DE102012210120A1

DE102012210120A1 - Electric machine e.g. air-cooled electric machine has specific cooling circuit that is separated fluidically from other cooling circuit, such that specific circuit is enclosed together with respective exit region of end windings

Info

Publication number: DE102012210120A1
Application number: DE201210210120
Authority: DE
Inventors: Frank Seibicke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-12-19

Abstract

The electric machine has a pair of cooling circuit (3,4) that is provided for respectively circulating the cooling medium in controllable fluid-flow machine (7,8), independent of the rotation speed of rotor (1). The rotor and laminated stator core (5) are cooled by a specific cooling medium of cooling circuit (3). The cooling circuit (4) is separated fluidically from the cooling circuit (3) by housing (9), such that the cooling circuit (4) is enclosed together with respective winding exit region of associated end windings (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, einem ersten Kühlkreislauf und zumindest einem zweiten Kühlkreislauf, wobei der Stator ein Stator-Blechpaket mit Wicklungen aufweist, welche an den beiden axialen Enden des Rotors jeweils an einem Wicklungsaustrittsbereich aus dem Stator-Blechpaket herausragen und jeweils einen zugehörigen Wickelkopf bilden. The invention relates to an electrical machine having a rotor and a stator, a first cooling circuit and at least one second cooling circuit, wherein the stator has a stator laminated core with windings, which at the two axial ends of the rotor in each case at a winding exit region of the stator laminated core protrude and each form an associated winding head.

Eine derartige elektrische Maschine kommt beispielsweise als luftgekühlte elektrische Maschine zum Einsatz. Solche Maschinen werden oftmals entweder mit Hilfe eines fremd- oder selbstbelüfteten Kühlkreislaufes betrieben. Such an electric machine is used, for example, as an air-cooled electric machine. Such machines are often operated either with the help of a foreign or self-ventilated cooling circuit.

Dabei wird bei eigenbelüfteten Maschinen beispielsweise ein paralleler Kühlkreislauf über den Wickelkopf und das Stator-Blechpaket vorgesehen, da die durch das Stator-Blechpaket förderbare Kühlluftmenge beschränkt ist. Bei fremdbelüfteten Maschinen wird aus konstruktiven Gründen die Kühlluft oberhalb der Wickelköpfe in die Maschine geblasen und im Stator-Blechpaket abgesaugt. In the case of self-ventilated machines, for example, a parallel cooling circuit is provided over the winding head and the stator laminated core, since the amount of cooling air that can be conveyed through the stator laminated core is limited. For externally ventilated machines, the cooling air above the winding heads is blown into the machine for structural reasons and extracted in the stator core.

Aus der DE 10 2010 029 986 A1 ist eine dynamoelektrische Maschine mit Luft-Flüssigkeitskühlung bekannt. Ein erster Kühlkreislauf wird durch das Gehäuse der Maschine begrenzt, wobei Luft als Kühlmedium anhand von Eigenlüftern umgewälzt werden kann. Mittels des ersten Kühlkreislaufs können sowohl das Stator-Blechpaket, die Wickelköpfe an beiden axialen Enden des Stators sowie der Rotor gekühlt werden. Ein zweiter Kühlkreislauf wird dadurch gebildet, dass das Gehäuse der Maschine einen Kühlmantel, insbesondere für Flüssigkeitskühlung aufweist. From the DE 10 2010 029 986 A1 is a dynamo-electric machine with air-liquid cooling known. A first cooling circuit is limited by the housing of the machine, wherein air can be circulated as a cooling medium using self-ventilators. By means of the first cooling circuit, both the stator laminated core, the winding heads at both axial ends of the stator and the rotor can be cooled. A second cooling circuit is formed in that the housing of the machine has a cooling jacket, in particular for liquid cooling.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung von elektrischen Maschinen weiter zu verbessern. The invention has for its object to further improve the cooling of electrical machines.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im ersten Kühlkreislauf ein erstes Kühlmedium mittels zumindest einer ersten, unabhängig von der Drehzahl des Rotors steuerbaren Strömungsmaschine umwälzbar ist, wobei im zumindest einen zweiten Kühlkreislauf jeweils ein zweites Kühlmedium mittels zumindest einer zweiten, unabhängig von der Drehzahl des Rotors steuerbaren Strömungsmaschine umwälzbar ist, wobei der Rotor und das Stator-Blechpaket mittels des ersten Kühlmediums kühlbar sind, und wobei der zumindest eine zweite Kühlkreislauf jeweils mittels eines Gehäuses, welches zusammen mit dem jeweiligen Wicklungsaustrittsbereich zumindest einen der zugehörigen Wickelköpfe umschließt, vom ersten Kühlkreislauf strömungstechnisch abgetrennt ist. This object is achieved by an electrical machine of the type mentioned above in that in the first cooling circuit, a first cooling medium by means of at least a first, independently of the rotational speed of the rotor controllable turbomachine is circulatable, wherein in at least one second cooling circuit in each case a second cooling medium by means of at least one second, independent of the rotational speed of the rotor controllable turbomachine is recirculatable, wherein the rotor and the stator laminated core can be cooled by means of the first cooling medium, and wherein the at least one second cooling circuit each by means of a housing, which together with the respective winding exit region at least one of the associated Winding heads surrounds, is separated fluidly from the first cooling circuit.

Unter dem Wicklungsaustrittsbereich wird dabei jener Bereich des Stator-Blechpakets verstanden, aus welchem die Wicklungen aus dem Stator-Blechpaket herausragen. Dadurch, dass sowohl die erste als auch die zweite Strömungsmaschine unabhängig von der Drehzahl des Rotors betrieben werden können, wird eine drehzahlunabhängige Kühlleistung der elektrischen Maschine erreicht. Dies ist von besonderem Vorteil bei Maschinen, welche bei niedrigen Drehzahlen betrieben werden, da dort von der Maschinendrehzahl abhängige Strömungsmaschinen nur eine geringe Kühlleistung erzielen. In this case, the region of the stator laminated core from which the windings protrude from the stator laminated core is understood as the winding outlet region. Characterized in that both the first and the second turbomachine can be operated independently of the rotational speed of the rotor, a speed-independent cooling capacity of the electric machine is achieved. This is of particular advantage in machines which are operated at low speeds, since there are dependent on the engine speed flow machines only a small cooling performance.

Die strömungstechnische Abtrennung der beiden Kühlkreisläufe erlaubt eine getrennte Kühlung der Wickelköpfe und des Stator-Blechpakets, bei welchen jeweils eine effiziente Wärmeabfuhr besonders wichtig ist. Somit kann also die Abwärme der Wickelköpfe in dem zweiten, separaten Kühlkreislauf abtransportiert werden, wobei gleichzeitig die Abwärme des Stator-Blechpakets in dem ersten, separaten Kühlkreislauf abtransportiert werden kann. Zusätzlich kann der erste Kühlkreislauf weiterhin die Abwärme des Rotors aufnehmen. The fluidic separation of the two cooling circuits allows separate cooling of the winding heads and the stator laminated core, in each of which an efficient heat dissipation is particularly important. Thus, therefore, the waste heat of the winding heads can be removed in the second, separate cooling circuit, at the same time the waste heat of the stator laminated core can be removed in the first, separate cooling circuit. In addition, the first cooling circuit can continue to absorb the waste heat of the rotor.

Die besonders effiziente Kühlung des Wickelkopfs einerseits und des Stator-Blechpakets und/oder des Rotors andererseits ergibt sich also dadurch, dass mittels der beiden Kreisläufe jeweils noch kaltes Kühlmedium zugeführt werden kann und deshalb besonders viel Abwärme aufgenommen werden kann. Dabei erlauben die von der Maschinendrehzahl unabhängigen Strömungsmaschinen jeweils eine große Kühlleistung auch bei vergleichsweise geringen Maschinendrehzahlen. The particularly efficient cooling of the winding head on the one hand and the stator laminated core and / or the rotor on the other hand results from the fact that each cold cooling medium can still be supplied by means of the two circuits and therefore very much waste heat can be absorbed. In each case, the turbomachines, which are independent of the engine speed, permit a large cooling capacity even at comparatively low engine speeds.

Auch bei vergleichsweise hohen Maschinendrehzahlen weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine sehr gute Kühlung auf, obwohl Eigenlüfter oder Strömungsmaschinen, welche drehfest mit der Welle der elektrischen Maschine verbunden sind, oftmals bei hohen Drehzahlen einen größeren Kühlmediumstrom bereitstellen können, als dies bei von der Maschinendrehzahl unabhängigen Strömungsmaschinen der Fall ist. Trotz des beschränkten Kühlmediumstroms wird die sehr gute Kühlung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine durch die oben erläuterte strömungstechnische Abtrennung des ersten vom zweiten Kühlkreislauf erreicht. Even with comparatively high engine speeds, the electric machine according to the invention has a very good cooling, although self-ventilating or turbomachinery, which are non-rotatably connected to the shaft of the electric machine, often can provide a larger cooling medium flow at high speeds than at turbomachinery independent of the machine speed the case is. Despite the limited cooling medium flow, the very good cooling of the electric machine according to the invention is achieved by the above-described fluidic separation of the first from the second cooling circuit.

Somit wird ein vollständig paralleler Kühlkreislauf über die Wickelköpfe gebildet, in welchem Wicklungsschilde in Form des Gehäuses den Wickelkopf vollständig einhausen und separate Lüfter und Kühlflächen den Kreislauf über den Wickelkopf bilden. Die Kombination einer parallelen Kühlkreisanordnung mit einer Fremdbelüftung erlaubt eine Erhöhung des Kühlmediumstroms bei fremdbelüfteten Maschinen und somit eine bessere Kühlung, was leistungsstärkere und gleichzeitig kompaktere elektrische Maschinen ermöglicht. Thus, a completely parallel cooling circuit is formed over the winding heads, in which winding shields in the form of the housing completely einhausen the winding head and separate fan and cooling surfaces form the circuit through the winding head. The combination of a parallel cooling circuit arrangement with a forced ventilation allows an increase of the cooling medium flow in externally ventilated machines and thus a better cooling, which enables more powerful and more compact electrical machines.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium jeweils gasförmig und die erste Strömungsmaschine und die zumindest eine zweite Strömungsmaschine jeweils als Lüfter ausgeführt. In an advantageous embodiment of the invention, the first cooling medium and the second cooling medium are each gaseous and the first turbomachine and the at least one second turbomachine are each designed as a fan.

Die Verwendung von Lüftern, insbesondere von Radiallüftern oder Axiallüftern, erlaubt eine besonders kostengünstige Kühlung, deren Kühlleistung oftmals schon ausreichend ist. Die strömungstechnische Abtrennung der beiden Kreisläufe ist bei einem gasförmigen Kühlmedium besonders einfach und kostengünstig zu realisieren, beispielsweise durch Bleche oder Kunststoffteile. The use of fans, in particular radial fans or axial fans, allows a particularly cost-effective cooling, the cooling capacity is often sufficient. The fluidic separation of the two circuits is particularly simple and inexpensive to implement in a gaseous cooling medium, for example by sheets or plastic parts.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kühlervorrichtung vorgesehen, die sich zumindest teilweise im ersten Kühlkreislauf und/oder zumindest einen zweiten Kühlkreislauf befindet. In a further advantageous embodiment of the invention, a cooler device is provided which is located at least partially in the first cooling circuit and / or at least one second cooling circuit.

Die Kühlervorrichtung kann beispielsweise als Luft-Wasser-Kühler bzw. CACW (closed air circuit water) ausgeführt sein. Die Kühlervorrichtung fungiert als eine Art Wärmetauscher, welcher die vom ersten Kühlkreislauf und/oder zweiten Kühlkreislauf aufgenommene Abwärme der elektrischen Maschine aufnimmt und diese Abwärme beispielsweise außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine wieder abgibt. Somit wird das jeweilige Kühlmedium des ersten Kühlkreislaufs und/oder des zweiten Kühlkreislaufs abgekühlt, was eine besonders leistungsstarke Kühlung des Stator-Blechpakets und des Rotors und/oder der Wickelköpfe der elektrischen Maschine ermöglicht. The cooler device can be designed, for example, as an air-water cooler or CACW (closed air circuit water). The cooler device acts as a kind of heat exchanger, which receives the heat absorbed by the first cooling circuit and / or second cooling circuit of the electric machine and this waste heat, for example, outside the housing of the electric machine again. Thus, the respective cooling medium of the first cooling circuit and / or the second cooling circuit is cooled, which allows a particularly powerful cooling of the stator laminated core and the rotor and / or the winding heads of the electric machine.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwei voneinander abgetrennte zweite Kühlkreisläufe mit jeweils einer Strömungsmaschine vorgesehen, wobei das jeweilige Gehäuse zusammen mit dem jeweiligen Wicklungsaustrittsbereich den jeweiligen Wickelkopf umschließt. In a further advantageous embodiment of the invention, two separate second cooling circuits are each provided with a turbomachine, wherein the respective housing encloses the respective winding head together with the respective winding exit region.

An den beiden axialen Enden des Stators sind zwei voneinander getrennte zweite Kühlkreisläufe vorgesehen, mittels welcher der jeweilige Wickelkopf kühlbar ist. Die beiden zweiten Kühlkreisläufe weisen jeweils eine Strömungsmaschine auf und werden mittels des jeweiligen Gehäuses vom ersten Kühlkreislauf strömungstechnisch abgetrennt. Das jeweilige Gehäuse kann dabei relativ kompakt ausgeführt werden, wobei insbesondere unter Verwendung einer Kühlervorrichtung, welche sich zumindest teilweise in den beiden zweiten Kühlkreisläufen befindet, die beiden Wickelköpfe sehr effizient gekühlt werden können. At the two axial ends of the stator two separate second cooling circuits are provided, by means of which the respective winding head is coolable. The two second cooling circuits each have a turbomachine and are fluidly separated from the first cooling circuit by means of the respective housing. The respective housing can be made relatively compact, in particular, using a cooler device, which is at least partially in the two second cooling circuits, the two winding heads can be cooled very efficiently.

Alternativ kann genau ein zweiter Kühlkreislauf vorgesehen sein, wobei das Gehäuse zusammen mit den beiden Wicklungsaustrittsbereichen die beiden Wickelköpfe umschließt. Auch diese Ausführungen erlaubt eine gute Kühlung der Wickelköpfe. Alternatively, exactly a second cooling circuit can be provided, wherein the housing encloses the two winding heads together with the two winding exit areas. These designs also allow a good cooling of the winding heads.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Stator-Blechpaket und/oder der Rotor jeweils radial verlaufende Kühlschlitze auf, wobei das erste Kühlmedium mittels der ersten Strömungsmaschine durch die Kühlschlitze hindurchführbar ist. In a further advantageous embodiment of the invention, the stator laminated core and / or the rotor each have radially extending cooling slots, wherein the first cooling medium can be passed through the cooling slots by means of the first turbomachine.

Mittels der Kühlschlitze wird eine besonders effektive Kühlung des Stator-Blechpakets und/oder des Rotors erreicht, weil diese somit eine größere Oberfläche aufweisen. By means of the cooling slots, a particularly effective cooling of the stator laminated core and / or the rotor is achieved because they thus have a larger surface area.

Beim Rotor kann dies insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Welle axial verlaufende Nuten aufweist und die erste Strömungsmaschine am ersten axialen Ende des Stators angeordnet ist. Weist der Rotor radial verlaufende Kühlschlitze auf, so kann das Kühlmedium zunächst am ersten axialen Ende der Welle in die Nuten eindringen und anschließend den Rotor nach radial außen durch die Kühlschlitze des Rotors verlassen. Somit kann der Rotor besonders gut gekühlt werden. In the case of the rotor, this can be achieved in particular in that the shaft has axially extending grooves and the first turbomachine is arranged at the first axial end of the stator. If the rotor has radially extending cooling slots, then the cooling medium can first penetrate into the grooves at the first axial end of the shaft and subsequently leave the rotor radially outward through the cooling slots of the rotor. Thus, the rotor can be cooled particularly well.

Wenn das Stator-Blechpaket radial verlaufende Kühlschlitze an den jeweiligen axialen Positionen der Kühlschlitze des Rotors aufweist, kann das Kühlmedium direkt von einem Kühlschlitz des Rotors radial weiter nach außen durch den radial anschließenden Kühlschlitz des Stator-Blechpakets geführt werden, so dass auch das Stator-Blechpaket sehr gut gekühlt werden kann. If the stator laminated core has radially extending cooling slots at the respective axial positions of the cooling slots of the rotor, the cooling medium can be guided radially further outward from a cooling slot of the rotor radially outwardly through the radially adjoining cooling slot of the stator laminated core, so that the stator core can also be guided. Sheet metal package can be cooled very well.

Dabei können die einzelnen Kühlschlitze des Stator-Blechpakets und des Rotors unterschiedliche axiale Dicken abhängig von der axialen Position der jeweiligen Kühlschlitze aufweisen. Beispielsweise können die Kühlschlitze vom ersten zum gegenüberliegenden, zweiten axialen Ende des Stators bzw. des Rotors eine zunehmende axiale Dicke aufweisen. Ist die erste Strömungsmaschine am ersten axialen Ende des Stators angeordnet, so ist der Druckgradient des Kühlmediums bei einem Kühlschlitz nahe des ersten axialen Endes des Stators größer als jener bei einem Kühlschlitz nahe des zweiten axialen Endes des Stators. Somit wird durch die unterschiedliche axiale Dicke der Kühlschlitze erreicht, dass durch die jeweiligen Kühlschlitze im Betrieb der elektrischen Maschine etwa gleich viel Kühlmedium hindurch fließen kann. The individual cooling slots of the stator laminated core and the rotor may have different axial thicknesses depending on the axial position of the respective cooling slots. For example, the cooling slots may have an increasing axial thickness from the first to the opposite, second axial end of the stator or the rotor. When the first turbomachine is disposed at the first axial end of the stator, the pressure gradient of the cooling medium at a cooling slot near the first axial end of the stator is greater than that at a cooling slot near the second axial end of the stator. Thus, it is achieved by the different axial thickness of the cooling slots that can flow through the respective cooling slots during operation of the electric machine about the same amount of cooling medium.

Denkbar ist auch, zwei erste Strömungsmaschinen an den beiden axialen Enden des Stators vorzusehen, so dass das Kühlmedium von den beiden axialen Enden in die axiale Mitte Rotors geführt werden kann. Weiterhin kann das Stator-Blechpaket radial verlaufende Kühlschlitze an den jeweiligen axialen Positionen der Kühlschlitze des Rotors aufweisen. Schließlich kann auch für diesen Fall vorgesehen werden, die Kühlschlitze mit unterschiedlichen axialen Dicken auszuführen, wobei die Kühlschlitze in der axialen Mitte des Stators dicker sind als die Kühlschlitze am ersten oder zweiten axialen Ende des Stators. It is also conceivable to provide two first flow machines at the two axial ends of the stator, so that the cooling medium is guided from the two axial ends into the axial center of the rotor can be. Furthermore, the stator laminated core may have radially extending cooling slots at the respective axial positions of the cooling slots of the rotor. Finally, it can also be provided in this case to carry out the cooling slots with different axial thicknesses, wherein the cooling slots in the axial center of the stator are thicker than the cooling slots at the first or second axial end of the stator.

Um bei Betrieb der elektrischen Maschine eine ausreichende Kühlleistung anhand des jeweiligen Kühlkreislaufs sicherzustellen, kann es hilfreich sein, die Strömungsrichtung des jeweiligen Kühlmediums anhand von Leitelementen, beispielsweise in Form von Leitblechen, oder -kunststoffteilen zu beeinflussen. Diese Leitelemente können dazu dienen, den jeweiligen Kühlmediumstrom in einem Kreislauf mit der folgenden Reihenfolge herumzuführen: von der jeweiligen Strömungsmaschine zum Stator-Blechpaket und/oder Rotor bzw. Wickelkopf, anschließend gegebenenfalls zur Kühlervorrichtung und schließlich wieder zur jeweiligen Strömungsmaschine. Somit lassen sich strömungstechnische "Kurzschlüsse" besonders effektiv verhindern, was die Kühlleistung positiv beeinflusst. In order to ensure a sufficient cooling performance based on the respective cooling circuit during operation of the electrical machine, it may be helpful to influence the flow direction of the respective cooling medium by means of guide elements, for example in the form of baffles or -kunststoffteilen. These guide elements can serve to guide the respective cooling medium flow in a cycle in the following sequence: from the respective turbomachine to the stator laminated core and / or rotor or winding head, then optionally to the cooler device and finally back to the respective turbomachine. Thus, fluidic "short circuits" can be particularly effectively prevented, which positively influences the cooling performance.

Die Kühlleistung der Kühlkreisläufe kann weiter erhöht werden, indem das Gehäuse derart ausgeformt ist, dass sich beispielsweise nach der jeweiligen Strömungsmaschine eine Art Düseneffekt einstellt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das jeweilige Kühlmedium durch einen Bereich mit verkleinertem Querschnitt fließt, wodurch die Fließgeschwindigkeit erhöht wird. The cooling capacity of the cooling circuits can be further increased by the housing is formed such that sets, for example, after the respective turbomachine, a kind of nozzle effect. This can be achieved by flowing the respective cooling medium through a region of reduced cross-section, which increases the flow rate.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen: In the following the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. Show it:

1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, 1 a longitudinal section of a first embodiment of the electrical machine according to the invention,

2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1, und 2 a section along the line AA in 1 , and

3 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. 3 a longitudinal section of a second embodiment of the electric machine according to the invention.

1 zeigt einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine weist eine Welle 12 mit axial verlaufenden Nuten 13 und einem drehfest auf der Welle 12 angeordneten Rotor 1 auf. Dabei weisen den Nuten 13 eine größere axiale Ausdehnung als der Rotor 1 auf, wobei der Rotor 1 ein Rotor-Blechpaket und radial verlaufende Kühlschlitze 11 aufweist. 1 shows a longitudinal section of a first embodiment of the electric machine according to the invention. The electric machine has a shaft 12 with axially extending grooves 13 and a rotationally fixed on the shaft 12 arranged rotor 1 on. Show the grooves 13 a greater axial extent than the rotor 1 on, with the rotor 1 a rotor laminated core and radially extending cooling slots 11 having.

Weiterhin weist die elektrische Maschine einen Stator mit einem Stator-Blechpaket 5 auf, welches radial verlaufende Kühlschlitze 14 aufweist, welche jeweils an derselben axialen Position wie die Kühlschlitze 11 des Rotors 1 angeordnet sind. Aus dem Stator-Blechpaket 5 ragen an den beiden axialen Enden Wickelköpfe 6 heraus. Für jeden der beiden Wickelköpfe 6 ist jeweils ein Gehäuse 9 vorgesehen, wobei jeder der Wickelköpfe 6 durch das jeweilige Gehäuse 9 zusammen mit dem jeweiligen Wicklungsaustrittsbereich umschlossen wird. Furthermore, the electric machine has a stator with a stator laminated core 5 on which radially extending cooling slots 14 each having the same axial position as the cooling slots 11 of the rotor 1 are arranged. From the stator laminated core 5 projecting end windings at the two axial ends 6 out. For each of the two winding heads 6 each is a housing 9 provided, each of the winding heads 6 through the respective housing 9 is enclosed together with the respective winding exit area.

Die beiden Gehäuse 9 grenzen somit jeweils einen geschlossenen Raum um die beiden Wickelköpfe 6 strömungstechnisch vom Raum außerhalb des jeweiligen Gehäuses 9 ab. Somit werden ein erster Kühlkreislauf 3 und zwei zweite Kühlkreisläufe 4 gebildet, wobei der erste Kühlkreislauf 3 beispielsweise durch ein nicht näher dargestelltes Maschinengehäuse begrenzt wird. The two housings 9 thus each bound a closed space around the two winding heads 6 fluidically from the space outside the respective housing 9 from. Thus, a first cooling circuit 3 and two second cooling circuits 4 formed, wherein the first cooling circuit 3 is limited for example by a not-shown machine housing.

Im ersten Kühlkreislauf 3 ist jeweils eine erste Strömungsmaschine 7 an den beiden axialen Enden des Stators angeordnet, mittels derer ein erstes Kühlmedium derart bewegt wird, dass es von den beiden axialen Enden des Rotors 1 zur axialen Mitte Rotors 1 geführt wird und dabei in die Nuten 13 des Rotors 1 eindringt. Anschließend kann das erste Kühlmedium den Rotor 1 durch die radialen Kühlschlitze 11 nach radial außen verlassen, wodurch dieser gekühlt wird. Weil die Kühlschlitze 14 des Stator-Blechpakets 5 jeweils an derselben axialen Position wie die Kühlschlitze 11 des Rotors 1 angeordnet sind, kann das Kühlmedium im Anschluss besonders gut in die Kühlschlitze 14 des Stator-Blechpakets 5 eindringen und wird dort ebenfalls nach radial außen geführt, wodurch das Stator-Blechpaket 5 gekühlt wird. Danach wird das erste Kühlmedium durch eine Kühlervorrichtung 10 geführt, an welche es die von der elektrischen Maschine aufgenommene Abwärme abgeben kann. Die Kühlervorrichtung 10 kann beispielsweise derart ausgeführt sein, dass die vom ersten Kühlmedium aufgenommene Abwärme aus der elektrischen Maschine herausgeführt wird. Schließlich wird das erste Kühlmedium von den jeweiligen ersten Strömungsmaschinen 7 wieder angesaugt. Dabei können die ersten Strömungsmaschinen 7 je nach Bedarf als Axial- oder Radialströmungsmaschine ausgeführt sein. In the first cooling circuit 3 is in each case a first turbomachine 7 arranged at the two axial ends of the stator, by means of which a first cooling medium is moved such that it from the two axial ends of the rotor 1 to the axial center of the rotor 1 is guided while in the grooves 13 of the rotor 1 penetrates. Subsequently, the first cooling medium, the rotor 1 through the radial cooling slots 11 leave radially outward, causing it to be cooled. Because the cooling slots 14 of the stator laminated core 5 each at the same axial position as the cooling slots 11 of the rotor 1 are arranged, the cooling medium can be particularly good in the cooling slots 14 of the stator laminated core 5 penetrate and is also guided radially outward there, whereby the stator laminated core 5 is cooled. Thereafter, the first cooling medium is passed through a cooler device 10 guided, to which it can deliver the heat absorbed by the electric machine. The cooler device 10 may for example be designed such that the heat absorbed by the first cooling medium waste heat is led out of the electric machine. Finally, the first cooling medium from the respective first turbomachines 7 sucked again. The first turbomachines can do this 7 be implemented as required as axial or radial flow machine.

Die Kühlervorrichtung 10 erstreckt sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel in axialer Richtung entlang des gesamten Stators und dringt weiterhin durch die jeweiligen Gehäuse 9 in die beiden zweiten Kühlkreisläufe 4 ein. Die Kühlervorrichtung 10 kann insbesondere quaderförmig ausgeführt sein oder bogenförmig in Umfangsrichtung ausgeführt sein, wobei ein solcher Kreisbogen beispielsweise 30° abdeckt. Die ersten Strömungsmaschinen 7 können sich beispielsweise in axialer Verlängerung der Kühlervorrichtung 10 befinden, wobei gegebenenfalls Leitelemente (nicht dargestellt) für das erste Kühlmedium vorzusehen sind, mit welchen sichergestellt werden kann, dass das gesamte erste Kühlmedium durch die beiden ersten Strömungsmaschinen 7 umgewälzt werden kann und kein strömungstechnischer „Kurzschluss“ auftritt. Derartige Leitelemente, beispielsweise in Form von Leitblechen oder – kunststoffen, können beispielsweise dazu verwendet werden, das aus dem Stator-Blechpaket herausströmende erste Kühlmedium zur Kühlervorrichtung 10 zu leiten und/oder das aus der Kühlervorrichtung 10 herausströmende erste Kühlmedium zu den ersten Strömungsmaschinen 7 zu leiten. The cooler device 10 extends according to this embodiment in the axial direction along the entire stator and continues to penetrate through the respective housing 9 in the two second cooling circuits 4 one. The cooler device 10 may in particular be executed cuboid or arcuately executed in the circumferential direction, such arc covers, for example, 30 °. The first turbomachines 7 can, for example, in axial extension of the cooler device 10 where appropriate Guide elements (not shown) are to be provided for the first cooling medium, with which it can be ensured that the entire first cooling medium through the two first turbomachines 7 can be circulated and no fluidic "short circuit" occurs. Such guide elements, for example in the form of baffles or - plastics, for example, can be used to the first cooling medium flowing out of the stator laminated core to the cooler device 10 to conduct and / or the cooler device 10 outflowing first cooling medium to the first turbomachines 7 to lead.

In den beiden zweiten Kühlkreisläufen 4 ist jeweils eine zweite Strömungsmaschine 8 vorgesehen, mittels welcher ein zweites Kühlmedium umgewälzt werden kann. Das zweite Kühlmedium wird bei Betrieb der elektrischen Maschine in Richtung des jeweiligen Wickelkopfs 6 bewegt und in Umfangsrichtung innerhalb des Gehäuses 9 um die Welle 12 herumgelenkt, wobei der jeweilige Wickelkopf 6 ständig mit dem zweiten Kühlmedium überstrichen wird. Dadurch wird eine sehr effektive Kühlung des jeweiligen Wickelkopfs 6 erreicht. Ist das zweite Kühlmedium um den gesamten Umfang herumgeführt, so wird es beispielsweise durch ein weiteres Leitelement 15 (siehe 2) in die Kühlervorrichtung 10 geführt, wo es die vom jeweiligen Wickelkopf 6 aufgenommene Abwärme abgeben kann. Schließlich wird das zweite Kühlmedium von der jeweiligen zweiten Strömungsmaschine 8 wieder angesaugt. In the two second cooling circuits 4 is in each case a second turbomachine 8th provided, by means of which a second cooling medium can be circulated. The second cooling medium is in operation of the electric machine in the direction of the respective winding head 6 moved and circumferentially within the housing 9 around the shaft 12 turned around, with the respective winding head 6 is constantly swept with the second cooling medium. This results in a very effective cooling of the respective winding head 6 reached. If the second cooling medium is guided around the entire circumference, it is, for example, by a further guide element 15 (please refer 2 ) in the cooler device 10 led, where it from the respective winding head 6 can dissipate absorbed waste heat. Finally, the second cooling medium from the respective second turbomachine 8th sucked again.

2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1 und veranschaulicht den Verlauf des zweiten Kühlmediums. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen dabei gleiche Gegenstände. 2 shows a section along the line AA in 1 and illustrates the course of the second cooling medium. Same reference numerals as in 1 denote the same objects.

Innerhalb des Gehäuses 9 kann der Wickelkopf 6 dadurch gekühlt werden, dass die zweite Strömungsmaschine 8 das zweite Kühlmedium umwälzt, welches mittels der Leitelemente 15 in Richtung des Wickelkopfs 6 geführt wird. Das zweite Kühlmedium bewegt sich anschließend innerhalb des Gehäuses 9 um die Welle 12 herum und überstreicht den Wickelkopf 6, der dadurch gekühlt wird. Durch die Leitelemente 15 wird das zweite Kühlmedium schließlich in die Kühlervorrichtung 10 gelenkt, wo das zweite Kühlmedium abgekühlt wird. Schließlich wird das zweite Kühlmedium wieder von der zweiten Strömungsmaschine 8 angesaugt. Die Leitelemente 15 verhindern dabei einen strömungstechnischen "Kurzschluss", der ansonsten auftreten würde, wenn das von der zweiten Strömungsmaschine 8 abgegebene zweite Kühlmedium direkt wieder von der zweiten Strömungsmaschine 8 angesaugt würde, ohne dabei den Wickelkopf 6 zu umströmen und zu kühlen. Inside the case 9 can the winding head 6 be cooled by the second turbomachine 8th the second cooling medium circulates, which by means of the guide elements 15 in the direction of the winding head 6 to be led. The second cooling medium then moves inside the housing 9 around the shaft 12 around and sweeps over the winding head 6 which is cooled by. Through the guide elements 15 Finally, the second cooling medium is in the cooler device 10 directed, where the second cooling medium is cooled. Finally, the second cooling medium is again from the second turbomachine 8th sucked. The guiding elements 15 prevent a fluidic "short circuit" that would otherwise occur if that of the second turbomachine 8th discharged second cooling medium directly back from the second turbomachine 8th sucked, without doing the winding head 6 to flow around and cool.

3 zeigt einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen dabei gleiche Gegenstände. Im Vergleich zu 1 ist der erste Kühlkreislauf 3 nahezu unverändert. Im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels ist jedoch genau ein zweiter Kühlkreislauf 4 vorgesehen, welcher die beiden Wickelköpfe 6 an den beiden axialen Enden des Stators gemeinsam kühlt. Dies wird dadurch erreicht, dass das Gehäuse 9 beide Wickelköpfe 6 umschließt und eine strömungstechnische Verbindung zwischen beiden Wickelköpfen 6 herstellt. 3 shows a longitudinal section of a second embodiment of the electric machine according to the invention. Same reference numerals as in 1 denote the same objects. Compared to 1 is the first cooling circuit 3 almost unchanged. In the context of the second embodiment, however, exactly one second cooling circuit 4 provided, which the two winding heads 6 Cools together at the two axial ends of the stator. This is achieved by the fact that the housing 9 both windings 6 encloses and a fluidic connection between two end windings 6 manufactures.

Der zweite Kühlkreislauf 4 weist im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels lediglich eine zweite Strömungsmaschine 8 auf, welche das zweite Kühlmedium zunächst zu einem der beiden Wickelköpfe 6 bewegen kann. Dieser Wickelkopf wird beispielsweise in Umfangsrichtung vollständig durch das zweite Kühlmedium umspült, indem der Kühlmittelstrom in zwei Hälften aufgespaltet wird und die eine Hälfte des Kühlmittelstroms beispielsweise den rechten Halbkreis des Wickelkopfs 6 und die andere Hälfte den linken Halbkreis (von der zweiten Strömungsmaschine 8 aus gesehen) umströmt. Dafür können gegebenenfalls geeignete Leitelemente 15 eingesetzt werden. The second cooling circuit 4 has in the context of the second embodiment, only a second turbomachine 8th on which the second cooling medium first to one of the two winding heads 6 can move. This winding head is completely surrounded, for example in the circumferential direction by the second cooling medium by the coolant flow is split into two halves and one half of the coolant flow, for example, the right semicircle of the winding head 6 and the other half the left semicircle (from the second turbomachine 8th seen from) flows around. For this purpose, if appropriate, suitable guide elements 15 be used.

Anschließend wird das zweite Kühlmedium innerhalb des Gehäuses 9 in axialer Richtung zum anderen Wickelkopf 6 geführt, welcher in ähnlicher Weise vollständig vom zweiten Kühlmedium umströmt wird. Danach wird das zweite Kühlmedium zur Kühlervorrichtung 10 geleitet, bei welcher das zweite Kühlmedium die von den beiden Wickelköpfen 6 aufgenommene Abwärme abgeben kann. Schließlich wird das zweite Kühlmedium durch das Gehäuse 9 zum anderen axialen Ende geführt, wo es von der zweiten Strömungsmaschine 8 wieder angesaugt wird. Subsequently, the second cooling medium within the housing 9 in the axial direction to the other winding head 6 passed, which is completely surrounded by the second cooling medium in a similar manner. Thereafter, the second cooling medium becomes the radiator device 10 passed, in which the second cooling medium from the two end windings 6 can dissipate absorbed waste heat. Finally, the second cooling medium through the housing 9 led to the other axial end, where it is from the second turbomachine 8th is sucked again.

Damit eine vollständige Umspülung der beiden Wickelköpfe 6 durch das zweite Kühlmedium sowie das Hin- und Herleiten des zweiten Kühlmediums von einem axialen Ende des Stators zum anderen axialen Ende möglich ist, kann das Gehäuse 9 beispielsweise derart ausgeführt sein, dass die axiale Verbindung zwischen zwei axialen Enden durch einen Kanal realisiert wird. Somit umfasst das Gehäuse 9 zwei solcher Kanäle, wobei der eine Kanal das zweite Kühlmedium in die eine Richtung leitet und der andere Kanal das zweite Kühlmedium in die andere Richtung leitet. So that a complete flushing of the two winding heads 6 is possible by the second cooling medium and the reciprocating the second cooling medium from one axial end of the stator to the other axial end, the housing 9 For example, be designed such that the axial connection between two axial ends is realized by a channel. Thus, the housing includes 9 two such channels, one channel directing the second cooling medium in one direction and the other channel directing the second cooling medium in the other direction.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, einem ersten Kühlkreislauf und zumindest einem zweiten Kühlkreislauf, wobei der Stator ein Stator-Blechpaket mit Wicklungen aufweist, welche an den beiden axialen Enden des Rotors jeweils an einem Wicklungsaustrittsbereich aus dem Stator-Blechpaket herausragen und jeweils einen zugehörigen Wickelkopf bilden. Um die Kühlung von elektrischen Maschinen weiter zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass im ersten Kühlkreislauf ein erstes Kühlmedium mittels zumindest einer ersten, unabhängig von der Drehzahl des Rotors steuerbaren Strömungsmaschine umwälzbar ist, wobei im zumindest einen zweiten Kühlkreislauf jeweils ein zweites Kühlmedium mittels zumindest einer zweiten, unabhängig von der Drehzahl des Rotors steuerbaren Strömungsmaschine umwälzbar ist, wobei der Rotor und das Stator-Blechpaket mittels des ersten Kühlmediums kühlbar sind, und wobei der zumindest eine zweite Kühlkreislauf jeweils mittels eines Gehäuses, welches zusammen mit dem jeweiligen Wicklungsaustrittsbereich zumindest einen der zugehörigen Wickelköpfe umschließt, vom ersten Kühlkreislauf strömungstechnisch abgetrennt ist.In summary, the invention relates to an electric machine having a rotor and a stator, a first cooling circuit and at least one second cooling circuit, wherein the stator has a stator laminated core with windings which at the two axial ends of the rotor in each case at a winding exit region from the stator Protrude the laminated core and each form an associated winding head. In order to further improve the cooling of electrical machines, it is proposed that in the first cooling circuit, a first cooling medium is circulated by means of at least a first, independently of the rotational speed of the rotor controllable turbomachine, wherein in at least one second cooling circuit in each case a second cooling medium by means of at least a second , Wherein the rotor and the stator laminated core can be cooled by means of the first cooling medium, and wherein the at least one second cooling circuit each by means of a housing, which together with the respective winding exit region at least one of the associated winding heads encloses, is separated fluidly from the first cooling circuit.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010029986 A1 [0004]

Claims

Electric machine with - a rotor ( 1 ) and a stator, - a first cooling circuit ( 3 ) and - at least one second cooling circuit ( 4 ), wherein the stator is a stator laminated core ( 5 ) having windings which at the two axial ends of the rotor in each case at a winding exit region of the stator laminated core ( 5 protrude and each have an associated winding head ( 6 ), characterized in that in the first cooling circuit ( 3 ) a first cooling medium by means of at least a first, regardless of the rotational speed of the rotor ( 1 ) controllable turbomachine ( 7 ) is recirculatable, wherein in at least one second cooling circuit ( 4 ) each have a second cooling medium by means of at least one second, independent of the rotational speed of the rotor ( 1 ) controllable turbomachine ( 8th ) is revolvable, wherein the rotor ( 1 ) and the stator laminated core ( 5 ) are coolable by means of the first cooling medium, and wherein the at least one second cooling circuit ( 4 ) each by means of a housing ( 9 ), which together with the respective winding exit region at least one of the associated winding heads ( 6 ), from the first cooling circuit ( 3 ) is separated fluidically.

Electric machine according to claim 1, wherein the first cooling medium and the second cooling medium are each gaseous and the first turbomachine ( 7 ) and the at least one second turbomachine ( 8th ) is designed as a fan.

Electric machine according to one of the preceding claims, wherein a cooler device ( 10 ) is provided which at least partially in the first cooling circuit ( 3 ) and / or at least one second cooling circuit ( 4 ) is located.

Electric machine according to one of the preceding claims, wherein two separate from each other second cooling circuits ( 4 ) each with a turbomachine ( 8th ) are provided, wherein the respective housing ( 9 ) together with the respective winding outlet region the respective winding head ( 6 ) encloses.

Electric machine according to one of the preceding claims, wherein the stator laminated core ( 5 ) and / or the rotor ( 1 ) each radially extending cooling slots ( 11 ), and wherein the first cooling medium by means of the first turbomachine ( 7 ) through the cooling slots ( 11 ) can be passed.