WO2006106086A1 - Elektrische maschine mit einem gehäuse zur flüssigkeitskühlung - Google Patents

Elektrische maschine mit einem gehäuse zur flüssigkeitskühlung Download PDF

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Michael Zisler
Thomas Then
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a housing which is suitable for liquid cooling.
  • the stator is cooled with liquids to increase performance.
  • liquid-cooled electrical machines a wide variety of principles are known. For example, can flow ness by axial cooling channels which experiences a deflection of the liquid stream in the bearing plates or of special baffle plates, which are mounted outside of the electrical machine, an electrical machine comprehensive extruded profile a liquid ⁇ .
  • the deflection in the end shields is carried out by cast-in or drilled channels or are also partially formed by pipes, which are cast in castings.
  • a seal to the end shields or baffles is made by design predominantly by legislativendichtmit- tel, such as. Flat gaskets or fluids and designed for this reason extremely expensive.
  • Another way to cool electrical machines be ⁇ therein is to insert cooling coils in ring-shaped or meander-shaped grooves arranged in the stator.
  • the assembly is very expensive and the heat transfer is problematic ⁇ table.
  • DE 41 04 740 A1 discloses two elaborate cup-shaped housings in which a deflection of the liquid takes place in the end shield.
  • the object of the invention is to provide an electrical machine with efficient cooling, which ensures adequate cooling of this electric machine with comparatively low assembly capacity, reliable sealing and small space requirements.
  • an electrical machine is provided with a Ge ⁇ housing arranged stator with a winding system, wherein the housing has means for liquid cooling of the stator ⁇ and wherein the housing of two flanges and a between arranged central housing portion consists of two coaxially arranged one another sleeve-shaped elements which together form a cooling jacket of the stator.
  • both the inner element and the outer element is formed as an extruded profile. From the two telescoped elements results, since the sleeve-shaped elements differ in diameter, a gap which serves as a cooling jacket.
  • the elements can also be obtained by other known manufacturing methods, such as e.g. be made by welding.
  • the inner element is designed as a cylindrical tube and the outer element has inwardly open channels.
  • These channels are advantageously formed by webs, on the one hand part of an element on the other hand may be separate parts, which are subsequently attached to one of the elements by welding, gluing or soldering.
  • the outer element forms the outer motor contour, in particular in the central housing section.
  • flanges are present, in which the elements are used. These elements, each with an O-ring pressed at the end faces between the elements in the flanges, shrunk or glued.
  • the combination according to the invention of the two elements results in channels which are connected to one another at the axial ends of the central housing section.
  • An ex ⁇ seal the cooling jacket is preferably carried out via an end-side, extending in the circumferential direction recess or groove in the flange, in which by the constructive arrangement of O-ring, the elements and the flanges is a waterproofing.
  • the O-ring is fixed on the end plates or corresponding flanges.
  • the construction according to the invention of the housing of the electric machine achieves extremely thin wall thicknesses by eliminating closed cooling bores or separate cooling channels. This material is saved and he ⁇ it is a very compact design of water-cooled e- lektrischen machines.
  • the realization of a cross profile of the cross section of the electric machine ie a screwing ⁇ example done to a work machine from the back of e-lektrischen machine.
  • the resulting by the mating of the elements with the webs cooling channels can be formed by the division of the webs with an optimum for cooling the respective electrical machine or application cross-section, ie width of the webs in the circumferential direction, narrow webs with respect to the radial height ,
  • FIG. 2 shows individual is a schematic cross section of the casing, Figures 3 and 4 of a middle sleeve GeHouseab ⁇ section.
  • FIG. 1 shows an electric machine 1, which has a stator 2 with a winding system 11, and a rotor 3, which is shrunk onto a shaft 5.
  • the shaft 5 is mounted in La ⁇ like 6, the bearings 6 are positioned on the respective end faces of the stator 2 in end shields 4.
  • the bearing plates 4 have at their radially outer ends facing the stator 2, groove-shaped recesses into which the two elements 8 and 9 are inserted coaxially. Between the coaxial elements are located at each end O-rings 10, which seal the resulting cooling jacket 14 of the central housing portion 7.
  • a cooling liquid enters through an inlet 12, as shown schematically by the arrows 17, into the cooling jacket Zvi ⁇ rule the elements 9 and 8, and is guided there meandering shape by webs sixteenth
  • the webs 16 are items that can be attached either to the elements 9 or 8 by gluing, soldering or welding. However, they can also be integral with the elements 9 and / or 8 parts of an extruded profile.
  • the meandering course of the cooling liquid adjusts itself in that the webs 16 end alternately at the left or right edge of the central housing section 7 and are shorter in their axial extent than the arrangement of the elements themselves.
  • FIG 3 shows the member 9 being as thin-walled tube ⁇ results and is simple to produce in an extrusion process. It forms the inner part of the cooling jacket.
  • FIG. 4 shows the outer element 8, with the inlet 12 and with webs 16 already located thereon.
  • the element 8 according to FIG. 4 is advantageously likewise in the form of an extruded profile formed, so that different lengths of Ak ⁇ tivmaschine can be realized with a lower investment needs.
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment as a detailed view of FIG. 1.
  • the mounting of the cooling jacket is facilitated if the recess of the flange 4 or of the end shield has a chamfer 18 which, during assembly, compresses the O-ring 10 by the elements 8, 9 and thus obtains a sufficient seal.
  • the fixation of the O-ring 10 is improved by bulges 20 of the elements 8 and / or 9.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Um eine effiziente Kühlung einer elektrischen Maschine (1) bei geringem Bauvolumen zu schaffen, wird eine elektrische Maschine (1) vorgeschlagen mit einem in einem Gehäuse angeordneten Stator (2) mit einem Wicklungssystem (3), wobei das Gehäuse Mittel zur Flüssigkeitskühlung des Stators (2) aufweist und wobei das Gehäuse aus zwei Flanschen (4) und einem dazwischen angeordneten mittleren Gehäuseabschnitt (7) besteht, der zwei koaxial ineinander angeordnete hülsenförmige Elemente (8,9) aufweist, die zusammengesteckt einen Kühlmantel des Stators (2) bilden.

Description

Elektrische Maschine mit einem Gehäuse zur Flüssigkeitsküh¬ lung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse das zur Flüssigkeitskühlung geeignet ist.
Bei elektrischen Maschinen wird zur Leistungssteigerung beispielsweise der Stator mit Flüssigkeiten gekühlt. Bei flüs- sigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen sind unterschiedlichste Prinzipien bekannt. So kann z.B. über ein eine elektrische Maschine umfassendes Strangpressprofil eine Flüssig¬ keit durch axiale Kühlkanäle strömen, die eine Umlenkung des Flüssigkeitsstroms in den Lagerschilden oder an speziellen Umlenkplatten, die außen an der elektrischen Maschine angebracht sind, erfährt. Die Umlenkung in den Lagerschilden erfolgt durch eingegossene oder gebohrte Kanäle oder werden zum Teil auch durch Rohre gebildet, die in Gussteile eingegossen sind.
Eine Abdichtung zu den Lagerschilden oder Umlenkplatten erfolgt konstruktionsbedingt überwiegend durch Flächendichtmit- tel, wie z.B. Flachdichtungen oder Fluide und gestaltet sich aus diesem Grund äußerst aufwendig.
Eine weitere Möglichkeit elektrische Maschinen zu kühlen be¬ steht darin, Kühlschlangen in ring- oder mäanderförmigen angeordneten Nuten im Stator einzulegen. Die Montage ist dabei sehr aufwendig und der Wärmeübergang gestaltet sich problema¬ tisch.
Ebenso ist es bekannt Kühlmanschetten um das Gehäuse eines Elektromotors zu legen, wobei die Herstellung der Manschetten sowie der mäßige Wärmeübergang vom Stator zur Manschette äußerst problematisch ist. so ist z.B. aus der DE 197 49 108 C5 eine Kühlung für einen gehäuselosen Motor bekannt, in den eine Kühlschlange einge¬ legt wird.
Ebenso sind aus der DE 41 04 740 Al zwei aufwändige topfför- mige Gehäuse bekannt, bei der eine Umlenkung der Flüssigkeit im Lagerschild erfolgt.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei- ne elektrische Maschine mit einer effizienten Kühlung zu schaffen, die mit vergleichsweise geringer Montageleistung, zuverlässiger Abdichtung und geringem Platzbedarf eine ausreichende Kühlung dieser elektrischen Maschine gewährleistet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass eine elektrische Maschine vorgesehen wird mit einem in einem Ge¬ häuse angeordneten Stator mit einem Wicklungssystem, wobei das Gehäuse Mittel zur Flüssigkeitskühlung des Stators auf¬ weist und wobei das Gehäuse aus zwei Flanschen und einem da- zwischen angeordneten mittleren Gehäuseabschnitt besteht, der zwei koaxial ineinander angeordnete hülsenförmige Elemente aufweist, die zusammengesteckt einen Kühlmantel des Stators bilden .
Vorteilhafterweise ist sowohl das innere Element als auch das äußere Element als Strangpressprofil ausgebildet. Aus den zwei ineinander geschobenen Elementen ergibt sich, da sich die hülsenförmigen Elemente im Durchmesser unterscheiden ein Zwischenraum, der als Kühlmantel dient. Die Elemente können auch durch andere an sich bekannte Herstellverfahren, wie z.B. durch Schweißen hergestellt werden.
Auch die Querschnittsform der Elemente ist nahezu beliebig. Vorteilhafterweise ist das innere Element als zylinderförmi- ges Rohr ausgebildet und das äußere Element weist nach innen offene Kanäle auf. Diese Kanäle werden vorteilhafterweise durch Stege gebildet, die einerseits Teil eines Elements andererseits auch separate Teile sein können, die nachträglich an einem der Elemente, durch schweißen, kleben oder löten befestigt werden.
Das außen liegende Element bildet insbesondere im mittleren Gehäuseabschnitt die äußere Motorkontur. An den Stirnseiten des mittleren Gehäuseteils sind Flansche vorhanden, in die die Elemente eingesetzt werden. Dabei werden diese Elemente, mit jeweils einem O-Ring an den Stirnseiten zwischen den Elementen in die Flansche gepresst, geschrumpft oder geklebt.
Durch die erfindungsgemäße Zusammenstellung der beiden Elemente entstehen Kanäle, die an den axialen Enden des mittle- ren Gehäuseabschnitts miteinander verbunden sind. Eine Ab¬ dichtung des Kühlmantels erfolgt vorzugsweise über eine stirnseitige, in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmung oder Nut in dem Flansch, in der durch die konstruktive Anordnung von O-Ring, den Elementen als auch den Flanschen eine Abdich- tung erfolgt. Axial wird der O-Ring über die Lagerschilde o- der dementsprechende Flansche fixiert.
In weiteren Ausführungsformen können auch andere Dichtkonzepte, wie z.B. Flachdichtungen, Flüssigdichtmittel etc. geeig- net sein.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Gehäuses der elektrischen Maschine werden durch den Wegfall von geschlossenen Kühlbohrungen oder separaten Kühlkanäle äußerst dünne Wand- stärken erreicht. Damit wird Material eingespart und es er¬ gibt sich eine sehr kompakte Bauweise von wassergekühlten e- lektrischen Maschinen.
Des Weiteren kann die Realisierung eines Kreuzprofils des Querschnitts der elektrischen Maschine, d.h. eine Anschrau¬ bung z.B. an eine Arbeitsmaschine von der Rückseite der e- lektrischen Maschine erfolgen. Die sich durch das Zusammenstecken der Elemente mit den Stegen ergebenden Kühlkanäle, können durch die Teilung der Stege mit einem für die Kühlung der jeweiligen elektrischen Maschine oder Anwendungszweck optimalen Querschnitt ausgebildet werden, d.h. Breite der Stege in Umfangsrichtung, schmale Stege im Bezug auf die radiale Bauhöhe.
Dadurch ergeben sich große Oberflächen, die vom Kühlmedium überströmt werden und ein dafür geringer erforderlicher Bau- räum in radialer Höhe. Eine Abdichtung des Kühlkreislaufes erfolgt nur einmal pro Stirnseite.
Aufgrund des vorteilhaften Strangpressprofils der Elemente sind unterschiedliche Baulängen des Aktivteils, also des Sta- tors, mit geringem Investitionsbedarf realisierbar.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmale der Unteransprüche werden im folgen¬ den anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Maschine,
FIG 2 einen schematischen Querschnitt des Gehäuses, FIG 3 und FIG 4 einzelne Hülse eines mittleren Gehäuseab¬ schnitts .
FIG 5 Detailausschnitt
FIG 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, die einen Stator 2 mit einem Wickelsystem 11 aufweist, und einen Rotor 3, der auf eine Welle 5 aufgeschrumpft ist. Die Welle 5 ist in La¬ gern 6 gelagert, wobei die Lager 6 an den jeweiligen Stirnseiten des Stators 2 in Lagerschilden 4 positioniert sind. Die Lagerschilde 4 weisen an ihren radial äußeren Enden die zum Stator 2 weisen, nutförmige Ausnehmungen auf, in die die beiden Elemente 8 und 9 koaxial eingefügt werden. Zwischen den koaxialen Elementen befinden sich am jeweiligen Ende O-Ringe 10, die den damit entstandenen Kühlmantel 14 des mittleren Gehäuseabschnitts 7 abdichten.
Eine Kühlflüssigkeit gelangt über einen Einlass 12, wie durch die Pfeile 17 schematisch dargestellt, in den Kühlmantel zwi¬ schen den Elementen 9 und 8, und wird dort durch Stege 16 mä- anderförmig geführt. Die Stege 16 sind dabei Einzelteile, die entweder an den Elementen 9 oder 8 durch Kleben, Löten oder Schweißen befestigt werden können. Sie können aber auch ein- stückig mit den Elementen 9 und/oder 8 Teile eines Strangpressprofils sein.
Der mäanderförmige Verlauf der Kühlflüssigkeit stellt sich dadurch ein, dass die Stege 16 abwechselnd am linken oder rechten Rand des mittigen Gehäuseabschnitts 7 enden und in ihrer axialen Ausdehnung kürzer sind als die Anordnung der Elemente selbst .
FIG 2 zeigt in einem schematischen Querschnitt der Elemente 8,9 den Einlass 12 und einen Auslass 13, so dass eine Kühl¬ flüssigkeit durch Eintritt und mäanderförmigen Verlauf über die Kühlkanäle 14 die gesamte Umfangsflache der elektrischen Maschine überstreicht und am Auslass 13 austritt.
Durch vergleichsweise schmale Gestaltung der Stege 16 wird die zu kühlende Oberfläche des Stators 2 maximal ausgenutzt. Durch Gestaltung 15 des äußeren Elements 8 stellt sich ein Kreuzprofil ein, so dass eine Anschraubung der elektrischen Maschine an eine Arbeitsmaschine von der Rückseite aus mög- lieh ist.
FIG 3 zeigt das Element 9, das als dünnwandiges Rohr ausge¬ führt ist und im Strangpressverfahren einfach herzustellen ist. Es bildet den inneren Teil des Kühlmantels.
FIG 4 zeigt das äußere Element 8, mit dem Einlass 12 und mit bereits daran befindlichen Stegen 16. Das Element 8 gemäß FIG 4 wird vorteilhafterweise ebenfalls als Strangpressprofil ausgebildet, so dass auch unterschiedliche Baulängen der Ak¬ tivteile mit einem geringeren Investitionsbedarf realisierbar sind.
FIG 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform als Detailansicht der FIG 1. Die Montage des Kühlmantels wird erleichtert, wenn die Ausnehmung des Flansches 4 oder des Lagerschildes eine Anfasung 18 aufweist, die beim Zusammenbau für ein Zusammendrücken des O-Rings 10 durch die Elemente 8, 9 und damit eine ausreichende Abdichtung erwirkt. Die Fixierung des O-Rings 10 wird durch Ausbuchtungen 20 der Elemente 8 und/oder 9 verbessert .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (1) mit einem in einem Gehäuse ange¬ ordneten Stator (2) mit einem Wicklungssystem (3), wobei das Gehäuse Mittel zur Flüssigkeitskühlung des Stators (2) auf¬ weist und wobei das Gehäuse aus zwei Flanschen (4) und einem dazwischen angeordneten mittleren Gehäuseabschnitt (7) besteht, der zwei koaxial ineinander angeordnete hülsenförmige Elemente (8,9) aufweist, die zusammengesteckt einen Kühlman- tel des Stators (2) bilden.
2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem Bereich zwischen den beiden Elementen (8,9) Stege (16) vorhanden sind, deren axiale Ausdehnung kleiner ist als die axiale Ausdehnung des mittleren Gehäuseabschnitts (7).
3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stege (16) mit dem Element (8) oder mit dem Element (9) einstückig verbunden sind.
4. Elektrische Maschine (1) Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stege (16) mit dem Element (8,9) verbunden werden.
5. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der mittlere Gehäuseabschnitt (7) radial und axial durch zwi- sehen den beiden Elementen (8,9) angeordneten O-Ringen (10) abgedichtet ist.
6. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das äußere Element (8) Mittel zum Aus- und Eintritt ei¬ ner Kühlflüssigkeit vorsieht.
7. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Element (8,9) des mittleren Gehäuseteils
(7) als Strangpressprofil ausgebildet ist.
8. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Flansche (4) an den radial äußeren Abschnitten ihrer zugewandten Seiten Ausnehmungen aufweisen, in die der mittle- re Gehäuseabschnitt (7) einsetzbar ist.
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