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Stand der
Technik
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 44 25 000 A1 ist eine elektrische Maschine,
ausgeführt
als Drehstromgenerator für
Kraftfahrzeuge, bekannt. Dort ist u.a. beschrieben, dass ein Luftspalt vorgesehen
werden kann, der zwischen einem Umfangsbereich eines Gehäuseteils
und dem Blechpaket des Ständers
angeordnet ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, wobei u.a. vorgesehen
ist, dass der Strömungsweg
ständerseitig
durch am Außenumfang
des Ständers
angeordnete Ständeraußennuten
begrenzt ist, hat den Vorteil, dass die Kühlfläche des Ständers dadurch deutlich vergrößert und
somit der Ständer
an seiner Außenoberfläche besser
kühlbar
ist.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn vom Joch sich nach radial außen und
in Axialrichtung erstreckende Außenzähne ausgehen, die die Ständeraußennuten
in Umfangsrichtung begrenzen. Dies hat den Vorteil, dass das Joch
nicht geschwächt
wird, sondern durch zusätzliches,
vom Joch ausgehendes Material, die Oberfläche vergrößert wird. Dies verbessert
einerseits den magnetischen Fluss im Ständereisen und zudem die Wärmeleitung.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ständer über seine Außenzähne im Gehäuse gehalten
ist, wobei das Gehäuse
an einer axialen Stirnfläche
der Ständeraußenzähne anliegt
und die Ständeraußenzähne von einer
Gehäuseöffnung passend
aufgenommen sind. Durch diese Maßnahme wird zusätzlich der
Wärmeübergang
vom Ständereisen über dessen
Ständeraußenzähne an das
Gehäuse
verbessert, da die Ständeraußenzähne zumindest
teilweise in der Gehäuseöffnung am
Gehäuse
anliegen.
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Eine
weitere Verbesserung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass ein
dem Ständer
benachbartes Gehäuseteil,
beispielsweise ein Lagerschild, eine gezahnte bzw. genutete Stirnfläche aufweist,
wobei Gehäusenuten
den Ständeraußennuten
gegenüberstehen.
Durch diese Maßnahme
wird eine verbesserte Strömungsführung im Übergangsbereich
d. h. an der Schnittstelle zwischen Ständer und Lagerschild ermöglicht,
da durch die gezahnte bzw. genutete Stirnfläche zusätzliche Kanäle bzw. Strömungsmöglichkeiten eröffnet sind
und somit der Strömungswiderstand
in diesem Bereich weiter sinkt. Der Volumenstrom für das Kühlmittel
kann somit weiter erhöht werden,
die Temperatur des Ständers
sinkt dadurch.
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Zur
Einstellung der gewünschten
Kühlluftmenge
im Bereich der Anlagefläche
zwischen Ständer
und Gehäuseteil
ist vorgesehen, dass die Gehäusenuten
in einem Ringbereich des Gehäuseteils
verlaufen und in diesem auch enden. Zusätzlich wird über die
Gestaltung, beispielsweise hinsichtlich der Länge dieser Gehäusenuten,
auch die Stabilität
des Ringbereichs hinsichtlich der Schwingungseigenschaften und somit
der Empfindlichkeit hinsichtlich Bruch beeinflusst. Ohne das Enden
der Gehäusenuten
im Ringbereich würde
das Gehäuseteil
zu stark geschwächt
werden. Es ist dabei vorgesehen, dass die Gehäusenuten mit einer Schräge enden.
Dies hat den Vorteil, dass der effektive Strömungsquerschnitt im Übergang
von dem Bereich außerhalb
der Wickelköpfe
des Ständereisens
bzw. Ständers
zum Gehäuseteil
besonders groß ist.
Die Strömung
kann dadurch besser geführt
werden. Zudem ist die Gefahr einer Verschmutzung und somit einer
Verstopfung dieser Öffnungen
verringert.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
sich die Gehäusenuten mit
Gehäusezähnen abwechseln
und ein Innendurchmesser der Gehäusezähne größer als
ein Innendurchmesser der Ständeraußennuten
ist. Dies hat den Vorteil, dass direkt in der Ebene, in der der Ständer am
Gehäuseteil
anliegt, die Versperrung des Strömungsweges
durch die Gehäusezähne besonders
klein ist. Dies führt dazu,
dass der Strömungswiderstand
in diesem Strömungspfad
verringert ist, und somit auch der Kühlmitteldurchsatz mit den bekannten
Folgen verbessert ist.
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Zur
verbesserten Strömungsführung ist
vorgesehen, dass sich der durchgehende Ringbereich in Bezug zu seiner
gesamten axialen Länge
zu mindestens einem Drittel bis zu etwa seiner Hälfte über den Ständer erstreckt. Damt deckt
der durchgehende Ringbereich über
eine gewisse Länge
den Ständer bzw.
dessen Ständeraußenzähne ab.
Dies führt
dazu, dass die Kühlluft
länger über die
Oberfläche
der Ständeraußenzähne strömen kann
und somit der Kühleffekt
für den
Ständer
bzw. das Ständereisen verbessert
ist.
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Darüber hinaus
sind die Schwingungseigenschaften des Gehäuseteils durch diese Überdeckung des
Ständers
verbessert.
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Zur
weiteren Verbesserung ist vorgesehen, dass die Gehäusezähne in Umfangsrichtung
breiter als die Ständeraußenzähne sind.
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Zur
weiteren Optimierung des Wärmeübergangs
bzw. der Strömungseigenschaften
ist vorgesehen, dass die Ständeraußenzähne in erster
Näherung über eine
radiale Länge
von 40% bis 70% durch Gehäusezähne überdeckt
sind. In zweiter Näherung ist
vorgesehen, dass diese Überdeckung
zwischen 50% bis 64% beträgt.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine dargestellt. Es zeigen
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1 einen
Querschnitt durch eine elektrische Maschine in der Ausführung eines
Drehstromgenerators,
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2 in
einem ersten Ausführungsbeispiel einen
Teilquerschnitt einer Übergangsstelle
zwischen Ständereisen
und Gehäuse,
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2a in
einem zweiten Ausführungsbeispiel
einen Teilquerschnitt einer Übergangsstelle
zwischen Ständereisen
und Gehäuse,
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3 eine
ausschnittsweise Ansicht eines Ständereisens,
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4 ausschnittsweise
eine Ansicht in Axialrichtung des Ständereisens in Richtung zu einem Gehäuseteil,
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5 eine
räumliche
Ansicht auf eine Innenseite eines Gehäuseteils,
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6 eine
Teilansicht zur Darstellung gewisser Maßverhältnisse im Übergang von Ständereisen zum
Gehäuseteil.
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Beschreibung
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In 1 ist
ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine 10, hier
in der Ausführung
als Generator bzw. Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge, dargestellt.
Diese elektrische Maschine 10 weist u.a. ein zweiteiliges
Gehäuse 13 auf,
das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten
Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und
das Lagerschild 13.2 nehmen in sich einen sogenannten Stator 16 auf,
der einerseits aus einem im Wesentlichen kreisringförmigen Ständereisen 17 besteht,
und in dessen nach radial innen gerichtete, sich axial erstreckende
Nuten eine Ständerwicklung 18 eingelegt
ist. Dieser ringförmige
Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten
genuteten Oberfläche
einen Rotor 20, der als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Rotor 20 besteht
u.a. aus zwei Klauenpolplatinen 22 und 23, an
deren Außenumfang
jeweils sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 angeordnet
sind. Beide Klauenpolplatinen 22 und 23 sind im
Rotor 20 derart angeordnet, dass deren sich in axialer
Richtung erstreckende Klauenpolfinger 24 bzw. 25 am
Umfang des Rotors 20 einander abwechseln. Es ergeben sich
dadurch magnetisch erforderliche Zwischenräume zwischen den gegensinnig
magnetisierten Klauenpolfingern 24 und 25, die
als Klauenpolzwischenräume
bezeichnet werden. Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und
je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 28 in den
jeweiligen Lagerschilden 13.1 bzw. 13.2 drehbar
gelagert.
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Der
Rotor 20 weist insgesamt zwei axiale Stirnflächen auf,
an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt
ist. Dieser Lüfter 30 besteht
im Wesentlichen aus einem plattenförmigen bzw. scheibenförmigen Abschnitt,
von dem Lüfterschaufeln
in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu, über Öffnungen 40 in
den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch
zwischen der Außenseite
der elektrischen Maschine 10 und dem Innenraum der elektrischen
Maschine 10 zu ermöglichen.
Dazu sind die Öffnungen 40 im
Wesentlichen an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die
mittels der Lüfter 30 Kühlluft in
den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese
Kühlluft
wird durch die Rotation der Lüfter 30 nach
radial außen
beschleunigt, so dass diese durch den kühlluftdurchlässigen Wicklungsüberhang 45 hindurchtreten
kann. Durch diesen Effekt wird der Wicklungsüberhang 45 gekühlt. Die
Kühlluft
nimmt nach dem Hindurchtreten durch den Wicklungsüberhang 45 bzw.
nach dem Umströmen
dieses Wicklungsüberhangs 45 einen
Weg nach radial außen, durch
hier in dieser 1 nicht dargestellte Öffnungen.
Des weiteren nimmt die Kühlluft
einen Weg in der Fuge zwischen dem Lagerschild 13.1 und
dem Ständereisen 17 bzw.
in der Fuge zwischen dem Ständereisen 17 und
dem Lagerschild 132. Auf die nähere Ausgestaltung der Fugen
zwischen Ständereisen 17 und
Lagerschild 13.1 bzw. Lagerschild 13.2 wird zu
den nachfolgenden Figuren näher
eingegangen.
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2 zeigt
den Übergang
vom Gehäuse 13 bzw.
Gehäuseteil 13.1 zum
Stator 16 bzw. Ständereisen 17.
Das Gehäuse 13 bzw.
Gehäuseteil 13.1 hat einen
Ringbereich 50, der über
Rippen 51 in axialer bzw. radialer Richtung mit einem plattenförmigen Abschnitt 52 des
Gehäuseteils
verbunden ist. Das Gehäuseteil 13.1 hat
somit eine im Wesentlichen topfförmige
Gestalt. Im Bereich der Rippen 51 ergeben sich durch deren
Verteilung am Außenumfang
des Gehäuseteils 13.1 zwischen
jeweils zwei Rippen 51 Öffnungen 54,
die dazu dienen, die durch den Wicklungsüberhang 45 hindurchgetretene
Kühlluft
nach außen
gelangen zu lassen.
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Der
Ringbereich 50 dient dazu, den Stator 16 aufzunehmen.
Der Stator 16 ist dabei im Gehäuse bzw. Gehäuseteil 13.1 derart
gehalten, dass der Stator 16 mit einer seiner axialen Stirnseiten 57 an
einer axialen Anlagefläche
im Gehäuseteil 13.1 bzw.
Ringbereich 50 anliegt. Zwischen zwei benachbarten Ständeraußenzähnen 62 erstrecken
sich ebenfalls in Axialrichtung je eine Ständeraußennut 64. Der Stator 16 liegt
somit mit einer axialen Stirnseite bzw. den einzelnen axialen Stirnseiten 57 seiner
Außenzähne 62 an
einer axialen Stirnseite 58 des Ringbereichs 50 an.
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Der
Innendurchmesser des Ringbereichs 50 ist dabei derartig
gewählt,
dass nach der Montage bzw. dem Einpassen des Stators 16 in
das Gehäuseteil 13.1 in
der Fuge zwischen diesen beiden Bauteilen Öffnungen frei bleiben, die
eine Durchströmung vom
Bereich des Wickelkopfs 45 zum Außenumfang des Stators 16 in
der Fuge zwischen Ringbereich 50 und Stator 16 ermöglichen.
Ständerseitig
ist dabei der Strömungsweg
durch die am Außenumfang
des Ständers
bzw. Stators 16 angeordnete Ständeraußennuten 64 begrenzt.
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Zusammenfassend
lässt sich
somit feststellen, dass eine elektrische Maschine vorgesehen ist, mit
einem in einem Gehäuse 13 gehaltenen
Ständer bzw.
Stator 16, wobei der Stator 16 im Gehäuse 13 derart
gehalten ist, dass der Stator 16 von einer seiner axialen
Stirnseiten 57 zu einem Umfangsbereich des Stators 16 durch
eine Kühlmittelströmung umströmbar ist.
Der Strömungsquerschnitt
des Strömungswegs
ist dabei durch den Stator 16 und das Gehäuse 13 begrenzt,
wobei der Stator 16 hierbei besonders ausgestaltet ist,
indem der Strömungsweg ständerseitig
durch am Außenumfang
des Stators 16 angeordnete Ständeraußenzähne 62 begrenzt ist.
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Dieser
Zusammenhang gilt auch für
eine leicht modifizierte Konstruktion, siehe auch 2a. Im
Gegensatz zur Ausführung
nach 2 ist hier jedoch der Strömungsdurchtritt erschwert,
da der Ringbereich 50 des hier gezeigten Gehäuseteils 13.1 keine
speziellen Merkmale zur Verbesserung dieses Zustands aufweist, siehe
auch 3.
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In
beiden Ausführungsbeispielen
sind die Ständeraußenzähne 62 von
einer Gehäuseöffnung passend
aufgenommen. Zur Verbesserung, d.h. zur Vergrößerung des Strömungsdurchtritts
bzw. der Strömungsöffnung direkt
in der Fuge zwischen Gehäuseteil 13.1 und
Stator 16 ist vorgesehen, dass ein dem Stator 16 benachbartes
Gehäuseteil,
hier in diesem Fall das Gehäuseteil 13.1,
eine gezahnte bzw. genutete Stirnfläche 58 aufweist, wobei
Gehäusenuten
den Ständeraußennuten 54 in
axialer Richtung gegenüberstehen.
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4 zeigt
ausschnittweise eine axiale Ansicht auf die Fuge zwischen Gehäuseteil 13.1 und Stator 16.
Deutlich zu erkennen sind die Stünderaußenzähne 62 und
die dazwischen angeordneten Ständeraußennuten 64.
Entsprechend der Außenkontur
des Stators 16 ist der Ringbereich 50 an der den
Stator 16 aufnehmenden Stelle gezahnt bzw. genutet. Dies
bedeutet, dass der in axialer Richtung dem Stator 16 gegenüber liegende
Bereich bzw. die axiale Stirnseite 58 Gehäusenuten 70 und
Gehäusezähne 71 aufweist.
Der Ringbereich 50 des Gehäuseteils 13.1 ist
somit an der dem Stator 16 zugerichteten Seite über seinen
Innenumfang gezahnt bzw. genutet und ähnelt somit äußerlich
in diesem Bereich einem sogenannten Hohlzahnrad. Wie in 4 deutlich
zu erkennen ist. ist vorgesehen, dass die Gehäusenuten 70 den Ständeraußennuten 64 gegenüber stehen
oder, anders formuliert, dass den Gehäusezähnen 71 die Ständeraußenzähne 62 gegenüberstehen.
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In 5 ist
ausschnittsweise eine räumliche Ansicht
auf den Innenraum des Gehäuseteils 13.1 dargestellt.
Der Ringbereich 50 ist grob angegeben und verläuft von
dem Bereich, der für
die Aufnahme des Stators 16 vorgesehen ist, bis zu dem
Bereich, wo die Öffnungen 54 beginnen.
Deutlich zu erkennen sind in dieser Ansicht die sich abwechselnden
Gehäusenuten 70 bzw.
Gehäusezähne 71.
Diese Gehäusenuten 70 sind
bereits in 2 zu erkennen. Auch dort ist
bereits die Schräge 73 dargestellt,
mit der die Gehäusenuten 70 enden.
Die Gehäusenuten 70 verlaufen
im Ringbereich 50 des Gehäuseteils 13.1 und
enden auch in diesem Ringbereich 50.
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6 zeigt
in vereinfachter Darstellung die sich gegenüberstehenden Gehäusezähne 71 bzw. Ständeraußenzähne 62,
in der Ebene der axialen Stirnseite 58 bzw. 57.
Ein Innendurchmesser DiN der Ständeraußennuten 64 ist
als der Durchmesser des Nutgrunds der Ständeraußennuten 64 definiert.
Der Innendurchmesser DiZ der Gehäusezähne 71 ist
der von den Gehäusezähnen 71 beschriebene
kleinste Durchmesser. Es ist dabei vorgesehen, dass sich einerseits
die Gehäusenuten 70 mit
Gehäusezähnen 71 abwechseln
und ein Innendurchmesser DiZ der Gehäusezähne 71 größer als
ein Innendurchmesser DiN der Ständeraußennuten 64 ist.
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Wie
in 6 auch erkennbar ist, sollen die Gehäusezähne 71 in
Umfangsrichtung breiter als die Ständeraußenzähne 62 sein.
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Des
weiteren ist vorgesehen, dass die Ständeraußenzähne 62 in erster Näherung über eine
radiale Länge
von 40% bis 70% durch Gehäusezähne 71 bzw.
die axiale Stirnseite 58 überdeckt sind. In zweiter Näherung ist
vorgesehen, dass die Überdeckung
zwischen 50% und 64% ist.
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Für den Ringbereich 50 ist
vorgesehen, dass sich dieser in Bezug zu seiner gesamten axialen
Länge zu
mindestens einem Drittel bis zu etwa seiner Hälfte das Ständereisen 17 erstreckt.