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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kühlkanal gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, wie diese beispielsweise in der
DE 199 54 434 A1 beschrieben ist.
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Beim Betrieb einer elektrischen Maschine zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie bzw. umgekehrt entstehen Wärmeverluste, die zur Vermeidung von Schäden und zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades von der Maschine abgeführt werden müssen. Dazu ist es gängige Praxis, elektrische Maschinen mit einer Kühleinrichtung auszubilden bzw. mit dieser zu verbinden, wobei ein in einem Kühlkanal strömendes Kühlmedium die Verlustwärme am Stator aufnimmt und von der elektrischen Maschine zu einem Wärmetauscher wegtransportiert. Es ist dabei ein Ziel, eine räumlich gleichmäßige Kühlung mit einer über den gesamten Umfang des Stators möglichst homogenen Temperaturverteilung darzustellen. Diese Anforderung trifft insbesondere auf elektrische Maschinen zu, deren Stator in Umfangsrichtung mit einer Vielzahl von bewickelten Zähnen ausgeführt ist, wie das beispielsweise bei permanenterregten Maschinen mit konzentrierten Wicklungen der Fall ist. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere im Bereich der Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelauslassöffnung des Kühlkanals lokale Überhitzungen auftreten können, welche die Ausbildung eines in Umfangsrichtung homogenen Temperaturprofils stören. Bei der in der oben erwähnten
DE 199 54 434 A1 offenbarten elektrischen Maschine sind die Kühlmittelanschlüsse durch eine Wand separiert und liegen am Statorumfang relativ eng benachbart beieinander. Bei der praktischen Umsetzung der dort vorgeschlagenen Lösung müssen die Kühlmittelanschlüsse am Stator unter Berücksichtigung der Baugröße der Anschlüsse und einer Montagefreiheit jedoch soweit beabstandet werden, dass zwischen den Kühlmittelöffnungen ein Raumbereich mit einer vergleichsweise verminderten Kühlung verbleibt.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine elektrische Maschine mit einem Kühlkanal darzustellen, der beim Durchfließen von einem Kühlmittel unter Einbeziehung der Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelauslassöffnung am Stator eine in Umfangsrichtung gleichmäßigere Temperaturverteilung ermöglicht.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen elektrischen Maschine durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Erfindung schlägt danach eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem sich an diesem erstreckenden Kühlkanal zur Durchströmung mit einem Kühlmittel entlang eines ersten Strömungsweges vor, wobei der Kühlkanal eine Einlass- und eine Auslassöffnung umfasst, welche am Stator nebeneinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung unter Umgehung des ersten Strömungsweges ein zweiter Strömungsweg ausgebildet ist, der den Abstand zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung überbrückt und diese im Wesentlichen direkt strömungsmässig verbindet.
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Der grundlegende Lösungsgedanke ist darin zu sehen, den sich unmittelbar zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung erstreckenden Raum ebenfalls aktiv, d. h. durch ein darin strömendes Kühlmittel zu kühlen und dazu einen Kühlmittel-Gesamtvolumenstrom aufzuteilen in einen durch den ersten Strömungsweg bzw. einen Hauptströmungsweg fließenden ersten Volumenstrom und einen durch den zweiten Strömungsweg bzw. einen Nebenströmungsweg fließenden zweiten Volumenstrom. Die Teilvolumenströme sind dabei so dimensioniert, dass sich bei fluiddurchströmter Elektromaschine eine homogene Temperaturverteilung einstellen kann. Damit werden so genannte „hot Spots” zwischen den benachbarten Kühlmittelanschlüssen vermieden. Die Einlass- und die Auslassöffnung sind am Stator vorzugsweise, jedoch nicht zwingend bei einer Anordnung an einer Statorumfangsfläche oder an einer Statorstirnseite, in Umfangsrichtung beabstandet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Strömungsweg und der zweite Strömungsweg mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten ausgeführt. Durch eine Optimierung der Strömungsquerschnitte kann durch Versuche oder durch eine Simulation bei bekannter örtlicher Verlustleistungsverteilung das sich am Statorumfang ausbildende Temperaturprofil weitestgehend homogenisiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante wird am Stator ein in sich geschlossener Kühlkanal, vorzugsweise mit einem konstanten Strömungsquerschnitt, ausgebildet und zwar zunächst ohne die Ein- und Auslassöffnungen. Die Ein- und Auslassöffnung sind als Fluid-Durchgänge in einem Einsatzelement ausgeführt, welches an einer beliebigen und von einem Anwender bevorzugten Position in einer in dem Kühlkanal vorgesehenen Aussparung eingesetzt wird.
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Mit Vorteil ist der zweite Strömungsweg innerhalb des Einsatzelementes oder zwischen dem Einsatzelement und einem Wandungsbereich des Kühlkanals ausgebildet.
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Zur Vermeidung einer turbulenten Kühlmittelströmung weist mit weiterem Vorteil ein Fluid-Durchgang des Einsatzteils am Übergang zu dem Kühlkanal eine, eine laminare Strömung eines Kühlmittels begünstigende Kontur auf.
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Zur Ermöglichung einer in Umfangsrichtung homogenen Kühlung ist vorgesehen, dass sich der Kühlkanal ringförmig an einer Umfangs- oder an einer Stirnfläche am Stator erstreckt.
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Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Bauweise umfasst der Stator einen fest mit diesem verbundenen Statorträger, wobei der Kühlkanal einerseits durch einen zylindrischen Wandungsbereich des Statorträgers und andererseits durch ein mit dem Statorträger verbundenem Deckelement begrenzt wird. Insbesondere kann das Deckelement als Zylinder ausgeführt und koaxial unter Ausbildung eines radialen, den Kühlkanal bildenden Zwischenraum zum Statorträger angeordnet sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1: einen Ausschnitt eines Stators einer elektrischen Maschine in einer Axialschnittdarstellung mit einem Kühlkanal im Bereich einer Kühlmitteleinlass- und einer -Auslassöffnung,
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2a, b: zwei Darstellungen eines zum Einsatz in dem Kühlkanal der 1 bestimmten Einsatzelements mit einer Kühlmittel-Einlass- und -Auslassöffnung.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines Stators 10 einer rotierenden elektrischen Maschine dargestellt, welcher einen ringförmigen Statorträger 12 und ein damit fest verbundenes und in Wärmeübergangskontakt stehendes lamelliertes Blechpaket 14 mit einem Joch 16 und mit davon nach radial innen abstehenden Zähnen 18 umfasst, an denen eine elektrische Wicklung in Form von Einzelspulen 20 angeordnet ist. Innerhalb des von dem Stator 10 umschlossenen Raumes ist ein hier zeichnerisch nicht dargestellter Rotor drehbar gelagert. Die elektrische Maschine ist im vorliegenden Fall als permanenterregte Maschine in Innenläuferbauart ausgebildet, was jedoch in Bezug auf die vorliegende Erfindung ohne weitere Bedeutung ist.
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Zur Abfuhr der bei beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden Verlustleistung ist diese in an sich bekannter Weise an eine hier nicht detailliert dargestellte Kühleinrichtung mit einem Wärmetauscher angeschlossen, in welchem ein in der Kühleinrichtung zirkulierendes Kühlmittel die Abwärme abtransportiert.
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Als Bestandteil der Kühleinrichtung ist maschinenseitig am Stator 10 ein Kühlkanal 22 vorgesehen, welcher ringförmig ausgeführt ist und sich in Umfangsrichtung am Stator 10, genauer zwischen einer zylindrischen Außenumfangsfläche des Statorträgers 12 und einem radial über diese aufgeschobene und mittels Dichtelementen abgedichteten zylindrischen Deckelementes 24, insbesondere eines Deckbleches erstreckt. Dieser Kühlkanal 22 ist am Stator in Umfangsrichtung geschlossen ausgeführt und weist über dessen Verlauf bis auf die nachstehend erläuterten Besonderheiten, einen gleich bleibenden Querschnitt auf.
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Zur Bildung einer Einlassöffnung 26 und einer Auslassöffnung 28 weist das Deckelement 24 eine Aussparung 30 auf, in welche ein hier aus einem massiven metallischen Werkstoff, bspw. aus Edelstahl oder aus Kupfer gefertigtes Einsatzelement 25 mit entsprechenden Fluid-Durchgängen 26, 28 fluiddicht eingesetzt und dazu mit dem Deckelement 24 verschweißt oder verlötet ist. Das Einsatzelement 25 ragt dabei mit einem Teilbereich in den Kühlkanal 22 hinein, so dass auf diese Weise dessen Durchflussquerschnitt reduziert wird und wodurch in diesem Bereich lediglich eine in 1 erkennbare verengte radiale Fluidpassage 29 und zwei zwischen dem Einsatzelement 25 und einem Wandungsbereich des Kühlkanals 22 ausgebildete, in axialer Richtung durch das Einsatzelement 25 beabstandete Fluidpassagen verbleiben, welche im Radialschnitt der 1 nicht sichtbar sind. Durch diese Anordnung wird ein erster Strömungsweg bzw. Hauptströmungsweg für ein Kühlmittel gebildet, der die Einlass- und die Auslassöffnung 26, 28 unter Durchströmung des nahezu gesamten geschlossenen Statorumfangs kühlt. Die vorstehend erläuterten Fluidpassagen 29 bilden einen zweiten Strömungsweg bzw. Nebenströmungsweg, welche bzw. welcher den unmittelbaren Abstand zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung 26, 28 überbrückt, d. h. diese im Wesentlichen direkt verbindet. Der zweite Strömungsweg kann jedoch auch so ausgeführt werden, dass dessen Länge betragsmäßig größer ist als das zwischen den Anschlüssen 26, 28 vorhandene Abstandsmaß. Alternativ kann das Einsatzelement 25 auch den gesamten Querschnitt des Kühlkanals 22 einnehmen, wobei der Nebenströmungsweg dann innerhalb des Einsatzelementes 25 vorgesehen ist, was auch sonst möglich ist. Wie dieses in der 1 erkennbar ist, sind die Einlass- und die Auslassöffnung 26, 28 am Stator 10 nebeneinander in Umfangsrichtung angeordnet.
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Durch das beschriebene Einsatzelement 25 ergeben sich somit für den ersten und den zweiten Strömungsweg unterschiedliche Strömungsquerschnitte und in diesen Strömungswegen entsprechend unterschiedliche Fluidvolumenströme. Im Beispiel fließen zwei Drittel des Gesamt-Volumenstroms im ersten Strömungsweg bzw. im Hauptströmungsweg und das verbleibende Drittel strömt auf direktem Weg von der Einlass- zur Auslassöffnung 26, 28. Somit wird auch der Bereich der etwa radial zur Ein- und Auslassöffnung 26, 28 am Stator 10 benachbarten Spule 20 gekühlt. Zur Optimierung der Fluidströmung, insbesondere zur Erzeugung einer laminare Strömung des Kühlfluids im ersten Strömungsweg sind an den Fluid-Durchgängen 26, 28 des Einsatzteils 25 am Übergang zu dem Kühlkanal 22 in Strömungsrichtung verrundete Konturen 34 ausgebildet, was auch entsprechend für den zweiten Strömungsweg erfolgen kann. An der dem Kühlkanal 22 abgewandten Seite ist an dem Einsatzelement 25 des Weiteren eine Gewindebohrung 36 zur Festlegung einer hier zeichnerisch nicht dargestellten Kühlleitungsarmatur vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19954434 A1 [0001, 0002]
