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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Flüssigkeitskühlung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Elektrische Maschinen werden zunehmend in der Antriebstechnik von Fahrzeugen, und hier insbesondere von Nutzfahrzeugen, beispielsweise Omnibussen, Lastkraftwagen oder dergleichen, eingesetzt. Eine dabei sehr weit verbreitete Bauart ist eine Asynchronmaschine. Die Asynchronmaschine hat dabei den besonderen Vorteil, dass diese aufgrund ihrer guten Feldschwächbarkeit und Überlastbarkeit einen sehr weiten nutzbaren Drehzahlbereich eröffnet. Allerdings ergeben sich bei großer Leistungsdichte insbesondere bei der Nutzung des Feldschwächbereichs Rotorverluste aufgrund der hohen Strombeläge und Schlupfwerte. Um zu hohe Temperaturen im Bereich des Rotors nach Möglichkeit zu vermeiden, werden derartige Maschine häufig mit einer Fremdbelüftung gekühlt, also von Kühlluft durchströmt, welche von außerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine durch das Gehäuse hindurch gefördert wird, um Abwärme aus dem Bereich des Rotors abzuführen. Eine derartige Kühlung mit einer Fremdbelüftung ist vergleichsweise platzintensiv, sodass eine solche insbesondere bei Fahrzeuganwendungen aufgrund der typischerweise sehr beengten Platzverhältnisse und aufgrund des damit verbundenen technischen Aufwands häufig nicht sinnvoll ist.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es ferner bekannt, dass eine sehr schlanke Bauform einer elektrischen Maschine, bei einer Asynchronmaschine, sehr günstig für den Wirkungsgrad und die Überlastbarkeit ist. Eine solche schlanke Bauform, also eine Bauform mit vergleichsweise geringer Ausdehnung in radialer Richtung, ist somit aus Gründen des Wirkungsgrads und der Überlastbarkeit anzustreben. Die Vorteile der schlanken Bauform hängen damit zusammen, dass in einer Asynchronmaschine im Prinzip ein Transformator und eine rotierende Maschine vereint vorhanden sind. Die Transformatorfunktion hat dabei die Aufgabe, den Rotorstrombelag zu induzieren und sollte daher magnetisch möglichst streuarm ausgeführt sein. Bei einer schlanken Bauform ist dies bauartbedingt gegeben, sodass sich die oben genannten Vorteile bei der schlanken Bauform realisieren lassen. Eine sehr schlanke Bauform hat dabei allerdings den gravierenden Nachteil, dass damit auch die axialen Stirnflächen und die radialen Querschnitte des Rotors, welche zur Kühlung prinzipiell geeignet wären, deutlich verkleinert werden. Eine effiziente Kühlung des Rotors wird dadurch weiter erschwert, insbesondere wenn eine Fremdbelüftung aufgrund beengter Platzverhältnisse oder des hohen damit verbundenen technischen Aufwands, wie insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich, nicht möglich oder erwünscht sind.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine elektrische Maschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art anzugeben, welche bei einer schlanken Bauform eine verbesserte Kühlung des Rotors erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 11 eine bevorzugte Verwendung für eine derartige elektrische Maschine angegeben.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine sieht es also vor, dass im Gehäuse der Maschine eine Fördereinrichtung angeordnet ist, welche zur Umwälzung eines gasförmigen Mediums in dem Gehäuse ausgebildet ist. Ohne die Zufuhr von Frischluft wird also das in den Hohlräumen des Gehäuses befindliche Gas im Inneren des Gehäuses umgewälzt und ist so in der Lage, Wärme, welche im Bereich des Rotors entsteht, aus dem Bereich des Rotors in andere Bereiche des Gehäuses abzuführen. Unter Umwälzung eines gasförmigen Mediums in dem Gehäuse ist dabei zu verstehen, dass das Gehäuse nicht an eine externe Kühlgaszufuhr angeschlossen ist, sondern dass lediglich in dem Gehäuse befindliches Gas im Inneren des Gehäuses umgewälzt wird, ohne dass ein Gasaustausch mit der Umgebung des Gehäuses zu Kühlzwecken stattfindet.
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Da die erfindungsgemäße Maschine außerdem über einen von einem flüssigen Kühlmedium durchströmten Wärmetauscher verfügt, welcher typischerweise im Bereich des Stators angeordnet ist, kann die durch das im Inneren des Gehäuses umgewälzte gasförmige Medium vom Rotor abgeführte Wärme an diesen Wärmetauscher abgegeben und von diesem an die Umgebung der Maschine abgeführt werden. Der Aufbau ist dabei extrem einfach und lässt sich kompakt im Inneren des Gehäuses der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine realisieren. Diese kann dadurch auch im Bereich ihres Rotors sehr gut gekühlt werden, sodass eine außerordentlich schlanke Bauform möglich wird. Insbesondere bei der Ausgestaltung der elektrischen Maschine als Asynchronmaschine entstehen dadurch große Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrads und der Überlastbarkeit, bei weiterhin sehr guter Kühlung des Rotors.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind der Stator und der Rotor frei von kühlmittelführenden Querschnitten ausgebildet. Der Verzicht auf kühlmittelführende Kanäle beziehungsweise Querschnitte im Bereich des Rotors und des Stators, also insbesondere im Rotor- und Statorblechpaket, erlaubt eine weitere Verbesserung des Schlankheitsgrads der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und erlaubt so eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads und der Überlastbarkeit, bei einer Ausbildung als Asynchronmaschine.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Fördereinrichtung zumindest mittelbar von der Welle des Rotors angetrieben. Diese Bauart mit zumindest mittelbar von der Welle des Rotors angetriebener Fördereinrichtung, insbesondere einer auf der Welle des Rotors angeordneten Fördereinrichtung, bevorzugt in einer Ausgestaltung als Radiallüfter, lässt sich sehr kompakt bauen. Der Rotor selbst sorgt so für die Förderung und Umwälzung des gasförmigen Mediums im Inneren des Gehäuses. Damit lässt sich ohne wesentlichen Mehraufwand hinsichtlich des Bauraums sehr einfach und effizient eine Umwälzung des gasförmigen Mediums in dem Gehäuse realisieren.
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In einer günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es außerdem vorgesehen, dass der Wärmetauscher um den Stator angeordnet ist. Eine solche Anordnung des Wärmetauschers um den Stator dient ebenfalls einer sehr kompakten und schlanken Bauart der elektrischen Maschine. Der Wärmetauscher kann beispielsweise in Form von mehreren Rohren, welche beispielsweise in axialer Richtung verlaufen, um den Stator angeordnet sein. Da das umgewälzte gasförmige Medium in dem Gehäuse typischerweise sowohl Teile des Rotors oder der Rotorwelle und Teile des Stators umströmt, kann durch den Wärmetauscher dann sowohl der Stator direkt als auch der Rotor indirekt über das im Gehäuse umgewälzte gasförmige Medium gekühlt werden.
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In einer günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es außerdem vorgesehen, dass wenigstens zwei, insbesondere vier, in axialer Richtung der Maschine verlaufende Medienkanäle für das umgewälzte gasförmige Medium vorhanden sind, welche im Bereich der axialen Enden des Gehäuses zumindest paarweise verbunden sind. Dieser Aufbau erlaubt es, dass durch eine gezielte Medienführung des gasförmigen Mediums in dem Gehäuse eine Kreislaufströmung erreicht wird, bei welcher das gasförmige Medium durch den einen Kanal hin und durch den anderen Kanal zurück, oder insbesondere durch zwei Kanäle hin und durch zwei Kanäle zurückströmen kann. Dadurch wird eine besonders effiziente Kühlung des Rotors und eine effiziente Abführung der Wärme über den Wärmetauscher erreicht.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es vorgesehen sein, dass die Medienkanäle in den Ecken des Gehäuses außerhalb von Rotor, Stator und Wärmetauscher angeordnet sind. Dies ermöglicht einen sehr platzsparenden Aufbau, insbesondere dann, wenn das Gehäuse rechteckig oder quadratisch im Querschnitt ausgebildet ist. Aufgrund des typischerweise runden Aufbaus des den Rotor umgebenden Stators entstehen so bei einem rechteckigen oder quadratischen Gehäuse in den Ecken Leerräume, welche ideal genutzt werden können, um beispielsweise vier in axialer Richtung der Maschine verlaufende Medienkanäle dort anzuordnen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es ferner vorgesehen, dass die Rotorwelle an zumindest einem ihrer Enden von dem gasförmigen Medium umströmte Kühlrippen aufweist. Die Rotorwelle, die den Rotor innerhalb des Stators trägt, kann typischerweise in den Endbereichen des Gehäuses gelagert sein. Da in diesen Endbereichen auch die Verbindung der Medienkanäle beziehungsweise Räume für das umgewälzte gasförmige Medium vorhanden sind, kann beispielsweise im Bereich einer dieser Enden über einen Endring mit geeigneten Kühlrippen eine Verbesserung der Wärmeabfuhr von der Rotorwelle auf das gasförmige Medium erreicht werden. Dadurch wird die Kühlung des Rotors durch das umgewälzte gasförmige Medium entsprechend verbessert.
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Dabei ist ein derartiger Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine prinzipiell bei allen Typen von elektrischen Maschinen denkbar. Seine besonderen Vorteile spielt er jedoch dann aus, wenn die elektrische Maschine als Asynchronmaschine ausgestaltet ist, da er dann nicht nur Bauraum einspart, sondern auch den Wirkungsgrad und die Überlastbarkeit verbessert. Die elektrische Maschine ist gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Variante daher als Asynchronmaschine ausgebildet.
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Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt dabei in ihrer Anwendung als Antriebsmaschine in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug. Wie bereits erwähnt, erlaubt die erfindungsgemäße elektrische Maschine einen sehr kompakten Aufbau, und in ihrer Ausgestaltung als Asynchronmaschine einen sehr günstigen Wirkungsgrad und eine sehr günstige Überlastbarkeit aufgrund der möglichen sehr schlanken Bauform. Dies prädestiniert die Maschine für den Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere da die Kühlung extrem einfach und kompakt aufgebaut werden kann und dennoch eine gute Kühlung des Rotors der erfindungsgemäßen Maschine sicherstellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine; und
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2 einen Querschnitt durch eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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In der Darstellung der 1 ist eine elektrische Maschine 1 zu erkennen, welche als Asynchronmaschine ausgebildet ist. Diese Asynchronmaschine besteht im Wesentlichen aus einem Rotor 2, welcher auf einer Rotorwelle 3 angeordnet ist und mit dieser umläuft. Das eine Ende der Rotorwelle 3 ist dabei über eine Lagereinrichtung 4 in einem Gehäuse 5 der Asynchronmaschine 1 gelagert. Das andere Ende der Rotorwelle 3 ist über eine weitere Lagereinrichtung 6 beispielsweise ebenfalls im Bereich des Gehäuses 5 gelagert. Die Rotorwelle 3 setzt sich dann als Antriebswelle nach außerhalb der Asynchronmaschine 1 fort. Der Rotor 2 wird von einem Stator 7 umgeben. Typischerweise sind sowohl der Rotor 2 als auch der Stator 7 in Form von Blechpaketen aufgebaut. Die Blechpakete der hier dargestellten Asynchronmaschine 1 sind dabei frei von kühlmittelführenden Querschnitten, Kühlkanälen oder dergleichen ausgebildet. Dies erlaubt eine außerordentlich kompakte und insbesondere schlanke Bauform der Asynchronmaschine 1. Wie im Querschnitt der 2 zu erkennen ist, weist die Asynchronmaschine 1 dabei einen Wärmetauscher 8 auf, welcher hier durch zahlreiche, in axialer Richtung der Asynchronmaschine 1 verlaufende Leitungselemente angedeutet ist. Durch diese Leistungselemente des Wärmetauschers 8 soll ein flüssiges Kühlmedium strömen, um die im Bereich des Stators 7 anfallende Wärme in an sich bekannter Art und Weise aus dem Bereich der Asynchronmaschine 1 abzuführen.
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Da eine sehr schlanke Bauform der Asynchronmaschine 1 hinsichtlich des Wirkungsgrads und der Überlastbarkeit außerordentlich günstig ist, wird nach Möglichkeit immer versucht, eine solche schlanke Bauform anzustreben. Die schlanke Bauform erschwert jedoch die Kühlung des Rotors 2, in welchem insbesondere bei der Nutzung im Feldschwächbereich und bei hoher Leistungsdichte entsprechende Rotorverluste in Form von Verlustwärme anfallen. Um eine Überhitzung des Rotors 2 zu vermeiden, ist es bei dem hier dargestellten Aufbau der Asynchronmaschine 1 deshalb vorgesehen, dass im Bereich des einen Endes des Rotors 2 auf der Rotorwelle 3 ein Radiallüfter 9 angeordnet ist. Dieser Radiallüfter 9 wälzt nun das im Inneren des Gehäuses 5 befindliche gasförmige Medium, beispielsweise Luft, entsprechend um. Hierfür sind Medienkanäle 10, 11 in der Darstellung der 1 zu erkennen, welche im Bereich der axialen Enden des Gehäuses 5 über Stirnräume 12 miteinander verbunden sind. Dabei ist an dem einen Ende des Rotors 2 der Radiallüfter 9 angeordnet, um eine Durchströmung der Medienkanäle 10, 11 mit dem gasförmigen Medium aufrechtzuerhalten. Im Bereich des anderen Stirnraums 12, also im Bereich des anderen Endes des Rotors 2, ist im Bereich der Rotorwelle 3 ein Endring 13 angeordnet, welcher eine vergrößerte Oberfläche aufweist, um einen möglichst guten Wärmeübergang von der Rotorwelle 3 auf das in diesem Stirnraum 12 strömende gasförmige Medium zu gewährleisten. Die Ausführung des Endrings 13 mit vergrößerter Oberfläche, beispielsweise durch eine entsprechende Verrippung und/oder die Anordnung von Kühlrippen auf der Oberfläche des Endrings 13, sollte dabei so ausgeführt sein, dass ein maximaler Wärmeübergang von dem Endring 13 auf die ihn umströmende Luft möglich ist, ohne dass dadurch zu große Luftverwirbelungen entstehen, welche den durch den Radiallüfter 9 auszugleichen Druckverlust unnötig erhöhen würden.
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Die Medienkanäle 10, 11 sind so ausgebildet, dass in den Medienkanälen 10 eine Strömung des gasförmigen Mediums in Richtung zu dem Radiallüfter 9 hin erfolgt, während das gasförmige Medium durch die Medienkanäle 11 von dem Radiallüfter 9 zu dem Endring 13 strömt. Dies ist in der Darstellung der 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet, in der Darstellung der 2 finden sich im Querschnitt diese Pfeile in Form der aus der Elektrotechnik gebräuchlichen Symbolik wieder, sodass die in den beiden Medienkanälen 10 eingezeichneten Kreise mit Punkt eine Strömung in Richtung des Betrachters bedeuten, während die in den Medienkanälen 11 eingezeichneten Kreise mit einem Kreuz eine Strömung weg vom Betrachter symbolisieren.
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In der Darstellung der 2 ist außerdem zu erkennen, dass insgesamt vier Medienkanäle 10, 11 vorgesehen sind, wobei zwei der Medienkanäle 10 für eine Hinleitung des gasförmigen Mediums und zwei der Medienkanäle 11 für eine Rückleitung des gasförmigen Mediums genutzt werden. Dadurch wird eine sehr gute Umwälzung des gasförmigen Mediums erreicht, sodass im Bereich des Rotors 2 anfallende Wärme insbesondere über den Radiallüfter 9 und den Endring 13 an das gasförmige Medium abgegeben werden kann. Da dieses im Bereich der Medienkanäle 10, 11 entlang eines Teils des Wärmetauschers 8 strömt, kann dann ein Übertrag der Wärme auf den Wärmetauscher 8 beziehungsweise das in ihm strömende flüssige Kühlmedium erzielt werden, sodass die Wärme aus dem Bereich der Asynchronmaschine 1 abgeführt werden kann.
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Aufgrund der typischerweise rechteckig oder quadratisch ausgebildeten Querschnitte des Gehäuses 5 ist es von besonderem Vorteil, wenn die Medienkanäle 10, 11 in den Ecken des Gehäuses 5 angeordnet sind, wie dies in 2 zu erkennen ist. Dadurch wird ein Bauraum im Gehäuse 5 genutzt, welcher für Rotor 2, Stator 7 und Wärmetauscher 8 so nicht unmittelbar benötigt wird, welcher aber typischerweise ohnehin zur Verfügung steht, da die äußere Querschnittsform des Gehäuses 5 typischerweise in rechteckiger oder quadratischer Form vorgegeben ist.
