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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Kraftwagen mit einem Rotor in einem im Querschnitt kreisrunden und durch eine Umfangskontur begrenzten Kernbereich, wobei der Rotor um eine Rotordrehachse drehbar ist, und mit zur Rotordrehachse achsparallelen Kühlmittelkanälen, die entlang der Umfangskontur außerhalb des Kernbereichs zur Kühlung der elektrischen Maschine angeordnet sind. Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kraftwagen mit einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Entwerfen eines Kraftwagens.
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Elektrische Maschinen für Kraftwägen gliedern sich üblicherweise in einen Kernbereich, der einen drehbar gelagerten Rotor umfasst und die charakteristischen Größen der elektrischen Maschine – wie z. B. Leistung und Drehmoment – bestimmt. Hierbei gilt allgemein, dass mit zunehmendem Durchmesser des Kernbereichs normalerweise auch diese Größen zunehmen und zu einer insgesamt stärkeren elektrischen Maschine führen. Für die Kühlung des Kernbereichs ist dieser üblicherweise von konzentrisch angeordneten Kühlmittelkanälen umgeben. Dabei sind gleichartige, insbesondere bzgl. ihrer Querschnittsfläche identische Bohrungen, Kanäle oder Rippen kranzartig um den gesamten 360°-Umfangsbereich des Kernbereichs in gleichem Abstand zueinander angeordnet (siehe 1). Hierdurch vergrößert sich insgesamt der Durchmesser der elektrischen Maschine. Die sich so ergebende elektrische Maschine ist dann in den begrenzten Bauraum eines Kraftwagens einzupassen. Andere Kraftwagenkomponenten schränken dabei den für die elektrische Maschine zur Verfügung stehenden Platz ein und legen so eine Obergrenze für ihren leistungs- und drehmomentwirksamen Durchmesser fest.
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Aus der
DE 197 42 255 C1 ist eine gehäuselose Drehstrommaschine mit achsparallelen Kühlmittelkanälen bekannt. Der um den gesamten Umfang der im Schnitt etwa kreisringförmigen Drehstrommaschine laufende Wickelkopf wird hierbei peripher nicht im gesamten Umfangsbereich von den achsparallelen Kühlmittelkanälen umschlossen. Diese befinden sich stattdessen gruppenweise angeordnet in den vier Eckbereichen eines die Drehstrommaschine umschließenden Ständerblechs.
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In der
DE 100 05 128 B4 ist eine elektrische Maschine mit einem kühlbaren Ständer beschrieben, dessen Kühlkanäle ebenfalls gruppenweise in den vier Eckbereichen des bezüglich seiner Außenkontur rechteckigen Ständerblechpaketes achsparallel angeordnet sind. Die Kühlkanalgruppen sind dabei über Umlenkkammern in stirnseitigen Lagerschilden hinsichtlich des Kühlmittelkreislaufs miteinander verbunden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den für eine elektrische Maschine zur Verfügung stehenden begrenzten Bauraum in einem Kraftwagen effizienter zu nutzen.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, gelöst. Die Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Schließlich wird die Aufgabe auch durch einen Kraftwagen mit einer solchen elektrischen Maschine gemäß Patentanspruch 6 sowie ein Verfahren zum Entwerfen eines Kraftwagens, das die Merkmale des Patentanspruch 7 aufweist, gelöst.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Kernbereich auf, der im Querschnitt kreisrund und durch eine Umfangskontur begrenzt ist. Der Kernbereich umfasst einen Rotor, der um eine Rotordrehachse drehbar gelagert ist. Insbesondere wird die Rotordrehachse mit dem Mittelpunkt des im Querschnitt kreisrunden Kernbereichs zusammenfallen. Ferner umfasst die elektrische Maschine Kühlmittelkanäle, die parallel zur Rotordrehachse verlaufen und außerhalb des Kernbereichs entlang der kreisrunden Umfangskontur angeordnet sind, um die elektrische Maschine zu kühlen. Hierbei sind nicht alle Kühlmittelkanäle identisch ausgebildet, sondern wenigstens zwei von ihnen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Größe.
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Die Größe der Kühlmittelkanäle bestimmt wesentlich ihre Kühlleistung. Große Kühlmittelkanäle werden normalerweise in der Lage sein, im Kernbereich entstehende Verlustwärme effizienter abzuführen als kleine Kühlmittelkanäle. Dadurch, dass die Kühlmittelkanäle im Umfangsbereich unterschiedliche Größen aufweisen, lässt sich die Kühlleistung variabel anpassen. Insbesondere können die Kühlmittelkanäle an Stellen, an denen viel Bauraum zur Verfügung steht, groß ausgeführt werden, während ihre Größe an bauraumbeengten Stellen klein gewählt oder dort überhaupt kein Kühlmittelkanal vorgesehen wird.
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So kann die Gesamtkühlleistung der elektrischen Maschine angepasst werden, wobei gleichzeitig der lokal zur Verfügung stehende Platz durch die unterschiedlichen Größen der Kühlmittelkanäle berücksichtigt wird. Verlustwärme, die an Stellen der elektrischen Maschine mit kleinen Kühlmittelkanälen auftritt, kann zu einer Wärmesenke abgeleitet werden, die von großen Kühlmittelkanälen gebildet ist. Tritt andererseits Verlustwärme im Kernbereich der elektrischen Maschine nicht gleichmäßig über den gesamten Umfangsbereich auf, kann hierauf durch eine lokale Variation der Kühlmittelkanalgrößen reagiert werden.
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Schließlich erlauben Kühlmittelkanäle unterschiedlicher Größe, dass die elektrische Maschine potenziell leistungsstärker ausgeführt wird. Es kann nämlich der begrenzt zur Verfügung stehende Bauraum, z. B. im Motorraum eines Kraftwagens, effizienter genutzt werden. Die Dicke des Kühlmittelkanalkranzes kann durch die unterschiedlichen Größen der Kühlmittelkanäle im Umfangsbereich lokal so variiert werden, dass in Regionen mit reichlich Platz größere Kühlmittelkanäle und in Regionen mit begrenztem Platzangebot kleinere Kühlmittelkanäle vorgesehen werden. Hierdurch wird trotz beengter Zustände der Bauraum optimal genutzt. Der Kernbereich kann mit größerem Durchmesser und raumfüllend in den begrenzten Bauraum eingepasst werden, so dass sich potenziell leistungs- und drehmomentstärkere elektrische Maschinen realisieren lassen.
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Vorzugsweise sind hierbei die Kühlmittelkanäle im Umfang geschlossen, d. h. sie sind im Querschnitt entlang ihrer gesamten Umfangskontur durch Material begrenzt, das eine Innenwand für das Kühlmittel bildet. Die Größe des Kühlmittelkanals ist dann durch seine Querschnittsfläche definiert. Diese Ausführungsform der Kühlmittelkanäle eignet sich vor allem dann, wenn ein flüssiges Kühlmittel verwendet wird. Das Kühlmittel (z. B. Wasser) kann den Kühlmittelkanal (z. B. ein Metallrohr oder eine Bohrung in einem massiven Gehäuse) durchströmen und wird durch die Innenwände des Kanals daran gehindert, insbesondere in den Kernbereich der elektrischen Maschine einzudringen. Flüssige Kühlmittel weisen hohe Wärmekapazitäten auf, so dass sich Verlustwärme sehr effizient abführen lässt.
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Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die Kühlmittelkanäle im Querschnitt kreisrund sind. Dann lassen sich die Kühlmittelkanäle sehr einfach und kostengünstig realisieren, da beispielsweise Bohrungen am einfachsten kreisrund auszuführen sind. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar, bei denen die Kühlmittelkanäle zwar im Umfang geschlossen sind, jedoch keinen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Stattdessen können sie z. B. oval, rechteckig oder einer komplexeren Geometrie folgend gestaltet sein. Dann lassen sich die Kühlmittelkanäle gegebenenfalls den eingeschränkten Platzverhältnissen durch die Wahl ihrer Querschnittsform noch besser anpassen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zwischen zwei nächstbenachbarten Kühlmittelkanälen zumindest zwei unterschiedliche Winkelabstände bestehen. Neben der variablen Größe der Kühlmittelkanäle kann auch durch ihre flexible Beabstandung auf bauraumbeengte Zustände Rücksicht genommen und gleichzeitig die lokale Kühlung den Erfordernissen angepasst werden. Beispielsweise können an Stellen, an denen mehr Platz zur Verfügung steht, die Kühlmittelkanäle großzügig zueinander angeordnet werden, d. h. die Winkelabstände zwischen ihnen werden groß gewählt. Unter bauraumbeengten Verhältnissen können andererseits die Kühlmittelkanäle dichter gepackt und mit kleineren Abständen zueinander versehen werden. Dies ermöglicht eine besonders flexible Anpassung der Kühlleistung bei gleichzeitig raumfüllender Gestaltung.
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Hierbei ist es weiterhin bevorzugt, die Kühlmittelkanäle zumindest innerhalb eines Teilwinkelbereichs entlang der gesamten Umfangskontur so anzuordnen, dass der Winkelabstand nächstbenachbarter Kühlmittelkanäle in dem Maße zu- oder abnimmt, in dem die Querschnittsfläche nächstbenachbarten Kühlmittelkanäle zu- oder abnimmt. Als Teilwinkelbereich ist hierbei ein beliebiger Winkelausschnitt mit einem Winkel aus dem Wertebereich von 0° bis 360° zu verstehen. Nimmt beispielsweise die Querschnittsfläche nächstbenachbarter Kühlmittelkanäle um einen Faktor 2 ab, kann auch ihr Winkelabstand um einen Faktor 2 abnehmen, um eine dichtere Packung der Kanäle zu erreichen. Bei Kühlmittelkanälen mit kreisrunder Querschnittskontur kann so eine bessere Raumfüllung und damit erhöhte Kühlleistung erreicht werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine für einen Kraftwagen mit einem Rotor in einem im Querschnitt kreisrunden und durch eine Umfangskontur begrenzten Kernbereich, wobei der Rotor um eine Rotordrehachse drehbar ist. Entlang der Umfangskontur sind zur Kühlung dieser elektrischen Maschine außerhalb des Kernbereichs Kühlrippen angeordnet. Die Freiräume zwischen den Kühlrippen können von einem Kühlmittel, insbesondere einem Gas, umströmt werden, so dass Wärme von den Kühlrippen abgeführt wird. Wenigstens zwei der Kühlrippen sind unterschiedlich hoch. Höhere Kühlrippen besitzen eine größere Außenfläche als kurze Kühlrippen, so dass sie Wärme effizienter an das Kühlmittel abführen können. Durch die Höhe der Kühlrippen kann so die lokale Kühlleistung eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass zumindest zwei Winkelabstände zwischen jeweils nächstbenachbarten Kühlrippen verschieden sind. Durch die variable Beabstandung der Kühlrippen in einem vorgegebenen Teilwinkelbereich kann ebenfalls die Kühlleistung in diesem Bereich flexibel eingestellt werden. Die Kühlrippen können im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig oder z. B. auch trapezförmig sein. Sie verlaufen bevorzugt in Anströmrichtung des Kühlmittels. Ist das Kühlmittel z. B. Luft, die in Fahrtrichtung eines Kraftwagens in dessen Motorraum einströmt, verlaufen die Kühlrippen bevorzugt ebenfalls in Fahrtrichtung. Die Kühlrippen sind insbesondere zum Kernbereich hin an einem Gehäuse befestigt. Im vom Gehäuse begrenzten Kernbereich befinden sich dann üblicherweise der geblechte Stator, der Statorträger bzw. das Gehäuseinnenteil.
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Diese Gestaltung der elektrischen Maschine ist besonders dann vorteilhaft, wenn für die Abfuhr der Verlustwärme ein gasförmiges Kühlmittel gewählt wird. Das Gas, z. B. Luft, kann dann entlang der Kühlrippen strömen und Wärme aufnehmen, die vom Kernbereich an die Kühlrippen abgeleitet wird. Luftkühlung ist allgemein kostengünstig, sehr einfach zu realisieren und wartungsarm.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kraftwagen, der eine erfindungsgemäße elektrische Maschine oder eine vorteilhafte Ausgestaltung davon aufweist.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Entwerfen eines Kraftwagens. Gemäß dem Verfahren werden zunächst Bauraumbegrenzungen im Motorraum des Kraftwagens festgelegt sowie bauraumbegrenzende Komponenten bestimmt, welche zumindest abschnittsweise im Motorraum angeordnet sind. Solche Bauraumbegrenzungen können in tatsächlich materiellen Karosserieabschnitten bestehen; andererseits gibt es auch immaterielle räumliche Grenzen, über die – z. B. aus Sicherheitsgründen – eine elektrische Maschine nicht hinausragen darf. Bauraumbegrenzende Komponenten sind z. B. Geräte, Maschinen und Kraftfahrzeugskomponenten, die im Motorraum untergebracht sind. In Relation zu diesen Bauraumbegrenzungen und bauraumbegrenzenden Komponenten wird in einem zweiten Schritt eine elektrische Maschine so festgelegt, dass die durch diese Begrenzungen räumlich und in ihrer Funktion nicht blockiert ist. Hierbei wird der leistungs- und drehmomentwirksame Durchmesser des Kernbereichs so gewählt, dass dieser in den zur Verfügung stehenden Raum des Motorraums bestmöglich eingepasst ist. Der Kernbereich der elektrischen Maschine ist dabei wiederum der im Querschnitt kreisrunde und durch eine Umfangskontur begrenzte Bereich, der einen Rotor umfasst, welcher um eine Rotordrehachse drehbar gelagert ist. In einem dritten Schritt des Verfahrens wird der Kühlmittelkanalkranz entlang der Umfangskontur des Kernbereichs festgelegt, d. h. es werden die Anzahl, die Größen sowie die Positionen von Kühlmittelkanälen bestimmt, welche entlang der Umfangskontur außerhalb des Kernbereichs umlaufend um diesen angeordnet sind. Die Anzahl, die Größen und die jeweiligen Winkelabstände werden dabei so gewählt, dass einerseits eine ausreichende Kühlung der elektrischen Maschine gewährleistet ist, andererseits jedoch die Kühlmittelkanäle durch die festgelegten Bauraumbegrenzungen und bauraumbegrenzenden Komponenten räumlich und bezüglich ihrer Funktion nicht blockiert sind. Die Kühlmittelkanäle sind primär achsparallel zur Rotordrehachse des Kernbereichs angeordnet, Kühlrippen primär in Richtung ihrer hauptsächlichen Anströmung im Fahrzeug.
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Ein solches Verfahren weist erheblich Vorzüge auf. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird nicht mehr der Gesamtdurchmesser der elektrischen Maschine, sondern der leistungs- und drehmomentwirksame Durchmesser des Kernbereichs den vorgegebenen Bauraumbegrenzungen angepasst. Es ist somit der wesentliche Funktionsbereich der elektrischen Maschine, der raumfüllend gestaltet wird und auf den Platzbedarf anderer Komponenten im Motorraum Rücksicht nimmt. Hierdurch lassen sich prinzipiell größere und leistungsstärkere elektrische Maschinen in den Motorraum einpassen. Die für die Kühlung der elektrischen Maschine notwendigen Kühlmittelkanäle werden erst anschließend um den Kernbereich gruppiert und passen sich dabei den Bauraumbegrenzungen variabel an. An Engstellen ist z. B. keine direkte Kühlung mittels dort sitzender Kühlmittelkanäle vorgesehen; im Gegenzug lässt sich an anderen Stellen des Umfangsbereichs eine verbesserte Kühlung erzielen. Durch ein intelligentes Design des Kühlmittelkanalkranzes mit angepassten Winkelpositionen und Querschnittskonturen der einzelnen Kühlmittelkanäle lässt sich eine bedarfsgerechte Kühlung der gesamten elektrischen Maschine erreichen. Das Verfahren erlaubt damit eine sehr flexible und gleichzeitig ökonomische Gestaltung des Motorraums eines Kraftwagens. Kühl- und Bauraumoptimierung sind ideal aufeinander abgestimmt.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Kraftwagen und das erfindungsgemäße Verfahren.
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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 als auch die in der Figurenbeschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen und/oder die 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, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine im Motorraum eines Kraftwagens gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine im Motorraum eines Kraftwagens nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine aus 2;
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer elektrischen Maschine nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
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5 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer elektrischen Maschine nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Motorraum eines Kraftwagens, in dem eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Maschine 10 angeordnet ist. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Kernbereich 18, in dem ein Rotor drehbar um eine Rotordrehachse 22 gelagert ist. Der Kernbereich 18 ist im Querschnitt kreisrund mit einem Durchmesser D1 und ist peripher durch eine Umfangskontur 20 begrenzt. Neben einem Rotor kann der Kernbereich 18 weitere Komponenten umfassen, insbesondere einen Stator, Spulenwicklungen und einen Statorträger. Die Spulenwicklungen können dabei beispielsweise über den gesamten Umfangsbereich des Kernbereichs 18 an der Innenseite der Umfangskontur 20 verlaufen. Es ist auch möglich, dass die Spulenwicklungen nur in Teilabschnitten der Umfangskontur 20 angeordnet sind. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn es sich bei der elektrischen Maschine 10 um eine Drehstrommaschine handelt. Die elektrische Maschine 10 umfasst ferner um den Kernbereich 18 konzentrisch verteilte Kühlmittelkanäle 24. Die Kühlmittelkanäle 24 sind hierbei außerhalb der Umfangskontur 20 über den gesamten Umfang der elektrischen Maschine 10 gleichmäßig angeordnet. Die Anordnung der Kühlmittelkanäle 24 erfolgt hierbei typischerweise so, dass sie alle zueinander gleiche Winkelabstände a aufweisen. Jeder Kühlmittelkanal 24 hat dann den gleichen Winkelabstand a zu seinen jeweils nächsten Nachbarn.
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Die Kühlmittelkanäle 24 verlaufen parallel zur Rotordrehachse 22, stehen also in der Querschnittsdarstellung von 1 senkrecht auf der Zeichenebene. Es ist üblich, dass alle Kühlmittelkanäle 24 gleichartig ausgebildet sind und hierbei insbesondere im Querschnitt kreisrund mit selbem Durchmesser d1 sind. Folglich sind die Querschnittskonturen 26 aller Kühlmittelkanäle 24 im Beispiel gemäß der 1 identisch. Die Kühlmittelkanäle 24 können hierbei typischerweise in einem Gehäuse 32 verlaufen, welches die elektrische Maschine 10 zum Motorraum hin begrenzt. Die Kühlmittelkanäle 24 werden von einem Kühlmittel, z. B. Wasser, durchströmt und führen die im Kernbereich 18 anfallende Wärme ab. Üblicherweise treten in den Spulen und/oder im Rotor im Kernbereich 18 Wärmeverluste auf, die zu seiner Aufheizung führen. Um eine Überhitzung der elektrischen Maschine 10 zu vermeiden und unnötige Wärmebelastung zu reduzieren, wird normalerweise ein Kühlmittelstrom über einen Kühlkreislauf durch die Kühlmittelkanäle 24 geführt.
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Im Motorraum eines Kraftwagens ist der Bauraum, der für die elektrische Maschine 10 zur Verfügung steht, begrenzt, da in ihm auch weitere für den Kraftwagen essentielle Komponenten untergebracht sind und die Karosserieform gewisse Grenzen vorgibt. So ist der Motorraum beispielsweise durch eine Bodenfreiheitslinie 14 begrenzt, unterhalb der keine Fahrzeugkomponenten angeordnet werden. Auch eine Stirnwand 12, die z. B. den Motorraum von der Fahrgastzelle trennt, schränkt den zur Verfügung stehenden Platz ein. Ein Lenkgetriebe 16 ist z. B. eine bauraumbegrenzende Komponente im Motorraum. Dies sind alles nur Beispiele. Der in einem Motorraum zur Verfügung stehende Platz ist durch eine Vielzahl unterschiedlichster Einrichtungen begrenzt. Auch eine Batterie, ein Vergaser, ein Differential, Behälter für Kühlwasser, Öl und Spritzwasser usw. müssen üblicherweise untergebracht werden.
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Folglich muss die elektrische Maschine 10 stets mit begrenztem Bauraum auskommen, wodurch beispielsweise die Möglichkeiten zur Wahl des Durchmessers D1 eingeschränkt sind. Der um den Kernbereich 18 umlaufende Kranz an Kühlmittelkanälen 24 vergrößert hierbei den Gesamtdurchmesser und das Volumen der elektrischen Maschine 10, so dass für die eigentlichen funktionsrelevanten Elemente im Kernbereich 18 noch weniger Platz zur Verfügung steht.
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Dabei ist es eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass durch eine variablere und angepasstere Gestaltung des Kranzes der Kühlmittelkanäle 24 die elektrische Maschine einerseits besser in den zur Verfügung stehenden Bauraum eingepasst, als auch der Durchmesser D1 des Kernbereichs 18 größer gewählt werden kann.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zur 1 identischen Motorraums mit denselben Bauraumbeschränkungen, in den eine elektrische Maschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingebaut ist. Der Kernbereich 18 der elektrischen Maschine 10 weist einen im Vergleich zu 1 größeren Durchmesser D2 auf, d. h. D2 > D1. Der Kernbereich 18 erstreckt sich hier bis an die Bauraumbegrenzungen 12, 14 und 16. Dies ist möglich, da die Kühlmittelkanäle 24 nicht im gesamten Umfang des Kernbereichs 18 angeordnet sind. Sie konzentrieren sich vielmehr gruppenweise in Teilbereichen, in denen Bauraum zur Verfügung steht und in denen sie nicht von der Stirnwand 12, der Bodenfreiheitslinie 14 oder dem Lenkgetriebe 16 behindert sind. Wie schon in 1 sind auch hier die Kühlmittelkanäle achsparallel zur Rotordrehachse 22 außerhalb der Umfangskontur 20 des Kernbereichs 18 angeordnet. Die Kühlmittelkanäle 24 weisen nun jedoch keine identischen Durchmesser d1 mehr auf, so wie dies in 1 der Fall war. Beispielsweise hat der Kühlmittelkanal 24a denselben Durchmesser d1 wie alle Kühlmittelkanäle 24 der 1. Seine nächsten Nachbarn, die Kühlmittelkanäle 24b und 24c, haben jedoch hiervon abweichende Durchmesser, nämlich die Durchmesser d2 bzw. d3. Auch die Winkelabstände a der einzelnen Kühlmittelkanäle 24 müssen nun nicht mehr identisch sein. Die Durchmesser und Abstände der Kühlmittelkanäle 24 werden vielmehr so gewählt sein, dass sie den zur Verfügung stehenden Bauraum bestmöglich ausfüllen.
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Nimmt man z. B. den freien Bauraum, der sich zwischen dem Kernbereich 18, dem Lenkgetriebe 16 und der Stirnwand 12 ergibt, ist eine angepasste Größe und Verteilung der Kühlmittelkanäle 24 zu bevorzugen. So werden mittig zwischen Stirnwand 12 und Lenkgetriebe 16 verlaufende Kühlmittelkanäle 24 vorzugsweise einen größeren Durchmesser aufweisen. Dagegen werden Kühlmittelkanäle 24, die sich nahe am Lenkgetriebe 16 oder nahe an der Stirnwand 12 befinden, in den dort sich verengenden Bauraum durch kleinere Durchmesser eingepasst sein. Auch die Beabstandung der Kühlmittelkanäle 24 lässt sich flexibel gestalten, um den Raum optimal auszunutzen und andererseits fertigungstechnisch günstig mit möglichst wenig Kühlmittelkanälen 24 auszukommen.
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Die variable Einstellung der Kühlmittelkanalabstände und -durchmesser kann ausgenutzt werden, um für die elektrische Maschine 10 eine angepasste und optimale Kühlleistung zu erreichen. Kühlmittelkanäle 24 mit einem zu Durchmesser d1 größeren Durchmesser (z. B. d3) haben eine größere Außenfläche und erlauben damit höhere Kühlleistungen. Dies ist z. B. für den Kühlmittelkanal 24c der Fall, durch den eine verbesserte Kühlleistung gegenüber dem Kühlmittelkanal 24a gegeben ist. Diese Ausgestaltung kann die verringerte Kühlwirkung von Kühlmittelkanälen kompensieren, die einen kleineren Durchmesser als d1 aufweisen. Zum Beispiel hat der Kühlmittelkanal 24b einen verglichen mit d1 kleineren Durchmesser d2, der beengten Bauraumverhältnissen Rechnung trägt. Seine hierdurch verringerte Kühlleistung kann durch den größeren Durchmesser d3 des Kühlmittelkanals 24c kompensiert werden. Es wird also vorgeschlagen, insgesamt hohe Kühlleistungen bei lokal fehlender bzw. reduzierter Kühlung durch andernorts verstärkte Kühlung mittels größerer Kühlmittelkanalquerschnitte und/oder deren engerer Anordnung zu gewährleisten.
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Es sind verschiedene, aus dem Stand der Technik bekannte Ausgestaltungen der Kühlmittelkanäle 24 denkbar. Sie können z. B. gegossen, gebohrt, geräumt oder nach ähnlichen Verfahren hergestellt werden. Im Ausführungsbeispiel sind die Kühlmittelkanäle im Querschnitt kreisrund und durch ihren Durchmesser d sowie ihre kreisrunde Querschnittskontur 26 charakterisiert. Es sind jedoch beliebige Querschnittskonturen 26 denkbar, die für eine effektive Kühlung der elektrischen Maschine 10 zweckdienlich sind, insbesondere ovale, rechteckige oder trapezförmige Querschnitte. Selbstverständlich ist auch eine beliebige Kombination unterschiedlicher Querschnittskonturen 26 möglich. Insbesondere lassen sich die Querschnittskonturen 26 auch an die durch die Bauraumbegrenzungen vorgegebenen Freiräume flexibel anpassen.
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Vorzugsweise werden die Kühlmittelkanäle 24 durch ein thermisch gut leitendes Material wie z. B. Kupfer oder Aluminium an den Kernbereich 18 thermisch gekoppelt. Beispielsweise kann auch das gesamte Gehäuse 32 aus einem thermisch gut leitenden Metall ausgeführt sein. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist das Gehäuse 32 im Bereich der nicht bauraumbegrenzten Regionen des Motorraums dicker ausgebildet, um die Kühlmittelkanäle 24 aufzunehmen. Aber auch in Bereichen mit Bauraumbegrenzung, also in der Nähe der Stirnwand 12, der Bodenfreiheitslinie 14 sowie des Lenkgetriebes 16 ist das Gehäuse 32 vorhanden, das jedoch an diesen Stellen weniger dick bzw. schmäler ausgebildet ist. Die in der Region dieser bauraumbegrenzten Stellen im Kernbereich 18 anfallende Verlustwärme kann dann im Falle eines gut thermisch leitenden Gehäuses 32 in die Teilumfangsbereiche mit Kühlmittelkanälen 24 abgeleitet werden, welche eine Wärmesenke bilden. Es ist jedoch auch möglich, dass das Gehäuse 32 nicht um die gesamte Umfangskontur 20 herum ausgebildet ist, sondern sich nur auf Teilbereiche mit Kühlmittelkanälen 24 beschränkt.
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Durch die spezielle Gestaltung der elektrischen Maschine 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 ergeben sich erhebliche Vorteile. So kann der Kernbereich 18 einen größeren Durchmesser D2 als jener der 1 aufweisen. Da ein großer Durchmesser D2 zu einer leistungs- und drehmomentstarken elektrischen Maschine 10 führt, ist es von Vorteil, ihn zu maximieren. Dies ist durch die optimale Einpassung des Kernbereichs 18 im Ausführungsbeispiel der 2 der Fall. Trotz im Vergleich zur 1 identischer Bauraumbegrenzungen kann die elektrische Maschine 10 intelligenter in den zur Verfügung stehenden Freiraum integriert werden. Die Kühlmittelkanäle 24 sind den begrenzten Bauraumverhältnissen angepasst und können durch ihre variable Gruppierung, Beabstandung und Größe dennoch eine hohe Kühlleistung gewährleisten.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine 10 der 2. Es ist nicht die gesamte Umfangskontur 20 des Kernbereichs 18, sondern lediglich ein Teilsektor dargestellt. Aufgrund eines Lenkgetriebes 16 sind die Bauraumverhältnisse beengt, so dass das Gehäuse 32 in der Nähe des Lenkgetriebes 16 weniger dick ist. In der Nähe des Lenkgetriebes 16 ist das Gehäuse 32 dünn ausgebildet, während es an anderen, nicht bauraumbeengten Stellen relativ dick ist. An diesen Stellen finden sich beispielhaft auch drei Kühlmittelkanäle 24a, 24b und 24c. Sie sind im Querschnitt kreisrund, durch ihre Durchmesser d1 bzw. d2 bzw. d3 und durch ihre Querschnittsflächen f1 bzw. f2 bzw. f3 charakterisiert. Kühlmittelkanal 24a ist z. B. durch seine kreisrunde Querschnittskontur 26a begrenzt. Kühlmittelkanal 24b ist ein zu Kühlmittelkanal 24a nächstbenachbarter Kühlmittelkanal, der von diesem einen Winkelabstand a12 hat. Analog ist Kühlmittelkanal 24c ein von Kühlmittelkanal 24a nächstbenachbarter Kühlmittelkanal, der von diesem einen Winkelabstand a13 hat. Die Winkelabstände a12 und a13 bilden zusammen einen Teilwinkelbereich 34.
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In 4 ist wiederum ein Teilbereich einer elektrischen Maschine 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Die Kühlmittelkanäle 24 sind hier im Querschnitt nicht rund, sondern rechteckig. Beispielhaft ist der Kühlmittelkanal 24d dargestellt, dessen Querschnittsfläche f4 durch die rechteckige Querschnittskontur 26d begrenzt wird. Benachbarte Kühlmittelkanäle 24 können gleich oder unterschiedlich lange Rechteckseiten aufweisen. Beispielsweise ist ein nächster Nachbar des Kühlmittelkanals 24d identisch zu diesem ausgebildet, während der andere nächstbenachbarte Kühlmittelkanal eine geringere Querschnittsfläche hat.
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Auch 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer elektrischen Maschine 10. Diese weist gegenüber den anderen dargestellten Ausführungsbeispielen Kühlrippen 28 auf. Wie die Kühlmittelkanäle 24 verlaufen auch die Kühlrippen 28 achsparallel zur Rotordrehachse 22 und stehen damit in der Figur senkrecht auf der Zeichenebene. Die Kühlrippen 28 werden insbesondere so am Kernbereich 18 angeordnet, dass sie parallel zur Anströmrichtung des Kühlmittels verlaufen. Im Ausführungsbeispiel der 5 verläuft ein kühlender Luftstrom senkrecht zur Zeichenebene. Die Kühlrippen 28 sind im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig und mit dem Kernbereich 18 über ein Gehäuse 32 verbunden.
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Exemplarisch sind in der 5 zwei Kühlrippen 28a und 28b dargestellt. Auf die beengten Bauraumverhältnisse wird dadurch reagiert, dass die Höhe der Kühlrippen 28a und 28b lokal angepasst wird. Wegen des Lenkgetriebes 16 ist die Kühlrippe 28b weniger hoch als die Kühlrippe 28a. Die geringe Kühlleistung der Kühlrippe 28b wird durch die große Kühlleistung der Kühlrippe 28a kompensiert, so dass sich in der Summe eine insgesamt befriedigende Wärmeabfuhr ergibt. So kann auf beengte Bauraumverhältnisse dadurch reagiert werden, dass die Länge und der Winkelabstand der Kühlrippen 28 angepasst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19742255 C1 [0003]
- DE 10005128 B4 [0004]
