DE102012211501A1

DE102012211501A1 - Electric machine with a stator lamella pack provided with vortex generators for an integrated cooling arrangement

Info

Publication number: DE102012211501A1
Application number: DE102012211501.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kuehbacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-09
Also published as: WO2014005910A2; WO2014005910A3

Abstract

Es wird eine Elektromaschine (1) und ein für diese geeigneter Stator (5) vorgeschlagen, bei denen zwischen dem Stator (5) und vorzugsweise einem umschließenden Gehäuse (7) ein Durchflusszwischenraum (16) vorgesehen ist, durch den Kühlfluid strömen kann. Der Stator (5) besteht dabei aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen (21), von denen radial nach außen in den Durchflusszwischenraum (16) Wirbelgeneratoren (19) abragen. Diese Wirbelgeneratoren (19) können bereits beim Stanzen der Lamellen (21) mit ausgebildet werden und für eine gute Verwirbelung des Kühlfluids und damit für eine erhöhte Kühlwirkung sorgen.An electric machine (1) and a stator (5) suitable for this are proposed, in which a flow gap (16) is provided between the stator (5) and preferably an enclosing housing (7) through which cooling fluid can flow. The stator (5) consists of a large number of lamellas (21) stacked next to one another, from which vortex generators (19) protrude radially outward into the flow gap (16). These vortex generators (19) can already be formed during the punching of the lamellas (21) and ensure good swirling of the cooling fluid and thus an increased cooling effect.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine mit einer integrierten Kühlanordnung sowie einen Stator für eine solche Elektromaschine.The present invention relates to an electric machine with an integrated cooling arrangement and to a stator for such an electric machine.

Stand der TechnikState of the art

Elektromaschinen wie beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren werden für vielfältigste Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise werden Elektromaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das Fahrzeug als Motor anzutreiben oder um kinetische Energie als Generator in elektrische Energie zu rekuperieren.Electric machines such as electric motors or generators are used for a wide variety of applications. For example, electric machines are used in motor vehicles to drive the vehicle as a motor or to recuperate kinetic energy as a generator into electrical energy.

Insbesondere Elektromaschinen mit hoher Dauerleistungsdichte, wie sie für Anwendungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, müssen aktiv gekühlt werden. Hierzu kann ein Kühlfluid an Wänden der Elektromaschine entlang oder durch diese Wände hindurch geleitet werden, um Wärme aus der Elektromaschine aufnehmen und abführen zu können.In particular, electric machines with high continuous power density, as used for applications in motor vehicles, must be actively cooled. For this purpose, a cooling fluid can be routed along walls of the electric machine or through these walls in order to be able to absorb and dissipate heat from the electric machine.

Um das Kühlfluid, wie beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, gezielt derart durch die Elektromaschine leiten zu können, dass eine möglichst effiziente Kühlung stattfinden kann, werden herkömmlich meist in einem Gehäuse der Elektromaschine geeignete Kühlkanäle vorgesehen, um das Kühlfluid zu führen. Kühlfluid, welches durch einen solchen Kühlkanal geführt wurde und dabei Wärme aufgenommen hat, kann diese Wärme anschließend beispielsweise in einem Wärmetauscher an die Umgebung abgeben und dann zurück in den Kühlkanal geleitet werden. Auf diese Weise kann ein geschlossener Kühlkreislauf gebildet werden.In order to be able to guide the cooling fluid, such as a cooling liquid, specifically through the electric machine in such a way that most efficient cooling can take place, suitable cooling channels are usually provided in a housing of the electric machine in order to guide the cooling fluid. Cooling fluid, which has been passed through such a cooling channel and has thereby absorbed heat, can then release this heat, for example in a heat exchanger to the environment and then be passed back into the cooling channel. In this way, a closed cooling circuit can be formed.

Um einen Wärmeübergang von der Elektromaschine auf das Kühlfluid einerseits zu verbessern und andererseits eine notwendige Pumpleistung zum Fördern des Kühlfluids in Grenzen halten zu können, wird der Kühlkanal häufig helixförmig oder mäanderförmig in dem Elektromaschinengehäuse ausgebildet, wobei das Kühlfluid einerseits in seiner Strömung beschleunigt werden sollte, andererseits jedoch hohe Strömungswiderstände vermieden werden sollten. In order to improve a heat transfer from the electric machine to the cooling fluid on the one hand and on the other hand to keep a necessary pumping power for conveying the cooling fluid within limits, the cooling channel is often formed helical or meandering in the electric machine housing, the cooling fluid should be accelerated on the one hand in its flow, On the other hand, however, high flow resistance should be avoided.

Es wurde beobachtet, dass die geschilderten, teilweise gegenläufigen Anforderungen an eine Elektromaschinenkühlung mit herkömmlichen Kühlungsanordnungen oft nur unzureichend erfüllt werden können, da beispielsweise zur Kühlung vorteilhafte geometrische Strukturen in dem Elektromaschinengehäuse häufig nur mit komplexen Herstellungsverfahren und somit teuer erzeugbar sind, was eine wirtschaftliche Anwendung solcher Kühlungsanordnungen oft verhindert.It has been observed that the described, partially contradictory requirements for electric machine cooling can often only be met inadequately with conventional cooling arrangements, since, for example, advantageous geometric structures in the electrical machine housing for cooling are often only possible with complex production methods and thus expensive, which is an economic application of such Cooling arrangements often prevented.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen beansprucht ist, ermöglicht eine effiziente Kühlung einer Elektromaschine bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellbarkeit der hierfür verwendeten Kühlanordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elektromaschine sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.The present invention, as claimed in the independent claims, enables efficient cooling of an electric machine with at the same time low-cost manufacturability of the cooling arrangement used for this purpose. Advantageous embodiments of the electric machine according to the invention are defined in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Elektromaschine mit einer integrierten Kühlanordnung vorgeschlagen, wobei die Elektromaschine einen Rotor, einen den Rotor umschließenden Stator sowie vorzugsweise ein den Stator umschließendes Gehäuse aufweist. Der Stator weist dabei ein Lamellenpaket auf, beziehungsweise wird von einem solchen Lamellenpaket gebildet, wobei das Lamellenpaket aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen zusammengesetzt ist. Die Elektromaschine zeichnet sich dadurch aus, dass radial außerhalb des Stators, d.h. beispielsweise zwischen dem Stator und dem Gehäuse, ein Durchflusszwischenraum vorgesehen ist, durch den ein Kühlfluid strömen kann, wobei von zumindest einigen der Lamellen des Lamellenpakets so genannte Wirbelgeneratoren in den Durchflusszwischenraum hineinragen. Diese Wirbelgeneratoren sind derart ausgebildet, dass sie in einem durch den Durchflusszwischenraum fließenden Fluid Verwirbelungen erzeugen.According to a first aspect of the invention, an electric machine with an integrated cooling arrangement is proposed, wherein the electric machine has a rotor, a stator enclosing the rotor and preferably a housing enclosing the stator. The stator has a disk pack, or is formed by such a disk set, the disk set is composed of a plurality of juxtaposed slats. The electric machine is characterized in that radially outside the stator, i. For example, between the stator and the housing, a flow gap is provided through which a cooling fluid can flow, wherein protruding from at least some of the fins of the disk set so-called vortex generators in the flow space. These vortex generators are configured to generate turbulence in a fluid flowing through the flow gap.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Stator für eine Elektromaschine vorgeschlagen, wobei der Stator ein Lamellenpaket aufweist, welches aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen zusammengesetzt ist. Der Stator weist Wirbelgeneratoren auf, die von zumindest einigen der Lamellen des Lamellenpakets radial nach außen abragen.According to a further aspect of the invention, a stator for an electric machine is proposed, wherein the stator has a disk pack, which is composed of a plurality of lamellae stacked next to one another. The stator has vortex generators which protrude radially outward from at least some of the fins of the fin package.

Ideen und Erkenntnisse zu der vorliegend vorgeschlagenen Elektromaschine können unter anderem darin gesehen werden, dass erkannt wurde, dass eine gezielte Führung und Durchmischung von Kühlfluid durch Strukturen, die innerhalb eines Gehäuses einer Elektromaschine vorgesehen werden, häufig schwierig zu erzielen sind. Stattdessen kann ein Kühlfluid jedoch durch einen Zwischenraum hindurchgeführt werden, der zwischen dem Stator der Elektromaschine und dem diesen Stator umschließenden Gehäuse vorgesehen wird. Das Kühlfluid kann dabei in direkten thermischen Kontakt mit den Lamellen der den Stator bildenden Lamellenpakete kommen und so für ein effizientes Abführen der dort frei werdenden Wärme sorgen. Ideas and findings relating to the electric machine proposed here can be seen inter alia in that it has been recognized that targeted guidance and mixing of cooling fluid through structures provided within a housing of an electric machine are often difficult to achieve. Instead, however, a cooling fluid may be passed through a gap provided between the stator of the electric machine and the housing enclosing this stator. The cooling fluid can come into direct thermal contact with the lamellae of the lamellae packages forming the stator and thus ensure an efficient discharge of the heat released there.

Dabei wurde beobachtet, dass das an dem Stator entlang geführte Kühlfluid möglichst gezielt durchmischt werden sollte, um kühlere äußere Schichten des Kühlfluids mit warmen Schichten an der zu kühlenden Oberfläche durchmischen zu können. Hierbei sollte der Strömungswiderstand, den das Kühlfluid erfährt, möglichst wenig erhöht werden. It was observed that the cooling fluid guided along the stator should be mixed as precisely as possible in order to cool the outer layers of the cooling fluid with warm layers to be able to mix the surface to be cooled. In this case, the flow resistance that the cooling fluid experiences should be increased as little as possible.

Es wurde erkannt, dass eine solche Durchmischung des Kühlfluids vorteilhaft durch so genannte Wirbelgeneratoren bewirkt werden kann. Die Wirbelgeneratoren können dabei durch Bereiche des den Stator bildenden Lamellenpakets gebildet werden, die von einzelnen Lamellen radial nach außen abragend in den Durchflusszwischenraum zwischen dem Stator und dem Gehäuse hineinragen.It has been recognized that such thorough mixing of the cooling fluid can be advantageously effected by so-called vortex generators. In this case, the vortex generators can be formed by regions of the plate pack forming the stator, which protrude from individual lamellae projecting radially outwards into the flow gap between the stator and the housing.

Mithilfe dieser Wirbelgeneratoren kann beispielsweise vermieden werden, dass sich aufgrund einer geringen Reynolds-Zahl infolge einer hohen Viskosität von beispielsweise als Kühlfluid verwendetem Öl eine gleichmäßig geschichtete Strömung entlang der Oberfläche des Stators ausbildet, die sich durch einen geringen Wärmeaustausch quer zur Strömungsrichtung auszeichnet. Eine solche gleichmäßig geschichtete Strömung würde zu geringer Kühleffizienz führen, weil das Kühlfluid direkt an der benetzten Oberfläche des Stators schnell erwärmt würde und damit kaum weitere Wärmeenergie aufnehmen kann, während außerhalb einer an der Statoroberfläche anliegenden Grenzschicht sehr viel kälteres Fluid verfügbar wäre, welches jedoch nicht in ausreichenden thermischen Kontakt mit der Statoroberfläche gelangt. With the aid of these vortex generators, it is possible, for example, to avoid the formation of a uniformly stratified flow along the surface of the stator due to a high viscosity of oil used, for example, as a cooling fluid, which is characterized by a low heat exchange transverse to the flow direction due to a low Reynolds number. Such uniformly stratified flow would result in low cooling efficiency because the cooling fluid would heat up directly at the wetted surface of the stator and thus absorb little more heat energy, whereas much colder fluid would be available outside a boundary layer adjacent to the stator surface gets into sufficient thermal contact with the stator surface.

Mithilfe der hierin vorgeschlagenen in die Kühlanordnung integrierten Wirbelgeneratoren (teilweise auch als longitudinal vortex Generator, LVG, bezeichnet) kann das Kühlfluid, das direkt auf der Außenseite des Statorlamellenpakets geführt wird, gezielt umgewälzt und vermischt werden. Ein Wirbelgenerator erzeugt dabei Verwirbelungen in Strömungsrichtung des Kühlfluids, wodurch kältere außen liegende Fluidschichten in wärmere, an der Statoroberfläche angrenzende Fluidschichten verwirbelt werden. Dadurch kann eine starke Erhöhung des Wärmeübergangs erzielt werden, während der Pumpaufwand nur geringfügig ansteigt. Insgesamt kann die Kühleffizienz bei einer mit einer solchen Kühlanordnung versehenen Elektromaschine erheblich verbessert und somit die mögliche Dauerleistung der Elektromaschine gesteigert werden.By means of the vortex generators (sometimes also referred to as longitudinal vortex generator, LVG) which are incorporated in the cooling arrangement proposed herein, the cooling fluid which is led directly on the outside of the stator lamination stack can be purposefully circulated and mixed. In this case, a vortex generator generates turbulences in the direction of flow of the cooling fluid, as a result of which colder external fluid layers are swirled into warmer fluid layers adjoining the stator surface. As a result, a large increase in the heat transfer can be achieved, while the pumping costs increase only slightly. Overall, the cooling efficiency of a provided with such a cooling arrangement electric machine can be significantly improved and thus the possible continuous power of the electric machine can be increased.

Ein weiterer möglicher Vorteil der hierin vorgeschlagenen in eine Elektromaschine integrierten Kühlanordnung kann darin gesehen werden, dass die für eine Verwirbelung des Kühlfluids notwendigen Wirbelgeneratoren in sehr einfacher Weise dadurch erzeugt werden können, dass sie einstückig an den Lamellen des den Stator bildenden Lamellenpakets angeformt werden. Another possible advantage of the herein proposed proposed in an electric machine cooling arrangement can be seen in that the vortex generators necessary for a swirling of the cooling fluid can be generated in a very simple manner that they are integrally formed on the fins of the stator lamination pack.

Der Stator der Elektromaschine besteht typischerweise aus einem oder mehreren hintereinander angeordneten Lamellenpaketen, wobei jedes der Lamellenpakete wiederum aus einer Vielzahl von nebeneinander gestapelten Lamellen besteht. Jede der Lamellen besteht dabei aus einem metallischen dünnen Blech, das durch einfache Fertigungsprozesse wie zum Beispiel ein Stanzen und Biegen in eine gewünschte Form gebracht werden kann. Herkömmlich weisen dabei die Lamellen eine ringförmige Geometrie auf, wobei ein äußerer Rand kreisförmig ist und nach innen ragend Stege vorgesehen sind, um die beispielsweise Drahtwicklungen zur Erzeugung von elektrischen Spulen für die Elektromaschine gewickelt sind. In einer zentralen Ausnehmung innerhalb der ringförmigen Statorlamellen kann der Rotor der Elektromaschine aufgenommen sein. The stator of the electric machine typically consists of one or more disk packs arranged one behind the other, wherein each of the disk packs in turn consists of a multiplicity of lamellae stacked next to one another. Each of the slats consists of a metallic thin sheet, which can be brought by simple manufacturing processes such as punching and bending in a desired shape. Conventionally, in this case, the lamellae have an annular geometry, wherein an outer edge is circular and inwardly projecting webs are provided around which, for example, wire windings are wound to produce electric coils for the electric machine. In a central recess within the annular stator blades, the rotor of the electric machine can be accommodated.

Während bei Statoren herkömmlicher Elektromaschinen alle Lamellen eine kreisförmige Außengeometrie aufweisen, sodass der Stapel von Lamellen eine zylinderförmige Mantelfläche aufweist, wird nun vorgeschlagen, zumindest an einigen der Lamellen kleine Bereiche vorzusehen, die über den kreisförmigen Außenrand der Lamelle nach außen abragen. Diese Bereiche können bei dem stapelnd zusammengesetzten Stator nach Einbau in das umschließende Gehäuse als Wirbelgeneratoren dienen, da sie in eine Strömung des Kühlfluids entlang der Oberfläche des Stators hineinragen und diese Strömung lokal verwirbeln können. While in stators conventional electric machines all lamellae have a circular outer geometry, so that the stack of lamellae has a cylindrical surface, it is now proposed to provide at least some of the lamellae small areas that protrude beyond the circular outer edge of the lamella to the outside. These areas may serve as vortex generators in the stacked stator when installed in the enclosing housing, as they may protrude into a flow of the cooling fluid along the surface of the stator and locally fluidize that flow.

Die abragenden Bereiche können dabei in einfacher Weise schon beim Stanzen der Lamellen miterzeugt werden. Hierfür brauchen die herkömmlichen Stanzwerkzeuge lediglich geringfügig modifiziert werden. Wenn allen Lamellen die abragenden Bereiche aufweisen, um z.B. mit einem einzigen Stanzwerkzeug auszukommen, können, um die notwendigen Zwischenräume zwischen den Wirbelgeneratoren zu erhalten, überflüssige abragende Bereiche vor oder nach dem Zusammenfügen der Statorlamellen entfernt werden. The projecting areas can be co-produced in a simple manner already during the punching of the slats. For this, the conventional punching tools need only be slightly modified. When all of the fins have the projecting portions, e.g. to get along with a single punching tool, to obtain the necessary spaces between the vortex generators, superfluous projecting portions can be removed before or after the assembly of the stator blades.

Generell können Wirbelgeneratoren lediglich direkt radial nach außen von einer zugehörigen Lamelle abragen. Es wurde jedoch erkannt, dass es sich vorteilhaft auf die Wirbelerzeugung auswirken kann, wenn die Wirbelgeneratoren schräg entgegen einer Strömungsrichtung des Fluids in den Durchflusszwischenraum zwischen dem Stator und dem Gehäuse hineinragen. Mit anderen Worten sollte ein am weitesten abragender Bereich eines Wirbelgenerators gegen die Durchströmrichtung des Fluids ausgerichtet sein. Ein Anstellwinkel eines derart schräg angeordneten Wirbelgenerators kann beispielsweise im Bereich von 10° bis 60° gegenüber der Anströmrichtung des Kühlfluids liegen.In general, vortex generators can only project directly radially outward from an associated lamella. However, it has been found that it can be advantageous to the generation of vortex, when the vortex generators project obliquely against a flow direction of the fluid in the flow space between the stator and the housing. In other words, a most projecting portion of a vortex generator should be aligned against the flow direction of the fluid. An angle of attack of such an obliquely arranged vortex generator may, for example, in the range of 10 ° to 60 ° relative to the direction of flow of the cooling fluid.

Die Wirbelgeneratoren können in einer Richtung hin zu dem den Stator umgebenden Gehäuse verjüngend ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Wirbelgeneratoren an einer radial innen liegenden und an die kreisförmige Lamelle angrenzenden Basis breiter sein als in einem weiter radial außen liegenden Bereich. Beispielsweise können die Wirbelgeneratoren dreieckig mit einer radial nach außen gerichteten Spitze sein oder teilkreisförmig nach außen abragend ausgebildet sein. The vortex generators may be tapered in a direction toward the housing surrounding the stator. In other words For example, the vortex generators may be wider at a base radially inward and adjacent to the circular fin than in a further radially outward region. For example, the vortex generators may be triangular with a radially outwardly directed tip or partially circular outwardly projecting.

Ferner können die Wirbelgeneratoren in einem Bereich einer an einer zugehörigen Lamelle angrenzenden Basis eine Durchgangsöffnung aufweisen. Mit anderen Worten brauchen die Wirbelgeneratoren nicht vollflächig ausgebildet zu sein, sondern es können eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein, durch die Teile des Kühlfluids näher an dem angrenzenden Stator vorbeiströmen können. Auf diese Weise kann einerseits eine gute Durchmischung des Kühlfluids und andererseits eine gute Wärmeübergabe von dem Stator an das Kühlfluid bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand erreicht werden.Furthermore, the vortex generators may have a through opening in a region of a base adjacent to an associated fin. In other words, the vortex generators need not be formed over the entire surface, but it may be provided one or more openings through which parts of the cooling fluid can flow closer to the adjacent stator. In this way, on the one hand a good mixing of the cooling fluid and on the other hand a good heat transfer from the stator to the cooling fluid at the same time low flow resistance can be achieved.

Zwei in Längsrichtung des Lamellenpakets benachbarte Wirbelgeneratoren können dabei einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, der beispielsweise größer als eine Dicke einer Lamelle und vorzugsweise ein Vielfaches, beispielsweise ein mehr als 10-faches, stärker bevorzugt ein mehr als 50-faches, dieser Lamellendicke betragen kann. Hierdurch kann berücksichtigt werden, dass ein Wirbelgenerator seine Funktion der Wirbelerzeugung meist nur dann zufrieden stellend erfüllen kann, wenn das auf den Wirbelgenerator auftreffende Fluid zuvor über eine gewisse freie Anströmstrecke anströmen konnte. Dementsprechend sollten bei einem Lamellenpaket entweder nicht an jeder Lamelle des Lamellenpakets ein Wirbelgenerator ausgebildet sein oder für den Fall, dass an jeder Lamelle des Lamellenpakets ein Wirbelgenerator ausgebildet ist, sollten benachbarte Lamellen in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet werden, um auf diese Weise zu verhindern, dass nach außen abragende und als Wirbelgenerator wirkende Bereiche von benachbarten Lamellen derart angeordnet sind, dass sie in Längsrichtung des Lamellenpakets direkt aneinander angrenzen und miteinander fluchten und somit kein Abstand zwischen diesen Wirbelgeneratoren verbleibt, der als Anströmstrecke für das Kühlfluid dienen könnte.Two vortex generators adjacent to one another in the longitudinal direction of the disk pack can have a certain distance from one another, which may be greater than a thickness of a disk and preferably a multiple, for example more than 10 times, more preferably more than 50 times, this disk thickness. In this way, it can be considered that a vortex generator can only fulfill its function of generating turbulence satisfactorily if the fluid impinging on the vortex generator could previously flow over a certain free inflow path. Accordingly, in a disk set, either a vortical generator should not be formed on each disk of the disk pack or, in the case where a vortical generator is formed on each disk of the disk pack, adjacent disks should be circumferentially staggered to prevent each other outwardly projecting and acting as a vortex generator areas of adjacent lamellae are arranged such that they directly adjacent to each other in the longitudinal direction of the disk set and aligned and thus no distance between these vortex generators remains, which could serve as Anströmstrecke for the cooling fluid.

In einer speziellen Ausgestaltung kann eine Lamelle radial innerhalb zu einem an der Lamelle einstückig ausgebildeten Wirbelgenerator eine Ausnehmung aufweisen. Diese Ausnehmung kann beispielsweise eine Fläche aufweisen, die größer ist als die Fläche des Wirbelgenerators selbst. Die Ausnehmung kann dadurch erzeugt werden, dass, anstatt wie bei dem oben beschriebenen Beispiel direkt beim Stanzen der Lamelle einen über den kreisförmigen Außenumfang überstehenden und als Wirbelgenerator dienenden Bereich mit auszustanzen, während des Stanzprozesses eine Lamelle zwar mit einem rein kreisförmigen Außenumfang ausgestanzt wird, allerdings zusätzlich ein weiter radial innen liegender Bereich auch frei gestanzt wird, sodass ein zwischen diesem frei gestanzten Bereich und dem kreisförmigen Außenumfang der Lamelle verbleibender Bereich des die Lamelle bildenden Bleches in einem nachfolgenden Biegeschritt derart nach außen gebogen werden kann, dass er als nach außen abragender Wirbelgenerator dienen kann.In a special embodiment, a lamella can have a recess radially inwardly of a vortex generator which is formed integrally on the lamella. This recess may, for example, have a surface which is larger than the surface of the vortex generator itself. The recess may be produced by directly over-punching the blade, as in the above-described example, beyond the circular outer periphery and serving as a vortex generator punched out during punching process, although a lamella is indeed punched with a purely circular outer periphery, however, a further radially inner region is also punched free, so that between this free punched area and the circular outer periphery of the lamella remaining area of the lamella forming sheet in a subsequent bending step can be bent outwards so that it can serve as outwardly projecting vortex generator.

Um eine Durchflussgeschwindigkeit des Kühlfluids durch die von dem Durchflusszwischenraum gebildete Kühlanordnung erhöhen zu können und somit für einen guten Wärmeabtransport durch das Kühlfluid sorgen zu können, kann der Durchflusszwischenraum mäanderförmig entlang einer Außenoberfläche des Lamellenpakets des Stators ausgebildet sein. Die Wirbelgeneratoren können dabei vorzugsweise in dem mäanderförmigen Durchflusszwischenraum in Bereichen angeordnet sein, in denen das Fluid im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene der Lamellen strömt. Mit anderen Worten kann beispielsweise durch Vorsehen geeigneter Stege zwischen dem Stator und dem Gehäuse das Kühlfluid mäanderförmig entlang der Oberfläche des Stators geleitet werden, wobei die von den Stegen gebildete Mäanderform möglichst so ausgebildet sein sollte, dass eine Strömungsrichtung des Kühlfluids über weite Bereiche hin in Längsrichtung des Statorpakets, das heißt senkrecht zu den einzelnen Lamellen, ausgerichtet ist, so dass die von den einzelnen Lamellen flächig nach Außen abragenden Wirbelgeneratoren für eine möglichst effiziente Verwirbelung des durchströmenden Fluids sorgen können.In order to be able to increase a flow rate of the cooling fluid through the cooling arrangement formed by the flow gap and thus to ensure good heat transport through the cooling fluid, the flow gap can be formed meander-shaped along an outer surface of the lamination stack of the stator. In this case, the vortex generators can preferably be arranged in the meander-shaped flow-through gap in regions in which the fluid flows substantially perpendicular to a plane of the laminations. In other words, for example, by providing suitable webs between the stator and the housing, the cooling fluid can be passed meandering along the surface of the stator, wherein the meander shape formed by the webs should be formed as possible, that a flow direction of the cooling fluid over long areas in the longitudinal direction of the stator, that is perpendicular to the individual slats, is aligned, so that the vortex generators protruding outward from the individual slats to the outside for the most efficient turbulence of the fluid flowing through can provide.

Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf die vorgeschlagene Elektromaschine, teilweise mit Bezug auf einen geeigneten Stator und teilweise mit Bezug auf ein Herstellungsverfahren für diese Komponenten beschrieben ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und gegebenenfalls zu Synergieeffekten zu gelangen.It should be understood that possible advantages and features of embodiments of the invention will be described herein in part with reference to the proposed electric machine, in part with respect to a suitable stator, and partially with respect to a method of manufacturing these components. A person skilled in the art will recognize that the features can be suitably combined or exchanged with one another in order to arrive at further embodiments and, if appropriate, synergy effects.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings, wherein neither the description nor the drawings are to be construed as limiting the invention.

1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektromaschine. 1 shows a perspective view of an electric machine according to the invention.

2 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Stators. 2 shows a partial perspective view of a stator according to the invention.

3 zeigt in zweidimensionaler Darstellung eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Stator. 3 shows a two-dimensional view of a plan view of a stator according to the invention.

4 zeigt Draufsichten auf verschiedene Ausgestaltungen von Wirbelgeneratoren an Lamellen eines erfindungsgemäßen Stators. 4 shows plan views of various embodiments of vortex generators on lamellae of a stator according to the invention.

5 und 6 zeigen Draufsichten auf alternative Ausgestaltungen für Wirbelgeneratoren an Lamellen eines erfindungsgemäßen Stators. 5 and 6 show plan views of alternative embodiments for vortex generators on slats of a stator according to the invention.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Merkmale.The figures are only schematic and not to scale. In the figures, like reference numerals designate like or equivalent features.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine Elektromaschine 1 mit einem Rotor 3, einem Stator 5 und einem Gehäuse 7. In dem Rotor 3 sind entlang eines zylindrischen Außenumfangs Permanentmagnete 9 aufgenommen. In dem Stator 5, der ebenfalls einen zylindrischen Außenumfang hat, sind nach innen Ausnehmungen vorgesehen, die durch Stege 11 in Umfangsrichtung voneinander getrennt sind. In den Ausnehmungen können Wicklungen eines eine Spule bildenden elektrischen Leiters (in 1 nicht dargestellt) aufgenommen sein, mithilfe derer ein zeitlich variierendes magnetisches Feld erzeugt werden kann, um Kräfte auf die in dem Rotor 3 aufgenommenen Permanentmagnete 9 auszuüben und damit den Rotor 3 relativ zu dem Stator 5 in eine drehende Bewegung versetzen zu können. 1 shows an electric machine 1 with a rotor 3 a stator 5 and a housing 7 , In the rotor 3 are along a cylindrical outer circumference permanent magnets 9 added. In the stator 5 , which also has a cylindrical outer circumference, are provided inwardly recesses formed by webs 11 are separated from each other in the circumferential direction. In the recesses windings of a coil forming electrical conductor (in 1 not shown), by means of which a time-varying magnetic field can be generated in order to apply forces to those in the rotor 3 recorded permanent magnets 9 exercise and thus the rotor 3 relative to the stator 5 to be able to put in a rotating motion.

Zwischen einer Außenoberfläche 15 des Stators 5 und dem den Stator umgebenden Gehäuse 7 ist ein Durchflusszwischenraum 16 vorgesehen. Dieser Durchflusszwischenraum 16 ist durch in Längsrichtung der Elektromaschine 1 verlaufende Wände 17 in einzelne Bereiche unterteilt, sodass ein durch den Durchflusszwischenraum 16 strömendes gasförmiges oder flüssiges Kühlfluid mithilfe der Wände 17 mäanderförmig entlang der Oberfläche 15 des Stators geführt werden kann.Between an outer surface 15 of the stator 5 and the housing surrounding the stator 7 is a flow gap 16 intended. This flow gap 16 is through in the longitudinal direction of the electric machine 1 running walls 17 divided into individual areas, so one through the flow space 16 flowing gaseous or liquid cooling fluid using the walls 17 meandering along the surface 15 of the stator can be performed.

Um in dem durch den Durchflusszwischenraum 16 fließenden Fluid Verwirbelungen zu erzeugen, sind von dem Stator 5 ausgehend Wirbelgeneratoren 19 vorgesehen, die in den Durchflusszwischenraum 16 hineinragen.To get in through the flow space 16 flowing fluid to create turbulence are from the stator 5 starting vortex generators 19 provided in the flow space 16 protrude.

Wie in 2 dargestellt, besteht der Stator 5 aus einer Mehrzahl von Lamellen 21. Jede der Lamellen 21 besteht aus einem dünnen Metallblech mit beispielsweise einer Dicke von 0,3 Millimetern. Die einzelnen Lamellen 21 weisen dabei im Wesentlichen alle die gleiche Geometrie auf und sind fluchtend zueinander nebeneinander gestapelt angeordnet, sodass sie Lamellenpakete bilden, aus denen wiederum der Stator 5 zusammengesetzt werden kann.As in 2 shown, there is the stator 5 from a plurality of lamellae 21 , Each of the slats 21 consists of a thin metal sheet with, for example, a thickness of 0.3 millimeters. The individual slats 21 In this case, essentially all have the same geometry and are arranged in alignment with one another next to one another, so that they form lamination packets, from which in turn the stator 5 can be composed.

An einigen oder vorzugsweise allen der Lamellen 21 kann ein nach außen abragender und als Wirbelgenerator 19 dienender Bereich einstückig angeformt sein. Der Wirbelgenerator 19 wird dabei bereits beim Stanzen der Lamellen 21 mit ausgebildet, sodass seine Fertigung kaum zusätzlichen Aufwand mit sich bringt.At some or preferably all of the fins 21 can be an outwardly projecting and vortex generator 19 serving area integrally formed. The vortex generator 19 is already doing this when punching the slats 21 with trained, so that its production brings little extra effort.

Damit der Wirbelgenerator 19 für eine möglichst gute Verwirbelung des in einer Strömungsrichtung 23 strömenden Kühlfluids sorgen kann, ist er schräg entgegen der Strömungsrichtung 23 angeordnet.So that the vortex generator 19 for the best possible turbulence in a flow direction 23 flowing cooling fluid, it is obliquely against the flow direction 23 arranged.

In 3 ist eine zweidimensionale abgewickelte Ansicht der zylindrischen Außenoberfläche 15 des Stators 5 schematisch dargestellt. Kühlfluid kann in einer Strömungsrichtung 23 zunächst zum Beispiel von einem Wärmetauscher kommend in einen Durchflusszwischenraum 16 einströmen, wie in 3 links oben gezeigt. Durch Wände 17 wird das Kühlfluid mäanderförmig entlang der Oberfläche des Stators 5 geleitet, wobei die Strömungsrichtung 23 in weiten Bereichen senkrecht zu Erstreckungsebenen der Lamellen 21 des Stators 5 verläuft. Nachdem das Kühlfluid dabei Wärme von dem Stator 5 absorbieren konnte, strömt es letztendlich aus dem Durchflusszwischenraum 16 aus, wie in 3 rechts unten dargestellt. In 3 is a two-dimensional developed view of the cylindrical outer surface 15 of the stator 5 shown schematically. Cooling fluid can in a flow direction 23 initially, for example, coming from a heat exchanger in a flow space 16 infuse, as in 3 shown on the top left. Through walls 17 the cooling fluid meanders along the surface of the stator 5 directed, with the flow direction 23 in many areas perpendicular to planes of extension of the lamellae 21 of the stator 5 runs. After the cooling fluid thereby heat from the stator 5 eventually it flows out of the flow space 16 out, like in 3 shown at the bottom right.

Um das Kühlfluid während des Durchströmens des Durchflusszwischenraums 16 effizient zu verwirbeln und damit für eine gute Durchmischung von bereits erwärmten mit noch kühlen Anteilen des Kühlfluids zu sorgen, sind eine Vielzahl von Wirbelgeneratoren 19 vorgesehen. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel weist dabei jede der Lamellen 21 einen Wirbelgenerator 19 auf, wobei die einzelnen Lamellen 21 in ihrer Umfangsrichtung 35 derart zueinander versetzt angeordnet sind, dass zwischen zwei in Längsrichtung 37 benachbart angeordneten Wirbelgeneratoren 19 einige Lamellen 21 angeordnet sind, bei denen an der entsprechenden Position kein abragender Bereich vorgesehen ist, sodass das durchströmende Fluid eine ausreichend lange freie Anströmstrecke erhält, bevor es auf einen Wirbelgenerator 19 trifft. Die Länge „d“ der Anströmstrecke kann hierbei beispielsweise größer als zweimal die Abraghöhe der Wirbelgeneratoren 19 sein. Während dies in 3 lediglich schematisch dargestellt ist, können bei Lamellenpaketen realer Statoren bei einer Blechdicke von beispielsweise 0,3 Millimetern zehn bis siebzig Lamellen zwischen zwei in Längsrichtung benachbarten Wirbelgeneratoren 19 vorgesehen sein, um für eine ausreichend lange freie Anströmstrecke zu sorgen.To the cooling fluid while flowing through the flow gap 16 to efficiently swirl and thus ensure good mixing of already heated with still cool portions of the cooling fluid, are a variety of vortex generators 19 intended. At the in 3 Example shown here, each of the slats 21 a vortex generator 19 on, with the individual slats 21 in their circumferential direction 35 are arranged offset from one another such that between two in the longitudinal direction 37 adjacent arranged vortex generators 19 some slats 21 are arranged, in which no projecting area is provided at the corresponding position, so that the fluid flowing through a sufficiently long free Anströmstrecke receives before it on a vortex generator 19 meets. The length "d" of the inflow section can in this case be, for example, greater than twice the support height of the vortex generators 19 be. While this is in 3 is shown only schematically, can be in lamella packages real stators at a plate thickness of, for example 0.3 millimeters ten to seventy lamellae between two longitudinally adjacent vortex generators 19 be provided to provide a sufficiently long free flow path.

Alternativ zu einem Versetzen in Umfangsrichtung von gleich ausgebildeten Lamellen und den daran angeordneten Wirbelgeneratoren kann die benötigte Beabstandung von benachbarten Wirbelgeneratoren 19 auch dadurch erreicht werden, dass unterschiedliche Lamellen 21 zu einem Lamellenpaket gestapelt werden, wobei einige der Lamellen nach außen abragende Wirbelgeneratoren aufweisen und andere dazwischen liegende Lamellen keine solchen Bereiche aufweisen. Beispielsweise können bei den dazwischen liegenden Lamellen diese Bereiche nach dem anfänglichen Stanzen entfernt werden.As an alternative to offset in the circumferential direction of identically formed lamellae and the vortex generators arranged thereon, the required spacing of adjacent vortex generators 19 also be achieved by different slats 21 to be stacked into a disk set, wherein some of the sipes have outwardly projecting vortex generators and other intervening fins have no such areas. For example, in the intervening fins, these areas may be removed after the initial punching.

In 4 sind unterschiedliche Geometrien von Wirbelgeneratoren 19 dargestellt. Wie in den 4a, c, d, f dargestellt, können die Wirbelgeneratoren 19 ganzflächig mit einer dreieckigen, halbrunden oder rechteckigen Geometrie ausgebildet sein. Bei den in den 4b, e dargestellten Beispielen ist im Bereich einer Basis, an der der Wirbelgenerator 19 an die zugehörige Lamelle angrenzt, eine Durchgangsöffnung 25 vorgesehen. Durch diese Durchgangsöffnung 25 kann Kühlfluid in der Nähe der Oberfläche des Stators 5 strömen und diesen gut kühlen, wobei die umliegenden Bereiche des Wirbelgenerators 19 für eine effiziente Verwirbelung des Kühlfluids sorgen können.In 4 are different geometries of vortex generators 19 shown. As in the 4a , c, d, f, can be the vortex generators 19 be formed over the entire surface with a triangular, semicircular or rectangular geometry. In the in the 4b , e shown examples is in the range of a base at which the vortex generator 19 adjacent to the associated blade, a through hole 25 intended. Through this passage opening 25 can cooling fluid near the surface of the stator 5 flow and cool well, taking the surrounding areas of the vortex generator 19 provide for an efficient turbulence of the cooling fluid.

In den 5 und 6 sind weitere Ausführungsformen einer mit Wirbelgeneratoren 19 versehenen Lamelle 21 dargestellt. Wie in den 5b und 6b zu erkennen, weist dabei eine Lamelle 21 radial innerhalb eines an der Lamelle einstückig ausgebildeten Wirbelgenerators 19 eine Ausnehmung 29, 33 auf. Diese Ausnehmung 29, 33 kann, wie in den 5a, 6a dargestellt, dadurch entstehen, dass bereits beim Stanzen der Lamelle 21 ein innerhalb des kreisförmigen Außenumfangs liegender Bereich 27, 31 geeigneter Geometrie mit ausgestanzt wird, so dass ein radial nach außen daran angrenzender Bereich anschließend gezielt nach außen umgebogen werden kann und dann als Wirbelgenerator 19 in den Durchflusszwischenraum ragend wirken kann. In the 5 and 6 are other embodiments of a vortex generators 19 provided lamella 21 shown. As in the 5b and 6b to recognize, in this case has a lamella 21 radially within a integrally formed on the lamella vortex generator 19 a recess 29 . 33 on. This recess 29 . 33 can, as in the 5a . 6a shown, thereby arise that already during the punching of the blade 21 a lying within the circular outer periphery area 27 . 31 suitable geometry is punched with, so that a radially outwardly adjoining thereto area can then be selectively bent outward and then as a vortex generator 19 can act in the flow gap protruding.

Mit einer solchen Ausgestaltung der Lamellen 21 kann erreicht werden, dass alle Lamellen des Stators 5 in gleicher Weise stanzend ausgebildet werden können, jedoch lediglich bei einigen der Lamellen anschließend die den Wirbelgenerator 19 bildenden Bereiche nach außen gebogen werden, so dass für einen ausreichenden Abstand zwischen in Längsrichtung benachbarten Wirbelgeneratoren 19 und somit für eine ausreichende Anströmstrecke gesorgt werden kann.With such a design of the slats 21 can be achieved that all lamellae of the stator 5 can be formed in the same way punching, but only in some of the lamellae then the vortex generator 19 forming portions are bent outwards, so that for a sufficient distance between longitudinally adjacent vortex generators 19 and thus can be provided for a sufficient flow path.

Claims

Electric machine ( 1 ) with integrated cooling arrangement, the electric machine ( 1 ) comprises: a rotor ( 3 ); one the rotor ( 3 ) surrounding stator ( 5 ); where the stator ( 5 ) has a disk pack, which consists of a plurality of juxtaposed slats ( 21 ), characterized in that radially outside the stator ( 5 ) a flow gap ( 16 ) is provided, through which a cooling fluid can flow, and of at least some of the fins ( 21 ) of the disk pack vortex generators ( 19 ) in the flow space ( 16 protrude), which generate turbulence in a flowing fluid.

Electric machine according to claim 1, wherein a vortex generator ( 19 ) on one of the lamellae ( 21 ) is integrally formed.

Electric machine according to claim 1 or 2, wherein the vortex generators ( 19 ) obliquely against a flow direction ( 23 ) of the fluid into the flow space ( 16 protrude).

Electric machine according to one of claims 1 to 3, wherein the flow gap ( 16 ) meandering along an outer surface ( 15 ) of the plate pack of the stator ( 5 ) is trained.

Electric machine according to claim 4, wherein the vortex generators ( 19 ) in the meandering flow gap ( 16 ) are arranged in areas in which the fluid is substantially perpendicular to a plane of the slats ( 21 ) flows.

Electric machine according to one of claims 1 to 5, wherein the vortex generators ( 19 ) are tapered in a direction radially outwardly.

Electric machine according to one of claims 1 to 6, wherein the vortex generators ( 19 ) in a region of an associated lamella ( 21 ) attaching base a through hole ( 25 ) exhibit.

Electric machine according to one of claims 1 to 7, wherein between two in the longitudinal direction ( 37 ) of the disk pack adjacent vortex generators ( 19 ) a distance (d) of more than one thickness of a lamella ( 21 ) consists.

Electric machine according to one of claims 1 to 8, wherein each blade ( 21 ) of the disk pack a vortex generator ( 19 ) and wherein adjacent lamellae ( 21 ) in the circumferential direction ( 35 ) are offset from one another.

Electric machine according to one of claims 1 to 8, wherein not on each blade ( 21 ) of the disk pack a vortex generator ( 19 ) is trained.

Electric machine according to one of claims 1 to 10, wherein a lamella ( 21 ) radially inside to one on the lamella ( 21 ) integrally formed vortex generator ( 19 ) a recess ( 29 . 33 ) having.

Electric machine according to claim 11, wherein the recess ( 29 . 33 ) an area larger than the area of the vortex generator ( 19 ) having.

Electric machine according to one of claims 1 to 12, further comprising a stator ( 5 ) enclosing housing ( 7 ), wherein the flow gap ( 16 ) between the stator ( 5 ) and the housing ( 7 ) is trained.

Stator ( 5 ) for an electric machine ( 1 ) according to one of claims 1 to 13, wherein the stator ( 5 ) has a disk pack, which consists of a plurality of juxtaposed slats ( 21 ), characterized in that the stator ( 5 ) of at least some of the fins ( 21 ) of the disk pack radially outwardly projecting vortex generators ( 19 ) having.