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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die ein mindestens
eine Gehäusewand
besitzendes Gehäuse
und in dem Gehäuse
mindestens eine elektrische Baugruppe aufweist, und mit einer Kühleinrichtung,
die mindestens eine Kühlmittelsprüheinrichtung
zum Besprühen
der elektrischen Baugruppe mit Kühlmittel
aufweist.
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Stand der Technik
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Zur
Kühlung
elektrischer Maschinen ist es bekannt, elektrische Baugruppen mit Öl zu beaufschlagen.
Dies wird bei einer Düsenölkühlung erreicht,
indem eine Vielzahl von Düsen
die elektrischen Baugruppen zum Kühlen mit Öl besprühen.
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Eine
weitere Möglichkeit
bietet die Sumpfkühlung,
welche einen Ölsumpf
aufweist, in dem die zu kühlenden
elektrischen Baugruppen eingetaucht werden. Die Sumpfkühlung erfordert
eine Füllstandsüberwachung,
die schwierig zu realisieren ist. Ferner wird das Öl bei niedrigen
Temperaturen zähflüssig und
verklebt die elektrischen Baugruppen der elektrischen Maschine.
Zudem ergeben sich bei höheren Drehzahlen
eines Rotors, der derart gekühlt
wird, ab zirka 2000 U/min, sehr hohe Scherverluste und Ölschaumbildung.
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Die
Erfindung soll die Integration einer sehr leistungsfähigen Kühleinrichtung
in die elektrische Maschine realisieren, um eine kompakte Bauweise für eine einfache
und platzsparende Anwendung der elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Kühleinrichtung
zur Gehäusekühlung mindestens
einen in der Gehäusewand
verlaufenden Gehäusekühlmittelkanal
für das
Kühlmittel
aufweist. Durch die Gehäusekühlmittelkanäle gelangt
das Kühlmittel
an die zu kühlenden
Komponenten der elektrischen Maschine. Da eine Gehäusekühlung vorliegt,
kann die gesamte elektrische Maschine sehr effektiv gekühlt werden.
Dies kann beispielsweise über
die Kühlmittelsprüheinrichtung
erfolgen, die mit dem Kühlmittel die
elektrische Baugruppe besprüht.
Dabei ist zu beachten, dass der Druckabfall an der Kühlmittelsprüheinrichtung
und im Gehäusekühlmittelkanal
gleich sein muss, damit gewünschte
Kühlmittelmengen
zu den zu kühlenden
Komponenten in der elektrischen Maschine fließen. Durch die Integration
von Kühlmittelkanälen in das
Gehäuse
wird eine kompaktere Bauform der elektrischen Maschine erreicht,
da keine außenliegenden
Leitungen für
das Kühlmittel
zusätzlich
an dem Gehäuse
der elektrischen Maschine angebracht werden müssen. Somit ist eine kompakte Bauform
und damit eine einfache und platzsparende Anwendung der elektrischen
Maschine ermöglicht.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlmittelkanal
in der Gehäusewand
ausgebildet ist. Die Gehäusewand
weist Durchbrüche
auf, die als Kühlmittelkanäle ausgeführt sind.
Auf diese Weise werden separate Kühlmittelkanäle wie innenliegende Schläuche vermieden,
wodurch sich eine noch kompaktere Bauweise realisieren lässt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gehäusewand
im Wesentlichen eine eine Zylinderlängsachse umgebende Hohlzylinderwand,
insbesondere im Querschnitt eine kreisringförmige Hohlzylinderwand ist.
In dem von der Hohlzylinderwand umschlossenen Bereich ist die elektrische
Baugruppe angeordnet und wird durch die Hohlzylinderwand gehalten
und/oder geschützt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der
Gehäusekühlmittelkanal in
Umfangsrichtung der Hohlzylinderwand erstreckt. Dadurch, dass der
Gehäusekühlmittelkanal
in der Gehäusewand
verläuft,
wird erreicht, dass die Gehäusewand
der elektrischen Maschine von Kühlmittel durchflossen
und somit gekühlt
wird. Auf diese Weise kann die elektrische Baugruppe sehr effektiv
gekühlt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gehäusekühlmittelkanal
ein Wendelkanal ist, der in Umfangsrichtung der Hohlzylinderwand
und sich dabei in Richtung der Zylinderlängsachse verlagernd verläuft. Dieser
Wendelkanal sorgt gegenüber
anderen platzsparenden Kanalausbildungen für einen sehr geringen Druckverlust
in dem Wendelkanal bei einer langen Erstreckung des Gehäusekühlmittelkanals,
wodurch ein einfacher und effektiver Durchlauf von Kühlmittel
durch den Gehäusekühlmittelkanal
ermöglicht
wird. Dabei ist der Gehäusekühlmittelkanalquerschnitt
zu berücksichtigen. Er
muss so ausgelegt werden, dass ein maximal zulässiger Druckabfall nicht überschritten
wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung
eine Kühl-/Schmiereinrichtung
ist, die als Kühlmittel
ein Kühlschmiermittel,
insbesondere ein Öl,
aufweist. Auf diese Weise werden zusätzlich zur Kühlung auch Reibungsverluste
innerhalb der elektrischen Maschine gemindert.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse beidendig
Gehäusedeckel
aufweist, die Lagerstellen für
einen zur elektrischen Baugruppe gehörenden Rotor aufweisen, wobei
die Gehäusedeckel
Kühl-/Schmiermittelleitungen aufweisen,
die die Lagerstellen mit Kühlschmiermittel versorgen.
Dabei kann ein Gehäusedeckel
auch einstückig
mit der Gehäusewand
ausgeführt
sein. Die Kühlmittelmenge
wird derart angepasst, dass auch die Lagerstellen der elektrischen
Maschine mit dem vorhandenen Kühlschmiermittel
geschmiert werden, wobei dies vorzugsweise durch Tropfölschmierung oder Ölbadschmierung
erfolgt. Eine derart integrierte Lagerstellenschmierung bietet die
Vorteile geringerer Reibungsverluste und verbesserter Kühlung der
Lagerstellen durch eine ständige
Kühl-/Schmiermittelversorgung.
Ferner ist denkbar, bei dieser Lagerstellenschmierung auf Dichtscheiben
an den Lagerstellen verzichtet und aus den Lagerstellen abzuführendes
Kühl-/Schmiermittel
gemeinsam mit dem aus der Kühlmittelsprüheinrichtung
austretenden Kühl-/Schmiermittel
abzuführen.
Dies verringert zusätzlich
Reibungsverluste an Lagerstellen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühl-/Schmiermittelleitungen in
den Gehäusedeckeln
ausgebildet sind. Dies ermöglicht
ein Einsparen externer, separater Leitungen und damit eine kompakte
und integrierte Bauweise der elektrischen Maschine. Dabei ist insbesondere vorgesehen,
dass die Kühl-/Schmiermittelleitungen als
Gehäusedeckel-Kühlmittelkanäle ausgebildet sind.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung
einen Kühlmittelkreislauf
aufweist, in dem eine Kühlmittelpumpe angeordnet
ist. Ferner ist es vorteilhaft, in den Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittelmodul
zu integrieren, welches mindestens einen Kühlmittelfilter, ein Überströmventil
und/oder einen Kühlmittelkühler aufweist. Das Überströmventil
ist derart angeordnet, dass es sich im Falle eines verstopften Kühlmittelfilters öffnet, um
einen Kühlmittelstau
zu verhindern und somit die Kühlung
weiterhin aufrechtzuerhalten.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung
ein Kühlmittelreservoir
aufweist. Das Kühlmittelreservoir
ist dabei vorzugsweise als Trockensumpf ausgebildet. Ausgehend von
dem Kühlmittelreservoir
wird das Kühlmittel mittels
der Gehäusekühlmittelkanäle und der
Gehäusedeckelkühlmittelkanäle an die
zu kühlenden
Bereiche in der elektrischen Maschine geführt. Anschließend kann
es über
weitere Gehäusekühlmittelkanäle wieder
in das Kühlmittelreservoir
zurückgeführt werden.
Dies bedeutet eine weitere Integration der Kühleinrichtung in die elektrische
Maschine, wodurch eine noch kompaktere Bauweise der elektrischen Maschine
erzielt ist. Da von dem Kühlmittelreservoir zu
der elektrischen Maschine keine zusätzlichen Kühlmittelleitungen verlegt werden
müssen,
kann ein Einbauort für
die elektrische Maschine mit hoher Flexibilität gewählt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelpumpe
zumindest teilweise in einem der Gehäusedeckel angeordnet ist. Die
Integration der Kühlmittelpumpe
in einen der Gehäusedeckel
führt weiter
zu einer sehr kompakten Bauweise der elektrischen Maschine. Sie
wird vorzugsweise mittels des Rotors angetrieben und pumpt Kühlmittel
durch die Gehäusekühlmittelkanäle und Gehäusedeckelkühlmittelkanäle.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlmittelreservoir
in der Gehäusewand
und/oder zumindest in einem der Gehäusedeckel angeordnet ist. Die
Anordnung des Kühlmittelreservoirs
in der Gehäusewand
ermöglicht
eine noch stärkere
Integration der Kühleinrichtung
in der elektrischen Maschine, wodurch eine noch kompaktere Bauweise
der elektrischen Maschine ermöglicht wird.
Ferner werden zusätzliche
Leitungen vermieden.
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Vorzugsweise
ist die Ausbildung der elektrischen Maschine als elektrischer Antrieb
eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Eine derartige
sehr kompakte elektrische Maschine eignet sich insbesondere für Hybridantriebe
in Kraftfahrzeugen, da eine aufwendige externe Kühleinrichtung entfällt und
die elektrische Maschine in geringem Bauraum unterbringbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt
eine elektrische Maschine mit einer im Gehäuse und teilweise in einem
Gehäusedeckel
integrierter Kühleinrichtung.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1 zeigt
eine elektrische Maschine 1 mit einem Gehäuse 2,
welches eine Gehäusewand 3 aufweist.
Die Gehäusewand 3 ist
als Hohlzylinderwand 4 ausgeführt, welche eine Zylinderlängsachse 5 umgibt.
Ferner sind beidendig an der Hohlzylinderwand 4 Gehäusedeckel 6 angebracht.
In einem von der Hohlzylinderwand 4 umschlossenen Raum 7 sind zwei
elektrische Baugruppen 8 eingebracht, wobei eine elektrische
Baugruppe 8 ein Statur 9 und die andere elektrische
Baugruppe 8 ein Rotor 10 ist. Der Rotor 10 weist
eine Rotorwelle 11 auf, die an Lagerstellen 12 drehbar
gelagert ist. Die Lagerstellen 12 sind in den Gehäusedeckeln 6 angebracht.
Die elektrische Maschine 1 weist eine Kühleinrichtung 13 mit einem
Kühlmittel 15 auf,
die als Kühl-/Schmiereinrichtung 14 ausgeführt ist.
Dies ist dadurch erreicht, dass als Kühlmittel 15 ein Kühlschmiermittel 16 eingesetzt
wird, das ein Öl 17 ist.
Die Kühl-/Schmiereinrichtung 14 weist
Gehäusekühlmittelkanäle 18 auf, die
von der Gehäusewand 3 gebildet
werden. In einem Gehäusedeckel 6 ist
eine Rotorpumpe 19 integriert, die mit der Rotorwelle 11 wirkverbunden
ist und durch diese angetrieben wird. Die Rotorwelle 11 ist
mit einem Geberrad 20 wirkverbunden, das von einem Geberraddeckel 21 abgedeckt
wird und gemeinsam mit einem Drehzahlsensor 22 eine Drehzahlerfassung
ermöglicht.
Die Kühlmittelpumpe 19 fördert das Öl 17 über ein
Gehäusedeckelkühlmittelkanal 23 zu
einem Kühlmittelmodul 24.
Das Kühlmittelmodul 24 ist
schematisch als Schaltbild dargestellt und weist einen Kühlmittelfilter 25,
ein Überströmventil 26 und
einen Kühler 27 auf.
Von dem Kühlmittelmodul 24 fließt das Öl 17 über einen
weiteren Gehäusedeckelkühlmittelkanal 28 zu
einer Verzweigung 29. Die Verzweigung 29 führt zu einer
Kühlmittelsprüheinrichtung 30,
welche das Öl 17 auf
den Stator 9 sprüht. Vom
Stator 9 tropft das Öl 17 dann über den
Rotor 10 zu einem Gehäusekühlmittelkanal 30,
welcher zu einem Kühlmittelreservoir 31 führt. Aus
dem Kühlmittelreservoir 31 führt ein
weiterer Gehäusedeckelkühlmittelkanal 32 zur
Kühlmittelpumpe 19.
Ausgehend von der Verzweigung 29 verläuft ein Gehäusedeckelkühlmittelkanal 33 zu
einer weiteren Verzweigung 34. Die Verzweigung 34 führt über einen
Gehäusedeckelkühlmittelkanal 47 zu
einem Gehäusekühlmittelkanal 35 und
dann über
einen Gehäusedeckelkühlmittelkanal 48 zu
einer Verzweigung 36. Die Verzweigung 36 speist
eine Kühlmittelsprüheinrichtung 37, die
ebenfalls den Stator 9 mit Öl 17 besprüht. Das Öl 17 tropft
anschließend
von dem Stator 9 über
den Rotor 10 zu einem Gehäusekühlmittelkanal 39,
der im Kühlmittelreservoir 31 mündet. Die
Verzweigung 34 speist zudem über einen Gehäusedeckelkühlmittelkanal 49 einen
Gehäusekühlmittelkanal 40,
der als Wendelkanal 41 ausgeführt ist, um eine Gehäusekühlung herbeizuführen. Dabei
verläuft
der Wendelkanal 41 zum Einen in Umfangsrichtung der Hohlzylinderwand 4,
und zum Anderen verläuft
der Wendelkanal 41 entlang der Zylinderlängsachse 5 verlagernd.
Damit umschließt
der Wendelkanal 41 die elektrischen Baugruppen 8.
Der Wendelkanal 41 mündet
schließlich
am Wendelkanalende 42 im Kühlmittelreservoir 31.
Die Verzweigung 29 führt
das Öl 17 zu
einem Gehäusedeckelkühlmittelkanal 43,
welcher als Kühl-/Schmiermittelleitung 44 dient.
In gleicher Weise ist auch der Verzweigung 36 eine derartige
Kühl-/Schmiermittelleitung 44 zugeordnet.
Die Kühl-/Schmiermittelleitungen 44 versorgen
die Lagerstellen 12 mit Öl 17, um eine Schmierung
der Lagerstellen 12 herbeizuführen. Die Schmierung wird mittels
eines Ölbads 45 herbeigeführt oder
alternativ von einer nicht dargestellten Tropfölschmierung erzeugt. Überschüssiges,
in den Lagerstellen 12 befindliches Öl 17 wird aus den
Lagerstellen 12 herausgepresst und tropft über die
Gehäusekühlmittelkanäle 38 und 39 zurück in das
Kühlmittelreservoir 31.
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Die
Kühleinrichtung 13 der
elektrischen Maschine 1 ermöglicht es, dass Öl 17 mittels
der Rotorpumpe 19 in einem Kühlmittelkreislauf 46 gefördert wird.
Aufgrund der Verzweigungen 29, 34 und 36 wird das Öl 17 in
unterschiedlicher Weise in verschiedenen Bereichen der elektrischen
Maschine 1 eingesetzt. Zum Einen wird das Öl 17 über die
Kühlmittelsprüheinrichtungen 30 und 36 auf
den Stator 9 aufgesprüht,
um diesen zu kühlen.
Danach tropft das Öl 17 in
das Kühlmittelreservoir 31.
Zum Anderen wird das Öl 17 ausgehend
von der Verzweigung 34 zur Gehäusekühlung in dem Wendelkanal 41 eingesetzt,
wo es die Gehäusewand 3 von
innen kühlt
und am Wendelkanalende 42 ebenfalls im Kühlmittelreservoir 31 mündet. Schließlich wird
das Öl 17 auch
für eine Schmierung
in den Lagerstellen 12 eingesetzt, wobei es den Lagerstellen 12 über die
Kühl-/Schmiermittelleitungen 44 zugeführt wird. Überschüssiges Öl 17 kann
durch die Lagerstellen 12 hindurchtreten und dann zurück in das
Kühlmittelreservoir 31 über die Gehäusekühlmittelkanäle 38 und 39 gelangen.
Ausgehend von dem Kühlmittelreservoir 31 wird
der Kühlmittelkreislauf 46 über die
Kühlmittelpumpe 19 und
das Kühlmittelmodul 24 geschlossen.
Auf diese Weise ist die Kühleinrichtung 13 auf
hochkompakte Weise in die elektrische Maschine 1 integriert,
da alle Komponenten, mit Ausnahme des Kühlmittelmoduls 24,
vollständig
oder zumindest teilweise in die Gehäusewand 2 oder einen
der Gehäusedeckel 6 integriert
sind. Ferner ist eine vollständige
oder teilweise Integration des Kühlmittelmoduls 24 in
die elektrische Maschine denkbar.