DE102004038722A1 - Elektrische Maschine mit Kühlvorrichtung für die Statorwicklung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor (12), der drehbar in einem Stator (11) gelagert ist. Weiterhin ist zur Kühlung von Statorteilen ein Kühlsystem (21) im Einsatz. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Axialdehnung (a¶R¶) eines elektrisch aktiven Teiles (15) des Rotors (12) sowie eines Statorblechpaketes (19) geringer ist als die Axialausdehnung (a¶S¶) des geraden Teiles der Statorwicklung (16), welcher sich zwischen Wickelköpfen (17a, 17b) erstreckt. Daher ragt der gerade Teil der Statorwicklung (16) beidseitig aus dem durch Rotor (12) und Statorblechpaket (19) gebildeten Ringspalt heraus, wodurch an der Statorwicklung (16) Kühlbereiche (22) entstehen. Hierdurch kann vorteilhaft die Kühlung des Stators, insbesondere in den thermisch kritischen Bereichen der Wickelköpfe (17a, 17b) verbessert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, aufweisend einen drehbar in einem Stator mit einer sich zwischen zwei Wickelköpfen des Stators erstreckenden Statorwicklung gelagerten Rotor, wobei für den Stator eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist.
• Eine derartige elektrische Maschine ist beispielsweise aus der DE 102 25 224 A1 bekannt. Diese elektrische Maschine weist einen ortsfesten Stator auf, in dem ein Rotor drehbar gelagert ist. Der Stator weist u. a. ein Blechpaket auf, welches die Statorwicklungen umgibt. Im Stator ist ein Rotor drehbar gelagert. Eine Kühlung des Stators erfolgt durch die Zirkulation eines Kältemittels unter Ausnutzung des Thermosiphon-Effektes. Zu diesem Zweck ist in dem Blechpaket ein Kanalsystem vorgesehen, welchem eine als Kältemittel Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Diese verdampft im Kanalsystem, wodurch die Wärme aus dem Blechpaket abgeführt wird. An einer anderen Stelle ist ein Kondensor für das verdampfte Kühlmittel vorgesehen, wobei dieses dort unter Abgabe der aus dem Blechpaket abgeführten Wärme kondensiert und anschließend dem Kanalsystem im Blechpaket wieder zugeführt wird.
• Außerhalb des Blechpaketes ragen die Wickelköpfe aus dem Stator heraus. Diese enthalten einen schlingenförmigen Verlauf der Statorwicklung, die im Bereich des Blechpaketes axial am gelagerten Rotor entlang geführt wird und im Bereich der Wickelköpfe eine Richtungsänderung um 180° erfährt.
• Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Kühlvorrichtung für eine Statorwicklung einer elektrischen Maschine anzugeben, mit der sich eine vergleichsweise große Menge an Wärme insbesondere aus überhitzungskritischen Bereichen abführen lässt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Axialausdehnung des zwischen den Wickelköpfen befindlichen geraden Teils der Statorwicklung größer ist als die Axialausdehnung des elektrisch aktiven Teils des Rotors und dass derjenige Bereich des geraden Teils der Statorwicklung, der den elektrisch aktiven Teil des Rotors überragt, eine Kühlfläche für die Kühlvorrichtung bildet. Mit anderen Worten ist also die Statorwicklung bezogen auf die elektrischen Anforderungen der elektrischen Maschine zu lang ausgeführt, da sie über den elektrisch aktiven Teil des Rotors hinaus reicht. Außerhalb des elektrisch aktiven Teils des Rotors wird nämlich kein Läuferfeld mit nennenswerter Feldstärke erzeugt, so dass der Bereich der Statorwicklung außerhalb des elektrisch aktiven Teils des Rotors an den in der elektrischen Maschine ablaufenden elektrischen Vorgängen kaum beteiligt ist. Diese Bereiche sind erfindungsgemäß daher zur Schaffung von Kühlflächen für eine Kühlvorrichtung geeignet, wodurch vorteilhaft bauartbedingt eine größere Kühlleistung am Stator verwirklicht werden kann. Diese Kühlleistung kann weiterhin vorteilhaft in der Nähe der Wickelköpfe erzeugt werden, weswegen diese thermisch entlastet werden können. Da die Kühlleistung in den Bereichen mit der Kühlfläche direkt in die Statorwicklung eingebracht werden kann und nicht indirekt über das Blechpaket erfolgt, lässt sich vorteilhaft auch aus den thermisch kritischen Bereichen der Wickelköpfe eine vergleichsweise große Wärmemenge abtransportieren. Als Folge hiervon kann die elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Kühl system bei gleicher Baugröße des Stators in einem höheren Leistungsbereich betrieben werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Rotor mit supraleitenden Wicklungen ausgestattet ist, da mit derartigen Motoren bei kleiner Baugröße verhältnismäßig hohe Leistungen verwirklicht werden können. Die Statorwicklung kann unabhängig von der Beschaffenheit des Rotors beispielsweise aus Kupfer oder auch aus einem Supraleiter bestehen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bereich mit der Kühlfläche durch einen insbesondere metallischen Kühlkörper geführt wird. Der Kühlkörper muss aus einem vergleichsweise gut wärmeleitfähigen Material bestehen, damit die Wärme aus der Statorwicklung über die Kühlfläche des Bereiches schnell an den Kühlkörper abgegeben werden kann. Dies ist insbesondere bei einem metallischen Kühlkörper gewährleistet. Der Kühlkörper kann die Wärme weiter an ein Kühlmittel abgeben, welches mit dem Kühlkörper in Kontakt gebracht wird. Der Kühlkörper stellt vorteilhaft aufgrund seine Wärmekapazität einen Zwischenspeicher für die in der Statorwicklung, insbesondere im Wickelkopf erzeugte Wärme dar, so dass kurzzeitige Belastungsspitzen der elektrischen Maschine durch den Kühlkörper thermisch abgefangen werden können, auch wenn die Kapazität des verwendeten Kühlmittels in diesen Betriebszuständen nicht ausreichen würde.
• Eine Erwärmung des Kühlkörpers aufgrund der in der elektrischen Maschine erzeugten Felder kann vernachlässigt werden, da der Kühlkörper in dem Bereich der Statorwicklung angebracht ist, der außerhalb des elektrischen Einflussbereiches des elektrisch aktiven Teiles des Rotors liegt. Damit macht die erfindungsgemäße Gestaltung der Statorwicklung die Ver wendung eines metallischen Kühlkörpers, der direkt an die Statorwicklung angreift, erst möglich. Selbstverständlich muss der Kühlkörper gegenüber der Statorwicklung elektrisch isoliert werden.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kühlkörper mit Kühlrippen ausgestattet. Dies hat den Vorteil, dass die im Kühlkörper gespeicherte Wärme aufgrund einer Oberflächenvergrößerung schneller an die Umgebung oder ein verwendetes Kühlmittel abgegeben werden kann.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kühlvorrichtung einen Kühlkanal für ein Kühlmittel aufweist. Durch den Kühlkanal kann das Kühlmittel direkt und mit definierten Strömungsverhältnissen an den Kühlkörper oder direkt an die Statorwicklung herangeführt werden. Hierdurch wird der Kühlvorgang unanfällig gegen äußere Störgrößen, wodurch sich vorteilhaft eine große Zuverlässigkeit des Kühlsystems erreichen lässt.
• Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Kühlkanals ist dieser als Teil eines Thermosiphons ausgebildet. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ein besonderes effektives Kühlprinzip zur Kühlung der Statorwicklung verwenden, welches eingangs bereits genau beschrieben wurde.
• Zuletzt kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen werden, dass die Kühlvorrichtung zusätzlich mit weiteren Teilen des Stators, insbesondere einem Statorblechpaket verbunden ist. Hierdurch lässt sich das erfindungsgemäße Kühlsystem an bereits gemäß dem Stand der Technik bestehende Kühlsysteme anpassen. Außerdem lässt sich die insgesamt am Stator wirkende Kühlleistung noch vergrößern.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt die Figur ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im schematischen Längsschnitt.
• Eine elektrische Maschine gemäß der Figur besteht im Wesentlichen aus einem in einem Stator 11 gelagerten Rotor 12. Der Rotor ist drehbar und kann über eine Ausgangswelle 13 ein Drehmoment abgeben. Der Rotor weist eine zylindrische Verkapselung 14 auf, die teilweise aufgeschnitten dargstellt ist. Im aufgeschnittenen Teil ist ein elektrisch aktiver Teil 15 mit einer Axialausdehnung a_R (bezüglich der Rotationsachse des Rotors) zu erkennen.
• Von dem Stator 12 sind nur die für die elektrische sowie die Kühlfunktion wesentlichen Bestandteile dargestellt. Der Stator weist eine Statorwicklung 16 auf, welche in einem ringförmig den Rotor 12 umlaufenden Teil mit einer Axialausdehnung a_S (ebenfalls im Bezug auf die Drehachse des Rotors) jeweils gerade und parallel zur Drehachse verläuft. An dem geraden Teil der Statorwicklung schließt sich beidseitig ein Wickelkopf 17a, 17b an, in dem der Verlauf eines Kupferleiters 18, der nur abschnittsweise angedeutet ist, um jeweils 180° seine Verlaufsrichtung ändert, wobei somit in den Wickelköpfen jeweils parallel im geraden Teil der Statorwicklung verlaufenden Leiter miteinander verbunden sind.
• Weiterhin ist der gerade Teil der Statorwicklung in einem mittleren Teilstück von einem Statorblechpaket 19 umgeben. Die Axialausdehnung des Statorblechpaketes 19 entspricht im Wesentlichen der Axialausdehnung a_R des elektrisch aktiven Teils 15 des Rotors 12, wobei diese Bauelemente mit fluchtenden Enden ausgerichtet sind. Da die Axialausdehnung a_S des graden Teils der Statorwicklung 16 größer ist als die Axialausdehnung a_R des elektrisch aktiven Teils 15 des Rotors und die Axialausdehnung des zum Rotor in beschriebener Weise ausgerichteten Statorblechpaketes 19, kann der gerade Teil der Statorwicklung 16 so ausgerichtet werden, dass er beidseitig aus dem zwischen Rotor 12 und Statorblechpaket 19 gebildeten ringförmigen Spalt herausragt.
• Die herausragenden Enden des geraden Teils der Statorwicklung 16 liegen daher im Wesentlichen auch außerhalb der durch die elektrische Maschine erzeugten Felder, weswegen in diesem Bereich der Statorwicklung 16 keine wesentlichen Wirbelströme erzeugt werden. Daher kann die Statorwicklung 16 in diesen Bereichen als Kühlfläche 20 für eine Kühlvorrichtung 21 genutzt werden. Die Kühlvorrichtung 21 nutzt zur Kühlung den Thermosiphon-Effekt. Zu diesem Zweck ist ein Kanalsystem vorgesehen, welches in dem jeweils zwischen den Wickelköpfen 17a, 17b und dem innerhalb der Axialausdehnung a_R liegenden Teil der Statorwicklung 16a sich ausdehnenden Kühlbereich 22 Verdampfungsräume 26 für ein Kühlmittel aufweist. In diesem Verdampfungsräumen 26 verdampft das flüssige Kühlmittel unter Aufnahme der Wärmeenergie aus der Statorwicklung 16 und gelangt durch Verbindungskanäle 23 in einen Kondensor 24, wo das Kühlmittel unter Abgabe von Wärme an einen Wärmetauscher 25 kondensiert. Anschließend gelangt das Kühlmittel durch dieselben Verbindungskanäle 23 zurück in die Verdampfungsräume 26. Weitere Verdampfungsräume 26a können zur zusätzlichen Kühlung in dem Statorblechpaket 19 angeordnet werden (von diesen Verdampfungsräumen ist nur einer exemplarisch dargestellt).
• Der Kupferleiter 18 kann direkt durch die Verdampfungsräume führen (in der Figur nicht dargestellt). Weiterhin kann in den Kühlbereichen 22 ein Kühlkörper 27a, 27b angeordnet werden, der beispielsweise ebenfalls aus Kupfer besteht und der Bohrungen für den Kupferleiter 18 aufweist. Der Kupferleiter 18 ist von den Kühlkörpern 27a, 27b zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen durch eine Isolationsschicht 28 getrennt (z. B. ausgeführt als Leiterisolierung). Diese sollte aus einem vergleichsweise gut wärmeleitfähigen Material bestehen, um einen Wärmeübergang von dem Kupferleiter 18 in die Kühlkörper 27a, 27b nicht zu behindern.
• Die Kühlkörper 27a, 27b erfüllen zwei Funktionen. Einmal können sie aufgrund ihrer Wärmekapazität schnell Wärme aus dem Kupferleiter 18 abführen. Zum anderen kann ihre an die Verdampfungsräume 26 anschließende Oberfläche mit Rippen 29 versehen werden, um eine Oberflächenvergrößerung (insbesondere in Bezug auf die durch die Kupferleiter 18 zur Verfügung gestellte Oberfläche) zu erreichen. Hierdurch kann ein schnellerer Wärmeübergang in das Kühlmittel erreicht werden. Die Rippen 29 können, wie am Kühlkörper 27a, radial oder, wie am Kühlkörper 27b, axial zur Drehachse des Rotors verlaufen.

Claims (6)

1. Elektrische Maschine, aufweisend einen drehbar in einem Stator (11) mit einer sich zwischen zwei Wickelköpfen (17a, 17b) des Stators erstreckenden Statorwicklung (16) gelagerten Rotor (12), wobei für der Stator eine Kühlvorrichtung (21) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialausdehnung (a_S) des zwischen den Wickelköpfen (17a, 17b) befindlichen geraden Teils der Statorwicklung (16) größer ist als die Axialausdehnung (a_R) des elektrisch aktiven Teils des Rotors (12) und dass derjenige Bereich des geraden Teils der Statorwicklung (16), der den elektrisch aktiven Teil des Rotors überragt, eine Kühlfläche (20) für die Kühlvorrichtung bildet.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit der Kühlfläche (20) durch einen insbesondere metallischen Kühlkörper (27a, 27b) geführt wird.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper mit Kühlrippen ausgestattet ist.
4. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung einen Kühlkanal (23, 26) für ein Kühlmittel aufweist.
5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (23, 26) einen Teil eines Thermosiphons bildet.
6. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (21) zusätzlich mit weiteren Teilen des Stators (11), insbesondere einem Statorblechpaket (19) verbunden ist.