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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einer derartigen Elektromaschine ausgestattetes Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
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Gattungsgemäße Elektromaschinen sind bereits vielfältig bekannt und werden insbesondere zum Antrieb von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen genutzt. Die Elektromaschine besteht dabei üblicherweise aus einem feststehenden Stator und einem relativ dazu drehbaren Rotor, die innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind. Beim Betrieb der Elektromaschine entsteht Wärme und zwar unabhängig vom Betriebszustand (motorisch oder generatorisch), die abgeführt werden muss. Dies ist beim Stator vergleichsweise einfach möglich, da dieser eine flächige Verbindung zum Gehäuse der Elektromaschine aufweist, so dass hier die entstehende Wärme gut abfließen kann. Demgegenüber wird die am Rotor entstehende Wärme üblicherweise nur über die Konvektion der Luft und damit vergleichsweise schlecht abgeleitet. Da unterhalb ihrer thermischen Grenzen betriebene Elektromaschinen üblicherweise eine höhere Leistung aufweisen, ist es wünschenswert, diese gezielt zu kühlen.
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Aus der
EP 0 746 082 B1 ist eine gattungsgemäße Elektromaschine in der Art eines Außenläufermotors mit einem an einem wärmeleitenden Flansch wärmeleitend befestigten Innenstator bekannt. Die Elektromaschine weist ferner einen Außenrotor auf, der eine im Wesentliche ebene und glatte Oberfläche besitzt sowie einen wärmeleitend mit dem Flansch verbundenen Kühlkörper aus einem wärmeleitenden Material, der den Außenrotor mit geringem Abstand zumindest sektorweise umgibt, so dass der vom drehenden Außenrotor durch diesen Abstand hindurch transportierte Luftstrom Wärme vom Kühlkörper und damit vom Flansch und vom Innenstator ableiten kann. Hierdurch soll eine effektive Kühlung der Elektromaschine bewirkt werden.
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Aus der
US 6,531,795 B2 ist ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend eine Antriebswelle und eine Elektromaschine, durch welche die Antriebswelle zur Drehung antreibbar ist. Die Elektromaschine kann selbstverständlich auch als Generator betrieben werden. Die Elektromaschine weist darüber hinaus eine Statoranordnung und eine mit der Antriebswelle drehbar permanent magnetisch wirkende Rotoranordnung auf, wobei zur verbesserten Kühlung eine Wärmeübertragungsanordnung vorgesehen ist, durch welche vorzugsweise mittels eines Wärmeübertragungsfluids die Rotoranordnung auf eine gewünschte Betriebstemperatur gebracht und/oder im Bereich der gewünschten Betriebstemperatur gehalten werden kann.
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Aus der
US 2002/0027396 A1 ist eine rotierende elektrische Maschine mit einem permanent erregten Rotor bekannt, wobei ein rohrförmiger, gut wärmeleitender Tragkörper des Stators eine Wärmebrücke zu einem Kühlmittel bildet. Um auch die Wickelköpfe der Statorwicklungen wirksam kühlen zu können, ist auch diesen jeweils eine Wärmebrücke zugeordnet, die den Zwischenraum zwischen den Wickelköpfen und dem Tragkörper des Stators vollständig aushüllt. Diese Wärmebrücke ist massiv ausgebildet und besteht aus einem mit dem Tragkörper des Stators kraftschlüssig verbundenen Feststoffring sowie einem in diesem Feststoffring eingegossenen Gießharzkörper, der eine definierte thermische Leitfähigkeit aufweist und hierzu einen pulverförmigen, gut wärmeleitenden Füllstoff besitzt.
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Aus der
US 2012/0062052 A1 ist ein Rotor für einen Elektro-Außenläufermotor bekannt, bestehend aus einer Rotorglocke mit einer Umfangswandung und mindestens einem einseitigen Rotorboden zum Umschließen eines Stators, insbesondere als Teil eines Motorgehäuses hoher IP-Schutzart. Die Rotorglocke weist einen den Rotorboden durchgreifenden Kühlkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die innenseitig entstehende Motorwärme über den Kühlkörper durch den Rotorboden hindurch nach außen an die Umgebung abgeführt werden kann.
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Eine weitere Elektromaschine ist aus der
JP 2006-282158 bekannt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Elektromaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine höhere Leistung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Elektromaschine, insbesondere für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, vor allem im Stillstand effektiv kühlen zu können, wodurch die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Elektromaschine insbesondere bei kurzen Abstellzeiten bzw. kurzen Abkühlzeiten erhöht werden kann, da die Kühlung innerhalb der Abstell-/Abkühlzeit verbessert wird. Die erfindungsgemäße Elektromaschine weist ein Gehäuse sowie einen darin angeordneten Rotor auf, ebenso wie eine Wärmeleiteinrichtung, die den Rotor im Stillstand wärmeübertragend mit dem Gehäuse verbindet und dadurch eine effektive Kühlung des Rotors bei stillstehender Elektromaschine bewirkt. Bei herkömmlichen Elektromaschinen kühlt der Stator vergleichsweise schnell ab, da dieser üblicherweise flächig mit dem Gehäuse verbunden ist. Der Rotor hingegen kühlt üblicherweise lediglich über die Konvektion der Luft ab, wodurch dessen Abkühlgeschwindigkeit im Vergleich zur Abkühlgeschwindigkeit des Stators deutlich reduziert ist. Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmeleiteinrichtung kann die Abkühlgeschwindigkeit des Rotors bei stillstehender Elektromaschine deutlich gesteigert werden, da diese den Rotor wärmeübertragend mit dem Gehäuse verbindet und so für eine schnelle Wärmeabfuhr sorgt. Da mit der erfindungsgemäßen Wärmeleiteinrichtung nunmehr auch eine nicht mehr ausschließlich über Konvektion erfolgende Wärmeabführung stattfindet, kann die gesamte Elektromaschine besser gekühlt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Wärmeleiteinrichtung vom Gehäuse in Richtung des Rotors abstehende und bewegliche Wärmeleitelemente auf, die bei stillstehendem Rotor wärmeübertragend an diesem anliegen und bei rotierendem Rotor aufgrund des vom Rotor erzeugten Luftstroms vom Rotor abheben. Die Wärmeleitelemente können dabei aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet sein, und insbesondere eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweisen, um bei stillstehendem Rotor eine möglichst rasche Wärmeabführung und damit eine möglichst rasche Abkühlung des Rotors bewirken zu können. Eine derart ausgebildete Wärmeleiteinrichtung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass diese keinen zusätzlichen Aktuator zum Aktivieren der Wärmeleiteinrichtung und zum Verstellen der Wärmeleitelemente erfordert, da diese automatisch bei stillstehendem Rotor eine Wärmebrücke zwischen dem Rotor und dem Gehäuse bilden und lediglich bei rotierendem Rotor aufgrund des von diesem erzeugten Luftwirbels von dem Rotor abheben und damit die Wärmebrücke unterbrechen. Die Wärmeleitelemente können dabei beispielsweise als Wärmeleitflächen ausgebildet sein. Um die Funktionsssicherheit zu erhöhen, sind die Wärmeleitelemente vorzugsweise aus nicht-magnetischem Material.
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Zweckmäßig sind die Wärmeleitelemente in Umfangsrichtung des Rotors geneigt und liegen somit spiralartig an einem Außenumfang des Rotors an, sofern dieser stillsteht. Wird dagegen der Rotor in Drehung versetzt, wirken die Wärmeleitelemente wie Tragflächen und werden aufgrund des vom Rotor erzeugten Luftstroms von demselben abgehoben.
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Alternativ zu der in den vorherigen Absätzen beschriebenen Wärmeleiteinrichtung kann diese auch eine zwischen dem Rotor und dem Gehäuse gelegene Schaltkulisse aufweisen mit zwei koaxial und verdrehbar zueinander angeordneten Ringen, sowie zumindest vier Wärmeleitelementen, die jeweils gelenkig mit den beiden Ringen verbunden sind. Ein Verdrehen der beiden Ringe zueinander bewirkt dabei ein Verstellen der Wärmeleitelemente und insbesondere ein wärmeübertragendes Kontaktieren des Rotors mit dem Gehäuse. Werden die beiden Ringe relativ zueinander in die entgegengesetzte Richtung verdreht, werden die Wärmeleitelemente sowohl vom Gehäuse als auch vom Rotor abgehoben und unterbrechen dadurch die durch die Wärmeleitelemente gebildete Wärmebrücke.
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Ein Aktivieren der erfindungsgemäßen Wärmeleiteinrichtung kann beispielsweise mittels eines Aktuators erfolgen, der zum Verdrehen zumindest eines der beiden Ringe der Wärmeleiteinrichtung vorgesehen ist. Der Aktuator selbst kann elektrisch oder mittels Fliehkraft betätigt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch
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1a eine erfindungsgemäße Elektromaschine mit stillstehendem Rotor und einer Wärmeleiteinrichtung, die den Rotor übertragen mit einem Gehäuse der Elektromaschine verbindet,
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1b eine Darstellung wie in 1a, jedoch mit rotierendem Rotor,
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2a eine Darstellung wie in 1a, jedoch bei einer anders ausgebildeten Wärmeleiteinrichtung,
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2b eine Darstellung wie in 1b, jedoch ebenfalls mit veränderter Wärmeleiteinrichtung,
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3 eine Detaildarstellung der in den 2a, b gezeigten Wärmeleiteinrichtung.
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Entsprechend den 1 und 2 weist eine erfindungsgemäße Elektromaschine 1 ein Gehäuse 2 auf sowie einen darin angeordneten Rotor 3. Der Rotor 3 ist dabei drehbar gegenüber einem feststehenden Stator 4 gelagert, der gemäß der 1a innerhalb des Rotors 3 angeordnet ist. In den 1b sowie 2a und 2b wurde der Stator 4 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Die Elektromaschine 1 gemäß den 1 und 2 ist somit als Außenläufer ausgebildet, wobei der erfindungsgemäße Gedanke selbstverständlich auch bei einer als Innenläufer ausgebildeten Elektromaschine 1 verwirklichbar ist. Eingesetzt wird die erfindungsgemäße Elektromaschine 1 in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug 5, das ebenfalls lediglich rein schematisch in der 1a angedeutet ist.
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Um nun eine möglichst rasche Abkühlung der Elektromaschine 1 und insbesondere deren Rotor 3 nach dem Betrieb ermöglichen zu können, ist erfindungsgemäß eine Wärmeleiteinrichtung 6 vorgesehen, die den Rotor 3 im Stillstand wärmeübertragend mit dem Gehäuse 2 verbindet und dadurch eine Wärmebrücke zwischen diesen beiden Komponenten 2, 3 bildet. Aufgrund der mittels der Wärmeleiteinrichtung 6 gebildeten Wärmebrücke kann die Wärme des Rotors 3 vergleichsweise rasch über das Gehäuse 2 in die Umgebung abgegeben werden, so dass der Rotor 3 vergleichsweise schnell abgekühlt werden kann. Der Stator 4 ist üblicherweise ebenfalls wärmeübertragend mit dem Gehäuse 2 verbunden, so dass auch dieser bei einem Stillstand der Elektromaschine 1, insbesondere nach dessen Gebrauch, rasch abkühlen kann.
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Gemäß den 1a und 1b weist die erfindungsgemäß vorgesehene Wärmeleiteinrichtung 6 vom Gehäuse 2 in Richtung des Rotors 3 abstehende und bewegliche Wärmeleitelemente 7 auf, die bei stillstehendem Rotor 3 (vergleiche 1a) wärmeübertragend am Rotor 3 anliegen und bei rotierendem Rotor 3 (vergleiche 1b) aufgrund des vom Rotor 3 erzeugten Luftstroms vom Rotor 3 abheben, wodurch die Wärmebrücke zum Gehäuse 2 unterbrochen wird. Die Wärmeleitelemente 7 können dabei als Wärmeleitbleche ausgebildet sein. Ebenfalls können die Wärmeleitelemente 7 in Umfangsrichtung des Rotors 3 geneigt sein, was insbesondere die Abhebebewegung bei rotierendem Rotor 3 erleichtert, da in diesem Fall die Wärmeleitelemente 7 in der Art von Tragflächen wirken, die mittels des vom Rotor 3 erzeugten Luftstroms angehoben werden. Die Drehzahl des Rotors 3 ist dabei mit n bezeichnet, so dass bei einer Drehzahl von n = 0 gemäß den 1a und 2a der Rotor 3 stillsteht und in diesem Fall die Wärmeleiteinrichtung 6 den Rotor 3 wärmeübertragend mit dem Gehäuse 2 verbindet. Eine besonders große wärmeübertragende Verbindung ergibt sich dann, wenn die freien Enden der Wärmeleitelemente 7 teilweise flächig am Rotor 3 anliegen bzw. diesen teilweise umschlingen.
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In den 2a und 2b besitzt die Wärmeleiteinrichtung 6 eine zwischen dem Rotor 3 und dem Gehäuse 2 gelegene Schaltkulisse 8, die in detaillierter Darstellung nochmals in 3 gezeigt ist. Die Schaltkulisse 8 besitzt zwei koaxial und verdrehbar zueinander angeordnete Ringe 9, 9’ sowie zumindest vier, vorzugsweise sogar mehr, Wärmeleitelemente 7’, die jeweils gelenkig mit den beiden Ringen 9, 9’ verbunden sind. Ein Verdrehen der beiden Ringe 9, 9’ relativ zueinander bewirkt dabei ein Verstellen der Wärmeleitelemente 7’ und dadurch ein wärmeübertragendes Kontaktieren des Rotors 3 mit dem Gehäuse 2.
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Gemäß der 2a ist dabei der Rotor 3 wieder im Stillstand gezeigt, in welchem die Wärmeleitelemente 7’ eine Wärmebrücke zwischen dem Rotor 3 und dem Gehäuse 2 bilden. Demgegenüber rotiert der Rotor 3 gemäß der 2b, weshalb in diesem Zustand die Wärmeleitelemente 7’ zumindest vom Rotor 3, vorzugsweise aber zusätzlich auch vom Gehäuse 2 abgehoben sind. Zum Verdrehen der beiden Ringe 9, 9’ relativ zueinander kann ein Aktuator 10 vorgesehen sein, der beispielsweise elektrisch oder mittels Fliehkraft betätigbar ist. Als Aktuator 10 kann beispielsweise eine mit beiden Ringen 9, 9’ verbundene Walze vorgesehen sein. Mit der erfindungsgemäßen Wärmeleiteinrichtung 6 ist es möglich, die erfindungsgemäße Elektromaschine 1 insbesondere nach einem Betrieb vergleichsweise rasch abkühlen zu können, wodurch diese bei einer Wiederinbetriebnahme nicht so schnell an ihre thermischen Grenzen stößt und dadurch leistungsfähiger ist. Durch die wärmeübertragende Kopplung des Rotors 3 mit dem Gehäuse 2 kann insbesondere der bisher schlecht kühlbare Rotor 3 nunmehr deutlich schneller abgekühlt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0746082 B1 [0003]
- US 6531795 B2 [0004]
- US 2002/0027396 A1 [0005]
- US 2012/0062052 A1 [0006]
- JP 2006-282158 [0007]
