EP4505583A1 - Elektromotor - Google Patents

Elektromotor

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Publication number
EP4505583A1
EP4505583A1 EP23723160.0A EP23723160A EP4505583A1 EP 4505583 A1 EP4505583 A1 EP 4505583A1 EP 23723160 A EP23723160 A EP 23723160A EP 4505583 A1 EP4505583 A1 EP 4505583A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric motor
conductors
conductor
field
cooling
Prior art date
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Pending
Application number
EP23723160.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Brütting
Markus HÖSLE
Jonathan Robinson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innomotics GmbH
Original Assignee
Innomotics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innomotics GmbH filed Critical Innomotics GmbH
Publication of EP4505583A1 publication Critical patent/EP4505583A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/22—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors consisting of hollow conductors
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    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/227—Heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the invention relates to an electric motor with field conductors designed as rods on the stator side.
  • Electric motors can be designed so that the stator has a series of rods instead of wound wire conductors as field conductors.
  • the rods have low inductance compared to conventional windings. Therefore, a comparatively high current flow is required to generate a given magnetic field.
  • this high current flow only requires a comparatively low voltage of, for example, 12 V.
  • the low voltage makes it possible to arrange the components of the inverter, which are used to control the rods, at short distances from one another.
  • the components of the power electronics can be arranged on one or more circuit boards that are arranged close to the electric motor.
  • the rods can be used directly as a mechanical support for the circuit boards or via electrically conductive rod-like connecting elements.
  • the electric motor according to the invention comprises a stator with a plurality of field conductors designed as a rod and an inverter with one or more parallel power parts for each of the field conductors for controlling them, the inverter comprising a controller for generating control signals for the power parts.
  • the output stages of the inverter are arranged on a plurality of circuit boards and the circuit boards are arranged on at least one cooling plate, the cooling plate being arranged in such a way that the field conductors or axially extending current conductors arranged on the field conductors are in mechanical operative connection with the cooling plate.
  • At least one cooling device which comprises a fluid line which is guided at least in sections within one of the field conductors and/or current conductors.
  • the electric motor according to the invention advantageously has improved heat dissipation for the field conductors due to the cooling device. As a result, a lower heat flow reaches the cooling plates and the electronics arranged on the cooling plates, in particular the inverters. This in turn allows the cooling effort in the area of the cooling plates and electronics to be reduced.
  • the field conductors or current conductors preferably act as a mechanical support for the cooling plates and are therefore in mechanical operative connection with them. It is possible that the field conductors or power conductors penetrate the cooling plate and the circuit board.
  • Advantageous embodiments of the electric motor according to the invention emerge from the dependent claims.
  • the embodiment of the independent claims can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also with those from several subclaims. Accordingly, the following additional features can be provided:
  • the fluid lines can be water lines.
  • Water is a standard coolant and can be supplied from outside the electric motor, for example in a factory, so pipes suitable for water are practical.
  • the electric motor can be designed to use an electrically conductive fluid as a coolant, the specific conductivity being at least IO -2 S/m, in particular at least 1 S/m. If the cooling fluid is electrically conductive, an additional current path is provided in the fluid line that would otherwise not be available. As a result, for a given current flow through the field conductor or current conductor, the cross section of metallic conductor, for example copper, that must be provided for the current is reduced, thus saving material and weight.
  • the electric motor can be designed to use air as a cooling fluid. Compared to other media, air has the advantage of having low structural requirements, as air is not enclosed and is sealed off from the structures to be cooled. Rather, air can be guided in open cooling channels and is freely available.
  • the electric motor can have a pump for a cooling fluid. If the cooling fluid is not supplied from outside, it is advantageous if the electric motor is designed in such a way that a fluid circulation can be generated, which ensures heat removal through material movement. If the motor has a large number of field conductors, for example more than 50 or even more than 100 field conductors, several pumps can also be present.
  • the electric motor can be designed in such a way that a fluid line is present for each of the field conductors and/or power conductors and is guided at least in sections within the field conductor and/or power conductor.
  • An area in which the fluid line is guided in the field conductor and/or current conductor expediently lies axially between a cooling plate and an axial start of the rotor. Furthermore, it is advisable to dissipate the heat in this area in order to reduce the heat input from the rotor area, i.e. the drive system, into the electronics, i.e. the area of the cooling plates and circuit boards.
  • current conductors are present, they are expediently connected to the field conductors by means of a shoe, whereby the fluid line can also be guided in the shoe.
  • the shoe serves as a firm connection between the field conductors and the power conductors, whereby the field conductors belong to the drive side of the electric motor and the power conductors contact the electronics on the circuit boards and support the cooling plates and circuit boards.
  • the electric motor can have a short-circuit ring for electrically connecting the field conductors.
  • the fluid lines for at least two of the field conductors can be connected to one another in the short-circuit ring. This will advantageously result in a serial connection of the fluid lines on one side of the electric motor, so that the inflow and outflow are on one side of the electric motor. It is advisable to connect the fluid lines in pairs in the short-circuit ring. If the fluid lines on the front side of the electric motor are connected in pairs in the short-circuit ring, then it can be advantageous to also connect some of the fluid lines on the back of the electric motor.
  • the fluid lines are expediently connected in blocks of at least two fluid lines in such a way that a meandering course of the resulting connected fluid lines through the stator results.
  • the number of inflows and outflows can be reduced to one each by connecting all fluid lines in series.
  • interconnected fluid lines can be spaced apart such that they do not belong to adjacent conductor bars.
  • the fluid line of each nth conductor bar can be connected in series, where n is at least two.
  • n 2
  • a fluid line of a first conductor bar is connected to that of a next-but-one (third) conductor bar.
  • the fluid line can be formed at least partially by a cavity or hole in the field conductor and/or power line.
  • the fluid line then has no material of its own, since it is not a component of its own.
  • the fluid line can represent its own component.
  • the fluid line can have a metallic material, in particular be metallic. This means that the flow idtechnisch advantageously itself and also possibly the cooling fluid available as an electrical conductor.
  • the fluid line can also have a ceramic material, in particular consist of a ceramic material. Ceramic materials are heat-resistant, chemically resistant and electrically insulating and are therefore advantageous in certain designs of the electric motor.
  • the fluid line can be a heat pipe or thermosiphon. It is then preferably arranged completely within one of the field conductors and/or current conductors.
  • the extremely high thermal conductivity of a heat pipe results in strong heat dissipation of the field conductor or current conductor in the area of the evaporator side of the heat pipe.
  • the evaporator side of the heat pipe is preferably arranged in the area of the cooling plates and circuit boards or between them and the stator/rotor block. This primarily prevents or reduces waste heat from the stator/rotor block from additionally heating the cooling plates and circuit boards via the field conductors.
  • the condenser side of the heat pipes can be arranged on the one hand away from the stator/rotor block and on the other side of the cooling plates.
  • the capacitor end can also be arranged in the area of a short-circuit ring of the electric motor.
  • the heat pipe can also extend into the short-circuit ring.
  • the short-circuit ring can, for example, be constructed of sheet metal, whereby the individual sheets can be spaced apart.
  • the short-circuit ring has a high surface area and thus enables efficient heat dissipation. This can be supported by forced air movement, for example by an internal or external fan.
  • the electric motor can have a plurality of circuit boards. In particular, a plurality of separate circuit boards can be applied to a cooling plate.
  • the power electronics used can be modularized by distributing them across a plurality of circuit boards. A large number of inverters can be provided using a large number of similar circuit boards, thereby improving production in terms of scrap.
  • the circuit boards can be designed in the shape of a circle or ring sector.
  • the circuit boards can thereby be arranged in a circle or ring that encloses the axis of the electric motor. Circuit boards with this shape can be assembled into a circle or ring and thus arranged at an axial end of the machine in an optimally adapted manner to the shape of the electrical machine, while at the same time achieving a high level of modularity.
  • the circuit boards can therefore be arranged axially offset from the stator and rotor to save space and form an integral part of the electric motor. In this way, it is also possible to arrange several cooling plates with printed circuit boards axially offset from one another and, for example, to connect inverters in parallel that are arranged at the same azimuthal point.
  • the cooling plate is preferably arranged perpendicular to the axis of the electric motor. In this way, the cooling plate with the circuit boards can be arranged at an axial end of the electrical machine to save space.
  • a plurality of cooling plates can also be axially offset and arranged close to one another. Furthermore, with such an arrangement there is a uniform distance between the cooling plate and the power electronics and the rods that form the field conductors, which simplifies the contacting of the rods.
  • each of the field conductors is controlled with its own phase.
  • a phase is understood to mean an alternating voltage supply that is one step higher than all other phases used in the electric motor. is out of phase at an angle other than zero.
  • each field conductor has its own inverter, which only controls this field conductor.
  • the inverters can be designed to generate an alternating voltage with an amplitude of 200 V or less, in particular 150 V or less, in particular 50 V or less.
  • the voltage generated in this way is the voltage with which the field conductors, i.e. the stator bars, are applied.
  • This comparatively low voltage makes it possible for the inverter components to be arranged very close to one another. Distances of approximately 2 mm can be used between the components such as the power semiconductor switches, which results in a high packing density of the electronic components and the possibility of arranging a large number of inverters in a comparatively small space.
  • This in turn makes it possible to use a large number of phases, in particular a number of phases that corresponds to the number of stator bars, while requiring little space. With a correspondingly high number of stator bars, 48, 72 or even 120 phases can be used.
  • axial refers to the axis of the rotor and thus to the corresponding axis of symmetry of the stator. “Axial” describes a direction parallel to this axis, “radial” describes a direction orthogonal to the axis, towards it or away from it, and “azimuthal” is a direction that is directed in a circle around the axis at a constant radial distance from the axis and at a constant axial position.
  • the electric motor can advantageously be used in applications in which a high power of 10 kW or more, in particular 100 kW or more, in special embodiments 1 MW or more, which can be controlled over a wide torque range and power range, is needed.
  • the electric motor is also advantageous where a compact structure is required. Examples of advantageous areas of application include ship drives from small boats to large ships, motor vehicles, pumps, fans, centrifuges in the industrial sector; Transport and the food industry.
  • FIG. 1 front view of circuit boards arranged on a cooling plate
  • Figure 3 shows a section of the electric motor in an oblique view with cooling plates with circuit boards
  • FIG. 4 shows a sectional view of a conductor bar with a cooling plate pushed on and with a fluid channel and hose connection
  • FIG. 5 shows a sectional view of a conductor bar with three cooling plates pushed on and with a fluid channel and hose connection
  • Figure 6 shows the guidance of fluid channels on the front and back of the electric motor
  • Figure 7 is a sectional view of the electric motor with heat pipes as fluid channels
  • Figure 8 shows a detail of the front side of the electric motor with a laminated short-circuit ring.
  • FIG 1 shows an isometric view of an electric motor 10, which is an exemplary embodiment of the invention.
  • the electric motor 10 comprises a stator 11 and a rotor arranged essentially in the stator 11, which is not visible in Figure 1.
  • the rotor is connected in a rotationally fixed manner to a shaft, which is also not shown in Figure 1.
  • the rotor is set in rotation about an axis 9 by electromagnetic interaction of the rotor with an energized stator 11 .
  • the rotor is separated from the stator 11 by an air gap.
  • the electric motor 10 can also be an external rotor motor or bell-armature motor.
  • the stator 11 comprises a plurality of rigid and straight conductor bars 12 as field conductors. These conductor bars 12 are connected to one another on the end face 13 facing away from FIG. 1 via a short-circuit ring 38. On the back 14 of the electric motor 10, the conductor bars 12 are individually fed by associated inverter modules. Since it is an electric motor 10 operated at low voltages due to the conductor bars 12, the inverter modules can be arranged relatively close together on circuit boards 15 together with other electronic components (DC-DC converters, rectifiers). In this example, the circuit boards 15 are in the shape of a ring sector and many individual circuit boards 15 together form an annular circuit board structure.
  • circuit boards 15 carry at least the power parts of inverters, it is also possible that some of the circuit boards 15 carry rectifiers and DC/DC converters.
  • Figure 2 shows a top view of such a circuit board structure. The number of circuit boards shown in FIG. 2 is reduced compared to the representation in FIG. 1 for better clarity and is shown in a greatly simplified manner. The specific number of such circuit boards 15 depends on the specific design of the electric motor 10, in particular the number of conductor bars 12.
  • Each of the circuit boards 15 includes a plurality of semiconductor switches 422. The semiconductor switches 422 together form power parts of inverters that provide an alternating voltage for the conductor bars 12 .
  • circuit boards 15 may include driver circuits (not shown in the figures) and other electronic components such as capacitors.
  • the semiconductor switches 422 are power semiconductors such as IGBTs, MOSFETs or JFETs and, depending on the circuitry, may additionally include diodes (not shown).
  • the semiconductor switches 422 are connected as half bridges, for example.
  • a capacitor, not shown, can, for example, represent an intermediate circuit capacitor of the half bridges.
  • the semiconductor switches 422 of a circuit board 15 can be assigned to a single phase. In the case of an electric motor 10 with a large number of field conductors 12 and a corresponding number of phases, it is advantageous if a circuit board 15 carries the power parts for several phases.
  • the printed circuit boards 15 also include contact points 421 to which the conductor bars 12 are connected.
  • the circuit boards 15 are supported by disk-shaped cooling plates 16, whereby the cooling plates 16 can be covered with circuit boards 15 on both sides for better use of space.
  • FIG 3 shows a sectional view of the electric motor 10 in an oblique view. It can be seen here that the connecting elements 18 mechanically support and penetrate the three cooling plates 16. The connecting elements 18 are connected to the conductor bars 12 via shoes 17. The output stages, which are located on the circuit boards 15 in the areas in which one of the connecting elements 18 penetrates a cooling plate 16, are connected in parallel and together provide the current for the conductor bar 12. In the structure shown in Figure 3 it can be seen that two of the connecting elements 18 each pass through a circuit board 15. Each of the boards thus carries the output stages for two phases of the electric motor 10. In other variants for the electric motor 10, a single circuit board 15 can also carry only one phase or three or more phases, with the same number of connecting elements 18 passing through the circuit board 15.
  • FIG. 4 shows a sectional view of a section of the electric motor 10.
  • the sectional view shows two circuit boards 15, which are arranged on both sides of a cooling plate 16. The arrangement in Figure 4 corresponds to that of Figures 1 to 3.
  • the sectional view of Figure 4 therefore only captures two of the circuit boards 15.
  • the cooling plate 16 is pushed onto a conductor bar 12 and is supported by the conductor bars 12 . To enable it to be pushed onto the conductor rod 12, it is tapered towards the end.
  • a metallic sleeve 25 creates an enlarged conductor cross-section between the circuit boards 15, i.e. the front and back of the cooling plate 16, in the area of the taper.
  • the cooling plate and the circuit boards 15 can be fixed, for example, by means of a nut 26. For this purpose, it is useful if the conductor bar 12 has an external thread in the end region.
  • the conductor bars 12 each include a fluid channel 20, for example as a bore.
  • the fluid channel 20 is continuous and ends at the outer end of the conductor rod 12.
  • a hose connection 23 can be applied there, which establishes a connection to a hose 24.
  • Hose 24 and fluid channel 20 allow a cooling fluid, for example air or water, to flow through the conductor bars 12 and thus remove heat. It is possible to lead the fluid channel 20 out of the conductor bar 12 at another point in order to realize a second connection, i.e. drain.
  • the structure shown in Figure 4 can be expanded to connect more than one cooling plate 16.
  • a corresponding structure is shown in Figure 5.
  • the end of the conductor rod 12 has a recess 26 towards the end, which in this example has an enlarged diameter compared to the fluid channel 20.
  • the recess 26 is provided with an internal thread.
  • a threaded rod 27 is screwed into the recess 26.
  • the threaded rod 27 in turn has a fluid channel 20 which, when screwed in, continues the fluid channel 20 of the conductor rod 12 .
  • a sequence of three cooling plates 16 with the respective circuit boards 15 are then pushed onto the threaded rod 27.
  • hose connection 23 is arranged, which connects the fluid channel 20 with a hose 24.
  • FIG. 6 shows the electric motor 10 with the stator/rotor block 8 penetrated by the conductor bars 12 of the stator 11 in a very simplified manner and omitting the cooling plates 16 and circuit boards 15.
  • the conductor bars 12 open at one end into a short-circuit ring 38 that connects them.
  • the short-circuit ring 38 is designed in such a way that it in turn has fluid channels 20, which are designed in such a way that each of them connects the fluid channels 20 of two - in the simplest case, adjacent - conductor bars 12 to one another.
  • a flow is realized in which a first conductor bar 12 represents an inflow, into which the cooling fluid enters on the back 14 of the electric motor 10, and an adjacent conductor bar 12 represents the outflow, also on the back of the electric motor 10 the cooling fluid emerges.
  • the hoses 23 at the inflow and outflow can be brought together elsewhere to create a cooling circuit.
  • the heat can be transferred to the environment via a heat exchanger or heat sink. It is possible that the elements mentioned are designed as part of the electric motor 10. Alternatively, it is also possible for the cooling circuit to already be present at the installation location of the electric motor 10, independently of the electric motor 10, and for the electric motor 10 to be connected to it together with other devices.
  • the cooling fluid can be passed through 4, 6, 8 or more of the conductor bars 12 with a single inflow and a single outflow, thereby simplifying the structure.
  • all conductor bars can be connected to form a single cooling fluid path, or half, a third or divided into any other fraction.
  • a cooling fluid path which is formed by a plurality of fluid channels connected in series, includes the fluid channels of such conductor bars that are separated by one, two or more intermediate conductor bars in the azimuthal sequence. If the conductor bars are numbered consecutively azimuthally, then, for example, a first cooling fluid path can include the fluid channels of the conductor bars 1, 5, 9, 13, 17..., while a second cooling fluid path can include the fluid channels of the conductor bars 2, 6, 10, 14 , 18..., a third cooling fluid path includes those of the conductor bars 3, 7, 11, 15, 19... and a fourth cooling fluid path includes those of the conductor bars 4, 8, 12, 16, 20.... With these four cooling fluid paths All fluid channels are part of a cooling fluid path.
  • the cooling fluid paths are intertwined. If such a cooling fluid path fails due to a technical defect, it does not affect a contiguous block of conductor bars, but rather the lack of cooling is advantageously evenly distributed over the conductor bars. The symmetry of the cooling is thereby maintained.
  • the fluid channels are always designed as bores or cavities in the respective elements.
  • Such fluid channels therefore represent their own components. They can, for example, be ceramic, which makes electrical insulation to the conductor bar 12 possible.
  • the fluid channel can also be made from other materials, including, for example, metallic materials. In this case, electrical conduction from the conductor rod 12 to other elements must be prevented, for example by using plastic hoses for water supply.
  • the fluid channels 20 can also be closed within the conductor bars 12 and designed as heat pipes 30.
  • Figure 7 shows the electric motor 10 in a side view with the stator/rotor block 8 and the conductor bars 12. Furthermore, two cooling plates 16 with printed circuit boards applied on both sides are arranged on the conductor bars 12 on the back 14 of the electric motor.
  • the heat pipes 30, 31 run essentially the entire length of the conductor bars. They are arranged in such a way that their evaporator-side ends 31 lie in the area between the stator/rotor block 8 and the cooling plate(s) 16. As a result, the heat is mainly removed from this area, i.e. H . the waste heat from the output stages of the alternating The judge is dissipated and waste heat from the stator/rotor block 8 is prevented from contributing to the heating of the output stages on the circuit boards 15.
  • the heat pipes 30 can be, for example, copper-water heat pipes.
  • the capacitor-side end 32 of the heat pipes 30 can, on the one hand, lie on the back 14 of the electric motor 10 at an end of the conductor bars 12 facing away from the stator/rotor block 8.
  • the capacitor-side end of the heat pipes 30 can also lie in the area of the short-circuit ring 38. In both cases, recooling of the heat pipes 30 is supported at their condenser end, for example by cooling fins as an air heat exchanger or another type of heat exchanger. A corresponding embodiment is shown in Figure 8.
  • Figure 8 shows a section of the front side 13 of the electric motor 10.
  • the stator/rotor block 8 is partially shown as well as the conductor bars 12 protruding from it and ending in the short-circuit ring 38.
  • the conductor bars 12 contain heat pipes 30, the capacitor-side end of which lies in the area of the short-circuit ring 38.
  • the short-circuit ring 38 itself is formed in the embodiment of FIG. 9 by spaced individual sheets 39.
  • the short-circuit ring 38 can also be formed from axially assembled individual sheets or simply be a solid ring. It is preferably contacted with the conductor bars by the high-pressure process with which the waveguides are also fixed in the stator laminated core.
  • the short-circuit ring 38 has a significantly enlarged surface compared to a solid short-circuit ring. This surface serves as a heat sink for the heat pipes 30 in the conductor bars 12. Furthermore, this configuration can also be used to avoid eddy currents be advantageous.
  • a radial cooling air flow is generated by a fan 41 arranged radially within this short-circuit ring 38 of the stator 11 on the motor shaft 7. This passes through the spaces between the individual sheets 39 and ensures improved heat removal from the short-circuit ring 38.
  • the cooling of the short-circuit ring 38 can be open (heat exchange with the ambient air, for example via air slots in the stator), or as a closed cooling circuit with a secondary cooling device.
  • air-air cooling units via tube or plate coolers or air-liquid cooling units via jacket or top-mounted coolers can be used.

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Abstract

Ein Elektromotor mit als Stäbe ausgestalteten Feldleitern im Stator umfasst eine Mehrzahl von Wechselrichtern zur Ansteuerung der Stäbe, wobei die Leistungsteile der Wechselrichter auf einer oder mehreren Leiterplatten angeordnet sind, die Leiterplatten auf wenigstens einer Kühlplatte angeordnet sind und die Kühlplatten direkt an den Stäben oder daran befestigten stabartigen Stromleitern befestigt sind. Die Stäbe weisen innenliegende Kühlkanäle oder Wärmerohre auf, um Wärme zu abzutransportieren, dass die Stäbe im Bereich der Kühlplatten entwärmt werden.

Description

Beschreibung
Elektromotor
Die Erfindung betri f ft einen Elektromotor mit statorseitig als Stab ausgeführten Feldleitern .
Elektromotoren können so gestaltet sein, dass der Ständer ( Stator ) eine Reihe von Stäben anstelle von gewickelten Drahtleitern als Feldleiter aufweist . Die Stäbe weisen im Vergleich zu herkömmlichen Wicklungen eine geringe Induktivität auf . Daher ist für die Erzeugung eines vorgegebenen Magnetfelds ein vergleichsweise hoher Stromfluss erforderlich .
Dieser hohe Stromfluss erfordert aber durch die geringe Induktivität der Stäbe nur eine vergleichsweise geringe Spannung von beispielsweise 12 V . Die geringe Spannung ermöglicht es , die Komponenten der Wechselrichter, mit denen die Stäbe angesteuert werden, in geringen Abständen zueinander anzuordnen . So können die Komponenten der Leistungselektronik beispielsweise auf einer oder mehr Platinen angeordnet werden, die nahe am Elektromotor angeordnet werden . Die Stäbe können dabei direkt oder über elektrisch leitende stabartige Verbindungselemente direkt als mechanischer Träger der Platinen verwendet werden .
Zu der hohen Verlustwärme der elektrischen und elektronischen Komponenten, die durch die hohen Stromstärken bedingt ist , kommt also bei einem solchermaßen gestalteten Elektromotor eine hohe Packungsdichte der elektrischen und elektronischen Komponenten . Deren direkte Verbindung mit dem Stator/Rotor- Block über die Stäbe sorgt für einen weiteren Wärmeeintrag aus dem Stator/Rotor-Block . Daraus resultiert nachteilig ein erheblicher Kühlaufwand der elektrischen und elektronischen Komponenten auf den Platinen .
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Elektromotor anzugeben, der den eingangs genannten Nachteil vermindert . Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst .
Der erfindungsgemäße Elektromotor umfasst einen Stator mit einer Mehrzahl von als Stab ausgestalteten Feldleitern und einen Wechselrichter mit einem oder mehreren parallelen Leistungsteilen für j eden der Feldleiter zu deren Ansteuerung, wobei der Wechselrichter eine Steuerung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Leistungsteile umfasst .
Dabei sind die Endstufen des Wechselrichters auf einer Mehrzahl von Leiterplatten angeordnet und die Leiterplatten auf wenigstens einer Kühlplatte angeordnet , wobei die Kühlplatte so angeordnet ist , dass die Feldleiter oder an den Feldleitern angeordnete sie axial verlängernde Stromleiter mit der Kühlplatte in mechanischer Wirkverbindung stehen .
Schließlich ist wenigstens eine Kühlvorrichtung vorhanden, die eine Fluidleitung umfasst , die wenigstens abschnittsweise innerhalb von einem der Feldleiter und/oder Stromleiter geführt ist .
Der erfindungsgemäße Elektromotor weist vorteilhaft durch die Kühlvorrichtung eine verbesserte Wärmeabfuhr für die Feldleiter auf . Dadurch erreicht ein geringerer Wärmestrom die Kühlplatten und die auf den Kühlplatten angeordnete Elektronik, insbesondere die Wechselrichter . Dadurch wiederum kann der Kühlaufwand im Bereich der Kühlplatten und der Elektronik reduziert werden .
Die Feldleiter oder Stromleiter agieren bevorzugt als mechanischer Träger für die Kühlplatten und stehen daher in mechanischer Wirkverbindung mit diesen . Es ist möglich, dass die Feldleiter oder Stromleiter die Kühlplatte und die Leiterplatte durchdringen . Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elektromotors gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor . Dabei kann die Aus führungs form der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden . Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden :
Die Fluidleitungen können Wasserleitungen sein . Wasser ist ein Standard-Kühlmittel und kann beispielsweise in einem Werk von außerhalb des Elektromotors zur Verfügung gestellt werden, sodass für Wasser geeignete Leitungen zweckmäßig sind .
Der Elektromotor kann ausgestaltet sein, ein elektrisch leitendes Fluid als Kühlmittel zu verwenden, wobei die spezi fische Leitfähigkeit wenigstens I O-2 S/m, insbesondere wenigstens 1 S/m beträgt . I st das Kühl fluid elektrisch leitend, wird dadurch in der Fluidleitung ein weiterer Strompfad bereitgestellt , der ansonsten nicht bereitsteht . Dadurch wird für einen gegebenen Stromfluss durch den Feldleiter oder Stromleiter der Querschnitt an metallischem Leiter, beispielsweise Kupfer, der für den Strom bereitgestellt werden muss , reduziert und somit Material und Gewicht gespart .
Der Elektromotor kann ausgestaltet sein, Luft als Kühl fluid zu verwenden . Gegenüber anderen Medien weist Luft den Vorteil auf , geringe bauliche Anforderungen auf zuweisen, da Luft nicht eingeschlossen und gegenüber den zu kühlenden Aufbauten abgeschlossen zu werden . Vielmehr kann Luft in of fenen Kühlkanälen geführt werden und steht frei zur Verfügung .
Der Elektromotor kann eine Pumpe für ein Kühl fluid aufweisen . Sofern das Kühl fluid nicht von außen zugeführt wird, ist es vorteilhaft , wenn der Elektromotor so ausgestaltet ist , dass ein Fluid-Umlauf erzeugt werden kann, der für einen Wärmeabtransport durch Materialbewegung sorgt . Falls der Motor eine hohe Zahl von Feldleitern, beispielsweise mehr als 50 oder sogar mehr als 100 Feldleiter aufweisen, können auch mehrere Pumpen vorhanden sein . Der Elektromotor kann so gestaltet sein, dass für j eden der Feldleiter und/oder Stromleiter eine Fluidleitung vorhanden ist und wenigstens abschnittsweise innerhalb des Feldleiters und/oder Stromleiters geführt ist . Es ist zweckmäßig, für j eden der Feldleiter oder Stromleiter eine Entwärmung vorzusehen, da im Betrieb des Elektromotors die Feldleiter oder Stromleiter gleichmäßig mit Wärme beaufschlagt werden und somit j eder der Feldleiter oder Stromleiter in etwa gleichermaßen zum Wärmetransport zu den Kühlplatten beiträgt .
Zweckmäßig liegt ein Bereich, in dem die Fluidleitung in dem Feldleiter und/oder Stromleiter geführt ist , axial zwischen einer Kühlplatte und einem axialen Beginn des Rotors . Weiterhin ist es zweckmäßig, in diesem Bereich die Wärme abzuführen, um den Wärmeeintrag aus dem Rotor-Bereich, also dem Antriebssystem in die Elektronik, also dem Bereich der Kühlplatten und Leiterplatten zu verringern .
Falls Stromleiter vorhanden sind, sind diese mit den Feldleitern zweckmäßig mittels eines Schuhs verbunden, wobei die Fluidleitung auch im Schuh geführt sein kann . Der Schuh dient der festen Verbindung zwischen den Feldleitern und den Stromleitern, wobei die Feldleiter zur Antriebsseite des Elektromotors gehören und die Stromleiter die Elektronik auf den Leiterplatten kontaktieren und die Kühlplatten und Leiterplatten tragen .
Der Elektromotor kann einen Kurzschlussring zur elektrischen Verbindung der Feldleiter aufweisen . Die Fluidleitungen für wenigstens zwei der Feldleiter können im Kurzschlussring miteinander verbunden sein . Hierdurch wird vorteilhaft auf einer Seite des Elektromotors ein serieller Zusammenschluss der Fluidleitungen vorgenommen werden, so dass Zufluss und Abfluss auf einer Seite des Elektromotors liegen . Es ist zweckmäßig, die Fluidleitungen im Kurzschlussring paarweise zusammenzuschließen . Sind die Fluidleitungen auf der Stirnseite des Elektromotors im Kurzschlussring paarweise zusammengeschlossen, dann kann es vorteilhaft sein, auch auf der Rückseite des Elektromotors einen Zusammenschluss von einem Teil der Fluidleitungen vorzunehmen . Zweckmäßig werden die Fluidleitungen in Blöcken von wenigstens zwei Fluidleitungen dabei so zusammengeschlossen, dass sich ein mäanderf örmiger Verlauf der sich ergebenden verbundenen Fluidleitungen durch den Stator ergibt . Hierdurch wird die Anzahl der Zuflüsse und Abflüsse reduziert und somit der Aufbau des Elektromotors vereinfacht . Im Prinzip kann die Anzahl der Zuflüsse und Abflüsse auf j eweils eins reduziert werden, indem alle Fluidleitungen seriell verbunden werden . In bestimmten Ausgestaltungen des Motors kann es zweckmäßig sein, mehr als j e einen Abfluss und Zufluss zu verwenden, also die Fluidleitungen nur blockweise seriell zu verbinden .
Es ist möglich, dass zusammengeschlossene Fluidleitungen voneinander derart beabstandet sind, dass sie nicht zu benachbarten Leiterstäben gehören . Beispielsweise kann die Fluidleitung j edes n-ten Leiterstabs seriell zusammengeschlossen sein, wobei n wenigstens zwei beträgt . Im Falle von n = 2 ist also eine Fluidleitung eines ersten Leiterstabs mit derj enigen eines übernächsten ( dritten) Leiterstabs verbunden . Es können dann beispielsweise n voneinander separate Fluidkanal- Pfade aus zusammengeschlossenen Fluidleitungen vorliegen . Vorteilhaft wird dadurch erreicht , dass bei Aus fall eines der Fluidkanal-Pfade der Mangel an Kühlung nicht einen zusammenhängenden Block von Leiterstäben betri f ft , sondern sich gleichmäßig über den Umfang des Elektromotors verteilt .
Die Fluidleitung kann wenigstens teilweise durch eine Aushöhlung oder Bohrung im Feldleiter und/oder Stromleitung gebildet sein . Die Fluidleitung weist dann im Prinzip kein eigenes Material auf , da sie kein eigenes Bauteil ist . Alternativ kann die Fluidleitung ein eigenes Bauteil darstellen . In diesem Fall kann die Fluidleitung ein metallisches Material aufweisen, insbesondere metallisch sein . Dadurch steht die Flu- idleitung vorteilhaft selbst und auch möglicherweise das Kühl fluid als elektrischer Leiter zur Verfügung .
Die Fluidleitung kann auch ein keramisches Material aufweisen, insbesondere aus einem keramischen Material bestehen . Keramische Materialien sind hitzebeständig, chemisch beständig und elektrisch isolierend und dadurch in bestimmten Ausgestaltungen des Elektromotors vorteilhaft .
Die Fluidleitung kann ein Wärmerohr oder Thermosiphon sein . Sie ist dann bevorzugt vollständig innerhalb eines der Feldleiter und/oder Stromleiter angeordnet . Durch die enorm hohe Wärmeleitfähigkeit eines Wärmerohrs wird eine starke Entwär- mung des Feldleiters oder Stromleiters im Bereich der Verdampferseite des Wärmerohrs erreicht . Die Verdampferseite des Wärmerohrs ist bevorzugt im Bereich der Kühlplatten und Leiterplatten angeordnet oder zwischen diesen und dem Sta- tor/Rotor-Block . Dadurch wird vor allem verhindert oder vermindert , dass Abwärme aus dem Stator/Rotor-Block über die Feldleiter die Kühlplatten und Leiterplatten zusätzlich erwärmt . Die Kondensatorseite der Wärmerohre kann einerseits abseits des Stator/Rotor-Blocks und j enseits der Kühlplatten angeordnet sein . Alternativ kann das Kondensatorende auch im Bereich eines Kurzschlussrings des Elektromotors angeordnet sein . Dabei kann das Wärmerohr auch bis in den Kurzschlussring hineinragen .
Im Bereich des Kondensatorendes des Wärmerohrs ist es zweckmäßig, wenn eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht ist , indem beispielsweise Kühl-Lamellen vorhanden sind . Befindet sich das Kondensatorende des Wärmerohrs im Bereich des Kurzschlussrings , dann kann der Kurzschlussring beispielsweise geblecht aufgebaut sein, wobei die Einzelbleche beabstandet sein können . Hierdurch weist der Kurzschlussring eine hohe Oberfläche auf und ermöglicht so eine ef fi ziente Wärmeabfuhr . Diese kann unterstützt werden durch eine forcierte Luftbewegung, beispielsweise durch einen Eigen- oder Fremdlüfter . Der Elektromotor kann eine Mehrzahl von Leiterplatten aufweisen . Insbesondere kann eine Mehrzahl von separaten Leiterplatten auf eine Kühlplatte aufgebracht sein . Durch Verteilung auf eine Mehrzahl von Leiterplatten kann die verwendete Leistungselektronik modularisiert werden . So kann unter Verwendung einer Viel zahl von gleichartigen Leiterplatten eine große Anzahl von Umrichtern bereitgestellt werden, wodurch die Herstellung in Bezug auf Ausschuss verbessert wird .
Die Leiterplatten können kreis- oder ringsektorf örmig ausgestaltet sein . Die Leiterplatten können dadurch in einem Kreis oder Ring angeordnet werden, der die Achse des Elektromotors umschließt . Leiterplatten mit dieser Form lassen sich zu einem Kreis oder Ring zusammensetzen und somit optimal an die Form der elektrischen Maschine angepasst an einem axialen Ende der Maschine anordnen, wobei gleichzeitig eine hohe Modularität erreicht wird . Die Leiterplatten können dadurch platzsparend axial versetzt zum Stator und Rotor angeordnet werden und bilden einen integralen Teil des Elektromotors . Auf diese Weise ist es auch möglich, mehrere Kühlplatten mit Leiterplatten axial versetzt zueinander anzuordnen und so beispielsweise Wechselrichter parallelschalten, die an derselben azimutalen Stelle angeordnet sind .
Bevorzugt ist die Kühlplatte senkrecht zur Achse des Elektromotors angeordnet . Auf diese Weise kann die Kühlplatte mit den Leiterplatten platzsparend an einem axialen Ende der elektrischen Maschine angeordnet werden . Auch eine Mehrzahl von Kühlplatten kann axial versetzt und nahe aneinander angeordnet werden . Weiterhin ist bei einer solche Anordnung ein gleichmäßiger Abstand zwischen Kühlplatte und Leistungselektronik zu den Stäben gegeben, die die Feldleiter bilden, wodurch die Kontaktierung der Stäbe vereinfacht wird .
Besonders vorteilhaft ist es , wenn j eder der Feldleiter mit einer eigenen Phase angesteuert wird . Unter einer Phase wird dabei eine Wechselspannungsversorgung verstanden, die gegenüber allen anderen im Elektromotor verwendeten Phasen um ei- nen von Null verschiedenen Winkel phasenversetzt ist . In diesem Fall ist für j eden der Feldleiter zweckmäßig ein eigener Wechselrichter vorhanden, der nur diesen Feldleiter ansteuert .
Die Wechselrichter können ausgestaltet sein zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Amplitude von 200 V oder weniger, insbesondere 150 V oder weniger, insbesondere 50 V oder weniger . Die so erzeugte Spannung ist die Spannung, mit der die Feldleiter, also die Statorstäbe beaufschlagt werden . Durch diese vergleichsweise niedrige Spannung wird erst ermöglicht , dass die Komponenten der Wechselrichter sehr nahe zueinander angeordnet werden können . Es können Abstände von etwa 2 mm zwischen den Komponenten wie den Leistungs- Halbleiter-Schaltern verwendet werden, wodurch sich eine hohe Packungsdichte der elektronischen Komponenten ergibt und die Möglichkeit , auf vergleichsweise geringem Raum eine Viel zahl von Wechselrichtern anzuordnen . Dadurch wiederum wird es bei geringem Platzbedarf möglich, eine hohe Zahl von Phasen zu verwenden, insbesondere eine Anzahl von Phasen, die der Zahl der Statorstäbe entspricht . So können bei einer entsprechend hohen Zahl von Statorstäben 48 , 72 oder auch 120 Phasen verwendet werden .
Die Begri f fe „axial" , „radial" , „azimutal" beziehen sich dabei auf die Achse des Rotors und damit auf die entsprechende Symmetrieachse des Stators . Dabei beschreibt „axial" eine Richtung parallel zu dieser Achse , „radial" beschreibt eine Richtung orthogonal zur Achse , auf diese zu oder auch von ihr weg, und „azimutal" ist eine Richtung, die in konstantem radialem Abstand zur Achse und bei konstanter Axialposition kreis förmig um die Achse herum gerichtet ist .
Werden die Begri f fe „axial" , „radial" und „tangential" in Bezug auf eine Fläche verwendet , bspw . eine Querschnitts fläche , beschreiben die Begri f fe die Orientierung des Normalenvektors der Fläche , d . h . desj enigen Vektors , der senkrecht auf der betrof fenen Fläche steht . Vorteilhaft kann der Elektromotor in solchen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine hohe und über einen weiten Drehmomentenbereich und Leistungsbereich regelbare Leistung von 10 kW oder mehr, insbesondere 100 kW oder mehr, in speziellen Ausgestaltungen 1 MW oder mehr gebraucht wird . Vorteilhaft ist der Elektromotor weiterhin dort , wo ein kompakter Aufbau erforderlich ist . Beispiele für vorteilhafte Anwendungsgebiete sind Schi f fsantriebe von kleinen Booten bis zu großen Schi f fen, Kraftfahrzeuge , Pumpen, Lüfter, Zentri fugen im industriellen Bereich; Verkehr und Nahrungsmittelindustrie .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert . Es zeigen schematisch :
Figur 1 einen Elektromotor mit auf von Kühlplatten getragenen Leiterplatten angeordneten Leistungsteilen in Schrägansicht ,
Figur 2 auf einer Kühlplatte angeordnete Platinen in Frontansicht ,
Figur 3 einen Ausschnitt des Elektromotors in Schrägansicht mit Kühlplatten mit Leiterplatten,
Figur 4 ein Schnittbild eines Leiterstabs mit aufgeschobener Kühlplatte und mit Fluidkanal und Schlauchanschluss ,
Figur 5 ein Schnittbild eines Leiterstabs mit drei aufgeschobenen Kühlplatten und mit Fluidkanal und Schlauchanschluss ,
Figur 6 die Führung von Fluidkanälen auf Vorder- und Rückseite des Elektromotors , Figur 7 ein Schnittbild des Elektromotors mit Wärmerohren als Fluidkanäle ,
Figur 8 ein Ausschnitt der Stirnseite des Elektromotors mit einem geblechten Kurzschlussring .
Figur 1 stellt eine isometrische Ansicht eines Elektromotors 10 dar, der ein Aus führungsbeispiel für die Erfindung ist . Der Elektromotor 10 umfasst einen Stator 11 und einen im Wesentlichen im Stator 11 angeordneten Rotor, der in Figur 1 nicht sichtbar ist . Der Rotor ist drehfest mit einer Welle verbunden, die ebenfalls in Figur 1 nicht dargestellt ist . Durch elektromagnetische Wechselwirkung des Rotors mit einem dem bestromten Stator 11 wird der Rotor um eine Achse 9 in Drehung versetzt . Der Rotor ist dabei vom Stator 11 durch einen Luftspalt getrennt . In anderen Aus führungs formen kann es sich bei dem Elektromotor 10 auch um einen Außenläufermotor oder Glockenankermotor handeln .
Der Stator 11 umfasst als Feldleiter eine Mehrzahl von starren und geraden Leiterstäben 12 . Diese Leiterstäbe 12 sind auf der in Figur 1 abgewandten Stirnseite 13 über einen Kurzschlussring 38 miteinander verbunden . Auf der Rückseite 14 des Elektromotors 10 werden die Leiterstäbe 12 durch j eweils zugehörige Wechselrichtermodule einzeln gespeist . Da es sich bedingt durch die Leiterstäbe 12 um einen bei niedrigen Spannungen betriebenen Elektromotor 10 handelt , können die Wechselrichtermodule zusammen mit anderen Komponenten der Elektronik ( Gleichspannungswandler, Gleichrichter ) verhältnismäßig eng zusammen auf Leiterplatten 15 angeordnet sein . Die Leiterplatten 15 sind dabei in diesem Beispiel ringsektorf örmig und viele einzelne Leiterplatten 15 bilden zusammen eine ringförmige Platinenstruktur aus .
Während in den Beispielen davon ausgegangen wird, dass die Leiterplatten 15 zumindest die Leistungsteile von Wechselrichtern tragen, ist es auch möglich, dass ein Teil der Leiterplatten 15 Gleichrichter und DC/DC-Wandler tragen . Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf eine solche Platinenstruktur . Die Anzahl der in Figur 2 dargestellten Platinen ist dabei für eine bessere Übersichtlichkeit gegenüber dar Darstellung in Figur 1 verringert und stark vereinfacht dargestellt . Die konkrete Anzahl an solchen Leiterplatten 15 hängt von der konkreten Ausgestaltung des Elektromotors 10 ab, insbesondere der Anzahl der Leiterstäbe 12 . Jede der Leiterplatten 15 umfasst mehrere Halbleiterschalter 422 . Die Halbleiterschalter 422 bilden zusammen Leistungsteile von Wechselrichtern aus , die eine Wechselspannung für die Leiterstäbe 12 bereitstellen .
Weiterhin kann ein Teil der Leiterplatten 15 oder alle Leiterplatten 15 in den Figuren nicht dargestellte Treiberschaltungen und andere elektronische Komponenten wie Kondensatoren umfassen . Die Halbleiterschalter 422 sind Leistungshalbleiter wie beispielsweise IGBTs , MOSFETs oder JFETs und können abhängig von der Verschaltung zusätzlich nicht gezeigte Dioden umfassen . Die Halbleiterschalter 422 sind beispielsweise als Halbbrücken verschaltet . Ein nicht gezeigter Kondensator kann beispielsweise einen Zwischenkreis-Kondensator der Halbbrücken darstellen . Die Halbleiterschalter 422 einer Leiterplatte 15 können dabei einer einzelnen Phase zugeordnet sein . Bei einem Elektromotor 10 mit einer großen Zahl an Feldleitern 12 und einer entsprechenden Zahl an Phasen ist es vorteilhaft , wenn eine Leiterplatte 15 die Leistungsteile für mehrere Phasen trägt .
Die Leiterplatten 15 umfassen weiterhin Kontaktstellen 421 , an denen die Leiterstäbe 12 angeschlossen sind . Die Leiterplatten 15 werden von scheibenförmigen Kühlplatten 16 getragen, wobei für eine bessere Platzausnutzung die Kühlplatten 16 beidseitig mit Leiterplatten 15 belegt sein können .
Da bei dem Elektromotor 10 verhältnismäßig hohe Ströme in den Leiterstäben nötig sind, sind bevorzugt mehrere Leistungsteile zu deren Bestromung parallelgeschaltet . Dies kann bei- spielsweise dadurch erreicht werden, dass die in Figur 1 gezeigten sechs Platinenstrukturen auf drei Kühlplatten 16 alle gleichartig an die Leiterstäbe 12 angeschlossen sind und somit elektrisch parallel angebunden sind . Dabei wird ausgenutzt , dass die Leiterstäbe 12 oder Verbindungselemente 18 zu den Leiterstäben 12 die Kühlplatten 16 und damit auch die Leiterplatten 15 gleichartig an den Kontaktstellen durchdringen oder im Falle der äußersten Kühlplatte 16 zumindest kontaktieren .
Figur 3 zeigt ein Schnittbild des Elektromotors 10 in Schrägansicht . Hierbei ist zu erkennen, dass die Verbindungselemente 18 die drei Kühlplatten 16 mechanisch tragen und durchdringen . Die Verbindungselemente 18 sind über Schuhe 17 mit den Leiterstäben 12 verbunden . Die Endstufen, die auf den Leiterplatten 15 in den Bereichen liegen, in denen eines der Verbindungselemente 18 eine Kühlplatte 16 durchdringt , sind parallelgeschaltet und stellen gemeinsam den Strom für den Leiterstab 12 bereit . Bei dem in Figur 3 gezeigten Aufbau ist erkennbar, dass zwei der Verbindungselemente 18 j eweils eine Leiterplatte 15 durchlaufen . Somit trägt j eder der Platinen die Endstufen für zwei Phasen des Elektromotors 10 . In anderen Varianten für den Elektromotor 10 kann eine einzelne Leiterplatte 15 auch nur eine Phase oder drei oder mehr Phasen tragen, wobei dieselbe Anzahl der Verbindungselemente 18 die Leiterplatte 15 durchläuft .
Der Stator/Rotor-Block 8 des Elektromotors 10 und die Elektronik auf den Leiterplatten 15 erzeugen Wärme . Die Leiterstäbe 12 und die Verbindungselemente 18 stellen neben der elektrischen Leitung auch eine Wärmebrücke zwischen den beiden Komponenten dar . Besonders auf der Seite der Elektronik ist es aber wichtig, dass ein nicht zu großer zusätzlicher Wärmeeintrag passiert , da die elektronischen Bauelemente eine Temperatur von ca . 80 ° C nicht lange und weit überschreiten dürfen . Eine verstärkte Kühlung im Bereich der Leiterplatten ist aber aufwendig . Figur 4 zeigt ein Schnittbild eines Ausschnitts des Elektromotors 10 . Das Schnittbild zeigt zwei Leiterplatten 15 , die beidseitig auf einer Kühlplatte 16 angeordnet sind . Die Anordnung in Figur 4 entspricht derj enigen der Figuren 1 bis 3 . Von der Ringstruktur, die die Leiterplatten 15 bilden, erfasst das Schnittbild der Figur 4 daher nur zwei der Leiterplatten 15 . Die Kühlplatte 16 ist auf einen Leiterstab 12 aufgeschoben und wird von den Leiterstäben 12 getragen . Für das Aufschieben auf den Leiterstab 12 ist dieser zum Ende hin verj üngt . Eine metallische Hülse 25 stellt im Bereich der Verj üngung einen vergrößerten Leiterquerschnitt zwischen den Leiterplatten 15 , also der Vorderseite und Rückseite der Kühlplatte 16 , her . Die Kühlplatte und die Leiterplatten 15 können beispielsweise mittels einer Mutter 26 fixiert sein . Hierzu ist es zweckmäßig, wenn der Leiterstab 12 ein Außengewinde im Endbereich aufweist .
Die Leiterstäbe 12 umfassen j eweils einen Fluidkanal 20 , beispielsweise als Bohrung . Der Fluidkanal 20 ist durchgängig und endet am äußeren Ende des Leiterstabs 12 . Dort kann ein Schlauchanschluss 23 aufgebracht sein, der eine Verbindung zu einem Schlauch 24 herstellt . Schlauch 24 und Fluidkanal 20 erlauben es , die Leiterstäbe 12 mit einem Kühl fluid, beispielsweise Luft oder Wasser zu durchströmen und damit Wärme abzutransportieren . Dabei ist es möglich, den Fluidkanal 20 an anderer Stelle aus dem Leiterstab 12 heraus zuführen, um einen zweiten Anschluss , also Abfluss , zu realisieren .
Der in Figur 4 gezeigt Aufbau kann erweitert werden, um mehr als eine Kühlplatte 16 anzuschließen . Ein entsprechender Aufbau ist in Figur 5 gezeigt . Das Ende des Leiterstabs 12 weist in dieser Aus führung zum Ende hin eine Aussparung 26 auf , die in diesem Beispiel gegenüber dem Fluidkanal 20 einen erweiterten Durchmesser hat . Die Aussparung 26 ist mit einem Innengewinde versehen . In die Aussparung 26 eingeschraubt ist ein Gewindestab 27 . Der Gewindestab 27 weist seinerseits einen Fluidkanal 20 auf , der im eingeschraubten Zustand den Fluidkanal 20 des Leiterstabs 12 fortsetzt . Auf den Gewindestab 27 aufgeschoben ist dann in dem Beispiel der Figur 5 eine Folge von drei Kühlplatten 16 mit den j eweiligen Leiterplatten 15 . Um Stromleitung um die richtigen Abstände zwischen den Leiterplatten 15 unter dem für die Kontaktierung nötigen Andruck und auch elektrische Leitung zu gewährleisten, sind Hülsen 25 , 28 eingeschoben . Am Ende der Gewindestange 27 ist wie in der Aus führung gemäß Figur 4 ein Schlauchanschluss 23 angeordnet , der den Fluidkanal 20 mit einem Schlauch 24 verbindet .
Eine vorteilhafte Ausgestaltung, um einen Rückkanal für den Fluss des Kühl fluids zu realisieren, ist in Figur 6 dargestellt . Figur 6 zeigt stark vereinfacht und unter Auslassung der Kühlplatten 16 und Leiterplatten 15 den Elektromotor 10 mit dem von den Leiterstäben 12 des Stators 11 durchdrungenen Stator/Rotor-Block 8 . Die Leiterstäbe 12 münden an einem Ende in einen sie verbindenden Kurzschlussring 38 . Der Kurzschlussring 38 ist dabei so ausgestaltet , dass er seinerseits Fluidkanäle 20 aufweist , die so gestaltet sind, dass j eder davon die Fluidkanäle 20 von zwei - im einfachsten Fall benachbarten - Leiterstäben 12 miteinander verbindet . Auf diese Weise wird ein Fluss realisiert , bei dem ein erster Leiterstab 12 einen Zufluss darstellt , in den also das Kühl fluid auf der Rückseite 14 des Elektromotors 10 eintritt und ein dazu benachbarter Leiterstab 12 den Abfluss darstellt , bei dem ebenfalls auf der Rückseite des Elektromotors 10 das Kühl fluid austritt . Die Schläuche 23 an Zufluss und Abfluss können an anderer Stelle zusammengeführt sein, um einen Kühlkreislauf zu realisieren . An dieser Stelle kann die Wärme über einen Wärmetauscher oder Kühlkörper an die Umgebung abgegeben werden . Es ist möglich, dass die genannten Elemente als Teil des Elektromotors 10 ausgeführt sind . Alternativ ist es auch möglich, dass der Kühlkreislauf am Einbauort des Elektromotors 10 unabhängig vom Elektromotor 10 bereits vorhanden ist und der Elektromotor 10 zusammen mit anderen Geräten an diesen angeschlossen wird . Da alle Leiterstäbe 12 gleichermaßen erwärmt werden von der Seite des Stator/Rotor-Blocks 8 und gleichermaßen mit den Leiterplatten 15 verbunden sind, ist es zweckmäßig, für jeden der Leiterstäbe 12 einen Fluidkanal 20 vorzusehen. Bei bestimmten Ausgestaltungen des Elektromotors 10 ist die Anzahl der Leiterstäbe 12 aber hoch, beispielsweise 48, 72 oder sogar 120. Im letzteren Fall liegen somit 60 Abflüsse und 60 Zuflüsse vor, die an anderer Stelle angeschlossen oder zusammengeführt werden müssen und für ein Wasserfluss erreicht werden muss, beispielsweise durch ein Pumpsystem. Daher ist es für bestimmte Aus führungs formen des Elektromotors 10 vorteilhaft, wie in Figur 6 angedeutet die Fluidkanäle auch auf der Rückseite 14 teilweise miteinander zu verbinden. Hierzu wird der angeschlossene Schlauch 24 direkt zu einem weiteren Leiterstab 12 geführt und dort ebenfalls angeschlossen. Hierbei ist es zweckmäßig, andere Paare von Leiterstäben zu verbinden als es im Kurzschlussring 38 der Fall ist, um eine mäandernde Führung des Kühlfluids zu erreichen. So kann das Kühlfluid mit einem einzigen Zufluss und einem einzigen Abfluss durch 4, 6, 8 oder mehr der Leiterstäbe 12 geleitet werden, wodurch der Aufbau vereinfacht wird. Es können so je nach Bedarf der Kühlung auch alle Leiterstäbe zu einem einzigen Kühlfluid-Pfad zusammengeschlossen werden oder aber die Hälfte, ein Drittel oder eine Aufteilung in andere beliebige Bruchteile .
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Kühlfluid-Pfad, der durch mehrere in Serie geschaltete Fluidkanäle gebildet ist, die Fluidkanäle von solchen Leiterstäben umfasst, die durch einen, zwei oder mehr zwischenliegende Leiterstäbe in der azimutalen Abfolge getrennt sind. Sind die Leiterstäbe fortlaufend azimutal nummeriert, dann kann beispielsweise ein erster Kühlfluid-Pfad die Fluidkanäle der Leiterstäbe 1, 5, 9, 13, 17... umfassen, während ein zweiter Kühlfluid-Pfad die Fluidkanäle der Leiterstäbe 2, 6, 10, 14, 18..., ein dritter Kühlfluid-Pfad diejenigen der Leiterstäbe 3, 7, 11, 15, 19... und ein vierter Kühlfluid-Pfad diejenigen der Leiterstäbe 4, 8, 12, 16, 20... umfassen. Mit diesen vier Kühlfluid-Pfaden sind alle Fluidkanäle Teil eines Kühl fluid-Pfads . Die Kühlfluid-Pfade sind mit anderen Worten verflochten . Fällt ein solcher Kühl fluid-Pfad durch technischen Defekt aus , ist davon aber nicht ein zusammenhängender Block von Leiterstäben betrof fen, sondern der Mangel an Kühlung ist vorteilhaft gleichmäßig über die Leiterstäbe verteilt . Die Symmetrie der Kühlung bleibt dadurch gewahrt .
In den bisher beschriebenen Beispielen sind die Fluidkanäle stets als Bohrungen, oder Höhlungen in den j eweiligen Elementen ausgestaltet . Es ist alternativ auch möglich, die Fluidkanäle als eigene Bauelemente zu formen und beispielsweise in die Leiterstäbe einzubringen . Solche Fluidkanäle stellen damit eigene Bauelemente dar . Sie können beispielsweise keramisch sein, wodurch eine elektrische I solation zum Leiterstab 12 möglich ist . In alternativen Ausgestaltungen kann der Fluidkanal auch aus anderen Materialien gefertigt sein, auch beispielsweise metallische Materialien . In diesem Fall ist eine elektrische Leitung von dem Leiterstab 12 zu anderen Elementen zu verhindern, beispielsweise durch die Verwendung von Kunststof f-Schläuchen zur Wasserführung .
Alternativ zu of fenen Fluidkanälen 20 , die von einem Kühl fluid in einer Richtung durchflossen werden, können die Fluidkanäle 20 innerhalb der Leiterstäbe 12 auch abgeschlossen sein und als Wärmerohre 30 gestaltet sein . Eine solche Ausgestaltung ist in Figur 7 dargestellt . Figur 7 zeigt den Elektromotor 10 in Seitenansicht mit dem Stator/Rotor-Block 8 und den Leiterstäben 12 . Weiterhin sind an den Leiterstäben 12 auf der Rückseite 14 des Elektromotors zwei Kühlpatten 16 mit beidseitig aufgebrachten Leiterplatten angeordnet .
Die Wärmerohre 30 , 31 durchlaufen im Wesentlichen die gesamte Länge der Leiterstäbe . Sie sind dabei so angeordnet , dass ihre verdampferseitigen Enden 31 im Bereich zwischen dem Stator/Rotor-Block 8 bis zu der oder den Kühlplatten 16 liegen . Dadurch wird die Wärme hauptsächlich aus diesem Bereich abtransportiert , d . h . die Abwärme der Endstufen des Wechsel- richters wird abgeführt und Abwärme aus dem Stator/Rotor- Block 8 wird daran gehindert , zur Erwärmung der Endstufen auf den Leiterplatten 15 bei zutragen . Bei den Wärmerohren 30 kann es sich beispielsweise um Kupfer-Wasser-Wärmerohre handeln .
Das kondensatorseitige Ende 32 der Wärmerohre 30 kann einerseits auf der Rückseite 14 des Elektromotors 10 an einem vom Stator/Rotor-Block 8 abgewandten Ende der Leiterstäbe 12 liegen . Andererseits kann das kondensatorseitige Ende der Wärmerohre 30 auch im Bereich des Kurzschlussrings 38 liegen . In beiden Fällen wird eine Rückkühlung der Wärmerohre 30 an deren kondensatorseitigem Ende unterstützt , beispielsweise durch Kühl-Lamellen als Luft-Wärmetauscher oder eine andere Art von Wärmetauscher . Eine entsprechende Ausgestaltung ist in Figur 8 dargestellt .
Figur 8 zeigt einen Ausschnitt der Stirnseite 13 des Elektromotors 10 . Dabei ist teilweise der Stator/Rotor-Block 8 dargestellt sowie die aus diesem herausragenden Leiterstäbe 12 , die im Kurzschlussring 38 enden . Die Leiterstäbe 12 beinhalten Wärmerohre 30 , deren kondensatorseitiges Ende im Bereich des Kurzschlussrings 38 liegt . Der Kurzschlussring 38 selbst ist in der Aus führungs form der Figur 9 durch beabstandete Einzelbleche 39 gebildet .
In alternativen Ausgestaltungen, die in Figur 9 nicht dargestellt sind, kann der Kurzschlussring 38 auch aus axial zusammengesetzten Einzelblechen gebildet sein oder einfach ein massiver Ring sein . Er ist vorzugsweise durch denj enigen Hochdruckvorgang mit den Leiterstäben kontaktiert , mit dem auch die Hohlleiter in dem Ständer-Blechpaket fixiert sind .
In einer Ausgestaltung mit beabstandeten Einzelblechen 39 , wie in Figur 8 dargestellt , weist der Kurzschlussring 38 eine deutlich vergrößerte Oberfläche gegenüber einem massiven Kurzschlussring auf . Diese Oberfläche dient als Wärmesenke für die Wärmerohre 30 in den Leiterstäben 12 . Weiterhin kann diese Ausgestaltung auch für die Vermeidung von Wirbelströmen vorteilhaft sein . Durch einen radial innerhalb dieses Kurzschlussrings 38 des Stators 11 an der Motorwelle 7 angeordneten Lüfter 41 wird ein radialer Kühlluftstrom erzeugt . Dieser tritt durch die Zwischenräume zwischen den Einzelblechen 39 und sorgt für einen verbesserten Wärmeabtransport aus dem Kurzschlussring 38 .
Die Kühlung des Kurzschlussrings 38 kann of fen sein (Wärmetausch mit der Umgebungsluft , beispielsweise über Luftschlit- ze im Ständer ) , oder als geschlossener Kühlkreislauf mit Sekundärkühleinrichtung . Hierzu können beispielsweise mit Luft- Luft-Kühlaggregate via Röhren- oder Plattenkühler oder Luft- Flüssigkeits-Kühlaggregate via Mantel- oder Aufsatzkühler verwendet werden .
Bezugs zeichenliste
7 Motorwelle
8 Stator/ Rotor-Block
9 Motorachse
10 Elektromotor
11 Stator
12 Leiterstab
13 Stirnseite
14 Rückseite
15 Leiterplatte
16 Kühlplatte
17 Schuh
18 Verbindungs element
20 Fluidkanal
23 Schlauchanschluss
24 Schlauch
25 , 28 Hülse
26 Aussparung
27 Gewindestab
38 Kurz Schluss ring
30 Wärmerohr
31 verdampferseitiges Ende
32 kondensatorseitiges Ende
39 Blech
41 Lüfter
421 Kontaktstellen
422 Haiblei ter schal ter

Claims

Patentansprüche
1. Elektromotor (10) mit:
- einem Stator (11) mit einer Mehrzahl von als Stab ausgestalteten Feldleitern (12) ,
- einem Wechselrichter mit einem oder mehreren parallelen Leistungsteilen für jeden der Feldleiter (12) zu deren Ansteuerung, wobei der Wechselrichter eine Steuerung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Leistungsteile umfasst, wobei
- die Endstufen des Wechselrichters auf einer Mehrzahl von Leiterplatten (15) angeordnet sind,
- die Leiterplatten (15) auf wenigstens einer Kühlplatte (16) angeordnet sind,
- die Kühlplatte (16) so angeordnet ist, dass die Feldleiter (12) oder an den Feldleitern (12) angeordnete sie axial verlängernde Stromleiter (18) mit der Kühlplatte in mechanischer Wirkverbindung stehen,
- wenigstens eine Kühlvorrichtung vorhanden ist, die eine Fluidleitung (20) umfasst, die wenigstens abschnittsweise innerhalb von einem der Feldleiter (12) und/oder Stromleiter (18) geführt ist.
2. Elektromotor (10) nach Anspruch 1, bei dem für jeden der Feldleiter (12) und/oder Stromleiter (18) eine Fluidleitung (20) vorhanden ist und wenigstens abschnittsweise innerhalb des Feldleiters (12) und/oder Stromleiters (18) geführt ist.
3. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Bereich (19) , in dem die Fluidleitung (20) in dem Feldleiter (12) und/oder Stromleiter (18) geführt ist, axial zwischen einer Kühlplatte (16) und einem axialen Beginn des Stator/Rotor-Blocks (8) liegt.
4. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, der einen Kurzschlussring (38) auf der von den Kühlplatten (16) abgewandten Seite des Elektromotors (10) zur elektrischen Verbindung der Feldleiter (12) aufweist und bei dem die Fluidleitungen (20) für wenigstens zwei der Feldleiter (12) im Kurzschlussring miteinander verbunden sind.
5. Elektromotor (10) nach Anspruch 4, bei dem die Fluidleitungen (20) für wenigstens zwei der Feldleiter (12) an einer vom Kurzschlussring (38) abgewandten Seite des Elektromotors miteinander verbunden sind.
6. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Fluidleitung (20) teilweise durch eine Gewindestange (27) gebildet ist, die in ein Ende eines Feldleiters (12) eingeschraubt ist, wobei die Fluidleitung (20) im Feldleiter (12) fortgesetzt ist.
7. Elektromotor (10) nach Anspruch 6, bei dem eine oder mehrere Kühlplatten (16) im Wechsel mit Elementen zur axialen Positionierung, insbesondere Abstandshülsen, (25, 28) auf die Gewindestange (27) aufgeschoben sind.
8. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Fluidleitung (20) ein metallisches Material aufweist, insbesondere aus einem metallischen Material besteht.
9. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Fluidleitung (20) durch eine Aushöhlung oder Bohrung im Feldleiter (12) und/oder Stromleiter (18) gebildet ist .
10. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Fluidleitung (20) ein Wärmerohr (30) ist und vollständig innerhalb eines der Feldleiter (12) und/oder Stromleiter (18) und/oder einem an den Feldleiter (12) anschließenden Kurzschlussring (38) angeordnet ist.
11. Elektromotor (10) nach Anspruch 10, bei dem ein kondensatorseitiges Ende des Wärmerohrs (30) im Kurzschlussring (38) angeordnet ist und der Kurzschlussring (38) aus beabstandeten Blechen gebildet ist.
12. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Leiterplatten (15) kreis- oder ringsektorf örmig ausgestaltet sind.
13. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kühlplatte (16) senkrecht zur Achse (9) des Elektromotors (10) angeordnet ist.
14. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgestaltet, jeden der Feldleiter (12) mit einer eigenen Phase anzusteuern.
15. Elektromotor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Wechselrichter ausgestaltet sind zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Amplitude von 200 V oder weniger, insbesondere 150 V oder weniger, insbesondere 50 V oder weniger.
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