Beschreibung
Stator für eine elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung
Die Erfindung betrifft einen Stator insbesondere einer gehäuselosen elektrischen Maschine mit Flüssigkeitskühlung, als auch ein Herstellverfahren einer derartigen Statoranordnung.
Seit langem ist bekannt, elektrische Maschinen wie Elektromo- toren oder Generatoren mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium zu kühlen. Vorzugsweise wird Luft als gasförmiges Medium und Wasser als flüssiges Medium verwendet. Im Fall der Luftkühlung spricht man von eigenbelüfteten oder fremdbelüfteten elektrischen Maschinen.
Im Falle einer Flüssigkeitskühlung wird typischerweise Wasser als Kühlmedium verwendet, welches durch metallene Rohre wie z.B. durch Kupfer- oder Stahlrohre geleitet wird. Diese Rohre können mäanderförmig durch den Stator der elektrischen Ma- schine verlegt sein. Dazu sind die jeweiligen Kühlrohre an den beiden Stirnseiten der elektrischen Maschine an Umlenkeinrichtungen, wie z.B. U-Rohre, oder an eine Umlenkkammer angeschlossen. Darüber hinaus sind noch ein Kühlwassereinlass und ein Kühlwasserauslass vorzusehen. Das erhitzte Kühlwasser wird einem Wärmetauscher oder einem Kühler zugeführt, über den der Großteil der Abwärme der elektrischen Maschine weiter an die Umgebung abgeführt werden kann.
Der Stator einer elektrischen Maschine ist üblicherweise ge- blecht ausgeführt, um die bei der Erregung entstehenden Wirbelstromverluste zu minimieren. Der Stator ist hierzu als Blechpaket aus einer Vielzahl von dünnen Dynamoblechen in a- xialer Stapelfolge ausgebildet. Zur Kühlung der elektrischen Maschine sind vor allem im Blechschnitt eines Statordynamo- bleches entsprechende Aussparungen, vorzugsweise in Form von Ausstanzungen vorgesehen. Nach dem Zusammenbau des Blechpaketes entstehen axial verlaufende Kühlkanäle, durch die z.B. Luft zur Kühlung geleitet werden kann.
Im Falle einer Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine können Metallrohre, die in die durch die Ausstanzung entstandenen Kanäle eingepasst werden, wobei der Durchmesser der zumeist kreisförmigen Metallrohre geringfügig kleiner sein soll als der Durchmesser der korrespondierenden kreisförmigen Ausstanzungen im Dynamoblech. Damit wird versucht, einen guten Wärmeübergang zwischen dem Blechpaket und der Kühlflüssigkeit zu schaffen.
Nachteilig dabei ist der erhebliche Montageaufwand um die
Kühlrohre vor allem bei axial längeren elektrischen Maschinen in den Stator einzubringen.
Eine Flüssigkeitskühlung wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn elektrische Maschinen nahe an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden sollen, die abzuführende thermische Verlustleistung also vergleichsweise hoch ist. Die elektrische Anschlussleistung solcher elektrischen Maschinen beträgt typischerweise mehr als 5 kW. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschinen sind zudem leiser im Betrieb, da keine Lüfter benötigt werden. Dagegen ist der technische Aufwand für eine Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luftkühlung erheblich größer .
Für die elektrischen Maschinen werden je nach Kühlart unterschiedliche Gehäuse verwendet, in denen Mittel zur Kühlung vorgesehen sind. Bei gehäuselosen elektrischen Maschinen können auch beide Kühlarten durch geeigneten Blechschnitt der Dynamobleche geschaffen werden. So können bei einer Flüssig- keitskühlung Kühlrohre mit einem vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt in entsprechende Kanäle im Blechpaket eingesetzt werden .
Der Nachteil dabei ist, dass im Falle einer Flüssigkeitsküh- lung eine Vielzahl von Rohrverbindungen benötigt wird, um die zahlreichen Kühlrohrenden im hydraulischen Sinne dicht zu verbinden. Dies kann im Falle von Kupferrohren z.B. mittels
einer Löt- oder Schraubverbindung erfolgen. Die Herstellung einer solchen Kühleinrichtung ist dementsprechend aufwändig.
Um eine gehäuselose elektrische Maschine mit Wasser zu küh- len, müssen Kühlrohre, Heat Pipes oder Cool Jets durch das Blechpaket des Stators geführt werden, weil das Blechpaket allein keine ausreichende Dichtwirkung schafft. Diese mangelnde Dichtwirkung kann insbesondere in Richtung des Wicklungssystems der elektrischen Maschine zu erheblichen Funkti- onsstörungen führen. Zwischen Kühlrohr und Blechpaket entsteht somit ein Luftspalt, der die thermische Anbindung des Kühlrohrs an den Stator verschlechtert.
Die Möglichkeit, den Luftspalt zwischen Kühlrohr und Blechpa- ket des Stators zu verringern, kann entweder durch axiale
Einpressvorgänge der Kühlrohre in die Kühlkanäle des Stators erfolgen, oder aber dadurch, dass dieser Luftspalt mit Wärmeleitpaste oder durch Tränkharz gefüllt wird, um die thermische Anbindung zu verbessern.
So ist aus der DE 197 42 255 Cl eine gehäuselose Drehstrommaschine mit achsparallelen Kühlmittelrohren bekannt, die im Statorblechpaket angeordnet sind. Da diese Kühlmittelrohre starr ausgeführt sind, können sich bei deren Einschieben in Bohrungen des Statorblechpakets Schwierigkeiten ergeben, vor allem da ein verhältnismäßig geringer Luftspalt zwischen Kühlrohr und Statorblechpaket vorhanden sein soll.
Aus der DE 101 03 447 Al ist ein gekühlter Stator für eine elektrische Maschine bekannt, bei der in den Kühlkanälen ein Wellschlauch aus Metall angeordnet ist, um die Montage zu erleichtern .
Aus der US 2004/0012272 Al ist eine elektrische Maschine be- kannt, bei der auf der dem Wicklungssystem abgewandten Seite des Blechpakets Metallrohre in halboffene Kühlkanäle einge- presst werden.
Diese bereits bekannten Lösungen sind entweder fertigungstechnisch äußerst aufwändig und/oder thermisch verhältnismäßig wenig wirksam.
Ausgehend davon legt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stator, insbesondere für eine gehäuselose elektrische Maschine zu schaffen, mit dem eine effiziente Kühleinrichtung geschaffen werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine ausreichende thermische Anbindung von Kühlrohren an einen Kühlkanal zu schaffen. Des Weiteren soll ein geeignetes Herstellverfahren für einen solchen Stator und eine e- lektrische Maschine angegeben werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Stator, insbesondere für eine gehäuselose elektrische Maschine, wobei sich im Stator im wesentlichen axial verlaufende Kühlkanäle befinden, in die Kühlrohre einsetzbar sind und zumindest abschnittsweise Mittel vorhanden sind, die über eine Verformung der Kühlkanäle eine Anpressung der Kühlrohre an den Kühlkanal auf der den Wärmequellen der elektrischen Maschine zugewandten Seite schafft.
Die Kühlrohre werden durch geeignete Mittel an die Kühlkanäle des Stators angepresst. Dabei wird vorteilhafterweise durch äußere zielgerichtete Krafteinwirkung diese Pressung geschaffen. Insbesondere auf der der Wärmequelle zugewandten Seite des Kühlrohres ist ein effizienter Wärmeübergang notwendig, der aber durch Anpressung an eben diese Seite zu einem äußerst effizienten Wärmeübergang und damit zu einer ausge- zeichneten Wärmeabfuhr führt. Die von der Wärmequelle abgewandte Abschnitte der Kühlrohre, die durch geeignete Mittel des Blechpakets, insbesondere einen oder mehrere Höcker oder eine Eindellung, werden an die der Wärmequelle zugewandten Abschnitte angepresst. Als Wärmequelle treten dabei im We- sentlichen die Stromwärmeverluste der Wicklung, die Eisenverluste und die Wirbelstromverluste auf.
Die der Wärmequelle abgewandte Seite der Kühlrohre tragen zur Wärmeabfuhr auch bei thermisch guter Anbindung nur einen vergleichsweise geringen Anteil bei. Deshalb ist der zumindest punktuelle Kontakt zwischen Blechpaket und Kühlrohr durch die Höcker, Eindellungen etc. für die Kühleffizienz der Kühleinrichtung unerheblich. Daher muss das Blechpaket des Stators in diesem der Wärmequelle abgewandtem Abschnitt nicht an das Kühlrohr anliegen. Die gegebenenfalls in diesem Abschnitt vorhanden Hohlräume können durch Wärmeleitpaste oder Tränk- harz ausgefüllt werden.
Derartige Höcker, Noppen oder Eindellungen an den einzelnen Blechen sind durch Stanzwerkzeuge relativ einfach herstellbar. Dabei ist die Anzahl der Höcker, Eindellungen oder Nop- pen pro Kühlkanal weder in Umfangsrichtung noch in axialer Richtung nicht beschränkt; es sollte sich nur eine ausreichende Anpressung der Kühlrohre im Bereich der der Wärmequelle zugewandten Seite hergestellt werden.
Durch Markierung der Bereiche an der Außenseite des Stators, ist es nunmehr durch ein geeignetes Werkzeug in einfacher Art und Weise möglich, diese Bereiche nach innen zu drücken und somit das Kühlrohr durch den Höcker, Noppen, oder die Eindel- lung an den Kühlkanal dauerhaft zu pressen.
In vorteilhafter Weise wird die Kühleffizienz durch eine zusätzliche Verformung des Kühlrohrs durch eine Anpassung des Kühlrohrs an die Form des Kühlkanals weiter gesteigert. Damit liegt nicht nur ein punktueller Kontakt sondern sogar ein flächiger Kontakt zwischen Kühlrohr und Kühlkanal vor.
Dieses Prinzip lässt sich selbstverständlich auch von geblecht ausgeführten Statoren auf gesinterte Statoren übertragen. Entscheidend ist dabei jeweils, dass durch eine Verfor- mung zumindest des Kühlkanals die darin befindlichen Kühlrohre vorzugsweise an der der Wärmequelle zugewandten Seite an den Kühlkanal gepresst werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird durch die Pressung auch eine Verformung des Kühlrohres durch die Höcker, Noppen oder Eindellungen etc. herbeigeführt, die zu einer optimalen Formanpassung von Kühlkanal und Kühlrohr führt.
Derartige Statoren eignen sich insbesondere für alle Arten von elektrischen Maschinen, seien es Linearmotoren oder rotatorische Motoren, unabhängig von ihrer Erregung, die elektrisch oder durch Permanentmagnete erfolgen kann.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 eine perspektivische Darstellung eines prinzipiellen elektrischen Motors,
FIG 2 einen Querschnitt eines weiteren Motors, FIG 3,4 eine Detaildarstellung eines Stators vor und nach der Verformung der Kühlkanäle.
FIG 1 zeigt eine elektrische Maschine 1, die gehäuselos ausgeführt ist und die einen Stator 2 aufweist, der aus Einzelblechen 10 aufgebaut ist. Die gestanzten Einzelbleche 10 sind derart gestapelt, dass Ausstanzungen, insbesondere Kühlkanä- Ie, die als runde Kühlkanäle 13 oder als ovale Kühlkanäle 3 ausgeführt sind, in der Stapelfolge hintereinander angeordnet axial verlaufende Kühlkanäle ausbilden.
In Nuten 5 ist ein nicht näher dargestelltes Wicklungssystem untergebracht, das im Betrieb der elektrischen Maschine 1 u.a. eine maßgebliche Wärmequelle darstellt. Das Wicklungssystem kann dabei aus Zahnspulen oder einem klassischen gesehnten Wicklungssystem besten. Unter Zahnspulen werden dabei Spulen verstanden, die jeweils nur einen Zahn umfassen. Des Weiteren zeigt prinzipiell die Zeichnung nach FIG 1 einen beblecht ausgeführten Rotor 22, der auf eine Welle 20 aufgeschrumpft ist.
FIG 2 zeigt in einem Querschnitt eine weitere gehäuselose e- lektrische Maschine mit in den Eckpunkten des Stators 2 vorhandenen Kühlkanälen 13, die eine im Wesentlichen um die Nuten 5 des Stators 2 angeordnete Kühleinrichtung bilden. Des Weiteren wird ein Rotor 22 gezeigt, der an seiner Oberfläche Permanentmagnete 11 aufweist, die vorzugsweise durch eine Bandage und/oder eine Klebeverbindung am Rotor 22 positioniert und fixiert sind.
FIG 3 zeigt in einer Detaildarstellung eine gemäß FIG 2 ausgeführte elektrische Maschine 1 mit Nuten 5 und in den Eckpunkten und/oder an der Oberfläche vorhandene Kühlkanäle 3, 13. Diese Kühlkanäle 3, 13 weisen insbesondere auf der den Nuten 5, also der der Wärmequelle abgewandten Seite zumindest einen Höcker 8, Noppen oder eine Eindellung 9 auf, die aber aufgrund der Gestaltung des Dynamoblechs des Stators 2 trotzdem ein müheloses axiales Einschieben von Kühlrohren 4, 6 o- der 7 gestattet. Die Kühlrohre 4, 6 oder 7 können dabei, wie prinzipiell dargestellt unterschiedlichste Querschnittsformen aufweisen. Ebenso sind die Kühlkanäle 3, 13 in ihrer Querschnittsform nicht beschränkt.
Durch Krafteinwirkung F, wie sie prinzipiell in FIG 3 dargestellt ist, wird nunmehr eine Kraft auf den Höcker 8 bzw. die Eindellungen 9 nach innen ausgeübt, so dass sich, wie in FIG 4 dargestellt, eine Verformung des Kühlkanals 3, 13 ergibt. Durch diese Verformung des Kühlkanals 3, 13 und ggf. des dem Höcker 8 zugewandten Teils des Kühlrohrs 4, 6 und 7, werden die Kühlrohre 4, 6, 7 an die dem Luftspalt zugewandten Seite des Stators 2 der elektrischen Maschine 1 angepresst.
Damit ist ein ausgezeichneter Wärmeübergang zwischen dem Blechpaket des Stators 2 und den in den Kühlkanälen 3, 13 befindlichen Kühlrohren 4, 6, 7 geschaffen. Insbesondere da es sich beim Wärmeübergang auf der der Wärmequelle zugewandten
Seite des Kühlrohres um den entscheidenden Faktor für die Güte der Entwärmung handelt, ist diese Art der Fixierung, Posi-
tionierung und Pressung der Kühlrohre 4, 6, 7 in den Kühlkanälen 3, 13 äußerst vorteilhaft.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschi- ne 1 wird nunmehr ein über den Stator 2 mäanderförmig verlaufender Kühlmantel durch Umlenkelemente an den Stirnseiten des Stators 2 gebildet.
Die Umlenkelemente können aber auch als Umlenkkammern ausge- bildet sein, wobei eine Umlenkammer zumindest einen Zufluss und zumindest einen Abfluss aufweist.