DE102014225577A1

DE102014225577A1 - Isolationsplatte für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102014225577A1
Application number: DE102014225577.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bol; Yves Detrois; Alen Badalians
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-16
Also published as: WO2016091653A3; WO2016091653A2

Abstract

Eine Isolationsplatte für eine elektrische Maschine weist mindestens ein Strömungsleitelement auf, dessen Außenkontur einen Strömungsweg für Kühlluft mit wirbelreduzierender Strömung begrenzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Isolationsplatte für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der US 2010/0289352 A1 wird ein elektrischer Generator beschrieben, der in Fahrzeugen eingesetzt werden kann und an axial gegenüberliegenden Seiten aufgesetzte Gehäusebauteile aufweist, die den Stator des Generators sowie den innen liegenden Rotor umschließen. Der Rotor ist als Klauenpolläufer ausgebildet und weist bestrombare Ankerwicklungen auf, deren Feld mit dem Magnetfeld von Ständerwicklungen interagiert.
Ein entsprechender Generator ist auch in der WO 2010/069693 A1 dargestellt.
Benachbart zur Stirnseite und innerhalb des stirnseitig aufgesetzten Gehäusebauteils kann bei derartigen Generatoren eine Isolationsplatte angeordnet sein, welche insbesondere die Ständerwicklungen elektrisch gegenüber dem Lagerschild isoliert.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Isolationsplatte für eine elektrische Maschine so auszubilden, dass eine effektive Kühlung der elektrischen Maschine gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die Isolationsplatte wird in elektrischen Maschinen eingesetzt, beispielsweise in Klauenpolläufern, welche zum Beispiel als Wechselstromgenerator, insbesondere als Drehstromgenerator in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als Innenläufer ausgebildet und umfasst einen gehäusefest angeordneten Stator bzw. Ständer und einen innen liegenden, umlaufenden Rotor, der Träger einer Erregerspule sein kann. Die Erregerspule wird zum Beispiel über Schleifringe mit Strom versorgt. Es werden zum Beispiel dreiphasige oder fünfphasige elektrische Maschinen eingesetzt. Am Stator können sich Stator- bzw. Ständerwicklungen befinden, beispielsweise drei um 120° versetzt angeordnete Wicklungen oder fünf versetzt angeordnete Wicklungen, in denen bei sich drehendem Rotor eine Spannung induziert wird, aus denen vorteilhafterweise über Dioden eine Gleichspannung generiert wird, welche beispielsweise die Batterie im Fahrzeug speist.
Die Isolationsplatte befindet sich an der Stirnseite der elektrischen Maschine und erstreckt sich zumindest annähernd orthogonal zur Maschinenlängsachse. Die Isolationsplatte besteht insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material und isoliert die Ständerwicklungen elektrisch von dem Gehäuse bzw. einem gehäuseseitigen Lagerschild. Die Isolationsplatte schützt zudem die innen liegenden Bauteile der elektrischen Maschine vor äußeren Einflüssen wie Verschmutzung und Feuchtigkeit.
Um die im Betrieb entstehende Wärme der elektrischen Maschine abzuleiten, befindet sich an der Außenseite der Isolationsplatte mindestens ein radialer Strömungsweg für Kühlluft. Der Strömungsweg ist an mindestens einem Strömungsleitelement in Radialrichtung entlanggeführt, das an der Stirnseite der Isolationsplatte auf der außen liegenden Seite angeordnet ist. Es kann zweckmäßig sein, an der Isolationsplatte mehrere Strömungsleitelemente anzuordnen, die entsprechend mehrere Strömungswege begrenzen, die an der Außenseite der Isolationsplatte verlaufen. Der Strömungsweg bzw. die Strömungswege verlaufen insbesondere in Radialrichtung, bezogen auf die Motorlängsachse, vorzugsweise an den Strömungsleitelementen vorbei radial von außen nach innen. Die radial nach innen geführte Kühlluft wird über weitere Strömungswege wieder abgeleitet, die radial und/oder axial nach außen führen.
Die Außenkontur des mindestens einen Strömungsleitelementes ist so gestaltet, dass die Kühlluft, welche insbesondere in Radialrichtung an der Außenkontur des Strömungsleitelements von außen nach innen entlanggeführt wird, wirbelreduziert ist, beispielsweise laminar und damit turbulenzfrei bleibt. Es werden insbesondere Strömungsabrisse und Verwirbelungen an dem Strömungsleitelement vermieden, so dass entlang des Strömungswegs die Kühlluft zielgerichtet und verlustfrei geführt wird. Hierdurch wird auch die Kühlleistung signifikant verbessert.
Die Außenkontur des Strömungsleitelements ist, gemäß einer vorteilhaften Ausführung, zumindest auf der der Außenseite der Isolationsplatte abgewandten Seite glattflächig ausgebildet. Die Außenkontur weist somit keine Kanten oder Stufen auf, welche zu einem Strömungsabriss oder einer Verwirbelung führen könnten.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Außenkontur des Strömungsleitelements auf der radial innen liegenden Seite abgeflacht ausgebildet. Diese Abflachung führt, bezogen auf eine virtuelle, kreisförmige Einhüllende um das Strömungsleitelement, zu einem Rücksprung, der die Ausbildung bzw. Beibehaltung der laminaren Strömung unterstützt. Die Abflachung ist insbesondere glattflächig ausgeführt, ebenso der Übergang zwischen dem radial innen liegenden, abgeflachten Abschnitt und den sich hieran anschließenden seitlichen Abschnitten. Die seitlichen Abschnitte des Strömungsleitelementes können im Bereich des Eintritts des radial gerichteten Kühlluftstroms angeordnet sein.
Es kann des Weiteren zweckmäßig sein, dass an beiden gegenüberliegenden Seiten des Strömungsleitelementes – in Umfangsrichtung links und rechts des Strömungsleitelements – jeweils ein Strömungsweg für die Kühlluft angeordnet ist, der von dem seitlichen Bereich des Strömungsleitelementes begrenzt wird. Hinter dem Strömungsleitelement, auf der radial innen liegenden Seite, können die beiden separaten Strömungswege wieder zu einem gemeinsamen Strömungsweg zusammengeführt werden. Aufgrund der strömungsgünstigen Außenkontur des Strömungsleitelements wird auch im Bereich der Zusammenführung der beiden Strömungswege eine Turbulenz vermieden.
Auf der Isolationsplatte ist, gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung, ein Kühlkörper mit Kühlrippen angeordnet. Der Kühlkörper bildet insbesondere ein separat von der Isolationsplatte ausgeführtes Bauteil, das gegebenenfalls mit der Isolationsplatte verbunden sein kann. Die Kühlrippen begrenzen gemeinsam mit dem Strömungsleitelement den Strömungsweg entlang der Seitenfläche der Isolationsplatte. Die Kühlrippen und das Strömungsleitelement befinden sich insbesondere auf axial gegenüberliegenden Seiten des Strömungswegs. Die Kühlrippen können sich beispielsweise zumindest annähernd in Radialrichtung erstrecken, um die Radialrichtung des Strömungswegs entlang der Isolationsplatte vorzugeben.
Soweit an beiden, in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seiten des Strömungsleitelementes jeweils ein Strömungsweg für die Kühlluft gebildet ist, sind entsprechend mehrere Kühlrippen für die Begrenzung der Strömungswege vorhanden. Die Kühlrippe auf der einen Seite des Strömungsleitelements für den ersten Strömungsweg und die Kühlrippe auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite des Strömungsleitelements für den zweiten Strömungsweg können winklig zueinander angeordnet sein und radial nach innen zusammenlaufen, um die beiden im radial außen liegenden Bereich separaten Strömungswege zu einem gemeinsamen Strömungsweg zusammenzuführen. Auf diese Weise wird der Raum, welcher radial hinter der Außenkontur des Strömungsleitelementes liegt, von den einen Winkel einnehmenden Kühlrippen annähernd dreieckförmig begrenzt.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung befindet sich in dem Strömungsleitelement eine axiale Ausnehmung zum Hindurchführen eines Wicklungsdrahts, insbesondere der Ständerwicklung. Dem Strömungsleitelement kommt somit eine doppelte Funktion zu: Zum einen begrenzt das Strömungsleitelement den Strömungsweg für die Kühlluft und sorgt für eine laminare, radial gerichtete Strömung, zum andern dient das Strömungsleitelement zum axialen Hindurchführen des Wicklungsdrahts.
Über den Umfang verteilt sind vorteilhafterweise mehrere Strömungsleitelemente an der Isolationsplatte angeordnet. Die Strömungsleitelemente sind insbesondere einteilig mit der Isolationsplatte ausgeführt. Jedes Strömungsleitelement begrenzt zumindest einen Strömungsweg, gegebenenfalls zwei Strömungswege an seinen beiden gegenüberliegenden Seitenbereichen. Die Isolationsplatte und vorteilhafterweise auch das mindestens eine Strömungsleitelement bestehen beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff wie zum Beispiel PA66.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 in perspektivischer Ansicht die Stirnseite einer elektrischen Maschine mit aufgesetzter Isolationsplatte,
2 ein Strömungsleitelement auf der Isolationsplatte in vergrößerter Darstellung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 und 2 ist jeweils ein stirnseitiger Abschnitt einer elektrischen Maschine 1 dargestellt, die vorzugsweise als ein Drehstromgenerator ausgeführt ist. Die elektrische Maschine 1 weist einen ein Gehäuse bildenden Lagerschild 2 auf, in dem statorseitige Ständerwicklungen sowie ein Rotor mit Ankerwicklungen aufgenommen sind. Auf die Stirnseite der elektrischen Maschine 1 ist eine Isolationsplatte 3 aus elektrisch isolierendem Material aufgesetzt, die mit dem Lagerschild 2 verbunden ist und die Ständerwicklungen elektrisch vom Lagerschild isoliert. Die Isolationsplatte 3, die in einer orthogonal zur Längsachse der elektrischen Maschine gerichteten Ebene liegt, besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff.
Die Isolationsplatte 3 ist mit Befestigungsaugen 4 versehen, die sich benachbart zum radial außen liegenden Umfang der Isolationsplatte 3 befinden und über die die Isolationsplatte 3 mit dem Lagerschild 2 verbunden, vorzugsweise verschraubt ist. Über den Umfang verteilt sind mehrere Befestigungsaugen 4 an der Isolationsplatte 3 angeordnet.
Ebenfalls benachbart zur radial außen liegenden Umfangsseite sind auf der Außenseite der Isolationsplatte 3 mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Strömungsleitelemente 5 platziert, die vorzugsweise einteilig mit der Isolationsplatte 3 ausgebildet sind. Die Strömungsleitelemente 5 weisen eine axiale Ausnehmung 6 auf, die in Achsrichtung die Isolationsplatte 3 vollständig durchdringt und durch die jeweils ein Wicklungsdrahtende der Ständerwicklungen hindurchgeführt ist.
Auf der Außenseite der Isolationsplatte 3 befindet sich ein annähernd scheibenförmiger Kühlkörper 7 mit einer Vielzahl von Kühlrippen 8, die sich etwa in Radialrichtung erstrecken. Die Kühlrippen 8 dienen dazu, einen Kühlluftstrom entlang verschiedener radial verlaufender Strömungswege an der Außenseite der Isolationsplatte 3 zu lenken bzw. zu leiten. Der Kühlkörper 7 ist ebenfalls an dem Lagerschild 2 befestigt, vorzugsweise über die Befestigungsaugen 4 der Isolationsplatte 3.
Entlang der Außenkontur 11 der Strömungsleitelemente 5 an der Isolationsplatte 3, die sich axial über die Außenfläche der Strömungsleitplatte erheben, sind zu beiden Seiten der Strömungsleitelemente Strömungswege 9 und 10 gebildet (in 2 mit gestricheltem Pfeil dargestellt). Die Strömungswege 9 und 10 verlaufen zumindest annähernd radial von außen nach innen entlang der Isolationsplatte 3 und werden seitlich jeweils von der Außenkontur 11 des Strömungsleitelementes 5 sowie einer benachbarten Kühlrippe 8 des Kühlkörpers 7 begrenzt. Auf der radial innen liegenden Seite sind die Strömungswege 9 und 10 für die Kühlluft zusammengeführt und vereinen sich zu einem gemeinsamen Strömungsweg.
Die Außenkontur 11 des Strömungsleitelementes 5 ist auf der radial innen liegenden Seite abgeflacht ausgebildet. Die Außenkontur 11 weist im seitlichen, in Umfangsrichtung weisenden Bereich eine abgerundete Kontur auf, gegebenenfalls eine teilkreisförmige Kontur, wohingegen auf der radial innen liegenden Seite die Außenkontur 11 gegenüber den seitlichen Bereichen stärker abgeflacht ist und entsprechend einen signifikant größeren Radius besitzt.
Gegebenenfalls ist die Außenkontur 11 auf der radial innen liegenden Seite geradflächig ausgebildet. In jedem Fall ist die Außenkontur 11 sowohl im seitlichen Bereich als auch im radial innen liegenden Bereich glattflächig ausgeführt.
Diese Ausbildung der Außenkontur 11 des Strömungsleitelementes 5 gewährleistet radial nach innen gerichtete Strömungswege für die Kühlluft mit einer wirbelreduzierenden Strömung.
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

US 2010/0289352 A1 [0002]
WO 2010/069693 A1 [0003]

Claims

Isolationsplatte für eine elektrische Maschine (1), insbesondere für einen Drehstromgenerator, wobei die Isolationsplatte (3) an einer Stirnseite der elektrischen Maschine (1) angeordnet und mit einem statorseitigen Bauteil der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnseite der Isolationsplatte (3) mindestens ein Strömungsleitelement (5) angeordnet ist, dessen Außenkontur (11) einen Strömungsweg (9, 10) für Kühlluft mit wirbelreduzierender Strömung begrenzt.
Isolationsplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (11) des Strömungsleitelements (5) zumindest auf der der Außenseite der Isolationsplatte (3) abgewandten Seite glattflächig ausgebildet ist.
Isolationsplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (11) des Strömungsleitelements (5) auf der radial innen liegenden Seite abgeflacht ausgebildet ist.
Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (5) an seinen in Umfangsrichtung links und rechts liegenden Seiten jeweils einen Strömungsweg (9, 10) für die Kühlluft begrenzt.
Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Isolationsplatte (3) ein Kühlkörper (7) mit Kühlrippen (8) angeordnet ist.
Isolationsplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (8) gemeinsam mit dem Strömungsleitelement (5) den Strömungsweg (9, 10) für die Kühlluft begrenzt.
Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in das Strömungsleitelement (5) eine Ausnehmung (6) zum Hindurchführen eines Wicklungsdrahts eingebracht ist.
Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (5) einteilig mit der Isolationsplatte (3) ausgebildet ist.
Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsplatte (3) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff besteht.
Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator, mit einer Isolationsplatte (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.