DE19954434A1 - Elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung - Google Patents

Abstract

Elektrische Maschine mit einem Stator, sowie einer Kühleinrichtung, die mindestens einen mit einem Kühlmedium gefüllten Kühlkanal aufweist, der die Abwärme abführt, wobei die Kühleinrichtung mindestens ein schalenförmiges Gehäuseteil aufweist, wobei das schalenförmige Gehäuseteil mit einem Wandungsbereich des Stators den Kühlkanal bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Beim Betrieb einer elektrischen Maschine entsteht Abwärme, die abgeführt wer­ den muß, da die Maschine ansonsten Schaden nehmen kann. Die einfachste Lö­ sung liegt in einem einfachen Ventilator, der Kühlluft durch die elektrische Ma­ schine fördert. Möglich sind auch Kühlrippen am Gehäuse der elektrischen Ma­ schine, wobei diese Lösung eine entsprechende Umgebungstemperatur fordert.

Bei elektrischen Maschinen in Anlagen, die selbst noch Abwärme erzeugen, so z. B. bei einer Kombination mit einem Verbrennungsmotor, muß ein größerer Auf­ wand betrieben werden, um die anfallende Abwärme abzuführen.

Beispielhaft wird auf die DE 196 37 671 C1 verwiesen, die eine elektrische Ma­ schine mit einer Kühleinrichtung beschreibt. Teil der Kühleinrichtung ist ein Ge­ häuse, in dem ein flexibler Schlauch angeordnet ist. Dieser flexible Schlauch schließt die Maschine außenseitig ein, wobei aus der Zeichnung zu erkennen ist, daß auch der Schlauch außenseitig an dem Statorblechpaket anliegt.

Der Wärmeübergang von dem Statorblechpaket in das Kühlmedium wird auf­ grund der bei jedem Körper vorhandenen Isolierwirkung erschwert. Des weiteren muß ein sehr hochwertiges Material eingesetzt werden, da übliche Kunststoffe bei den anfallenden Betriebstemperaturen nicht dauerfest sind.

Als zusätzlicher Nachteil ist zu berücksichtigen, daß bei einer industriellen Ferti­ gung nie auszuschließen ist, daß der Schlauch beschädigt wird und unkontrolliert Kühlmedium austritt und weitere Schäden zur Folge hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung zu schaffen, die in der Montage einfach und einen möglichst guten Wärmeübergang in das Kühl­ medium aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kühleinrichtung min­ destens ein schalenförmiges Gehäuseteil aufweist, wobei das schalenförmige Gehäuseteil mit einem Wandungsbereich des Stators den Kühlkanal bildet.

Ein wesentlicher Vorteil wird darin gesehen, daß ein möglichst direkter Wärme­ übergang vom Stator auf die Kühleinrichtung möglich ist. Unnötige Zwischen­ wandungen, die selbst-tJei guter Wärmeleitfähigkeit immer eine isolierende Wir­ kung ausüben, entfallen. Des weiteren ergibt sich ein Gewichtsvorteil aufgrund der Materialeinsparung am Gehäuse.

Bei einer Ausführungsform weist der Stator axial verlaufende Kanäle auf, die endseitig von dem schalenförmigen Gehäuse abgedeckt werden. In der einfach­ sten Form kann das schalenförmige Gehäuse wie ein Ring mit einem Halbkreis­ querschnitt ausgeführt sein, der stirnseitig am Stator befestigt ist.

Bei einer vorgegebenen Strömungsrichtung des Kühlmediums ist der Kühlkanal im Stator mäanderförmig ausgeführt, wobei eine Einströmöffnung und eine Aus­ strömöffnung jeweils paarweise von dem schalenförmigen Gehäuseteil verbunden und von weiteren Ein- und Ausströmöffnungen getrennt sind.

Im Hinblick auf eine möglichst geringe Teilezahl und einer optimierten Ausnut­ zung des Bauraums weist der Stator ein Blechpaket auf, das mit einem Statorträ­ ger über Befestigungsmittel verbunden ist, wobei diese Befestigungsmittel das schalenförmige Gehäuseteil fixieren.

Um jegliche Risiken im Zusammenhang mit austretendem Kühlmedium zu ver­ meiden, sind die Befestigungsmittel für das Blechpaket außerhalb der Strö­ mungsverbindung zwischen einer Einströmöffnung einer Ausströmöffnung ange­ ordnet.

Dazu besteht die Möglichkeit, daß die Strömungsverbindung im schalenförmigen Gehäuseteil zwischen der Einströmöffnung und der dazugehörigen Ausströmöff­ nung eine radiale Auslenkung aufweist. Man kann auch vorsehen, daß der Kühl­ kanal radial versetzt bezogen auf einen Teilkreis für die Befestigungsmittel ange­ ordnet ist.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal bezüglich einer optimierten Bauraumausnut­ zung ist darin zu sehen, daß die axialen Kanäle im Stator und die Durchgangsöff­ nungen für die Befestigungsmittel auf Teilkreisen mit zumindest angenähert glei­ chen Durchmessern angeordnet sind.

Eine alternative Lösung wird darin gesehen, daß das schalenförmige Gehäuseteil radial innerhalb eines vom Stator bestimmten Ringraums angeordnet und mit ei­ nem dazugehörigen Statorträger verbunden ist. Dieser Befestigungsort bietet die Möglichkeit, daß das schalenförmige Gehäuseteil innerhalb des Ringraums einge­ presst ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Kühleinrichtung mindestens ei­ nen Zulauf und einen Ablauf auf, wobei der Zulauf und der Ablauf durch einen Trennsteg separiert sind. Alternativ sind der Zulauf und der Ablauf in Umfangs­ richtung nahezu im maximalen Abstand zueinander ausgeführt. Allein aufgrund der Strömungswiderstände ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung und Strö­ mungsgeschwindigkeit innerhalb der Kühleinrichtung.

Man kann für das schalenförmige Gehäuse separate Dichtungen vorsehen. Es besteht aber auch die kostengünstige Möglichkeit, daß der Stator eine Schutz­ lackierung aufweist, wobei die Schutzlackierung das schalenförmige Gehäuseteil dichtend abdeckt.

Aus Gewichts- aber auch aus Herstellungsgründen ist vorgesehen, daß das schalenförmige Gehäuse von einem Blechteil gebildet wird. Im Hinblick auf eine einfache Fertigung des Stators werden als Befestigungsmittel Nieten eingesetzt. Diese Nieten besitzten den Vorteil, daß sie bei fachgerechter Herstellung keine Leckagen, z. B. am Schließkopf, aufkommen lassen.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1-3 Prinzipdarstellung einer E-Maschine mit Kühleinrichtung in einem vom Stator gebildeten Ringraum

Fig. 4 Stirnseitige Kühleinrichtung am Stator

Fig. 5-7 Kühleinrichtung mit mäanderförmigem Strömungsweg

Die Fig. 1 zeigt einen stark vereinfacht dargestellten Ausschnitt aus einer elektri­ schen Maschine 1. Der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise einer elektri­ schen Maschinen können als allgemein bekannt vorausgesetzt werden. Die elek­ trische Maschine verfügt über einen Stator 3, der wiederum einen Statorträger 5 für ein in Umfangsrichtung angeordnetes Blechpaket 7 aufweist. Innerhalb des Blechpaketes 7 sind Spulen eingesetzt, deren endseitige Spulenköpfe 9 sichtbar sind.

Das Blechpaket ist über Befestigungsmittel 1 l, bevorzugt Nieten, mit dem Statorträger 5 verbunden. Bei der dargestellten Ausführung der elektrischen Ma­ schine handelt es sich um einen sogenannten Außenläufer, da der Rotor 13 den Stator am Außenumfang einhüllt. Der Stator begrenzt nach radial innen einen Ringraum 15, der für weitere nicht dargestellte Komponenten zur Verfügung steht.

Höher belastete elektrische Maschinen verfügen in der Regel über eine Kühlein­ richtung 17. Diese Kühleinrichtung weist ein schalenförmiges Gehäuseteil 19 auf, das mit einem Wandungsbereich 5a des Stators, in diesem Fall der Unterseite des Blechpaketes und dem Statorträger einen Kühlkanal 21 bildet und mit den Befe­ stigungsmitteln 1 l am Stator 3 befestigt ist. Dichtringe 23a; 23b sorgen dafür, daß das im Kühlkanal 21 befindliche Kühlmedium nicht austreten kann.

Damit das Kühlmedium, das beispielsweise mit einem Kühlkreislauf einer weite­ ren Maschine, z. B. einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, in Verbin­ dung steht, den Stator optimal kühlt, sollte sinnvollerweise für eine gleichmäßige Strömungsverteilung des Kühlmediums mit den Wandungen des Kühlkanals ge­ sorgt werden. Dazu sind zwei Möglichkeiten dargestellt. Zum einen kann man, wie die Fig. 2 zeigt, einen Zulauf 25 und einen Ablauf 27 im Kühlkanal 21 durch einen Trennsteg 29 separieren, so daß das Kühlmedium praktisch den gesamten Umfang des Kühlkanals durchströmen muß. Eine andere Variante ist möglich, indem der Zulauf und der Ablauf in Umfangsrichtung des Kühlkanals 21 maximal beabstandet angeordnet sind. Auch bei dieser Ausgestaltung wird der Kühlkanal vollständig durchströmt, so daß eine gleichmäßige Wärmeabfuhr erreicht werden kann.

Die Fig. 3 zeigt ein schalenförmiges Gehäuse 19, das ebenfalls in dem vom Sta­ tor 3 bestimmten Ringraum 15 angeordnet ist, aber unabhängig von den Befesti­ gungselementen 1 l gehalten wird. Dazu geht das schalenförmige Gehäuse mit dem Statorträger 5a eine Presspassung ein. In einen umgeformten Rand 19a des schalenförmigen Gehäuses 19 können Dichtungen 23a; 23b eingelegt sein. Al­ ternativ oder in Kombination kann man vorsehen, daß eine Schutzlackierung auf das schalenförmige Gehäuse ausgedehnt wird, wodurch ein u. U. vorhandener Spalt zwischen dem schalenförmigen Gehäuse und dem Stator zuverlässig ohne Mehrkosten abgedeckt wird.

Alternativ oder in Kombination mit einer Ausgestaltung nach den Fig. 1 und 3 ist die Variante nach der Fig. 4 zu sehen. Stirnseitig am Stator 3, in diesem Fall an dem Blechpaket 7, ist das schalenförmige Gehäuse 19 angeordnet. Bei einer aus­ reichenden Dimensionierung und Anordnung der Kühlkanäle 21 kann man u. U. auf axiale Kühlkanäle innerhalb des Blechpaketes verzichten.

Die Fig. 5 betrifft eine Variante der Erfindung, bei der der Stator mäanderförmig von dem Kühlmedium durchströmt wird. Im Zusammenhang mit der Fig. 6 wird der Sachverhalt verdeutlicht. In dem Statorträger 5 sind Ein- und Ausströmöff­ nungen 29; 31 ausgeführt, die mit axial verlaufenden Kanälen 33 innerhalb des Blechpaketes 7 in Überdeckung stehen. Diese besagten Ein- und Ausströmöff­ nungen 29; 31, sowie deren angrenzenden Bereiche werden von dem schalen­ förmigen Gehäuse 19 abgedeckt. Zusammengehörigen Ein- und Ausströmöffnun­ gen 29; 31 der axial verlaufenden Kanäle 33 weisen eine Strömungsverbin­ dung 35 auf und sind von den weiteren paarweise verbundenen Ein- und Aus­ strömöffnungen getrennt, wodurch sich der gerichtete mäanderförmige Strö­ mungsweg zwangsläufig ergibt.

Das schalenförmige Gehäuse 19 verfügt über ebene Bereiche 37 für die Schließ­ köpfe 39 der Befestigungsmittel 1 l. Die als Sicken im schalenförmigen Gehäuse ausgeführten erhabenen Strömungsverbindungen 35 führen radial außen um die Befestigungsmittel herum. Des weiteren sind die Durchgangsöffnungen für die Befestigungsmittel und die axial verlaufenden Kanäle auf einem Teilkreis mit möglichst gleichem Durchmesser D angeordnet. Gleiche Teilkreisdurchmesser für die axial verlaufenden Kanäle und die Durchgangsöffnungen für die Befesti­ gungsmittel ermöglichen einen radialen Bauraumgewinn, wodurch das Blechpaket einen größeren Innendurchmesser aufweisen kann.

Der rotorseitige Kühlkanal 21 entspricht der Darstellung in der Fig. 6. Alternativ ist auch möglich, daß der ebene Bereich 37 für die Schließköpfe 39 der Befesti­ gungsmittel 11 beidseitig die Strömungsverbindung begrenzt, wie es in der De­ taildarstellung der Fig. 7 dargestellt ist. Man erhält den Vorteil, daß die eingesetz­ ten Dichtungen einfacher sind. In Abhängigkeit des vorhandenen Bauraums kann man bei den Versionen nach den Fig. 6 und 7 auch Taschen im Statorträger vor­ sehen, so daß die axiale Ausdehnung des schalenförmigen Gehäuses 19 für die Strömungsverbindung entsprechend geringer ausgeführt werden kann.

Bei einer Teilung der Durchgangsöffnungen für die Befestigungsmittel 11 und den Ein- und Ausströmöffnungen 29; 31 im Verhältnis 1 : 2, d. h. daß zwischen ei­ nem ersten Befestigungsmittel und einem zweiten Befestigungsmittel in Um­ fangsrichtung die paarweise zusammengehörigen Ein- und Ausströmöffnun­ gen 29; 31 angeordnet sind, erhält man eine direkte Strömungsverbindung zwi­ schen den besagten Ein- und Ausströmöffnungen ohne Hindernis durch die Befe­ stigungsmittel 11.

Claims (15)

1. Elektrische Maschine mit einem Stator, sowie einer Kühleinrichtung, die min­ destens einen mit einem Kühlmedium gefüllten Kühlkanal aufweist, der die Abwärme abführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (17) mindestens ein schalenförmiges Gehäuse­ teil (19) aufweist, wobei das schalenförmige Gehäuseteil (19) mit einem Wandungsbereich (5a) des Stators (3) den Kühlkanal (21) bildet.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (3)axial verlaufende Kanäle (33) aufweist, die endseitig von dem schalenförmigen Gehäuse (19) abgedeckt werden.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (21) im Stator (3) mäanderförmig ausgeführt ist und eine Einströmöffnung (29) und eine Ausströmöffnung (31) paarweise von dem schalenförmigen Gehäuseteil (19) verbunden und von weiteren Ein- und Aus­ strömöffnung getrennt sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (3) ein Blechpaket (7) aufweist, die mit einem Statorträger (5) über Befestigungsmittel (11) verbunden sind, wobei diese Befestigungsmit­ te (11) das schalenförmige Gehäuseteil (19) fixieren.

5. Elektrische Maschine nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (11) für das Blechpaket (7) außerhalb der Strö­ mungsverbindung (35) zwischen einer Einströmöffnung (29) einer Ausström­ öffnung (31) angeordnet sind.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverbindung (35) im schalenförmigen Gehäuseteil (19) zwi­ schen der Einströmöffnung (29) und der dazugehörigen Ausströmöff­ nung (31) eine radiale Auslenkung aufweist.

7. Elektrische Maschine nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Kanäle (33) im Stator (3) und die Durchgangsöffnungen für die Befestigungsmittel (11) auf Teilkreisen mit zumindest angenähert gleichen Durchmessern D angeordnet sind.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (21) radial versetzt bezogen auf einen Teilkreis für die Be­ festigungsmittel (11) angeordnet ist.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schalenförmige Gehäuseteil (19) radial innerhalb eines vom Stator (3) bestimmten Ringraums (15) angeordnet und mit einem der dazugehörigen Statorträger (5) verbunden ist.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das schalenförmige Gehäuseteil (19) innerhalb des Ringraums (15) ein­ gepresst ist.

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (17) mindestens einen Zulauf (25) und einen Ab­ lauf (27) aufweist, wobei der Zulauf (25) und der Ablauf (27) durch einen Trennsteg (8) separiert sind.

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (25) und der Ablauf (27) in Umfangsrichtung nahezu im ma­ ximalen Abstand zueinander ausgeführt sind.

13. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (3) eine Schutzlackierung gegen Wirbelströme aufweist, wobei die Schutzlackierung das schalenförmige Gehäuseteil (19) dichtend abdeckt.

14. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das schalenförmige Gehäuse (19) von einem Blechteil gebildet wird.

15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Befestigungsmittel (11) ein Niet eingesetzt wird.