WO2006066740A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2006066740A1
WO2006066740A1 PCT/EP2005/013184 EP2005013184W WO2006066740A1 WO 2006066740 A1 WO2006066740 A1 WO 2006066740A1 EP 2005013184 W EP2005013184 W EP 2005013184W WO 2006066740 A1 WO2006066740 A1 WO 2006066740A1
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rotor
heat
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Helmut Schiller
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Helmut Schiller
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    • H02K9/227—Heat sinks

Definitions

  • the invention relates to an electric machine having a stator and a rotor movably mounted relative thereto with a plurality of spaced-apart electromagnet components supported on or in the rotor or stator, each having a coil winding of one or more electrical conductors (n Have supporting soft magnetic coil core and with each with a pole face to the end faces of the coil cores oppositely oriented, on or held in the stator or rotor permanent magnet, wherein the ends of the electrical conductors of the individual elec- romagnet Bauelemete via an electrical or electronic Steuerungsvor- direction to at least two electrical connections are connected together.
  • the invention is based on the object to further improve the power weight of the known electrical machines, i. to allow increased power dissipation with further reduced dimensions without loss of power.
  • this object is achieved in that the coil windings of the electromagnet components are at least partially with a body of thermally conductive material in heat-conducting connection with the stator or rotor.
  • This embodiment allows the heat dissipation of the resulting in the solenoid components heat loss directly via heat conduction to the stator or the rotor, d. H. in the case of rotary-driven or rotationally driven machines of the axial field type, via the housing or the rotor, as a result of which an internal cooling air circuit can occur.
  • the design effort required for the cooling air circuit and the additional drive energy required to maintain it are then eliminated.
  • the heat-conducting material encloses the electromagnet components largely completely up to the aligned with the pole faces of the permanent magnets in the rotor end faces of the coil cores.
  • the configuration can then advantageously be made in such a way that the heat-conducting material forms a one-piece annular ring at least in the region of the coil windings of the electromagnet components which is opposite the inside of the circumferential wall of the housing. forms closed registryleitgro ⁇ er, in which the electromagnet components are included.
  • the electromagnet components are expediently designed as pole pieces opposing the pole faces of the permanent magnets, wherein these pole pieces are then connected to the housing by means of mechanically and / or thermally resistant carrier plates.
  • the carrier plates can be made with advantage of a non-magnetic material.
  • ceramic material or aluminum or a suitable aluminum alloy the pole pieces of the electromagnet components then expediently protrude in the direction of the pole faces of the permanent magnet on the support plate.
  • the dissipation of the resulting heat loss can be increased by an additional liquid cooling of the non-rotatably supported in electric machine components.
  • the housing with a liquid cooling in a machine with rotationally driven rotor shaft, wherein then expediently in the wall of the housing at least one cavity is provided, which can be flowed through by a cooling liquid.
  • the design may alternatively be such that the hub which holds the permanent magnets is rotatably provided with the rotor shaft connecting hub with at least one cavity, which with a
  • Coolant is flowed through.
  • the thermally conductive material enclosing the electromagnet components may be formed as a preformed carrier part in which the electromagnet components are mounted. It is then expedient that the electromagnet components are additionally connected after assembly in the preformed support member with supplied in flowable condition setting or thermosetting thermally conductive material with the support member.
  • the housing is made of the heat-conducting material as a whole or at least in its areas connected to the electromagnet components.
  • the ends of the conductors forming the coils with the downstream control device are expediently initially - at least in sections - also embedded in the heat-conducting material, whereby also in this resulting heat is dissipated via the heat-conducting material and also a mechanical strain relief their connection points the ends of the coil forming conductors is obtained.
  • the thermally conductive material can be advantageously formed of a plastic material having the required high thermal conductivity and temperature resistance.
  • the thermally conductive material is formed by a thermoplastic plastic material which can be processed by encapsulation of the electromagnet components held between the carrier plates in a thermoplastic state and subsequent hardening or setting.
  • the separate production in a mold is conceivable.
  • Suitable thermally conductive materials may be, for example, the more recently developed for the purpose polyphenylene sulfides in question, which have the required thermoplastic and also electrically insulating and sound insulating properties.
  • thermoplastic Kunststoffffleterial particles of a material with respect to still increased thermal conductivity preferably aluminum or an aluminum alloy are embedded.
  • FIG. 1 shows a longitudinal central section through the embodiment of an electric machine according to the invention, with a series of electromagnetic components held in the circumferential direction at equal angular intervals on the peripheral wall of the housing, and two outer rotor disks holding the permanent magnets;
  • FIG. 3 shows a sectional view through the ring of electromagnet components of the electric machine arranged in a common carrier component of thermally conductive material in the cutting direction illustrated in FIG. 1 by the arrows 3-3;
  • FIG. 5a-5c are each sectional views through differently formed held in outer support plates, up to the respective pole faces of thermally conductive material enclosed electromagnet components.
  • the exemplary embodiment of an electrical machine according to the invention shown in FIG. 1, designated in its entirety by 10, can basically be used as a motor or generator.
  • the machine has a housing 12, which in the special case is relatively short in the axial direction and which is composed of two disk-like housing end walls 14a, 14b of relatively large diameter and the actual housing peripheral wall 16 which is practically transformed into a cylindrical ring of relatively short length.
  • Housing end walls 14a, 14b and the housing peripheral wall 16 are by means - not shown - screws or other fasteners connected to each other, wherein the housing peripheral wall 16 to facilitate the assembly and disassembly of their machine in a running through the longitudinal central axis of the housing parting plane in two can be screwed together or otherwise connected with each other connectable peripheral wall halves.
  • a bearing receptacle 20 for a radial bearing 22 is formed centrally in each case, in which a housing end wall 14a passing through shaft 24 is rotatably mounted.
  • rotor rotor disks 26a, 26b are held in the Urnfangscardi successively at equal angular intervals of permanent magnets 27 whose inward, i. to the respective opposite rotor disc 26b, 26a facing pole faces in the circumferential direction successively have different polarity.
  • the pole faces of the permanent magnets 27 aligned in the axial direction in the two carriers also have different characteristics
  • the permanent magnets 27 are held in recesses of the carriers 26a, 26b, wherein circumferentially successive permanent magnets 27 are each connected by connecting their coil remote end face by a magnetic field largely enclosing yoke 27a of hard or soft magnetic material to form a horseshoe magnet.
  • Housing 12 has the consequence.
  • the electrical machine of Figure 1 thus represents a drivable by a DC power brushless electric axial field motor.
  • the shaft 24 is driven, is of the rotating with the rotor discs 26a, 26b permanent magnet 27th in the solenoid components 28 generates a rotating electrical field which is removable at the ends of the coils 30 of the electromagnet components 28 and can be used by a suitable rectifier circuit as a direct current.
  • the rotating electric field can alternatively be converted into rotary or alternating current.
  • FIG. 2 illustrates the arrangement of an electromagnet component 28 on the housing peripheral wall 16. It can be seen that the end regions of the coils 30 protruding from the opposite ends of the coil 30 formed in the usual way as a package of a plurality of mutually insulated in overlapping sheets formed coil core 32 each in a complementary to the coil core 32 held recess 34 of a flat annular support plate 36 are held, wherein the opposite end faces of the spool either in the manner shown in Figure 2 - as shown in Figures 5a and 5b - flush with the housing facing outer flat sides of the support plate 36 or slightly above these flat sides, as in Figure 5c is shown.
  • the electromagnet components 28 supporting in parallel spacing, perpendicular to the axis of rotation of the rotor shaft 24 extending support plates 36 have a radially over the electromagnet components 28 voratden outer edge region in which they on annular radial boundary surfaces of the inside of the housing peripheral wall 16 after
  • the housing circumferential wall 16 is provided with a circumferential - except for two guided outwardly not shown - closed cavity 40, which is connected to one of the above-mentioned. th terminals supplied and discharged from the other liquid coolant can flow.
  • the electromagnet components 28 are not only held in the housing 12 via the carrier plates 36, which are produced, for example, from a non-magnetic ceramic material, but also act in the housing when the electric machine is in operation and act in the circumferential direction. It is clear that the carrier plates 36 for this purpose in a suitable - not shown - manner rotationally fixed to the housing peripheral wall 16 must be connected.
  • the illustrated in the illustrated embodiment a total of 24 circumferentially successive uniform intervals in the support plates 36 held electromagnet components are surrounded in the lying between the support plates 36 area in total of a thermally conductive material, which, for example, in a flowable state between the im radially inner and outer region annularly closed support plates 36 formed
  • Cavity injected thermoplastic material with the required good thermal conductivity properties which then surrounds the electromagnet components 28 in the manner shown in Figure 3 after its solidification or hardening and additionally fixes the electromagnet components in the given arrangement to each other.
  • FIG. 4 shows the shape of the solidified material ring made of the thermally conductive material without the electromagnet components used or the covering carrier plates. It can be seen that an annular body 42 formed in this way can not only be produced in the manner described above by encapsulation of the thermoplastic components 28 held in the carrier plates 36. Also, a separate production by casting a suitable material in a corresponding form, but also a production by machining of a suitable rigid material is conceivable.
  • the intermediate space between the electromagnet components and the surrounding walls of the recesses 44 are additionally injected with initially flowable curing or setting high heat conducting material to allow the desired unobstructed heat transfer from the coils 30 of the electromagnet components 28 to the annular body 42.
  • this heat-transfer-securing, additionally injected, cured thermally conductive material is designated by 46.
  • the material used for the production of the annular body 42 also has a sufficient mechanical strength, a waiver of additional carrier plates 36 is conceivable. That the electromagnet components 28 are held exclusively in the annular body 42, which is then again connected in a suitable manner thermally conductive with the housing peripheral wall 16.
  • annular body 42 and the housing peripheral wall 16 can be made as an integral housing component made of the heat-conducting material. This improves the heat dissipation and simplifies the structural design of the machine as a whole.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Elektrische Maschine (10) mit einem Stator und einem relativ zu diesem beweglich gelagerten Läufer mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten, am oder im Läufer bzw. Stator gehalterten Elektromagnet-Bauelementen (28), welche jeweils einen eine Spulenwicklung (30) aus einem oder mehreren elektrischen Leiter(n) tragenden weichmagnetischen Spulenkern (32) aufweisen, und mit mit jeweils einer Polfläche zu den Stirnflächen der Spulenkerne (32) gegenüberstehend ausgerichteten, am oder im Stator oder Läufer gehalterten Permanentmagneten. Die Enden der elektrischen Leiter der einzelnen Elektro­magnet-Bauelemente (28) sind über eine elektrische oder elektronische Steuerungsvorrichtung zu wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen zusammengeschaltet.­ Die Spulenwicklungen (30) der Elektromagnet-Bauelemente (28) stehen zu-mindest partiell mit einem Körper aus wärmeleitendem Material (42) in wärmeleitender Verbindung mit dem Stator bzw. Läufer. Der Stator wird dabei vorzugsweise vom Gehäuse (12) einer Maschine vom Axialfeldtyp gebildet, in welchem ein den beweglichen Läufer bildender Rotor mit aus dem Gehäuse (12) herausgeführter Rotorwelle (24) drehbar gelagert ist.

Description

Elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem relativ zu diesem beweglich gelagerten Läufer mit einer Vielzahl von voneinander beabstandeten am oder im Läufer bzw. Stator gehalterten Elektromagnet-Bauelementen, welche jeweils einen eine Spulenwicklung aus einem oder mehre- ren elektrischen Leiter(n) tragenden weichmagnetischen Spulenkern aufweisen und mit mit jeweils einer Polfläche zu den Stirnflächen der Spulenkerne gegenüberstehend ausgerichteten, am oder im Stator oder Läufer gehalterten Permanentmagneten, wobei die Enden der elektrischen Leiter der einzelnen Elekt- romagnet-Bauelemete über eine elektrische oder elektronische Steuerungsvor- richtung zu wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen zusammen geschaltet sind.
Insbesondere dann, wenn solche elektrische Motore bzw. Generatoren als Axialfeldmaschinen ausgebildet sind, bei denen in einem den Stator bildenden Gehäuse der dann als Rotor ausgebildete Läufer drehbar gelagert ist, weisen diese Maschinen ein günstiges Leistungsgewicht auf, d. h. sie können bei geringen äußeren Gehäuseabmessungen und relativ geringem Gewicht mit hoher Leistungsaufnahme bzw. -abgäbe betrieben werden. Bei einer bekannten Maschine dieser Ausgestaltetung (EP 1 153 469 B1) erfolgt die Abfuhr der wäh- rend des Betriebs der Maschine auch bei hohem Wirkungsgrad auftretenden
Erwärmung aufgrund von Leistungsverlusten über das Gehäuse der Maschine, wobei die in den Elektromagnet-Bauelementen - z.B. durch Wirbelstromver-" luste in den Spulenkern etc. - erzeugte Verlustwärme durch einen innerhalb des Gehäuses durch entsprechende Ausbildung des Rotors erzeugten ge- schlossenen Kühlluftkreislauf aufgenommen und an die Gehäusewandung ab- geführt wird. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch - insbesondere bei Maschinen mit größeren Abmessungen - für einen stabilen Dauerbetrieb hinreichende Wärmeabfuhr erreichbar ist. Probleme treten dann auf, wenn beispielsweise Elektromotoren weiter verringerter Baugröße mit relativ weiter erhöhten Leis- tungen betrieben werden sollen. In diesem Fall wird die Abfuhr der anfallenden
Wärme zumindest im Dauerbetrieb schwierig, zumal eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des inneren Kühlluftstroms - sofern überhaupt konstruktiv verwirklichbar - eine erhöhte Leistungsaufnahme für die Erzeugung des Kühlluftstroms erfordert.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, das Leistungsgewicht der bekannten elektrischen Maschinen weiter zu verbessern, d.h. eine erhöhte Leistungsaufnahme bzw. -abgäbe bei weiter verringerten Abmessungen ohne Leistungsverlust zu ermöglichen.
Ausgehend von einer Maschine der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spulenwicklungen der Elektromagnet-Bauelemente zumindest partiell mit einem Körper aus wärmeleitendem Material in wärmeleitender Verbindung mit dem Stator bzw. Läufer stehen. Diese Ausgestaltung erlaubt die Wärmeabfuhr der in den Elektromagnet-Bauelementen anfallenden Verlustwärme direkt über Wärmeleitungen an den Stator bzw. den Läufer, d. h. bei drehangetriebenen bzw. drehantreibbaren Maschinen vom Axialfeldtyp über das Gehäuse bzw. den Rotor, wodurch ein innerer Kühlluftkreislauf anfallen kann. Der für den Kühlluftkreislauf erforderli- che konstruktive Aufwand und die zu seiner Aufrechterhaltung erforderliche zusätzliche Antriebsenergie entfällt dann.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umschließt das wärmeleitende Material die Elektromagnet-Bauelemente dann bis auf die mit den Polflächen der Permanentmagneten im Rotor ausgerichteten Stirnflächen der Spulenkerne weitgehend vollständig.
Dabei kann die Ausgestaltung dann mit Vorteil so getroffen sein, dass das wärmeleitende Material zumindest im radial der äußeren, der Innenseite der Um- fangswandung des Gehäuses gegenüberliegenden Bereich der Spulenwicklungen der Elektromagnet-Bauelemente einen einstückigen kreisringförmig ge- schlossenen Wärmeleitköφer bildet, in welchem die Elektromagnet-Bauelemente eingeschlossen sind.
Die Elektromagnet-Bauelemente sind im Bereich der den Polflächen der Per- manentmagneten zugewandten Stirnflächen der Spulenkerne zweckmäßig als den Polflächen der Permanentmagnete mit geringem Abstand gegenüberstehende Polschuhe ausgebildet, wobei dann diese Polschuhe mittels mechanisch und/oder thermisch widerstandsfähiger Trägerplatten mit dem Gehäuse verbunden sind.
Die Trägerplatten können dabei mit Vorteil aus einem nicht magnetischen Material hergestellt sein. In Frage kommt hier keramisches Material oder auch Aluminium bzw. eine geeignete Aluminiumlegierung, wobei die Polschuhe der Elektromagnet-Bauelemente dann zweckmäßig in Richtung zu den Polflächen der Permanentmagneten über die Trägerplatte vorstehen.
Die Abfuhr der anfallenden Verlustwärme kann durch eine zusätzliche Flüssigkeitskühlung der bei elektrischer Maschine undrehbar gehaltenen Bauteile erhöht werden.
So ist es möglich, bei einer Maschine mit drehangetriebener Rotorwelle das Gehäuse mit einer Flüssigkeitskühlung zu versehen, wobei dann zweckmäßig in der Wandung des Gehäuses wenigstens ein Hohlraum vorgesehen ist, welcher mit einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist.
Falls der Abtrieb der Maschine in der - z.B. bei Radnabenantrieben üblichen - Weise durch ein auf der statisch gehaltenen Rotorwelle drehangetriebenes Gehäuse erfolgt, kann die Ausgestaltung alternativ so getroffen sein, dass die den die Permanentmagnete halternden Rotor drehfest mit der Rotorwelle verbin- dende Nabe mit wenigstens einem Hohlraum versehen ist, welcher mit einer
Kühlflüssigkeit durchströmbar ist.
Das die Elektromagnet-Bauelemente umschließende wärmeleitende Material kann als vorgeformter Trägerteil ausgebildet sein, in welchem die'Elektromag- net-Bauelemente montiert sind. Dabei ist es dann zweckmäßig, dass die Elektromagnet-Bauteile nach der Montage im vorgeformten Trägerbauteil zusätzlich mit in fließfähigem Zustand zugeführten abbindenden oder aushärtenden Wärmeleitmaterial mit dem Trägerbauteil verbunden werden.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn das Gehäuse insgesamt oder zumindest in seinen mit den Elektromagnet-Bauelementen in Verbindung stehenden Bereichen aus dem wärmeleitenden Material hergestellt ist.
Die die Enden der die Spulen bildenden Leiter mit der nachgeschalteten Steuereinrichtung verbindenden Leitungen werden zweckmäßig zunächst - zumindest in Teilabschnitten - ebenfalls im wärmeleitenden Material eingebettete, wodurch auch in diesem entstehende Wärme über das wärmeleitende Material abgeführt wird und außerdem eine mechanische Zugentlastung ihrer An- Schlussstellen an den Enden der die Spulen bildenden Leiter erhalten wird.
Das wärmeleitende Material kann mit Vorteil von einem Kunststoffmaterial mit der erforderlichen hohen Wärmeleit- und Temperaturbeständigkeit gebildet werden.
Von Vorteil ist es dann, wenn das wärmeleitende Material von einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet wird, welches durch Umspritzen der zwischen den Trägerplatten gehaltenen Elektromagnet-Bauelemente in thermoplastischem Zustand und anschließendes Aushärten oder Abbinden verar- beitbar ist. Auch die gesonderte Herstellung in einer Gussform ist denkbar.
Geeignete wärmeleitende Materialien können hier beispielsweise die in neuerer Zeit für den Zweck entwickelten Polyphenylsulfide in Frage kommen, die die erforderlichen thermoplastischen und zusätzlich auch elektrisch isolierende so- wie schalldämmende Eigenschaften aufweisen.
Die Wärmeabfuhr der in den Spulenwicklungen der Elektromagnet-Bauelemente entstehende Verlustwärme kann auch dadurch verbessert werden, dass im thermoplastischen Kunststoffmäterial Partikel aus einem Material mit dem- gegenüber noch erhöhter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung eingebettet sind. Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieis in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt bzw. zeigen:
Fig. 1 einen durch die Drehachse der Rotorwelle gelegten Längsmittelschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer Reihe von in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Winkelabständen an der Umfangswand des Gehäuses gehalterten Elektromagnet-Bauele- menten und zwei äußeren, die Permanentmagneten haltemden Rotorscheiben;
Fig. 2 in gegenüber Figur 1 vergrößertem Maßstab die
Schnittansicht der Halterung des in Figur 1 unten dargestellten Elektromagnet-Bauelements an der Umfangswandung des Gehäuses;
Fig. 3 eine Schnittansicht durch den in einem gemeinsamen Trägerbauteil aus wärmeleitendem Material angeordneten Kranz von Elektromagnet-Bauelementen der elektrischen Maschine in der in Figur 1 durch die Pfeile 3-3 veranschaulichten Schnittrichtung;
Fig. 4 eine Schnittansicht durch den die Elektromagnet-
Bauelemente halternden vorgeformten starren Trägerteil aus wärmeleitendem Material; und
Fig. 5a-5c jeweils Schnittansichten durch unterschiedlich ausgebildete in äußeren Trägerplatten gehaltene, bis auf die jeweiligen Polflächen von wärmeleitendem Material umschlossene Elektromagnet-Bauelemente. Das in Figur gezeigte, in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnete Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist grundsätzlich als Motor oder Generator einsetzbar. Die Maschine weist ein im speziellen Fall in Axialrichtung relativ kurz bauendes Gehäuse 12 auf, welches sich aus zwei scheibenartigen Gehäuse-Stirnwänden 14a, 14b relativ großen Durchmesser und der praktisch zu einem zylindrischen Ring relativ geringer Länge umgestalteten eigentlichen Gehäuse-Umfangswand 16 zusammensetzt. Gehäuse- Stirnwände 14a, 14b und die Gehäuseumfangswand 16 sind durch - nicht gezeigte - Schrauben oder andere Befestigungsmittel demontierbar miteinander verbunden, wobei die Gehäuse-Umfangswand 16 zur Erleichterung der Montage und Demontage ihrer Maschine auch in einer durch die Längsmittelachse des Gehäuses verlaufenden Trennebene in zwei miteinander verschraubbare oder in anderer Weise miteinander verbindbare Umfangswand-hälften geteilt sein kann.
In den Stirnwänden 14a, 14b ist jeweils mittig eine Lageraufnahme 20 für ein Radiallager 22 gebildet, in denen eine die Gehäuse-Stirnwand 14a durchsetzende Welle 24 drehbar gelagert ist. In den radial außen liegenden Bereichen von zwei voneinander beabstandet auf der Welle 24 drehfest gehalterten Rotor- Läuferscheiben 26a, 26b sind in Urnfangsrichtung aufeinander folgend in gleichmäßigen Winkelabständen von Permanentmagneten 27 gehalten, deren nach innen, d.h. zur jeweils gegenüberliegenden Läuferscheibe 26b, 26a weisende Polflächen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend unterschiedliche Polarität aufweisen. Die in Axialrichtung fluchtenden Polflächen der Permanent- magnete 27 in den beiden Läuferscheiben haben ebenfalls unterschiedliche
Polarität. Die Permanentmagnete 27 sind in Aussparungen der Läuferscheiben 26a, 26b gehalten, wobei in Umfangsrichtung aufeinander folgende Permanentmagnete 27 jeweils durch Verbindung ihrer spulenabgewandten Stirnfläche durch ein das Magnetfeld weitgehend einschließendes Joch 27a aus hart- oder weichmagnetischem Material zu einem Hufeisen-Magneten zusammengeschlossen sind.
Auf der Innenwandung der Gehäuse-Umfangswand sind - ebenfalls in gleichmäßigen Winkelabstäriden versetzt - Elektromagnet-Bauelemente 28 mit je- weils einem eine Spulenwicklung 30 aus einem oder mehreren Leitern tragenden Spulenkerne 32 angeordnet. Die Enden der Leiter der Spulenwicklung 30 sind an eine elektronische Steuereinrichtung angeschlossen, welche den der Steuereinrichtung von einer elektrischen Stromquelle zugeführten elektrischen Strom derart gesteuert in die Spulen 30 einspeist, dass in den Elektromagnet- Bauelementen 28 ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird, welches in Wechselwirkung mit den auf den Läuferscheiben 26a, 26b angeordneten Perma- nentmagneten eine relative Drehung des Rotors und somit der Welle 24 zum
Gehäuse 12 zur Folge hat. In Verbindung mit der erwähnten - nicht gezeigten - elektronischen Steuerung stellt die elektrische Maschine gemäß Figur 1 also einen von einer Gleichstromquelle antreibbaren bürstenlosen elektrischen Axialfeldmotor dar. Wenn umgekehrt die Welle 24 angetrieben wird, wird von den sich mit den Läuferscheiben 26a, 26b drehenden Permanentmagneten 27 in den Elektromagnet-Bauelementen 28 ein elektrisches Drehfeld erzeugt, welches an den Enden der Spulen 30 der Elektromagnet-Bauelemente 28 abnehmbar ist und durch eine geeignete Gleichrichterschaltung als Gleichstrom genutzt werden kann. Durch entsprechende elektronische Steuereinrichtung kann das elektrische Drehfeld alternativ auch in Dreh- oder Wechselstrom umgeformt werden.
In Figur 2 ist die Anordnung eines Elektromagnet-Bauelements 28 an der Ge- häuse-Umfangswand 16 veranschaulicht. Es ist ersichtlich, dass die aus den gegenüberliegenden Enden der Spulen 30 vortretenden Endbereiche des in üblicher Weise als Paket aus einer Vielzahl von gegeneinander isoliert in Über- einanderlage angeordneten Blechen ausgebildete Spulenkerns 32 jeweils in einer komplementär zum Spulenkern 32 gehaltenen Ausnehmung 34 einer ebenen kreisringförmigen Trägerplatte 36 eingesetzt gehalten sind, wobei die gegenüberliegenden Stirnflächen des Spulenkerns entweder in der in Figur 2 - sowie den Figuren 5a und 5b dargestellten Weise - bündig mit den Gehäuse zugewandten äußeren Flachseiten der Trägerplatte 36 abschließen oder etwas über diese Flachseiten vortreten, wie dies in Figur 5c gezeigt ist. Die die Elektromagnet-Bauelemente 28 in parallelem Abstand halternden, rechtwinklig zur Drehachse der Rotorwelle 24 verlaufenden Trägerplatten 36 haben einen über die Elektromagnet-Bauelemente 28 radial vortretenden äußeren Randbereich, in welchem sie an ringförmigen radialen Begrenzungsflächen eines von der Innenseite der Gehäuse-Umfangswand 16 nach innen vorstehenden umlaufenden Vorsprungs 38. Im dargestellten Fall ist die Gehäuse-Umfangswandung 16 mit einem umlaufenden - bis auf zwei nach außen geführte nicht gezeigte - geschlossenen Hohlraum 40 versehen, der mit einem über einen der erwähn- ten Anschlüsse zugeführten und aus dem anderen abgeführten flüssigen Kühlmittel durchströmbar ist.
Über die - beispielsweise aus einem unmagnetischen Keramikmaterial herge- stellten - Trägerplatten 36 werden die Elektromagnet-Bauelemente 28 nicht nur im Gehäuse 12 gehalten, sondern auch bei laufender Elektromaschine auftretende, in Umfangsrichtung wirkende Kräfte im Gehäuse abgestützt. Es ist klar, dass die Trägerplatten 36 hierzu in geeigneter - nicht gezeigter - Weise drehfest mit der Gehäuse-Umfangswand 16 verbunden sein müssen. Die beim dar- gestellten Ausführungsbeispiel insgesamt 24 in Umfangsrichtung aufeinander folgenden gleichmäßigen Abständen in den Trägerplatten 36 gehalterten Elektromagnet-Bauelemente sind in dem zwischen den Trägerplatten 36 liegenden Bereich insgesamt von einem wärmeleitenden Material umgeben, bei dem es sich beispielsweise um in fließfähigem Zustand zwischen die im radial inneren und äußeren Bereich ringförmig abgeschlossenen Trägerplatten 36 gebildeten
Hohlraum eingespritzten thermoplastischen Kunststoff mit den erforderlichen guten Wärmeleiteigenschaften handelt, der dann nach seiner Erstarrung oder Aushärtung die Elektromagnet-Bauelemente 28 in der in Figur 3 ersichtlichen Weise umgibt und die Elektromagnet-Bauelemente zusätzlich in der vorgege- benen Anordnung zueinander fixiert.
In Figur 4 ist die Form des erstarrten Materialrings aus dem wärmeleitenden Material ohne die eingesetzten Elektromagnet-Bauelemente bzw. die abdek- kenden Trägerplatten gezeigt. Es ist ersichtlich, dass ein in dieser Weise ge- formter ringförmiger Körper 42 nicht nur in der vorstehend erläuterten Weise durch Umspritzung der in den Trägerplatten 36 gehalterten Elektromagnet- Bauelementen 28 mit thermoplastischem Kunststoff herstellbar ist. Auch eine gesonderte Herstellung durch Gießen eines geeigneten Materials in einer entsprechenden Form, aber auch eine Herstellung durch spanende Bearbeitung aus einem geeigneten starren Material ist denkbar.
Im letzterwähnten Fall der Herstellung des in Figur 4 dargestellten ringförmigen Körpers 42 auf dem der Wärmeabfuhr von den Elektromagnet-Bauelementen 28 dienenden Körpers ist es zweckmäßig, wenn die AufnaHmeräume 44 für die anschließend gesondert zu montierenden Elektromagnet-Bauelemente mit im
Vergleich zu den äußeren Abmessungen der Elektromagnet-Bauelemente etwas vergrößerten Abmessungen hergestellt werden, wobei dann die Zwischen- räume zwischen den Elektromagnet-Bauelementen und den sie umgebenden Wänden der Ausnehmungen 44 zusätzlich mit zunächst fließfähigem aushärtendem oder abbindendem hoch wärmeleitendem Material ausgespritzt werden, um den gewünschten unbehinderten Wärmeübergang von den Spulen 30 der Elektromagnet-Bauelemente 28 auf den Ringkörper 42 zu ermöglichen.
In den Figuren 5a bis 5c ist dieses, den Wärmeübergang sichernde, zusätzlich eingespritzte ausgehärtete wärmeleitende Material mit 46 bezeichnet.
Wenn das für die Herstellung des Ringkörpers 42 verwendete Material auch eine hinreichende mechanische Festigkeit aufweist, ist auch ein Verzicht auf zusätzliche Trägerplatten 36 denkbar. D.h. die Elektromagnet-Bauelemente 28 sind ausschließlich in dem Ringkörper 42 gehalten, der dann wieder in geeigneter Weise wärmeleitend mit der Gehäuse-Umfangswand 16 verbunden wird.
Denkbar ist sogar, dass der Ringkörper 42 und die Gehäuse-Umfangswand 16 als integraler Gehäuse-Bauteil aus dem wärmeleitenden Material hergestellt werden können. Dadurch wird die Wärmeabfuhr verbessert und der konstruktive Aufbau der Maschine insgesamt vereinfacht.
Es ist ersichtlich, dass im Rahmen des Erfindungsgedankens Abwandlungen und Weiterbildungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels verwirklichbar sind, die sich beispielsweise auf eine Verbesserung der Kühlung durch zusätzliche Verrippung der Gehäuse-Umfangswand 16 beziehen. Bei einer Abwand- lung derart, dass das Gehäuse relativ zum starr gehalterten Rotor drehangetrieben ist, ist eine sinngemäße Anordnung der Elektromagnet-Bauelemente 28 auf der - dann stillstehenden - Rotor-Nabe möglich, die dann zweckmäßig einen dem Hohlraum 40 der Gehäuse-Umfangswand 16 funktionell entsprechenden Hohlraum aufweisen sollte, der seinerseits von einer über Kanäle in der Rotorwelle 24 zu- und abgeführtes flüssiges Kühlmittel durchströmbar sein sollte. Grundsätzlich ist das bei dem vorstehenden als Axialfeldmaschine ausgebildeten Ausführungsbeispiel erläuterte Konzept der verbesserten Wärmeabfuhr der Verlustwärme aus den Spulenwicklungen von Elektromagnet-Bauelementen auf Maschinen in linear Bauart übertragbar, bei welcher ein Läufer relativ zu einem Stator linear beweglich ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
5 1. Elektrische Maschine (10) mit einem Stator und einem relativ zu diesem beweglich gelagerten Läufer mit einer Vielzahl von voneinander beab- standeten am oder im Läufer bzw. Stator gehalterten Elektromagnet- Bauelementen (28), welche jeweils einen eine Spulenwicklung (30) aus einem oder mehreren elektrischen Leiter(n) tragenden weichmagneti- o sehen Spulenkern (32) aufweisen und mit mit jeweils einer Polfläche zu den Stirnflächen der Spulenkerne (32) gegenüberstehend ausgerichteten, am oder im Stator oder Läufer gehalterten Permanentmagneten (27), wobei die Enden der elektrischen Leiter der einzelnen Elektromag- net-Bauelemete über eine elektrische oder elektronische Steuerungsvor- 5 richtung zu wenigstens zwei elektrischen Anschlüssen zusammen geschaltet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Spulenwicklungen (30) der Elektromagnet-Bauelemente (28) zumindest partiell mit einem Körper aus wärmeleitendem Material (42; 0 46) in wärmeleitender Verbindung mit dem Stator bzw. Läufer stehen.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator vom Gehäuse (12) einer Maschine vom Axialfeidtyp gebildet wird, in welchem ein den beweglichen Läufer bildender Rotor mit aus 5 dem Gehäuse herausgeführter Rotorwelle (24) drehbar gelagert ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material (42; 46) die Elektromagnet-Bauelemente (28) bis auf die mit den Polflächen der Permanentmagneten 0 (27) im Rotor ausgerichteten Stirnflächen der Spulenkerne (30) weitgehend umschließt.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material (42; 46) zumindest im radial äußeren, 5 der Innenseite der Umfangswand (16) des Gehäuses (12) gegenüberliegenden Bereich der Spulenwicklungen (30) der Elektromagnet-Bauele- mente (28) einen einstückigen, kreisringförmig geschlossenen Wärmeleitkörper bildet.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Elektromagnet-Bauelemente (28) im Bereich der den Polflächen der Permanentmagneten (27) zugewandten Stirnflächen der Spulenkerne (32) als Polschuhe ausgebildet sind, und dass die Polschuhe mittels mechanisch und/oder thermisch stabiler Trägerplatten (36) mit dem Gehäuse (12) verbunden sind.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten (36) aus einem nicht magnetischen Material hergestellt sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten (36) aus einem keramischen Material hergestellt sind.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatten (36) aus Aluminium bzw. aus einer Aluminiumlegierung bestehen, und dass die Polschuhe in Richtung zu den Polflächen der
Permanentmagneten (27) über Trägerplatten (36) vorstehen.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitskühlung der bei angetriebener elek- trischer Maschine (10) undrehbar gehaltenen Bauteile vorgesehen ist.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 und 9 mit drehangetriebener Rotorwelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) flüssigkeits- gekühlt ist.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Gehäuses (12) mit wenigstens einem Hohlraum (40) versehen ist, welcher mit einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist.
12. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 und 9 mit drehbar auf der statisch gehaltenen Rotorwelle drehangetriebenem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass die den die Permanentmagneten (27) halternden Rotor drehfest mit der Rotorwelle (24) verbindende Nabe mit wenigstens einem Hohlraum versehen ist, welcher mit einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist.
13. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material als vorgeformter Trägerteil (42) ausgebildet ist, in welchem die Elektromagnet-Bauelemente (28) montiert sind.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnet-Bauteile (28) nach der Montage im vorgeformten Trägerbauteil (42) zusätzlich mit in fließfähigem Zustand zugeführtem abbindendem oder aushärtendem Wärmeleitmaterial (46) mit dem Trägerbauteil verbunden sind.
15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) zumindest in seinem mit den Elektromagnet-Bauelementen (28) in Verbindung stehenden Bereichen aus dem wärmeleitenden Material hergestellt ist.
16. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die die Enden der die Spulen (30) bildenden Leiter mit der nachgeschalteten Steuereinrichtung verbindenden Leitungen zunächst zumindest in Teilabschnitten im wärmeleitenden Material (42; 46) eingebettet sind.
17. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material (42; 46) von einem Kunststoffmaterial mit der erforderlichen hohen Wärmeleit- und Tempe- raturbeständigkeit gebildet wird.
18. Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material (42; 46) von einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet wird.
19. Elektrische Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material (42; 46) ein Polyphenylsulfid (PPS) ist.
20. Elektrische Maschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass im thermoplastischen Kunststoffmaterial Partikel aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung eingebetet sind.
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