DE102005043313A1

DE102005043313A1 - Rotierende elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung

Info

Publication number: DE102005043313A1
Application number: DE102005043313A
Authority: DE
Inventors: Erich Bott; Reiner Seufert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2007-03-15
Also published as: WO2007031373A1

Abstract

Rotierende elektrische Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Stator (1), wobei zumindest ein kühlkanalbildendes Element (4) in einem Metallkunststoffhybrid eingegossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Stator.
Vergleichsweise große Elektromotoren oder auch intensiv ausgenutzte Elektromotoren werden wassergekühlt. Dazu sind in dem Gehäuse des Stators Nuten gefräst, in die ein Kupferrohr eingelegt ist, durch das ein Kühlmittel geleitet wird. Nachteilig dabei ist, die vergleichsweise geringe Kontaktfläche für den Wärmeübergang zwischen dem Rohr und dem Gehäuse oder dem Blechpaket des Stators bei gehäuselosen Maschinen. Dieser mangelhafte Wärmeübergang kann durch wärmeleitfähige Pasten etwas verbessert werden.

In der DE 28 28 473 sind beispielsweise Ringnuten in ein Ständergehäuse gefräst, die durch Unterbrechungen miteinander verbunden sind. Durch diese Nuten fließt die Kühlflüssigkeit.

Allgemein bekannt sind auch axial verlaufende Kühlkanäle, die an den Stirnseiten eines Stators durch geeignete Mittel umgelenkt werden und dadurch über den Umfang des Stators einen Kühlkreislauf bilden.

Nachteilig dabei ist grundsätzlich der konstruktive Aufwand um eine ausreichende Kühlung einer elektrischen Maschine zu erzielen.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Kühlung eines Stators einer rotierenden elektrischen Maschine zu schaffen, und dabei den Herstellungsaufwand des Kühlsystems gegenüber vergleichsweisen Kühlsystemen zu reduzieren.

Des Weiteren soll eine Berührungssicherheit des Gehäuses vorliegen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine rotierende elektrische Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Stator, wobei zumindest ein kühlkanalbildendes Element in einem Metallkunststoffhybrid eingegossen ist. Das erfindungsgemäße Metallkunststoffhybrid umfasst einen Thermoplasten, eine im Bereich zwischen 100°C und 400°C schmelzende Metallverbindung und einen elektrisch leitenden und/oder metallischen Füllstoff.

Als elektrisch leitfähiger und/oder metallischer Füllstoff kommen alle gängigen elektrisch leitenden Füllstoffe wie Fasern und/oder Partikel aus Metall, Metalllegierungen (normal- also hochschmelzend, z.B. Kupfer, Stahl etc.) Ruß, Kohlefasern intrinsisch leitfähige Polymere (z.B. Acetylen, Polythiophen) etc. zum Einsatz. Es können handelsübliche Metallfasern (Kupferfasern, Stahlfasern, etc.) und/oder Kohlefasern eingesetzt werden. Die Länge der Faser liegt bevorzugt zwischen 1 und 10 mm, die Dicke sollte bevorzugt < 100 μm sein. Weiterhin können die leitfähigen Füllstoffe partikelförmig sein, z.B. Kugeln, Plättchen oder Flakes etc. Die Größe der Partikel sollte dabei < 100 μm, bevorzugt < 50 μm sein.

Als Thermoplast sind alle am Markt angebotenen Thermoplaste verwendbar, die je nach gefordertem Eigenschaftsprofil ausgewählt werden können.

Als Thermoplast enthält das Metallkunststoffhybrid beispielsweise eines der folgenden Polymere: Massenkunststoffe wie ein Polystyrol oder ein Polypropylen etc. und/oder ein technisches Thermoplast wie Polyamid oder Polybutylenterephthalat etc. oder als Hochtemperaturthermoplasten ein Polyetherimid, ein Polyphenylensulfid, ein teilaromatisches Polyamid etc. Selbstverständlich können auch alle gängigen Blends und thermoplastischen Elastomere eingesetzt werden.

Unter einer niedrig schmelzenden Metalllegierung wird eine metallische Verbindung verstanden, deren Schmelzpunkt bzw. Schmelzbereich zwischen 100°C und 400°C liegt. Für Hochtempe raturthermoplaste, die teilweise Verarbeitungstemperaturen von > 400 ° C erfordern, können auch Metallverbindungen mit einem Schmelzpunkt/Schmelzbereich von > 300° C Anwendung finden. Sowohl niedrig schmelzende Metalllegierungen mit einem Schmelzbereich, als auch solche mit einem Schmelzpunkt können erfindungsgemäß eingesetzt werden. Die metallische Verbindung umfasst im wesentlichen Metalle, kann aber auch beliebige Zusätze, insbesondere auch nicht-metallische Zusätze und Additive aufweisen.

Ein Merkmal der niedrig schmelzenden Metalllegierung mit Schmelzpunkt ist ein unmittelbarer und drastischer Viskositätsabfall auf < 50 mPa s beim Überschreiten des Schmelzpunktes. Diese extrem niedrige, fast wasserähnliche Viskosität trägt in Compound entscheidend zum hohen Fließvermögen bei hohen Füllgraden und Füllstoffen bei.

Je nach Anforderung können die Anteile an niedrig schmelzenden Metalllegierung und elektrisch leitfähigen Füllstoff in einem weiten Bereich variiert werden, allgemein zwischen 1 bis > 95 Gew.-%, insbesondere zwischen 10 und 80 Gew.-% und zwischen 20 und 75 Gew.-%.

Vorteilhafterweise lassen sich diese Compounds mit einem Gesamtanteil an leitfähigen Komponenten (niedrig schmelzende Metallverbindung plus Füllstoff von > 80 Gew.-%) noch im Spritzgießverfahren verarbeiten. Dies wird nur durch die Kombination der beiden leitfähigen Komponenten in Thermoplasten erreicht. Durch niedrige spezifische Durchgangswiderstände wird das Entstehen von Verlustwärme in Bauteile stark begrenzt. Die überdies in Kombination mit der hohen thermischen Leitfähigkeit der Compounds, die bevorzugt über 5 W/mK bis zu > 10 W/mK beträgt, sehr effektiv abgeführt wird.

Vorteilhafterweise wird der Werkstoff bei einer Temperatur hergestellt und verarbeitet, bei der sowohl die niedrig schmelzende metallische Legierung als auch der Thermoplast in schmelzflüssigem Zustand vorliegen. Diese Schmelzlegierung, eine anorganische und eine organische Komponente umfassend, besitzt eine extrem hohe Fließfähigkeit, so dass noch Füllstoffe, also Partikel und/oder Fasern zu einem hohen Gewichtsanteil zugeschlagen werden können, ohne die guten Fließ- bzw. Verarbeitungseigenschaften zu verlieren. D.h. ohne einen zu starken Anstieg der Viskosität zu bewirken.

Die Herstellung der Compounds kann sowohl diskontinuierlich auf einem Kneter als auch kontinuierlich auf einem Extruder erfolgen. Die Messung des spezifischen Durchgangswiderstandes wurde an Probekörpern durchgeführt, die im Spritzgießverfahren hergestellt wurden.

Die aus dem erfindungsgemäßen Metallkunststoffhybrid hergestellten Körper, wie z.B. der Kühlmantel werden durch die üblichen Kunststoffformgebungsprozesse wie Spritzguss, Extrusion, Tiefziehen etc. produziert.

Vorteilhafterweise wird das kühlkanalbildende Element als Wendel ausgeführt, das seinen Einlass auf der einen Seite des Stators und seinen Auslass auf der anderen Seite des Stators aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind Ein- und Auslass auf einer Seite des Stators, so dass Anflanscharbeiten für das Kühlsystem wesentlich erleichtert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei die Wendeln des Hinleiters zumindest um einen Abstand versetzt, der dem Durchmesser einer Wendel entspricht, dies bedeutet, dass die Rückleitung in den Zwischenräumen dieser kühlkanalbildenden Elemente anzuordnen ist, so dass zwei ineinander verschachtelnde Wendeln als Kühlmantel um den Stator vorliegen.

Die Ganghöhe der Wendeln ist vorbestimmbar und ist im Bereich größerer Wärmequellen dementsprechend geringer, um mehr Verlustwärme aufnehmen zu können.

Ebenso können die Kühlkanäle als mäanderförmige ausgestalteter Mantel um den Stator gebildet werden. Vorteilhafterweise ist das kühlkanalbildende Element allseitig vom Metallkunststoffhybrid umgeben. Falls aber eine direktere Abführung der Verlustwärme notwendig sein sollte, sind die kühlkanalbildenden Elemente auch direkt mit dem Stator bzw. dem Gehäuse der rotierenden elektrischen Maschine kontaktiert.

Die kühlkanalbildenden Elemente sind vorteilhafterweise rund oder rechteckförmig ausgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein die kühlkanalbildenden Elemente von einem Metallkunststoffhybrid umgeben, dass durch Spritzguss aufgebracht worden ist. Durch Spritzguss können des Weiteren Flansche gebildet werden, so dass die Montage weiterer Hilfsmodule erleichtert wird.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen werden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:
1 umspritzte Kühlwendel mit runden kühlkanalbildenden Elementen,
2 umspritzte Kühlwendel mit rechteckförmigen kühlkanalbildenden Elementen.
1 zeigt einen Kühlmantel einer nicht näher dargestellten rotierenden elektrischen Maschine, die einen prinzipiell dargestellten Stator 1 oder ein Gehäuse aufweist, das durch einen Kühlmantel 2 umgeben ist. Der Kühlmantel 2 zeigt eine wendelförmige angeordnete Kühlschlange 4 mit einem Einlass 3 und einem Auslass 5, bei der die Kühlflüssigkeit wendelförmig um den Stator 1 geführt wird und dadurch die Verlustwärme abführt. Die kühlkanalbildenden Elemente 4, die als Rohrschlange ausgeführt sind, sind in ihrem Durchmesser so hoch wie die Dicke des Kühlmantels 2. Dadurch ist ein direkter Kontakt der kühlkanalbildenden Elemente mit dem Stator 1 gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Höhe des Kühlmantels 2 größer als der Durchmesser der kühlkanalbildenden Ele mente 4 sein, so dass die kühlkanalbildenden Elemente 4 komplett von dem Kunststoffmetallhybrid umgeben sind.
2 zeigt die im Prinzip gleiche Ausführungsform wie 1, nur dass die kühlkanalbildenden Elemente 4 dabei einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

Claims

Rotierende elektrische Maschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Stator (1), wobei zumindest ein kühlkanalbildendes Element (4) in einem Metallkunststoffhybrid eingegossen ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlkanalbildende Element (4) als Wendel ausgeführt ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Einlass (3) und Auslass (5) der Wendel (4) sich auf unterschiedlichen Stirnseiten des Stators (1) befinden.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich Ein- (3) und Auslass (5) der Wendel (4) auf einer Seite des Stators (1) befinden.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Windung der Wendel (4) einen Abstand von der nächsten Windung aufweist, die zumindest dem Durchmesser des kühlkanalbildenden Rohres entspricht, so dass sich eine Doppelwendel ausbildet, in der Hin- und Rückleitung des Flüssigkeitsmediums stattfindet.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlkanalbildende Element (4) mäanderförmig um den Stator (1) gelegt ist.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelwendel einen Kühlmantel (2) ausbildet.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlkanalbildende Element (4) direkt am Stator (1) oder am Gehäuse des Stators (1) anliegt.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlkanalbildenden Element (4) allseitig vom Metallkunststoffhybrid umgeben sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kühlkanalbildenden Elemente (4) rohrförmig oder rechteckförmig ausgebildet sind.
Rotierende elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallkunststoffhybrid durch einen Spritzgussvorgang aufgebracht wird.
Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Spritzguss weitere vorteilhafte Formgebungen an den Stator (1) stattfinden, wie Ausbildung von Flanschen.