DE10201012B4

DE10201012B4 - Elektrische Maschine mit lamellierten Kühlringen

Info

Publication number: DE10201012B4
Application number: DE10201012A
Authority: DE
Inventors: Fang Canton Liang; John Michael Salline Miller
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: US20020089242A1; GB2374732A; US6445095B1; US20020089244A1; GB0129939D0; DE10201012A1; US6744158B2

Abstract

Elektrische Maschine, umfassend:
einen Ständerkern mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und darin befindlichen Wicklungen, wobei die Wickelkopfwindungen der Wicklungen von dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Ständerkerns vorstehen;
eine erste Anordnung und eine zweite Anordnung von lamellierten Aluminiumringen;
eine thermisch leitfähige Vergussmasse, die zwischen den Wickelkopfwindungen und der jeweiligen ersten und zweiten Ringanordnung an dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Ständerkerns so angeordnet ist, dass Wärmeableitungswege von den Wickelkopfwindungen durch die Vergussmasse und die Ringanordnungen zu dem Gehäuse erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
die lamellierten Aluminiumringe jeweils an dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Ständerkerns angelegt sind und sich mit dem Gehäuse in Kontakt befinden, wobei jede Lamelle der Aluminiumringe zur Reduzierung weiterer Verluste durch Wirbelströme in jeder Ringanordnung isoliert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständerkern mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und darin befindlichen Wicklungen sowie die Verwendung einer thermisch leitfähigen Vergußmasse ( DE 19902837C1 ).
Die Kühlung von Ständerwicklungen in elektrischen Maschinen ist entscheidend für ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten, die Zuverlässigkeit und Stabilität eines Motors. Diese Auflage wird auch dringlicher, wenn vom Motor eine hohe Leistungsdichte (kW/m³) und ein geringes spezifisches Gewicht gefordert wird. Ein integrierter Anlasser/Drehstromlichtmaschine ist ein gutes Beispiel dafür, bei dem vom Elektromotor eine hohe Leistungsdichte, ein geringes spezifisches Gewicht und gutes Kühlvermögen wegen der Einschränkungen durch den kompakten Zusammenbau, der Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffes und der Tatsache, dass sich der Motor im Motorraum befindet, gefordert werden.

Aus der Druckschrift DE 199 02 837 C1 ist eine Kühleinrichtung für eine elektrische Maschine bekannt, bei der lamellierte Aluminiumringe zur Begrenzung des induzierten Wirbelstroms mit dem Stator verschraubt, aber vom Ständerkern durch Einfügung eines unbekannten Stoffes als Abstandshalter beabstandet sind. Eine Wärmeabfuhr vom Ständerkern durch die Aluminiumringe ist damit nicht möglich, da eine leitende Verbindung fehlt.

Aus der AT 151 584 B ist eine Einrichtung zur Verbesserung der Wärmeabführung von elektrischen Maschinen bekannt. Dort sind Aluminiumringe erwähnt, ausgebildet als dünnwandige einfache rohrförmige Ringe und üben hauptsächlich eine Begrenzungs- oder Behältnis-Funktion für eine Füllmasse gegenüber einem Luftkanal aus. Die Aluminiumringe sind vom Ständergehäuse beabstandet und auch vom Stator. Der Aluminiumring weist also nicht den nötigen Kontakt zur Wärmeableitung auf. Das Kühlprinzip für einen Ständer beruht auf einer Luftführung innerhalb der Maschine zwischen Ständer und Gehäuse. Die Wärme wird durch den Kühlluftstrom innerhalb der Maschine abgeführt.

Die Patentschrift US 3 508 092 A zeigt eine Kühlung für eine elektrische Maschine in Form massiver Ringe zur Wärmeableitung an das Gehäuse einer Maschine. Diese Ringe sind nicht lamelliert ausgebildet und können daher nicht die nötige Wärmeabstrahlung nach außen erbringen.

DE 12 04 316 B zeigt eine Kühleinrichtung für elektrische Maschinen. Ein Spaltrohr, ein homogener Gusskörper u-förmigen Querschnitts soll bei Wärmeentwicklung der Materialdehnung Rechnung tragen. Das Lamellenprinzip für leitfähige Ringe zur Wärmeabfuhr ist nicht erwähnt.

Zur Verbesserung der Kühlung eines Elektromotors sind an den Wickelkopfwindungen thermisch leitfähige Vergußmassen aus Epoxidharz verwendet worden. 1 stellt einen Motor 10 im Stand der Technik dar, der ein solches Merkmal aufweist. Wie gezeigt wird, besteht der Motor 10 aus einem rotierbaren Läufer 12, der innerhalb eines Ständerkerns 14 drehbar angeordnet ist. Der Ständerkern 14 weist ein erstes Ende 16 und ein zweites Ende 18 auf, wobei die Wickelkopfwindungen 20, 22 der Wicklungen sich jeweils von den Enden 16, 18 erstrecken. Ein Gehäuse 24 mit Endplatten 26, 28 umgibt den Ständerkern, die Wicklungen und den Läufer. Eine thermisch leitfähige Vergußmasse 30 ist über jeder der Wickelkopfwindungen 20, 22 angeordnet, um zur Wärmeableitung Wärme direkt von den Wickelkopfwindungen 20, 22 zu dem Gehäuse 24 zu transportieren.

Der Wert dieser Vergießtechnologie ist begrenzt, weil die Vergußmasse einen ziemlich hohen Wärmewiderstand aufweist, der die Wärmeableitungskapazität beschränkt. Außerdem kann das Kühlpotenzial der Vergußmasse auf Grund von Spalten, die zwischen der Vergußmasse und der Wicklung sowie zwischen der Vergußmasse und dem Gehäuse infolge der Temperaturwechselbeanspruchung des Motors ausgebildet sind, nicht völlig genutzt werden. Der Grund für die Spaltentwicklung ist, dass die Vergußmasse, die Wicklung und das Gehäuse unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Spalte sind mit Luft gefüllt, wodurch eine minimale thermische Leitfähigkeit bewirkt wird.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren bzw. eine dieses Verfahren verkörpernde verbesserte Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen.

Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erfasst.

Die vorliegende Erfindung verbessert die Kühlung elektrischer Maschinen nach dem Stand der Technik, indem zwei Anordnungen von lamellierten Aluminiumringen an den gegenüber liegenden Enden des Ständerkerns vorgesehen werden, die in die Vergußmasse eingebettet sind. Die lamellierten Aluminiumringe steigern die Wärmeableitung erheblich, während die Blechlamellen die Entstehung von Wirbelströmen in den Ringen reduzieren.

In einem Ausführungsbeispiel weist jede Schichtung der Ringe eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Schlitzen auf, die Luftspalte bewirken, um Wirbelströme in einer zu der Mittelachse des Motors senkrechten Ebene auf ein Mindestmaß zu bringen.

Spezieller stellt die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Ständerkern bereit, der ein erstes und ein zweites Ende und darin befindliche Wicklungen aufweist, wobei die Wickelkopfwindungen der Wicklungen von dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Ständerkerns vorstehen. Eine erste und eine zweite Anordnung von lamellierten Aluminiumringen ist jeweils an das erste und das zweiten Ende des in Kontakt mit dem Gehäuse befindlichen Ständerkerns angelegt. Zwischen den Wickelkopfwindungen und der jeweiligen ersten und zweiten Ringanordnung am ersten Ende und zweiten Ende des Ständerkerns ist eine thermisch leitfähige Vergußmasse angeordnet, wodurch Wege zur Wärmeableitung von den Wickelkopfwindungen durch die Vergußmasse und die Ringanordnungen zu dem Gehäuse erzeugt werden. Innerhalb des Ständerkerns ist in der Regel ein Läufer rotierbar angeordnet, jedoch kann bei der Erfindung das Prinzip von beweglichen und stehenden Teilen auch analog dem Stand der Technik umgekehrt werden.

Folglich ist es ein Vorteil der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der an gegenüber liegenden Enden des Ständerkerns Anordnungen von lamellierten Aluminiumringen vorgesehen sind, um Wärme durch eine Vergußmasse von den Wickelkopfwindungen der Wicklungen abzuleiten.

Die Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ohne weiteres aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer Ausführungsart der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung deutlich. Es zeigen
1 eine schematisch angeordnete, teilweise geschnittene, vertikale Querschnittsansicht eines Elektromotors im Stand der Technik;
2 eine schematisch angeordnete, teilweise geschnittene, vertikale Qerschnittsansicht eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Erfindung; und
3 die Draufsicht eines Rings zur Verwendung mit den in 2 gezeigten Ringanordnungen.
Die vorliegende Erfindung wird jetzt mit Bezug auf 2 beschrieben, in der gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Bauteile zu beschreiben, wie sie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben wurden.
Wie gezeigt wird, stellt die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine 10 bereit, die einen in einem Ständerkern 14 drehbar angeordneten Läufer 12 aufweist. Der Ständerkern 14 besitzt ein erstes und ein zweites gegenüber liegendes Ende 16, 18, wobei die Wickelkopfwindungen 20, 22 der Wicklungen des Ständerkerns von den jeweiligen Enden 16, 18 vorstehen. Ein Gehäuse 24 enthält eine erste Endplatte 26 und eine zweite Endplatte 28, die den Ständer und die Läuferbaugruppe umgeben.
Um die erste Wickelkopfwindung 20 und die zweite Wickelkopfwindung 22 der Wicklungen ist eine Vergußmasse 30 angeordnet. Ein erster lamellierter Aluminiumring 32 und ein zweiter lamellierter Aluminiumring 34 sind jeweils an dem ersten Ende 16 und dem zweiten Ende 18 des mit dem Gehäuse 24 in Kontakt befindlichen Ständerkerns 14 angeordnet, um von den Wickelkopfwindungen 20, 22 durch die Vergußmasse 30, die lamellierten Aluminiumringe 32, 34 Wärme in das Gehäuse 24 zu übertragen. Das Gehäuse 24 kann unter Verwendung von an sich bekannten Ausrüstungen mit Flüssigkeit oder Luft gekühlt werden.
Die Schichtungen der lamellierten Aluminiumringanordnungen 32, 34 sind isoliert, um Verluste durch Wirbelströme zu reduzieren. Weil die Magnetfelder um die Wickelkopfwindungen 20, 22 von Natur aus dreidimensional sind, zieht die Erfindung außerdem auch in Betracht, Schlitze in den sich in radialer Richtung erstreckenden lamellierten Aluminiumringen vorzusehen, wie es in 3 gezeigt wird, um in den Ringen Wirbelströme weiter zu reduzieren. Wie in es 3 gezeigt wird, ist jede Schichtung (Ring) 36 der Anordnung von lamellierten Ringen 32, 34 mit einer Vielzahl von sich radial erstreckenden Schlitzen 38 versehen, die von der ringförmigen Innenkante 40 jeder Schichtung 36 ragen. Diese Schlitze 38 erstrecken sich ungefähr in der halben Breite jedes Rings 36, um Wirbelströme in einer zur Mittelachse der elektrischen Maschine senkrecht liegenden Ebene zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Kühlfähigkeit erheblich gegenüber den oben beschriebenen Verfahren im Stand der Technik. Weil das Aluminium der Ringanordnungen eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als die Vergußmasse besitzt, z.B. etwa 300 mal höher, weist diese Erfindung ein viel besseres Kühlvermögen auf, und infolgedessen wird die Wicklungstemperatur bedeutend niedriger sein.
Das Potenzial dieses Kühlverfahrens wird vollständig genutzt, weil es zwischen der Wicklung und der Schicht der Vergußmasse sowie zwischen dem Ring und der Vergußmasse keine entwickelten Spalte geben wird. Der Grund dafür ist, dass eine nachgiebige Vergußmasse 30 genutzt werden kann. Obwohl die nachgiebige Vergußmasse einen höheren thermischen Widerstand als die nicht nachgiebige Vergußmasse aufweist, ist der gesamte thermische Widerstand von den Wicklungen zum Gehäuse doch viel niedriger als der der bestehenden Vergießtechnologie. Das liegt daran, dass die Dicke der Vergußmasse auf ein Mindestmaß gebracht ist. Die bestehende Vergießtechnologie muß eine nicht nachgiebige Vergußmasse verwenden, die einen niedrigeren thermischen Widerstand als die nachgiebige besitzt aufgrund des thermischen Widerstandes wegen der Dicke der Schicht aus Vergußmasse.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Leistungsvermögen des Motors erhöht wird. Da die Erfindung die Wicklungstemperatur erheblich senken kann, wird der Kupferverlust in der Wicklung bedeutend reduziert werden, weil eine niedrigere Temperatur zu einem geringeren Widerstand der Wicklung führt.
Die mit den Endwicklungen vergossenen Aluminiumringe verbessern ebenfalls die Steifigkeit der elektrischen Maschine.
Diese Erfindung weist einen breiten Bereich von Anwendungen auf. Sie kann für eine beliebige Vielfalt von elektrischen Maschinen genutzt werden, weist aber auch eine besondere Anwendbarkeit in der Automobilindustrie auf, weil diese typischerweise rauhe thermische Betriebsbedingungen vorsieht. Die Erfindung kann zum Beispiel in Antriebsmotoren für Elektrofahrzeuge für Brennstoffzellen, reine Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Hybridantrieb (Elektrofahrzeuge) verwendet werden. Außerdem sind gute Anwendungen ein integrierter Anlasser/Drehstromlichtmaschine oder eine Drehstromlichtmaschine mit hoher Leistung. Die Einfachheit der Konstruktion erleichtert die Ausführung der Erfindung sehr.

Claims

Elektrische Maschine, umfassend: einen Ständerkern mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende und darin befindlichen Wicklungen, wobei die Wickelkopfwindungen der Wicklungen von dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Ständerkerns vorstehen; eine erste Anordnung und eine zweite Anordnung von lamellierten Aluminiumringen; eine thermisch leitfähige Vergussmasse, die zwischen den Wickelkopfwindungen und der jeweiligen ersten und zweiten Ringanordnung an dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Ständerkerns so angeordnet ist, dass Wärmeableitungswege von den Wickelkopfwindungen durch die Vergussmasse und die Ringanordnungen zu dem Gehäuse erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die lamellierten Aluminiumringe jeweils an dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Ständerkerns angelegt sind und sich mit dem Gehäuse in Kontakt befinden, wobei jede Lamelle der Aluminiumringe zur Reduzierung weiterer Verluste durch Wirbelströme in jeder Ringanordnung isoliert ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Anordnung von lamellierten Aluminiumringen jeweils eine Vielzahl von Aluminiumlamellen aufweist, von denen jede zur Reduzierung von Verlusten durch Wirbelströme in jeder Ringanordnung eine Vielzahl von darin ausgebildeten radialen Schlitzen besitzt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringanordnung und die zweite Ringanordnung von den jeweiligen Wickelkopfwindungen radial nach außen angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vielzahl von radialen Schlitzen von einer ringförmigen Innenkante jedes Aluminiumrings in einem Abstand radial nach außen erstreckt, der ausreicht, um Wirbelströme in einer zu einer Mittelachse der elektrischen Maschine senkrechten Ebene zu reduzieren.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Läufer, der in dem Ständerkern angeordnet ist, wobei der Läufer oder der Ständerkern drehbar gelagert ist.
Verwendung einer thermisch leitfähigen Vergussmasse, die nachgiebig ist, um eine thermische Ausdehnung von verschiedenen Komponenten aufzunehmen in einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.