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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine lastpunktabhängige Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine, wobei das Kühlsystem zumindest einen Kühlmittelpfad aufweist, der sich zumindest teilweise in einen Rotor einer elektrischen Maschine erstreckt und wobei zumindest ein passives Ventil in dem Kühlmittelpfad angeordnet ist, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad regelt.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen der oben genannten Art dienen der Energiewandlung von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt und werden als Motor und/oder Generator vielfach im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.
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Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist.
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Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine kühlt.
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Konventionelle Kühlungen für elektrische Maschinen bedienen sich eines zirkulierenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels. Das Kühlmittel zirkuliert beispielsweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder in einer als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle, auf der der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das Kühlmittel nimmt aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme auf und transportiert diese ab.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbessertes Kühlsystem für einen Rotor einer elektrischen Maschine anzugeben, das sich durch eine lastpunktabhängige Kühlung des Rotors auszeichnet.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem dient einer lastpunktabhängigen Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist in fachlich allgemein bekannter Weise ausgeführt und umfasst den Rotor als drehende Komponente und einen Stator als stehende Komponente.
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Das Kühlsystem weist zumindest einen Kühlmittelpfad auf, der sich zumindest teilweise in einen Rotor einer elektrischen Maschine erstreckt.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in dem Kühlmittelpfad zumindest ein passives Ventil angeordnet, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad regelt.
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Bevorzugt stellt ein eine Rotorwelle des Rotors zumindest teilweise durchbrechender zentraler Hohlraum einen Teil des Kühlmittelpfads dar.
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Weiterhin bevorzugt stellt zumindest eine mit dem zentralen Hohlraum und einem Außenumfang der Rotorwelle verbundene Querbohrung einen weiteren Teil des Kühlmittelpfads dar.
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Das passive Ventil kann im Bereich des zentralen Hohlraums und/oder im Bereich der Querbohrung angeordnet sein.
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Das passive Ventil regelt die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad in Abhängigkeit von einer Temperatur des Rotors, einem Druck in dem Kühlmittelpfad und/oder einer Drehzahl des Rotors.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante regelt das passive Ventil die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad in Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors, wobei das passive Ventil dazu zumindest ein SMA („Shape Memory Alloy“)-Element aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante regelt das passive Ventil die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad in Abhängigkeit von dem Druck in dem Kühlmittelpfad, wobei das passive Ventil dazu eine Membran oder eine Platte aufweist die entgegen der Flussrichtung des Kühlmittels über ein elastisches Element vorgespannt ist.
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Der Druck in dem Kühlmittelpfad ist bevorzugt abhängig von der Drehzahl einer Kühlmittelpumpe des Kühlsystem.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante regelt das passive Ventil die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Rotors, wobei das passive Ventil dazu eine Kugel aufweist, die entgegen der Fliehkraft durch die Rotation des Rotors über ein elastisches Element vorgespannt ist.
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Es versteht sich von selbst, dass in einem Kühlmittelpfad mehrere passive Ventile angeordnet sein können, die gleich oder unterschiedlich ausgeführt sind.
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Vermittels eine Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Reduktion der mechanischen und hydraulischen Zusatzverluste durch die Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine erzielt werden, wodurch sich eine Optimierung in den Bereichen Effizienz und thermische Verfügbarkeit der elektrischen Maschine ergibt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsvariante eines Kühlmittelpfads eines Kühlsystems mit einem temperaturabhängigen passiven Ventil.
- 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante eines Kühlmittelpfads eines Kühlsystems mit einem alternativen temperaturabhängigen passiven Ventil.
- 3 zeigt eine isometrische Ansicht eines SMA-Elements gemäß 2.
- 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer dritten Ausführungsvariante eines Kühlmittelpfads eines Kühlsystems mit einem drehzahlabhängigen passiven Ventil.
- 5a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer vierten Ausführungsvariante eines Kühlmittelpfads eines Kühlsystems mit einem geschlossenen druckabhängigen passiven Ventil.
- 5b zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer vierten Ausführungsvariante eines Kühlmittelpfads eines Kühlsystems mit einem geöffneten druckabhängigen passiven Ventil.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 bis 5 sind unterschiedliche Ausführungsvarianten eines passiven Ventils 3 in einem Kühlmittelpfad 1 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems schematisch dargestellt.
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Das Kühlsystem dient einer lastpunktabhängigen Kühlung eines Rotors 2 einer elektrischen Maschine. Das Kühlsystem weist einen Kühlmittelsumpf, eine Kühlmittelpumpe und einen Kühlmittelkühler auf, wobei die Kühlmittelpumpe Kühlmittel aus dem Kühlmittelsumpf über den Kühlmittelkühler in unterschiedliche Kühlmittelpfade, unter anderem in den Kühlmittelpfad 1 zur Kühlung des Rotors 2, pumpt. Die Kühlmittelpumpe ist dabei elektrisch oder mechanisch angetrieben. Bei dem Kühlmittel handelt es sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um Öl. Weitere Kühlmittelpfade können beispielsweise zu einem Getriebebereich oder einer Lagerversorgung führen.
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Der Rotor 2 weist eine Rotorwelle 4 und ein Rotorpaket (nicht dargestellt), das fest auf der Rotorwelle 4 angeordnet ist, auf. Die Rotorwelle 4 ist in sämtlichen Ausführungsvarianten teilweise hohl mit einem axial verlaufenden, zentralen Hohlraum 5 ausgeführt. Der zentrale Hohlraum 5 stellt einen Teil des Kühlmittelpfads 1 des Kühlsystems dar.
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Weiterhin weist die Rotorwelle 4 in sämtlichen Ausführungsvarianten zwei mit dem zentralen Hohlraum 5 und einem Außenumfang der Rotorwelle 4 verbundene, radial verlaufende Querbohrungen 6 auf, die einen weiteren Teil des Kühlmittelpfads 1 darstellen.
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Die Richtungsangabe „axial“ entspricht einer Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Drehachse 10 des Rotors 2. Die Richtungsangabe „radial“ entspricht einer Richtung normal zu der zentralen Drehachse 10 des Rotors 2.
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In sämtlichen Ausführungsvarianten ist in dem Kühlmittelpfad 1 zumindest ein passives Ventil 3 angeordnet, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad 1 regelt.
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Das passive Ventil 3 kann die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad 1 in Abhängigkeit von einer Temperatur des Rotors 2 (temperaturabhängig; 1, 2 und 3), in Abhängigkeit von einem Druck in dem Kühlmittelpfad 1 (druckabhängig; 5) und/oder in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Rotors 2 (drehzahlabhängig; 4) regeln.
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In 1 ist eine erste Ausführungsvariante dargestellt, in der die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad 1 des Kühlsystems über ein temperaturabhängiges (temperatursensitives) passives Ventil 3 geregelt wird.
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Das temperaturabhängige passive Ventil 3 weist ein SMA-Element 9 auf. Das SMA-Element 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Plättchen bzw. Platte ausgeführt. Weiterhin weist das temperaturabhängige passive Ventil 3 ein elastisches Element 8c, nämlich eine Feder, und eine Ventilhülse 11 sowie eine Hülse 12c auf.
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Das temperaturabhängige passive Ventil 3, also das SMA-Element 9, das elastische Element 8c, die Ventilhülse 11 sowie die Hülse 12c sind in diesem Fall im Bereich des zentralen Hohlraums 5 angeordnet.
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Das SMA-Element 9 ist mit der Rotorwelle 4 verbunden, damit die Wärme des Rotorpakets des Rotors 2 direkt in das SMA-Element 9 übertragen werden kann. Direkt benachbart zu dem SMA-Element 9 ist die Ventilhülse 11 angeordnet, die über das zwischen der Hülse 12c und der Ventilhülse 11 angeordnete elastische Element 8c, nämlich eine Feder, gegen das SMA-Element 9 gedrückt wird. Die Ventilhülse 11 weist an ihrem Außenumfang zwei Öffnungen auf. In einem außerbetrieblichen Zustand und bei niedrigen Betriebstemperaturen wird die Ventilhülse 11 über das SMA-Element 9 und das elastische Element 8c derart in Position gehalten, dass die jeweiligen Schnittstellen zwischen dem zentralen Hohlraum 5 und den Querbohrungen 6 durch die Ventilhülse 11 verschlossen sind. Steigende Temperaturen im Rotorpaket des Rotors 2 führen zu einer Verschiebung der Ventilhülse 11, wobei diese entgegen der Kraft des elastischen Elements 8c in Bezug auf 1 derart nach links gedrückt wird, dass die jeweilige Öffnung im Außenumfang der Ventilhülse 11 immer mehr axial mit der jeweiligen Querbohrung 6 überlappt und so die Schnittstellen zwischen dem zentralen Hohlraum 5 und den Querbohrungen 6 mit steigender Temperatur, also erhöhtem Kühlbedarf, immer weiter freigibt.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsvariante dargestellt, in der die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad 1 des Kühlsystems über ein temperaturabhängiges (temperatursensitives) passives Ventil 3 geregelt wird.
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Das temperaturabhängige passive Ventil 3 weist ein SMA-Element 9 auf. Das SMA-Element 9 ist ringförmig ausgebildet. 3 zeigt eine Detaildarstellung des SMA-Elements 9 aus 2. Weiterhin weist das temperaturabhängige passive Ventil 3 einen Haltering 14, eine Hülse 12b und eine Labyrinthdichtung 15 auf.
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Das temperaturabhängige passive Ventil 3 ist in diesem Fall im Bereich des zentralen Hohlraums 5 sowie im Bereich der Querbohrungen 6 angeordnet. Das SMA-Element 9 und der Haltering 14 sind im Bereich der Querbohrungen 6 angeordnet, die Hülse 12b und die Labyrinthdichtung 15 sind im Bereich des zentralen Hohlraums 5 angeordnet.
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Bei einem Temperaturanstieg in der Rotorwelle 4 des Rotors 2 wird folglich auch das SMA-Element 9 erwärmt, was zu einer Vergrößerung des Durchflussquerschnitts führt und so einen größeren Kühlmittelstrom ermöglicht.
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In 4 ist eine dritte Ausführungsvariante dargestellt, in der die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad 1 des Kühlsystems über ein drehzahlabhängiges passives Ventil 3 geregelt wird.
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Das drehzahlabhängige passive Ventil 3 weist eine Hülse 12a, eine Kugel 7 sowie ein elastisches Element 8a auf.
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Das drehzahlabhängige passive Ventil 3 ist in diesem Fall im Bereich des zentralen Hohlraums 5 sowie im Bereich der Querbohrungen 6 angeordnet - die Kugel 7 und das elastische Element 8a sind im Bereich der Querbohrungen 6 angeordnet, die Hülse 12a ist im Bereich des zentralen Hohlraums 5 angeordnet.
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Bei steigender Drehzahl des Rotors 2 vergrößert sich die auf die Kugel 7 wirkende Kraft, was zu einem Öffnen der Querbohrungen 6 führt. Durch die geöffneten Querbohrungen 6 wird ein Kühlmittelstrom aus der bzw. durch die Rotorwelle 4 ermöglicht.
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In 5a und 5b ist eine vierte Ausführungsvariante dargestellt, in der die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad 1 des Kühlsystems über ein druckabhängiges passives Ventil 3 geregelt wird.
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Das druckabhängige passive Ventil 3 ist in diesem Fall im Bereich des zentralen Hohlraums 5 der Rotorwelle 4 des Rotors 2 angeordnet. Das druckabhängige passive Ventil 3 weist eine Membran 13 auf, die entgegen der Flussrichtung des Kühlmittels über ein elastisches Element 8b gegen eine Abstufung 16 in dem zentralen Hohlraum 5 der Rotorwelle 4 vorgespannt ist und so den Durchfluss von Kühlmittel von dem zentralen Hohlraum 5 zu der dargestellten Querbohrung 6 verhindert (5a).
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Steigt der Druck im Kühlmittelpfad 1 über einen definierten Druck an, öffnet sich die Membran 13 entgegen der Kraft des elastischen Elements 8b und ermöglicht ein Durchströmen des Kühlmittels von dem zentralen Hohlraum 5 des Kühlmittelpfads 1 zu der Querbohrung 6 des Kühlmittelpfads 1 (5b).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmittelpfad
- 2
- Rotor
- 3
- Passives Ventil
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Zentraler Hohlraum
- 6
- Querbohrung
- 7
- Kugel
- 8a, 8b, 8c
- Elastisches Element
- 9
- SMA-Element
- 10
- Zentrale Drehachse
- 11
- Ventilhülse
- 12a, 12b, 12c
- Hülse
- 13
- Membran
- 14
- Haltering
- 15
- Labyrinth-Dichtung
- 16
- Abstufung
