauten Zustand gemäß 4 sind die Gehäuseteile 2 und 3 ineinander gesteckt und bilden die Kühlkanäle 8 mit einem funktionsfähigen in Umfangsrichtung betrachtet mäanderförmig aufgebauten Kühlmantel und dessen Umlenkungen 10.
Über den Einlass 17 wird die Kühlflüssigkeit zu- und über den Auslass 18 abgeführt. Der Einlass 17 bzw. der Auslass 18 sind Bohrungen, die mit den Kühlkanälen 8 strömungsmäßig derart in Verbindung stehen, dass sich z.B. ein mäanderförmiger Verlauf der Kühlkanäle 8 in Umfangrichtung ergibt. Vorteilhafterweise ist dabei ein Zapfen zwischen Einlass 17 und Auslass 18 so ausgebildet, dass er die gleiche axiale Länge wie der Zwischenraum 16 aufweist und somit eine Wandung 21 bildet. Damit ist ein Strömungskurzschluss zwischen Einlass 17 und Auslass 18 vermieden.
4 zeigt die elektrische Maschine im zusammengebauten Zustand. Dabei zeichnet sich das Gehäuse 1 durch ein Kreuzprofil aus, so dass die Eckbereiche frei sind. Es ist somit von der Rückseite der elektrischen Maschine freier Zugang zu Befestigungsschrauben am Flansch möglich. Ebenso ist eine Realisierung von runden oder achteckigen Außenkonturen des Gehäuses 1 möglich, die ebenfalls einen Zugang zu den Befestigungsschrauben am Flansch gestatten.
5 zeigt in einer weiteren Ausführungsform ein erfindungsgemäßes Gehäuse 1 mit einer Kühlwendel 24. Die Kühlwendel 24 wird über ihre Anschlüsse 22, 23 mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt. Ergänzend zur allgemeinen Beschreibung der elektrischen maschine gemäß 1 findet hier die Kühlung durch eine Kühlwendel 24 statt. Diese Kühlwendel 24 ergibt sich erfindungsgemäß durch axiales Zusammenfügen der Gehäuseteile 2, 3. Auch hier werden die zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 vorhandenen Dichtstellen im zusammengeschobenen Zustand über O-Ringe 6 und 7 abgedichtet. Es liegen somit wider lediglich zwei Dichtstellen vor. Der Tubus des jeweiligen Gehäuseteils 2, 3 erstreckt sich axial über den Stator 11, vorzugsweise sogar weit über die jeweiligen Wickelköpfe 15. Zur Erleichterung der Montage des Stators 12, ist das Gehäuseteil 3 vorteilhafterweise auf seiner Innenseite 16 leicht konusförmig ausgebildet. Der dabei vorhandene Hohlraum 19 kann durch wärmeleitende Materialen gefüllt werden, um zwischen Gehäuse und Stator 12 eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.
Eine derartige Konstruktion ist besonders vorteilhaft für axial kurze elektrische Maschinen, bei denen die axiale Länge ungefähr dem x-fachen des Durchmessers des Stators 11 entspricht, wobei 0 < x < 5 ist. Dies gilt vor allem für Einbaumotoren insbesondere bei Werkzeugmaschinen.
Das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip der beiden tubusförmig ineinanderzusteckenden Gehäuseteile 2, 3 kann auch bei luftgekühlten elektrischen Maschinen umgesetzt werden um eine einfachen Aufbau und eine vorgegebenen Schutzart der elektrischen Maschine zu gewährleisten.

Claims

Elektrische Maschine mit einem Gehäuse (1), das einen aus Blechen geschichteten Stator (11) aufweist, einem Rotor (12), dessen Welle (13) über in Lagerschilden (4, 5) positionierten Lagern (9) drehbar gelagert ist, einer Flüssigkeitskühlung im Gehäuse (1) mit Kühlkanälen (8), wobei das Gehäuse (1) zweiteilig ausgeführt ist, derart, dass jedes Gehäuseteil (2, 3) ein Lagerschild (5, 4) aufweist und die Gehäuseteile (2, 3) derart ausgeführt sind, dass die Gehäuseteile (2, 3) zusammengesetzt diese Kühlkanäle (8) bilden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (8) axial verlaufen oder als Kühlwendel (24) ausgeprägt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (2, 3) aus Druckguss bestehen.
Elektrische Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Umlenkungen (10) der Kühlkanäle (8) an ihrem jeweiligen Ende durch Zusammenstecken der Gehäuseteile (2, 3) geschaffen werden.
Elektrische Maschine nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (2, 3) durch tubusförmiges Zusammenstecken Kühlkanäle (8) bilden und demnach nur zwei Dichtungsstellen des Kühlkreislaufes nach außen vorhanden sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierränder der einzelnen Gehäuseteile (2, 3)) mit Einstichen zur Positionierung der O-Ringe (6, 7) versehen sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschraubung (19) der Gehäuseteile (2, 3) am AS-Schild erfolgt.