DE102019128714A1 - External rotor motor with a waveguide winding - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) in Form eines Außenläufers mit: einem innen liegenden Stator (2), einem außen liegenden Läufer (3), der den Stator umgibt, und einem Motorgehäuse (5). Die erfindungsgemäße elektrische Maschine (1) umfasst ferner mehrere als Hohlleiter ausgebildete Spulen (16), welche die Wicklung der elektrischen Maschine (1) bilden und jeweils Teil eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine (1) sind, wobei die Spulen (16) einen hohlen Innenraum aufweisen, durch den ein Kühlmittel gepumpt wird, sowie wenigstens eine Kühlmittelpumpe (13) zum Pumpen des Kühlmittels durch die Spulen (16), wobei die Kühlmittelpumpe (13) in einem Raum innerhalb des Motorgehäuses (5) angeordnet ist.The invention relates to an electrical machine (1) in the form of an external rotor with: an internal stator (2), an external rotor (3) which surrounds the stator, and a motor housing (5). The electrical machine (1) according to the invention further comprises several coils (16) designed as waveguides, which form the winding of the electrical machine (1) and are each part of a cooling circuit of the electrical machine (1), the coils (16) having a hollow interior through which a coolant is pumped, and at least one coolant pump (13) for pumping the coolant through the coils (16), the coolant pump (13) being arranged in a space within the motor housing (5).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine in Form eines Außenläufers mit einem innen liegenden Stator, einem außen liegenden Läufer, der um den Stator herum rotiert, und mehreren als Hohlleiter ausgebildeten Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, wobei die Spulen jeweils Teil eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine sind.The invention relates to an electrical machine in the form of an external rotor with an internal stator, an external rotor that rotates around the stator, and several coils designed as waveguides for generating a magnetic field, the coils each being part of a cooling circuit of the electrical machine are.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Elektrische Maschinen mit einer Hohlleiterwicklung sind aus dem Stand der Technik in verschiedensten Ausführungen bekannt. Die Spulen solcher Maschinen bestehen aus rohrförmigen Elementen mit einem durchgehenden Kanal, durch den ein Kühlmittel fließt, um die Wicklung im Betrieb zu kühlen. Die Hohlleiterwicklung ist in der Regel im Stator der elektrischen Maschinen angeordnet, da in diesem Fall kein hydraulischer Übergang zwischen bewegten und unbewegten Teilen im Kühlmittelkreislauf vorhanden ist. Die Abdichtung des Kühlmittelkreislaufs ist somit wesentlich einfacher zu gestalten.Various designs of electrical machines with a waveguide winding are known from the prior art. The coils of such machines consist of tubular elements with a continuous channel through which a coolant flows in order to cool the winding during operation. The waveguide winding is usually arranged in the stator of the electrical machine, since in this case there is no hydraulic transition between moving and stationary parts in the coolant circuit. The sealing of the coolant circuit can thus be made much easier.
Aus der
Ein Außenläufer ist eine rotierende elektrische Maschine, bei der sich der Stator im Inneren der elektrischen Maschine befindet und vom Rotor (Läufer) außen umgeben wird. Aufgrund ihrer speziellen Konstruktion ist es schwierig, Außenläufer zu kühlen, da der Stator vom rotierenden Rotor umgeben wird. Das Kühlmittel kann daher nur schwer von außen zum Stator geleitet werden.An external rotor is a rotating electrical machine in which the stator is located inside the electrical machine and is surrounded by the rotor (armature) on the outside. Due to their special design, it is difficult to cool external rotors because the stator is surrounded by the rotating rotor. The coolant can therefore only be fed with difficulty from the outside to the stator.
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Außenläufer mit einer Hohlleiterwicklung zu schaffen, der besonders kompakt und einfach aufgebaut ist.It is therefore an object of the present invention to create an external rotor with a waveguide winding that is particularly compact and simple in construction.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im unabhängigen Anspruch 1 genannten Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved according to the invention by the features mentioned in
Gemäß der Erfindung wird ein Außenläufer vorgeschlagen, der in bekannter Weise einen innen liegenden Stator, einen außen liegenden Läufer, der den Stator umgibt, und ein Motorgehäuse aufweist. Der Stator des Außenläufers hat ferner wenigstens eine als Hohlleiter ausgebildete Spule, welche die Wicklung der elektrischen Maschine bildet und ein Teil eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine ist, wobei die Spule(n) einen hohlen Innenraum aufweisen, durch den ein Kühlmittel gepumpt wird. Gemäß der Erfindung ist wenigstens eine Kühlmittelpumpe vorgesehen, die das Kühlmittel durch die Spule bzw. Spulen pumpt. Die Kühlmittelpumpe ist dabei in einem Raum innerhalb des Motorgehäuses, vorzugsweise innerhalb des Rotors, angeordnet. Dadurch, dass die Pumpe(n) in der elektrischen Maschine integriert ist/sind, kann die elektrische Maschine besonders einfach und kompakt gebaut werden.According to the invention, an external rotor is proposed which, in a known manner, has an internal stator, an external rotor which surrounds the stator, and a motor housing. The stator of the external rotor also has at least one coil designed as a waveguide, which forms the winding of the electrical machine and is part of a cooling circuit of the electrical machine, the coil (s) having a hollow interior through which a coolant is pumped. According to the invention, at least one coolant pump is provided which pumps the coolant through the coil or coils. The coolant pump is arranged in a space within the motor housing, preferably within the rotor. Because the pump (s) is / are integrated in the electrical machine, the electrical machine can be built in a particularly simple and compact manner.
Die Kühlmittelpumpe ist vorzugsweise mit der Motorwelle gekoppelt und wird von dieser angetrieben. Ein zusätzlicher Antrieb für die Kühlmittelpumpe ist somit nicht erforderlich. Zwischen der Motorwelle und der Kühlmittelpumpe kann ein Getriebe vorgesehen sein.The coolant pump is preferably coupled to the motor shaft and is driven by this. An additional drive for the coolant pump is therefore not required. A transmission can be provided between the motor shaft and the coolant pump.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Motorgehäuse wenigstens einen Kühlmittelkanal, durch den das von den Spulen aufgeheizte Kühlmittel geleitet wird. Das Motorgehäuse bildet somit einen Wärmetauscher, der die im Inneren der elektrischen Maschine erzeugte Verlustwärme nach außen abführt.According to a special embodiment of the invention, the motor housing comprises at least one coolant channel through which the coolant heated by the coils is passed. The motor housing thus forms a heat exchanger which dissipates the heat loss generated inside the electrical machine to the outside.
Das Motorgehäuse ist vorzugsweise aus mehreren Gehäuseelementen gebildet, die entlang eines Außenumfangs der elektrischen Maschine, Seite an Seite angeordnet sind. Die einzelnen Gehäuseelemente können z. B. plattenförmig ausgebildet sein. Das Motorgehäuse umfasst in diesem Fall vorzugsweise eine Vielzahl plattenförmiger Elemente, die Seite an Seite in Form eines Rings angeordnet sind. Die plattenförmigen Elemente können z. B. L-förmig ausgebildet sein.The motor housing is preferably formed from a plurality of housing elements which are arranged side by side along an outer circumference of the electrical machine. The individual housing elements can, for. B. be plate-shaped. In this case, the motor housing preferably comprises a plurality of plate-shaped elements which are arranged side by side in the form of a ring. The plate-shaped elements can, for. B. be L-shaped.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen jeweils zwei aneinander angrenzenden Gehäuseelementen wenigstens ein Kühlmittelkanal ausgebildet. Ein Kühlmittelkanal kann z. B. dadurch realisiert werden, dass in einer oder beiden Seitenflächen zweier aneinander angrenzender Gehäuseelemente eine Ausnehmung, wie z. B. eine Rinne oder Nut vorgesehen ist.According to a preferred embodiment of the invention, at least one coolant channel is formed between two adjacent housing elements. A coolant channel can, for. B. can be realized that in one or both side surfaces of two adjacent housing elements a recess, such as. B. a groove or groove is provided.
Der bzw. die im Motorgehäuse vorgesehenen Kühlmittelkanäle verlaufen vorzugsweise jeweils in einer Ebene, die quer zur Umfangsrichtung liegt.The coolant channel or channels provided in the motor housing preferably each run in a plane that is transverse to the circumferential direction.
Als Kühlmittel kann beispielsweise ein Öl, Therminol, Galden oder Kohlstoffdioxid verwendet werden.An oil, Therminol, Galden or carbon dioxide, for example, can be used as the coolant.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind wenigstens eine der Spulen und das Motorgehäuse im Kühlkreislauf hydraulisch in Serie geschaltet. Es können auch weitere Bauteile des Außenläufers gekühlt werden, indem sie mit Kühlkanälen ausgestattet und in den Kühlkreislauf eingebunden werden. Alternativ können weitere Bauteile auch passiv gekühlt werden, indem sie an oder nahe an einem gekühlten Bauteil montiert sind.According to a preferred embodiment of the invention, at least one of the coils and the motor housing are hydraulically connected in series in the cooling circuit. Other components of the external rotor can also be cooled by equipping them with cooling channels and integrating them into the cooling circuit. Alternatively, further components can also be passively cooled by being mounted on or close to a cooled component.
Der Kühlkreislauf des Außenläufers ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass das Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe zunächst durch wenigstens eine Spule und dann weiter durch das als Wärmetauscher ausgebildete Motorgehäuse geleitet wird. Wie vorstehend erwähnt, können auch weitere Komponenten des Außenläufers, wie z. B. eine Elektronikeinheit, in den Kühlkreislauf eingebunden werden.The cooling circuit of the external rotor is preferably designed in such a way that the coolant from the coolant pump is first passed through at least one coil and then further through the motor housing designed as a heat exchanger. As mentioned above, other components of the external rotor, such as. B. an electronic unit can be integrated into the cooling circuit.
Der gesamte Kühlkreislauf einschließlich Pumpe ist vorzugsweise innerhalb des Motorgehäuses, insbesondere innerhalb des Rotors, in der elektrischen Maschine integriert.The entire cooling circuit including the pump is preferably integrated within the motor housing, in particular within the rotor, in the electrical machine.
Die Spulen der elektrischen Wicklung sind vorzugsweise aus mehreren starren Wicklungsstücken gebildet. Die Wicklung kann z. B. in der sogenannten I-Pin- oder Hairpin-Technologie hergestellt sein. Pins oder Hairpins sind meist aus Kupfer hergestellte, starre Wicklungsstücke, die in Nuten des Stators eingesetzt sind.The coils of the electrical winding are preferably formed from several rigid winding pieces. The winding can, for. B. be made in the so-called I-pin or hairpin technology. Pins or hairpins are usually made of copper, rigid winding pieces that are inserted into slots in the stator.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Außenläufer ein hydraulisches Anschlussteil, an dem die Gehäuseelemente montiert und hydraulisch angeschlossen sind.According to a special embodiment of the invention, the external rotor comprises a hydraulic connection part on which the housing elements are mounted and hydraulically connected.
Das hydraulische Anschlussteil umfasst vorzugsweise mehrere Fluideingänge und -ausgänge, die jeweils mit einem Fluideingang bzw. Fluidausgang der im Motorgehäuse vorgesehenen Kühlmittelkanäle kommunizieren.The hydraulic connection part preferably comprises a plurality of fluid inlets and outlets, each of which communicates with a fluid inlet or fluid outlet of the coolant channels provided in the motor housing.
Die Gehäuseelemente sind vorzugsweise mittels einer Steckverbindung am hydraulischen Anschlussteil montiert.The housing elements are preferably mounted on the hydraulic connection part by means of a plug connection.
Soweit in diesem Text von „hydraulischen“ Komponenten bzw. „hydraulisch“ gesprochen wird, ist dies so zu verstehen, dass die Komponenten sowohl zum Leiten von Flüssigkeiten als auch zum Leiten von Gasen ausgelegt sein können.Insofar as “hydraulic” components or “hydraulic” are spoken of in this text, this is to be understood in such a way that the components can be designed both for conveying liquids and for conveying gases.
Das hydraulische Anschlussteil kann z. B. plattenförmig ausgebildet sein. Es hat vorzugsweise die Form eines Rings. Die Kühlmittelpumpe ist vorzugsweise am hydraulischen Anschlussteil montiert.The hydraulic connector can, for. B. be plate-shaped. It is preferably in the form of a ring. The coolant pump is preferably mounted on the hydraulic connection part.
Das hydraulische Anschlussteil ist vorzugsweise ein Teil des Motorgehäuses. Es hat somit die Funktion eines Wärmetauschers, der die im Inneren der elektrischen Maschine erzeugte Wärme an die Umgebung abgibt.The hydraulic connection part is preferably part of the motor housing. It thus has the function of a heat exchanger that releases the heat generated inside the electrical machine to the environment.
Bei einer Ausführungsform mit starren Wicklungsstücken sind die einzelnen Wicklungsstücke an ihren Enden vorzugsweise offen, so dass das Kühlmittel an einem der Enden eingespeist und am anderen Ende abgeführt werden kann. Um die Wicklungsstücke hydraulisch an den Kühlkreislauf anzuschließen, ist vorzugsweise wenigstens ein hydraulischer Anschlussring vorgesehen.In an embodiment with rigid winding pieces, the individual winding pieces are preferably open at their ends, so that the coolant can be fed in at one of the ends and discharged at the other end. In order to hydraulically connect the winding pieces to the cooling circuit, at least one hydraulic connection ring is preferably provided.
Der hydraulische Anschlussring umfasst vorzugsweise wenigstens einen umlaufenden Kanal, der mit mehreren der Wicklungsstücke fluidtechnisch in Verbindung steht und über den ein Kühlmittel in die einzelnen Wicklungsstücke eingespeist oder ein aus den Wicklungsstücken austretendes Kühlmittel gesammelt werden kann. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung können auch mehrere umlaufende Kanäle zum Verteilen oder Sammeln von Kühlmittel in bzw. aus den einzelnen Wicklungsstücken vorgesehen sein.The hydraulic connecting ring preferably comprises at least one circumferential channel which is fluidically connected to several of the winding pieces and via which a coolant can be fed into the individual winding pieces or a coolant emerging from the winding pieces can be collected. According to a special embodiment of the invention, a plurality of circumferential channels can also be provided for distributing or collecting coolant in or out of the individual winding pieces.
Der hydraulische Anschlussring ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass sämtliche Wicklungsstücke hydraulisch parallelgeschaltet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Anschlussring mehrere elektrische Verbindungselemente, die dazu dienen, einzelne Wicklungsstücke elektrisch miteinander verbinden, um die Spulen der elektrischen Maschine zu bilden.The hydraulic connection ring is preferably designed in such a way that all winding pieces are hydraulically connected in parallel. According to a preferred embodiment of the invention, the connection ring comprises a plurality of electrical connecting elements which serve to electrically connect individual winding pieces to one another in order to form the coils of the electrical machine.
Die Endabschnitte der einzelnen Wicklungsstücke sind vorzugsweise in mehreren auf einer Kreisbahn liegenden Reihen mit unterschiedlichen Radien angeordnet.The end sections of the individual winding pieces are preferably arranged in several rows with different radii lying on a circular path.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Außenläufer eine bürstenlose Maschine. Die Wicklung des Motors ist im Stator angeordnet und der Rotor umfasst mehrere Permanentmagneten, die von dem von der Wicklung erzeugten Magnetfeld angetrieben werden.According to a preferred embodiment of the invention, the external rotor is a brushless machine. The winding of the motor is arranged in the stator and the rotor comprises several permanent magnets that are driven by the magnetic field generated by the winding.
Der erfindungsgemäße Außenläufer umfasst vorzugsweise auch eine Elektronikeinheit. Die Elektronikeinheit, insbesondere ein Inverter, ist vorzugsweise im Inneren des Motorgehäuses, vorzugsweise innerhalb des Rotors angeordnet.The external rotor according to the invention preferably also comprises an electronics unit. The electronics unit, in particular an inverter, is preferably arranged inside the motor housing, preferably inside the rotor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronikeinheit über elektrische Leitungen, die als Hohlleiter ausgebildet sind, an den Spulen der elektrischen Maschine angeschlossen.According to a preferred embodiment of the invention, the electronics unit is via electrical lines that are designed as waveguides, connected to the coils of the electrical machine.
Die vorstehend genannte Elektronikeinheit kann z. B. auf dem hydraulischen Anschlussteil montiert sein, so dass sie vom hydraulischen Anschlussteil mit gekühlt wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronikeinheit auf einem separaten Wärmetauscher montiert, der wenigsten einen Kühlmittelkanal aufweist, durch den das Kühlmittel geleitet wird. Gemäß einer weiteren Alternative sind die innerhalb der Elektronikeinheit liegenden Komponenten direkt im Kühlkreislauf integriert und somit vom selben Kühlmittel umspült, welches auch die Wicklung durchläuft. Die Verlustwärme kann in diesem Fall direkt an das Kühlmittel abgegeben werden. Elektrische Verbindungsleitungen zwischen verschiedenen Komponenten der Elektronikeinheit sind vorzugsweise als Hohlleiter ausgeführt, durch die das Kühlmittel strömt.The above-mentioned electronic unit can, for. B. be mounted on the hydraulic connector so that it is also cooled by the hydraulic connector. According to another embodiment of the invention, the electronics unit is mounted on a separate heat exchanger which has at least one coolant channel through which the coolant is passed. According to a further alternative, the components located within the electronics unit are integrated directly in the cooling circuit and are therefore surrounded by the same coolant that also runs through the winding. In this case, the heat loss can be given off directly to the coolant. Electrical connecting lines between different components of the electronics unit are preferably designed as waveguides through which the coolant flows.
Ein erfindungsgemäßes Wicklungsstück ist vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung eines der genannten Materialien hergestellt. An seiner Außenfläche ist vorzugsweise eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen.A winding piece according to the invention is preferably made of copper, aluminum or an alloy of one of the materials mentioned. An electrically insulating layer is preferably provided on its outer surface.
Die einzelnen Spulen der Wicklung sind vorzugsweise aus mehreren starren Wicklungsstücken gebildet, die elektrisch in Serie geschaltet sind.The individual coils of the winding are preferably formed from several rigid winding pieces that are electrically connected in series.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine in Form eines Außenläufers mit mehreren als Hohlleiter ausgebildeten Spulen; -
2 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs der in1 gezeigten elektrischen Maschine; -
3a ,3b verschiedene Ansichten eines als Scheibe ausgebildeten hydraulischen Anschlussteils; -
4 eine schematische Schnittansicht eines Inverters mit einem zugehörigen elektrischen und hydraulischen Anschluss gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; -
5 eine schematische Schnittansicht eines Inverters mit einem zugehörigen elektrischen und hydraulischen Anschluss gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; -
6a-6c verschiedene Ansichten eines elektrischen Verbindungselements zum Befestigen und elektrischen Verbinden von Wicklungsstücken der Motorwicklung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und -
7a-7c verschiedene Ansichten eines elektrischen Verbindungselements zum Befestigen und elektrischen Verbinden von Wicklungsstücken der Motorwicklung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
-
1 a sectional view of an electrical machine in the form of an external rotor with several coils designed as a waveguide; -
2 a schematic view of a cooling circuit in FIG1 shown electric machine; -
3a ,3b various views of a hydraulic connection part designed as a disk; -
4th a schematic sectional view of an inverter with an associated electrical and hydraulic connection according to a first embodiment of the invention; -
5 a schematic sectional view of an inverter with an associated electrical and hydraulic connection according to a second embodiment of the invention; -
6a-6c various views of an electrical connecting element for fastening and electrically connecting winding pieces of the motor winding according to a first embodiment of the invention; and -
7a-7c different views of an electrical connecting element for fastening and electrically connecting winding pieces of the motor winding according to a second embodiment of the invention.
Die einzelnen Wicklungsstücke
Im Zentrum von
Die Kühlmittelpumpe
Bei der in
Das Motorgehäuse
Zwischen jeweils zwei aneinander angrenzenden Gehäuseelementen
Wenigstens ein Teil der im Motorgehäuse
Der bzw. die im Motorgehäuse
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Außenläufer ein hydraulisches Anschlussteil
Das hydraulische Anschlussteil
Die einzelnen Wicklungsstücke
Der in
die Endabschnitte
the end sections
Der Fluss des Kühlmittels verläuft von den Kühlmittelpumpen
Die Elektronikeinheit
Der Inverter ist über eine Stromschiene
The inverter is via a power rail
Die Verbindungselemente
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R409 | Internal rectification of the legal status completed | ||
R020 | Patent grant now final |