DE102011087273A1

DE102011087273A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102011087273A1
Application number: DE201110087273
Authority: DE
Inventors: Christa Bauch; Martin Schulz; Ngoc-Thach Nguyen; Hung Nguyen-Schäfer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: DE102011087273B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1), mit einem Maschinengehäuse (2), das einen Gehäusekörper (3) aufweist, der auf seiner ersten Stirnseite ein erstes Lagerschild (4) und auf der der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite ein zweites Lagerschild (5) aufnimmt, und mit einer Kühleinrichtung (13), die über ein auf einer dem ersten Lagerschild (4) zugewandten Seite eines Rotors (9) der elektrischen Maschine (1) angeordnetes erstes Lüfterrad (14) und ein auf einer dem zweiten Lagerschild (5) zugewandten Seite des Rotors (9) vorliegendes zweites Lüfterrad (15) verfügt. Dabei ist vorgesehen, dass der jeweils von dem ersten und dem zweiten Lüfterrad (14,15) in dem Maschinengehäuse (2) erzeugte Luftstrom dieselbe Hauptstromrichtung aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Lüfterrad (14,15) eine in dem Maschinengehäuse (2) ausgebildete Strömungsverbindung (16) vorliegt, und dass der gesamte von dem ersten oder zweiten Lüfterrad (14,15) erzeugte Luftstrom – in axialer Richtung gesehen – auf die dem jeweiligen Lüfterrad (15,14) abgewandte Seite des Rotors (9) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, mit einem Maschinengehäuse, das einen Gehäusekörper aufweist, der auf seiner ersten Stirnseite ein erstes Lagerschild und auf der der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite ein zweites Lagerschild aufnimmt, und mit einer Kühleinrichtung, die über ein auf einer dem ersten Lagerschild zugewandten Seite eines Rotors der elektrischen Maschine angeordnetes erstes Lüfterrad und ein auf einer dem zweiten Lagerschild zugewandten Seite des Rotors vorliegendes zweites Lüfterrad verfügt.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige elektrische Maschinen verfügen über das Maschinengehäuse, welches aus einem Gehäusekörper – welcher beispielsweise von einem Ständerpaket gebildet ist – und den Lagerschilden besteht. Der Gehäusekörper weist üblicherweise in Umfangsrichtung umlaufende Flächen und axial stirnseitige Öffnungen auf (jeweils bezogen auf eine Längsachse der elektrischen Maschine beziehungsweise eine Drehachse des Rotors), welche die beiden Lagerschilde aufnehmen. Eine der Öffnungen liegt also an der ersten axialen Stirnseite und die andere der Öffnungen an der der ersten axialen Stirnseite gegenüberliegenden axialen zweiten Stirnseite vor. Die Lagerschilde dienen insbesondere dem Verschließen des Gehäusekörpers. In oder an ihnen kann jedoch auch eine Lagerung für einen Rotor beziehungsweise eine den Rotor tragende Rotorwelle vorgesehen sein. Der Rotor der elektrischen Maschine ist insoweit drehbar in dem Maschinengehäuse gelagert. Neben dem Rotor weist die elektrische Maschine auch einen Stator auf, welcher ortsfest in dem Maschinengehäuse, vorzugsweise gemeinsam mit den Lagerschilden, angeordnet ist. Die elektrische Maschine kann entweder als Motor, Generator oder als Motor-Generator, also beispielsweise als Starter für eine Brennkraftmaschine, welche auch als Generator arbeiten kann, ausgebildet sein.
Bei dem Betrieb der elektrischen Maschine entsteht Abwärme, beispielsweise infolge der elektromagnetischen Erregung, Stromflüssen und mechanischen Verlusten, durch welche die Temperatur der elektrischen Maschine beziehungsweise einzelner Elemente der elektrischen Maschine erhöht wird. Um diese Temperatur unterhalb einer zulässigen Temperatur zu halten, verfügt die elektrische Maschine über die Kühleinrichtung. Diese weist zwei Lüfterräder auf, wobei das erste Lüfterrad auf der dem ersten Lagerschild zugewandten Seite des Rotors und das zweite Lüfterrad auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors, also der dem zweiten Lagerschild zugewandten Seite, angeordnet ist. Üblicherweise sind beide Lüfterräder mit dem Rotor beziehungsweise der Rotorwelle wirkverbunden, sodass sie angetrieben werden, sobald die elektrische Maschine betrieben wird. Mittels der Lüfterräder wird jeweils ein Luftstrom erzeugt, der üblicherweise von außen in das Maschinengehäuse hinein gerichtet ist. Beide Lüfterräder saugen demnach Luft aus einer Umgebung der elektrischen Maschine beziehungsweise des Maschinengehäuses an und blasen sie in das Maschinengehäuse ein. Entsprechend weisen die Luftströme unterschiedliche Hauptstromrichtungen auf. Das Maschinengehäuse beziehungsweise der Gehäusekörper oder die Lagerschilde weisen daher normalerweise in radialer Richtung ausgerichtete Auslassöffnungen auf, durch welche die mittels der Lüfterräder in das Maschinengehäuse eingebrachte Luft nach einem Überstreichen der zu kühlenden Elemente der elektrischen Maschine wieder austreten kann.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber weist die elektrische Maschine mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass die Kühleinrichtung die elektrische Maschine effektiver kühlt und einen Wärmestau in einer Mittelzone eines Luftspalts verhindert, sodass zum Einen die thermische Belastung sinkt und zum Anderen auch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine ansteigt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der jeweils von dem ersten und dem zweiten Lüfterrad in dem Maschinengehäuse erzeugte Luftstrom dieselbe Hauptstromrichtung aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Lüfterrad eine in dem Maschinengehäuse ausgebildete Strömungsverbindung vorliegt. Zudem ist der gesamte von dem ersten oder zweiten Lüfterrad erzeugte Luftstrom – in axialer Richtung gesehen – auf die dem jeweiligen Lüfterrad abgewandte Seite des Rotors geführt. Das erste und das zweite Lüfterrad erzeugen demnach keine gegeneinander gerichteten Luftströme, also Luftströme mit unterschiedlicher Hauptstromrichtung. Vielmehr soll mittels dem ersten oder dem zweiten Lüfterrad ein in das Maschinengehäuse hinein gerichteter Luftstrom erzeugt werden, während der von dem jeweils anderen Lüfterrad erzeugte Luftstrom, insbesondere axial, wenigstens teilweise aus dem Maschinengehäuse angesaugt und aus diesem herausgeführt wird.
Zu diesem Zweck ist die Strömungsverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Lüfterrad vorgesehen. Diese Strömungsverbindung liegt in dem Maschinengehäuse vor beziehungsweise wird von diesem begrenzt. Die Strömungsverbindung führt von dem ersten Lüfterrad zu dem zweiten Lüfterrad beziehungsweise umgekehrt. Durch die Strömungsverbindung kann der von dem ersten oder dem zweiten Lüfterrad erzeugte Luftstrom zu dem jeweils anderen Lüfterrad gelangen. Während das eine Lüfterrad also einen in die Strömungsverbindung hinein gerichteten Luftstrom erzeugt, saugt das andere Lüfterrad den Luftstrom wenigstens teilweise aus der Strömungsverbindung an und bringt ihn nachfolgend aus dem Maschinengehäuse aus. Beide Lüfterräder erzeugen demnach in dem Maschinengehäuse Luftströme mit derselben Hauptströmungsrichtung. Insbesondere sind die Luftströme in Richtung einer Auslassöffnung gerichtet, durch welche sie in derselben radialen Ausströmrichtung aus dem Maschinengehäuse ausströmen.
Es ist weiter vorgesehen, dass die mittels dem ersten oder zweiten Lüfterrad erzeugten Luftströme in axialer Richtung gesehen wenigstens teilweise über den Rotor hinweggeführt werden. Der Luftstrom soll also nicht, wie im Stand der Technik üblich, auf der dem jeweiligen Lüfterrad zugewandten Seite des Rotors durch die Auslassöffnung unmittelbar wieder aus dem Maschinengehäuse in die Umgebung der elektrischen Maschine gelangen können. Vielmehr soll der gesamte erzeugte Luftstrom durch die Strömungsverbindung auf die andere Seite des Rotors gebracht und erst anschließend aus dem Maschinengehäuse entlassen werden. Darunter ist vorzugsweise zu verstehen, dass der erzeugte Luftstrom in axialer Richtung über den Rotor hinweg geführt ist und dabei insbesondere zumindest die axiale Mitte des Rotors passiert, also zu wenigstens 50 % oder mehr, beispielsweise zu 80 %, über den Rotor hinweg geführt ist. Es ist also nicht notwendig, dass der Luftstrom über den gesamten Rotor beziehungsweise dessen Erstreckung in axialer Richtung hinweg geführt ist, wobei dies vorzugsweise selbstverständlich vorgesehen sein kann. Insbesondere wird der Luftstrom jedoch in axialer Richtung vollständig über eine Rotorwicklung des Rotors und/oder eine Statorwicklung des Stators geführt. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Kühlung der elektrischen Maschine beziehungsweise der dieser zugeordneten Elemente erreicht.
Beispielsweise saugt das eine der Lüfterräder Luft in axialer Richtung an und fördert sie als ersten Luftstrom in radialer Richtung in die Strömungsverbindung hinein. Durch diese wird die Luft beziehungsweise der erste Luftstrom gemäß den vorstehenden Ausführungen über den Rotor geführt. Auf der dem anderen der Lüfterräder zugewandten Seite des Rotors kann ein erster Teil des ersten Luftstroms durch die Strömungsverbindung aus einer Auslassöffnung, insbesondere in radialer Richtung, austreten. Ein zweiter Teil des ersten Luftstroms wird von dem anderen der Lüfterräder als zweiter Luftstrom oder zumindest als ein erster Teil des zweiten Luftstroms angesaugt und in radialer Richtung hin zu der Auslassöffnung befördert. Gleichzeitig kann das andere der Lüfterräder auch aus der Umgebung der elektrischen Maschine Luft als zweiten Teil des zweiten Luftstroms ansaugen und zusammen mit dem ersten Teil des zweiten Luftstroms in radialer Richtung auf die Auslassöffnung zu fördern. Zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass nur ein Teil des zweiten Luftstroms zu der Auslassöffnung gefördert wird, während ein anderer Teil des zweiten Luftstroms in axialer Richtung durch eine Austrittsöffnung aus dem Maschinengehäuse ausgebracht wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass nur auf der in Hauptstromrichtung stromabwärts liegenden Seite des Rotors der Gehäusekörper des Maschinengehäuses wenigstens eine mit der Strömungsverbindung korrespondierende Auslassöffnung aufweist. Wie vorstehend bereits ausgeführt, soll der gesamte erzeugte Luftstrom in axialer Richtung gesehen über den Rotor auf dessen andere Seite geführt werden. Insoweit liegt auf der in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegenden Seite des Rotors keine Auslassöffnung vor, der Gehäusekörper beziehungsweise das Maschinengehäuse und/oder das entsprechende Lagerschild sind insoweit strömungsdicht beziehungsweise geschlossen ausgeführt. Vielmehr soll nur auf der in Hauptstromrichtung stromabwärts liegenden Seite die wenigstens eine Auslassöffnung vorliegen. Dabei ist die vorstehend erläuterte Definition heranzuziehen. Entsprechend wird der gesamte erzeugte Luftstrom, welcher aus der Umgebung der elektrischen Maschine von dem ersten oder zweiten Lüfterrad (mit) angesaugt wird, auf die dem jeweiligen Lüfterrad abgewandte Seite des Rotors geführt und anschließend wenigstens teilsweise – strömungstechnisch vor oder nach dem jeweils anderen Lüfterrad – durch die Auslassöffnung ausgebracht.
Bevorzugt liegt die Auslassöffnung strömungstechnisch nach dem anderen Lüfterrad vor. In diesem Fall korrespondiert die Auslassöffnung lediglich mittelbar mit der Strömungsverbindung. Liegt dagegen die Auslassöffnung stromaufwärts (jeweils in Hauptstromrichtung gesehen) des anderen Lüfterrads vor, so korrespondiert die Auslassöffnung unmittelbar mit der Strömungsverbindung. Bei einer solchen Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn mittels dem stromaufwärts liegenden Lüfterrad ein größerer Volumenstrom erzeugt wird als mit dem jeweils anderen Lüfterrad, um zu verhindern, dass Luft durch die Auslassöffnung angesaugt und unmittelbar nachfolgend wieder aus der elektrischen Maschine ausgebracht wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegenden Lagerschild zumindest eine Eintrittsöffnung und/oder in dem stromabwärts liegenden Lagerschild wenigstens eine Austrittsöffnung vorliegt. Durch die Eintrittsöffnung gelangt Luft in das Maschinengehäuse. Bevorzugt ist die Eintrittsöffnung dem in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegenden Lüfterrad zugeordnet, sodass dieses Luft durch die Eintrittsöffnung ansaugen und in die Strömungsverbindung einbringen kann. Zusätzlich kann in dem gegenüberliegenden Lagerschild die Austrittsöffnung vorliegen. Diese ist jedoch optional. Der gesamte Luftstrom kann auch durch die vorstehend bereits beschriebene Auslassöffnung aus der elektrischen Maschine ausgebracht werden. Es kann jedoch auch lediglich die Austrittsöffnung vorgesehen sein, während keine Auslassöffnung ausgebildet ist. In diesem Fall wird der gesamte Luftstrom durch die Austrittsöffnung aus der elektrischen Maschine geführt. Sind sowohl die Austrittsöffnung als auch die Auslassöffnung vorgesehen, so teilt sich der Luftstrom bevorzugt auf diese auf, sodass ein Teil des Luftstroms aus der Auslassöffnung und ein anderer Teil des Luftstroms durch die Austrittsöffnung aus der elektrischen Maschine entweicht.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Stator mit zumindest einer Statorwicklung wenigstens bereichsweise in der Strömungsverbindung vorliegt. Durch die Strömungsverbindung wird der gesamte mittels des stromaufwärts liegenden Lüfterrads erzeugte Luftstrom geführt. In der Strömungsverbindung vorliegende Elemente werden entsprechend besonders effektiv gekühlt. Häufig wird das in der elektrischen Maschine vorliegende magnetische Feld mittels des Stators erzeugt, wozu dieser die wenigstens eine Statorwicklung aufweist. Entsprechend wird Wärme erzeugt, welche die Temperatur des Stators unerwünschterweise erhöht. Aus diesem Grund soll der Stator wenigstens bereichsweise in der Strömungsverbindung vorliegen, sodass er von dem Luftstrom des stromaufwärts liegenden Lüfterrads überströmt wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad einen, insbesondere in radialer Richtung außenliegenden Radiallüfterbereich und/oder einen, insbesondere in radialer Richtung innenliegenden, Axiallüfterbereich aufweisen. Die Lüfter können also entweder nur den Radiallüfterbereich, nur den Axiallüfterbereich oder sowohl den Radiallüfterbereich und den Axiallüfterbereich aufweisen. Dabei können das erste und das zweite Lüfterrad unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise liegt das stromaufwärts angeordnete Lüfterrad als reines Radiallüfterrad vor, welches nur den Radiallüfterbereich aufweist, während das stromabwärts liegende Lüfterrad entweder ebenfalls nur den Radiallüfterbereich oder sowohl den Radiallüfterbereich als auch den Axiallüfterbereich aufweist. Der Radiallüfterbereich ist vorzugsweise in radialer Richtung außen an dem Lüfterrad vorgesehen, während der Axiallüfterbereich innen ausgebildet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad nur den Radiallüfterbereich aufweisen und insoweit als Radiallüfterrad vorliegen oder nur über den Axiallüfterbereich verfügen und entsprechend als Axiallüfterrad ausgebildet sind. Das als Radiallüfterrad ausgebildete Lüfterrad verfügt entsprechend nur über den Radiallüfterbereich; das als Axiallüfterrad vorliegende nur über den Axiallüfterbereich.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Steuergerät und/oder wenigstens ein Gleichrichter der elektrischen Maschine auf der in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegenden Seite des Rotors in dem Luftstrom eines der Lüfterräder angeordnet, insbesondere außenliegend an dem entsprechenden Lagerschild befestigt sind. Das Steuergerät enthält häufig Leistungselektronik zum Ansteuern der elektrischen Maschine und/oder den Gleichrichter. In der Leistungselektronik wird zumindest ein Teil der elektrischen Energie – auch als Verlustanteil bezeichnet – in Wärme umgewandelt, wodurch sich die Leistungselektronik und entsprechend das Steuergerät aufheizen. Die Leistungselektronik weist zudem zumeist eine niedrigere zulässige Maximaltemperatur auf als weitere Bereiche der elektrischen Maschine, etwa der Rotor oder der Stator. Aus diesem Grund ist es von besonderer Bedeutung, dass das Steuergerät und/oder der Gleichrichter effizient gekühlt werden. Dies wird erreicht, indem das Steuergerät in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegt und von dem Luftstrom eines der Lüfterräder überströmt wird. Insbesondere ist das Steuergerät stromaufwärts des entsprechenden Lüfterrads angeordnet, sodass die Luft von dem Lüfterrad über das Steuergerät angesaugt und anschließend in das Maschinengehäuse eingebracht wird. Beispielsweise können das Steuergerät und/oder der Gleichrichter außenliegend an dem Maschinengehäuse beziehungsweise dem jeweiligen Lagerschild befestigt sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein in axialer Richtung zwischen einem der Lüfterräder und dem entsprechenden Lagerschild vorliegende Spalt in axialer Richtung Abmessungen von höchstens 1 mm aufweist. Der Spalt wird von dem Lüfterrad und dem diesem zugewandten Lagerschild definiert. Für jede radiale Position liegt ein bestimmter axialer Abstand zwischen diesen Elementen vor. Je kleiner der Spalt beziehungsweise der axiale Abstand ist, umso geringer sind die Strömungsverluste. Ebenso wird die Entstehung von Betriebsgeräuschen vermindert und Kosten gesenkt, weil keine zusätzlichen Elemente zum Abdichten notwendig sind. Allein durch entsprechende Anordnung des Lüfterrads bezüglich des Lagerschilds werden die genannten Vorteile erzielt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad eine dem jeweiligen Lagerschild zugewandte Deckscheibe aufweisen, die in radialer Richtung den Radiallüfterbereich wenigstens teilweise übergreift. In dem Radiallüfterbereich liegt insbesondere wenigstens eine Lüfterschaufel vor, mittels welcher bei dem Betrieb des Lüfterrads die Luft gefördert wird. Diese Lüfterschaufel erstreckt sich üblicherweise in radialer Richtung mit einer bestimmten Erstreckung nach innen. Es ist nun vorgesehen, dass das Lüfterrad an wenigstens einer Stirnseite die Deckscheibe aufweist, wobei diese in radialer Richtung – im Querschnitt gesehen – den Radiallüfterbereich wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, übergreift. Die Deckscheibe ist beispielsweise einteilig mit einem Grundkörper des Lüfterrads ausgebildet, welcher wenigstens eine Lüfterschaufel aufweist. Insbesondere sind die Deckscheibe und der Grundkörper gemeinsam ausgebildet. Alternativ kann jedoch auch die Deckscheibe als Anbauteil vorliegen, welches getrennt von dem Grundkörper ausgebildet und anschließend an diesem befestigt wird. Bevorzugt soll nur der Radiallüfterbereich wenigstens teilweise übergriffen werden, also nicht ein eventuell zusätzlich vorgesehener Axiallüfterbereich.
Die Deckscheibe ermöglicht es, das Lüfterrad sehr nah an dem jeweils zugeordneten Lagerschild anzuordnen, sodass lediglich ein kleiner Spalt vorliegt, durch welchen Spaltverluste des Lüfterrads entstehen. Die Deckscheibe soll also beispielsweise zwischen dem Lagerschild und der wenigstens einen Lüfterschaufel des Lüfterrads vorliegen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Gegenfläche an dem Lagerschild vorgesehen sein, welche mit der Deckscheibe dichtend zusammenwirkt. Zu diesem Zweck ist die Gegenfläche mit geringem axialem Abstand zu der Deckscheibe, diese in radialer Richtung wenigstens bereichsweise überdeckend angeordnet. Zwischen der Gegenfläche und der Deckscheibe liegt der vorstehend bereits erwähnte Spalt vor. Ebenso kann es vorgesehen sein, das Lüfterrad ohne Deckscheibe auszubilden und gemeinsam mit seiner wenigstens einen Lüfterschaufel derart anzuordnen, dass der Spalt zwischen der Lüfterschaufel und der Gegenfläche vorliegt. Die Gegenfläche übernimmt bei einer solchen Ausgestaltung die Funktion der Deckscheibe.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad einstückig und materialeinheitlich durch Umformen und Trennen, insbesondere eines Bleches, hergestellt sind. Besonders einfach und kostengünstig können die Lüfterräder ausgeformt werden, indem sie und insbesondere ihre Lüfterschaufeln, durch Umformen (zum Beispiel Tiefziehen und/oder Radialdrücken) ausgebildet werden. Zusätzlich kann auch ein Trennen, insbesondere Stanzen und/oder Schneiden, angewandt werden, um beispielsweise die wenigstens eine Lüfterschaufel auszubilden. Die Erfindung ist insoweit auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine gerichtet, welche gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgebildet ist und deren Lüfterräder durch Umformen und Trennen, insbesondere Stanzen, ausgebildet werden. Besonders bevorzugt liegen die Lüfterräder vor dem Umformen als Blech vor, also als flaches Walzwerkfertigprodukt. Insbesondere kommt ein Blech mit einer Stärke von kleiner als 3 mm zum Einsatz, welches insoweit auch als Feinblech bezeichnet werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad aus zwei Teilen zusammengefügt sind, die jeweils aus einer Scheibe, insbesondere der Deckscheibe, und aus wenigstens einer Lüfterschaufel bestehen, wobei jeder Teil über die Hälfte der insgesamt vorgesehenen Lüfterschaufeln verfügt. Jedes Lüfterrad verfügt beispielsweise über zwei Lüfterschaufeln, von welchen eine an einem ersten der Teile und eine andere an einem zweiten der Teile vorliegt. Die beiden Teile werden derart zueinander angeordnet, dass die Lüfterschaufeln jedes Teils auf das jeweils andere Teil gerichtet sind. In dieser Position werden die Teile zusammengefügt, wobei beispielsweise die Lüfterschaufeln des einen Teils an dem anderen Teil befestigt werden und umgekehrt. Die wenigstens eine Lüfterschaufel jedes Teils ist an der Scheibe befestigt, welche entweder als Deckscheibe gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgebildet ist oder beispielsweise zur Befestigung beziehungsweise Lagerung des Lüfterrads auf einer Welle, insbesondere der Rotorwelle, der elektrischen Maschine oder zur Lagerung bezüglich des Rotors und dessen Klauenpolen dient.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
1 eine geschnittene elektrische Maschine in Seitenansicht mit einem aus Gehäusekörper und Lagerschilden bestehenden Maschinengehäuse und einer Kühleinrichtung, welche ein erstes und ein zweites Lüfterrad aufweist,
2 die beiden Lüfterräder der elektrischen Maschine in einer ersten Konfiguration,
3 die beiden Lüfterräder der elektrischen Maschine in einer zweiten Konfiguration,
4 eines der Lüfterräder, welches als Radiallüfterrad ausgebildet ist und mit einem ersten Verfahren hergestellt wird,
5 ein Teil eines Lüfterrads, welches gemäß einem zweiten Verfahren hergestellt wird, und
6 ein aus zwei Teilen hergestelltes Lüfterrad.
Die 1 zeigt eine geschnittene elektrische Maschine 1 mit einem Maschinengehäuse 2, das sich hauptsächlich aus einem beispielsweise als Ständerpaket vorliegenden Gehäusekörper 3 sowie einem ersten Lagerschild 4 und einem zweiten Lagerschild 5 zusammensetzt. Die Lagerschilde 4 und 5 sind jeweils in einer stirnseitig in dem Gehäusekörper 3 vorgesehenen Ausnehmung angeordnet und dort befestigt. Die Lagerschilde 4 und 5 dienen der Ausbildung von Lagern 6 und 7 für eine Rotorwelle 8 der elektrischen Maschine 1. Die Lager 6 und 7 können jeweils entweder als Gleitlager oder als Kugellager ausgebildet sein. Die Rotorwelle 8 dient der Lagerung eines Rotors 9, welcher insbesondere als Klauenpolrotor mit wenigstens einem Klauenpol und einer Wicklung ausgebildet ist, in dem Maschinengehäuse 2. In Umfangsrichtung um den Rotor 9 herum erstreckt sich wenigstens bereichsweise ein Stator 10 mit wenigstens einer Statorwicklung 11. Außerhalb des Maschinengehäuses 2 beziehungsweise des Ständerpakets, also auf der dem Rotor 9 abgewandten Seite des ersten Lagerschilds 4, ist ein Drehmomentübertragungselement 12, beispielsweise eine Riemenscheibe, drehfest mit der Rotorwelle 8 verbunden. Über das Drehmomentübertragungselement 12 kann ein von der elektrischen Maschine 1 erzeugtes Drehmoment abgeführt oder ein von einer weiteren Einrichtung erzeugtes Drehmoment zugeführt werden. Die weitere Einrichtung ist beispielsweise eine Brennkraftmaschine.
Während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 entsteht Wärme, insbesondere in dem Rotor 9 und dem Stator 10 beziehungsweise einer Rotorwicklung des Rotors 9 und einer Statorwicklung 11 des Stators 11. Aus diesem Grund weist die elektrische Maschine 1 eine Kühleinrichtung 13 auf, die über ein erstes Lüfterrad 14 und ein zweites Lüfterrad 15 verfügt. Das erste Lüfterrad 14 ist dabei auf der dem ersten Lagerschild 4 zugewandten Seite des Rotors 9 und das zweite Lüfterrad 15 auf der dem zweiten Lagerschild 5 zugewandten Seite des Rotors 9 angeordnet. Das erste Lüfterrad 14 liegt also zwischen dem ersten Lagerschild 4 und dem Rotor 9, das zweite Lüfterrad 15 zwischen dem Rotor 9 und dem zweiten Lagerschild 5 vor. Mittels der beiden Lüfterräder 14 und 15 soll jeweils ein Luftstrom erzeugt werden, welcher dieselbe Hauptstromrichtung aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass beide Lüfterräder 14 und 15 eine Durchströmung der elektrischen Maschine 1 beziehungsweise deren Maschinengehäuse 2 entlang einer Strömungsverbindung 16 in dieselbe Richtung, nämlich die Hauptstromrichtung, bewirken. Die Strömungsverbindung 16 liegt in dem Maschinengehäuse 2 vor, wird also von diesem begrenzt. Beispielsweise liegt der Stator 10 in der Strömungsverbindung 16, sodass er von den von den Lüfterrädern 14 und 15 erzeugten Luftströmen überströmt ist.
Weil die Luftströme der Lüfterräder 14 und 15 dieselbe Hauptstromrichtung aufweisen, dient das erste Lüfterrad 14 dazu, Luft aus einer Umgebung 17 durch eine Eintrittsöffnung 18 anzusaugen und in die Strömungsverbindung 16 einzubringen. Das zweite Lüfterrad 15 saugt dagegen Luft aus der Strömungsverbindung 16 ab und bläst sie durch eine Austrittsöffnung 19 und/oder eine Auslassöffnung 20 wieder in die Umgebung 17. Zusätzlich kann das zweite Lüfterrad 15 auch Luft aus der Umgebung 17 ansaugen und gemeinsam mit der vorstehend beschriebenen Luft, welche durch die Strömungsverbindung 16 strömt, durch die Austrittsöffnung 19 ausbringen. Die Eintrittsöffnung 18 liegt dabei in dem in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegenden Lagerschild, hier also dem ersten Lagerschild 4, vor. Es können mehrere Eintrittsöffnungen 18 über den Umfang des Lagerschilds 4 verteilt vorgesehen sein. Die Austrittsöffnung 19 liegt dagegen in dem stromabwärts liegenden Lagerschild, hier also dem zweiten Lagerschild 5, vor. Auch hier können mehrere Austrittsöffnungen 19 umfangsverteilt vorliegen. Die Auslassöffnung 20 ist dagegen in dem Gehäusekörper 3 ausgebildet und weist in radialer Richtung nach außen, während die Eintrittsöffnung 18 und die Austrittsöffnung 19 eine Durchströmungsrichtung im Wesentlichen in axialer Richtung ausbilden. Die Auslassöffnung 20 ist auf der stromabwärts liegenden Seite des Rotors 9 vorgesehen.
Die mittels des ersten Lüfterrads 14 in die Strömungsverbindung 16 eingebrachte Luft wird also zunächst vollständig durch diese auf die dem ersten Lüfterrad 14 abgewandte Seite des Rotors 9 beziehungsweise des Stators 10 geführt. Erst anschließend kann die Luft durch die Auslassöffnung 20 in radialer Richtung entweichen. Der Luftstrom durch die elektrische Maschine 1 ist durch Pfeile 21 verdeutlicht. Dass der gesamte von dem ersten Lüfterrad erzeugte Luftstrom – in axialer Richtung gesehen – auf die dem Lüfterrad 14 abgewandte Seite des Rotors 9 geführt ist, ist derart zu verstehen, dass der Luftstrom den Rotor 9 in axialer Richtung zumindest größtenteils passiert. Selbstverständlich kann die Auslassöffnung 20 (wiederum in axialer Richtung gesehen) teilweise in Überdeckung mit dem Rotor 9 vorliegen. Insoweit ist es vorteilhaft, wenn der Luftstrom wenigstens 50 %, bevorzugt 75 % oder 90 %, des Rotors 9 passiert, bevor er durch die Auslassöffnung 20 aus der elektrischen Maschine 1 austreten kann.
In der hier dargestellten Ausführungsform der elektrischen Maschine 1 ist das erste Lüfterrad 14 als Radiallüfterrad ausgebildet, saugt die Luft also durch die Eintrittsöffnung 18 in axialer Richtung an und entlässt sie im Wesentlichen in radialer Richtung, wie dies durch die Pfeile 21 angedeutet ist. Das zweite Lüfterrad 15 dagegen weist einen in radialer Richtung außenliegenden Radiallüfterbereich und einen innenliegenden Axiallüfterbereich auf. Der von dem ersten Lüfterrad 14 in die Strömungsverbindung 16 eingebrachte Luftstrom wird von dem zweiten Lüfterrad 15 wenigstens teilweise in axialer Richtung angesaugt, wobei ein Teil des Luftstroms dem Radiallüfterbereich und ein weiterer Teil dem Axiallüfterbereich zugeordnet werden kann. Ersterer wird durch die Auslassöffnung 20 in radialer Richtung aus der elektrischen Maschine 1 ausgebracht, während letzterer in axialer Richtung durch die Austrittsöffnung 19 austritt. Der erste Teil ist durch den Pfeil 22, der zweite Teil durch den Pfeil 23 angedeutet. Selbstverständlich kann es dabei vorgesehen sein, dass der Radiallüfterbereich des zweiten Lüfterrads 15 zusätzlich Luft durch die Austrittsöffnung 19 oder eine weitere, hier nicht dargestellte Eintrittsöffnung, die vorzugsweise von der Austrittsöffnung 19 verschieden beziehungsweise beabstandet ist, ansaugt. Auch diese Luft wird durch die Auslassöffnung 20 in radialer Richtung aus der elektrischen Maschine 1 ausgebracht. Die weitere Eintrittsöffnung ist in dem Lagerschild 5 vorgesehen.
Dieser Sachverhalt wird anhand der 2 verdeutlicht. Dort sind das erste Lüfterrad 14 mit seinem Radiallüfterbereich 24 und das zweite Lüfterrad 15 mit seinem Radiallüfterbereich 25 und seinem Axiallüfterbereich 26 dargestellt. Jeder Radiallüfterbereich 24 und 25 beziehungsweise jeder Axiallüfterbereich 26 verfügt über wenigstens eine Lüfterschaufel, welche hier nicht gesondert dargestellt ist. Der Rotor 9 sowie die Statorwicklung 11 sind als Wärmeerzeuger rein beispielhaft dargestellt. Es wird deutlich, dass das erste Lüfterrad 14 einen Luftstrom entlang des Pfeils 21 bewirkt, der anschließend durch die Strömungsverbindung 16 hin zu der Auslassöffnung 20 (hier nicht dargestellt) und/oder dem zweiten Lüfterrad 15 strömt. Ein Teil des von dem ersten Lüfterrads 14 erzeugten Luftstroms gelangt unmittelbar durch die Auslassöffnung 20 in die Umgebung 17. Ein weiterer Teil wird dagegen von dem zweiten Lüfterrad 15 angesaugt. Weil dieses über den Radiallüfterbereich 25 und den Axiallüfterbereich 26 verfügt, wird ein Teil des von dem zweiten Lüfterrads 15 angesaugten Luftstroms entlang des Pfeils 22 durch die Auslassöffnung 20 und ein weiterer Teil entlang des Pfeils 23 durch die Austrittsöffnung 19 (ebenfalls nicht dargestellt) in die Umgebung 17 geführt. Gleichzeitig kann das zweite Lüfterrad 15 beziehungsweise dessen Radiallüfterbereich 25 Luft aus der Umgebung 17 ansaugen und ebenfalls in Richtung des Pfeils 22 aus der Auslassöffnung 20 in die Umgebung 17 entlassen werden. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Kühlwirkung erreicht.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein nicht gesondert gekennzeichneter Spalt, der zwischen dem Lüfterrad 14 und Lagerschild 4 beziehungsweise dem Lüfterrad 15 und dem Lagerschild 5 jeweils vorliegt in axialer Richtung eine möglichst geringe Erstreckung aufweist. Der Abstand in axialer Richtung ist dabei für jede Position in radialer Richtung definiert. An zumindest einer dieser Positionen soll der axiale Abstand kleiner als 1 mm sein, vorzugsweise jedoch kleiner als 0,5 mm; 0,4 mm; 0,3 mm; 0,2 mm; 0,1 mm; oder noch kleiner. Auf diese Weise werden Luftverwirbelungen in dem Spalt vermieden, welche bei herkömmlichen elektrischen Maschinen für große Strömungsverluste sorgen, die den Gesamtwirkungsgrad beeinträchtigen.
Die 3 zeigt eine alternative Ausführungsform. Grundsätzlich sei auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Bei dieser Ausführungsform weist das zweite Lüfterrad 15 lediglich den Radiallüfterbereich 25, nicht jedoch den Axiallüfterbereich 26 auf. Entsprechend entfällt auch die Austrittsöffnung 19 und der Luftstrom entlang des Pfeils 23. Selbstverständlich kann jedoch die vorstehend bereits erwähnte weitere Eintrittsöffnung (hier lediglich angedeutet) des zweiten Lagerschilds 5 vorgesehen sein, durch welche zusätzlich Luft aus der Umgebung 17 von dem zweiten Lüfterrad 15 in das Maschinengehäuse 2 gesaugt wird.
Die 4 zeigt einen Bereich der elektrischen Maschine 1, wobei ein Teil des Rotors 9, nämlich ein Klauenpol, und eines der Lüfterräder 14 und 15 gezeigt ist. Beide sind auf der Rotorwelle 8 drehfest montiert. Die Lüfterräder 14 und 15 weisen zu diesem Zweck eine Scheibe 27 auf, welche drehfest an die Rotorwelle 8 angebunden ist. Sie verfügt dabei beispielsweise über eine Verzahnung oder dergleichen, welche mit einer Gegenverzahnung der Rotorwelle 8 drehmomentübertragend zusammenwirkt. Es wird deutlich, dass das Lüfterrad 14 (wobei die Ausführungen selbstverständlich ebenfalls für das Lüfterrad 15 gelten) mehrere Lüfterschaufeln 28 aufweist, welche zur Ausbildung des Radiallüfterbereichs 24 nach innen gebogen sind. Die Scheibe 27 liegt auf der dem Rotor 9 zugewandten Seite des Lüfterrads 14 vor. Auf der ihm angewandten Seite, welche demnach an das Lagerschild 4 grenzt, ist eine weitere Scheibe 29, welche als Deckscheibe (beispielsweise durch Radialumformung) ausgebildet ist, vorgesehen. Diese erstreckt sich in radialer Richtung nach innen, überdeckt jedoch nur einen Teil des Radiallüfterbereichs 24 und erstreckt sich mithin nicht bis zu der Rotorwelle 8. Auf diese Weise kann die Luft seitlich nicht ausweichen, sodass Luftverwirbelungen vermieden werden. Das hier dargestellte Lüfterrad 14 kann hergestellt werden, indem zunächst die Scheibe 27 und die Deckscheibe 29 sowie ein zwischen diesen vorliegender zylindrischer Bereich 30 durch Umformen aus einem Blech hergestellt werden. Anschließend werden die Lüfterschaufeln 28 durch Stanzen ausgebildet, wobei jeweils drei Seiten der Lüfterschaufeln 28 von den anderen Teilen des Bereichs 30 abgetrennt werden.
Die so hergestellten Lüfterschaufeln 28 werden zur Ausbildung des Radiallüfterbereichs 24 in radialer Richtung nach innen gebogen.
Die 5 zeigt einen Teil 31 eines Lüfterrads 14 in einer zweiten Ausführungsform. Die nachfolgenden Ausführungen sind jedoch analog auf das zweite Lüfterrad 15 anwendbar. Das Lüfterrad 14 besteht aus zwei Teilen, nämlich dem Teil 31 und einem weiteren Teil 32 (hier nicht dargestellt). Jeder Teil 31 und 32 besteht aus der Scheibe 27 oder der Deckscheibe 29. An diesen sind jeweils die Hälfte der insgesamt vorgesehenen Lüfterschaufeln 28 ausgebildet.
Zum Herstellen des Lüfterrads 14 wird nun wie anhand der 6 beschrieben vorgegangen. Zunächst werden die beiden Teile 31 und 32, bestehend aus der Scheibe 27 beziehungsweise der Deckscheibe 29 und den Lüfterschaufeln 28, bereitgestellt. Anschließend werden sie aufeinander zu verlagert, bis die Lüfterschaufeln 28 des Teils 31 und des Teils 32 alternierend zwischeneinander eingreifen. An den Spitzen der Lüfterschaufeln 28 sind dabei Nasen 33 vorgesehen (siehe 5), die bei entsprechender Anordnung der beiden Teile 31 und 32 zueinander in entsprechende Ausnehmungen 34 eingreifen. Die Nasen 33 sind dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass sie die Ausnehmungen 34 derart durchgreifen, dass sie über diese überstehen und zur Befestigung der beiden Teile 31 und 32 aneinander nach dem Durchgreifen der Ausnehmung 34 beispielsweise umgebogen werden können. Alternativ können die Nasen 33 selbstverständlich auch auf andere Art und Weise in den Ausnehmungen 34 befestigt werden, beispielsweise durch Kleben oder Schweißen. Nach erfolgter Montage liegt das fertige Lüfterrad 14 wie in der Mitte der 6 gezeigt vor.
Die Ausbildung der Lüfterräder 14 und 15 mit integrierter Deckscheibe 19 erlaubt es, sie äußerst nah an den Lagerschilden 4 und 5 zu positionieren. Auf diese Weise werden Spaltverluste der Lüfterräder 14 und 15 minimiert, insbesondere auf oder zumindest auf nahezu Null, sodass die Kühlung der elektrischen Maschine 1 mittels der Kühleinrichtung 13 äußerst effektiv ist und auch Geräusche, die durch Luftverwirbelungen auftreten, nahezu vollständig vermieden werden.

Claims

Elektrische Maschine (1), mit einem Maschinengehäuse (2), das einen Gehäusekörper (3) aufweist, der auf seiner ersten Stirnseite ein erstes Lagerschild (4) und auf der der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite ein zweites Lagerschild (5) aufnimmt, und mit einer Kühleinrichtung (13), die über ein auf einer dem ersten Lagerschild (4) zugewandten Seite eines Rotors (9) der elektrischen Maschine (1) angeordnetes erstes Lüfterrad (14) und ein auf einer dem zweiten Lagerschild (5) zugewandten Seite des Rotors (9) vorliegendes zweites Lüfterrad (15) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils von dem ersten und dem zweiten Lüfterrad (14, 15) in dem Maschinengehäuse (2) erzeugte Luftstrom dieselbe Hauptstromrichtung aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Lüfterrad (14, 15) eine in dem Maschinengehäuse (2) ausgebildete Strömungsverbindung (16) vorliegt, und dass der gesamte von dem ersten oder zweiten Lüfterrad (14, 15) erzeugte Luftstrom – in axialer Richtung gesehen – auf die dem jeweiligen Lüfterrad (15, 14) abgewandte Seite des Rotors (9) geführt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur auf der in Hauptstromrichtung stromabwärts liegenden Seite des Rotors (9) der Gehäusekörper (3) des Maschinengehäuses (2) wenigstens eine mit der Strömungsverbindung (16) korrespondierende Auslassöffnung (20) aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegenden Lagerschild (4, 5) zumindest eine Eintrittsöffnung (18) und/oder in dem stromabwärts liegenden Lagerschild (15, 14) wenigstens eine Austrittsöffnung (19) vorliegt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (10) mit zumindest einer Statorwicklung (11) wenigstens bereichsweise in der Strömungsverbindung (16) vorliegt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad (14, 15) einen, insbesondere in radialer Richtung außenliegenden, Radiallüfterbereich (24, 25) und/oder einen, insbesondere in radialer Richtung innenliegenden, Axiallüfterbereich (26) aufweisen.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad (14, 15) nur den Radiallüfterbereich (24, 25) aufweisen und insoweit als Radiallüfterrad vorliegen oder nur über den Axiallüfterbereich (26) verfügen und entsprechend als Axiallüfterrad ausgebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät und/oder wenigstens ein Gleichrichter der elektrischen Maschine auf der in Hauptstromrichtung stromaufwärts liegenden Seite des Rotors (9) in dem Luftstrom eines der Lüfterräder (14, 15) angeordnet, insbesondere außenliegend an dem entsprechenden Lagerschild (4, 5) befestigt sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad (14, 15) eine dem jeweiligen Lagerschild (4, 5) zugewandte Deckscheibe (29) aufweisen, die in radialer Richtung den Radiallüfterbereich (24) wenigstens teilweise übergreift.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad (14, 15) einstückig und materialeinheitlich durch Umformen und Trennen, insbesondere eines Bleches, hergestellt sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Lüfterrad (14, 15) aus zwei Teilen (31, 32) zusammengefügt sind, die jeweils aus einer Scheibe (27, 29), insbesondere der Deckscheibe (29), und aus wenigstens einer Lüfterschaufel (28) bestehen, wobei jeder Teil (31, 32) über die Hälfte der insgesamt vorgesehenen Lüfterschaufeln (28) verfügt.