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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die beispielsweise als Starter-Generator in einem Kraftfahrzeug genutzt werden kann. Die elektrische Maschine weist eine Flüssigkeitskühlung für ihren Rotor auf. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine.
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Elektrische Antriebe werden zunehmend für die Hybridisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, um den Kohlendioxidverbrauch zu senken. Der Nutzungsgrad solcher Antriebe und die dabei entstehende Verlustleistung sind dabei so hoch, dass der Kühlung der temperaturkritischen Komponenten eine bedeutende Rolle zukommt. Gleichzeitig stellt aber der Bereich der Fahrzeugtechnik an einen solchen Antrieb sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Bauraum, Robustheit, Wartungsarmut und niedriger Herstellungskosten.
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Im Vergleich zu einem Stator der elektrischen Maschine lässt sich deren Rotor prinzipbedingt vergleichsweise schlecht entwärmen, da es sich um ein bewegliches Bauteil handelt. Bereits geringe Verluste im Rotor können daher die Rotortemperatur auf kritische Werte ansteigen lassen. Eine zu hohe absolute Temperatur des Rotors kann dessen Funktionsfähigkeit sowie die Festigkeit der verwendeten Materialien selbst beeinträchtigen (beispielsweise durch Entmagnetisierung von Permanentmagneten beispielsweise einer Synchronmaschine oder die Reduzierung der Festigkeit von Kurzschlussringen einer Asynchronmaschine). Eine zu hohe Temperaturdifferenz zwischen der Rotorwelle einerseits und dem Gehäuse der elektrischen Maschine im Bereich der Lager für die Welle andererseits beeinflusst zudem die Lebensdauer dieser Lager negativ und muss daher begrenzt werden.
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Besonders schwierig ist bisher die effiziente Kühlung eines Rotors in geschlossenen Gehäusen der elektrischen Maschine, wie sie beispielsweise bei einem Riemen-Starter-Generator, RSG, verwendet werden. Es lässt sich kein Kühlluftstrom bereitstellen, der die Abwärme aus dem Rotor in die Umgebung der elektrischen Maschine fördern könnte. Bei einem geschlossenen Gehäuse kann zwar in dessen Gehäusewandung ein Kühlkanal für eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden. Hierdurch wird aber nicht das Problem gelöst, Abwärme aus einem Rotor oder aus den bewegten Teilen eines Lagers einer Welle des Rotors gezielt abzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Innenraum einer geschlossenen elektrischen Maschine zu kühlen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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Durch die Erfindung ist eine elektrische Maschine bereitgestellt, die in an sich bekannter Weise einen Stator, einen in dem Stator um eine Rotationsachse drehbar oder rotierbar gelagerten Rotor und eine Gehäuseeinrichtung aufweist. Mit Gehäuseeinrichtung ist hierbei gemeint, dass der Stator und der Rotor gemeinsam in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sein können oder beispielsweise auch an Stirnseiten des Stators lediglich Lagerschilde angeordnet sind, welche den Stator und den darin angeordneten Rotor lediglich zu den Stirnseiten hin abschließen oder abschirmen. Bei der erfindungsgemäßen Maschine ist vorgesehen, dass die Gehäuseeinrichtung den Rotor und zumindest einen Teil des Stators zu einer Umgebung der Maschine hin flüssigkeitsdicht abschließt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass keine Fremdkörper und kein Wasser in den Luftspalt der elektrischen Maschine gelangen und hierdurch die elektrische Maschine beschädigen können.
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Um nun bei dieser Konstellation eine Kühlung des Rotors und der anderen in der Gehäuseeinrichtung eingeschlossenen Elemente zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem durch die Gehäuseeinrichtung abgeschlossenen und den Rotor umgebenden Innenraum der Gehäuseeinrichtung eine frei darin bewegliche Kühlflüssigkeit bereitgestellt ist und hierbei aber ein Füllstand der Kühlflüssigkeit bei waagerecht ausgerichteter Rotationsachse des Rotors unterhalb des Rotors angeordnet ist. Mit Füllstand ist hierbei die Füllhöhe in dem Innenraum gemeint, während die elektrische Maschine in Ruhe ist, also der Rotor still steht. Der Rotor taucht dann also nicht in die Kühlflüssigkeit ein.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Rotor sich in dem Innenraum weiterhin frei drehen kann und nicht durch die Trägheit der Kühlflüssigkeit gebremst wird. Es kommt also nicht zu sogenannten Planschverlusten, die durch das Aufschlagen von Teilen des Rotors auf die Flüssigkeitsoberfläche und durch das Schöpfen der Kühlflüssigkeit durch den Rotor verursacht werden könnten. Dennoch hat man beobachtet, dass in der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine allein durch Vibrationen, die im Betrieb der elektrischen Maschine durch die Rotation des Rotors entstehen, die Kühlflüssigkeit derart im Innenraum schwappt oder bewegt wird, dass hierdurch die Kühlflüssigkeit im Innenraum verteilt wird, insbesondere den Rotor und/oder die Innenwand der Gehäuseeinrichtung benetzt.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine ergibt sich somit folgendes Verfahren, das ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist. Der Rotor ist zusammen mit der frei beweglichen Kühlflüssigkeit im flüssigkeitsdichten Innenraum angeordnet, wobei der Füllstand der Kühlflüssigkeit unterhalb des Rotors liegt. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine wird wiederholt zumindest ein Teil der Kühlflüssigkeit nach oben hin auf Oberflächen verteilt, die dem Innenraum zugewendet sind, also den Innenraum begrenzen. Aufgrund der Schwerkraft fließt die so verteilte Kühlflüssigkeit dann wieder zurück nach unten. Insgesamt zirkuliert hierdurch die Flüssigkeit in dem Innenraum.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass die verteilte Kühlflüssigkeit Abwärme oder Verlustwärme von den mit der Kühlflüssigkeit benetzten Maschinenkomponenten der elektrischen Maschine aufnimmt und dann wieder zurück zum Boden des Innenraums fließt. Dort kann die Wärme dann durch die Wandung der Gehäuseeinrichtung und/oder über den Stator abgeführt oder abgeleitet werden. Somit ist es nicht nötig, beispielsweise Kühlkanäle in dem Rotor bereitzustellen oder den Rotor anderweitig aktiv mit einer Kühlflüssigkeit zu durchspülen.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Füllstand der Kühlflüssigkeit auch unterhalb eines zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten Luftspalts der elektrischen Maschine angeordnet. Somit ist der Rotor vollständig von Luft umgeben, sodass er denselben Strömungswiderstand erfährt wie eine elektrische Maschine mit trockenem Innenraum.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Fördereinrichtung bereitgestellt ist, welche dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Flüssigkeit auf einer Oberfläche des Rotors und/oder einer Welle des Rotors und/oder einer Innenwand der Gehäuseeinrichtung und/oder einer Oberfläche des Stators zu verteilen. Mit anderen Worten wird durch die Fördereinrichtung der Innenraum aktiv mit der Kühlflüssigkeit benetzt oder besprüht. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Menge der verteilten Kühlflüssigkeit eingestellt werden.
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Eine Weiterbildung hierzu sieht vor, dass die Fördereinrichtung umfasst, dass an zumindest einer axialen Stirnseite des Rotors angeordnete Flügelelemente bereitgestellt sind. Jedes Flügelelement ist dazu ausgelegt, bei einer Rotation des Rotors die Kühlflüssigkeit aufzuwirbeln oder nach oben zu bewegen. Ein solches Flügelelement kann beispielsweise ein Schaufelelement sein oder beispielsweise einen Fortsatz aufweisen, welcher bei einer Rotation des Rotors in die Kühlflüssigkeit eintaucht und beim Wiederaustauchen oder Auftauchen einen Teil der Kühlflüssigkeit mit sich bewegt.
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Eine Weiterbildung hierzu sieht allerdings vor, dass jedes Flügelelement dazu ausgelegt ist, nur Luft in dem Innenraum zu bewegen und nur indirekt mittels der bewegten Luft die Kühlflüssigkeit aufzuwirbeln. Mit anderen Worten berührt auch keines der Flügelelemente bei einer Rotation des Rotors die am Boden des Innenraums ruhende Kühlflüssigkeit. Stattdessen wird mittels jedes Flügelelements ein Sog oder ein Unterdruck oder auch eine Luftströmung erzeugt, und hierdurch das Aufwirbeln der Kühlflüssigkeit im Innenraum bewirkt.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Fördereinrichtung zum Fördern der Kühlflüssigkeit eine Pumpe umfasst. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass von der Kühlflüssigkeit zumindest ein Teil gezielt an vorbestimmte, zu kühlende Bereiche gefördert oder bewegt werden kann.
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So sieht eine Weiterbildung hierzu vor, dass zumindest eine Austrittsdüse oder zumindest eine Austrittsöffnung der Pumpe auf oder (bei waagerechter Rotationsachse und bestimmungsgemäßer Einbaulage) über zumindest eine vorbestimmte Maschinenkomponente ausgerichtet ist, in welchem bei einem Betrieb der elektrischen Maschine Abwärme erzeugt wird. Beispielsweise kann also mittels einer Austrittsdüse Kühlflüssigkeit auf eine solche Maschinenkomponente gesprüht werden. Eine Austrittsöffnung kann beispielsweise am Ende eines Schlauches oder eines Rohres vorhanden sein, sodass mittels der Pumpe Kühlflüssigkeit durch den Schlauch oder das Rohr nach oben zu der Austrittsöffnung gefördert werden kann und von dort aus im Innenraum wieder herunterfließt. Bei den so gekühlten Maschinenkomponenten handelt es sich bevorzugt um sogenannte Hot-Spots, also selbst erwärmende Maschinenkomponenten. Insbesondere sieht eine Weiterbildung vor, dass dies zumindest eine Maschinenkomponente wie z.B. ein Lager einer Welle des Rotors und/oder Wickelköpfe des Stators und/oder Wickelköpfe des Rotors und/oder zumindest einen Kurzschlussring des Rotors und/oder eine Welle des Rotors und/oder einen Rotor mit Permanentmagneten umfasst. Mit anderen Worten wird zumindest eine dieser Maschinenkomponenten mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kühlflüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir am Boden des Innenraums mittels der Pumpe direkt zu diesen Hot-Spots gefördert wird und nicht erst über andere, warme Maschinenkomponenten fließt und hierdurch vorerwärmt wird. Die Welle stellt hierbei keinen Hot-Spot dar, aber eine thermische Verbindung zwischen dem selbsterwärmenden Rotor und den Lagerinnenschalen der Welle, durch deren Kühlung die Lager geschont werden.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass ein Pumpenantrieb der Pumpe durch den Rotor selbst gebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Pumpe mit geringem Teileaufwand realisiert werden kann. Beispielsweise kann von der Welle des Rotors aus mittels eines Riemens oder über Zahnräder die Pumpe angetrieben werden. Eine alternative Weiterbildung sieht vor, dass der Pumpenantrieb durch einen von dem Rotor verschiedenen eigenen Hydraulikmotor oder Elektromotor gebildet ist. Beispielsweise kann ein Hydraulikmotor mittels eines externen Kühlwasserkreislaufs angetrieben sein, an welchen die elektrische Maschine angeschlossen sein kann. Ein Elektromotor kann beispielsweise nach dem Prinzip einer Kraftstoffpumpe in der Kühlflüssigkeit selbst angeordnet sein. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass eine Förderleistung der Pumpe unabhängig von einer Drehzahl des Rotors ist und hierdurch der Rotor auch beispielsweise bei einem Anfahren gekühlt werden kann.
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Um auch ohne eine Pumpe eine gezielte Kühlung von selbst erwärmenden Maschinenkomponenten zu erreichen, also insbesondere den bereits genannten Maschinenkomponenten oder zumindest einer oder einigen davon, sieht eine Weiterbildung vor, in den Innenraum für die verteilte Kühlflüssigkeit zumindest eine Abtropffinne und/oder zumindest eine Abflussrinne bereitzustellen, um die verteilte Kühlflüssigkeit hierdurch über einen Oberflächenbereich einer im Betrieb der elektrischen Maschine selbst erwärmende Maschinenkomponente zu führen. Eine Abtropffinne kann beispielsweise mittels eines Abtropfbleches bereitgestellt sein. Die verteilte Kühlflüssigkeit oder ein Teil davon sammelt sich an der Abtropffinne und tropft oder läuft dann aufgrund der Schwerkraft nach unten ab. Eine Abtropffinne kann auch gleichzeitig als Kühlfinne oder Kühlrippe genutzt sein oder fungieren.
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Die erwärmte, am Boden des Innenraums gesammelte Kühlflüssigkeit wird bevorzugt aktiv gekühlt. Hierzu sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die elektrische Maschine, insbesondere die Gehäuseeinrichtung, zumindest einen durch eine Wandung von dem Innenraum getrennten Kühlkanal aufweist, welcher über die Wandung mit der Kühlflüssigkeit thermisch gekoppelt ist. Beispielsweise kann die elektrische Maschine in der beschriebenen Weise an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen sein und der Kühlkanal mit Kühlflüssigkeit, beispielsweise Kühlwasser, durchspült werden. Innerhalb der elektrischen Maschine wird dann das Kühlwasser durch den getrennten Kühlkanal geführt oder geleitet. Über die Wandung nimmt das Kühlwasser im Kühlkanal dann die Wärme aus der im Innenraum frei beweglichen Kühlflüssigkeit auf oder ab. Die thermisch koppelnde Wandung kann beispielsweise dadurch bereitgestellt sein, dass ein Rohr durch das Flüssigkeitsreservoir der Kühlflüssigkeit am Boden des Innenraums geführt ist. Die Wandung kann auch beispielsweise ein Blechpaket des Stators der elektrischen Maschine umfassen, über welches die Wärme aus der Kühlflüssigkeit im Innenraum heraus diffundiert. Die Wandung kann auch durch einen Wärmetauscher realisiert sein.
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Gemäß einer Weiterbildung weist die Kühlflüssigkeit im Innenraum ein Öl auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kühlflüssigkeit auch bei hoher Temperatur nicht verdunstet und somit kein Dampfdruck in der Gehäuseeinrichtung entsteht.
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Eine Weiterbildung nutzt die Schmiereigenschaft des Öls, indem ein Lager zum rotierbaren Lagern des Rotors zu dem Innenraum hin offen ist. Hierdurch kann das Öl der Kühlflüssigkeit in das Lager fließen und dieses schmieren.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist bevorzugt als elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Starter-Generator ausgestaltet ist. Bei der elektrischen Maschine kann es sich auch um ein Antriebssystem handeln, das in ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs eingebaut werden kann, um einen Zusatzantrieb und einen rekuperativen, generatorischen Betrieb für einen Hybridantrieb mit Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine im Stillstand;
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2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts der elektrischen Maschine von 1;
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3 eine schematische Darstellung des Längsschnitts der elektrischen Maschine, während diese läuft; und
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4 eine schematische Darstellung des Querschnitts der elektrischen Maschine, während diese läuft.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen eine elektrische Maschine 1, bei der es sich beispielsweise um einen Starter-Generator, beispielsweise einen Riemen-Starter-Generator (RSG) oder um eine elektrische Maschine zum Bereitstellen eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs handeln kann.
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Die elektrische Maschine 1 weist in dem in 1 veranschaulichten Beispiel ein geschlossenes Gehäuse 2 auf, in welchem ein Stator 3 mit darin drehbar gelagertem Rotor 4 angeordnet sind. Dargestellt sind ein Blechpaket 5 und Wickelköpfe 6 des Stators 3. Ein Blechpaket 7 des Rotors 4 ist drehfest mit einer Welle 8 des Rotors 4 verbunden. Die Welle 8 ist drehbar in Lagern 9 gelagert. Außenschalen der Lager 9 können in dem Gehäuse 2 gehalten sein, beispielsweise über einen Presssitz.
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Das Gehäuse 2 ist flüssigkeitsdicht zu einer Umgebung 10 der elektrischen Maschine hin abgeschlossen, sodass ein Innenraum 11, in welchem sich der Rotor 4 und der Stator 3 befinden, hermetisch verriegelt ist. Für eine Kühlung des Stators 3 und einer Leistungselektronik 12 der elektrischen Maschine 1 kann zumindest ein Kühlkanal 13 bereitgestellt sein, durch welchen Kühlflüssigkeit, beispielsweise Kühlwasser, geführt sein kann, welche die elektrische Maschine 1 von einem externen Kühlkreislauf beispielsweise des Kraftfahrzeugs empfangen kann.
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Um auch den Rotor 4 im Innenraum 11 und auch die wellenseitigen Lagerschalen der Lager 9 zu kühlen, ist bei der elektrischen Maschine 1 eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen. Hierzu ist in dem Innenraum 11 eine Kühlflüssigkeit 14 bereitgestellt oder angeordnet. Ein Füllstand 15 der Kühlflüssigkeit 14 ist bei waagerecht angeordneter Rotationsachse 16 der Welle 8 (wie in 1 gezeigt) in eine vorbestimmten Einbaulage unterhalb eines Luftspalts 17, der zwischen dem Blechpaket 7 des Rotors 4 und dem Blechpaket 5 des Stators 3 in an sich bekannter Weise ausgebildet ist. Für die Flüssigkeitskühlung können noch Flügelelemente 18 an jeweiligen axialen Stirnseiten 19 des Rotors 4, insbesondere seines Blechpakets 7 oder Kurzschlussringen, und/oder Abtropffinnen 20 bereitgestellt sein.
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Obwohl die Kühlflüssigkeit 14 den Rotor 4 im Stillstand der elektrischen Maschine 1 nicht berührt, kann mittels der Kühlflüssigkeit 14 eine Kühlung des Rotors 4, der Welle 8, der Wickelköpfe 6 und der Lager 9, insbesondere der wellenseitigen Schalen der Lager 9, bewirkt werden. Die Funktionsweise der Kühlung ist im Folgenden anhand von 3 und 4 erläutert. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Rotor 4 eine Rotation 21 ausführt.
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Das Gehäuse 2 ist im Bereich des Rotors 4 und des Stators 3 hermetisch geschlossen und zum Teil mit der Kühlflüssigkeit 14 gefüllt, bei der es sich beispielsweise um ein Öl handeln kann. Zur Vermeidung von Planschverlusten oder zusätzlicher Losbrechmomente bei kalten oder niedrigen Temperaturen und entsprechend zähflüssiger Kühlflüssigkeit, ist der Füllstand 15 der Kühlflüssigkeit 14 unterhalb des Luftspalts 17, sodass keine drehenden Teile in das Reservoir 22 am Boden 23 des Innenraums 11 tauchen. Bei den Flügelelementen 18 kann es sich um Schaufelräder am Rotor 4 handeln, die beispielsweise an dem Blechpaket 7 oder bei einer Asynchronmaschine an deren Kurzschlussringen angeordnet sein können. Die Schaufelräder lassen bei der Rotation 21 des Rotors 4 um die Rotationsachse 16 einen Luftstrom 24 im Innenraum 11 um die Rotationsachse 16 entstehen. Dieser Luftstrom 24 reißt Partikel oder Tropfen 25 der Kühlflüssigkeit mit sich und verteilt somit einen Teil der Kühlflüssigkeit im Innenraum 11 und auf die sich darin befindenden Maschinenkomponenten oder Komponenten. Der sich drehende Rotor 4 und auch andere temperaturkritische Komponenten, wie beispielsweise die Lager 9 und die Wickelköpfe 6 im Stator 3 lassen sich so effizient entwärmen. Über die entsprechende Ausgestaltung des Innenraums 11, beispielsweise mittels der Abtropffinnen 20 lässt sich die Verteilung des Kühlmediums zu den zu kühlenden Maschinenkomponenten oder Komponenten beeinflussen. An einer Abtropffinne 20 kann es zu einer Flüssigkeitsansammlung 26 kommen. Über die Schwerkraft fließt die insgesamt verteilte Kühlflüssigkeit 27 wieder in den unteren Gehäusebereich zum Gehäuseboden 23 und steht dann dem Kreislauf wieder zur Verfügung.
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Die Viskosität der Kühlflüssigkeit, die Füllstandshöhe 15 und die Geometrie der Flügelelemente 18 sind bevorzugt derart gewählt, dass sich bei der bestimmungsgemäßen Arbeitsdrehzahl oder dem bestimmungsgemäßen Arbeitsdrehzahlbereich der elektrischen Maschine und bei bestimmungsgemäß vorgesehenen Außentemperaturen der Umgebung 10 ausreichend viel Kühlflüssigkeit im Gehäuseinnenraum 11 zur Kühlung der temperaturkritischen Komponenten verteilt wird. Vorteilhaft ist es auch, wenn der untere Statorteil 28 des Stators 3 mit seinen Wicklungen direkt im Reservoir 22 angeordnet ist. Die Kühlflüssigkeit 14 kann so über die Verlustwärme des Stators 3 schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden.
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Die Entwärmung der Kühlflüssigkeit 14 erfolgt bevorzugt durch Wärmeleitung durch eine Wandung 29 des Kühlkanals 13 hindurch in die Kühlflüssigkeit im Kühlkanal 13. Die hier dargestellte Wassermantelkühlung, die durch den Kühlkanal 13 abgebildet ist, ist hierbei nur exemplarisch. Die Entwärmung erfolgt also in dem veranschaulichten Beispiel über das Gehäuse 2 und über den Stator 3 zu einem Wärmetauscher für die Kühlflüssigkeit im Kühlkanal 13.
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Anstelle der Verteilung des Kühlmediums über den Luftstrom 24 im Innenraum 11 kann auch der Einsatz einer Pumpe 30 vorgesehen sein. Mit der Pumpe 30 kann das Kühlmedium 14 dann direkt an die zu entwärmenden Bereiche oder Stellen gefördert oder transportiert werden.
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Somit ergibt sich also bei der elektrischen Maschine eine direkte Flüssigkeitskühlung des Rotors 4 trotz eines hermetisch geschlossenen Innenraums 11. Von der frei beweglichen Kühlflüssigkeit 14 kommt es nicht zu Planschverlusten im Betrieb. Zudem sind auch Losbrechmomente bei niedrigen Temperaturen durch den gewählten Füllstand 15 verhindert. Wird eine Pumpe 30 verwendet, so kann zusätzlich gezielt und bedarfsgerecht die Kühlung von temperaturkritischen Komponenten oder Maschinenkomponenten vorgesehen werden.
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Insgesamt stellt die elektrische Maschine also eine effiziente, verlustarme und kostengünstige Flüssigkeitskühlung schwierig erreichbarer temperaturkritischer Motorkomponenten insbesondere bei einem hermetisch geschlossenen Innenraum für den Rotor 4 und den Stator 3 bereit. Insbesondere kann der Rotor 4 aufwandsarm gekühlt werden. Somit ergibt sich eine gesteigerte Dauerleistung und Lebensdauer der elektrischen Maschine 1, da die absolute Rotortemperatur gering gehalten werden kann und zusätzlich auch die innere Lagerschalen der Lager 9 gekühlt werden können, um eine Temperaturdifferenz zwischen den inneren und den äußeren Lagerschalen zu reduzieren. Das umgesetzte Kühlverfahren ist insbesondere für Asynchronmaschinen geeignet, da diese aufgrund der relativ hohen Wärmeverluste im Rotor 4 typischerweise hohe Rotortemperaturen aufweisen können. Das Kühlprinzip ist insbesondere vorteilhaft mit einer zusätzlichen Wasserkühlung über die Kühlkanäle 13 kombinierbar, um die Kühlflüssigkeit 14 zu kühlen. Die Flüssigkeitskühlung mittels der Kühlflüssigkeit 14 erlaubt es, eine geschlossene, autark arbeitende Kühlung für den Rotor 4 bereitzustellen.
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Die Entwärmung der Kühlflüssigkeit selbst erfolgt über einen zusätzlichen internen Wasser-Wärmetauscher beispielsweise durch die Wandung 29 hindurch nach außen. Die Kühlflüssigkeit 14 kann zusätzlich derart gewählt werden, dass neben oder zusätzlich zu der Kühlung auch eine Schmierung beweglicher Teile miterfolgen kann, beispielsweise der Lager 9. Das Konzept ist auch wartungsfrei, indem die Menge und die Qualität der Kühlflüssigkeit 14 für die gesamte Lebensdauer der elektrischen Maschine 1 ausgelegt werden können.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Elektromotor für ein Hybrid- und Elektrofahrzeug-System mit flüssigkeitsgekühltem Rotor bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Blechpaket (Stator)
- 6
- Wickelköpfe
- 7
- Blechpaket (Rotor)
- 8
- Welle
- 9
- Lager
- 10
- Umgebung
- 11
- Innenraum
- 12
- Leistungselektronik
- 13
- Kühlkanal
- 14
- Kühlflüssigkeit
- 15
- Füllstand
- 16
- Rotationsachse
- 17
- Luftspalt
- 18
- Flügelelemente
- 19
- Stirnseite (Rotor)
- 20
- Abtropffinne
- 21
- Rotation
- 22
- Reservoir
- 23
- Boden
- 24
- Luftstrom
- 25
- Tropfen
- 26
- Flüssigkeitsansammlung
- 27
- Verteilte Kühlflüssigkeit
- 28
- Unterer Teil des Stators
- 29
- Wandung
- 30
- Pumpe
