DE19956918C2

DE19956918C2 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19956918C2
Application number: DE19956918A
Authority: DE
Inventors: Kevin Roy Harpenau; Michael Timothy York; Richard Kenneth Harris; Steven John Yockey
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2019-11-27
Also published as: JP2000175410A; DE19956918A1; GB9928672D0; GB2346487B; GB2346487A; US6072253A

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

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.

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.