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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem bezüglich des Stators um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor, wobei der Stator ein Statorblechpaket sowie wenigstens eine an dem Statorblechpaket angeordnete, stromführende Statorwicklung aufweist, und wobei die elektrische Maschine eine wenigstens ein Wärmerohr aufweisende Kühleinrichtung zur Kühlung des Stators aufweist.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
US 4,118,646 bekannt. Diese beschreibt eine elektrische Maschine, bei welcher ein Wärmerohr zur Kühlung eines Stators vorgesehen ist. Weiterhin beschreibt die Druckschrift
WO 2012/123341 A2 ein elektronisches Bauteil mit wenigstens einer in einer Vergussmasse angeordneten elektrischen Verlustleistungsquelle und einer Kühleinrichtung, die wenigstens eine Heatpipe aufweisen kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten elektrischen Maschinen Vorteile aufweist, insbesondere ein besonders effektives Abführen der während des Betriebs der elektrischen Maschine anfallenden Wärme ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Statorwicklung zumindest bereichsweise von dem Wärmerohr gebildet ist.
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Die elektrische Maschine dient der Umsetzung von elektrischer Energie in mechanische Energie beziehungsweise umgekehrt. Sie verfügt über den Stator und den Rotor, wobei letzterer bezüglich des Stators drehbar gelagert ist, nämlich um die Drehachse. Mithilfe des Stators wird während eines motorischen Betriebs der elektrischen Maschine ein Magnetfeld erzeugt, welches eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Umgekehrt kann in einem generatorischen Betrieb durch eine Drehbewegung des Rotors ein magnetisches Dreh- beziehungsweise Wechselfeld erzeugt werden, welches in dem Stator beziehungsweise der Statorwicklung des Stators eine Spannung induziert.
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Der Stator weist als wesentliche Bestandteile das Statorblechpaket und die Statorwicklung auf. Das Statorblechpaket setzt sich bevorzugt aus einer Vielzahl von zueinander parallelen Elektroblechen zusammen, welche elektrisch vorzugsweise voneinander isoliert sind. Die Statorwicklung ist an dem Statorblechpaket angeordnet, insbesondere umgreift die Statorwicklung das Statorblechpaket wenigstens bereichsweise, vorzugsweise vollständig. Während eines Betriebs der elektrischen Maschine fällt in dem Stator Wärme an, welche zur Erzielung eines zuverlässigen Dauerbetriebs der elektrischen Maschine abgeführt werden muss. Hierzu ist die Kühleinrichtung vorgesehen, welche der Kühlung des Stators dient. Die Kühleinrichtung verfügt über das wenigstens eine Wärmerohr, welches die Wärme mit hoher Effizienz abführt.
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Erfindungsgemäß ist nun die Statorwicklung wenigstens bereichsweise von dem Wärmerohr gebildet. Das bedeutet, dass das Wärmerohr stromführend ausgebildet ist, um den Bestandteil der stromführenden Statorwicklung zu bilden. Vorzugsweise wird die Statorwicklung in dem entsprechenden Bereich ausschließlich von dem stromführenden Wärmerohr gebildet, sodass während des Betriebs der elektrischen Maschine der elektrische Strom vollständig durch das Wärmerohr fließt. Es sind also keine weiteren leitfähigen Elemente vorgesehen, die mit dem Wärmerohr beispielsweise elektrisch parallel geschaltet sind.
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Durch die Verwendung des Wärmerohrs als Bestandteil der Statorwicklung kann die Wärme unmittelbar von dort abgeführt werden, wo sie anfällt. Anders als bei anderen Ausgestaltungen der elektrischen Maschine, bei welchen beispielsweise ein Wärmerohr in der Statorwicklung angeordnet beziehungsweise in dieser eingebettet ist, muss die Wärme also nicht zunächst von der Statorwicklung auf das Wärmerohr durch Wärmeübertragung übertragen werden, um anschließend abgeführt werden zu können. Vielmehr wird die Wärme mithilfe des Wärmerohrs unmittelbar aus der Statorwicklung abgeführt beziehungsweise entsteht die Wärme unmittelbar an dem Wärmerohr selbst und wird von dort abgeführt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr als Heatpipe ausgebildet ist. Typisches Merkmal der Ausgestaltung des Wärmerohrs als Heatpipe ist die Realisierung einer Kapillarwirkung zum Transport eines in dem Wärmerohr befindlichen Arbeitsmediums. Beispielsweise wird die Kapillarwirkung durch ein Drahtgeflecht, insbesondere ein Metalldrahtgeflecht, realisiert. Bevorzugt bestehen sowohl eine Wandung des Wärmerohrs als auch das Drahtgeflecht aus Kupfer, um einerseits eine hervorragende Wärmeleitung und andererseits einen geringen elektrischen Widerstand sicherzustellen. Die Ausführung des Wärmerohrs als Heatpipe ermöglicht einen lageunabhängigen Betrieb der elektrischen Maschine, weil der Transport des Arbeitsmediums durch die Kapillarwirkung erfolgt, welche üblicherweise nur unwesentlich von einem Schwerkrafteinfluss auf das Arbeitsmedium beeinflusst wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr in axialer Richtung bezüglich der Drehachse einseitig oder beidseitig über das Statorblechpaket übersteht. Das Wärmerohr bildet insoweit einen Wickelkopf der Statorwicklung mit aus, welcher endseitig an dem Statorblechpaket angeordnet ist beziehungsweise in axialer Richtung über dieses übersteht. Durch das Überstehen des Wärmerohrs in axialer Richtung wird die in dem Stator anfallende Wärme an eine Stelle transportiert, an welcher sie einfach abgeführt werden kann, nämlich in den Wickelkopf. Dort kann unabhängig von beziehungsweise ohne Beeinträchtigung durch das Statorblechpaket eine effektive Kühlung der Statorwicklung und mithin des Wärmerohrs vorgenommen werden.
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Das Wärmerohr steht wenigstens einseitig über das Statorblechpaket über. Es kann jedoch auch ein beidseitiges Überstehen realisiert sein. Das einseitige Überstehen liegt insbesondere dann vor, wenn in dem Statorblechpaket zusätzlich zu dem Wärmerohr ein weiteres Wärmerohr vorliegt, welches ebenfalls stromführend ausgestaltet ist und mit dem Wärmerohr elektrisch in Reihe geschaltet ist. Das Wärmerohr steht nun einerseits und das weitere Wärmerohr andererseits über das Statorblechpaket über, sodass die in dem Stator anfallende Wärme mithilfe der beiden Wärmerohre äußerst effektiv abgeführt werden kann.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass an dem Wärmerohr wenigstens ein die Statorwicklung bereichsweise ausbildender elektrischer Leiter anliegt, wobei das Wärmerohr und der elektrische Leiter elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das Wärmerohr und der elektrische Leiter grenzen entsprechend unmittelbar aneinander an und bilden gemeinsam zumindest einen Teil der Statorwicklung. Hierzu sind sie elektrisch in Reihe geschaltet. Hierzu sind das Wärmerohr und der elektrische Leiter in einem Anschlussbereich elektrisch miteinander verbunden und abseits des Anschlussbereichs elektrisch voneinander isoliert.
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Vorzugsweise liegen das Wärmerohr und der elektrische Leiter vollflächig aneinander an, weisen also jeweils eine Wärmeübertragungsfläche auf, welche mit der jeweils anderen Wärmeübertragungsfläche in flächigem Wärme-übertragungskontakt steht. Entsprechend kann in dem elektrischen Leiter anfallende Wärme sehr effektiv an das Wärmerohr abgegeben und über dieses abgeführt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Wärmerohr und/oder der elektrische Leiter parallel zu der Drehachse angeordnet und/oder gerade sind/ist. Durch die parallele Anordnung und/oder die gerade Ausgestaltung kann ein hoher Füllgrad der Statorwicklung erzielt werden. Zudem ist eine solche Ausgestaltung dem Wärmetransport in dem Wärmerohr zuträglich, sodass die Wärme sehr effektiv mithilfe des Wärmerohrs abgeführt wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Leiter in Form eines weiteren Wärmerohrs oder eines Massivleiters vorliegt. Auf das Vorhandensein des weiteren Wärmerohrs wurde vorstehend bereits hingewiesen. Nun wird deutlich, dass dieses in Form des elektrischen Leiters vorliegen kann. In jedem Fall ist das weitere Wärmerohr mit dem Wärmerohr elektrisch in Reihe geschaltet. Bei Ausgestaltung des elektrischen Leiters als weiteres Wärmerohr kann die pro Zeiteinheit abgeführte Wärmemenge weiter erhöht werden.
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Alternativ kann der elektrische Leiter auch in Form des Massivleiters vorliegen, welcher gemäß seiner Bezeichnung massiv ausgestaltet ist. Die Verwendung des Massivleiters ermöglicht das Vorliegen besonders hoher Stromstärken des elektrischen Stroms in der Statorwicklung. Hierbei ist jedoch stets aufgrund des Anliegens des elektrischen Leiters an dem Wärmerohr ein zuverlässiger Abtransport der während des Betriebs der elektrischen Maschine entstehenden Wärme möglich.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Erfindung, gemäß welcher vorgesehen ist, dass der elektrische Leiter in axialer Richtung gesehen einerseits von dem Wärmerohr elektrisch isoliert und andererseits mit dem Wärmerohr elektrisch verbunden ist. Hierzu sind der elektrische Leiter und das Wärmerohr in dem Anschlussbereich elektrisch miteinander verbunden, jedoch abseits des Anschlussbereichs elektrisch voneinander isoliert. Beispielsweise weisen der elektrische Leiter und/oder das Wärmerohr hierzu eine elektrische Isolierung auf und/oder ist mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen. In jedem Fall sind der elektrische Leiter und das Wärmerohr zumindest bereichsweise elektrisch voneinander isoliert, sodass eine hohe Wicklungsdichte an dem Statorblechpaket realisiert werden kann.
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Eine bevorzugte weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr und/oder der elektrische Leiter wärmeübertragend mit dem Statorblechpaket verbunden sind. Es kann vorgesehen sein, dass eine Kühlung des Wärmerohrs und/oder des Leiters über das Statorblechpaket erfolgt. Hierzu erfolgt eine unmittelbare Kühlung des Statorblechpakets, von welchem wiederum Wärme von dem Wärmerohr beziehungsweise dem Leiter zu deren Kühlung aufgenommen wird. Beispielsweise erfolgt die Kühlung des Statorblechpakets mittels einer Mantelkühlung. Hierzu liegt das Statorblechpaket an einem gekühlten Gehäuse der elektrischen Maschine wärmeübertragend an.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Wärmerohr und/oder das weitere Wärmerohr aus mehreren, elektrisch in Reihe geschalteten Teilwärmerohren bestehen. Hierauf wurde vorstehend bereits hingewiesen. Es ist also nicht notwendig, dass das Wärmerohr beziehungsweise das weitere Wärmerohr jeweils durchgehend ausgebildet sind, sich beispielsweise ausgehend von einer ersten Stirnseite des Statorblechpakets bis hin zu einer von der ersten Stirnseite beabstandeten zweiten Stirnseite des Statorblechpakets erstrecken. Vielmehr können sie sich aus wenigstens zwei Teilwärmerohren zusammensetzen, wobei beispielsweise eines dieser Teilwärmerohre sich bis hin zu der ersten Stirnseite erstreckt oder über dies übersteht, wohingegen sich ein zweites Teilwärmerohr bis hin zu der zweiten Stirnseite erstreckt oder über diese übersteht.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Wärmerohr und/oder das weitere Wärmerohr einseitig oder beidseitig fluidgekühlt sind. Dies ist bevorzugt vorgesehen, falls das Wärmerohr beziehungsweise das weitere Wärmerohr in axialer Richtung einseitig oder beidseitig über das Statorblechpaket übersteht. Im Rahmen der Fluidkühlung wird das Wärmerohr beziehungsweise das weitere Wärmerohr endseitig mit einem Kühlmittel angeströmt beziehungsweise von dem Kühlmittel überströmt, sodass mittels des Kühlmittels die von dem Wärmerohr beziehungsweise dem weiteren Wärmerohr aus der Statorwicklung abgeführte Wärme endgültig abtransportiert wird. Die Fluidkühlung des Wärmerohrs beziehungsweise des weiteren Wärmerohrs ermöglicht eine besonders hohe Leistungsdichte der elektrischen Maschine.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine, mit einem Stator und einem bezüglich des Stators um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor, sowie
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung durch einen Bereich des Stators der elektrischen Maschine.
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Die 1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine 1, die einen Stator 2 und einen Rotor 3 aufweist, wobei der Rotor 3 bezüglich des Stators 2 um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Die Lagerung des Rotors 3 ist mittels einer Welle 5 realisiert, welche wiederum bezüglich eines Gehäuses 6 der elektrischen Maschine 1 drehbar gelagert ist. Bevorzugt ist die Welle 5 an Lagerschilden 7 und 8 des Gehäuses 6 jeweils mit einem Lager 9 beziehungsweise 10 drehbar gelagert.
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Der Stator 2 weist als Hauptbestandteile ein Statorblechpaket 11 sowie eine Statorwicklung 12 auf. Letztere besteht aus einer Vielzahl von hier nicht im Detail dargestellten elektrischen Leitern 13. Die elektrischen Leiter 13 stehen in axialer Richtung beidseitig über die Statorwicklung 12 über und bilden dort Wickelköpfe 14 und 15 aus. Der Rotor 3 ist im Wesentlichen analog aufgebaut und weist als wesentliche Bestandteile ein Rotorblechpaket 16 und eine Rotorwicklung 17 auf.
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Während eines Betriebs der elektrischen Maschine 1 fällt in dem Stator 2 Wärme an, welche zur Erzielung einer hohen Nennleistung der elektrischen Maschine 1 abgeführt werden soll. Hierzu kann beispielsweise das Gehäuse 6 einen Kühlmantel 18 aufweisen, der mit dem Statorblechpaket 11 wärmeübertragend in Verbindung steht. Der Kühlmantel 18 weist wenigstens einen Kühlkanal 19 auf, der in dem Gehäuse 6 ausgebildet ist und in Richtung der Pfeile 20 von Kühlmittel durchströmbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, die Statorwicklung 12 selbst zu kühlen, nämlich indem die Wickelköpfe 14 und 15 beidseitig des Statorblechpakets 11 fluidgekühlt sind. Hierzu werden sie mit Kühlmittel beaufschlagt. Dies ist durch die Pfeile 21 angedeutet.
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Die 2 zeigt eine Detailschnittdarstellung der elektrischen Maschine 1, wobei insbesondere der Stator 2 dargestellt ist. Zu erkennen sind das Statorblechpaket 11 sowie die Statorwicklung 12, die in axialer Richtung gesehen beidseitig über das Statorblechpaket 11 zur Bildung der Wickelköpfe 14 und 15 übersteht. Erkennbar sind die elektrischen Leiter 13, welche ebenfalls lediglich schematisch angedeutet sind. Die einzelnen elektrischen Leiter 13 sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet.
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Einer der elektrischen Leiter 13 ist als Wärmerohr 22 ausgebildet, welches stromführend ausgebildet ist. Das Wärmerohr 22 stellt also einen Bestandteil der Statorwicklung 12 dar. Das Wärmerohr 22 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in radialer Richtung bezüglich der Drehachse 4 zwischen zwei weiteren der elektrischen Leiter 13 angeordnet, nämlich derart, dass diese auf gegenüberliegenden Seiten an dem Wärmerohr 22 anliegen. Die elektrischen Leiter 13 stehen jeweils mit dem Wärmerohr 22 über einen Verbindungsbereich 23 beziehungsweise 24 in elektrischer Verbindung.
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Abseits der Verbindungsbereiche 23 und 24 sind die elektrischen Leiter 13 von dem Wärmerohr 22 elektrisch isoliert. Die Verbindungsbereiche 23 und 24 sind auf gegenüberliegenden Seiten bezüglich des Statorblechpakets 11 angeordnet, sodass der über den Verbindungsbereich 23 mit dem Wärmerohr 22 elektrisch verbundene Leiter 13, das Wärmerohr 22 und der über den Verbindungsbereich 24 an das Wärmerohr 22 elektrisch angebundene Leiter 13 elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Mithilfe des Wärmerohrs 22 kann während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 entstehende Wärme äußerst effektiv aus der Statorwicklung 2 abgeführt werden. Beispielsweise liegen beidseits des Statorblechpakets 11 Kondensationsbereiche des Wärmerohrs 22 vor, in welcher im Bereich des Statorblechpakets 11 verdampftes Arbeitsmedium wieder kondensiert. Die Kondensationsbereiche sind insbesondere durch eine Kühlung des Wärmerohrs 22 beziehungsweise der Wickelköpfe 14 und 15 ausgebildet. Die Kühlung ist erneut durch die Pfeile 21 angedeutet. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Stator 2 mittels des Kühlmantels 19 gekühlt wird. Dies ist durch die Pfeile 20 angedeutet. Das Wärmerohr 22, der Kühlmantel 18 mit dem Kühlkanal 19 sowie die Kühlung der Wickelköpfe 14 und 15 stellen eine Kühleinrichtung 25 dar, die der Kühlung des Stators 3 dient.
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Die im Rahmen dieser Beschreibung erläuterte Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 ermöglicht eine äußerst effektive und effiziente Abführung von Wärme aus dem Stator 2. Dies wiederum erlaubt eine hohe Leistungsdichte der elektrischen Maschine 1 bei gleichzeitig geringem Bauraum, weil auf vorteilhafte Weise einer der elektrischen Leiter 13 durch das Wärmerohr 22 ersetzt wird.
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Werden höhere Kühlleistungen benötigt, so können selbstverständlich mehrere der elektrischen Leiter 13 jeweils gegen ein derartiges Wärmerohr 22 ausgetauscht werden. Hierzu weist das Wärmerohr 22 besonders bevorzugt außenseitig dieselben Abmessungen auf wie die anderen elektrischen Leiter 13. Entsprechend kann bei der Auslegung der elektrischen Maschine 1 die gewünschte Kühlleistung äußerst flexibel festgelegt werden. Bei der Montage der elektrischen Maschine 1 werden dann ein oder mehrere elektrische Leiter 13 jeweils gegen ein Wärmerohr 22 ausgetauscht, in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlleistung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4118646 [0002]
- WO 2012/123341 A2 [0002]
