DE102004035446A1

DE102004035446A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung eines Wickelkopfs einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102004035446A1
Application number: DE102004035446A
Authority: DE
Inventors: Gerd Stöhr; Nils Schmeink; Bernd-Guido Schulze
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung eines Wickelkopfs (20) einer elektrischen Maschine, umfassend mindestens einen Stator (1) und mindestens einen Rotor und mindestens eine Wicklungseinheit (2) wenigstens im Stator (1), wobei die Wicklungseinheit (2) mit Wickelköpfen (20) an den Stirnseiten (12) des mit einer Wicklungseinheit ausgebildeten Stators (1) ausgebildet ist, umfassend einen Ring (4), wobei der Ring (4) mit einer Nut (40) ausgebildet ist, der Wicklungskopf (20) mindestens teilweise durch die Nut (40) aufnehmbar ist und eine Kühlflüssigkeit (32, 34) in die Nut (40) zuführbar und aus der Nut (40) abführbar ist, der Ring mindestens zwei Ringkanäle (42, 44) zur Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit aufweist und der Ringkanal (42) mindestens zwei Öffnungen (420) aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit (32) der Nut (40) zuführbar ist, und der Ringkanal (44) mindestens zwei Öffnungen (440) aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit (34) aus der Nut abführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung eines Wickelkopfs einer elektrischen Maschine. Elektrische Maschinen umfassen einen Stator und einen Rotor, welche elektromagnetisch wechselwirken, sowie mindestens eine Wicklungseinheit wenigstens im Stator und/oder Rotor zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, wobei die Wicklungseinheit mit Wickelköpfen an den Stirnseiten des mit einer Wicklungseinheit ausgebildeten Stators und/oder Rotors ausgebildet ist.
Dabei ist es bekannt, Kühlsysteme in und/oder an der elektrischen Maschine vorzusehen, um Wirkungsgradeinbußen und thermische Belastungen zu vermeiden.
Die Wärme wird beispielsweise über die den Stator und die Wicklung umströmende Luft und/oder eine Flüssigkeitskühlung des Stators abgeführt. Die Flüssigkeitskühlung des Stators ist lediglich eine indirekte Kühlung. Eine wesentlich effektivere Abführung der Wärme ist durch eine Flüssigkeitskühlung direkt im Wickelkopf, wo auch die Wärme entsteht, erzielbar. Der Wärmeübergang erfolgt dabei direkt zwischen einer strömenden Flüssigkeit und dem wärmeerzeugenden Draht.

Dabei ist es beispielsweise aus der US 4,598,223 bekannt, den Wickelkopf über ein Kühlmittel zu kühlen, welches in einem Mantel geführt wird. Derartige Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass sie um eine ausreichende Kühlung der Wicklungsköpfe zu erreichen, zumeist einen hohen Platzbedarf haben und dadurch für einen Einsatz in einem Flugzeug und/oder einem Fahrzeug nur bedingt geeignet sind.

Es ist daher beispielsweise aus der DE 100 44 938 A1 bekannt, einen Fluid-Kanal zur Kühlung des Wicklungskopfs zwischen dem Wickelkopf und einem Lagerschild vorzusehen. Dadurch wird ein vorhandener Bauraum genutzt.

Aus der EP 0 329 790 A1 ist es bekannt, die direkt gekühlten Wicklungsköpfe durch eine Isolierharzschicht zu schützen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, durch welche die Kühlung eines Wicklungskopfs verbessert wird.

Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Hierfür wird der Wicklungskopf mit einem Ring umgeben, welcher eine Kühlflüssigkeit führt, wobei der Ring mindestens zwei Kanäle zur Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit aufweist. Der Ringkanal zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit in das Innere des Rings weist mindestens zwei Öffnungen auf, durch welche die Kühlflüssigkeit direkt in die Wicklung hineingeführt wird. Der Ringkanal zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit weist mindestens zwei Öffnungen auf, durch welche die Kühlflüssigkeit aus dem Inneren des Rings abgeführt wird. Durch die parallele Zuführung der Kühlflüssigkeit für eine direkt Kühlung des Wicklungskopfes kann der Temperaturgradient im Wickelkopf sehr gering gehalten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der Ringkanal zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit und/oder der Ringkanal zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit mehrere über den Umfang des Rings verteilte Öffnungen auf. Durch die parallele Zuführung der Kühlflüssigkeit an mehreren Öffnungen ist die Kühlung weiter verbesserbar. Die Öffnungen für die Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit sind vorzugsweise über den Umfang versetzt angeordnet. Dadurch wird eine gute Verteilung der Flüssigkeit erzielt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Wicklungskopf mindestens teilweise mit einem Isolierharz vergossen. Dadurch ist die Wahl des Kühlmittels unabhängig von Schutz- oder Isoliervoraussetzungen, und die Auswahl des Kühlmittels kann in Abhängigkeit eines geeigneten Wärmekoeffizienten getroffen werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Ring aus nicht leitendem Material ausgebildet. Daneben ist es auch denkbar, den Ring mindestens teilweise mit einer nicht leitenden Isolierschicht auszubilden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Ring zum Stator- und/oder Rotorumfang durch eine Bandage und/oder zur Stator- und/oder Rotorstirnseite mit einer Kehlnaht aus Isolierharz abgedichtet. Dadurch sind besonders kostengünstige Möglichkeiten zur Abdichtung des Rings gegeben.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Druck und/oder Volumenstrom der Kühlflüssigkeit veränderbar. Dadurch kann die Strömung im Wickelkopf derart verändert werden, dass unabhängig von einer Drehzahl ein besonders effektiver Wärmeübergang erreicht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Stators mit einer Wicklungseinheit und Wickelkopfkühlung.
Die Figur zeigt schematisch einen teilweise freigeschnittenen Stator 1 mit einer Wicklungseinheit 2, wobei an der Stirnseite 12 des Stators 1 die Wicklungseinheit 2 mit einem teilweise dargestellten Wickelkopf 20 und Anschlüssen 22 ausgebildet ist. Der Wickelkopf 20 wird durch eine Kühlflüssigkeit 32, 34 gekühlt, wobei die Kühlflüssigkeit 32, 34 direkt den Wickelkopf 20 umspült. Die Kühlflüssigkeit 32, 34 wird durch einen Ring 4 aus einem nicht leitenden Material geführt. Der Ring 4 weist eine Nut 40, einen Ringkanal 42 zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit 32 in die Nut 40 und einen Ringkanal 44 zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit 34 aus der Nut 40 auf. Der Ring 4 ist zum Umfang des Stators mit einer nicht dargestellten Bandage und zur Stirnseite 12 mit einer ebenfalls nicht dargestellten Kehlnaht aus Isolierharz abgedichtet. Der Wicklungskopf 20 und die Anschlüsse 22 der Wicklung sind in der Nut 40 mit Isolierharz vergossen. Die Ringkanäle 42, 44 sind mit mehreren, über den Umfang des Rings 4 gleichmäßig verteilten Öffnungen 420, 440 ausgebildet, wobei die kalte Kühlflüssigkeit 32 durch die Öffnungen 420 parallel in die Wicklung geführt wird und die erwärmte Kühlflüssigkeit 34 durch die Öffnungen 440 parallel abgeführt wird. Die erwärmte Flüssigkeit 34 wird anschließend durch einen nicht dargestellten Wärmetauscher wieder abgekühlt.
Die Strömung der Kühlflüssigkeit 32, 34 in der Nut 40 kann durch Veränderung des Drucks und/oder des Volumenstroms derart eingestellt werden, dass ein besonders effektiver Wärmeübergang erreicht wird.

Claims

Vorrichtung zur Kühlung eines Wickelkopfs einer elektrischen Maschine, umfassend mindestens einen Stator und mindestens einen Rotor, welche elektromagnetisch wechselwirken, und mindestens eine Wicklungseinheit wenigstens im Stator und/oder Rotor zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, wobei die Wicklungseinheit mit Wickelköpfen an den Stirnseiten des mit einer Wicklungseinheit ausgebildeten Stators und/oder Rotors ausgebildet ist, umfassend einen Ring, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) mit einer Nut (40) ausgebildet ist, wobei der Wicklungskopf (20) mindestens teilweise durch die Nut (40) aufnehmbar ist und eine Kühlflüssigkeit (32, 34) in die Nut (40) zuführbar und aus der Nut (40) abführbar ist, der Ring mindestens zwei Ringkanäle (42, 44) zur Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit aufweist, wobei der Ringkanal (42) zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit (32) in die Nut (40) mindestens zwei Öffnungen (420) aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit (32) der Nut (40) parallel zuführbar ist, und der Ringkanal (44) zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit (34) mindestens zwei Öffnungen (440) aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit (34) aus der Nut parallel abführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (42) zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit (32) und/oder der Ringkanal (44) zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit (34) mehrere über den Umfang des Rings (4) verteilte Öffnungen (420, 440) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungskopf (20) und/oder Anschlüsse (22) der Wicklung mindestens teilweise mit einem Isolierharz vergossen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) aus nicht leitendem Material ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) zum Stator- und/oder Rotorumfang durch eine Bandage abgedichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) zur Stator- und/oder Rotorstirnseite (12) mit einer Kehlnaht aus Isolierharz abgedichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend eine Regeleinheit, durch die der Druck und/oder der Volumenstrom der Kühlflüssigkeit (32, 34) veränderbar ist.
Verfahren zur Kühlung eines Wickelkopfs einer elektrischen Maschine, umfassend mindestens einen Stator und mindestens einen Rotor, welche elektromagnetisch wechselwirken, und mindestens eine Wicklungseinheit wenigstens im Stator und/oder Rotor zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, wobei die Wicklungseinheit mit Wickelköpfen an den Stirnseiten des mit einer Wicklungseinheit ausgebildeten Stators und/oder Rotors ausgebildet ist, umfassend einen Ring, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) mit einer Nut (40) ausgebildet ist, wobei der Wicklungskopf (20) mindestens teilweise in die Nut (40) eingesetzt wird und eine Kühlflüssigkeit (32, 34) der Nut (40) zugeführt und aus der Nut (40) abgeführt wird, der Ring mindestens zwei Ringkanäle (42, 44) zur Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit aufweist, wobei der Ringkanal (42) zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit (32) in die Nut (40) mindestens zwei Öffnungen (420) aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit (32) der Nut (40) parallel zugeführt wird, und der Ringkanal (44) zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit (34) mindestens zwei Öffnungen (440) aufweist, durch welche die Kühlflüssigkeit (34) aus der Nut parallel abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (42) zur Zufuhr der Kühlflüssigkeit (32) und/oder der Ringkanal (44) zur Abfuhr der Kühlflüssigkeit (34) mit mehreren über den Umfang des Rings (4) verteilte Öffnungen (420, 440) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungskopf (20) und/oder Anschlüsse (22) der Wicklung mindestens teilweise mit einem Isolierharz vergossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) zum Stator- und/oder Rotorumfang durch eine Bandage abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (4) zur Stator- und/oder Rotorstirnseite (12) mit einer Kehlnaht aus Isolierharz abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck und/oder der Volumenstrom der Kühlflüssigkeit (32, 34) verändert wird.