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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem auf einer Hohlwelle angeordneten und bezüglich des Stators um eine Drehachse drehbaren Rotor, wobei die Hohlwelle in einem Wellenmantel wenigstens eine Wellenaustrittsöffnung für einen Welleninnenraum der Hohlwelle zugeführtes Kühlmittel und der Rotor mehrere in radialer Richtung weiter außen als die Kühlmittelkanäle liegende weitere Kühlmittelkanäle aufweist, wobei mehr Kühlmittelkanäle als weitere Kühlmittelkanäle in dem Rotor ausgebildet sind und die Kühlmittelkanäle und die weiteren Kühlmittelkanäle den Rotor in axialer Richtung bezüglich der Drehachse jeweils durchgreifen, wobei die Kühlmittelkanäle jeweils einen Kühlmittelkanaleinlass und einen auf einer dem Kühlmittelkanaleinlass gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordneten Kühlmittelkanalauslass und die weiteren Kühlmittelkanäle jeweils einen weiteren Kühlmittelkanaleinlass und einen auf einer dem weiteren Kühlmittelkanaleinlass gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordneten weiteren Kühlmittelkanalauslass aufweisen, wobei neben dem Rotor auf der Hohlwelle ein Abdeckelement angeordnet ist, in dem mehrere, jeweils einen Fluidkanaleinlass und einen Fluidkanalauslass aufweisende Fluidkanäle ausgebildet sind, und auf der dem Abdeckelement gegenüberliegenden Seite des Rotors auf der Hohlwelle ein weiteres Abdeckelement angeordnet ist, in dem mehrere weitere Fluidkanäle, jeweils mit einem weiteren Fluidkanaleinlass und einem weiteren Fluidkanalauslass, ausgebildet sind, wobei die Fluidkanaleinlässe mit der Wellenaustrittsöffnung und die weiteren Fluidkanaleinlässe mit den Kühlmittelkanalauslässsen in Überdeckung stehen, wobei ein erster Teil der weiteren Fluidkanalauslässe auf der dem Rotor abgewandten Seite des weiteren Abdeckelements in einen Maschinengehäuseinnenraum einmündet und ein zweiter Teil der weiteren Fluidkanalauslässe auf Seiten des Rotors vorliegt, sodass das durch die Kühlmittelkanäle in Richtung des weiteren Abdeckelements strömende Kühlmittel zum einen Teil durch die weiteren Fluidkanalauslässe in den Maschinengehäuseinnenraum abgeführt und zum anderen Teil durch die weiteren Fluidkanalauslässe in die weiteren Kühlmittelkanäle zurückgeführt wird.
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Aus dem Stand der Technik ist die Druckschrift
JP 2019 - 187 063 A bekannt, die als gattungsbildend betrachtet wird. Diese stellt eine rotierende elektrische Maschine bereit, die einen ersten Strömungspfad, der in einer Welle vorgesehen ist, zweite und dritte Strömungspfade, die in einem Rotorkern ausgebildet sind, einen vierten Strömungspfad, der in dem Rotorkern ausgebildet ist, einen fünften Strömungspfad, der in einer ersten Endplatte ausgebildet ist, den ersten Strömungspfad und den zweiten Strömungspfad verbindet und mit dem ersten Strömungspfad und dem dritten Strömungspfad verbunden ist, und einen U-Kanal, der an der zweiten Endplatte ausgebildet ist und den dritten Kanal und den vierten Kanal verbindet, aufweist. Die erste Endplatte ist mit einer ersten Auslassöffnung zum Auslassen von Kältemittel, das durch den vierten Strömungsweg zur Außenseite des Rotors geleitet wird, ausgebildet, und die zweite Endplatte ist mit einer zweiten Auslassöffnung zum Auslassen des Kältemittels, das durch den zweiten Strömungsweg zur Außenseite des Rotors geleitet wird, ausgebildet.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
WO 2015 / 132 021 A1 bekannt. Diese beschreibt eine elektrische Maschine, die einen Rotor, einen Stator und einen Drehzahlsensor aufweist. Der Rotor umfasst dabei eine Hohlwelle. An dem Rotor ist mitrotierend eine Röhre angebracht, welche in einen Innenraum der Hohlwelle hineinragt, sodass durch die Röhre ein Kühlfluid in den Innenraum eingeströmt werden kann. An einem über die Hohlwelle überstehenden Bereich der Röhre ist ein Drehzahlsensor angebracht. Bei der elektrischen Maschine, welche beispielsweise als Asynchronmaschine ausgestaltet sein kann, kann in dem Rotor entstehende Wärme effizient über eine Kühlung der Hohlwelle abgeführt werden. Gleichzeitig kann dadurch, dass der Drehzahlsensor nicht an der Hohlwelle, sondern an der Röhre angebracht ist, erreicht werden, dass zur Messung einer Drehzahl beziehungsweise Lage des Rotors ein kleinbauender Drehzahlsensor eingesetzt werden kann.
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Weiterhin offenbart die Druckschrift
DE 10 2008 001 607 A1 eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist und eine Kühlmittel aufweisende Kühleinrichtung besitzt. Es ist vorgesehen, dass die Rotorwelle als eine Innenwand aufweisende, von Kühlmittel durchströmte Hohlwelle ausgebildet ist, die in ihrem Inneren mindestens ein mit der Innenwand der Hohlwelle verbundenes, durch seine mit der Hohlwelle erfolgende Rotation förderndes Kühlmittelförderelement aufweist.
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Die Druckschrift
US 2009 / 0 261 667 A1 offenbart einen Rotor für eine elektrische Maschine, der eine Kühlung der elektrischen Maschine verbessert. Außerhalb eines äußeren Bereichs eines Rotorkerns sind axiale Durchgangslöcher vorgesehen, und in Bereichen einer Rotorwelle, die nicht in dem Rotorkern vorliegen, sind Hohlwellen ausgebildet. Auf in axialer Richtung gegenüberliegenden Seiten des Rotorkerns sind Stützplatten zum Halten des Rotorkerns angeordnet. An beiden Seiten der Rotorwelle sind Wandausnehmungen ausgebildet, die die Hohlwellen in radialer Richtung durchgreifen. An einer dem Rotorkern zugewandten Seite sind an jeder der Stützplatten eine erste ringförmige Nut, die mit den axialen Durchgangslöchern verbunden ist, und radiale Nuten, die die erste ringförmige Nut mit den Wandausnehmungen der Rotorwelle verbinden, ausgebildet. Einer Innenseite einer der Hohlwellen der Rotorwelle zugeführtes Kühlmittel wird durch die axialen Durchgangslöcher gedrängt und strömt aus der anderen der Hohlwellen der Rotorwelle aus.
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Aus dem Stand der Technik sind weiterhin die Druckschriften
US 2011 / 0 169 353 A1 ,
US 2018 / 0 375 395 ,
JP 2012 - 210 120 A und
JP 2010 - 239 799 A A bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten elektrischen Maschinen Vorteile aufweist, insbesondere eine effizientere und effektivere Kühlung des Rotors ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Fluidkanalauslässe jeweils mit dem Kühlmittelkanaleinlass eines der Kühlmittelkanäle in Überdeckung stehen, wobei sämtliche Kühlmittelkanäle in radialer Richtung bezüglich der Drehachse denselben Abstand von der Drehachse aufweisen.
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Grundsätzlich ist vorgesehen, dass ein erster Teil der weiteren Fluidkanalauslässe auf der dem Rotor abgewandten Seite des weiteren Abdeckelements in einen Maschinengehäuseinnenraum einmündet und ein zweiter Teil der weiteren Fluidkanalauslässe auf Seiten des Rotors vorliegt, sodass das durch die Kühlmittelkanäle in Richtung des weiteren Abdeckelements strömende Kühlmittel zum einen Teil durch die weiteren Fluidkanalauslässe in den Maschinengehäuseinnenraum abgeführt und zum anderen Teil durch die weiteren Fluidkanalauslässe in die weiteren Kühlmittelkanäle zurückgeführt wird.
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Grundsätzlich ist vorgesehen, dass neben dem Rotor auf der Hohlwelle ein Abdeckelement angeordnet ist, in dem ein einen Fluidkanaleinlass und einen Fluidkanalauslass aufweisender Fluidkanal ausgebildet ist, wobei der Fluidkanaleinlass mit der Wellenaustrittsöffnung und der Fluidkanalauslass mit einem Kühlmittelkanaleinlass eines den Rotor in axialer Richtung bezüglich der Drehachse durchgreifenden Kühlmittelkanals in Überdeckung steht, der auf seiner dem Kühlmittelkanaleinlass gegenüberliegenden Seite einen Kühlmittelkanalauslass aufweist, durch den das Kühlmittel aus dem Rotor austritt.
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Die elektrische Maschine liegt beispielsweise in Form eines Elektromotors oder eines Generators vor. In ersterem Fall dient die elektrische Maschine insbesondere dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs, also dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Die elektrische Maschine kann in diesem Fall auch als Traktionsmaschine bezeichnet werden und ist bevorzugt Bestandteil des Kraftfahrzeugs.
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Die elektrische Maschine weist den Stator, den Rotor sowie die Hohlwelle auf. Der Stator ist bezüglich eines Maschinengehäuses der elektrischen Maschine ortsfest angeordnet, insbesondere an dem Maschinengehäuse befestigt. Der Rotor ist hingegen gemeinsam mit der Hohlwelle drehbar bezüglich des Stators gelagert, nämlich um die Drehachse. Hierzu ist der Rotor drehfest mit der Hohlwelle verbunden, beispielsweise indem die Hohlwelle auf ihrer Außenseite eine Zahnung aufweist, die mit einer Gegenzahnung des Rotors formschlüssig in Eingriff steht, sodass der Rotor in Umfangsrichtung fest mit der Hohlwelle verbunden ist.
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Bevorzugt ist die elektrische Maschine als permanenterregte Synchronmaschine ausgestaltet. Hierzu verfügt der Rotor über wenigstens einen Permanentmagnet, wohingegen der Stator wenigstens eine elektrische Wicklung aufweist. Vorzugsweise sind in dem Rotor mehrere Permanentmagnete angeordnet und der Stator weist mehrere Wicklungen auf. Auch die umgekehrte Ausgestaltung kann vorgesehen sein. Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen der elektrischen Maschine realisierbar.
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In jedem Fall fällt während eines Betriebs der elektrischen Maschine Wärme an, welche aus dem Rotor abgeführt werden muss. Dies erfolgt mittels eines Kühlmittels, welches einem Welleninnenraum der Hohlwelle zugeführt wird. Beispielsweise ragt hierzu eine Kühlmittellanze in die Hohlwelle beziehungsweise den Welleninnenraum der Hohlwelle hinein, durch welche das Kühlmittel zumindest zeitweise in den Welleninnenraum ausgebracht wird. Hierdurch kann eine besonders zielgerichtete Kühlung des Rotors erfolgen.
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Beispielsweise ist es vorgesehen, dass der Rotor wärmeübertragend mit der Hohlwelle verbunden ist, sodass die in dem Rotor anfallende Wärme über die Hohlwelle an das in dieser vorliegende Kühlmittel abgeführt wird. Das Kühlmittel tritt anschließend durch die wenigstens eine Wellenaustrittsöffnung aus dem Welleninnenraum beziehungsweise der Hohlwelle aus und gelangt in einen Maschinengehäuseinnenraum des Maschinengehäuses der elektrischen Maschine. Von dort wird das Kühlmittel aus der elektrischen Maschine abgeführt. Dies ist jedoch vergleichsweise ineffizient, weil die Wärme zunächst durch den Rotor in radialer Richtung nach innen zu der Hohlwelle geleitet und dann auf die Hohlwelle und nachfolgend auf das Kühlmittel übertragen werden muss.
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Aus diesem Grund ist das Abdeckelement Bestandteil der elektrischen Maschine, welches benachbart zu dem Rotor auf der Hohlwelle angeordnet ist. Das Abdeckelement liegt insoweit in axialer Richtung neben dem Rotor vor. Es liegt zudem an dem Rotor an und ist insbesondere an dem Rotor befestigt. Das Abdeckelement weist in axialer Richtung Abmessungen auf, welche deutlich kleiner sind als die Abmessungen des Rotors in derselben Richtung. Beispielsweise betragen die Abmessungen des Abdeckelements in axialer Richtung höchstens 10 %, höchstens 7,5 %, höchstens 5 % oder höchstens 2,5 % der Abmessungen des Rotors in derselben Richtung. In radialer Richtung übergreift das Abdeckelement den Rotor zumindest teilweise, bevorzugt um mindestens 50 % oder mehr. Besonders bevorzugt übergreift das Abdeckelement den Rotor in radialer Richtung vollständig, sodass eine in radialer Richtung außenliegende Mantelfläche des Abdeckelements mit einer in radialer Richtung außenliegenden Mantelfläche des Rotors fluchtet.
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In dem Abdeckelement ist der Fluidkanal ausgebildet, welcher einerseits den Fluidkanaleinlass und andererseits den Fluidkanalauslass aufweist. Der Fluidkanaleinlass ist insoweit über den Fluidkanal mit dem Fluidkanalauslass strömungstechnisch verbunden. Der Fluidkanal ist derart in dem Abdeckelement ausgebildet und das Abdeckelement ist derart bezüglich der Hohlwelle angeordnet, dass der Fluidkanaleinlass mit der Wellenaustrittsöffnung in Überdeckung steht. Das Abdeckelement übergreift also die Wellenaustrittsöffnung der Hohlwelle derart, dass eine Fluidverbindung zwischen dem Welleninnenraum der Hohlwelle und dem Fluidkanal des Abdeckelements hergestellt ist. Das Abdeckelement liegt dabei bevorzugt dichtend an der Hohlwelle an, sodass das Kühlmittel aus dem Welleninnenraum ausschließlich in den Fluidkanal gelangen und nicht zwischen dem Rotor und der Hohlwelle hindurch austreten kann.
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Der Fluidkanal ist weiterhin derart in dem Abdeckelement angeordnet und das Abdeckelement ist derart bezüglich des Rotors angeordnet, dass der Fluidkanalauslass des Fluidkanals mit dem Kühlmittelkanaleinlass des Kühlmittelkanals des Rotors in Überdeckung steht. Der Kühlmittelkanal ist in dem Rotor ausgebildet und durchgreift diesen in axialer Richtung zumindest teilweise, bevorzugt jedoch vollständig. Der Kühlmittelkanal weist bevorzugt einen durchgehend geraden Verlauf auf und ist weiter bevorzugt parallel zu der Drehachse angeordnet.
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Der Kühlmittelkanal weist einerseits den Kühlmittelkanaleinlass und andererseits den Kühlmittelkanalauslass auf. Auch hier gilt also, dass der Kühlmittelkanaleinlass über den Kühlmittelkanal mit dem Kühlmittelkanalauslass strömungstechnisch verbunden ist. Das Abdeckelement liegt dicht an dem Rotor an, sodass eine dichte Fluidverbindung zwischen dem Fluidkanal des Abdeckelements und dem Kühlmittelkanal des Rotors gebildet ist. Beispielsweise liegt hierzu zwischen dem Abdeckelement und dem Rotor eine Dichtung vor. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Abdeckelement stoffschlüssig mit dem Rotor verbunden ist, sodass die dichte Verbindung vorliegt.
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Zur Kühlung der elektrischen Maschine ist es also vorgesehen, dass dem Welleninnenraum der Hohlwelle Kühlmittel zugeführt wird, beispielsweise über die Kühlmittellanze. Das dem Welleninnenraum zugeführte Kühlmittel tritt durch die Wellenaustrittsöffnung der Hohlwelle aus dieser aus und in den Fluidkanal des Abdeckelements ein. Während eines Betriebs der elektrischen Maschine wird beispielsweise das Kühlmittel durch die Drehbewegung der Hohlwelle aus der Wellenaustrittsöffnung herausgedrängt, nämlich aufgrund der auf das Kühlmittel wirkenden Zentrifugalkraft.
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Das Kühlmittel durchströmt den Fluidkanal des Abdeckelements und gelangt nachfolgend in den Kühlmittelkanal des Rotors. Es durchströmt den Kühlmittelkanal und tritt nachfolgend durch den Kühlmittelkanalauslass aus dem Kühlmittelkanal und entsprechend dem Rotor aus. Während des Durchströmens des Kühlmittelkanals nimmt das Kühlmittel Wärme auf, sodass der Rotor gekühlt wird. Aufgrund des unmittelbaren Durchgreifens des Rotors durch den Kühlmittelkanal erfolgt ein besonders effektives und effizientes Abführen der Wärme.
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Mithilfe des Abdeckelements wird zudem mit konstruktiv äußerst geringem Aufwand eine Zuführung des in der Hohlwelle vorliegenden Kühlmittels zu dem Rotor geschaffen. Es ist also nicht notwendig, in dem Rotor selbst Radialdurchbrüche oder dergleichen vorzunehmen, durch welche das Kühlmittel unmittelbar aus der Hohlwelle in den Rotor eintreten kann. Vielmehr ist es mithilfe des Abdeckelements möglich, den baulichen Aufwand sehr gering zu halten und die Kühlmitteldurchströmung der elektrischen Maschine flexibel auszulegen.
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Die Erfindung sieht vor, dass auf der dem Abdeckelement gegenüberliegenden Seite des Rotors auf der Hohlwelle ein weiteres Abdeckelement angeordnet ist, in dem ein weiterer Fluidkanal mit einem weiteren Fluidkanaleinlass und einem weiteren Fluidkanalauslass ausgebildet ist, wobei der weitere Fluidkanaleinlass mit dem Kühlmittelkanalauslass in Überdeckung steht. Zusätzlich zu dem Abdeckelement liegt das weitere Abdeckelement vor. Das Abdeckelement und das weitere Abdeckelement nehmen den Rotor in axialer Richtung gesehen zwischen sich auf, sind also auf gegenüberliegenden Seiten desselben angeordnet. Für das weitere Abdeckelement können ergänzend die Ausführungen zu dem Abdeckelement herangezogen werden, insbesondere hinsichtlich seiner Anordnung.
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Das weitere Abdeckelement ist ebenso wie das Abdeckelement drehfest auf der Hohlwelle angeordnet. Das Abdeckelement und das weitere Abdeckelement liegen also drehfest bezüglich des Rotors vor. Sie liegen jeweils an dem Rotor an, nämlich bevorzugt dicht. In dem weiteren Abdeckelement liegt der weitere Fluidkanal vor, der den weiteren Fluidkanaleinlass mit dem weiteren Fluidkanalauslass strömungstechnisch verbindet. Der weitere Fluidkanaleinlass und der weitere Fluidkanalauslass liegen insoweit auf gegenüberliegenden Seiten des weiteren Fluidkanals vor.
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Das weitere Abdeckelement ist derart bezüglich des Rotors angeordnet, dass der weitere Fluidkanaleinlass mit dem Kühlmittelkanalauslass des in dem Rotor ausgebildeten Kühlmittelkanals in Überdeckung steht. Entsprechend ist der weitere Fluidkanal strömungstechnisch mit dem Kühlmittelkanal und über diesen mit dem Fluidkanal des Abdeckelements strömungstechnisch verbunden. Das weitere Abdeckelement stellt auf konstruktiv einfache Art und Weise ein Abführen oder Umlenken des Kühlmittels sicher.
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Die Erfindung sieht vor, dass der weitere Fluidkanalauslass in axialer Richtung gesehen auf der dem Rotor abgewandten Seite des weiteren Abdeckelements ausgebildet ist, sodass der weitere Fluidkanal durch den weiteren Fluidkanalauslass in einen Maschinengehäuseinnenraum der elektrischen Maschine einmündet. Bei einer derartigen Ausgestaltung beziehungsweise Anordnung des weiteren Fluidkanalauslasses dient er dem Abführen des Kühlmittels von dem Rotor.
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Da der weitere Fluidkanaleinlass und der weitere Fluidkanalauslass in axialer Richtung gesehen auf gegenüberliegenden Seiten des weiteren Abdeckelements angeordnet sind, wird das zur Kühlung der elektrischen Maschine verwendete Kühlmittel beabstandet von dem Rotor in den Maschinengehäuseinnenraum der elektrischen Maschine abgeführt. Unter dem Maschinengehäuseinnenraum ist hierbei der Innenraum des Maschinengehäuses der elektrischen Maschine zu verstehen, in welchem der Stator und der Rotor angeordnet sind, nämlich insbesondere vollständig. Durch das von dem Rotor beabstandete Abführen des Kühlmittels wird eine Beeinflussung des Rotors durch das Kühlmittel zuverlässig vermieden.
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Die Erfindung sieht vor, dass der weitere Fluidkanal in dem weiteren Abdeckelement eine Umlenkung aufweist, sodass der weitere Fluidkanalauslass in axialer Richtung gesehen auf einer dem Rotor zugewandten Seite des weiteren Abdeckelements ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird das Kühlmittel nach seinem Austreten aus dem Rotor und dem Eintreten in das weitere Abdeckelement in Richtung des Rotors umgelenkt, insbesondere um es ihm erneut zuzuführen. Hierdurch kann die Kühlung des Rotors weiter verbessert werden.
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Die Erfindung sieht vor, dass der weitere Fluidkanalauslass mit einem weiteren Kühlmittelkanaleinlass eines den Rotor in axialer Richtung bezüglich der Drehachse durchgreifenden weiteren Kühlmittelkanals in Überdeckung steht. Zusätzlich zu dem Kühlmittelkanal ist in dem Rotor also der weitere Kühlmittelkanal ausgestaltet. Der weitere Kühlmittelkanal weist den weiteren Kühlmittelkanaleinlass sowie einen weiteren Kühlmittelkanalauslass auf, die auf gegenüberliegenden Seiten des weiteren Kühlmittelkanals vorliegen. In anderen Worten ist also der weitere Kühlmittelkanalauslass über den Kühlmittelkanal strömungstechnisch mit dem weiteren Kühlmittelkanaleinlass verbunden.
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Der weitere Kühlmittelkanal durchgreift den Rotor in axialer Richtung wenigstens teilweise, bevorzugt jedoch vollständig. Analog zu dem Kühlmittelkanal verläuft er bevorzugt durchgehend gerade und ist weiter bevorzugt parallel zu der Längsmittelachse angeordnet. Beispielsweise liegt der weitere Kühlmittelkanal in Umfangsrichtung gesehen in Überdeckung mit dem Kühlmittelkanal vor, also in Umfangsrichtung gesehen an derselben Stelle. Hierbei sind der Kühlmittelkanal und der weitere Kühlmittelkanal bevorzugt in radialer Richtung voneinander beabstandet. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Kühlmittelkanal und der weitere Kühlmittelkanal in radialer Richtung gesehen miteinander in Überdeckung stehen. Beispielsweise sind sie hierbei in Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
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Der weitere Kühlmittelkanal wird nach dem Kühlmittelkanal und nach dem Umlenken des Kühlmittels durch das weitere Abdeckelement von dem Kühlmittel durchströmt. In anderen Worten durchströmt das Kühlmittel den Rotor mehrfach, nämlich zumindest einmal durch den Kühlmittelkanal und einmal durch den weiteren Kühlmittelkanal. Hierdurch wird eine besonders effektive Kühlung des Rotors realisiert.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Abdeckelement mehrere Auslasskanäle, jeweils mit einem Auslasskanaleinlass und einem Auslasskanalauslass, ausgebildet sind, wobei der Auslasskanaleinlass mit einem weiteren Kühlmittelkanalauslass eines der weiteren Kühlmittelkanäle in Überdeckung steht und der Auslasskanalauslass auf der dem Rotor abgewandten Seite des Abdeckelements vorliegt. Der Auslasskanal ist in dem Abdeckelement ausgestaltet und weist den Auslasskanaleinlass und den Auslasskanalauslass auf. Der Auslasskanalauslass ist insoweit über den Auslasskanal strömungstechnisch mit dem Auslasskanaleinlass verbunden.
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Das Abdeckelement ist bezüglich des Rotors derart angeordnet, dass der Auslasskanaleinlass mit dem weiteren Kühlmittelkanalauslass des weiteren Kühlmittelkanals in Überdeckung steht. Folglich steht der Auslasskanal strömungstechnisch mit dem weiteren Kühlmittelkanal und über diesen mit dem weiteren Fluidkanal in Strömungsverbindung. Der Auslasskanaleinlass und der Auslasskanalauslass sind in axialer Richtung gesehen auf gegenüberliegenden Seiten des Abdeckelements ausgebildet. Entsprechend tritt das Kühlmittel nach dem Durchströmen des Auslasskanals auf der dem Rotor abgewandten Seite aus dem Abdeckelement aus, nämlich in den Maschinengehäuseinnenraum. Hierdurch wird wiederum eine Beeinflussung des Rotors durch das Kühlmittel vermieden.
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Die Erfindung sieht vor, dass der Kühlmittelkanal Bestandteil einer Vielzahl von Kühlmittelkanälen und der weitere Kühlmittelkanal Bestandteil einer Vielzahl von weiteren Kühlmittelkanälen ist, die jeweils in dem Rotor ausgebildet sind. Jeder der Kühlmittelkanäle ist über den Fluidkanal beziehungsweise jeweils einen von mehreren Fluidkanälen mit dem Welleninnenraum der Hohlwelle strömungsverbunden. Beispielsweise sind hierbei in dem Wellenmantel mehrere Wellenaustrittsöffnungen ausgebildet, sodass die vorstehend bezeichnete Wellenaustrittsöffnung eine von mehreren Wellenaustrittsöffnungen ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass über jeweils einen der mehreren Fluidkanäle eine der Wellenaustrittsöffnungen, insbesondere genau eine der Wellenaustrittsöffnungen, strömungstechnisch mit einem der Kühlmittelkanäle, insbesondere genau einem der Kühlmittelkanäle, in Strömungsverbindung steht. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Fluidkanal einen Ringraum aufweist oder als Ringraum ausgebildet ist und einerseits mit genau einer oder mehreren Wellenaustrittsöffnungen und andererseits mit genau einem oder mehreren Kühlmittelkanälen in Strömungsverbindung steht.
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Analog kann es für den weiteren Fluidkanal vorgesehen sein, dass er einerseits an genau einen oder mehrere Kühlmittelkanäle und andererseits an genau einen oder mehrere weitere Kühlmittelkanäle strömungstechnisch angeschlossen ist. Beispielsweise liegt der weitere Fluidkanal hierzu als Ringraum vor oder weist einen solchen zumindest auf. Besonders bevorzugt ist der weitere Fluidkanal einer von mehreren Fluidkanälen. Diese sind bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie jeweils genau einen der Fluidkanäle mit genau einem der weiteren Fluidkanäle strömungstechnisch verbinden.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der elektrischen Maschine sieht vor, dass mehr Kühlmittelkanäle als weitere Kühlmittelkanäle in dem Rotor ausgebildet sind. Beispielsweise sind doppelt so viele Kühlmittelkanäle wie weitere Kühlmittelkanäle realisiert. Insoweit ist lediglich jedem zweiten der Kühlmittelkanäle ein solcher weiterer Kühlmittelkanal zugeordnet. Die weiteren Kühlmittelkanäle weisen folglich in Umfangsrichtung einen doppelt so großen Abstand voneinander auf wie die Kühlmittelkanäle, da sowohl die Kühlmittelkanäle als auch die weiteren Kühlmittelkanäle in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt in dem Rotor angeordnet sind.
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In dem Abdeckelement liegt nun für jeden der Kühlmittelkanäle ein Fluidkanal vor, der den Kühlmittelkanal strömungstechnisch mit dem Welleninnenraum der Hohlwelle verbindet. Für das weitere Abdeckelement ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Teil der weiteren Fluidkanalauslässe auf der dem Rotor abgewandten Seite des weiteren Abdeckelements in den Maschinengehäuseinnenraum einmünden und teilweise den weiteren Fluidkanalauslass auf Seiten des Rotors aufweisen. Dies ist zum Beispiel in Umfangsrichtung abwechselnd vorgesehen, sodass besonders bevorzugt beide Ausgestaltungen gleichhäufig vorliegen. Das durch den Kühlmittelkanal in Richtung des weiteren Abdeckelements strömende Kühlmittel wird also zum Teil durch die weiteren Fluidkanalauslässe in den Maschinengehäuseinnenraum abgeführt und zum anderen Teil durch die weiteren Fluidkanalauslässe in die weiteren Kühlmittelkanäle zurückgeführt.
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Jedem der weiteren Kühlmittelkanäle ist auf Seiten des Abdeckelements einer von mehreren Auslasskanälen zugeordnet, durch welche das Kühlmittel auf Seiten des Abdeckelements in den Maschinengehäuseinnenraum abgeführt wird. Hierbei stehen die weiteren Fluidkanalauslässe, die dem Rotor abgewandt sind, und die Auslasskanalauslässe in radialer Richtung gesehen bevorzugt in Überdeckung, sodass das Abführen des Kühlmittels in den Maschinengehäuseinnenraum an derselben Radialposition erfolgt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der weitere Fluidkanalauslass und/oder der Auslasskanalauslass eine Durchströmungsquerschnittsfläche aufweisen, die von einer Durchströmungsquerschnittsfläche des Kühlmittelkanals und/oder einer Durchströmungsquerschnittsfläche des weiteren Kühlmittelkanals verschieden ist. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise der Strömungswiderstand für das Kühlmittel durch die elektrische Maschine für denselben Rotor unterschiedlich eingestellt werden, indem das Abdeckelement und/oder das weitere Abdeckelement ausgetauscht werden. Beispielsweise können so unterschiedliche elektrische Maschinen mit demselben Stator aber verschiedenen Abdeckelementen und/oder verschiedenen weiteren Abdeckelementen realisiert werden, welche sich trotz der gleichen Rotoren hinsichtlich der Kühlung unterscheiden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Abdeckelement und/oder das weitere Abdeckelement aus einem von dem Material des Rotors verschiedenen Material bestehen. Als Material des Rotors wird beispielsweise Metall, insbesondere Eisen, verwendet. Das Abdeckelement und/oder das weitere Abdeckelement können hingegen aus Kunststoff bestehen. Zusätzlich oder alternativ bestehen sie aus einem Vollmaterial, sind also massiv und einstückig ausgebildet. Der Rotor hingegen ist bevorzugt aus einzelnen aus dem Material hergestellten Teilen zusammengesetzt, beispielsweise besteht er aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Blechen, welche insoweit auch als Rotorbleche bezeichnet werden können. Der Rotor liegt also beispielsweise als Blechpaket aus solchen Rotorblechen vor. Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht eine kostengünstige und flexible Herstellung der elektrischen Maschine.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor aus einer Vielzahl benachbart zueinander angeordneter Rotorbleche besteht, in welchen der Kühlmittelkanal und/oder der weitere Kühlmittelkanal durch Stanzen ausgebildet sind. Die Rotorbleche bestehen bevorzugt aus Metall, beispielsweise aus Eisen. Die Rotorbleche werden einzeln einem Stanzvorgang unterzogen, während welchem der Kühlmittelkanal und/oder der weitere Kühlmittelkanal jeweils bereichsweise in dem entsprechenden Rotorblech ausgebildet werden. Nachfolgend werden die Rotorbleche derart aneinander angeordnet, dass aus den einzelnen Bereichen des Kühlmittelkanals beziehungsweise des weiteren Kühlmittelkanals, welche in ihnen ausgebildet sind, der Kühlmittelkanal und/oder der weitere Kühlmittelkanal ergibt. Diese Vorgehensweise ist kostengünstig und einfach umsetzbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor in einer ersten Ausführungsform, sowie
- 2 eine schematische Darstellung der elektrischen Maschine in einer zweiten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 1, die einen Stator 2 aufweist, der über ein Blechpaket 3 verfügt, über das beidseitig Wickelköpfe 4 von Wicklungen des Stators 2 überstehen. Ein Rotor 5 der elektrischen Maschine 1 ist bezüglich des Stators 2 um eine Drehachse 6 drehbar gelagert, nämlich mittels einer Hohlwelle 7. Die Hohlwelle 7 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in axialer Richtung bezüglich der Drehachse 6 gesehen beidseitig des Rotors 5 mittels jeweils eines Lagers 8 drehbar gelagert, nämlich in einem hier nicht dargestellten Maschinengehäuse der elektrischen Maschine 1. In dem Rotor 5 ist eine Vielzahl an Magneten 9 angeordnet, von welchen hier lediglich einige beispielhaft gekennzeichnet sind. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die elektrische Maschine 1 als permanenterregte Synchronmaschine vor, sodass die Magnete 9 Permanentmagnete sind.
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Zur Kühlung der elektrischen Maschine 1 beziehungsweise des Rotors 5 wird einem Welleninnenraum 10 der Hohlwelle 7 zumindest zeitweise ein Kühlmittel zugeführt. Dies erfolgt beispielsweise mithilfe einer Kühlmittellanze 11. Das Einbringen des Kühlmittels ist durch den Pfeil 12 beispielhaft angedeutet. Während einer Drehbewegung des Rotors 5 beziehungsweise der Hohlwelle 7 wird das in den Welleninnenraum 10 eingebrachte Kühlmittel durch die auf das Kühlmittel wirkende Zentrifugalkraft an einen Wellenmantel 13 gedrängt, der den Welleninnenraum 10 in radialer Richtung nach außen begrenzt. In dem Wellenmantel 13 ist eine Wellenaustrittsöffnung 14 ausgebildet, durch welche das mit der Zentrifugalkraft beaufschlagte Kühlmittel aus dem Welleninnenraum 10 austreten kann.
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Benachbart zu dem Rotor 5 ist auf der Hohlwelle 7 ein Abdeckelement 15 angeordnet, in dem ein Fluidkanal 16 mit einem Fluidkanaleinlass 17 und einem Fluidkanalauslass 18 ausgebildet ist. Der Fluidkanaleinlass 17 liegt in Überdeckung mit der Wellenaustrittsöffnung 14 vor, sodass der Fluidkanal 16 strömungstechnisch an dem Welleninnenraum 10 angeschlossen ist. Über den Fluidkanalauslass ist ein Kühlmittelkanal 19 an den Fluidkanal 16 strömungstechnisch angeschlossen.
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Der Kühlmittelkanal 19 verfügt über einen Kühlmittelkanaleinlass 20 und einen Kühlmittelkanalauslass 21 und erstreckt sich in axialer Richtung durch den Rotor 5 hindurch. Hierbei verläuft er durchgehend gerade und parallel zu der Drehachse 6. Der Kühlmittelkanaleinlass 20 steht in Überdeckung mit dem Fluidkanalauslass 18, sodass die Strömungsverbindung zwischen dem Kühlmittelkanal 19 und dem Fluidkanal 16 hergestellt ist. Auch der Kühlmittelkanal 19 steht insoweit in Strömungsverbindung mit dem Welleninnenraum 10, nämlich über den Fluidkanal 16.
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Auf der dem Abdeckelement 15 abgewandten Seite des Rotors 5 ist auf der Hohlwelle 7 ein weiteres Abdeckelement 22 angeordnet. In dem weiteren Abdeckelement 22 liegt ein weiterer Fluidkanal 23 mit einem weiteren Fluidkanaleinlass 24 und einem weiteren Fluidkanalauslass 25 vor. In dem hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist der weitere Fluidkanal 23 an einen weiteren Kühlmittelkanal 26 strömungstechnisch angeschlossen. Hierzu ist ein weiterer Kühlmittelkanaleinlass 27 in Überdeckung mit dem weiteren Fluidkanalauslass 25 angeordnet.
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Auf seiner dem weiteren Kühlmittelkanaleinlass 27 abgewandten Seite verfügt der weitere Kühlmittelkanal 26 über einen weiteren Kühlmittelkanalauslass 28. Über diesen ist der weitere Kühlmittelkanal 26 strömungstechnisch an einen Auslasskanal 29 strömungstechnisch angeschlossen, der über einen Auslasskanaleinlass 30 und einen Auslasskanalauslass 31 verfügt. Der Auslasskanalauslass 31 ist auf der dem Rotor 5 abgewandten Seite des Abdeckelements 15 ausgebildet. Durch den Auslasskanalauslass 31 kann das Kühlmittel nach dem Durchströmen des Kühlmittelkanals 19, des weiteren Fluidkanals 23 und des weiteren Kühlmittelkanals 26 in den Welleninnenraum 10 austreten, insbesondere in Richtung der Wickelköpfe 4. Dies ist durch Pfeil 32 angedeutet.
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Die 2 zeigt eine schematische Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 in einer zweiten Ausführungsform. Diese ähnelt grundsätzlich der ersten Ausführungsform, sodass auf die entsprechenden Ausführungen hingewiesen und nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Diese liegen darin, dass der Auslasskanal 29 entfällt und der weitere Fluidkanalauslass 25 nicht wie bei der ersten Ausführungsform auf der dem Rotor 5 zugewandten Seite des weiteren Abdeckelements 22 vorliegt, sondern auf der dem Rotor 5 abgewandten Seite, sodass das Kühlmittel durch den weiteren Fluidkanalauslass 25 in einen Maschinengehäuseinnenraum austritt.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung kombiniert die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform, indem die beiden Ausgestaltungen für unterschiedliche Kühlmittelkanäle 19 umgesetzt werden. Für einen Teil von mehreren Kühlmittelkanälen 19 ist insoweit die erste Ausführungsform und für einen anderen Teil der Kühlmittelkanäle 19 die zweite Ausführungsform umgesetzt. Besonders bevorzugt sind die Ausgestaltungen gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform für in Umfangsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende Kühlmittelkanäle 19 abwechselnd umgesetzt. Hierdurch wird ein Austreten des Kühlmittels in den Maschinengehäuseinnenraum auf beiden Seiten des Rotors 5 in gleichem Maße erzielt, sodass zusätzlich zu der Kühlung des Rotors 5 eine Kühlung der Wickelköpfe 4 des Stators 2 mittels des Kühlmittels erfolgt.
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Die beschriebene Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 ermöglicht auf konstruktive einfache Art und Weise eine besonders effektive und effiziente Kühlung der elektrischen Maschine 1, insbesondere des Rotors 5.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Blechpaket
- 4
- Wickelkopf
- 5
- Rotor
- 6
- Drehachse
- 7
- Hohlwelle
- 8
- Lager
- 9
- Magnet
- 10
- Welleninnenraum
- 11
- Kühlmittellanze
- 12
- Pfeil
- 13
- Wellenmantel
- 14
- Wellenaustrittsöffnung
- 15
- Abdeckelement
- 16
- Fluidkanal
- 17
- Fluidkanaleinlass
- 18
- Fluidkanalauslass
- 19
- Kühlmittelkanal
- 20
- Kühlmittelkanaleinlass
- 21
- Kühlmittelkanalauslass
- 22
- weiteres Abdeckelement
- 23
- weiterer Fluidkanal
- 24
- weiterer Fluidkanaleinlass
- 25
- weiterer Fluidkanalauslass
- 26
- weiterer Kühlmittelkanal
- 27
- weiterer Kühlmittelkanaleinlass
- 28
- weiterer Kühlmittelkanalauslass
- 29
- Auslasskanal
- 30
- Auslasskanaleinlass
- 31
- Auslasskanalauslass
- 32
- Pfeil
