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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Beim Betrieb von elektrischen Maschinen zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie bzw. umgekehrt entstehen im elektromagnetischen System Wärmeverluste, die zur Vermeidung von Schäden und zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades von der Maschine abgeführt werden müssen. Dazu ist es gängige Praxis, elektrische Maschinen mit einer Kühleinrichtung auszubilden bzw. mit dieser zu verbinden, wobei ein in einem Kühlkanal strömendes Kühlmedium die Verlustwärme am Stator aufnimmt und von der elektrischen Maschine zu einem Wärmetauscher wegtransportiert.
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Mit der
US 2004/0124720 A1 ist eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit einem am Stator ausgebildeten Fluidkanal bekannt geworden. Der Fluidkanal ist dort in einem, einen Kühlmantel bildenden Ringraum zwischen zwei koaxial zueinander angeordneten Zylinderteilen ausgebildet, wovon eines der Wandungsteile ein Statorblechpaket trägt und das andere Wandungsteil mit einem Maschinengehäuse fest verbunden ist. Beim Betreiben der elektrischen Maschine muss das Statordrehmoment über das Maschinengehäuse abgestützt werden. Zu diesem Zweck sind die beiden, den Fluidkanal bildenden Zylinderteile mittels mehrerer radial einführbarer Stifte außerhalb des Fluidkanals gegenseitig drehfest zugeordnet. Die Montage dieser Drehmomentabstützmittel erfordert einen Montageaufwand und ebenso einen zusätzlichen axialen Bauraum der elektrischen Maschine.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einem Fluidkanal bereitzustellen, dessen Wandungsteile in einer platzsparenden und montagefreundlichen Art und Weise gegenseitig drehfest zugeordnet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Demnach wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, bei der zwischen den beiden, den Fluidkanal ausbildenden Wandungsteilen axial miteinander in Eingriff bringbare Drehmomentabstützmittel vorgesehen sind. Damit können die Drehmomentabstützmittel gleichgerichtet und ebenso gleichzeitig zu koaxial am Stator angeordneten Wandungsteilen des Fluidkanals in Eingriff gebracht werden. Es ist somit zur Anordnung der Drehmomentabstützmittel nicht erforderlich, zumindest eines der Wandungsteile vollständig zu durchdringen. Vielmehr können die Drehmomentabstützmittel auch ohne Rücksicht auf den Verlauf des Fluidkanals zwischen den beiden Wandungsteilen angeordnet werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Fluidkanal einen umfangsmäßig geschlossenen Ringraum zwischen den beiden koaxial mit einem Radialabstand zueinander positionierten Wandungsteilen umfassen. Dabei soll auch, sofern nichts anderes erläutert, der Raum zwischen dem zueinander benachbarten Fluideinlass und Fluidauslass erfasst werden.
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Die angeführten Drehmomentabstützmittel wirken in Umfangsrichtung und stellen sicher, dass ein auf den Stator wirkendes und dort am Blechpaket angreifendes Drehmoment über die beiden Wandungsteile des Fluidkanals auf ein Gehäuse oder auf einen Montageort der elektrischen Maschine übergeleitet wird. Dadurch wird eine unerwünschte Eigenrotation des Stators sicher vermieden.
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Als Drehmomentabstützmittel soll schließlich die Gesamtheit der konstruktiven Vorkehrungen verstanden werden, welche für eine gegenseitige drehfeste Anordnung der Wandungsteile des Fluidkanals erforderlich sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können die Drehmomentabstützmittel ein separates Drehmomentabstützelement umfassen, welches mit beiden Wandungsteilen im Eingriff steht. Bevorzugt kann das Drehmomentabstützelement mittels Formschlussverbindungen axial in beide Wandungsteile eingefügt werden, wozu an den Wandungsteilen entsprechende Profile zur Aufnahme des Drehmomentabstützelements vorgesehen sind. Durch die Ausbildung von Profilen wie zum Beispiel von Nuten kann die radiale Wandstärke der Wandungsteile gering gehalten werden, so dass diese nicht gegenüber einer sonstigen radialen Wandstärke vergrößert werden muss.
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Alternativ oder ergänzend zum Einsatz eines Drehmomentabstützelements können mit Vorteil Drehmomentabstützmittel an radial gegenseitig zugewandten und miteinander zusammenwirkenden Eingriffsabschnitten der Wandungsteile ausgeführt werden. Diese Variante erfordert, dass zumindest eines der beiden Wandungsteile eine bereichsweise vergrößerte radiale Wandstärke aufweist, um den zwischen den Wandungsteilen vorhandenen Radialspalt zu überbrücken und um von einem an dem jeweils anderen Wandungsteil geschaffenen Aufnahmebereich aufgenommen zu werden. Ebenso können beide Wandungsteile jeweils einen Radialvorsprung aufweisen, welche innerhalb des von den Wandungsteilen gebildeten Ringraumes drehfest in Eingriff gebracht werden können. Auf ein separates Drehmomentabstützelement kann somit verzichtet werden.
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Bevorzugt können die Drehmomentabstützmittel innerhalb des Fluidkanals angeordnet werden. Eine axiale Verlängerung der Wandungsteile über den Fluidkanal hinaus erübrigt sich somit. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Drehmomentabstützmittel innerhalb der axialen und radialen Erstreckung des Fluidkanals angeordnet sind.
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Mit Vorteil können die Drehmomentabstützmittel innerhalb eines gegenseitigen Abstandsraumes von Fluideinlass und Fluidauslass am Stator ausgeführt werden. Bevorzugt sind der Fluideinlass und der Fluidauslass räumlich zueinander benachbart am Stator angeordnet. Der gesamte Ringraum bzw. Fluidkanal kann in einen Hauptströmungszweig und in einen Nebenströmungszweig unterteilt werden. Der Hauptströmungszweig erstreckt sich dabei über die entfernungsmäßig größere Distanz am Statorumfang, während sich der Nebenströmungszweig über die vergleichsweise kürzere Distanz in einem Abstandsraum zwischen dem Fluideinlass und dem Flu- idauslass ausbreitet. Durch eine Anordnung der Drehmomentabstützmittel innerhalb dieses Abstandsraums kann der Hauptströmungszweig strömungstechnisch optimiert werden und beispielsweise über den betreffenden Umfangsbereich durchgängig mit einem in einer Ebene offenen Ringspalt ausgeführt werden. Dabei kann über den Hauptströmungszweig dessen axiale Ausdehnung bzw. dessen Breite gleichbleibend sein.
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Darüber hinaus können die Drehmomentabstützmittel mit noch weiterem Vorteil eine Fluidbarriere zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass bilden. Diese Fluidbarriere kann durch eine entsprechende Gestaltung des Kanalquerschnitts dahingehend optimiert werden, dass im Nebenströmungszweig ein gegenüber dem Hauptströmungszweig in einem gewünschten Maße reduzierter Fluidvolumenstrom fließen kann. Dieser Fluidvolumenstrom kann so dimensioniert sein, dass ein sogenannter Hot Spot zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass in seiner Ausprägung abgeschwächt wird. Alternativ kann können die Drehmomentabstützmittel einen Fluidströmung in diesem Bereich auch vollständig unterbinden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind dabei mit denselben Bezugsziffern versehen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittdarstellung einer elektrischen Maschine mit einem Fluidkanal und mit dort angeordneten Drehmomentabstützmitteln;
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2a eine Axialschnittdarstellung des Fluidkanals von 1 im Bereich eines Hauptströmungszweigs;
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2b eine axiale Teildarstellung der elektrischen Maschine aus 1 mit im Bereich eines Nebenströmungszweigs eingesetzten Drehmomentabstützmitteln;
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3a–b verschiedene Axialschnittdarstellungen eines Fluidkanals im Bereich zwischen einem Fluideinlass und einem Fluidauslass mit dort angeordneten Drehmomentabstützmitteln.
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1 zeigt eine rotatorische elektrische Maschine 10 in einer schematischen Ansicht im Querschnitt. Diese umfasst zunächst einen ringkreisförmigen Stator 12 und einen um eine Achse A drehbar zu dem Stator 12 angeordneten Rotor 14. Die elektrische Maschine 10 ist vorliegend in Innenläuferbauart ausgeführt, was jedoch für die nachfolgende Erläuterung des Erfindungsgegenstandes ohne weiteren Belang ist. Der Stator 12 ist mit einem Statorträger 16 innerhalb eines Gehäuses 18, insbesondere eines Getriebegehäuses eines Kraftfahrzeug-Gangwechselgetriebes aufgenommen und dort drehsicher festgelegt. Die dargestellte elektrische Maschine 10 kann allein oder im Wirkverbund mit einem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor zumindest temporär als Fahrzeugantriebsquelle oder auch Generator wirken.
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Der Statorträger 16 trägt an dessen Innenumfangsfläche als elektromagnetische Komponente ein lamelliertes Blechpaket 20 mit einer zeichnerisch nicht dargestellten Statorwicklung. Die Statorwicklung kann zum Betreiben der elektrischen Maschine von einer Energiequelle mittels einer Ansteuerelektronik mit einem Strom gewünschter Frequenz und Amplitude beaufschlagt werden. Das Blechpaket 20 ist zur Aufnahme eines Statordrehmoments drehfest mittels eines Pressverbands und/oder formschlüssig an dem Statorträger 16 angeordnet und steht mit diesem im Wärmeübergangskontakt. Der Rotor 14 trägt im Bereich seiner Außenumfangsfläche eine Anzahl von Permanentmagneten 22, von denen lediglich zwei dargestellt sind und deren Magnetfeld mit dem elektromagnetischen Feld der Statorwicklung in Wechselwirkung treten kann.
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Zur Kühlung des Stators 12 ist ein Flüssigkeitskühlsystem vorgesehen, bei dem eine Kühlflüssigkeit in einem sich in Umfangsrichtung am Stator 12 erstreckenden Fluidkanal 24 zwischen einem Fluideinlass 26 und einem Fluidauslass 28 zirkulieren kann. Außerhalb der elektrischen Maschine 10 wird der Kühlflüssigkeit in einem Wärmetauscher Wärme entzogen, um diese daraufhin wiederum dem Fluidkanal 24 zu zuführen. Der Fluidkanal 24 ist am Stator 12 als Ringraum 30 ausgebildet, welcher zwischen einem zylindrischen Innenwandbereich des Gehäuses 18 und einem zylindrischen Außenwandbereich des Statorträgers 16 aufgespannt ist.
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Aus den 2a, 2b ist zu entnehmen, dass zur Aufnahme des Stators 12 in dem Gehäuse 18 sowohl am Gehäuse 18 als auch am Statorträger 16 mehrere im Durchmesser gestufte und miteinander korrespondierende Zylinderabschnitte 16a–d; 18a–d ausgebildet sind, die bei der Montage der Teile 16, 18 gegenseitig in Anlage gelangen. Die Durchmesserstufung ist so ausgeführt, dass bei der axialen Montage bzw. beim Einfügen des Stators 12 in das Gehäuse 18 die jeweils miteinander zusammenwirkenden Umfangsflächen 16a–d; 18a–d mit einem in der mit einem Pfeil bezeichneten Fügerichtung F abfallenden Durchmesser ausgebildet sind.
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An den Zylinderabschnitten 16a–d; 18a–d sind außerdem zur Abdichtung des Fluidkanals 24 zwei axial beabstandete Dichtungssysteme vorgesehen, welche bezüglich des Fluidkanals 24 ein inneres, d.h. fluidkanalnahes Dichtungssystem und ein äußeres, d.h. fluidkanalentferntes Dichtungssystem mit zwei Dichtelementen ausbilden. Dadurch kann der Fluidkanal beispielsweise mit verschiedenen Kühlflüssigkeiten befüllt und mit jeweils einem speziell darauf abgestimmten Dichtungssystem abgedichtet werden. Zu Herstellung einer Dichtverbindung sind am Außenumfang des Statorträgers 16 Ringnuten mit Dichtelementen 16e–h, z.B. O-Ringen oder Dichtschnüren vorgesehen, wobei die Dichtelemente 16e–h fluiddicht an dem jeweils gegenüberliegenden Wandungsbereich der Innenumfangsfläche des Gehäuses 18 zur Anlage gebracht sind. Somit bilden die Bereiche 16a, 16e, 18a und die Bereiche 16d, 16h, 18d das äußere fluidkanalentfernte Dichtungssystem und die Bereiche 16b, 16f, 18b und die Bereiche 16c, 16g, 18c das innere fluidkanalnahe Dichtungssystem aus.
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Der Fluidkanal 24 ist axial zwischen diesen beiden Dichtungssystemen ausgebildet, indem die Innenumfangsfläche des Gehäuses 18 gegenüber der Außenumfangsfläche des Statorträgers 16 mittels einer Gehäusestufe 32 radial beabstandet ausgebebildet ist bzw. indem am Statorträger 16 eine in deren Gesamtheit mit Bezugsziffer 34 bezeichnete Ausnehmung eingebracht ist.
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Der Fluidkanal 24 ist also allgemein von zwei koaxial und drehfest zueinander angeordneten Wandungsteilen 16, 18, hier insbesondere dem Gehäuse 18 und dem Statorträger 16, ausgebildet, wobei sich an einem der Wandungsteile 16 die elektromagnetische Statorkomponente 20 abstützt und wobei über das andere Wandungsteil 18 der Stator 12 drehfest zumindest mittelbar an bzw. zu einer Funktionseinheit, zum Beispiel einem Fahrzeugchassis abgestützt oder abstützbar ist. 2a zeigt die Ausbildung des Fluidkanals 24 im Hauptströmungszweig mit mehreren parallel in Strömungsrichtung angeordneten Strömungsrippen 36. In 2b ist die Ausbildung des Fluidkanals 24 im Nebenströmungszweig gezeigt, der am Statorumfang im gegenseitigen Abstandsbereich von Fluideinlass 26 und Fluidauslass 28 ausgebildet ist und nachfolgend noch detailliert erläutert wird.
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Zur Herstellung einer drehfesten Verbindung sind zwischen den beiden Wandungsteilen, das heißt zwischen dem Statorträger 16 und dem Gehäuse 18, axial miteinander in Eingriff bringbare Drehmomentabstützmittel 38 vorgesehen. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Statordrehmoment vom Blechpaket 20 über den Statorträger 16 auf das Gehäuse 18 weitergeleitet und dort durch ein gehäusefestes weiteres Bauteil aufgenommen werden kann.
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In den mit den 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispielen umfassen die Drehmomentabstützmittel 38 ein separates Drehmomentabstützelement 38a, welches vorliegend als ein Einlegeteil ausgeführt ist und welches in am Statorträger 16 und am Gehäuse 18 ausgeführte axiale Nuten 38b, c eingefügt ist. Auf diese Weise wird eine Formschlußverbindung zwischen den Elementen 38a, b und den Elementen 38a, c realisiert, wobei das Einlegeteil 38a mit beiden Wandungsteilen 16, 18 im Eingriff steht. Als Einlegeteil 38a kann beispielsweise eine gebräuchliche Passfeder verwendet werden. Das Einlegeteil 38a wird beim axialen Zusammenfügen von Stator 12 und Gehäuse 18 in die Nut 38b des Statorträgers 16 eingelegt und in die axial seitlich offene Nut 38c des Gehäuses 18 eingeschoben (2b).
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In 3b ist die Nut 38b im Statorträger 16 unmittelbar an dessen zylindrischen Außenumfangsfläche ausgebildet, während in 3a am Statorträger 16 ein radial in Richtung des Gehäuses 18 erhabener Bereich 40 vorliegt, in dem die Nut 38b ausgeführt ist. Der Bereich 40 erstreckt sich radial fast bis zur Innenumfangsfläche des Gehäuses 18. Dadurch kann das Einlegeteil 38a radial vergleichsweise klein ausgeführt und vollständig von einem, von den beiden Wandungsteilen 16, 18 gebildeten Aufnahmeraum 38b, c aufgenommen werden.
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Es ist in den 3a–c weiter ersichtlich, dass die Drehmomentabstützmittel 38 innerhalb eines Abstandsraumes 42 von Fluideinlass 26 und Fluidauslass 28 am Stator 12 ausgeführt und auch innerhalb des Fluidkanals 24, genauer in dessen Nebenströmungszweig, angeordnet sind. Auf diese Weise bilden die Drehmomentabstützmittel 38 eine Fluidbarriere zwischen dem Fluideinlass 26 und dem Fluidauslass 28. Wie aus 2b ersichtlich, ist die Fluidverbindung im Abstandsraum 42 des Fluidkanals 24 durch das Einlegelement 38a im Wesentlichen verschlossen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in diesem Bereich keine weiteren Dichtelemente vorgesehen, so dass andererseits eine Fluidströmung jedoch nicht vollständig unterbunden ist. Durch das gezielte Einbringen von Ausnehmungen in diesem Bereich kann zur Erzielung eines über den Statorumfang möglichst homogenen Temperaturprofils bzw. der Vermeidung von Hot Spots im Nebenströmungszweig zwischen den benachbarten Fluideinlass 26 und dem Fluidauslass 28 eine gegenüber dem Hauptströmungszweig reduzierte Fluidvolumenströmung ausgebildet werden.
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In 3c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Ausbildung von Drehmomentabstützmitteln 38 zwischen dem Statorträger 16 und dem Gehäuse 18 dargestellt. Dabei ist an einem der Teile, hier dem Statorträger 16 ein von dessen Umfangsfläche radial abstehender Vorsprung 44 ausgebildet, welcher in eine an dem anderen Teil, hier dem Gehäuse 18 vorgesehene Nut 38c formschlüssig eingreift. Der Vorsprung 44 und die Nut 38c sind radial gegenseitig zugewandt und stellen so miteinander zusammenwirkende Eingriffsabschnitte der Wandungsteile 16, 18 dar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Statorträger
- 16a–d
- Zylinderabschnitt
- 16e–h
- Ringnut mit Dichtelement
- 18
- Gehäuse
- 18a–d
- Zylinderabschnitt
- 20
- Blechpaket
- 22
- Permanentmagnet
- 24
- Fluidkanal
- 26
- Fluideinlass
- 28
- Fluidauslass
- 30
- Ringraum
- 32
- Gehäusestufe
- 34
- Ausnehmung
- 36
- Strömungsrippe
- 38
- Drehmomentabstützmittel
- 38a
- Einlegeteil
- 38b, c
- Nut
- 40
- erhabener Bereich
- 42
- Abstandsraum
- 44
- Vorsprung
- A
- Drehachse
- F
- Montagerichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0124720 A1 [0003]
