DE19956918C2 - Elektrische Maschine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine.
Allgemein wird angestrebt, die elektrische Ausgangsleistung
von Wechselstromgeneratoren (sog. "Drehstromlichtmaschinen")
von Kraftfahrzeugen zu erhöhen. Je größer aber die elek
trische Leistung ist, um so größer ist auch die von den ein
zelnen elektrischen Komponenten des Wechselstromgenerators
erzeugte Wärme. Darüber hinaus erzeugt auch die Reibung in
den Lagern der Rotorwelle des Wechselstromgenerators Wärme.
Da die in einem Wechselstromgenerator erzeugte Wärme häufig
ein dessen elektrische Ausgangsleistung begrenzender Faktor
ist, ist eine effiziente Kühlung des Wechselstromgenerators
von großer Bedeutung.
Diesbezüglich sind aus der US 4 739 204 verschiedene Ausge
staltungen eines Wechselstromgenerators bekannt, bei denen
die Statorwicklungen an ihrer radialen Außenseite von einem
ringförmigen Kühlmittelkanal umgeben sind. Weitere Zweige
des Kühlmittelsystems können ferner zu einem der Lager der
Rotorwelle führen, um auch dieses zu kühlen.
Des Weiteren ist aus der US 5 744 880 ein Elektromotor be
kannt, welcher insbesondere für Unterwassereinsätze mit ei
nem vollständig gekapselten Gehäuse ausgestattet ist. Zur
Kühlung des Motors wird eine aufwendige, in der Wandung aus
gebildete und das gesamte Motorgehäuse umschließende Führung
des Kühlmittels vorgeschlagen. Problematisch hieran ist ne
ben dem großen Platzbedarf, dass das Kühlmittel durch die
Wärmeaufnahme entlang seines langen Weges zu sehr verschie
den Temperaturen führen kann.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Er
findung, eine elektrische Maschine mit einem Flüssig
keitskühlsystem bereitzustellen, welches eine effiziente
Kühlung bewirkt und dazu beitragen kann, ständig erhobene
Forderungen nach einer kleinen Bauform der elektrischen Maschine
zu unterstützen.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun
gen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine elektri
sche Maschine vorgesehen, welche einen Rotor, der auf einer
Welle zwecks Drehung mit der Welle angebracht ist und wel
cher eine Rotationsachse definiert, und einen Stator, der
koaxial mit dem Rotor und diesem gegenüber angeordnet ist,
aufweist. Der Stator hat Statorwicklungen mit einem sich
axial erstreckenden Abschnitt. Die elektrische Maschine
weist ferner ein den Stator und den Rotor umgebendes Gehäuse
mit einem axialen Ende und einer Wand mit einer inneren
Oberfläche und einer äußeren Oberfläche auf. Weiterhin ent
hält die elektrische Maschine ein Kühlrohr mit einem ersten
und einem zweiten Ende und einem zwischen der ersten inneren
Oberfläche und der ersten äußeren Oberfläche eingebetteten
Abschnitt, welcher bezüglich seiner axialen Position im we
sentlichen in Ausrichtung mit den sich axial erstreckenden
Abschnitten der Statorwicklungen angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung ist die innere Oberfläche der Wand des
axialen Endes des Gehäuses im wesentlichen eben ausgebildet
und durch einen Luftspalt von einem axialen Ende des Rotors
getrennt.
Gemäß der Erfindung weist das Gehäuse der elektrischen Ma
schine einen vorderen Gehäuseabschnitt und einen hinteren
Gehäuseabschnitt auf. Der vordere Gehäuseabschnitt definiert
einen ersten sich über den Umfang erstreckenden Kanal, wel
cher einen ersten sich axial erstreckenden Abschnitt der
Statorwicklungen umschließt. Der hintere Gehäuseabschnitt
definiert einen zweiten sich über den Umfang erstreckenden
Kanal, der einen zweiten sich axial erstreckenden Abschnitt
der Statorwicklungen umschließt.
Hierbei ist vorteilhaft, daß damit eine effiziente Kühlung
und gleichzeitig eine kompakte Bauweise der elektrischen Ma
schine ermöglicht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeich
nungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wechselstrom
generators entsprechend einer Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wechselstrom
generator entlang einer zur Rotationsachse paral
lelen Ebene;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Rotors des Wech
selstromgenerators;
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Wechselstromgenerator
entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Wechselstromgenerator
entlang der Linie 5-5 in Fig. 2.
Wie aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich, weist ein Wechselstromge
nerator 20 einen vorderen Gehäuseabschnitt 22 und einen hin
teren Gehäuseabschnitt 24 auf. Die Gehäuseabschnitte 22 und
24 sind in geeigneter Weise verschraubt oder andersartig
miteinander verbunden. Vorzugsweise bestehen der vordere Ge
häuseabschnitt 22 und der hintere Gehäuseabschnitt 24 aus
Metall. In dem vorderen Gehäuseabschnitt 22 und dem hinteren
Gehäuseabschnitt 24 ist ein Rotor 26 angeordnet. Dabei ist
ersichtlich, dass es sich bei dem Rotor 26 um einen Rotor
der "Klauenpol-Art" handelt. Zur Verstärkung der abgegebenen
elektrischen Leistung des Wechselstromgenerators 20 weist
der Rotor 26 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 28 auf.
Der Rotor 26 weist eine Welle 29 mit zwei Schleifringen 30
und 32 auf, über welche elektrische Leistung von einem Span
nungsregler (der in der speziellen Schnittdarstellung von
Fig. 2 nicht gezeigt ist) an eine im Rotor 26 angeordnete
Feldspule 34 zur Verfügung gestellt wird. An die Welle 29
ist weiterhin eine Riemenscheibe 36 oder ein anderes Mittel
zur Drehung des Rotors 26 angekoppelt. Die Welle 29 ist in
einem vorderen Lager 50, welches seinerseits von dem vorde
ren Gehäuseabschnitt 22 gestützt wird, und in einem hinteren
Lager 52, welches drehbar von dem hinteren Gehäuseab
schnitt 24 gestützt wird, drehbar gelagert.
Gegenüber dem Rotor 26 ist ein Stator 54 angeordnet. Der
Stator 54 enthält einen ferromagnetischen Statorkern 56 mit
aufgewickelten Statorwicklungen 58. Die Endkehren 60 der
Statorwicklungen 58 an einer axialen Seite des Stator
kerns 56 sind im wesentlichen von einem Kanal 62 im vorderen
Gehäuseabschnitt 22 umgeben. Die Endkehren 64 der Stator
wicklungen 58 an der anderen axialen Seite des Stator
kerns 56 sind im wesentlichen von einem Kanal 66 im hinteren
Gehäuse 24 umgeben. Vorzugsweise sind die Endkehren 60 und
64 in eine thermisch hochleitfähige Komponente eingebettet,
um die Wärmeübertragung weg von den Statorwicklungen 58 zu
erleichtern.
Am hinteren Gehäuse 24 ist ein Gleichrichter 70 angebracht,
welcher an die Statorwicklungen 58 gekoppelt ist, um den bei
Betrieb des Wechselstromgenerators 20 in den Statorwicklun
gen 58 erzeugten Wechselstrom gleichzurichten. Der Gleich
richter 70 enthält eine negative Gleichrichterplatte 72,
welche einen gemeinsamen Anschluss für die Kathoden der "negativen"
Dioden 72A bildet. Der Gleichrichter 70 enthält
weiterhin eine positive Gleichrichterplatte 74, welche einen
gemeinsamen Anschluss für die Anoden der "positiven"
Dioden 74A bildet. Die negative Gleichrichterplatte 72 und
die positive Gleichrichterplatte 74 sind elektrisch gegen
einander isoliert. Eine Plastikhaube 76 bedeckt die Rücksei
te des Wechselstromgenerators 20 einschließlich des Gleich
richters 70. Für die erforderlichen elektrischen Verbindun
gen zu und von dem Wechselstromgenerator 20 sind elektrische
Anschlüsse 77 und 78 vorgesehen. Da es sich hierbei um her
kömmliche Verbindungen handelt, werden sie nachfolgend nicht
detailliert beschrieben.
Der vordere Gehäuseabschnitt 22 enthält ferner ein Kühl
rohr 80, und der hintere Gehäuseabschnitt 24 enthält ein
Kühlrohr 82. Vorzugsweise bestehen die Kühlrohre 80 und 82
aus Metall, um eine gute Wärmeübertragung von den Gehäuse
abschnitten 22 und 24 auf die Kühlrohre 80 bzw. 82 sicherzu
stellen. Die Kühlrohre 80 und 82 sind vorzugsweise in ihre
jeweiligen Gehäuseabschnitte 22 bzw. 24 im Druckgießverfah
ren eingebracht (die-cast). Um dies zu ermöglichen, weist
das Material, aus dem die Kühlrohre 80 und 82 bestehen, ei
nen anderen Schmelzpunkt auf, als das Material der Gehäuse
abschnitte 22 und 24.
Die Enden des Kühlrohres 80 treten aus dem vorderen Gehäuse
abschnitt 22 hervor, und die Enden des Kühlrohres 82 treten
aus dem hinteren Gehäuse 24 hervor. Das Ende 84 des Kühlroh
res 80 bildet einen Einlass, über welchen Kühlflüssigkeit in
den Wechselstromgenerator 20 eingeführt werden kann. Das mit
86 bezeichnete Ende des Kühlrohres 82 bildet einen Auslass,
über den Kühlflüssigkeit aus dem Wechselstromgenerator 20
austreten kann. Die anderen beiden Enden der Kühlrohre 80
und 82 werden über eine von einem flexiblen Rohr 88 und zwei
Klemmen 90 und 92 gebildete "Überkreuzung" aneinander gekop
pelt. Kühlflüssigkeit kann daher in das Einlassende 84 des
Kühlrohres 80 eintreten, dann in Längsrichtung das Kühl
rohr 80 durchfließen, durch die "Überkreuzung" in das Kühl
rohr 82 eintreten, in Längsrichtung das Kühlrohr 82 durch
fließen und durch dessen Auslassende 86 austreten. Das Ein
lassende 84 und das Auslassende 86 sind mit einer Quelle für
Kühlflüssigkeit gekoppelt, beispielsweise mit dem Kühlsystem
eines Kraftfahrzeugmotors.
Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen, aus der er
sichtlich ist, dass das Kühlrohr 80 im wesentlichen als eine
kreisabschnittförmige Schleife zwischen mit 100 und 102 be
zeichneten Punkten ausgebildet ist, an welchen das Kühl
rohr 80 aus dem vorderen Gehäuseabschnitt auszutreten be
ginnt.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 5 ist ersichtlich, dass
auch das Kühlrohr 82 im wesentlichen als kreisabschnittför
mige Schleife bis zu den Punkten 104 und 106 ausgebildet
ist, an denen das Kühlrohr 82 aus dem hinteren Gehäuseab
schnitt auszutreten beginnt.
Der dargestellte Gegenstand ist besonders effizient hin
sichtlich einer Kühlung des Wechselstromgenerators 20. Die
Endkehren 60 und 64 des Stators 54 sind im wesentlichen von
Kanälen 62 und 66 im Gehäuse des Wechselstromgenerators 20
umgeben. Da das Gehäuse durch die Kühlrohre 80 und 82 ge
kühlt wird, wird die in den Statorwicklungen 58 erzeugte
Wärme effizient von diesen abgeleitet. Der vordere Gehäuse
abschnitt 22 weist eine dem Rotor 26 über einen schmalen
Luftspalt 110 hinweg gegenüberliegende große, im wesentli
chen flache bzw. ebene Oberfläche 108 auf. Der Luftspalt 110
weist vorzugsweise eine Breite von etwa 0,5 mm auf. Da der
vordere Gehäuseabschnitt 22 durch Wirkung der Kühlrohre 80
gekühlt wird, sorgt die dem schmalen Luftspalt 110 gegen
überliegende große, flache Oberfläche 108 für eine wirksame
Ableitung der vom Rotor 26 und auch der in den Feldspulen 34
erzeugten Wärme. Der hintere Gehäuseabschnitt 24 weist eine
dem Rotor 26 über einen schmalen Luftspalt 114 gegenüberlie
gende ähnlich große, im wesentlichen flache bzw. ebene Ober
fläche 112 auf. Der Luftspalt 114 weist vorzugsweise eine
Breite von etwa 0,5 mm auf. Auch die in den Lagern 50 und 52
aufgrund der Rotation der Welle 29 erzeugte Wärme wird effi
zient abgeleitet, da die Lager 50 und 52 in den Gehäuse
abschnitten 22 und 24 in der Nähe der Kühlrohre 80 und 82
positioniert sind.
Die Anordnung weist die vorstehend beschriebenen Vorteile
hinsichtlich einer Kühlung auf. Ein weiterer Vorteil besteht
darin, dass der Wechselstromgenerator 20 eine kurze axiale
Länge aufweist. Es ist ersichtlich, dass die Ausrichtung des
Kühlrohres 80, der Endkehre 60 und des Lagers 50 bezüglich
ihrer axialen Positionen ebenso wie die Ausrichtung des
Kühlrohres 82, der Endkehre 64 und des Lagers 52 bezüglich
ihrer axialen Positionen zu einer kurzen axialen Länge des
Wechselstromgenerators führen. Dies ist ein erheblicher Vor
teil beim Einbau des Wechselstromgenerators 20 in ein Kraft
fahrzeug.
Claims (5)
1. Elektrische Maschine (20), enthaltend:
einen Rotor (26), welcher auf einer Welle (29) zur Rotation mit dieser unter Ausbildung einer Rotationsachse angeordnet ist;
einen Stator (54), welcher koaxial zum Rotor (26) und diesem gegenüberliegend angeordnet ist und Statorwicklungen (58) mit einem ersten sich axial erstreckenden Abschnitt (60) als Wickelkopf und einem zweiten sich axial erstreckenden Ab schnitt (64) als Wickelkopf aufweist;
ein den Stator (54) und den Rotor (26) umschlie ßendes Gehäuse;
wobei das Gehäuse einen vorderen Gehäuse abschnitt (22) aufweist, durch welchen ein erstes axiales Ende des Gehäuses definiert wird, wobei das erste axiale Ende eine erste Wand mit einer im allgemeinen flachen bzw. ebenen ersten inneren Oberfläche (108) und einer ersten äußeren Ober fläche aufweist, wobei die erste innere Oberflä che (108) von dem Rotor (26) durch einen ersten Luftspalt getrennt ist;
wobei das Gehäuse weiterhin einen hinteren Gehäu seabschnitt (24) aufweist, durch den ein zweites axiales Ende des Gehäuses definiert wird, wobei das zweite axiale Ende eine zweite Wand mit einer im allgemeinen flachen zweiten inneren Oberflä che (112) und einer zweiten äußeren Oberfläche aufweist, wobei die zweite innere Oberflä che (112) von dem Rotor (26) durch einen zweiten Luftspalt (114) getrennt ist;
wobei der vordere Gehäuseabschnitt (22) einen er sten sich umfänglich erstreckenden Kanal (62) enthält, der den ersten sich axial erstreckenden Abschnitt (60) der Statorwicklungen (58) umgibt;
wobei der hintere Gehäuseabschnitt (24) einen zweiten sich umfänglich erstreckenden Kanal (66) enthält, welcher den zweiten sich axial erstrec kenden Abschnitt (64) der Statorwicklungen (58) umgibt;
ein erstes Kühlrohr (80) mit einem ersten und ei nem zweiten Ende und einem zwischen der genannten ersten inneren Oberfläche (108) und der genannten ersten äußeren Oberfläche eingebetteten Ab schnitt;
ein zweites Kühlrohr (82) mit einem ersten und einem zweiten Ende und einem zwischen der zweiten inneren Oberfläche (112) und der zweiten äußeren Oberfläche eingebetteten Abschnitt;
ein vorderes, die Welle (29) unterstützendes La ger (50), welches vom vorderen Abschnitt (22) des Gehäuses getragen wird, wobei das vordere Lager im wesentlichen axial mit dem ersten Kühlrohr (80) und dem ersten Abschnitt (60) der Sta torwicklungen (58) fluchtet;
ein hinteres, die Welle (29) tragendes La ger (52), welches vom hinteren Abschnitt (24) des Gehäuses getragen wird, wobei das hintere Lager im wesentlichen axial mit dem zweiten Kühl rohr (82) und dem zweiten Abschnitt (64) der Sta torwicklungen (58) fluchtet.
einen Rotor (26), welcher auf einer Welle (29) zur Rotation mit dieser unter Ausbildung einer Rotationsachse angeordnet ist;
einen Stator (54), welcher koaxial zum Rotor (26) und diesem gegenüberliegend angeordnet ist und Statorwicklungen (58) mit einem ersten sich axial erstreckenden Abschnitt (60) als Wickelkopf und einem zweiten sich axial erstreckenden Ab schnitt (64) als Wickelkopf aufweist;
ein den Stator (54) und den Rotor (26) umschlie ßendes Gehäuse;
wobei das Gehäuse einen vorderen Gehäuse abschnitt (22) aufweist, durch welchen ein erstes axiales Ende des Gehäuses definiert wird, wobei das erste axiale Ende eine erste Wand mit einer im allgemeinen flachen bzw. ebenen ersten inneren Oberfläche (108) und einer ersten äußeren Ober fläche aufweist, wobei die erste innere Oberflä che (108) von dem Rotor (26) durch einen ersten Luftspalt getrennt ist;
wobei das Gehäuse weiterhin einen hinteren Gehäu seabschnitt (24) aufweist, durch den ein zweites axiales Ende des Gehäuses definiert wird, wobei das zweite axiale Ende eine zweite Wand mit einer im allgemeinen flachen zweiten inneren Oberflä che (112) und einer zweiten äußeren Oberfläche aufweist, wobei die zweite innere Oberflä che (112) von dem Rotor (26) durch einen zweiten Luftspalt (114) getrennt ist;
wobei der vordere Gehäuseabschnitt (22) einen er sten sich umfänglich erstreckenden Kanal (62) enthält, der den ersten sich axial erstreckenden Abschnitt (60) der Statorwicklungen (58) umgibt;
wobei der hintere Gehäuseabschnitt (24) einen zweiten sich umfänglich erstreckenden Kanal (66) enthält, welcher den zweiten sich axial erstrec kenden Abschnitt (64) der Statorwicklungen (58) umgibt;
ein erstes Kühlrohr (80) mit einem ersten und ei nem zweiten Ende und einem zwischen der genannten ersten inneren Oberfläche (108) und der genannten ersten äußeren Oberfläche eingebetteten Ab schnitt;
ein zweites Kühlrohr (82) mit einem ersten und einem zweiten Ende und einem zwischen der zweiten inneren Oberfläche (112) und der zweiten äußeren Oberfläche eingebetteten Abschnitt;
ein vorderes, die Welle (29) unterstützendes La ger (50), welches vom vorderen Abschnitt (22) des Gehäuses getragen wird, wobei das vordere Lager im wesentlichen axial mit dem ersten Kühlrohr (80) und dem ersten Abschnitt (60) der Sta torwicklungen (58) fluchtet;
ein hinteres, die Welle (29) tragendes La ger (52), welches vom hinteren Abschnitt (24) des Gehäuses getragen wird, wobei das hintere Lager im wesentlichen axial mit dem zweiten Kühl rohr (82) und dem zweiten Abschnitt (64) der Sta torwicklungen (58) fluchtet.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,
wobei der erste und/oder zweite Luftspalt (110, 114)
eine im wesentlichen konstante Breite aufweist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2,
wobei die Breite des ersten und/oder zweiten Luftspal
tes (110, 114) etwa 0,5 mm beträgt.
4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei sie einen Gleichrichter (70) enthält, welcher in
elektrischer Verbindung mit den Statorwicklungen (58)
steht und in thermischer Verbindung an der zweiten äu
ßeren Oberfläche angebracht ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei das erste Ende des ersten Kühlrohres (80) und
das erste Ende des zweiten Kühlrohres (82) aneinander
gekoppelt sind, um einen Übergang von Flüssigkeit zwi
schen dem ersten Kühlrohr (80) und dem zweiten Kühl
rohr (82) zu ermöglichen.
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