WO2008014735A1 - Maschinengehäuse einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2008014735A1
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machine
housing
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Inventor
Alexander Schäflein
Sönke GÜRTLER
Knut Welke
Nicolas Lewkovicz
Maik Waberski
Timo Gau
Ivica Dujmovic
Rüdiger TROJAHN
Gerhard Hiemer
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Temic Automotive Electric Motors Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • H—ELECTRICITY
    • 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 a machine housing of an electrical machine.
  • the invention further relates to a method for producing such a machine housing.
  • the stator of electric machines such as electric motors and generators is generally understood to mean the fixed part of the electric machine, while the rotor is the moving part of the machine and is mounted inside the stator.
  • the stator usually has one or more windings through which a magnetic field is generated at the motor through the electrical current flowing therethrough, whose effect causes the movement of the rotor over the air gap between the stator and rotor.
  • electrical current is induced in the winding by the magnetic field rotating with the rotor.
  • both functions can be used or integrated by an appropriate design in an electric machine.
  • Such applications are usually realized among other things in regenerative braking and drive systems in motor vehicles by the braking energy is applied with the electric machine, this is cached in a memory and is used on the electric machine again to drive the motor vehicle.
  • stator development is generally wrapped in a laminated stator core, which is composed of so-called electrical sheet metal, or guided therein in corresponding slots.
  • the stator lamination itself is positioned and secured to the winding within the stator or machine housing.
  • the laminated stator core is usually shrinks Scheme- in the machine housing by the machine housing is heated to about 200 0 C. Due to the subsequent cooling process and the concomitant reduction in cross-section of the stator housing, the stator lamination stack is fixed in the stator housing.
  • the stator is suspended during operation in general a wide temperature range of about -40 0 C to about 160 ° C. In some applications, the stator is therefore surrounded by a water channel to cool it with water.
  • modules of this power electronics are usually mounted on the circumference of the stator.
  • corresponding recesses may be provided for access to the stator in the region of the modules on the machine housing.
  • the machine housing is usually made of steel, because steel has a similar coefficient of thermal expansion as the laminated stator core, so that the laminated stator core remains fixed in the machine housing at all operating temperatures.
  • a problem in the manufacture of the machine housing is that the production of the machine housing made of steel is relatively expensive and therefore expensive.
  • a machine housing is usually cast first and then further processed with various machining methods, such as milling, drilling, welding and turning.
  • various machining methods such as milling, drilling, welding and turning.
  • Particularly complicated and thus costly is the realization of the various devices for add-on parts, which are needed for example for the power electronics or the connection of a transmission.
  • Particularly costly is the realization of a cooling channel, including additional complex reworking methods are needed.
  • the invention is therefore based on the object to provide a machine housing that can be produced as inexpensively.
  • a machine housing is composed of a stator carrier arranged on the inside and a water jacket arranged on the outside, wherein a stator carrier and a water jacket are connected to one another via a number of connection points extending in the circumferential direction.
  • the invention is based on the assumption that in the production of machine housings described above, in particular the necessary extensive reworking processes account for a large proportion of the costs. The reason for this
  • a machine housing is therefore divided into a water jacket and a stator, which are interconnected after their manufacture. The connection is made via several connection points in the circumferential direction of the machine housing. Alternatively, a circumferential connection point may be sufficient if a stator support is additionally fixed by a stop on the water jacket. For this purpose, a stator, the end has a circumferential spring are pushed to the stop in the water jacket and connected in the front side with the water jacket.
  • a machine housing between the water jacket and the stator carrier advantageously has a water channel.
  • a water channel is bounded on the inside by the stator and on the outside by the water jacket.
  • corresponding recess may be provided on the inside, while the water channel is delimited inwardly by the cylindrically shaped stator.
  • stator lamination can be secured via a shrinkage in the machine housing.
  • a water jacket For receiving modules of the power electronics for controlling the electrical machine, a water jacket preferably has a number of recesses.
  • a module of the power electronics is sunk during assembly in a recess and bolted to the water jacket. Between water jacket and module can be arranged to seal the water channel a seal.
  • a water jacket in the region of a recess just executed is a water jacket in the region of a recess just executed.
  • a water jacket in the region of a recess advantageously on a surface.
  • a water jacket expediently has the form of a straight prism.
  • a surface described above is an outer side of the prism in which also recesses may be positioned.
  • a water jacket and / or stator is preferably composed of a deep-drawn part.
  • a stator and a water jacket is advantageously connected to each other with brazing.
  • the invention relates to a machine housing of an engine and / or a generator.
  • a motor and / or generator on a machine housing described above.
  • the essential advantage of the invention is the possibility of manufacturing a machine housing of an electrical machine cost-effectively. This can be ensured in particular by the division of the machine housing into two components, which has the effect that the individual components can be manufactured substantially more cost-effectively than the entire component. As a result of the division, both components can be made less expensive but also more individual. So it is possible to manufacture water jacket and stator from low-priced deep-drawn parts.
  • An advantage of the resulting freedom of design of the individual components is that si.ch the water jacket comparatively easy with
  • FIG. 2 is a plan view of a machine housing 3 according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a stator carrier 1 and a water jacket 2 of a machine housing 3 according to FIG. 1,
  • FIG. 5 shows in section a housing wall of a machine housing 3 according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a machine housing 3 of an electric motor, not shown.
  • the machine housing 3 is designed in particular for the most cost-effective production possible.
  • the machine housing 3 is composed of a cylindrical stator 1 and a surrounding water jacket 2 together.
  • the cylindrical stator carrier 1 is designed to be smooth on the inside for receiving the stator lamination stack of the electric motor, so that the stator lamination stack can be shrunk into this or into the motor housing 3.
  • For the design of a low-cost production of the stator 1 and the water jacket 2 is made of a deep-drawn part.
  • the space between the stator carrier 1 and the water jacket 2 forms the water channel 4.
  • the machine housing 2 can be cooled with water. In this case, water can be supplied via the water connection 16 to the water channel 4.
  • the machine housing 3 is particularly adapted for easy assembly of power electronics modules needed to control the motor.
  • the water jacket 2 is designed as a straight prism.
  • the prism recesses 6 are provided for receiving the modules of the power electronics, which is apparent from Figure 3.
  • the recesses can be positioned by the design of the water jacket 2 as a prism on the flat side surfaces, so that the water channel 4 can be sealed by a seal between the modules and the water jacket 2.
  • a module is screwed onto a power electronics carrier 12.
  • the water jacket 2 and the stator 1 has a number of mounting flanges
  • FIG. 4 shows for better clarity, the machine housing 4 in section and Figure 5 in section the housing wall of the machine housing 3.
  • the space between the stator 1 and the water jacket 2, the water channel 4, which for the cooling of the machine housing 3 with Water is used.
  • both components are connected to one another by means of a brazing method at the circumferentially extending points encircled in FIG. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

Ein Maschinengehäuse (3) einer elektrischen Maschine soll sich möglichst kostengünstig herstellen lassen. Hierzu setzt sich ein Maschinengehäuse (3) aus einem innenseitig angeordneten Statorträger (1) und einem außenseitig angeordneten Wassermantel (2) zusammen, wobei ein Stator träger (1) und ein Wassermantel (2) über eine Anzahl von in Umf angsrichtung verlaufende Verbindungsstellen miteinander verbunden sind.

Description

Maschinengehäuse einer elektrischen Maschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Maschinengehäuse einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Maschinengehäuses .
Unter dem Stator von elektrischen Maschinen wie elektrischen Motoren und Generatoren versteht man im allgemeinen den fest stehenden Teil der elektrischen Maschine, während der Rotor den sich bewegenden Teil der Maschine darstellt und innerhalb des Stators angeordnet bzw. gelagert ist. Der Stator weist üblicherweise eine oder mehrere Wicklungen auf, durch die beim Motor durch den hindurch fließenden elektrischen Strom ein magnetisches Feld erzeugt wird, dessen Wirkung über den Luftspalt zwischen Stator und Läufer hinweg die Bewegung des Rotors hervorruft . Beim Generator wird in die Wicklung durch das sich mit dem Rotor drehende Magnetfeld hingegen elektrischer Strom induziert. Für Anwendung bei denen sowohl eine Funktion als Generator als auch eine Funktion als Motor erwünscht ist, können auch beide Funktionen genutzt werden bzw. durch eine entsprechende Auslegung in einer elektrischen Ma- schine integriert werden. Derartige Anwendungen werden unter anderem üblicherweise bei regenerativen Brems- und Antriebssystemen bei Kraftfahrzeugen realisiert, indem mit der elektrische Maschine die Bremsenergie aufgebracht wird, diese in einem Speicher zwischengespeichert wird und über die elektri- sehe Maschine wieder zum Antrieb des Kraftfahrzeuges genutzt wird.
Üblicherweise ist bei der Konstruktion derartiger elektrischer Maschinen ein Auslegungsziel einen möglichst hohen Wir- kungsgrad zu erreichen. Hierzu wird unter anderem eine möglichst gute Ausbreitung des Magnetfeldes im Bereich der Statorwicklungen bzw. eine hohe Permeabilität der Statorwicklung angestrebt . Dazu wird die Statorentwicklung im allgemeinen in ein Statorblechpaket , welches sich aus so genanntem Elektro- blech zusammensetzt, eingewickelt bzw. in diesem in entsprechenden Nuten geführt. Das Statorblechpaket selbst wird mit der Wicklung innerhalb des Stator- bzw. Maschinengehäuses positioniert und befestigt. Dabei ist hierbei aufgrund der Bewegung des Rotors als auch durch die Erwärmung bei Betrieb ein hohe Festigkeit erforderlich. Deshalb wird das Statorblechpaket üblicherweise in das Maschinengehäuse einge- schrumpft, indem das Maschinengehäuse auf etwa 2000C erhitzt wird. Durch den sich anschließenden Abkühlvorgang und die damit einhergehende Querschnittsreduzierung des Statorgehäuses wird das Statorblechpaket im Statorgehäuse fixiert.
Der Stator ist beim Betrieb im allgemeinen einem großen Temperaturbereich von etwa -400C bis etwa 160° C ausgesetzt. Bei einigen Anwendungen wird der Stator daher mit einem Wasserkanal umgeben, um diesen mit Wasser zu kühlen.
Für eine Regelung und Steuerung der elektrischen Maschine mit einer Leistungselektronik werden Module dieser Leistungselektronik üblicherweise am Umfang des Stators angebracht. Für die Steuerungs- und Regelungsfunktionen der Module können für einen Zugang zum Stator im Bereich der Module am Maschinenge- häuse entsprechende Aussparungen vorgesehen sein.
Damit sich bei den unterschiedlichen Betriebstemperaturen das Statorblechpaket nicht lösen kann, wird das Maschinengehäuse üblicherweise aus Stahl gefertigt, weil Stahl einen ähnlichen Temperaturdehnungskoeffizient wie das Statorblechpaket aufweist, so dass das Statorblechpaket bei allen Betriebstemperaturen im Maschinengehäuse fixiert bleibt.
Problematisch bei der Herstellung des Maschinengehäuses ist, dass die Fertigung des Maschinengehäuses aus Stahl vergleichsweise aufwendig und damit kostenintensiv ist. Dabei wird ein Maschinengehäuse üblicherweise zunächst gegossen und anschließend mit verschiedenen Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Fräsen, Bohren, Schweißen und Drehen weiterbearbeitet. Besonders aufwendig und damit kostenintensiv ist die Realisierung der verschiedenen Vorrichtungen für Anbau- teile, die beispielsweise für die Leistungselektronik oder auch den Anschluss eines Getriebes benötigt werden. Besonders kostenintensiv ist die Realisierung eines Kühlkanales, wozu zusätzliche aufwendige Nachbearbeitungsverfahren benötigt werden .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Maschinengehäuse anzugeben, das sich möglichst kostengünstig herstellen lässt.
Ein Maschinengehäuse setzt sich hierfür erfindungsgemäß aus einem innenseitig angeordneten Statorträger und einem außenseitig angeordneten Wassermantel zusammen, wobei ein Statorträger und ein Wassermantel über eine Anzahl von in Umfangs- richtung verlaufende Verbindungsstellen miteinander verbunden sind.
Die Erfindung geht von der Annahme aus, dass bei der Herstellung von oben beschriebenen Maschinengehäusen insbesondere auf die notwendigen umfangreichen Nachbearbeitungsverfahren eine großer Anteil der Kosten entfällt. Der Grund für diese
Nacharbeiten liegen dabei insbesondere in der Komplexität der Form des Maschinengehäuses. Daher geht die Erfindung weitergehend von der Überlegung aus, dass sich bei einer Teilung des Maschinengehäuses in mehrere Einzelkomponenten die Kom- plexität für die jeweiligen Einzelkomponenten reduzieren lassen musste, weil zumindest ein Teil der Komplexität des Maschinengehäuses sich erst durch die Kombination der Einzelkomponenten ergeben würde. Außerdem können kleinere und damit weniger komplexere Bauteile entsprechend einfacher bzw. mit weniger Nachbearbeitungsbedarf gefertigt werden. Ein Maschinengehäuse wird deshalb in einen Wassermantel und einen Statorträger unterteilt, die nach ihrer Fertigung miteinander verbunden werden. Die Verbindung erfolgt dabei über mehrere Verbindungsstellen in Umfangsrichtung des Maschinen- gehäuses . Alternativ kann auch eine umlaufende Verbindungsstelle ausreichen, wenn ein Statorträger zusätzlich durch einen Anschlag am Wassermantel fixiert ist. Hierfür kann ein Statorträger, der endseitig eine umlaufende Feder aufweist bis zum Anschlag in den Wassermantel geschoben werden und im Bereich der Frontseite mit dem Wassermantel verbunden werden.
Für eine Kühlung des Stators bzw. des Maschinengehäuses weist ein Maschinengehäuse zwischen Wassermantel und Statorträger vorteilhafterweise einen Wasserkanal auf. Ein Wasserkanal wird dabei innenseitig durch den Statorträger und außenseitig durch den Wassermantel begrenzt. Hierfür können im Wassermantel innenseitig entsprechende Vertiefung vorgesehen sein, während der Wasserkanal nach innen durch den zylindrisch ausgeführten Statorträger abgegrenzt ist .
Für die Befestigung eines Statorblechpaketes im Statorträger ist dieser zweckmäßigerweise zylindrisch ausgeführt. Bei diese Formgebung kann ein Statorblechpaket über eine Einschrumpfung im Maschinengehäuse befestigt werden.
Zur Aufnahme von Modulen der Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine, weist ein Wassermantel vorzugsweise eine Anzahl von Aussparungen auf. Ein Modul der Leistungselektronik wird bei der Montage in einer Aussparung versenkt und mit dem Wassermantel verschraubt. Zwischen Wassermantel und Modul kann dabei zur Abdichtung des Wasserkanals eine Dichtung angeordnet sein.
Für eine möglichst gute Abdichtung des Wasserkanals zwischen einem Modul einer Leistungselektronik und dem Wassermantel und für eine möglichst einfache Befestigungsmöglichkeit von Anbauteilen ist eine Wassermantel im Bereich einer Aussparung gerade ausgeführt. Hierfür weist ein Wassermantel im Bereich einer Aussparung vorteilhafterweise eine Fläche auf.
Für eine möglichst einfache und preisgünstig zu realisierende Formgebung, weist ein Wassermantel zweckmäßigerweise die Form eines geraden Prismas auf. Bei einer derartigen Form stellt eine oben beschriebene Fläche eine Außenseite des Prismas dar in denen auch Aussparungen positioniert sein können.
Um eine einfache und preisgünstige Fertigung des Maschinengehäuses zu gewährleiste, setzt sich ein Wassermantel und/oder Stator vorzugsweise aus einem Tiefziehteil zusammen.
Zur Herstellung eines oben beschriebenen Maschinengehäuses wird zweckmäßigerweise ein Statorträger und ein Wassermantel mit Hartlöten miteinander verbunden.
Vorzugsweise betrifft die Erfindung ein Maschinengehäuse eines Motors und/oder eines Generators.
Vorteilhafterweise weist ein Motor und/oder Generator ein oben beschriebenes Maschinengehäuse auf.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der Möglich- keit ein Maschinengehäuse einer elektrischen Maschine kostengünstig zu fertigen. Dieses kann insbesondere durch die Teilung des Maschinengehäuses in zwei Komponenten gewährleistet werden, welches bewirkt, dass sich die Einzelkomponenten wesentlich kostengünstigen fertigen lassen als das Gesamtbau- teil. Durch die Teilung können beide Komponenten einerseits preisgünstiger aber auch individueller ausgeführt werden. So ist es möglich Wassermantel und Statorträger aus preisgünstigen Tiefziehteilen zu fertigen. Ein Vorteil der sich aus der gewonnenen Gestaltungsfreiheit der Einzelkomponenten ergibt ist, dass si.ch der Wassermantel vergleichsweise einfach mit
Flächen ausführen lässt, wodurch sich eine wesentlich bessere Abdichtung bei Modulen der Leistungselektronik zum Wasserman- tel erreichen lässt als bei einer runden Ausführung. Diese Abdichtung ist insbesondere bei temperaturbedingten Dehnungseffekten einer Abdichtung an einem runden Wassermantel überlegen. Ein weiterer Vorteil der Teilung besteht in der Mög- lichkeit durch die Verbindung der Komponenten ohne zusätzlichen Bearbeitungsaufwand einen Wasserkanal zur Kühlung zu realisieren.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigt:
Figur 1 ein Maschinengehäuse 3,
Figur 2 in einer Aufsicht ein Maschinengehäuse 3 nach Figur 1,
Figur 3 einen Statorträger 1 und einen Wassermantel 2 eines Maschinengehäuses 3 nach Figur 1,
Figur 4 im Schnitt ein Maschinengehäuse 3 nach Figur 1, und
Figur 5 im Schnitt eine Gehäusewand eines Maschinengehäuses 3 nach Figur 1.
Figur 1 zeigt ein Maschinengehäuse 3 eines nicht näher dargestellten Elektromotors. Das Maschinengehäuse 3 ist insbesondere für eine möglichst kostengünstige Herstellung ausgelegt. Hierfür setzt sich das Maschinengehäuse 3 aus einem zylindrischen Statorträger 1 und einen diesen umgebenden Wassermantel 2 zusammen. Der zylindrische Statorträger 1 ist für die Aufnahme des Statorblechpaketes des Elektromotors innenseitig glatt ausgeführt, so dass das Statorblechpaket in diesen bzw. in das Motorgehäuse 3 eingeschrumpft werden kann. Für die Auslegung einer preisgünstigen Fertigung ist der Statorträger 1 und der Wassermantel 2 aus einem Tiefziehteil gefertigt. Wie aus der Aufsicht des Maschinengehäuses 3 in Figur 2 hervorgeht, bildet der Zwischenraum zwischen Statorträger 1 und Wassermantel 2 den Wasserkanal 4 aus. Über diese ist das Maschinengehäuse 2 mit Wasser kühlbar. Dabei kann Wasser über den Wasseranschluss 16 dem Wasserkanal 4 zugeführt werden.
Das Maschinengehäuse 3 ist besonders für ein einfache Montage von Modulen der Leistungselektronik ausgerichtet, die zur Steuerung des Motors benötigt werden. Hierfür ist der Wasser- mantel 2 als ein gerades Prisma ausgeführt. Auf den Seiten des Prismas sind zur Aufnahme der Module der Leistungselektronik Aussparungen 6 vorgesehen, was aus Figur 3 hervorgeht. Dabei können die Aussparungen durch die Ausgestaltung des Wassermantels 2 als Prisma auf den flächigen Seitenflächen positioniert werden, so dass die sich der Wasserkanal 4 durch eine Dichtung zwischen den Modulen und dem Wassermantel 2 abdichten lässt. Hierfür wird ein Modul auf einem Leistungs- elektronikträger 12 verschraubt . Zur Aufnahme in eine Getriebeglocke weist der Wassermantel 2 und der Statorträger 1 eine Anzahl von Befestigungsflansche
14 auf, was ebenfalls aus Figur 3 hervorgeht.
Figur 4 zeigt zur besseren Verdeutlichung das Maschinengehäuse 4 im Schnitt und Figur 5 im Schnitt die Gehäusewand des Maschinengehäuses 3. Wie aus den beiden Figuren hervorgeht bildet der Zwischenraum zwischen Statorträger 1 und dem Wassermantel 2 den Wasserkanal 4, der für die Kühlung des Maschinengehäuses 3 mit Wasser verwendet wird. Bei der Verbindung von Statorträger 1 und Wassermantel 2 werden beide Kom- ponenten mit einem Hartlötverfahren an den in Figur 5 eingekreisten in Umfangsrichtung verlaufenden Stellen miteinander verbunden . Bezugszeichenliste
1 Statorträger
2 Wassermantel 3 Maschinengehäuse
4 Wasserkanal
6 Aussparung
8 Fläche
10 Dichtung 12 Leistungselektronikträger
14 Befestigungsflansch
16 Wasseranschluss

Claims

Patentansprüche
1. Maschinengehäuse (3) einer elektrischen Maschine, die sich aus einem inseitigem angeordneten Statorträger (1) und einem außenseitigen angeordneten Wassermantel (2) zusammensetzt, wobei ein Statorträger (1) und ein Wassermantel (2) über eine Anzahl in Umfangsrichtung verlaufenden Verbindungsstellen miteinander verbunden sind.
2. Maschinengehäuse (3) nach Anspruch 1, wobei eine elektrische Maschine ein Motor und/oder ein Generator ist.
3. Maschinengehäuse (3) nach Anspruch 1 oder 2, welches zwischen Wassermantel (2) und Statorträger (1) einen Wasser- kanal (4) aufweist.
4. Maschinengehäuse (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Statorträger (1) zylindrisch ausgeführt ist.
5. Maschinengehäuse (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Wassermantel (2) eine Anzahl von Aussparungen (6) aufweist .
6. Maschinengehäuse (3) nach Anspruch 5, dessen Wasserman- tel (2) im Bereich einer Aussparung (6) eine Fläche (8) aufweist .
7. Maschinengehäuse (3) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dessen Wassermantel (2) umfangsseitig die Form eines geraden Prismas aufweist.
8. Maschinengehäuse (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich ein Wassermantel (2) und/oder Statorträger (1) sich aus einem Tiefziehteil zusammensetzt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Maschinengehäuses (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Statorträger (1) und ein Wassermantel (2) mit Hartlöten miteinander verbunden werden .
10. Generator mit einem Maschinengehäuse (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
11. Motor mit einem Maschinengehäuse (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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