Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Element für eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Abfuhr von Wärme sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Element.

In elektrischen Maschinen entsteht im aktiven Betrieb Verlustleistung und dadurch ein Wärmeeintrag. Wenn die Kühlung über freie Konvektion, d.h. Wärmeleitung zu benachbarten Komponenten oder Wärmestrahlung in die Umgebung, nicht mehr ausreicht, ist eine aktive Kühlung erforderlich.

Eine solche Kühlung kann durch ein bewegtes Fluid erfolgen, welches bei einem Innenläufer beispielsweise durch einen um den Stator liegenden Kühlmantel geführt wird. Neuartige Kühlmethoden beschäftigen sich mit der direkten Kühlung im Stator zur Entwärmung des Eisens und der Drähte.

Allgemein zählen die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung zum Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang in das Fluid direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe.

Mit einer direkten Kühlung besteht die Möglichkeit, die Wärme gezielt am Ort der Entstehung abzuführen. Hierdurch kann das allgemeine Temperaturniveau in elektrischen Maschinen (sowohl Traktionsmaschinen als auch Generatormaschinen) abgesenkt sowie für eine homogenere Temperaturverteilung gesorgt werden.

Im Stand der Technik sind sogenannte Spaltrohrmaschinen bekannt. Bei diesen wird ein Rohr in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator eingebracht, um einen fluidisch abgedichteten Kühlraum zu schaffen, so dass eine direkte Kühlung durch ein Kühlfluid erfolgen kann. Nachteilig ist hierbei, dass der Luftspalt im Vergleich zu einer Ausfüh- rung ohne Spaltrohr vergrößert ist, was sich nachteilig auf die Leistung der Maschine auswirkt.

Weitere Verbesserungen zur Kühlung bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (z.B. EP3157138 A1 ) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden.

Für die verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Fluid und Leiter in der Nut sind als Stand der Technik folgende Patentanmeldungen bereits bekannt:

Die DE102015013018 A1 beschreibt einen Stator für eine elektrische Maschine mit mehreren radial von einer ringförmigen Grundform abstehenden Statorzähnen, wobei der Stator ein Statorgehäuse aufweist, das gemeinsam mit dem Statorkörper ein von Kühlmittel durchströmbares Kühlvolumen umschließt.

Die JP2016149900 A2 beschreibt einen Kühlsystem für einen elektrischen Motor, wobei im Gehäuse durch Trennung zwischen Rotor und Stator ein Kühlbereich abgetrennt wird.

Aus der DE102016101705 A1 ist ein elektromagnetisches Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.

Es ist demgemäß die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetisches Element für eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Abfuhr von Wärme sowie eine elektrische Maschine mit dem elektromagnetischen Element bereitzustellen, bei denen durch eine damit realisierte Kühlung keine nachteiligen Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der das elektromagnetische Element verwendenden elektrischen Maschine entstehen. Die Aufgabe wir durch ein elektromagnetisches Element für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Ein elektromagnetisches Element einer elektrischen Maschine weist gemäß einem Aspekt der Erfindung mehrere in einer Umfangsrichtung des elektromagnetischen Elements angeordnete Nuten auf, die sich in einer Axialrichtung des elektromagnetischen Elements erstrecken und in Radialrichtung eine offene Seite aufweisen. Eine Spuleneinrichtung ist in den Nuten angeordnet und umfasst mindestens einen Wickelkopf an einer axialen Stirnseite des elektromagnetischen Elements. In den Nuten ist unter Verwendung eines Fluids ein Kühlkanal zum Abführen von Wärme von den Spuleneinrichtungen ausgebildet. Im Bereich des Wickelkopfs ist ein Wandungselement mit einem ersten Abschnitt in Umfangsrichtung angeordnet. Es grenzt an den ersten Bereich des Wandungselements ein zweiter Bereich an. Der zweite Bereich weist Zinken auf, die sich in Axialrichtung erstrecken und auf der offenen Seite der Nuten in Zwischenräumen in Umfangsrichtung zwischen den Nuten angeordnet sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Vorzugsweise ist das Wandungselement stirnseitig an dem elektromagnetischen Element fixiert. Dies bietet den Vorteil, dass somit eine Fixierung des Wandungselements über die Zinken in den Nuten in axialer Richtung erfolgen kann. Das Wandungselement ist derart ausgebildet, dass es in axialer Richtung eine Dichtfläche zu dem elektromagnetischen Element aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die offenen Seiten der Nuten durch zwei Wandungselemente verschlossen, welche an entgegenliegenden Stirnseiten des elektromagnetischen Elements liegen. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist es, dass aufgrund der Zinken über die axiale Länge nur noch ein Spalt und nicht zwei Spalte je Zwischenraum in den Nuten verbleiben. Weiter ist der Montageprozess somit verkürzt. Insbesondere sind die beiden Wandungselemente als Gleichteile ausgeführt, was weiter den Fertigungsaufwand reduziert. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht das Wandungselement aus mehreren Bauteilen. Insbesondere besteht das Wandungselement dabei aus einem in Umfangsrichtung geschlossenen rohrförmigen Element, einem weiteren die Zinken beinhaltenden rohrförmigen Element und einem Nutverschlusskeil. Hieraus resultiert der Vorteil, dass sich so eine Querschnittskontur des ersten Bereichs entsprechend der gewünschten Gehäuseanbindung wählen lässt. Dies bietet aus fertigungstechnischer Perspektive weiter den Vorteil eines modularen Aufbaus aufgrund der Verwendung von Gleichteilen.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn das Wandungselement im ersten Bereich eine Dichtfläche aufweist. Insbesondere handelt es sich dabei um eine radiale Dichtfläche zur Abdichtung hin zu einem weiteren Element der dynamoelektrischen Maschine mittels einer ringförmigen Dichtung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem elektromagnetischen Element um einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine elektrische Maschine ein elektromagnetisches Element, wobei das elektromagnetische Element gemäß dem vorangegangenen Aspekt sowie der vorangegangenen Ausgestaltungen ausgebildet ist. Die elektromagnetische Maschine bietet den Vorteil, dass durch die Ausgestaltung des elektromagnetischen Elements das Kühlmedium nicht in den Luftspalt oder auf rotierende Bauteile gelangt, was zu einem negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Maschine wie insbesondere durch Schleppmomente führen kann.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand verschiedener Figuren näher erläutert, mit denen auch unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 Schnitt durch ein elektromagnetisches Element

Fig. 2 Perspektivische Darstellung eines Wandungselements

Fig. 3 Variante der beschriebenen Ausführungsform Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Des Weiteren sind die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele prinzipiell frei miteinander kombinierbar.

Figur 1a zeigt einen Schnitt durch ein elektromagnetisches Element 1 in der dargestellten Ausführungsform eines Stators einer elektrischen Radialflussmaschine. In Figur 1 a ist eine Spuleneinrichtung 2 des Stators dargestellt, die hier als verteilte Wellenwicklung ausgebildet ist. Die Spuleneinrichtung 2 weißt an ihren bezogen auf den Stator axialen Enden je einen Wickelkopf 3 auf. Der Stator weist an der radialen Innenseite Nuten 4 in axialer Erstreckung auf, in welchen die Spuleneinrichtung zumindest abschnittsweise verläuft. Die Nuten 4 sind sowohl stirnseitig in axialer Richtung als auch in radialer Richtung offen.

In Figur 1b ist das zuvor beschriebene elektromagnetische Element 1 dargestellt, wobei ein Wandungselement 5 in die Nuten 4 des Stators eingebracht ist und somit abschnittsweise ein fluidisch dichter Kühlkanal 9 in den Nuten 4 ausgebildet wird. Zur Abdichtung gegenüber einem Gehäuseelement 10 der elektrischen Maschine ist eine Dichtfläche 11 vorgesehen. Zwischen der Dichtfläche 11 und dem Gehäuseelement 10 wird eine nicht dargestellte Ringdichtung verbaut.

Zur detaillierteren Veranschaulichung zeigt Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Wandungselements 5. Das Wandungselement 5 weist einen ersten Abschnitt 6 auf, der im Wesentlichen als Rohrabschnitt ausgebildet und im verbauten Zustand wie in Figur 1 b dargestellt im Bereich des Wickelkopfes 3 angeordnet ist. Zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuseelement 10 der elektrischen Maschine ist im ersten Bereich 6 eine Dichtfläche 11 vorgesehen, wie zuvor beschrieben.

Ein direkt an den ersten Bereich 6 angrenzender zweiter Bereich 7 weist zu den Nuten 4 eines Stators korrespondierende Zinken 8 auf. Die Zinken 8 erstrecken sich bezogen auf den Stator in axialer Richtung. Das Wandungselement 5 wird stirnseitig am elektromagnetischen Element 1 in die Nuten 4 eingeschoben. Wie in der Ausführungsform in Figur 1 b dargestellt, bilden die Zinken 8 in Verbindung mit den Nuten 4 abschnittsweise einen Kühlkanal 9 aus und dichten diesen abschnittsweise in radialer Richtung nach innen ab. Der zweite Bereich 7 dichtet im Be- reich des Wickelkopfs 3 das elektromagnetische Element 1 in radialer Richtung nach innen ab. In der gezeigten Ausführungsform ist an gegenüberliegenden Stirnseiten des elektromagnetischen Elements 1 je ein Wandungselement 5 so eingebracht, dass die korrespondierenden Zinken 8 der beiden Wandungselemente 5 je einer Nute 4 einen fluidisch geschlossenen Kühlkanal 9 ausbilden.

Figur 3a zeigt eine Variante der zuvor beschriebenen Ausführungsform, bei der die Wandungselemente 5 verkürzte Zinken 8 aufweisen. Der Kühlkanal 9 wird daher nur abschnittsweise durch die Zinken 8 in den Nuten 4 ausgebildet. Der freibleibende Bereich der Nuten wird durch zusätzliche Nutverschlusskeile geschlossen, wie in Figur 3b gezeigt.

Bezuqszeichenliste

Elektromagnetisches Element

Spuleneinrichtung

Wickelkopf

Nut

Wandungselement erster Bereich zweiter Bereich

Zinken

Kühlkanal

Gehäuseelement

Dichtfläche

Nutverschlusskeile