WO2016062438A1 - Als scheibenläufer ausgebildete elektrische maschine mit kühlkanalanordnung - Google Patents

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WO2016062438A1
WO2016062438A1 PCT/EP2015/069924 EP2015069924W WO2016062438A1 WO 2016062438 A1 WO2016062438 A1 WO 2016062438A1 EP 2015069924 W EP2015069924 W EP 2015069924W WO 2016062438 A1 WO2016062438 A1 WO 2016062438A1
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stator
cooling channel
channel arrangement
cooling
electric machine
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PCT/EP2015/069924
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English (en)
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Inventor
Patrick Fruehauf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • 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 an electrical machine, which may be designed in particular as a pancake and in which adekanalanordnun is advantageously formed.
  • Purposes are used.
  • electrical machines in electric or hybrid vehicles can serve as a drive or for recuperation of kinetic energy.
  • An electric machine points can serve as a drive or for recuperation of kinetic energy.
  • stator typically a stator and a rotatable relative to this stator rotor.
  • the stator is often cooled by means of a liquid or gaseous cooling fluid.
  • a cooling channel through which the cooling fluid is flowed.
  • the cooling channel can run in such a way that the cooling fluid flows in the circumferential direction along the stator.
  • the cooling channel is located at the back of the stator, that is, at an outward and thus opposite to a surface facing the rotor
  • stator windings can also be designed as waveguides, by means of which cooling can be realized.
  • Transverse flux machine in 2-phase design or an asynchronous transverse flux machine with cooled stator Transverse flux machine in 2-phase design or an asynchronous transverse flux machine with cooled stator.
  • Embodiments of the present invention may advantageously enable an electric machine, in particular an electric machine designed as a disk rotor, to be suitably designed
  • Cooling duct arrangement and provided with this cooling channel arrangement stator are easily manufactured or assembled.
  • an electric machine which has a stator, a rotor and a cooling channel arrangement on the stator.
  • the stator has heat generating components disposed therein.
  • the rotor is rotatable relative to the stator and spaced therefrom by an air gap.
  • the cooling channel arrangement has a
  • Cooling passage through which a cooling fluid in the circumferential direction along the stator can be flowed.
  • the electric machine is characterized in that the cooling channel arrangement extends both along an outer surface of the stator
  • heat generating components of the stator opposite to an air gap adjacent surface of the stator and at least one extending transversely to this surface and toward the air gap side surface of the stator extends.
  • stator in conventional electric machines, the stator is usually cooled only on an outside opposite the side of the air gap. Stator windings, which during operation of the electric machine as active parts, ie as heat-generating components, act and where a large part of the total dissipated in the electric machine waste heat, are relatively far from one
  • Cooling channel removed and often only by poor thermal conductivity materials such as insulation materials, for electrical insulation of the
  • the insulation materials used can also be sensitive to high temperatures.
  • the insulating materials can be damaged at high temperatures, a power density of such electric machines can be narrow
  • Heat dissipation can allow in particular from heat-generating components of the stator.
  • a heat-generating components of the stator can primarily coils or stator windings
  • stator in other components of the stator, such as to be magnetized ferromagnetic areas of the stator can lead to losses and thus to heat generation.
  • the cooling channel arrangement not only extend along an outer surface of the heat-generating components of the stator, that is, a surface opposite to an air gap adjacent surface of the stator, but also extend along one or preferably both opposite side surfaces of the stator should.
  • the described cooling channel arrangement can thus enable efficient cooling of the stator and in particular of the windings provided therein with only one integrated cooling channel.
  • cooling channel arrangement may extend along at least one side surface of the stator up to the air gap.
  • portions of the cooling channel assembly may extend from the outer surface of the stator along at least one of the side surfaces to an inner surface of the stator adjacent the air gap extend.
  • the cooling channel arrangement may be composed of at least two components.
  • the two components can be easily manufactured and later assembled to form the cooling channel arrangement.
  • the cooling channel arrangement can be composed of a first part which forms a channel that is L-shaped or U-shaped and outwardly open, and a second part which closes off the area of the first component that is open to the outside.
  • Cross-section L-shaped or U-shaped and open on one side first component can be easily manufactured.
  • this first component can be easily die-cast. This makes it possible to produce the first component of the cooling channel arrangement easily and with low manufacturing tolerances.
  • the first component open towards the outside can then be closed to the outside with a suitably designed second component, in order in this way to produce a sealed cooling channel through which cooling fluid can flow during operation.
  • the first and the second component can in principle consist of different
  • the first component may consist of a metal
  • the second component may be made of plastic, for example, and thus may be provided inexpensively as an injection molded part.
  • cooling arrangement may be advantageous to form at least partial regions of the cooling arrangement, which adjoin heat-generating components of the stator, from a material having good thermal conductivity.
  • these portions may consist of a metal such as aluminum.
  • Thermal conductivity of the cooling channel arrangement in these sub-areas can contribute to efficient heat dissipation from the stator of the electric machine. Under a good heat conductive material can in this
  • connection a material which has a thermal conductivity of preferably more than 50 W / (m K), in particular more than 100 W / (m K) or more than 200 W / (m K).
  • the above-mentioned first component of a two-part cooling channel arrangement can be designed in such a way that it adjoins heat-generating components of the stator at least in regions, and consist of a material having good thermal conductivity, in particular a metal.
  • the first component can thus be easily manufactured, for example, die-cast, and thereby for a particularly good heat dissipation from the
  • Cooling channel arrangement also be formed in one piece.
  • a cooling channel arrangement can be constructed from a part using a lost-form method. In such an embodiment or in a structure constructed of two parts, the area to be sealed needs the
  • Cooling channel arrangement in principle not be larger than conventional
  • Cooling channels in electrical machines Cooling channels in electrical machines.
  • Cooling channel in a direction parallel to the circumferential direction of the stator in
  • Block portions so that passed through the cooling passage cooling fluid can not flow unhindered along the circumferential direction of the stator through the cooling passage, but is at least partially deflected by the webs.
  • the webs are formed and arranged such that the
  • Cooling fluid is meander-like passed through the cooling channel arrangement. As a result, an overall increased cooling capacity can be achieved. In addition, it can be effected that cooling fluid flows through as far as possible all areas of the cooling channel and thus a spatially homogeneously distributed cooling capacity can be achieved.
  • Such swirling elements may be local projections, which protrude into the cross section of the cooling channel. Due to the turbulence caused by the cooling fluid flow, an increased cooling capacity can be achieved. In some cases, the above-mentioned transverse to the circumferential direction
  • extending webs serve as swirling elements.
  • the cooling channel arrangement may advantageously have a rotationally symmetrical structure.
  • Cooling channel formed cooling channel can be added or removed, be set or positioned at different angles.
  • the cooling channel arrangement proposed herein may be used for different types of electrical machines and adapted as appropriate.
  • the cooling channel arrangement can be used for a designed as a disc rotor electrical machine.
  • a pancake can be an electric motor or generator whose rotor has a shape of a disk. Current-carrying windings may for example be mounted on the disk, but the rotor typically does not contain an iron core. For disc travelers, the diameter is typically greater than an axial length. Disk runners are often designed as axial flow machines, that is, a magnetic flux extends in a wide range parallel to an axis of rotation of the electric machine. Alternatively, however, a pancake may also be designed as a transverse flux machine.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a trained as a disc rotor electrical machine.
  • FIG. 2 shows a perspective sectional view from the outside through a stator of an electric machine according to the invention.
  • Fig. 3 shows a perspective, partially cut away sectional view from the outside through a stator of an electric machine according to the invention.
  • Fig. 4 shows a perspective sectional view from the inside through a stator of an electric machine according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electric machine 1 embodied as a disk rotor.
  • An annular stator 3 and a likewise annular rotor 5 are arranged next to one another in the axial direction, that is to say along a rotation axis 6.
  • the stator 3 and the rotor 5 have approximately the same diameter and are both arranged coaxially with the axis of rotation 6.
  • an air gap 7 extends between the stator 3 and the rotor 5.
  • the stator 3 Adjacent to the air gap 7, the stator 3 has a plurality of coils 8, which are arranged side by side along the circumference of the stator 3. Each of the coils 8 has windings 10 made of wires, which are wound on a base body 12. In the case of an electric machine 1 designed as a disk rotor, an axis about which the windings 10 are wound can run parallel to the axis of rotation 6 of the electric machine 1.
  • a time-varying magnetic field is generated by energizing the windings 10, by means of which then the rotor 5 is set in rotation.
  • this can lead to significant local warming, so that the coils 8 can be considered as heat-generating components 4 of the stator 3.
  • a cooling channel arrangement 9 is provided on the stator 3.
  • the cooling channel arrangement 9 has a cooling channel 11, through which a cooling fluid such as water or oil or a cooling gas can be flowed substantially in the circumferential direction 13 along the stator 3.
  • the cooling channel arrangement 9 is designed with a specially adapted geometry. Portions of the cooling arrangement extend along an outer surface 15 of the heat-generating components 4 of the stator 3, this outer surface 15 extending opposite or opposite to a surface 17 of the stator 3 adjoining the air gap 7. These portions of the cooling channel assembly 9 mainly cool one
  • the cooling channel arrangement 9 also has further subregions which extend in the illustrated example along both opposite side surfaces 19 of the stator 3. These side surfaces 19 are arranged transversely to the surface 17 adjacent to the air gap 7. The entire cooling channel 11 of the cooling channel arrangement 9 thus has in
  • the coils 8 acting as heat-generating components 4 are not only at their outwardly directed rear side, but also at its radially inward, that is towards the axis of rotation 6, directed
  • the cooling channel arrangement 9 is composed of two components 21, 23.
  • a first component 21 essentially has a U-shape, however, alternatively could have an L-shape in another embodiment.
  • This first component may advantageously consist of a good thermal conductivity material such as aluminum. Due to its relatively simple geometry and its design, which essentially requires no undercuts, the first component 21 can be simple
  • the first component 21 is open and thus forms an outwardly open channel 25 towards this side.
  • a second component 23 in the form of a second component 23 is formed
  • FIG. 3 illustrates an internal structure of the cooling channel arrangement 9 without a covering second component 23 acting as a cover.
  • the cooling channel arrangement 9 In its interior, that is to say in its cooling channel 11, the cooling channel arrangement 9 has webs 29 which run transversely to the circumferential direction 13. The webs 29 extend on the one hand along the on the outer surface 15 of the heat-generating
  • the webs 29 are arranged approximately perpendicular to the circumferential direction 13 in this area.
  • parts of the webs 29 also extend within the lateral limbs of the U-shaped cooling channel arrangement 9, that is parallel to the axial direction 14.
  • a plurality of such webs 29 are arranged, each individual web each with only a portion in a the lateral leg of the cross-sectionally U-shaped first member 21 extends, whereas an opposite lateral leg without local web 29 remains.
  • the webs 29 are alternately formed so that an axially extending portion of a first web 29 extends in an outer leg, whereas an axially extending portion of an adjacent web 29 in a radially inner leg of the U-shaped first member 21 extends.
  • Regions of the cooling channel 11 flows and receives heat there. On the other hand, can be increased by the webs 29, a surface of the cooling channel 11. In addition, the webs 29 may act as the cooling channel assembly 9 stiffening.
  • Verwirbelungs comprise 31 provided.
  • these swirling elements 31 are designed as projections projecting into the interior of the cooling channel 11, around which a cooling fluid flowing through is deflected and in that case preferably swirled.
  • a cooling channel arrangement has a special, for example U-shaped or L-shaped cooling channel geometry.
  • a cooling channel protrudes in the radial direction and the axial direction inwards and outwards via heat-generating
  • the special cooling channel geometry enables simultaneous cooling of the stator and the stator coils.
  • the cooling channel arrangement can be constructed in one or two parts. In particular, in a two-part structure, individual components can be easily manufactured, for example, die-cast, and then connected to each other. Despite enclosing cooling can thereby only small
  • Verwirbelungs comprise within the cooling channel and webs, which can cause a coolant flow in meandering paths, can increase a cooling capacity. Due to the hereby possible improved cooling of the heat-generating components of the stator, a higher power density of the active parts,

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (1) beschrieben, welche insbesondere als Scheibenläufer ausgebildet sein kann. Die elektrische Maschine (1) weist einen Stator (3), einen Rotor (5) und eine Kühlkanalanordnung (9) an dem Stator (3) auf. An dem Stator (3) sind wärmeerzeugende Komponenten (4) beispielsweise in Form von Spulen (8) vorgesehen. Der Rotor (5) ist relativ zu dem Stator (3) drehbar und von diesem durch einen Luftspalt (7) beabstandet. Die Kühlkanalanordnung (9) weist einen Kühlkanal (11) auf, durch den ein Kühlfluid in Umfangsrichtung (13) entlang des Stators (3) geströmt werden kann. Die elektrische Maschine (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlanordnung (9) sich sowohl entlang einer Außenoberfläche (15) der wärmeerzeugenden Komponenten (4) des Stators (3) entgegengesetzt zu einer an den Luftspalt (7) angrenzenden Oberfläche (17) des Stators (3) als auch entlang zumindest einer, vorzugsweise beider entgegengesetzter, quer zu dieser Oberfläche (17) und hin zu dem Luftspalt (7) verlaufender Seitenoberflächen (19) des Stators (3) erstreckt. Aufgrund einer solchen, im Querschnitt L- oder U-förmigen Kühlkanalanordnung (9) können die wärmeerzeugenden Komponenten (4) auch an ihren Seiten bis in Bereiche nahe dem Luftspalt (7) effizient gekühlt werden. Die Kühlkanalanordnung (9) kann vorteilhaft zweiteilig ausgestaltet sein, wobei ein erstes Teil (21) beispielsweise als druckgegossenes Bauteil aus gut wärmeleitfähigem Metall bestehen kann und mit einem zweiten als Deckel wirkenden Bauteil (23) verschlossen werden kann. Im Innern des Kühlkanals (11) können Stege (29) oder Verwirbelungselemente (31) für eine verbesserte Kühlleistung sorgen.

Description

Titel
ALS SCHEIBENLÄUFER AUSGEBILDETE ELEKTRISCHE MASCHINE MIT
KÜHLKANALANORDNUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, welche insbesondere als Scheibenläufer ausgebildet sein kann und bei der eine Kühlkanalanordnun vorteilhaft ausgebildet ist.
Hintergrund der Erfindung Elektrische Maschinen können als Motoren oder Generatoren für vielfältige
Zwecke eingesetzt werden. Insbesondere können elektrische Maschinen in Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugen als Antrieb oder zur Rekuperation von Bewegungsenergie dienen. Eine elektrische Maschine weist dabei
typischerweise einen Stator sowie einen relativ zu diesem Stator drehbaren Rotor auf.
In einer elektrischen Maschine wird elektrische Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt umgewandelt. Dabei auftretende Verluste führen zu einer Erwärmung von Komponenten der elektrischen Maschine während deren Betriebs. Um eine übermäßige Erwärmung dieser Komponenten zu vermeiden, sollte in der elektrischen Maschine eine Kühlanordnung vorgesehen sein.
Bei herkömmlichen elektrischen Maschinen wird der Stator häufig mithilfe eines flüssigen oder gasförmigen Kühlfluids gekühlt. An dem Stator kann hierzu ein Kühlkanal vorgesehen sein, durch den das Kühlfluid geströmt wird.
Beispielsweise kann der Kühlkanal derart verlaufen, dass das Kühlfluid in Umfangsrichtung entlang des Stators strömt. Üblicherweise befindet sich dabei der Kühlkanal an der Rückseite des Stators, das heißt an einer nach außen und somit entgegengesetzt zu einer zu dem Rotor gerichteten Oberfläche
befindlichen Seite des Stators. Alternativ können auch Statorwicklungen als Hohlleiter ausgebildet sein, durch welche eine Kühlung realisierbar ist.
DE 10 2013 206 021 AI und DE 10 2013 206 017 AI beschreiben eine
Transversalflussmaschine in 2-Phasen-Ausführung beziehungsweise eine Asynchron-Transversalflussmaschine mit gekühltem Stator.
Offenbarung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, eine elektrische Maschine, insbesondere eine als Scheibenläufer ausgebildete elektrische Maschine, mit einer geeignet ausgebildeten
Kühlkanalanordnung effizient kühlen zu können. Insbesondere kann die
Kühlkanalanordnung und der mit dieser Kühlkanalanordnung versehene Stator einfach hergestellt beziehungsweise zusammengebaut werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, welche einen Stator, einen Rotor sowie eine Kühlkanalanordnung an dem Stator aufweist. Der Stator weist darin angeordnete wärmeerzeugende Komponenten auf. Der Rotor ist relativ zu dem Stator drehbar und von diesem durch einen Luftspalt beabstandet. Die Kühlkanalanordnung weist einen
Kühlkanal auf, durch den ein Kühlfluid in Umfangsrichtung entlang des Stators strömbar ist. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlkanalanordnung sich sowohl entlang einer Außenfläche der
wärmeerzeugenden Komponenten des Stators entgegengesetzt zu einer an den Luftspalt angrenzenden Oberfläche des Stators als auch zumindest einer quer zu dieser Oberfläche und hin zu dem Luftspalt verlaufenden Seitenoberfläche des Stators erstreckt.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Wie einleitend angemerkt, wird bei herkömmlichen elektrischen Maschinen der Stator meist lediglich an einer der Seite des Luftspalts entgegengesetzten Außenseite gekühlt. Statorwicklungen, welche während des Betriebs der elektrischen Maschine als Aktivteile, d.h. als wärmeerzeugende Komponenten, wirken und an denen ein großer Teil der insgesamt in der elektrischen Maschine abzuführenden Abwärme entsteht, sind verhältnismäßig weit von einem
Kühlkanal entfernt und häufig nur durch schlecht wärmeleitfähige Materialien wie zum Beispiel Isolationswerkstoffe, die zur elektrischen Isolation der
Statorwicklungen dienen, angebunden. Insbesondere können die verwendeten Isolationswerkstoffe zudem empfindlich gegenüber hohen Temperaturen sein. Da die Isolationswerkstoffe bei hohen Temperaturen geschädigt werden können, können somit einer Leistungsdichte solcher elektrischer Maschinen enge
Grenzen gesetzt sein.
Es wird daher vorgeschlagen, an einem Stator einer elektrischen Maschine eine verbesserte Kühlkanalanordnung vorzusehen, welche eine gesteigerte
Wärmeableitung insbesondere aus wärmeerzeugenden Komponenten des Stators ermöglichen kann. Als wärmeerzeugenden Komponenten des Stators können dabei vornehmlich Spulen beziehungsweise Statorwicklungen
angesehen werden. Aber auch in andere Komponenten des Stators wie zum Beispiel zu magnetisierenden ferromagnetischen Bereichen des Stators kann es zu Verlusten und somit zu einer Wärmeerzeugung kommen.
Es wird vorgeschlagen, dass sich die Kühlkanalanordnung nicht lediglich entlang einer Außenoberfläche der wärmeerzeugenden Komponenten des Stators, das heißt einer Oberfläche entgegengesetzt zu einer an den Luftspalt angrenzenden Oberfläche des Stators, erstreckt, sondern sich zusätzlich auch entlang einer oder vorzugsweise beider entgegengesetzter Seitenoberflächen des Stators erstrecken soll. Durch eine solche im Querschnitt beispielsweise L-förmige oder U-förmige Kühlkanalanordnung kann der Stator und insbesondere dessen wärmeerzeugende Komponenten nicht nur lediglich von der Außenoberfläche her sondern auch von zumindest einer oder vorzugsweise von beiden
Seitenoberflächen her gekühlt werden. Die beschriebene Kühlkanalanordnung kann somit eine effiziente Kühlung des Stators und insbesondere der darin vorgesehenen Wicklungen mit nur einem integrierten Kühlkanal ermöglichen.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass sich die Kühlkanalanordnung entlang zumindest einer Seitenoberfläche des Stators bis hin zu dem Luftspalt erstreckt.
Mit anderen Worten können sich Teilbereiche der Kühlkanalanordnung von der Außenoberfläche des Stators entlang zumindest einer der Seitenoberflächen bis hin an eine an den Luftspalt angrenzende Innenoberfläche des Stators erstrecken. Somit können wärmeerzeugende Komponenten insbesondere in diesem an den Luftspalt angrenzenden Bereich, das heißt, dort, wo im Betrieb häufig die stärkste Wärmeerzeugung auftritt, effizient gekühlt werden. Indirekt kann dabei sogar der Rotor beziehungsweise ein ihn umgebendes Medium gekühlt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kühlkanalanordnung aus wenigstens zwei Bauteilen zusammengesetzt sein. Die beiden Bauteile können dabei einfach hergestellt werden und später zur Bildung der Kühlkanalanordnung zusammengesetzt werden.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Kühlkanalanordnung aus einem ersten Teil, welches einen im Querschnitt L-förmigen oder U-förmigen und nach außen offenen Kanal bildet, und einem zweiten Teil, welches den nach außen offenen Bereich des ersten Bauteils deckelartig schließt, zusammenzusetzen. Das im
Querschnitt L-förmige beziehungsweise U-förmige und an einer Seite offene erste Bauteil kann einfach hergestellt werden. Insbesondere kann dieses erste Bauteil einfach druckgegossen werden. Dadurch wird ermöglicht, das erste Bauteil der Kühlkanalanordnung einfach und mit geringen Fertigungstoleranzen herstellen zu können. In einem an dem Stator montierten Zustand kann das nach außen hin offene erste Bauteil dann mit einem geeignet ausgebildeten zweiten Bauteil nach außen hin verschlossen werden, um auf diese Weise einen dichten Kühlkanal zu erzeugen, durch den im Betrieb Kühlfluid geströmt werden kann. Das erste und das zweite Bauteil können prinzipiell aus verschiedenen
Materialien bestehen. Beispielsweise kann das erste Bauteil aus einem Metall bestehen, wohingegen das zweite Bauteil beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann und somit kostengünstig als Spritzgussteil bereitgestellt werden kann. Allerdings kann es vorteilhaft sein, beide Bauteile aus gleichen
beziehungsweise sich ähnlich verhaltenden Materialien auszubilden, um beispielsweise etwaige Probleme aufgrund unterschiedlicher
Wärmeausdehnungskoeffizienten zu vermeiden.
Es kann vorteilhaft sein, zumindest Teilbereiche der Kühlanordnung, welche an wärmeerzeugenden Komponenten des Stators angrenzen, aus einem gut wärmeleitfähigen Material auszubilden. Insbesondere können diese Teilbereiche aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium bestehen. Eine gute
Wärmeleitfähigkeit der Kühlkanalanordnung in diesen Teilbereichen kann zu einer effizienten Wärmeableitung aus dem Stator der elektrischen Maschine beitragen. Unter einem gut wärmeleitfähigen Material kann in diesem
Zusammenhang ein Material verstanden werden, das eine Wärmeleitfähigkeit von vorzugsweise mehr als 50 W/(m K), insbesondere mehr als 100 W/(m K) oder mehr als 200 W/(m K), aufweist.
Insbesondere kann das vorangehend genannte erste Bauteil einer zweiteilig aufgebauten Kühlkanalanordnung derart ausgebildet sein, dass es zumindest bereichsweise an wärmeerzeugende Komponenten des Stators angrenzt, und aus einem gut wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Metall, bestehen.
Das erste Bauteil kann somit einfach hergestellt, beispielsweise druckgegossen, werden und dabei für eine besonders gute Wärmeableitung aus den
wärmeerzeugenden Komponenten sorgen. Alternativ zu einer zuvor beschriebenen zweiteiligen Ausgestaltung kann die
Kühlkanalanordnung auch einteilig ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Kühlkanalanordnung mithilfe eines lost-form-Verfahrens aus einem Teil aufgebaut werden. In einer solchen Ausgestaltung oder auch in einer aus zwei Teilen aufgebauten Ausgestaltung braucht die zu dichtende Fläche der
Kühlkanalanordnung prinzipiell nicht größer sein als bei herkömmlichen
Kühlkanälen in elektrischen Maschinen.
Es kann vorteilhaft sein, in dem Kühlkanal der Kühlkanalanordnung quer zur Umfangsrichtung des Stators verlaufende Stege anzuordnen. Die Stege können dabei teilweise in den Querschnitt des Kühlkanals hineinragen oder diesen
Kühlkanal in einer Richtung parallel zur Umfangsrichtung des Stators in
Teilbereichen blockieren, so dass durch den Kühlkanal geleitetes Kühlfluid nicht ungehindert entlang der Umfangsrichtung des Stators durch den Kühlkanal strömen kann, sondern von den Stegen zumindest teilweise umgelenkt wird. Vorzugsweise sind die Stege derart ausgebildet und angeordnet, dass das
Kühlfluid mäander-artig durch die Kühlkanalanordnung geleitet wird. Dadurch kann insgesamt eine erhöhte Kühlleistung erreicht werden. Außerdem kann bewirkt werden, dass Kühlfluid möglichst alle Bereiche des Kühlkanals durchströmt und somit eine räumlich homogen verteilte Kühlleistung erreicht werden kann.
Es kann ferner vorteilhaft sein, in dem Kühlkanal Verwirbelungselemente zum Verwirbeln einer Kühlfluidströmung auszubilden. Solche Verwirbelungselemente können beispielsweise lokale Vorsprünge sein, die in den Querschnitt des Kühlkanals hineinragen. Aufgrund der dadurch bewirkten Verwirbelung der Kühlfluidströmung kann eine erhöhte Kühlleistung erreicht werden. Teilweise können auch die vorangehend genannten quer zur Umfangsrichtung
verlaufenden Stege als Verwirbelungselemente dienen.
Die Kühlkanalanordnung kann vorteilhaft einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweisen. Insbesondere bei einem solchen rotationssymmetrischen Aufbau kann eine Position von Anschlüssen, durch die Kühlfluid in dem von der
Kühlkanalanordnung gebildeten Kühlkanal zu- beziehungsweise abgeleitet werden kann, an verschiedenen Winkeln eingestellt beziehungsweise positioniert werden.
Die hierin vorgeschlagene Kühlkanalanordnung kann für unterschiedliche Typen von elektrischen Maschinen eingesetzt und geeignet angepasst werden.
Besonders vorteilhaft kann die Kühlkanalanordnung für eine als Scheibenläufer ausgebildete elektrische Maschine eingesetzt werden. Ein Scheibenläufer kann dabei ein Elektromotor oder Generator sein, dessen Rotor eine Form einer Scheibe aufweist. Strom-durchflossene Wicklungen können dabei beispielsweise auf der Scheibe angebracht sein, wobei der Rotor jedoch typischerweise keinen Eisenkern enthält. Bei Scheibenläufern ist der Durchmesser typischerweise größer als eine axiale Länge. Scheibenläufer sind häufig als Axialflussmaschinen ausgestaltet, das heißt, ein magnetischer Fluss verläuft in weiten Bereichen parallel zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine. Alternativ kann ein Scheibenläufer jedoch auch als Transversalflussmaschine ausgestaltet sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer als Scheibenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht von außen durch einen Stator einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Schnittansicht von außen durch einen Stator einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht von innen durch einen Stator einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende
Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine als Scheibenläufer ausgebildete elektrische Maschine 1. Ein ringförmiger Stator 3 und ein ebenfalls ringförmiger Rotor 5 sind in axialer Richtung, das heißt entlang einer Rotationsachse 6, nebeneinander angeordnet. Der Stator 3 und der Rotor 5 weisen dabei näherungsweise gleiche Durchmesser auf und sind beide koaxial zu der Rotationsachse 6 angeordnet. Zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 5 erstreckt sich ein Luftspalt 7.
In den Figuren 2, 3 und 4 wird ein Aufbau eines Stators 3 anhand von
perspektivischen Schnittansichten dargestellt.
Angrenzend an den Luftspalt 7 weist der Stator 3 mehrere Spulen 8 auf, welche entlang des Umfangs des Stators 3 nebeneinander angeordnet sind. Jede der Spulen 8 weist Wicklungen 10 aus Drähten auf, welche auf einen Grundkörper 12 gewickelt sind. Bei einer als Scheibenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine 1 kann hierbei eine Achse, um die die Wicklungen 10 gewickelt sind, parallel zu der Rotationsachse 6 der elektrischen Maschine 1 verlaufen.
Während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 wird durch Bestromung der Wicklungen 10 ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt, mithilfe dessen dann der Rotor 5 in Rotation versetzt wird. Insbesondere aufgrund dabei auftretender elektrischer Verluste in den Wicklungen 10 als auch magnetischer Verluste in den Grundkörpern 12 kann es hierbei zu erheblichen lokalen Erwärmungen kommen, so dass die Spulen 8 als wärmeerzeugende Komponenten 4 des Stators 3 angesehen werden können.
Um diese wärmeerzeugenden Komponenten 4 effizient kühlen zu können, ist an dem Stator 3 eine Kühlkanalanordnung 9 vorgesehen. Die Kühlkanalanordnung 9 weist einen Kühlkanal 11 auf, durch den ein Kühlfluid wie beispielsweise Wasser oder Öl oder ein kühlendes Gas im Wesentlichen in Umfangsrichtung 13 entlang des Stators 3 geströmt werden kann.
Die Kühlkanalanordnung 9 ist dabei mit einer speziell angepassten Geometrie ausgeführt. Teilbereiche der Kühlanordnung erstrecken sich entlang einer Außenoberfläche 15 der wärmeerzeugenden Komponenten 4 des Stators 3, wobei diese Außenoberfläche 15 entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zu einer an den Luftspalt 7 angrenzenden Oberfläche 17 des Stators 3 verläuft. Diese Teilbereiche der Kühlkanalanordnung 9 kühlen hauptsächlich eine
Rückseite der wärmeerzeugenden Komponenten 4. Die Kühlkanalanordnung 9 verfügt aber ferner über weitere Teilbereiche, die sich im dargestellten Beispiel entlang beider entgegengesetzter Seitenoberflächen 19 des Stators 3 erstrecken. Diese Seitenoberflächen 19 sind quer zu der an den Luftspalt 7 angrenzenden Oberfläche 17 angeordnet. Der gesamte Kühlkanal 11 der Kühlkanalanordnung 9 weist somit im
dargestellten Beispiel im Querschnitt eine U-Form auf. Die beiden seitlichen Schenkel des„U" umgreifen dabei die wärmeerzeugenden Komponenten 4 von den Seiten her und erstrecken sich dort im Wesentlichen bis hin zu dem Luftspalt 7. Dementsprechend sind die als wärmeerzeugende Komponenten 4 wirkenden Spulen 8 nicht nur an ihrer nach außen gerichteten Rückseite, sondern auch an ihrer radial nach innen, das heißt hin zur Rotationsachse 6, gerichteten
Seitenfläche 19 sowie an der entgegengesetzten, radial nach außen gerichteten Seitenfläche 19 in Kontakt mit Teilbereichen der Kühlkanalanordnung 9 beziehungsweise zumindest eng zu diesen benachbart, und können somit effizient gekühlt werden.
Im dargestellten Beispiel ist die Kühlkanalanordnung 9 aus zwei Bauteilen 21, 23 zusammengesetzt. Ein erstes Bauteil 21 weist im Wesentlichen eine U-Form auf, könnte in einer anderen Ausführungsform jedoch alternativ eine L-Form aufweisen. Dieses erste Bauteil kann vorteilhaft aus einem gut wärmeleitfähigen Material wie zum Beispiel Aluminium bestehen. Aufgrund seiner verhältnismäßig einfachen Geometrie und seiner Ausgestaltung, die im Wesentlichen ohne Hinterschneidungen auskommt, kann das erste Bauteil 21 einfach
druckgegossen werden. An einer zur Außenoberfläche 15 gerichteten Seite ist das erste Bauteil 21 offen und bildet somit zu dieser Seite hin einen nach außen offenen Kanal 25. Um diesen Kanal 25 zu schließen, wird ein zweites Bauteil 23 in Form eines
Deckels an dem ersten Bauteil 21 angebracht. Kanten der beiden Bauteile 21, 23 werden dabei fluiddicht miteinander verbunden, so dass der Kanal 25 hermetisch dicht ist. Durch zu- und ableitende Anschlüsse (nicht gezeigt) kann ein Kühlfluid durch den Kühlkanal 11 zirkuliert werden.
In Figur 3 ist ein innerer Aufbau der Kühlkanalanordnung 9 ohne ein als Deckel wirkendes abdeckendes zweites Bauteil 23 veranschaulicht. In ihrem Inneren, das heißt in ihrem Kühlkanal 11, weist die Kühlkanalanordnung 9 Stege 29 auf, die quer zur Umfangsrichtung 13 verlaufen. Die Stege 29 verlaufen dabei einerseits entlang der an die Außenoberfläche 15 der wärmeerzeugenden
Komponenten 4 angrenzenden Teilbereiche des ersten Bauteils 21. Dabei sind die Stege 29 in diesem Bereich näherungsweise senkrecht zur Umfangsrichtung 13 angeordnet. Andererseits verlaufen Teile der Stege 29 auch innerhalb der seitlichen Schenkel der U-förmigen Kühlkanalanordnung 9, das heißt parallel zu der Axialrichtung 14. Entlang der Umfangsrichtung 13 sind dabei mehrere solcher Stege 29 angeordnet, wobei jeder einzelne Steg sich jeweils mit nur einem Teilbereich in einen der seitlichen Schenkel des im Querschnitt U- förmigen ersten Bauteils 21 erstreckt, wohingegen ein gegenüber liegender seitlicher Schenkel ohne dortigen Steg 29 verbleibt. Die Stege 29 werden dabei abwechselnd so ausgebildet, dass ein in Axialrichtung verlaufender Teilbereich eines ersten Steges 29 sich in einem außen liegenden Schenkel erstreckt, wohingegen ein in Axialrichtung verlaufender Teilbereich eines benachbarten Steges 29 sich in einem radial innen liegenden Schenkel des U-förmigen ersten Bauteils 21 erstreckt.
Auf diese Weise werden von den Stegen 29 jeweils innerhalb des Kühlkanals 11 Barrieren aufgebaut, welche ein durchströmendes Kühlfluid dazu zwingen, entlang eines mäander-förmigen Pfades durch den Kühlkanal 11 zu fließen. Ein solcher mäander-förmiger Pfad wird durch den Pfeil 16 veranschaulicht. Ein dadurch bewirktes Mäandrieren des Kühlfluidstroms kann eine Kühlleistung der Kühlkanalanordnung 9 erheblich steigern. Einerseits können die Stege 29 bewirken, dass das Kühlfluid möglichst in alle
Regionen des Kühlkanals 11 strömt und dort Wärme aufnimmt. Andererseits kann durch die Stege 29 eine Oberfläche des Kühlkanals 11 vergrößert werden. Außerdem können die Stege 29 als die Kühlkanalanordnung 9 versteifend wirken.
Um eine Kühlleistung weiter zu steigern, sind in den Kühlkanal 11
Verwirbelungselemente 31 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel sind diese Verwirbelungselemente 31 als ins Innere des Kühlkanals 11 ragende Vorsprünge ausgebildet, um die herum ein durchströmendes Kühlfluid abgelenkt und dabei vorzugsweise verwirbelt wird.
Zusammenfassend wird eine elektrische Maschine vorgestellt, bei der eine Kühlkanalanordnung eine spezielle, beispielsweise U-förmige oder L-förmige Kühlkanalgeometrie aufweist. Ein Kühlkanal ragt hierbei in radialer Richtung und axialer Richtung nach innen und nach außen über wärmeerzeugende
Komponenten, das heißt Aktivteile des Stators, heraus und verläuft weiter in axialer Richtung hin zu dem Luftspalt. Die spezielle Kühlkanalgeometrie ermöglicht eine gleichzeitige Kühlung des Stators und der Statorspulen. Die Kühlkanalanordnung kann ein- oder zweiteilig aufgebaut sein. Insbesondere in einem zweiteiligen Aufbau können einzelne Bauteile einfach hergestellt, beispielsweise druckgegossen, werden und dann miteinander verbunden werden. Trotz umschließender Kühlung können dabei lediglich geringe
Dichtflächen notwendig sein. Verwirbelungselemente innerhalb des Kühlkanals sowie Stege, die eine Kühlmittelströmung in mäander-förmigen Bahnen bewirken können, können eine Kühlleistung steigern. Durch die hiermit mögliche verbesserte Kühlung der wärmeerzeugenden Komponenten des Stators kann für die elektrische Maschine eine höhere Leistungsdichte der Aktivteile,
insbesondere bei Dauerleistung, erreicht werden. Außerdem kann aufgrund der insgesamt kühleren Komponenten der elektrischen Maschine insgesamt ein höherer Wirkungsgrad für diese erreicht werden.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend", „umfassend", etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obig Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener
Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims
Elektrische Maschine (1), aufweisend:
einen Stator
(3) mit darin angeordneten wärmeerzeugenden Komponenten
(4),
einen Rotor
(5), der relativ zu dem Stator (3) drehbar ist und von diesem durch einen Luftspalt (7) beabstandet ist;
eine Kühlkanalanordnung (9) an dem Stator (3), welche einen Kühlkanal (11) aufweist, durch den ein Kühlfluid in Umfangsrichtung (13) entlang des Stators (3) strömbar ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlkanalanordnung (9) sich sowohl entlang einer Außenoberfläche (15) der wärmeerzeugenden Komponenten (4) des Stators (3) entgegengesetzt zu einer an den Luftspalt (7) angrenzenden Oberfläche (17) des Stators (3) als auch entlang zumindest einer quer zu dieser Oberfläche (17) und hin zu dem Luftspalt (7) verlaufenden Seitenoberfläche (19) des Stators (3) erstreckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei sich die Kühlkanalanordnung (9) entlang beider entgegengesetzter Seitenoberflächen (19) des Stators (3) erstreckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die
Kühlkanalanordnung (9) entlang zumindest einer Seitenoberfläche (19) des Stators (3) bis hin zu dem Luftspalt (7) erstreckt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Kühlkanalanordnung (9) aus wenigstens zwei Bauteilen (23)
zusammengesetzt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die
Kühlkanalanordnung (9) aus einem ersten Bauteil (21), welches einen im Querschnitt L-förmigen oder U-förmigen und nach außen offenen Kanal (25) bildet, und einem zweiten Bauteil (23), welches den nach außen offenen Bereich (27) des ersten Bauteils (21) deckelartig schließt, zusammengesetzt ist.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei zumindest das erste Bauteil (21) ein druckgegossenes Bauteil ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest Teilbereiche der Kühlkanalanordnung (9), welche an wärmeerzeugende Komponenten (4) des Stators (3) angrenzen, aus einem gut
wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Metall, bestehen.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Kühlkanal (11) der Kühlkanalanordnung (9) quer zur Umfangsrichtung (13) des Stators (3) verlaufende Stege (29) angeordnet sind.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem Kühlkanal (11) Verwirbelungselemente (31) zum Verwirbeln einer
Kühlfluidströmung ausgebildet sind.
10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die
Kühlkanalanordnung (11) einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweist.
11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche
Scheibenläufer ausgebildet ist.
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