WO2008037294A1 - Elektrische maschine, insbesondere drehstromgenerator für fahrzeuge - Google Patents

Elektrische maschine, insbesondere drehstromgenerator für fahrzeuge Download PDF

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Horst Braun
Georg Riedel
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Robert Bosch Gmbh
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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
    • H02K5/207—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium with openings in the casing specially adapted for ambient air
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine
    • H02K9/04—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium
    • H02K9/06—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium with fans or impellers driven by the machine shaft

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine, in particular three-phase alternator for vehicles, according to the preamble of claim 1, with a rotor and a frontally arranged fan with fan blades, a stator and a bearing plate, wherein the bearing plate frontally arranged air inlet openings for sucking the cooling air and air outlet window for Blowing the cooling air outwards along a St Swickelkopf along, and wherein the bearing plate has a the air inlet openings radially inwardly delimiting inner portion.
  • the cooling air flow rate In order to meet the current requirements for cooling in a generator series consisting of generators of the above-mentioned design with different outputs and sizes, the cooling air flow rate must be set for each generator type. To adjust the cooling air flow rates usually fans are used with appropriately adapted S chaufel Berlinn.
  • the invention has for its object to minimize the variety of variants of the fan assembly by the fine adjustment of the different cooling air flow rates of the generators is achieved by modifications to the bearing plate, because the end shields must be customized in the application anyway.
  • E element forms a convex inner contour of the end shield inner portion.
  • this on an axial fan blades opposite surface portion of the bearing plate inner portion molded element is formed as a ring.
  • the ring can advantageously have a circular cross section. E in such a rounded shape has the advantage that passing air not o tears off only slightly and thus the noise is reduced.
  • the electric machine according to the invention has the following advantages.
  • T he partial variance for adjusting the amount of cooling air is shifted from the radial fan to the end shield, which is already made to customer specifications, cf. for example B.
  • the cooling can be quickly adapted to customer requirements, since only the end shield has to be changed, which is especially important in the application. This is particularly important in a generator series of significance, which consists of generators with different outputs and sizes, and in which the cooling air throughput must be set for each generator type.
  • the same fan is advantageously used in other generators other generator size of a generator series in which the desired amount of cooling air is achieved only by the cheaper geometry of the bearing plate in cooperation with the standard fan according to the invention.
  • Fig. 1 is a partial longitudinal section of an electric machine b is to its central axis according to the prior art
  • Fig. Figure 2 is a partial longitudinal section of an electric machine b is to its central axis with a bearing shield geometry according to the first admittedsb example of the invention.
  • Fig. Figure 3 is a partial longitudinal section of an electric machine b is to its central axis with a bearing shield geometry according to the seconditsb example of the invention.
  • Fig. 4 is a diagram showing the measured housing and fan characteristics before and after the geometry change on the end shield.
  • FIG. 1 shows a detail of an electric machine in the form of a three-phase alternator, generally designated 10 b, with its drive region and with its upper half up to the axis of rotation 12 of a rotor 24 in partial longitudinal section, wherein the lower half (not shown) has a mirror-like shape.
  • D he generator 1 0 has a stand 14 with a winding head 1 6.
  • a part of the machine housing not designated in detail is designed as a bearing plate 1 8.
  • a bearing 20 is used for the rotor shaft 22 of a rotor 24.
  • the fan blades 28 are angled on the outer circumference in the axial direction to the outside.
  • the bearing hub are located on the inside of the bearing plate 1 8 several üb he distributed around the circumference arranged openings 30 for the entry of cooling air.
  • Above the stator winding head 1 6 are located in the bearing plate 1 8 a plurality of circumferentially distributed window 32 for the radial outlet the cooling air.
  • the course of the cooling air is clarified, which is sucked in by the fan 26 through the openings 30 on the drive side of the machine and is blown radially on the winding head 1 6 along the air outlet window 32 to the outside.
  • the air inlet openings 30 are limited in the radial direction by the inner side 38 of the bearing plate 1 8, wherein the diameter D of the inner side 3 8 is selected so that the fan blades 28 partially opposite to the
  • Air inlet openings 30 delimiting inner portion 2 1 of the bearing plate 1 8 are.
  • the inner portion 2 1 of the bearing plate 1 8 on a substantially rectangular inner contour As an inner contour of the end shield inner portion 2 1, the contour is considered, which extends from the outer edge 23 of the air inlet openings 30 to a winding head 1 6 approximately opposite point 25 applied. Between the fan 26 and the bearing plate 1 8 takes place in the in Fig. 1 prior art partially backflow instead, which is illustrated by the arrow 27 and reduces the fan efficiency and thus the flow rate.
  • the cooling air flow rate be i unchanged fan 26 can be varied, in the range of approximately 1 0%.
  • the fan efficiency is influenced by the contour shape of the inner end shield 2 1.
  • the end shield inner portion 2 1 eb can be avoided if necessary, the backflow vo llstieri. According to the invention, this is achieved by the end shield inner portion 2 1 has a St Swickelkop f 1 6 directed towards the concave surface, which has its fan 26 the smallest axial distance axially opposite the fan blades 28.
  • Fig. 2 shows the bearing shield geometry according to the first embodiment of the invention.
  • a concave profile of the surface facing towards the stator winding head 1 6 is achieved in that a convex inner contour 36 of the end shield inner section 2 1 is formed on the axial face opposite the fan blades 28 educated.
  • the size of the distance a between the end shield inner portion 2 1 and the fan blades 28 can be varied, whereby the cooling air throughputs of the generator 1 0 is set.
  • the inner contour 36 does not necessarily have to be shaped as streamlined as shown in the above-indicated first exemplary embodiment.
  • the bearing plate geometry is shown according to the second embodiment of the invention.
  • the formed on the axially opposite the fan blades 28 surface portion of the end shield inner portion 21 molded element is formed as a ring 40.
  • the ring 40 advantageously has a circular cross section whose diameter may be, for example, 3 mm.
  • the ring 40 is arranged opposite the fan blades 28 on the inner portion 21 of the bearing plate 18. Otherwise, the same applies in this second embodiment, which was described in the first embodiment.
  • Fig. 4 is a diagram showing the measured housing and fan characteristics before and after the geometry change on the bearing plate 18.
  • the changed inner contour 36 of the inner section 21 of the end shield 18 has no influence on the housing characteristic A.
  • the fan characteristic shifts upward (fan characteristic C).
  • the fan characteristic B is registered, which corresponds to the prior art.
  • the fan 26 generates a higher pressure and the cooling air volume flow Q is larger. The volume flow can be read off at the intersection of the housing and fan characteristics.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)

Abstract

E lektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator für Fahrzeuge, mit einem Läufer (24) und einem stirnseitig dazu angeordneten Lüfter (26) mit Lüfterschaufeln (28), einem Ständer (14) und einem Lagerschild (18), wobei das Lagerschild (18) stirnseitig angeordnete Lufteintrittsöffnungen (30) zum Ansaugen der Kühlluft und Luftaustrittsfenster (32) zum Ausblasen der Kühlluft nach außen an einem Ständerwickelkopf (16) entlang aufweist, und wobei das Lagerschild (21) einen die Lufteintrittsöffnungen (30) radial nach innen begrenzenden Innenabschnitt (21) aufweist. Erfindungsgemäß weist der Lagerschild-Innenabschnitt (21) eine zum Ständerwickelkopf (16) hin gerichtete konkave Oberfläche auf, die ihren zum Lüfter (26) geringsten axialen Abstand axial gegenüber dessen Lüfterschaufeln (28) hat.

Description

E lektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator für Fahrzeuge
Technisches Geb iet
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine , insbesondere Drehstromgenerator für Fahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , mit einem Läufer und einem stirnseitig dazu angeordneten Lüfter mit Lüfterschaufeln, einem Ständer und einem Lagerschild, wobei das Lagerschild stirnseitig angeordnete Lufteintrittsöffnungen zum Ansaugen der Kühlluft und Luftaustrittsfenster zum Ausblasen der Kühlluft nach außen an einem Ständerwickelkopf entlang aufweist, und wobei das Lagerschild einen die Lufteintrittsöffnungen radial nach innen begrenzenden Innenabschnitt aufweist.
Stand der Technik
Um be i einer Generatorbaureihe, die aus Generatoren der oben genannten Ausführung mit unterschiedlichen Leistungen und Baugrößen b esteht, den j eweiligen Anforderungen an die Kühlung gerecht zu werden, muss der Kühlluftdurchsatz für j eden Generatortyp eingestellt werden. Zur Einstellung der Kühlluftdurchsätze werden üblicherweise Lüfter mit entsprechend angepassten S chaufelhöhen verwendet.
E in Nachteil so lcher Lösungen besteht aber darin, dass dadurch vie le verschiedene Lüfter für eine Generatorbaureihe benötigt werden. Die Werkzeuge für die Herstellung der Lüfter sind teuer, und die Herstellung der Werkzeuge dauert lang .
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Variantenvielfalt des Lüfterbaukastens zu minimieren, indem die Feineinstellung der verschiedenen Kühlluftdurchsätze der Generatoren durch Modifikationen am Lagerschild erreicht wird, denn die Lagerschilde müssen bei der Applikation ohnehin kundenspezifisch angepasst werden.
Diese Aufgab e wird durch die elektrische Maschine, insb esondere Drehstromgenerator für Fahrzeuge, gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelö st, dass der Lagerschild-Innenab schnitt eine zum Ständerwickelkopf hin gerichtete konkave Oberfläche aufweist, die ihren zum Lüfter geringsten axialen Abstand axial gegenüb er dessen Lüfterschaufeln hat. Durch diese Maßnahme wird ein geringer Ab stand zwischen Lüfter und Lageschild - trotz kürzeren Lüfterschaufeln - e ingestellt und dabei ein Rückströmen eingesaugter Luft vermieden. Trotz kürzerer Lüfterschaufeln wird eine gute Kühlung des Wickelkopfs erreicht.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass ein an dem axial den Lüfterschaufeln gegenüb erliegenden Ob erflächenabschnitt des Lagerschild-Innenabschnitts angeformtes E lement eine konvexe Innenkontur des Lagerschild-Innenabschnitts bildet.
Nach einem weiteren Ausführungsb eispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das an einem axial den Lüfterschaufeln gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt des Lagerschild- Innenabschnitts angeformte Element als ein Ring ausgebildet ist. D er Ring kann vorteilhaft einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. E ine derartige gerundete Gestalt hat den Vorteil , dass vorbeiströmende Luft nicht o der nur wenig abreißt und somit die Geräuschentstehung verringert ist.
Die elektrische Maschine nach der Erfindung hat die folgenden Vorteile . D ie B auteilvarianz zur Einstellung der Kühlluftmenge wird vom Radiallüfter zum Lagerschild verschoben, das ohnehin kundenspezifisch gefertigt wird, vgl . z . B . kundensp ezifische Positio n der Haltearme zur Befestigung des Generators am Motor.
Dies bedeutet erstens eine Kostenersparnis , weil kein neues Werkzeug für die Herstellung verschiedener Lüfter benötigt wird. Zweitens bedeutet dies eine hohe Flexibilität. Die Kühlung kann schnell an Kundenerfordernisse angep asst werden, da nur das Lagerschild geändert werden muss , was insb esondere bei der Applikation wichtig ist. Dies ist insbesondere bei einer Generatorbaureihe von B edeutung , die aus Generatoren mit unterschiedlichen Leistungen und Baugrößen besteht, und bei der für j eden Generatortyp der Kühlluftdurchsatz eingestellt werden muss . Der selbe Lüfter wird vorteilhaft auch in anderen Generatoren anderer Generatorbaugröße einer Generatorbaureihe eingesetzt, bei denen die gewünschte Kühlluftmenge lediglich durch die günstigere Geometrie des Lagerschildes in Zusammenwirkung mit dem Standard- Lüfter nach der Erfindung erreicht wird.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfo lgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig . 1 einen Teillängsschnitt einer elektrischen Maschine b is zu ihrer Mittelachse nach dem Stand der Technik;
Fig . 2 einen Teillängsschnitt einer elektrischen Maschine b is zu ihrer Mittelachse mit einer Lagerschildgeometrie nach dem ersten Ausführungsb eispiel der Erfindung;
Fig . 3 einen Teillängsschnitt einer elektrischen Maschine b is zu ihrer Mittelachse mit einer Lagerschildgeometrie nach dem zweiten Ausführungsb eispiel der Erfindung;
Fig . 4 ein Diagramm, das die gemessenen Gehäuse- und Lüfterkennlinien vor und nach der Geometrieänderung am Lagerschild darstellt .
B eschreibung
Die Darstellung der Fig . 1 zeigt ausschnittsweise eine elektrische Maschine in Form eines allgemein mit 1 0 b ezeichneten Drehstromgenerators mit seinem Antrieb sbereich und mit seiner oberen Hälfte bis zur Drehachse 12 eines Läufers 24 im Teillängsschnitt, wob ei die nicht dargestellte untere Hälfte eine spiegelb ildliche Gestalt aufweist. D er Generator 1 0 hat einen Ständer 14 mit einem Wickelkopf 1 6. Ein Teil des näher nicht bezeichneten Maschinengehäuses ist als ein Lagerschild 1 8 ausgebildet. In einer Nabe des Lagerschildes 1 8 ist ein Lager 20 für die Läuferwelle 22 eines Läufers 24 eingesetzt. Auf der Stirnseite des Läufers 24 ist ein, beispielsweise als Radiallüfter ausgeführter Lüfter 26 befestigt, dessen Lüfterschaufeln 28 am Außenumfang in Axialrichtung nach außen ab gewinkelt sind. Oberhalb der Lagernabe befinden sich an der Innenseite des Lagerschildes 1 8 mehrere üb er den Umfang verteilt angeordnete Öffnungen 30 für den Eintritt der Kühlluft. Oberhalb des Ständerwickelkopfes 1 6 befinden sich im Lagerschild 1 8 eine Vielzahl am Umfang verteilter Fenster 32 für den radialen Austritt der Kühlluft . Durch Pfeile 34 wird der Verlauf der Kühlluft verdeutlicht, der auf der Antriebsseite der Maschine von dem Lüfter 26 durch die Öffnungen 30 eingesogen und radial am Wickelkopf 1 6 entlang durch die Luftaustrittsfenster 32 nach außen geblasen wird.
Die Lufteintrittsöffnungen 30 sind in radialer Richtung durch die Innenseite 38 des Lagerschildes 1 8 begrenzt, wobei der Durchmesser D der Innenseite 3 8 so gewählt ist, dass die Lüfterschaufeln 28 teilweise gegenüber dem die
Lufteintrittsöffnungen 30 begrenzenden Innenabschnitt 2 1 des Lagerschildes 1 8 liegen.
Bei dieser bekannten Ausführung des Generators 1 0 nach Fig . 1 weist der Innenabschnitt 2 1 des Lagerschildes 1 8 eine im Wesentlichen rechteckige Innenkontur auf. Als Innenkontur des Lagerschild-Innenabschnitts 2 1 wird die Kontur angesehen, die von der Außenkante 23 der Lufteintrittsöffnungen 30 bis zu einem dem Wickelkopf 1 6 etwa gegenüb erliegenden Punkt 25 verläuft . Zwischen dem Lüfter 26 und dem Lagerschild 1 8 findet bei dem in Fig . 1 dargestellten Stand der Technik teilweise Rückströmung statt, die durch den Pfeil 27 verdeutlicht wird und die den Lüfterwirkungsgrad und damit die Fördermenge vermindert.
Durch entsprechende Gestaltung der Innenkontur des Lagerschild-Innenabschnitts 2 1 kann der Kühlluftdurchsatz be i unverändertem Lüfter 26 variiert werden, und zwar im Bereich vo n ca. 1 0% . D er Lüfterwirkungsgrad wird von der Konturform des Lagerschild-Innenabschnitts 2 1 beeinflusst . Durch entsprechende Gestaltung der Innenkontur des Lagerschild-Innenabschnitts 2 1 kann eb enfalls die Rückströmung vo llständig vermieden werden. Nach der Erfindung wird dies erreicht, indem der Lagerschild- Innenabschnitt 2 1 eine zum Ständerwickelkop f 1 6 hin gerichtete konkave Oberfläche aufweist, die ihren zum Lüfter 26 geringsten axialen Abstand axial gegenüber dessen Lüfterschaufeln 28 hat. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird verhindert, dass es zu einer Rückströmung der Kühlluft zwischen dem Lüfter 26 und dem Lagerschild 1 8 kommt, und sichergestellt, dass die Kühlluft gemäß dem Pfeil 34 an dem Wickelkopf 1 6 des Ständers 1 4 entlang und auch hindurch strömt. Dadurch wird der Lüfterwirkungsgrad verbessert. E ine so lche Gestaltung der Innenkontur des Lagerschild- Innenabschnitts 2 1 kann durch zwei fo lgende Ausführungsb eispiele nach der Erfindung erreicht werden.
In Fig . 2 ist die Lagerschildgeometrie nach dem ersten Ausführungsb eispiel der Erfindung dargestellt. Nach diesem ersten Ausführungsb eispiel ist ein konkaver Verlauf der zum Ständerwickelkopf 1 6 hin gerichteten Oberfläche dadurch erreicht, dass ein an dem axial den Lüfterschaufeln 28 gegenüberliegenden Ob erflächenabschnitt des Lagerschild-Innenabschnitts 2 1 angeformtes E lement eine konvexe Innenkontur 36 des Lagerschild- Innenabschnitts 2 1 b ildet. Durch eine entsprechende Änderung der konvexen Form der Innenkontur 36 des Lagerschild-Innenabschnitts 2 1 kann die Größe des Abstandes a zwischen dem Lagerschild- Innenabschnitt 2 1 und den Lüfterschaufeln 28 variiert werden, wodurch der Kühlluft-Durchsatze des Generators 1 0 eingestellt wird.
Um einen durchsatzsteigernden Effekt zu erzie len, muss die Innenkontur 36 nicht zwangsläufig so strömungsgünstig geformt sein, wie bei dem oben angegebenen ersten Ausführungsbeispiel dargestellt . In Fig. 3 ist die Lagerschildgeometrie nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Nach diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist das an dem axial den Lüfterschaufeln 28 gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt des Lagerschild- Innenabschnitts 21 angeformte Element als ein Ring 40 ausgebildet. Der Ring 40 weist vorteilhaft einen kreisförmigem Querschnitt auf, dessen Durchmesser z.B. 3 mm betragen kann. Der Ring 40 wird gegenüber den Lüfterschaufeln 28 am Innenabschnitt 21 des Lagerschildes 18 angeordnet. Ansonsten gilt bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel das selbe, was bei dem ersten Ausführungsbeispiel geschildert wurde.
In Fig. 4 ist ein Diagramm gezeigt, das die gemessenen Gehäuse- und Lüfterkennlinien vor und nach der Geometrieänderung am Lagerschild 18 darstellt. Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, hat die geänderte Innenkontur 36 des Innenabschnitts 21 des Lagerschildes 18 keinen Einfluss auf die Gehäusekennlinie A. Die Lüfterkennlinie aber verschiebt sich nach oben (Lüfterkennlinie C). Zum Vergleich ist auch die Lüfterkennlinie B eingetragen, die dem Stand der Technik entspricht. Der Lüfter 26 erzeugt einen höheren Druck und der Kühlluftvolumenstrom Q ist größer. Der Volumenstrom ist am Schnittpunkt von Gehäuse- und Lüfterkennlinie abzulesen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator für Fahrzeuge, mit einem Läufer (24) und einem stirnseitig dazu angeordneten Lüfter (26) mit Lüfterschaufeln (28), einem Ständer (14) und einem Lagerschild (18), wobei das Lagerschild (18) stirnseitig angeordnete Lufteintrittsöffnungen (30) zum Ansaugen der Kühlluft und Luftaustrittsfenster (32) zum Ausblasen der Kühlluft nach außen an einem Ständerwickelkopf (16) entlang aufweist, und wobei das Lagerschild (21) einen die Lufteintrittsöffnungen (30) radial nach innen begrenzenden Innenabschnitt (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerschild-Innenabschnitt (21) eine zum
Ständerwickelkopf (16) hin gerichtete konkave Oberfläche aufweist, die ihren zum Lüfter (26) geringsten axialen Abstand axial gegenüber dessen Lüfterschaufeln (28) hat.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein an dem axial den Lüfterschaufeln (28) gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt des Lagerschild- Innenabschnitts (21) angeformtes Element eine konvexe Innenkontur (36) des Lagerschild-Innenabschnitts (21) bildet.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das an einem axial den Lüfterschaufeln (28) gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt des Lagerschild- Innenabschnitts (21) angeformte Element als ein Ring (40) ausgebildet ist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (40) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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