DE102011002555A1

DE102011002555A1 - Luftgekühlte elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102011002555A1
Application number: DE201110002555
Authority: DE
Inventors: Kay Hohenböken; Jan Linsel; Dr. Quiring Stefan
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2031-01-13
Also published as: DE102011002555B4; CN102594024A; US20120175978A1; RU2570066C2; CN102594024B; US9112387B2; RU2012100531A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte elektrische Maschine, aufweisend einen, eine Rotorwelle (6) umfassenden Rotor (3) mit einer Erregerwicklung (4) und ein Lüfterrad (5) Vorgeschlagen wird, dass das Lüfterrad (5) auf der Rotorwelle (6) drehbar gelagert ist und mittels eines selbsttätigen Kupplungsmittels (4, 22) mit dem Rotor (3) und/oder der Rotorwelle (6) verbindbar und/oder hiervon trennbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine luftgekühlte elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ferner eine Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 9 sowie einen Startergenerator für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 10.
Derartige elektrische Maschinen, die im Sinne dieser Erfindung sowohl elektrische Motoren als auch elektrische Generatoren umfassen, insbesondere Lichtmaschinen und Startergeneratoren für Kraftfahrzeuge, sind allgemein bekannt. Unter einem Startergenerator ist insbesondere eine elektrische Maschine zu verstehen, die die Funktionen eines elektrischen Motors, zum Beispiel eines Anlassers/Starters für ein Kraftfahrzeug, und eines elektrischen Generators, zum Beispiel einer Lichtmaschine, in einer einzigen Maschine vereint.
Luftgekühlte elektrische Maschinen weisen beispielsweise in ihrer axialen Verlängerung einen Lüfter bzw. ein Lüfterrad auf, das gewöhnlich direkt, das heißt drehfest, mit der Welle der elektrischen Maschine verbunden ist. Beim Betrieb der elektrischen Maschine wird somit von dem Lüfterrad ein Kühlluftstrom erzeugt, der abhängig von der Maschinendrehzahl eine entsprechende Kühlluftmenge zum Kühlen der elektrischen Maschine zur Verfügung stellt. Die durch das Lüfterrad umwälzte Luft dient insbesondere der Kühlung der elektrischen Maschine an und/oder in ihrem Gehäuse.
Der Antrieb des Lüfterrads erfordert ein zusätzliches Antriebsdrehmoment. Dieses wird im Fall des Betriebs der elektrischen Maschine als elektrischer Motor zum Beispiel von dem Motor bereitgestellt, wodurch sich die von dem Motor abgebbare, nutzbare mechanische Leistung verringert. Im Fall des Betriebs als elektrischer Generator ist das zusätzliche Lüfterantriebsmoment von dem den Generator antreibenden Antriebsmotor bereitzustellen und geht folglich für die Umwandlung in elektrische Energie verloren.
Moderne Steuerstrategien für elektrische Maschinen, insbesondere für elektrische Generatoren wie Lichtmaschinen und Startergeneratoren von Kraftfahrzeugen, die beispielsweise als Riemenangetriebene Nebenaggregate in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, und moderne Batteriemanagementsysteme führen häufig zu einem Betrieb der als Generator betriebenen elektrischen Maschine mit hoher Maschinendrehzahl, ohne jedoch elektrische Leistung abzufordern. In solchen Fällen wird das Lüfterrad bei einer eingangs erwähnten starren Kopplung mit der Rotorwelle stets mit angetrieben. Dies verursacht mechanische Verluste, obwohl eine Kühlung der elektrischen Maschine nicht erforderlich wäre.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Kupplungseinrichtungen bekannt, mit denen beispielsweise die Momentübertragung auf ein über einen Riementrieb angetriebenes Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugmotors beeinflußbar ist. Hierbei sind derartige Kupplungseinrichtungen zwischen einer An- bzw. Abtriebsscheibe und einer entsprechenden Welle angeordnet, um somit das Hilfsaggregat mechanisch von der An- bzw. Abtriebsscheibe und folglich von dem Antriebsmotor zu entkoppeln.
So offenbart die DE 10 2007 020 867 A1 eine Riementriebanordnung für Nebenaggregate eines Kraftfahrzeugmotors, wobei einer Antriebs- bzw. Abtriebsscheibe Entkopplungsmittel zur Eliminierung von Drehungleichförmigkeiten. zugeordnet sind. Die Entkopplungsmittel umfassen eine koaxial zwischen der An- bzw. Abtriebsscheibe und der entsprechenden Welle angeordnete Lamellenkupplung, deren Momentübertragung über ein Kupplungsfluid beeinflußbar erfolgt.
Aus der DE 20 2006 017 623 U1 ist ferner eine elektromagnetische Kupplung mit einer Schlupfüberwachung bekannt, über die Drehmomente von einem Antriebsmotor auf ein Hilfsaggregat in Fahrzeugen übertragen werden. Die Schlupfüberwachung geschieht mittels einer Sensorspule, einer elektronischen Überwachungseinrichtung und einem Spannungsverstärker. Die elektromagnetische Kupplung besteht im Wesentlichen aus einem sie antreibenden Teil, das mit dem Rotor drehfest verbunden ist und einem ortsfesten Magnetspulenträger, in den die Magnetspule eingesetzt ist. Dem Rotor gegenüberliegend befindet sich die Ankerscheibe, die von dem Rotor über einen Luftspalt getrennt ist, wenn die Magnetspule elektrisch nicht erregt ist. Die Trennung von Rotor und Ankerscheibe geschieht mittels eines Federelementes. Die Ankerscheibe ist fest mit einem das Hilfsaggregat antreibenden Teil verbunden. Wird die Magnetspule elektrisch erregt, wird die Ankerscheibe entgegen der Kraft des Federelements an den Rotor herangezogen, so dass ein Drehmoment übertragen werden kann. Ist die Magnetspule nicht elektrisch erregt, löst sich die Ankerscheibe aufgrund der Rückstellkraft des Federelements wieder von dem Rotor und bleibt stehen.
Die WO 2010/079386 A1 beschreibt eine Kupplungsvorrichtung und einen diese Kupplungsvorrichtung umfassenden Startergenerator. Die beschriebene Kupplungsvorrichtung umfaßt sowohl eine Einwegkupplung als auch eine elektromagnetische Kupplung, die zwischen einer Riemenscheibe und einer zugehörigen Welle angeordnet sind. Die elektromagnetische Kupplung wird mittels eines an einem Stator befestigten elektromagnetischen Aktors, zum Beispiel einer Spule, gesteuert, indem der Spule von außen ein Strom zur Erzeugung eines Magnetfelds eingeprägt wird.
Den vorgenannten Kupplungseinrichtungen ist ein relativ komplexer und somit teurer Aufbau gemein. Ferner ist für das Schalten dieser Kupplungseinrichtungen, das heißt das Aktivieren bzw. Deaktivieren dieser Kupplungen, gewöhnlich das Zuführen von zusätzlicher Aktivierungsenergie erforderlich, zum Beispiel zum Bestromen eines als Aktor agierenden Elektromagneten.
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung, die Aufgabe gestellt, eine luftgekühlte elektrische Maschine, insbesondere eine Lichtmaschine und einen Startergenerator für Kraftfahrzeuge, anzugeben, die besonders einfach im Aufbau und kostengünstig herstellbar sind, ferner einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und sich überdies durch Robustheit und Langlebigkeit auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch eine luftgekühlte elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch einen Startergenerator für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine luftgekühlte elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Generator für Kraftfahrzeuge, vorgeschlagen, der einen eine Rotorwelle umfassenden Rotor mit einer Erregerwicklung und ein Lüfterrad aufweist, wobei das Lüfterrad auf der Rotorwelle drehbar gelagert ist und mittels eines selbsttätigen Kupplungsmittels mit dem Rotor und/oder der Rotorwelle verbindbar und/oder hiervon trennbar ist.
In einem Verbindungszustand des Lüfterrads, das heißt, wenn das Lüfterrad mittels des selbsttätigen Kupplungsmittels mit dem Rotor und/oder der Rotorwelle bezüglich einer Drehbewegung des Rotors und/oder der Rotorwelle verbunden ist, folgt das Lüfterrad der Drehbewegung des Rotors bzw. der Rotorwelle. Das selbsttätige Kupplungsmittel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine stellt den Verbindungszustand vorteilhafterweise insbesondere kraft- und/oder formschlüssig her. Im Gegensatz zu dem Verbindungszustand folgt das Lüfterrad in einem Trennungszustand, in dem das Lüfterrad bezüglich einer Drehbewegung des Rotors und/oder der Rotorwelle nicht kraft- und/oder reibschlüssig mit dem Rotor und/oder der Rotorwelle verbunden ist, der Drehbewegung des Rotors bzw. der Rotorwelle im Wesentlichen nicht, da das Lüfterrad drehbar auf der Rotorwelle gelagert ist. Sobald das selbsttätige Kupplungsmittel eine Verbindung, insbesondere eine kraft- und/oder reibschlüssige Verbindung, zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle hergestellt hat, vermag das Lüfterrad durch seine Drehbewegung einen Kühlluftstrom zum Kühlen der elektrischen Maschine zu erzeugen.
Unter einem selbsttätigen Kupplungsmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Kupplungsmittel zu verstehen, das ohne eine zusätzliche, explizite Steuereinrichtung den Verbindungszustand bzw. Trennungszustand zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle herstellt bzw. steuert. Insbesondere agiert das selbsttätige Kupplungsmittel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine alleine und selbständig in Abhängigkeit von einem oder mehreren vorbestimmten Betriebszuständen der elektrischen Maschine, das heißt, das selbsttätige Kupplungsmittel agiert implizit in Abhängigkeit von Veränderungen des Betriebszustands der elektrischen Maschine, ohne dass eine zusätzliche Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung den Betriebszustand der elektrischen Maschine überwacht, auswertet und gegebenenfalls ein spezielles, gesondertes Aktivierungssignal und/oder Deaktivierungssignal zum Herstellen des Verbindungs- bzw. Trennungszustands zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle erzeugt.
Insbesondere ist das selbsttätige Kupplungsmittel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in der Lage, in Abhängigkeit von einer Änderung des Energiezustands der elektrischen Maschine während ihres Betriebs zu agieren und alleine die Betriebsenergie der elektrischen Maschine zum Aktivieren und/oder Deaktivieren des Kupplungsmittels zu nutzen, so dass das selbsttätige Kupplungsmittel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nicht mit zusätzlicher Energie von außen versorgt werden muß, um den Verbindungs- und/oder den Trennungszustand zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle herzustellen.
Somit ist auf besonders einfache Weise sichergestellt, dass das Lüfterrad lediglich dann einen Kühlluftstrom erzeugt und Antriebsenergie für das Lüfterrad verwendet wird, wenn der vorbestimmte Betriebszustand der elektrischen Maschine erreicht ist, das heißt, wenn eine Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich ist. In allen anderen Fällen unterbleibt das Aktivieren des Lüfterrads, wodurch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verbessert wird. Ferner werden durch das selbsttätige Kupplungsmittel die Anzahl der Komponenten und letztendlich der Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine insgesamt erheblich vereinfacht, was schließlich auch die Wahrscheinlichkeit für Betriebsstörungen und Betriebsausfälle aufgrund der geringen Anzahl an Bauteilen wesentlich vermindert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist das selbsttätige Kupplungsmittel elektromagnetisch gesteuert. Das heißt, das selbsttätige Kupplungsmittel agiert in Abhängigkeit von einem elektromagnetischen Betriebszustand der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Hierunter fällt insbesondere das von der elektrischen Maschine erzeugte Magnetfeld der Erregerwicklung des Rotors. Das selbsttätige Kupplungsmittel stellt den Verbindungszustand bzw. den Trennungszustand zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle dementsprechend in Abhängigkeit von dem Vorhandensein bzw. der Größe des von der Erregerwicklung erzeugten magnetischen Feldes her.
Zweckmäßigerweise wird der Erregerwicklung dann ein Erregerstrom eingeprägt, wenn von der elektrischen Maschine tatsächlich Leistung abgefordert wird – mechanische Leistung im Fall eines elektrischen Motors oder elektrische Leistung im Fall eines elektrischen Generators. Somit verbleibt das Lüfterrad in einem Trennungszustand, wenn kein Erregerstrom durch die Erregerwicklung des Rotors fließt und dementsprechend kein Magnetfeld von der Erregerwicklung erzeugt wird. Da die elektrische Maschine in diesem Fall keine Leistung abgibt, ist eine Kühlung der Maschine folglich nicht erforderlich. Das selbsttätige Kupplungsmittel stellt jedoch den Verbindungszustand zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle her, wenn die Erregerwicklung des Rotors ein Magnetfeld bzw. ein Magnetfeld mit ausreichender Größe erzeugt und die elektrische Maschine somit tatsächlich Leistung abgibt. Insgesamt wird auf diese Weise der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verbessert, da das Lüfterrad lediglich in den Fällen einen Kühlluftstrom zum Kühlen der elektrischen Maschine erzeugt, wenn diese tatsächlich eine Leistung abgibt und entsprechend gekühlt werden muß.
Zweckmäßigerweise umfaßt das Lüfterrad bei einer elektromagnetischen Steuerung des selbsttätigen Kupplungsmittels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ein magnetisches bzw. magnetisierbares Material, wie zum Beispiel Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt oder Legierungen hiervon. Dieses Material kann zusätzlich an geeigneten Stellen und in geeigneter Menge an dem Lüfterrad angebracht sein oder Teile des Lüfterrads oder sogar das ganze Lüfterrad können aus einem solchen Material hergestellt sein. Für die Erfindung wesentlich ist, dass das Lüfterrad auf das Vorhandensein bzw. auf eine bestimmte Größe des von der Erregerwicklung erzeugten Magnetfelds reagiert, indem es beispielsweise in Richtung der Erregerwicklung angezogen wird, sobald das Magnetfeld der Erregerwicklung vorhanden ist bzw. wenigstens eine bestimmte Größe erreicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das selbsttätige Kupplungsmittel der elektrischen Maschine temperaturgesteuert. Das heißt, das selbsttätige Kupplungsmittel agiert in Abhängigkeit von der Temperatur der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und stellt den Verbindungs- bzw. Trennungszustand zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle abhängig von der tatsächlichen Temperatur der elektrischen Maschine her. Bevorzugt ist das selbsttätige Kupplungsmittel dementsprechend an einer Stelle innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet, an der die Temperaturänderungen der Maschine zuverlässig und schnell erfaßt werden können, also zum Beispiel in der Nähe von Wärme erzeugenden Bauteilen bzw. in den Luft- bzw. Konvektionsstrom der die Wärme abstrahlenden Bauteile. Auf diese Weise ist stets eine sichere und optimale Aktivierung des Lüfters zum Kühlen der elektrischen Maschine gewährleistet, sobald es die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine erfordert. Da das Lüfterrad lediglich in den Fällen, aktiviert wird, in denen die Temperatur einen vorbestimmten Grenzwert erreicht bzw. überschreitet, läßt sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine noch weiter verbessern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Lüfterrad innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet. Somit ist das Lüfterrad vor Berührungen mit anderen Objekten geschützt, die insbesondere während der Drehbewegung des Lüfterrads unbedingt zu vermeiden sind. Dementsprechend ist kein zusätzliches Gehäuse für das Lüfterrad wie in jenem Fall vorzusehen, in dem das Lüfterrad außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine auf der Rotorwelle angeordnet ist. Folglich vereinfacht sich der Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen. Maschine.
Das Gehäuse der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist entsprechende Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen auf, um einen Kühlluftstrom durch das Gehäuse und insbesondere entlang der zu kühlenden Komponenten der elektrischen Maschine zu ermöglichen. Um die Kühlwirkung durch eine gezielte Führung des Kühlluftstroms weiter zu verbessern, können im Inneren des Gehäuses entsprechende Luftleitbleche bzw. Luftleitkanäle vorgesehen sein. Ferner kann die Außenseite des Gehäuses mit Kühlrippen versehen sein, um die Wärmeübertragung von dem Gehäuse an die Umgebungsluft in vorteilhafter Weise zu unterstützen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das selbsttätige Kupplungsmittel wenigstens ein zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle angeordnetes Mitnehmerelement. Dieses Mitnehmerelement dient insbesondere während des Verbindungszustands für eine sichere kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor und/oder der Rotorwelle. Dementsprechend ist während des Verbindungszustands stets eine sichere Drehbewegung des Lüfterrads und somit die Erzeugung eines Kühlluftstroms zum Kühlen der elektrischen Maschine gewährleistet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist das Mitnehmerelement eine Reibscheibe, die zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor angeordnet ist und das Lüfterrad während des Verbindungszustands reib- und/oder formschlüssig mit dem Rotor verbindet.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Mitnehmerelement ein Bimetall, das zwischen der Rotorwelle und der Lüfterradnabe angeordnet ist und das Lüfterrad abhängig der Temperatur des Bimetalls reib- und/oder formschlüssig mit der Rotorwelle verbindet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfaßt das selbsttätige Kupplungsmittel wenigstens ein Federelement, welches das Lüfterrad und den Rotor bzw. die Rotorwelle auf Abstand zueinander vorspannt. Hierdurch wird ein definierter Trennungszustand sichergestellt, so dass das Lüfterrad während des Trennungszustands im Wesentlichen der Drehbewegung des Rotors bzw. der Rotorwelle nicht folgt. Insbesondere ist das Lüfterrad in diesem Zustand frei drehbar auf der Rotorwelle gelagert, so dass keine Antriebsenergie zum Antrieb des Lüfterrads verbraucht wird.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist besonders für den Einsatz als elektrischer Generator in Kraftfahrzeugen, insbesondere als dreiphasiger Wechselstromgenerator, Lichtmaschine bzw. Startergenerator geeignet.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und
2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Insbesondere ist die dargestellte elektrische Maschine ein Dreiphasenwechselstromgenerator 1 bzw. eine Lichtmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug. Die Lichtmaschine 1 kann beispielsweise in bekannter Weise als Nebenaggregat über einen Riementrieb von einem in 1 nicht dargestellten Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben werden.
Die Lichtmaschine 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein in 1 nicht dargestellter Stator, ein Rotor 3 mit einer Erregerwicklung 4 und ein Lüfterrad 5 angeordnet sind. Der Rotor 3 umfaßt eine Rotorwelle 6, die drehbar an dem Gehäuse 2 gelagert ist. An einem Ende ist eine Riemenscheibe 7 drehfest mit der Rotorwelle 6 verbunden. Über die Riemenscheibe 7 und zum Beispiel einen die Riemenscheibe 7 umschlingenden, nicht dargestellten. Riemen wird die Lichtmaschine 1 in bekannter Weise von einem ebenfalls nicht dargestellten Antriebsmotor, zum Beispiel einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, angetrieben, das heißt in Drehung versetzt.
Eine durch eine solche Riementriebanordnung hervorgerufene Drehbewegung der Riemenscheibe 7 führt zu einer Drehbewegung der Rotorwelle 6 sowie des Rotors 3 und der Erregerwicklung 4 um eine Rotationsachse 8, die durch die Rotorwelle 6 festgelegt ist. Das Lüfterrad 5 ist mittels entsprechender Lager 9 drehbar auf der Rotorwelle 6 gelagert. Die Lager 9 und somit das Lüfterrad 5 sind bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lichtmaschine 1 zudem auf der Rotorwelle 6 axial verschiebbar, wie durch entsprechende Pfeile 10 gekennzeichnet ist.
In 1 ist das Lüfterrad 5 in zwei bezüglich der Rotationsachse 8 axialen Positionen 11 und 12 dargestellt, die zwei mögliche Betriebszustände des Lüfterrads 5 darstellen, nämlich einen Trennungszustand 11 und einen Verbindungszustand 12. In dem Trennungszustand 11 besteht zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 keine Wirkverbindung bezüglich einer Drehbewegung des Rotors 3. Das heißt, das Lüfterrad 5 ist auf der Rotorwelle 6 frei drehbar. Zur Aufrecherhaltung des Trennungszustands 11 ist vorzugsweise zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 ein Federelement 13 angeordnet, welches das Lüfterrad 5 und den Rotor 3 auf Abstand vorspannt. Bei einer Drehbewegung der Rotorwelle 6 folgt das Lüfterrad 5 der Drehbewegung der Rotorwelle 6 im Wesentlichen nicht, da das Lüfterrad 5 über das Lager 9 von der Drehbewegung der Rotorwelle 6 entkoppelt ist (bei Vernachlässigung der Reibung im Lager 9).
Im Gegensatz hierzu besteht bei dem Verbindungszustand 12 eine Wirkverbindung zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 hinsichtlich einer Drehbewegung des Rotors 3. Bevorzugt besteht diese Wirkverbindung in einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3, insbesondere unter Einbeziehung einer in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 angeordneten Reibscheibe 14 (Mitnehmerelement). Für eine sichere und gute kraft- bzw. reibschlüssige Verbindung zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 weist die Reibscheibe 14 ein für derartige Zwecke übliches Material auf. Die Reibscheibe 14 kann entweder an dem Rotor 3 oder an dem Lüfterrad 5 befestigt sein. Es ist auch möglich, zwei Reibscheiben 14 zu verwenden, von denen jeweils eine an dem Lüfterrad 5 und eine an dem Rotor 3 befestigt ist, so dass der Verbindungszustand 12 zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 mittels Kontakt der beiden Reibscheiben 14 hergestellt wird.
In dem Verbindungszustand 12 wird das Lüfterrad 5 bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer von der Erregerwicklung 4 erzeugten Kraft gegen die durch das Federelement 13 wirkende Kraft gegen den Rotor 3 gedrückt. Diese Kraft wird in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch das Magnetfeld 15 der Erregerwicklung 4 erzeugt.
Die Erregerwicklung 4 ist ein selbsttätiges Kupplungsmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die Erregerwicklung 4 steuert bzw. stellt ohne eine zusätzliche, explizite Steuereinrichtung den Verbindungszustand 12 bzw. den Trennungszustand 11 zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 her. Insbesondere agiert die Erregerwicklung 4 implizit in Abhängigkeit von einer Veränderung des Betriebszustands der Lichtmaschine 1, nämlich der Abgabe bzw. Nichtabgabe einer elektrischen Leistung, die durch den Erregerstrom bestimmt wird, ohne dass eine zusätzliche Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung den Betriebszustand der Lichtmaschine 1 überwacht, auswertet und gegebenenfalls ein spezielles, gesondertes Aktivierungssignal und/oder Deaktivierungssignal zum Herstellen des Verbindungs- bzw. Trennungszustands 12, 11 zwischen dem Lüfterrad 5 und dem Rotor 3 erzeugt.
In unbestromtem Zustand der Erregerwicklung 4, das heißt solange die Lichtmaschine 1 keine elektrische Leistung abgibt, erzeugt die Erregerwicklung 4 kein Magnetfeld 15. Die durch das Federelement 13 erzeugte Kraft drängt das Lüfterrad 5 von dem Rotor 3 in eine Abstandsrichtung, so dass das Lüfterrad 5 die in 1 dargestellte Position des Trennungszustands 11 einnimmt. In diesem Zustand folgt das Lüfterrad 5 der Drehbewegung des Rotors 3 nicht, da es von dieser Drehbewegung über die Lager 9 im Wesentlichen entkoppelt ist.
Sobald der Erregerwicklung 4 jedoch ein Strom eingeprägt wird, erzeugt diese ein Magnetfeld 15, dessen Feldlinien in 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet sind. Wie der 1 ferner zu entnehmen ist, durchsetzt das von der Erregerwicklung 4 erzeugte Magnetfeld 15 das Lüfterrad 5, das zweckmäßigerweise aus einem magnetischen bzw. magnetisierbaren Material, wie zum Beispiel Eisen, Stahl, Nickel, Kobalt oder Legierungen hiervon, hergestellt bzw. mit solchen Materialien versehen ist, so dass es durch die Wirkung des Magnetfelds 15 in Richtung der Erregerwicklung 4 gezogen wird. Sobald die durch das Magnetfeld 15 hervorgerufene Kraftwirkung auf das Lüfterrad 5 größer ist als die durch das Federelement 13 erzeugte Gegenkraft, bewegt sich das Lüfterrad 5 in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse 8 von der Position des Trennungszustands 11 zu der Position des Verbindungszustands 12, in der das Lüfterrad 5 über die Reibscheibe 14 mit dem Rotor 3 kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist. Durch die nun kraft- und/oder formschlüssige Verbindung des Lüfterrads 5 mit dem Rotor 3 folgt das Lüfterrad 5 der Drehbewegung des Rotors 3 und erzeugt dementsprechend einen Kühlluftstrom 16, der durch entsprechende Öffnungen in das Gehäuse 2 der Lichtmaschine 1 einströmen kann. Der Kühlluftstrom 16 ist um so stärker, je schneller sich der Rotor 3 der Lichtmaschine 1 und somit das Lüfterrad 5 drehen.
Der Kühlluftstrom 16 wird in dem Gehäuse 2 insbesondere an den Wärme erzeugenden Bauteilen der Lichtmaschine 1, zum Beispiel die in 1 nicht dargestellten Statorwicklungen oder die Erregerwicklung 4, vorbeigeleitet, so dass diese Bauteile ihre Wärme an den Kühlluftstrom 16 abgeben können. Der an der Vorderseite der Lichtmaschine 1 eingeströmte, kalte Kühlluftstrom 16 verläßt das Gehäuse 2 nach dem Durchströmen durch weitere Gehäuseöffnungen im hinteren Teil bzw. auf der Rückseite der Lichtmaschine 1 als erwärmter Abluftstrom 17. Somit ist eine ausreichende Kühlung der Lichtmaschine 1 sichergestellt, sobald diese eine elektrische Leistung abgibt.
Durch eine geeignete Auswahl der Stärke des Federelements 13 bzw. durch eine geeignete Vorspannung des Federelements 13 läßt sich die Größe des Magnetfelds 15 und somit die Höhe des durch die Erregerwicklungen 4 fließenden Erregerstroms festlegen, der erforderlich ist, um das Lüfterrad 5 in den Verbindungszustand 12 zu bringen und somit einen Kühlluftstrom 16 zu erzeugen. Somit ist es möglich, die Kühlung der Lichtmaschine 1 erst bei höherer abzugebender elektrischer Leistung zu bewirken, wenn zum Beispiel bei niedrigerer Ausgangsleistung Lichtmaschine 1 noch keine Kühlung erforderlich ist.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Insbesondere ist die dargestellte elektrische Maschine ein Dreiphasenwechselstromgenerator 20 bzw. eine Lichtmaschine 20 für ein Kraftfahrzeug. Die Lichtmaschine 20 kann wie die in 1 dargestellte Lichtmaschine 1 zum Beispiel in bekannter Weise als Nebenaggregat über einen Riementrieb von einem in 2 nicht dargestellten Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs angetrieben werden.
Das Lüfterrad 5 ist bei der in 2 dargestellten Lichtmaschine 20 über ein Lager 21 drehbar auf der Rotorwelle 6 gelagert. Das Lager 21 läßt sich im Gegensatz zu dem Lager 9 der in 1 gezeigten Lichtmaschine 1 im Wesentlichen nicht axial verschieben. Vielmehr weist die Lagerung des Lüfterrads 5 in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Bimetall 22 auf, beispielsweise eine Bimetallfeder. Das Bimetall 22 ist in der Lage, sich infolge von Temperaturänderungen in der durch entsprechende Pfeile angegebenen, bezüglich der Rotorwelle 6 radialen Ausdehnungsrichtung 23 auszudehnen bzw. zusammenzuziehen. Die radiale Ausdehnungsrichtung 23 ist gekennzeichnet durch zwei Endstellungen, von denen die radial innere einen Trennungszustand 24 und die radial äußere einen Verbindungszustand 25 des Lüfterrads 5 mit der Rotorwelle 6 bezüglich einer Drehbewegung der Rotorwelle 6 darstellt.
In dem Trennungszustand 24 besteht zwischen dem Lüfterrad 5 und der Rotorwelle 6 keine Wirkverbindung bezüglich einer Drehbewegung der Rotorwelle 6. Das heißt, das Lüfterrad 5 ist auf der Rotorwelle 6 frei drehbar. Wird die Rotorwelle 6 gedreht, folgt das Lüfterrad 5 im Trennungszustand 24 der Drehbewegung der Rotorwelle 6 im Wesentlichen nicht (bei Vernachlässigung der Reibung im Lager 21).
Im Gegensatz hierzu besteht bei dem Verbindungszustand 25 eine Wirkverbindung zwischen dem Lüfterrad 5 und der Rotorwelle 6 bezüglich einer Drehbewegung der Rotorwelle 6. Bevorzugt besteht diese Wirkverbindung in einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen dem Lüfterrad 5 und der Rotorwelle 6, insbesondere zwischen dem radial äußeren Ende des Bimetalls 22 und der dieser gegenüberliegenden Innenfläche der Lüfterradnabe. Demnach folgt das Lüfterrad 5 im Verbindungszustand 25 einer Drehbewegung der Rotorwelle 6 und erzeugt einen Kühlluftstrom 16. In diesem Zustand ist die Menge des erzeugten Kühlluftstroms 16 unmittelbar abhängig von der Drehzahl der Rotorwelle 6.
Das Bimetall 22 ist bei der in 2 dargestellten Lichtmaschine 20 ein selbsttätiges Kupplungsmittel im Sinne dieser Erfindung. Das Bimetall 22 steuert bzw. stellt ohne eine zusätzliche, explizite Steuereinrichtung den Verbindungszustand 25 bzw. den Trennungszustand 24 zwischen dem Lüfterrad 5 und der Rotorwelle 6 her. Insbesondere agiert das Bimetall 22 implizit in Abhängigkeit von einer Veränderung des Betriebszustands der Lichtmaschine 20, nämlich der Temperatur der Lichtmaschine 20, die durch die Menge der von der Lichtmaschine 20 abgegebenen elektrischen Leistung bestimmt wird. Eine zusätzliche Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung, die den Betriebszustand der Lichtmaschine 20 überwacht, auswertet und/oder gegebenenfalls ein spezielles, gesondertes Aktivierungssignal und/oder Deaktivierungssignal zum Herstellen des Verbindungs- bzw. Trennungszustands 25, 24 zwischen dem Lüfterrad 5 und der Rotorwelle 6 erzeugt, ist nicht erforderlich.
In einem Betriebszustand mit geringer Betriebstemperatur der Lichtmaschine 20, das heißt, solange die Lichtmaschine 20 keine oder lediglich eine geringe elektrische Leistung abgibt, befindet sich das Bimetall 22 in dem Trennungszustand 24. Das Lüfterrad 5 ist bezüglich einer Drehbewegung der Rotorwelle 6 nicht kraft- und/oder formschlüssig mit der Rotorwelle 6 verbunden. Es folgt somit einer Drehbewegung der Rotorwelle 6 im Wesentlichen nicht, da es von dieser Drehbewegung über das Lager 21 entkoppelt ist.
Sobald die Betriebstemperatur der Lichtmaschine 20 jedoch ansteigt, dehnt sich das Bimetall 22 in radialer Richtung 23 nach außen aus, bis es schließlich den Verbindungszustand 25 erreicht, in dem das Lüfterrad 5 über das Bimetall 22 mit der Rotorwelle 6 bezüglich einer Drehbewegung der Rotorwelle 6 kraft- und/oder formschlüssig verbunden ist. Durch die nun kraft- und oder formschlüssige Verbindung des Lüfterrads 5 mit der Rotorwelle 6 folgt das Lüfterrad 5 der Drehbewegung der Rotorwelle 6 und erzeugt dementsprechend einen Kühlluftstrom 16, der durch entsprechende Öffnungen in das Gehäuse 2 der Lichtmaschine 20 einströmt.
Der Kühlluftstrom 16 wird in dem Gehäuse 2 insbesondere an den Wärme erzeugenden Bauteilen der Lichtmaschine 20, zum Beispiel die in 2 nicht dargestellten Statorwicklungen oder die Erregerwicklung 4, vorbeigeleitet, so dass diese Bauteile ihre Wärme an den Kühlluftstrom 16 abgeben können. Der an der Vorderseite der Lichtmaschine 20 eingeströmte, kalte Kühlluftstrom 16 verläßt das Gehäuse 2 nach dem Durchströmen durch weitere Gehäuseöffnungen im hinteren Teil bzw. auf der Rückseite der Lichtmaschine 20 als erwärmter Abluftstrom 17. Somit ist die Kühlung der Lichtmaschine 20 sichergestellt, sobald diese eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht. Gegenüber dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Lichtmaschine 20 den weiteren Vorteil auf, dass diese einen Kühlluftstrom 16 erst dann erzeugt, wenn die tatsächliche Betriebstemperatur der Lichtmaschine 20 dies erfordert. Die Lichtmaschine 1 hingegen erzeugt bereits einen Kühlluftstrom 16, wenn die Erregerwicklung 4 ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugt, unabhängig von der tatsächlichen Betriebstemperatur der Lichtmaschine 1. Somit verursacht die Lichtmaschine 20 geringere mechanische Verluste, da der Betrieb des Lüfterrads 5 auf ein Minimum reduziert wird.
Zweckmäßigerweise ist, wie in 2 zu sehen ist, das Lüfterrad 5 und folglich das Bimetall 22 an einer Stelle innerhalb des Gehäuses 2 der Lichtmaschine 20 angeordnet, an der die Betriebstemperatur der Lichtmaschine 20 sicher festgestellt. werden kann. Dies kann beispielsweise in der Nähe eines Wärme erzeugenden Bauteils sein oder im hinteren Bereich des Gehäuses 2, in dem die bereits erwärmte Luft des Kühlluftstroms 16 vorbeiströmt.
Das Bimetall 22 vereint in der in 2 dargestellten Lichtmaschine 20 sowohl die Funktion des selbsttätigen Kupplungsmittels als auch des Mitnehmerelements in einem Bauteil.
Durch eine geeignete Auswahl des Bimetalls 22 bzw. durch den von dem Bimetall 22 zu überbrückenden, radialen Abstand zwischen der Rotorwelle 6 und dem Lüfterrad 5 läßt sich die Höhe der Betriebstemperatur der Lichtmaschine 20 festlegen, die erforderlich ist, um das Lüfterrad 5 in den Verbindungszustand 25 zu bringen und somit einen Kühlluftstrom 16 zu erzeugen.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist selbstverständlich nicht auf die hierin beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowohl als elektrischer Generator wie auch als elektrischer Motor ausgeführt sein und entsprechend eingesetzt werden. Dementsprechend ist auch eine Ausführung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als so genannter Startergenerator, der die Funktionen eines elektrischen Motors (z. B. Anlasser/Starter) und eines elektrischen Generators (z. B. Lichtmaschine) in einer elektrischen Maschine vereint, durch die vorliegende Erfindung umfaßt.
In bevorzugter Ausführung ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine ein als elektrischer Dreiphasenwechselstromgenerator betriebenes, luftgekühltes Nebenaggregat in einem Kraftfahrzeug. Hierzu weist der Generator neben einem Gehäuse, einem Stator, einem Rotor, einer mit dem Rotor drehfest verbundenen und an dem Gehäuse drehbar gelagerten Rotorwelle und ein an der Rotorwelle drehbar gelagertes Lüfterrad ferner ebenso eine mit der Rotorwelle drehfest verbundene Riemenscheibe auf, mittels welcher der Generator beispielsweise von einem in dem Kraftfahrzeug vorhandenen Verbrennungsmotor über eine herkömmliche Riementriebanordnung angetrieben wird.
Das Lüfterrad ist hierbei in vorteilhafter Weise über ein selbsttätiges Kupplungsmittel, insbesondere ein elektromagnetisch gesteuertes und/oder temperaturgesteuertes Kupplungsmittel, zum Beispiel eine Erregerwicklung bzw. ein Bimetall, mit dem Rotor bzw. der Rotorwelle verbindbar bzw. von diesen trennbar, so dass das Lüfterrad lediglich in denjenigen Fällen einen Kühlluftstrom zum Kühen des Generators erzeugt, in denen es der Betriebszustand des Generators erfordert, zum Beispiel wenn die Erregerwicklung des Rotors ein Magnetfeld erzeugt und/oder die Generatortemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet. In allen anderen Fällen trennt das selbsttätige Kupplungsmittel das Lüfterrad von dem Rotor bzw. der Rotorwelle, so dass das Lüfterrad der Drehbewegung des Rotors bzw. der Rotorwelle nicht mehr folgt. Auf diese Weise werden unnötige mechanische Verluste beim Betrieb der elektrischen Maschine vermieden, was den Wirkungsgrad der Maschine insgesamt verbessert.
Bezugszeichenliste

1: Dreiphasenwechselstromgenerator (Lichtmaschine)
2: Gehäuse
3: Rotor
4: Erregerwicklung
5: Lüfterrad
6: Rotorwelle
7: Riemenscheibe
8: Rotationsachse
9: Lager von 5
10: Axiale Verschiebungsrichtung.
11: Trennungszustand von 5
12: Verbindungszustand von 5
13: Federelement
14: Reibscheibe
15: Magnetfeld von 4
16: Kühlluftstrom
17: Abluftstrom
18
19
20: Dreiphasenwechselstromgenerator (Lichtmaschine)
21: Lager von 20
22: Bimetall
23: Radiale Ausdehnungsrichtung
24: Trennungszustand von 22
25: Verbindungszustand von 22

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007020867 A1 [0007]
DE 202006017623 U1 [0008]
WO 2010/079386 A1 [0009]

Claims

Luftgekühlte elektrische Maschine, aufweisend einen, eine Rotorwelle (6) umfassenden Rotor (3) mit einer Erregerwicklung (4) und ein Lüfterrad (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (5) auf der Rotorwelle (6) drehbar gelagert ist und mittels eines selbsttätigen Kupplungsmittels (4, 22) mit dem Rotor (3) und/oder der Rotorwelle (6) verbindbar und/oder hiervon trennbar ist.
Luftgekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das selbsttätige Kupplungsmittel (4, 22) elektromagnetisch gesteuert ist.
Luftgekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das selbsttätige Kupplungsmittel (4, 22) temperaturgesteuert ist.
Luftgekühlte elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad (5) in einem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Luftgekühlte elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das selbsttätige Kupplungsmittel (4, 22) wenigstens ein zwischen dem Lüfterrad (5) und dem Rotor (3) und/oder der Rotorwelle (6) angeordnetes Mitnehmerelement umfaßt.
Luftgekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnehmerelement eine Reibscheibe (14) ist.
Luftgekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnehmerelement ein Bimetall (22) ist.
Luftgekühlte elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das selbsttätige Kupplungsmittel (4, 22) wenigstens ein Federelement (13) umfaßt, welches das Lüfterrad (5) und den Rotor (3) beziehungsweise die Rotorwelle (6) auf Abstand zueinander vorspannt.
Lichtmaschine für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Startergenerator für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8.