-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einer optimierten Temperaturverteilung, welcher ein Blechpaket mit Statorblechen mit mindestens zwei unterschiedlichen Dicken aufweist.
-
Um mittels elektrischer Maschinen dauerhaft hohe Leistungen bereitstellen zu können, spielt neben der Reduzierung von Verlusten eine effiziente Kühlung eine ebenso wichtige Rolle. Daher hat es sich in der Praxis bewährt, hoch performante rotierende elektrische Maschinen, die beispielsweise in leistungsstarken Elektrofahrzeugen eine Leistung jenseits von 500 kW bereitstellen, mit einer direktgekühlten Wicklung zu versehen. Dabei wird ein dünnflüssiges Kühlmedium durch die Nuten der elektrischen Maschine geführt, welches die Wärme aufgrund von Verlusten (Stromwärme- und Eisenverluste) aufnimmt und abführt. Der Rotorraum wird dabei z. B. über ein Spaltrohr oder über einen Liner zum Statorraum abgedichtet, so dass das Kühlmedium nicht aus den Nuten des Stators in den Rotorraum eindringen kann.
-
Das Öl im Elektromotor dient sowohl der Isolation der Wicklungen als auch der Kühlung. Der Querschnitt der Wicklungsdrähte ist aufgrund eines beschränkten Wickelraumes begrenzt, sodass bei ausreichend Stromfluss signifikante Stromwärmeverluste entstehen. Das Isolieröl erhöht die Wärmeübertragung und füllt überdies alle Zwischenräume aus, sodass auch die Eigenschaften des Isolationssystems verbessert werden. Hohe lokale Feldstärkeüberhöhungen können weitestgehend vermieden werden.
-
Aufgrund ihrer Isoliereigenschaften (gute dielektrische Eigenschaften wie hohe Durchschlagsfestigkeit, niedriger Verlustfaktor) haben sich hochraffinierte Mineralöle bzw. dünnflüssige Silikonöle als geeignete Kühlmedien für direktgekühlte Wicklungen herausgestellt, da diese auch bei hohen Temperaturen vergleichsweise stabil sind (hoher Flammpunkt).
-
Aus dem Stand der Technik ist seit langer Zeit bekannt, dass die Hauptbestandteile eines Elektromotors - Stator und Rotor - aus in Axialrichtung der Bauteile zusammengelegten und gegeneinander elektrisch isolierten Statorblechen bzw. Blechlamellen hergestellt werden. Im Vergleich zu entsprechenden Bauteilen, die aus Vollmaterial bestehen (und beispielsweise in einem Gußverfahren hergestellt worden sind), hat ein auf einem Blechpaket basierender Aufbau den Vorteil, dass so Wirbelströme innerhalb der Bauteile erheblich reduziert werden, welche ansonsten den Wirkungsgrad reduzieren. Hierbei spielt die elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Blechen eine zentrale Rolle. Die einzelnen ausgestanzten Bleche werden, nachdem sie mit einem Isolator überzogen bzw. beschichtet worden sind, gestapelt und anschließend dauerhaft zusammengefügt. Der letzte Verfahrensschritt wird auch als Paketieren bezeichnet und kann Verkleben/Verbacken, Stanzpaketieren (Interlock) oder Laserschweißen aufweisen.
-
In der deutschen Patentanmeldung
DE 199 42 881 A1 ist beispielsweise eine luftgekühlte elektrische Maschine mit einer 3-Kammer-Kühlung offenbart, bei der eine verbesserte Kühlung und damit höhere Leistung dadurch erreicht wird, dass Kühlschlitze aller Kammern die gleiche Schlitzbreite aufweisen, dass die axiale Länge der ersten Warmluftkammer mehr als 25% der Aktivlänge beträgt, und dass die axiale Länge der zweiten Warmluftkammer kleiner gleich 7,5% der Aktivlänge ist.
-
Aus der deutschen Patentanmeldung
DE10 2015 117 603A1 ist ein Statorpaket für eine elektrische Maschine mit mechanischer Feldschwächung bekannt, aufweisend einen ersten und einen zweiten Statorbereich mit einer ersten bzw. zweiten Wicklung und einem ersten bzw. zweiten Elektroblech zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte der jeweiligen ersten oder zweiten Wicklung. Hierbei sind das erste Elektroblech und das zweite Elektroblech unterschiedlich ausgebildet und weisen unterschiedliche spezifische Eisenverluste auf. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform das erste Elektroblech eine größere Dicke als das zweite Elektroblech aufweisen.
-
Vor diesem Hintergrund kann die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, einen Stator für eine elektrische Maschine mit einer effizienten und insbesondere auf ein gleichmäßiges Temperaturprofil des Stators ausgerichteten Kühlung bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird mittels eines Stators für eine elektrische Maschine gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
-
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Überlegung zugrunde, dass zur gleichmäßigen Temperierung der Spulenwicklung der Effekt des sich über seinen Strömungspfand hinweg erwärmenden Kühlmediums mit einer Verringerung der Volumina der zu kühlenden Blechpakete ausgeglichen bzw. gemäßigt werden kann. Im Bereich des Kühlmitteleinlasses ist dieses noch relativ kalt und folglich wird der Wärmeübergang von einem in diesem Bereich angeordneten Blechpaket auf das Kühlmittel von einem relativ großen Temperaturgradienten begleitet. Im Falle einer Wicklungsdirektkühlung, erwärmt sich das Kühlmittel beim Umströmen des in einer Nut angeordneten Wicklungsteils und hat anschließend im Bereich des Kühlmittelauslasses eine relativ gesehen höhere Temperatur. Folglich wird der Wärmeübergang von einem in diesem Bereich angeordneten Blechpaket auf das Kühlmittel von einem relativ kleinen Temperaturgradienten begleitet. Im Vergleich zum Bereich des Kühlmitteleinlasses kann daher im Bereich des Kühlmittelauslasses in einem gleichen Zeitabschnitt weniger Energie auf das Kühlmittel übertragen werden, so dass es durch einen relativ betrachtet verminderten Wärmeabtransport zu einer Erwärmung des Bereiches des Kühlmittelauslasses kommen kann. Hierbei ist zu beachten, dass zur Vereinfachung der Bereich des Kühlmitteleinlasses mit dem Bereich des Kühlmittelauslasses verglichen worden ist. Das Kühlmittel erwärmt sich jedoch kontinuierlich auf seinem Weg vom Kühlmitteleinlass durch eine jeweilige Nut zum Kühlmittelauslass.
-
Durch Vorsehen von Teilblechpaketen (nachfolgend vereinfach als Teilpakete bezeichnet) mit Statorblechen unterschiedlicher Dicke kann dem graduellen Erwärmen des Kühlmediums Rechnung getragen werden. Durch eine in Strömungsrichtung des Kühlmittels stattfindende Verkleinerung der Blechdicke von Statorblechen können Wirbelstromverluste reduziert werden, was mit einer reduzierten Erwärmung des betrachteten Statorblechs einhergeht. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass Wirbelstromverluste, welche neben Hystereseverlusten und anomalen Wirbelstromverlusten Beiträge zu Ummagnetisierungsverlusten leisten und damit Verlustwärme erzeugen, näherungsweise mit dem Quadrat der Dicke d des Statorblechs ansteigen,
wobei σ der elektrischen Leitfähigkeit des Statorblechs, ρ der Dichte des Materials des Statorblechs, B
max der Amplitude des induzierten Magnetfeldes und f der Ummagnetisierungsfrequenz entspricht. Durch eine gezielte lokale Verringerung der Dicke der Statorbleche kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die elektrische Maschine hinweg erzielt werden.
-
Aufgrund der zu erwartenden Wärmeentwicklung bzw. der Temperaturverteilung nach geometrischen Abhängigkeiten können die Statorbleche in ihrer Dicke unterschiedlich (z. B. 0,2 mm und 0,3 mm) ausgeführt werden. Die zu erwartende Temperaturverteilung kann vorab in gekoppelten Simulationen (elektromagnetisch und thermisch) ermittelt werden. Die Wahl der Anzahl der Teilpakete und der darin enthaltenen Anzahl der Statorbleche samt ihrer Dicke kann auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Maschine hin optimiert werden. Die Blechdicke (also die Dicke der Statorbleche) kann beispielsweise vom Kühlmitteleintritt zum Kühlmittelaustritt verringert werden, und zwar kontinuierlich (z.B. linear), also von Statorblech zu Statorblech, oder in variablen diskreten Schritten, also mittels der Anordnung von Teilpaketen mit unterschiedlichen Anzahlen von Statorblechen (mit jeweils gleicher Dicke pro Teilpaket).
-
Erfindungsgemäß wird ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt, welcher ein Statorblechpaket mit einer Vielzahl von Statorblechen aufweist, wobei die Statorbleche so angeordnet sind, dass sie ein erstes Teilpaket mit Statorblechen einer ersten Dicke und mindestens ein zweites Teilpaket mit Statorblechen einer zweiten Dicke bilden, welche kleiner als die erste Dicke ist. Bei den Teilpaketen handelt es sich um zusammenhängende Anordnungen von Statorblechen mit einer gleichen Dicke, wobei die Teilpakete innerhalb des Statorblechpakets aneinander angrenzen bzw. anliegen. Die Teilpakete können unterschiedliche Anzahlen von Statorblechen aufweisen (jedoch sind die Dicken der Statorbleche innerhalb eines Teilpakets gleich). Die einzelnen Statorbleche des Statorblechpakets sind, wie üblich, vollflächig miteinander gestapelt. Eine Lackschicht ist elektrisch isolierend ausgeführt und unterbricht Wirbelstrombahnen im Blechpaket in axialer Richtung, die von der Stapelrichtung der Blechpakete gegeben ist. Die Lackschicht wird bevorzugt möglichst dünn ausgeführt, um die Reduktion des Eisenfüllfaktors im Statorblechpaket so gering wie möglich zu halten.
-
Der Stator weist ferner eine Vielzahl von Nuten, welche in dem Statorblechpaket eingebarbeitet bzw. vorgesehen sind, zur Aufnahme der Statorwicklung sowie ein Kühlsystem auf, welches einen Kühlmitteleinlass, einen Kühlmittelauslass und Kühlkanäle aufweist, welche in oder an dem Stator angeordnet sind. Bei dem Kühlsystem handelt es sich von der Art her um das eingangs erwähnte Direktkühlsystem, bei dem die Wicklung in den Nuten vom Kühlmedium umströmt wird. Das Kühlsystem kann zusätzlich oder alternativ Kühlkanäle aufweisen, die an der Außenseite des Stators angeordnet, und als Mantelkühlung ausgebildet, sind. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Kühlsystems kann das Kühlmittel beispielsweise durch den Kühlmitteleinlass in einen axialen Endbereich des Stators eingeleitet werden und parallel durch die Nuten und/oder entlang der Außenseite des Stators in axialer Richtung strömen, bis die Einzelströmungen durch die Nuten und/oder entlang der Außenseite des Stators im gegenüberliegenden axialen Endbereich des Stators zusammengeführt werden und das erwärmte Kühlmittel schließlich durch den Kühlmittelauslass vom Stator weggeführt wird. In beiden Fällen, also bei Kühlmittelströmung durch die Nuten des Stators und/oder durch die Mantelfläche des Stators, erfolgt die Entwärmung des Stators über das Blechpaket.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Stator sind die Statorbleche aufweisenden Teilpakete so angeordnet, dass die Dicke der Statorbleche von einem dem Kühlmitteleinlass zugewandten Bereich des Statorblechpakets zu seinem dem Kühlmittelauslass zugewandten Bereich abnimmt. Die Abnahme der Dicke kann dabei verschiedene Ausgestaltungen annehmen, beispielsweise linear oder nicht linear, von Statorblech zu Statorblech oder von Teilpaket zu Teilpaket. Anders ausgedrückt ist die Dicke der Statorbleche in dem ersten Teilpaket, welches am Kühlmitteleinlass oder diesem am nächsten angeordnet ist, kleiner als die Dicke der Statorbleche in dem mindestens zweiten Teilpaket, welches am Kühlmittelauslass oder diesem am nächsten angeordnet ist. Allgemein ausgedrückt sieht es die erfindungsgemäße Auslegung des Stators also vor, dass in Strömungsrichtung des Kühlmittels jedes nächstliegende Statorblech eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich der Dicke des vorangehenden Statorblechs ist.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stators kann der Kühlmitteleinlass an einem ersten Axialende des Stators angeordnet sein.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stators kann der Kühlmittelauslass an einem zweiten Axialende des Stators angeordnet sein.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stators kann das Statorblechpaket ferner (mindestens) ein drittes Teilpaket aufweisen, welches eine Anordnung von Statorblechen mit einer dritten Dicke aufweist, die von der ersten und zweiten Dicke unterschiedlich ist. Die Teilpakete sind dabei so angeordnet, dass die Dicke der Statorbleche von einem dem Kühlmitteleinlass zugewandten Bereich des Statorblechpakets zu seinem dem Kühlmittelauslass zugewandten Bereich von Teilpaket zu Teilpaket abnimmt. Generell kann der erfindungsgemäße Stator so ausgebildet sein, dass die Abnahme der Dicke der Statorbleche zwischen Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass in variablen Schrittweiten erfolgen kann, wobei die Schrittweite der Anzahl von Blechpaketen mit einer gleichen Dicke entspricht.
-
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Auslegen eines Stators der zuvor beschriebenen elektrischen Maschine bereitgestellt, aufweisend: Berechnen einer zu erwartenden Temperaturverteilung des Statorblechpakets samt Statorwicklung; Anpassen der Anzahl der Teilpakete von Statorblechen sowie der Dicke der Statorbleche in jedem der Teilpakete unter der Maßgabe, dass die Dicke der Statorbleche von einer dem Kühlmitteleinlass zugewandten Seite des Statorblechpakets zu seiner dem Kühlmittelauslass zugewandten Seite abnimmt, so dass sich eine gleichmäßigere Temperaturverteilung des Stators ergibt. Im Rahmen dieses Optimierungsverfahrens kann beispielsweise die Temperaturverteilung im axialen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Stator betrachtet werden und der Annahme einer radialsymmetrischen Temperaturverteilung (die jedoch selbstverständlich von der Betrachtungsebene entlang der Längsachse abhängt). Den Referenzpunkt für die Bewertung des Optimierungsgrades hinsichtlich einer gleichmäßigeren Temperatur kann ein vergleichbares Statorblechpaket darstellen, bei dem alle Statorbleche die gleiche Dicke aufweisen, also nicht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens optimiert worden sind.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
- 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators.
- 2 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators.
-
In 1 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators 1 veranschaulicht. Der Stator 1 weist ein Statorblechpaket 2 auf mit einer Vielzahl von Statorblechen 3. Die Statorbleche 3 bilden eng aneinander anliegend und gegeneinander isoliert das Statorblechpaket 2 aus. Dabei sind die Statorbleche 3 so angeordnet sind, dass sie ein erstes Teilpaket 21 mit Statorblechen 3 einer ersten Dicke und ein zweites Teilpaket 22 mit Statorblechen 3 einer zweiten Dicke bilden, welche kleiner als die erste Dicke ist.
-
In dem Statorblechpaket 3 ist eine Vielzahl von Nuten 4 eingearbeitet, welche zum Beherbergen der Wicklungsstränge 11 einer Statorwicklung dienen. Die Innenräume der Nuten 4 sind zugleich Teil eines Kühlsystems 5, welches in dem Stator 1 integriert ist. Das Direktkühlsystem weist einen Kühlmitteleinlass 6, einen Kühlmittelauslass 7 und Kühlkanäle 8 auf, welche durch die Nuten 4 verlaufen. Im Betrieb zirkuliert das Kühlmittel durch das so gebildete Kühlsystem und nimmt beim Umströmen der Wicklungsstränge 11 in den Nuten 4 deren Abwärme sowie die Abwärme der Statorbleche 3 auf. Der Stator 1 ist zu seinem Innenraum 12 hin, in dem sich ein auf einer Welle gelagerter Rotor 15 befindet, mittels eines Spaltrohrs 13 (oder eines Liners) abgedichtet, so dass das Kühlmittel nicht aus dem Kühlsystem in den Innenraum 12 des Stators 1 eindringen kann. Mit Bezugszeichen 14 ist die Längsachse der elektrischen Maschine, insbesondere des Stators 1 versehen.
-
Wie der Darstellung in 1 entnommen werden kann, sind die beiden Teilpakete 21, 22 so angeordnet, dass die Dicke der Statorbleche 3 von einer dem Kühlmitteleinlass 6 zugewandten Seite des Statorblechpakets 2, welche einem ersten Axialende 10 des Stators 1 entspricht, zu seiner dem Kühlmittelauslass 7 zugewandten Seite, welche einem zweiten Axialende 9 des Stators 9 entspricht, abnimmt. Die Vorzüge einer derartigen Ausgestaltung sind bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erörtert worden.
-
In 2 ist ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators 1 veranschaulicht, welche der in 1 gezeigten Ausführungsform sehr ähnlich ist. Folglich sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden und werden nicht erneut beschreiben.
-
Die in 2 veranschaulichte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stators 1 kann als eine Weiterentwicklung der in 1 gezeigten Form dahingehend angesehen werden, dass hier die Reduzierung der Dicken der Statorbleche 3 in feineren Schritten erfolgt. Dazu ist zusätzlich zu dem ersten und zweiten in 1 gezeigten Teilpaket 21, 22 ein drittes Teilpaket 23 vorgesehen, das Statorbleche 3 aufweist, deren Dicke kleiner ist als die Dicke der Statorbleche 3 des zweiten Teilpakets 22. Folglich ist das dritte Teilpaket 23 zwischen dem zweiten Axialende 9 des Stators und dem zweiten Teilpaket 22 angeordnet. Es ist somit aus Sicht des die Nuten 4 durchströmenden Kühlmittels das letzte Teilpaket, welches zugleich Statorbleche 3 mit der kleinsten Dicke aufweist.
-
Wie zuvor erläutert, sind zahlreiche weitere Ausgestaltungen denkbar. Die genaue Auslegung des Statorblechpakets 2 des erfindungsgemäßen Stators 1 kann hinsichtlich der Anzahl der Teilpakete 21, 22, 23, der Anzahl der Statorbleche 3 pro Teilpaket 21, 22, 23 und der Dicke der Statorbleche 3 innerhalb eines Teilpakets 21, 22, 23 so gewählt werden, dass sich im Betrieb der elektrischen Maschine eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über den Stator 1 ergibt.
-
Die in den beiden 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stators 1 weisen ein Kühlsystem auf, das als Direktkühlsystem eingerichtet ist, da das Kühlmedium im Betrieb des Stators 1 durch die Nuten 4 strömt und damit die darin angeordnete Wicklung direkt kühlt. Zusätzlich oder alternativ können Kühlkanäle an der Außenseite des Stators 1 angeordnet sein, beispielsweise in einem diesen umgebenden Kühlmantel, in dem die Kühlkanäle eingearbeitet sind.
-
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
-
- DE 19942881 A1 [0006]
- DE 102015117603 A1 [0007]
