DE102012217711A1 - Elektrische Maschine mit Kühlung - Google Patents

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Pirmin Dorfstätter
Gerhard Pichler
Gereon Johannes Pusch
Dominik Schober
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MAGNA POWERTRAIN GMBH & CO KG, AT
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Magna Powertrain AG and Co KG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Abstract

Es wird ein Stator für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, wobei die elektrischen Wicklungen des Statorrings mit einer Vergußmasse umgeben sind und wobei in der Vergußmasse Kanäle für die Kühlung der elektrischen Wicklungen nahe an den elektrischen Wicklungen ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei die elektrischen Wicklungen des Statorrings mit einer Vergussmasse umgeben sind, die Kanäle für die Kühlung der elektrischen Wicklungen enthält.
  • Stand der Technik
  • Vor allem bei modernen Elektromotoren kompakter Bauart kann der Motor seine Wärme nur schwer abführen. Hohe Temperaturen reduzieren die Überlastfähigkeit und Überhitzung kann zum Versagen der Wicklungsisolation, der Lager, Dichtringe und im Falle von permanentmagneterregten Maschinen auch zur Degradierung der Magnete führen.
  • Es ist darum wichtig Überhitzung vorzubeugen, die durch eine hoch effiziente Entwärmung der beiden Hauptwärmequellen, der Wicklung und des Blechpaketes, einer elektrischen Maschine erfolgt. Im Stand der Technik werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt, um die Wärme in der elektrischen Maschine abzuführen. Ein Ansatz ist es, eine direkte Kühlung der elektrischen Wicklung mit Öl zu erreichen, indem die Maschine direkt dreht. Durch den direkten Kontakt des Rotors mit dem hochviskosen Öl entstehen Planschverluste.
  • Alternativ dazu sind Flüssigkeitskühlungen im Gehäuse der elektrischen Maschine bekannt. Die Wärmeabfuhr aus den elektrischen Wicklungen erfolgt dabei indirekt über Blechpaket und Gehäuse.
  • Aus der DE 102011108042 A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine bekannt. Bei dieser Offenlegungsschrift wird der Stator, der in einer Vergussmasse hergestellt wird, mit einer Kühlvorrichtung versehen. Dabei wird die Kühlvorrichtung als Kühlkanäle an den Außenseiten der Vergussmasse entlang geführt.
  • Diese Art der Kühlung ist allerdings sehr indirekt, da die Anbindung der Wicklungen an die Kühlkanäle über das elektrische Isolationsmaterial und das Statorblechpaket erfolgt und die Wärme von den elektrischen Wicklungen nicht effizient abgeführt werden kann.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung für die elektrischen Wicklungen des Stators zu schaffen, die die Wärme effizient abführt und sich auf einfache Art und Weise in einen Stator integrieren lässt.
  • Vorteilhafterweise wird der Stator für die elektrische Maschine so gebildet, dass die elektrischen Wicklungen nahe an den Kanälen für die Kühlung liegen und so die Wärme effizient abgeführt werden kann. Durch das Ausformen von Kühlkanälen in der Vergussmasse erfolgt die Kühlung direkt an den elektrischen Wicklungen. Dadurch erfolgt der Wärmeabfluss der kritischen Bauteile schneller und effizienter, da die Anzahl der Wärmeübergänge zwischen Bauteilen, zum Beispiel den Gehäuseteilen, reduziert ist. Durch die hohe Integration wird der Bauraum besser ausgenutzt und es können Bauteile reduziert werden. Durch das Ausformen der Kühlkanäle in der Vergussmasse bildet diese zu den Wicklungen einen geschlossenen Körper, wodurch Abdichtungsmaßnahmen der Kühlkanäle zu den Wicklungen nicht mehr notwendig sind.
  • Es ist dabei von Vorteil, die elektrischen Wicklungen in Form von Einzelzahnsegmenten zu verwenden. Vorteilhafterweise kann zusätzlich ein Kühlkanal im Bereich zwischen einem Einzelzahnsegmenten-Paar angeordnet werden.
  • Dadurch dass die Einzelzahnsegmente einen Bereich mit einem Winkel α aufspannen, ist es von Vorteil, dass der Kanal einen keilförmigen Querschnitt aufweist.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist es, wenn der Kühlkanal mit Kühlbereichen verbunden ist, die sich mindestens entlang einer Stirnseite des Statorrings erstrecken. Dadurch bilden die Kühlkanäle und die Kühlbereiche in der Vergussmasse einen durchgängigen Hohlraum, der dann auch vorteilhafterweise mit einem Kühlsystem verbindbar ist.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
  • 1 zeigt einen Stator mit Einzelzahn-Wicklung.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt des Stators.
  • 3 zeigt einen Fluidkörper.
  • 4 zeigt die gestaltete Vergussmasse.
  • 5 stellt einen Schnitt durch den Stator dar.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen Statorring 1 wobei in 2 ein Ausschnitt aus 1 dargestellt ist. Die Einzelzahnsegmente 2 sind kreisförmig über den Statorring 1 verteilt angeordnet. Die Einzelzahnsegmente 2 sind dabei paarweise angeordnet und weisen zwischen den Segmenten einen Bereich auf, der von einem Winkel α aufgespannt wird. Zwischen dem paarweise angeordneten Einzelzahnsegmenten 2 und 2‘ ist der Querschnitt eines Kühlkanals 6 zu erkennen. Der Kühlkanal 6 erstreckt sich dabei keilförmig im Bereich zwischen den Einzelzahnsegmenten 2 und axial bezüglich der Achse des Statorrings.. Der Kühlkanal 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel dabei so dimensioniert, dass er gänzlich zwischen den beiden Einzelzahnsegmenten liegt. Die Einzelzahnsegmente 2 sowie die Kühlkanäle 6 sind in eine Vergussmasse 3 eingebettet. Die Vergussmasse 3 füllt dabei auch den Bereich zwischen den Einzelzahnsegmenten 2, 2‘ aus und isoliert die Kühlkanäle 6 von den elektrischen Wicklungen der Einzelzahnsegmenten 2. Zur genauen Herstellung des Stators mit Vergussmasse wird auf den Stand der Technik verwiesen. Für die Herstellung der Kühlkanäle 6 muss die Gussform des Stators so ausgebildet sein, dass die hohlen Räume für die Kühlkanäle nach dem Verguss oder dem Spritzen vorhanden sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform können sich die Kühlkanäle 6 auch über die Abmessungen der Einzelzahnsegmente hinaus in die Vergussmasse erstrecken. Es ist dabei nur wichtig, dass die Kühlkanäle an allen Seiten von Vergussmasse umgeben sind, was bedeutet, dass sie in einem Spritzverfahren oder Giessverfahren in einer Form herstellbar sein müssen.
  • 3 zeigt exemplarisch eine Ausgestaltung eines Fluidkörpers wie er nach Einbringen der Vergussmasse in die Form ausgebildet wird., d.h., dass die dargestellte Form den Hohlräumen im fertigen Stator entspricht. Die Kühlkanäle 6 sind jeweils oben und unten mit Kühlbereichen 7 verbunden. Die Kühlbereiche 7 erstrecken sich entlang mindestens einer Stirnseite des Stator. Über einen Einlass 5 wird Kühlflüssigkeit in den Hohlraum 10 eingeführt und verteilt sich entsprechend des skizzierten Pfeiles in der Zeichnung. Über den Auslass 4 tritt die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkreislauf aus. Der Kühlkreislauf kann dabei ein eigener Kühlkreislauf sein, oder der Kühlkreislauf des Stator ist mit dem Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine verbunden, wenn der Elektromotor in einem Hybridfahrzeug Anwendung findet. Durch die Anbindung an einen bereits vorhandenen Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors fällt ein eigener Kreislauf weg.
  • 4 zeigt den Stator, wenn nur die Vergussmasse dargestellt wird. Dabei sind die Kühlkanäle 6 sowie die Kühlbereiche 7 zu erkennen. Kühlkanäle und Kühlbereiche bilden Hohlräume in der Vergussmasse.
  • 5 zeigt einen Längsschnitt durch den Stator. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass die Kühlbereiche 7 sehr nah an den Wicklungen der Einzelzahnsegmente 2 liegen.
  • Die Erfindung ist nicht auf einen Stator mit Einzelzahnsegmenten limitiert. Die Erfindung lässt sich auch auf andere Wickelköpfe anwenden, so sie mit Vergussmasse vergossen hergestellt werden.
  • Wichtig ist es allein, dass die Kanäle für die Kühlung der elektrischen Wicklungen nahe an den elektrischen Wicklungen ausgebildet sind. Nahe bedeutet dabei, dass sich die Kühlkanäle im Abstand einiger Mikrometer von den elektrischen Wicklungen befinden. Die Kühlkanäle sind dann nur durch eine dünne Isolationsschicht einiger µm Dicke von den elektrischen Wicklungen getrennt, gerade so, dass die elektrische Isolation gewahrt bleibt, aber eine thermische Isolation nicht wirklich erfolgt.
  • Die Kühlung ist besonders effizient, da das Material der elektrischen Wicklung direkt gekühlt wird und nicht indirekt über elektrisches Isolationsmaterial, ein Statorblech oder das Gehäuse. Der axiale Durchfluss der Kühlflüssigkeit erfolgt direkt in der Wicklung und in der Vergussmasse selbst und nicht am äußeren Umfang des Stators oder der Vergussmasse. Über die stirnseitigen Kühlbereiche wird besonders effizient Wärme abgeführt, da diese Kühlbereiche 7 als Kreisringsegmente dimensioniert sind und sich entlang der gesamten Stirnfläche des Stators erstrecken. Dadurch ist eine große Kontaktfläche zu den Wicklungen gegeben.
  • 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
    • DE 102011108042 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Stator für eine elektrische Maschine, wobei die elektrischen Wicklungen des Statorrings (1) mit einer Vergußmasse (3) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vergußmasse mindestens ein Kanal (6, 7) für die Kühlung der elektrischen Wicklungen nahe an den elektrischen Wicklungen ausgebildet ist.
  2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator elektrische Wicklungen in Form von Einzelzahnsegmenten (2, 2‘) aufweist.
  3. Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanal (6) zur Kühlung im Bereich zwischen einem Einzelzahnsegmenten-Paar (2, 2‘) axial angeordnet ist.
  4. Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen dem Einzelzahnsegmenten-Paar (2, 2‘) in einem Winkel (α) aufgespannt ist, in dem der mindestens eine Kanal (6) eingepasst ist.
  5. Stator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (6) im Querschnitt keilförmig ist.
  6. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (7) sich mindestens entlang einer der Stirnseiten des Statorrings (1) erstreckt.
  7. Stator nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (6) mit einem Kühlbereich (7) verbunden ist, der mindestens an einer Stirnseite des Statorrings (1) verläuft.
  8. Stator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (6) zusammen mit den Kühlbereichen (7) in der Vergussmasse (3) einen durchgängigen Hohlraum (10) bilden.
  9. Stator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (10) über einen Ein- und Auslass (4, 5) mit einem Kühlsystem verbunden ist.
  10. Stator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem mit dem Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine eine Einheit bildet.
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