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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator und/oder der Rotor ein Blechpaket aufweist, das zumindest eine Spulenwicklung trägt, wobei das Bleckpaket ein internes Wärmeausgleichssystem mit einer fluiddicht verschlossenen Hohlraumanordnung aufweist, in der eine verdampfbare Flüssigkeit angeordnet ist.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Elektromotors.
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Elektromotoren mit Blechpaketen sind hinlänglich bekannt. Der Kern für die Spulen wird aus einem Blechpaket und nicht aus einem massiven Eisenkern gefertigt, um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Die Blechpakete werden in der Regel aus geschichteten und gegenseitig isolierten Blechen gefertigt.
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Dennoch treten auch in diesen Blechpaketen lokal Erwärmungen auf. Um eine Kühlung zu ermöglichen, wird den Blechpaketen bzw. Elektromotoren eine ausreichend große Oberfläche verliehen. Dies steht der eigentlichen Entwicklung im Elektromotorenbau kontraproduktiv entgegen. Denn hier ist man bestrebt, eine möglichst große Leistungsdichte, d. h. eine hohes Verhältnis von Motorenleistung zu Baugröße, zu erzielen.
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Höhere Leistungsdichten erreicht man mit einer Lüfterkühlung, noch höhere, wenn die elektrische Maschine mit Wasser oder Öl gekühlt wird. Zufriedenstellend ist aber auch das nicht, weil die dazu notwendigen Aggregate Platz einnehmen und die Leistungsdichte des Motors durch seine größeren Abmessungen entsprechend sinkt.
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Es ist ein Bauelement bekannt, welches eine hohe Wärmeleitung bei einer geringen Baugröße bietet. Dabei handelt es sich um ein Wärmerohr, auch Heatpipe oder Zwei-Phasen-Thermosiphon genannt. Wärmerohre haben eine bis zu 100-mal bessere Wärmeleitfähigkeit als bspw. Metalle, da diese den Phasenübergang zum Transport der Energie nutzen. In Ihnen wird Wärme weitergeleitet, indem eine Flüssigkeit an heißen Stellen verdampft, also Wärme aufnimmt, und an kühleren Stellen wieder kondensiert, also Wärme abgibt.
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In der gattungsgemäßen Schrift
US 2010/0 026 108 A1 wird der Einsatz von Wärmerohren in einem Motor beschrieben. Die Schrift offenbart, dass die Wärmerohre als diskrete Bauelemente eingesetzt werden und die in den Rohren transportierte Wärme über eine dem Motor angrenzende Kühlzone abgeführt wird.
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Dadurch, dass das Wärmerohr als diskretes Bauelement eingesetzt wird, entsteht zwischen den zu kühlenden Elementen und dem Wärmerohr ein thermischer Übergangswiderstand, welches die Effizienz der Kühlung senkt. Außerdem beansprucht das eigentliche Rohr durch seine Wandstärke Platz, welcher sich weiter nachteilig auswirkt.
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Ein weiterer Nachteil ist die angrenzende Kühlzone, welche den vorher gewonnenen Vorteil hinsichtlich der Leistungsdichte teilweise wieder zunichte macht.
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Aus der
DE 100 51 499 A1 ist ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Stator ein Blechpaket aufweist, das zumindest eine Spulenwicklung trägt, wobei das Bleckpaket ein internes Wärmeausgleichssystem aufweist. Das Wärmeausgleichssystem wird durch flächig an Blechlamellen des Blechpakets angeordneten Wärmeleit-Lagen gebildet.
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In der
US 2013/0 147 290 A1 weist der Rotor ein internes Wärmeausgleichssystem in Form von Wärmerohren auf, die mit einer verdampfenden Flüssigkeit gefüllt sind.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor zu schaffen, bei dem lokale Überhitzungen an den Blechpaketen weitgehend vermieden werden, ohne die Baugröße des Motors zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird hinsichtlich des Elektromotors dadurch gelöst, dass die Hohlraumanordnung durch wenigstens einen Kanal gebildet ist, der innerhalb des Blechpaketes einen geschlossenen Kreislauf bildet.
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Der Erfinder hat erkannt, dass es durchaus ausreicht, wenn innerhalb des Blechpaketes ein Wärmetransport beschleunigt wird. Dadurch ergibt sich nahezu an der gesamten Oberfläche des Blechpaketes eine gleichförmige Temperatur, die durch Abgabe von Wärme an das Motorgehäuse und weiter an die Umgebung effektiver gesenkt werden kann. Dazu können Flüssigkeits- oder Gaskühlungen unterstützend wirken. Bei herkömmlichen Elektromotoren gleicher Baugröße kommt es dagegen am Blechpaket lokal zu überhöhten Temperaturen, die sogar zu Schädigungen des Motors führen können.
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Vorteilhaft ist das Wärmeausgleichssystem auf die Abmessungen des Blechpaketes beschränkt. Das Wärmeausgleichssystem befindet sich also ausschließlich im Inneren oder äußerstenfalls noch an der Oberfläche des Blechpaketes. Das hat zur Folge, dass der Bauraum für den gesamten Motor nicht vergrößert werden muss. Aufgrund der geringeren Gefahr einer lokalen Überhitzung (beispielsweise der Spulen) ist der Motor aber mit einer größeren Leistung betreibbar.
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Das Wärmeausgleichssystem umfasst eine fluiddicht verschlossene Hohlraumanordnung. In einer derartigen Hohlraumanordnung ist ein Wärmeträgermedium unterzubringen, das durch Strömung Wärme von heißen zu kühleren Stellen bewegt. Dieses Wärmeträgermedium sollte ein Fluid mit möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit sein.
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In der Hohlraumanordnung ist eine verdampfbare Flüssigkeit angeordnet. In diesem Fall lässt sich das Wärmetransportprinzip realisieren, das ähnlich dem eines Wärmerohres funktioniert. Wenn der Innenaufbau des Motors abgekühlt werden soll, dann wird über die Oberfläche Wärme aus dem Inneren des Motors abgeführt. Hierzu wird die verdampfbare Flüssigkeit an den heißen Stellen des Blechpaketes verdampft. Der heiße Dampf breitet sich gleichmäßig in der Hohlraumanordnung aus und gelangt damit zwangsläufig in die Bereiche des Blechpaketes, die durch die magnetische Umpolung sowie die Wirbelstromverluste nicht so hoch temperiert sind, wo er abgekühlt wird und Kondensationswärme abgibt. So ergeben sich über die Ausdehnungen des Blechpaketes und auch über die Umfangsrichtung praktisch keine nennenswerten Temperaturunterschiede, da die verdampfbare Flüssigkeit sozusagen automatisch einen Ausgleich schafft. Bei heißeren Stellen wird entsprechend mehr Flüssigkeit verdampft und somit Wärme abgegeben als bei kälteren Stellen, so dass sich im Verlauf der Abkühlphase eine gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt. Diese Vergleichmäßigung der Temperatur kann man darüber hinaus auch im Betrieb des Motors nutzen und ihm eine höhere Leistung abverlangen. Die gesattelten Spulen werden wesentlich besser vor zu hohen Temperatureinflüssen geschützt.
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Es ist günstig, wenn in allen Betriebszuständen sowohl die Flüssigkeitsphase als auch die Gasphase der Flüssigkeit in der Hohlraumanordnung vorhanden ist. Die Hohlraumanordnung ist also nie vollständig mit Flüssigkeit gefüllt und auch nie vollständig mit Dampf. Da die Betriebszustände des Motors im Allgemeinen bekannt sind, kann man die Menge der einzufüllenden verdampfbaren Flüssigkeit unter Berücksichtigung vor allem der zu erwartenden Temperaturen dimensionieren. Unter ”Betriebszustände” sollen alle Zustände verstanden werden, denen der Motor ausgesetzt ist. Mit Vorteil weist die Hohlraumanordnung dann einen Evakuierungsanschluss auf. Mit Hilfe des Evakuierungsanschlusses kann in der Hohlraumanordnung ein Unterdruck erzeugt werden, also ein Druck, der unter Atmosphärendruck liegt. Da die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit auch vom Druck abhängt, kann man dadurch bewirken, dass die Flüssigkeit bereits bei niedrigeren Temperaturen verdampft.
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Vorzugsweise ist die Hohlraumanordnung durch wenigstens eine verschlossene Bohrung gebildet. Eine derartige Hohlraumanordnung ist einfach herstellbar, indem eine oder mehrere Bohrungen in einem fertigen Blechpaket eingebracht werden. Eine eingeschlossene verdampfbare Flüssigkeit kann direkt an der Blechoberfläche verdampfen beziehungsweise kondensieren und wird nicht durch Rohrwände in ihrem Wärmefluss behindert.
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Die Hohlraumanordnung ist durch einen Kanal gebildet. Derartige Kanäle sind vor dem Zusammenbau des Blechpaketes erzeugbar. Auch in diesem Fall kann die eingeschlossene verdampfbare Flüssigkeit direkt an der Blechoberfläche verdampfen beziehungsweise kondensieren und wird nicht durch Rohrwände in ihrem Wärmefluss behindert.
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Besonders bevorzugt sind die Kanäle durch Aussparungen in den einzelnen Blechen des Blechpaketes gebildet. Beispielsweise werden die später miteinander verbundenen Bleche auf eine Weise ausgestanzt oder gelasert, dass sich die Kanäle im Inneren des Blechpaketes ergeben. Die hergestellten Bleche werden gestapelt, miteinander verschweißt, verklebt oder formschlüssig miteinander verbunden. Ein relativ neues Herstellungsverfahren ist das Verbinden mittels Backlack. Das Blech ist mit einem Lack beschichtet. Die einzelnen Bleche werden in eine Form gestapelt, gepresst und erwärmt. Dadurch schmilzt die Lackschicht und die Bleche verkleben miteinander. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das so hergestellte Blechpaket relativ dicht ist.
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Dies ist allerdings nicht sicher gestellt. So dass es durch nicht ganz ebene Bleche oder fehlerhafte Beschichtung zu Kanälen kommen kann. Daher ist es von Vorteil, wenn das fertige Blechpaket unter Vakuum in ein Harz oder ähnliches Material getaucht wird, welches die fehlerhaften Stellen verschließt. Dadurch kann es auch zu einem Eindringen und Verschließen der Kanäle des Wärmerohres kommen. Unter anderem aus diesem Grund kann es erforderlich sein, von außen verschließbare Zugänge zu schaffen, um die Kanäle der Hohlraumanordnung nach dem Verschließen der fehlerhaften Stellen wieder frei zu bohren.
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Wenigstens ein Kanal bildet innerhalb des Blechpaketes einen geschlossenen Kreislauf. Die Verdampfungsflüssigkeit bzw. der Dampf kann damit umlaufen und unabhängig von Flieh- oder Gravitationskräften alle Kanalpunkte erreichen.
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Bevorzugt weist die Hohlraumanordnung wenigstens einen Docht auf. Der Docht besteht in der Regel aus Fasern, zwischen oder in denen sich feine Kapillaren befinden. In Bereichen, in denen das Rückströmen der Flüssigphase zur Wärmesenke nicht durch Schwerkraft oder Fliehkraft gewährleistet ist, müssen die Kanäle in dieser geeigneten Weise beschichtet oder gefüllt, so dass die flüssige Phase nach dem Dochtprinzip (Kapillareffekt) von der Kondensationszone in die Verdampfungszone geleitet wird.
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Mit Vorteil ist dafür gesorgt, dass die Hohlraumanordnung in Bereichen eines im Betrieb geringen magnetischen Flusses angeordnet ist. Auch wenn die Schwächung des Querschnittes durch die eingebrachten Kanäle geringer ist als bei einer gleichwertigen konventionellen Kühlung, so ist diese doch nicht zu vermeiden. Daher sind sowohl die Verdampfungs- als auch die Kondensationszonen nach Möglichkeit in Bereiche zu legen, in denen der magnetische Fluss gering ist. Die Dichte des magnetischen Flusses wird in bildlicher Darstellung durch den Abstand der Feldlinien zueinander bestimmt. Können die oben genannten Zonen aus funktionellen Gründen nicht in diese Bereiche gelegt werden, so sind diese in bevorzugter Weise so zu gestalten, dass der magnetische Fluss nach Möglichkeit nicht behindert wird. Das erreicht man dadurch, dass die Geometrie des Kanalquerschnitts von der Kreisform abweicht und gestreckte Geometrien gewählt werden, z. B. oval, elliptisch. Die Längsachsen dieser Querschnittsformen sind dann parallel zu den Feldlinien auszurichten.
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Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines beschriebenen Elektromotors wird die Aufgabe in Anspruch 8 dadurch gelöst, dass die Hohlraumanordnung (6) durch wenigstens einen Kanal (8, 8', 8'') gebildet ist, der innerhalb des Blechpaketes einen geschlossenen Kreislauf bildet.
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Die Vorteile der folgenden abhängigen Ansprüche zum Verfahren sind der Beschreibung zu den Ansprüchen bezüglich des Elektromotors zu entnehmen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen
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1 eine längsgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Stators eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Elektromotors,
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2 eine quergeschnittene Darstellung des Stators
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3 den eingekreisten Ausschnitt aus 1 in vergrößerter Darstellung,
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4 den eingekreisten Ausschnitt aus 2 in vergrößerter Darstellung,
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5 einen Teil einer längsgeschnittenen Darstellung eines Rotors
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6 einen ersten Ausschnitt eines Querschnitts durch den Rotor an einer ersten axialen Position,
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7 einen zweiten Ausschnitt eines Querschnitts durch den Rotor an einer zweiten axialen Position.
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1 zeigt einen Stator 1 eines nicht in seiner Gesamtheit dargestellten Elektromotors im Längsschnitt. Ein äußeres Gehäuse 11 umgibt das Blechpaket 3, in das die Spulenwicklungen 4 eingebettet sind. An den axialen Enden des Stators 1 sind die Wickelköpfe 12 des Stators vorgesehen.
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2 zeigt zur Verdeutlichung die Situation zusätzlich im Querschnitt. Der Querschnitt verläuft durch die mit den Buchstaben A-A in 1 gekennzeichnete Schnittebene.
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Um die Erfindung besser erkennbar zu machen, sind mit 3 und 4 die mit Kreisen gekennzeichneten Ausschnitte B und C aus 1 und 2 vergrößert dargestellt.
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Innerhalb des Blechpaketes 3 befindet sich ein Wärmeausgleichssystem 5, das in diesem Ausführungsbeispiel eine mittels Kanälen 8 gebildete Hohlraumanordnung 6 umfasst. Innerhalb dieser Hohlraumanordnung 6 befindet sich eine verdampfbare Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit während der Betriebsbedingungen sowohl gasartig wie flüssig vorliegt. Die Flüssigkeit verdampft an heißen Stellen des Blechpaketes und nimmt entsprechend Wärme ab, und der Dampf kondensiert danach an kühleren Stellen des Blechpaketes, und gibt dort Wärme ab. Auf diese Weise wird im gesamten Statorbereich für eine gleichmäßige Temperaturverteilung gesorgt. Man erkennt, dass sich die Kanäle 8 über die gesamte axiale Länge des Blechpaketes 3 erstrecken und jeweils Stichkanäle 8' in radialer Richtung verlaufen. Diese können untereinander wiederum durch einen axialen Kanal 8 verbunden sein, so dass sich Kreisläufe ergeben, die für bessere Fließbedingungen sorgen. Sollte der Fluss der Flüssigkeit aufgrund von beispielsweise Gravitationskräften behindert sein, werden die Kanäle 8, bzw. Stichkanäle 8' mit einem Docht 9 gefüllt, durch dessen Kapillaren alle Stellen der Kanäle mit Flüssigkeit erreicht werden können.
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Die Kanäle (8, 8', 8'') können bereits in den Blechen des Blechpaketes 3, beispielsweise durch Stanzen oder Lasern eingebracht sein, bevor das Blechpaket 3 fertig gestellt wird. Alternativ sind auch anschließend verschlossene Bohrungen zur Bildung der Hohlraumanordnung 6 möglich.
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5 zeigt den oberen Teil eines Längsschnitts durch einen Rotor 2. Lediglich die Motorwelle ist nicht dargestellt. Auch hier erkennt man das Blechpaket 3' sowie Spulenwicklungen 4'. Innerhalb des Blechpaketes 3' sind ähnlich wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 Kanäle 8 und Stichkanäle 8' untereinander verbunden, in denen sich eine verdampfbare Flüssigkeit befindet. Das Wirkprinzip ist das gleiche wie in der vorangegangenen Ausführung.
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Die beiden Teilquerschnitte der 6 und 7 sollen verdeutlichen, dass die Stichkanäle 8' an Stellen im Blechpaket 3' angeordnet sind, in denen der magnetische Fluss nicht sehr groß ist. 7 zeigt einen besonders starken magnetischen Fluss in Form von Feldlinien 10. Die Kanäle 8 sind also genau dort angeordnet, wo dieser magnetische Fluss nicht oder nur gering vorhanden ist. Sollte sich eine Kollision nicht vermeiden lassen, wird wenigstens dafür gesorgt, dass die Form des Kanals 8'' oval ist, wobei die Längsachse des Querschnitts im wesentlichen parallel zu den Feldlinien 10 verläuft.
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Für den Rotor gilt das Gleiche in Bezug auf die Wirkungsweise des Wärmeausgleichssystems und dessen Herstellung wie bei den Ausführungen zum Stator.
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Im Übrigen ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Stator- oder Rotorausführungen beschränkt. Jede andere Blechpaketausführung sowie unterschiedlichste Spulenanordnungen sind von der Erfindung mit umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3, 3'
- Blechpaket
- 4, 4'
- Spulenwicklung
- 5
- Wärmeausgleichssystem
- 6
- Hohlraumanordnung
- 7
- Bohrung
- 8
- Kanal
- 8'
- Stichkanal
- 8''
- Kanal mit ovalem Querschnitt
- 9
- Docht
- 10
- magnetischer Fluss; Feldlinien
- 11
- Gehäuse
- 12
- Wickelkopf
- 13
- Evakuierungsanschluss, Befüllungsanschluss
- A, C
- Schnitt, Ausschnitt
