Elektrische Maschine mit Dämpferschirm

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Ständer, der koaxial mit dem Läufer angeordnet ist, wobei Permanentmagnete an einer dem Stän ^¬ der zugewandten Seite des Läufers angeordnet sind, und zwi ^¬ schen dem Läufer und dem Ständer ein Spalt besteht. Insbesondere kann eine derartige elektrische Maschine für elektrisch angetriebene Fahrzeuge verwendet werden.

In Elektromotoren werden häufig Permanentmagnete (typischerweise Seltenerdmagnete aus NdFeB oder SmCo) am Läufer verwen ^¬ det. Werden zum Betreiben derartiger Elektromotoren Umrichter eingesetzt (wie z.B. in Hybridfahrzeugen oder sogenannten E-Cars) , so entstehen Oberwellen, welche in leitfähigen

Strukturen (z.B. in massiven ungeblechten Metallteilen) und somit auch in den Permanentmagneten Wirbelströme verursachen. Damit entstehen Verluste, die zur Erwärmung der Permanentmag ^¬ nete führen.

Typischerweise werden in Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen

NdFeB-Magnete eingesetzt, deren Temperatur nicht über 200 °C steigen darf, da sie sonst entmagnetisiert werden. Kann man erreichen, dass die Permanentmagnete in der Maschine nur auf Temperaturen deutlich unter 200 °C erwärmt werden, so kann auch preisgünstigeres Magnetmaterial eingesetzt werden.

Um die Erwärmung von massiven Metallteilen zu vermeiden, werden beim Auftreten von magnetischen Wechselfeldern typischerweise voneinander isolierte Bleche anstelle von massivem Me ^¬ tall eingesetzt. Bei Permanentmagneten werden statt eines großen Magneten mehrere schmale Magnete verwendet, um groß ^¬ flächige Wirbelströme zu verhindern. Die dünnen Magnetsegmente sind zum einen teurer in der Herstellung und verursachen andererseits auch einen höheren Fertigungsaufwand für die Ma ^¬ schinen (längere Fertigungsdauer, höhere Fertigungskosten) . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine günstig herstellbare elektrische Maschine vorzuschlagen, bei der weniger Probleme hinsichtlich der Erwärmung der Permanentmagnete bestehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektri ^¬ sche Maschine mit einem Läufer und einem Ständer, der koaxial mit dem Läufer angeordnet ist, wobei Permanentmagnete an ei ^¬ ner dem Ständer zugewandten Seite des Läufers angeordnet sind, und zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Luftspalt besteht, wobei der Läufer an den dem Ständer zugewandten Seiten der Permanentmagnete einen rohrförmigen Dämpferschirm aus elektrisch leitendem und magnetisch nicht leitendem Material aufweist .

In vorteilhafter Weise wird also der Läufer an den dem Ständer zugewandten Seiten der Permanentmagnete mit einem rohrförmigen Dämpferschirm aus einem elektrisch leitenden und magnetisch nicht leitenden Material ausgestattet. Dadurch bilden sich etwaige Wirbelströme in erster Linie in dem

Dämpferschirm aus, so dass sich dieser erwärmt. Dies bedeutet aber auch, dass sich in den Permanentmagneten, die hinter dem Dämpferschirm liegen, die Wirbelströme weniger stark ausbilden, so dass sich die Permanentmagnete weniger erwärmen. Da ^¬ mit ist die Gefahr der Entmagnetisierung der Permanentmagnete deutlich vermindert.

Vorzugsweise ist der Läufer ein Außenläufer und der Ständer ein Innenständer. Derartige Motoren zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte aus und werden vorzugsweise für elektri ^¬ sche Antriebe in Kraftfahrzeugen verwendet.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Läufer ein rohr- förmiges Isolierelement aufweist, das sich zwischen den Per ^¬ manentmagneten und dem Dämpferschirm befindet. Das Isolierelement verhindert im Wesentlichen, dass Wärme von dem Dämp ^¬ ferschirm zu den Permanentmagneten geleitet wird. Das rohrförmige Isolierelement kann außerdem aus einem glas ^¬ faserverstärkten Material gefertigt sein. Dieses Material hat nicht nur Isoliereigenschaften, sondern auch den Vorzug der besonders hohen mechanischen Stabilität.

Ferner kann der Dämpferschirm und das Isolierelement in Um- fangsrichtung zueinander formschlüssig ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass sich der Dämpfer- schirm und das Isolierelement gegenseitig drehen.

Des Weiteren kann der Ständer einen Ständerabschnitt aufweisen, der dem Dämpferschirm unmittelbar gegenübersteht, wobei in dem Ständerabschnitt ein erstes Kühlkanalsystem angeordnet ist. Dieses Kühlkanalsystem dient zur Kühlung des Ständers und der Ständerwicklung. Da sich der Dämpferschirm verhältnismäßig stark erwärmt, wird auch der gegenüberliegende Stän ^¬ derabschnitt durch Wärmestrahlung und Konvektion erwärmt. Das entsprechende erste Kühlkanalsystem in diesem Ständerab- schnitt vermeidet eine Überhitzung dieses Ständerabschnitts und ermöglicht so die Kühlung des Dämpferschirms. Vorzugswei ^¬ se erstreckt sich der Ständerabschnitt koaxial zum Läufer bzw. Dämpferschirm. In einer speziellen Ausführungsform ist der Spalt zwischen Ständer und Läufer Teil eines zweiten Kühlkanalsystems. Es wird somit auch der Spalt zwischen Ständer und Läufer für die Kühlung direkt verwendet, da j a der warme Dämpferschirm eine Wand des Spalts bildet.

Darüber hinaus kann an den Läufer ein Lüfterrad zum Fördern von Kühlluft in das zweite Kühlkanalsystem befestigt sein. Damit lässt sich eine günstige Eigenbelüftung realisieren. Alternativ hierzu kann eine Fremdbelüftung durch einen sepa- rat angetriebenen Fremdlüfter vorgesehen sein.

Ferner kann der Dämpferschirm einen flanschartigen Abschnitt aufweisen, an dem er an den Läufer montiert ist und der einen Teil der Wand des zweiten Kühlkanalsystems bildet. Mit einem derartig geformten Dämpferschirm lassen sich Permanentmagnete vollständig in den Läufer einkapseln, wenn das Läuferjoch selbst topfförmig ausgebildet ist.

In einer besonders bevorzugten Anwendung wird die elektrische Maschine in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt. Insge ^¬ samt kann somit ein Antrieb mit noch höherer Leistungsdichte bereitgestellt werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 einen Querschnitt senkrecht zur Achse eines erfin- dungsgemäßen Außenläufermotors und

FIG 2 einen Querschnitt parallel zur Achse des Außenläu ^¬ fermotors von FIG 1. Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.

In dem Beispiel von FIG 1 ist eine elektrische Maschine mit einem Außenläufer 1 und einem Innenstator 2 dargestellt. An der inneren Seite des Außenläufers 1 sind Permanentmagnete 3 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Radial nach innen unmittelbar angrenzend an die Permanentmagnete 3 befindet sich ein rohrförmiges Isolationselement 4. Darin un ^¬ mittelbar angrenzend befindet sich ein rohrförmiger Dämpfer- schirm 5. Der Stator 2 befindet sich innerhalb des Dämpferschirms 5, wobei zwischen dem Dämpferschirm 5 und dem Stator 2 ein Luftspalt 6 ausgebildet ist.

Die Permanentmagnete 3 der Außenläufermaschine werden (z.B. für die Anwendung in E-Cars oder Hybridfahrzeugen) durch den Dämpferschirm 5, d.h. durch eine elektrisch leitfähige und magnetisch nicht leitende Abschirmung z.B. in Form eines Hohlzylinders aus gut leitfähigem Material (z.B. Metall, E-Kupfer) , von den Oberwellen der Ständerwicklung abgeschirmt. Das Prinzip der Erfindung ist auch für eine Innen- läufermaschine anwendbar.

Die prinzipielle Idee besteht darin, dass die Verluste im ab ^¬ schirmenden Material des Dämpferschirms entstehen und diesen aufheizen. Eine direkte Erwärmung der Permanentmagnete (und anderer leitfähiger z.B. metallischer Teile unter dem Dämpferschirm 5) wird so verhindert.

Die Entstehung der Wirbelstromverluste wird also nicht ver ^¬ hindert, sondern gezielt an einen Ort verlagert, an dem die Auswirkung der Erwärmung möglichst wenig nachteilige Einflüs ^¬ se auf die Elektromaschine und insbesondere auf die hierin verbauten Permanentmagnete (typischerweise Seltenerdmagnete) verursacht. Die Wärme wird über den Luftspalt 6 und gegebe ^¬ nenfalls geeignete zusätzliche Kühlmaßnahmen abgeführt (siehe unten) . Damit wird vermieden, dass die Magnete auf unzulässig hohe Temperaturen erwärmt werden.

Durch den Dämpferschirm 5 werden somit die Wirbelstromverlus ^¬ te in den Permanentmagneten 3 deutlich reduziert bzw. vermieden. Ebenso werden die Wirbelstromverluste in ungeblechtem Rotoreisen bzw. anderen leitfähigen Rotorkomponenten unterhalb des Dämpferschirms 5 stark verringert bzw. vermieden. Aufgrund der verringerten Wirbelstromverluste wird auch die Erwärmung der Permanentmagnete durch Wirbelströme entspre ^¬ chend vermindert.

Durch die geringere Magnettemperatur ist die Magnetisierung der Magnete größer. Damit erzeugt die elektrische Maschine ein höheres Drehmoment. So können effizientere und leistungs ^¬ fähigere Elektromaschinen entwickelt werden. Wegen der reduzierten Wirbelstromverluste können außerdem größere Magnete verwendet werden, die preiswerter sind und einfacher und damit kostengünstiger montiert werden können. Wegen der geringeren Magneterwärmung kann zudem ein preiswerteres Magnetmaterial verwendet werden. Der Dämpferschirm 5 bildet gleichzeitig einen mechanischen Schutz der Permanentmagnete 3 während der Montage des Motors (beim Fügen von Läufer und Ständer) . Außerdem bildet der Dämpferschirm 5 auch einen zusätzlichen mechanischen Schutz der Permanentmagnete während des Betriebs der Maschine.

Zwischen dem Dämpferschirm 5 und den Permanentmagneten 3 befindet sich in dem Beispiel von FIG 1 das Isolationselement 4 zur thermischen Isolation. Bei dem Isolationselement 4 kann es sich beispielsweise um einen Hohlzylinder aus GFK, einem Gewebe, einem Netz oder einem Gitter aus Isolationsmaterial oder Ähnlichem handeln. Das Isolierelement 4 vermindert die Wärmeleitung von dem Dämpferschirm 5 zu den Permanentmagneten 3.

Die Ausführung von Dämpferschirm 5 und GFK-Isolationselement 4 sollte mit Formschluss erfolgen, um gegen Verdrehung gesichert zu sein. Gleichzeitig sollte das Isolationsmaterial ge- nügend mechanische Festigkeit besitzen, so dass das elek ^¬ trisch gut leitfähige (magnetisch nicht leitende) und weiche Kupfer-Material des Dämpferschirms 5 nicht durch die Zentri ^¬ fugalkräfte unter Rotation zu fließen beginnt und damit radi ^¬ al nach außen fließt und direkten thermischen Kontakt zu den Permanentmagneten 3 erhält.

Mit Hilfe des Isolationselements 4 wird nicht nur die Erwär ^¬ mung der Permanentmagnete verhindert, die bei direktem Kon ^¬ takt zum mittels Wirbelströmen erwärmten Dämpferschirm ent- stehen würde. Der Hohlzylinder um die Permanentmagnete 3

(Dämpferschirm 5 und gegebenenfalls GFK-Isolations-Hohlzylin- der 4) dient gleichzeitig als Hilfsvorrichtung beim Vergießen bzw. Tränken des Läufers mit Tränkharz zur besseren Fixierung der Magnete 3 am Läufer.

Darüber hinaus geben der Dämpferschirm und gegebenenfalls der GFK-Isolations-Hohlzylinder 4 einen zusätzlichen Halt für die typischerweise am Läufer festgeklebten Permanentmagnete 3. Zudem verhindert der Dämpferschirm 5, falls sich eine Verkle ^¬ bung der Permanentmagnete 3 löst, dass sich gelöste Magnet ^¬ segmente im Luftspalt zwischen Läufer 1 und Stator 2 verklemmen und die komplette Maschine zerstören.

Der Hauptanteil der im Dämpferschirm 5 deponierten Energie wird in Form von Wärme über den Luftspalt der Elektromaschine abgeführt, was aus FIG 2 deutlich wird, die einen Querschnitt durch die elektrische Maschine parallel zu deren Achse zeigt. Der Luftspalt 6 besitzt hier eine Topfform entsprechend den Konturen von Außenläufer 1 und Innenstator 2.

Der Außenläufer 1 selbst ist topfförmig gebildet und weist an den Innenwänden seines rohrförmigen Teils die Permanentmagne- te 3 auf. Radial nach innen sind die Permanentmagnete 3 durch den Dämpferschirm 5 abgeschirmt, der auf der Bodenfläche des Außenläufertopfes aufgesetzt ist. Auf seiner axial gegenüber ^¬ liegenden Seite besitzt der Dämpferschirm 5 einen flanschartigen Abschnitt 7, mit dem er am oberen Rand des Außenläufer- topfs befestigt ist. Zwischen dem Dämpferschirm 5 und den

Permanentmagneten 3 ergibt sich somit ein ringförmiger Spalt, in den das rohrförmige Isolierelement 4 eingefügt ist.

Der Ständer 2 besitzt einen zylindrischen Abschnitt 8 und einen Flanschabschnitt 9. Der zylindrische Abschnitt 8 befin ^¬ det sich innerhalb des topfförmigen Läufers 1, während der Flanschabschnitt 9 außerhalb des Läufers angeordnet ist. Der Luftspalt 6 erstreckt sich somit zwischen dem Flanschab ^¬ schnitt 9 des Ständers und dem Flanschabschnitt 7 des Dämp- ferschirms 5, sowie zwischen dem zylindrischen Abschnitt 8 des Ständers 2 und dem rohrförmigen Abschnitt des Dämpfer ^¬ schirms 5, aber auch zwischen dem zylindrischen Abschnitt 8 des Ständers und dem Boden des Läufertopfes. Der Dämpferschirm 5 gibt seine Wärme in erster Linie an den Luftspalt 6 (allgemein Kühlmittelspalt) ab. Der an den Luft ^¬ spalt 6 angrenzende Ständerabschnitt 10 nimmt einen Teil der Wärme des Luftspalts auf. Der Ständer 2 der Maschine und ins- besondere der dem Dämpferschirm 5 gegenüberliegende Ständer ^¬ abschnitt 10 wird zusätzlich gekühlt. Dazu wird eine Kühlmit ^¬ telleitung 11 mit einem Kühlmitteleinlass 12 und einem Kühl- mittelauslass 13 durch die besonders betroffenen Teile des Ständers 2, insbesondere den ringförmigen Ständerabschnitt 10, geführt. Eine besonders effiziente Kühlung des Stators lässt sich durch ein flüssiges Kühlmittel erreichen (insbe ^¬ sondere Wasserkühlung) . Vorteilhaft ist auch, wenn die zu kühlende Oberfläche des

Dämpferschirms 5 mit Kühlrippen versehen ist (in den Figuren nicht eingezeichnet) . Aufgrund der durch die Kühlrippen ver ^¬ größerten Oberfläche des Dämpferschirms wird die Entwärmung des Dämpferschirms optimiert. Dadurch wird die Maximaltempe- ratur der Permanentmagnete 3 weiter reduziert.

In einer weiteren Variante kann neben der passiven Kühlung des Dämpferschirms 5 über den Luftspalt 6 mittels Umgebungs ^¬ luft auch eine aktive Kühlung verwendet werden. Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, dass der Läufer 1 durch geeignete Formgebung so mit geeigneten Lüfterrädern versehen ist, dass bei Rotation des Läufers automatisch eine Zwangs ^¬ kühlung stattfindet und ein Kühlluftstrom 14 durch den Luftspalt 6 der Elektromaschine gefördert wird.

Alternativ versorgt ein Fremdlüfter (ebenfalls nicht einge ^¬ zeichnet) den Luftspalt 6 mit dem Kühlluftstrom 13. Der

Fremdlüfter kann beispielsweise durch die Drehzahl des Läufers 1 oder über die mittels eines Sensors gemessene Tempera- tur des Dämpferschirms 5 gesteuert oder geregelt werden. Auch ein zeitgesteuerter Betrieb des Fremdlüfters wäre denkbar.