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Die Erfindung betrifft einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlmantels für eine elektrische Maschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DE 10 2014 222 959 A1 ist bereits ein Kühlmantel für eine elektrische Maschine mit einem zylindrisch ausgebildeten Grundkörper, einer den Grundkörper umgreifenden Außenschale und einem sich zwischen dem Grundkörper und der Außenschale erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlraum bekannt. In dem Kühlraum ist zumindest ein einen Kühlkanal definierendes Strömungsleitelement angeordnet. Diese Strömungsleitelement erstreckt sich parallel zu einer Strömungsrichtung des Kühlmittels in den jeweiligen Kühlkanälen.
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Überdies offenbart die
DE 196 24 519 A1 eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Rotor sowie mit mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Gehäuse. Das Gehäuse besteht aus einem Gehäuseinnenteil und einem dieses ummantelnden Gehäuseaußenteil. Das Gehäuseinnenteil weist ein System von mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen auf, die einen Großteil der Außenfläche des Gehäuseinnenteils bedecken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlmantels für eine elektrische Maschine zu schaffen, welche ein Bereitstellen eines Kühlmantels mit besonders vorteilhaften Wärmeaufnahmefähigkeiten ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlmantels für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine, mit wenigstens einem sich über die Mantelfläche des zylinderförmig ausgestalteten Kühlmantels erstreckenden Kühlkanal. Mit anderen Worten weist der Kühlmantel eine hohle Zylinderform auf, wobei sich der Kühlkanal über die Mantelfläche des Zylinders erstreckt und Schnittkreisflächen des Zylinders frei von dem Kühlkanal und offen ausgebildet sind. Der Kühlkanal ist zum Kühlen der elektrischen Maschine von einem Kühlfluid in einer Durchströmungsrichtung durchströmbar. Bei dem Kühlfluid handelt es sich insbesondere um eine Kühlflüssigkeit. Der Kühlmantel ist dazu eingerichtet, Wärme von der elektrischen Maschine aufzunehmen, um diese zu kühlen. Um einen besonders vorteilhaften Wärmeübergang von der elektrischen Maschine auf den Kühlmantel zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine den Kühlkanal begrenzende Wandung in wenigstens einem Bereich mehrere schräg, insbesondere senkrecht, zur Durchströmungsrichtung verlaufende längliche Ausbuchtungen aufweist, mittels welchen ein Querschnitt des Kühlkanals bereichsweise verengt ist. Diese Ausbuchtungen verlaufen insbesondere in Umfangsrichtung der Mantelfläche. Mittels jeder der länglichen Ausbuchtungen wird der Querschnitt des Kühlkanals bereichsweise verengt, wodurch ein Strömungsprofil des Kühlfluids in dem Kühlkanal einstellbar ist. Mehrere entlang der Durchströmungsrichtung hintereinander angeordnete Ausbuchtungen führen somit zu einem abwechselnden Verengen und Aufweiten des Querschnitts des Kühlkanals in der Durchströmungsrichtung. Bei Durchströmen des Kühlkanals mittels des Kühlfluids entstehen aufgrund des sich mehrmals hintereinander verengenden und aufweitenden Querschnitts des Kühlkanals Turbulenzen im Kühlfluid, wodurch ein Ausbilden einer laminaren Grenzschicht im Kühlfluid unterbunden werden kann. Insbesondere weist das turbulent strömende Kühlfluid besonders vorteilhafte Wärmeaufnahmeeigenschaften auf. Mittels des turbulent strömenden Kühlfluids ist besonders viel Wärme von der elektrischen Maschine aufnehmbar, sodass diese mittels des Kühlmantels besonders effizient kühlbar ist.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausbuchtungen wellenförmig sind und abwechselnd eine Verschmälerung und eine Verbreiterung des Querschnitts des Kühlkanals bereitstellen. Das bedeutet, dass durch die länglichen Ausbuchtungen eine Wellenform des Kühlkanals bereitgestellt wird, mit den abwechselnden Verschmälerungen und Verbreiterungen des Querschnitts des Kühlkanals. Der Querschnitt verbreitert und verengt sich somit entlang der Durchströmungsrichtung wellenförmig, wodurch ein Strömungswiderstand in dem Kühlkanal im Vergleich zu klaren Kanten der Ausbuchtungen besonders gering gehalten werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kühlkanal mäanderförmig mit jeweiligen, sich in Axialrichtung der Mantelfläche erstreckenden Längsströmbereichen mit konstanter Durchströmungsrichtung und mit jeweiligen Umlenkbereichen ausgebildet ist, welche in kreisförmige Kanten der Mantelfläche umfassenden Randbereichen der Mantelfläche angeordnet sind und in welchen die Durchströmungsrichtung umlenkbar ist. Das bedeutet, dass sich die Längsströmbereiche parallel zur Axialrichtung des zylinderförmig ausgestalteten Kühlmantels erstrecken. Hierbei ist die Durchströmungsrichtung der Längsströmbereiche zumindest im Wesentlichen parallel zur Axialrichtung der Mantelfläche. Die jeweiligen Randbereiche umfassen die den Schnittkreisflächen zugewandten Bereiche der Mantelfläche. In diesen Randbereichen sind die Umlenkbereiche des Kühlkanals angeordnet, in welchen die Durchströmungsrichtung geändert und somit das Kühlfluid umgelenkt wird. Insbesondere wird in den jeweiligen Umlenkbereichen das Kühlfluid von einem ersten Längsströmbereich in einen zweiten Längsströmbereich umgelenkt. In dem ersten Längsströmbereich verläuft die Durchströmungsrichtung diametral entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung in dem zweiten Längsströmbereich. Der Kühlkanal mäandert sich von einer Einlassöffnung für den Kühlkanal entlang der Mantelfläche in Umfangsrichtung des zylinderförmig ausgestalteten Kühlmantels. Der mäanderförmige Verlauf des Kühlkanals ermöglicht ein besonders gleichmäßiges Kühlen der elektrischen Maschine mittels des Kühlmantels.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausbuchtungen in ihrer Ausprägung in einem Mittenbereich der Mantelfläche größer sind als in den Randbereichen der Mantelfläche. Die Ausbuchtungen verengen somit den Querschnitt in den Längsströmbereichen stärker als in den Umlenkbereichen. Hierbei sind die Ausbuchtungen in ihrer Ausprägung insbesondere in einem Längsströmbereich stärker ausgeprägt als in den an diesen Längsströmbereich direkt anschließenden Umlenkbereichen. In den Längsströmbereichen ist eine Gefahr eines Ausbildens einer laminaren Grenzschicht im Kühlfluid höher als in den Randbereichen, da in den Randbereichen aufgrund der Änderung der Durchströmungsrichtung in den jeweiligen Umlenkbereichen Turbulenzen in das Kühlfluid einbringbar sind. Durch die in ihrer Ausprägung in einem Mittenbereich der Mantelfläche stärker ausgebildeten Ausbuchtungen als in den direkt anschließenden Randbereichen der Mantelfläche kann in dem Mittenbereich ein besonders hoher Wärmeübergang erzielt werden und in den Randbereichen ein Druckverlust besonders gering gehalten werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kühlmantel die Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist, welche in den gegenüberliegenden Randbereichen und einander diagonal gegenüberliegend angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Einlassöffnung und die Auslassöffnung weitestmöglich voneinander entfernt an der Mantelfläche des Kühlmantels angeordnet. Hierbei kann sich der Kühlkanal von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung mäanderförmig in einander gegenüberliegenden Umfangsrichtungen der Mantelfläche um die Zylinderform des Kühlmantels herum erstrecken. Das bedeutet, dass im Bereich der Einlassöffnung das Kühlfluid auf jeweilige Teilkühlkanäle aufteilbar ist, wobei ein erster Teilkühlkanal sich links herum in Umfangsrichtung um die Mantelfläche erstreckt und der zweite Teilkühlkanal sich rechts herum in Umfangsrichtung um die Mantelfläche herum erstreckt und der erste Teilkühlkanal und der zweite Teilkühlkanal zusammen den Kühlkanal bilden. Jeder der Teilkühlkanäle mäandert sich in Umfangsrichtung um die Mantelfläche. Durch die diagonal gegenüberliegende Anordnung der Einlassöffnung und der Auslassöffnung in unterschiedlichen Randbereichen der Mantelfläche kann das Kühlfluid bei einer mäanderförmigen Überströmung zumindest eines Großteils Mantelbereichs auf besonders kurzem Weg von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung geführt werden.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausbuchtungen von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung entlang der Durchströmungsrichtung in ihrer Ausprägung zunehmen. Das bedeutet, dass in Längsströmbereichen, welche näher an der Auslassöffnung angeordnet sind als an der Einlassöffnung, die Ausbuchtungen stärker ausgeprägt sind als in Längsströmbereichen, welche näher an der Einlassöffnung als an der Auslassöffnung angeordnet sind. Je näher die Längsströmbereiche entlang der Durchströmungsrichtung an der Auslassöffnung angeordnet sind, desto stärker sind die Ausbuchtungen in den jeweiligen Längsströmbereichen ausgeprägt, wodurch stärkere Turbulenzen in den jeweiligen Längsströmbereichen erzeugt werden können, wodurch ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang erreicht werden kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass insbesondere in den Längsströmbereichen, welche näher an der Auslassöffnung angeordnet sind als an der Einlassöffnung, besonders hohe Turbulenzen in das Kühlfluid eingebracht werden, um einen besonders hohen Wärmeübergang an das Kühlfluid insbesondere in Bereichen zu ermöglichen, in welchen eine Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlfluid und der elektrischen Maschine gering ist. Somit ermöglicht der Kühlmantel eine besonders effiziente Kühlung der elektrischen Maschine.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die den Kühlkanal begrenzende Wandung an ihrer Außenoberfläche in wenigstens einem Bereich mehrere senkrecht zur Durchströmungsrichtung und entlang einer Umfangsrichtung der Mantelfläche verlaufende längliche Einbuchtungen aufweist. Das bedeutet, dass die Außenoberfläche der den Kühlkanal begrenzenden Wandung beispielsweise wellenförmig ausgebildet ist, wodurch eine im Vergleich zu einer glatten Außenoberfläche besonders große Wärmeübergangsfläche erreicht werden kann. Über die besonders große Wärmeübergangsfläche kann besonders viel Wärme von der elektrischen Maschine aufgenommen werden, wodurch die elektrische Maschine besonders vorteilhaft kühlbar ist.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Einbuchtungen und die Ausbuchtungen einander überlagern. Das bedeutet, dass die Einbuchtungen mit den Ausbuchtungen korrespondieren. Insbesondere sind die Einbuchtungen in einem gleichen Bereich des Kühlkanals angeordnet wie die Ausbuchtungen, sodass die Wandung entlang der Durchströmungsrichtung eine zumindest im Wesentlichen kontante Dicke aufweist. Insbesondere sind sowohl die Einbuchtungen als auch die Ausbuchtungen in den jeweiligen Längsströmbereichen des Kühlkanals angeordnet. Zum Bereitstellen sowohl der Einbuchtungen als auch der Ausbuchtungen kann die Wandung wellenförmig ausgebildet sein. Hierfür kann die Wandung wellenförmig gefaltet beziehungsweise wellenförmig geformt sein. Jeweilige, einander gegenüberliegende, den Kühlkanal zu gegenüberliegenden Seiten begrenzende Wandungen können zumindest bereichsweise achsensymmetrisch zueinander ausgebildet sein, sodass die einander gegenüberliegenden Wandungen auf jeweils gleicher Höhe die einander gegenüberliegenden Ausbuchtungen aufweisen, mittels welchen der Querschnitt des Kühlkanals verengt ist. Die einander gegenüberliegenden Ausbuchtungen der gegenüberliegenden Wandungen verengen somit gemeinsam den Querschnitt des Kühlkanals.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die mehreren Ausbuchtungen in dem Bereich periodisch entlang der Durchströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Durch die periodische Anordnung der Ausbuchtungen können beispielsweise über Überlagerungen gezielt Turbulenzen in dem Kühlfluid eingestellt werden, wodurch ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang des Kühlfluids erreicht werden kann. Die periodische Anordnung der Ausbuchtungen hintereinander bedeutet, dass mehrere Ausbuchtungen in gleichen Abständen regelmäßig entlang der Durchströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlmantels für eine elektrische Maschine. Bei dem Verfahren wird ein sich über die Mantelfläche des zylinderförmig ausgestalteten Kühlmantels erstreckender Kühlkanal hergestellt, welcher zum Kühlen der elektrischen Maschine von einem Kühlfluid in der Durchströmungsrichtung durchströmbar ist. Für einen besonders effizienten Wärmeübergang auf das Kühlfluid ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in eine den Kühlkanal begrenzende Wandung in wenigstens einem Bereich mehrere schräg, insbesondere senkrecht, zur Durchströmungsrichtung verlaufende längliche Ausbuchtungen eingebracht werden, mittels welchen ein Querschnitt des Kühlkanals bereichsweise verengt ist. Insbesondere wird ermittelt, in welchem Bereich der Mantelfläche ein besonders großer Kühlbedarf beim Kühlen der elektrischen Maschine besteht, und gezielt in diesem Bereich die Ausbuchtungen in die Wandung eingebracht beziehungsweise die Ausbuchtungen mit besonders großer Ausprägung in diesen Bereich der Wandung eingebracht, um in diesem Bereich den Querschnitt des Kühlkanals abwechselnd zu verengen und aufzuweiten. Der Kühlmantel, dessen Wandung die Ausbuchtungen aufweist, mittels welchen der Querschnitt des Kühlkanals bereichsweise verengbar ist, ermöglicht aufgrund einer turbulenten Strömung des Kühlfluids durch den Kühlkanal eine besonders effiziente Kühlung der elektrischen Maschine.
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Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kühlmantels sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt. Aus diesem Grund sind die weiteren Vorteile und vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivansicht eines Kühlmantels für eine elektrische Maschine mit einem sich über die Mantelfläche des zylinderförmig ausgestalteten Kühlmantels mäanderförmig erstreckenden Kühlmantel, welcher durch mindestens eine Wandung begrenzt wird, welche wiederum wenigstens eine den Kühlkanal in seinem Querschnitt verengende Ausbuchtung aufweist; und
- 2 eine schematische Perspektivansicht des Kühlmantels sowie jeweilige Längsschnitte des Kühlkanals entlang der Durchströmungsrichtung in unterschiedlichen Längsströmbereichen des Kühlkanals.
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Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 und 2 ist jeweils ein Kühlmantel 1 zum Kühlen einer elektrischen Maschine dargestellt. Der Kühlmantel 1 weist eine Zylinderform auf. Entlang einer Mantelfläche des Zylinders erstreckt sich ein Kühlkanal 2, welcher von einem Kühlfluid durchströmbar ist. Um die elektrische Maschine mittels des Kühlmantels 1 kühlen zu können, ist der Kühlmantel 1 über die elektrische Maschine überstülpbar, sodass der Kühlmantel 1 die elektrische Maschine zumindest bereichsweise radial nach außer überdeckt. Mittels des Kühlfluids ist wärme aufnehmbar und abtransportierbar, wodurch die elektrische Maschine zu kühlen ist.
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Der Kühlkanal 2 verläuft mäanderförmig entlang der Mantelfläche von einer Einlassöffnung 3 bis zu einer Auslassöffnung 4 des Kühlmantels 1. Über die Einlassöffnung 3 ist das Kühlfluid in den Kühlkanal 2 einströmbar und über die Auslassöffnung 4 ist das Kühlfluid aus dem Kühlkanal 2 ausströmbar. Vorliegend sind die Einlassöffnung 3 und die Auslassöffnung 4 in einander gegenüberliegenden Randbereichen 6 der Mantelfläche und einander diagonal gegenüberliegend an der Mantelfläche angeordnet. Bei den Randbereichen 6 handelt es sich um Bereiche der Mantelfläche, welche an jeweilige Schnittkreisflächen der Zylinderform anschließen. Entlang einer Axialrichtung 5 des Kühlmantels 1 ist zwischen den Randbereichen 6 ein Mittenbereich 7 angeordnet. Die Randbereiche 6 sowie der Mittenbereich 7 erstrecken sich jeweils vollständig über den Umfang der Mantelfläche.
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Der Kühlkanal 2 weist jeweilige, sich entlang der Axialrichtung 5 der Mantelfläche erstreckende Längsströmbereiche 8 auf, welche sich in dem Mittenbereich 7 erstrecken.
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In den Längsströmbereichen 8 ist eine Durchströmungsrichtung, entlang welcher das Kühlflluid den Kühlkanal 2 durchströmt, in ihrer Ausrichtung konstant. An einen jeweiligen Längsströmbereich 8 schließt an dessen Anfang sowie an dessen Ende jeweils ein Umlenkbereich 9 an, welche jeweils in einem der Randbereiche 6 der Mantelfläche angeordnet sind. In den Umlenkbereichen 9 wird die Durchströmungsrichtung des Kühlfluids in dem Kühlkanal 2 umgelenkt. Insbesondere wird in einem jeweiligen Umlenkbereich 9 die parallel zur Axialrichtung 5 verlaufende erste Durchströmungsrichtung durch einen ersten, an den Umlenkbereich 9 anschließenden Längsströmbereich 8 in einen an den Umlenkbereich 9 anschließenden zweiten Längsströmbereich 8 umgelenkt, wodurch die zweite Durchströmungsrichtung durch den zweiten Längsströmbereich 8 parallel zur Axialrichtung 5 und entgegengesetzt zur ersten Durchströmungsrichtung des ersten Längsströmbereichs 8 verläuft. In den jeweiligen Längsströmbereichen 8 durchströmt somit das Kühlfluid den Kühlkanal 2 parallel zur Axialrichtung 5, während das Kühlfluid in den Umlenkbereichen 9 umgelenkt wird, wodurch das Kühlfluid in dem Kühlkanal 2 mäanderförmig entlang der Mantelfläche in Umfangsrichtung von der Einlassöffnung 3 zur Auslassöffnung 4 geführt wird. Das Kühlfluid kann direkt nach dem Einströmen in den Kühlkanal 2 über die Einlassöffnung 3 auf mehrere Teilströme aufgeteilt werden. Vorliegend wird ein erster Teilstrom des Kühlfluids in einer ersten Umfangsrichtung 10 entlang der Mantelfläche von der Einlassöffnung 3 zur Auslassöffnung 4 geführt und ein zweiter Teilstrom des Kühlfluids in einer zweiten Umfangsrichtung 11, welche entgegengesetzt zur ersten Umfangsrichtung 10 verläuft, von der Einlassöffnung 3 zur Auslassöffnung 4 geführt.
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Wie in 1 gezeigt, weist eine den Kühlkanal 2 begrenzende Wandung an ihrer einer Mittelachse der Mantelfläche zugewandten Außenoberfläche mehrere wellenförmige Einbuchtungen 13 auf. Durch diese Einbuchtungen 13 kann eine besonders große Außenoberfläche des Kühlkanals 2 insbesondere an einer der Mittelachse der Mantelfläche zugewandten Seite erzielt werden. Aufgrund der besonders großen Außenoberfläche ist ein besonders effizienter Wärmeübergang von der elektrischen Maschine auf den Kühlmantel 1 möglich, wodurch die elektrische Maschine mittels des Kühlmantels 1 besonders effizient kühlbar ist. Die Einbuchtungen 13 sind insbesondere in Bereichen des Kühlmantels 1 angeordnet, in welchen besonders viel Wärme von der elektrischen Maschine abzuführen ist, beziehungsweise das Kühlfluid bereits eine besonders hohe Temperatur aufweist und somit ein Wärmeübergang von der elektrischen Maschine auf das Kühlfluid sicherzustellen ist.
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Vorliegend sind die Einbuchtungen 13 insbesondere in Längsströmbereichen 8 des Kühlkanals 2 angeordnet. Jeweilige Ausprägungen der Einbuchtungen 13 sind stärker, je näher die Einbuchtungen 13 an der Auslassöffnung 4 angeordnet sind. Folglich ist eine erste Einbuchtung, welche näher an der Auslassöffnung 4 angeordnet ist, stärker ausgeprägt als eine zweite Einbuchtung, welche weiter von der Auslassöffnung 4 entfern ist als die erste Einbuchtung. Das bedeutet, dass die erste Einbuchtung eine größere Tiefe aufweist als die zweite Einbuchtung relativ zu jeweiligen, die Einbuchtungen 13 umgebenden Bereichen der Außenoberfläche der Wandung des Kühlkanals 2.
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Die unterschiedliche Ausprägung der Einbuchtungen 13 kann in den unterschiedlichen Schnittansichten in 2 besonders gut erkannt werden. Aus den Schnittansichten von 2 ist des Weiteren ersichtlich, dass der Kühlkanal 2 durch jeweilige Ausbuchtungen 15 der den Kühlkanal 2 begrenzenden Wandungen nach innen in seinem Querschnitt 14 bereichsweise verengt wird. Die Ausbuchtungen 15 der den Kühlkanal 2 begrenzenden Wandung sind vorliegend wellenförmig ausgestaltet. Vorliegend sind die in den Kühlkanal 2 hineinragenden Ausbuchtungen 15 der Wandung in den gleichen Bereichen angeordnet, in welchen die Einbuchtungen 13 angeordnet sind. Die Ausbuchtungen 15 sind insbesondere in den Längsströmbereichen 8 angeordnet und verlaufen zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Durchströmungsrichtung in den Längsströmbereichen 8. In den jeweiligen Längsströmbereichen 8 sind insbesondere mehrere Ausbuchtungen 15 entlang der Durchströmungsrichtung periodisch und somit regelmäßig in Abständen hintereinander angeordnet, mittels welchen eine periodische Verengung und Aufweitung des Querschnitts 14 des Kühlkanals 2 bereitgestellt wird. Das mehrmalige Verengen und Aufweiten des Querschnitts 14 des Kühlkanals 2 ermöglicht ein Aufprägen einer Turbulenz auf die Strömung des Kühlfluids, wodurch ein Ausbilden einer laminaren Grenzschicht unterbunden werden kann. Das Einprägen der Turbulenzen in die Strömung des Kühlfluids ermöglicht einen besonders vorteilhaften Wärmeübergang auf das Kühlfluid und hierdurch eine besonders effiziente Kühlung der elektrischen Maschine.
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Die Ausbuchtungen 15 sind insbesondere derart angeordnet, dass diese mit den Einbuchtungen 13 korrespondieren, sodass die jeweilige, den Kühlkanal 2 begrenzende Wandung wellenförmig ausgebildet ist. Um den Querschnitt 14 des Kühlkanals 2 besonders einfach periodisch verengen und aufweiten zu können, ist es vorgesehen, dass die Ausbuchtungen 15 von den Kühlkanal 2 zu jeweiligen gegenüberliegenden Seiten begrenzenden Wandungen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Korrespondierend zu den Ausprägungen der Einbuchtungen 13 verhalten sich die Ausprägungen der Ausbuchtungen 15. Somit ist eine erste Ausbuchtung 15 stärker ausgeprägt als eine zweite Ausbuchtung 15, welche in Durchströmungsrichtung des Kühlfluids näher an der Einlassöffnung 3 angeordnet ist als die erste Ausbuchtung 15.
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Dem beschriebenen Kühlmantel 1 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Kühlmänteln 1 ohne Verengung und Aufweitung des Querschnitts 14 des Kühlkanals 2 eine ungleichmäßige Temperaturverteilung erfolgen kann, da das Kühlfluid näher an der Einlassöffnung 3 besser kühlt als Kühlfluid mit zunehmender Temperatur näher an der Auslassöffnung 4. Im Nahbereich der Auslassöffnung 4 für das Kühlfluid und im Mittenbereich 7 tritt eine lokal hohe Maximaltemperatur auf. Eine inhomogene Temperaturverteilung und hohe Maximaltemperaturen können zu lokalen Überhitzungen des Kühlmantels 1 führen und Schäden an der elektrischen Maschine auslösen. Durch eine Maximaltemperatur an der elektrischen Maschine wird eine mögliche Dauerleistung der elektrischen Maschine begrenzt.
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Mittels des Kühlmantels 1 ist eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung und eine Minimierung einer Maximaltemperatur der elektrischen Maschine erreichbar aufgrund einer zunehmenden Wellenförmigkeit des Kühlkanals 2 in Richtung der Auslassöffnung 4 sowie im Mittenbereich 7 und/oder an Stellen erhöhter Temperatur der elektrischen Maschine, bei einer Einbaulage der elektrischen Maschine in ihrem von dem Kühlmantel 1 radial nach außen umschlossenen Zustand.
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Der Kühlmantel 1 weist eine Wellenförmigkeit auf, wobei die Wellen quer zur Durchströmungsrichtung ausgerichtet sind. Aufgrund der periodischen Verengung des Querschnitts 14 des Kühlkanals 2 und einer damit einhergehenden, lokal erhöhten Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids sowie einer entstehenden Turbulenz kann ein Ausbilden einer laminaren Grenzschicht im Kühlfluid, welche einen Kühleffekt des Kühlmantels 1 reduziert, vermieden werden. Gleichzeitig erhöht eine durch die periodische Verengung des Querschnitts 14 verursachte Oberflächenwelligkeit des Kühlfluids eine für einen Wärmeübergang zur Verfügung stehende Oberfläche. Durch die lokal eingebrachte Oberflächenwelligkeit sowie die lokal erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und die entstehende Turbulenz kann ein lokal erhöhter Wärmeübergang auf das Kühlfluid erreicht werden. Diese Oberflächenwelligkeit kann sowohl einseitig als auch beidseitig des flachen Kühlkanals 2 ausgeführt sein, wobei sich die genannten Effekte bei einer beidseitigen Ausführung verstärken. Bei der einseitigen Oberflächenwelligkeit weist lediglich die den Kühlkanal 2 zur Mittelachse der Mantelfläche hin begrenzende Wandung die Ausbuchtungen 15 und/oder die Einbuchtungen 13 auf. Bei der beidseitigen welligen Ausgestaltung weist zusätzlich die den Kühlkanal 2 radial der Mantelfläche nach außen begrenzende Wandung die Ausbuchtungen 15 und/oder die Einbuchtungen 13 auf.
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Eine Ausprägung der Wellenförmigkeit steigt im zunehmenden Strömungsverlauf von der Einlassöffnung 3 zur Auslassöffnung 4. Eine Verteilung der Oberflächenwelligkeit des Kühlmantels 1 ist somit entsprechend der entlang der Durchströmungsrichtung ansteigenden Fluidtemperatur des Kühlfluids und einer Position zur Einlassöffnung 3 und der Auslassöffnung 4 ausgeführt. Durch diese Ausprägung wird eine besonders homogene Wärmeverteilung entlang eines Umfangs der zylindrischen Mantelfläche des Kühlmantels 1 erreicht.
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Die Oberflächenwelligkeit kann alternativ oder zusätzlich entlang der Axialrichtung 5 variieren. Hierbei kann die jeweilige Ausprägung der Wellenförmigkeit von den Randbereichen 6 zum Mittenbereich 7 hin ansteigen beziehungsweise vom Mittenbereich 7 zu den jeweiligen Randbereichen 6 hin abfallen. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Wärmeabfuhr von der elektrischen Maschine an Stellen zentrierter thermischer Masse im Inneren der elektrischen Maschine erreicht werden, wodurch eine besonders homogene Temperaturverteilung des Kühlmantels 1 entlang der Axialrichtung 5 erreicht werden kann.
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Der beschriebene Kühlmantel 1 ermöglicht eine besonders homogene Temperaturverteilung in einem Gehäuse der elektrischen Maschine aufgrund einer besonders vorteilhaften Kühlung der elektrischen Maschine. Hierdurch kann insbesondere eine besonders homogene Temperaturverteilung im Gehäuse an einer Stator/Gehäusekontaktfläche erreicht werden. Bei gleicher abgeführter Wärmeleistung mittels des Kühlmantels 1 können besonders geringe lokale Maximaltemperaturen erreicht werden. Aufgrund der besonders geringen Maximaltemperaturen kann eine besonders hohe Dauerleistung der elektrischen Maschine umgesetzt werden.
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Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine Oberflächenwelligkeit auf einem Kühlmantel geschaffen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmantel
- 2
- Kühlkanal
- 3
- Einlassöffnung
- 4
- Auslassöffnung
- 5
- Axialrichtung
- 6
- Randbereich
- 7
- Mittenbereich
- 8
- Längsströmbereich
- 9
- Umlenkbereich
- 10
- erste Umfangsrichtung
- 11
- zweite Umfangsrichtung
- 12
- Außenoberfläche
- 13
- Einbuchtung
- 14
- Querschnitt
- 15
- Ausbuchtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014222959 A1 [0002]
- DE 19624519 A1 [0003]
