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Die Erfindung betrifft einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine, mit einer Innenschale und einer Außenschale und einem sich zwischen diesen erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlraum und mit einer den Kühlraum fluiddicht abdichtenden Dichtung, welche zwischen zwei Dichtflächen der Innenschale und der Außenschale angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Kühlmantels für eine elektrische Maschine und eine mit einem derartigen Kühlmantel ausgestattete elektrische Maschine.
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Elektrische Maschinen werden als Motor oder Generator in vielen technischen Bereichen eingesetzt, weisen zumeist einen ruhenden Stator bzw. Ständer sowie einen drehbar gelagerten Rotor bzw. Läufer auf und produzieren im Betrieb Abwärme, welche die Effizienz und Lebensdauer der elektrischen Maschine erheblich einschränken kann.
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Insbesondere elektrische Maschinen hoher Leistungsdichte benötigen eine Kühlung, welche entweder mit Luft oder mit einem Kühlmittel realisiert ist. Eine Kühlung mit Luft erfordert zur effektiven Abführung der in der elektrischen Maschine entstehenden Abwärme große Flächen, wodurch die Gehäuse eine entsprechende Größe aufweisen müssen.
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Elektrische Antriebe, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder einem Schienenfahrzeug zu dessen elektrischem Fahrbetrieb eingesetzt werden, müssen jedoch zur Optimierung des zur Verfügung stehenden Bauraumes möglichst kompakt ausgeführt sein. Eine Luftkühlung scheidet deshalb für derartige elektrische Antriebe in der Regel aus.
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Zur Leistungssteigerung und aktiven Kühlung von derartigen elektrischen Maschinen werden insbesondere flüssigkeitsdurchströmte Kühlmäntel eingesetzt. Die bisher bekannten Kühllösungen für elektrische Maschinen beruhen auf Durchströmungen eines Kühlmantels bzw. einer Kühlleitung mit einem flüssigen Kühlmittel. Das Kühlmittel entzieht dabei der elektrischen Maschine die Abwärme, sodass ein störungsfreier Betrieb auf hohem Leistungsniveau gewährleistet werden kann. Als Kühlmittel wird üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder Öl oder eine andere geeignete Kühlflüssigkeit verwendet.
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Der Kühlmantel ist doppelwandig aus einer Innenschale und einer Außenschale aufgebaut, sodass ein als Ringspalt ausgebildeter Kühlraum von dem Kühlmittel durchströmt werden kann. Um einen Flüssigkeitsverlust im Betreib der elektrischen Maschine zu vermeiden, muss der Kühlraum durch eine fluiddichte Dichtung abgedichtet werden.
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Aus der
DE 10 2012 023 050 A1 ist bereits ein aus einer Innenschale und einer Außenschale bestehender Kühlmantel für eine elektrische Maschine bekannt. Zwischen der Innenschale und der Außenschale erstreckt sich ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlraum, welcher durch eine Dichtung fluiddicht abgedichtet ist. Die ringförmige umlaufend Dichtung ist dabei zwischen zwei Dichtflächen der Innenschale und der Außenschale angeordnet.
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Ein ähnlich aufgebauter Kühlmantel für eine elektrische Maschine ist auch bereits in der
DE 199 50 660 A1 offenbart.
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In der Praxis sind derartige Dichtungen üblicherweise als ringförmige O-Ringe oder X-Ringe ausgebildet, welche in entsprechenden Nuten in der Innenschale bzw. der Außenschale eingelegt sind, um den Kühlraum fluiddicht abzudichten. Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass die Nuten in einem vorgeschalteten Arbeitsschritt in die Oberfläche der Innenschale oder der Außenschale eingefräst werden müssen.
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Es ist auch bereits daran gedacht worden, die Dichtungen durch Einkleben an der Oberfläche der Innenschale oder der Außenschale zu fixieren. Hierbei erweist es sich jedoch als nachteilig, dass eine sehr gute Oberflächenqualität, insbesondere in Bezug auf Sauberkeit und Rauhigkeit erforderlich ist, um die Dichtungen prozesssicher zu fixieren. Darüber hinaus führen Einfallstellen bzw. Unebenheiten in der Oberfläche der Innenschale oder der Außenschale, welche beispielsweise durch eine längs verlaufende Schweißnaht in einer aus Edelstahl oder einem andere geeigneten Metall bestehenden Innenschale oder Außenschale entstehen, beim Einkleben der Dichtung zu Fehlstellen in der Dichtfläche und dadurch zu Undichtigkeiten.
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Bei der Montage des Kühlmantels, bei welchem die Innenschale derart in die Außenschale eingeführt wird, dass sich der Kühlraum ausbildet, kann es insbesondere bei den in einer Nut eingelegten Dichtungen zu einem Verdrehen oder Tordieren und im Extremfall auch zu oder Verrutschen der Dichtung kommen. Hierdurch entstehen dann Undichtigkeiten in der Dichtfläche, in Folge derer es zu einem unerwünschten Kühlmittelverlust kommen kann.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Montage des Kühlmantels zu schaffen, durch welche der Herstellungs- und Montagaufwand reduziert und zugleich eine prozesssichere Abdichtung des Kühlraumes sichergestellt wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, welche einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Kühlmantel gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche 2 bis 5 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Kühlmantel für eine elektrische Maschine vorgesehen, bei welchem die Dichtung auf eine erste Dichtfläche aufgespritzt oder aufvulkanisiert wird und stoffschlüssig mit dieser verbunden ist und an einer zweiten Dichtfläche dichtend anliegt. Durch das unmittelbare Aufspritzen bzw. Aufvulkanisieren der Dichtung auf die erste Dichtfläche können komplexe und schlank ausgeführte Dichtgeometrien und Dichtkonturen zum Abdichten des bauraumengen Kühlraumes zwischen der Innenschale und der Außenschale umgesetzt werden. Gleichzeitig können Fehlstellen in der Dichtung infolge von Unebenheiten oder Einfallstellen in der ersten Dichtfläche ausgeglichen werden. Weiterhin wird der Herstellungs- und Montageaufwand gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik reduziert, da das Einfräsen einer Nut in die Innen- bzw. Außenschale und das Einlegen einer vorgefertigten Dichtung in die Nut entfallen kann. Außerdem wird durch die stoffschlüssige Verbindung der Dichtung mit der ersten Dichtfläche eine exakte Positionstreue der Dichtung gewährleistet, da bei der Montage des Kühlmantels, welche durch Einschieben der Innenschale in die Außenschale erfolgt, ein Verdrehen, Tordieren und/oder Verrutschen der Dichtung wirksam verhindert werden kann.
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Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass die erste Dichtfläche durch eine Außenfläche der Innenschale und die zweite Dichtfläche durch eine Innenfläche der Außenschale gebildet ist. Die Dichtung ist dabei also außenseitig unmittelbar auf der Innenschale angeordnet und umschließt diese umlaufend. Aufgrund der guten Zugängigkeit der Außenfläche wird der Herstellungsaufwand zum Aufbringen der Dichtung unabhängig von der axialen Position der Dichtung wesentlich vereinfacht.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht jedoch vor, dass die erste Dichtfläche durch eine Innenfläche der Außenschale und die zweite Dichtfläche durch eine Außenfläche der Innenschale gebildet ist.
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Dadurch, dass die Dichtungen unmittelbar auf die Innenschale oder die Außenschale aufgespritzt bzw. aufvulkanisiert und stoffschlüssig mit der Innenschale bzw. der Außenschale verbunden sind, sind wie bereits festgestellt, keine Nuten zur axialen Festlegung der Dichtungen erforderlich. Die Dichtungen können also ohne weitere vorbereitende Arbeitsschritte unmittelbar auf die glatte, plane und keine Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweisende Oberfläche der Innenschale bzw. Außenschale angeordnet werden. Es hat sich jedoch als besonders zweckmäßig erwiesen, dass der ersten Dichtfläche zumindest ein radialer Vorsprung zugeordnet ist, welcher eine axiale Abstützung für die Dichtung bildet. Hierdurch wird die Dichtung, insbesondere bei der Herstellung des Kühlmantels, bei welcher die Innschale in die Außenschale eingeschoben wird in axialer Richtung abgestützt. Hierdurch wird eine Verformung der Dichtung während des Montageprozesses verhindert. Vorzugsweise ist der Vorsprung in einer Montagerichtung der Innenschale in die Außenschale hinter der Dichtung angeordnet.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Dichtung aus einem Elastomer besteht. Bevorzugt besteht die Dichtung aus den Elastomeren Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), oder Polyacrylat-Kautschuk (ACM). Allerdings können für die Dichtung auch andere Elastomere mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 6. Die Unteransprüche 7 bis 9 betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlmantels für eine elektrische Maschine vorgesehen, welcher eine Innenschale und eine Außenschale und einen sich zwischen diesen erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlraum sowie eine den Kühlraum fluiddicht abdichtende und zwischen zwei Dichtflächen der Innenschale und der Außenschale angeordnete Dichtung aufweist, bei welchem zunächst die Dichtung aus einem nicht ausgehärteten Dichtmaterial auf eine erste Dichtfläche aufgespritzt wird und die Dichtung nachfolgend durch Aushärten oder durch Vulkanisation stoffschlüssig auf der ersten Dichtfläche fixiert wird, wobei anschließend die Innenschale derart in die Außenschale eingeführt wird, dass sich der Kühlraum zwischen der Innenschale und der Außenschale ausbildet und die Dichtung dichtend an einer zweiten Dichtfläche anliegt. Dadurch, dass die Dichtung beim Aufspritzen auf die erste Dichtfläche aus einem noch nicht ausgehärtete Dichtmaterial besteht, können Unebenheiten oder Einfallstellen auf der ersten Dichtfläche prozessintegriert ausgeglichen werden, sodass Fehlstellen in der Abdichtung des Kühlraums wirksam verhindert werden können. Außerdem wird das Verfahren zur Herstellung wesentlich vereinfacht bzw. der Aufwand reduziert, da ein Einfräsen von zur Aufnahme der Dichtungen vorgesehenen Nuten und das nachfolgende Einlegen der Dichtungen in die jeweilige Nut entfallen kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine robuste Abdichtung des Kühlraumes zur Verfügung gestellt, wobei durch die stoffschlüssige Verbindung der Dichtung mit der ersten Dichtfläche ein Verdrehen, Tordieren und/oder Verrutschen der Dichtung beim Einführen der Innenschale in die Außenschale verhindert werden kann.
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Eine weitere Optimierung des Herstellungs- und Montageaufwandes wird auch dadurch erreicht, dass das Dichtmaterial unmittelbar auf eine die erste Dichtfläche bildende Außenfläche der Innenschale gespritzt wird. Die Dichtung kann hierdurch unabhängig von der axialen Position der Dichtung auf der Innenschale prozesssicher aufgespritzt bzw. aufvulkansiert werden, da die Außenfläche der Innenschale für eine Vorrichtung zum Aufbringen bzw. Aufspritzen der Dichtung nahezu uneingeschränkt zugängig ist.
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Eine alternative Ausgestaltung des Verfahrens sieht jedoch vor, dass das Dichtmaterial unmittelbar auf eine die erste Dichtfläche bildenden Innenfläche der Außenschale gespritzt wird. Hierbei kann die Dichtung, zumindest im Randbereich der Außenschale, prozesssicher aufgespritzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass nach dem Aushärten oder der Vulkanisation der Dichtung und noch bevor die Innenschale in die Außenschale eingeführt wird, ein Stator der elektrischen Maschine in die Innenschale eingepresst wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Stator nicht den zum Vulkanisieren der Dichtung erforderlichen Temperaturen von ca. 160° bis 180°C ausgesetzt wird.
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Erfindungsgemäß ist außerdem eine mit einem Kühlmantel ausgestattete elektrische Maschine vorgesehen, welche einen störungsfreien und zuverlässigen Betreib gewährleistet.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine geschnittene Prinzipdarstellung eines aus einer Außenschale und einer Innenschale bestehenden Kühlmantels für eine elektrische Maschine;
- 2 eine geschnittene Prinzipdarstellung einer Innenschale des Kühlmantels mit zwei auf einer Außenfläche stoffschlüssig fixierten Dichtungen;
- 3 eine geschnittene Prinzipdarstellung der in 2 abgebildeten Innenschale mit einem in diese eingepressten Stator der elektrischen Maschine;
- 4 eine geschnittene Prinzipdarstellung der Außenschale und der Innenschale unmittelbar vor dem Einführen der den Stator aufnehmenden Innenschale in die Außenschale.
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1 zeigt einen Kühlmantel 1 für eine elektrische Maschine, wobei von der elektrischen Maschine lediglich ein Stator 2 abgebildet ist. Der Kühlmantel 1 besteht aus einer den Stator 2 abstützenden hülsenförmigen Innenschale 3 und einer hülsenförmigen Außenschale 4, welche koaxial zu einer Mittelachse 5 angeordnet sind. Zwischen der beispielsweise aus Edelstahl bestehenden Innenschale 3 und der Außenschale 4, insbesondere aus Aluminium-Druckguss, erstreckt sich ein umlaufender ringförmiger Kühlraum 6, welcher zur Kühlung der im Betrieb der elektrischen Maschine entstehenden Abwärme von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird. Als Kühlmittel wird beispielsweise ein Glykol-Wasser-Gemisch verwendet.
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Der Kühlraum 6 ist durch zwei umlaufende Dichtungen 7, 8 aus einem Elastomer fluiddicht abgedichtet. Die Dichtungen 7, 8 begrenzen den Kühlraum 6 in axialer Richtung und sind zwischen zwei Dichtflächen 9, 10 der Innenschale 3 und der Außenschale 4 angeordnet.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Dichtungen 7, 8 auf eine erste Dichtfläche 9 aufgespritzt bzw. aufvulkanisiert und stoffschlüssig mit dieser verbunden. Die erste Dichtfläche 9 wird dabei jeweils durch einen Abschnitt einer Außenfläche 11 der Innenschale 3 gebildet. Außerdem liegt die jeweilige Dichtung 7, 8 dichtend an einer zweiten Dichtfläche 10 an, welche durch einen Abschnitt einer Innenfläche 12 der Außenschale 4 gebildet wird.
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Nachfolgend wir anhand der 2 bis 4 das Verfahren zur Herstellung bzw. Montage des in 1 dargestellten Kühlmantels 1 für eine elektrische Maschine kurz beschrieben. Zunächst werden die Dichtungen 7, 8, welche aus einem noch nicht ausgehärten Dichtmaterial bestehen, auf die erste Dichtfläche 9 bzw. die Außenfläche 11 der Innenschale 3 aufgespritzt. Hierbei weisen die beiden Dichtungen 7, 8 bereits die gewünschte Dichtgeometrie bzw. Dichtkontur auf und umschließen die Innenschale 3 umlaufend. Anschließend erfolgt dann ein Aushärten des Dichtmaterials oder eine Vulkanisation des Dichtmaterials. Die Vulkanisation erfolgt je nach verwendetem Dichtmaterial bei Temperaturen zwischen 160° und 180°C, beispielsweise in einem dafür vorgesehenen Ofen. Nach dem Aushärten bzw. der Vulkanisation sind die Dichtungen 7, 8, wie in 2 dargestellt, stoffschlüssig auf den ersten Dichtflächen 9 der Innenschale 3 fixiert.
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Im Anschluss wird dann zunächst der Stator 2 der elektrischen Maschine in die Innenschale 3 eingepresst. Darauf folgend wird die in 3 abgebildete und den Stator 2 aufnehmende Innenschale 3 wie in 4 dargestellt, in die Außenschale 4 eingeführt. Dabei wird die Innenschale 3 derart in eine Montagerichtung (Richtungspfeil 13) bewegt, dass sich der Kühlraum 6 zwischen der Außenschale 4 und der Innenschale 3 ausbildet und die beiden Dichtungen 7, 8 dichtend an der zweiten Dichtfläche 10, nämlich der Innenfläche 12 der Außenschale 4 anliegen. Dieser Zustand ist in 1 abgebildet. Wie insbesondere den 2 bis 4 zu entnehmen ist, weist die Innenschale 3 einen sich in radialer Richtung erstreckenden umlaufenden Vorsprung 14 auf, welcher einen axialen Anschlag für die benachbarte Dichtung 8 bildet. Der Vorsprung 14 begrenzt die Verformung der Dichtung 8 insbesondere während des Einführens der Innenschale 3 in die Außenschale 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmantel
- 2
- Stator
- 3
- Innenschale
- 4
- Außenschale
- 5
- Mittelachse
- 6
- Kühlraum
- 7
- Dichtung
- 8
- Dichtung
- 9
- erste Dichtfläche
- 10
- zweite Dichtfläche
- 11
- Außenfläche
- 12
- Innenfläche
- 13
- Richtungspfeil
- 14
- Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012023050 A1 [0007]
- DE 19950660 A1 [0008]
