DE102013104117A1

DE102013104117A1 - Arrangement for cooling an electrical machine

Info

Publication number: DE102013104117A1
Application number: DE102013104117.5A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Hofmann; Nicol Hildebrand; Gunar Steinborn; Jan Döring; Eike Jenßen; Heinz-Dieter Eberhardt; Christian Stentzel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) zur Kühlung einer elektrischen Maschine, aufweisend einen Rotor (2) sowie ein Rotorträgerelement (4), welche um eine Rotationsachse (5) drehbeweglich gehaltert sind, und einen Stator (6) sowie ein Statorträgerelement (7). Der Rotor (2) ist in einem Spalt zwischen in axialer Richtung gegenüberliegend und zueinander beabstandet angeordneten Eisensegmenten des Stators (6) beweglich angeordnet. Die Kühlung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: – mittels eines Kühlluftmassenstroms, welcher infolge der Drehbewegung des Rotors (2) durch den Hohlraum des als Hohlwelle ausgebildeten Rotorträgerelementes (4) und die Öffnungen (10, 11) in der Wandung der Hohlwelle sowie anschließend durch den Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators (6) gefördert wird, und/oder – als Nutkühlung, bei welcher die Eisensegmente des Stators (6) in den Nutbereichen (9) mit Leitelementen (16, 17, 21) zum Leiten eines Kühlmittels ausgebildet sind, wobei die Nutbereiche (9) an den einander zugewandten, jeweils in Richtung des Spaltes zwischen den Eisensegmenten ausgerichteten Seitenflächen angeordnet sind, und/oder – als Rückenkühlung der Eisensegmente des Stators (6), bei welcher die Eisensegmente an der mindestens einen am Statorträgerelement (7) gehaltert angeordneten Seitenfläche mit Leitelementen (18, 19, 20, 22) zum Leiten eines Kühlmittels ausgebildet sind.The invention relates to an arrangement (1) for cooling an electrical machine, having a rotor (2) and a rotor support element (4), which are rotatably supported about an axis of rotation (5), and a stator (6) and a stator support element (7) . The rotor (2) is movably arranged in a gap between iron segments of the stator (6) which are arranged opposite and spaced apart in the axial direction. The cooling can take place in different ways: - by means of a cooling air mass flow, which as a result of the rotary movement of the rotor (2) through the cavity of the rotor support element (4) designed as a hollow shaft and the openings (10, 11) in the wall of the hollow shaft and then through the Gap between the iron segments of the stator (6) is conveyed, and / or - as slot cooling, in which the iron segments of the stator (6) in the slot areas (9) are designed with guide elements (16, 17, 21) for guiding a coolant, wherein the groove areas (9) are arranged on the facing side surfaces, each aligned in the direction of the gap between the iron segments, and / or - as back cooling of the iron segments of the stator (6), in which the iron segments are attached to the at least one on the stator carrier element (7 ) mounted side surface with guide elements (18, 19, 20, 22) for guiding a coolant are formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor sowie ein Rotorträgerelement, welche um eine Rotationsachse drehbeweglich gehaltert sind, und einen Stator sowie ein Statorträgerelement auf. Der Rotor ist in einem Spalt zwischen in axialer Richtung gegenüberliegend und zueinander beabstandet angeordneten Eisensegmenten des Stators beweglich angeordnet.The invention relates to an arrangement for cooling an electrical machine. The electric machine has a rotor and a rotor carrier element, which are rotatably supported about a rotation axis, and a stator and a stator support member. The rotor is movably arranged in a gap between axially opposite and spaced apart iron segments of the stator.

Als Stand der Technik sind Elektromotoren oder Generatoren als rotatorische elektrische Maschinen zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt bekannt, welche aus einem Stator und einem Rotor ausgebildet sind. Bei einem sogenannten Innenläufer beziehungsweise einer Innenpolmaschine ist der Stator den auf einer Welle befestigten Rotor umschließend angeordnet. Der Stator ist aus Induktionsspulen mit Eisenkern ausgebildet, wobei der Eisenkern zur Vermeidung von Wirbelströmen anstelle eines massiven Eisenkörpers eine Vielzahl einzelner, voneinander isolierter Bleche und die Spulen Wicklungen aus Kupferdrähten aufweisen. Die Spulen und die dazugehörigen Eisenkerne der elektrischen Maschinen mit großer Leistung erwärmen sich im Betrieb erheblich und sind zu kühlen, um die bei der Umwandlung der Energie erzeugte Verlustwärme abzuführen. Die Verlustwärme wird zum Beispiel über das Blechpaket an das Gehäuse und dann an die Umgebung abgeführt. Der Stator wird herkömmlich mit Wasser oder Öl beziehungsweise mit Luft gekühlt. Dabei zirkuliert die Luft innerhalb des Gehäuses und durch die Spulen im Stator. Der Luftmassenstrom zur Kühlung wird mit Hilfe von Lüftern gefördert.As prior art electric motors or generators are known as rotary electric machines for converting electrical energy into mechanical energy and vice versa, which are formed of a stator and a rotor. In a so-called internal rotor or an internal pole machine, the stator is arranged surrounding the rotor mounted on a shaft. The stator is formed of induction coils with iron core, wherein the iron core to avoid eddy currents instead of a solid iron body having a plurality of individual, mutually insulated sheets and the coils windings of copper wires. The coils and associated iron cores of the high power electrical machines heat up significantly during operation and must be cooled to dissipate the waste heat generated in the conversion of the energy. The heat loss is dissipated, for example, through the laminated core to the housing and then to the environment. The stator is conventionally cooled with water or oil or with air. The air circulates inside the housing and through the coils in the stator. The air mass flow for cooling is conveyed by means of fans.

In der DE 101 12 532 A1 wird eine luftgekühlte, elektrische, rotatorische Maschine mit einem Statorpaket, einem Rotor sowie einem Luftspalt zwischen Stator und Rotor beschrieben. Die Maschine wird mittels eines von einem Lüfter erzeugten Luftstroms gekühlt. Der Luftstrom wird in strömungstechnisch getrennt voneinander ausgebildeten Kühlkanälen geleitet, welche entweder im und/oder am Statorpaket ausgebildet sind. Das Statorpaket wird dabei von Luftströmen in komplementären Bewegungsrichtungen beströmt. Die in axialer Richtung angeordneten Kühlkanäle sind beispielweise durch Stanzen in die Einzelbleche des Blechpaketes eingearbeitet. Als Lüfter werden Eigenlüfter als Komponente der Maschine oder Fremdlüfter verwendet. Die zusätzliche Installation eines Lüfters zur Kühlung erhöht jedoch die Ausfallwahrscheinlichkeit der Maschine und die Produktionskosten. Zudem verbraucht der Lüfter zusätzlich Energie.In the DE 101 12 532 A1 describes an air-cooled, electrical, rotary machine with a stator pack, a rotor and an air gap between stator and rotor. The machine is cooled by means of an air flow generated by a fan. The air flow is conducted in fluidically separated from each other formed cooling channels, which are formed either in and / or on the stator. The stator is thereby flowed through by air flows in complementary directions of movement. The cooling channels arranged in the axial direction are for example incorporated by punching into the individual sheets of the laminated core. Self-ventilating fans are used as components of the machine or forced cooling fan. The additional installation of a fan for cooling, however, increases the probability of failure of the machine and the production costs. In addition, the fan consumes additional energy.

Aus der DE 10 2009 021 540 A1 geht ein Transversalflussmotor mit einem Stator und einem Rotor hervor, wobei magnetisch aktive Elemente des Stators ringförmig und mit einem U-förmigen Innenprofil ausgebildet sind. Der Rotor weist magnetisch aktive Stege aus weich- oder permanentmagnetischem Material auf, welche in radialer Ausrichtung ringförmig auf einer Stirnfläche des Rotors angeordnet sind. Der Stator ist mit einer innen hohlen Wicklung versehen. Die aus einem Kupferrohr ausgebildete, innen hohle Wicklung wird neben der Funktion als Spule während des Betriebes auch zum Kühlen genutzt. Durch die innen hohle Wicklung kann eine Kühlflüssigkeit geleitet werden, sodass die entstehende Verlustwärme über die innengekühlten Kupferleiter abgeführt werden kann.From the DE 10 2009 021 540 A1 is a Transversalflussmotor with a stator and a rotor forth, with magnetically active elements of the stator are annular and formed with a U-shaped inner profile. The rotor has magnetically active webs made of soft or permanent magnetic material, which are arranged in radial alignment annularly on an end face of the rotor. The stator is provided with an internally hollow winding. The formed from a copper tube, inside hollow winding is used in addition to the function as a coil during operation for cooling. Through the inside hollow winding, a cooling liquid can be passed, so that the resulting heat loss can be dissipated via the internally cooled copper conductors.

Die DE 10 2007 003 247 A1 offenbart ein System zum Kühlen der Motorstatorwicklungen eines Elektromotors. Das Kühlsystem fördert ein Kühlmittel direkt auf und zwischen die benachbarten Statorwicklungen, welche beabstandet zueinander angeordnet sind, um einen Kanal zu definieren und darin das Kühlmittel an die Wicklungen zu leiten. Zudem ist das Motorgehäuse derart ausgebildet, die Statorwicklungen abzudecken und das Kühlmittel zwischen die Statorwicklungen zu verteilen. Darüber hinaus kann eine isolierte Materiallage und/oder eine Röhre zwischen den Motorstatorwicklungen derart ausgebildet sein, dass das Kühlmittel direkt auf die Wicklungen förderbar ist.The DE 10 2007 003 247 A1 discloses a system for cooling the motor stator windings of an electric motor. The cooling system delivers coolant directly to and between the adjacent stator windings which are spaced from one another to define a channel and conduct the coolant therein to the windings. In addition, the motor housing is designed to cover the stator windings and to distribute the coolant between the stator windings. In addition, an insulated material layer and / or a tube may be formed between the motor stator windings in such a way that the coolant can be conveyed directly onto the windings.

In der DE 10 2011 008 769 A1 wird eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine beschrieben, welche einen Rotor, einen Stator, eine Wicklung, ein Gehäuse und ein aus mehreren Blechen aufgebautes Metallpaket als Wicklungskern von Spulen des Rotors oder des Stators umfasst. Die Vorrichtung weist einen innerhalb des Wicklungskerns ausgebildeten, zu einem Kühlmittelkreislauf gehörenden Kühlmittelkanal auf. Der Kanal wird aus mit Aussparungen versehenen Blechen in der Art gebildet, dass durch die wechselseitige Überschneidung der Aussparungen der aneinander angrenzend angeordneten Bleche ein mäanderförmiger Verlauf entsteht. Der Kühlmittelkreislauf ermöglicht eine Zirkulation von Kühlmittel durch das Blechpaket. Mit Hilfe des Kühlmittelkreislaufes wird die beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme abgeführt. Als Kühlmittel wird ein Gas oder eine Flüssigkeit verwendet.In the DE 10 2011 008 769 A1 An apparatus for cooling an electric machine is described, which comprises a rotor, a stator, a winding, a housing and a multi-sheet metal package as the winding core of coils of the rotor or the stator. The device has a coolant channel formed inside the winding core and belonging to a coolant circuit. The channel is formed from recessed sheets in such a way that a meandering course is created by the mutual overlap of the recesses of the adjacent plates arranged. The coolant circuit allows a circulation of coolant through the laminated core. With the help of the coolant circuit, the heat generated during operation of the electrical machine is dissipated. The coolant used is a gas or a liquid.

Den im Stand der Technik bekannten gekühlten ein- oder mehrphasigen elektrischen Maschinen ist zu eigen, dass sich die Abfuhr der Verlustwärme beispielsweise auf eine indirekte Luftkühlung beschränkt, welche bei Maschinen mit hohen Moment- und Leistungsdichten nicht ausreichend ist. Die bekannte Luftkühlung weist zudem einen geringen Wirkungsgrad und eine geringe Effektivität auf. Eine Maschine mit reiner Luftkühlung und ausreichend hoher Leistungsfähigkeit erfordert zusätzlich eine technologisch sehr aufwändige Konstruktion. Die zusätzliche Installation eines Lüfters erhöht die Ausfallwahrscheinlichkeit der Maschine sowie die Produktions- und Wartungskosten und weist einen Eigenverbrauch an elektrischer Energie auf. Die direkte Kühlung von Kupferleitungen der Wicklungen, insbesondere beim Betrieb der Maschine mit einem leistungselektronischen Stellglied, erfordert nach den gültigen Normen und Standards eine aufwändige elektrische Potenzialtrennung vom stromführenden Kupferleiter und dem Kühlmittel sowie eine entsprechende kostenintensive Entionisierung beziehungsweise chemische Aufbereitung des Kühlmittels zur Vermeidung von Korrosionserscheinungen.The known in the prior art cooled single- or multi-phase electric machines is intrinsically that the dissipation of the heat loss, for example, limited to an indirect air cooling, which is not sufficient for machines with high torque and power densities. The known air cooling also has a low efficiency and low efficiency. A machine with pure air cooling and sufficiently high performance also requires one technologically very complex construction. The additional installation of a fan increases the probability of failure of the machine and the production and maintenance costs and has a self-consumption of electrical energy. The direct cooling of copper wires of the windings, in particular when operating the machine with a power electronic actuator requires the current standards and standards a costly electrical isolation of current-carrying copper conductor and the coolant and a corresponding costly deionization or chemical treatment of the coolant to prevent corrosion phenomena.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Kühlung einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, welche ein sicheres und zuverlässiges Abführen der bei der Energieumwandlung entstehenden Verlustwärme gewährleistet. Die Anordnung soll eine hocheffiziente Kühlung von Stator, Rotor und Wicklungen der elektrischen Maschine gleichermaßen ermöglichen. Die Wärme soll auch bei Maschinen mit hohen Moment- und Leistungsdichten abführbar sein. Zudem sollen die Ausfallwahrscheinlichkeit der Maschine sowie die Produktions-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der Eigenverbrauch an elektrischer Energie minimiert werden.Object of the present invention is to provide an arrangement for cooling an electric machine available, which ensures a safe and reliable dissipation of heat loss resulting from the energy conversion. The arrangement should allow a highly efficient cooling of the stator, rotor and windings of the electric machine alike. The heat should also be dissipated on machines with high torque and power densities. In addition, the failure probability of the machine as well as the production, maintenance and operating costs as well as the own consumption of electrical energy are to be minimized.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, aufweisend einen Rotor sowie ein Rotorträgerelement, welche um eine Rotationsachse drehbeweglich gehaltert sind, und einen Stator sowie ein Statorträgerelement gelöst. Der Rotor ist dabei in einem Spalt zwischen in axialer Richtung gegenüberliegend und zueinander beabstandet angeordneten Eisensegmenten des Stators beweglich angeordnet.The object is achieved by an inventive arrangement for cooling an electric machine, comprising a rotor and a rotor support member which are rotatably supported about a rotation axis, and a stator and a stator support member. The rotor is arranged to be movable in a gap between in the axial direction opposite and spaced from each other arranged iron segments of the stator.

Nach der Konzeption der Erfindung ist das Rotorträgerelement als Hohlwelle mit einer Wandung ausgebildet. Die Wandung weist Öffnungen als strömungstechnische Verbindungen zwischen dem von der Hohlwelle umschlossenen Hohlraum und dem Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators auf. Durch die Drehbewegung des Rotors im Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators ist ein Kühlluftmassenstrom förderbar, welcher durch den Hohlraum des Rotorträgerelementes und die Öffnungen in der Wandung in den Spalt ansaugbar ist und durch einen bevorzugt am Maschinenumfang ausgebildeten Luftauslass wieder abgeführt werden kann. Der erwärmte Kühlluftmassenstrom wird der Umgebungsluft zugeleitet.According to the concept of the invention, the rotor carrier element is designed as a hollow shaft with a wall. The wall has openings as fluidic connections between the cavity enclosed by the hollow shaft and the gap between the iron segments of the stator. By the rotational movement of the rotor in the gap between the iron segments of the stator, a cooling air mass flow is conveyed, which can be sucked through the cavity of the rotor support member and the openings in the wall in the gap and can be removed by a preferably formed on the machine circumference air outlet again. The heated cooling air mass flow is fed to the ambient air.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators in radialer Richtung zur Rotationsachse angeordnet. Der Kühlluftmassenstrom wird dabei radial nach außen durch den Spalt gefördert und nimmt die Wärme von Stator und Rotor auf.According to an advantageous embodiment of the invention, the gap between the iron segments of the stator is arranged in the radial direction to the axis of rotation. The cooling air mass flow is thereby conveyed radially outward through the gap and absorbs the heat from the stator and rotor.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Öffnungen des Rotorträgerelementes in radialer Richtung zur Rotationsachse durch die Wandung angeordnet sind. Die in axialer Richtung benachbart angeordneten Öffnungen sind in ihrem Durchmesser derart konfiguriert, dass der Kühlluftmassenstrom gleichmäßig aufgeteilt durch den Spalt strömt, um eine gleichmäßige Kühlung der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Die Durchmesser der in axialer Richtung benachbart und beabstandet zueinander angeordneten Öffnungen können dabei unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Durchmesser der Öffnungen und deren Abstand zueinander sind an die Ausbildung der elektrischen Maschine angepasst, um optimale thermische und strömungsmechanische Bedingungen zu erreichen.A development of the invention consists in that the openings of the rotor carrier element are arranged in the radial direction to the rotation axis through the wall. The axially adjacent openings are configured in diameter such that the cooling air mass flow flows evenly distributed through the gap to ensure uniform cooling of the electric machine. The diameter of the axially adjacent and spaced apart openings may have different diameters. The diameters of the openings and their distance from one another are adapted to the design of the electrical machine in order to achieve optimum thermal and fluidic mechanical conditions.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die Eisensegmente des Stators an einander zugewandten Seitenflächen jeweils einen in Richtung des Spaltes zwischen den Eisensegmenten des Stators ausgerichteten Nutbereich auf. In dem Nutbereich sind erfindungsgemäß Leitelemente angeordnet, welche als geschlossene Kanäle zum Leiten eines Kühlmittels ausgebildet und mit den Eisensegmenten des Stators thermisch kontaktiert sind. Unter dem thermischen Kontakt ist eine direkte Verbindung beziehungsweise eine sich kontaktierende Anordnung zwischen dem Leitelement und dem Eisensegment des Stators zu verstehen, sodass eine wärmeleitende Wärmeübertragung zwischen Leitelement und Eisensegment möglich ist.According to a further aspect of the invention, the iron segments of the stator on mutually facing side surfaces each have a aligned in the direction of the gap between the iron segments of the stator groove area. In the groove area guide elements are arranged according to the invention, which are formed as closed channels for conducting a coolant and are thermally contacted with the iron segments of the stator. Under the thermal contact is a direct connection or a contacting arrangement between the guide element and the iron segment of the stator to understand, so that a heat-conducting heat transfer between the guide element and iron segment is possible.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Leitelemente als Hohlprofil mit einem kreisrunden Strömungsquerschnitt ausgebildet. Die Leitelemente sind vorteilhaft an einem Übergang von einem Nutgrund zu einer Nutflanke des Nutbereiches angeordnet. Bei einer Ausbildung der Berührungskanten von Nutgrund und Nutflanke des Nutbereiches mit Radien, welche den Außenradien der Hohlprofile der Leitelemente entsprechen, werden die Leitelemente an den Berührungskanten passgenau angeordnet, sodass ein großer Bereich der Berührungskanten von Nutgrund und Nutflanke als Wärmeübertragungsfläche nutzbar ist.According to a development of the invention, the guide elements are designed as a hollow profile with a circular flow cross-section. The guide elements are advantageously arranged at a transition from a groove bottom to a groove flank of the groove region. In an embodiment of the contact edges of the groove base and groove flank of the groove area with radii which correspond to the outer radii of the hollow profiles of the guide elements, the guide elements are accurately arranged on the contact edges so that a large area of the contact edges of the groove base and groove flank can be used as the heat transfer surface.

Von besonderem Vorteil ist, die Leitelemente als Rechteck-Hohlprofil mit einem rechteckigen Strömungsquerschnitt auszubilden. Bei einem rechteckigen Querschnitt des Nutbereiches können damit die Leitelemente passgenau im Nutbereich angeordnet werden. Somit werden Flächen mit maximaler Größe zur Wärmeleitung vom Eisensegment des Stators an das Leitelement bereitgestellt.It is particularly advantageous to form the guide elements as a rectangular hollow profile with a rectangular flow cross-section. In the case of a rectangular cross-section of the groove area, the guide elements can thus be arranged precisely in the groove area. Thus, areas of maximum size are provided for heat conduction from the iron segment of the stator to the baffle.

Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die Leitelemente an einem Nutgrund des Nutbereiches angeordnet. Dabei werden vorteilhaft eine Seitenfläche des auf der Außenseite einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisenden Leitelementes am Nutgrund und zwei gegenüberliegende Seitenflächen des Leitelementes an Nutflanken angeordnet. According to a first embodiment of the invention, the guide elements are arranged on a groove bottom of the groove area. In this case, a side surface of the guide element, which has a rectangular cross-section on the outside, on the groove base and two opposite side surfaces of the guide element are advantageously arranged on groove flanks.

Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind die Leitelemente an sich gegenüberliegenden Nutflanken des Nutbereiches angeordnet. Dabei werden vorteilhaft eine erste Seitenfläche eines auf der Außenseite einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisenden ersten Leitelementes an der ersten der beiden Nutflanken und eine zweite Seitenfläche des ersten Leitelementes, welche angrenzend zur ersten Seitenfläche ausgebildet ist, an einem Nutgrund angeordnet. Zudem wird bevorzugt eine erste Seitenfläche eines zweiten Leitelementes an der zweiten Nutflanke und eine zweite Seitenfläche des zweiten Leitelementes, welche angrenzend zur ersten Seitenfläche ausgebildet ist, am Nutgrund angeordnet.According to a second embodiment of the invention, the guide elements are arranged on opposite groove flanks of the groove area. In this case, a first side surface of a first guide element having a rectangular cross-section on the outside of the first of the two groove flanks and a second side surface of the first guide element, which is formed adjacent to the first side surface, are advantageously arranged on a groove base. In addition, a first side surface of a second guide element on the second groove flank and a second side surface of the second guide element, which is formed adjacent to the first side surface, are preferably arranged on the groove base.

Unter Nutflanke und Nutgrund sind die Seiten eines rechteckig ausgebildeten Nutenbereiches zu verstehen. Die Nut ist dabei in Richtung des Spaltes zwischen den in axialer Richtung gegenüberliegend und zueinander beabstandet angeordneten Eisensegmenten des Stators ausgerichtet und weist eine offene Seite in Richtung des Spaltes auf. Die der offenen Seite gegenüberliegend angeordnete Seite des rechteckigen Querschnittes wird als Nutgrund bezeichnet. Die offene Seite und der Nutgrund werden an Seitenkanten mittels zweier Seitenflächen, den sogenannten Nutflanken, miteinander verbunden. Der Nutgrund und die Nutflanken begrenzen die Nut zum Eisensegment des Stators hin und werden dadurch auch als geschlossene Seiten bezeichnet.Under groove edge and groove bottom are the sides of a rectangular shaped groove area to understand. The groove is aligned in the direction of the gap between the axially opposite and spaced from each other arranged iron segments of the stator and has an open side in the direction of the gap. The opposite side of the open side of the rectangular cross section is referred to as the groove bottom. The open side and the groove bottom are connected to each other at side edges by means of two side surfaces, the so-called groove flanks. The groove base and the groove flanks limit the groove to the iron segment of the stator and are therefore also referred to as closed sides.

Nach einer anderen Konzeption der Erfindung sind die Eisensegmente des Stators an mindestens einer ihrer Seitenflächen an einem Statorträgerelement gehaltert angeordnet, wobei an diesen Seitenflächen der Eisensegmente des Stators als geschlossene Kanäle zum Leiten eines Kühlmittels ausgebildete Leitelemente angeordnet sind.According to another concept of the invention, the iron segments of the stator are mounted on at least one of their side surfaces supported on a Statorträgerelement, wherein on these side surfaces of the iron segments of the stator are formed as closed channels for guiding a coolant formed guide elements.

Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die Leitelemente zwischen den Seitenflächen der Eisensegmente des Stators und dem Statorträgerelement angeordnet, wobei die Leitelemente mit den Eisensegmenten des Stators und dem Statorträgerelement thermisch kontaktiert sind.According to a first embodiment of the invention, the guide elements between the side surfaces of the iron segments of the stator and the stator support member are arranged, wherein the guide elements are thermally contacted with the iron segments of the stator and the stator support member.

Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind die Leitelemente innerhalb des Statorträgerelementes angeordnet, an welchem die Eisensegmente des Stators anliegen. Die vom Statorträgerelement bevorzugt vollständig umschlossenen Leitelemente sind mit dem Statorträgerelement thermisch kontaktierend ausgebildet. Die Leitelemente sind im Statorträgerelement integriert.According to a second embodiment of the invention, the guide elements are arranged within the Statorträgerelementes, against which the iron segments of the stator. The guide elements, which are preferably completely enclosed by the stator carrier element, are thermally contacting with the stator carrier element. The guide elements are integrated in the stator support element.

Unter dem thermischen Kontakt ist wiederum eine direkte Verbindung beziehungsweise eine sich kontaktierende Anordnung zwischen dem Leitelement und dem Eisensegment des Stators beziehungsweise zwischen dem Leitelement und dem Statorträgerelement zu verstehen, sodass eine wärmeleitende Wärmeübertragung zwischen dem Leitelement und Eisensegment beziehungsweise zwischen dem Leitelement und dem Statorträgerelement möglich ist. Auch das Statorträgerelement und das Eisensegment des Stators sind wärmeleitend gekoppelt miteinander verbunden.Under the thermal contact is again a direct connection or a contacting arrangement between the guide element and the iron segment of the stator or between the guide element and the stator support member to understand, so that a heat-conducting heat transfer between the guide element and iron segment or between the guide element and the Statorträgerelement is possible , Also, the Statorträgerelement and the iron segment of the stator are coupled heat-conductively coupled together.

Die Leitelemente sind vorteilhaft aus einem gut wärmeleitfähigen Material ausgebildet. Die elektrische Potenzialtrennung zwischen dem stromführenden Leiter der Wicklung und dem Leitelement mit dem Kühlmittel wird durch die Isolierung der Wicklung sichergestellt. Zwischen dem Leitelement mit dem Kühlmittel und dem Eisensegment des Stators ist keine zusätzliche Isolierung ausgebildet, um eine sichere und notwendige Erdung der Leitelemente über die Eisensegmente zu gewährleisten. Die Leitelemente weisen vorteilhaft Erdpotenzial auf. Von besonderem Vorteil ist, dass das Material der Leitelemente gegenüber dem zu leitenden Kühlmittel zudem chemisch reaktionsträge ist. Die Leitelemente sind bevorzugt aus einem rostfreien Edelstahl ausgebildet, um eine kostenintensive Entionisierung beziehungsweise chemische Aufbereitung des Kühlmittels zur Verhinderung von Korrosionserscheinungen zu vermeiden. Der Stator ist bevorzugt aus weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen ausgebildet.The guide elements are advantageously formed from a good heat conductive material. The electric potential separation between the current-carrying conductor of the winding and the guide element with the coolant is ensured by the insulation of the winding. No additional insulation is formed between the guide element with the coolant and the iron segment of the stator in order to ensure a secure and necessary grounding of the guide elements via the iron segments. The guide elements advantageously have ground potential. It is particularly advantageous that the material of the guide elements is also chemically inert with respect to the coolant to be conductive. The guide elements are preferably formed of a stainless steel, in order to avoid a costly deionization or chemical treatment of the coolant to prevent corrosion phenomena. The stator is preferably formed from soft magnetic powder composite materials.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Kühlung beziehungsweise zur Entwärmung einer elektrischen Maschine, wie

– die Kühlung mit einem Kühlluftmassenstrom, welcher infolge der Drehbewegung des Rotors durch den Hohlraum des als Hohlwelle ausgebildeten Rotorträgerelementes und die Öffnungen in der Wandung der Hohlwelle sowie anschließend durch den Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators gefördert wird,
– die Nutkühlung, bei welcher die Eisensegmente des Stators in den Nutbereichen mit Leitelementen zum Leiten eines Kühlmittels ausgebildet sind, wobei die Nutbereiche an den einander zugewandten, jeweils in Richtung des Spaltes zwischen den Eisensegmenten ausgerichteten Seitenflächen angeordnet sind, und
– die Rückenkühlung der Eisensegmente des Stators, auch als Statorjochkühlung bezeichnet, bei welcher die Eisensegmente des Stators an der mindestens einen am Statorträgerelement gehaltert angeordneten Seitenfläche mit Leitelementen zum Leiten eines Kühlmittels ausgebildet sind, können sowohl jeweils einzeln als auch untereinander beliebig kombinierbar ausgebildet sein.

The inventive arrangements for cooling or for cooling an electric machine, such as

- The cooling with a cooling air mass flow, which is due to the rotational movement of the rotor through the cavity formed as a hollow shaft rotor carrier element and the openings in the wall of the hollow shaft and then conveyed through the gap between the iron segments of the stator
- The groove cooling, wherein the iron segments of the stator are formed in the groove areas with guide elements for guiding a coolant, wherein the groove areas are arranged on the facing, in each case in the direction of the gap between the iron segments aligned side surfaces, and
- The back cooling of the iron segments of the stator, also referred to as Statorjochkühlung, in which the iron segments of the stator on the at least one of the stator support member held arranged side surface with guide elements for guiding a coolant are formed, both individually and with each other can be formed arbitrarily combined.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnungen besteht zum einen in der besonderen geometrischen Anordnung der Wärmesenken und zum anderen in der Einzelausführung sowie der Kombination aus verschiedenen Verfahren zur separaten Kühlung von Nut, Statorjoch und Luftspalt. Die Verlustwärme der elektrischen Maschine kann direkt an den Wärmequellen abgeführt werden, was eine hohe Effektivität und eine hohe Zuverlässigkeit der Kühlung gewährleistet.The advantage of the arrangements according to the invention consists, on the one hand, in the special geometric arrangement of the heat sinks and, on the other hand, in the individual design and the combination of different methods for separate cooling of groove, stator yoke and air gap. The heat loss of the electrical machine can be dissipated directly to the heat sources, which ensures high efficiency and high reliability of cooling.

Die erfindungsgemäße Lösung weist weitere diverse Vorteile auf:

– deutliche Vergrößerung der Moment- und Leistungsdichte einer hochpoligen, ein- oder mehrphasigen elektrischen Maschine mit Ringwicklung und segmentierten Magnetkreisen,
– Entwärmungsverfahren für Nut und Joch des Eisensegmentes des Stators sind unabhängig von der Drehzahl des Rotors und damit insbesondere für energieeffiziente Antriebe mit einem großen Drehzahlstellbereich geeignet,
– durch die Unabhängigkeit der Kühlmittelkreisläufe für den Nut-Joch-Bereich des Stators und den Rotor ergeben sich thermische Reserven für einen Notlaufbetrieb der Maschine bei Ausfall einer der Kühlmittelkreisläufe bis zum sicheren Abschalten der Belastung,
– vom Kühlmittel unabhängige Flüssigkeitskühlung – aufgrund der Erdung der Kühlkanäle und der Freiheit bei der Materialwahl für die Kühlkanäle sind verschiedene Kühlmedien nutzbar und je nach Anwendungsfall wählbar, sowie
– Gewährleistung eines an die Umgebungsbedingungen angepassten optimalen Betriebes der Kühlung.

The solution according to the invention has further various advantages:

Significant increase in the torque and power density of a high-pole, single-phase or multi-phase electric machine with ring winding and segmented magnetic circuits,
- Entwärmungsverfahren for groove and yoke of the iron segment of the stator are independent of the speed of the rotor and thus particularly suitable for energy-efficient drives with a large speed range,
- Due to the independence of the coolant circuits for the groove yoke region of the stator and the rotor, there are thermal reserves for emergency operation of the machine in case of failure of one of the coolant circuits until safe switching off the load,
- Coolant-independent liquid cooling - due to the grounding of the cooling channels and the freedom in the choice of material for the cooling channels different cooling media are available and selectable depending on the application, as well
- Ensure optimal cooling operation adapted to the ambient conditions.

Die Anordnungen der vorliegenden Erfindung als Teil eines Kühlkonzeptes sind damit einer der Schlüsselfaktoren zur Ausbildung einer kompakten elektrischen Maschine, beispielsweise eines kompakten Motors, mit einer großen mechanischen Leistung.The arrangements of the present invention as part of a cooling concept are thus one of the key factors for forming a compact electric machine, for example a compact motor, with a large mechanical power.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1: eine elektrische Maschine mit einer Anordnung zur Luftspaltkühlung, 1 an electric machine with an arrangement for air gap cooling,

2: einen Stator einer elektrischen Maschine mit Rechteck-Hohlprofil am Nutgrund zur Nutkühlung, 2 : a stator of an electric machine with rectangular hollow profile at the groove bottom for groove cooling,

3: einen Stator einer elektrischen Maschine mit Rechteck-Hohlprofilen an den Nutflanken zur Nutkühlung, 3 : a stator of an electric machine with rectangular hollow profiles on the groove flanks for groove cooling,

4: einen Stator einer elektrischen Maschine mit kreisförmigen Hohlprofilen in den Ecken der magnetischen Aktivteile zur Rückenkühlung, 4 : a stator of an electric machine with circular hollow profiles in the corners of the magnetic active parts for back cooling,

5: eine elektrische Maschine mit kreisförmigen Hohlprofilen am Übergang zwischen einem H-förmig ausgebildeten Stator und einem Statorträgerelement zur Rückenkühlung, 5 an electric machine with circular hollow profiles at the transition between a H-shaped stator and a stator support element for back cooling,

6: eine elektrische Maschine mit kreisförmigem Hohlprofil als Kühlwendel in einem Statorträgerelement zur Rückenkühlung, 6 : an electric machine with a circular hollow profile as a cooling coil in a stator support element for back cooling,

7: eine elektrische Maschine mit kreisförmigen Hohlprofilen im Nutbereich eines H-förmig ausgebildeten Stators zur Nutkühlung und kreisförmigen Hohlprofilen am Übergang zwischen dem Stator und einem Statorträgerelement zur Rückenkühlung sowie 7 An electric machine with circular hollow profiles in the groove area of a H-shaped stator for groove cooling and circular hollow profiles at the transition between the stator and a stator support element for back cooling and

8: eine elektrische Maschine mit kreisförmigen Hohlprofilen im Nutbereich eines Stators zur Nutkühlung und kreisförmigen Hohlprofilen in den Ecken der magnetischen Aktivteile zur Rückenkühlung. 8th : An electric machine with circular hollow profiles in the groove area of a stator for groove cooling and circular hollow profiles in the corners of the magnetic active parts for back cooling.

In 1 ist eine elektrische Maschine mit einer Anordnung 1 zur Luftspaltkühlung dargestellt. Die Maschine, insbesondere ein Elektro-Motor, weist einen Rotor 2 mit daran angeordneten Erregerelementen 3 auf, welche zwischen beziehungsweise in einem Stator 6 beweglich angeordnet sind. Der drehbewegliche Rotor 2 ist an einem Rotorträgerelement 4 befestigt. Das Rotorträgerelement 4 rotiert mit dem daran angeordneten Rotor 2 um eine Rotationsachse 5. Der Rotor 2 wird mit den als Dauermagneten, Erregerspulen oder aus weichmagnetischem Pulververbundwerkstoff ausgebildeten Erregerelementen 3 innerhalb des Stators 6 bewegt. Die Statoreisenkreise beziehungsweise Eisensegmente, auch als Kern einer Spule bezeichnet, und Spulen aus Drahtwicklungen umfassende Stator 6 ist an einem zweiteiligen Statorträgerelement 7 gehaltert. Die Teile des Statorträgerelementes 7 sind in radialer Richtung außen durch ein Statorstützelement 8, welches die Form eines Ringes aufweist, mechanisch miteinander verbunden.In 1 is an electric machine with an arrangement 1 shown for air gap cooling. The machine, in particular an electric motor, has a rotor 2 with exciter elements arranged thereon 3 on which between or in a stator 6 are movably arranged. The rotatable rotor 2 is on a rotor carrier element 4 attached. The rotor carrier element 4 rotates with the rotor arranged thereon 2 around a rotation axis 5 , The rotor 2 is formed with the exciter elements formed as permanent magnets, excitation coils or soft magnetic powder composite material 3 inside the stator 6 emotional. The stator iron circles or iron segments, also referred to as the core of a coil, and coils of wire windings comprising stator 6 is on a two-part stator support element 7 supported. The parts of the stator support element 7 are in the radial direction on the outside by a Statorstützelement 8th , which has the shape of a ring, mechanically interconnected.

Die Eisensegmente des Stators 6 sind derart in axialer Richtung gegenüberliegend und zueinander beabstandet angeordnet, dass der Rotor 2 in einem Spalt zwischen den Eisensegmenten beweglich ist. Die mit ihren Rücken jeweils am Statorträgerelement 7 angeordneten Eisensegmente weisen an ihren zugewandten Seiten jeweils einen Nutbereich 9 auf. Die Nutbereiche 9 sind in Richtung des Spaltes zwischen den Eisensegmenten des Stators 6 ausgerichtet. Für den Betrieb ist die elektrische Maschine mit mindestens zwei der in 1 dargestellten Anordnungen 1 ausgebildet, welche in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind.The iron segments of the stator 6 are so arranged in the axial direction opposite each other and spaced from each other, that the rotor 2 is movable in a gap between the iron segments. The with their backs on each Statorträgerelement 7 arranged iron segments have on their facing sides each have a groove area 9 on. The groove areas 9 are in the direction of the gap between the iron segments of the stator 6 aligned. For operation, the electric machine with at least two of the in 1 illustrated arrangements 1 formed, which are arranged side by side in the axial direction.

Zur Kühlung des Rotors 2 ist die elektrische Maschine derart konstruiert, dass durch die Drehbewegung des Rotors 2 im Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators 6 ein Kühlluftmassenstrom gefördert wird. Die Wandung des als Hohlwelle ausgebildeten Rotorträgerelementes 4 ist mit Öffnungen 10, 11 versehen. Unter den Öffnungen 10, 11 sind durch die Wandung hindurchgehende Bohrungen oder Löcher zu verstehen, welche den die Hohlwelle umschließenden Hohlraum mit dem Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators 6 strömungstechnisch verbinden. Durch die Öffnungen 10, 11 wird ein Teilluftmassenstrom der im Hohlraum des Rotorträgerelementes 4 in Strömungsrichtung 13 strömenden Kühlluft in den Spalt zwischen den Eisensegmenten des Stators 6, auch als Motorluftspalt bezeichnet, angesaugt. Die Öffnungen 10, 11 sind somit auch als Lufteinlässe zu verstehen. Der im Hohlraum des Rotorträgerelementes 4 verbleibende Teilluftmassenstrom strömt in Strömungsrichtung 14 in axialer Richtung weiter.For cooling the rotor 2 the electric machine is constructed such that by the rotational movement of the rotor 2 in the gap between the iron segments of the stator 6 a cooling air mass flow is promoted. The wall of the rotor carrier element designed as a hollow shaft 4 is with openings 10 . 11 Mistake. Under the openings 10 . 11 are to be understood through the wall holes or holes, which surrounds the hollow shaft enclosing cavity with the gap between the iron segments of the stator 6 fluidically connect. Through the openings 10 . 11 is a partial air mass flow in the cavity of the rotor carrier element 4 in the flow direction 13 flowing cooling air into the gap between the iron segments of the stator 6 , also referred to as engine air gap, sucked. The openings 10 . 11 are therefore also to be understood as air intakes. The in the cavity of the rotor carrier element 4 remaining partial air mass flow flows in the flow direction 14 in the axial direction on.

Der durch die Öffnungen 10, 11 geleitete Teilluftmassenstrom wird im Motorluftspalt als Kühlmedium in Strömungsrichtung 15 radial nach außen gefördert und am Maschinenumfang durch den Luftauslass 12 der Umgebungsluft als Abluft wieder zugeführt. Infolge der Nutzung der Bewegung des Rotors 2 in Verbindung mit dem durch den Motorluftspalt geförderten Luftmassenstrom entfällt die Notwendigkeit der Ausbildung eines separaten Lüfters auf der Motorwelle oder einer Fremdbelüftung sowie die Nutzung eines Rückkühlers.The through the openings 10 . 11 Guided partial air mass flow is in the engine air gap as a cooling medium in the flow direction 15 conveyed radially outwards and at the circumference of the machine through the air outlet 12 the ambient air supplied as exhaust air again. As a result of using the movement of the rotor 2 in connection with the air mass flow conveyed through the engine air gap eliminates the need for the formation of a separate fan on the motor shaft or a forced ventilation and the use of a recooler.

Die gleichmäßige Aufteilung des gesamten Luftmassenstroms durch den Motorluftspalt und damit die Gewährleistung einer gleichmäßigen Kühlung der elektrischen Maschine erfolgt durch eine entsprechende Größe der Durchmesser in axialer Richtung benachbart angeordneter Lufteinlässe 10, 11 am Rotorträgerelement 4. Das gilt ebenso für eine mehrphasige Ausbildung der elektrischen Maschine, wobei dort auch die Zuführung der Frischluft als Kühlmedium von beiden Seiten des Rotorträgerelementes 4 möglich ist. Die Durchmesser der in radialer Richtung zur Rotationsachse 5 durch die Wandung angeordneten Lufteinlässe 10, 11 und deren Abstände zueinander sind zum Erzielen optimaler thermischer und strömungsmechanischer Bedingungen an die Ausbildung der jeweiligen elektrischen Maschine angepasst.The uniform distribution of the total air mass flow through the engine air gap and thus ensuring a uniform cooling of the electric machine is carried out by a corresponding size of the diameter in the axial direction adjacent arranged air inlets 10 . 11 on the rotor carrier element 4 , This also applies to a multi-phase design of the electric machine, where there is also the supply of fresh air as a cooling medium from both sides of the rotor carrier element 4 is possible. The diameters of the radial axis to the axis of rotation 5 through the wall arranged air inlets 10 . 11 and their distances from each other are adapted to achieve optimal thermal and fluid mechanical conditions to the formation of the respective electric machine.

Die 2 und 3 zeigen den Stator 6 einer elektrischen Maschine jeweils mit einer Anordnung 1 zur Nutkühlung, aufweisend ein am Nutgrund angeordnetes Leitelement 16 als Rechteck-Hohlprofil gemäß 2 und an den Nutflanken angeordnete Leitelemente 17 als Rechteck-Hohlprofile gemäß 3.The 2 and 3 show the stator 6 an electric machine each with an arrangement 1 for slot cooling, comprising a guide element arranged on the groove base 16 as a rectangular hollow profile according to 2 and arranged on the groove edges guide elements 17 as rectangular hollow profiles according to 3 ,

Die Leitelemente 16, 17 sind als geschlossene Kanäle zum Leiten eines Kühlmittels innerhalb eines Kreislaufes ausgebildet und direkt mit den Eisensegmenten des Stators 6 thermisch kontaktiert. Mit Hilfe des derart konfigurierten Kreislaufes eines Kühlmittels wird eine erzwungene Flüssigkeitskühlung der Wicklungen und der Eisensegmente des Stators 6 gewährleistet. Die betriebsmäßig nicht-stromführenden Leitelemente 16, 17 sind als separate Kanäle in den Nutbereichen 9 der Eisensegmente des Stators 6 angeordnet. Bei sich im Zustand des Betriebes befindender Maschine erfolgt die Leitung des Stroms auslegungsgemäß in den Wicklungen. Durch dabei auftretende Felder der Wicklungen werden jedoch auch Spannungen in den Leitelementen 16, 17 induziert, sodass Ströme fließen. Die erzeugten Wirbelströme führen zu Verlusten, tragen aber nicht zur Bildung eines Drehmomentes an der Welle bei. Zur Verringerung der durch die Wirbelströme hervorgerufenen Verluste werden die Leitelemente 16, 17 bevorzugt am Nutgrund angeordnet und weisen eine geringe Wandstärke auf.The guiding elements 16 . 17 are formed as closed channels for conducting a coolant within a circuit and directly with the iron segments of the stator 6 thermally contacted. With the aid of the thus configured circulation of a coolant, a forced liquid cooling of the windings and the iron segments of the stator 6 guaranteed. The operational non-energized vanes 16 . 17 are as separate channels in the groove areas 9 the iron segments of the stator 6 arranged. When the machine is in the state of operation, the power is routed according to the design in the windings. By occurring fields of the windings but also stresses in the vanes 16 . 17 induced, so that currents flow. The generated eddy currents lead to losses, but do not contribute to the formation of a torque at the shaft. To reduce the losses caused by the eddy currents losses are the guiding elements 16 . 17 preferably arranged on the groove base and have a low wall thickness.

In der Ausführungsform nach 2 erstrecken sich die Leitelemente 16 über den gesamten Nutgrund des Nutbereiches 9. Dabei wird die zur Verfügung stehende Fläche des Nutgrundes vollständig als Wärmeübertragungsfläche genutzt. Die Schmalseiten des Rechteck-Hohlprofiles der Leitelemente 16 liegen an den Nutflanken an, sodass auch die Schmalseiten zur Wärmeabfuhr von den Wicklungen und den Eisensegmenten des Stators 6 an das Kühlmittel genutzt werden. In der Ausführungsform gemäß 3 erstrecken sich die Leitelemente 17 entlang der Nutflanken des Nutbereiches 9. Die Schmalseiten der Rechteck-Hohlprofile der Leitelemente 17 liegen jeweils am Nutgrund an, sodass auch über die am Eisensegment anliegenden Schmalseiten Wärme von den Wicklungen und den Eisensegmenten des Stators 6 an das Kühlmittel übertragen wird.In the embodiment according to 2 extend the guide elements 16 over the entire groove base of the groove area 9 , The available surface of the groove bottom is used completely as a heat transfer surface. The narrow sides of the rectangular hollow profile of the guide elements 16 lie on the groove edges, so that the narrow sides for heat dissipation from the windings and the iron segments of the stator 6 be used on the coolant. In the embodiment according to 3 extend the guide elements 17 along the groove flanks of the groove area 9 , The narrow sides of the rectangular hollow sections of the guide elements 17 lie respectively on the groove bottom, so that also on the adjoining the iron segment narrow sides heat from the windings and the iron segments of the stator 6 is transferred to the coolant.

Da die Leitelemente 16, 17 als nicht-isolierte Leitungen ausgebildet sind, ist ein nahezu idealer thermischer Kontakt mit den umliegenden zu kühlenden Elementen herstellbar. Damit wird eine effektive Kühlung der Wicklungen und der anliegenden Komponenten der Eisensegmente des Stators 6 ermöglicht.As the guiding elements 16 . 17 are designed as non-insulated lines, a nearly ideal thermal contact with the surrounding elements to be cooled can be produced. This is effective cooling of the windings and the adjacent components of the iron segments of the stator 6 allows.

Die Kühlung mehrphasiger Anordnungen erfolgt durch eine getrennte und voneinander unabhängige Durchströmung der einzelnen Phasen mit dem Kühlmittel.The cooling of multiphase arrangements is effected by a separate and independent flow through the individual phases with the coolant.

In den 4 bis 6 werden jeweils der Stator 6 einer elektrischen Maschine mit einer Anordnung 1 zur Rückenkühlung, aufweisend als kreisförmige Hohlprofile ausgebildete Leitelemente 18, 19, 20 dargestellt. Die Hohlprofile können auch andere eckige Querschnittsformen, wie eine rechteckige oder eine vieleckige Form, beziehungsweise andere runde Querschnittsformen, wie eine ovale Form, aufweisen. In the 4 to 6 each become the stator 6 an electric machine with an arrangement 1 for back cooling, having designed as circular hollow profiles guide elements 18 . 19 . 20 shown. The hollow profiles may also have other polygonal cross-sectional shapes, such as a rectangular or a polygonal shape, or other circular cross-sectional shapes, such as an oval shape.

Die die Form eines Rohres mit kreisrundem Querschnitt aufweisenden Leitelemente 18, 19 sind entweder gemäß 4 in den Ecken der magnetischen Aktivteile der Eisensegmente des Stators 6, auch als Statorjoch bezeichnet, oder gemäß 5 zwischen dem H-förmig ausgebildeten Stator 6 und dem Statorträgerelement 7 angeordnet und dabei jeweils am Übergang vom Stator 6 zum Statorträgerelement 7 direkt mit den Eisensegmenten des Stators 6 und dem Statorträgerelement 7 thermisch kontaktiert. Gemäß der Ausführungsform nach 6 sind die die Form eines Rohres mit kreisrundem Querschnitt aufweisenden Leitelemente 20 zu einer Kühlwendel im Statorträgerelement 7 integriert angeordnet. Dabei wird die Wärme vom Stator 6 an das Statorträgerelement 7 sowie vom Statorträgerelement 7 an das in den Kühlwendeln strömende Kühlmittel übertragen. Die Wärme wird von den Wicklungen und vom Stator 6 abgeführt.The form of a tube having a circular cross-section having guide elements 18 . 19 are either according to 4 in the corners of the magnetic active parts of the iron segments of the stator 6 , also referred to as stator yoke, or according to 5 between the H-shaped stator 6 and the stator support member 7 arranged and in each case at the transition from the stator 6 to the stator support element 7 directly with the iron segments of the stator 6 and the stator support member 7 thermally contacted. According to the embodiment according to 6 are the guide elements having the shape of a tube with a circular cross-section 20 to a cooling coil in the stator support element 7 integrated arranged. The heat from the stator 6 to the stator support element 7 as well as the stator support element 7 transferred to the coolant flowing in the cooling coils. The heat is from the windings and from the stator 6 dissipated.

Die betriebsmäßig nicht-stromführenden Leitelemente 18, 19, 20 sind wiederum als geschlossene Kanäle zum Leiten eines Kühlmittels innerhalb eines Kreislaufes für eine erzwungene Flüssigkeitskühlung ausgebildet. Zur Kühlung des Statorjochs beziehungsweise des Rückens und damit der Wärmeübertragung vom Stator 6 an das in den Leitelementen 18, 19, 20 strömende Kühlmittel werden die Leitelemente 18, 19, 20 direkt in das Statorjoch und/oder in das angrenzende Statorträgerelement 7 eingebracht. Damit werden die Wärmeverluste des Stators 6 sicher und effizient abgeführt.The operational non-energized vanes 18 . 19 . 20 are in turn formed as closed channels for conducting a coolant within a forced liquid cooling circuit. For cooling the stator yoke or the back and thus the heat transfer from the stator 6 to that in the guiding elements 18 . 19 . 20 flowing coolant become the guiding elements 18 . 19 . 20 directly into the stator yoke and / or into the adjacent stator support element 7 brought in. This will be the heat losses of the stator 6 safely and efficiently dissipated.

Die unterschiedlichen Anordnungen 1 zur Kühlung der elektrischen Maschine, wie die Luftspaltkühlung zur direkten Wärmeabfuhr vom Rotor 2 und vom Stator 6 an Kühlluft, die Nutkühlung zur direkten Wärmeabfuhr vom Stator 6 und die Rückenkühlung zur direkten Wärmeabfuhr vom Stator 6 oder zur indirekten Wärmeabfuhr vom Stator 6 über das Statorträgerelement 7 an ein flüssiges Kühlmittel sind sowohl jeweils einzeln als auch in beliebiger Kombination untereinander ausführbar und betreibbar.The different arrangements 1 for cooling the electric machine, such as the air gap cooling for direct heat dissipation from the rotor 2 and from the stator 6 on cooling air, the groove cooling for direct heat dissipation from the stator 6 and the back cooling for direct heat removal from the stator 6 or for indirect heat dissipation from the stator 6 over the stator support member 7 to a liquid coolant are both individually and in any combination with each other executable and operable.

Die 7 und 8 zeigen jeweils den Stator 6 einer elektrischen Maschine mit einer Anordnung 1 zur Nutkühlung und zur Rückenkühlung mit als kreisförmige Hohlprofile ausgebildeten Leitelementen 21, 22. Die Anordnungen 1 weisen im Nutbereich 9 des Stators 6 angeordnete Leitelemente 21 sowie an den Übergängen zwischen den magnetischen Aktivteilen der Eisensegmente des Stators 6 und dem Statorträgerelement 7 angeordnete Leitelemente 22 auf. Die Leitelemente 21 sind direkt mit den Eisensegmenten des Stators 6 und die Leitelemente 22 sind direkt mit den Eisensegmenten des Stators 6 sowie dem Statorträgerelement 7 thermisch kontaktiert. Die Berührungskanten von Nutgrund und Nutflanke der Nutbereiche 9 sind jeweils mit Radien ausgebildet, welche den Außenradien der die Form eines Rohres mit kreisrundem Querschnitt aufweisenden Leitelemente 21 entsprechen. Damit werden die Leitelemente 21 in die Nutbereiche 9 derart eingepasst, dass ein möglichst großer Bereich der Berührungskanten von Nutgrund und Nutflanke als Wärmeübertragungsfläche genutzt wird.The 7 and 8th each show the stator 6 an electric machine with an arrangement 1 for groove cooling and back cooling with designed as a circular hollow profiles guide elements 21 . 22 , The arrangements 1 show in the groove area 9 of the stator 6 arranged guide elements 21 as well as at the transitions between the magnetic active parts of the iron segments of the stator 6 and the stator support member 7 arranged guide elements 22 on. The guiding elements 21 are directly with the iron segments of the stator 6 and the guiding elements 22 are directly with the iron segments of the stator 6 and the stator support member 7 thermally contacted. The contact edges of groove base and groove flank of the groove areas 9 are each formed with radii which the outer radii of the shape of a tube having a circular cross-section having guide elements 21 correspond. This will be the guiding elements 21 in the groove areas 9 fitted such that the largest possible area of the contact edges of groove base and groove flank is used as a heat transfer surface.

Aufgrund des Einsatzes der betriebsmäßig nicht-stromführenden Leitelemente 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, das heißt der Erdpotenzial aufweisenden Kanäle, und der Freiheit bei der Auswahl des Materials für die Leitelemente 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 sind je nach Anwendungsfall verschiedene Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf nutzbar. Damit ist eine vom Kühlmittel unabhängige Flüssigkeitskühlung möglich.Due to the use of operationally non-energized vanes 16 . 17 . 18 . 19 . 20 . 21 . 22 that is, the earth potential channels, and freedom in selecting the material for the vanes 16 . 17 . 18 . 19 . 20 . 21 . 22 Depending on the application, different coolants in the coolant circuit can be used. For a liquid coolant independent of the coolant is possible.

Die unterschiedlichen Ausbildungen der Leitelemente 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 als Rechteck-Hohlprofil oder mit kreisrundem Querschnitt sind in Verbindung mit den unterschiedlichen Anordnungen der Leitelemente 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 im Nutbereich 9 und/oder am Übergang von den Eisensegmenten des Stators 6 zum Statorträgerelement 7 jeweils beliebig kombinierbar.The different designs of the guide elements 16 . 17 . 18 . 19 . 20 . 21 . 22 As a rectangular hollow profile or with a circular cross section are in connection with the different arrangements of the guide elements 16 . 17 . 18 . 19 . 20 . 21 . 22 in the groove area 9 and / or at the transition from the iron segments of the stator 6 to the stator support element 7 in any combination.

Der Stator 6 wird entweder aus aus dem Stand der Technik bekannten Blechpaketen aus geschichteten, elektrisch isolierten Blechen oder aus Pulververbundwerkstoffen, sogenannten SMC, ausgebildet. Die Abkürzung SMC steht dabei für „soft magnetic compound“. Bei den Statoren 6 aus Pulververbundwerkstoffen werden sehr kleine Partikel aus weichmagnetischem Material mit einer Isolierschicht überzogen und anschließend verpresst. Das derart ausgebildete SMC-Material weist eine dreidimensionale Isotropie, einen geringen elektrischen Leitwert sowie eine komplexe Geometrie mit einer räumlichen Gestaltungsfreiheit auf und ist einfach zu fertigen.The stator 6 is formed either from known from the prior art laminated core of layered, electrically insulated sheets or powder composite materials, so-called SMC. The abbreviation SMC stands for "soft magnetic compound". At the stators 6 made of powder composite materials very small particles of soft magnetic material are coated with an insulating layer and then pressed. The thus formed SMC material has a three-dimensional isotropy, a low electrical conductance and a complex geometry with a spatial design freedom and is easy to manufacture.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Anordnungarrangement
2 2: Rotorrotor
3 3: Erregerelementexciter element
4 4: RotorträgerelementRotor support member
5 5: Rotationsachseaxis of rotation
6 6: Statorstator
7 7: StatorträgerelementStatorträgerelement
8 8th: Statorstützelementstator support
9 9: Nutbereichgroove region
10 10: Öffnung, Lufteinlass Opening, air intake
1111: Öffnung, Lufteinlass Opening, air intake
1212: Luftauslass air outlet
1313: Strömungsrichtung der Kühlluft am Einlass in Rotorträgerelement 4 Flow direction of the cooling air at the inlet in rotor carrier element 4
1414: Strömungsrichtung der Kühlluft im Rotorträgerelement 4 Flow direction of the cooling air in the rotor carrier element 4
1515: Strömungsrichtung der Kühlluft durch Motorluftspalt Flow direction of the cooling air through the engine air gap
1616: Leitelement vane
1717: Leitelement vane
1818: Leitelement vane
1919: Leitelement vane
2020: Leitelement vane
2121: Leitelement vane
2222: Leitelement vane

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10112532 A1 [0003]
DE 102009021540 A1 [0004]
DE 102007003247 A1 [0005]
DE 102011008769 A1 [0006]

Claims

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine, comprising a rotor ( 2 ) as well as a rotor carrier element ( 4 ), which about a rotation axis ( 5 ) are rotatably supported, and a stator ( 6 ) as well as a stator support element ( 7 ), wherein the rotor ( 3 ) in a gap between in the axial direction opposite and spaced apart iron segments of the stator ( 6 ) is movable, characterized in that the rotor carrier element ( 4 ) is formed as a hollow shaft with a wall, wherein the wall openings ( 10 . 11 ) as fluidic connections between the cavity enclosed by the hollow shaft and the gap between the iron segments of the stator ( 6 ), so that by the rotational movement of the rotor ( 2 ) in the gap between the iron segments of the stator ( 6 ), a cooling air mass flow is conveyed, which through the cavity of the rotor carrier element ( 4 ) and the openings ( 10 . 11 ) is sucked into the gap and through an air outlet ( 12 ) is dissipatable.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine according to claim 1, characterized in that the gap between the iron segments of the stator ( 6 ) in the radial direction to the axis of rotation ( 5 ) is arranged so that the cooling air mass flow is conveyed radially outward in the gap.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine, comprising a rotor ( 2 ) as well as a rotor carrier element ( 4 ), which about a rotation axis ( 5 ) are rotatably supported, and a stator ( 6 ) as well as a stator support element ( 7 ), wherein the rotor ( 2 ) in a gap between in the axial direction opposite and spaced apart iron segments of the stator ( 6 ) is movable, characterized in that the iron segments of the stator ( 6 ) on mutually facing side surfaces in each case one in the direction of the gap between the iron segments of the stator ( 6 ) aligned groove area ( 9 ), and that in the groove area ( 9 ) Guiding elements ( 16 . 17 . 21 ) are arranged, wherein the guide elements ( 16 . 17 . 21 ) are formed as closed channels for conducting a coolant and with the iron segments of the stator ( 6 ) are thermally contacted.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine according to claim 3, characterized in that the guide elements ( 21 ) are formed as a hollow profile with a circular flow cross-section.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine according to claim 3, characterized in that the guide elements ( 16 . 17 ) are formed as a rectangular hollow profile with a rectangular flow cross-section.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electrical machine according to one of claims 3 to 5, characterized in that the guide elements ( 16 . 21 ) at a groove bottom of the groove area ( 9 ) are arranged.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electrical machine according to one of claims 3 to 5, characterized in that the guide elements ( 17 . 21 ) on groove flanks of the groove area ( 9 ) are arranged.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine, comprising a rotor ( 2 ) as well as a rotor carrier element ( 4 ), which about a rotation axis ( 5 ) are rotatably supported, and a stator ( 6 ) as well as a stator support element ( 7 ), wherein the rotor ( 2 ) in a gap between in the axial direction opposite and spaced apart iron segments of the stator ( 6 ) is movable, characterized in that the iron segments of the stator ( 6 ) on a side surface on a stator support element ( 7 ) are arranged, and that on the side surfaces of the iron segments of the stator ( 6 ) Guiding elements ( 18 . 19 . 20 . 22 ) are arranged, wherein the guide elements ( 18 . 19 . 20 . 22 ) are formed as closed channels for conducting a coolant.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine according to claim 8, characterized in that the guide elements ( 18 . 19 . 22 ) between the side surfaces of the iron segments of the stator ( 6 ) and the stator support element ( 7 ) are arranged, wherein the guide elements ( 18 . 19 . 22 ) with the iron segments of the stator ( 6 ) and the stator support element ( 7 ) are thermally contacted.

Arrangement ( 1 ) for cooling an electric machine according to claim 8, characterized in that the guide elements ( 20 ) in the stator support element ( 7 ) are arranged, wherein the guide elements ( 20 ) with the Statorträgerelement ( 7 ) are thermally contacted.

Arrangement ( 1 ) For cooling an electrical machine according to one of claims 3 to 10, characterized in that the guide elements ( 16 . 17 . 18 . 19 . 20 . 21 . 22 ) are formed of a thermally conductive and operationally non-current-carrying material.