DE102005058219A1 - Electrical machine inside closed housing has rotor and stator with cooled end windings coupled to a thermally conductive element - Google Patents

Electrical machine inside closed housing has rotor and stator with cooled end windings coupled to a thermally conductive element Download PDF

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Abstract

An electrical machine (3) inside a closed machine housing (5,6) comprises rotor with windings and a wound stator whose nose-shaped end windings (2) are coupled to the housing by at least one plastic sealing compound (10,11) including thermally conductive and electrically insulating elements (12).

Description

Elektrische Maschine mit Kühlung der Wickelköpfe ihrer Ständerwicklungelectrical Machine with cooling the winding heads their stator winding

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, die innerhalb eines geschlossenen Maschinengehäuses

  • – einen drehbar gelagerten Läufer mit einer Läuferwicklung,
  • – einen ortsfesten Ständer mit einer Ständerwicklung, die stirnseitige Wickelköpfe mit nasenartigen Windungsschlaufen aufweist, sowie
  • – Mittel zur thermischen Ankopplung der Wickelköpfe an das Maschinengehäuse über wenigstens einen thermischen Verbindungskörper, der eine Kunststoff-Vergussmasse mit ein- oder angelagerten, die thermische Leitfähigkeit erhöhenden Teilen aufweist, enthält.
The invention relates to an electrical machine that is within a closed machine housing
  • A rotatably mounted rotor with a rotor winding,
  • - A stationary stand with a stator winding, the end-side winding heads with nose-like Windungsschlaufen has, and
  • - Means for thermal coupling of the winding heads to the machine housing via at least one thermal connection body, which has a plastic potting compound with on or accumulated, the thermal conductivity increasing parts contains.

Eine entsprechende Maschine ist der DE 1 613 297 A zu entnehmen.A corresponding machine is the DE 1 613 297 A refer to.

In Maschinen aller Leistungsklassen, insbesondere aber mit höherer Leistung, wird eine erhebliche Wärme entwickelt, die im Hinblick auf eine verbesserte Maschineneffizienz und/oder höherer Lebensdauer mittels kühltechnischer Maßnahmen abzuführen ist. So ist z.B. für größere Maschinen wie z.B. Generatoren eine Kühlung von Ständer und Läufer mit H2-Gas bekannt (vgl. z.B. "Proceedings of the American Power Conference", Vol. 39, Chicago 1977, Seiten 255 bis 269). Das H2-Gas wird hierbei in einem gekapselten Gehäuse umgewälzt. Dabei sind nicht nur aufwendige Abdichtungsmaßnahmen erforderlich, sondern auch umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen zu berücksichtigen.In machines of all performance classes, but in particular with higher performance, a considerable amount of heat is developed, which has to be dissipated by means of cooling measures with regard to improved machine efficiency and / or longer service life. Thus, for example, for larger machines such as generators cooling of the stator and rotor with H 2 gas is known (see, eg, "Proceedings of the American Power Conference", Vol 39, Chicago 1977, pages 255-269). The H 2 gas is circulated in an encapsulated housing. Not only are complex sealing measures required, but also comprehensive safety measures have to be considered.

Außerdem sind auch wassergekühlte Generatoren Standard, bei denen das Wasser in Kanälen zirkuliert, die sich insbesondere durch die sogenannten Ständerstäbe bzw. Ständerblechpakete erstrecken. Hierbei ist ein Einsatz von Pumpen erforderlich. Außerdem muss das Wasser aus Korrosionsschutzgründen konditioniert werden.Besides, they are also water cooled Generators standard where the water circulates in channels, which extend in particular by the so-called stator bars or stator laminations. This requires the use of pumps. In addition, must the water is conditioned for corrosion protection reasons.

Darüber hinaus sind auch luftgekühlte Maschinen wie Motoren, insbesondere mit Leistungen unter 300 MVA, bekannt, bei denen eine Kühlung durch einen vergleichsweise großen Luftstrom erfolgt. Dieser Luftstrom kann insbesondere durch ein Netzwerk feiner Kanäle geleitet werden (vgl. DE 42 42 123 A1 oder EP 0 823 370 A1 ). Bei einigen Maschinentypen trägt der Luftstrom selbst in Folge von Reibungsverlusten in den Kanälen zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung bei.In addition, air-cooled machines such as motors, in particular with powers below 300 MVA, are known in which cooling takes place by means of a comparatively large air flow. This air flow can in particular be passed through a network of fine channels (cf. DE 42 42 123 A1 or EP 0 823 370 A1 ). For some types of machines, the air flow contributes to undesirable heat generation even as a result of friction losses in the channels.

Bei geschlossenen Maschinen, bei denen von außen kein Kältemittel zugeführt wird, das den elektrisch aktiven Teil der Maschine durchströmt, erfolgt eine Außenbelüftung, die, wie in der Zeitschrift "Drive and Control", Heft 1, 1992, Seiten 10 bis 12 beschrieben ist, zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Motor führt. Bei solchen Maschinen werden im Allgemeinen auf der Nicht-Antriebsseite Lager und Wickelkopf der Ständerwicklung unter ihren thermischen Grenzen beansprucht. Hingegen treten auf der Antriebsseite höhere Temperaturen auf, die das antriebsseitige Lager und den antriebsseitigen Wickelkopf entsprechend thermisch beanspruchen.at closed machines in which no refrigerant is supplied from outside, which flows through the electrically active part of the machine takes place an outdoor ventilation that, as in the magazine "Drive and Control ", Heft 1, 1992, pages 10 to 12, to an uneven temperature distribution in the engine leads. In such machines are generally on the non-drive side bearings and winding of the stator winding claimed under their thermal limits. On the other hand occur the drive side higher Temperatures on which the drive-side bearing and the drive side Thermal load the winding head accordingly.

Für diesen Maschinentyp ist es deshalb Stand der Technik, durch einen zusätzlichen Luftstrom die Temperaturunterschiede zwischen beiden Seiten auszugleichen und so für eine verbesserte Kühlung zu sorgen. Eine Möglichkeit besteht in einer Außenbelüftung des Maschinengehäuses, das auf seiner Außenseite mit Kühlrippen versehen ist, an denen eine axiale Luftströmung mittels eines Ventilators erzeugt wird, der am Kopfende auf der Nicht-Antriebsseite von der Welle angetrieben wird (vgl. z.B. DE 29 51 859 C2 ). Damit lässt sich zwar die wärme aus den Ständerblechpaketen an das im Allgemeinen sie unmittelbar umschließenden Außengehäuse übertragen, nicht aber ausreichend aus dem Bereich der aus den Ständerblechpaketen stirnseitig herausragenden Wickelköpfe der Ständerwick lung. Man sieht sich deshalb vielfach gezwungen, auch im Inneren des Maschinengehäuses ein besonderes Kanalsystem zur Luftkühlung des Läufers und der Wickelköpfe vorzusehen (vgl. z.B. DE 42 42 123 A1 ).For this type of machine, it is therefore state of the art to compensate for an additional air flow, the temperature differences between the two sides and thus to provide for improved cooling. One possibility consists in an external ventilation of the machine housing, which is provided on its outer side with cooling fins, at which an axial air flow is generated by means of a fan which is driven at the head end on the non-drive side of the shaft (see, eg DE 29 51 859 C2 ). Thus, although the heat from the stator laminations can be transferred to the generally enclosing them outer housing, but not sufficiently from the range of the stator laminations front end outstanding winding heads of Ständerwick development. It is therefore often forced, even inside the machine housing a special channel system for air cooling of the rotor and the winding heads provided (see, eg DE 42 42 123 A1 ).

Ein großer Teil dieser Verluste, insbesondere der Anteil der auf beiden Seiten des Ständers in den Gehäuseinnenraum ragenden Wickelköpfe, kann jedoch nur durch eine Konvektion an die Stirnseiten des Maschinengehäuses übertragen werden. Zur Verbesserung dieser Konvektion kann der Läufer stirnseitig mit Noppen oder Flügeln versehen sein, die eine undefinierte Verwirbelung des Luftstroms im Gehäuseinneren bewirken. Dabei darf jedoch nicht zuviel Wärme an die Stirnseiten des Maschinengehäuses übertragen werden, da die Temperatur der dort befindlichen Wellenlager einen vorgegebenen Höchstwert nicht überschreiten darf.One greater Part of these losses, especially the share of both sides of the stand in the housing interior projecting winding heads, However, it can only be transferred by convection to the front sides of the machine housing become. To improve this convection of the rotor frontal with nubs or wings Be provided with an undefined turbulence of the air flow inside the case cause. However, not too much heat may be applied to the end faces of the Machine housing transferred be because the temperature of the shaft bearings located there predetermined maximum value do not exceed may.

Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den Wickelköpfen ist es auch bekannt, diese in ein Pulver hoher Wärmeleitfähigkeit wie z.B. aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder Bornitrid (BN) einzubetten (vgl. WO 2004/055957 A1). Stattdessen kann dann auch die thermische Ankopplung der Wickelköpfe an das Maschinengehäuse über eine Kunststoff-Vergussmasse vornehmen (vgl.In order to improve the heat dissipation from the winding heads, it is also known to embed them in a powder of high thermal conductivity, for example of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or boron nitride (BN) (see WO 2004/055957 A1). Instead, then, the thermal coupling of the winding heads to make the machine housing via a plastic potting compound (see.

DE 199 43 446 A1 ). Bekannte Verguss-Werkstoffe haben jedoch eine verhältnismäßig niedrige thermische Leitfähigkeit, die im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 3 W/m·K liegt. Bei größeren Abständen der Wickelköpfe von der jeweiligen Gehäusewand wären deshalb auch größere Temperaturdifferenzen erforderlich. Aus diesen Gründen kann bei der bekannten elektrischen Maschine gemäß der eingangs genannten DE 1 613 297 A die Vergussmasse auch die thermische Leitfähigkeit verbessernde Füllstoffe, insbesondere auf Metallpulver-Basis, besitzen. Es zeigt sich jedoch, dass mit derartigen Füllstoffen Probleme bezüglich Teilentladungen auftreten können. DE 199 43 446 A1 ). However, known potting materials have a relative low thermal conductivity, which is generally in the range of 1 to 3 W / m · K. For larger distances of the winding heads of the respective housing wall therefore larger temperature differences would be required. For these reasons, in the known electric machine according to the aforementioned DE 1 613 297 A the potting compound also the thermal conductivity-improving fillers, in particular metal powder-based possess. It turns out, however, that problems with partial discharges can occur with such fillers.

Aus der DE 1 204 316 B ist es bekannt, an die Wickelköpfe einer Ständerwicklung einer elektrischen Maschine angepasste Wärmeübertragungsringe vorzusehen, die z.B. aus einem Kupfer guss bestehen. Außerdem kann der freie Ständerraum mit einer Einbettungsmasse ausgefüllt sein, die aus einem elektrisch isolierenden Material mit guter thermische Leitfähigkeit, aus einem unlöslichen Silikonharz mit einem Füllmittel aus fein verteilter pulverförmiger Tonerde, besteht.From the DE 1 204 316 B It is known to provide adapted to the winding heads of a stator winding of an electric machine heat transfer rings, for example, consist of a copper casting. In addition, the free stand space can be filled with an embedding mass, which consists of an electrically insulating material with good thermal conductivity, of an insoluble silicone resin with a filler of finely divided powdered alumina.

Auch bei weiteren elektrischen Maschinen ist es bekannt, zu einer Wärmeabfuhr aus dem Bereich von Wickelköpfen einer Ständerwicklung Körper aus einer Vergussmasse vorzusehen, in oder an die die thermische Leitfähigkeit erhöhende Teile aus elektrisch nicht-leitenden Materiale wie z.B. Al2O3 oder AlN ein- bzw. angelagert sind.Also in other electrical machines, it is known to provide a heat removal from the area of winding heads of a stator winding body of a potting compound, in or on the thermal conductivity increasing parts of electrically non-conductive materials such as Al 2 O 3 or AlN one or are attached.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass zum einen eine gute thermische Anbindung der Wickelköpfe an das Maschinengehäuse zu realisieren ist und zum anderen die Gefahr von Teilentladungen zu begrenzen ist.task The present invention is the machine with the above to design the above-mentioned features such that on the one hand a good thermal connection of the winding heads to the machine housing to realize and to limit the risk of partial discharges is.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dabei soll in oder an der Vergussmasse wenigstens ein großflächiger, streifen- oder plattenförmiger Wärmeleitkörper aus einem elektrisch nicht- oder schlecht-leitenden Material vorgesehen sein,

  • – dessen thermische Leitfähigkeit größer als 100 W/m·K ist,
  • – dessen elektrische Leitfähigkeit unter 0,5 Sm/mm2 liegt
  • – und der den kleinsten Abstand (a) zwischen dem Maschinengehäuse (5, 6) und dem jeweils zugeordneten Wickelkopf um mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 80 %, überbrückt, wobei der wenigstens eine Wärmeleitkörper in einen zwischen benachbarten nasenartigen Windungen des jeweiligen Wickelkopfes (2) ausgebildeten Zwischenraum zumindest ein Stück weit hineinragt.
This object is achieved with the features of the main claim. In this case, at least one large-area, strip-shaped or plate-shaped heat conducting body made of an electrically non- or poorly conductive material should be provided in or on the potting compound,
  • - whose thermal conductivity is greater than 100 W / m · K,
  • - whose electrical conductivity is less than 0.5 Sm / mm 2
  • - and the smallest distance (a) between the machine housing ( 5 . 6 ) and the respectively associated winding head by at least 50%, preferably at least 80%, bridged, wherein the at least one heat-conducting body in a between adjacent nose-like windings of the respective winding head ( 2 ) trained space protrudes at least a little way.

Unter einer Streifen- oder Plattenform sei hierbei jedes Gebilde mit in zwei Dimensionen ausgeprägter Gestalt verstanden.Under a strip or plate form is hereby each structure with in two dimensions more pronounced Gestalt understood.

Die mit dieser Ausgestaltung der Maschine verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass sich bei den angegebenen Bemessungen über das Material des oder der großflächigen Wärmeleitkörper die Wärme mit wesentlich kleineren Temperaturdifferenzen (zwischen Außengehäuse und Wickelkopf) abführen lässt als bei Verzicht auf derartige Wärmeleitkörper. Der Wärmeleitkörper stellt dabei quasi eine großflächige „Kühlfahne" dar.The associated with this embodiment of the machine advantages in particular to see that in the given dimensions on the Material of or the large-area heat-conducting body the Heat with much smaller temperature differences (between the outer housing and Winding head) dissipate leaves as when dispensing with such Wärmeleitkörper. Of the Wärmeleitkörper presents while a quasi-large "cooling flag" is.

Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit, die deutlich über der von üblichen Füllmaterialien wie z.B. von Al2O3 mit etwa 30 W/m·K liegt, ergibt sich auch der Vorteil, dass durch diese passive Wärmeabfuhr bei kleinen Temperaturdifferenzen entsprechend hohe Leistungsdichten und eine hohe Lebensdauer durch niedrigere Betriebstemperaturen ermöglicht werden. Außerdem ist diese Art der Wärmeabfuhr kostengünstig, da sie passiv ist, d.h. keine Luftkühlung für die Wickelköpfe erforderlich macht, und weil sie zudem auch wartungsfrei ist.Because of the high thermal conductivity, which is significantly higher than that of conventional filling materials such as Al 2 O 3 with about 30 W / m · K, there is also the advantage that due to this passive heat dissipation at low temperature differences correspondingly high power densities and a long service life be made possible by lower operating temperatures. In addition, this type of heat dissipation is inexpensive because it is passive, ie no air cooling for the winding heads required, and because it is also maintenance-free.

Da außerdem der wenigstens eine Wärmeleitkörper in den zwischen benachbarten nasenartigen Windungsschlaufen des jeweiligen Wickelkopfes ausgebildeten Zwischenraum zumindest ein Stück weit hinein ragt, vorzugsweise möglichst weit hinein ragt, ist ein entsprechend guter Wärmeübergang zwischen den Windungsschlaufen des Wickelkopfes und dem Wärmeleitkörper zu erreichen.There Furthermore the at least one heat-conducting body in the between adjacent nose-like winding loops of the respective Winding head trained gap at least a bit far protrudes into it, preferably as possible extends far into it, is a correspondingly good heat transfer between the loop loops the winding head and the heat conducting body to to reach.

Da schließlich das Material des Wärmeleitkörpers nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit unter 0,5 Sm/mm2 (bei 20°C), bevorzugt von unter 0,1 Sm/mm2, hat und vorzugsweise praktisch elektrisch isolierend ist, sind unerwünschte elektrische Überschläge oder Teilentladungen an den Wickelköpfen von vornherein ausschließen.Finally, since the material of the heat conducting only a very low electrical conductivity below 0.5 Sm / mm 2 (at 20 ° C), preferably of less than 0.1 Sm / mm 2 , and preferably is practically electrically insulating, are unwanted electrical flashovers or exclude partial discharges at the end windings from the outset.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.advantageous Embodiments of the machine according to the invention go from the dependent claims out.

So kann vorteilhaft von dem wenigstens einen Wärmeleitkörper der größere Teil, d.h. mehr als 50 %, der von der jeweils zugeordneten nasenartigen Windungsschlaufe des jeweiligen Wickelkopfs eingenommenen Fläche abgedeckt sein. Auf diese Weise ist ein großflächiger Wärmeübergang zwischen der Windungsschlaufe des Wickelkopfes und dem Wärmeleitkörper zu gewährleisten.So Advantageously, of the at least one heat-conducting body, the greater part, i. more than 50 %, of the respectively associated nose-like loop loop Covered area of the respective winding head be covered. To this Way is a large heat transfer between the winding loop of the winding head and the heat-conducting body to guarantee.

Außerdem kann vorteilhaft der wenigstens eine Wärmeleitkörper mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 30 %, des Volumens des thermischen Verbindungskörpers ausmachen. Mit dem verhältnismäßig hohen Anteil des Wärmeleitkörpers ist dann ein entsprechend guter Wärme-BUS zwischen dem Maschinengehäuse und dem zugeordneten jeweiligen Wickelkopf auszubilden.In addition, advantageously, the at least one heat-conducting body at least 20%, vorzugswei at least 30%, of the volume of the thermal bonding body. With the relatively high proportion of Wärmeleitkörpers then a correspondingly good heat BUS between the machine housing and the associated respective winding head is to be formed.

Bevorzugt sollte die thermische Leitfähigkeit des wenigstens einen Wärmeleitkörpers größer als die des Kupfers (von etwa 380 W/m·K) sein. Die Wärmeabfuhr aus dem Wickelkopfbereich ist dann besonders effektiv.Prefers should the thermal conductivity of the at least one Wärmeleitkörpers greater than that of copper (from about 380 W / m · K) be. The heat dissipation From the winding head area is then particularly effective.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der wenigstens eine Wärmeleitkörper zumindest teilweise aus Carbonfiber-Material besteht. Entsprechende, besonders geeignete Materialien können sehr hohe thermische Leitfähigkeiten von über 500 W/m·K aufweisen, die somit größer als die von Kupfer sind. Sie sind außerdem elektrisch gut isolierend. Entsprechende Körper werden außerdem kommerziell auch in Streifen- oder Plattenform hergestellt. Das Material verbindet sich gut mit der Vergussmasse.Especially It is advantageous if the at least one heat-conducting body at least partially Carbon fiber material exists. Corresponding, particularly suitable Materials can very high thermal conductivities from above 500 W / m · K which is thus greater than that are from copper. They are also electrically good insulating. Corresponding body Beyond that also commercially produced in strip or plate form. The Material combines well with the potting compound.

Der wenigstens eine Wärmeleitkörper kann vorteilhaft unmittelbar mit dem Maschinengehäuse verbunden werden, so dass er dann quasi eine Kühlfahne oder einen Kühlfinger des Gehäuses darstellt und damit eine entsprechend gute Wärmeübertragung auf das Gehäuse gewährleisten kann.Of the at least one heat-conducting body can be advantageous directly connected to the machine housing so that he then quasi a cooling flag or a cold finger represents the housing and thus a correspondingly good heat transfer on the case guarantee can.

Selbstverständlich kann der wenigstens eine Wärmeleitkörper eine Anisotropie der thermischen Leitfähigkeit aufweisen. In einem solchen Fall ist eine solche Ausbildung und Anordnung des Wärmeleitkörpers vorteilhaft, dass die größere thermische Leitfähigkeit zumindest annähernd in Richtung des kleinsten Abstandes weist. Wärmeleitkörper mit thermischer Anisotropie können insbesondere mit Fasermaterial aufgebaut sein.Of course you can the at least one heat-conducting body a Have anisotropy of thermal conductivity. In one In such a case, such a design and arrangement of the Wärmeleitkörpers is advantageous that the larger thermal conductivity at least approximately pointing in the direction of the smallest distance. Heat conducting body with thermal anisotropy can be constructed in particular with fiber material.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen und der Zeichnung hervor.Further advantageous embodiments of the machine according to the invention go from the not mentioned above claims and the drawings.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach der Erfindung an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigt deren einzige Figur in schematischer Darstellung lediglich den Bereich eines Wickelkopfs dieser Maschine mit der thermischen Ankopplung an das Gehäuse mit den für die Erfindung wesentlichen Teilen. Bei der elektrischen Maschine nach der Erfindung wird von an sich bekannten Typen des mittleren und höheren Leistungsbereichs wie z.B. von Generatoren oder Niederspannungsmotoren ausgegangen (vgl. die genannten Veröffentlichungen). Alle übrigen, nicht dargestellten Teile entsprechen zumindest weitgehend denen bekannter Maschinen.following becomes a preferred embodiment an electrical machine according to the invention with reference to the drawing further explained. The only figure shows in a schematic representation only the area of a winding head of this machine with the thermal Coupling to the housing with the for the invention essential parts. At the electric machine According to the invention of known per se types of the middle and higher Power range, such as of generators or low-voltage motors (see the publications cited). All the rest, not parts shown at least largely correspond to those known Machinery.

In der Figur ist ein Bereich eines Wickelkopfs 2 mit einer einzelnen nasenartigen Windungsschlaufe einer Ständerwicklung einer elektrischen Maschine 3 veranschaulicht. Die konkrete Ausführung solcher Wickelköpfe ist allgemein bekannt (vgl. z.B. das Buch von G. Müller: „Elektrische Maschinen", 6.Aufl. 1985, VDE-Verlag Berlin, Seiten 201 bis 209). Weiterhin sind bezeichnet mit 4 ein Ständerblechpaket, mit 5 ein Maschinengehäuse, mit 6 ein stirnseitiger Gehäusedeckel dieses Gehäuses 5, mit 7 allgemein der Motorraum und mit A die Achse, um die ein Läufer mit einer Läuferwicklung drehbar gelagert ist.In the figure, an area of a winding head 2 with a single nose-like winding loop of a stator winding of an electric machine 3 illustrated. The specific implementation of such winding heads is well known (see, eg, the book by G. Müller: "Electrical Machines", 6th edition 1985, VDE-Verlag Berlin, pages 201 to 209) 4 a stator core, with 5 a machine housing, with 6 a frontal housing cover of this housing 5 , With 7 generally the engine compartment and with A the axis about which a rotor is rotatably mounted with a rotor winding.

Zur thermischen Ankopplung des Wickelkopfs 2 an den radial außen liegenden Teil des Maschinengehäuses 5, 6 ist ein allgemein mit 10 bezeichneter thermischer Verbindungskörper vorgesehen.For thermal coupling of the winding overhang 2 to the radially outer part of the machine housing 5 . 6 is a common with 10 designated thermal connection body provided.

Dieser Verbindungskörper 10 umgibt den aus dem Ständerblechpaket 4 herausragenden Wickelkopf 2 bzw. seine nasenartigen Windungsschlaufen und reicht bis zu dem Maschinengehäuse 5, 6. Hierzu ist für den Verbindungskörper eine Vergussmasse 11 aus einem bekannten Kunststoffmaterial wie z.B. einem aushärtbaren Gießharz vorgesehen.This connecting body 10 surrounds it from the stator core 4 outstanding winding head 2 or his nose-like Windungsschlaufen and extends to the machine housing 5 . 6 , For this purpose, a potting compound for the connecting body 11 provided from a known plastic material such as a curable cast resin.

Erfindungsgemäß soll in die Vergussmasse 11 wenigstens ein besonderer Wärmeleitkörper 12 vorzugsweise integriert oder eingebettet sein. Dabei braucht die Vergussmasse den Wärmeleitkörper nicht vollständig zu umhüllen. So kann der Wärmeleitkörper auch seitlich an die Vergussmasse angrenzen. Der Umfang dieses Wärmeleitkörpers ist in der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeutet. D.h., der Wärmeleitkörper soll großflächig ausgeführt sein, wobei er auf einer Seite bevorzugt den größten Teil der nasenartigen Windungsschlaufe von dem Wickelkopf 2 bei einem Längsschnitt durch die Achse A der Maschine eingenommenen Fläche F abdeckt. Unter einem „Abdecken" sei dabei die Projektion der Windungsschlaufe auf die Ebene des Wärmeleitkörpers verstanden. Dementsprechend ragt der Wärmeleitkörper weit in den zwischen benachbarten nasenartigen Windungsschlaufen ausgebildeten Zwischenraum oder in einen entsprechenden, an einer Windungsschlaufe ausgebildeten Nachbarraum hinein. Dabei sollte der Wärmeleitkörper 12 eine solche axiale Ausdehnung bzw. Länge 1 aufweisen, dass wenigstens 50 %, vorzugsweise wenigstens 80 %, der maximalen axialen Ausdehnung des Wickelkopfes 2 bzw. der jeweiligen Windungsschlaufe außerhalb des Ständerblechpakets 4 von dem Wärmeleitkörper 12 erfasst werden. Im Hinblick auf eine hinreichend gute Verlustwärmeableitung von dem Wickelkopf 2 auf das Maschinengehäuse 5 sollte außerdem der kleinste Abstand a des von dem Maschinengehäuse am geringsten entfernten Teils des Wickelkopfs 2 um mindestens um 50 %, vorzugsweise um mindes tens 80 %, durch den Wärmeleitkörper 12 überbrückt sein. Bevorzugt kann der Wärmeleitkörper 12 auf der dem Wickelkopf gegenüberliegenden Seite unmittelbar an das Gehäuse 5 heranragen und insbesondere an diesem großflächig verankert sein. Auf diese Weise lassen sich thermische Widerstände entsprechend klein halten. Es ergibt. sich so gemäß der Darstellung der Figur ein Wärmeleitkörper 12 in Gestalt einer großflächigen Kühlfahne. Die über das Maschinengehäuse 5 in bekannter Weise radial nach außen an Luft oder an ein Kühlmedium wie z.B. Wasser abgebbare Verlustwärme ist in der Figur durch gepfeilte, allgemein mit W bezeichnete Linien angedeutet.According to the invention in the potting compound 11 at least one special heat-conducting body 12 preferably integrated or embedded. The potting compound does not need to completely envelop the heat-conducting body. Thus, the heat-conducting body can also adjoin the potting compound laterally. The scope of this Wärmeleitkörpers is indicated in the figure by a dashed line. That is, the heat-conducting body should be designed over a large area, where he preferred on one side, the largest part of the nose-like winding loop of the winding head 2 covered in a longitudinal section through the axis A of the machine occupied area F. The heat-conducting body protrudes far into the intermediate space formed between adjacent nose-like winding loops or into a corresponding neighboring space formed on a loop of windings, in which case the heat-conducting body should extend into the space between the heat-conducting body 12 have such axial extent or length 1 that at least 50%, preferably at least 80%, of the maximum axial extent of the winding head 2 or the respective winding loop outside the stator core 4 from the heat-conducting body 12 be recorded. With regard to a sufficiently good loss of heat dissipation from the winding head 2 on the machine housing 5 should also be the smallest distance a of the machine housing least distant part of the winding head 2 by at least 50%, preferably by at least 80%, by the heat-conducting body 12 be bridged. Preferably, the heat-conducting body 12 on the opposite side of the winding head directly to the housing 5 and in particular be anchored on this large area. In this way, thermal resistances can be kept correspondingly small. It results. so as shown in the figure, a heat-conducting body 12 in the form of a large-scale cooling flag. The over the machine housing 5 in a known manner radially outward in air or to a cooling medium such as water releasable heat loss is indicated in the figure by swept, generally designated W lines.

Im Hinblick auf eine hinreichend gute Wärmeübertragung soll der wenigstens eine Wärmeleitkörper aus einem Material bestehen, das einerseits eine hinreichend gute elektrische Isolationseigenschaft besitzt. Hierzu soll die elektrische Leitfähigkeit des wenigstens einen Wärmeleitkörpers 12 unter 0,5 Sm/mm2 (bei 20°C), vorzugsweise unter 0,1 Sm/mm2, und damit deutlich unter der von elektrisch schlecht-leitenden Metallen wie z.B. von Zirkonium (mit 2,3 Sm/mm2) liegen. Andererseits soll die thermische Leitfähigkeit größer als 100 W/m·K sein und damit z.B. über der von Eisen (mit 40 – 60 W/m·K) liegen. Außerdem sollte unter dem Gesichtspunkt einer guten Wärmeabfuhr der wenigstens eine Wärmeleitkörper 12 mindestens 20 % des Volumens des gesamten, aus der Vergussmasse 11 und Wärmeleitkörper 12 zusammengesetzten thermischen Verbindungskörpers 10, vorzugsweise mindestens 30 %, ausmachen.With regard to a sufficiently good heat transfer, the at least one heat-conducting body should consist of a material which on the one hand has a sufficiently good electrical insulation property. For this purpose, the electrical conductivity of the at least one heat-conducting body 12 below 0.5 Sm / mm 2 (at 20 ° C), preferably below 0.1 Sm / mm 2 , and thus significantly below that of electrically poorly conductive metals such as zirconium (with 2.3 Sm / mm 2 ) lie. On the other hand, the thermal conductivity should be greater than 100 W / m · K and thus, for example, above that of iron (with 40-60 W / m · K). In addition, from the point of view of good heat dissipation of the at least one heat-conducting body 12 at least 20% of the volume of the total, from the potting compound 11 and heat-conducting body 12 composite thermal connection body 10 , preferably at least 30%, make up.

Unter einer Streifen- oder Plattenform sei hierbei jedes Gebilde mit ausgeprägt zweidimensionaler Gestalt verstanden, das zudem nicht unbedingt aus einem Vollmaterial (mit 100 Dichte) zu bestehen braucht. So kommen für den Wärmeleitkörper auch Strukturen wie Gewebe, Filze, Vliese oder Matten aus Faser- oder Fibermaterial oder auch Verbundstrukturen aus mehreren verschiedenen Materialien in Frage.Under In this case, a stripe or plate form is every structure with a pronounced two-dimensional shape Understood figure, moreover, not necessarily from a solid material (with 100 density) needs to exist. So come for the Wärmeleitkörper also structures such as fabrics, felts, nonwovens or mats made of fiber or fibrous material or composite structures of several different materials in Question.

Die genannten Forderungen können insbesondere dann erfüllt werden, wenn der wenigstens eine zu verwendende streifen- o der plattenförmige Wärmeleitkörper 12 aus einem Carbonfiber-Material hoher thermischer Leitfähigkeit besteht oder mit einem solchen Material im Verbund mit mindestens einem anderen Material, das z.B. als Trägermatrix für die Carbonfasern dient, ausgebildet ist. Entsprechend gestaltete Materialien sind allgemein erhältlich. Bevorzugt sind solche Carbonfiber-Materialien zu verwenden, deren thermische Leitfähigkeit über 500 W/m·K liegt, beispielsweise mit der Handelsbezeichnung „Thornel K-800X" oder „Thornel K-1100" (Firma „Cytec Industries Inc.", US). Aus derartigen Carbonfasern werden plattenförmige Teile z.B. mittels Press- und Wärmebehandlungsschritten gefertigt, die sich besonders als entsprechende Kühlfahnen für den Verbindungskörper 10 eignen. Als ein konkretes Ausführungsbeispiel hat eine entsprechende Platte die Maße 20,3 cm·33,0 cm·0,79 cm (genannte Firma „Cytec Ind. Inc.", Handelsbezeichnung „ThermalGraph 6000X"). Außerdem ist das genannte Fasermaterial praktisch elektrisch isolierend.The stated requirements can be met in particular if the at least one strip-o to be used is the plate-shaped heat-conducting body 12 consists of a carbon fiber material of high thermal conductivity or is formed with such a material in combination with at least one other material, which serves as a carrier matrix for the carbon fibers, for example. Correspondingly designed materials are generally available. Preference is given to using those carbon fiber materials whose thermal conductivity is above 500 W / m.K, for example with the trade name "Thornel K-800X" or "Thornel K-1100" (company "Cytec Industries Inc.", US). From such carbon fibers plate-shaped parts are manufactured, for example by means of pressing and heat treatment steps, which are particularly suitable as corresponding cooling vanes for the connecting body 10 suitable. As a concrete embodiment, a corresponding plate has dimensions of 20.3 cm x 33.0 cm x 0.79 cm (called "Cytec Ind. Inc.", trade name "ThermalGraph 6000X"). In addition, said fiber material is practically electrically insulating.

Platten- oder streifenförmige Strukturen wie die bekannte Carbonfiber-Platte können eine ausgeprägte Anisotropie ihrer thermischen Leitfähigkeit aufweisen. In einem solchen Fall sollte die Struktur innerhalb des Verbindungskörpers 10 so angeordnet sein, dass die größere thermische Leitfähigkeit zumindest annähernd in Richtung der kürzesten Abstandslinie a zwischen dem Wickelkopf 2 und dem nächstliegenden Teil des Maschinengehäuses 5, 6 weist. So kann bei Wärmeleitkörpern 12 aus Carbonfiber-Material zumindest der größere Teil der Fasern in dieser Richtung verlaufen.Plate or strip structures, such as the known carbon fiber plate, can exhibit pronounced anisotropy in their thermal conductivity. In such a case, the structure should be within the connector body 10 be arranged so that the greater thermal conductivity at least approximately in the direction of the shortest distance line a between the winding head 2 and the nearest part of the machine housing 5 . 6 has. So can with Wärmeleitkörpern 12 made of carbon fiber material at least the greater part of the fibers in this direction.

Außerhalb des Bereichs des Wärmeleitkörpers 12 können sich in der Vergussmasse 11 selbstverständlich auch noch andere Teile der Maschine befinden. So sind in der Figur Teile von mindestens einer ringartigen elektrischen Anschlussleitung 13 für die Ständerwicklung angedeutet.Outside the range of the Wärmeleitkörpers 12 can be in the potting compound 11 Of course, other parts of the machine are also located. Thus, in the figure, parts of at least one ring-like electrical connection line 13 indicated for the stator winding.

Claims (11)

Elektrische Maschine (3), die innerhalb eines geschlossenen Maschinengehäuses (5, 6) – einen drehbar gelagerten Läufer mit einer Läuferwicklung, – einen ortsfesten Ständer mit einer Ständerwicklung, die stirnseitige Wickelköpfe (2) mit nasenartigen Windungsschlaufen aufweist, sowie – Mittel zu einer thermischen Ankopplung der Wickelköpfe (2) an das Maschinengehäuse (5, 6) mit wenigstens einem thermischen Verbindungskörper (10), der eine Kunststoff-Vergussmasse (11) mit ein- oder angelagerten, die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Teilen aufweist, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an der Vergussmasse (11) als die Wärmeleitfähigkeit erhöhende Teile wenigstens ein großflächiger Wärmeleitkörper (12) aus einem elektrisch nicht- oder schlecht-leitenden Material in Streifen- oder Plattenform vorgesehen ist, – dessen thermische Leitfähigkeit größer als 100 W/m·K ist, – dessen elektrische Leitfähigkeit unter 0,5 Sm/mm2 liegt – und der den kleinsten Abstand (a) zwischen dem Maschinengehäuse (5, 6) und dem zugeordneten Wickelkopf (2) um mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 80 % überbrückt, wobei der wenigstens eine Wärmeleitkörper in einen zwischen benachbarten nasenartigen Windungen des jeweiligen Wickelkopfes (2) ausgebildeten Zwischenraum zumindest ein Stück weit hineinragt.Electric machine ( 3 ), which within a closed machine housing ( 5 . 6 ) - a rotatably mounted rotor with a rotor winding, - a stationary stator with a stator winding, the end winding heads ( 2 ) with nose-like winding loops, and - means for thermal coupling of the winding heads ( 2 ) to the machine housing ( 5 . 6 ) with at least one thermal connection body ( 10 ), which is a plastic potting compound ( 11 ) with incorporated or attached, the heat conductivity-increasing parts, contains, characterized in that in or on the potting compound ( 11 ) as the heat conductivity increasing parts at least one large-area heat conducting body ( 12 ) is provided from a non-electrically or poorly conductive material in strip or plate form, - whose thermal conductivity is greater than 100 W / m · K, - whose electrical conductivity is less than 0.5 Sm / mm 2 - and the smallest distance (a) between the machine housing ( 5 . 6 ) and the associated winding head ( 2 ) bridged by at least 50%, preferably at least 80%, wherein the at least one heat-conducting body in a between adjacent nose-like windings of the respective winding head ( 2 ) trained space protrudes at least a little way. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen Wärmeleitkörper (12) der größere Teil der von einer zugeordneten nasenartigen Windungsschlaufe des jeweiligen Wickelkopfes (2) eingenommenen Fläche (F) abgedeckt ist.Electrical machine according to claim 1, characterized in that of the at least one heat conducting body ( 12 ) the larger part of the associated nose-like winding loop of the respective winding head ( 2 ) occupied area (F) is covered. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeleitkörper (12) mindestens 20 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 30 Vol.-% des thermischen Verbindungskörpers (10) ausmacht.Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one heat conducting body ( 12 ) at least 20 vol .-%, preferably at least 30 vol .-% of the thermal connection body ( 10 ). Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine thermische Leitfähigkeit des wenigstens einen Wärmeleitkörpers (12), die größer als die des Kupfers ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized by a thermal conductivity of the at least one heat conducting body ( 12 ), which is larger than that of copper. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeleitkörper (12) zumindest teilweise aus Carbonfiber-Material hoher thermischer Leitfähigkeit besteht.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heat conducting body ( 12 ) consists at least partially of carbon fiber material of high thermal conductivity. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Carbonfiber-Material ihres wenigstens einen Wärmeleitkörpers (12) mit einer thermischen Leitfähigkeit von mindestens 500 W/m·K.Electrical machine according to claim 5, characterized by a carbon fiber material of its at least one heat conducting body ( 12 ) having a thermal conductivity of at least 500 W / m · K. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmleitkörper (12) eine Anisotropie der thermischen Leitfähigkeit aufweist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heat-conducting body ( 12 ) has an anisotropy of thermal conductivity. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Ausbildung und Anordnung des wenigstens einen Wärmeleitkörpers (12) derart, dass die größere thermische Leitfähigkeit zumindest annähernd in Richtung des kleinsten Abstandes (a) weist.Electric machine according to claim 7, characterized by a construction and arrangement of the at least one heat-conducting body ( 12 ) such that the greater thermal conductivity at least approximately in the direction of the smallest distance (a) has. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen Wärmeleitkörper (12) wenigstens 50 %, vorzugsweise wenigstens 80 %, der maximalen axialen Ausdehnung (1) des Wickelkopfs (2) erfasst werden.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that of the at least one heat conducting body ( 12 ) at least 50%, preferably at least 80%, of the maximum axial extent ( 1 ) of the winding head ( 2 ). Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmleitkörper (12) unmittelbar mit dem Maschinengehäuse (5) verbunden ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heat-conducting body ( 12 ) directly with the machine housing ( 5 ) connected is. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Leitfähigkeit des wenigstens einen Wärmeleitkörpers (12) von unter 0,1 Sm/mm2.Electric machine according to one of the preceding claims, characterized by an electrical conductivity of the at least one heat conducting body ( 12 ) of less than 0.1 Sm / mm 2 .
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