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Dokumentenidentifikation DE10141895A1 17.04.2003
Titel Elektrische Maschine mit Kühlkanälen
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Auernhammer, Erich, 90409 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 28.08.2001
DE-Aktenzeichen 10141895
Offenlegungstag 17.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.04.2003
IPC-Hauptklasse H02K 9/02
IPC-Nebenklasse H02K 5/20   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Läufer (32), mit einem Ständer (34), mit Ständerblechen (1), mit Kühlkanälen (6, 7, 12, 26) im Ständerblech (1). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ständer einer elektrischen Maschine bzw. ein Ständerblech derart auszubilden, dass die Kühlung des Ständers verbessert ist. Eine verbesserte Kühlung ist erfindungsgemäß durch Wärmeleitkanäle (4) erreicht, welche eine Vorzugsrichtung entlang der Seitenbereiche (2) des Ständerbleches (1) aufweisen und innerhalb des Ständerbleches (2) liegen. Der Wärmeleitkanal (4) ist in einem Bereich zwischen zwei Kühlkanälen (6, 7, 12, 26).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einem Ständer mit Kühlkanälen, und einem Läufer.

Elektrische Maschinen weisen zur Kühlung des Ständers Kühlkanäle auf. Mit Hilfe eines Kühlmediums wird Wärme über Kühlkanäle abgeführt.

Aus der US 5,747,900 ist eine elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Ständer mit Kühlkanälen bekannt, wobei der Ständer ein Ständerblechpaket mit Ständerblechen aufweist. Die Kühlkanäle sind innerhalb des Ständers angeordnet und dienen der Ableitung von im Betrieb der elektrischen Maschine entstandenen Wärmeverluste. Die Außenmaße des zur Rotationsachse der elektrischen Maschine rechtwinkligen Querschnitts des Ständers, bzw. des Ständerbleches wird durch vier Seitenbereiche des Ständers gegeben. Die Kühlkanäle sind durch Stege voneinander getrennt. Die Anordnung der Kühlkanäle innerhalb des Ständers ergibt insbesondere in den Seitenbereichen eine schlechte Kühlung und somit auch einen schlechten Wärmeabtransport.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Ständer einer elektrischen Maschine bzw. ein Ständerblech derart auszubilden, dass die Kühlung des Ständers verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit einem Läufer, mit einem Ständer, mit Ständerblechen, mit Kühlkanälen im Ständerblech, wobei das Ständerblech Wärmeleitkanäle aufweist, welche eine Vorzugsrichtung entlang der Seitenbereichs des Ständerbleches aufweisen und innerhalb des Ständerbleches liegen und wobei der Wärmeleitkanal ein Bereich zwischen zwei Kühlkanälen ist, gelöst.

Der Ständer einer elektrischen Maschine weist ein Ständerblechpaket auf. Das Ständerblechpaket weist Ständerbleche auf. Ständerbleche weisen Kühlkanäle auf, welche sich durch die Aneinanderreihung von Ständerblechen innerhalb eines Ständerblechpaketes verlängern. Neben Kühlkanälen weist das Ständerblech auch Wärmeleitkanäle auf. Über Wärmeleitkanäle ist Wärme, bzw. Wärmeenergie von einem Bereich hoher Temperatur zu einem Bereich niedrigerer Temperatur leitbar. Bereiche des Ständers mit großen und oder mit vielen Kühlkanälen sind gut gekühlt und weisen niedrige Temperaturen auf im Vergleich zu Bereichen mit keinen, wenigen und/oder kleinen Kühlkanälen. Wärmeleitkanäle leiten Wärmeenergie von schlecht gekühlten Bereichen des Ständers mit hohen Temperaturen zu besser gekühlten Bereichen des Ständers mit dadurch entstehenden niedrigeren Temperaturen.

Von Seitenbereichen des Ständers ist Wärmeenergie über Wärmeleitkanäle zu Eckbereichen eines eckig ausgeführten Ständerbleches leitbar. Eckbereiche sind Beispiele für Bereiche des Ständerbleches, welche gut gekühlt sind was beispielsweise auf eine große Anzahl von Kühlkanälen und/oder auf große Kühlkanäle zurückführbar ist. Hieraus ergibt sich eine Vorzugsrichtung der Wärmeleitkanäle innerhalb des Ständers entlang der Außenseite des Ständers. Vorteilhafter Weise liegen die Wärmeleitkanäle in einem oder mehreren Seitenbereichen des Ständers. Der Wärmeleitkanal ist ein Bereich zwischen zwei Kühlkanälen. Der Wärmeleitkanal ist also wie der Kühlkanal, welcher durch den Bereich des Ständerbleches umgeben ist auch von einem Bereich gleichen Typs, das heißt hier dem Typ Kühlkanal umgeben. Das umgeben sein ergibt sich beispielsweise auch daraus, dass ein Wärmeleitkanal in einen Kühlkanal eindringt, wobei der Kühlkanal durch den Wärmeleitkanal in Kanalabschnitte aufgeteilt ist. Die vormals schlecht gekühlten Bereiche des Ständerbleches sind durch die Wärmeleitkanäle nun besser gekühlt, da Wärmeenergie zu Bereichen geringere Temperatur abgeleitet wird. Da sich der Ständer durch Ständerbleche aufbaut, ist die Form und Gestalt der Wärmeleitkanäle bzw. der Kühlkanäle innerhalb des Ständers durch die Ständerbleche ableitbar bzw. vorgegeben. Gerade im Seitenbereich des Ständers ist im Vergleich zum Eckbereich des Ständers eine verschlechterte Kühlwirkung vorhanden, da insbesondere im Eckbereich große Kühlkanäle ausführbar sind. Über Wärmeleitkanäle ist Wärme vom Seitenbereich in Richtung des Eckbereiches eines Ständers leitbar. Aus dieser Richtung der Wärmeleitung ergibt sich die Vorzugsrichtung des bzw. der Wärmeleitkanäle. Die Mitte eines Wärmeleitkanals, welche durch eine Mittellinie gennzeichenbar ist verläuft beispielsweise vorzugsweise parallel zur Außenseite des Ständers.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine verläuft zumindest eine Außenflucht des Wärmeleitkanals außerhalb der Läuferbohrung.

Ein Wärmeleitkanal weist entlang von Kühlkanälen beidseitig Grenzflächen auf. Aus diesen Grenzflächen ergeben sich Außenfluchten, welche über das Ständerblech hinweg verlängerbar sind. Zumindest eine Außenflucht des Wärmeleitkanals verläuft außerhalb des durch den Läufer eingenommenen Raumes. Der durch den Läufer einzunehmende Raum ist als Läuferbohrung bezeichnet, da die Ständerbleche für den Läufer eine kreisförmige Aussparung aufweisen. Der Verlauf der Außenflucht zeigt den seitenparallelen Charakter des Verlaufs des Wärmeleitkanals.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine weist der Wärmeleitkanal eine Verjüngung auf.

Abhängig von der abzutransportierenden Wärmemenge ist ein Wärmeleitkanal verschieden breit bzw. dick ausführbar. Die Länge des Wärmeleitkanals ist durch die Länge des Ständerblechpaketes in Achsrichtung der elektrischen Maschine gegeben. Bei abnehmender abzuführender Wärmekapazität ist die Breite bzw. Dicke des Wärmeleitkanals reduziert. Diese Abnahme erfolgt insbesondere in Richtung der Außenseiten des Ständers, da die Wärme d. h. die Wärmeenergie, welche durch Ständerwicklungen bzw. auch Läuferwicklungen erzeugt ist, von innen nach außen abgeführt wird. Die Abnahme der abzuführenden Wärmekapazität ergibt sich aus der während des Transportes der Wärmeenergie erfolgenden Abgabe von Wärmeenergie an die angrenzenden Kühlkanäle.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine vergrößert der Wärmeleitkanal die Oberfläche angrenzender Kühlkanäle.

Vergrößert der Wärmeleitkanal die Oberfläche angrenzender Kühlkanäle so ist mehr Wärmeenergie an das Kühlmedium innerhalb des Kühlkanales abgebbar. Kühlmedien sind beispielsweise Luft oder auch Flüssigkeiten. Die entstandenen oberflächenvergrößernde Strukturen des Kühlkanals verbessern die Kühlung. Weiterhin ist eine stärkere Verjüngung des Wärmeleitkanals ausführbar. Durch die Verjüngung ergibt sich vorteilhafter Weise mehr Fläche, bzw. Raum für Kühlkanäle. Eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine schöpft deren Leistungspotential besser aus.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist die elektrische Maschine als eine luftgekühlte Wechselstrommaschine ausgeführt.

Insbesondere bei Wechselstrommaschinen ist der Ständer aus paketierten Ständerblechen aufbaubar, welche Kühlkanäle aufweisen. Eine preisgünstige und effektive Kühlung des Ständers erfolgt vorteilhafterweise durch eine Luftkühlung. Bei einer Luftkühlung ist es vorteilhaft, große Oberflächen zwischen dem Kühlmedium, d. h. Luft und dem Medium von welchem die Wärme abzuleiten ist, auszubilden. Um den Widerstand zu verringern, welche zu Beschickung der Kühlkanäle mit Luft zu überwinden ist, sind diese in ihrem Querschnitt möglichst groß auszulegen. Bei kleinen Widerständen sind bei fremd- oder eigenbelüfteten Wechselstrommaschinen kleinere Lüfter einsetzbar. Dies vermindert die für Lüftung benötigte Leistung. Durch kleinere Lüfter ist der durch den Lüfter hervorgerufener Lärm reduzierbar. Da im Vergleich zur Wasserkühlung die Luftkühlung schlechtere Kühleigenschaften aufweist, ist gerade bei er Luftkühlung der Einsatz von Wärmeleitkanälen zur Verbesserung der Kühlung von großem Vorteil.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den folgenden Figuren gezeigt und im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Ständerblechausschnitt mit zwei Eckkühlkanälen

Fig. 2 einen Ständerblechausschnitt mit eckparallelem Kühlkanal,

Fig. 3 einen Ständerblechausschnitt mit seitlichem Parallelkühlkanal,

Fig. 4 einen Ständerblechausschnitt entlang eines Seitenbereiches des Ständerbleches mit Wärmeleitkanälen,

Fig. 5 einen Ständerblechausschnitt mit einem Wärmeleitstabkanal und

Fig. 6 eine elektrische Maschine mit Ständer und Läufer.

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ständerbleches 1 mit einer Ständerbohrung 22 für den Läufer 32. Ein quadratisch ausgeführtes Ständerblech ist in vier gleichgroße Segmente mit jeweils einen Eckbereich 3 aufteilbar. Eines dieser Segmente ist in Fig. 1 dargestellt. Das Ständerblech 1 weist Ständernuten 9, Seitenbereiche 2 und je Segment einen Eckbereich 3 auf. Zwischen den Seitenbereichen 2 bzw. den Eckbereichen 3 und den Ständernuten 9 befinden sich Kühlkanäle 6, 7. Die Kühlkanäle 6, 7 sind in Seitenkühlkanäle 6 und Eckkühlkanäle 7 aufteilbar. Die Kühlkanäle 6, 7 weisen vorteilhafter Weise eine vergrößerte Oberfläche 8 auf. Oberflächenvergrößernde Strukturen vergrößern die Oberfläche und verbessern die Kühlung. Über größere Oberflächen ist mehr Wärmeenergie beispielsweise an Kühlluft abführbar. Oberflächenvergrößernde Strukturen können verschiedene Formen aufweisen.

Die Seitenkühlkanäle 6 befinden sich im Seitenbereich 2 des Ständerbleches 1. Sie sind jeweils durch einen Stabilisatorsteg 13 voneinander getrennt. Dieser Stabilisatorsteg 13 gibt dem Ständerblech Festigkeit und trennt die Eckkühlkanäle voneinander. Stabilisatorstege sind notwendig um den Ständer, welcher aus einer Aneinanderreihung von Ständerblechen besteht, so aufzubauen, dass auf ihn wirkende Kräfte diesen nicht dauerhaft verformen. In einem Bereich, in dem sich der Seitenbereich 2 und der Eckbereich 3 überschneiden, liegen ein Seitenkühlkanal 6 und ein Eckkanal 7 gegenüber. Zwischen diesen beiden Kanälen ist ein Wärmeleitkanal 4 ausgebildet. Der Wärmeleitkanal 4 ist durch eine Mittellinie 5 und durch seine Außenfluchten 20 entlang der Kühlkanäle 6, 7 gekennzeichnet. Der Wärmeleitkanal 4 leitet die Wärme, d. h. die Wärmeenergie vom Seitenbereich 2 in den Eckbereich 3. Der Wärmestrom folgt der Temperaturdifferenz von Bereichen hoher Temperatur zu Bereichen niedriger Temperatur. Wärme wird beispielsweise durch die in den Ständernuten 9 verlegbaren Wicklungen, welche nicht dargestellt sind während des Betriebes der elektrischen Maschine erzeugt. Insbesondere in den Bereichen der Seitenbereichen 2 in denen sich die gedachten vier Segmente des Ständerbleches 1 gegenüber stehen sind vergleichsweise kleine Kühlkanäle ausgeführt. Dort ergibt sich folglich eine höhere Temperatur als in den Eckbereichen 3. Im Eckbereich 3 ist insbesondere durch die flächig groß ausgeführten Eckkühlkanäle 7 eine höhere Kühlleistung erzielbar. Der Wärmeleitkanal 4 weist eine seitenparallele Ausrichtung zum Seitenbereich 2 auf, wie auch der Verlauf der Mittellinie 5 zur Außenseite 28 im Seitenbereich 2 des Ständerblechs 1 zeigt. Der Wärmeleitkanal 4 weist zum Eckbereich 3 eine Verjüngung 24 auf. Eine Verjüngung 24 lässt sich durch eine Reduzierung des Abstandes der Kühlkanäle 6, 7 erreichen, welche den Wärmeleitkanal 4 begrenzen. Zum Eckbereich 3 hin gibt der Wärmeleitkanal 4 immer mehr Wärmeenergie and die angrenzenden Kühlkanäle 6, 7 ab, so dass die Wärmetransportkapazität des Wärmeleitkanals 2, welche durch den Querschnitt kennzeichenbar ist reduziert ist.

Wird in den folgenden Figuren, wie im Fig. 1, zumindest ein Ausschnitt eines Ständerbleches 1 gezeigt, so weisen Elemente gleicher Funktionalität gleiche Bezugszeichen auf. Gleiche oder ähnliche Funktionalitäten werden bevorzugt nur bezugnehmend auf eine der angegebenen Figuren beschrieben.

Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt wie Fig. 1 einen Ausschnitt eines Ständerbleches 1. Im Vergleich zur Fig. 1 sind die Eckkühlkanäle 7 unterteilter. Zwischen den Eckkühlkanälen 7 befinden sich Radialkanäle 10. Diese Radialkanäle 10 erhöhen die Stabilität des Ständerbleches 1 bzw. des gesamten Ständers. Weiterhin transportieren die Radialkanäle 10 welche auch durch ihre Mittellinien 5 gekennzeichnet sind und radial zur Rotationsachse 30 eines Läufers 32, siehe dazu Fig. 6, verlaufen, Wärme vom Inneren des Ständers zum Außenbereich des Ständers. Dabei wird Wärme an die Eckkühlkanäle 7, welche ebenso radial ausgerichtet sind, abgegeben. Im Eckbereich 3 befindet sich ein zu der entsprechenden Eckaußenfläche 36 eckparalleler Kühlkanal 26. Dieser eckparallele Kühlkanal 26 steht lotartig auf den radialartig verlaufenden Mittellinien 5 dieses Eckbereiches 3. Zwischen den radial ausgerichteten Eckkühlkanälen 7 und dem eckparallelen Kühlkanal 26 befindet sich ein Wärmeleitkanal 4, welcher zusätzlich die durch die Radialkanäle 10 hereingeleitete Wärme verteilt und an die Außenfläche des Ständerbleches bzw. an die Flächen der Kühlkanäle 6, 7, 26 verteilt.

Die Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt wie in den vorangegangenen Figuren den Ausschnitt eines Ständerblechs 1. In den Seitenbereichen 2 sind Seitenkühlkanäle 6 angeordnet. Parallel zu den Seitenkühlkanälen 6 ist im Seitenbereich 2 ein Parallelkühlkanal 12 ausgebildet. Zwischen dem Parallelkühlkanal 12 und dem Seitenkühlkanälen 6 befindet sich ein Wärmeleitkanal 4, der durch seine Mittellinie 5 gekennzeichnet ist. Der Wärmeleitkanal 4 führt insbesondere Wärme vom Zentrum des Seitenbereiches 2 des Ständers bzw. des Ständerbleches 1 in den Eckbereich 3 des Ständerbleches 1. Da durch die größere Kühlkanalfläche im Eckbereich 3 die Kühlung im Vergleich zum Seitenbereich 2 verbessert ist, führt der Wärmetransport vom Seitenbereich 2 durch den Wärmeleitkanal 4 zu einem besseren Wärmeabtransport. Durch die Kühlkanäle 6, 7, 26, 12, sind gasförmige Medien wie Luft aber auch flüssige Medien wie Wasser als Kühlmedien führbar.

Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt des Ständerbleches 1. Der Ausschnitt zeigt einen gesamten Seitenbereich 2 eines Ständerbleches 1 und zwei Eckbereiche 3. Weiterhin sind zusätzliche Stabaufnahmen 15 vorhanden, welche nicht dargestellte Stabanker zur Paketierung der einzelnen Ständerbleche 1 und zum Zusammenhalten derer aufweisen. Im Seitenbereich 2 sind Seitenkühlkanäle 6 angeordnet. Zwischen den Seitenkühlkanälen 6 sind Wärmeleitkanäle 4 ausgebildet, welche auch hier durch ihre Mittellinie 5 gekennzeichnet sind. Die Ausrichtung der Wärmeleitkanäle 4 wird durch die Außenfluchten 20 gezeigt. Diese geben an, dass der seitenparallele Anteil des Wärmeleitkanals 4 größer ist als der Lotanteil zur Außenseite 2. Durch die im Bezug auf die Seitenfläche 2 schiefe Ausrichtung der Wärmeleitkanäle 4, ergibt sich eine größere Oberfläche für die Seitenkühlkanäle 6 und somit eine bessere Wärmeabgabe. Weiterhin wird durch die Ausrichtung der Wärmeleitkanäle von der Mitte des Seitenbereiches 2 zur Außenseite des Seitenbereichs 2, bei abnehmendem Abstand zur Außenseite 28 des Ständerblechs 1, die Wärme vom Seitenbereich 2 in den Eckbereich 3 mit der verbesserten Kühlung geführt.

Die Darstellung gemäß Fig. 5 zeigt, wie Fig. 4, insbesondere den Seitenbereich 2 eines Ständerbleches 1. Durch einen Stabilisatorsteg 13 wird der Seitenbereich 2 in zwei Hälften aufgeteilt, welche jeweils einen Seitenkanal 6 aufweisen.

Zwischen dem Seitenkanal 6 und dem angrenzendem Eckkanal 7 ist ein Wärmeleitkanal 4 ausgebildet. Der Wärmeleitkanal 4 ist durch seine Mittellinie 5 bzw. durch die Außenfluchten 20 gekennzeichnet. Dieser Wärmeleitkanal 4 führt die Wärme auch zu einem Wärmeleitstabkanal 16, welche in den Seitenkühlkanal 6 hineinragt. In der Fig. 5 ist der Wärmeleitstabkanal 16 in der linken und rechten Hälfte jeweils in einer anderen Form ausgeführt. Durch den Wärmeleitstabkanal 16 wird insbesondere die Oberfläche, mit deren Hilfe Wärmeenergie abgeführt wird, vergrößert. Der Wärmeleitstabkanal 16 weist eine seitenparallele Ausrichtung auf und teilt den Seitenkühlkanal 6 funktionell in 2 Kühlkanäle auf.

Die Darstellung gemäß Fig. 6 zeigt perspektivisch einen Ständer 34 mit einem Läufer 32. Der Läufer 32 weist eine Welle 38 und Läufernuten 40 auf. Die Achse des Läufers 32 ist die Rotationsachse 30. Die FIG veranschaulicht perspektivisch den Aufbau des Ständers.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrische Maschine mit einem Läufer (32), mit einem Ständer (34), mit Ständerblechen (1), mit Kühlkanälen (6, 7, 12, 26) im Ständerblech (1), wobei das Ständerblech (1) Wärmeleitkanäle (4) aufweist, welche eine Vorzugsrichtung entlang der Seitenbereichs (2) des Ständerbleches (1) aufweisen und innerhalb des Ständerbleches (2) liegen und wobei der Wärmeleitkanal (4) ein Bereich zwischen zwei Kühlkanälen (6, 7, 12, 26) ist.
  2. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenflucht (20) des Wärmeleitkanals (4) außerhalb der Ständerbohrung (22) verläuft.
  3. 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkanal (4) eine Verjüngung (24) aufweist.
  4. 4. Elektrische Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitkanal (4) die Oberfläche (8) angrenzender Kühlkanäle (6, 7) vergrößert.
  5. 5. Elektrische Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als eine luftgekühlte Wechselstrommaschine ausgeführt ist.






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