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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kühlkörper.
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Bedingt durch die physikalischen Eigenschaften einer elektrischen Maschine und zugehöriger Leistungselektronik entstehen bei einem Betrieb von einem Elektromotor Verlustleistungen, die in Form von Abwärme zu einer Temperaturerhöhung der elektrischen Maschine führen. Eine hohe Eigentemperatur führt jedoch zu einem Leistungsverlust oder gar einem Ausfall. Um dies zu vermeiden, muss die Abwärme während des Betriebs abgeführt werden. Elektromotoren, bei denen ein Gehäuse für eine Steuer- und Leistungselektronik angebaut ist und eine Kühlung des gesamten Aggregats unter ausschließlicher Nutzung eines motoreigenen Lüfters erfolgt, sind bekannt. Dabei kann ein Anbau entweder radial oder axial hinter dem Elektromotor erfolgen. Problematisch hierbei ist jedoch, dass derartige Anbauten viel Platz verbrauchen, was einer gewünschten kleinbauenden Anordnung des Elektromotors widerspricht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zu entwickeln, der die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also eine elektrische Maschine platzsparend aufgebaut und dennoch effizient gekühlt werden kann. Insbesondere sollen bei Leistungsänderungen des Elektromotors durch Längenänderung auch weitere Bauteile einfach abstimmbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor sowie einem in einem Invertergehäuse angeordneten Inverter, bei der der Rotor mit seiner Rotorachse in einem ersten Lagerschild und einem zweiten Lagerschild um eine Drehachse drehbar gelagert ist, weist einen Kühlkörper auf, der zwischen dem zweiten Lagerschild und dem Invertergehäuse in unmittelbarem berührendem, also direktem Kontakt mit dem Invertergehäuse angeordnet ist. Der Rotor weist an zwei einander gegenüberliegenden, in Richtung der Lagerschilde weisenden Stirnseiten Lüfterradschaufeln auf, während der Kühlkörper mit mindestens zwei Kühlrippen versehen ist.
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Die elektrische Maschine, vorzugsweise ein Elektromotor, kann somit als Motorbaukasten ausgeführt sein, bei dem eine Leistungs-, Ansteuer- und/oder Regelelektronik, auch als Inverter bezeichnet, in einem Invertergehäuse untergebracht ist und durch ein motoreigenes Lüftersystem eine wirksame Kühlung des gesamten Aggregats möglich ist. Durch ein derartiges Baukastensystem können mit möglichst wenigen Bauteilen verschiedene Varianten herstellbar sein und eine kostengünstige Ausführung ist erreichbar, es können einem Kunden also preiswert baugleiche Motoren in verschiedenen Leistungsklassen angeboten werden. Durch die Lüfterradschaufeln und deren Anordnung wird ein Kompaktantrieb mit einem Doppellüftersystem im saugenden Betrieb realisiert, wobei der Stator und der Rotor einerseits und der Inverter andererseits in zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen gekühlt werden. Durch die Verbindung des Invertergehäuses mit dem Kühlkörper wird bei optimiertem Wärmeübergang zwischen Wärmequelle und dem Kühlkörper eine platzsparende Bauweise verwirklicht.
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Das zweite Lagerschild kann an einer um die Drehachse umlaufenden Außenfläche mindestens eine Ausblasöffnung zum radialen Ausblasen des Kühlmediums aufweisen. Durch das radiale Ansaugen des Kühlmediums kann neben der Kühlung auch eine Schallabstrahlung an der elektrischen Maschine durch ein Unterdrücken von Oberflächenschwingungen vermindert werden. Der erste Lagerschild hat typischerweise mindestens eine axiale Ansaugöffnung, allerdings mindestens eine radiale Ausblasöffnung. Die Ansaugöffnung und bzw. oder die Ausblasöffnung können als Schlitz ausgeführt sein. Außerdem hat typischerweise auch der zweite Lagerschild eine axial angeordnete Ansaugöffnung.
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Typischerweise weist der Rotor an den in Richtung der Lageschilde weisenden Stirnseiten jeweils einen Kurzschlussring auf, an dem bzw. an die die Lüfterradschaufeln angeordnet oder ausgebildet sind. Durch eine Anformung der Lüfterradschaufeln an die Kurzschlussringe ergibt sich eine platzsparende Anordnung der zum Kühlen benötigten Lüfterradschaufeln.
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Ein Wärmetransport von einer Wärmequelle über den Kühlkörper an ein umgebendes Medium setzt sich zusammen aus: einem Wärmeübergang von der Wärmequelle auf den Kühlkörper; einer Wärmeleitung innerhalb des Kühlkörpers an eine Kühlkörperoberfläche und einem Wärmeübergang von einer Oberfläche durch freie oder erzwungene Konvektion an ein umgebendes Medium. Ein Wärmeübergang von dem Invertergehäuse zu dem Kühlkörper kann minimiert sein durch eine glatte Oberfläche des Invertergehäuses und bzw. oder des Kühlkörpers. Alternativ oder zusätzlich kann dies durch eine zwischen dem Invertergehäuse und dem Kühlkörper aufgebrachte Wärmeleitpaste erfolgen.
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Vorzugsweise ist der Kühlkörper als ein Wärmetauscher ausgebildet, um effizient in der elektrischen Maschine entstehende Abwärme ableiten zu können.
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Am Kühlkörper vorhandene Kühlrippen sind typischerweise radial verlaufend angeordnet, vorzugsweise von einem Mittelpunkt des Kühlkörpers zu einem Rand, da somit das angesaugte Kühlmedium den Kühlkörper vom Außenumfang nach innen radial überstreicht. Typischerweise nimmt ein Rohrreihenabstand der Kühlkörper mit sinkendem Durchmesser ab. Alternativ oder zusätzlich kann ein Hohlraumanteil über eine Durchmesserverringerung konstant bleiben, um einen Strömungswiderstand zu erhöhen. Außerdem kann auch eine versetzte Anordnung von Kühlrippen bzw. Pins pro Rohrreihe vorgesehen sein.
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Die Kühlrippen sind vorzugsweise mit einem in einer Draufsicht aus Richtung der Drehachse gerade oder gekrümmt verlaufenden oder kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, also als Flächen- bzw. Nadelrippen. Hierdurch kann ein Strömungsverhalten des Kühlmediums wie gewünscht beeinflusst werden.
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Die Kühlrippen können in mindestens zwei zueinander versetzten Reihen mit unterschiedlichen Abständen zu der Drehachse auf dem Kühlkörper angeordnet sein, so dass die Kühlrippen an eine Geometrie des Kühlkörpers angepasst sind.
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Die Lüfterradschaufeln können einteilig bzw. einstückig mit dem Kurzschlussring oder dem Rotor ausgeführt sein, so dass eine stoffschlüssige Verbindung vorliegt.
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Alternativ oder zusätzlich ist das Invertergehäuse mit einer umlaufenden Verkapselung versehen, um die darin befindliche Elektronik zu schützen.
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Vorzugsweise ist ein modularer Aufbau mit dem Stator, dem Rotor, dem Kühlkörper, dem ersten Lagerschild, dem zweiten Lagerschild und dem Inverter vorgesehen, um das bereits beschriebene Baukastensystem zu unterstützen.
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Die beschriebene elektrische Maschine wird typischerweise als Elektromotor eingesetzt, vorzugsweise in einem Elektrofahrzeug.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 10 erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine;
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2 eine Explosionszeichnung der elektrischen Maschine;
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3 eine 2 entsprechende detaillierte Explosionszeichnung der elektrischen Maschine;
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4 eine Schnittdarstellung der elektrischen Maschine;
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5 eine Draufsicht auf den Kühlkörper mit gekrümmten Kühlrippen;
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6 eine perspektivische Darstellung der in 5 gezeigten Kühlrippen;
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7 eine Draufsicht auf den Kühlkörper mit geraden Kühlrippen;
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8 eine perspektivische Darstellung der in 7 gezeigten Kühlrippen;
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9 eine Draufsicht auf den Kühlkörper mit Nadelrippen und
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10 eine perspektivische Darstellung der in 9 gezeigten Kühlrippen.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine elektrische Maschine mit einem Stator 1, einem ersten Lagerschild 5, einem zweiten Lagerschild 6, einem Invertergehäuse 3 und einem zwischen dem zweiten Lagerschild 6 und dem Invertergehäuse 3 angeordneten Kühlkörper 10. Die genannten Bauteile sind durch eine Verschraubung 16 miteinander verbunden. Der erste Lagerschild 5 und der zweite Lagerschild 6 sind voneinander beabstandet, aber durch den Stator 1 miteinander verbunden. Der Kühlkörper 10 ist in direktem mechanischem Kontakt sowohl mit dem zweiten Lagerschild 6 als auch mit dem Invertergehäuse 3.
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In 2 ist eine Explosionsdarstellung der elektrischen Maschine, eines Elektromotors gezeigt. Der erste Lagerschild 5 und der zweite Lagerschild 6 sind bereits mit dem Stator 1 verbunden, der als Wärmetauscher ausgebildete Kühlkörper 10 wird auf den inverterseitigen zweiten Lagerschild 6 aufgesetzt und das gekapselte Invertergehäuse 3 wird in direktem, flächigem Kontakt auf den Kühlkörper 10 montiert. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen.
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In einer 2 entsprechenden Darstellung ist die elektrische Maschine in 3 mit mehr Details ebenfalls in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Am ersten Lagerschild 5 und am zweiten Lagerschild 6 sind axiale Ansaugöffnungen 7 angeordnet. Der erste Lagerschild 5 und der zweite Lagerschild 6 weisen auf einer um eine Drehachse umlaufenden Außenfläche mehrere Ausblasöffnungen 8 auf, durch die wärmebeladene Luft (Abluft) ausgeblasen wird. Der Rotor 2 wird auf einer Rotorachse als Drehachse versehen in den beiden Lagerschilden 5 und 6 gelagert und kann im Stator 1 rotieren. An einander gegenüberliegenden und jeweils einem der Lagerschilde 5, 6 zugewandten Seiten des Rotors 2 ist ein Kurzschlussring 11 mit daran angeformten Lüfterradschaufeln 12 angebracht. Die Drehachse verläuft mittig durch die Bauteile der elektrischen Maschine.
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Somit ergibt sich ein Kompaktantrieb mit einer doppelseitigen Luftkühlung in Form eines Baukastensystems. Die elektrische Maschine mit integriertem Invertergehäuse 3 weist eine optimierte Kühlleistung bei gleichzeitig minimalem Platzbedarf für einen Gehäuseaufbau auf. Die Kühlung erfolgt durch zwei motoreigene Lüfter, die im dargestellten Ausführungsbeispiel an den Kurzschlussringen 11 angeordnet sind. Der Inverter 4 ist in dem Invertergehäuse 3 gekapselt angeordnet.
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Der Stator 1 ist dabei die zentrale Einheit für eine Baureihe von Elektromotoren, die verschiedene Varianten umfasst. Der Durchmesser des Stators 1 bleibt im Baukastensystem unverändert, seine Länge ist jedoch variabel. Somit ist der Stator 1 bei allen Varianten der Baureihe verwendbar. Schnittstellen der Lagerschilde 5 und 6 zum Stator 1 hin ermöglichen den Anbau gleicher Lagerschilde. Ein Statorblechpaket und ein Rotorblechpaket kann (drehmomentabhängig) in seiner Länge angepasst werden. Dadurch wird erreicht, dass Statorblechpaket und Rotorblechpaket stets gleichartig aufgebaut sind, was Kosten spart.
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Der Stator 1 weist außerdem eine elektromechanische Schnittstelle zum Verbinden mit dem Inverter 4 bzw. dem Invertergehäuse 3 auf. Durch eine Dreiteilung des in der Länge variierbaren Motors, des Kühlers und des Inverters 4 ist ein modularer Aufbau gegeben bzw. ein Baukasten von Elektromotoren in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar. Insbesondere sind antriebsseitige Gehäuseteile wie Kühler und Inverter 4 auf die abtriebsseitigen Anforderungen abstimmbar, ohne dass alle Teile des Motors abgeändert werden müssen. Fertigungstechnisch erlaubt diese Art der Bauweise eine effektive automatisierte Fertigung von Motor, Wärmetauscher und Inverter auf getrennten Taktstraßen und eine einfache gemeinsame Montage im Aufsteckprinzip.
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Luft als Kühlmedium wird an der Loslagerseite radial über Rippen 9 des Kühlkörpers 10 angesaugt. Die Kühlrippen 9 auf einer Kreisringfläche des Kühlkörpers 10 ermöglichen eine maximale Kühloberfläche. Durch die axialen Ansaugschlitze in den Stirnflächen der Lagerschilde 5, 6 erreicht man eine gute Kühlung beider Lager. Da bei der gewählten doppelseitigen Luftkühlung die Abtriebsseite durch die alleinige Kühlung des Wickelkopfes 18 weniger Temperaturbelastung erhält als die Antriebsseite, d. h. die Loslagerseite, durch die Kühlung von Inverter 4 und Wickelkopf 18, kommt es zu einem Temperaturgefälle innerhalb des Stators 1 bzw. in der elektrischen Maschine selbst. Aufgrund dieses Temperaturgradienten und durch eine gute Wärmeleitfähigkeit der Wicklung kann die auf der Antriebsseite durch den Motor und den Inverter 4 entstehende Wärme auch über die Abtriebsseite abgeführt werden, wodurch sich die erbrachte Kühlleistung auf der Antriebsseite erhöht. Auf diese Weise ist es möglich, eine Dimensionierung der mit dem Rotor 2 verbundenen Lüfterradschaufeln 12 entsprechend der vorhandenen Bauräume und nicht allein nach der pro Seite zu erbringenden Kühlleistung auszulegen. Dadurch erreicht man für die elektrische Maschine mit integriertem Inverter 4 ein bauraumoptimiertes Design.
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Eine Schnittdarstellung der elektrischen Maschine ist in 4 dargestellt. Luftströme 17 werden durch die Lüfterradschaufeln 12 bewegt und kühlen abtriebsseitig den Statorwickelkopf 18 und antriebsseitig mit Hilfe des Kühlkörpers 10 den Inverter 4 und den Statorwickelkopf 18.
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In 5 ist in einer Draufsicht der Kühlkörper 10 mit darauf angeordneten Kühlrippen 9 gezeigt. Zum Erreichen einer möglichst hohen Kühlleistung in Bezug auf das axial angeordnete Invertergehäuse 3 sind an dem Kühlkörper 10 Wärmeübertragungsflächen in Form von Flächen- bzw. Nadelrippen ausgebildet. In dem in 5 und in einem perspektivischen Ausschnitt in 6 gezeigten Ausschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel werden Flächenrippen mit in Draufsicht gekrümmtem Querschnitt verwendet. Der gesamte Kühlkörper 10 und somit auch die Kühlrippen 9 sind aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, im gezeigten Ausführungsbeispiel reines Aluminium. Eine dicke Rippenwurzel wird verwendet, so dass eine bessere Wärmeleitung gegeben ist. Eine höhere Rippendichte führt zu einer Vergrößerung der Wärmeabgabefläche und damit zu einer höheren Effizienz für die Kühlung. Die Kühlrippen 9 sind in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel in vier Reihen kreisförmig umlaufend um ein Zentrum des Kühlkörpers 10 angeordnet. Eine Ausrichtung einer Rippengeometrie orientiert sich hierbei in Richtung eines Volumenstroms des Kühlmediums und es wird ein Vordrall durch geschwungene Kühlrippen 9 erreicht.
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Das Kühlmittel wird entlang des Kühlkörpers 10 radial nach innen geführt. Kurze Einzelrippen können dazu genutzt werden, nach maximal einem zehnfachen eines hydraulischen Durchmessers und anschließendem Versetzen einer nachfolgenden Rippenreihe in einen Ablaufstrom eines vorhergehenden Kanals gezielt dazu genutzt werden, einen Temperaturgradienten in einer rippenumschließenden Strömung hochzuhalten.
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Eine als Rohrströmung betrachtete Querschnittsdurchströmung der Rippenkanäle ist zunächst eine Mischströmung bis zu einem Erreichen einer hydrodynamischen und thermischen Einlauflänge. In diesem Bereich liegen zwei Strömungsformen vor, die freie laminare oder turbulente Oberströmung und die an der jeweiligen Kühlrippe 9 anliegende anwachsende Grenzschichtströmung.
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Letztere weist enorme Turbulenzen auf, welche einen Wärmeübergang signifikant erhöhen, gleichzeitig kann die Oberströmung weitestgehend ungestört den Kühlrippenverlauf passieren. Dies ist allerdings nur solange der Fall, bis sich die Grenzschicht ausgebildet hat, d. h. ihre Dicke auf den halben Rohrdurchmesser angewachsen ist.
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Durch gezieltes "Abreißenlassen" der Grenzschicht vor Erreichen der thermischen und hydrodynamischen Einlauflänge wird gerade dieser Effekt des höheren Wärmeübergangs ausgenutzt und durch Versetzen der Kühlrippen 9 wird dieser Effekt für jede Rippenreihe neu angesetzt.
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Die in 5 gezeigte Anordnung eines mehrreihigen Rippenkühlers mit kurzen Kühlrippen 9 weist den Vorteil eines Vordralls durch geschwungene Kühlrippen 9 auf. Die Kühlrippen 9 müssen auch nicht alle gleich lang sein, sondern können abwechseln auch eine unterschiedliche Länge aufweisen.
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In 7 ist in einer 5 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers 10 gezeigt. Die Kühlrippen 9 sind nun ebenfalls in mehreren, zueinander versetzten und mit unterschiedlichen Abständen zur zu einem Zentrum des Kühlkörpers 10 angeordneten Reihen kreisförmig umlaufend um das Zentrum des Kühlkörpers 10 angebracht, allerdings nicht in einer geschwungenen, sondern geraden Form. In 8 ist in einer 6 entsprechenden perspektivischen Ansicht ein Teil des Kühlkörpers 10 vergrößert dargestellt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers 10 mit Nadelrippen 9, also Kühlrippen 9 mit in Draufsicht rundem Querschnitt ist in 9 in einer 5 entsprechenden Ansicht gezeigt. Die Kühlrippen 9 sind kreisförmig umlaufend in zueinander versetzten Reihen angeordnet. Wiederum ist in 10 in einer 6 entsprechenden Ansicht ein Ausschnitt des Kühlkörpers 10 vergrößert dargestellt. Hier nimmt ein Rohrreihenabstand mit sinkendem Durchmesser zu, ein Hohlraumanteil bleibt aber über dieser Durchmesserverringerung konstant.
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Typischerweise werden zwischen vier und acht Reihen verwendet. Nach der letzten Rohrreihe ergibt sich vor der Motoreinströmung eine Beruhigungszone.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
