WO2016091653A2 - Isolationsplatte für eine elektrische maschine - Google Patents

Isolationsplatte für eine elektrische maschine Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an insulation plate for an electric machine according to the preamble of claim 1.
  • an electric generator which can be used in vehicles and having on axially opposite sides patch housing components which surround the stator of the generator and the inner rotor.
  • the rotor is designed as a claw-pole rotor and has energizable armature windings whose field interacts with the magnetic field of stator windings.
  • a corresponding generator is also shown in WO 2010/069693 AI.
  • Housing component may be arranged in such generators an insulation plate, which in particular the stator windings electrically isolated from the bearing plate.
  • the invention is based on the object with simple constructive
  • the insulating plate is used in electric machines, for example in claw-pole runners, which are used, for example, as an alternator,
  • the electric machine is preferably designed as an internal rotor and comprises a stator or stator which is fixed to the housing and has an internal, rotating rotor, which may be the carrier of an exciter coil.
  • the excitation coil is powered, for example via slip rings with electricity.
  • three-phase or five-phase electrical machines are used.
  • Stator or stator windings can be located on the stator, for example three windings arranged offset by 120 ° or five windings arranged in which a voltage is induced when the rotor rotates, from which a direct voltage is advantageously generated via diodes, which for example is the battery in the vehicle.
  • the insulation plate is located on the front side of the electric machine and extends at least approximately orthogonal to the machine longitudinal axis.
  • the insulation plate is in particular made of an electrically insulating material and electrically isolates the stator windings from the housing or a housing-side end shield.
  • the insulation plate also protects the internal components of the electrical machine against external influences such as dirt and moisture.
  • the flow path is at least one radial flow path for cooling air.
  • the flow path is at least one
  • Flow guide guided along in the radial direction which is arranged on the front side of the insulation plate on the outer side. It may be expedient to arrange a plurality of flow guide elements on the insulation plate, which accordingly define a plurality of flow paths which extend on the outside of the insulation plate.
  • Flow paths extend radially, in particular in the radial direction, relative to the motor longitudinal axis, preferably radially past the flow guide elements from the outside to the inside.
  • the radially inwardly guided cooling air is discharged via further flow paths again, which lead radially and / or axially outwards.
  • the outer contour of the at least one flow guide is designed so that the cooling air, which in particular in the radial direction on the outer contour of the
  • reduced vortex for example, remains laminar and thus turbulence-free. It will be particularly stalls and turbulence on the
  • the outer contour of the flow guide is, according to an advantageous embodiment, at least on the side facing away from the outer side of the insulating plate smoothly formed.
  • the outer contour thus has no edges or
  • the outer contour of the flow guide is formed flattened on the radially inner side. This flattening leads, based on a virtual, circular envelope around the flow guide, to a recess which assists in the formation or maintenance of the laminar flow.
  • Flattening is performed in particular smooth surface, as well as the transition between the radially inner, flattened portion and the adjoining lateral sections.
  • the lateral sections of the flow guide element can be arranged in the region of the inlet of the radially directed cooling air flow. It may also be expedient that at both opposite
  • Heatsink with cooling fins arranged.
  • the heat sink forms a separate component from the insulating plate, which may optionally be connected to the insulating plate.
  • the cooling fins define together with the flow guide the flow path along the side surface of the insulation plate.
  • the cooling fins and the flow guide are located in particular on axially opposite sides of the flow path.
  • the cooling fins may, for example, extend at least approximately in the radial direction to the radial direction of the flow path along the
  • Flow guide each a flow path for the cooling air is formed, a plurality of cooling fins for limiting the flow paths are correspondingly available.
  • Side of the flow guide for the second flow path may be arranged at an angle to each other and converge radially inwardly to merge the two in the radially outer region separate flow paths to a common flow path.
  • the space which is located radially behind the outer contour of the flow guide element is bounded approximately triangular by the cooling fins occupying an angle.
  • Winding wire in particular the stator winding.
  • the flow guide thus has a dual function: on the one hand limits the
  • Flow guide for axially passing the winding wire Distributed over the circumference advantageously a plurality of flow guide elements are arranged on the insulation plate.
  • the flow guide elements are
  • Flow guide bounded at least one flow path, optionally two flow paths at its two opposite side regions.
  • Flow guide consist for example of an electrically insulating plastic such as PA66.
  • 1 is a perspective view of the end face of an electrical machine with attached insulation plate
  • Fig. 2 is a flow guide on the insulating plate in an enlarged
  • an end-side section of an electrical machine 1 is shown in each case, which is preferably designed as an alternator.
  • the electric machine 1 has a bearing plate 2 which forms a housing, in which stator stator windings and a rotor with armature windings are accommodated.
  • an insulation plate 3 is placed from electrically insulating material, which is connected to the bearing plate 2 and the stator windings electrically from
  • the insulation plate 3 which lies in a plane oriented orthogonal to the longitudinal axis of the electric machine, preferably consists of an electrically insulating plastic.
  • the insulation plate 3 is provided with fastening eyes 4, which are adjacent to the radially outer periphery of the insulation plate 3 and connected via the insulation plate 3 to the bearing plate 2, preferably is screwed. Distributed over the circumference a plurality of fastening eyes 4 are arranged on the insulating plate 3.
  • the flow guide elements 5 have an axial recess 6 which completely penetrates the insulation plate 3 in the axial direction and through which in each case one winding wire end of the stator windings is passed.
  • the disc-shaped heat sink 7 with a plurality of cooling fins 8, which extend approximately in the radial direction.
  • the cooling fins 8 serve to guide or direct a flow of cooling air along various radially extending flow paths on the outside of the insulation plate 3.
  • the heat sink 7 is also attached to the bearing plate 2, preferably via the attachment eyes 4 of the insulation plate 3. Along the outer contour 11 of the flow guide 5 on the insulation plate
  • flow paths 9 and 10 are formed on both sides of the flow guide (shown in Fig. 2 with dashed arrow).
  • the flow paths 9 and 10 extend at least approximately radially from the outside to the inside along the insulation plate 3 and are laterally each of the outer contour 11 of the flow guide
  • the outer contour 11 of the flow guide 5 is formed flattened on the radially inner side.
  • the outer contour 11 has in the lateral, circumferentially facing area on a rounded contour, optionally a part-circular contour, whereas on the radially inner side, the outer contour 11 is more flattened compared to the lateral areas and correspondingly has a significantly larger radius.
  • the outer contour 11 is formed on the radially inner side of a straight surface. In any case, the outer contour 11 is smooth-surfaced both in the lateral region and in the radially inner region.
  • This design of the outer contour 11 of the flow-guiding element 5 ensures radially inwardly directed flow paths for the cooling air with a vortex-reducing flow.

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Abstract

Eine Isolationsplatte für eine elektrische Maschine weist mindestens ein Strömungsleitelement auf, dessen Außenkontur einen Strömungsweg für Kühlluft mit wirbelreduzierender Strömung begrenzt.

Description

Beschreibung
Titel
Isolationsplatte für eine elektrische Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Isolationsplatte für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der US 2010/0289352 AI wird ein elektrischer Generator beschrieben, der in Fahrzeugen eingesetzt werden kann und an axial gegenüberliegenden Seiten aufgesetzte Gehäusebauteile aufweist, die den Stator des Generators sowie den innen liegenden Rotor umschließen. Der Rotor ist als Klauenpolläufer ausgebildet und weist bestrombare Ankerwicklungen auf, deren Feld mit dem Magnetfeld von Ständerwicklungen interagiert.
Ein entsprechender Generator ist auch in der WO 2010/069693 AI dargestellt.
Benachbart zur Stirnseite und innerhalb des stirnseitig aufgesetzten
Gehäusebauteils kann bei derartigen Generatoren eine Isolationsplatte angeordnet sein, welche insbesondere die Ständerwicklungen elektrisch gegenüber dem Lagerschild isoliert.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven
Maßnahmen eine Isolationsplatte für eine elektrische Maschine so auszubilden, dass eine effektive Kühlung der elektrischen Maschine gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die Isolationsplatte wird in elektrischen Maschinen eingesetzt, beispielsweise in Klauenpolläufern, welche zum Beispiel als Wechselstromgenerator,
insbesondere als Drehstromgenerator in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden können. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise als Innenläufer ausgebildet und umfasst einen gehäusefest angeordneten Stator bzw. Ständer und einen innen liegenden, umlaufenden Rotor, der Träger einer Erregerspule sein kann. Die Erregerspule wird zum Beispiel über Schleifringe mit Strom versorgt. Es werden zum Beispiel dreiphasige oder fünfphasige elektrische Maschinen eingesetzt. Am Stator können sich Stator- bzw. Ständerwicklungen befinden, beispielsweise drei um 120° versetzt angeordnete Wicklungen oder fünf versetzt angeordnete Wicklungen, in denen bei sich drehendem Rotor eine Spannung induziert wird, aus denen vorteilhafterweise über Dioden eine Gleichspannung generiert wird, welche beispielsweise die Batterie im Fahrzeug speist.
Die Isolationsplatte befindet sich an der Stirnseite der elektrischen Maschine und erstreckt sich zumindest annähernd orthogonal zur Maschinenlängsachse. Die Isolationsplatte besteht insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material und isoliert die Ständerwicklungen elektrisch von dem Gehäuse bzw. einem gehäuseseitigen Lagerschild. Die Isolationsplatte schützt zudem die innen liegenden Bauteile der elektrischen Maschine vor äußeren Einflüssen wie Verschmutzung und Feuchtigkeit.
Um die im Betrieb entstehende Wärme der elektrischen Maschine abzuleiten, befindet sich an der Außenseite der Isolationsplatte mindestens ein radialer Strömungsweg für Kühlluft. Der Strömungsweg ist an mindestens einem
Strömungsleitelement in Radialrichtung entlanggeführt, das an der Stirnseite der Isolationsplatte auf der außen liegenden Seite angeordnet ist. Es kann zweckmäßig sein, an der Isolationsplatte mehrere Strömungsleitelemente anzuordnen, die entsprechend mehrere Strömungswege begrenzen, die an der Außenseite der Isolationsplatte verlaufen. Der Strömungsweg bzw. die
Strömungswege verlaufen insbesondere in Radialrichtung, bezogen auf die Motorlängsachse, vorzugsweise an den Strömungsleitelementen vorbei radial von außen nach innen. Die radial nach innen geführte Kühlluft wird über weitere Strömungswege wieder abgeleitet, die radial und/oder axial nach außen führen.
Die Außenkontur des mindestens einen Strömungsleitelementes ist so gestaltet, dass die Kühlluft, welche insbesondere in Radialrichtung an der Außenkontur des
Strömungsleitelements von außen nach innen entlanggeführt wird,
wirbelreduziert ist, beispielsweise laminar und damit turbulenzfrei bleibt. Es werden insbesondere Strömungsabrisse und Verwirbelungen an dem
Strömungsleitelement vermieden, so dass entlang des Strömungswegs die Kühlluft zielgerichtet und verlustfrei geführt wird. Hierdurch wird auch die
Kühlleistung signifikant verbessert.
Die Außenkontur des Strömungsleitelements ist, gemäß einer vorteilhaften Ausführung, zumindest auf der der Außenseite der Isolationsplatte abgewandten Seite glattflächig ausgebildet. Die Außenkontur weist somit keine Kanten oder
Stufen auf, welche zu einem Strömungsabriss oder einer Verwirbelung führen könnten.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Außenkontur des Strömungsleitelements auf der radial innen liegenden Seite abgeflacht ausgebildet. Diese Abflachung führt, bezogen auf eine virtuelle, kreisförmige Einhüllende um das Strömungsleitelement, zu einem Rücksprung, der die Ausbildung bzw. Beibehaltung der laminaren Strömung unterstützt. Die
Abflachung ist insbesondere glattflächig ausgeführt, ebenso der Übergang zwischen dem radial innen liegenden, abgeflachten Abschnitt und den sich hieran anschließenden seitlichen Abschnitten. Die seitlichen Abschnitte des Strömungsleitelementes können im Bereich des Eintritts des radial gerichteten Kühlluftstroms angeordnet sein. Es kann des Weiteren zweckmäßig sein, dass an beiden gegenüberliegenden
Seiten des Strömungsleitelementes - in Umfangsrichtung links und rechts des Strömungsleitelements - jeweils ein Strömungsweg für die Kühlluft angeordnet ist, der von dem seitlichen Bereich des Strömungsleitelementes begrenzt wird. Hinter dem Strömungsleitelement, auf der radial innen liegenden Seite, können die beiden separaten Strömungswege wieder zu einem gemeinsamen Strömungsweg zusammengeführt werden. Aufgrund der strömungsgünstigen Außenkontur des Strömungsleitelements wird auch im Bereich der
Zusammenführung der beiden Strömungswege eine Turbulenz vermieden. Auf der Isolationsplatte ist, gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung, ein
Kühlkörper mit Kühlrippen angeordnet. Der Kühlkörper bildet insbesondere ein separat von der Isolationsplatte ausgeführtes Bauteil, das gegebenenfalls mit der Isolationsplatte verbunden sein kann. Die Kühlrippen begrenzen gemeinsam mit dem Strömungsleitelement den Strömungsweg entlang der Seitenfläche der Isolationsplatte. Die Kühlrippen und das Strömungsleitelement befinden sich insbesondere auf axial gegenüberliegenden Seiten des Strömungswegs. Die Kühlrippen können sich beispielsweise zumindest annähernd in Radialrichtung erstrecken, um die Radialrichtung des Strömungswegs entlang der
Isolationsplatte vorzugeben.
Soweit an beiden, in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Seiten des
Strömungsleitelementes jeweils ein Strömungsweg für die Kühlluft gebildet ist, sind entsprechend mehrere Kühlrippen für die Begrenzung der Strömungswege vorhanden. Die Kühlrippe auf der einen Seite des Strömungsleitelements für den ersten Strömungsweg und die Kühlrippe auf der gegenüberliegenden, zweiten
Seite des Strömungsleitelements für den zweiten Strömungsweg können winklig zueinander angeordnet sein und radial nach innen zusammenlaufen, um die beiden im radial außen liegenden Bereich separaten Strömungswege zu einem gemeinsamen Strömungsweg zusammenzuführen. Auf diese Weise wird der Raum, welcher radial hinter der Außenkontur des Strömungsleitelementes liegt, von den einen Winkel einnehmenden Kühlrippen annähernd dreieckförmig begrenzt.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung befindet sich in dem
Strömungsleitelement eine axiale Ausnehmung zum Hindurchführen eines
Wicklungsdrahts, insbesondere der Ständerwicklung. Dem Strömungsleitelement kommt somit eine doppelte Funktion zu: Zum einen begrenzt das
Strömungsleitelement den Strömungsweg für die Kühlluft und sorgt für eine laminare, radial gerichtete Strömung, zum andern dient das
Strömungsleitelement zum axialen Hindurchführen des Wicklungsdrahts. Über den Umfang verteilt sind vorteilhafterweise mehrere Strömungsleitelemente an der Isolationsplatte angeordnet. Die Strömungsleitelemente sind
insbesondere einteilig mit der Isolationsplatte ausgeführt. Jedes
Strömungsleitelement begrenzt zumindest einen Strömungsweg, gegebenenfalls zwei Strömungswege an seinen beiden gegenüberliegenden Seitenbereichen. Die Isolationsplatte und vorteilhafterweise auch das mindestens eine
Strömungsleitelement bestehen beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff wie zum Beispiel PA66.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht die Stirnseite einer elektrischen Maschine mit aufgesetzter Isolationsplatte,
Fig. 2 ein Strömungsleitelement auf der Isolationsplatte in vergrößerter
Darstellung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein stirnseitiger Abschnitt einer elektrischen Maschine 1 dargestellt, die vorzugsweise als ein Drehstromgenerator ausgeführt ist. Die elektrische Maschine 1 weist einen ein Gehäuse bildenden Lagerschild 2 auf, in dem statorseitige Ständerwicklungen sowie ein Rotor mit Ankerwicklungen aufgenommen sind. Auf die Stirnseite der elektrischen Maschine 1 ist eine Isolationsplatte 3 aus elektrisch isolierendem Material aufgesetzt, die mit dem Lagerschild 2 verbunden ist und die Ständerwicklungen elektrisch vom
Lagerschild isoliert. Die Isolationsplatte 3, die in einer orthogonal zur Längsachse der elektrischen Maschine gerichteten Ebene liegt, besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff.
Die Isolationsplatte 3 ist mit Befestigungsaugen 4 versehen, die sich benachbart zum radial außen liegenden Umfang der Isolationsplatte 3 befinden und über die die Isolationsplatte 3 mit dem Lagerschild 2 verbunden, vorzugsweise verschraubt ist. Über den Umfang verteilt sind mehrere Befestigungsaugen 4 an der Isolationsplatte 3 angeordnet.
Ebenfalls benachbart zur radial außen liegenden Umfangsseite sind auf der Außenseite der Isolationsplatte 3 mehrere über den Umfang verteilt angeordnete
Strömungsleitelemente 5 platziert, die vorzugsweise einteilig mit der
Isolationsplatte 3 ausgebildet sind. Die Strömungsleitelemente 5 weisen eine axiale Ausnehmung 6 auf, die in Achsrichtung die Isolationsplatte 3 vollständig durchdringt und durch die jeweils ein Wicklungsdrahtende der Ständerwicklungen hindurchgeführt ist.
Auf der Außenseite der Isolationsplatte 3 befindet sich ein annähernd
scheibenförmiger Kühlkörper 7 mit einer Vielzahl von Kühlrippen 8, die sich etwa in Radialrichtung erstrecken. Die Kühlrippen 8 dienen dazu, einen Kühlluftstrom entlang verschiedener radial verlaufender Strömungswege an der Außenseite der Isolationsplatte 3 zu lenken bzw. zu leiten. Der Kühlkörper 7 ist ebenfalls an dem Lagerschild 2 befestigt, vorzugsweise über die Befestigungsaugen 4 der Isolationsplatte 3. Entlang der Außenkontur 11 der Strömungsleitelemente 5 an der Isolationsplatte
3, die sich axial über die Außenfläche der Strömungsleitplatte erheben, sind zu beiden Seiten der Strömungsleitelemente Strömungswege 9 und 10 gebildet (in Fig. 2 mit gestricheltem Pfeil dargestellt). Die Strömungswege 9 und 10 verlaufen zumindest annähernd radial von außen nach innen entlang der Isolationsplatte 3 und werden seitlich jeweils von der Außenkontur 11 des Strömungsleitelementes
5 sowie einer benachbarten Kühlrippe 8 des Kühlkörpers 7 begrenzt. Auf der radial innen liegenden Seite sind die Strömungswege 9 und 10 für die Kühlluft zusammengeführt und vereinen sich zu einem gemeinsamen Strömungsweg. Die Außenkontur 11 des Strömungsleitelementes 5 ist auf der radial innen liegenden Seite abgeflacht ausgebildet. Die Außenkontur 11 weist im seitlichen, in Umfangsrichtung weisenden Bereich eine abgerundete Kontur auf, gegebenenfalls eine teilkreisförmige Kontur, wohingegen auf der radial innen liegenden Seite die Außenkontur 11 gegenüber den seitlichen Bereichen stärker abgeflacht ist und entsprechend einen signifikant größeren Radius besitzt. Gegebenenfalls ist die Außenkontur 11 auf der radial innen liegenden Seite geradflächig ausgebildet. In jedem Fall ist die Außenkontur 11 sowohl im seitlichen Bereich als auch im radial innen liegenden Bereich glattflächig ausgeführt.
Diese Ausbildung der Außenkontur 11 des Strömungsleitelementes 5 gewährleistet radial nach innen gerichtete Strömungswege für die Kühlluft mit einer wirbelreduzierenden Strömung.

Claims

Ansprüche
1 . Isolationsplatte für eine elektrische Maschine (1 ), insbesondere für einen Drehstromgenerator, wobei die Isolationsplatte (3) an einer Stirnseite der elektrischen Maschine (1 ) angeordnet und mit einem statorseitigen Bauteil der elektrischen Maschine (1 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stirnseite der Isolationsplatte (3) mindestens ein
Strömungsleitelement (5) angeordnet ist, dessen Außenkontur (11) einen Strömungsweg (9, 10) für Kühlluft mit wirbelreduzierender Strömung begrenzt.
2. Isolationsplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Außenkontur (11) des Strömungsleitelements (5) zumindest auf der der Außenseite der Isolationsplatte (3) abgewandten Seite glattflächig ausgebildet ist.
3. Isolationsplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (11) des Strömungsleitelements (5) auf der radial innen liegenden Seite abgeflacht ausgebildet ist.
4. Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (5) an seinen in Umfangsrichtung links und rechts liegenden Seiten jeweils einen Strömungsweg (9, 10) für die Kühlluft begrenzt.
5. Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Isolationsplatte (3) ein Kühlkörper (7) mit Kühlrippen (8) angeordnet ist.
6. Isolationsplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kühlrippen (8) gemeinsam mit dem Strömungsleitelement (5) den
Strömungsweg (9, 10) für die Kühlluft begrenzt.
7. Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in das Strömungsleitelement (5) eine Ausnehmung (6) zum
Hindurchführen eines Wicklungsdrahts eingebracht ist.
8. Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (5) einteilig mit der Isolationsplatte (3) ausgebildet ist.
9. Isolationsplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsplatte (3) aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff besteht.
10. Elektrische Maschine, insbesondere Drehstromgenerator, mit einer
Isolationsplatte (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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