DE102017214306B4

DE102017214306B4 - Housing for accommodating a stator of an electrical machine

Info

Publication number: DE102017214306B4
Application number: DE102017214306.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Fröhlich; Nevzat Güner; Isao Fukumoto
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2025-08-28
Anticipated expiration: 2037-08-18
Also published as: WO2019034460A1; DE102017214306A1

Abstract

Gehäuse (2) zur Aufnahme eines Stators (3) einer elektrischen Maschine (1), wobei innerhalb des Gehäuses (2) wenigstens ein Körperschall (8) absorbierendes Element (10) aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist, und
das Gehäuse (2) einen Kühlkanal (7) der elektrischen Maschine (1) bildet, innerhalb des Kühlkanals (7) das Körperschall (8) absorbierendes Element (10) aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist, und
das Gehäuse (2) den Kühlkanal (7) gemeinsam mit einem Kühlkanal-Einsatz (11) bildet. Housing (2) for accommodating a stator (3) of an electrical machine (1), wherein at least one structure-borne sound (8) absorbing element (10) made of a cellular metallic material is arranged within the housing (2), and
the housing (2) forms a cooling channel (7) of the electrical machine (1), within the cooling channel (7) the structure-borne sound (8) absorbing element (10) made of a cellular metallic material is arranged, and
the housing (2) forms the cooling channel (7) together with a cooling channel insert (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse zur Aufnahme eines Stators einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit dem Gehäuse und mit einem innerhalb des Gehäuses aufgenommenen Stator.The invention relates to a housing for accommodating a stator of an electrical machine. Furthermore, the invention relates to an electrical machine comprising the housing and a stator accommodated within the housing.

In zunehmendem Maße spielen die Geräusche von elektrischen Maschinen eine große Rolle. Diese Geräusche müssen aus verschiedenen Gründen begrenzt werden. Zum einen sind beispielsweise Normen einzuhalten, wonach die freigesetzte Lautstärke bestimmte Grenzen nicht überschreiten darf. Zum anderen leidet insbesondere bei Komfortanwendungen der Kundennutzen unter ungewünschten Geräuschen.The noise from electrical machines is playing an increasingly significant role. This noise must be limited for various reasons. For example, standards must be adhered to that stipulate that the noise level must not exceed certain limits. Furthermore, customer benefits suffer from unwanted noise, particularly in comfort applications.

Die Ursachen von Geräuschen in elektrischen Maschinen sind vielfältig. Sehr häufig treten Probleme durch Körperschall auf, welche auch durch die Maschinenstrukturen geleitet und schließlich durch Schallabstrahlung hörbar wird. Körperschall wird größtenteils durch elektromagnetische und mechanische Effekte aber auch durch die Speisung mit oberschwingungsreichen Strömen hervorgerufen.The causes of noise in electrical machines are diverse. Very often, problems arise from structure-borne noise, which is also transmitted through the machine structures and ultimately becomes audible through sound radiation. Structure-borne noise is primarily caused by electromagnetic and mechanical effects, but also by the supply of harmonic-rich currents.

Der grundlegende, aktive Prozess bei der Schallerzeugung im Magnetkreis ist die Energiewandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Die daraus resultierenden Kräfte erregen die mechanische Struktur und führen zu Schwingungen, welche schließlich zur Schallabstrahlung führen.The fundamental, active process involved in sound generation in a magnetic circuit is the conversion of electrical energy into mechanical energy. The resulting forces excite the mechanical structure and cause vibrations, which ultimately lead to sound radiation.

So kann auch das Gehäuse, welches den Stator aufnimmt, durch die umlaufenden Kraftwellen zu Körperschall angeregt werden, wobei der Körperschall durch das Gehäuse abgegeben wird und als Luftschall in Erscheinung tritt.The housing which houses the stator can also be excited to generate structure-borne noise by the circulating force waves, whereby the structure-borne noise is emitted through the housing and appears as airborne noise.

Der effizienteste Weg der Lärmminderung ist, den Lärm gar nicht erst entstehen zu lassen oder zumindest schon die Entstehung des Schalls zu vermindern. Um eine Schallquelle zu identifizieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Ein Ansatz ist theoretisch. Die Maschine wird dabei gedanklich in ihre Einzelkomponenten zerlegt und dann nach ihren maschinenakustischen Eigenschaften geordnet. Das Ergebnis dieser Untersuchung sind Bewertungstabellen für die Schallquellen, Schallüberträger und Schallabstrahler. Sie münden in einen Schallflussplan, der grafisch veranschaulicht, an welchen Komponenten der Maschine mit der Lärmminderung begonnen werden muss. Je größer der Einfluss einer Quelle ist, oder je stärker ein Körper überträgt bzw. abstrahlt, desto eher muss an dieser Stelle eingegriffen werden. Dazu werden die Bauteile je nach Größe ihres Einflusses mit verschieden starken Linien gekennzeichnet. Je dicker eine solche Linie ist, desto kritischer ist die Wirkung auf das Geräusch und desto eher muss hier Lärmminderung betrieben werden. Diese Art der Analyse eignet sich sowohl für Entwürfe als auch für bestehende Maschinen. Sie zeigt, an welchen Stellen der Eingriff eines Akustikers nötig und sinnvoll ist.The most efficient way to reduce noise is to prevent it from occurring in the first place, or at least to mitigate its generation. There are various ways to identify a noise source. One approach is theoretical. The machine is mentally broken down into its individual components and then classified according to their machine acoustic properties. The result of this analysis is evaluation tables for the sound sources, sound transmitters, and sound emitters. These culminate in a sound flow map that graphically illustrates which components of the machine must be the starting point for noise reduction. The greater the influence of a source, or the more strongly a body transmits or radiates noise, the sooner intervention is necessary at that point. For this purpose, the components are marked with lines of varying thickness depending on their magnitude of influence. The thicker such a line is, the more critical the effect on the noise and the sooner noise reduction is necessary. This type of analysis is suitable for both designs and existing machines. It shows where the intervention of an acoustician is necessary and appropriate.

Die nächstliegende DE 10 2010 039 463 A1 beschreibt ein Gehäuse für eine Elektromaschine, wobei das Gehäuse ein Schalldämfungsmaterial aus einem Schaumstoff umfasst.The nearest DE 10 2010 039 463 A1 describes a housing for an electrical machine, wherein the housing comprises a sound-damping material made of a foam.

In der CN 2 03 301 294 U ist die Lärmreduktion von großen Trubogeneratoren für Stromerzeugungsfirmen beschrieben.In the CN 2 03 301 294 U The noise reduction of large turbo generators for power generation companies is described.

Die DE 10 2005 044 575 A1 bezieht sich auf die Geräuschreduktion von Lenkungen in einem Kraftfahrzeug.The DE 10 2005 044 575 A1 refers to the noise reduction of steering systems in a motor vehicle.

Die WO 2012 / 103 882 A2 bezieht sich auf einen Rotor für einen Elektromotor.The WO 2012 / 103 882 A2 refers to a rotor for an electric motor.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, durch das Gehäuse abgegebenen Körperschall, der als Luftschall in Erscheinung tritt, zu reduzieren und somit die Geräusche in einer elektrischen Maschine zu vermindern.It is an object of the invention to reduce structure-borne sound emitted by the housing, which appears as airborne sound, and thus to reduce the noise in an electrical machine.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren.The object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the following description, and the figures.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Dämpfung von Schwingungen (Energieabsorption) eines Gehäuses für einen Stator durch gestalterische, Fügemaßnahmen oder werkstofftechnische Maßnahmen erreicht werden. Die Energieabsorption in Form der Schwingungsdämpfung leistet einen Beitrag zur Verbesserung des Gebrauchswertes der elektrischen Maschine.According to the present invention, vibration damping (energy absorption) of a stator housing can be achieved through design, joining, or material-related measures. Energy absorption in the form of vibration damping contributes to improving the utility value of the electrical machine.

Körperschalldämpfung bedeutet insbesondere eine Absorption der Schwingungsenergie durch thermische, magnetische oder atomare Umordnungen der Moleküle des aufgebrachten Dämpfungsmaterials. Eine Kenngröße für die Absorption von Körperschall ist der sogenannte „Verlustfaktor“, welcher ein Maß für die Fähigkeit des betreffenden Materials ist, bei dynamischer Beanspruchung (insbesondere bei Biegeschwingungen) Energie zu absorbieren. Als Materialien zur Körperschalldämpfung für elektrische Maschinen eignen sich besonders zellulare metallische Werkstoffe, welche eine hohe Luftschalldämpfung und Körperschalldämpfung ermöglichen und sich somit als passive Dämpfungselemente in der Konstruktion der elektrischen Maschine eignen.Structure-borne sound damping specifically means the absorption of vibration energy through thermal, magnetic, or atomic rearrangements of the molecules of the applied damping material. A parameter for the absorption of structure-borne sound is the so-called "loss factor," which is a measure of the material's ability to absorb energy under dynamic stress (especially during bending vibrations). Cellular metallic materials are particularly suitable for structure-borne sound damping in electrical machines, as they enable high levels of airborne and structure-borne sound damping and are therefore suitable as passive Damping elements are suitable for use in the design of the electrical machine.

Bei den in einer Wirkungskette einer Struktur liegenden Bauteilen kann zwischen Kraftanregung und Geschwindigkeitsanregung unterschieden werden. Krafterregte Bauteile befinden sich typischerweise in einem geschlossenen Kraftfluss und werden durch elastische Verformungen zu Körperschallschwingungen angeregt (insbesondere ein Stator einer elektrischen Maschine). Geschwindigkeitserregte Bauteile hingegen liegen außerhalb eines Kraftflusses. Es sind keine tragenden Teile. Sie sind jedoch mit Bauteilen im Kraftfluss gekoppelt und werden über eine Koppelstelle in Körperschallschwingungen versetzt (beispielsweise ein Gehäuse einer elektrischen Maschine).When it comes to components in a functional chain of a structure, a distinction can be made between force excitation and velocity excitation. Force-excited components are typically located in a closed force flow and are excited to structure-borne sound vibrations by elastic deformations (in particular, the stator of an electrical machine). Velocity-excited components, on the other hand, are located outside of a force flow. They are not load-bearing parts. However, they are coupled to components in the force flow and are set into structure-borne sound vibrations via a coupling point (for example, the housing of an electrical machine).

In der Praxis können sich krafterregte und geschwindigkeitserregte Bauteile hinsichtlich ihrer Körperschallschwingungen gegenseitig beeinflussen, weshalb der Körperschall an seiner Ausbreitung innerhalb der Struktur so weit wie möglich gehindert werden sollte. Dies kann erreicht werden durch eine Körperschalldämmung und eine Körperschalldämpfung.In practice, force-excited and velocity-excited components can influence each other with regard to their structure-borne sound vibrations, which is why structure-borne sound should be prevented from propagating within the structure as much as possible. This can be achieved through structure-borne sound insulation and damping.

Mit den Mitteln zur Körperschalldämmung lässt sich in vielen Fällen die zur Lärmbekämpfung erwünschte Vermeidung der Körperschallausbreitung nicht erzielen, weil ohne Dämpfung die Energie nicht aufgezehrt wird.In many cases, the means of structure-borne sound insulation cannot achieve the desired prevention of structure-borne sound propagation in order to reduce noise, because without damping the energy is not dissipated.

Eine Minderung der Körperschallübertragung durch Dämpfung setzt große innere Verluste in den verwendeten Materialien voraus. Körperschallenergie wird durch Reibung an Kontaktflächen oder durch innere Reibung der Materialien in Wärme umgewandelt. Auch hier gilt, dass die Körperschalldämpfung umso wirksamer ist, je dichter sie an der Entstehungsstelle erfolgt (beispielsweise in der Nähe des Stators der elektrischen Maschine).Reducing structure-borne sound transmission through damping requires significant internal losses in the materials used. Structure-borne sound energy is converted into heat through friction at contact surfaces or through internal friction of the materials. Here, too, the closer the damping is to the source of the sound (for example, near the stator of an electric motor), the more effective it is.

In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Gehäuse zur Aufnahme eines Stators einer elektrischen Maschine bereitgestellt, wobei innerhalb des Gehäuses wenigstens ein Körperschall absorbierendes Element aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist. Mithilfe der strukturspezifischen Eigenschaften des zellularen metallischen Werkstoffs in dem Gehäuse für die elektrische Maschine wird eine Struktur geschaffen, die ein deutlich verbessertes Dämpfungsvermögen aufweist sowie die Möglichkeit zur kontrollierten Energieabsorption bietet.In this sense, according to a first aspect of the invention, a housing for accommodating a stator of an electrical machine is provided, wherein at least one structure-borne sound-absorbing element made of a cellular metallic material is arranged within the housing. Using the structurally specific properties of the cellular metallic material in the housing for the electrical machine, a structure is created that has significantly improved damping capacity and offers the possibility of controlled energy absorption.

Erfindungsgemäß bildet das Gehäuse einen Kühlkanal der elektrischen Maschine, wobei innerhalb des Kühlkanals ein Körperschall absorbierendes Element aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist. Das in den Kühlkanal integrierte Körperschall absorbierende Element kann insbesondere aus einem offenporigen Metallschaum bestehen. Insbesondere wenn Aluminium als Grundmaterial für den offenporigen Metallschaum eingesetzt wird, ermöglicht dies eine hohe Wärmeleitfähigkeit für das Gehäuse als Kühlkörper. Das den Schaum durchströmende Medium nimmt die Wärme der Metallmatrix auf.According to the invention, the housing forms a cooling channel for the electric machine, with a structure-borne sound-absorbing element made of a cellular metallic material arranged within the cooling channel. The structure-borne sound-absorbing element integrated into the cooling channel can, in particular, consist of an open-pore metal foam. Especially when aluminum is used as the base material for the open-pore metal foam, this enables high thermal conductivity for the housing as a heat sink. The medium flowing through the foam absorbs the heat from the metal matrix.

Die Effizienz von Wärmeübertragern kann durch aktive Maßnahmen, z.B. durch die Beeinflussung der die Wärmeübertragung behindernden Grenzschicht, gesteigert werden. Maßgeblichen Einfluss auf die Effektivität des Wärmeübergangs hat die Art der Strömung des Kühlmediums, insbesondere der Kühlflüssigkeit. Die Turbulenz der Strömung bestimmt die Höhe des Wärmeübergangs. Es ist daher erstrebenswert, dass der Kühlkanal konstruktiv derart ausgeführt ist, dass eine turbulente Strömung (Verwirbelung) erreicht werden kann.The efficiency of heat exchangers can be increased through active measures, e.g., by influencing the boundary layer that hinders heat transfer. The type of flow of the cooling medium, especially the cooling liquid, has a significant influence on the effectiveness of heat transfer. The turbulence of the flow determines the level of heat transfer. It is therefore desirable that the cooling channel be designed in such a way that turbulent flow (swirling) can be achieved.

Die Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgt durch Heranführung kalter Moleküle einer Kühlflüssigkeit an eine Oberfläche. Bei diesem Prozess müssen ständig neue Moleküle nachgeführt werden, damit ein Wärmeaustausch erfolgen kann. Je lebhafter dabei die Bewegung der Kühlflüssigkeit ist, desto größer ist auch die Wärmeübertragung durch Konvektion. Bei turbulenter Strömung ist der Wärmeübergang deutlich besser als bei laminarer Strömung.Heat transfer by convection occurs when cold molecules of a cooling fluid are brought closer to a surface. In this process, new molecules must be constantly added for heat exchange to occur. The more vigorous the movement of the cooling fluid, the greater the heat transfer by convection. In turbulent flow, heat transfer is significantly better than in laminar flow.

Vor diesem Hintergrund ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass innerhalb des Kühlkanals Strömungsleit-Elemente aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet sind. Die Strömungsleit-Elemente können dazu eingerichtet sein, die Strömung eines durch den Kühlkanal geleiteten Kühlmediums (insbesondere die Strömung einer Kühlflüssigkeit) zu leiten, zu verwirbeln, umzulenken und zu kanalisieren. Against this background, according to a further embodiment, flow-guiding elements made of a cellular metallic material are arranged within the cooling channel. The flow-guiding elements can be configured to guide, swirl, deflect, and channel the flow of a cooling medium (in particular the flow of a cooling liquid) conveyed through the cooling channel.

Insbesondere können die Strömungsleit-Elemente derart geformt und angeordnet sein, dass ein Kühlmedium mäanderförmig durch den Kühlkanal geleitet wird. Dies verbessert die Wärmeübertragung, indem einerseits die Grenzschicht wiederholt aufgerissen und andererseits der Turbulenzgrad der Strömung erhöht werden kann, um durch einen erhöhten Impuls- und Energieaustausch den Wärmeübergang zu verbessern.In particular, the flow guide elements can be shaped and arranged such that a cooling medium is guided in a meandering pattern through the cooling channel. This improves heat transfer by, on the one hand, repeatedly disrupting the boundary layer and, on the other hand, increasing the degree of turbulence of the flow to improve heat transfer through increased momentum and energy exchange.

Ferner können die Strömungsleit-Elemente Barrieren oder rippenförmige Verengungen für ein Kühlmedium bereitstellen, welches durch den Kühlkanal geleitet wird. Durch diese Barrieren oder rippenförmige Verengungen kann die Wärmeübertragung ebenfalls verbessert werden.Furthermore, the flow guide elements can provide barriers or rib-shaped constrictions for a cooling medium that is guided through the cooling channel. These barriers or rib-shaped constrictions can also improve heat transfer.

Erfindungsgemäß bildet das Gehäuse den Kühlkanal gemeinsam mit einem Kühlkanal-Einsatz. Somit wird ein modulares System geschaffen, wobei insbesondere durch Austausch des Kühlkanal-Einsatzes besonders flexibel unterschiedliche Kühlkanäle geformt werden können. In diesem Zusammenhang können weiterhin insbesondere vorgesehen sein, dass der Kühlkanal-Einsatz die Strömungsleit-Elemente bildet.According to the invention, the housing forms the cooling channel together with a cooling channel insert. This creates a modular system, whereby different cooling channels can be formed with particular flexibility, particularly by exchanging the cooling channel insert. In this context, it can also be provided, in particular, that the cooling channel insert forms the flow guide elements.

In einer weiteren Ausführungsform ist der zellulare metallische Werkstoff ein offenporiger Metallschaum, insbesondere basierend auf einem Aluminium-Werkstoff.In a further embodiment, the cellular metallic material is an open-pored metal foam, in particular based on an aluminum material.

Der offenporige Metallschaum, insbesondere der Aluminiumschaum, weist strukturspezifische Eigenschaften auf, die es ermöglichen, dass Verbundstrukturen mit verbesserter Steifigkeit, mit einem deutlich verbesserten Dämpfungsvermögen sowie mit der Möglichkeit zur kontrollierten Energieabsorption hergestellt werden können. Konstruktionen mit integriertem Aluminiumschaum sind weiterhin besonders leicht, absorbieren viel Energie und dämpfen besonders effektiv Vibrationen und Geräusche. Das Einbringen bzw. Anordnen des Metallschaums, insbesondere des Aluminiumschaums, in Maschinenteile, welche Überträger bzw. Abstrahler von Körperschall sind, ermöglicht sowohl einen Leichtbau als auch eine Schalldämpfung bzw. Vibrationsdämpfung. Die Körperschallemission des Gehäuses kann dadurch reduziert und in andere Frequenzbereiche verschoben werden. Kühlelemente aus Metallschaum bieten somit eine maximale Effektivität bei geringsten Abmessungen und Gewicht. Bedingt durch ihre filigrane Struktur bieten die offenporigen Metallschäume eine enorm große Oberfläche zur Wärmeabführung. Zusätzlich wirkt der Metallschaum an der Oberfläche des Kühlkanals als Turbulator und reißt die Grenzschicht auf, welche die Wärmeübertragung behindert.Open-pore metal foam, particularly aluminum foam, exhibits structurally specific properties that enable the production of composite structures with improved rigidity, significantly improved damping capacity, and the ability to absorb energy in a controlled manner. Constructions with integrated aluminum foam are also particularly lightweight, absorb high levels of energy, and dampen vibrations and noise particularly effectively. The introduction or arrangement of metal foam, particularly aluminum foam, into machine parts that transmit or emit structure-borne sound enables both lightweight construction and sound damping or vibration damping. The structure-borne sound emission of the housing can thus be reduced and shifted to other frequency ranges. Cooling elements made of metal foam thus offer maximum effectiveness with minimal dimensions and weight. Due to their delicate structure, open-pore metal foams offer an enormously large surface area for heat dissipation. In addition, the metal foam acts as a turbulator on the surface of the cooling channel, disrupting the boundary layer that impedes heat transfer.

Weiterhin kann der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen. Die Hohlkugelstrukturen können insbesondere metallisch sein. Der Metallschaum kann sich durch die Kombination von offener und geschlossener Porosität auszeichnen und die Hohlkugelstrukturen können durch kugelförmige Zellen mit exakt einstellbaren Zellendurchmessen und Zellwandstärken gebildet sein.Furthermore, the metal foam can comprise hollow sphere structures. The hollow sphere structures can, in particular, be metallic. The metal foam can be characterized by a combination of open and closed porosity, and the hollow sphere structures can be formed by spherical cells with precisely adjustable cell diameters and cell wall thicknesses.

Die Hohlkugelstrukturen bieten die Möglichkeit, Schwingungsenergie aufzubrauchen. Sobald eine Wellenfront die Hohlkugelschalen erreicht, beginnen die Kugelschalen, gegeneinander zu schwingen. Schwingungsenergie wird dabei durch Reibung und teilelastische Stöße in Wärme umgewandelt. Da bei der Körperschalldämpfung somit Schwingungsenergie durch innere Reibung in Wärme umgewandelt wird, kann auch von „innerer Dämpfung“ gesprochen werden. Mit den Hohlkugelstrukturen wird eine hohe Körperschalldämpfung und Vibrationsdämpfung für schnell bewegte Maschinenteile und unter extremen Bedingungen ermöglicht. Die metallischen Hohlkugelstrukturen können durch spezielle Technologien hergestellt und flexibel weiterverarbeitet werden. Sie können beispielsweise eingegossen werden, aber auch durch Kleben, Löten oder Sintern verbunden werden.The hollow sphere structures offer the possibility of dissipating vibration energy. As soon as a wave front reaches the hollow sphere shells, the sphere shells begin to vibrate against each other. Vibration energy is converted into heat through friction and partially elastic collisions. Since vibration energy is converted into heat through internal friction during structure-borne sound damping, it can also be referred to as "internal damping." The hollow sphere structures enable high levels of structure-borne sound and vibration damping for fast-moving machine parts and under extreme conditions. The metallic hollow sphere structures can be manufactured using special technologies and flexibly processed. For example, they can be cast in place, but also joined by bonding, soldering, or sintering.

In einer Weiterbildung können in dem Inneren der vorstehend beschriebenen Hohlkugelstrukturen frei bewegliche Keramikpartikel vorliegen. In diesem Sinne kann in einer weiteren Ausführungsform der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen, welche mit Partikeln, insbesondere mit Keramikpartikeln, gefüllt sind. Die Partikel, insbesondere die Keramikpartikel, wirken als Schwingungsdämpfer. Gesinterte Einzelkugeln können in das Körperschall absorbierende Element (z.B. in Gestalt eines Formkörpers) gefüllt werden, und dort durch Kleben oder Löten fixiert werden. Die Weiterverarbeitung der Formkörper oder auch von einzelnen Hohlkugelstrukturen zu Sandwichstrukturen oder das Eingießen in Polymere oder Metalle ist ebenso möglich. Wenn ein Bauteil mit Partikeln gefüllten Hohlkugelstrukturen in Schwingungen versetzt wird, leitet die Bewegung des Grundmaterials die Energie in die Partikelschüttung. Die Partikel werden von der Hohlraumwand weggeschleudert und übernehmen dabei die Schwingungsenergie. Durch Stöße und durch Reibung der Partikel wird die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Die so erreichten Dämpfungswerte können bei vergleichbarer Dichte ca. zehnmal so hoch sein wie diejenigen von Aluminiumschaum, welcher als schwingungsdämpfender Leichtbauwerkstoff verwendet werden kann (siehe weiter oben).In a further development, freely movable ceramic particles can be present inside the hollow sphere structures described above. In this sense, in a further embodiment, the metal foam can comprise hollow sphere structures filled with particles, in particular ceramic particles. The particles, in particular the ceramic particles, act as vibration dampers. Sintered individual spheres can be filled into the structure-borne sound-absorbing element (e.g., in the form of a molded body) and fixed there by gluing or soldering. Further processing of the molded bodies or individual hollow sphere structures into sandwich structures or casting in polymers or metals is also possible. When a component with particle-filled hollow sphere structures is set into vibration, the movement of the base material transfers the energy into the particle bed. The particles are propelled away from the cavity wall and absorb the vibration energy. Through impacts and friction between the particles, the kinetic energy is converted into heat. The damping values achieved in this way can be approximately ten times higher than those of aluminum foam, which can be used as a vibration-damping lightweight material (see above), at a comparable density.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst ein Gehäuse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und einen Stator, welcher innerhalb des Gehäuses aufgenommen ist.According to a second aspect of the invention, an electric machine is provided. The electric machine comprises a housing according to the first aspect of the invention and a stator accommodated within the housing.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der teilweise schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine Längsschnittdarstellung einer bekannten elektrischen Maschine,
2 eine Längsschnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Körperschall absorbierendem Element in einem Kühlkanal,
3 eine Längsschnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit in einen Kühlkanal integrierten Kühlflüssigkeits-Leitelementen aus Körperschall absorbierendem, offenporigen Metallschaum,
4 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit einem Kühlkanal-Einsatz aus einem Körperschall absorbierenden, offenporigen Metallschaum,
5 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des Kühlkanal-Einsatzes nach 4 und
6 eine Längsschnittdarstellung eines oberen Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Körperschall absorbierendem, offenporigen Metallschaum in einem Kühlkanal.

In the following, embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the partially schematic drawing.

1 a longitudinal section of a known electrical machine,
2 a longitudinal sectional view of an embodiment of an electrical machine according to the invention with a structure-borne sound absorbing element in a cooling channel,
3 a longitudinal sectional view of an embodiment of an electrical machine according to the invention with coolant guide elements integrated into a cooling channel made of Structure-borne sound-absorbing, open-pore metal foam,
4 a perspective exploded view of an embodiment of a housing according to the invention with a cooling channel insert made of a structure-borne sound-absorbing, open-pore metal foam,
5 an enlarged perspective view of the cooling channel insert according to 4 and
6 a longitudinal sectional view of an upper part of a further embodiment of an electrical machine according to the invention with structure-borne sound-absorbing, open-pore metal foam in a cooling channel.

1 zeigt eine elektrische Maschine 1, welche beispielsweise für einen Antrieb eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) genutzt werden kann. Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches einen Stator 3 aufnimmt. Der Stator 3 umgibt in radialer Richtung ein Rotorblechpaket 4, das auf einer Rotorwelle 5 drehfest gelagert ist. Die Rotorwelle 5 ist drehbar innerhalb zweier Lager 6 gelagert, welche wiederum drehfest von dem Gehäuse 2 aufgenommen sind. Das Gehäuse 2 bildet weiterhin einen Kühlkanal 7, innerhalb welchem ein Medium zirkulieren kann, um auf diese Weise die elektrische Maschine 1 zu kühlen. Das Gehäuse 2 kann durch umlaufende Kraftwellen zu Körperschall 8 angeregt werden. Dieser Körperschall 8 kann wiederum durch das Gehäuse 2 abgegeben werden und als (unerwünschter) Luftschall 9 in Erscheinung treten. 1 shows an electric machine 1 which can be used, for example, to drive a motor vehicle (not shown). The electric machine 1 comprises a housing 2 which accommodates a stator 3. The stator 3 radially surrounds a rotor core 4 which is mounted in a rotationally fixed manner on a rotor shaft 5. The rotor shaft 5 is rotatably mounted within two bearings 6, which in turn are mounted in a rotationally fixed manner by the housing 2. The housing 2 further forms a cooling channel 7, within which a medium can circulate in order to cool the electric machine 1. The housing 2 can be excited by circulating force waves to produce structure-borne sound 8. This structure-borne sound 8 can in turn be emitted through the housing 2 and appear as (unwanted) airborne sound 9.

2 und 6 zeigen eine elektrische Maschine 1, welche den gleichen Grundaufbau wie die elektrische Maschine nach 1 aufweist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 nach 2 bzw. 6 weist jedoch zusätzlich ein Körperschall absorbierendes Element 10 auf, welches aus einem zellularen metallischen Werkstoff besteht, insbesondere aus einem offenporigen Metallschaum (6), und welches innerhalb des Kühlkanals 7 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Der zellulare metallische Werkstoff dämpft Körperschall 8 des Gehäuses 2 und reduziert dadurch Luftschall 9, welcher aus dem Körperschall 8 resultiert und die elektrische Maschine 1 verlässt. 2 and 6 show an electrical machine 1, which has the same basic structure as the electrical machine according to 1 The electrical machine 1 according to the invention according to 2 or 6 However, it additionally has a structure-borne sound absorbing element 10, which consists of a cellular metallic material, in particular of an open-pore metal foam ( 6 ), and which is arranged within the cooling channel 7 of the housing 2. The cellular metallic material dampens structure-borne noise 8 of the housing 2 and thereby reduces airborne noise 9, which results from the structure-borne noise 8 and leaves the electrical machine 1.

3 zeigt eine elektrische Maschine 1, welche den gleichen Grundaufbau wie die elektrische Maschine nach 1 aufweist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 nach 3 weist jedoch zusätzlich einen Kühlkanal-Einsatz 11 auf, welcher ein separates Bauteil darstellt und gemeinsam mit dem Gehäuse 2 den Kühlkanal 7 bildet (vgl. 4). Der Kühlkanal-Einsatz 11 besteht aus einem zellularen metallischen Werkstoff und bildet ein Körperschall absorbierendes Element. Der zellulare metallische Werkstoff dämpft Körperschall 8 des Gehäuses 2 und reduziert dadurch Luftschall 9, welcher aus dem Körperschall 8 resultiert und die elektrische Maschine 1 verlässt. 3 shows an electrical machine 1, which has the same basic structure as the electrical machine according to 1 The electrical machine 1 according to the invention according to 3 However, it also has a cooling channel insert 11, which is a separate component and together with the housing 2 forms the cooling channel 7 (cf. 4 ). The cooling channel insert 11 consists of a cellular metallic material and forms a structure-borne sound-absorbing element. The cellular metallic material dampens structure-borne sound 8 of the housing 2 and thereby reduces airborne sound 9, which results from the structure-borne sound 8 and leaves the electrical machine 1.

4 und 5 zeigen einen Kühlkanal-Einsatz 11, welcher beispielsweise zusammen mit dem Gehäuse 2 der Ausführungsform nach 3 eingesetzt werden kann. Der Kühlkanal-Einsatz 11 umfasst einen zellularen metallischen Werkstoff, welcher Körperschall 8 des Gehäuses 2 dämpft und dadurch Luftschall 9 reduziert, welcher aus dem Körperschall 8 resultiert und die elektrische Maschine 1 verlässt. 4 and 5 show a cooling channel insert 11, which, for example, together with the housing 2 of the embodiment according to 3 can be used. The cooling channel insert 11 comprises a cellular metallic material which dampens structure-borne noise 8 of the housing 2 and thereby reduces airborne noise 9 resulting from the structure-borne noise 8 and leaving the electrical machine 1.

Das Gehäuse 2 umfasst gemäß 4 ein erstes Gehäuseteil 12 mit Kühlkanalnut, ein zweites Gehäuseteil 13 mit Vorlaufanschluss 14 und Rücklaufanschluss 15 sowie einen Lagerschild 16. Der Kühlkanal-Einsatz 11 umfasst ebenfalls einen Vorlaufanschluss 17 und einen Rücklaufanschluss 18, mehrere in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete Strömungsleit-Elemente in Form von Querrippen 19 sowie eine Formteiltrennwand 20. Das erste Gehäuseteil 12 und der Kühlkanal-Einsatz 11 bilden in Montagerichtung M montiertem Zustand des Gehäuses 2 den Kühlkanal 7 (vgl. 3).The housing 2 comprises according to 4 a first housing part 12 with a cooling channel groove, a second housing part 13 with a flow connection 14 and a return connection 15 as well as a bearing plate 16. The cooling channel insert 11 also comprises a flow connection 17 and a return connection 18, several flow guiding elements in the form of transverse ribs 19 arranged at a distance from one another in the circumferential direction as well as a molded part partition wall 20. The first housing part 12 and the cooling channel insert 11 form the cooling channel 7 in the assembled state of the housing 2 in the assembly direction M (cf. 3 ).

Die Formteiltrennwand 20 verbindet zwei benachbarte Querrippen 19 im Bereich der Anschlüsse 17 und 18 in Umfangsrichtung miteinander. Auf diese Weise kann über den Vorlaufanschluss 17 in den Kühlkanal 7 eintretende Kühlflüssigkeit den Kühlkanal 7 nicht unmittelbar über den Rücklaufanschluss 18 wieder verlassen. Stattdessen wird die über den Vorlaufanschluss 17 eintretende Kühlflüssigkeit mäanderförmig entlang um die Querrippen 19 herum durch den in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanal 7 geleitet und über den Rücklaufanschluss 18 wieder aus dem Kühlkanal 7 abgeführt. Durch die Querrippen wird einerseits die Grenzschicht der Kühlmittelströmung wiederholt aufgerissen und andererseits der Turbulenzgrad der Strömung erhöht, wodurch ein erhöhter Impuls- und Energieaustausch entsteht, welcher den Wärmeübergang verbessert.The molded part partition wall 20 connects two adjacent transverse ribs 19 in the region of the connections 17 and 18 in the circumferential direction. In this way, coolant entering the cooling channel 7 via the supply connection 17 cannot immediately leave the cooling channel 7 again via the return connection 18. Instead, the coolant entering via the supply connection 17 is guided in a meandering manner around the transverse ribs 19 through the circumferentially running cooling channel 7 and is discharged from the cooling channel 7 again via the return connection 18. The transverse ribs, on the one hand, repeatedly tear open the boundary layer of the coolant flow and, on the other hand, increase the degree of turbulence of the flow, resulting in an increased momentum and energy exchange, which improves heat transfer.

Der in den vorstehend beschriebenen Figuren gezeigte Metallschaum kann Hohlkugelstrukturen umfassen, insbesondere Hohlkugelstrukturen, welche mit Partikeln, z.B. mit Keramikpartikeln, gefüllt sind.The metal foam shown in the figures described above may comprise hollow sphere structures, in particular hollow sphere structures filled with particles, e.g., with ceramic particles.

Claims

Housing (2) for accommodating a stator (3) of an electrical machine (1), wherein at least one structure-borne sound (8) absorbing element (10) made of a cellular metallic material is arranged within the housing (2), and the housing (2) forms a cooling channel (7) of the electrical machine (1), the structure-borne sound (8) absorbing element (10) made of a cellular metallic material is arranged within the cooling channel (7), and the housing (2) forms the cooling channel (7) together with a cooling channel insert (11).

Housing (2) after Claim 1 , wherein flow guiding elements (19, 20) made of a cellular metallic material are arranged within the cooling channel (7).

Housing (2) after Claim 2 , wherein the flow guiding elements (19, 20) are shaped and arranged such that a cooling medium is guided in a meandering manner through the cooling channel (7).

Housing (2) after Claim 2 or 3 , wherein the flow guiding elements (19, 20) provide barriers (20) or rib-shaped constrictions (19) for a cooling medium which is guided through the cooling channel (7).

Housing (2) according to one of the Claims 2 until 4 , wherein the cooling channel insert (11) forms the flow guiding elements (19, 20).

Housing (2) according to one of the preceding claims, wherein the cellular metallic material is an open-pore metal foam (10).

Housing (2) according to one of the preceding claims, wherein the metal foam (10) comprises hollow sphere structures.

Housing (2) according to one of the preceding claims, wherein the metal foam (10) comprises hollow sphere structures which are filled with particles.

Electrical machine (21) comprising a housing (2) according to one of the preceding claims and a stator which is accommodated within the housing (2).