Be schre ibung ELEKTRISCHE MASCHINE MIT EINEM KUHLKANAL UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine bzw. den Stator einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren für einen Stator einer elektrischen Maschine, bzw. ein Verfahren zur Herstellung der elektrischen Maschine selbst.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlung einer elektrischen Maschine bzw. des Stators der elektrischen Maschine zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann es auch sein, ein Herstellungsverfahren einer elektrischen Maschine bzw. eines Stators der elektrischen Maschine zu verbessern.
Eine Losung der Aufgabe gelingt bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 16, bzw. bei einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 17.
Em Stator einer elektrischen Maschine weist z.B. einen geblechten oder lamellierten Eisenkorper auf. Dieser Eisenkor- per dient zur Fuhrung eines magnetischen Feldes. Dieser ein- senhaltige Korper zur Fuhrung des magnetischen Feldes ist beispielsweise ein Joch.
Die elektrische Maschine weist den Stator und einen Rotor auf. Des Weiteren weist die elektrische Maschine beispielsweise auch Lagerschiide auf.
In einer Ausfuhrungsform des Stators der elektrischen Maschine weist der Stator einen maandrierenden Kuhlkanal auf. Mittels eines maandrierenden Kuhlkanals kann ein Fluid zur Kühlung der elektrischen Maschine bzw. des Stators in seiner Stromungsrichtung umgelenkt werden. Das Fluid ist insbesonde¬ re eine Kuhlflussigkeit wie Wasser oder flussiger Stickstoff. Der maandπerende Kuhlkanal ist in ein Element eingebetet (ganz oder teilweise) , welches zur Formgebung thermisch be-
handelt wird. Em derartiges Element ist beispielsweise aus einem Kunststoff, welcher einem Spritzgießverfahren unterwor¬ fen werden kann. Em anderes Beispiel für ein Material des Elementes zur Einbettung des Kuhlkanals ist beispielsweise Aluminium, wobei das Aluminium einem Gießverfahren unterworfen werden kann. In das Element, also in das Material des Elementes, in welches zumindest ein Kuhlkanal eingebettet ist, ist auch ein insbesondere eisenhaltiger Korper zur Fuhrung eines magnetischen Feldes des Stators zumindest teilwei- se eingebettet. Das Einbettungsmaterial bettet also zumindest einen Kuhlkanal und den Korper (das Element) des Stators, welcher zur Fuhrung des magnetischen Flusses vorgesehen ist. Durch die Einbettung ergibt sich ein guter wärmeleitender Kontakt zwischen Einbettungsmateπal und Kuhlkanal. Dieser Kontakt ist gegenüber einem System wesentlich verbessert, bei welchem Kuhlkanale in Bohrungen eines Standerblechpaketes lediglich eingesetzt werden.
In einer Ausgestaltung des Stators weist das Element zur Ein- bettung ein gesintertes Material auf. Derartige Materialien weisen beispielsweise einen keramischen Anteil auf. Dadurch kann beispielsweise eine sehr feste und auch hitzebestandige Form geschaffen werden. Das Element zur Einbettung kann der¬ art ausgestaltet sein, dass mit diesem auch ein Teil eines Gehäuses des Standers oder gar der elektrischen Maschine selbst ausgebildet wird. Diese erweiterte Funktion ist naturlich nicht auf die Verwendung von Sintermaterial beschrankt, sondern ist auch mit anderen Materialtypen erreichbar. Andere Mateπaltypen sind beispielsweise Kunststoffe oder auch AIu- minium, bzw. Alummiumlegierungen .
In einer Ausgestaltung des Stators weist das Element zur Einbettung ein Material auf, welches gegossen werden kann. Aluminium ist hierfür ein Beispiel. Das Aluminium wurde bei des- sen Verwendung sowohl Kuhlkanale wie auch z.B. ein Joch zur Fuhrung eines magnetischen Feldes ganz oder teilweise umhüllen. Aluminium hat den Vorteil, dass es leicht zu verarbeiten ist und gut Warme leitet.
In einer Ausgestaltung des Stators ist das Element, welches Kuhlkanale und insbesondere ein Joch einbettet aus einem Ma¬ terial, welches gespritzt wurde. Kunststoffe sind ein Beispiel für Materialien, welche sich zum Spritzen eignen. Ist beispielsweise auch der Kuhlkanal aus einem Kunststoffmateπ- al, so ist vorteilhaft darauf zu achten, dass der Kunststoff, welcher den Kuhlkanal bildet (also z.B. Kunststoffe eines Plastikrohres) , einen höheren Schmelzpunkt aufweist, als der Kunststoff, welcher zum Einbetten der Kuhlkanale bzw. des Mittels zur Fuhrung des magnetischen Flusses verwendet wird. Die Verwendung eines Kunststoffspπtzgießverfahrens fuhrt zu einer Vereinfachung des Herstellungsprozesses des Stators, da dieses Verfahren einfach und kostengünstig realisierbar ist. In einer weiteren Ausgestaltung des Stators, kann dieser auch mittels eines 3-D-Drucks hergestellt werden. Beim 3-D-Druck kann zur Verfestigung des Embettungsmateπals beispielsweise UV-Licht oder ein Laser-Licht verwendet werden. Mittels des 3-D-Drucks können schnell Änderungen an der Form und Ausges- taltung des Standers realisiert werden. Langwierige Anpassungen oder eine Neuschaffung von Gussformen oder Spπtzgussfor- men sind nicht notwendig.
In einer Ausgestaltung des Stators weist dieser ein maandπe- rendes Rohr als Basis für einen maandπerenden Kuhlkanal auf. Das Rohr kann mehrteilig oder auch einteilig ausgeführt sein. In einer Ausgestaltung weist das einteilig ausgeführte Rohr nicht nur eine einzige Maanderschleife auf sondern eine Vielzahl von Maanderschleifen, wodurch die Fließrichtung eines Fluids mehrfach abgeändert werden kann.
Das Material des Rohres kann beispielsweise Edelstahl, Kupfer oder auch einen Kunststoff aufweisen. Em Vorteil von Kupfer oder Edelstahl ist es, dass diese Materialien eine höhere Schmelztemperatur als Kunststoff haben. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn das Material des Rohres einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das Material, welches der Einbet-
tung des Rohres bzw. des Jochs (Mittel zur Fuhrung eines mag¬ netischen Feldes) dient.
In einer Ausgestaltung des Stators ist das Material des Roh- res teilweise aufgeschmolzen. Dieses Aufschmelzen ergibt sich z.B. beim Giesen des Aluminiums, welches die Kuhlkanale/Rohre einbetten soll. Durch das Aufschmelzen wird eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen dem Rohrmaterial und dem Einbettungsmaterial geschaffen.
In einer Ausgestaltung des Stators weist das Rohr zumindest eine Windung/Schleife auf, wobei das Rohr einteilig ist und insbesondere die Windung/Schleife teilweise im Bereich eines Lagerschildes verlauft. Das Lager ist dann mittels des glei- chen Materials eingebettet, wie die Kuhlkanale bzw. das Joch.
In einer Ausgestaltung des Stators ist ein Teil der Kuhlkanale in einer Achsrichtung ausgerichtet und eingebettet und ein anderer Teil der Kuhlkanale in einer Umfangsπchtung ausge- richtet und eingebettet. Mittels der in Umfangsrichtung (in
Bezug auf die Achse der elektrischen Maschine) ausgerichteten Kuhlkanale sind die Schleifen/Windungen der Kuhlkanale zur Richtungsumkehr der Fließrichtung des Fluids vorgesehen. In einer Ausfuhrungsform weist der Stator eine quaderförmige Form auf, wobei der Stator in einem mittigen Bereich der Seiten des Stators frei von axialen Kuhlkanalen ist. Diese Konstruktionsweise ermöglicht einen kompakten Aufbau des Stators bzw. der dazugehörigen elektrischen Maschine.
In einer Ausfuhrungsform des Stators sind im Element, welches der Einbettung der Kuhlkanale dient, wobei das Element auch das Mittel zur Fuhrung des magnetischen Feldes (z.B. Joch) einbettet, Befestigungslocher zur Aufnahme von Schrauben zur Befestigung vorgesehen. Die Befestigung betrifft beispielsweise eine Befestigung eines Lagerschiides . In einer weiteren Variante, kann mittels der Befestigungslocher auch der Stator mit Lagerschilden an einer anderen Einrichtung (z.B. eine
Montageplatte) befestigt werden. Dadurch, dass die Befesti¬ gungslocher im Element integriert sind, ergibt sich eine ein¬ fache Konstruktionsweise. In einer Ausgestaltung des Stators befinden sich die Befestigungslocher in Eckbereichen des Stators, wobei insbesondere die Eckbereiche frei von axial verlaufenden Kuhlkanalen sind. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise. In einer Ausgestaltung des Stators weist der Stator ein Jochpaket und ein Sternpaket auf, wobei das Jochpaket und das Sternpaket zumindest einen Teil des eisenhaltigen Korpers zur Fuhrung des magnetischen Feldes ausbilden. Der eisenhaltige Korper zur Fuhrung des magnetischen Feldes kann also in radi- aler Richtung nicht nur einteilig, sondern auch mehrteilig ausgeführt sein. Bei einer zweiteiligen Ausfuhrung in radialer Richtung ist das Jochpaket mit dem Sternpaket kombiniert. Selbstverständlich kann sowohl bei der einteiligen Ausfuhrung, wie auch bei der mehrteiligen Ausfuhrung (jeweils auf eine radiale Sicht bezogen) eine Blechung vorgesehen werden. Dieses Blechpaket des Stators ist in das Element eingebettet, in welches auch die Kuhlkanale eingebettet sind. Blechpaket und Kuhlkanal sind also im gleichen Element und folglich im gleichen Material eingebettet. In diesem Zusammenhang wird ein Rohr, was z.B. in einen Hohlraum lediglich eingeschoben wird, nicht als eingebettetes Rohr betrachtet, da hier Spaltmaße eine Rolle spielen. Bei einer Einbettung ergibt sich ein bundiger Übergang. Das Element zur Einbettung kann auch derart ausgestaltet sein, das es neben dem einen Kuhlkanal oder den mehreren Kuhlkanalen und dem Mittel zur Fuhrung des magnetischen Feldes (Joch, Standerblechpaket) auch ein Lagerschild oder auch zwei Lagerschiide mit integriert. Das Element zur Einbettung nimmt also auch die Lager auf, welche zur Lagerung eines Ro¬ tors der elektrischen Maschine vorgesehen sind.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Stators einer elektrischen Maschine, welcher zumindest eines der obig be¬ schriebenen Merkmale eines Stators aufweist, wird der eisenhaltige Korper zur Fuhrung eines magnetischen Feldes in einer Form platziert, wobei auch ein Kuhlkanal (z.B. ein Rohr) in der Form platziert wird, wobei die Form mit einem Material gefüllt wird, welches das Element ausbildet, wobei das Element den eisenhaltigen Korper einbettet und den Kuhlkanal einbettet. Der eisenhaltige Korper ist insbesondere ein Joch, wobei es zur Ausbildung einer Einbettung genügt, dass das
Element zur Einbettung den eisenhaltigen Korper direkt bundig kontaktiert. Auch bei der Einbettung des Kuhlkanals handelt es sich um eine direkte bundige Kontaktierung des Elementes zur Einbettung mit dem Kuhlkanal, z.B. dem Rohr. Zur Einbet- tung des Kuhlkanals, kann dieser vom Element in einer Um- fangsπchtung auch ganz umschlossen sein. Folglich kann ein Rohr, welches als Kuhlkanal fungiert, in seinem radialen Umfang vom Element umschlossen sein. Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand schematisch dargestellter möglicher Ausfuhrungsbeispiele zeichnerisch naher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine vergossene elektrische Maschine;
FIG 2 einen vergossenen Stator;
FIG 3 den vergossenen Stator mit einer Schnittansicht,
FIG 4 den vergossenen Stator mit Statorwicklungen und
FIG 5 ein Standerblechpaket. Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt eine elektrische Maschine 10, wobei in dieser Darstellung ein Rotor der elektrischen Maschine 10 nicht dargestellt ist. Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 1 auf. Ein in dieser Darstellung nicht sichtbares Standerblechpaket ist durch ein Element 22 einge- bettet. Das Standerblechpaket ist ein eisenhaltiger Korper zur Fuhrung eines magnetischen Feldes, wobei das Standerblechpaket derart vom Element 22 umschlossen ist, dass es in der FIG 1 nicht sichtbar ist.
Die elektrische Maschine 10 weist ferner zwei Lagerschiide 12, 14 auf. Em erstes Lagerschild 12 kann als bedienseitiges Lagerschild 12 bezeichnet werden. Em zweites Lagerschild 14 kann als antπebsseitiges Lagerschild 14 bezeichnet werden. Werden Wicklungen 20 des Stators 1 der elektrischen Maschine 10 bestromt, entsteht Verlustwarme. Zur Warmeabfuhr, also zur Kühlung der elektrischen Maschine 10, ist ein maandπerender Kuhlkanal 18 vorgesehen. Der maandπerende Kuhlkanal 18 weist axial ausgerichtete Kuhlkanale 17 und in einer Umfangsπch- tung der elektrischen Maschine ausgerichtete Umlenkkanale 19 auf. Zur Ausbildung des Kuhlkanals 18 kann ein Rohr 26 verwendet werden. Auch ein Schlauch wird hierbei als ein Rohr angesehen. Der Kuhlkanal 18 kann durch eine Aneinanderreihung von Rohren ausgebildet sein oder auch dadurch, dass ein Rohr einteilig ausgeführt ist und in einer Mäanderform positioniert ist. Der Kuhlkanal 18 weist Anschlüsse 24 auf, um den Kuhlkanal 18 mit einem Kuhlfluid zu beschicken. Wasser ist ein Beispiel für ein häufig verwendetes flussiges Kuhlfluid. Der Kuhlkanal 18 wird in die elektrische Maschine, insbesondere durch einen Gießprozess, integriert. So wird beispielsweise Aluminium in eine Form gegossen, in welcher sich der Kuhlkanal (z.B. Stahlrohre oder Kupferrohre) oder die Kuhlka¬ nale und das Standerbelchpaket bereits befinden. Somit sind diese dann im erkalteten Aluminium eingebettet. Die beschriebene Ausgestaltung der elektrischen Maschine hat beispielsweise folgende Vorteile:
• eine Aufwendig Lagerschildbearbeitung für eine Wasserum- lenkung entfallt;
• eine Aufwendige Abdichtung von Kuhlrohren zu Umlenktaschen entfallt;
• ein verbesserter bzw. einfacherer Warmekontakt des Kuhlkanals insbesondere zum Standerblechpaket; und
• eine verbesserte Warmeleitung zu den Lagerschilden, so dass nicht nur im Wesentlichen eine Kuhlrohroberflache im Bereich des Jochs zur Kühlung beitragt.
Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt einen Stator 1, bei welchem durch das Element 22 zur Einbettung auch ein Gehäuse des Sta¬ tors 1 ausgebildet ist. In das Element 22 ist ein Lagerschild 12 integriert. Auf der dem Lagerschild 12 gegenüber liegenden Seite des Stators 1 sind Befestigungslocher 45 vorgesehen. Diese Befestigungslocher 45 sind beispielsweise zur Befesti¬ gung eines weiteren Lagerschiides über einen Gehauseflansch 16 verwendbar, wobei dieses nicht dargestellt ist. Ein Lager- schild ist dann beispielsweise ein antπebsseitiges Lager- schild und das andere Lagerschild ist ein bedienseitiges La- gerschild.
In einer weiteren Ausgestaltung des Stators 1 weist dieser kein integriertes Lagerschild auf, wobei diese Ausgestaltung nicht dargestellt ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Stators weist dieser entsprechend bei seinen Stirnseiten Be- festigungsmoglichkeiten für Lagerschiide auf. Das in der FIG 2 dargestellte Element 22 weist Befestigungslocher 44 auf, welche z.B. der Befestigung des Stators 1 oder der gesamten elektrischen Maschine dienen. In das Element 22 ist ein einziger Kuhlkanal 18 eingegossen. Der Kuhlkanal 18 weist axial positionierte Kuhlkanalabschnitte (Kuhlkanale) 17 auf und Abschnitte 19, welche zur Umlenkung der Fließrichtung eines Kuhlfluids dienen. Diese Umlenkkanale 19 sind in einer Um- fangsπchtung positioniert und emstuckig mit den axialen
Kuhlkanalen 17 verbunden. Die axiale Ausrichtung wird durch Pfeile 28, 29 angedeutet, wobei diese auch die möglichen axi¬ alen Fließrichtungen des Fluids angeben. Gemäß der in FIG 2 dargestellten Ausfuhrungsform befinden sich die Umlenkkanale 19 axial außerhalb eines Standerblechpaketes. Das Standerblechpaket wird in FIG 2 durch ein Jochpaket 4 repräsentiert. Durch diese axiale Aufweitung der Positionierung des maander- formig positionierten Kuhlkanals 18 kann die Kühlleistung erhöht werden. Ist eine kompaktere Bauweise erwünscht, bei der beispielsweise kein Lagerschild in das Element 22 integriert ist, können die Umlenkkanale auch im axialen Bereich des Standerblechpaketes 4 positioniert sein. Dies ist in der FIG 2 jedoch nicht dargestellt.
Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt gegenüber der FIG 2 einen Schnitt durch den Stator 1. Rohre 26, die als Kuhlkanal verwendet sind, werden in einer Schnittdarstellung gezeigt. Fer- ner sind, wie in FIG 2, Anschlüsse 24 für einen Einlass und einen Auslass von Fluid dargestellt. In Eckbereichen 46, 47, 48 und 49 des Stators 1 sind die Befestigungslocher 44 positioniert. Um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen, weist der Stator 1 in den Eckbereichen keinen axial ausgerichteten Kuhlkanal auf. Vorteilhaft ist ein Umlenkkanal 19, welcher sich in einem Eckbereich 46 befindet und zwar im Bereich einer Stirnseite, welche der Stirnseite gegenüber liegt, auf der das Befestigungsloch 44 vorgesehen ist. Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt wie FIG 3 den Stator 1 mit einem Schnitt. Zusätzlich zum Jochpaket 4 ist in FIG 4 auch ein Sternpaket 5 gezeigt. Im Sternpaket 5 befinden sich, wie gezeigt, die elektrischen Wicklungen 7 des Standers 1. Der Stander 1 weist eine guaderformige Grundform mit Seitenfla- chen 38, 39, 40 und 41 auf. Diese Seiten 38, 39, 40 und 41 weisen mittige Bereiche 34, 35, 36, 37 auf. In diesen mittigen Bereichen befinden sich keine axialen Kuhlkanale. Somit ergibt sich die Möglichkeit einer kompakten Bauweise. In den mittigen Bereichen 34, 35, 36, 37 können sich die Umlenkkana- Ie befinden. Der Umlenkkanal 19 weist eine Ausrichtung in einer Umfangsrichtung auf, welche durch die Pfeile 30 und 31 angedeutet ist. Der Umlenkkanal 19 befindet sich in einem axialen Bereich des Stators 1, in welchem sich das Jochpaket 4 nicht mehr erstreckt. Dadurch ist es möglich, den Umlenkka- nal 19 gegenüber den axialen Kanälen 17 radial nach innen zu versetzen. Der Umlenkkanal 19 gelangt so beispielsweise in einen radialen Bereich, in welchem sich auch das Joch (Standerblechpaket) befindet. Dies ermöglicht wiederum eine kompakte Bauweise.
Bei elektrischen Maschinen (z.B. einem Elektromotor oder Generator) , welche eine Wasserkühlung aufweisen und deren Stator aus zwei radialen Teilpaketen aufgebaut ist (einem auße-
ren Jochpaket 4 und einem inneren Sternpaket 5) sind die Was¬ serleitungen (also die Kuhlkanale) nahe und mit geringem War- mewiderstand an den Wärmequellen, der Motorwicklung bzw. der Generatorwicklung anzuordnen. Bohrungen im Eisen des Jochpa- ketes und darin verlegte Rohre zur Wasserkühlung ermöglichen keinen optimalen Wärmeübergang. Eine verbesserte Warmeabfuhr ist unter Verwendung eines Vergieß- oder Spritzverfahrens ermöglicht. Beim Vergieß- oder Spritzverfahren werden separate Rohre zur Wasserkühlung am Jochpaket angelegt und eingegos- sen. Dazu wird ein zuvor maanderformig geformtes Rohr 26 um das Jochpaket 4 gelegt. Zusammen werden Rohr 26 und Jochpaket 4 mit einer geeigneten Vergieß- oder Spritzmasse eingegossen. Ein geeignetes Material für die Vergussmasse ist, wie bereits erwähnt, Aluminium. Auch andere Metalle oder mechanisch hoch beanspruchbare, gut wärmeleitende, Kunststoffe sind geeignet. Der Standeraufbau des beschriebenen Elektromotors in ein Jochpaket 4 und ein Sternpaket 5 hat zunächst einmal den Vorteil, dass das Jochpaket 4 separat bearbeitet werden kann und so Prozessen unterzogen werden kann, die ein bewickeltes ein- teiliges Standerpaket zerstören wurden (dies konnte unter Umstanden beim Umspπtzen mit Aluminium der Fall sein) . Das ma- anderformige Rohr 26 wird um das Jochpaket angeordnet und mit Aluminium gut wärmeleitend umspritzt. Dabei werden sowohl die Warmeleitung vom Jochpaket auf die gut wärmeleitende Vergieß- masse als auch die Warmeleitung zu den Rohren verbessert, was auch durch die verbesserte axiale Warmeleitung unterstütz wird. Der Herstellungsprozess eignet sich auch um weitere Funktionen in das Bauteil/Element zu integrieren. Es können weitere Schnittstellen wie Flansche für Lagerschiide und/oder auch sogenannte Gehauseflansche angespritzt werden. Des Weiteren können auch Lagerschiide, Klemmkasten und/oder Steckergehause angespritzt werden.
Die Darstellung gemäß Figur 5 deutet schematisch an, dass in eine Form 50 ein eisenhaltiger Korper 3 zur Fuhrung eines magnetischen Feldes (also z.B. ein Standerblechpaket) positioniert werden kann. Ferner kann in diese Form 50 ein maand- πerender Kuhlkanal 18 positioniert werden. Die Standerwick-
lungen können sich bereits im Standerblechpaket befinden oder erst spater in Nuten eingesetzt werden. In die Form 50 kann beispielsweise flussiges Aluminium gegossen werden. Das flussige Aluminium 22 härtet aus und bettet das Standerblechpaket 3 bzw. den Kuhlkanal 18 ein.