DE102022202686A1 - Electric motor and gas delivery device with electric motor - Google Patents

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Markus Pechinger
Muzaffar Fatdachow
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere für eine Gasfördervorrichtung, mit einem Stator (28) und einem Rotor (26), wobei der Stator (28) einen Statorabschnitt (34) mit Statorwicklungen (36) und wenigstens einen Wickelkopf (38) aufweist, wobei der Stator (28) von einer Kühlhülse (30) umgeben ist. Zwischen dem wenigstens einen Wickelkopf (38) und der Kühlhülse (30) ist wenigstens ein aus keramischem Werkstoff bestehender Einsatz (44, 144) angeordnet.The invention relates to an electric motor, in particular for a gas conveying device, with a stator (28) and a rotor (26), the stator (28) having a stator section (34) with stator windings (36) and at least one winding head (38), wherein the stator (28) is surrounded by a cooling sleeve (30). At least one insert (44, 144) made of ceramic material is arranged between the at least one winding head (38) and the cooling sleeve (30).

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Gasfördervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The invention relates to an electric motor according to the preamble of claim 1 and a gas delivery device according to the preamble of claim 6.

Stand der TechnikState of the art

Ein solcher Elektromotor und eine solche Gasfördervorrichtung in Form eines Luftverdichters für ein Brennstoffzellensystem ist durch die DE 10 2018 201 162 A1 bekannt. Dieser Luftverdichter weist ein mit einem Rotor verbundendes Verdichterrad auf, wobei der Rotor durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor weist einen Stator und den Rotor auf, wobei der Stator einen Statorgrundkörper aufweist und wenigstens einen Wickelkopf. Der Stator weist außerdem einen Statorabschnitt mit Statorwicklungen auf. Der Stator ist von einer Kühlhülse umgeben. Zwischen dem wenigstens einen Wickelkopf und der Kühlhülse ist einerseits eine elektrische Isolation erforderlich, andererseits sollte aber ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen dem Wickelkopf und der Kühlhülse erfolgen, um den Stator zu kühlen. Bei dem bekannten Elektromotor ist zwischen dem Wickelkopf und der Kühlhülse eine Vergussmasse aus Kunststoff vorhanden, die jedoch unter Umständen keine ausreichende Isolation und keinen guten Wärmeübergang ermöglicht.Such an electric motor and such a gas delivery device in the form of an air compressor for a fuel cell system is through the DE 10 2018 201 162 A1 known. This air compressor has a compressor wheel connected to a rotor, the rotor being driven by an electric motor. The electric motor has a stator and the rotor, the stator having a stator base body and at least one winding head. The stator also has a stator section with stator windings. The stator is surrounded by a cooling sleeve. On the one hand, electrical insulation is required between the at least one winding head and the cooling sleeve, but on the other hand, the best possible heat transfer should take place between the winding head and the cooling sleeve in order to cool the stator. In the known electric motor, there is a plastic casting compound between the winding head and the cooling sleeve, which, however, may not provide sufficient insulation and good heat transfer.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Elektromotor und die erfindungsgemäße Gasfördervorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, dass durch den wenigstens einen aus keramischem Werkstoff bestehenden Einsatz sowohl die elektrische Isolation als auch der Wärmeübergang vom wenigstens einen Wickelkopf zur Kühlhülse verbessert ist.The electric motor according to the invention and the gas conveying device according to the invention have the advantage that both the electrical insulation and the heat transfer from the at least one winding head to the cooling sleeve are improved by the at least one insert made of ceramic material.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 3 ist eine besonders gute Isolationswirkung ermöglicht. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 4 ist der Wärmeübergang weiter verbessert.Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent claims. The training according to claim 3 enables a particularly good insulation effect. The training according to claim 4 further improves the heat transfer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer als Luftverdichter ausgeführten Gasfördervorrichtung;
  • 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des Luftverdichters im Bereich eines Elektromotors von 1 in einem Längsschnitt;
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer Statoranordnung des Elektromotors von 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer Statoranordnung des Elektromotors von 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system with a gas delivery device designed as an air compressor;
  • 2 an enlarged view of a section of the air compressor in the area of an electric motor 1 in a longitudinal section;
  • 3 a perspective view of a stator arrangement of the electric motor 2 according to a first exemplary embodiment; and
  • 4 a perspective view of a stator arrangement of the electric motor 2 according to a second exemplary embodiment.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

In 1 ist in vereinfachter schematischer Weise ein Brennstoffzellensystem beispielsweise für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstack 10 auf, dem über ein Anodensystem 12 Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und über ein Kathodensystem 14 Oxidationsmittel, insbesondere Luft, zugeführt wird. Das Kathodensystem 14 weist eine Gasfördervorrichtung 16 in Form eines Luftverdichters auf, durch den dem Brennstoffzellenstack Luft in der für den jeweiligen Betriebszustand erforderlichen Menge mit dem erforderlichen Druck zugeführt wird. Der Luftverdichter 16 weist wie in 2 dargestellt ein mehrteiliges Gehäuse 18 auf, in dem ein Elektromotor 20 als Antrieb angeordnet ist, durch den eine Welle 22 um ihre Längsachse 23 rotierend angetrieben wird, mit der wenigstens ein Verdichterrad 24 verbunden ist. Die Welle 22 ist mit einem Rotor 26 des Elektromotors 20 verbunden oder der Rotor 26 ist Teil der Welle 22. Der Elektromotor 20 weist außerdem einen Stator 28 auf, der den Rotor 26 umgibt.In 1 A fuel cell system, for example for a motor vehicle, is shown in a simplified schematic manner. The fuel cell system has at least one fuel cell stack 10, to which fuel, for example hydrogen, is supplied via an anode system 12 and oxidizing agent, in particular air, via a cathode system 14. The cathode system 14 has a gas delivery device 16 in the form of an air compressor, through which air is supplied to the fuel cell stack in the amount required for the respective operating state at the required pressure. The air compressor 16 has as in 2 shown a multi-part housing 18, in which an electric motor 20 is arranged as a drive, through which a shaft 22 is driven to rotate about its longitudinal axis 23, to which at least one compressor wheel 24 is connected. The shaft 22 is connected to a rotor 26 of the electric motor 20 or the rotor 26 is part of the shaft 22. The electric motor 20 also has a stator 28 which surrounds the rotor 26.

Der Stator 28 ist im Gehäuse 18 angeordnet und von einer Kühlhülse 30 umgeben. Zwischen dem Außenmantel der Kühlhülse 30 und dem diese umgebenden Gehäuse 18 ist ein Raum 31 vorhanden, der von einem Kühlmedium durchströmt ist, wobei das Kühlmedium flüssig oder gasförmig sein kann. Der Stator 28 weist einen Statorgrundkörper 32 auf, der aus einer Mehrzahl von zu einem Paket zusammengesetzten Statorblechen aufgebaut sein kann. Auf einem in Richtung der Längsachse 23 der Welle 22 gesehen mittleren Statorabschnitt 34 des Statorgrundkörpers 32 sind Statorwicklungen 36 angeordnet. Die Statorwicklungen 36 verlaufen zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnenden des Stators entlang der Längsachse 23. An den Stirnenden ragen die Statorwicklungen 36 über den Statorgrundkörper 32 in Längsrichtung hinaus und bilden hierbei sogenannte Wickelköpfe 38. Im Bereich dieser Wickelköpfe 38 verlaufen die einzelnen Statorwicklungen 36 quer zur Längsachse 23 des Stators 28 etwa in dessen Umfangsrichtung. Im Bereich der Wickelköpfe 38 weist der Stator 28 jeweils einen größeren Durchmesser auf als im mittleren Statorabschnitt 34.The stator 28 is arranged in the housing 18 and surrounded by a cooling sleeve 30. Between the outer jacket of the cooling sleeve 30 and the housing 18 surrounding it there is a space 31 through which a cooling medium flows, wherein the cooling medium can be liquid or gaseous. The stator 28 has a stator base body 32, which can be constructed from a plurality of stator laminations assembled into a package. Stator windings 36 are arranged on a central stator section 34 of the stator base body 32 as seen in the direction of the longitudinal axis 23 of the shaft 22. The stator windings 36 run between two opposite front ends of the stator along the longitudinal axis 23. At the front ends, the stator windings 36 protrude beyond the stator base body 32 in the longitudinal direction and thereby form so-called winding heads 38. In the area of these winding heads 38, the individual stator windings 36 run transversely to the longitudinal axis 23 of the stator 28 approximately in its circumferential direction. In the area of the winding heads 38, the stator 28 has a larger diameter than in the central stator section 34.

In radialer Richtung bezüglich der Längsachse 23 ist zwischen dem Stator 28 und dem Innenmantel der Kühlhülse 30 ein Zwischenraum 40 vorhanden. Der Zwischenraum 40 ist teilweise mit einer Vergussmasse 42 aus elektrisch isolierendem Kunststoff gefüllt. Außerdem ist im Zwischenraum 40 zwischen dem Außenumfang der Wickelköpfe 38 und dem Innenmantel der Kühlhülse 30 wenigstens ein Einsatz 44 angeordnet, der aus einem keramischen Werkstoff besteht. Der wenigstens eine Einsatz 44 befindet sich radial nach innen in Anlage am jeweiligen Wickelkopf 38 und radial nach außen in Anlage am Innenmantel der Kühlhülse 30.In the radial direction with respect to the longitudinal axis 23, a gap 40 is present between the stator 28 and the inner jacket of the cooling sleeve 30. The space 40 is partially filled with a casting compound 42 made of electrically insulating plastic. In addition, at least one insert 44, which consists of a ceramic material, is arranged in the space 40 between the outer circumference of the winding heads 38 and the inner jacket of the cooling sleeve 30. The at least one insert 44 is located radially inwardly in contact with the respective winding head 38 and radially outward in contact with the inner jacket of the cooling sleeve 30.

In 3 sind der Statorgrundkörper 32 und die Kühlhülse 30 mit dem wenigstens einen Einsatz 44 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Beim ersten Ausführungsbeispiel ist bei jedem Wickelkopf 38 ein Einsatz 44 vorgesehen, der hülsenförmig als den Wickelkopf 38 zumindest über einen Teil von dessen Umfang umgebender Ring ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Einsatz 44 als geschlossener Ring ausgebildet. Die Breite b des Einsatzes 44 in Richtung der Längsachse 23 ist vorzugsweise etwa so groß wie die Breite des jeweiligen Wickelkopfs 38. Die Dicke des Einsatzes 44 in radialer Richtung bezüglich der Längsachse 23 ist so groß, dass dieser den Zwischenraum 40 möglichst vollständig ausfüllt.In 3 the stator base body 32 and the cooling sleeve 30 are shown with the at least one insert 44 according to a first exemplary embodiment. In the first exemplary embodiment, an insert 44 is provided for each winding head 38, which is designed in the form of a sleeve as a ring surrounding the winding head 38 at least over part of its circumference. The insert 44 is preferably designed as a closed ring. The width b of the insert 44 in the direction of the longitudinal axis 23 is preferably approximately as large as the width of the respective winding head 38. The thickness of the insert 44 in the radial direction with respect to the longitudinal axis 23 is so large that it fills the gap 40 as completely as possible.

Der jeweilige Einsatz 44 ist zwischen dem Wickelkopf 38 und der Kühlhülse 30 fixiert. Vorzugsweise ist der jeweilige Einsatz 44 in die Kühlhülse 30 eingepresst oder thermisch in die Kühlhülse 30 gefügt. Dabei wird die Kühlhülse 30 erwärmt damit diese sich ausdehnt. Der Einsatz 44 wird in die erwärmte Kühlhülse 30 mit geringem radialem Spiel eingesetzt und nach dem Abkühlen der Kühlhülse 30 ist der Einsatz 44 in der geschrumpften Kühlhülse 30 fixiert. Das Einbringen der Einsätze 44 in die Kühlhülse 30 kann in einem Arbeitsgang mit dem Einbringen der Statorwicklungen 36 erfolgen, der ebenfalls bei erwärmter Kühlhülse 30 in die Kühlhülse 30 eingeschoben werden.The respective insert 44 is fixed between the winding head 38 and the cooling sleeve 30. Preferably, the respective insert 44 is pressed into the cooling sleeve 30 or thermally joined into the cooling sleeve 30. The cooling sleeve 30 is heated so that it expands. The insert 44 is inserted into the heated cooling sleeve 30 with little radial play and after the cooling sleeve 30 has cooled down, the insert 44 is fixed in the shrunken cooling sleeve 30. The inserts 44 can be inserted into the cooling sleeve 30 in one operation with the insertion of the stator windings 36, which are also inserted into the cooling sleeve 30 when the cooling sleeve 30 is heated.

In 4 sind der Statorgrundkörper 32 und die Kühlhülse 30 mit dem wenigstens einen Einsatz 44 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Beim zweiten Ausführungsbeispiel umfasst der Einsatz 44 bei jedem Wickelkopf 38 mehrere über dessen Umfang verteilt angeordnete, ringsegmentförmige Einsatzsegmente 144. In Umfangsrichtung sind zwischen den Einsatzsegmenten 144 Bereiche 46 vorhanden, die vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Kunststoff bestehen. Beispielsweise können die Einsatzsegmente 144 von dem Material der Bereiche 46 seitlich umspritzt sein und dadurch auch am jeweiligen Wickelkopf 38 gehalten sein. Als Material für die Bereiche 46 kann auch das Material der Vergussmasse 42 verwendet werden. Die Breite b der Einsatzssegmente 144 in Richtung der Längsachse 23 ist vorzugsweise etwa so groß wie die Breite des jeweiligen Wickelkopfs 38.In 4 the stator base body 32 and the cooling sleeve 30 are shown with the at least one insert 44 according to a second exemplary embodiment. In the second exemplary embodiment, the insert 44 comprises a plurality of ring segment-shaped insert segments 144 for each winding head 38, which are distributed over its circumference. In the circumferential direction, there are areas 46 between the insert segments 144, which preferably consist of electrically insulating material, for example plastic. For example, the insert segments 144 can be laterally encapsulated by the material of the areas 46 and thereby also be held on the respective winding head 38. The material of the casting compound 42 can also be used as the material for the areas 46. The width b of the insert segments 144 in the direction of the longitudinal axis 23 is preferably approximately as large as the width of the respective winding head 38.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102018201162 A1 [0002]DE 102018201162 A1 [0002]

Claims (7)

Elektromotor, insbesondere für eine Gasfördervorrichtung, mit einem Stator (28) und einem Rotor (26), wobei der Stator (28) einen Statorabschnitt (34) mit Statorwicklungen (36) und wenigstens einem Wickelkopf (38) aufweist, wobei der Stator (28) von einer Kühlhülse (30) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen Wickelkopf (38) und der Kühlhülse (30) wenigstens ein aus keramischem Werkstoff bestehender Einsatz (44, 144) angeordnet ist.Electric motor, in particular for a gas delivery device, with a stator (28) and a rotor (26), the stator (28) having a stator section (34) with stator windings (36) and at least one winding head (38), the stator (28 ) is surrounded by a cooling sleeve (30), characterized in that at least one insert (44, 144) made of ceramic material is arranged between the at least one winding head (38) and the cooling sleeve (30). Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einsatz (44, 144) in Anlage an der Kühlhülse (30) und/oder am wenigstens einen Wickelkopf (38) ist.electric motor Claim 1 , characterized in that the at least one insert (44, 144) rests on the cooling sleeve (30) and/or on at least one winding head (38). Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (44) hülsenförmig als zumindest annähernd geschlossener Ring ausgebildet ist.electric motor Claim 1 or 2 , characterized in that the insert (44) is designed in the form of a sleeve as an at least approximately closed ring. Statoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (44) mittels einer Press- oder Schrumpfpassung in der Kühlhülse (30) angeordnet ist.Stator arrangement according to Claim 3 , characterized in that the insert (44) is arranged in the cooling sleeve (30) by means of a press or shrink fit. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (44) mehrere ringsegmentförmige Einsatzsegmente (144) umfasst, die über den Umfang des wenigstens einen Wickelkopfs (38) verteilt angeordnet sind.electric motor Claim 1 or 2 , characterized in that the insert (44) comprises a plurality of ring segment-shaped insert segments (144) which are arranged distributed over the circumference of the at least one winding head (38). Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Einsatzsegmenten (144) Bereiche (46) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind.electric motor Claim 5 , characterized in that areas (46) made of electrically insulating material are arranged between the insert segments (144). Gasfördervorrichtung, insbesondere Luftverdichter für ein Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einem mit einer Welle (22) verbundenen Verdichterrad (24), wobei die Welle (22) durch einen Rotor (26) eines Elektromotors (20) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (20) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.Gas delivery device, in particular air compressor for a fuel cell system, with at least one compressor wheel (24) connected to a shaft (22), the shaft (22) being driven by a rotor (26) of an electric motor (20), characterized in that the electric motor ( 20) is designed according to one of the preceding claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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