-
Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, umfassend einen Stator mit einer Vielzahl von Spulenwicklungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor, wobei der Stator über eine an einem Statorgehäuse anliegende Kühleinrichtung kühlbar ist.
-
Gebiet der Erfindung
-
Das Gebiet der Erfindung erstreckt sich auf Elektromaschinen, die insbesondere im Fahrzeugbau genutzt werden. Des Weiteren sind auch andere Anwendungsgebiete denkbar.
-
Derartige Elektromaschinen werden insbesondere als Elektromotor genutzt. Ebenso kann die Elektromaschine aber auch ein generatorischen Betrieb aufweisen, um elektrische Energie zu erzeugen. Beim Betrieb solcher Elektromaschinen entsteht unter Anderem Verlustleistung in Form von Wärme, die in der Regel von Kupferverlusten und Eisenverlusten herrührt. Die Verlustwärme ist in der Elektromaschine jedoch unerwünscht, da sie zu Leistungsverlusten der Maschine und im schlimmsten Fall zu deren Beschädigung führen kann. Zum Abbau der in der Elektromaschine erzeugten Verlustwärme muss diese deshalb gekühlt werden. Dazu werden von der Elektromaschine unabhängige Kühleinrichtungen verwendet. Solche Kühleinrichtungen enthalten beispielsweise Wärmetauscher oder dergleichen, die über entsprechende Einrichtungen, wie beispielsweise Pumpen mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden sind.
-
Aus der Druckschrift
DE 198 46 220 A1 geht eine Kühleinrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, eines Fahrzeugs hervor. Die elektrische Maschine ist mit dem Motorblock des Fahrzeugs verbunden. Um eine kostengünstige und konstruktive einfache sowie effektive Kühlung der elektrischen Maschine zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass die elektrische Maschine ein Trägerelement aufweist, dass der Motorblock ein Kühlelement aufweist und dass die elektrische Maschine über das Trägerelement zumindest bereichsweise derart mit dem Kühlelement des Motorblocks verbunden ist, dass die bei Betrieb der elektrischen Maschine erzeugte Wärme thermisch in den Motorblock abgeleitet wird. Das Kühlelement ist vorzugsweise als Ringelement um die Kurbelwelle herum ausgebildet. Dadurch ist die Kühleinrichtung vorteilhaft zur Wärmeleitungskühlung geeignet, da die in der elektrischen Maschine entstehende Wärme über das Trägerelement in den Motorblock des Fahrzeugs abgeleitet wird. Zusätzlich können das Kühlelement und/oder das Trägerelement noch Kühlkanäle aufweisen, die mit dem Kühlsystem des Motorblocks verbunden sind.
-
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, dass permanenterregte Synchronmaschinen Spulen besitzen, welche bei Einzelzahnwicklung um einen Zahn des Statorkörpers gewickelt sind und bei verteilten Wicklungen über mehrere Zähne gewickelt sind. Der Statorkörper besteht in der Regel aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelten Blechen. Dieses Blechpaket kann in ein Statorgehäuse oder auf einem Statorträger gepresst sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Stator auch verschraubt sein. Der Statorträger oder das Statorgehäuse kann weiterhin ein Teil einer Kühleinrichtung z. B. Flüssigkeitskühlung oder einer Kühlung mit Heat-Pipes und Kühler sein.
-
Im Bereich der Wickelköpfe, also auf beiden axialen Seiten der Elektromaschine, liegen die Spulen nicht direkt am jeweils stirnseitigen Statorblech an, sondern verlaufen beabstandet zu diesem, da die Spulen mit Radien verlegt werden müssen. Durch Verpressen der Wickelköpfe kann der Raum zwischen Spule und stirnseitigem Blech verringert, jedoch nicht beseitigt werden. Dies liegt daran, dass die Spulendrähte mit einem speziellen Lack überzogen sind, der nicht beschädigt werden darf, da sonst ein Kurzschluss entsteht. Zum mechanischen und elektrischen Schutz der Wickelköpfe werden diese mit einem Epoxidharzverguss vergossen oder mit einem anderen Harz beträufelt. Zusätzlich kann die elektrische Isolation mittels Isolationspapier sichergestellt werden. Somit wird die Spule im Wickelkopfbereich von Lack, Harz, Papier und Luft umgeben, wodurch der Wickelkopf thermisch isoliert ist.
-
Die im Betrieb der Elektromaschine in den Spulen entstehende Wärme, muss abgeführt werden, um ein Schmelzen des Drahtlackes oder des Vergusses zu verhindern. Da die Spulen im Wickelkopfbereich thermisch isoliert sind, wird die Temperatur im Wickelkopfbereich am größten, so dass die elektrische Dauerbelastbarkeit der Elektromaschine durch die thermische Wickelkopfisolation bestimmt wird. Mit anderen Worten sind die Dauerbelastbarkeit und das Dauermoment der Elektromaschine von der Temperatur der Spulenwicklungen an den Wickelköpfen abhängig.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Elektromaschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, dahingehend zu verbessern, dass die in den Spulen erzeugte Wärme, insbesondere im Bereich des Wickelkopfes, besser abgeführt wird, um die Dauerbelastbarkeit und das Dauermoment der Elektromaschine zu verbessern.
-
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Elektromaschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
-
Erfindungsgemäß sind axial zwischen dem Statur und den Spulenwicklungen Beilagelemente angeordnet, um die Spulenwicklung im Wickelkopfbereich thermisch an dem Stator anzubinden. Dadurch werden die Lufträume zwischen den Spulenwicklungen und dem Stator ausgefüllt, so dass die thermische Anbindung der Spulenwicklung im Bereich der Wickelköpfe an dem Stator und darüber folglich auch an die am Statorgehäuse anliegende Kühleinrichtung verbessert wird.
-
Vorzugsweise sind die Beilagelemente T-förmig ausgebildet, wobei an einem ersten distalen Ende eines vertikalen Abschnitts ein horizontaler Abschnitt ausgebildet ist. Die Beilagelemente werden mit dem vertikalen Abschnitt in den Luftraum axial zwischen Spulenwicklung und Stator eingeführt. Der horizontale Abschnitt kann als radialer Anschlag für die Spulenwicklung dienen.
-
Des Weiteren bevorzugt ist der vertikale Abschnitt der Beilagelemente keilförmig ausgebildet und verjüngt sich zu einem zweiten distalen Ende hin. Dadurch wird die Spulenwicklung beim Einführen der Beilagelemente in die dafür vorgesehenen Lufträume zwischen Spulenwicklung und Stator gestreckt. Der Isolationsraum zwischen Spulenwicklung und Stator wird durch die optimierte Passform der Beilagelemente zusätzlich minimiert.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die horizontalen Abschnitte der Beilagelemente in Umfangsrichtung des Stators nebeneinander angeordnet und bilden einen geschlossenen Ring. Mit anderen Worten sind die horizontalen Abschnitte der Beilagelemente ringsegmentförmig ausgebildet und ergeben zusammen einen geschlossenen Ring. Dadurch wird der ringsegmentförmige Luftraum radial zwischen den Wickelköpfen der Spulenwicklungen und dem von der Kühleinrichtung gekühlten Statorgehäuse ausgefüllt. Durch die thermische Anbindung über den horizontalen Abschnitt der Beilagelemente zwischen den Wickelköpfen und dem Statorgehäuse wird die Kühlung der Wickelköpfe verbessert. Da sich die horizontalen Abschnitte der Beilagelemente in Umfangsrichtung des Stators berühren, kann durch geeignete Wahl der Passung der Wärmeübergang zwischen den Beilagelementen, und zwischen den Beilagelemente und der Kühleinrichtung, verbessert werden. Die Beilagelemente erfahren nämlich an den seitlichen Stirnflächen sowie am Passdurchmesser zum Statorgehäuse eine Pressung.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die horizontalen Abschnitte der Beilagelemente formschlüssig miteinander verbindbar. Somit lässt sich die Montage der Beilagelemente wesentlich verbessern, wobei dies mit einer Zeitersparnis einhergeht. Die formschlüssige Verbindung ist vorteilhafterweise hinterschnittig, in Form eines Puzzleteils, ausgestaltet, wobei ein erstes Beilagelement an der Verbindungsstelle zu einem zweiten Beilagelement ein männliches Verbindungsteil aufweist und das zweite Beilagelement an der vorgesehenen Verbindungsstelle ein dazu korrespondierendes weibliches Verbindungsteil aufweist. Denkbar ist jedoch auch eine nicht hinterschnittige Ausgestaltung mit einer radial oder in Längsrichtung der Elektromaschine verlaufenden V-Nut und einer entsprechend gestalteten Gegenseite.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsmöglichkeit sind die Beilagelemente durch einen axial anliegenden Ring in axialer und tangentialer Richtung gesichert. Dieser Ring substituiert die ringsegmentförmigen horizontalen Abschnitte der Beilagelemente. Somit können die Beilagelemente in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein.
-
Besonders bevorzugt weist der Ring komplementäre Aussparungen zu den horizontalen Abschnitten der Beilagelemente auf, um die horizontalen Abschnitte der Beilagelemente in den Aussparungen aufzunehmen. Die Verbindung zwischen den Beilagelementen und dem Ring kann sowohl hinterschnittig durch eine schwalbenschwanzförmige Nutung des Rings als auch nicht hinterschnittig durch eine trapezförmige Nutung oder rechteckförmige Nutung des Rings realisiert sein. Bei der hinterschnittigen Verbindung ergibt sich der Vorteil, dass der Ring in seiner axialen Position fixiert wird. Bei einer nicht hinterschnittigen Gestaltung kann der Ring nach dem Einlegen der Beilagelemente positioniert werden. Ferner ist es auch denkbar, dass die Aussparungen im Ring und die Gegenform der Beilagelemente derart keilförmig ausgestaltet sind, dass durch eine Axialbewegung des Rings die Beilagelemente eine radial wirkende Kraft erfahren und somit in dem Bereich zwischen Spulenwicklung und stirnseitigem Stator gedrückt werden. Hierdurch kann eine exakte Positionierung aller Beilagelemente durch das axiale Aufschieben des Rings realisiert werden.
-
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Ring in axialer Richtung keilförmig ausgebildet ist und sich in Richtung der Beilagelemente verjüngt, wobei die horizontalen Abschnitte der Beilagelemente ebenfalls keilförmig ausgebildet sind und mit dem Ring zur radialen Sicherung der Beilagelemente zusammenwirken. Durch Aufschieben des Ringes auf die Beilagelemente werden die Beilagelemente in radialer Richtung in den Luftraum axial zwischen der Spulenwicklung und dem Stator gedrückt.
-
Vorzugsweise sind die Beilagelemente aus einer Aluminiumlegierung oder einer Nichtoxidkeramik ausgebildet. Als Nichtoxidkeramiken eignen sich insbesondere Aiuminiumnitrid oder Siliziumcarbid, da deren thermische Leitfähigkeit sehr hoch ist. Ferner weisen diese Werkstoffe im Vergleich zu Stahl und Kupfer eine geringere Dichte auf, die ein Gewichtsparpotential mit sich bringt. Darüber hinaus sind die Werkstoffe nicht magnetisierbar, so dass keine Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften der Elektromaschine stattfindet. Im Vergleich zur Aluminiumlegierung bieten die Nichtoxidkeramiken ferner den Vorteil einer elektrischen Isolation.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
-
1 eine vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Elektromaschine,
-
2 eine Schnittdarstellung der Elektromaschine aus 1 gemäß der Schnittlinie A-A,
-
3 eine perspektivische Darstellung der Beilagelemente gemäß einer ersten Ausführungsform,
-
4 eine perspektivische Darstellung der Beilagelemente gemäß einer zweiten Ausführungsform,
-
5 eine perspektivische Darstellung der Beilagelemente gemäß einer dritten Ausführungsform, und
-
6 eine perspektivische Darstellung der Beilagelemente gemäß einer vierten Ausführungsform.
-
Ausführliche Beschreibung der Figuren
-
Gemäß 1 besteht die Elektromaschine aus einem Stator 1 mit einer Vielzahl von Spulenwicklungen 2, die aufgrund der Einbettung in einem Epoxidharzverguss 11 verdeckt sind. Die Spulenwicklungen 2 dienen zur Erzeugung eines Magnetfeldes und sind um Zähne des Stators 1 gewickelt. Der Stator 1 besteht aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelten und miteinander verbundenen Blechen, die in ein Statorgehäuse 10 gepresst sind. An dem Statorgehäuse 10 ist eine Kühleinrichtung 4 angeordnet, die zur Kühlung des Stators 1, insbesondere der Spulenwicklungen 2 vorgesehen ist. Dabei ist das Statorgehäuse 10 Teil der Kühleinrichtung 4, da das Statorgehäuse 10 die Kühleinrichtung 4 zum Stator 1 hin begrenzt. Durch mehrere Kanäle der Kühleinrichtung 4 zirkuliert eine Kühlflüssigkeit, die die Wärme abführt. Ferner ist ein relativ zum Stator 1 beweglicher, innenlaufender Rotor 3 angeordnet.
-
Aus 2, die eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A darstellt, ist ersichtlich, dass axial zwischen dem Stator 1 und den Spulenwicklungen 2 Beilagelemente 5 angeordnet sind, um die Spulenwicklung 2 im Wickelkopfbereich thermisch an den Stator 1 anzubinden, wobei die Beilagelemente 5 einen vertikalen Abschnitt 6 und einem horizontalen Abschnitt 7 aufweisen. Die Beilagelemente 5 sind aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit erlaubt, so dass die Wickelköpfe der Spulenwicklung 2 eine verbesserte Kühlung erfahren. Der Wärmefluss führt von der Spulenwicklung 2 über die Beilagelemente 5 und dem Stator 1 auf das Statorgehäuse 10 und der daran anliegenden Kühleinrichtung 4. Ferner ist axial an den Beilagelementen 5 ein Ring 8 angeordnet, der in radialer Richtung zwischen den Spulenwicklungen 2 und dem Statorgehäuse 10 zur Anlage kommt und dadurch die Spulenwicklung 2 im Wickelkopfbereich an das gekühlte Statorgehäuse 10 anbindet.
-
Gemäß 3 sind die Beilagelemente 5 T-förmig ausgebildet und bestehen aus einem vertikalen Abschnitt 6 und einem horizontalen Abschnitt 7. Der vertikale Abschnitt 6 der Beilagelemente 5 ist keilförmig ausgebildet und verjüngt sich zu einem distalen Ende hin. Der horizontale Abschnitt 7 der Beilagelemente 5 ist ebenfalls keilförmig ausgebildet und korrespondiert mit den Aussparungen 9 im Ring 8. Die Aussparungen im Ring 8 und die Gegenform der Beilagelemente 5 sind derart keilförmig ausgestaltet, dass durch eine Axialbewegung des Rings 8 die Beilagelemente 5 eine radial wirkende Kraft erfahren und somit in dem Bereich zwischen Spulenwicklung 2 und stirnseitigem Statur 1 gedrückt werden. Hierdurch kann eine exakte Positionierung aller Beilagelemente durch das axiale Aufschieben des Rings realisiert werden.
-
Gemäß 4 weisen die Beilagelemente 5 eine hinterschnittige Ausbildung auf, welche die Form eines Schwalbenschwanzes hat. Ferner ist der vertikale Abschnitt 6 der Beilagelemente 5 keilförmig ausgebildet. Dadurch wird die Spulenwicklung 2 beim Einführen der Beilagelemente 5 in die dafür vorgesehenen Lufträume zwischen Spulenwicklung 2 und Stator 1 gestreckt.
-
Gemäß 5 sind die horizontalen Abschnitte 7 der Beilagelemente 5 in Umfangsrichtung des Stators 1 ringsegmentförmig ausgebildet und nebeneinander angeordnet, so dass sie einen geschlossenen Ring bilden. Die horizontalen Abschnitte 7 der Beilagelemente 5 sind darüber hinaus auch keilförmig ausgebildet und korrespondieren mit dem Ring 8, der in axialer Richtung keilförmig ausgebildet ist und sich in Richtung der Beilagelemente 5 verjüngt. Dadurch werden die Beilagelemente 5 bei einem axialen Aufschieben des Rings 8 auf die Beilagelemente 5 in radialer Richtung gedrückt und gesichert.
-
Gemäß 6 sind die horizontalen Abschnitte 7 der Beilagelemente 5, die kreissegmentförmig ausgebildet sind, formschlüssig miteinander verbunden. Dazu sind Beilagelemente 5 mit einem männlichen Verbindungselement und Beilagelemente 5 mit einem weiblichen Verbindungselement in Umfangsrichtung abwechselnd nebeneinander angeordnet.
-
In den 1 und 2 weist die Elektromaschine einen innenlaufenden Rotor 3 auf. Jedoch ist eine Elektromaschine mit einem außenlaufenden Rotor ebenfalls möglich und von den Ansprüchen mit umfasst.
-
Die Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Losung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.
-
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stator
- 2
- Spulenwicklung
- 3
- Rotor
- 4
- Kühleinrichtung
- 5a, 5b
- Beilagelement
- 6
- vertikaler Abschnitt
- 7
- horizontaler Abschnitt
- 8
- Ring
- 9
- Aussparung
- 14
- Statorgehäuse
- 11
- Epoxidharzverguss
-
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
-
