DE102018215573A1 - Electric machine with stator cooling - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine mit einem Stator, der ein Blechpaket und Statorwicklungen aufweist, wobei an axialen Enden des Blechpakets ein jeweiliger Wickelkopf der Statorwicklungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Wickelköpfe in einer Kühlkappe aufgenommen ist, die nur den mindestens einen Wickelkopf aufnimmt und dazu ausgelegt ist, den mindestens einen Wickelkopf in direkten fluidischen Kontakt mit einem Kühlfluid zu bringen.Electrical machine with a stator, which has a laminated core and stator windings, a respective winding head of the stator windings being arranged at axial ends of the laminated core, characterized in that at least one of the winding heads is accommodated in a cooling cap, which only accommodates the at least one winding head and for this purpose is designed to bring the at least one end winding into direct fluidic contact with a cooling fluid.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der ein Blechpaket und eine Statorwicklung aufweist, und mit einer Kühlvorrichtung für einen Wickelkopf der Statorwicklungen.The present invention relates to an electrical machine with a stator, which has a laminated core and a stator winding, and with a cooling device for a winding head of the stator windings.
Im Betrieb einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise einem Generator oder einem Elektromotor, entsteht Wärme, die zu einer Erhitzung in den Leiterwicklungen führt. Diese Erhitzung in den Leiterwicklungen wiederum resultiert in größeren Widerständen und führt in der Folge zu größeren Verlusten. Es ist daher erforderlich, die elektrische Maschine in ihrem Betrieb zu kühlen. Diese Kühlung kann beispielsweise über eine Flüssigkeitskühlung erfolgen.When an electrical machine, such as a generator or an electric motor, is operating, heat is generated which leads to heating in the conductor windings. This heating in the conductor windings in turn results in greater resistances and consequently leads to greater losses. It is therefore necessary to cool the electrical machine in its operation. This cooling can take place, for example, via liquid cooling.
So wird beispielsweise in der
Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist jedoch, dass das Material, in das die Statorköpfe eingebettet sind, elektrisch isolierend, aber thermisch leitfähig sein muss. Derartige Materialien sind schwierig zu finden und sehr teuer. Zum anderen müssen zwischen dem Wickelkopf und dem Kühlmedium zwei thermische Kontaktwiderstände in Form des einbettenden Materials und des Gehäuses überwunden werden, so dass die mögliche Kühlleistung reduziert ist.A disadvantage of this prior art, however, is that the material in which the stator heads are embedded must be electrically insulating but thermally conductive. Such materials are difficult to find and very expensive. On the other hand, two thermal contact resistances in the form of the embedding material and the housing must be overcome between the winding head and the cooling medium, so that the possible cooling capacity is reduced.
Alternativ ist ebenfalls vorgeschlagen worden, Kühlluft über Kühlkanäle nicht nur in den Innenraum der elektrischen Maschine einzuleiten, sondern direkt an den Statorköpfen vorbeizuführen. Eine Luftkühlung stellt jedoch keine so gute Kühlleistung bereit, wie beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung.Alternatively, it has also been proposed not only to introduce cooling air via cooling ducts into the interior of the electrical machine, but also to lead it directly past the stator heads. Air cooling, however, does not provide as good a cooling performance as, for example, liquid cooling.
Aufgabe vorliegende Erfindung ist es deshalb, eine effiziente Flüssigkeitskühlung der Wickelköpfe bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide an efficient liquid cooling of the winding heads.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by an electrical machine according to
Im Folgenden wird eine elektrische Maschine mit einem gekühlten Stator vorgestellt, wobei der Stator ein Blechpaket und Statorwicklungen aufweist und an axialen Enden des Blechpakets jeweils Wickelköpfe der Statorwicklungen angeordnet sind. Da für eine besonders effektive Kühlung nicht nur die Statorblechpakete, sondern auch die Wickelköpfe gekühlt werden sollten, wird vorgeschlagen, dass zumindest einer der Wickelköpfe in einer Kühlkappe aufgenommen ist, die nur den mindestens einen Wickelkopf aufnimmt und dazu ausgelegt ist, den mindestens einen Wickelkopf in direkten fluidischen Kontakt mit einem Kühlfluid zu bringen. Denkbar ist auch, einen mit Kühlflüssigkeit gefüllten Ring auf die Wickelköpfe aufzubringen, so dass alle Wickelköpfe gekühlt werden können.An electrical machine with a cooled stator is presented below, the stator having a laminated core and stator windings and winding heads of the stator windings being arranged at axial ends of the laminated core. Since not only the stator core, but also the winding heads should be cooled for a particularly effective cooling, it is proposed that at least one of the winding heads is accommodated in a cooling cap, which receives only the at least one winding head and is designed to hold the at least one winding head in to bring direct fluidic contact with a cooling fluid. It is also conceivable to apply a ring filled with cooling liquid to the winding heads, so that all winding heads can be cooled.
Mit dieser Kühlvorrichtung wird gezielt der Wickelkopf/die Wickelköpfe gekühlt, wobei selbstverständlich an dem Stator weitere Kühlvorrichtungen vorhanden sein können, die jedoch von der Kühlung des Statorwickelkopfs unabhängig sind.With this cooling device, the winding head / the winding heads is specifically cooled, whereby further cooling devices can of course be present on the stator, which, however, are independent of the cooling of the stator winding head.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Kühlkappe zu einer Umgebung abgeschlossen ist. Dadurch wird Kühlfluid lediglich direkt dem Statorwickelkopf zugeführt, und es kann ein geschlossener Kühlkreislauf für das Kühlfluid des Statorwickelkopfs vorgesehen sein.It is particularly advantageous if the cooling cap is closed to an environment. As a result, cooling fluid is only supplied directly to the stator winding head, and a closed cooling circuit can be provided for the cooling fluid of the stator winding head.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine in der Kühlkappe aufgenommenen Wickelkopf zumindest teilweise in ein Fluid eingetaucht. Dadurch kann eine direkte Einwirkung des Kühlfluids auf den Wickelkopf erreicht werden, wodurch eine besonders effektive Kühlung möglich ist.According to a further advantageous exemplary embodiment, the at least one winding head accommodated in the cooling cap is at least partially immersed in a fluid. This allows the cooling fluid to act directly on the winding overhang, which enables particularly effective cooling.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Kühlkappe einen Kühlfluideinlass und einen Kühlfluidauslass aufweist, die jeweils mit einem Wärmetauscher verbunden sind, der erwärmtes, aus dem Kühlfluidauslass austretendes Kühlfluid abgekühlt und wieder dem Kühlfluideinlass bereitstellt. Durch diesen abgeschlossenen Kühlkreislauf kann eine direkte und sehr effektive Kühlung des Stators und damit der elektrischen Maschine bereitgestellt werden.It is also advantageous if the cooling cap has a cooling fluid inlet and a cooling fluid outlet, each of which is connected to a heat exchanger which cools heated cooling fluid emerging from the cooling fluid outlet and makes it available again to the cooling fluid inlet. This closed cooling circuit enables direct and very effective cooling of the stator and thus of the electrical machine.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist zwischen Kühlfluideinlass und Wärmetauscher eine Pumpvorrichtung vorgesehen. Diese Pumpvorrichtung ermöglicht einen besonders guten und effektiven Durchsatz von Kühlfluid in der Kühlkappe des Statorwickelkopfs.According to a further advantageous exemplary embodiment, a pump device is provided between the cooling fluid inlet and the heat exchanger. This pump device enables a particularly good and effective throughput of cooling fluid in the cooling cap of the stator winding head.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das Kühlfluid ein flüssiges dielektrisches Kühlfluid. Flüssige dielektrische Kühlfluid sind wohl bekannt, und stellen eine besonders gute Kühlung des Statorwickelkopfs bereit, und beeinträchtigen nicht die elektrischen Eigenschaften des Stators.According to a further advantageous exemplary embodiment, the cooling fluid is a liquid dielectric cooling fluid. Liquid dielectric cooling fluids are well known and provide particularly good cooling of the stator winding head and do not affect the electrical properties of the stator.
Zudem kann das Kühlfluid ein dielektrisches Kühlfluid sein, das bei Erwärmung in einen gasförmigen Zustand übergeht, und in flüssiger Form den mindestens einen Wickelkopf umgibt. Dieses dielektrische Kühlfluid verdampft beim Kontakt mit dem Wickelkopf, und kann durch den entstehenden Dampfdruck selbstständig über eine abführende Anbindung zu einem Wärmetauscher, insbesondere zum Kondensator, geführt werden. Dort kondensiert das Kühlfluid wieder und kann als flüssiges Kühlfluid dem Wickelkopf wieder zugeführt werden.In addition, the cooling fluid can be a dielectric cooling fluid that changes into a gaseous state when heated and that surrounds the at least one winding head in liquid form. This Dielectric cooling fluid evaporates when it comes into contact with the end winding, and due to the resulting vapor pressure, it can be routed to a heat exchanger, in particular to the condenser, via a laxative connection. There the cooling fluid condenses again and can be fed back to the winding head as a liquid cooling fluid.
Durch das direkte Aufbringen des Kühlfluids auf die Wickelköpfe erreicht man eine Maximierung der gekühlten Oberfläche und insbesondere des Wärmeübergangs im Vergleich zum Stand der Technik und erzielt eine gesteigerte Kühlleistung.By directly applying the cooling fluid to the end windings, the cooled surface and in particular the heat transfer are maximized compared to the prior art and an increased cooling capacity is achieved.
Zudem verbessert das Verdampfen des Fluids die Wärmeabfuhr aus dem Wickelkopf, da das Aufsteigen der Blasen zu einem Abreißen der Temperaturgrenzschicht führt, wodurch der Wärmeübergang deutlich verbessert wird. Grund dafür ist, dass durch das Aufsteigen des gasförmigen Kühlfluids grundsätzlich kühles flüssiges Fluid an die Statorwicklungen gelangt und nicht erwärmtes Fluid an diesen anhaftet. Dadurch kann ebenfalls die Kühlwirkung verbessert werden.In addition, the evaporation of the fluid improves the heat dissipation from the winding head, since the rising of the bubbles leads to the temperature boundary layer being torn off, as a result of which the heat transfer is significantly improved. The reason for this is that due to the rising of the gaseous cooling fluid, basically cool liquid fluid reaches the stator windings and non-heated fluid adheres to them. This can also improve the cooling effect.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.Further possible implementations of the invention also include combinations of features or embodiments described above or below with reference to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. The person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.Further advantages and advantageous embodiments are specified in the description, the drawings and the claims. In particular, the combinations of the features specified in the description and in the drawings are purely exemplary, so that the features can also be present individually or in a different combination.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.The invention is to be described in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings. The exemplary embodiments and the combinations shown in the exemplary embodiments are purely exemplary and are not intended to define the scope of the invention. This is defined solely by the pending claims.
Es zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine.
-
1 : A schematic representation of a preferred embodiment of the electrical machine.
Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.In the following, identical or functionally equivalent elements are identified with the same reference symbols.
Die
Der Stator
Dazu wird eine Kühleinrichtung direkt an mindestens einem Statorwickelkopf
Wie in
Wie
In dem Kondensator
Durch das direkte Aufbringen des Kühlfluids auf die Wickelköpfe
Zudem erhöht der Energiebedarf des Phasenübergangs die Kühlleistung, da die benötigte Energie der Umgebung und damit den Statorwickelköpfen
Insgesamt kann durch die vorgestellte Kühlung der Statorwickelköpfe mittels eines direkten Aufbringens von Kühlfluid an den Wicklungen der Statorköpfe die Kühlleistung der elektrischen Maschine verbessert und die Wärmeabfuhr aus den Wickelköpfen effizienter gestaltet werden. Dadurch können die Verluste und etwaige Widerstandserhöhungen der elektrischen Maschine reduziert werden.Overall, the cooling of the stator winding heads presented by means of directly applying cooling fluid to the windings of the stator heads can improve the cooling capacity of the electrical machine and make the heat dissipation from the winding heads more efficient. This can reduce the losses and any increases in resistance of the electrical machine.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Elektrische MaschineElectrical machine
- 22nd
- Statorstator
- 44th
- Rotorrotor
- 66
- Innenraum der elektrischen MaschineInterior of the electrical machine
- 88th
- Gehäusecasing
- 1010th
- RotorwelleRotor shaft
- 12, 1412, 14
- Lagercamp
- 16, 1816, 18
- ZwischenwändePartitions
- 2020th
- StatorblechpaketStator laminated core
- 22, 2422, 24
- axiale Enden des Statorsaxial ends of the stator
- 26, 2826, 28
- StatorwickelköpfeStator winding heads
- 3232
- KühlkappeCooling cap
- 3434
- flüssiges Kühlfluidliquid cooling fluid
- 3636
- gasförmiges Kühlfluidgaseous cooling fluid
- 3838
- oberer Bereich der Kühlkappeupper area of the cooling cap
- 4040
- KühlfluidauslassCooling fluid outlet
- 4141
- Kühlfluidleitung (gasförmig)Cooling fluid line (gaseous)
- 4242
- Kondensatorcapacitor
- 4444
- KühlfluideinlassCooling fluid inlet
- 4545
- Kühlfluidleitung (flüssig)Cooling fluid line (liquid)
- 4646
- Pumpepump
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102015215667 [0003]DE 102015215667 [0003]
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DE102018215573.9A DE102018215573A1 (en) | 2018-09-13 | 2018-09-13 | Electric machine with stator cooling |
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DE102018215573.9A DE102018215573A1 (en) | 2018-09-13 | 2018-09-13 | Electric machine with stator cooling |
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ID=69647150
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- 2018-09-13 DE DE102018215573.9A patent/DE102018215573A1/en active Pending
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