-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine,
- – wobei die elektrische Maschine einen Stator mit einem Statorblechpaket und einer im Statorblechpaket angeordneten Statorwicklung aufweist,
- – wobei der Stator einen um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor radial außen umgibt.
-
Derartige elektrische Maschinen sind allgemein bekannt. Mit Ausnahme von Linearmotoren und Außenläufermaschinen sind alle elektrischen Maschinen derart aufgebaut.
-
Elektrische Maschinen müssen oftmals aktiv gekühlt werden, um die in den elektrischen Maschinen anfallende Verlustleistung abzuführen. Um bei elektrischen Maschinen in Schutzarten IP 54 oder besser eine möglichst gute Kühlung zu bewirken, ist es wünschenswert, ein Kühlmedium – oftmals Luft – direkt über oder durch das Statorblechpaket zu führen. Die Kühlung des Statorblechpakets erfolgt im Stand der Technik jedoch über ein Gehäuse.
-
Bei bekannten elektrischen Maschinen ergibt sich unabhängig davon, ob die Luftführung durch ein zusätzlich umhüllendes Gehäuse in Radialrichtung beschränkt ist oder nicht, oftmals ein hoher Wärmeübergangswiderstand zwischen Statorblechpaket und Gehäuse.
-
Bei gehäuselosen elektrischen Maschinen wird die Luft durch axiale Kühlöffnungen geleitet. Durch diese Ausgestaltung wird das Problem der Wärmeübergangswiderstände zwar gelöst. Es ist jedoch ein Schutzrohr erforderlich, das die Wicklungskopfräume von der Außenluft abschirmt. Das Schutzrohr muss abgedichtet werden. Weiterhin muss zusätzlich über ein ebenfalls abgedichtetes Verbindungsstück eine gegen die Außenluft abgeschirmte Kabelführung gewährleistet sein, um die Statorwicklung mit elektrischem Strom versorgen zu können. Die Dichtungsstellen sind potentielle Problemstellen. Es ist anzustreben, dass auf diese zusätzlichen Bauteile – also das Schutzrohr und das Verbindungsstück – verzichtet werden kann.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der eine wirksame Kühlung des Statorblechpakets möglich ist, ohne Wärmeübergangswiderstände durch Gehäuseanbindungen in Kauf nehmen zu müssen und ohne dass ein Schutzrohr zur Abschirmung der Wicklungskopfräume vor der Außenluft erforderlich ist.
-
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art dadurch auszugestalten,
- – dass das Statorblechpaket in einem Gehäuse der elektrischen Maschine unter Presssitz oder Formschluss gehalten ist,
- – dass das Statorblechpaket radial außen axial verlaufende Stege aufweist, so dass je zwei in Tangentialrichtung benachbarte Stege und das Gehäuse je einen Kühlkanal für ein Kühlmedium begrenzen,
- – dass das Gehäuse in einem eintrittseitigen Endbereich des Statorblechpakets eintrittseitige Ausnehmungen und in einem austrittseitigen Endbereich des Statorblechpakets austrittseitige Ausnehmungen aufweist, so dass das Kühlmedium durch die eintrittseitigen Ausnehmungen von radial außen in die Kühlkanäle eintritt, sodann axial durch die Kühlkanäle zu den austrittseitigen Ausnehmungen strömt und schließlich durch die austrittseitigen Ausnehmungen nach radial außen aus den Kühlkanälen austritt.
-
Es ist möglich, dass die axial verlaufenden Stege tangential zur Rotationsachse gesehen gleichmäßig über den Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine jedoch derart ausgestaltet, dass die axial verlaufenden Stege tangential zur Rotationsachse gesehen in Stegbereichen angeordnet sind und die Stegbereiche tangential zur Rotationsachse gesehen durch Blockbereiche, die keine axial verlaufenden Stege aufweisen, voneinander getrennt sind. Die Anzahl an Stegbereichen kann insbesondere zwischen 3 und 6 liegen.
-
Die Stegbereiche überdecken jeweils einen Tangentialwinkel. Die Summe der Tangentialwinkel der Stegbereiche beträgt vorzugsweise mindestens 180°.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist vorgesehen,
- – dass auf das Statorblechpaket im eintrittseitigen Endbereich axial eine eintrittseitige Endscheibe aufgesetzt ist,
- – dass die eintrittseitige Endscheibe unter Pass- oder Presssitz radial an das Gehäuse angrenzt,
- – dass das Gehäuse axial über die eintrittseitige Endscheibe hinausragt und
- – dass das Gehäuse an seinem über die eintrittseitige Endscheibe hinausragenden Ende mit einem eintrittseitigen Lagerschild abgeschlossen ist.
-
Insbesondere kann durch diese Ausgestaltung erreicht werden, dass ein vom Gehäuse radial und der eintrittseitigen Endscheibe und dem eintrittseitigen Lagerschild axial begrenzter eintrittseitiger Wicklungskopfraum durch die genannten Bauteile in der Schutzart IP54 oder besser abgeschlossen ist.
-
In analoger Weise ist die elektrische Maschine vorzugsweise dadurch ausgestaltet,
- – dass auf das Statorblechpaket im austrittseitigen Endbereich axial eine austrittseitige Endscheibe aufgesetzt ist,
- – dass die austrittseitige Endscheibe unter Pass- oder Presssitz radial an das Gehäuse angrenzt,
- – dass das Gehäuse axial über die austrittseitige Endscheibe hinausragt und
- – dass das Gehäuse an seinem über die austrittseitige Endscheibe hinausragenden Ende mit einem austrittseitigen Lagerschild abgeschlossen ist.
-
Auch hier kann durch die entsprechende Ausgestaltung erreicht werden, dass ein vom Gehäuse radial und der austrittseitigen Endscheibe und dem austrittseitigen Lagerschild axial begrenzter austrittseitiger Wicklungskopfraum durch die genannten Bauteile in der Schutzart IP54 oder besser abgeschlossen ist.
-
Die konstruktive Gestaltung der elektrischen Maschine kann dadurch vereinfacht werden, dass das Gehäuse im eintrittseitigen Endbereich eintrittseitige Überströmkanäle aufweist, welche die eintrittseitigen Ausnehmungen übergreifen, so dass das Kühlmedium zunächst axial durch die eintrittseitigen Überströmkanäle strömt und dann von radial außen in die Kühlkanäle eintritt.
-
In analoger Weise ist es möglich, dass das Gehäuse im austrittseitigen Endbereich austrittseitige Überströmkanäle aufweist, welche die austrittseitigen Ausnehmungen übergreifen, so dass das Kühlmedium zunächst nach radial außen aus den Kühlkanälen austritt und dann durch die austrittseitigen Überströmkanäle axial weiterströmt.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
-
1 eine Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine,
-
2 eine perspektivische Darstellung eines Statorblechpakets,
-
3 eine Schnittdarstellung des Übergangs vom Statorblechpaket zu einem Gehäuse der elektrischen Maschine,
-
4 eine perspektivische Darstellung des Gehäuses der elektrischen Maschine,
-
5 das Gehäuse von der Seite und
-
6 eine Schnittdarstellung eines eintrittseitigen Endbereichs des Statorblechpakets.
-
Gemäß 1 weist eine elektrische Maschine ein Statorblechpaket 1 auf. Im Statorblechpaket 1 ist eine Statorwicklung 2 angeordnet. Das Statorblechpaket 1 und die Statorwicklung 2 bilden zusammen einen Stator der elektrischen Maschine.
-
Der Stator umgibt einen Rotor 3 der elektrischen Maschine radial außen. Der Begriff „radial” ist auf eine Rotationsachse 4 der elektrischen Maschine bezogen. Er bedeutet eine Richtung auf die Rotationsachse 4 zu bzw. von ihr weg.
-
Der Rotor 3 ist in Lagern 5, 5' gelagert, so dass er um die Rotationsachse 4 rotierbar ist. Die Lager 5, 5' sind in Lagerschilden 6, 6' angeordnet.
-
Das Statorblechpaket 1 ist von einem Gehäuse 7 der elektrischen Maschine umgeben. Das Statorblechpaket 1 ist im Gehäuse 7 unter Presssitz oder Formschluss gehalten.
-
Das Statorblechpaket 1 weist – siehe auch die 2 und 3 – radial außen Stege 8 auf. Die Stege 8 verlaufen in Axialrichtung. Die Axialrichtung ist – analog zum Begriff „radial” – auf die Rotationsachse 4 bezogen. „Axial” bedeutet eine Richtung parallel zur Rotationsachse 4.
-
Aufgrund der Begrenzung nach radial außen durch das Gehäuse 7 bilden die Stege 8 und das Gehäuse 7 Kühlkanäle 9 für ein Kühlmedium. Insbesondere begrenzen je zwei in Tangentialrichtung benachbarte Stege 8 und das Gehäuse 7 je einen Kühlkanal 9. Der Begriff „tangential” ist – analog zu den Begriffen „radial” und „axial” – ebenfalls auf die Rotationsachse 4 bezogen. Er bedeutet eine Richtung in konstantem radialem Abstand zur Rotationsachse 4 um die Rotationsachse 4 herum.
-
Das Kühlmedium, dessen Fluss in 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet ist, kann in Einzelfällen Wasser sein. In der Regel ist das Kühlmedium Luft.
-
Das Kühlmedium soll das Statorblechpaket 1 möglichst über- die gesamte axiale Länge des Statorblechpakets 1 kühlen. Aus diesem Grund ist – siehe ergänzend die 4 und 5 – das Gehäuse 7 in einem axialen Mittelbereich des Statorblechpakets 1 geschlossen, damit das Kühlmedium nicht nach radial außen entweichen kann. An den axialen Endbereichen des Statorblechpakets 1 hingegen – siehe auch 6 – weist das Gehäuse 7 jeweils Ausnehmungen 10, 10' auf. Dadurch kann das Kühlmedium an dem einen axialen Endbereich des Statorblechpakets 1 durch die dortigen Ausnehmungen 10 des Gehäuses 7 von radial außen in die Kühlkanäle 9 eintreten, sodann durch die Kühlkanäle 9 zum anderen Endbereich des Statorblechpakets 1 strömen und dort schließlich durch die dortigen Ausnehmungen 10' des Gehäuses 7 nach radial außen aus den Kühlkanälen 9 austreten. Der guten Ordnung halber wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass in 4 des Gehäuses ein Teil des Gehäuses in der dortigen Darstellung entfernt ist, damit die darunter liegenden Ausnehmungen 10, 10' sichtbar sind.
-
Wie erwähnt, tritt das Kühlmedium am einen Endbereich des Statorblechpakets 1 in die Kühlkanäle 9 ein und tritt am anderen Endbereich des Statorblechpakets 1 aus den Kühlkanälen 9 aus. Die entsprechenden Endbereiche des Statorblechpakets 1 werden daher nachfolgend als eintrittseitiger und austrittseitiger Endbereich bezeichnet. Auch die Ausnehmungen 10, 10' des Gehäuses 7 werden dementsprechend als eintrittseitige Ausnehmungen 10 und austrittseitige Ausnehmungen 10' bezeichnet.
-
Wie besonders deutlich aus 2 ersichtlich ist, sind die axial verlaufenden Stege 8 tangential zur Rotationsachse 4 gesehen in Stegbereichen 11 angeordnet. Sie sind durch Blockbereiche 12 voneinander getrennt. Die Blockbereiche 12 weisen keine axial verlaufenden Stege auf.
-
Gemäß der Darstellung von 2 sind je vier Steg- und Blockbereiche 11, 12 vorhanden. Es sind jedoch auch größere Anzahlen möglich. In der Regel sind mindestens drei und höchstens sechs Stegbereiche 11 (und selbstverständlich die gleiche Anzahl an Blockbereichen 12) vorhanden.
-
Die Stegbereiche 11 überdecken je einen Tangentialwinkel α. Die Summe der Tangentialwinkel α der Stegbereiche 11 sollte mindestens 180° betragen. Der Tangentialwinkel α kann von Stegbereich 11 zu Stegbereich 11 verschieden sein. In der Regel sind jedoch entsprechend der Darstellung in 2 alle Tangentialwinkel α gleich groß. In analoger Weise können auch die Blockbereiche 12 in Tangentialrichtung gesehen unterschiedlich groß sein. In der Regel sind sie jedoch entsprechend der Darstellung in 2 untereinander gleich groß.
-
Auf das Statorblechpaket 1 ist gemäß 1 in der Regel axial beidseitig jeweils eine Endscheibe 13, 13' aufgesetzt. Über die Endscheiben 13, 13' wird das Statorblechpaket 1 – beispielsweise im Zusammenwirken mit nicht dargestellten Axialbolzen – axial zusammengehalten. Die Endscheiben 13, 13' werden nachfolgend, je nachdem, an welchem axialen Endbereich sie auf das Statorblechpaket 1 aufgesetzt sind, als eintrittseitige Endscheibe 13 und als austrittseitige Endscheibe 13' bezeichnet.
-
Die eintrittseitige Endscheibe 13 grenzt gemäß den 1 und 6 – vorzugsweise unter Passsitz, alternativ eventuell unter leichtem Presssitz – radial an das Gehäuse 7 an. Soweit es den Übergang von der eintrittseitigen Endscheibe 13 zum Gehäuse 7 betrifft, besteht somit ein im Wesentlichen dichter Abschluss. Das Gehäuse 7 ragt gemäß den 1 und 6 axial über die eintrittseitige Endscheibe 13 hinaus. Das Gehäuse 7 ist an seinem über die eintrittseitige Endscheibe 13 hinausragenden Ende mit dem dortigen Lagerschild 6 – nachfolgend als eintrittseitiger Lagerschild 6 bezeichnet – abgeschlossen. Auch am Übergang vom eintrittseitigen Ende des Gehäuses 7 zum eintrittseitigen Lagerschild 6 besteht ein im Wesentlichen dichter Abschluss.
-
Die eintrittseitige Endscheibe 13 und der eintrittseitige Lagerschild 6 begrenzen einen eintrittseitigen Wicklungskopfraum 14 axial. Das Gehäuse 7 begrenzt den eingangseitigen Wicklungskopfraum 14 radial. Aufgrund der im Wesentlichen dichten Übergänge des Gehäuses 7 zur eintrittseitigen Endscheibe 13 und zum eintrittseitigen Lagerschild 6 hin ist der eintrittseitige Wickelkopfraum 14 durch die genannten Bauteile 13, 7, 6 in der Schutzart IP 54 oder besser abgeschlossen, beispielsweise in der Schutzart IP 55 oder IP 65.
-
In analoger Weise grenzt vorzugsweise auch die austrittseitige Endscheibe 13' unter Passsitz – eventuell auch unter leichtem Presssitz – radial an das Gehäuse 7 an. Weiterhin ragt das Gehäuse 7 auch austrittseitig axial über die dortige Endscheibe 13' hinaus und ist an seinem über die austrittseitige Endscheibe 13' hinausragenden Ende mit dem anderen Lagerschild 6', d. h. dem austrittseitigen Lagerschild 6', abgeschlossen. Vorzugsweise sind weiterhin – wie zuvor für die Eintrittseite beschrieben – die Übergänge vom Gehäuse 7 zur austrittseitigen Endscheibe 13' und zum austrittseitigen Lagerschild 6' im Wesentlichen dicht. Analog zum eintrittseitigen Wickelkopfraum 14 begrenzen die austrittseitige Endscheibe 13' und der austrittseitige Lagerschild 6' somit einen ausgangseitigen Wicklungskopfraum 14' axial. Das Gehäuse 7 begrenzt den ausgangseitigen Wicklungskopfraum 14' radial. Aufgrund der im Wesentlichen dichten Übergänge des Gehäuses 7 zur austrittseitigen Endscheibe 13' und zum austrittseitigen Lagerschild 6' hin ist auch der austrittseitige Wicklungskopfraum 14' durch die genannten Elemente 13', 7, 6' in der Schutzart IP 54 oder besser abgeschlossen, beispielsweise in der Schutzart IP 55 oder IP 65. Insbesondere sollte die Schutzart, in welcher der austrittseitige Wicklungskopfraum 14' abgeschlossen ist, mit der Schutzart übereinstimmen, mit welcher der eintrittseitige Wicklungskopfraum 14 abgeschlossen ist.
-
Wie besonders deutlich aus den 1, 4, 5 und 6 ersichtlich ist, weist das Gehäuse 7 im eintrittseitigen Endbereich des Statorblechpakets 1 eintrittseitige Überströmkanäle 15 auf. Die eintrittseitigen Überströmkanäle 15 übergreifen die eintrittseitigen Ausnehmungen 10. Dadurch wird erreicht, dass das Kühlmedium zunächst axial durch die eintrittseitigen Überströmkanäle 15 strömt und sodann von radial außen in die Kühlkanäle 9 eintritt.
-
Aus den 1, 4 und 5 ist weiterhin ersichtlich, dass das Gehäuse 7 auch im austrittseitigen Endbereich des Statorblechpakets 1 austrittseitige Überströmkanäle 15' aufweist. Die austrittseitigen Überströmkanäle 15' übergreifen die austrittseitigen Ausnehmungen 10'. Dadurch wird bewirkt, dass das Kühlmedium nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 9 zunächst nach radial außen aus den Kühlkanälen 9 austritt und dann durch die austrittseitigen Überströmkanäle 15' axial weiterströmt.
-
Es sind viele Abwandlungen der vorliegenden Erfindung möglich. So ist es beispielsweise möglich, die elektrische Maschine im Querschnitt, so wie in den FIG dargestellt, im Wesentlichen rund auszubilden. Alternativ kann die Ausbildung unrund sein, insbesondere eckig, beispielsweise quadratisch. Weiterhin ist es möglich, dass die austrittseitigen Überströmkanäle 15' entfallen.
-
Ebenso ist es möglich, entsprechend der Darstellung in 1 auf der Rotorwelle axial außerhalb des eintrittseitigen Lagerschilds 6 einen Lüfter 16 anzuordnen. Alternativ kann die Luftströmung durch die Kühlkanäle 9 anderweitig erzwungen werden. Ebenso ist es möglich, entsprechend der Darstellung von 1 im eintrittseitigen Wicklungskopfraum 14 (alternativ oder zusätzlich im austrittseitigen Wicklungskopfraum 14') einen weiteren Lüfter 17 anzuordnen, so dass ein innerer Lüftungskreislauf geschaffen wird.
-
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist sie relativ einfach aufgebaut, arbeitet zuverlässig und weist gute Kühlungseigenschaften auf. Ein. Schutzrohr oder dergleichen ist nicht erforderlich. Auch ist ein Anschluss der Statorwicklung 2 an eine elektrische Energieversorgung auf relativ einfache Weise realisierbar.
-
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
