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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen
elektrischen Generator, mit einem mindestens einen Wickelkopf aufweisenden
Ständer,
mindestens einem Radiallüfter
und mindestens einem den Radiallüfter
und den Wickelkopf zumindest teilweise umgebenden Lagerschild, das eine
Stirnwand und eine Mantelwand aufweist, wobei die Mantelwand des
Lagerschilds zum Austritt eines vom Radiallüfter erzeugten Luftstroms mit
im Wesentlichen wickelkopfaußenseitig
gelegenen 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. Dabei ist der Radiallüfter zum Beispiel axial gegenüber dem
Wickelkopf verschoben, sodass ein wickelkopfaußenseitiger Hauptstrom des Luftstroms
entsteht. Ein an der Stirnseite der elektrischen Maschine angeordnetes
Lagerschild umgibt den Radiallüfter
und den Wickelkopf. Im Bereich des Wickelkopfs geht das Lagerschild
von einer Stirnwand in eine Mantelwand über, wobei zwischen Stirnwand
und Mantelwand ein Übergangsbereich
ausgebildet ist. Zur Abfuhr der vom Ständer erzeugten Wärme durch
den vom Radiallüfter
erzeugten Luftstrom weist die Mantelwand des Lagerschilds im Wesentlichen
wickelkopfaußenseitig
gelegene Abluftdurchbrüche
auf. Durch diese Abluftdurchbrüche
kann der durch den Ständer
erwärmte
Luftstrom des Radiallüfters
aus der elektrischen Maschine austreten. Dieser radiale Luftstrom
erreicht den Wickelkopfaußenumfang – selbst
bei einem großen
axialen Überlapp
zwischen dem Radiallüfter
und dem Wickelkopf – nicht. In
einer Zone zwischen dem Wickelkopfaußenumfang und der Mantelwand
ist keine Luftströmung
vorhanden und damit auch kein Wärmetransport
durch Konvektion möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine
ist vorgesehen, dass die Mantelwand im Wesentlichen wickelkopfinnenseitig
gelegene Abluftöffnungen
für den
Austritt eines Teilstroms des vom Radiallüfter erzeugten Luftstroms aufweist.
Durch die zusätzlichen,
im Wesentlichen wickelkopfinnenseitig gelegenen Abluftöffnungen
bildet sich bei einem axialen Überlapp
zwischen dem Radiallüfter
und dem Wickelkopf ein zusätzlicher
radialer Teilstrom aus. Der Ständer
wird zum Beispiel von einem im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Ständerkern
mit axial verlaufenden Nuten und einer in den Nuten einliegenden
Ständerwicklung
gebildet. Die im Bereich des Wickelkopfs angeordneten Abschnitte
der Wicklung bilden den mehr oder weniger fest gefügten Wickelkopf,
der insbesondere an der Stirnseite des Kernkörpers, also wickelkopfinnenseitig,
luftdurchlässige
Bereiche aufweist, die von dem Teilstrom des Luftstroms radial durchdrungen
werden. Ohne die erfindungsgemäßen, wickelkopfinnenseitig
gelegenen Abluftöffnungen
kann jedoch kein Teilstrom entstehen, da der wickelkopfaußenseitige
Hauptstrom in einem Bereich zwischen dem Wickelkopfaußenumfang und
der Mantelwand einen Gegendruck aufbaut, der keinen wickelkopfinnenseitigen
Teilstrom entstehen lässt.
Durch die Abluftöffnungen
entsteht eine Druckdifferenz, die den wickelkopfinnenseitigen Teilstrom und
einen vom wickelkopfaußenseitigen
Hauptstrom abgezweigten Nebenstrom zwischen der Mantelwand und dem
Wickelkopfaußenumfang
entstehen lässt.
Die durch den Wickelkopf erwärmte
Luft des Teilstroms und des Nebenstroms tritt durch die Abluftöffnungen
aus.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Mantelwand über eine Bogenwand mit der
Stirnwand verbunden ist. Durch die Bogenwand wird ein Teil des Hauptstroms
in axiale Richtung umgelenkt. Zusätzlich wird durch den Übergang
der Stirnwand in die Mantelwand über
eine Bogenwand die Steifigkeit des Lagerschildes erhöht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist eine von den Abluftdurchbrüchen gebildete,
erste Luftaustrittzone vorgesehen, die sich über einen Abschnitt der Bogenwand
und/oder über
einen Bereich der Mantelwand erstreckt. Die erste Luftaustrittzone erstreckt
sich insbesondere bis in den Bereich der Mantelwand, der – aus Richtung
des Radiallüfters
betrachtet – hinter
dem Wickelkopf, also auf der Seite des Wickelkopfaußenumfangs,
liegt. Dieser Bereich der Luftaustrittzone sorgt dafür, dass
die von der Bogenwand umlenkte Luft in einem ersten Teilbereich hinter
dem Wickelkopf aus dem Lagerschild austreten kann und dass der Abzweig
und/oder der Nebenstrom entsteht.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass – in
Umfangsrichtung der ersten Luftaustrittzone betrachtet – zwischen
den Abluftdurchbrüchen
Stege angeordnet sind, die durchgehend von der Bogenwand bis zu
der Mantelwand reichen. In den entsprechenden Umfangsabschnitten
des Lagerschilds mit durchgehenden Stegen wird der Luftstrom teilweise
in axiale Richtung umgelenkt. Dabei wird der Luftstrom insbesondere
bis in einen Bereich zwischen der Mantelwand und dem Wickelkopfaußenumfang
geleitet. Die Abluftdurchbrüche
sind dazu bevorzugt schlitzartig ausgebildet, wobei die Längsachsen
axial ausgerichtet sind.
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Mit
Vorteil ist eine einen Endbereich der Mantelwand bildende Übergriffzone
vorgesehen, die eine Außenkante
eines Ständerkerns
des Ständers übergreift.
Die Lagerschilde tragen mit ihrer jeweiligen Übergriffzone den Ständerkern
an seinen Außenkanten
und richten den Ständer
dadurch gegenüber
einem Läufer
der elektrischen Maschine aus.
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Weiterhin
ist eine von den Abluftöffnungen gebildete,
zweite Luftaustrittzone vorgesehen, die sich über einen Abschnitt der Mantelwand
bis zu der Übergriffzone
erstreckt. Die zweite Luftaustrittzone ist damit insbesondere unmittelbar
vor der Innenseite des Wickelkopfaußenumfangs im Bereich der Außenkante
des Ständerkerns
angeordnet und endet an der Außenkante
des Ständerkerns.
Dadurch ergibt sich ein im Wesentlichen radial nach außen gerichteter
Teilstrom des vom Radiallüfter
erzeugten Luftstroms.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass – in
Umfangsrichtung der zweiten Luftaustrittzone betrachtet – zwischen
den Abluftöffnungen
Stege angeordnet sind, die durchgehend von der Übergriffzone bis zu der Mantelwand
reichen. Diese Stege sorgen dabei für ein Halten und Ausrichten
des Ständerkerns.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Ständerkern
im Bereich der Übergriffzone
eine durchgehende Mantelfläche
aufweist. Eine durchgehende Mantelfläche ergibt sich bei einem Ständerkern
ohne Außenzähne beziehungsweise
ohne außen
angeordnete Nuten.
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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. Dadurch ergeben
sich für
den Teilstrom des vom Radiallüfter
erzeugten Luftstroms fest vorgegebene Pfade durch den Wickelkopf.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Lagerschild ein radial entformtes oder
ein axial entformtes Lagerschild ist. Beide Arten des Entformens
sind aus der gusstechnischen Fertigung von Lagerschilden bekannt.
Bei einem axial entformten Lagerschild reichen die Abluftöffnungen bis
zu einem Endbereich der Übergriffzone.
Bei einem radial entformten Lagerschild enden die Abluftöffnungen
vor dem Endbereich, sodass an dem Ende der Übergriffzone ein umfänglicher
Steg verbleibt.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass der Wickelkopf eine axiale Höhe aufweist,
die maximal um das 32-fache größer ist
als eine axiale Länge
der zweiten Luftaustrittzone. Dieses Verhältnis gibt ein bevorzugtes
Verhältnis
für die
Bildung des Teilstroms des vom Radiallüfter erzeugten Luftstroms an.
Die axiale Höhe
ist der Abstand von der Wickelkopfinnenseite bis zur Wickelkopfaußenseite.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Klauenpolmaschine
ausgebildet ist. Eine Klauenpolmaschine wird insbesondere als Klauenpolgenerator
in Kraftfahrzeugen verwand.
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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
Schnittdarstellung einer auf wesentliche Komponenten reduzierten,
erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine,
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2 eine
schematische Darstellung der Druckverteilung bei einer nicht erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine,
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3 eine
schematischen Darstellung der Druckverteilung bei einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine,
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4 eine
Detailansicht der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine in Schnittdarstellung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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5 das
Lagerschild und der Ständer
der in der 4 dargestellten erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine,
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6 eine
Detailansicht der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine in Schnittdarstellung in einem zweiten Ausführungsbeispiel
und
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7 das
Lagerschild und der Ständer
der in der 6 dargestellten elektrischen
Maschine.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1 zeigt
eine Seite einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Seite ist
zum Beispiel die Antriebsseite einer als Generator ausgebildeten
elektrischen Maschine 1. Auf einer nicht dargestellten Welle
der elektrischen Maschine 1 ist ein Läufer 2 angeordnet,
der radial von einem Ständer 3 und
axial von zwei Radiallüftern
umgeben ist, von denen nur der antriebsseitige Radiallüfter 4 dargestellt
ist. Der Ständer 3 weist
einen Ständerkern 5 und
im Ständerkern 5 einliegende
Wicklungen auf, die an den axialen Stirnenden, von denen nur das
Stirnende 6 der Antriebsseite dargestellt ist, jeweils
einen Wickelkopf 7 bilden. Der Radiallüfter 4 ist auf der
Welle, die in der Darstellung der 1 waagerecht
verläuft,
axial neben dem Läufer 2 angeordnet
und wird radial – zumindest
teilweise – von
dem Wickelkopf 7 umgeben. Der Ständer 3, der Läufer 2,
die Welle und der Radiallüfter 4 werden
auf der Antriebsseite von einem Lagerschild 8 umgeben,
dass ein nicht dargestelltes Lager zur Aufnahme der Welle aufweist.
Der Radiallüfter 4 und
der Wickelkopf 7 werden von einem Teil des Lagerschilds 8 umgeben,
das im Bereich des Radiallüfters
und einer Wickelkopfaußenseite 9 des
Wickelkopfs 5 eine Stirnwand 10 und im Bereich
eines Wickelkopfaußenumfangs 11 des
Wickelkopfs 7 eine Mantelwand 12 aufweist. Die
Stirnwand 10 ist mit der Mantelwand 12 über eine Bogenwand 13 verbunden. Im
Bereich der Bogenwand 13 und der Mantelwand 12 befinden
sich mehrere in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete wickelkopfaußenseitige Abluftdurchbrüche 14.
Die Abluftdurchbrüche 14 erstrecken
sich vom Ende 15 der Stirnwand 10 über die gesamte
Bogenwand 13 bis in einen Bereich 16 der Mantelwand 12.
Dadurch ergibt sich eine erste Luftaustrittzone 17, die
sich aus den Bereichen der Bogenwand 13 und des Bereichs 16 der
Mantelwand 12 zusammensetzt. An einem der Stirnwand 10 gegenüberliegenden
Endbereich 18 der Mantelwand 12 hält das Lagerschild 8 den
Ständerkern 5 des
Ständers 3 mit
einer sich an einem Abschnitt 19 der Mantelwand 12 anschließenden Übergriffzone 20,
die den Ständerkern 5 an
einer Außenkante 21 übergreift. Der
Abschnitt 19 und die Übergriffzone 20 weisen
im Bereich der Wickelkopfinnenseite 22 Abluftöffnungen 23 auf,
die in den 5 und 7 dargestellt
sind. Die Abluftöffnungen 23 erstrecken
sich von dem Endbereich 18 über die Übergriffzone 20 bis
zu dem Abschnitt 19 und bilden dabei eine zweite Luftaustrittzone 24,
die sich über
den Abschnitt 19 bis zu dem Beginn der Übergriffzone 20 an
der Außenkante 21 erstreckt
und eine axiale Länge
L aufweist. Die Abluftöffnungen 23 sind
dabei als vom Endbereich 15 bis Abschnitt 19 verlaufende
Schlitze ausgebildet, wobei – in
Umfangsrichtung der zweiten Luftaustrittzone 24 betrachtet – zwischen
den Abluftöffnungen 23 Stege 25 angeordnet
sind. Diese Stege sind in den 4 bis 7 dargestellt.
Die Abluftdurchbrüche 14 sind ebenfalls
als axial verlaufende Schlitze ausgebildet, zwischen denen Stege 26 angeordnet
sind.
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Es
ergibt sich folgende Funktion des Lagerschilds 8 und des
Radiallüfters 4 für die elektrische Maschine 1:
Die beiden Lagerschilde 8 halten den Ständer 3, indem der
Ständerkern 5 zwischen
den Lagerschilden 8 eingespannt ist. Dazu umgreifen die Lagerschilde 8 den
Ständerkern 5 mit
ihren Übergriffzonen 20 jeweils
an einer Außenkante 21 des
Ständerkerns 5.
Der Radiallüfter 4 erzeugt
einen vorwiegend radialen Luftstrom (Pfeile 27), der im
Wesentlichen auf den Innenumfang 28 des Wickelkopfs 7 gerichtet ist.
Der radiale Luftstrom (Pfeile 27) teilt sich an dem Innenumfang 28 des
Wickelkopfs 7 in einen Hauptstrom (Pfeil 29),
der an der Wickelkopfaußenseite 9 durch
die im Lagerschild 8 angebrachten, vorwiegend wickelkopfaußenseitigen
Abluftdurchbrüche 14 nach
außen
austreten kann und einen Teilstrom (Pfeil 30) der den Wickelkopf 7 wickelkopfinnenseitig durchströmt und zusammen
mit einem Nebenstrom (Pfeil 31), der nach Passieren des
Wickelkopfs 7 aus dem Hauptstrom (Pfeil 29) abzweigt
und zusammen mit dem Teilstrom (Pfeil 30) durch die Abluftöffnungen 23 ebenfalls
nach außen
austritt. Der Teilstrom durchströmt
den Wickelkopf 7 in einem Durchströmungsbereich auf der Wickelkopfinnenseite.
Dieser Bereich ist in den Figuren als Kanal zwischen Wickelkopf 7 und
Ständerkern 5 eingezeichnet.
Der Wickelkopf 7 erstreckt sich in diesem Durchströmungsbereich
jedoch bis zum Ständerkern 5.
Der Nebenstrom (Pfeil 31) verläuft in einem Spalt 32 zwischen
dem Wickelkopfaußenumfang 11 des
Wickelkopfs 7 und der Mantelwand 12 des Lagerschilds 8.
Die Abluftöffnungen 23 ermöglichen
dabei die Ausbildung des Teilstroms (Pfeil 30) und des
Nebenstroms (Pfeil 31), da sich ohne die Abluftöffnungen 23 in
dem Spalt 32 und dem Bereich der Wickelkopfinnenseite 22 ein strömungstechnisches
Totgebiet ausbildet, in dem keine Luftströmung, also weder Teilnoch Nebenstrom vorhanden
ist.
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Die 2 und 3 zeigen
die Druckverteilung im Bereich der Wickelkopfinnenseite 22 und
des Spalts 32 in einer Simulation. Dabei zeigt die 2 ein
nicht erfindungsgemäßes Lagerschild 8 ohne
Abluftöffnungen
und die 3 ein erfindungsgemäßes Lagerschild 8 mit
Abluftöffnungen 23.
Ohne die Abluftöffnungen
(2) ergibt sich im Spalt 32 eine Druckverteilung,
bei der sich der wickelkopfinnenseitige Druck und der wickelkopfaußenumfängliche
Druck kompensieren, sodass sich keine Druckdifferenz und damit kein
Luftstrom im Bereich des Spalts 32 und der Wickelkopfinnenseite 22 ausbildet.
Durch die Abluftöffnungen 23 ergibt
sich eine Druckdifferenz gegenüber
dem Außenbereich
des Lagerschilds 6, sodass sich der Teilstrom (Pfeil 30)
im Bereich der Wickelkopfinnenseite 22 und der Nebenstrom
(Pfeil 31) im Bereich des Spalts 30 ausbilden
können
(3).
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Die 4 bis 7 zeigen
im Wesentlichen Details der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in
zwei Ausführungsbeispielen,
sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Die 4 zeigt
Abluftöffnungen 23,
die sich vom Abschnitt 19 bis zum Endbereich 18 der
Mantelwand 12 im Bereich der Übergriffzone 20 erstrecken.
Dabei kann – wie
die 5 zeigt – der
Endbereich 18 in verschiedenen Umfangsbereichen des Lagerschilds 8 auf
unterschiedlichen axialen Höhen
liegen. Derartig ausgebildete Abluftöffnungen werden insbesondere bei
axial entformten Lagerschilden 8 verwand. Die 6 zeigt
in Schnittdarstellung ein Detail der elektrischen Maschine 1,
bei dem die Abluftöffnungen 23 über den
vollständigen
Abschnitt 19 und nur einen Teilbereich der Übergriffzone 20 reichen,
sodass der Endbereich 18 umfänglich durchgehend ausgebildet ist.
Ein derartig ausgebildetes Lagerschild 8 wird insbesondere
bei radial entformten Lagerschilden verwand. Das in 5 dargestellte
Lagerschild 8 entspricht dem Lagerschild 8 der 4,
das in 7 dargestellte Lagerschild 8 entspricht
dem Lagerschild 8 der 6.
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Die
Abluftöffnungen 23 eignen
sich besonders für
Ständer 3 mit
Wickelköpfen 7,
deren axiale Höhe
(Wickelkopfhöhe)
H kleiner als 16 Millimeter (16 mm) ist. Dazu weist die zweite Luftaustrittzone 24 eine
Mindestlänge
von 0,5 Millimeter (0,5 mm) auf.