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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen
elektrischen Generator, mit einem einen Wickelkopf aufweisenden
Ständer, einem
Radiallüfter
und einem den Radiallüfter
und den Wickelkopf zumindest teilweise umgebendes Lagerschild, das
eine Stirnwandung und eine Mantelwandung aufweist, die über eine
Bogenwandung verbunden sind, wobei das Lagerschild zum Austritt
des vom Radiallüfter
erzeugten Luftstroms mit Abluftdurchbrüchen durchsetzt ist.
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Stand der Technik
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Elektrische
Maschinen der eingangs genannten Art sind bekannt. Auf einer Welle
der elektrischen Maschine ist ein Läufer angeordnet, der axial mit
mindestens einem Radiallüfter
verbunden ist. Der Radiallüfter
erzeugt einen überwiegend
radialen Luftstrom, der auf mindestens einen Teil eines Wickelkopfs
gerichtet ist. Ein an der Stirnseite der elektrischen Maschine angeordnetes
Lagerschild umgibt den Radiallüfter
und den Wickelkopf. Im Bereich des Wickelkopfs geht das Lagerschild
von einer Stirnwandung bogenförmig
in eine Mantelwandung über, wobei
der Übergangsbereich
als Bogenwandung ausgebildet ist. Zur Abfuhr der vom Ständer erzeugten
Wärme durch
den vom Radiallüfter
erzeugten Luftstrom weist das Lagerschild in der gesamten Bogenwandung
bis in die Mantelwandung hinein eine Luftaustrittszone auf, die
mehrere Abluftdurchbrüche aufweist.
Durch diese Abluftdurchbrüche
kann der durch den Ständer
erwärmte
Luftstrom des Radiallüfters
austreten. Dieser radiale Luftstrom erreicht die Oberseite des Wickelkopfs – selbst
bei einem großen axialen Überlapp
zwischen dem Radiallüfter
und dem Wickelkopf – nicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine weist eine sich an die Stirnwandung anschließende, abluftdurchbruchfreie
Bogenwandzone auf, an die sich – in
Strömungsrichtung
des Luftstroms – eine Luftaustrittzone
mit Abluftdurchbrüchen
anschließt. Der überwiegend
radialen Luftstrom des Radiallüfters
ist zum Beispiel zu einem Teil auf den Wickelkopf gerichtet und
kann zum anderen Teil am Wickelkopf vorbei in Richtung der Bogenwandung
und der Mantelwandung gelangen. Durch die abluftdurchbruchfreie
Bogenwandzone wird der vom Radiallüfter erzeugte Luftstrom in
Richtung des axial angeordneten Wickelkopfs zumindest teilweise
umgelenkt, sodass auch radial unzugänglichen Oberflächen des
Wickelkopfs durch Konvektion gekühlt
werden können.
Dadurch kann die Wärmeabfuhr
des Ständers
verbessert werden. Das Verhältnis
von direkt aus den Abluftdurchbrüchen
austretender Luft zu der in axiale Richtung umgelenkten Luft ergibt
sich aus dem Anteil der am Wickelkopf vorbeiströmenden Luft, der direkt auf
die Luftaustrittzone trifft zu dem Anteil, der auf die abluftdurchbruchfreie
Bogenwandzone trifft.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass sich die Luftaustrittzone über einen Abschnitt der Bogenwandung
und/oder mindestens einen Bereich der Mantelwandung erstreckt. Die
Luftaustrittzone kann sich insbesondere bis in einen Bereich der
Mantelfläche erstrecken,
der – aus
Richtung des Radiallüfters
betrachtet – hinter
dem Wickelkopf liegt. Dieser Bereich der Luftaustrittzone sorgen
dafür,
das auch die von der abluftdurchbruchfreie Bogenwandzone umgelenkte
Luft hinter dem Wickelkopf aus dem Lagerschild austreten kann.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass – in
Umfangsrichtung der Luftaustrittzone betrachtet – zwischen den Abluftdurchbrüchen Stege
angeordnet sind, die durchgehend von der Bogenwandung bis zur Mantelwandung
reichen. In den entsprechenden Umfangsabschnitten des Lagerschilds
mit durchgehenden Stegen wird der Luftstrom umgelenkt. Dabei wird
der Luftstrom insbesondere bis in einen Bereich zwischen Mantelwandung
und Wickelkopf geleitet. Die Abluftdurchbrüche sind dazu bevorzugt schlitzartig
ausgebildet, wobei die Längsachse
axial ausgerichtet ist.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wickelkopf
ein strukturierter Wickelkopf ist. Ein strukturierter Wickelkopf
weist ein festes Wicklungsschema auf, bei dem beispielsweise die
Wicklungen im Wickelkopf lagenweise angeordnet sind.
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Insbesondere
ist ein Läufer
vorgesehen, dessen Stirnfläche
parallel zur Stirnwandung angeordnet ist. Durch den parallelen Verlauf
der Stirnfläche
und der Stirnwandung ist eine kompakte Bauweise bei gezielter Strömungsführung möglich.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Ständer einen
Innendurchmesser, der Wickelkopf eine axiale Höhe, der Radiallüfter und
der Wickelkopf einen axialen Überlapp
und die Bogenwandung einen Bogenwandungsradius aufweist. Diese Größen kennzeichnen
als Kenngrößen den
Strömungsbereich
des vom Radiallüfter
erzeugten Luftstroms im Bereich des Wickelkopfs. Dabei ist insbesondere
vorgesehen, dass die axiale Höhe
des Wickelkopfs maximal 16 Millimeter (mm) beträgt. Vorteilhafterweise ist
der axiale Überlapp
zwischen dem Radiallüfter
und dem Wickelkopf maximal 6 Millimeter groß. Unter axialem Überlapp
ist hierbei der axiale Bereich des Wickelkopfs zu verstehen, der
von einem rein radialen Luftstrom des Lüfters "getroffen" wird. Die als Übergang zwischen der Stirnwandung
und der Mantelwandung des Lagerschilds ausgebildete Bogenwandung
weist eine Krümmung
auf, die durch den Bogenwandungsradius angegeben werden kann. Dieser
Bogenwandungsradius ist insbesondere größer als 10 Millimeter.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bogenwandungsradius
eine Größe zwischen
dem 0,4-fachen und dem 1,2-fachen der axialen Höhe des Wickelkopfs aufweist.
Durch ein derartiges Verhältnis
ergibt sich ein hinreichend großer
Bogenwandungsradius, der den radialen Luftstrom des Radiallüfters in
Richtung des axial angeordneten Wickelkopfs umlenkt. Durch diesen
Bogenwandungsradius ergibt sich eine hohe Steifigkeit des Lagerschilds,
die deutlich größer ist
als bei einer Bogenwandung mit kleinerem Bogenwandungsradius.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser des Ständers um mehr als das 6,25-fache
größer ist
als die axiale Höhe
des Wickelkopfs. Dieses Verhältnis
gibt ein bevorzugtes Größenverhältnis zwischen
dem Ständer
und seinem Wickelkopf an.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der axiale Überlapp
zwischen dem Radiallüfter
und dem Wickelkopfs eine Größe aufweist,
die weniger als dem 0,4-fachen der axialen Höhe des Wickelkopfs entspricht.
Dieses Verhältnis
gibt an, wie groß der
axiale Bereich des Wickelkopfs ist, der direkt vom radialen Luftstrom
gekühlt
wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische
Maschine als Klauenpolmaschine ausgebildet ist. Eine Klauenpolmaschine
wird insbesondere als Klauenpolgenerator in Kraftfahrzeugen verwandt.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass der Läufer der
Klauenpolmaschine einen Bogenbereich zwischen der Stirnfläche und
einer Oberseite eines Klauenpolfingers aufweist, dessen Radius eine
Größe zwischen
dem 1,25-fachen und dem 3-fachen der Größe des Bogenwandungsradius
aufweist. Ein derartiges Verhältnis
wirkt sich günstig
auf die Führung des
Luftstroms aus.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert und zwar zeigt:
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1 eine
Detailansicht einer nicht erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in
Schnittdarstellung,
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2 das
Lagerschild einer weiteren nicht erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Schnittdarstellung,
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3 eine
Detailansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in
Schnittdarstellung,
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4 ein
Lagerschild der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine der 3 in Schnittdarstellung,
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5 das
Lagerschild der 4 und
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6 die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1 zeigt
einen Teil einer nicht erfindungsgemäßen, als Klauenpolmaschine 1 ausgebildeten
elektrischen Maschine 2. Auf einer nicht dargestellten
Welle der elektrischen Maschine 2 ist ein als Klauenpolläufer 3 ausgebildeter
Läufer 4 angeordnet,
der eine Erregerwicklung 5 und einen Klauenpolfinger 6 aufweist.
Die Drehachse der elektrischen Maschine 2 verläuft in der 1 vertikal,
sodass auch die nicht dargestellte Welle vertikal ausgerichtet ist.
Axial neben dem Läufer 4 ist
auf der nicht dargestellten Welle ein Radiallüfter 7 angeordnet,
dem nur ein radialer Außenbereich 8 dargestellt
ist. Der Läufer 4 wird
radial von einem Ständer 9 (auch
Stator genannt) umgeben. Der Ständer 9 weist
an seinen axialen Enden, von dem nur das Ende 10 dargestellt
ist, einen Wickelkopf 11 einer A-Seite des Motors auf. Der
Radiallüfter 7 und
der Wickelkopf 11 werden von einem Lagerschild 12 umgeben,
das im Bereich des Radiallüfters 7 eine
Stirnwandung 13 und im Bereich des Wickelkopfs 11 eine
Mantelwandung 14 aufweist. Die Stirnwandung 13 des
Lagerschilds 12 deckt dabei eine Stirnfläche eines
Außenbereichs 15 der
elektrischen Maschine ab, die Mantelwandung 14 eine entsprechende
Mantelfläche
des Außenbereichs 15.
Zwischen der Stirnwandung 13 und der Mantelwandung 14 ist
in einem Übergangsbereich 16 eine Übergangswandung 17 angeordnet,
die weder der Stirnwandung 13 noch der Mantelwandung 14 zugeordnet
werden kann. Die Übergangswandung der
elektrischen Maschine 2 der 1 weist
eine Winkellage auf, die zwischen der Winkellage der Stirnwandung 13 und
der Winkellage der Mantelwandung 14 liegt. Im Bereich der Übergangswandung 17 und
der Mantelwandung 14 befinden sich mehrere in Umfangsrichtung
aufeinander folgend angeordnete Abluftdurchbrüche 18, von denen
in der Schnittdarstellung der 1 nur ein
Abluftdurchbruch 18 dargestellt ist. Die Abluftdurchbrüche 18 erstrecken
sich vom Ende 19 der Stirnwandung 13 über die
gesamte Übergangswandung 17 bis
in einen Bereich 20 der Mantelwandung 14. Dadurch
ergibt sich eine Luftaustrittzone 21, die sich aus den
Bereichen der Übergangswandung 17 und
des Bereichs 20 der Mantelwandung 14 zusammensetzt.
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Es
ergibt sich folgende Funktion des Radiallüfters 7 und des Lagerschilds 12 im
Außenbereich 15:
Der Radiallüfter 7 erzeugt
einen Radialluftstrom (Pfeil 22) der im Bereich eines axialen Überlapps
(U) zwischen dem Radiallüfter 7 und
dem Wickelkopf 11 in axialer Richtung (Pfeil 22)
auf die Unterseite 23 des Wickelkopfs 11 gerichtet
ist. Dieser axiale Luftstrom kann nach Passieren des Wickelkopfs 11 durch die
im Lagerschild 12 angebrachten Abluftdurchbrüche 18 nach
Außen
entweichen und sorgt somit für eine
Kühlung
der elektrischen Maschine 2 und insbesondere des Ständers 9.
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Zur
Kennzeichnung der elektrischen Maschine 2 im Außenbereich 15 werden
folgende Kenngrößen definiert:
Die axiale Wickelkopfhöhe
H ist der Abstand zwischen dem äußeren Ende 24 des
Wickelkopfs 11 und dem äußeren Ende 25 der
Ständerbleche 26.
Der Ständerinnendurchmesser
D ergibt sich aus dem zweifachen Wert des Abstands der in 6 gezeigten
Hauptachse A der elektrischen Maschine 2 zur Innenseite 27 des
Ständers 9.
Der Läufer 4 der Klauenpolmaschine 1 weist
zwischen seiner Stirnfläche 28 und
der Oberseite 29 des Klauenpolfingers 6 einen
Bogenbereich 30 mit einem Radius R auf.
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Die 2 zeigt
in Schnittdarstellung ein nicht erfindungsgemäßes Lagerschild 12,
das im Wesentlichen dem Lagerschild der 1 entspricht.
Die Übergangswandung 17 im Übergangsbereich 16 zwischen
der Stirnwandung 13 und der Mantelwandung 14 ist
als Bogenwandung 31 ausgebildet. Die Abluftdurchbrüche 18 des
Lagerschilds 12 erstrecken sich von dem Ende 19 der
Stirnwandung 13 über
den gesamten Bereich der als Bogenwandung 31 ausgebildeten Übergangswandung 17 bis
in einen Bereich 20 des Mantelwandung 14. Die
dabei entstandene Luftaustrittzone 21 wird von den Abluftdurchbrüchen 18 und
einer zwischen den Abluftdurchbrüchen 18 verbleibenden
Stege 32 einer Steggeometrie 32' gebildet.
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Die 3 zeigt
den Außenbereich 15 einer erfindungsgemäßen, als
Klauenpolmaschine 1 ausgebildeten elektrischen Maschine 2 mit
dem Ständer 9,
dem Läufer 4,
dem Radiallüfter 7 und
dem Lagerschild 12. Die Übergangswandung 17 ist
als Bogenwandung 31 zwischen der Mantelwandung 14 und der
Stirnwandung 13 ausgebildet. Die Bogenwandung 31 weist
dabei einen großen
Bogenwandungsradius B auf, der die Krümmung der Bogenwandung 31 beschreibt.
Die Abluftdurchbrüche 18 erstrecken sich
von der Mitte 33 der Bogenwandung 31 bis zum Ende
des Bereichs 20 der Mantelwandung 14. Zwischen
dem Ende 19 und der Mitte 33 weist das Lagerschild 12 eine
abluftdurchbruchfreie Bogenwandzone 34 auf, die den Übergangsbereich 16 bildet.
Gegenüber
dem Lagerschild 12 der 1 ist die
Luftsaustrittzone 21 um die Bogenwandzone 34 verkürzt.
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Es
ergibt sich folgende Funktion: Durch die abluftdurchbruchfreie Bogenwandzone 34 wird
der Radialluftstrom (Pfeil 22) durch einen verhältnismäßig großen Bogenwandungsradius
B in einen axialen Luftstrom (Pfeil 35) umgelenkt, der
in Richtung des axial angeordneten Wickelkopfs 11 gerichtet
ist. Durch diese Umlenkung wird – trotz einer auftretenden
Drosselung – eine
erhöhte
Konvektion und damit eine erhöhte
Wärmeabfuhr
des Ständers 9 im
Bereich des Wickelkopfs 11 erreicht.
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Die 4 zeigt
das Lagerschild 12 der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 2,
die in 3 dargestellt ist. 4 zeigt
im direkten Vergleich mit der 2 die ausgeprägte Bogenwandzone 34 zur
Umlenkung des Luftstroms. Weiterhin ist gegenüber dem Lagerschild der 2 ein
deutlich erhöhter
Bogenwandungsradius B zu erkennen, der die Steifigkeit des Lagerschildes 12 erhöht. 5 zeigt
eine Gesamtansicht des Lagerschilds 12 der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine 2 mit der Bogenwandzone 34 und der Bogenwandung 31,
die den großen
Bogenwandungsradius B erkennen lässt.
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Die 6 zeigt
die als Klauenpolmaschine 1 ausgebildete elektrische Maschine 2 in
einer Ansicht, bei der neben der mit dem Radiallüfter 7 versehenen A-Seite
des Läufers 4 auch
eine gegenüberliegende B-Seite
gezeigt ist, die ebenfalls mit einem Radiallüfter 7 versehen ist.
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Der
Wickelkopf 11 ist dabei als strukturierter Wickelkopf 36 ausgebildet,
der ein festes Wicklungsschema aufweist, bei dem zum Beispiel die
Wicklungen des strukturierten Wickelkopfs 36 radial lagenweise
angeordnet sind.