DE102012023320A1 - Kühlen eines Elektromotors mit Kühlmittelrohr und Leitungsplatten oder Kalotten - Google Patents
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Abstract
Der Stator einer fluidgekühlten elektrischen Maschine, wie etwa eines Motors, eines Generators oder einer Motor/Generator-Baugruppe, umfasst einen kranzförmigen Statorkern, der nach innen ragende Zähne und Außennute in einer Außenfläche des Kerns umfasst, die radial mit den Zähnen ausgerichtet sind. An den nach innen ragenden Zähnen sind elektrisch leitende Wicklungen angebracht, und eine Rohranordnung für Kühlmittel weist ein schlangenförmig ausgebildetes Rohr auf. Das Rohr umfasst sich axial erstreckende Rohrabschnitte, die in den Außennuten des Statorkerns aufgenommen sind, sowie Endbiegungen, die benachbarte Paare der sich axial erstreckenden Rohrteile miteinander verbinden. An den Endbiegungen des Kühlmittelrohrs sind Wärmeleitungselemente befestigt, und ein die Außenfläche des Statorkerns umgebendes Gehäuse hält die sich axial erstreckenden Rohrabschnitte in den Außennuten fest.
Description
- Es wird auf die gleichzeitig anhängige U.S.-Patentanmeldung Ser. Nr. 13/005,010, eingereicht am 12. Januar 2011, mit dem Titel COOLANT FLOW ENHANCING DEVICE FOR STATOR COIL END TURNS OF FLUID COOLED ELECTRIC MOTOR des gleichen Anmelders Bezug genommen.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung sieht eine Möglichkeit vor, eine elektrische Maschine hoher Leistungsdichte in kostengünstiger Weise zu kühlen. Herkömmliche Anordnungen zum Kühlen solcher Maschinen umfassen Gussmetallgehäuse mit internen Fluidkühlungskanälen. Diese Anordnungen sind teuer und schwierig herzustellen. Die Erfindung betrifft alternative Anordnungen, die sowohl bezüglich laufender Kosten als auch Entwicklungskosten günstig sind.
- Beschreibung des Stands der Technik
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U.S.-Patent 3,109,947 für Thompson et al. offenbart mehrere Kühlsysteme für dynamoelektrische Maschinen, bei denen wärmeabführende Strukturen Wärme leitende Elemente und Kühlmittel befördernde Rohrleitungen umfassen, die an den Wärme leitenden Elementen über den Umfang angeschweißt, hartgelötet oder anderweitig befestigt sind. -
U.S.-Patent 3,414,749 für Abegg betrifft Elektromotoranordnungen, bei denen Statorsegmentlaminierungsstapel durch Befestigungselemente miteinander befestigt sind. Die Befestigungselemente sind durch schwalbenschwanzförmige oder zylindrische Stäbe oder Stangen ausgebildet, wobei Leitungen oder Bohrungen in den Stäben oder Stangen eine Kühlmittelströmung zulassen. - Das
U.S.-Patent 6,819,016 für Houle et al. betrifft Flüssigkeitskühlungsanordnungen für elektrische Maschinen. In Stator- oder Wärmespeicherelementkanäle werden Abschnitte von Kühlrohrleitungen eingeführt, und diese Abschnitte werden dann verformt, um ihr Festhalten in den Kanälen zu erleichtern. - ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Die vorstehend genannten U.S.-Patente bieten Beispiele für Anordnungen mit Kühlrohrleitungen, die sich außerhalb von Statorlaminierungsstapeln befinden. Ein vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer Kühlrohrleitung außerhalb eines Laminierungsstapels in Verbindung mit Platten oder Kalotten, um Wärme weg von dem Stapel und den an diesem Stapel gewickelten Spulen zu der Kühlrohrleitung zu befördern. Eine solche Konfiguration wird bezüglich Wirksamkeit bei Elektromotoren, Generatoren und Motor/Generatoren als ausgezeichnet gesehen.
- In einer bevorzugten Form der Erfindung umfasst der Stator einer fluidgekühlten elektrischen Maschine, wie etwa eines Motors, eines Generators oder einer Motor/Generator-Baugruppe, einen kranzförmigen Statorkern, der nach innen ragende Zähne und Außennute in einer Außenfläche des Kerns umfasst, die radial mit den Zähnen ausgerichtet sind. An den nach innen ragenden Zähnen sind elektrisch leitende Wicklungen angebracht, und eine Rohrbaugruppe für Kühlmittel weist ein schlangenförmig ausgebildetes Rohr auf. Das Rohr umfasst sich axial erstreckende Rohrabschnitte, die in den Außennuten des Statorkerns aufgenommen sind, sowie Endbiegungen, die benachbarte Paare der sich axial erstreckenden Rohrabschnitte miteinander verbinden. An den Endbiegungen des Kühlmittelrohrs sind Wärmeleitungselemente befestigt, und ein die Außenfläche des Statorkerns umgebendes Gehäuse hält die sich axial erstreckenden Rohrabschnitte in den Außennuten fest.
- Die Wärmeleitungselemente könnten mit den Endbiegungen des Rohrs verbundene Platten sein, wobei jede Platte mit einer der Endbiegungen verbunden ist und von allen verbleibenden Platten getrennt ist. In diesem Fall kann die Rohrbaugruppe auch mindestens ein zusätzliches Wärmeleitungselement umfassen, das an Kühlmittelzufuhr- und Kühlmittelabfuhrpartien des Rohrs befestigt ist. Um Wirbelstromverluste in den Platten zu reduzieren, können die Platten mit Schlitzen versehen werden. Alternativ könnten die Wärmeleitungselemente Kalotten sein, in denen Endpartien der Wicklungen aufgenommen sind; in diesem Fall könnten die Kalotten ebenfalls Schlitze enthalten. Bei dieser Anordnung ist eine radial äußere Wand jeder Kalotte vorzugsweise mit den Endbiegungen des Rohrs verbunden. Eine Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material beschichtet vorzugsweise das Rohr und die Platten oder Kalotten, um die Kupferendbiegungen gegenüber den Platten oder Kalotten zu isolieren.
- Es wird auch auf eine gesamte elektrische Maschine, die einen solchen Stator umfasst, und einen Prozess des Herstellens des Stators verwiesen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine Teilansicht in Perspektive eines Statorkorpus mit Außennuten, die ausgelegt sind, um axial sich erstreckende Abschnitte eines Rohrs zum Befördern von Kühlmittel aufzunehmen. -
2 ist eine Ansicht, die eine Rohrbaugruppe zeigt, die ein Kühlmittelfluid beförderndes Rohr enthält, die zusammen mit dem in1 gezeigten Statorkorpus verwendbar ist. -
3 ist eine Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Ankeranordnung mit sich axial erstreckenden Rohrabschnitten, die in2 in den Außennuten des Statorkorpus aufgenommen gezeigt sind. -
4 ist eine Darstellung eines zusammengebauten Stators, der durch Passen eines Gehäuses über die in3 gezeigte Ankeranordnung erzeugt wird. -
5 ist eine Ansicht ähnlich zu3 , die aber eine zweite Ausführungsform einer Ankeranordnung zeigt. - EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 zeigt einen kranzförmigen Statorkern10 , der aus mehreren einzelnen Blechlaminierungen erzeugt ist, die kollektiv den Statorkorpus12 einer gesamten Statoranordnung bilden. Es wird in Betracht gezogen, dass der Statorkorpus12 Teil einer fluidgekühlten elektrischen Maschine wird, die ein Motor, ein Generator oder eine Motor/Generator-Baugruppe sein kann. Der Statorkorpus12 besteht typischerweise aus einem Stapel von Eisenlegierungs(Stahl)-, Nickellegierungs- oder Kobaltlegierungsschichtlaminierungen, die in einer herkömmlichen Weise miteinander verbunden oder aneinander befestigt sind. Jedes der erwähnten Patente Thompson et al. ('947), Abegg ('749) und Houle et al. ('016) nutzt in einer solchen Weise miteinander verbundene Laminierungen, und die gesamte Offenbarung jedes der Patente Thompson et al. ('947), Abegg ('749) und Houle et al. ('016) wird hierin durch Bezugnahme als nicht wesentlicher Inhalt aufgenommen. Wie denjenigen bekannt ist, die mit Elektromotoren, Generatoren und Motor/Generatoren vertraut sind, ist der Statorkorpus12 zusammen mit einem Rotor verwendbar, der daran oder darin Permanentmagneten geeignet verteilt aufweist, der zur Drehung in der mittigen Öffnung14 des Statorkorpus12 befestigt ist. Der Statorkorpus12 ist auch mit Maschinen mit Nichtpermanentmagneten verwendbar. Ein isolierter, elektrisch leitender Draht, der Wicklungen oder Spulen16 bildet (nachstehend der Einfachheit halber als ”Wicklungen” bezeichnet), die in3 –4 schematisch gezeigt sind, ist um radial nach innen ragende Zähne18 des Statorkörpers12 in einer herkömmlichen Weise gewickelt oder anderweitig an diesen angebracht. -
1 veranschaulicht weiterhin mehrere äußere Nuten, Vertiefungen oder Aussparungen20 (nachstehend der Einfachheit halber als ”Nuten” bezeichnet), die sich axial entlang der Außenseite des Statorkorpus12 in der gleichen Richtung wie eine mittige Statorachse22 und bevorzugt parallel dazu erstrecken. Wie gezeigt weist jede der Nuten20 einen in etwa D-förmigen Querschnitt auf und ragt von der radial äußeren Fläche24 des Kerns10 nach innen. Jede der Nuten20 ist wie gezeigt über einem der Statorzähne18 mittig angeordnet, um mit den Zähnen radial ausgerichtet zu sein, und erstreckt sich von der Statorfläche24 ausreichend weit nach innen, so dass jede Nut20 das Kühlmittelrohr einer Rohrbaugruppe nahezu vollständig umhüllen kann, nachdem das Kühlmittelrohr in einer zu beschreibenden Weise in die Nut gesetzt wurde. - Um eine in
2 gezeigte Rohrbaugruppe28 zu erzeugen, wird ein dünnwandiges Rohr26 aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Metall oder Metalllegierungsmaterial zunächst zu einer Schlangenform ausgebildet und wird dann zu einer zylindrischen Form gewalzt oder anderweitig zu dieser verformt, während das Schlangenmuster beibehalten wird. - Um eine Ankeranordnung nach der ersten Ausführungsform zu erzeugen, werden mehrere Metallwärmeleitungsplatten
30 an axial äußere Endbiegungen32 des Schlangenrohrs26 hartgelötet oder anderweitig damit verbunden, wie in2 gezeigt ist, um dazu beizutragen, Wärme von den Wicklungen16 und den Statorzähnen18 direkter zu den Endbiegungen32 des Rohrs26 und damit zu dem von dem Rohr beförderten Kühlmittel zu leiten. Jedem radial nach innen ragenden Zahn18 ist eine Wärmeleitungsplatte30 zugeordnet; demgemäß werden für den gezeigten Statorkorpus12 , der zwölf nach innen ragende Zähne18 umfasst, zwölf einzelne Platten,30 , die an jeder der elf Kühlmittelrohr-Endbiegungen32 und an einem Satz von Kühlmittelzufuhr- und Kühlmittelabfuhrpartien33 befestigt sind, genutzt. Jede der Platten30 ist von angrenzenden benachbarten Platten30 getrennt, was die Baugruppe flexibel und leicht einbaubar macht. Bei der gezeigten Anordnung lagern die Endbiegungen32 an jedem axialen Ende der Rohrbaugruppe28 und die Partien33 sechs separate Platten30 , wobei die Mitten der Platten30 an einem axialen Ende der Rohrbaugruppe28 bei in etwa dreißig Grad zu den Mitten der Platten an dem gegenüberliegenden axialen Ende umlaufend versetzt sind. Jede der einzelnen Platten30 kann Schlitze34 umfassen, um Wirbelstromverluste in den Platten aufgrund ihrer großen Nähe zu den Wicklungen16 zu reduzieren. In der gezeigten Anordnung umfasst jede der Platten30 in etwa acht bis zehn solche Schlitze34 , die gleichmäßig beabstandet sind. Die Platten30 können auch aus Stapeln von Laminierungen gebildet sein, um Wirbelstromverluste weiter zu reduzieren. - Sobald die Wicklungen
16 den Statorzähnen18 zugeführt sind, um die Ankeranordnung zusammenzubauen, wird ein Ende der Rohrbaugruppe28 mit Werkzeugen oder in einer anderen geeigneten Weise in dem Maße geweitet, dass das geweitete Ende der Rohrbaugruppe den Statorkern10 mit den Wicklungen16 aufnehmen kann. Sobald der Statorkern10 und dessen zugeordnete Wicklungen16 von der Rohrbaugruppe28 umfangen sind, werden die Zufuhr- und Abfuhrpartien33 und die sich axial erstreckenden Abschnitte des Rohrs26 zwischen den Endbiegungen32 in die Nuten20 eingesetzt, während das geweitete Ende der Rohrbaugruppe28 zu einem nicht geweiteten Zustand rückgeführt wird. Die Rohrbaugruppe28 sollte so positioniert werden, dass die Endplatten30 an gegenüberliegenden Enden der Baugruppe28 im Wesentlichen gleich weit von den Spulenendpartien36 (4 ) der Wicklungen16 , sind, die über axiale Enden des Statorkorpus12 hinaus ragen. - Nach dem Hartverlöten oder anderweitigen Verbinden mit den Endbiegungen
32 des Schlangenrohrs26 werden das Rohr26 und die Platten30 isoliert, um dazu beizutragen, einen Kurzschluss mit den Wicklungen16 zu verhindern. Die Isolierung wird durch Einkapseln oder anderweitiges Beschichten des Rohrs26 und der Platten30 mit nicht leitendem Material verwirklicht. Durch diesen Beschichtungs- oder Einkapslungsprozess kann an den Wicklungen16 auch eine zusätzliche Isolierung geliefert werden. Eine Einkapslung könnte entweder vor oder nach dem Verbinden der Rohrbaugruppe mit dem Statorkorpus10 und dessen zugehörigen Wicklungen erfolgen. - Ein Gesamtstator wird dann durch Aufschrumpfen oder Presspassen eines weitgehend zylindrischen Gehäuses
38 , das in4 gezeigt ist, über die Ankeranordnung zusammengebaut. Der Vorgang des Aufschrumpfens oder Presspassens dient dazu, die sich axial erstreckenden Abschnitte des Rohrs26 , einschließlich der Kühlmittelzufuhr- und Kühlmittelabfuhrpartien33 , in die jeweiligen Außennute20 zu komprimieren und die Rohrbaugruppe28 ortsfest festzuhalten. Der sich ergebende Stator wird dann unter Verwenden eines wärmeleitenden Epoxids eingekapselt. Bei Betrieb dient das durch das Rohr26 strömende Kühlmittel dazu, in der Ankeranordnung erzeugte Wärme abzutransportieren. -
5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform, bei der Endbiegungen132 an axialen Enden einer Rohrbaugruppe128 nicht mit Wärmeleitungsplatten versehen sind. Stattdessen weist die Rohrbaugruppe128 gegenüberliegende kranzförmige Wärme leitende Kalotten130 auf, die über die Spulenendpartien von Wicklungen116 , die über axiale Enden eines Statorkorpus112 hinausragen, montiert sind. Die Kalotten130 befinden sich in großer Nähe zu den Endbiegungen132 des Rohrs126 , so dass das Rohr126 und die Kalotten130 miteinander verbunden und elektrisch isoliert werden können. Die Kalotten130 bewirken ein Leiten der Wärme der Wicklungsendbiegungen zu den Partien des Rohrs126 , die an den Außenflächen der Kalotten130 liegen. Die Kalotten130 weisen geeignet konfigurierte Zugriffsöffnungen140 für Wicklungsdrähte142 (nicht gezeigt) auf. - Die Kalotten
130 können wiederum geschlitzt sein, um Wirbelströme in ähnlicher Weise wie bei den flachen Platten30 zu reduzieren. Das Schlitzen der Kalotten130 könnte sogar wichtiger sein, wenngleich Tests bei einem Motor mit Kalotten anzeigten, dass die Kalotten eigentlich keine Schlitze benötigten. - Ein Stator mit Kalotten
130 ist eigentlich eher nützlicher als ein Stator, der aufgebrochene flache Platten, wie die anfangs in der Anmeldung erläuterten Platten30 , umfasst, da die Kalotten von der gesamten Endbiegung des Stators statt nur von den Endflächen Wärme abführen können. Während viele Beispiele für das Positionieren einer Rohrleitung in Statorschlitzen zum Kühlen bereits zur Verfügung stehen, neigen die Spulen in diesen Beispielen dazu, wie eine Motorwicklung zu werden. Experimente mit diesen Konfigurationen zeigen, dass auch wenn die Rohrleitung bei Anbinden an das Kühlsystem elektrisch isoliert werden könnte, das Wasser selbst Mineralien enthalten kann, die geladen werden könnten. Dies führt zu Bedenken bezüglich möglicher Korrosion der Kühlkomponenten usw. Durch Anordnen der Rohrleitung an der Rück- oder Außenseite des Statorkorpus weg von dem Magnetkreislauf wird dieses Problem vermieden. Die Verwendung der Kalotten scheint wiederum von größerem Nutzen zu sein und ist wahrscheinlich ein sehr robustes und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen eines flüssigkeitsgekühlten Motors. - Die vorstehende Offenbarung wurde lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dargelegt und soll nicht einschränkend sein. Da einem Fachmann Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen, die das Wesen und den Gehalt der Erfindung beinhalten, einfallen können, sollte die Erfindung so ausgelegt werden, dass sie alles innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche und Entsprechungen derselben umfasst.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 3109947 [0003]
- US 3414749 [0004]
- US 6819016 [0005]
Claims (22)
- Stator für eine elektrische Maschine, der mit Kühlmittel versorgt werden kann, umfassend: einen kranzförmigen Statorkern, der nach innen ragende Zähne und Außennuten in einer Außenfläche des Kerns, die mit den Zähnen radial ausgerichtet sind, umfasst, elektrisch leitende Wicklungen, die an den nach innen ragenden Zähnen angebracht sind, eine Rohrbaugruppe, die ein zu einer Schlangenform ausgebildetes Kühlmittelrohr umfasst, wobei das Rohr sich axial erstreckende Rohrabschnitte, die in den Außennuten aufgenommen sind, und Endbiegungen, die benachbarte Paare der sich axial erstreckenden Rohrabschnitte miteinander verbinden, umfasst, Wärmeleitungselemente, die an den Endbiegungen des Kühlmittelrohrs befestigt sind, und ein Gehäuse, das die Außenfläche des Statorkerns umgibt und die sich axial erstreckenden Rohrabschnitte in den Außennuten festhält.
- Stator nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitungselemente Platten sind, die mit den Endbiegungen des Rohrs verbunden sind.
- Stator nach Anspruch 2, wobei jede der Platten mit einer der Endbiegungen verbunden ist und von allen verbleibenden Platten getrennt ist.
- Stator nach Anspruch 2, wobei jede der Platten darin Schlitze umfasst.
- Stator nach Anspruch 1, wobei die Wärmeleitungselemente Kalotten sind, in denen Endpartien der Wicklungen aufgenommen sind.
- Stator nach Anspruch 5, wobei eine radial äußere Wand jeder Kalotte mit den Endbiegungen des Rohrs verbunden ist.
- Stator nach Anspruch 2, welcher weiterhin eine Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material umfasst, die das Rohr und die Platten beschichtet.
- Stator nach Anspruch 3, wobei jede der Platten darin Schlitze umfasst.
- Stator nach Anspruch 5, wobei jede der Kalotten darin Schlitze umfasst.
- Elektrische Maschine, die einen Stator umfasst, der mit Kühlmittel versorgt werden kann, umfassend: einen kranzförmigen Statorkern, der nach innen ragende Zähne und Außennuten in einer Außenfläche des Kerns, die mit den Zähnen radial ausgerichtet sind, umfasst, elektrisch leitende Wicklungen, die an den nach innen ragenden Zähnen angebracht sind, eine Rohrbaugruppe, die ein zu einer Schlangenform ausgebildetes Kühlmittelrohr umfasst, wobei das Rohr sich axial erstreckende Rohrabschnitte, die in den Außennuten aufgenommen sind, und Endbiegungen, die benachbarte Paare der sich axial erstreckenden Rohrabschnitte miteinander verbinden, umfasst, Wärmeleitungselemente, die an den Endbiegungen des Kühlmittelrohrs befestigt sind, und ein Gehäuse, das die Außenfläche des Statorkerns umgibt und die sich axial erstreckenden Rohrabschnitte in den Außennuten festhält.
- Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei die Wärmeleitungselemente Platten sind, die mit den Endbiegungen des Rohrs verbunden sind.
- Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei jede der Platten mit einer der Endbiegungen verbunden ist und von allen verbleibenden Platten getrennt ist.
- Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei jede der Platten darin Schlitze umfasst.
- Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei die Wärmeleitungselemente Kalotten sind, in denen Endpartien der Wicklungen aufgenommen sind.
- Elektrische Maschine nach Anspruch 14, wobei eine radial äußere Wand jeder Kalotte mit den Endbiegungen des Rohrs verbunden ist.
- Elektrische Maschine nach Anspruch 14, wobei jede der Kalotten darin Schlitze umfasst.
- Elektrische Maschine nach Anspruch 11, welcher weiterhin eine Schicht aus elektrisch nicht leitendem Material umfasst, die das Rohr und die Platten beschichtet.
- Prozess zum Herstellen eines Stators für eine elektrische Maschine, der mit Kühlmittel versorgt werden kann, umfassend: Vorsehen eines kranzförmigen Statorkerns, der nach innen ragende Zähne und Außennuten in einer Außenfläche des Kerns, die mit den Zähnen radial ausgerichtet sind, umfasst, und wobei elektrisch leitende Wicklungen an den nach innen ragenden Zähnen angebracht sind, Weiten eines Endes einer Rohrbaugruppe, die ein zu einer Schlangenform ausgebildetes Kühlmittelrohr, sich axial erstreckende Rohrabschnitte, die Endbiegungen des Rohrs miteinander verbinden, und Wärmeleitungselemente, die an den Endbiegungen befestigt sind, umfasst, Einsetzen des Statorkerns in die Rohrbaugruppe mittels des geweiteten Endes, Rückführen des Endes der Rohrbaugruppe zu einem nicht geweiteten Zustand, wodurch die sich axial erstreckenden Rohrabschnitte in die Außennuten bewegt werden, und Passen eines Gehäuses über die Außenfläche des Stators, um die sich axial erstreckenden Rohrabschnitte in den Außennuten festzuhalten.
- Prozess nach Anspruch 18, wobei die Wärmeleitungselemente Platten sind.
- Prozess nach Anspruch 19, wobei jede der Platten darin Schlitze umfasst.
- Prozess nach Anspruch 18, wobei die sich axial erstreckenden Rohrabschnitte in die Außennuten komprimiert werden, während das Gehäuse über die Außenfläche des Stators gepasst wird.
- Prozess nach Anspruch 18, wobei die Rohrbaugruppe weiterhin mindestens ein zusätzliches Wärmeleitungselement umfasst, das an den Kühlmittelzufuhr- und Kühlmittelabfuhrpartien des Rohrs befestigt ist.
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