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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Klauenpolmaschine, mit einem Rotor und wenigstens einem von dem Rotor angetriebenen Lüfterrad, das über mehrere von einem Grundkörper des Lüfterrads ausgehende Lüfterschaufeln verfügt.
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Stand der Technik
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Die elektrische Maschine der eingangs genannten Art ist aus dem Stand der Technik bekannt. Sie kann beispielsweise als Motor oder als Generator ausgebildet sein. Sie kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, insbesondere als Generator in Form einer Lichtmaschine zur Erzeugung von elektrischer Energie für ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs oder als Motor in Form eines Starters beziehungsweise eines Starter-Generators zum Starten einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs. Alternativ ist selbstverständlich auch die Verwendung als Bestandteil eines Hybridantriebs des Kraftfahrzeugs vorgesehen. In diesem Fall wird die elektrische Maschine zusammen mit einem weiteren Antriebsaggregat, beispielsweise einer Brennkraftmaschine verwendet, um das Kraftfahrzeug anzutreiben.
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Während des Betriebs der elektrischen Maschine entsteht Wärme, welche abgeführt werden muss, um einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Zum Abführen der Wärme ist das Lüfterrad vorgesehen, das aus dem Grundkörper und mehreren Lüfterschaufeln besteht, welche von dem Grundkörper ausgehen. Mit Hilfe der Lüfterschaufel wird Luft, beispielsweise aus einer Umgebung der elektrischen Maschine, durch diese hindurchgefördert und dabei insbesondere über thermisch belastete Elemente der elektrischen Maschine geführt. Zu letzteren zählen beispielsweise eine Statorwicklung eines Stators und/oder eine Rotorwicklung des Rotors, aber insbesondere auch ein Steuergerät, welches Leistungselektronik zum Ansteuern der elektrischen Maschine enthält.
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Bei dem Hindurchströmen der Luft durch die elektrische Maschine wird Störschall erzeugt, welcher insbesondere an Schallquellen entsteht, die durch Druckfluktuationen auf den von der Luft angeströmten Oberflächen gebildet werden. Die Intensität des Störschalls hängt dabei insbesondere von dem Luftdurchsatz (Masse beziehungsweise Volumen pro Zeiteinheit) durch die elektrische Maschine ab. Je größer der Luftdurchsatz, umso mehr Störschall entsteht beziehungsweise umso höher ist seine Intensität. Die Wahrnehmung dieses Störschalls hängt stark von dessen Energieverteilung über das Frequenzspektrum ab. Wenn der Störschall auf bestimmte diskrete Frequenzen beziehungsweise Frequenzbereiche oder bestimmte Ordnungen konzentriert ist, wird der Störschall als lauter beziehungsweise unangenehmer empfunden. Die Frequenzverteilung des Störschalls hängt dabei unter anderem von der Drehzahl der elektrischen Maschine ab. Insbesondere entspricht eine Grundfrequenz (erste Ordnung) der Drehzahl, während Oberschwingungen (zweite und höhere Ordnung) bei einem Mehrfachen der Drehzahl vorliegen.
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Das Heraustreten von bestimmten Frequenzen beziehungsweise Ordnungen des Störschalls hängt stark von dem Zusammenwirken zwischen rotierenden und stationären Elementen der elektrischen Maschine ab, insbesondere dem ein Laufrad darstellenden Lüfterrad und einem Lagerschild und/oder Lufthindernis, wie beispielsweise einem Lagerschildsteg. Die Druckfluktuationen auf den Lüfterschaufeln, vor allem deren Frequenz- und Ordnungsverteilung beeinflussen die Verteilung der Energie des Störschalls auf die Schallfrequenzen beziehungsweise Schallordnungen. Die Intensität des Lärmschalls einer bestimmten Ordnung wird weiterhin hauptsächlich durch die Geometrie der elektrischen Maschine festgelegt. Wenn beispielsweise das Lüfterrad eine bestimmte Anzahl n von Lüfterschaufeln aufweist, die insbesondere symmetrisch zueinander angeordnet sind, so werden hinsichtlich ihrer Intensität hauptsächlich Ordnungen dominieren, die ein Vielfaches von dieser Anzahl sind, insbesondere die Ordnungen n, 2n, etc. Werden voneinander unterschiedliche Lüfterschaufeln eingesetzt oder werden die Lüfterschaufeln mit unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet, so kann die Energie des Störschalls auf Nebenordnungen verschoben werden, die nicht einem Mehrfachen der Anzahl der Lüfterschaufeln entsprechen, sodass eine größere Anzahl von Ordnungen beeinflusst wird.
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Übliche elektrische Maschinen weisen, insbesondere riemenseitig und gleichrichterseitig, Lüfterräder mit Lüfterschaufeln auf, welche zumindest teilweise asymmetrisch, also voneinander verschieden sind, oder mit ungleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Bekannt sind dabei Lüfterräder mit einer geringen Anzahl Lüfterschaufeln, beispielsweise 6 bis 16. Auf diese Weise werden bei einer Drehzahl von 10.000 bis 20.000 U/min die Lüfterordnungen beziehungsweise der Störschall hauptsächlich bei den Frequenzen 1.000 Hz bis 5.300 Hz erzeugt. In diesem Frequenzbereich ist jedoch das menschliche Ohr besonders empfindlich. Der Störschall wird entsprechend als unangenehm empfunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Dagegen weist die elektrische Maschine mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass der Störschall zumindest teilweise vermieden wird beziehungsweise bei Frequenzen auftritt, bei welchen das menschliche Gehör eine vergleichsweise niedrige Empfindlichkeit aufweist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln ein Schaufelabstandswinkel vorliegt, der einem Basisabstandswinkel oder einem ganzzahligen Vielfachen des Basisabstandswinkel entspricht, wobei der Basisabstandswinkel gleich dem kleinsten an dem Lüfterrad vorliegenden Schaufelabstandswinkel und kleiner als 12° ist. Besonders bevorzugt entspricht die Mehrzahl der Schaufelabstandswinkel dem Basisabstandswinkel. Insbesondere entsprechen alle Schaufelabstandswinkel dem Basisabstandswinkel.
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Besonders wichtig ist bei dem Lüfterrad die Kopplung zwischen den dynamischen Druckschwankungen auf den Lüfterschaufeln und der Anzahl der Lüfterschaufeln beziehungsweise deren Anordnung zueinander und somit der erzeugten lüfterdominierten Ordnungen. Vorzugsweise sollen die lüfterdominierten Ordnungen n, 2n, etc., von den Druckfluktuationsordnungen entkoppelt werden; dies kann beispielsweise anhand der hier vorgesehenen hohen Anzahl von Lüfterschaufeln erreicht werden. Aufgrund von baulichen Beschränkungen kann es jedoch vorgesehen sein, dass an zumindest einer Stelle der Schaufelabstandswinkel zwischen zwei benachbarten Schaufeln ein Mehrfaches des Basisabstandswinkels ist. Derartige bauliche Beschränkungen ergeben sich beispielsweise aus Gründen der Herstellbarkeit oder wenn die Lüfterschaufeln ansonsten nicht wie gewünscht ausgebildet werden könnten, beispielsweise identisch. An dem Lüfterrad beziehungsweise dessen Grundkörper ist der Basisabstandswinkel kleiner als 12°. Wenn vorzugsweise der Schaufelabstandswinkel zwischen allen unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln gleich ist, muss die Anzahl der Schaufeln größer als 30 sein. Der Basisabstandswinkel ist derart gewählt, dass bei der Auslegungsdrehzahl der elektrischen Maschine, beispielsweise ab 6.000 U/min, die Frequenz, bei welcher die Intensität des Störschalls am größten ist, größer als 3.000 Hz ist. Das menschliche Gehör ist gegenüber Frequenzen von etwa 3.000 Hz besonders empfindlich. In Richtung höherer und niedrigerer Frequenzen fällt die Empfindlichkeit jeweils ab. Durch die Auslegung derart, dass bei Vorliegen der Auslegungsdrehzahl die größte Intensität des Lärmschalls bei einer hohen Frequenz vorliegt, ist der erzeugte Störschall angenehmer als bei herkömmlichen elektrischen Maschinen.
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Der notwendige Basisabstandswinkel α berechnet sich aus der Ordnung O und ergibt sich aus der Beziehung α = 360/O, wobei O = 60f/ω die Ordnung, f die Frequenz in der Einheit Hz und ω die Auslegungsdrehzahl der elektrischen Maschine in der Einheit U/min ist. Für eine Auslegungsdrehzahl von mindestens 6.000 U/min, bei der die Frequenz über 3.000 Hz liegen soll, ergibt sich die Ordnung zu O > 30. Insoweit muss der Basisabstandswinkel weniger als 12° betragen, um bei der genannten Auslegungsdrehzahl die größte Intensität des Störschalls bei der genannten Frequenz aufzuweisen. Der Basisabstandswinkel zwischen den Schaufelpositionen ergibt sich aus der Division von 360° durch die Ordnung. Wenn vorzugsweise der Schaufelabstandswinkel zwischen allen unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln gleich ist und somit dem Basisabstandswinkel entspricht, entspricht die Ordnung auch der Schaufelzahl, weil die Lüfterschaufeln über den Umfang des Lüfterrads gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Der Schaufelabstandswinkel zwischen zwei Lüfterschaufeln entspricht also üblicherweise dem Basisabstandswinkel. Es kann zwischen zwei unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln ein Mehrfaches des Basisabstandswinkels vorkommen. Wenn allerdings die Mehrheit der Schaufelabstandswinkel dem Basiswinkel entspricht, ist die vorherrschende Ordnung, also die Ordnung des Lärmschalls mit der höchsten Intensität, weiterhin O = 360/α oder einem Mehrfachen von dieser und entspricht nicht der tatsächlichen Anzahl der an dem Lüfterrad vorgesehenen Lüfterschaufeln, auch wenn eine leichte Verschiebung des Störschalls zu Nebenordnungen auftreten kann.
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Um das Geräusch qualitativ zu verbessern, kann es vorgesehen sein, dass die zwei eingesetzten symmetrischen Lüfterräder (beispielsweise riemenseitig und gleichrichterseitig) über unterschiedliche Basisabstandswinkel verfügen. Die Basisabstandswinkel können sich so unterscheiden, dass zum Beispiel über den Drehzahlbereich bis 22,000 U/min die erste Lüfterordnung O = 360/α von den zwei Lüfterrädern in separaten 1/3 Oktavbändern auftritt. Wenn eines von den Lüfterrädern einen Basisabstandswinkel von weniger als 11,6° (α = 360/31) aufweist, muss das zweite Lüfterrad einen Basisabstandswinkel von höchstens 15° aufweisen, um sicherzustellen, dass die erste Lüfterordnung der zwei Lüfterräder in separaten 1/3 Oktavbändern auftritt. Somit ist es vorzusehen, dass wenn eines der Lüfterräder einen Basisabstandswinkel von höchstens 11,6° aufweist, das zweite Lüfterrad einen Basisabstandswinkel von höchstens 15° aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Basisabstandswinkel anhand der Beziehung α = 360°/O bestimmt ist, wobei die Ordnung O eine Primzahl ist. Die Ordnung ist insoweit eine natürliche Zahl größer oder gleich 31, welche ausschließlich durch sich selbst und durch 1 teilbar ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Lüfterrad einem Klauenpol des Rotors zugeordnet ist, insbesondere an dem Klauenpol befestigt ist, und die Anzahl der an dem Lüfterrad vorgesehenen Lüfterschaufeln wenigstens dreimal größer ist als die Anzahl der Klauenpolpaare. Der Klauenpol ist mit dem Lüfterrad zu dessen Antrieb wirkverbunden. Dabei sind der Klauenpol und das Lüfterrad üblicherweise unmittelbar zueinander benachbart angeordnet. Um das Störgeräusch auf deutlich voneinander verschiedene Frequenzen zu verteilen und so die Intensität bei den einzelnen Frequenzen verringen, soll nun die Anzahl der Lüfterschaufeln deutlich größer sein als die Anzahl der Klauenpolpaare. Insbesondere ist sie wenigstens dreimal so groß.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Lüfterschaufeln des Lüfterrads identisch sind. Darunter ist zu verstehen, dass die Lüfterschaufeln im Wesentlichen gleichartig aufgebaut sind, also dieselbe Geometrie aufweisen. Idealerweise sind die Lüfterschaufeln vollkommen identisch. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass an wenigstens einer der Lüfterschaufeln beispielsweise ein Versteifungselement oder eine Durchführung für eine Erregerwicklung des Rotors vorliegt. Insoweit können sich auch leichte Abweichungen zwischen den Lüfterschaufeln ergeben, wobei die zugrundeliegende Geometrie dennoch weiterhin dieselbe ist. Insbesondere an einem Verbindungsbereich zwischen Lüfterrad und Lüfterschaufeln kann es zu Abweichungen zwischen einigen der Lüfterschaufeln kommen. Dabei ist jedoch vorgesehen, dass die Abweichungen nur über einen geringen Teil der Längserstreckung der Lüfterschaufeln vorliegen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper und/oder die Lüfterschaufeln wenigstens bereichsweise materialeinheitlich sind oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Grundsätzlich können der Grundkörper und die Lüfterschaufeln aus beliebigen Materialien hergestellt sein. Besonders bevorzugt sind sie jedoch wenigstens bereichsweise, insbesondere vollständig, materialeinheitlich, bestehen also aus demselben Material. In einer weiteren Ausführungsform können jedoch der Grundkörper und die Lüfterschaufeln aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei dies insbesondere aus Stabilitäts-, Fertigungs- und/oder Befestigungsgründen vorgesehen ist. Beispielsweise ist der Grundkörper, der wenigstens bereichsweise aus einem ersten Material besteht, in einen die Lüfterschaufeln ausbildenden Schaufelkörper eingebettet, insbesondere eingegossen ist, wobei der Schaufelkörper zumindest bereichsweise aus einem von dem ersten Material verschiedenen zweiten Material besteht.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Material des Grundkörpers Metall und das Material der Lüfterschaufeln Kunststoff ist. Eine derartige Materialwahl wird insbesondere bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform herangezogen, bei welcher der Schaufelkörper zumindest bereichsweise in den Grundkörper eingebettet ist und letzterer die Lüfterschaufel ausbildet. Dies hat den Vorteil, dass das Lüfterrad ein geringes Gewicht aufweist, weil lediglich der Grundkörper, welcher die nötige Festigkeit und Befestigbarkeit bereitstellen muss, aus Metall besteht, während die niedriger belasteten Lüfterschaufeln aus Kunststoff bestehen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper und die Lüfterschaufel materialeinheitlich aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bestehen. In diesem Fall kann das Lüfterrad besonders bevorzugt integral gefertigt sein, also durch Materialabtragung und/oder Umformung aus einem einzelnen Rohling. Besonders bevorzugt wird Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet, weil diese Materialien über gute Wärmeleiteigenschaften verfügen. Auf diese Weise kann die Kühlung des Rotors durch das Lüfterrad zusätzlich verbessert werden, indem das Lüfterrad derart zu dem Rotor angeordnet wird, das es mit diesem in Berührkontakt beziehungsweise Wärmeleitkontakt steht. Entsprechend kann während des Betriebs der elektrischen Maschine an oder in dem Rotor anfallende Wärme durch unmittelbare Wärmeübertragung auf das Lüfterrad übertragen werden. Von diesem wird es durch die das Lüfterrad überstreichende Luft abgeführt. Diese Art der Kühlung ist effizienter als das Überströmen des Rotors mit Luft. Entsprechend kann die Leistung der elektrischen Maschine gesteigert und/oder der durch das Lüfterrad erzeugte Luftdurchsatz verringert werden. Wird das Lüfterrad aus Aluminium oder der Aluminiumlegierung hergestellt, so ist zudem eine größere Anzahl Lüfterschaufeln realisierbar, sodass bei gleichen Abmessungen des Lüfterrads der Luftdurchsatz erhöht werden kann. Alternativ können selbstverständlich bei gleichem Luftdurchsatz kleinere Abmessungen des Lüfterrads realisiert werden. Bei der Herstellung des Lüfterrads aus Metall kann beispielsweise ein Fließpress-Verfahren herangezogen werden. Alternativ zu Aluminium können selbstverständlich auch andere Metalle beziehungsweise Metalllegierungen, insbesondere Zamak, herangezogen werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper und die Lüfterschaufeln einstückig miteinander ausgebildet sind. Das bedeutet, dass der Grundkörper und die Lüfterschaufeln nicht getrennt voneinander ausgebildet und anschließend miteinander verbunden werden, beispielsweise stoffschlüssig. Vielmehr liegen sie unmittelbar nach ihrer Herstellung gemeinsam vor, sodass das Lüfterrad unmittelbar ausgebildet ist. Die einstückige Ausbildung von Grundkörper und Lüfterschaufel kann demnach üblicherweise nur dann realisiert werden, wenn sie auch materialeinheitlich sind. Wie vorstehend beschrieben, erfolgt die Herstellung in diesem Fall vorzugsweise durch ein Fließpress- Verfahren beziehungsweise ganz allgemein durch Umformen beziehungsweise Massivumformen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Lüfterrad mittels eines zumindest eine Durchtrittsöffnung des Lüfterrads in axialer Richtung durchgreifenden Befestigungselements an dem Rotor, insbesondere an einem Klauenpol des Rotors, befestigt ist. Dies ermöglicht es, Lüfterräder aus beliebigen Materialien mit dem Rotor zu verbinden. Zu diesem Zweck weist das Lüfterrad die wenigstens eine Durchtrittsöffnung auf, welche von dem Befestigungselement in axialer Richtung in Richtung des Rotors durchgriffen ist. Mit Hilfe des Befestigungselements wird eine formschlüssige Verbindung des Lüfterrads und des Rotors bewirkt. Besonders bevorzugt ist das Befestigungselement mit dem Rotor stoffschlüssig verbunden, beispielweise durch Schweißen, insbesondere durch Widerstandsschweißen. Dabei wird bevorzugt derart vorgegangen, dass das Lüfterrad an dem Rotor angeordnet wird. Anschließend wird das Befestigungselement derart in der Durchtrittsöffnung des Lüfterrads angeordnet, dass es mit dem Rotor in Berührkontakt steht. Nachfolgend wird ein Stromkreis über das Befestigungselement und den Rotor geschlossen, sodass sich das Befestigungselement derart erhitzt, dass eine Schweißverbindung zwischen ihm und dem Rotor hergestellt wird. Besonders bevorzugt wird das Befestigungselement mit dem Klauenpol des Rotors verbunden.
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Die Erfindung betrifft insoweit auch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine gemäß den vorstehenden beziehungsweise nachfolgenden Ausführungen. Dabei ist es vorgesehen, das Lüfterrad, welches über die Durchtrittsöffnung verfügt, in axialer Richtung neben dem Rotor anzuordnen. Bevorzugt liegt dabei ein Berührkontakt zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor vor, sodass sich das Lüfterrad an dem Rotor abstützt. Anschließend wird das Befestigungselement derart angeordnet, dass es wenigstens bereichsweise in die Durchtrittsöffnung eindringt und mit dem Rotor in Berührkontakt tritt. Bevorzugt durchgreift das Befestigungselement die Durchtrittsöffnung vollständig in Richtung des Rotors. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Rotor wenigstens einen Vorsprung aufweist, der bereichweise in die Durchtrittsöffnung eindringt und insoweit dem Befestigungselement entgegentritt. Anschließend wird eine Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem Rotor beziehungsweise dessen Vorsprung hergestellt, sodass das Lüfterrad in axialer Richtung von dem Befestigungselement in Richtung des Rotors gedrängt ist. Besonders bevorzugt wird dabei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor hergestellt, beispielsweise durch Widerstandsschweißen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Befestigungselement ein ringförmiges Tragteil und wenigstens ein von diesem ausgehendes, die Durchtrittsöffnung durchgreifendes Durchtrittselement aufweist. Auf diese Weise ist eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Lüfterrad und dem Rotor herstellbar. Das ringförmige Tragteil dient dazu, auf das Durchtrittselement wirkende Zentrifugalkräfte abzuleiten beziehungsweise das Durchtrittselement insbesondere in radialer Richtung bezüglich einer Drehachse des Rotors zu stabilisieren. Zu diesem Zweck kann es vorgesehen sein, dass das ringförmige Tragteil wenigstens bereichsweise in einer Stufenausnehmung des Lüfterrads einsitzt, welches eine zusätzliche Stabilisierung in radialer Richtung bewirkt. Von dem Tragteil erstrecken sich die Durchtrittselemente in axialer Richtung in Richtung des Rotors. Besonders bevorzugt weisen die Durchtrittselemente in axialer Richtung dieselben oder geringfügig größere Abmessungen auf wie die Durchtrittsöffnungen des Lüfterrads, sodass sie die Durchtrittsöffnung vollständig durchgreifen und mit dem Rotor in Berührkontakt treten können. Das Tragteil liegt dabei derart an dem Lüfterrad an, dass dieses in axialer Richtung auf den Rotor zugedrängt ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Grundkörper des Lüfterrads und/oder das Befestigungselement mit dem Rotor stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt sind. Auf eine derartige Ausführungsform wurde bereits vorstehend eingegangen. Selbstverständlich sind zusätzlich oder alternativ auch andere Verbindungen zwischen dem Grundkörper, dem Befestigungselement und dem Rotor möglich, beispielsweise eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung. Besonders bevorzugt liegt die Verbindung jedoch in Form der Schweißverbindung vor, welche insbesondere als Widerstandsschweißverbindung ausgebildet ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein weiteres, insbesondere einen von dem Lüfterrad unterschiedlichen Basisabstandswinkel und/oder eine andere Anzahl Lüfterschaufeln aufweisendes, Lüfterrad vorgesehen ist, das auf der dem Lüfterrad abgewandten Seite Rotors angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine besonders gute Durchströmung der elektrischen Maschine beziehungsweise eines von einem Gehäuse der elektrischen Maschine eingeschlossenen Innenraums, insbesondere auf beiden Seiten des Rotors, mit Luft bewirkt werden. Das erste Lüfterrad ist riemenseitig oder gleichrichterseitig angeordnet, das weitere Lüfterrad auf der gegenüberliegenden Seite. Bevorzugt ist das weitere Lüfterrad von dem vorstehend beschriebenen Lüfterrad verschieden ausgebildet. Insbesondere weist es einen anderen Basisabstandswinkel oder eine andere Anzahl Lüfterschaufeln auf.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Basisabstandswinkel des weiteren Lüfterrads höchstens 15° beträgt. Wenn vorzugsweise der Schaufelabstandswinkel zwischen allen unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln gleich ist, weist das Lüfterrad eine Schaufelzahl von mindestens 24 auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine,
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2 eine Explosionsdarstellung eines rotierenden Bereichs der elektrischen Maschine,
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3 ein beispielsweise riemenseitig anordenbares Lüfterrad in einer ersten Ausführungsform,
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4 ein beispielsweise gleichrichterseitig anordenbares Lüfterrad in einer zweiten Ausführungsform,
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5 ein Befestigungselement für das Lüfterrad, insbesondere das gleichrichterseitige Lüfterrad,
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6 eine Seitenschnittansicht des rotierenden Bereiches einer elektrischen Maschine, wobei das Lüfterrad mittels des Befestigungselements mit dem Rotor verbunden ist, und
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7 eine Detailschnittansicht der Verbindung zwischen dem Lüfterrad, insbesondere dem gleichrichterseitigen Lüfterrad, und dem Rotor.
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In 1 ist ein Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 1, hier in der Ausführung als Generator beziehungsweise Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge, dargestellt. Diese elektrische Maschine 1 weist u. a. ein zweiteiliges Gehäuse 20 auf, das aus einem ersten Lagerschild 21 und einem zweiten Lagerschild 22 besteht. Das Lagerschild 21 und das Lagerschild 22 nehmen in sich einen sogenannten Stator 23 auf, der einerseits aus einem im Wesentlichen kreisringförmigen Ständereisen 24 besteht, und in dessen nach radial innen gerichtete, sich axial erstreckende Nuten eine Ständerwicklung 25 eingelegt ist. Dieser ringförmige Stator 23 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten genuteten Oberfläche einen Rotor 2, der als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Rotor 2 besteht u. a. aus zwei Klauenpolplatinen 26 und 27, an deren Außenumfang jeweils sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 28 und 29 angeordnet sind. Beide Klauenpolplatinen 26 und 27 sind im Rotor 2 derart angeordnet, dass deren sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger 28 bzw. 29 am Umfang des Rotors 2 einander abwechseln. Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Zwischenräume zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern 28 und 29, die als Klauenpolzwischenräume bezeichnet werden. Der Rotor 2 ist mittels einer Rotorwelle 3 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlager 30 in den jeweiligen Lagerschilden 21 bzw. 22 drehbar gelagert.
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Der Rotor 2 weist insgesamt zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfterrad 4 befestigt ist. Dieses Lüfterrad 4 besteht im Wesentlichen aus einem plattenförmigen bzw. scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfterräder 4 dienen dazu, über Öffnungen 38 in den Lagerschilden 21 und 22 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite der elektrischen Maschine 1 und dem Innenraum der elektrischen Maschine 1 zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 38 im Wesentlichen an den axialen Enden der Lagerschilde 21 und 22 vorgesehen, über die mittels der Lüfterräder 4 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 1 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfterräder 4 nach radial außen beschleunigt, so dass diese durch den kühlluftdurchlässigen Wicklungsüberhang 31 hindurch treten kann. Durch diesen Effekt wird der Wicklungsüberhang 31 gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch den Wicklungsüberhang 31 beziehungsweise nach dem Umströmen dieses Wicklungsüberhangs 31 einen Weg nach radial außen, durch hier in dieser 1 nicht dargestellte Öffnungen. In 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 32, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 32 beispielsweise eine sogenannte Schleifringbaugruppe 33 ab, die dazu dient, eine Erregerwicklung 34 mit Erregerstrom zu versorgen. Um diese Schleifringbaugruppe 33 herum ist ein Kühlkörper 35 angeordnet, der hier als Pluskühlkörper wirkt. Als sogenannter Minuskühlkörper wirkt das Lagerschild 22. Zwischen dem Lagerschild 22 und dem Kühlkörper 35 ist eine Anschlussplatte 36 angeordnet, die dazu dient, im Lagerschild 22 angeordnete Minusdioden 37 und hier in dieser Darstellung nicht gezeigte Plusdioden im Kühlkörper 35 miteinander zu verbinden und somit eine an sich bekannte Brückenschaltung darzustellen.
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Die 2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine 1, wobei lediglich Elemente eines rotierenden Bereichs dargestellt sind. Zu diesem gehören der Rotor 2, welcher als Klauenpolrotor vorliegt und somit mehrere Klauenpole aufweist, die Rotorwelle 3, das Lüfterrad 4 und ein Befestigungselement 5 zum Befestigen des Lüfterrads 4 an dem Rotor 2. Das Lüfterrad 4 ist dabei derart an dem Rotor 2 befestigt, dass es von diesem angetrieben wird. Bei einer Drehbewegung des Rotors 2 bei einem Betrieb der elektrischen Maschine 1 wird also das Lüfterrad 4 in Drehbewegung versetzt. Insbesondere ist das Lüfterrad 4 drehfest mit dem Rotor 2 verbunden. Insbesondere gleichrichterseitig, jedoch auch riemenseitig, kann diese Verbindung beispielsweise über das Befestigungselement 5 hergestellt sein. Das Lüfterrad 4 bewirkt durch Drehbewegung einen Luftstrom durch die elektrische Maschine beziehungsweise durch einen von einem Gehäuse begrenzten Innenraum der elektrischen Maschine 1. Der Luftstrom ist dabei vorzugsweise derart ausgerichtet, dass er thermisch besonders hoch belastete Elemente der elektrischen Maschine 1 überstreicht. Das Lüfterrad 4 ist beispielsweise Bestandteil einer elektrischen Maschine, wobei letzterer auch mehrere Lüfterräder 4 aufweisen kann. In diesem Fall ist – in axialer Richtung gesehen – üblicherweise zumindest eines der Lüfterräder 4 auf der einen Seite des Rotors 2 und wenigstens ein anderes der Lüfterräder 4 auf der anderen Seite des Rotors 2 angeordnet (bezogen auf eine Drehachse 7 des Rotors 2 beziehungsweise des Lüfterrads 4).
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Die 3 zeigt eine erste Ausführungsform des Lüfterrads 4, welches beispielsweise an einer Riemenseite vorliegt. Es wird deutlich, dass dieses über einen Grundkörper 8 verfügt, von dem zahlreiche Lüfterschaufeln 9 ausgehen. Der Grundkörper 8 ist zum Beispiel als kreisrunde Scheibe ausgebildet, welche einen zentralen Durchlass 11 aufweist, in welcher nach einer Montage der elektrischen Maschine 1 die Rotorwelle 2 vorliegt. Auf dem Grundkörper 8 können Versteifungselemente vorgesehen sein. In der 3 sind lediglich einige der Lüfterschaufeln 9 exemplarisch gekennzeichnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kennzeichnen sie den in radialer Richtung (bezogen auf die Drehachse 7) innen liegenden Punkt, von welchem sich die jeweilige Lüfterschaufel 9 in radialer Richtung nach außen erstreckt. Alle unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln weisen zwischen sich denselben Schaufelabstandswinkel (und entsprechend auch den Basisabstandswinkel) auf. Es kann jedoch auch eine beliebige andere Definition des Basisabstandswinkels herangezogen werden. Gemäß der vorliegenden Definition liegen alle Lüfterschaufeln 9 auf einem Kreis um die Drehachse 7. Dieser Kreis weist dabei zum Beispiel einen kleineren Radius beziehungsweise Durchmesser auf als der Grundkörper 8 des Lüfterrads 4.
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Der Querschnitt beziehungsweise das Profil der Lüfterschaufeln 9 kann sich über ihre axiale Erstreckung ändern. Das Profil der Schaufel weist einen bestimmten Eintritts- und Austrittswinkel, eine bestimmte Sehnenlänge und eine bestimmte Krümmung auf. Die Lüfterschaufeln 9 weisen zudem eine schräge Hinterkante auf, wobei der Durchmesser des Lüfterrads 4 sich in die axiale Richtung ändert, sodass der Lüfterdurchmesser in Richtung des Rotors 2 kleiner wird.
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In der vorliegenden Ausführungsform weist das Lüfterrad 4 30 Lüfterschaufeln 9 auf, welche identisch zueinander ausgebildet sind und denselben Schaufelwinkelabstand zueinander aufweisen. Die Lüfterschaufeln 9 sind dabei derart ausgerichtet, dass das Lüfterrad 4 als Radiallüfterrad arbeitet, Luft also aus einem zwischen den Lüfterschaufeln 9 liegenden Bereich angesaugt und in radialer Richtung nach außen transportiert wird. Entsprechend erstreckt sich eine Skelettlinie des die Lüfterschaufeln 9 definierenden Profils mit überwiegender radialer, aber auch tangentialer Komponente nach außen. Die Höhe der Lüfterschaufeln 9 entspricht dagegen ihrer Erstreckung in axialer Richtung ausgehend von dem Grundkörper 8. Alternativ kann das Lüfterrad 4 selbstverständlich auch als Axiallüfterrad oder als Kombination aus Radiallüfterrad und Axiallüfterrad ausgebildet sein.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Lüfterrads 4, insbesondere des an der Gleichrichterseite angeordneten Lüfterrads 4. Diese zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Durchlass 11 anders ausgestaltet ist. Der Grundkörper 8 liegt wiederum bereichsweise als plane Scheibe vor, an welcher jedoch ein Kanal für die Erregerdrahtzufuhr angeordnet ist. Dazu weist er eine sich in radialer Richtung beidseitig der Drehachse 7 erstreckende Wölbung 12 auf. Diese Wölbung 12 verändert die Geometrie der in ihren Bereich von dem Grundkörper 8 ausgehenden Lüfterschaufeln 9. Es soll jedoch explizit darauf hingewiesen werden, dass auch die in diesem Bereich angeordneten Lüfterschaufeln 9 ansonsten identisch zu den übrigen Lüfterschaufeln 9 ausgebildet sind, also allenfalls in kleinen Bereichen – bezogen auf die Höhe der Lüfterschaufeln 9 – Abweichungen aufweisen. Auch die Schaufelgeometrie der hier vorgestellten Ausführungsform des Lüfterrads 4 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. So ist insbesondere ein unterschiedlicher Basisabstandswinkel α vorgesehen.
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Es ist vorgesehen, dass zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln 9 ein Schaufelabstandswinkel vorliegt, der einem Basisabstandswinkel α oder einem ganzzahligen Vielfachen des Basisabstandswinkels α entspricht, wobei der Basisabstandswinkel α gleich dem kleinsten an dem Lüfterrad 4 vorliegenden Schaufelabstandswinkel und kleiner als 12° ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Winkelabstand beziehungsweise der Schaufelabstandswinkel zwischen allen unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln 9 gleich. Dies muss jedoch nicht der Fall sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwischen zwei unmittelbar benachbarten Lüfterschaufeln der Schaufelabstandswinkel ein Mehrfaches des Basisabstandswinkels ist. Jedoch verfügt stets die Mehrzahl der unmittelbar benachbarten Schaufeln über einen Schaufelabstandwinkel gleich dem Basisabstandswinkel. Der Schaufelabstandswinkel soll vorzugsweise nicht größer als dreimal der Basisabstandswinkel sein. Die Lüfterschaufeln 9 sind mit dem Grundkörper 8 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet und bestehen vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium. Somit weist das Lüfterrad 9 eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf. Weil es nach der Montage der elektrischen Maschine 1 unmittelbar benachbart zu dem Rotor 2 vorliegt und mit diesem in Berührkontakt steht, kann durch Wärmeübertragung zwischen dem Rotor 2 und dem Lüfterrad 4 Wärme ausgetauscht werden. Somit kann das Lüfterrad 4 auch unmittelbar und nicht nur über den von ihm erzeugten Luftstrom zur Kühlung des Rotors 2 beitragen.
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Die 5 zeigt eine Detailansicht des Befestigungselements 5. Es wird deutlich, dass dieses aus einem ringförmigen Tragteil 13 und mehreren Durchtrittselementen 14 besteht. Die Durchtrittselemente 14 sind beispielsweise nietartig ausgebildet, werden also insbesondere von einem Hohlzylinder gebildet, welcher sich in axialer Richtung ausgehend von dem Tragteil 13 erstreckt. Das Tragteil 13 weist eine Aufnahme 15 für die Wölbung 12 des anhand der 4 beschriebenen Lüfterrads 4 auf. Selbstverständlich ist jedoch auch eine vollständig plane Ausführung des Tragteils 13 realisierbar, insbesondere um das anhand der 3 beschriebene Lüfterrad 4 mit dem Rotor 2 zu verbinden.
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Die 6 zeigt eine Seitenschnittansicht des anhand der 2 beschriebenen Bereichs der elektrischen Maschine 1. Zu erkennen ist, wie der Rotor 2 auf der Rotorwelle 3 aufsitzt und dass das Lüfterrad 4 mit Hilfe des Befestigungselements 5 an dem Rotor 2 befestigt ist. Dabei sind in der 6 zwei der Durchtrittselemente 14 zu erkennen, welche in Durchtrittsöffnungen 16 des Lüfterrads 4 beziehungsweise dessen Grundkörper 8 vorliegen. Die Durchtrittselemente 14 durchgreifen die Durchtrittsöffnungen 16 in axialer Richtung vollständig, sodass sie mit dem Rotor 2 in Berührkontakt stehen beziehungsweise mit diesem verbunden werden können. Die Durchtrittselemente 14 sind auf der dem Rotor 2 abgewandten Seite durch das Tragteil 13 miteinander verbunden.
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Die 7 zeigt eine Detailschnittansicht des Rotors 2, des Lüfterrads 4 und des Befestigungselements 5 im Bereich einer der Durchtrittsöffnungen 16. Es wird deutlich, dass das Tragteil 13 auf seiner radial innenliegenden Seite in einer Ausklinkung 17 des Lüfterrads 4 vorliegt, welche durch eine Stufe 18 ausgebildet ist. Bedingt durch die Ausklinkung weist der Grundkörper 8 des Lüfterrads 4 in seinem radial innenliegenden Bereich in axialer Richtung größere Abmessungen auf als in einem radial außenliegenden Bereich. Die kleineren Abmessungen liegen dabei in radialer Richtung bis zu der Stufe 18 beziehungsweise der Ausklinkung 17 vor. Die Ausklinkung 17 dient dem Abstützen des Grundkörpers 8 des Lüfterrads 4 und/oder des Befestigungselements 5 in radialer Richtung. Aus der 7 wird zudem deutlich, dass die Durchtrittselemente 14 nach Art eines Niets vorliegen, wobei sie jedoch nicht oder lediglich geringfügig in den Rotor 2 zur Befestigung an diesen eingreifen. Vielmehr ist es vorgesehen, dass das Durchtrittselement 14 mittels einer Stoffschlussverbindung 19 an dem Rotor 2 gehalten ist. Die Durchtrittselemente 14 sind dabei derart bemessen, dass nach Herstellen der Stoffschlussverbindung 19 das Tragteil 13 derart auf dem Lüfterrad 4 aufliegt, dass es in Richtung des Rotors 2 gedrängt beziehungsweise zumindest in axialer Richtung bezüglich diesem gehalten ist. Zugleich dient die Befestigung des Lüfterrads 4 an dem Rotor 2 mittels des Befestigungselements 5 auch als drehmomentübertragende Verbindung, sodass eine Drehbewegung des Rotors 2 auf das Lüfterrad 4 aufgeprägt wird.
