EP4385114A1

EP4385114A1 - Stator-kühlkanäle mit erzwungenen verwirbelungen

Info

Publication number: EP4385114A1
Application number: EP22747256.0A
Authority: EP
Inventors: Kornelius Wiegert; Benno DE BROUWER
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-06-19
Also published as: CN117795823A; US20240333051A1; DE102021120773A1; WO2023016599A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aktive Komponente (1) einer elektrischen Maschine aufweisend einen Kühlkanal (2), welcher zumindest abschnittsweise eine im Wesentlichen axiale Erstreckung (3) aufweist, welche eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche (4) aufweist, wobei ein in die Erstreckung hineinragendes Verringerungselement (5), welches ausgebildet ist, die Querschnittsfläche (4) derart zu verringern, dass bei Durchströmung mit einem Kühlfluid Verwirbelungen des Kühlfluids entstehen. Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.

Description

Stator-Kühlkanäle mit erzwungenen Verwirbelungen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Komponente einer elektrischen Maschine sowie die elektrische Maschine als solche.

Um die Dauerleistung bei elektrischen Maschinen zu erhöhen, können diese aktiv durch ein Kühlmedium gekühlt werden, insbesondere sind hierbei Öl oder Wasser bzw. WEG zu nennen. Eine Möglichkeit ist hierbei, eine aktive Komponente der elektrischen Maschine mit Kühlbohrungen zu versehen und diese direkt mit dem Kühlmedium zu durchströmen. Als aktive Komponente wird im Sinne der Anmeldung ein Stator oder ein Rotor der elektrischen Maschine verstanden, da diese Komponenten als aktive in der Wandlung von elektrischer zu mechanischer Energie angesehen werden.

Die Druckschrift DE102019215474 offenbart einen geblechten Stator mit Kühlkanälen, welche als Rohre ausgeführt sind und zusätzlich die Funktion von Zugankern übernehmen. Die Rohre verlaufen axial durch das Blechpaket können über Verbindungen in den Endplatten zu einem insgesamt mäanderförmigen Kühlsystem verbunden sein.

Die Druckschrift DE102019216125 A1 zeigt einen geblechten Stator mit axial verlaufenden Kühlkanälen im Blechschnitt, wobei die Kühlkanäle über stirnseitig angeordnete Endscheiben miteinander verbunden sind. Eine Zuleitung von Kühlmedium erfolgt über ein mit den Endscheiben verbundenes Rohr, ein Abfluss erfolgt über Auslasskanäle auf Wickelköpfe des Stators.

In der Druckschrift US2018054094 AA sowie in der US 2019/0006914 wird ein Stator gezeigt mit axial verlaufenden Kühlkanälen, wobei die Kühlkanäle im Statorzahn angeordnet sind und aus der Mitte des Stators her gespeist werden. Insbesondere kann es sich bei dem Stator gemäß US2018054094 AA um ein Blechpaket handeln.

Die Druckschrift CN112104114 zeigt darüber hinaus einen Stator mit einem in Umfangsrichtung mäanderförmig verlaufenden Kühlkanal, der axiale Abschnitte aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte aktive Komponente einer elektrischen Maschine bereitzustellen. Insbesondere eine aktive Komponente bereitzustellen, bei der eine verbesserte Kühlleistung erzielt ist. Weiter ist es die Aufgabe, eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß einem Aspekt weist eine aktive Komponente einer elektrischen Maschine einen Kühlkanal auf, welcher zumindest abschnittsweise eine im Wesentlichen axiale Erstreckung aufweist, welche eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche aufweist. Weiter weist die Erstreckung ein in die Erstreckung hineinragendes Verringerungselement auf, welches ausgebildet ist, den Querschnitt derart zu verringern, dass bei Durchströmung mit einem Kühlfluid Verwirbelungen des Kühlfluides entstehen.

Die vorteilhafte Wirkung dieses Aspekts ist darin begründet, dass durch das Verringerungselement bei entsprechender Durchströmung mit einem Kühlfluid turbulente Strömungen ausgebildet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da besonders große Temperaturgradienten erzielbar sind, wenn die Strömung turbulent ist. So kann das Fluid besser durchmischt und nochmals deutlich mehr Wärme von der Wand abtransportiert werden. Insbesondere kann somit im Bereich der Erstreckung Wärme aus der aktiven Komponente abgeführt werden. Besonders vorteilhaft ragt das Verringerungselement senkrecht zur Richtung der Erstreckung in selbige hinein.

Gemäß einer Ausgestaltung verringert das Verringerungselement die Querschnittsfläche im Bereich des Verringerungselements um bis zu 20%.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verringerungselement die Querschnittsfläche um bis zu 20% verringert, da somit einhergehende Druckverluste im Kühlkanal geringgehalten werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verringert das Verringerungselement die Querschnittsfläche um bis zu 10%.

Gemäß einer Ausgestaltung weist die aktive Komponente ein Blechpaket auf. Weist die aktive Komponente ein Blechpaket aus Einzelblechen auf, lassen sich Kühlkanäle besonders vorteilhaft als Aussparungen im Blechschnitt der Einzelbleche realisieren. Die Einzelbleche werden gemäß einer vordefinierten Orientierung gestapelt und die Aussparungen ergeben somit einen Kühlkanal.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verringerungselement integral aus einem Einzelblech des Blechpakets ausgebildet.

Die Ausgestaltung ist derart gewählt, dass sich das Verringerungselement als integraler Bestandteil eines Einzelblechs vorteilhafterweise und einfach als Blechschnitt realisieren lässt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verringerungselement durch eine Abwandlung des Blechschnitts im Bereich der den Kühlkanal ausbildenden Aussparung realisiert ist. Dabei kann die Abwandlung zweckmäßig derart ausgebildet sein, dass das Verringerungselement um laufend und somit die Querschnittsfläche umfänglich verringert ausgebildet ist.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Verringerungselement mehrere unmittelbar benachbarte Einzelbleche.

Besonders vorteilhaft ist dies, wenn das Verringerungselement eine axiale Länge aufweist, die größer ist, als die axiale Dicke eines einzelnen Einzelblechs.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verringerungselement an einem distalen Ende der Erstreckung angeordnet.

Vorteilhafterweise ist dabei das Verringerungselement als integraler Bestandteil einer sog. Schlussscheibe bzw. Wuchtplatte ausgeführt. Zweckmäßig kann das Verringerungselement auch als Einschubhülse insbesondere mit einem Anschlag ausgebildet sein.

Gemäß einer Ausgestaltung weist das Verringerungselement eine Länge in axialer Richtung von bis zu 5% der Länge der axialen Erstreckung aufweist.

Vorteilhafterweise ist das Verringerungselement eine lokale Verringerung der ansonsten im Wesentlichen konstanten Querschnittsfläche und ist mit einer Länge in axialer Richtung von bis zu 5% der Länge der axialen Erstreckung kurz bemessen. Eine vergleichsweise kurze Verringerung der Querschnittsfläche reicht aus, um die vorteilhafte Verwirbelung und insbesondere die turbulente Strömung zu erzeugen. Gemäß einer Ausgestaltung weist die Erstreckung eine Abweichung von der axialen Richtung von bis zu 20° auf.

Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung ergibt sich bei geschrägten aktiven Komponenten, insbesondere, wenn die Schrägung über eine schrittweise Verdrehung der Einzelbleche gegeneinander im Blechpaket erfolgt. Besonders vorteilhaft weist die Erstreckung dann eine Abweichung von der axialen Richtung auf, welche als Schrägung bezeichnet eine helix-förmigen Verlauf beschreibt. Besonders bevorzugt ist die Abweichung kleiner als 10°.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die aktive Komponente ein Stator der elektrischen Maschine.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine elektrische Maschine eine erfindungsgemäße aktive Komponente.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Begriffe wie „radial“, „axial“ oder ähnlich beziehen sich auf die Rotationsachse der elektrischen Maschine, es sei denn, es wird explizit eine davon abweichende Referenzierung verwendet. Weiter sind aufgrund der besseren Lesbarkeit der Figuren gegebenenfalls nur einzelne oder wenige identische Elemente eines Bezugszeichens versehen.

Es zeigt Fig. 1 einen perspektivischen Teilschnitt sowie einen schematische Teilschnitt durch eine als Stator ausgeführte aktive Komponente gemäß Stand der Technik

Fig. 2 mehrere schematische Teilschnitte einer als Stator ausgeführten aktiven Komponente

Fig. 3 alternative Ausführungsbeispiele als schematische Teilschnitte

Fig. 4 weitere alternative Ausführungsbeispiele als schematische Teilschnitte

Fig. 5 weitere alternative Ausführungsbeispiele als schematische Teilaufsicht

Fig. 6 weitere alternative Ausführungsbeispiele als schematische Teilaufsicht

Fig. 1 zeigt einen perspektivischen Teilschnitt Fig. 1 a) sowie einen schematische Teilschnitt Fig. 1 b) durch eine als Stator ausgeführte aktive Komponente 1 gemäß Stand der Technik. In der aktiven Komponente 1 sind umfänglich mehrere Kühlkanäle 2 mit jeweils rechteckiger Querschnittsfläche ausgebildet. Die aktive Komponente 1 ist in axialer Richtung aus mehreren sogenannten Stacks zusammengesetzt, durch welche die Kühlkanäle 2 jeweils eine axiale Erstreckung 3 mit konstanter Querschnittsfläche 4 ausbilden. In Fig. 1 b ist die Strömungsrichtung eines Kühlfluids im Kühlkanal 2 als gestrichelter Pfeil angedeutet.

Fig. 2 zeigt mehrere schematische Teilschnitte Fig. 2a, Fig. 2b einer als Stator ausgeführten aktiven Komponente 1.

In Fig. 2a sind an distalen Enden der aktiven Komponente 1 als Schlussscheibe bzw. Wuchtplatte ausgeführte Einzelbleche 7 sowie zwischen den einzelnen Stacks Einzelbleche 7 angeordnet, welche jeweils integral Verringerungselemente 5 ausbilden, welche senkrecht zur Richtung der Erstreckung 3 in selbige hineinragen. Die Verringerungselemente 5 ragen dabei in der Schnittebene sowohl an der radial inneren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial außen in die Erstreckung 3 hinein sowie an der radial äußeren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial innen in die Erstreckung 3 hinein. Die Verringerungselemente können dabei gemäß Fig. 5a sowie Fig. 6a umlaufend ausgeführt sein.

In Fig. 2b sind an distalen Enden der aktiven Komponente 1 als Schlussscheibe bzw. Wuchtplatte ausgeführte Einzelbleche 7 sowie zwischen den einzelnen Stacks Einzelbleche 7 angeordnet, welche jeweils integral Verringerungselemente 5 ausbilden, welche senkrecht zur Richtung der Erstreckung 3 in selbige hineinragen. Die Verringerungselemente 5 ragen dabei abwechselnd von der radial inneren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial außen in die Erstreckung 3 hinein sowie an der radial äußeren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial innen in die Erstreckung 3 hinein. Die Verringerungselemente können dabei gemäß Fig. 5b, Fig. 5c, Fig. 5d ausgeführt sein.

Fig. 3 zeigt alternative Ausführungsbeispiele als schematische Teilschnitte. In den Ausführungsbeispielen sind jeweils ein Stack einer aktiven Komponente 1 als Blechpaket 6 bestehend aus Einzelblechen 7 dargestellt.

Fig. 3a zeigt mehrere Einzelbleche 7, die ein Blechpaket 6 einer aktiven Komponente 1 ausbilden, wobei innerhalb des Blechpakts 6 ein Einzelblech 7 angeordnet ist, welches integral ein Verringerungselement 5 ausbildet, welches senkrecht zur Richtung der Erstreckung 3 in selbige hineinragt. Das Verringerungselemente 5 ragt dabei in der Schnittebene sowohl an der radial inneren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial außen in die Erstreckung 3 hinein sowie an der radial äußeren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial innen in die Erstreckung 3 hinein.

Fig. 3b zeigt mehrere Einzelbleche 7, die ein Blechpaket 6 einer aktiven Komponente 1 ausbilden, wobei innerhalb des Blechpakts 6 ein Einzelblech 7 angeordnet ist, welches integral ein Verringerungselement 5 ausbildet, welches senkrecht zur Richtung der Erstreckung 3 in selbige hineinragt. Das Verringerungselemente 5 ragt dabei in der Schnittebene an der radial äußeren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial innen in die Erstreckung 3 hinein.

Fig. 3c zeigt mehrere Einzelbleche 7, die ein Blechpaket 6 einer aktiven Komponente 1 ausbilden, wobei innerhalb des Blechpakts 6 ein Einzelblech 7 angeordnet ist, welches integral ein Verringerungselement 5 ausbildet, welches senkrecht zur Richtung der Erstreckung 3 in selbige hineinragt. Das Verringerungselemente 5 ragt dabei in der Schnittebene an der radial inneren Seite des Kühlkanals 2 bzw. der Erstreckung 3 nach radial außen in die Erstreckung 3 hinein.

Fig. 4 zeigt weitere alternative Ausführungsbeispiele als schematische Teilschnitte. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen in Fig. 3 sind die Verringerungselemente 5 in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 jeweils aus mehreren benachbarten Einzelblechen 6 ausgebildet.

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen weitere alternative Ausführungsbeispiele als schematische Teilaufsicht, wobei jeweils ein Verringerungselement 5 bezüglich der Querschnittsfläche 4 des Kühlkanals dargestellt ist. Da die Querschnittsfläche 4 in der Bildebene teilweise durch das Verringerungselement 5 verdeckt ist, wurde wie in technischen Zeichnungen gebräuchlich, eine gestrichelte Line für die verdeckte Kante gewählt. Die dargestellten Formen sind exemplarisch und nicht auf die im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Fig. 5a bis Fig. 5d zeigen jeweils Teilaufsichten auf Kühlkanäle 2 mit rechteckig ausgeführter Querschnittsfläche 4. In Fig. 5a ragt das Verringerungselement 5 über den kompletten Umfang der Querschnittsfläche 4 in den Kühlkanal 2 hinein. In Fig. 5b ragt das Verringerungselement 5 an zwei aneinander liegenden Seiten in den Kühlkanal 2 hinein, die verbleibenden Seiten sind deckungsgleich mit den entsprechenden Seiten der Querschnittsfläche 4. In Fig. 5 c ragt das Verringerungselement 5 an drei aneinander liegenden Seiten in den Kühlkanal 2 hinein, die verbleibende Seite ist deckungsgleich mit der entsprechenden Seite der Querschnittsfläche 4. In Fig. 5 d ragt das Verringerungselement 5 an einer Seite in den Kühlkanal 2 hinein, die verbleibenden Seiten sind deckungsgleich mit den entsprechenden Seiten der Querschnittsfläche 4.

Fig. 6a bis Fig. 6d zeigen jeweils Teilaufsichten auf Kühlkanäle 2 mit rund ausgeführter Querschnittsfläche 4. In Fig. 6a ragt das Verringerungselement 5 über den kompletten Umfang der Querschnittsfläche 4 in den Kühlkanal 2 hinein. Die Innenkante des Verringerungselement 5 und der Umfang des Querschnittsfläche 4 sind hierbei konzentrisch angeordnet.

In Fig. 6b ragt das Verringerungselement 5 abschnittsweise über den Umfang der Querschnittsfläche 4 in den Kühlkanal 2 hinein. Die Innenkante des Verringerungs- element 5 und der Umfang des Querschnittsfläche 4 sind hierbei konzentrisch angeordnet.

In Fig. 6c ragt das Verringerungselement 5 im Wesentlichen über den kompletten Umfang der Querschnittsfläche 4 in den Kühlkanal 2 hinein. Die Innenkante des Verringe- rungselement 5 und der Umfang des Querschnittsfläche 4 sind hierbei nicht konzentrisch angeordnet.

In Fig. 6d bildet das Verringerungselement 5 einen die Querschnittsfläche 4 mittig überdeckenden Bereich aus.

Ċ

Bezuqszeichenliste

Claims

Patentansprüche

1. Aktive Komponente (1 ) einer elektrischen Maschine aufweisend einen Kühlkanal (2), welcher zumindest abschnittsweise eine im Wesentlichen axiale Erstreckung (3) aufweist, welche eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche (4) aufweist, gekennzeichnet durch ein in die Erstreckung hineinragendes Verringerungselement (5), welches ausgebildet ist, die Querschnittsfläche (4) derart zu verringern, dass bei Durchströmung mit einem Kühlfluid Verwirbelungen des Kühlfluids entstehen.

2. Aktive Komponente (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Verringerungselement (5) die Querschnittsfläche (4) im Bereich des Verringerungselements (5) um bis zu 20% verringert.

3. Aktive Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die aktive Komponente (1 ) ein Blechpaket (6) aufweist.

4. Aktive Komponente (1 ) nach Anspruch 3, wobei das Verringerungselement (5) integral aus einem Einzelblech (7) des Blechpakets (6) ausgebildet ist.

5. Aktive Komponente (1 ) nach Anspruch 4, wobei das Verringerungselement (5) mehrere unmittelbar benachbarte Einzelbleche (7) umfasst.

6. Aktive Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verringerungselement (5) an einem distalen Ende der Erstreckung (3) in axialer Richtung angeordnet ist.

7. Aktive Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verringerungselement (5) eine Länge in axialer Richtung von bis zu 5% der Länge der axialen Erstreckung (3) aufweist.

8. Aktive Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Erstreckung (3) eine Abweichung von der axialen Richtung von bis zu 20° aufweist.

9. Aktive Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die aktive Komponente (1 ) ein Stator der elektrischen Maschine ist.

10. Elektrische Maschine umfassend eine aktive Komponente (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.