DE10005128A1 - Kühlbarer Ständer für eine elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Kühlbarer Ständer für eine elektrische Maschine mit rotierendem Innenläufer, versehen mit einem ersten und zweiten stirnseitigen Lagerschild und mit wenigstens einem Kühlmittel-Strömungskreislauf wie folgt: DOLLAR A a) in jedem der auf die Läufer-Rotationsachse bezogenen Quadranten (I, II, III, IV) des Ständers ist eine Mehrzahl von Kanälen für Kühlmittelstrom angeordnet, welche den Ständer im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse durchsetzen; DOLLAR A b) die Kanäle eines Ständer-Quadranten (I, II, III, IV) sind an ihren ersten Enden über eine gemeinsame Umlenkkammer (10I', 10II') miteinander verbunden, die in einem kongruenten Quadranten (I', II', III', IV') des ersten Lagerschildes angeordnet ist; DOLLAR A c) die Strömung einer der Kanäle geht von einer Einlaßeinrichtung für Kühlmittel aus, und die Kühlmittel-Strömung eines anderen der Kanäle mündet in eine Auslaßeinrichtung; DOLLAR A wobei: DOLLAR A d) ein jeweiliger Teil (S, W) der Kanäle einander benachbart liegender Ständer-Quadranten (I, II, III, IV) ist an ihren zweiten, den ersten entgegengesetzten Enden über eine gemeinsame Umlenkkammer (10I''-10IV'', 10IV''-10III'', 10III''-II'') miteinander verbunden, die sich in zwei benachbarte Teile kongruent liegender Quadranten (I'', IV''; IV'', III''; III'', II'') des zweiten Lagerschildes erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen kühlbaren Ständer für eine elektrische Maschine mit rotierendem Innenläufer. Der Ständer ist mit einem ersten und einem zweiten, jeweils stirnseitig angebrachtem Lagerschild und mit wenigstens einem Kühlmittel- Strömungskreislauf versehen. Dabei ist in jedem der auf die Läufer- Rotationsachse bezogenen Quadranten des Ständers eine Mehrzahl von Kanälen für den Kühlmittelstrom angeordnet, welche den Ständer im wesentlichen parallel zu Rotationsachse des Läufers durchsetzen. Die Kanäle innerhalb eines Ständer- Quadranten sind an ihren ersten Enden über eine gemeinsame Umlenkkammer miteinander verbunden bzw. mit dieser als Knotenpunkt parallel geschaltet. Die gemeinsame Umlenkkammer ist dabei in einem zum betroffenen Ständer- Quadranten kongruenten Quadranten des ersten Lagerschild angeordnet. Die Strömung einer der Kanäle geht von einer Einlaßrichtung für Kühlmittel aus und die Kühlmittel-Strömung eines anderen der Kanäle mündet in eine Auslaßrichtung. Beide Einrichtungen können mit einem externen Reservoir für Kühlmittel-Fluid verbünden sein.

Bei einem gekühlten Elektromotor-Ständer etwa dieser Art (EP 0 924 839 A1) mit einer rechteckigen Außenkontur und axial befestigbaren Lagerschildern weist ein Lagerschild in jedem der vier Eckbereiche einen Umlenkkanal für zwei achsparallel nebeneinander im Ständer verlaufende Kühlkanäle auf. Dadurch sind die beiden Kühlkanäle jedes Eckbereiches strömungsmäßig hintereinandergeschaltet, so dass sie aufgrund der Lagerschild-Umlenkkanäle bzw. Kammern einander entgegengesetzte Strömungsrichtungen aufweisen. Um an der zweiten, entgegengesetzten Lagerschildseite zwei Kühlkanäle unterschiedlicher Eckbereiche bzw. Quadranten in Serie hintereinanderschalten zu können, sind gesonderte Bauteile in Form von Umlenklaschen vorgesehen. Diese weisen von einem Kühlkanal zu dem des benachbarten Eckbereiches führende Strömungsnuten auf und sind über Bohrungen an die Längsseitenwandungen des Ständergehäuses zu befestigen. Dem zweiten Lagerschild kommt dann lediglich Dichtungsfunktion zu. Je einer der Kühlkanäle ist auf einer Ständer-Längsseitenwandung mit einem Einlaß und einem Auslaß für Kühlmittel versehen. Bei dieser Konfiguration ist ein Zuschalten oder Abschalten von Kühlkanälen je nach Anforderungen an die Kühlleistung in Verbindung mit der Temperatur des Ständerblechpakets nicht möglich. Zu letzterem Gesichtspunkt wird bei einem bekannten Elektromotor mit Kühlung (Offenlegungsschrift DE 197 57 605 A1) vorgeschlagen, achsparallele Kühlmittelrohre über unterschiedlich ausgebildete Umlenkrohre in Reihe oder parallel zu schalten. Bei Parallelschaltung der Kühlrohre sollen mehrere Kühlkreisläufe vorhanden sein und so eine bessere Kühlwirkung für den Motor erreicht werden. Zur Anbringung der Umlenkrohre müssen die Lagerschilder allerdings gesonderte Befestigungslaschen und Durchbrüche aufweisen, und bei den achsparallelen Kühlrohren sind zu den Umlenkrohren herausragende Endstutzen notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Ständer-Kühlung einer elektrischen Maschine den Konstruktionsaufwand und die Anzahl der notwendigen Bauteile zu vermindern. Zur Lösung wird bei einem Ständer für eine elektrische Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein jeweiliger Teil der Kanäle, die sich in einander benachbart liegenden Quadranten des Ständers befinden, an ihren zweiten, den erstgenannten entgegengesetzten Enden über eine gemeinsame Umlenkkammer miteinander verbunden sind, und die gemeinsame Umlenkkammer im zweiten Lagerschild ausgebildet ist und dort sich in zwei benachbarte Teile von Lagerschild-Quadranten erstreckt, die zu den benachbart liegenden Ständer- Quadranten in axialer Richtung gesehen kongruent liegen. Die gemeinsamen Umlenkkammern im zweiten Lagerschild bewirken eine Hintereinanderschaltung von Kühlkanälen unterschiedlicher Quadranten des Ständers. Damit erfüllt das zweite Lagerschild nicht nur Dichtungs-, sondern auch Umlenkfunktion. Die Notwendigkeit gesonderter Umlenkmittel ist entfallen.

Beim Betreiben elektrischer Maschinen ergibt sich oft die Anforderung, den Aufwand bzw. die Leistung des Kühlmittelkreislaufes je nach auftretender Temperatur des Ständerblechpakets flexibel anpassen zu können. Dem ist nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung dadurch Rechnung getragen, dass in den Ständer-Quadranten mehrere Kanäle nebeneinander verlaufend angeordnet sind. Die Anordnung ist zweckmäßig derart, dass eine um die Rotationsachse geführte Teil-Umfangsreihe innerhalb eines Quadranten gebildet ist. In Weiterführung dieses Gedankens ist die Umfangsreihe in zwei Abschnitte mit jeweils strömungstechnisch zueinander parallel geschalteten Kanälen unterteilt. Dabei sind die Kanäle des ersten Abschnitts strömungstechnisch in Serie zu dem (geometrisch ebenfalls achsparallel verlaufenden) Kanälen des zweiten Abschnitts geschaltet, sodass beide Abschnitte entgegengesetzte Strömungsrichtungen aufweisen. Damit ist es möglich, bei verminderten Kühlungsanforderungen einen oder mehrere Kühlungskanäle zu blockieren und so mit einer verminderten Anzahl von Kühlkanälen den Kühlmittel-Strömungskreislauf zu betreiben, wobei für das Kühlmittel-Reservoir und ggf. deren Pumpe eine geringere Belastung herbeigeführt wird. Umgekehrt lässt sich die Anzahl der eingesetzten Kühlkanäle auf einen maximalen Wert erhöhen, wenn alle Kühlkanäle freigeschaltet oder - gelegt sind und mit einer möglichst hohen Kühlung gearbeitet werden muss.

Im Sinne der obigen Erfindungsaufgabe - Vereinfachung der Konstruktionsstruktur und Einsparung von Bauteilen - besteht eine zweckmäßige Erfindungsausbildung darin, auch die Einlaß- und Auslaßeinrichtungen mittels einer oder mehrerer Ein- und Auslaßkammern - analog zu den obigen Umlenkkammern - in einem oder beiden Lagerschildern zu realisieren. Grundsätzlich lassen sich derartige Strömungskammern, seien sie zum Ein- oder Auslaß oder zum Umlenken bestimmt, leicht an der Innenwandung von Elektromotor- oder Lagerschildern ausbilden. Zu den Ein- und Auslaßkammern können dann im Rahmen der Erfindung Wandungsdurchbrüche oder Wandungsdurchgänge, beispielsweise realisiert mit kurzen Rohrstutzen, vorgesehen sein.

Die Ein- und Auslaßkammern an der oder den Innenwandungen der Lagerschilder sind im Zusammenhang mit der obengenannten Teilumfangsreihe besonders zweckmäßig einsetzbar: Eine Ein- oder Auslaßkammer bildet für einen Teil der in einer Teil-Umfangsreihe nebeneinander bzw. geometrisch parallel verlaufende Kanäle einen Knotenpunkt zur strömungstechnischen Parallelschaltung dieser Kanäle innerhalb eines Ständer-Quadranten. Damit der Kühlmittel- Strömungskreislauf zwischen Ein- und Auslaß in sich geschlossen wird, ist es zweckmäßig, wenn von der Ein- und Auslaßkammer der jeweils erste oder letzte Kanal der Teilumfangsreihe innerhalb eines Quadranten mit erfaßt ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie aus der Zeichnung, welche eine perspektivisch­ auseinandergezogene Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotor- Ständers mit anmontierbaren Lagerschildern zeigt:

Der dargestellte Ständer ist aus einem Ständerblechpaket 1 gebildet, welches eine rechteckige Außenkontur mit den Eckbereichen I-IV besitzt. Diese entsprechen den Quadranten eines Achsenkreuz, durch dessen Schnittpunkt die Rotationsachse eines (nicht gezeichneten) Innenläufers verläuft. An den beiden entgegengesetzten Stirnseiten des Ständerblechpakets 1 sind ein erstes Lagerschild 2 und ein zweites Lagerschild 3 mit kongruent rechteckiger Außenkontur und kongruenten Eckbereichen I'-IV' bzw. I"-IV". Jeder Eckbereich, I, II, III, IV des Ständerblechpakets 1 ist von jeweils acht gruppenweise angeordneten Kühlkanälen 4 achsparallel durchgesetzt. Jeder Kühlkanal 4 ist mit einem eingelegten Kühlrohr 5 realisiert.

In jedem der Eckbereiche I, II, III, IV sind die Kühlkanäle 4 in einer Teilumfangsreihe 4I, 4II, 4III bzw. 4IV gruppiert, die jeweils teilweise um die Rotationsachse bzw. die Läuferbohrung 6 des Ständerblechpakets 1 herumgeführt sind. Jede der vier Eckbereich-Teilumfangsreihen 4I-4IV ist in zwei Abschnitte S, W halbiert, und der jeweils erste Abschnitt ist in der Zeichnung mit schwarz ausgefüllten Enden der Kühlrohre 5 markiert.

Im ersten Eckbereich I des Ständerblechpakets 1 sind die Kühlkanäle 4 des ersten Abschnittes S der Teilumfangsreihe 4I über eine im zweiten Lagerschild 3 ausgebildete Einlaßkammer 7 parallel an einen Einlaßstutzen 8 für Kühlmittel gelegt, welcher einen Durchgang durch die Lagerschildwandung zur Einlaßkammer 7 bildet. Diese ist an der dem Ständerblechpaket 1 zugewandten Innenseite bzw. Innenwandung des zweiten Lagerschildes 3 mit einer derartigen Erstreckung ausgebildet, dass lediglich die Enden des ersten Abschnittes S der Kühlkanal-Teilumfangsreihe 4I erfasst und gegenüber der Außenumgebung, insbesondere den Kühlkanalenden des zweiten Reihen-Abschnittes W abgegrenzt sind. Von der Einlaßkammer 7 verläuft die Kühlmittelströmung 9 durch die vier parallel geschalteteten Kühlkanäle 4 des ersten Abschnittes S der ersten Teilumfangsreihe 4I zu einer Umlenkkammer 10I', welche im ersten Lagerschild 2 im dortigen ersten Eckbereich I' in analoger Weise ausgebildet ist, wie die zuvor beschriebene Einlaßkammer 7.

Die Umlenkkammer 10I' erstreckt sich ausschließlich im ersten Eckbereich I' des ersten Lagerschildes 2 und erfasst so alle der Innenwandung des ersten Lagerschilds 2 zugewandten Kühlkanal-Kühlrohrenden der ersten Teilumfangsreihe 4I. Dabei bildet die Umlenkkammer 10I' gleichsam einen Knotenpunkt, mittels welchem die Kühlrohre 5 des zweiten Abschnittes W der ersten Teilumfangsreihe 4I parallel den Kühlrohren 5 des dortigen Abschnittes S nachgeschaltet werden. Geometrisch führt dieses zu einer Strömungsumlenkung 11, das heißt die von der Einlaßkammer 7 ausgehende und zum ersten Lagerschild 2 gerichtete Kühlmittelströmung 9 wird dort um 180 Grad umgelenkt in eine entgegengesetzte Kühlmittelströmung 12, gerichtet vom zweiten Lagerschild 2 zum dritten Lagerschild 3.

Die dem zweiten Lagerschild 3 zugewandten Enden der Kühlrohre 5 des zweiten Abschnittes W der ersten Teilumfangsreihe 4I münden in eine weitere Umlenkkammer 10I"-IV", die an der Innenwandung des zweiten Lagerschildes 3 in analoger Weise ausgebildet ist. Sie erstreckt sich in unmittelbarer Nachbarschaft zur Einlaßkammer 7 von einem davon verbleibenden Teil des ersten Eckbereiches I" in den benachbarten Eckbereich IV" und deckt dort etwa dessen erste Hälfte ab. Dadurch werden die dem zweiten Lagerschild 3 zugeordneten Enden der Kühlrohre 5 des zweiten Abschnittes W der ersten Teilumfangsreihe 4I parallel mit den ersten Enden der Kühlrohre 5 des ersten Abschnittes S der vierten Teilumfangsreihe 4IV verbunden. Dabei kommt es zu einer erneuten Strömungsumlenkung 11 von der bisher zum zweiten Lagerschild 3 gerichteten Strömung 12 in eine erneute Kühlmittelströmung 9 in Richtung zum ersten Lagerschild 2. Dort münden die dem ersten Lagerschild 2 zugewandten Enden der Kühlrohre 5 des ersten Abschnittes S der vierten Kanal- Teilumfangsreihe 4IV in eine weitere Umlenkkammer 10IV' im vierten Eckbereich IV' des ersten Lagerschildes 2. Insgesamt ergibt sich ein Kühlmittel- Strömungsverlauf durch die Kühlkanäle 4 und die Einlaß- und Umlenkkammern 7 bzw. 10 gemäß folgendem Schema:

7 → S/4I → 10I' → W/4I → 10I'-IV"
→ S/4IV → 10IV' → W/4IV
→ 10IV"-III" → S/4II → 10III'
→ W/4III → 10III"-II" → S/4II
→ 10II' → W/4II → 13

wobei mit der Bezugsziffer 13 eine Auslaßkammer markiert ist, welche die ersten Enden der Kühlrohre 5 des zweiten Abschnittes W der zweiten Teilumfangsreihe 4II im zweiten Eckbereich II des Ständerblechpakets 1 erfasst. Dabei wird die entsprechende Kühlmittelströmung 12 durch die Auslaßkammer 13 zu einem nach außen führenden Auslaßstutzen 14 geleitet. Die Auslaßkammer 13 und der Auslaßstutzten 14 sind analog zur Einlaßkammer 7 und dem Einlaßstutzen 8 im zweiten Lagerschild 3 ausgebildet.

Wie ersichtlich, kann die Belastung des Kühlmittelkreislaufes dadurch vermindert werden, indem einzelne der parallel geschalteten Kühlrohre 5 oder Kühlkanäle 4 innerhalb des ersten oder zweiten Abschnittes S, W eines jeden Eckbereiches I- IV des Ständerblechpakets 1 blockiert oder gesperrt werden, wenn dessen Wärmebelastung es erlaubt.

Bezugszeichenliste

1

Ständerblechpaket
I-IV Eckbereiche/Quadranten

2

erstes Lagerschild

3

zweites Lagerschild
I'-IV', I"-IV" Eckbereiche der Lagerschilde

4

Kühlkanal

4

a erster Kanal

4

z letzter Kanal

5

Kühlrohr
4I, 4II, 4III, 4IV Teilumfangsreihe

6

Läuferbohrung
S erster Abschnitt
W zweiter Abschnitt

7

Einlaßkammer

8

Einlaßstutzen

9

Kühlmittelströmung

10

I' Umlenkkammer

11

Strömungsumlenkung

12

entgegengesetzte Kühlmittelströmung
10I"-IV" Umlenkkammer

13

Auslaßkammer

14

Auslaßstutzen

Claims (5)

1. Kühlbarer Ständer (1) für eine elektrische Maschine mit rotierendem In­ nenläufer, versehen mit einem ersten und zweiten stirnseitigen Lagerschild (2, 3) und mit wenigstens einem Kühlmittel-Strömungskreislauf wie folgt:

• a) in jedem der auf die Läufer-Rotationsachse bezogenen Quadranten (I, II, III, IV) des Ständers (1) ist eine Mehrzahl von Kanälen (4) für Kühl­ mittelstrom angeordnet, welche den Ständer (1) im wesentlichen parallel zur Rotationsachse durchsetzen;
• b) die Kanäle (4) eines Ständer-Quadranten (I, II, III, IV) sind an ihren ersten Enden über eine gemeinsame Umlenkkammer (10I', 10II') miteinander verbunden, die in einem kongruenten Quadranten (I', II', III', IV') des er­ sten Lagerschildes (2) angeordnet ist;
• c) die Strömung (9) einer der Kanäle (4) geht von einer Einlaßeinrichtung (7, 8) für Kühlmittel aus, und die Kühlmittel-Strömung (12) eines anderen der Kanäle (4) mündet in eine Auslaßeinrichtung (13, 14);

weiter gekennzeichnet durch:

• a) ein jeweiliger Teil (S, W) der Kanäle (4) einander benachbart liegender Ständer-Quadranten (I, II, III, IV) ist an ihren zweiten, den ersten entge­ gengesetzten Enden über eine gemeinsame Umlenkkammer (10I"- 10IV", 10IV"-10III", 10III"-II") miteinander verbunden, die sich in zwei benachbarte Teile kongruent - liegender Quadranten (I", IV"; IV", III"; III", II") des zweiten Lagerschilds (3) erstreckt.

2. Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ständer- Quadranten (I, II, III, IV) die Kanäle (4) nebeneinander verlaufend jeweils in einer um die Rotationsachse führenden Teilumfangsreihe (4I, 4II, 4III, 4IV) angeordnet sind, wobei zwei Abschnitte (S, W) der Teilumfangsreihe (4I, 4II, 4III, 4IV) jeweils strömungstechnisch parallel geschaltete Kanäle (4) aufweisen, und die Kanäle des ersten Abschnitts (S) strömungstechnisch in Serie zu den Kanälen des zweiten Abschnitts (W) liegen.

3. Ständer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßeinrichtungen (7, 8; 13, 14) mittels einer oder mehreren Ein- und Auslaßkammern (7; 13) in einem oder beiden Lagerschilden (2, 3) realisiert sind, die zu den Ein- und Auslaßkammern (7; 13) führende Wandungs­ durchgänge (8; 14) aufweisen.

4. Ständer nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass einem Teil (S, W) der in der Teilumfangsreihe (4I, 4II, 4III, 4IV) nebeneinander verlaufen­ den Kanäle (4) eines Ständerquadranten (I, II, III, IV) eine Ein- oder Auslaß­ kammer (7, 13) gemeinsam derart zugeordnet ist, dass der erste oder letzte Kanal (4a, 4z) der Teilumfangsreihe (4I, 4II, 4III, 4IV) von der Ein- oder Aus­ laßkammer (7, 13) mit erfasst ist.

5. Ständer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (4) mit separat hergestellten und in den Ständer (1) eingeschobenen Leitungsrohren (5) realisiert sind.