DE102010063973A1

DE102010063973A1 - Elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102010063973A1
Application number: DE102010063973A
Authority: DE
Inventors: Andreas Huber; David Farmer; Markus Schötz; Henrik Förster
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug. Die erfindungsgemäße Maschine (1) umfasst eine Rotorwelle (40) sowie einen an der Rotorwelle (40) ortsfest fixierten Rotor (20), der eine Anzahl an sich in axialer Richtung der Rotorwelle (40) erstreckenden Durchbrüchen (27) aufweist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Maschine (1) einen den Rotor (20) umgebenden Stator (10) und ein Gehäuse (50), das den Stator (10) und den Rotor (20) umgibt. Im Inneren des Gehäuses (50) ist ein Mittel (60) zur Erzeugung einer Luftströmung in einem geschlossenen (Luft-)Kreislauf vorgesehen, wobei die axialen Durchbrüche (27) des Rotors (20) und ein Wärmetauscher (70) in den geschlossenen (Luft-)Kreislauf eingebunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, z. B. eine permanenterregte Synchronmaschine. Die Maschine umfasst eine Rotorwelle, sowie einen zu der Rotorwelle ortsfest fixierten Rotor, der eine Anzahl an sich in axialer Richtung der Rotorwelle erstreckenden Durchbrüchen aufweist. Ferner umfasst die Maschine einen den Rotor umgebenden Stator sowie ein Gehäuse, welches den Stator und den Rotor umgibt.
An elektrische Antriebsmaschinen, die in elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, werden hohe Anforderungen an die Fahrleistung und die Fahrbarkeit gestellt. Zur Erfüllung dieser Anforderungen und für eine hohe Zuverlässigkeit über die geforderte Lebensdauer müssen vor allem die Betriebstemperatur der Antriebsmaschine und die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Zu hohe Betriebstemperaturen können zu einer Schädigung der Antriebsmaschine führen.
Um das Eindringen von Schmutz und Wasser in das Innere der Antriebsmaschine zu verhindern, sind Rotor und Stator im Gegensatz zu stationär betriebenen Antriebsmaschinen in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse angeordnet. Dies hat jedoch zur Folge, dass Rotor und Stator nicht mehr direkt über eine Luftkühlung mit Umgebungsluft gekühlt werden können. Stattdessen erfolgt eine indirekte Kühlung über das Gehäuse von außen. Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Rotor und einer hohen Verlustleistung entsteht im Inneren der Antriebsmaschine ein Wärmestau, welcher zur Vermeidung von Leistungseinbußen oder Schäden der Antriebsmaschine nach außen abgeführt werden muss.
Als Antriebsmaschinen für ein Kraftfahrzeug werden insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Eine solche, aus dem Stand der Technik bekannte, permanenterregte Synchronmaschine ist in Teilen schematisch in 1 dargestellt. Da der Aufbau der Antriebsmaschine rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehachse 43 des Rotors ist, ist lediglich eine Hälfte des Rotors 20 dargestellt.
An der Rotorwelle 40 sind beispielhaft sechs Blechpakete 21 angeordnet. Jedes der Blechpakete 21 besteht aus einer Anzahl an Einzelblechen 22 (nur für ein Blechpaket dargestellt). Die Einzelbleche 22 sind jeweils voneinander elektrisch über eine in der Figur nicht näher dargestellte Isolationsschicht getrennt, wodurch auch die thermische Wärmeleitfähigkeit zwischen den Blechen behindert wird. Die Blechpakete 21 sind üblicherweise über eine Presspassung mit der Rotorwelle 40 verbunden. Aufgrund der Isolationsschicht zwischen benachbarten Einzelblechen kann die Wärme aus den Einzelblechen 22 in axialer Richtung nur schlecht abgeführt werden. Da die Einzelbleche jedoch in radialer Richtung eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, erfolgt eine Wärmeleitung und -abfuhr in Richtung der Rotorwelle 40.
In einem von der Rotorwelle 40 abgewandten Bereich der Blechpakete 21 sind verteilt über den Umfang der Blechpakete 21 Magnete 30 vergraben. Im Bereich der vergrabenen Magnete 30 eines jeweiligen Blechpakets 21 wird ein sog. magnetisch aktiver Bereich 25 des Rotors ausgebildet. In einem magnetisch passiven Bereich 26 des Rotors, welcher in jeweiligen Blechpaketen 21 der Rotorwelle 40 zugewandt ist, können Taschen (Kavitäten) ausgebildet sein, um das Gewicht des Rotors zu reduzieren. Die Taschen bilden über den Umfang verteilte, axiale Durchbrüche 27.
An den gegenüberliegenden Enden der hintereinander angeordneten Blechpakete 21 sind in diesem Beispiel optionale Stützscheiben 23, 24 vorgesehen. Diese sind über Schrauben miteinander verbunden und beaufschlagen die hintereinander angeordneten Blechpakete 21 in Axialrichtung der Rotorwelle 40 mit einer Kraft. Die Kraftbeaufschlagung könnte auch über andere Spannmittel erfolgen. Die Axialrichtung der Rotorwelle stimmt dabei mit der x-Achse des in 1 eingezeichneten Koordinatensystems (= Drehachse 43 der Rotorwelle 40) überein. Die Stützscheiben 23, 24 sind üblicherweise aus Aluminium gebildet und weisen auf ihren von den Blechpakten 21 abgewandten Hauptflächen eine Verrippung auf, so dass die ihr über die Rotorwelle und Blechpakete zugeführte Wärme besser an die Luft im Gehäuseinneren abgeführt werden kann.
Mit dem Bezugszeichen 10 ist ein den Rotor umgebender Stator dargestellt. Der Stator 10 ist in bekannter Weise über einen Luftspalt 15 von dem Rotor 20 bzw. der Gesamtheit an Blechpakten 21 getrennt. Der Stator 10 ist an einem Gehäuse 50 befestigt, welches den Stator und den Rotor gegenüber der Umgebung hermetisch verschließt. Lediglich die Rotorwelle 40 tritt aus entsprechenden Öffnungen aus dem Gehäuse 50 hervor, wobei mit den Bezugszeichen 41, 42 entsprechende Lagerstellen der Rotorwelle an dem Gehäuse gekennzeichnet sind.
In dem Gehäuse ist eine Anzahl an Fluid führenden Kühlkanälen 51 ausgebildet, welche räumlich nahe dem Stator 10 angeordnet sind. Hierdurch kann die während des Betriebs der Antriebsmaschine entstehende Wärme über das in den Kühlkanälen zirkulierende Fluid abgeführt werden. Die Kühlkanäle 51 sind mit einem außerhalb der Antriebsmaschine angeordneten Wärmetauscher, in der Regel ein Luft-Fluid-Wärmetauscher, verbunden. Als Fluid wird üblicherweise ein Wasser-Glycol-Gemsich verwendet.
Der schematischen Darstellung des auf der Rotorwelle 40 aufgebrachten Rotors 20 ist weiter ein Temperatur-Verlauf längs des Rotors überlagert. Aus diesem Temperatur-Verlauf geht die Wärmeverteilung in Längsachsenrichtung im Inneren des Rotors 20 bei dessen Betrieb hervor. Die höchste Temperatur T_max tritt in der Mitte des Rotors, d. h. hier zwischen dem dritten und vierten Blechpaket 21 von links, auf. Betrachtet man die Wärmeverteilung in radialer Richtung, so ist die Temperatur umso höher, je näher man dem Luftspalt 15 ist. Die Kühlung des Rotors erfolgt im wesentlichen über den radialen Wärmeübertritt über den Luftspalt zum gut gekühlten Stator sowie durch axiale Wärmeleitung durch die Blechpakete 21 und Rotorwelle 40 zu den (hier optionalen) Stützscheiben 23, 24. Von den Stützscheiben wird die Wärme über die Luft im Motorinneren an das von außen gekühlte Gehäuse abgegeben.
Überschreitet die maximal im Inneren auftretende Temperatur T_max eine bestimmte Temperaturschwelle so kann eine Entmagnetisierung der in diesem Blechpaket 21 vergrabenen Magneten 30 erfolgen, die eine irreversible Leistungsreduzierung bis hin zum Defekt der gesamten Antriebsmaschine zur Folge haben kann. Es ist deshalb erforderlich, die Temperatur innerhalb der Blechpakete 21 unterhalb des Temperaturschwellwerts zu halten. Je nach Art und Hersteller der Permanentmagnete liegt diese Temperaturschwelle typischerweise bei ca. 150°C. Die Temperaturschwelle bestimmt damit vornehmlich die maximal und dauerhaft mögliche Leistungsabgabe.
Es besteht deshalb der Wunsch, die Blechpakete 21 des Rotors 20 einer permanenterregten Synchronmaschine derart zu kühlen, dass eine möglichst gleichförmige Temperaturverteilung über die benachbarten Blechpakete 21 gegeben ist. Hierdurch bedingt könnte die Leistungsfähigkeit der elektrischen Antriebsmaschine erhöht werden.
Diese anhand einer elektrischen Antriebsmaschine beschriebene Problematik besteht allgemein bei elektrischen Maschinen mit geschlossenem Gehäuse.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, anzugeben, welche eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb der Blechpakete zur Leistungsmaximierung erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung schafft eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, wie z. B. eine permanenterregte Synchronmaschine. Diese umfasst eine Rotorwelle sowie einen an der Rotorwelle ortsfest fixierten Rotor, der eine Anzahl an sich in axialer Richtung der Rotorwelle erstreckenden Durchbrüchen aufweist. Ferner umfasst die Maschine einen den Rotor umgebenden Stator sowie ein Gehäuse, das den Stator und den Rotor umgibt. Erfindungsgemäß ist im Inneren des Gehäuses ein Mittel zur Erzeugung einer Luftströmung in einem geschlossenen (Luft-)Kreislauf vorgesehen, wobei die axialen Durchbrüche des Rotors und ein Wärmetauscher in den geschlossenen (Luft-)Kreislauf eingebunden sind.
Um die Abwärme aus den Einzelblechen des Rotors abzuführen, wird erfindungsgemäß eine Luftströmung in einem geschlossenen Kreislauf erzeugt. Dabei strömt die Luft zunächst durch die axialen Durchbrüche des Rotors und nimmt dort die anfallende Abwärme des Rotors auf. Geeignete axiale Durchbrüche sind typischerweise im magnetisch passiven Teil des Rotors von Haus aus vorgesehen, um das Gewicht des Rotors zu reduzieren. Die axialen Durchbrüche sind dabei ausreichend groß, um einen signifikanten Luftstrom durch diese hindurchzuleiten. Dadurch kann die anfallende Abwärme des Rotors aufgenommen und anschließend an einen Wärmetauscher abgegeben werden. Aufgrund der besseren Kühlung des Rotors durch die Umluftströmung wird ein thermisch bedingter Defekt der elektrischen Maschine verhindert. Gleichzeitig wird die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der elektrischen Maschine erhöht.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Erzeugung der Luftströmung auf der Rotorwelle im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und durch die Rotorwelle antreibbar ist. Auf diese Weise kann die Kühlung des Rotors mechanisch einfach realisiert werden. Das Mittel zur Erzeugung der Luftströmung wird mit der Drehzahl der Rotorwelle angetrieben und sorgt damit, sobald die elektrische Maschine betrieben wird, für die notwendige Luftströmung zur Kühlung des Rotors.
In einer einfachsten Variante könnte das Mittel zur Erzeugung der Luftströmung durch ein Lüfterrad realisiert sein, welches auf der Rotorwelle angeordnet und mit dieser ortsfest verbunden ist. Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass das Mittel zur Erzeugung der Luftströmung einen Ventilator, insbesondere einen Radialventilator, umfasst. Ein Vorteil der Ausgestaltung als Radialventilator besteht darin, dass ein ausreichend großes Druckgefälle zwischen einer Lufteintrittseite und einer Luftaustrittsseite des Rotors über den gesamten Drehzahlbereich der elektrischen Maschine erzeugt werden kann. Damit kann durch die Umluftkühlung aus dem Rotor Wärme abgeführt werden, welche durch die eingebrachte Verlustleistung erzeugt wird.
Zweckmäßigerweise ist jedem der axialen Durchbrüche eine Verdichterkammer des Ventilators zugeordnet, welche durch zwei nebeneinander angeordnete Hauptblätter und ein oder mehrere optionale und zwischen den Hauptblättern angeordnete Hilfsblätter gebildet ist. Ein Hauptblatt zeichnet sich dadurch aus, dass dieses eine Verdichterkammer seitlich vollständig begrenzt. Sowohl die Haupt- als auch die optionalen Nebenblätter sind derart ausgebildet, dass diese durch ihre Anordnung und Form die in der Verdichterkammer befindliche Luft während der Drehung des Radialventilators mit Hilfe der Fliehkraft aus der Verdichterkammer nach außen leiten. Vorzugsweise ist die Größe der Verdichterkammer an die Gestalt und den Querschnitt der axialen Durchbrüche angepasst. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass durch jeden der axialen Durchbrüche des Rotors eine Luft strömung erzeugt werden kann. Hierdurch ist über den gesamten Umfang des Rotors eine gleichmäßige Kühlung sichergestellt.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Hauptblätter und das oder die optionalen Hilfsblätter bezüglich der Drehachse der Rotorwelle exakt radial ausgerichtet sind. Unter dem Begriff „exakt radial” ist dabei zu verstehen, dass keine Schrägstellung der Haupt- und optionalen Nebenblätter vorliegt. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Luftströmung unabhängig von der Drehrichtung des Rotors erzeugt werden kann. Ist die Maschine als elektrische Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, so kann eine Kühlung des Rotors sowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsfahrt erfolgen. Ebenso braucht keine Rücksicht darauf genommen zu werden, in welcher Weise die elektrische Antriebsmaschine mit einem Getriebe verbunden wird. Bei einer klar definierten Vorzugsdrehrichtung kann die Gestalt der Ventilatorblätter durchaus von einer „exakt radialen” Anordnung abweichen und die Form hinsichtlich einer verbesserten Luftströmung bei der Vorzugsdrehrichtung optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung grenzt das Mittel zur Erzeugung der Luftströmung unmittelbar an den Rotor an. Hierdurch ist eine definierte Lage des Mittels zur Erzeugung der Luftströmung und der axialen Durchbrüche sichergestellt. Im Falle der Ausgestaltung des oben beschriebenen Radialventilators ist eine jeweilige Verdichterkammer definiert zu einem Luftaustritt des axialen Durchbruchs angeordnet. Darüber hinaus weist die vorgeschlagene Anordnung mechanische Vorteile auf.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung grenzt eine Drosselscheibe an eine dem Mittel zur Erzeugung der Luftströmung gegenüberliegende Seite des Rotors an, welche im Bereich der axialen Durchbrüche des Rotors jeweils zugeordnete Einlassdurchbrüche mit einem kleineren Querschnitt als die axialen Durchbrüche aufweist, wobei die Reduktion des Querschnitts der Einlassdurchbrüche bezüglich der Drehachse der Rotorwelle in radialer Richtung außen vorgesehen ist. Dadurch, dass durch die Einlassdurchbrüche der Drosselscheibe der Querschnitt der axialen Durchbrüche des Rotors verengt wird, können die Strömungsverhältnisse in dem Umluftkreislauf verbessert werden. Die bestmögliche Verbesserung der Strömungsverhältnisse ergibt sich dann, wenn die Reduktion des Querschnitts der Einlassdurchbrüche bezüglich der Drehachse der Rotorwelle in radialer Richtung außen vorgesehen ist.
Sowohl das Mittel zur Erzeugung der Luftströmung, insbesondere in Gestalt des Ventilators, als auch die Drosselscheibe können die eingangs erwähnten Stützscheiben ersetzen und deren Funktion übernehmen. insbesondere kann durch den Ventilator und die Drosselscheibe eine Kraftbeaufschlagung der zu mehreren. Blechpaketen zusammengefassten Einzelbleche in axialer Richtung erfolgen. Darüber hinaus erlauben es der Ventilator und die Drosselscheibe, eventuell auftretende Unwuchten zu korrigieren, indem an entsprechenden Stellen des Ventilators und/oder der Drosselscheibe durch Materialreduktion oder Materialhinzufügung das Gewicht beeinflusst wird.
Um die Kühlung des Rotors durch die Luftströmung in dem geschlossenen Kreislauf sicherstellen zu können, muss die in den axialen Rotordurchbrüchen erwärmte Luft durch einen Wärmetauscher wieder abgekühlt werden. Der Wärmetauscher kann gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante außerhalb des Gehäuses der Maschine angeordnet sein. In diesem Falle könnte dieser als externer, Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet sein.
Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass der Wärmetauscher in dem Gehäuse der Maschine ausgebildet ist, indem an das Gehäuseinnere angeschlossene Luftkanäle thermisch mit von einem Fluid durchströmbaren Kühlkanälen gekoppelt sind. Als Fluid-Kühlkanäle können beispielsweise die für die Kühlung des Stators vorgesehenen Kühlkanäle einer häufig vorhandenen Wasserkühlung genutzt werden. Hierdurch ergibt sich eine kompakte Bauweise der elektrischen Maschine.
Wahlweise können die Umluftkanäle entweder oberhalb auf der von dem Stator abgewandten Seite der Fluid-Kühlkanäle oder zwischen den Fluid-Kühlkanälen angeordnet sein. Insbesondere die Anordnung der Umluftkanäle zwischen den Fluid-Kühlkanälen erlaubt eine hinsichtlich der Abmaße kompakte Bauform der Maschine. Insbesondere ist es möglich, dass Größe und Umfang des Gehäuses gegenüber herkömmlichen Varianten nicht vergrößert werden müssen.
In einer weiteren konkreten Ausgestaltung umgibt das Gehäuse den Stator und den Rotor derart, dass das Gehäuseinnere gegenüber der Umgebung hermetisch verschlossen ist. Dies hat zur Folge, dass der Rotor nicht direkt durch eine Luftkühlung mit Umgebungsluft gekühlt werden kann. Eine Kühlung ist alleine über eine Wärmeleitung über das Gehäuse sowie die vorgeschlagene Umluftkühlung möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Beschreibung und eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, teilweise Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten permanenterregten Synchronmaschine,
2 eine teilweise, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine,
3 eine teilweise, schematische Darstellung einer Ausgestaltungsvariante der elektrischen Antriebsmaschine gemäß der Erfindung, und
4 eine schematische Darstellung eines in der Erfindung vorgeschlagenen Ventilators zur Erzeugung einer Luftströmung durch den Rotor der elektrischen Antriebsmaschine.
Der prinzipielle Aufbau einer permanenterregten Synchronmaschine, welche als Antriebsmaschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt. Eine schematische Darstellung einer permanenterregten Synchronmaschine wurde bereits in Verbindung mit 1 beschrieben. In der nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen Antriebsmaschine gemäß 2 sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es wird insbesondere auf Unterschiede zum Stand der Technik eingegangen.
Der Rotor 20 der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine, die als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist, umfasst lediglich beispielhaft sechs längs der Rotorwelle 40 angeordnete Blechpakete 21. Jedes Blechpaket 21 ist aus einer Anzahl an elektrisch isolierend miteinander verbundenen Einzelblechen gebildet. Die Einzelbleche, die in 2 nicht explizit dargestellt sind, erstrecken sich radial, d. h. orthogonal zur Längsachse (x-Achse des eingezeichneten Koordinatensystems) der Rotorwelle 40.
In einem von der Rotorwelle 40 abgewandten Bereich der Blechpakete 21 sind in einer dem Fachmann bekannten Weise, über den Umfang der Blechpakete 21 verteilt, Magnete 30 vergraben. Im Bereich der vergrabenen Magnete 30 eines jeweiligen Blechpakets 21 wird ein sog. magnetisch aktiver Bereich des Rotors ausgebildet. In einem magnetisch passiven Bereich des Rotors, welcher in jeweiligen Blechpaketen 21 der Rotorwelle 40 zugewandt ist, sind in axialer Richtung der Rotorwelle 40 sich erstreckende Durchbrüche 27 vorgesehen. in der schematischen Querschnittsdarstellung der 2 ist lediglich ein einzelner axialer Durchbruch 27 ersichtlich. Ein jeweiliger axialer Durchbruch 27 ist durch jeweilige identische Durchbrüche der längs der Rotorwellendrehachse angeordneten Einzelbleche gebildet.
Oberhalb des Rotors 20 ist, durch einen Luftspalt 15 von diesem getrennt, ein Stator 10 der Antriebsmaschine 1 angeordnet. Der Stator 10 ist an einem Gehäuse 50 befestigt. Das Gehäuse 50 umschließt den Stator 10 und den Rotor 20 derart, dass das Gehäuseinnere gegenüber der Umgebung hermetisch verschlossen ist und lediglich die Rotorachse 40 durch das Gehäuse 50 ragt. Dabei ist die Rotorwelle 40 in entsprechenden Durchführungen des Gehäuses 50 gelagert. Die entsprechenden Lagerstellen sind mit dem Bezugszeichen 41, 42 gekennzeichnet.
Zur Abfuhr der in dem Rotor 10 entstehenden Verlustwärme sind in dem Gehäuse 50 Kühlkanäle 51 ausgebildet, welche von einem Fluid, in der Regel ein Wasser-Glycol-Gemisch, durchströmbar sind. Die als Fluid-Kühlkanäle bezeichneten Kühlkanäle 51 können sich beispielsweise spiralförmig um die Rotorwellendrehachse 50 erstrecken. Ebenso kann eine Kühlung durch mäanderförmig geführte Fluid-Kühlkanäle 51 realisiert sein. Dadurch, dass die Fluid-Kühlkanäle 51 räumlich benachbart (idealerweise so nah wie möglich) zu dem Stator 10 angeordnet sind, kann die dort entstehende Wärme durch das Fluid aufgenommen und abtransportiert werden. Die Fluid-Kühlkanäle 51 sind an einen externen Wärmetauscher, z. B. einen Luft-Wasser-Wärmetauscher, angeschlossen, so dass das durch die Abfuhr von Verlustwärme erwärmte Fluid wiederum gekühlt werden kann.
Um auch die Abwärme aus dem Rotor 20 abführen zu können, wird durch ein Mittel 60 zur Erzeugung einer Luftströmung eine Luftströmung 100 in einem geschlossenen Kreislauf der Antriebsmaschine erzeugt. Dabei strömt die Luft zunächst durch die axialen Durchbrüche 27 des Rotors 20 und nimmt dort die anfallende Abwärme des Rotors 20 auf. Anschließend gibt die Luft die Wärme in einem Wärmetauscher 70 ab, der im Ausführungsbeispiel unter Nutzung der Fluid-Kühlkanäle 51 gebildet ist. Zu diesem Zweck sind in dem Gehäuse 50 Umluftkühlkanäle 52 (in 2 ist lediglich ein einziger solcher Kanal dargestellt) vorgesehen, welche thermisch mit den Fluid-Kühlkanälen 51 gekoppelt sind. Hierdurch kann die durch die Rotorverlustwärme erwärmte Luft sich beim Vorbeiströmen an den Fluid-Kühlkanälen 51 abkühlen und wird abgekühlt erneut in das Innere des Gehäuses 50 geleitet. Der geschlossene Kreislauf ist somit im Inneren der Antriebsmaschine ausgebildet.
Wie in 2 dargestellt, können die Umluftkühlkanäle 52 radial oberhalb der Fluid-Kühlkanäle 51 angeordnet sein. Eine raumsparendere Ausgestaltung des Gehäuses 50 ist dadurch ermöglicht, wenn die Umluftkühlkanäle 52 zwischen jeweiligen Mäanderförmigen Fluid-Kühlkanälen 51 geführt werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass Umluftkühlkanäle 52 und Fluid-Kühlkanäle 51 im gleichen Abstand zur Rotorwellendrehachse 50 angeordnet sind. Beide Varianten erlauben weiterhin, die Fluid-Kühlkanäle 51 in unveränderter Weise nah am Stator anzuordnen, so dass auch der Stator weiterhin gut gekühlt wird.
Entgegen der zeichnerischen Darstellung in 2 könnte der Wärmetauscher 70 auch außerhalb des Gehäuses und damit außerhalb der elektrischen Antriebsmaschine 1 angeordnet sein. Ein solcher externer Wärmetauscher könnte als Luft-Luft-Wärmetauscher oder als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet sein. Bei dieser Variante würden entsprechende Durchführungen in dem Gehäuse vorgesehen sein. Die Durchführungen könnten in einer oder mehreren Gehäusewänden vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist das Mittel 60 zur Erzeugung einer Luftströmung ortsfest mit der Rotorwelle 40 verbunden, so dass dieses mit einer Motordrehzahl angetrieben wird. Dies hat zur Folge, dass das Mittel 60 zur Erzeugung einer Luftströmung mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit dreht wie der Rotor 20 und eine ortsfeste Verbindung zu dem Rotor 20 besteht. Auf welche Weise die Luftströmung im Inneren des Gehäuses 50 erzeugt wird, ist für das Prinzip der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine 1 an sich unerheblich.
In 2 ist mit A ein Lufteintritt in den axialen Durchbruch 27 des Rotors 20 gekennzeichnet. Mit dem Bezugszeichen B ist ein entsprechender Luftaustritt gekennzeichnet. In einer einfachsten Ausgestaltungsvariante könnte das Mittel 60 zur Erzeugung einer Luftströmung 60, das vorzugsweise am Luftaustritt B angeordnet ist, in Gestalt eines Lüfterrads ausgebildet sein.
Als besonders bevorzugte Variante hat sich ein Ventilator, insbesondere ein Radialventilator 61, herausgestellt, welcher auf der Seite des Luftaustritts B angeordnet ist. Der Radialventilator 61, der in 3 genauer dargestellt ist, grenzt unmittelbar an den Rotor 20 an und ist dabei drehfest mit der Rotorwelle 40 verbunden. Der Radialventilator 61 weist eine Anzahl an Verdichterkammern auf, welche der Anzahl an axialen Durchbrüchen 27 des Rotors 20 entspricht. Eine jeweilige Verdichterkammer ist durch zwei nebeneinander angeordnete Hauptblätter 62 und, optional zumindest ein zwischen den Hauptblättern 62 angeordnetes Hilfsblatt 63 gebildet.
Dies geht besser aus der schematischen Draufsicht der 4 hervor, wobei eine Sicht durch einen axialen Durchbruch 27 dargestellt ist. Die Hauptblätter 62 und das beispielhaft einzelne Hilfsblatt 63 sind bezüglich der Drehachse 43 der Rotorwelle 40 exakt radial ausgerichtet. Dies bedeutet, die Blätter 62, 63 weisen keine Schrägstellung auf. Hierdurch kann die Luftströmung unabhängig von der Drehrichtung des Rotors erzeugt werden. Dadurch, dass die Oberkanten 64 der Haupt- und Hilfsblätter 62, 63 oberhalb einer. Oberkante 29 des axialen Durchbruchs 27 gelegen sind, wird eine Strömung erzeugt, welche im Bereich des Luftaustritts B in dem Gehäuse einen Überdruck erzeugt. Hierdurch wird eine Luftströmung in Richtung des Gehäusemantels bewirkt, in welchem sich entsprechende Eintrittsöffnungen 53 der Umluftkanäle 52 befinden. Gleichzeitig wird in dem Bereich des Gehäuses, in dem sich der Lufteintritt A des axialen Durchbruchs 27 befindet, relativ gesehen ein Unterdruck erzeugt. Durch dieses Druckgefälle zwischen dem Bereich des Luftaustrittes B und des Lufteintrittes A kommt es zu einer Umluftströmung 100. Die Luft nimmt dabei beim durchströmen der axialen Rotordurchbrüche 27 die anfallende Abwärme des Rotors auf, wodurch dieser gekühlt wird. Beim anschließenden durchströmen der Umluftkanäle 52 gibt die Luft die Abwärme des Rotors an das Fluid der Fluid-Kühlkanäle 51 ab und strömt gekühlt wieder in das Gehäuseinnere.
Um eine Optimierung der Strömung im Inneren der axialen Durchbrüche 27 zu erhalten, ist weiterhin eine Drosselscheibe 65 an der dem Radialventilator 61 gegenüberliegenden Ende des Rotors 20 vorgesehen. Die Drosselscheibe 65 weist im Bereich jeweiliger axialer Durchbrüche jeweils einen Einlassdurchbruch 66 auf, welcher einen kleineren Querschnitt als ein jeweiliger axialer Durchbruch 27 hat. Die Querschnittsreduktion der Einlassdurchbrüche 66 ist dabei bezüglich der Drehachse 50 der Rotorwelle 40 in radialer Richtung außen vorgesehen. Hierdurch wird die Erzeugung des relativen Unterdrucks in dem mit A gekennzeichneten Lufteintrittsbereich Bereich des Gehäuses 50 begünstigt.
Der Radialventilator 61 und die Drosselscheibe 65 können anstelle der in 1 gezeigten Stützscheiben 23, 24 vorgesehen sein und deren Funktion übernehmen. Insbesondere können diese durch geeignete Mittel (z. B. durch den Rotor hindurchgehende Bolzen) derart miteinander mechanisch verbunden sein, dass die Blechpakete 21 und deren Einzelbleche mit einer Axialkraft beaufschlagt werden. Ebenso ist es möglich, sowohl den Radialventilator 61 als auch die Drosselscheibe 65 für die Korrektur einer Unwucht des Rotors zu nutzen. Hierzu kann z. B. an dem Radialventilator 61 und/oder der Drosselscheibe 65 selektiv Material entfernt werden oder hinzugefügt werden.
Aufgrund der besseren Kühlung insbesondere des Rotors durch die Umluftströmung wird ein thermisch bedingter Defekt des Rotors der Antriebsmaschine 1 verhindert. Gleichzeitig erhöht sich die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer.
Die Erfindung wurde anhand einer permanenterrgten Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Die Erfindung ist jedoch prinzipiell für alle elektrischen Maschinen (Motoren und Generatoren) einsetzbar, unabhängig von deren Verwendungszweck, sofern diese über ein geschlossenes Gehäuse verfügen, so dass der Rotor gekühlt werden muss.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Antriebsmaschine
10: Stator
15: Luftspalt
20: Rotor
21: Blechpaket
22: Einzelblech
23: Stützscheibe
24: Stützscheibe
25: magnetisch aktiver Bereich des Rotors
26: magnetisch passiver Bereich des Rotors
27: axialer Durchbruch
28: Durchbruch eines Einzelblechs
29: Oberkante des axialen Durchbruchs
30: vergrabener Magnet
40: Rotorwelle
41: Lagerstelle
42: Lagerstelle
43: Drehachse Rotor
50: Gehäuse
51: (Fluid-)Kühlkanäle
52: Umluftkanäle
53: Eintrittsöffnung
54: Austrittsöffnung
60: Mittel zur Erzeugung der Luftströmung
61: Radialventilator
62: Hauptblätter
63: Hilfsblätter
64: Oberkante der Haupt- und Hilfsblätter
65: Drosselscheibe
66: Einlassdurchbruch
70: Wärmetauscher
100: Luftstrom
A: Lufteintritt
B: Luftaustritt

Claims

Elektrische Maschine, insbesondere elektrische Antriebsmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – eine Rotorwelle (40); – einen an der Rotorwelle (40) ortsfest fixierten Rotor (20), der eine Anzahl an sich in axialer Richtung der Rotorwelle (40) erstreckenden Durchbrüchen (27) aufweist; – einen den Rotor (20) umgebenden Stator (10); – ein Gehäuse (50), das den Stator (10) und den Rotor (20) umgibt; dadurch gekennzeichnet, dass – im Inneren des Gehäuses (50) ein Mittel (60) zur Erzeugung einer Luftströmung in einem geschlossenen (Luft-)Kreislauf vorgesehen ist, wobei die axialen Durchbrüche (27) des Rotors (20) und ein Wärmetauscher (70) in den geschlossenen (Luft-)Kreislauf eingebunden sind.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (60) zur Erzeugung der Luftströmung auf der Rotorwelle (40) angeordnet ist und durch die Rotorwelle (40) antreibbar ist.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (60) zur Erzeugung der Luftströmung einen Ventilator, insbesondere einen Radialventilator (61), umfasst.
Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der axialen Durchbrüche (27) eine Verdichterkammer des Radialventilators (61) zugeordnet ist, welche durch zwei nebeneinander angeordnete Hauptblätter (62) und ein oder mehrere optionale und zwischen den Hauptblättern (62) angeordnete Hilfsblätter (63), gebildet ist.
Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptblätter (62) und das oder die optionalen Hilfsblätter (63) bezüglich der Drehachse (50) der Rotorwelle (40) exakt radial ausgerichtet sind.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (60) zur Erzeugung der Luftströmung unmittelbar den Rotor (20) angrenzt.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drosselscheibe (65) an eine dem Mittel zur Erzeugung der Luftströmung gegenüberliegende Seite des Rotors angrenzt, welche im Bereich der axialen Durchbrüche (27) des Rotors jeweils zugeordnete Einlassdurchbrüche (66) mit einem kleineren Querschnitt als die axialen Druchbrüche (27) aufweist, wobei die Reduktion des Querschnitts der Einlassdurchbrüche (66) bezüglich der Drehachse (43) der Rotorwelle (40) in radialer Richtung außen vorgesehen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (70) außerhalb des Gehäuses (50) der Antriebsmaschine angeordnet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (70) in dem Gehäuse (50) ausgebildet ist, indem an das Gehäuseinnere angeschlossene Umluftkanäle (52) thermisch mit von einem Fluid durchströmbaren Kühlkanälen (51) gekoppelt sind.
Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umluftkanäle (52) entweder oberhalb auf der von dem Stator (10) abgewandten Seite der Fluid-Kühlkanäle (51) oder zwischen den Fluid-Kühlkanälen (51) angeordnet sind.
Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (50) den Stator (10) und den Rotor (20) derart umgibt, dass das Gehäuseinnere gegenüber der Umgebung hermetisch verschlossen ist.