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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Bei elektrischen Maschinen erhöhen sich bei steigender Drehzahl die Eisenverluste. Durch eine gute thermische Anbindung des Rotors kann die Dauerleistung von elektrischen Maschinen deutlich gesteigert werden. Eine gute Rotorkühlung ist nicht leicht umzusetzen. Bei derzeitigen elektrischen Maschinen wird der Rotor durch ein Medium in der Rotorwelle gekühlt. Andere Konzepte nutzen das Kühlfluid im Innenraum der Maschine. Dadurch lassen sich hauptsächlich die Kurzschlussringe abkühlen.
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Die
DE 10 2011 117 517 A1 zeigt eine Kühlung eines Kurzschlussläufers mit axialen Kühlkanälen, welche durch eine Hohlwelle von Innen mit Öl versorgt werden. Hierbei verlaufen die Kühlkanäle radial in den Pressplatten von der Hohlwelle nach außen, um dann dort direkt an den Leiterstäben axial durch den Rotor zu führen. Die Kühlkanäle verlaufen dabei axial abwechselnd in entgegen gesetzte Richtungen, sodass beide Seiten der Wickelköpfe durch eine Sprühkühlung des sich drehenden Rotors gekühlt werden.
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Die
DE 10 2013 020 331 A1 offenbart eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, mit einem Stator und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor. Dabei ist der Rotor als Kurzschlussläufer ausgebildet und umfasst wenigstens einen Kurzschlussring, mittels welchem Leiterstäbe des Kurzschlussläufers gegenseitig kurzgeschlossen sind. Ferner weist der Kurzschlussring wenigstens einen von Kühlmittel durchströmbaren Kanal auf, welcher sich im Kurzschlussring schräg zur radialen Richtung des Rotors erstreckt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere einer Asynchronmaschine, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiter zu entwickeln, dass eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich der Kühlmitteleinlasskanal in dem Kurzschlussring radial von einem inneren Radius des Kurzschlussrings bis zu dem Kühlmittelkanal erstreckt. Mit anderen Worten verläuft der Kühlmitteleinlasskanal radial von einem inneren Radius des Kurzschlussrings entlang einer zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotorachse verlaufenden Stirnfläche des Rotorblechpakets bis zu dem axialen Kühlkanal. Dabei durchdringt der Kühlmitteleinlasskanal den Kurzschlussring nicht ganz, sondern geht an einer Stelle radial innerhalb der Läuferstäbe in den axialen Kühlkanal über.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Kühlmittelstrom zu den geeigneten Stellen, an denen eine Kühlung erforderlich ist, geleitet wird. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Kühlung der elektrischen Maschine sichergestellt werden. Infolge dieser verbesserten Kühlung kann eine hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine sichergestellt werden, sodass diese auch besonders hohe Leistungen über besonders lange Zeitspannen bereitstellen kann, ohne dass es zu einer Überhitzung der elektrischen Maschine kommt. Durch die bessere Entwärmung wird die Dauerleistung der elektrischen Maschine deutlich gesteigert. Auch eine Verkleinerung der Dimension bei gleicher Leistung der elektrischen Maschine ist denkbar. Dadurch können das Gewicht und die Materialkosten der elektrischen Maschine reduziert werden. Es können so ferner Bauraumkonflikte im Fahrzeug gelöst werden.
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Darüber hinaus handelt es sich bei der Kühlung bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine um ein offenes System, wodurch eine sichere Zuführung des Kühlmittels in den Kühlkanal realisierbar ist. Hierbei kann die Zuführung des Kühlmittels von außen her, sprich aus dem Bereich der elektrischen Maschine an sich in einen Sammelbereich am inneren Radius des Kurzschlussrings erfolgen oder auch gezielt durch zuleitende Kühlkanäle, die das Kühlmittel in den Sammelbereich des Kurzschlussrings leiten.
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In vorteilhafter Weise erstreckt sich in dem Kurzschlussring ein Kühlmittelauslasskanal in einem vorbestimmten Winkel zu einer Rotorachse von dem Kühlkanal zu einem Kühlmittelauslass. Durch diesen schrägen Verlauf des Kanals kann das Kühlmittel, wobei es sich insbesondere um eine Kühlflüssigkeit und insbesondere um ein Öl handelt, schräg durch den Kanal strömen und beispielsweise dem Stator der elektrischen Maschine nicht in streng radialer Richtung, sondern in einer Richtung schräg dazu, zugeführt werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, wenigstens einen Wickelkopf des Stators besonders vorteilhaft und besonders großflächig mit dem Kühlmittel zu benetzen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung mündet der Kühlmittelauslasskanal an eine Umgebung des Kurzschlussrings über den Kühlmittelauslass, welcher in einer Stirnfläche, die sich senkrecht radial zur Rotorachse erstreckt, angeordnet ist.
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Alternativ kann der schräge Kühlmittelauslasskanal auch wieder radial nach außen führen. Der Neigungswinkel des Kühlmittelauslasskanals zur Rotorachse (schräg, radial) hängt dabei von der Auslegung der elektrischen Maschine ab, wobei der Winkel und der Kühlmittelauslass der Sprühkühlung abhängig von der Rotorlänge und der Statorlänge so gewählt werden können, dass die Sprühkühlung unter günstigen Bedingungen auf die Wickelköpfe trifft und dort für Kühlung sorgen kann.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Rotor auf einer Rotorwelle angeordnet ist, die einen in axialer Richtung erstreckenden Kanal zum Fördern des Kühlmittels aufweist sowie in einer den Kanal begrenzenden Mantelfläche eine Austrittsöffnung für das Kühlmittel aufweist. Mit anderen Worten wird das Kühlmittel aus der Rotorwelle in den inneren Teil der Kurzschlussringe gespritzt und kann sich in einem Auffangbecken, welches durch die Form des Kurzschlussrings gebildet wird, sammeln. Dadurch wird gewährleistet, dass der Kühlkanal immer mit Kühlmittel gefüllt ist. Sollte zu viel Kühlmittel in das Auffangbecken gelangen, wird es überlaufen – in den Innenraum – und kann dort Komponenten wie beispielsweise Wickelköpfe direkt kühlen. Durch das Auffangbecken wird zusätzlich auch der Kurzschlussring bzw. das Blechpaket besser entwärmt.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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2 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Kurzschlussrings der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer Innendraufsicht;
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3 eine schematische und perspektivische Darstellung des Kurzschlussrings der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer schrägen Innendraufsicht;
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4 eine schematische und perspektivische Darstellung des Kurzschlussrings der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer Außendraufsicht;
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5 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Rotorblechpakets der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine; und
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6 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Längsschnittansicht eine elektrische Maschine 10 in Form einer Asynchronmaschine. Die elektrische Maschine 10 wird beispielsweise in einem Antriebsstrang eines als Hybrid-Fahrzeug oder vorzugsweise als Elektrofahrzeug ausgebildeten Kraftwagens verwendet, wobei der Kraftwagen mittels der elektrischen Maschine 10 antreibbar ist. Die elektrische Maschine 10 wird daher auch als Traktionsmaschine oder als Traktions-Elektromaschine (TEM) bezeichnet. Die elektrische Maschine 10 weist beispielsweise eine Leistung von 35 kW und ein Drehmoment von 60 Nm auf. Als äußere Dimensionen weist die elektrische Maschine 10 einen Außendurchmesser von 160 mm und eine Länge von 140 mm auf.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst ein Gehäuse 12, durch welches ein Aufnahmeraum 14 begrenzt ist. In dem Aufnahmeraum 14 ist eine Mehrzahl von Komponenten der elektrischen Maschine 10 angeordnet.
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Bei einer dieser Komponenten handelt es sich um einen im Ganzen mit 16 bezeichneten Stator der elektrischen Maschine 10. Der Stator 16 umfasst Wickelköpfe 18, 20. Die Wickelköpfe 18, 20 sind auf jeweiligen Stirnseiten bzw. in jeweiligen Endbereichen des Stators 16 angeordnet. Der Wickelkopf 18 ist auf einer so genannten B-Seite der elektrischen Maschine 10 angeordnet, wobei der Wickelkopf 20 auf einer so genannten A-Seite der elektrischen Maschine 10 angeordnet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass die A-Seite der B-Seite abgewandt ist. Der Stator 16 umfasst auch in 1 besonders schematisch dargestellte Wicklungen 22, welche an den Wickelköpfen 18, 20 gehalten bzw. um diese gewickelt sind.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst auch einen im Ganzen mit 24 bezeichneten Rotor. Der Rotor 24 ist um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse 12 und relativ zu dem Stator 16 drehbar und umfasst eine um die Drehachse drehbare Rotorwelle 26. Darüber hinaus umfasst der Rotor 24 ein Rotorelement 28, welches auf der Rotorwelle 26 angeordnet und mit dieser drehbar verbunden ist. Somit ist auch das Rotorelement 28 um die Drehachse relativ zum Stator 16 drehbar.
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Der Rotor 24 ist als Kurzschlussläufer ausgebildet. Hierbei umfasst das Rotorelement 28 ein Rotorblechpaket 30, an welchem in 1 nicht erkennbare Leiterstäbe fixiert sind. Leiterstäbe sind beispielsweise zumindest teilweise in das Blechpaket eingebettet. Üblicherweise werden die Leiterstäbe auch als Läuferstäbe bezeichnet.
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Ferner umfasst das Rotorelement 28 Kurzschlussringe 32, 34. Aus 1 ist erkennbar, dass der Kurzschlussring 32 auf der B-Seite angeordnet ist, während der Kurzschlussring 34 auf der A-Seite angeordnet ist. Über die Kurzschlussringe 32, 34 sind die Leiterstäbe gegenseitig kurzgeschlossen. Wodurch ein Kurzschlusskäfig des Rotorelements 28, insbesondere des Kurzschlussläufers, gebildet ist.
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Aus 1 ist ferner erkennbar, dass der Kurzschlussring 34 in radialer Richtung des Rotors 24, insbesondere der Rotorwelle 26 nach außen hin durch den Wickelkopf 20 überdeckt ist. Darüber hinaus ist der auf der B-Seite angeordnete Kurzschlussring 32 in radialer Richtung nach außen hin durch den Wickelkopf 18 überdeckt. Die Rotorwelle 26 ist zumindest in einem Längenbereich als Hohlwelle ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Rotorwelle 26 zumindest in dem Längenbereich einen Kanal 40 aufweist, welcher sich in axialer Richtung der Rotorwelle 26 in dieser erstreckt.
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Der Kanal 40 ist von einem Kühlmittel in Form von Öl durchströmbar. Im Betrieb der elektrischen Maschine 10 wird das Öl beispielsweise mittels wenigstens einer Pumpe gefördert und über eine stirnseitige und als Durchgangsöffnung ausgebildete Eintrittsöffnung 42 der Rotorwelle 26 in den Kanal 40 hineingepumpt. Aus 1 ist erkennbar, dass die Rotorwelle 26 auf einer der Eintrittsöffnung 42 gegenüberliegenden Stirnseite geschlossen ausgebildet ist. Die Strömung des Öls in den Kanal 40 hinein und durch diesen hindurch ist in 1 durch Richtungspfeile 44 veranschaulicht.
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Die Rotorwelle 26 weist darüber hinaus in ihrer den Kanal 40 in radialer Richtung begrenzenden Mantelfläche 46 Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 auf, die als Durchgangsöffnung ausgebildet sind. Somit durchdringen die Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 die Mantelfläche 46, d. h. eine den Kanal 40 in radialer Richtung der Rotorwelle 26 begrenzende Wandung der Rotorwelle 26, vollständig. Die Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 münden somit einerseits in den Kanal 40 und andererseits an die Umgebung der Rotorwelle 26.
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Aus 1 ist erkennbar, dass die Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 bezogen auf das Rotorblechpaket 30 deckungsfrei angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Austrittsöffnungen 48, 50 in radialer Richtung nach außen nicht durch das Blechpaket 30 überdeckt sind.
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Da die Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 die Mantelfläche 46 vollständig durchdringen, kann das den Kanal 40 durchströmende Öl über die Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 aus der Rotorwelle 26 heraustreten und somit an die Umgebung der Rotorwelle 26 strömen. Mittels des Öls kann die Rotorwelle 26 selbst gekühlt werden. Darüber hinaus können die Wickelköpfe 18, 20 mit den aus den Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 ausströmenden Öl beaufschlagt und dadurch gekühlt werden. Nach dem Kühlen der Wickelköpfe 18, 20 kann das Öl beispielsweise über wenigstens eine Austrittsöffnung des Gehäuses 12 aus diesem Ausströmen und beispielsweise zur Pumpe zurückströmen, sodass ein Kühlkreislauf geschlossen ist.
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Wie aus 1 erkennbar ist, sind die Austrittsöffnungen 52, 54 auf der B-Seite angeordnet, sodass die Austrittsöffnungen 52, 54 dem Wickelkopf 18 zugeordnet sind. Mittels des die Austrittsöffnungen 52, 54 durchströmenden Öls kann somit der Wickelkopf 18 gekühlt werden. Die Austrittsöffnungen 48, 50 hingegen sind auf der A-Seite angeordnet und somit dem Wickelkopf 20 zugeordnet, sodass mittels des die Austrittsöffnungen 48, 50 durchströmenden Öls der Wickelkopf 20 gekühlt werden kann. Die Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 erstrecken sich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung.
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Wie durch die Richtungspfeile 44 angedeutet ist, strömt das Öl zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung durch den Kanal 40. Ferner dreht sich der Rotor 24 im Betrieb der elektrischen Maschine 10, sodass auf das in den Kanal 40 strömende Öl eine Fliehkraft wirkt. Es wurde gefunden, dass es durch diese Fliehkraft und die axiale Strömungsrichtung des Öls zu einer zumindest im Wesentlichen laminaren Strömung des Öls in der Rotorwelle 26 kommt. Dadurch kann es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Ölmenge auf der A-Seite und der B-Seite kommen.
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In den 2 bis 4 ist schematisch und perspektivisch eine Ausgestaltung des Kurzschlussrings 32, 34 der elektrischen Maschine 10 mit Ansätzen der Leiterstäbe 68 in einer Innendraufsicht und einer Außendraufsicht gezeigt. Die Kurzschlussringe 32, 34, welche auf der A-Seite und der B-Seite der elektrischen Maschine 10 angeordnet sind (siehe 1), sind identisch ausgebildet. Der Kurzschlussring 32 weist dabei eine Vertiefung 56 auf, welche in einem montierten Zustand ein Auffangbecken für das Kühlmittel darstellt. Dadurch ergibt sich ein rechteckiges Auffangbecken, welches sich entlang eines inneren Radius 62 des Kurzschlussrings 32 erstreckt. In dem Auffangbecken wird das Kühlmittel, das durch die Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 radial aus der Rotorwelle 26 austritt, gesammelt. Mit anderen Worten wird das Kühlmittel aus der Rotorwelle 26 am inneren Teil des Kurzschlussrings 32, 34 gespritzt und kann sich in der Vertiefung 56 – dem Auffangbecken – sammeln. Das Auffangbecken des Kurzschlussrings 32, 34 bildet sich zwischen einem Fortsatz oder einer äußeren Wandung des Kurzschlussrings 32, 34 und einem Ende 36, 38 des Rotorblechpakets 30, welche sich radial zur Rotorachse erstreckt. Gelangt zu viel Kühlmittel in die Vertiefung 56, so wird das Kühlmittel über den Fortsatz in den Innenraum überlaufen und dort die Komponenten, wie beispielsweise Wickelköpfe, direkt kühlen. Durch die Vertiefung 56, in dem sich das Kühlmittel sammelt, wird zusätzlich auch der Kurzschlussring 32, 34 bzw. das Rotorblechpaket 30 besser entwärmt.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführung wird das Kühlmittel nicht durch einen Kanal in der Welle in das Auffangbecken des Kurzschlussringes geleitet, sondern seitlich aus dem Innenbereich der elektrischen Maschine an sich eingebracht. Dies kann generell über eine Sprühkühlung der elektrischen Maschine erfolgen, bei der sich das versprühte Kühlmittel auch im Auffangbecken des Kurzschlussrings sammeln kann oder auch gezielt durch Leitbleche und Kühlkanäle, welche das Kühlmittel dem Auffangbecken zuführen.
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Von dieser Vertiefung 56 aus erstreckt sich in radialer Richtung ein Kühlmitteleinlasskanal 58, welcher an sich eine U-förmige Kontur aufweist. Dieser erstreckt sich ausgehend von dem inneren Radius 62 des Kurzschlussrings 32, 34, in dem Kurzschlussring 32, 34, bis zu dem axialen Kühlkanal 60 des Rotorblechpakets 30. D. h., der Kühlmitteleinlasskanal 58 verläuft nicht komplett von einem inneren Radius 62 der Kurzschlussrings zu einem äußeren Radius 64 des Kurzschlussrings. Wie den 2 und 3 zu entnehmen ist, weist der Kurzschlussring 32, 34 zwei dieser Kühlmitteleinlasskanäle 58 auf. Entsprechen weist der Kurzschlussring 32, 34 auch zwei Kühlmittelauslasskanäle 66 auf, die abwechselnd zu den Kühlmitteleinlasskanäle 58 angeordnet sind. Vorteilhaft sind die Kühlmitteleinlasskanäle 58 und die Kühlmittelauslasskanäle 66 immer abwechselnd und auch immer paarweise gleichverteilt in den Kurzschlussringen 32, 34 vorzusehen, um eine optimierte Kühlung zu ermöglichen. Hierbei ist jedem Kühlmitteleinlasskanale 58 und jedem Kühlmittelauslasskanäle 66 jeweils ein Kühlkanal 60 zugeordnet, die einen Kühlmitteleinlasskanal 58 in einem Kurzschlussring 32 mit einem Kühlmittelauslasskanal 66 des gegenüberliegenden Kurzschlussrings 34 verbindet und umgekehrt. Entsprechend werden die Kühlkanäle 60 auch abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen vom Kühlmittel durchflutete.
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In Abhängigkeit des Kühlbedarfs der elektrischen Maschine 10 kann die Anzahl der Kühlkanäle 60 und somit auch der Kühlmitteleinlasskanäle 58 variieren. Mit anderen Worten kann die Anzahl der Kühlkanäle 60 und Kühlmitteleinlasskanäle 58 immer paarweise erweitert werden. Wie in den 2 und 3 dargestellt, ist ein Kühlmitteleinlasskanal 58 einem weiteren Kühlmitteleinlasskanal 58 radial gegenüber angeordnet. Das heißt, die Kühlmitteleinlasskanäle 58 sind zueinander in einem Winkel von 180° angeordnet. Hierzu sind auch zwei um 180° versetzte Kühlmittelauslasskanäle 66 zwischen den beiden Kühlmitteleinlasskanäle 58 angeordnet, so dass insgesamt vier Kühlkanäle 60 mit Winkelabstand von 90° im Rotorelement 28 vorgesehen sind.
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Würde der Kurzschlussring 32 beispielsweise vier Kühlmitteleinlasskanäle 58 mit jeweils 90° zueinander und mit entsprechend vier Kühlmittelauslasskanäle 66 dazwischen, ebenfalls mit 90° zueinander, aufweisen, wären somit auch acht Kühlkanäle 60 im Rotorblechpaket 30 angeordnet, welche sich durch das Rotorblechpaket 30 erstrecken und einen Winkelabstand von 45° zueinander aufweisen.
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Des Weiteren weist der Kurzschlussring 32, 34 einen Kühlmittelauslasskanal 66 auf. Der Kühlmittelauslasskanal 58 mündet an die Umgebung des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 über eine Austrittsöffnung 70, die in einer senkrecht zur axialen Richtung des Rotors 24 verlaufenden Stirnfläche des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 angeordnet ist. Andererseits grenzt der Kühlmittelauslasskanal 66 innenumfangsseitig an den Kühlkanal 60.
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In 5 ist das Rotorblechpaket 30 dargestellt. Darin verläuft der Kühlkanal 60 axial durch das Rotorblechpaket 30 und verbindet somit den Kühlmitteleinlasskanal 58 an dem Kurzschlussring 32, 34 mit dem Kühlmittelauslasskanal 66 an dem Kurzschlussring 32, 34.
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Dem Kühlkonzept mit den schräg verlaufenden Kühlmittelauslasskanälen 60 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in modernen elektrischen Maschinen 10 der freie Raum im Gehäuse 12 immer kleiner wird. Werden die Wickelköpfe 20, 18 sehr kurz, d. h. weisen diese eine nur geringe, in axialer Richtung verlaufende Erstreckung auf, so kann das beispielsweise bei der elektrischen Maschine 10 gemäß 1 aus den Austrittsöffnungen 48, 50, 52, 54 strömende Öl nur noch eine sehr kleine Fläche des jeweiligen Wickelkopfes 18, 20 erreichen, wodurch der jeweilige Wickelkopf 18, 20 auf nur sehr kleiner Fläche mit Öl benetzt wird. Durch die schräg verlaufenden Kühlmittelauslasskanäle 66 ist es jedoch möglich, die Wickelköpfe 18, 20 besonders großflächig mit dem Öl zu umsprühen und somit besonders effektiv und effizient zu kühlen. Öl, welches nicht durch die Kühlmitteleinlasskanäle 58 strömt, wird an einer jeweiligen, in radialer Richtung der Rotorwelle 26 weisenden Unterseite des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 gesammelt. Durch die Fliehkraft fliegt der Ölfilm permanent an dem jeweiligen Kurzschlussring 32, 34 an und kühlt zusätzlich den Rotor 24.
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Der jeweilige Kühlkanal 60 kann als Bohrung ausgebildet sein. Ferner können auch die Kühlmittelauslasskanäle 66 als Bohrung ausgebildet und demzufolge durch sparende Bearbeitung des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 ausgebildet sein. Der jeweilige Kurzschlussring 32, 34 ist beispielsweise als Gussbauteil mittels wenigstens einer Gussform ausgebildet. Dabei ist es alternativ zur Bohrung auch möglich, beispielsweise mittels wenigstens eines Kerns den jeweiligen Kanal (Kühlmitteleinlasskanal 58, Kühlmittelauslasskanal 66) bereits beim Gießen des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 herzustellen. Dazu ist, um das Kühlkonzept umsetzen zu können, eine Änderung im Gusswerkzeug des Rotorkäfigs notwendig.
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Bei einer Umsetzung der Idee bei permanent magneterregten Synchronmaschinen können eine solche Vertiefungen 56 als Auffangbecken in dort verwendete Anpressscheiben gefräst werden.
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Anhand 6 soll nun beispielhaft die Zirkulation des Kühlmittelstroms erläutert werden. Die Zirkulationsrichtung des Kühlmittels wird durch die Richtungspfeile 72 verdeutlicht. In einem ersten Schritt sammelt sich das Kühlmittel durch die Rotation des Rotors 24 in den Vertiefungen 56. Alternativ kann auch durch seitliches Einbringen das Kühlmittel in den Sammelbereich des Kurzschlussrings 32, 34 eingebracht werden. Dort kühlt es zu Beginn nur die Kurzschlussringe 32, 34. In einem nächsten Schritt rotiert das Kühlmittel in den Vertiefungen 56 mit dem sich drehenden Rotor 24 mit und tritt durch die Zentrifugalkraft in den Kühlmitteleinlasskanal 58. Die Rotation des Rotors 24 bewirkt ein Beschleunigen des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals 60, der durch das Rotorblechpaket 30 führt. Mit anderen Worten erfolgt durch die Zentrifugalkraft ein radiales Fördern des Kühlmittelstroms mittels des Kühlmitteleinlasskanals 58 in dem Kurzschlussring 32, 34. Anschließend wird der Kühlmittelstrom in den Kühlkanal 60 umgelenkt, welcher sich von einem ersten axialen Ende 36 des Rotorblechpakets 30 zu einem gegenüberliegenden zweiten axialen Ende 38 des Rotorblechpakets 30 erstreckt. Somit wird der Kühlmittelstrom aus dem Kühlmitteleinlasskanal 58 axial durch den Kühlkanal 60 gefördert. Im letzten Schritt verlässt das Kühlmittel den Kühlkanal 60 und tritt durch den Kühlmittelauslasskanal 66 schräg aus dem jeweiligen Kurzschlussring 32, 34 aus. Mit anderen Worten wird der Kühlmittelstrom mittels eines Kühlmittelauslasskanals 66 zu einem Kühlmittelauslass 70 gefördert. Mit anderen Worten strömt das Kühlmittel beispielsweise von einem Kühlmitteleinlasskanal 58 in einem Kurzschlussring 32 durch das Rotorblechpaket 30 entlang dem Kühlkanal 60 bis zu dem gegenüberliegenden Kurzschlussring 34 zu dem Kühlmittelauslasskanal 66. Der Kühlkanal 60 kann dabei auch gegenläufig, d. h. ausgehend von dem Kurzschlussring 32 zum Kurzschlussring 34, durchströmt werden. Entsprechend können gegenläufige axiale Kühlkanäle 58 vorgesehen sein, damit eine gleichmäßige Sprühkühlung der Wickelköpfe 18, 20 auf beiden Seiten (A-Seite und B-Seite) möglich ist.
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Entsprechend sind die Kurzschlussringe 32, 34 auch identisch ausgeformt. Beide weisen abwechselnd radiale Kühlmitteleinlasskanäle 58 aus dem Sammelbereich nach außen hin bis zum Anschluss an die axialen Kühlkanäle 60 und vom Anschluss der axialen Kühlkanäle 60 schräge (radiale) Kühlmittelauslasskanäle 66 nach außen hin bis zum Kühlmittelauslass 70 auf. Anzuordnen sind die beide Kurzschlussringe 32, 34 auf der A-Seite und der B-Seite dann entsprechend verdreht vorzusehen, um die abwechselnden Kühlungsrichtungen zu realisieren. Die axialen Kühlkanäle 60 sind hierbei identisch ausgeführt, was auch die Herstellung und Produktion eines solchen Rotors 24 vereinfacht, günstiger, schneller und qualitätssicherer ermöglicht.
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Die Vertiefung 56 ist radial im Kurzschlussring 32, 34 eingegossen. Sie erzeugen durch die Rotation des Rotors 24 eine Stauwirkung auf das Kühlmedium. Gegenüberliegend sind pro Seite zwei Kühlmitteleinlasskanäle 58, insbesondere mit Abmessungen von 8 × 5 × 5 mm, in dem jeweiligen Kurzschlussring 32, 34 eingegossen. Die Seiten sind zueinander um 90° versetzt. Es verlaufen vier Kühlkanäle 60 durch das Rotorblechpaket 30. Diese sind in dem Rotorblechpaket 30 um 90° zueinander versetzt. Die Kühlmittelauslasskanäle 66 beschleunigen aufgrund der Zentrifugalkraft das Kühlmittel nochmals und leiten es gegebenenfalls hinter die Wickelköpfe 18, 20. Pro Seite sind zwei Kühlmittelauslasskanäle 66 vorgesehen. Ein Kühlmittelauslasskanal 66 in einem Kurzschlussring 32 zu einem Kühlmittelauslasskanal 66 in dem anderen Kurzschlussring 34 90° versetzt angeordnet. D. h., um eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf der A- und B-Seite zu gewährleisten, müssen auf beiden Seiten eine Zufuhr (Kühlmitteleinlasskanal 58) und eine Abfuhr (Kühlmittelauslasskanal 66) des Kühlmittels entstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Aufnahmeraum
- 16
- Stator
- 18
- Wickelkopf
- 20
- Wickelkopf
- 22
- Wicklungen
- 24
- Rotor
- 26
- Rotorwelle
- 28
- Rotorelement
- 30
- Rotorblechpaket
- 32
- Kurzschlussring
- 34
- Kurzschlussring
- 36
- erstes Ende
- 38
- zweites Ende
- 40
- Kanal
- 42
- Eintrittsöffnung
- 44
- Richtungspfeil
- 46
- Mantelfläche
- 48
- Austrittsöffnung
- 50
- Austrittsöffnung
- 52
- Austrittsöffnung
- 54
- Austrittsöffnung
- 56
- Vertiefung
- 58
- Kühlmitteleinlasskanal
- 60
- Kühlkanal
- 62
- innerer Radius
- 64
- äußerer Radius
- 66
- Kühlmittelauslasskanal
- 68
- Leiterstäbe
- 70
- Kühlmittelauslass
- 72
- Richtungspfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011117517 A1 [0003]
- DE 102013020331 A1 [0004]
