DE102013200450A1

DE102013200450A1 - Luftkühlkreislauf über Rotorwelle für elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE102013200450A1
Application number: DE201310200450
Authority: DE
Inventors: Uwe Knappenberger; Daniel Kuehbacher; Benjamin Gruler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-07-17

Abstract

Es wird eine geschlossene elektrische Maschine (1) vorgestellt. Die elektrische Maschine (1) weist ein Gehäuse (3) auf, in dem ein Stator (5) und ein Rotor (7) mit einer Rotorwelle (9) angeordnet sind. Ferner weist die elektrische Maschine (1) einen Strömungführungsraum (11) auf, der zusammen mit dem Gehäuse (3) einen geschlossenen Raum bildet. Der Strömungführungsraum (11) ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen einer Innenluft der elektrischen Maschine (1) und der Umgebung. Die Rotorwelle (9) ist dabei als Hohlwelle ausgeführt und verbindet das Innere des Gehäuses (3) mit dem Strömungführungsraum (11).

Description

Stand der Technik
Elektrische Maschinen, wie zum Beispiel Motoren und Generatoren, müssen durch eine geeignete Kühlung vor Überhitzung geschützt werden. Die Kühlung kann beispielsweise als eine Wassermantelkühlung im Gehäuse realisiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine mit einem offenen Gehäuse ausgeführt sein und die Kühlung kann über eine Luftzirkulation innerhalb der elektrischen Maschine realisiert sein. Allerdings ist bei offenen Maschinen ein Luftkreislauf mit Umgebungsluft aufgrund von Korrosions- und/oder Isolationsanforderungen oft nicht realisierbar.
Bei geschlossenen Maschinen kann die Luft beispielsweise durch die Drehung des Rotors innerhalb des Gehäuses zur Lüftung bewegt werden. Eine derartig gekühlte elektrische Maschine ist zum Beispiel aus DE 10 2009 055 273 A1 bekannt. Allerdings erreicht die durch Drehung des Rotors bewegte Luft lediglich eingeschränkte Bereiche der elektrischen Maschine. Ferner kann die im Inneren der elektrischen Maschine bewegte Luft nur begrenzt Wärme ans Gehäuse abgeben.
Offenbarung der Erfindung
Es kann daher ein Bedarf an einer elektrischen Maschine und einem entsprechenden Herstellungsverfahren für eine elektrische Maschine bestehen, die insbesondere eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine ermöglichen.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine geschlossene elektrische Maschine vorgestellt. Die elektrische Maschine weist ein Gehäuse auf, in dem ein Stator und ein Rotor mit einer Rotorwelle angeordnet sind. Ferner weist die elektrische Maschine einen Strömungführungsraum auf, der zusammen mit dem Gehäuse einen geschlossenen Raum bildet. Der Strömungführungsraum ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen einer Innenluft der elektrischen Maschine und der Umgebung. Die Rotorwelle ist dabei als Hohlwelle ausgeführt, die die Innenluft im Gehäuse mit der Luft im Strömungführungsraum verbindet.
Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, die Kühlung der elektrischen Maschine und insbesondere die Rotorkühlung bei geschlossener Ausführung der elektrischen Maschine dadurch zu verbessern, dass das Innere des Gehäuses über eine hohle Rotorwelle mit einem Strömungführungsraum verbunden ist und dadurch die Luftzirkulation im Gehäuse verbessert wird. Das Innere des Gehäuses kann dabei der Maschineninnenraum sein, in dem die Aktivteilkomponenten, wie Rotor und Stator angeordnet sind. Der Strömungführungsraum ist dabei im Wesentlichen separat von der elektrischen Maschine bzw. vom Maschineninnenraum ausgeführt. Im Strömungführungsraum kann dabei die Innenluft aus dem Gehäuse der elektrischen Maschine Wärme an die Umgebung übertragen und dadurch abkühlen. Durch diese zusätzliche Kühlung ist eine höhere Dauerleistung der elektrischen Maschine möglich. Ferner kann die bessere Kühlung vorteilhafterweise bei geschlossener Ausführung der elektrischen Maschine realisiert werden, so dass auch ein Schutz vor Korrosion, vor Verschmutzung und vor Berührung gegeben ist.
Durch die Nutzung der Rotorwelle als Luftkanal wird ein nach außen abgeschlossener Luftkreislauf in der elektrischen Maschine erzeugt, der einen Wärmetransport von Aktivteilkomponenten, wie zum Beispiel dem Rotor und dem Stator, zu einer großflächigen Kühlfläche im Strömungführungsraum bewirkt. Der Luftkreislauf erzeugt dabei eine eindeutige Trennung zwischen durch die Rotorwelle angesaugter kalter bzw. gekühlter Luft aus dem Strömungführungsraum und in den Strömungführungsraum eintretender warmer Luft. Dabei kann die warme Luft beispielsweise durch zusätzliche Lüftungsöffnungen am Gehäuse in den Strömungführungsraum eintreten.
Der Strömungführungsraum kann als Wärmeübertragungsraum fungieren und kann dabei als Kühlraum bezeichnet werden. Dabei kann der Strömungführungsraum als Luftraum zwischen einer Stirnseite des Gehäuses der elektrischen Maschine und einem Verschlussdeckel ausgeführt sein. Insbesondere kann der Strömungführungsraum strömungsberuhigt ausgeführt sein und lediglich durch vergleichsweise kleine Öffnungen mit dem Inneren des Gehäuses verbunden sein. Beispielsweise auf der dem Gehäuse der elektrischen Maschine gegenüberliegenden Seite kann der Strömungführungsraum an eine Umgebung der elektrischen Maschine angrenzen. Der Wärmeaustausch im Strömungführungsraum zwischen der Innenluft der elektrischen Maschine und der Umgebung kann dadurch ermöglicht bzw. verbessert werden, dass der Strömungführungsraum eine große Kontaktoberfläche für die Innenluft bietet. Ferner kann der Strömungführungsraum und insbesondere ein Verschlussdeckel des Strömungführungsraums ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Beispielsweise kann der durch das Gehäuse und den Strömungführungsraum gebildete geschlossene Raum gas- bzw. luftdicht gegenüber der Umgebung ausgeführt sein. Alternativ kann ein geringfügiger Luftaustausch mit der Umgebung möglich sein. Allerdings ist der geschlossene Raum derart ausgeführt, dass keine Feuchtigkeit ins Innere des geschlossenen Raums eindringen kann.
Insbesondere kann der Strömungführungsraum einen Lufteintritt ins Innere der Rotorwelle ermöglichen. Dabei kann der Querschnitt der Rotorwelle durch den die Luft in die Rotorwelle aus dem Strömungsführungsraum einströmt relativ groß ausgeführt sein und z.B. dem Innendurchmesser der Hohlwelle entsprechen.
Beim Wärmeaustausch zwischen der Innenluft der elektrischen Maschine und der Umgebung kann die Innenluft einerseits Wärme an die die elektrische Maschine umgebende Luft abgeben. Andererseits kann die Innenluft Wärme z.B. an ein Kühlsystem abgeben.
Die geschlossene elektrische Maschine kann dabei als Motor oder Generator fungieren. Insbesondere kann die elektrische Maschine als Asynchronmaschine oder als elektrisch oder permanent erregte Synchronmaschine ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann dabei in Elektro- und/oder in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die elektrische Maschine mindestens eine Lüftungsöffnung am Gehäuse auf. Die Lüftungsöffnung ist dabei derart am Gehäuse angeordnet, dass ein geschlossener Kreislauf der Innenluft über die Lüftungsöffnung im Strömungführungsraum und die Rotorwelle stattfindet.
Insbesondere können am Gehäuse mehrere Lüftungsöffnungen vorgesehen sein. Die Lüftungsöffnung bzw. die Lüftungsöffnungen sind dabei an einer Gehäusestirnseite vorgesehen, die dem Strömungführungsraum zugewandt ist. Auf diese Weise ist der Strömungführungsraum sowohl über die Rotorwelle als auch über die Lüftungsöffnung mit dem Inneren des Strömungführungsraums verbunden. Hierdurch kann ein geschlossener Luftkreislauf zwischen dem Strömungführungsraum und dem Inneren des Gehäuses entstehen.
Der Strömungspfad innerhalb des Gehäuses, das heißt im Maschineninnenraum, kann im Wesentlichen axial entgegengesetzt zur Strömungsrichtung innerhalb der Rotorwelle orientiert sein. Insbesondere kann der Strömungspfad aus der Rotorwelle in einen Stirnraum der elektrischen Maschine und anschließend über einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu der Lüftungsöffnung und zurück in den Strömungführungsraum verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann der Strömungspfad auch durch axiale Öffnungen im Rotorlamellenpaket verlaufen. Ferner können im Rotor weitere Verlaufmöglichkeiten für den Strömungspfad vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Luft an Magnetlaschen des Rotors oder an der Rotornut verlaufen. Zusätzlich kann der Strömungspfad auch durch Kanäle in Statornuten verlaufen. Alternativ oder zusätzlich kann der Strömungspfad durch einen Gehäusekanal verlaufen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Strömungführungsraum als Sensorraum der elektrischen Maschine ausgeführt. Dieser fungiert dabei als Wärmeübertragungsraum. Beispielsweise können im Sensorraum Sensoren angeordnet sein, die zum Beispiel die Drehzahl und die Winkellage des Rotors ermitteln. Durch die Nutzung des Sensorraums als Strömungführungsraum und als Wärmeübertragungsraum kann Bauraum eingespart werden, da kein zusätzlicher Strömungführungsraum vorgesehen werden muss.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Strömungführungsraum einen Verschlussdeckel mit Kühlrippen auf. Zusätzlich oder alternativ zu den Kühlrippen können Pin Fins am Verschlussdeckel vorgesehen sein. Ferner können die Kühlrippen, zusätzlich zu einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, eine große Oberfläche für einen Wärmeaustausch der Innenluft mit der Umgebung bieten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an der Rotorwelle ein Radiallüfter vorgesehen. Der Radiallüfter ist dabei ausgeführt, bei Betrieb der elektrischen Maschine einen Luftdurchsatz der Innenluft durch die Hohlwelle zu erhöhen bzw. eine Zirkulation der Innenluft zu erzeugen.
Der Radiallüfter kann dabei in einem Stirnbereich der elektrischen Maschine angeordnet sein. Insbesondere kann die elektrische Maschine einen ersten Stirnbereich und einen zweiten Stirnbereich aufweisen. Dabei kann ein erster Radiallüfter im ersten Stirnbereich und ein zweiter Radiallüfter im zweiten Stirnbereich angeordnet sein. Die Stirnbereiche können dabei beispielsweise Rotorstirnbereichen entsprechen. Insbesondere können die Stirnbereiche jeweils einem Raum zwischen dem Gehäuse und dem Stator bzw. dem Rotor innerhalb des Gehäuses entsprechen. Der erste Stirnbereich der elektrischen Maschine kann beispielsweise einer Antriebs- und Getriebeseite zugewandt sein. Der zweite Stirnbereich kann dabei einer zur Umgebung offenen Seite der elektrischen Maschine zugewandt sein.
Sind mehrere Radiallüfter an der elektrischen Maschine vorgesehen, so kann jeder der Radiallüfter einen eigenen Luftkreislauf, das heißt eine eigene Zirkulation der Innenluft, erzeugen.
Die Drehachse des Radiallüfters verläuft dabei im Wesentlichen parallel zum Luftstrom innerhalb der Rotorwelle. Die durch den Radiallüfter angesaugte Luft aus der Rotorwelle wird radial zur Drehachse des Radiallüfters in den Stirnraum ausgeblasen. Zusätzlich oder alternativ zu einem Radiallüfter kann an der elektrischen Maschine ein Axiallüfter vorgesehen sein. Bei einem Axiallüfter verläuft dabei die Drehachse parallel zum angesaugten und ausgeblasenen Luftstrom.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Strömungführungsraum derart mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden, dass der Strömungführungsraum bei Betrieb der elektrischen Maschine strömungsberuhigt ist. Auch bei Stillstand der elektrischen Maschine ist der Strömungführungsraum strömungsberuhigt. Strömungsberuhigt kann dabei bedeuten, dass nahezu keine Luftwirbel im Strömungführungsraum entstehen. D.h. die Luftzirkulation, die im Strömungführungsraum stattfindet, ist dabei nahezu verwirbelungsfrei. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Strömungführungsraum nur durch kleine Lüftungsöffnungen und durch die Rotorwelle mit dem Gehäuseinneren der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Lüftungsöffnungen sind dabei derart an dem Gehäuse angeordnet, dass die in den Strömungführungsraum eintretende Luft einen vorgegebenen Strömungspfad wählt, um zurück ins Gehäuse der elektrischen Maschine zu gelangen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Gehäuse ein Gehäusekanal vorgesehen. Der Gehäusekanal ist mit dem Inneren des Gehäuses verbunden und fungiert als Wärmeübertragungsraum. Beispielsweise kann der Gehäusekanal einen Teil des Luftströmungspfades bilden. Hierzu kann der Gehäusekanal in einer Gehäusewand parallel zur Rotorwelle verlaufen und Öffnungen zu beiden Stirnräumen der elektrischen Maschine aufweisen. D.h. der Gehäusekanal kann den ersten Stirnraum mit dem zweiten Stirnraum verbinden. In der Gehäusewand kann ferner eine Wasserkühlung vorgesehen sein. Der Gehäusekanal kann thermisch an die Wasserkühlung angebunden sein.
Zusätzlich oder alternativ können die Stirnräume der elektrischen Maschine als Wärmeübertragungsräume fungieren. D.h. die Stirnräume können eine gute thermische Anbindung an die Umgebung z.B. an die umgebende Luft aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Rotorwelle an einer dem Strömungführungsraum gegenüberliegenden Seite eine Dichtung auf. Die Dichtung kann beispielsweise eine Gummidichtung sein, die im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet ist. Die Dichtung kann beispielsweise im Bereich des ersten Stirnbereichs in der Rotorwelle angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Strömungführungsraum ein Sensorrad angeordnet. Das Sensorrad ist dabei ausgeführt, bei Betrieb der elektrischen Maschine eine Zirkulation der Innenluft zu erzeugen. Das Sensorrad kann zusätzlich oder alternativ zu einem im Gehäuse angeordneten Radial- oder Axiallüfter vorgesehen sein.
Das Sensorrad kann beispielsweise ausgeführt sein, eine Messung eines Drehzahl- und Positionssignals des Rotors auszuführen. Dabei kann das Sensorrad zum Beispiel an der Rotorwelle fixiert sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind an einem Innenumfang der Rotorwelle Lüfterschaufeln vorgesehen. Die Lüfterschaufeln können insbesondere im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet sein und eine Luftströmung im Inneren der Rotorwelle erzeugen bzw. unterstützen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Gehäuse ein externer Lüfter vorgesehen. Der externe Lüfter kann beispielsweise als Axial- oder Radiallüfter ausgeführt sein. Ferner kann der externe Lüfter zusätzlich oder alternativ zu einem an der Rotorwelle angeordneten Radial- und/oder Axiallüfter und zu einem Sensorrad vorgesehen sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen geschlossenen elektrischen Maschine vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Gehäuses der elektrischen Maschine; Anordnen eines Rotors mit einer Rotorwelle und eines Stators im Gehäuse; Vorsehen eines Strömungführungsraums und Verbinden des Strömungführungsraums mit dem Inneren des Gehäuses derart, dass der Strömungführungsraum zusammen mit dem Gehäuse einen geschlossenen Raum bildet und dass der Strömungführungsraum einen Wärmeaustausch zwischen einer Innenluft der elektrischen Maschine und der Umgebung ermöglicht; Ausgestalten der Rotorwelle derart als Hohlwelle, dass diese das Gehäuse mit dem Strömungführungsraum verbindet.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine mit Radiallüftern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer elektrischen Maschine mit Lüfterschlaufen am Innenumfang der Rotorwelle und einem Sensorrad gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer elektrischen Maschine mit axialen Öffnungen im Rotor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer elektrischen Maschine mit einem von der Rotorwelle beabstandeten Radiallüfter gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer elektrischen Maschine mit einem externen Lüfter gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung
6 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer elektrischen Maschine senkrecht zur Längsachse der elektrischen Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
7 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil des Rotors senkrecht zur Längsachse der elektrischen Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
8 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil des Rotors senkrecht zur Längsachse der elektrischen Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung
9 zeigt unterschiedliche Ansichten des Radiallüfters für die elektrische Maschine
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
In den 1 bis 5 sind Querschnitte parallel zur Längsachse einer elektrischen Maschine 1 gezeigt. In den 6 bis 8 sind Querschnitte senkrecht zur Längsachse der elektrischen Maschine 1 gezeigt. 9A bis 9C zeigen unterschiedliche Ansichten eines Radiallüfters 23. Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele der elektrischen Maschinen 1 ermöglichen eine zusätzliche Kühlung und damit eine höhere Dauerleistung der elektrischen Maschine 1.
Wie in 1 gezeigt, weist die elektrische Maschine 1 ein Gehäuse 3 auf, in dem ein Rotor 7 mit einer Rotorwelle 9 drehbar in einem Stator 5 gelagert ist. Zwischen dem Stator 5 und dem Rotor 7 ist ein Luftspalt 43 vorgesehen. Ferner weist die elektrische Maschine 1 einen Strömungführungsraum 11 auf, der als Sensorraum ausgeführt ist. Der Strömungführungsraum 11 ist dabei strömungsberuhigt ausgeführt. Dabei ist der Strömungführungsraum 11 durch einen Verschlussdeckel 19 mit Kühlrippen 21 gebildet. Der Verschlussdeckel 19 ist luftdicht mit dem Gehäuse 3 verbunden, so dass das Gehäuse 3 zusammen mit dem Strömungführungsraum 11 einen geschlossenen Raum bildet. Der Strömungführungsraum 11 ist dabei an einer Seite der elektrischen Maschine 1 angeordnet, die einer Umgebung der elektrischen Maschine zugewandt ist, so dass zum Beispiel kühle Umgebungsluft außen an dem Strömungführungsraum 11 Wärme aufnehmen kann. Somit kann die aus dem Inneren des Gehäuses 3 in den Strömungführungsraum 11 einströmende warme Luft Wärme im Strömungführungsraum 11 abgeben.
Die Rotorwelle 9 ist dabei als Hohlwelle ausgeführt und verbindet das Innere des Gehäuses 3 mit dem Strömungführungsraum 11. Das heißt, das dem Strömungführungsraum 11 zugewandte Ende der Rotorwelle 9 ist offen, so dass zum Beispiel Luft aus dem Strömungführungsraum 11 ins Innere der Rotorwelle 9 und somit ins Gehäuse 3 einströmen kann. Am Ende, welches dem Strömungführungsraum 11 gegenüberliegt, ist die Rotorwelle 9 mit Hilfe einer Dichtung 27 abgedichtet.
Zur Herstellung eines geschlossenen Lüftungskreislaufs sind ferner Lüftungsöffnungen 17 am Gehäuse 3 zwischen dem Inneren des Gehäuses 3 und dem Strömungführungsraum 11 vorgesehen. Durch diese Lüftungsöffnungen 17 kann die Innenluft das Gehäuse 3 verlassen und in den Strömungführungsraum 11 strömen. Ferner sind an der Rotorwelle 9 Öffnungen 47 vorgesehen, durch die die aus dem Strömungführungsraum 11 abgekühlte einströmende Luft die Rotorwelle 9 verlassen und zum Beispiel in einen Stirnraum 13, 15 der elektrischen Maschine strömen kann. Dabei kann die elektrische Maschine 1 einen ersten Stirnraum 13 und einen zweiten Stirnraum 15 aufweisen. Der erste Stirnraum 13 kann dabei beispielsweise an eine Antriebs- und Getriebeseite der elektrischen Maschine angrenzen. Der zweite Stirnraum 15 kann beispielsweise an den Strömungführungsraum 11 angrenzen. In den Stirnräumen 13, 15 können sich Wickelköpfe des Stators 5 befinden.
Die Luft bzw. die Innenluft der elektrischen Maschine 1 kann dabei zum Beispiel mit Hilfe eines an die Rotorwelle 9 angebundenen Radiallüfters 23, 25 in Bewegung bzw. in Zirkulation versetzt werden. Im Ausführungsbeispiel in 1 sind zwei Radiallüfter 23, 25 jeweils in jedem Stirnraum 13, 15 vorgesehen. Der erste Radiallüfter 23 ist dabei im ersten Stirnraum 13 und der zweite Radiallüfter 25 im zweiten Stirnraum 15 angeordnet. Dabei sind die Radiallüfter 23, 25 an der Rotorwelle 9 bündig mit Öffnungen 47 angeordnet, so dass die Luft die Rotorwelle 9 durch die Öffnungen 47 und die Radiallüfter 23, 25 ins Innere des Gehäuses 3 verlassen kann.
Die Zirkulation der Luft bzw. Innenluft ist dabei mit Pfeilen dargestellt. Die durchströmten Bereiche des geschlossenen Luftkreislaufs sind die Rotorwelle 9, der erste Stirnraum 13, der zweite Stirnraum 15, die in den Stirnräumen 13, 15 angeordneten Radiallüfter 23, 25, der Luftspalt 43 und der vom Maschineninnenraum im Wesentlichen getrennte Strömungführungsraum 11.
Durch den Aufbau der elektrischen Maschine in 1 können zwei Luftkreisläufe erzeugt werden. Ein erster Luftkreislauf kann durch den ersten Radiallüfter 23 angetrieben werden. Dabei wird gekühlte Luft vom ersten Radiallüfter 23 aus dem Strömungführungsraum 11 durch den Hohlraum der Rotorwelle 9 und durch die Öffnungen 47 im Bereich des ersten Stirnraums 13 vorbei an der Rotorstirnfläche in den ersten Stirnraum 13 der elektrischen Maschine 1 gefördert. Von dort strömt die Luft durch den Luftspalt 43 in den zweiten Stirnraum 15. Vom zweiten Stirnraum 15 strömt die Luft, die Wärme vom Stator und Rotor aufgenommen hat, durch die Lüftungsöffnungen 17 zurück in den Strömungführungsraum 11. Entlang der Kühlrippen 21 kann die erwärmte Luft im strömungsberuhigten Strömungführungsraum 11 Wärme abgeben, bis sie erneut in die Rotorwelle 9 gesaugt wird.
Ein weiterer Luftkreislauf kann vom zweiten Radiallüfter 25 erzeugt werden. Dabei kann gekühlte Luft aus dem Strömungführungsraum 11 durch die Rotorwelle 9 und durch Öffnungen 47 im Bereich des zweiten Stirnraums 15 vorbei an der Rotorstirnfläche in den zweiten Stirnraum 15 der elektrischen Maschine 1 gefördert werden. Aus dem zweiten Stirnraum 15, in dem die Luft beispielsweise Wärme von Statorwicklungen aufnimmt, strömt diese wieder durch die Lüftungsöffnungen 17 in den Strömungführungsraum 11. Erneut kann die erwärmte Luft im strömungsberuhigten Strömungführungsraum 11 Wärme an die Kühlrippen 21 abgeben, bis sie in die Rotorwelle 9 gesaugt wird. Zusätzlich zur Luftzirkulation kann eine im Gehäuse 3 vorgesehene Wasserkühlung 45 zur Kühlung beitragen.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 mit einem Sensorrad 29, welches im Strömungführungsraum 11, der als Sensorraum ausgeführt ist, angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann das im Sensorraum vorhandene Sensorrad 29 zum Erzeugen eines Luftkreislaufs genutzt werden. Hierbei kann auf die Radiallüfter 23, 25 verzichtet werden. Das Sensorrad 29 kann einerseits eine Drehzahl und ein Rotorpositionssignal ermitteln und an eine Regelung der elektrischen Maschine 1 weiterleiten. Andererseits kann das Sensorrad 29 derart ausgeführt sein, dass es als Lüfter fungiert und unter Rotation einen Druckaufbau nach radial außen bewirkt. Dabei strömt gekühlte Luft, wie in 2 durch Pfeile angedeutet, aus dem Strömungführungsraum 11 durch Lüftungsöffnungen 17 in den zweiten Stirnraum 15 der elektrischen Maschine 1 und von dort durch einen Luftspalt 43 oder durch zusätzliche Rotornuten 39 in den ersten Stirnraum 13. Aus dem ersten Stirnraum 13 kann die durch den Stator 5 und den Rotor 7 erwärmte Luft durch Öffnungen 47 in die Rotorwelle 9 strömen und von dort erneut in den Strömungführungsraum 11 geführt werden.
Ferner sind im Ausführungsbeispiel in 2 Lüfterschaufeln 31 am Innenumfang der Rotorwelle 9 vorgesehen. Die Lüfterschaufeln 31 können dazu dienen, den geschlossenen Kühlkreislauf zu erzeugen bzw. zu unterstützen.
Eine weitere alternative Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 ist in 3 gezeigt. Dabei ist lediglich ein Radiallüfter 25 im zweiten Stirnraum 15 vorgesehen. Dieser zweite Radiallüfter 25 ist dabei in Kombination mit einer Rotornut 39 bzw. einer axialen Rotoröffnung im zweiten Stirnraum 15 so angeordnet, dass eine Eintrittsöffnung des zweiten Radiallüfters 25 mit der Rotornut 39 deckungsgleich ist. Auf diese Weise kann die Luft aus der Rotornut 39 nach außen in den zweiten Stirnraum 15 gefördert werden. Da im ersten Stirnraum 13 kein Radiallüfter vorgesehen ist, entsteht eine luftfördernde Druckdifferenz zwischen der Eintrittsöffnung der Rotornut 39 im ersten Stirnraum 13 und dem Austritt der Rotornut 39 im zweiten Stirnraum 15 aus dem zweiten Radiallüfter 25. Im Ausführungsbeispiel in 3 strömt die Luft also aus dem Strömungführungsraum 11 in den Hohlraum der Rotorwelle 9, tritt aus der Rotorwelle 9 über eine Öffnung 47 in den ersten Stirnraum 13 aus und strömt durch die Rotornut 39 und den zweiten Radiallüfter 25 in den zweiten Stirnraum 15, den sie durch eine Lüftungsöffnung 17 in den Strömungführungsraum 11 verlässt.
4 zeigt eine Ergänzung des Ausführungsbeispiels in 3, indem im ersten Stirnraum 13 ein erster Radiallüfter 23 angeordnet ist, der einen Innenradius aufweist, der größer ist als der Radius, an dem die Rotornut 39 vorgesehen ist.
Anders ausgedrückt kann der erste Radiallüfter 23 einen Abstand zur Rotorwelle 9 aufweisen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass ein Teil der Luftströmung aus der Rotorwelle 9 durch die Rotornut 39 und ein weiterer Teil durch den Luftspalt 43 verläuft.
Im Ausführungsbeispiel in 5 weist die elektrische Maschine 1 einen externen Lüfter 33 auf. Dieser kann zusätzlich oder alternativ zu den Radiallüftern 23 und 25 vorgesehen sein. Der externe Lüfter 33 ist ausgeführt, die Luftströmung anzutreiben und kann beispielsweise in die Rotorwelle 9 eingebracht sein.
In den 6 bis 8 sind alternative oder zusätzliche Kanäle zur Führung der Luft innerhalb des Gehäuses 3 gezeigt. 6 zeigt dabei einen zur Längsachse der elektrischen Maschine 1 senkrechten Querschnitt. Dabei sind die Statorwicklungen 37 aus Kupfer angedeutet. Die für die Statorwicklungen 37 zur Verfügung stehende Fläche ist nicht vollständig mit Kupferdraht gefüllt bzw. bewickelt, so dass ein kanalbildender Freiraum auch als Statornut 35 bezeichnet, freigelassen bleibt. Der Strömungspfad der zirkulierenden Luft kann durch die Statornut 35 verlaufen und dadurch zu einer besseren Kühlung des Stators 5 beitragen. In 7 und 8 sind zusätzliche Rotornuten 39 dargestellt, durch die der Strömungspfad der zirkulierenden Luft zusätzlich oder alternativ verlaufen kann. Die Rotornuten können beispielsweise dadurch entstehen, dass eine vorhandene Rotornut 39, zum Beispiel bei elektrisch erregten Maschinen und Induktionsmaschinen, nicht vollständig ausgefüllt wird, so dass ein Freiraum für die zirkulierende Luft verbleibt. Alternativ können Magnettaschen 41 des Rotors 7 bei permanent erregten Maschinen nicht vollständig mit Magneten gefüllt sein, so dass ein Freiraum für die zirkulierende Luft verbleibt und auf diese Weise zu einer besseren Kühlung des Rotors 7 beiträgt.
In 9 ist ferner die Ausgestaltung eines Radiallüfters 23, 25 dargestellt. 9A zeigt eine Draufsicht in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse der elektrischen Maschine 1 des Radiallüfters 23. Dabei ist die Positionierung der Öffnungen 47 der Rotorwelle 9 am Radiallüfter 23 angedeutet. 9B zeigt eine Seitenansicht des in 9A dargestellten Radiallüfters 23. Ferner zeigt 9C eine dreidimensionale Ansicht des Radiallüfters 23.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009055273 A1 [0002]

Claims

Geschlossene elektrische Maschine (1), die elektrische Maschine (1) aufweisend ein Gehäuse (3), in dem ein Stator (5) und ein Rotor (7) mit einer Rotorwelle (9) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) ferner einen Strömungführungsraum (11) aufweist, der zusammen mit dem Gehäuse (3) einen geschlossenen Raum bildet; wobei der Strömungführungsraum (11) einen Wärmeaustausch zwischen einer Innenluft der elektrischen Maschine (1) und der Umgebung ermöglicht; wobei die Rotorwelle (9) als Hohlwelle ausgeführt ist und das Innere des Gehäuses (3) mit dem Strömungführungsraum (11) verbindet.
Elektrische Maschine (1) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine Lüftungsöffnung (17) am Gehäuse (3); wobei die Lüftungsöffnung (17) derart am Gehäuse (3) angeordnet ist, dass ein geschlossener Kreislauf der Innenluft über die Lüftungsöffnung (17), den Strömungführungsraum (11) und die Rotorwelle (9) stattfindet.
Elektrische Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Strömungführungsraum (11) ein Sensorraum ist, der als Wärmeübertragungsraum fungiert.
Elektrische Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strömungführungsraum (11) einen Verschlussdeckel (19) mit Kühlrippen (21) aufweist.
Elektrische Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei an der Rotorwelle (9) ein Radiallüfter (23, 25) vorgesehen ist; wobei der Radiallüfter (23, 25) ausgeführt ist, bei Betrieb der elektrischen Maschine (1) einen Luftdurchsatz der Innenluft durch die Hohlwelle zu erhöhen.
Elektrische Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Gehäuse (3) ein Gehäusekanal vorgesehen ist; wobei der Gehäusekanal mit dem Inneren des Gehäuses (3) verbunden ist und als Wärmeübertragungsraum fungiert.
Elektrische Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Rotorwelle (9) an einer dem Strömungführungsraum (11) gegenüberliegenden Seite eine Dichtung (27) aufweist.
Elektrische Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Strömungführungsraum (11) ein Sensorrad (29) angeordnet ist; wobei das Sensorrad (29) ausgeführt ist, bei Betrieb der elektrischen Maschine (1) eine Zirkulation der Innenluft zu erzeugen.
Elektrische Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei an einem Innenumfang der Rotorwelle (9) Lüfterschaufeln (31) und/oder Wärmeübertragungsschaufeln vorgesehen sind.
Verfahren zum Herstellen einer geschlossenen elektrischen Maschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das Verfahren aufweisend die folgenden Schritte Bereitstellen eines Gehäuses (3); Anordnen eines Rotors (7) mit einer Rotorwelle (9) und eines Stators (5) im Gehäuse (3); gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren ferner aufweist Vorsehen eines Strömungführungsraums (11) und Verbinden des Strömungführungsraums (11) mit dem Gehäuse (3) derart, dass der Strömungführungsraum (11) zusammen mit dem Gehäuse (3) einen geschlossenen Raum bilden; Ausgestalten der Rotorwelle (9) derart als Hohlwelle, dass diese das Innere des Gehäuses (3) mit dem Strömungführungsraum (11) verbindet.