DE10361864A1

DE10361864A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10361864A1
Application number: DE10361864A
Authority: DE
Inventors: Horst Braun; Thomas Berger; Eugen Hellekes; Robert Goldschmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2005-07-28
Also published as: EP1702399A1; JP2007517485A; CN1902805A; US20070063593A1; WO2005064772A1; US7518271B2

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge, vorgeschlagen, wobei diese ein Gehäuse (13) aufweist, in dem ein Stator (16) gehalten ist, 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, wobei ein Strömungsquerschnitt des Strömungswegs durch den Stator (16) und das Gehäuse (13) begrenzt ist. Der Strömungsweg ist ständerseitig durch am Außenumfang des Stators (16) angeordnete Ständeraußenzähne (62) begrenzt.

Description

Stand der Technik
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.
Vorteile der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Darüber hinaus sind die Schwingungseigenschaften des Gehäuseteils durch diese Überdeckung des Ständers verbessert.
Zur weiteren Verbesserung ist vorgesehen, dass die Gehäusezähne in Umfangsrichtung breiter als die Ständeraußenzähne sind.
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.
Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine dargestellt. Es zeigen
1 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine in der Ausführung eines Drehstromgenerators,
2 in einem ersten Ausführungsbeispiel einen Teilquerschnitt einer Übergangsstelle zwischen Ständereisen und Gehäuse,
2a in einem zweiten Ausführungsbeispiel einen Teilquerschnitt einer Übergangsstelle zwischen Ständereisen und Gehäuse,
3 eine ausschnittsweise Ansicht eines Ständereisens,
4 ausschnittsweise eine Ansicht in Axialrichtung des Ständereisens in Richtung zu einem Gehäuseteil,
5 eine räumliche Ansicht auf eine Innenseite eines Gehäuseteils,
6 eine Teilansicht zur Darstellung gewisser Maßverhältnisse im Übergang von Ständereisen zum Gehäuseteil.
Beschreibung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
6 zeigt in vereinfachter Darstellung die sich gegenüberstehenden Gehäusezähne 71 bzw. Ständeraußenzähne 62, in der Ebene der axialen Stirnseite 58 bzw. 57. Ein Innendurchmesser D_iN der Ständeraußennuten 64 ist als der Durchmesser des Nutgrunds der Ständeraußennuten 64 definiert. Der Innendurchmesser D_iZ 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 D_iZ der Gehäusezähne 71 größer als ein Innendurchmesser DiN der Ständeraußennuten 64 ist.
Wie in 6 auch erkennbar ist, sollen die Gehäusezähne 71 in Umfangsrichtung breiter als die Ständeraußenzähne 62 sein.
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.
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.

Claims

Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge, mit einem in einem Gehäuse (13) gehaltenen 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, wobei ein Strömungsquerschnitt des Strömungswegs durch den Stator (16) und das Gehäuse (13) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg ständerseitig durch am Außenumfang des Stators (16) angeordnete Ständeraußenzähne (62) begrenzt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Joch (60) sich nach außen erstreckende Ständeraußenzähne (62) ausgehen, die die Ständeraußennuten (64) in Umfangsrichtung begrenzen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (16) über seine Ständeraußenzähne (62) im Gehäuse (13) gehalten ist, wobei das Gehäuse (13) an einer axialen Stirnfläche (57) der Ständeraußenzähne (62) anliegt und die Ständeraußenzähne (62) von einer Gehäuseöffnung passend aufgenommen sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Stator (16) benachbartes Gehäuseteil (13.1, 13.2) eine gezahnte bzw. genutete Stirnfläche (58) aufweist, wobei Gehäusenuten (70) den Ständeraußennuten (64) gegenüberstehen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusenuten (70) in einem Ringbereich (50) des Gehäuseteils (13.1, 13.2) verlaufen und in diesem enden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusenuten (70) mit einer Schräge (73) enden.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gehäusenuten (70) mit Gehäusezähnen (71) abwechseln und ein Innendurchmesser (D_iZ) der Gehäusezähne (71) größer als ein Innendurchmesser (D_iN) der Ständeraußennuten (64) ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der durchgehende Ringbereich (50) in Bezug zu seiner gesamten axialen Länge zu mindestens einem Drittel bis zu etwa seiner Hälfte über ein Ständereisen (17) erstreckt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusezähne (71) in Umfangsrichtung breiter als die Ständeraußenzähne (62) sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständeraußenzähne in erster Näherung über eine radiale Länge von 40% bis 70% und in zweiter Näherung von 50% bis 64% durch Gehäusezähne bzw. die axiale Stirnseite (58) überdeckt sind.