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Es wird ein Gehäuse für eine elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung beschrieben. Ferner wird eine elektrische Maschine mit einem oben genannten Gehäuse beschrieben.
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Ein derartiges Gehäuse für eine elektrische Maschine mit Wasserkühlung ist aus der Druckschrift
DE 10 2004 022 557 A1 bekannt. Dabei ist das Gehäuse zweiteilig ausgeführt, um eine Flüssigkeitskühlung einer elektrischen Maschine in einfacher Art und Weise zu realisieren. Eines der beiden Gehäuseteile weist in der bekannten Ausführungsform ein Lagerschild für die Rotorlagerung auf. Zusammengesetzt bilden die Gehäuseteile Kühlkanäle. Die Kühlkanäle sind axial ausgerichtet und mäanderförmig zwischen den Gehäuseteilen angeordnet. Darüber hinaus weist das Gehäuse zwischen den beiden Gehäuseteilen jeweils Umlenkungen der Kühlkanäle an ihren jeweiligen Enden nach Zusammenstecken der Gehäuseteile zu einem Gehäuse auf. Um den Strömungswiderstand niedrig zu halten, weisen die axial ausgerichteten Kühlkanäle glatte Innenwände auf. Somit bildet sich beim Durchströmen der Kühlkanäle mit einer Kühlflüssigkeit eine laminare Strömung aus, die zu den glatten Innenwänden hin aufgrund sich ausbildender Strömungsschichten mit verlangsamter Strömungsgeschwindigkeit einen erhöhten Wärmewiderstand aufweist, womit ein intensiver Wärmeaustausch zwischen den Wänden des Kühlkanals und der Kühlflüssigkeit behindert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Effektivität der Kühlung der elektrischen Maschine zu verbessern, ohne den Raumbedarf für eine Flüssigkeitskühlung zu erhöhen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Mit einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse für eine elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung geschaffen, wobei das Gehäuse ein äußeres Gehäuseteil und ein inneres Gehäuseteil aufweist. Ein Kühlflüssigkeitskanal ist zwischen dem äußeren Gehäuseteil und dem inneren Gehäuseteil mediendicht angeordnet und dient zum Strömen einer Kühlflüssigkeit in einer Strömungsrichtung. In den Kühlflüssigkeitskanal ragen Verwirbelungsstege hinein, wobei die Verwirbelungsstege sich quer zu einer Hauptströmungsrichtung der Kühlflüssigkeit erstrecken und zum Erzeugen von Turbulenzen in der Kühlflüssigkeit dienen.
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Dabei sind die Verwirbelungsstege vorzugsweise jeweils in Umfangsrichtung einer äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils und/oder in Umfangsrichtung einer Innenfläche des äußeren Gehäuseteils verlaufend und somit quer zur Hauptströmungsrichtung der Kühlflüssigkeit angeordnet.
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Mit diesem ersten Aspekt der Erfindung ist der Vorteil verbunden, dass eine wirkungsvollere Flüssigkeitskühlung als bei herkömmlichen Elektromotoren mit mäanderförmigen Kühlkanälen, wie sie aus der obigen Druckschrift bekannt sind, erreicht wird. Durch die wirkungsvollere Flüssigkeitskühlung wird eine Leistungssteigerung gegenüber baugleichen elektrischen Maschinen gleicher Größe erreicht. Durch die erfindungsgemäßen Verwirbelungsstege wird die Effizienz der Wärmeübertragung durch Verwirbelung der die Wärmeübertragung behindernden Strömungsgrenzschichten gesteigert. Da bei laminarer, verwirbelungsfreier Strömung der Gesamtwiderstand des Wärmedurchgangs hauptsächlich in diesen Strömungsgrenzschichten zwischen Kühlkanalwand und strömender Kühlflüssigkeit liegt, kann die Wärmleitung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verwirbelungsstege erheblich verbessert werden, und die Leistung gegenüber baugleichen elektrischen Maschinen gleicher Größe erhöht werden.
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Mit derartigen Verwirbelungsstegen können die bewegten Teilchen bei turbulenter Strömung höher mit Wärmeenergie beladen werden und führen die Wärme in weit größerem Maße ab. Durch die Verwirbelungsstege quer zu der Strömungsrichtung wird an diesen Stellen der Querschnitt des Kühlkanals verengt, was zu einem schnelleren Fließen und damit zu einem intensiveren Mischen der Strömungsschichten der Kühlflüssigkeit führt, womit wiederum die Abnahme der Dicke der den Wärmewiderstand bestimmenden PrandtlGrenzschicht erreicht wird.
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In Bezug auf die Wärmekonvektion lässt sich damit ein verbesserter Wärmeübergang nicht nur durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, sondern durch wiederholtes Unterbrechen des Strömungsweges durch die Verwirbelungsstege und damit durch Erzeugen turbulenter Strömungen eine Erhöhung des Turbolenzgrades erreichen, um damit die Mischung zu verbessern bzw. gezielte Wirbelstrukturen in dem Kühlkanal zu erzeugen. Während ein Kühlflüssigkeitskanal mit glatten Kühlkanalwänden einen sehr geringen Wärmeübergang aufweist, wird durch das Anordnen der Verwirbelungsstege, die in den Kühlflüssigkeitsstrom hineinragen, eine deutliche Erhöhung des Wärmeübergangs erreicht.
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Dabei ist die Höhe der Wirbelstege geringer als die Kanalhöhe. Derartige Verwirbelungsstege können in regelmäßigen Abständen auf der Oberfläche eines Kühlkanals verteilt angebracht sein. Durch die abrupte Querschnittsänderung durch die Verwirbelungsstege quer zur Strömungsrichtung werden die Strömungsgrenzschichten an der Oberfläche unterbrochen, wodurch sich hier der Wärmeübergang erhöht. Gleichzeitig werden Sekundärströmungen erzeugt, welche sowohl den Wärmeübergang in Wandnähe steigern als auch die Durchmischung der wandnahen Bereiche der Kühlflüssigkeit mit der Hauptströmung in dem Kühlflüssigkeitskanal fördern, die das Kühlmedium verbessert an die Oberfläche führt.
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Durch ein Überströmen von Kühlflüssigkeit über die Verwirbelungsstege bildet sich zunächst ein kleines Rezirkulationsgebiet kurz vor bzw. stromaufwärts von jedem Verwirbelungssteg aus. An der oberen Kante des Verwirbelungssteges entsteht eine weitere Sekundärströmung, die sich auf einer oberen Fläche des Verwirbelungssteges fortsetzt, wobei diese weitere Sekundärströmung jedoch von der Formgebung des Verwirbelungssteges und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit abhängig ist. So ist die Sekundärströmung auf der oberen Fläche des Verwirbelungssteges größer bei einem rechteckigen Profil des Verwirbelungssteges gegenüber einem abgerundeten Profil seiner Oberseite.
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Die größte Sekundärströmung entsteht jedoch im Nachlauf bzw. stromabwärts des Verwirbelungssteges, wo sich die Strömung von der Oberfläche ablöst und sich nach einem Abstand, der einem Mehrfachen der Höhe der Verwirbelungsstege entspricht, wieder an die Oberfläche des Kühlkanals anlegt. In diesem Gebiet des Wiederanlegens bildet sich hinter dem Verwirbelungssteg ein langgestrecktes Rezirkulationsgebiet mit einer auf der Oberfläche auftretenden Strömung in der Nähe des Wiederanlagegebietes und einer sich von der Oberfläche wegbewegenden Strömung kurz hinter dem Verwirbelungssteg aus.
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In der Nähe des Wiederanlagebereichs wird durch eine senkrechte Strömungskomponente sowie durch Zuführen eines kühleren Fluids aus der Mitte des Kühlflüssigkeitskanals ein relativ hoher Wärmeübergang erreicht, welcher sich stromabwärts des Verwirbelungssteges eine begrenzte Strecke fortsetzt. Vor dem Verwirbelungssteg ist der Wärmeübergang hingegen etwas geringer durch die hier von der Oberfläche weggerichtete Strömung. Jedoch verbessern die beiden Sekundärströmungen vor und auf dem Verwirbelungssteg den Wärmeübergang in diesem Bereich.
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Für einen hohen Wärmeübergang ist deshalb der Abstand der Verwirbelungsstege entscheidend. Dabei ist die Ausbreitung der Sekundärströmungen stromaufwärts und stromabwärts der Verwirbelungsstege und der Wiederanlagebereich entscheidend. Somit liegt in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Abstand zwischen zwei benachbarten Verwirbelungsstegen in der Größenordnung des Siebenfachen bis Fünfzehnfachen der Höhe eines Verwirbelungsstegs mit 7·h ≤ a ≤ 15·h, wobei h die Höhe des Verwirbelungsstegs und a der Abstand zwischen benachbarten Verwirbelungsstegen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass zwischen den Verwirbelungsstegen Verwirbelungsnuten in Form von Stegunterbrechungen vorgesehen werden, wobei die Verwirbelungsnuten in Strömungsrichtung ausgerichtet sind und zum Erzeugen von Turbulenzen in der Kühlflüssigkeit dienen. Dabei entstehen in vorteilhafter Weise Sekundärströmungen, die sich quer zur Strömungsrichtung an den Nutkanten ausbilden und somit die turbulente Strömung verstärken und den Wärmeübergang zwischen einer Kühlkanalwand und dem Kühlmedium weiter verbessern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das äußere Gehäuseteil und das innere Gehäuseteil zylinderförmig ausgebildet und werden zueinander im Bezug auf die Rotor- bzw. Statorachse der elektrischen Maschine koaxial angeordnet. Zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuseteil bildet sich der zylinderförmigen Hohlraum, der dann als der Kühlflüssigkeitskanalmedien- also luftdicht verschlossen ist und mit einem Einlass und einem Auslass für die Kühlflüssigkeit versehen ist.
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Damit erstreckt sich der Kühlkanal zwischen einer äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils und einer zylindrischen Innenfläche des äußeren Gehäuseteils, wobei die Verwirbelungsstege axial, also vorzugsweise parallel zur Rotorachse der elektrischen Maschine, auf der äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils äquidistant auf dem Umfang der äußeren Mantelfläche verteilt oder auf der zylindrischen Innenfläche des äußeren Gehäuseteils äquidistant auf dem Umfang der Innenfläche des äußeren Gehäuseteils verteilt angeordnet sind. Auf eine Unterteilung des Kühlkanals durch eine Vielzahl von Trennstegen in eine mäanderförmige Kühlkanalstruktur kann verzichtet werden, so dass sich die Kanalgeometrie in vorteilhafter Weise grundlegend vereinfacht gegenüber herkömmlichen Flüssigkeitskühlungen von elektrischen Maschinen. Lediglich die äußere Mantelfläche des inneren Gehäuseteils oder die zylindrische Innenfläche des äußeren Gehäuseteils ist durch Verwirbelungsstege und Verwirbelungsnuten, welche die Innenwand des äußeren Gehäuseteils oder die äußere Mantelfläche des inneren Gehäuseteils nicht berühren, strukturiert. Nur ein einziger in axialer Richtung ausgerichteter Trennsteg erstreckt sich von der äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils zu einer Innenfläche des äußeren Gehäuseteils und trennt damit einen Einlassbereich von einem Auslassbereich für die Kühlflüssigkeit des Kühlflüssigkeitskanals.
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Weiterhin ist es vorgesehen, durch Fließpressen aus einem Metall oder einer Metalllegierung z. B. aus Reinaluminium oder Aluminiumknetlegierungen, das innere Gehäuseteil herzustellen, deren Wärmeleitfähigkeiten annähernd doppelt so hoch ist wie bei Aluminiumdruckgusslegierungen. Zur Formung der Gehäuseteile werden deshalb nicht die üblichen Druckgussaluminiumlegierungen eingesetzt, sondern Aluminiumknetlegierungen, die sich für ein Fließpressen eignen und derart verdichtet sind, dass ihre Wärmeleitfähigkeit nahezu verdoppelt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Oberfläche der äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils und/oder die Oberfläche der Innenfläche des äußeren Gehäuseteils eine Oberflächenrauheit auf, deren Rauheitsspitzen in den Flüssigkeitskanal hineinragen. Dabei erreicht die Rauheitsspitze der Oberflächenrauheit vorteilhafterweise mindestens eine Dicke einer Prandtl-Grenzschicht, die sich bei laminarer Strömung auf der glatten äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils und/oder der glatten Oberfläche der Innenfläche des äußeren Gehäuseteils herausbilden würde, und verursacht somit eine Verwirbelung der Strömung in der Kühlflüssigkeit.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine elektrische Maschine mit Flüssigkeitskühlung, das ebenfalls ein äußeres Gehäuseteil und ein inneres Gehäuseteil aufweist, zwischen denen ein Kühlflüssigkeitskanal mediendicht angeordnet ist, wobei eine Oberfläche einer äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils und/oder eine Oberfläche einer Innenfläche des äußeren Gehäuseteils eine Oberflächenrauheit aufweist, deren Rauheitsspitzen in den Flüssigkeitskanal hineinragen. Bei diesem Aspekt der Erfindung wird eine relativ hohe interne Wärmeübergangszahl dadurch erreicht, dass eine raue Oberfläche aufgrund von Mikroturbulenzen einen höheren Wärmeübergang liefert als eine glatte Oberfläche. Eine weitere Abhängigkeit ergibt sich aus dem Verhältnis der Oberflächenrauheitshöhe bezogen auf die Dicke der laminaren Grenzschicht, bekannt als Prandtl-Grenzschicht, die sich beim Durchströmen der Kühlflüssigkeit in dem Kühlflüssigkeitskanal einstellt. Die Höhe der Rauheitsspitzen auf der Oberfläche des Kühlkanals hat dabei einen erheblichen Einfluss auf eine Erhöhung des Wärmeübergangs, insbesondere wenn die Höhe der Rauheitsspitzen bzw. die Oberflächenrauheitstiefe die Dicke dieser Grenzschicht übersteigt.
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Ein lediglich raue Oberflächen der wärmeübertragenden Wandflächen im Kühlflüssigkeitskanal aufweisendes Gehäuse für elektrische Maschine hat den Vorteil, dass beim Durchströmen des Kühlflüssigkeitskanals ein deutlich niedrigerer Druckverlust auftritt als bei einem Flüssigkeitskanal, der mit quer zur Strömungsrichtung angeordneten Verwirbelungsstegen ausgestattet ist. Somit hat dieses Gehäuse für elektrische Maschine des zweiten Aspekts der Erfindung den Vorteil einer relativen Erhöhung des Wärmeübergangs bei unverändert hoher Pumpleistung und eines mit steigenden Reynoldszahlen steigenden Wärmeübergangs.
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Bei diesem zweiten Aspekt der Erfindung ist lediglich ein einziger Trennsteg in axialer Richtung, der sich radial von der äußeren Mantelfläche des inneren Gehäuseteils zu einer Innenfläche des äußeren Gehäuseteils erstreckt, vorgesehen, um einen Kühlflüssigkeitseinlassbereich von einem Kühlflüssigkeitsauslassbereich zu trennen.
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Bei der Auslegung der Oberflächenrauheitstiefe ist es von Vorteil, wenn die im Betrieb geringste mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in dem Kühlflüssigkeitskanal zugrunde gelegt wird, da die Dicke der Prandtl-Grenzschicht für die geringste Strömungsgeschwindigkeit am größten ist.
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Für beide Aspekte der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste äußere Gehäuseteil einen ersten Lagerschild und das zweite innere Gehäuseteil einen zweiten Lagerschild für die Aufnahme eines ersten bzw. zweiten Lagers zur Lagerung eines Rotors aufweist, so dass der Rotor durch das Zusammenschieben der beiden Gehäuseteile montiert und gelagert werden kann.
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Für beide Aspekte der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Rotor eine Wicklung aufweist, die entweder mit Bürsten und Schleifringen oder bürstenlos und induktiv mit einem Resolver in Verbindung steht. Der Stator weist ein Statorblechpaket mit einer Statorwicklung auf, dessen Verlustwärme über dem inneren Gehäuseteil durch eine Flüssigkeitskühlung abgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem oben beschrieben Gehäuse bereitgestellt, wobei das Gehäuse die Statoreinheit umschließt und mit dem Kühlflüssigkeitskanal die Statoreinheit kühlt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben dargestellten Gehäuses sind, soweit im Übrigen auf die oben genannte elektrische Maschine übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine anzusehen.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Kühlflüssigkeitskanals eines Gehäuses einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines inneren Gehäuseteils des Gehäuses;
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3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des inneren Gehäuseteils gemäß 2;
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4 zeigt einen quer geschnittenen Ausschnitt des Kühlflüssigkeitskanals gemäß 3;
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines inneren Gehäuseteils einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des inneren Gehäuseteils gemäß 5;
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich des inneren Gehäuseteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des inneren Gehäuseteils gemäß 7.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Kühlflüssigkeitskanals 4 eines Gehäuses 1 einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Kühlflüssigkeitskanal 4 ist zwischen einem äußeren Gehäuseteil 2 und einem inneren Gehäuseteil 3 angeordnet und weist eine Kanalhöhe kh auf. Auf einer äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3, die entsprechend dem Außendurchmesser des inneren Gehäuseteils 3 gekrümmt ist, sind Verwirbelungsstege 5 mit einer Höhe h angeordnet.
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Zur Vereinfachung der Darstellung wird in 1 die Krümmung der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 nicht dargestellt. Die Krümmung der Innenfläche 9 des äußeren Gehäuseteils 2 ist ebenfalls in 1 begradigt. Die Höhe h der Verwirbelungsstege 5 ist deutlich geringer als die Kanalhöhe kh. Die parabolische Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit der Hauptströmung 14 in dem Kühlflüssigkeitskanal 4 wird mit der Länge der Pfeile A lediglich angedeutet und ist nicht maßstabsgerecht.
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Durch das Überströmen der Verwirbelungsstege 5 bildet sich ein kleines Rezirkulationsgebiet 15 als eine erste Sekundärströmung 16 kurz vor bzw. stromaufwärts des Verwirbelungsstegs 5 aus. An der oberen Kante 17 der Verwirbelungsstege 5 entsteht eine wietere Sekundärströmung 18 auf einer oberen Fläche 19 des Verwirbelungssteges 5, welche jedoch stark von der Ausführungsform des Verwirbelungssteges 5 abhängt, der wie hier gezeigt ein rechteckiges Profil aufweist, jedoch auch eine abgerundete Oberseite 19 aufweisen kann. Außerdem beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit der Hauptströmung 14 ebenfalls die Ausbildung dieser weiteren Sekundärströmung 18.
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Die größte Sekundärströmung 20 entsteht stromabwärts des Verwirbelungssteges 5 als Nachlauf, wo sich die Strömung von der Oberfläche zunächst ablöst und sich nach einem Abstand eines mehrfachen der Höhe h des Verwirbelungsstegs 5 wieder an die äußere Mantelfläche 7 in einem Wiederanlegegebiet 22 anlegt. Bis zu dem Wiederanlegegebiet 22 bildet sich stromabwärts des Verwirbelungssteges ein zweites Rezirkulationsgebiet 21 aus. Dieses zweite Rezirkulationsgebiet 21 weist zunächst eine auf die äußere Mantelfläche 7 senkrecht auftreffende Strömung in der Nähe des Wiederanlegegebiets 22 auf. Kurz hinter dem Verwirbelungssteg 5 bildet sich in dem Rezirkulationsgebiet 21 eine von der äußeren Mantelfläche 7 wegbewegende Strömung aus. In der Nähe des Wiederanlegegebiets 22 wird durch die senkrechte Strömungskomponente sowie durch Zuführung kühlerer Flüssigkeit aus der Hauptströmung 14 ein sehr hoher Wärmeübergang erreicht, welcher sich entgegen der Hauptstromrichtung stromabwärts des Verwirbelungssteges 5 eine gewisse Strecke auf der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 fortsetzt.
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Kurz vor der ersten Sekundärströmung 16 ist der Wärmeübergang geringer durch die dort von der äußeren Mantelfläche 7 weggerichtete Strömung. Jedoch erhöhen die beiden Sekundärströ- mungen 16 und 18 vor und auf dem Verwirbelungssteg 5 den Wärmeübergang. Für einen möglichst hohen Wärmeübergang wird der Abstand a zwischen benachbarten Verwirbelungsstegen 5 derart gewählt, dass nur ein minimaler Abstand zwischen der Sekundärströmung vor einem nachfolgenden Verwirbelungssteg 5 und dem Wiederanlegegebiet 22 vorhanden ist. Der Abstand a zwischen den benachbarten Verwirbelungsstegen 5 wird deshalb im Bereich von 7·h ≤ a ≤ 15·h wie oben bereits erörtert gewählt.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines inneren Gehäuseteils 3 des Gehäuses 1. Bei dieser Darstellung in 2 wird nun die Krümmung der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 gezeigt und die beiden an den Verwirbelungsstegen 5 entstehenden Sekundärströmungen 16 vor einem Verwirbelungssteg 5 und 20 nach einem Verwirbelungssteg werden in 2 nochmals im Verhältnis zu der Hauptströmung 14 skizziert. Durch die von den Verwirbelungsstegen 5 ausgelösten Turbulenzen wird eine laminare Strömung mit ihren relativ niedrigen Wärmeübergangswerten der Prandtl-Grenzschicht effektiv gestört, so dass eine intensive Wärmekonvektion von der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 zu der Hauptströmung 14 der Kühlflüssigkeit erfolgen kann.
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3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des inneren Gehäuseteils 3 gemäß 2. Dieses innere Gehäuseteil 3 des Gehäuses 1 nimmt in einem Gehäuselagersitz ein Lager des hier nicht gezeigten Rotors auf. Außerdem ist auf der Innenseite dieses inneren Gehäuseteils 3 eine in dieser perspektivischen Ansicht nicht sichtbare Statorwicklung angeordnet, die durch den hier gezeigten Kühlflüssigkeitskanal 4 intensiver als bei bisherigen Ausführungsformen einer Flüssigkeitskühlung einer elektrischen Maschine gekühlt werden kann, und zwar dadurch, dass auf der äußeren Mantelfläche 7 dieses inneren Gehäuseteils 3 die hier gezeigten Verwirbelungsstege 5 äquidistant auf dem Umfang der äußeren Mantelfläche 7 verteilt angeordnet sind.
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Wie die vorhergehenden 1 und 2 bereits gezeigt haben, ist die Höhe dieser Verwirbelungsstege 5 deutlich geringer als die eigentliche Kanalhöhe, die dadurch erreicht wird, dass auf dieses innere Gehäuseteil 3 ein in 3 nicht gezeigtes äußeres Gehäuseteil aufgeschoben wird, wobei der Innendurchmesser der Innenwand des äußeren Gehäuseteils größer als der Außendurchmesser der hier gezeigten Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 ist. Die Richtung der Hauptströmung 14 der Kühlflüssigkeit ist radial und ist durch die Pfeilrichtung A gekennzeichnet. Am oberen Rand der hier gezeigten äußeren Mantelfläche 7 ist ein Trennsteg 8 angeordnet, der sich von der äußeren Mantelfläche 7 bis zu einer in 4 gezeigte Innenfläche 9 des äußeren Gehäuseteils 2 erstreckt, so dass auf einer Seite des Trennsteges 8 ein Einlassbereich 10 für die Kühlflüssigkeit von einem auf der gegenüberliegenden Seite des Trennsteges 8 vorgesehenen Auslassbereich 11 für die Kühlflüssigkeit getrennt ist.
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Außerdem zeigt 3, dass die Verwirbelungsstege 5 Verwirbelungsnuten 6 aufweisen, die in Strömungsrichtung angeordnet sind. An Kanten dieser Verwirbelungsnuten 6 bilden sich Rezirkulationsgebiete mit Sekundärströmungen aus, die im Nahbereich der Verwirbelungsnuten Turbulenzen 12 in axialer Richtung quer zu dem Hauptstrom der Kühlflüssigkeit induzieren und damit den Wärmeübergang zwischen dem inneren Gehäuseteil 3 und der Kühlflüssigkeit zusätzlich verbessern.
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4 zeigt einen quer geschnittenen Ausschnitt des Kühlflüssigkeitskanals 4 gemäß 3. In diesem quer geschnittenen Ausschnitt wird der Kühlflüssigkeitskanal 4 einerseits von der bereits oben diskutierten Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 und radial nach außen durch eine Innenfläche 9 des äußeren Gehäuseteils 2 begrenzt. In dem zwischen dem äußeren Gehäuseteil 2 und dem inneren Gehäuseteil 3 angeordneten Kühlflüssigkeitskanal 4 sind auf der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 Verwirbelungsstege 5 angeordnet, die nicht die volle Kanalhöhe erreichen. Außerdem zeigt 4 den Trennsteg 8, der sich von der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 bis zu der Innenfläche 9 des äußeren Gehäuseteils 2 erstreckt. Die Strömungsrichtung ist von einem Kühlflüssigkeitseinlassbereich 10 auf einer Seite des Trennsteges 8 mit den Pfeilen A markiert und endet in einem Kühlflüssigkeitsauslassbereich 11 auf einer gegenüberliegenden Seite des Trennsteges 8.
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines inneren Gehäuseteils 3 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Durch die Pfeile A wird wieder die Hauptstromrichtung der Kühlflüssigkeit markiert. Außerdem bilden sich neben den beiden Sekundärströmungen 16 und 20 jeweils vor und hinter einem der Verwirbelungsstege 5 zusätzlich Mikroturbulenzen 25 aus, die zusätzlich die Wärmeleitung verbessern und auf der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 durch eine Aufrauung der Mantelfläche 7 verursacht werden.
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Durch die Aufrauung der Mantelfläche 7, welche die Rauheitsspitzen 13 aufweist, die größer sind als die Dicke der zu erwartenden Prandtl-Grenzschicht einer glatten Mantelfläche, wird somit der Wärmeaustausch zwischen dem inneren Gehäuseteil 3 und dem Kühlflüssigkeitsstrom intensiviert. Dabei kann die Aufrauung der Mantelfläche 7 in Form von Rillen oder Riefen quer zur Strömungsrichtung mittels Fließpressen erfolgen.
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Dazu zeigt 6 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des inneren Gehäuseteils 3 gemäß 5. Durch das Fließpressverfahren können langgestreckte Riefen mit Rauheitsspitzen 13 in die Mantelfläche 7 zwischen den Verwirbelungsstegen 5 eingebracht sein.
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Während in der Ausführungsform gemäß 5 und 6 noch Verwirbelungsstege 5 auf der äußeren Mantelfläche 7 vorgesehen sind, wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die mit den 7 und 8 gezeigt wird, auf die zusätzlichen Verwirbelungsstege 5 ganz verzichtet.
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Wie 7 mit einem Querschnitt eines Teilbereichs des inneren Gehäuseteils 3 zeigt, wird lediglich die Mantelfläche 7 aufgeraut, so dass eine Vielzahl von Mikroturbulenzen 25 die Ausbildung von laminaren Grenzschichten verhindert. Eine Folge ist, dass nahezu die gleiche Pumpleistung eines Kühlkanals, wie sie mit glatten Mantelflächen erreichbar ist, bei jedoch erheblich verbessertem Wärmeübergang erreicht werden kann. Die Effektivität der Kühlung wird aufgrund der Mikroturbulenzen deutlich um mehrere 10 Prozent gegenüber glatten Kanalwänden erhöht.
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8 zeigt dazu eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des inneren Gehäuseteils 3 gemäß 7, mit dem deutlich wird, dass bei dieser Ausführungsform auf Verwirbelungsstege auf der äußeren Mantelfläche 7 des inneren Gehäuseteils 3 ganz verzichtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse für eine elektrische Maschine
- 2
- äußeres Gehäuseteil
- 3
- inneres Gehäuseteil
- 4
- Kühlflüssigkeitskanal
- 5
- Verwirbelungssteg
- 6
- Verwirbelungsnut
- 7
- äußere Mantelfläche des inneren Gehäuseteils
- 8
- Trennsteg
- 9
- Innenfläche des äußeren Gehäuseteils
- 10
- Kühlflüssigkeitseinlassbereich
- 11
- Kühlflüssigkeitsauslassbereich
- 12
- Turbulenzen
- 13
- Rauheitsspitzen
- 14
- Hauptströmung
- 15
- kleines Rezirkulationsgebiet
- 16
- erste Sekundärströmung
- 17
- obere Kante der Verwirbelungsstege
- 18
- weitere Sekundärströmung
- 19
- obere Fläche bzw. Oberseite der Verwirbelungsstege
- 20
- größte Sekundärströmung
- 21
- zweites Rezirkulationsgebiet
- 22
- Wiederanlegegebiet
- 25
- Mikroturbulenzen
- a
- Abstand
- A
- Pfeil
- h
- Höhe eines Verwirbelungsstegs
- kh
- Kanalhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004022557 A1 [0002]
