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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von Spulen zum Bereitstellen eines Magnetfelds aufweist, einem Rotor, der relativ zu dem Stator drehbar gelagert ist und eine Permanentmagnetanordnung mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, einem ersten Kühlmittelkreislauf, der eine erste Kühlmittelleitung aufweist, die durch den Rotor geführt ist, und einem zweiten Kühlmittelkreislauf, der eine Kühlmittelleitung aufweist, die durch den Stator geführt ist.
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Eine derartige elektrische Maschine ist beispielsweise bekannt aus der
EP 1 515 417 A2 . Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten gekühlten elektrischen Maschinen ist es, dass als Kühlmedium für den Rotor der elektrischen Maschine Luft verwendet wird und Wärme zwischen unterschiedlichen Kühlkreisläufen in dem Statorblechpaket ausgetauscht wird, wodurch einerseits die von dem Rotor abgeführte Wärme reduziert ist und gleichzeitig die Kühlung des Luftkreislaufs mit einem erhöhten technischem und konstruktivem Aufwand verbunden ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die mit technisch geringem Aufwand und effizient gekühlt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass der erste Kühlmittelkreislauf eine zweite Kühlmittelleitung aufweist, die mit der ersten Kühlmittelleitung verbunden ist und durch einen feststehenden Kühlmantel geführt ist, der mit dem Stator verbunden ist.
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Dadurch, dass der erste Kühlmittelkreislauf sowohl die erste Kühlmittelleitung aufweist, die durch den Rotor geführt ist, als auch die zweite Kühlmittelleitung aufweist, die durch den Kühlmantel geführt ist, kann eine effektive Kühlung des Rotors erfolgen und eine Rückkühlung des Kühlfluids in dem ersten Kühlmittelkreislauf in dem Kühlmantel der elektrischen Maschine bzw. in dem Gehäuse erfolgen, so dass die Wärme des Rotors effektiv abgeführt werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kühlmittelleitung in einer axialen Richtung durch eine Welle des Rotors geführt.
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Dadurch kann die erste Kühlmittelleitung mit technisch geringem Aufwand und geringem Bauraum in dem Rotor realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Kühlmittelleitung in radialer Richtung benachbart zu der Permanentmagnetanordnung angeordnet.
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Dadurch ist eine effiziente Kühlung der Permanentmagnetanordnung möglich, da das Kühlfluid in engem Kontakt mit der Permanentmagnetanordnung geführt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Rotor und dem Stator ein Wellendichtring angeordnet, um eine Verbindung zwischen der ersten Kühlmittelleitung und der zweiten Kühlmittelleitung gegenüber einem Innenraum der elektrischen Maschine abzudichten.
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Dadurch ist mit technisch geringem Aufwand eine dichte Drehdurchführung realisierbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Rotor und dem Stator lediglich ein Wellendichtring angeordnet.
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Dadurch kann das Schleppmoment des Rotors reduziert werden, wodurch die Effizienz der elektrischen Maschine insgesamt erhöht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Kühlmittelleitung eine Mehrzahl von Strängen auf, die in axialer Richtung durch den Kühlmantel geführt sind.
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Dadurch kann eine effektive Rückkühlung des Kühlfluids in dem ersten Kühlmittelkreislauf realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kühlmittelleitung des zweiten Kühlmittelkreislaufs eine Mehrzahl von Strängen auf, die in axialer Richtung durch den Stator geführt sind, wobei die Stränge der zweiten Kühlmittelleitung des ersten Kühlmittelkreislaufs und die Stränge der Kühlmittelleitung des zweiten Kühlmittelkreislaufs in umfänglicher Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.
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Dadurch ist eine kompakte Bauform des Kühlmantels bzw. des Gehäuses der elektrischen Maschine möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stränge der zweiten Kühlmittelleitung zwischen den Strängen der ersten Kühlmittelleitung angeordnet.
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Dadurch ist ein besonders günstiger Wärmeaustausch zwischen den Kühlmittelleitungen möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Kühlmittelkreislauf eine variable Kühlmittelpumpe auf, um einen Volumenstrom des Kühlmittels in dem ersten Kühlmittelkreislauf zu steuern.
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Dadurch ist eine leistungsabhängige Kühlung des Rotors möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlmantel in einem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet.
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Dadurch ist eine Rückkühlung des Kühlfluids in dem ersten Kühlmittelkreislauf durch die Umgebungsluft möglich, wodurch mit technisch geringem Aufwand eine Kühlung der elektrischen Maschine insgesamt möglich ist.
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1 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit zwei Kühlmittelkreisläufen;
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2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Kühlmittelkreislaufs der elektrischen Maschine aus 1;
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3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Kühlmittelkreislaufs der elektrischen Maschine aus 1;
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4 eine perspektivische Ansicht der Kühlmittelkreisläufe aus 2 und 3 in einem eingebauten Zustand; und
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5 eine perspektivische Ansicht der elektrischen Maschine mit den Kühlmittelkreisläufen aus 2 und 3 und einem Gehäuse der elektrischen Maschine.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 12 auf und einen Rotor 14, der drehbar relativ zu dem Stator 12 gelagert ist. Der Stator 12 weist eine Spulenanordnung 16 auf, die zur Bereitstellung eines magnetischen Feldes eine Mehrzahl von Spulen mit Kupferwicklungen aufweist. Der Rotor 14 weist eine Permanentmagnetanordnung 18 auf mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die in radialer Richtung innerhalb der Spulenanordnung 16 angeordnet sind. Zum Antreiben des Rotors 14 werden die Permanentmagneten der Permanentmagnetanordnung 18 durch das Magnetfeld der Spulenanordnung 16 durchsetzt und entsprechend relativ zu der Statoranordnung 12 rotiert.
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Die elektrische Maschine 10 weist einen ersten Kühlmittelkreislauf 20 auf, in dem ein Kühlfluid 22 geführt ist. Der erste Kühlmittelkreislauf 20 weist einen Kühlmitteleinlass 24 und einen Kühlmittelauslass 26 auf, wobei der Kühlmitteleinlass 24 und der Kühlmittelauslass 26 z.B. mit einer variablen Kühlmittelpumpe (nicht dargestellt) verbunden ist, um das Kühlfluid 22 durch den ersten Kühlmittelkreislauf 20 zu pumpen und den Volumenstrom des Kühlfluids 22 entsprechend einzustellen. Der erste Kühlmittelkreislauf 20 weist eine erste Kühlmittelleitung 28 auf, die durch den Rotor 14 geführt ist, sowie eine zweite Kühlmittelleitung 30, die durch einen Kühlmantel 32 eines Gehäuses 34 der elektrischen Maschine 10 geführt ist. Die erste Kühlmittelleitung 28 und die zweite Kühlmittelleitung 30 sind miteinander verbunden bzw. in Reihe geschaltet, so dass das Kühlfluid 22, das in dem ersten Kühlmittelkreislauf 20 zirkuliert, nacheinander durch die erste Kühlmittelleitung 28 und die zweite Kühlmittelleitung 30 geführt wird.
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Der Stator 12 weist einen zweiten Kühlmittelkreislauf 36 mit einer Kühlmittelleitung auf, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf 36 separat von dem ersten Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist und in dem entsprechend unabhängig ein Kühlfluid geführt ist. Der zweite Kühlmittelkreislauf 36 dient dazu, die Spulenanordnung 16 zu kühlen.
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Die erste Kühlmittelleitung 28, die in dem Rotor 14 angeordnet ist, ist in axialer Richtung einer Welle 38 der elektrischen Maschine 10 als Vorlauf angeordnet und entlang der Permanentmagnetanordnung 18 als Rücklauf geführt, um die Permanentmagneten entsprechend zu kühlen. Der Rücklauf ist dabei möglichst nah an dem Permanentmagneten angeordnet, um eine optimale Kühlwirkung zu erzielen. Der Rücklauf ist in radialer Richtung zwischen der Permanentmagnetanordnung 18 und dem Vorlauf bzw. einer Achse 40 des Rotors 14 ausgebildet. Der Kühlmitteleinlass 24 ist an einer axial gegenüberliegenden Seite der Welle 38 der elektrischen Maschine 10 angeordnet bzw. an einer gegenüberliegenden Seite eines Flansches für die Welle 38 ausgebildet. Der Rotor 14 ist in dem Gehäuse 34 mittels zweier Lageranordnungen 42, 44 drehbar gelagert. Die drehbar gelagerte erste Kühlmittelleitung 28 ist gegenüber der feststehenden zweiten Kühlmittelleitung 30 mittels eines Radialwellendichtrings 46 abgedichtet, um einen fluiddichten Kühlmittelkreislauf bereitzustellen. Die Abdichtung zwischen dem Kühlmitteleinlass 24 und der zweiten Kühlmittelleitung 30 erfolgt durch einen Spalt 48 zwischen dem Gehäuse 34 und dem Rotor 14.
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Die zweite Kühlmittelleitung 30, die in dem Kühlmantel 32 ausgebildet ist, weist eine Mehrzahl von parallelen Strängen auf, die in axialer Richtung der elektrischen Maschine 10 angeordnet sind. Die Kühlmittelleitung des zweiten Kühlmittelkreislaufs 36 weist ebenfalls eine Mehrzahl von parallelen Strängen auf, die in radialer Richtung der elektrischen Maschine 10 in dem Stator 12 geführt sind. Die parallelen Stränge des ersten Kühlmittelkreislaufs 20 sind in umfänglicher Richtung der elektrischen Maschine 10 zwischen den parallelen Strängen des zweiten Kühlmittelkreislaufs 36 angeordnet, so dass für die zweite Kühlmittelleitung 30 des ersten Kühlmittelkreislaufs kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Ferner kann Wärme zwischen den Kühlmittelkreisläufen 20, 36 in dem Kühlmantel 32 ausgetauscht werden und an die Umgebung abgegeben werden, so dass eine optimale Kühlung der elektrischen Maschine 10 im Allgemeinen möglich wird.
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Dadurch, dass der erste Kühlmittelkreislauf 20 die erste Kühlmittelleitung 28 aufweist, kann die Wärme der Permanentmagnetanordnung 18 effektiv abgeführt werden und durch die zweite Kühlmittelleitung 30 in dem Kühlmantel 32 kann die so in dem Kühlfluid 22 gespeicherte Wärme effektiv an die Umgebung und/oder den zweiten Kühlmittelkreislauf 36 abgeführt werden. Dadurch ist eine effektive Kühlung und eine Leistungssteigerung der elektrischen Maschine 10 möglich.
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In 2 ist eine perspektivische Darstellung des ersten Kühlmittelkreislaufs 20 gezeigt. Der erste Kühlmittelkreislauf 20 weist die erste Kühlmittelleitung 28 innerhalb des Rotors 14 auf sowie die damit verbundene zweite Kühlmittelleitung 30, die in dem Kühlmantel 32 ausgebildet ist. Die zweite Kühlmittelleitung 30 weist eine Mehrzahl von parallelen Strängen 50 auf, die in dem Kühlmantel 32 in axialer Richtung der elektrischen Maschine 10 ausgebildet sind. Die parallelen Stränge 50 sind entsprechend an dem gesamten Umfang des Kühlmantels 32 ausgebildet und zwischen der ersten Kühlmittelleitung 28 und dem Kühlmittelauslass 26 in Reihe geschaltet. Dadurch lässt sich die Wärme des Kühlfluids 22 effektiv an die Umgebung abführen.
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In 3 ist eine perspektivische Darstellung des zweiten Kühlmittelkreislaufs 36 gezeigt. Der zweite Kühlmittelkreislauf 36 weist einen Kühlmitteleinlass 52 und einen Kühlmittelauslass 54 auf, um ein zweites Kühlfluid separat von dem Kühlfluid 22 in dem zweiten Kühlmittelkreislauf 36 zu führen. Der zweite Kühlmittelkreislauf 36 weist eine Mehrzahl von parallelen Strängen 56 auf, die in axialer Richtung der elektrischen Maschine 10 in dem Gehäuse 34 ausgebildet sind. Die parallelen Stränge 56 sind zwischen dem Kühlmitteleinlass 52 und dem Kühlmittelauslass 54 in Reihe geschaltet, um die Spulenanordnung 16 entsprechend effektiv kühlen zu können.
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In 4 ist eine perspektivische Zusammenbauzeichnung des ersten Kühlmittelkreislaufs 20 und des zweiten Kühlmittelkreislaufs 36 dargestellt. In dem zusammengebauten Zustand sind die parallelen Stränge 50 des ersten Kühlmittelkreislaufs 20 in umfänglicher Richtung der elektrischen Maschine 10 zwischen den parallelen Strängen 56 des zweiten Kühlmittelkreislaufs 36 angeordnet. Dabei können die parallelen Stränge 50, 56 leicht radial versetzt zueinander angeordnet sein. Dadurch ist eine platzsparende Anordnung des ersten Kühlmittelkreislaufs 20 in dem Kühlmantel 32 und gleichzeitig ein Wärmeaustausch zwischen den Kühlmittelkreisläufen 20, 36 möglich. Der erste Kühlmittelkreislauf 20 ist mit einer Kühlmittelpumpe 58 verbunden, um das Kühlfluid 22 umzupumpen und einen Volumenstrom des Kühlfluids 22 entsprechend einzustellen. Dadurch ist eine optimale und leistungsangepasste Kühlung des Rotors 14 und der Permanentanordnung 18 entsprechend möglich.
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In 5 ist eine perspektivische Darstellung des ersten Kühlmittelkreislaufs 20 und des zweiten Kühlmittelkreislaufs 36 sowie des Kühlmantels 32 gezeigt. Die parallelen Stränge 50, 56 des ersten Kühlmittelkreislaufs 20 sowie des zweiten Kühlmittelkreislaufs 36 sind entsprechend in umfänglicher Richtung nebeneinander in dem Kühlmantel 32 des Gehäuses 34 angeordnet, so dass eine kompakte Bauform möglich ist und ein Wärmeaustausch untereinander sowie eine Wärmeabgabe an die Umgebung möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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