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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung einer solchen elektrischen Maschine.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere für einen Hybridantrieb, bekannt. Um die elektrischen Maschinen zu kühlen, ist es dabei üblich, Luft oder gegebenenfalls auch Wasser zur Kühlung der elektrischen Maschine einzusetzen und dieses Kühlmedium durch zumindest einen Bereich der Maschine zu leiten. Die Kühlung der elektrischen Maschine kann dabei eingeschränkt sein, da beispielsweise über einen von Kühlwasser durchströmten Kühlwärmetauscher lediglich bestimmte Bereiche, wie das Statorblechpaket der Maschine, gekühlt werden können, und in anderen Bereichen der Maschine eine derartige Kühlung nicht möglich ist.
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Vor diesem Hintergrund haben sich für den genannten Einsatzzweck elektrische Maschinen etabliert, welche über eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Öl, gekühlt sind. Solche ölgekühlten elektrischen Maschinen weisen neben einem von Öl durchströmten Wärmetauscher eine direkte Kühlung insbesondere der Wickelköpfe bzw. in Einschränkung des Rotors der elektrischen Maschine auf. Die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit wird demnach innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine offen über die Wickelköpfe geleitet, sodass eine großflächige Wärmeabfuhr innerhalb der elektrischen Maschine möglich wird.
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Ausgehend von dem zuvor aufgeführten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache und leistungsstarke elektrische Maschine sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine verbesserte Kühlung des Stators mit seinen Stator-Wicklungsköpfen und des Rotors ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Die elektrische Maschine, insbesondere eine spritzölgekühlte elektrische Maschine für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfasst einen Rotor mit einem Rotorblechpaket, einen Stator mit Stator-Wickelköpfen, welche an gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators angeordnet sind, und ein Gehäuse mit einem Reservoir für eine Kühlflüssigkeit.
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Das Rotorblechpaket umfasst mehrere in einer Stapelrichtung gestapelte Bleche. Die Bleche weisen jeweils wenigstens einen Durchbruch auf, welcher die Stirnseiten des jeweiligen Blechs miteinander verbindet. Die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen sind in einer Umfangsrichtung der Bleche derart versetzt zueinander angeordnet, dass wenigstens ein durch das Rotorblechpaket verlaufender, schraubenspindelförmiger Kühlkanal gebildet wird, welcher zwei gegenüberliegende Stirnseiten des Rotorblechpakets miteinander verbindet.
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Der Stator und das Gehäuse bilden einen äußeren Kühlkanal zwischen sich aus, welcher entlang des Stators und der Wickelköpfe verläuft und zwei gegenüberliegende Stirnseiten der Stator-Wickelköpfe miteinander verbindet. Der wenigstens eine schraubenspindelförmige Kühlkanal ist dazu eingerichtet, bei sich drehendem Rotor bzw. Rotorblechpaket auf einer ersten Stirnseite des Rotors eine Sogseite und auf einer zweiten Stirnseite des Rotors eine Druckseite auszubilden, so dass eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit oder allgemein ein Kühlmedium aus dem Reservoir angesaugt und durch den wenigstens einen schraubenspindelförmigen Kühlkanal sowie den äußeren Kühlkanal gefördert wird.
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Die Stapelrichtung der Bleche des Rotorblechpakets verläuft insbesondere in einer Längsrichtung des Rotors. Bei den Blechen handelt es sich jeweils um einzelne Bleche, insbesondere um kongruente Bleche, welche identische Oberflächen aufweisen. Besonders bevorzugt sind alle Bleche des Rotorblechpakets baugleich, das heißt es handelt sich um identische Bauteile. Die Bleche sind weiterhin bevorzugt im Wesentlichen ringförmig, so dass das Rotorblechpaket insbesondere von einer im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Gestalt ist.
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Die Bleche umfassen bevorzugt jeweils mehrere kreisringförmig angeordnete Aussparungen zur Ausbildung von Wicklungsnuten des Blechpakets. Bevorzugt sind die Wicklungsnuten äquidistant zueinander und entlang eines äußeren Umfangs der Bleche angeordnet. Jedes Blech des Rotorblechpakets umfasst wenigstens einen Durchbruch, welcher zwischen dem äußeren Umfang des Blechs, insbesondere zwischen den dort angeordneten Wicklungsnuten, und einer zentralen Bohrung des Blechs zur Lagerung des Blechs auf einer Rotorwelle angeordnet sein kann.
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Weiterhin sind die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen bei deckungsgleichen Wicklungsnuten in einer Umfangsrichtung der Bleche versetzt zueinander angeordnet. Dies führt in dem zusammengesetzten Blechpaket zu einer Schränkung der Durchbrüche, welche auf den in Stapelrichtung versetzt bzw. spiralförmig zueinander angeordneten Blechen vorgesehen sind.
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Mit anderen Worten sind die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen derart verdreht bzw. tordiert zueinander angeordnet, dass in der Gesamtheit wenigstens ein schraubenspindelförmiger Kühlkanal ausgebildet wird, wobei das Design des Kühlkanals auf dem Prinzip der archimedischen Schraube beruht.
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Durch den wenigstens einen Kühlkanal des Rotors kann insbesondere die zur Kühlung der elektrischen Maschine vorgesehene elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Öl oder ein Ölnebel, aus dem Kühlmittelreservoir angesaugt und durch den wenigstens einen Kühlkanal gefördert werden.
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Sofern das Rotorblechpaket im Betrieb der elektrischen Maschine mit einer ausreichenden Drehzahl rotiert, dreht sich auch der wenigstens eine schraubenspindelförmige Kühlkanal innerhalb des Rotorblechpakets und kann die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit nach dem Prinzip einer Schneckenpumpe durch den Kühlkanal fördern. Die äußere Kontur des Kühlkanals wird durch die Form bzw. die Kontur der Durchbrüche in den einzelnen Blechen bestimmt. Auf eine mögliche Fördermenge kann hierbei insbesondere über die Drehzahl des Rotorblechpakets, den Innen- und Außendurchmesser und die Steigung des Kühlkanals sowie über die Reibung der Kühlflüssigkeit an den Innenwänden des Kühlkanals Einfluss genommen werden. Der schraubenspindelförmige Verlauf des Kühlkanals stellt eine besonders große Wärmeübertragungsfläche bereit, wodurch eine verbesserte Wärmeabfuhr bzw. Kühlung ermöglicht wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bleche jeweils mehrere auf einem Kreisring der Bleche angeordnete Durchbrüche aufweisen, welche die Stirnseiten des jeweiligen Blechs miteinander verbinden, und die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen in einer Umfangsrichtung der Bleche derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass mehrere durch das Rotorblechpaket verlaufende, schraubenspindelförmige Kühlkanäle gebildet werden. Durch die mehreren Kühlkanäle kann besonders viel elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit durch das Rotorblechpaket geleitet und somit eine besonders hohe Wärmeabfuhr im Bereich des Rotorblechpakets ermöglicht werden. Die Durchbrüche können insbesondere äquidistant zueinander angeordnet sein, wodurch parallel zueinander verlaufende Kühlkanäle gebildet werden können, welche eine besonders gleichmäßige Wärmeabfuhr aus dem Rotorblechpaket ermöglichen. Zwischen benachbarten Durchbrüchen bildet das Blech jeweils eine Speiche aus. Das entstehende Speichen-Design gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht eine hohe Rotorsteifigkeit bzw. Rotorfestigkeit und eine Übertragung hoher Drehmomente.
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Der äußere Kühlkanal kann in radialer Richtung durch eine äußere Mantelfläche des Stators einerseits und eine der Mantelfläche gegenüberliegende Innenwand des Gehäuses andererseits begrenzt sein. Mit anderen Worten kann der äußere Kühlkanal durch einen Zwischenraum zwischen Gehäuse, Stator und Stator-Wickelköpfen gebildet werden. In axialer Richtung, das heißt in Längsrichtung des Stators, erstreckt sich der äußere Kühlkanal entlang des gesamten Stators und der Stator-Wickelköpfe. Ferner kann der äußere Kühlkanal entlang des gesamten Umfangs des Stators spiralförmig verlaufen.
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Bei Stillstand der elektrischen Maschine kann sich insbesondere am Boden des Gehäuses ein Sumpf ausbilden, insbesondere ein Ölsumpf, welcher als Reservoir für Kühlflüssigkeit dient. Im Folgenden wird – ohne darauf beschränkt zu sein – die Erfindung größtenteils im Zusammenhang mit Öl bzw. einem Ölnebel als Kühlflüssigkeit beschrieben.
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Wird die elektrische Maschine in den Betriebszustand versetzt, bilden sich bei Rotation des wenigstens einen schraubenspindelförmigen Kühlkanals des Rotors, bevorzugt unterstützt durch ein zusätzliches radiales Lüfterrad, im bevorzugt geschlossenen Gehäuse der elektrischen Maschine eine Druckseite und eine Sogseite aus.
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Das Öl kann aus dem Ölsumpf angesogen werden. Dabei kann auch Öl in den oberen Bereich von Rotor und Stator gefördert werden, wobei das Öl über den Wickelkopf abtropfen und über den wenigstens einen schraubenspindelförmigen Kühlkanal des Rotors auf die Druckseite gefördert werden kann. Über die Wickelköpfe des Stators, welche beim Passieren des Öls bzw. Ölnebels gekühlt werden, kann anfangs Öl und nach längerem Betrieb sowie ausreichend hoher Drehzahl überwiegend Ölnebel in den Rotor gesogen und über den wenigstens einen schraubenspindelförmigen Kühlkanal auf die Druckseite der elektrischen Maschine gefördert werden. Von dort aus kann das Öl bzw. der Ölnebel den druckseitigen Stator-Wickelkopf großflächig passieren, um mittels der Sogwirkung des wenigstens einen schraubenspindelförmigen Kühlkanals auf die Sogseite zu wechseln. Auch auf der Sogseite kann das Öl bzw. der Ölnebel den dortigen Stator-Wickelkopf großflächig umströmen, um anschließend entweder erneut durch den wenigstens einen schraubenspindelförmigen Kühlkanal auf die Druckseite gefördert zu werden oder in den Ölsumpf zurückzugelangen.
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Der wenigstens eine schraubenspindelförmige Kühlkanal und der äußere Kühlkanal können auf diese Weise einen internen Öl- bzw. Ölnebel-Kühlkreislauf der elektrischen Maschine bilden, bei welcher es sich vorteilhafter Weise um eine getriebeintegrierte oder eine Traktions-Elektromaschine handeln kann. Das Öl bzw. der Ölnebel kann auf der Basis der Förderfunktion des Rotors nach dem Prinzip der archimedischen Schraube gefördert werden. Das Schraubenspindeldesign des Rotors bietet die Möglichkeit hochviskose Öle und luftverschäumte Öle, wie Getriebeöl zu fördern.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine lässt sich bei maximaler Dauerleistungsaufnahme außerordentlich klein und kompakt realisieren, da eine Kühlung der Stator-Wickelköpfe, des Stators und des Rotors über die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Öl bzw. Ölnebel, erfolgt. Das Kühlprinzip schließt dabei die Kühlung rotierender und feststehender Komponenten der elektrischen Maschine in einem geschlossenen Gehäuse ein.
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Bei entsprechend hohen Drehzahlen wandelt sich die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit in einen Nebel der Kühlflüssigkeit. Im Falle von Öl als elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit wandelt sich diese in einen Nebel aus Öl bzw. ein Aerosol aus einem Öl- Luft-Gemisch. Das Aerosol hat dabei den Vorteil, dass zum einen eine Scherbeanspruchung der Komponenten gering bleibt, also die Reibungsverluste, die bei der Verwendung von Öl auftreten würden, vermieden werden. Zum anderen besitzt das Aerosol gegenüber Luft eine sehr viel höhere spezifische Wärmeleitfähigkeit, so dass eine sehr viel bessere Wärmeableitung rotorseitig und über die Stator-Wickelköpfe möglich ist. Das Aerosol bzw. der Ölnebel kann außerdem den Stator sowie den Rotor über möglichst große Oberflächen kühlen, sodass insgesamt die anfallende Abwärme sehr effizient aus der elektrischen Maschine abgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine, welche bei idealer Wärmeabfuhr vergleichsweise klein bauen und dennoch eine hohe elektrische Dauerleistung beziehungsweise ein entsprechend hohes Dauerdrehmoment zur Verfügung stellen kann, eignet sich ideal für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere in elektrischen oder hybridisierten Antriebssträngen von Fahrzeugen, da hier eine hohe Leistungsfähigkeit bei minimalem Bauraum eine der Kernanforderungen ist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine hat ihre bevorzugte Verwendung daher in einem solchen Anwendungsumfeld, in dem sie für Antriebsstränge für Kraftfahrzeuge, insbesondere als Motor, Generator und/oder Motor-Generator in seriellen oder parallelen hybridisierten Antriebssträngen sowie auch in rein elektrischen Antriebssträngen, eingesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist die Eignung des Kühlprinzips auch in getriebeintegrierten Elektromaschinen (GEM), welche unterstützend zum Verbrennungsmotor wirken und in Traktions-Elektromaschinen (TEM), die alleine den Vortrieb eines Kraftfahrzeugs übernehmen können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der äußere Kühlkanal spiralförmige Nuten umfasst, welche durch Aussparungen am Innenumfang des Gehäuses oder durch Aussparungen am Außenumfang des Stators gebildet werden. Durch die spiralförmigen Nuten kann anfangs, das heißt wenn der Rotor sich zu drehen beginnt, Öl aus dem Ölsumpf leicht entlang dieser Nuten zu den Stirnflächen des Stators geführt werden. Oberhalb einer gedachten horizontalen Mittelachse des Rotors kann das Öl nach dem passieren der Stator-Wickelköpfe abtropfen und wird durch den Sog in den Rotor gesogen. Bei sehr hohen Drehzahlen steigt dabei der Blasenanteil des Öls. Der Rotor fördert das Öl bzw. ein Öl-Luft-Gemisch zur Druckseite und wird dabei gekühlt. Mit anderen Worten bilden auch der Stator, dessen Stator-Wickelköpfe und das Gehäuse schraubenspindelförmige Kanäle zum Zwecke des Herstellens eines inneren Kühlkreislaufes aus. Dies ermöglicht eine aktive Öl- bzw. Ölnebelkühlung des Rotors, des Stators und der Stator-Wickelköpfe.
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Der Stator kann ein Statorblechpaket mit mehreren in einer Stapelrichtung gestapelten Blechen umfassen, wobei die einzelnen Bleche jeweils mehrere entlang des äußeren Umfangs verteilte Ausnehmungen aufweisen und die Ausnehmungen von in der Stapelrichtung versetzten Blechen in einer Umfangsrichtung der Bleche derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Ausnehmungen aller Bleche die spiralförmigen Nuten bilden. Dies führt in dem zusammengesetzten Statorblechpaket zu einer Schränkung der Ausnehmungen. Mit anderen Worten sind die Ausnehmungen von in der Stapelrichtung versetzten Blechen derart verdreht bzw. tordiert zueinander angeordnet, dass in der Gesamtheit die schraubenspindelförmigen Nuten des äußeren Kühlkanals ausgebildet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die elektrische Maschine einen Umlaufkühlkreislauf mit einer Pumpe und einem Wärmetauscher zur Kühlung der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit, insbesondere Öl, auf. Die Pumpe kann die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit aus dem Kühlflüssigkeits- Reservoir ansaugen, durch den Wärmetauscher fördern, wo es durch ein zweites Kühlmedium gekühlt wird, beispielsweise durch Kühlwasser eines Hauptkühlkreislaufs, und anschließend wieder zurück in das Kühlflüssigkeits-Reservoir fördern.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass weitere Kühlkanäle zur Kühlung der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit in einer Wandung des Gehäuses angeordnet sind. Innerhalb der weiteren Kühlkanäle kann beispielsweise Kühlwasser eines Hauptkühlkreislaufs gefördert werden, um Wärme von der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit, insbesondere Öl, aufzunehmen. Auf eine Pumpe zur Förderung der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit kann gemäß dieser Alternative verzichtet werden.
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Mit anderen Worten kann die elektrisch isolierende Flüssigkeit, insbesondere Öl, in einem Umlaufkühlkreislauf zu einem Wärmetauscher mittels einer Ölpumpe transportiert werden, oder aber durch Kühlkanäle in beispielsweise einer Wandung des Gehäuses rückgekühlt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen des Rotorblechpakets von einem Blech zu einem unmittelbar benachbarten Blech in der Umfangsrichtung der Bleche versetzt zueinander angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann durch die Durchbrüche ein Kühlkanal mit besonders kleinem Steigungswinkel ausgebildet werden. Dadurch kann ein durch den wenigstens einen Kühlkanal geleiteter Volumenstrom an Kühlmittel an einer besonders großen Oberfläche des Kühlkanals vorbeiströmen und dabei besonders viel Wärme des Rotors aufnehmen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen des Rotorblechpakets von einem Teil-Blechpaket zu einem unmittelbar benachbarten Teil-Blechpaket in einer Umfangsrichtung der Bleche versetzt zueinander angeordnet sind. Ein Teil-Blechpaket umfasst dabei jeweils eine Mehrzahl aufeinander gestapelter Bleche. Innerhalb der Teil-Blechpakete sind die insbesondere kongruenten Bleche in Umfangsrichtung gleich ausgerichtet, das heißt die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen sind innerhalb des Teil-Blechpakets nicht in der Umfangsrichtung der Bleche versetzt zueinander angeordnet. Durch diese Anordnung können durch die Durchbrüche Kühlkanäle mit besonders großem Steigungswinkel ausgebildet werden, so dass ein durch den wenigstens einen Kühlkanal geleiteter Volumenstrom an Kühlmedium besonders zügig den Kühlkanal passieren kann.
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Die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen des Rotorblechpakets können in der Umfangsrichtung der Bleche um einen Nutsprung versetzt zueinander angeordnet sein. Ein Nutsprung ist hierbei der umfängliche Abstand bzw. der Winkelabstand zweier benachbarter Wicklungsnuten zueinander. Diese Maßeinheit zur Verschiebung bzw. zur versetzten Anordnung ermöglicht eine besonders einfache und exakte Fertigung des Blechpakets mit durch die Durchbrüche ausgebildeten schraubenspindelförmigen Kühlkanälen. Alternativ können die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Blechen in der Umfangsrichtung der Bleche auch um ein ganzzahliges Vielfaches eines Nutsprungs versetzt zueinander angeordnet sein, je nachdem welche Steigung der Kühlkanal aufweisen soll.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf der Druckseite des Rotorblechpakets ein Lüfter-Laufrad angeordnet ist. Durch das wenigstes eine Lüfterrad kann der durch den wenigstens einen Kühlkanal geförderte Volumenstrom weiter erhöht werden. Das wenigstens eine Lüfter-Laufrad kann an einem Kurzschlussring angeformt sein. Unter „angeformt“ ist in diesem Zusammenhang insbesondere zu verstehen, dass das Lüfter-Laufrad in einen Kurzschlussring des Rotors integriert ist, das heißt der Kurzschlussring und das Lüfter-Laufrad sind einteilig miteinander verbunden. Dies ermöglicht einen geringeren Fertigungsaufwand.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung einer vorstehend beschriebenen elektrischen Maschine wird der Rotor derart betrieben, dass eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit aus dem Kühlmittelreservoir angesaugt und durch den wenigstens einen schraubenspindelförmigen Kühlkanal sowie den äußeren Kühlkanal gefördert wird, wobei durch die Rotation des Rotors aus der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit ein Kühlflüssigkeit-Luft-Gemisch erzeugt wird.
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Bezüglich Effekten und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verwiesen.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit einem Rotorblechpaket, mehreren schraubenspindelförmigen Kühlkanälen und einem Lüfter-Laufrad,
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2 eine Draufsicht auf ein einzelnes Blech des Rotorblechpakets nach 1,
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3 eine perspektivische Ansicht auf mehrere übereinander gestapelte Bleche des Rotorblechpakets nach 1 mit dargestellter Entstehung der Kühlkanäle,
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4 einen Teil-Längsschnitt durch das Rotorblechpaket nach 1,
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5 einen Teil-Längsschnitt durch ein weiteres Rotorblechpaket mit mehreren übereinander gestapelten Teil-Blechpaketen,
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6 Längsschnitte durch Rotorblechpakete mit bis 8 schraubenspindelförmigen Kühlkanälen unterschiedlicher Steigung,
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9 eine getriebeintegrierte elektrische Maschine,
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10 eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines gestapelten Stator-Blechpakets zum Einsatz in der elektrische Maschine nach 9,
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11 ein vergrößertes Detail des Stator-Blechpakets nach 10 und
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12 eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses zum Einsatz in der elektrischen Maschine nach 9.
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1 zeigt einen Rotor 1 umfassend ein Blechpaket 2 und ein in 1 links dargestelltes erstes Laufrad 3 mit Schaufeln 4. Der Rotor 1 eignet sich zum Einsatz in einer durch 9 gezeigten elektrischen Maschine 5 mit einem integrierten Getriebe 6. Das Rotorblechpaket 2 umfasst mehrere in einer Längsrichtung L des Rotors 1 übereinander gestapelte, identische Bleche 7, wobei die Bleche 7 jeweils sieben Durchbrüche 8 aufweisen und die Durchbrüche 8 aller übereinander gestapelter Bleche 7 durch das Rotorblechpaket 2 verlaufende, schraubenspindelförmige Kühlkanäle 9 ausbilden.
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2 zeigt eines der identischen Bleche 7 des Rotorblechpakets nach 1. Jeder der sieben gestanzten Durchbrüche 8 des Blechs 7 verbindet gegenüberliegende Stirnseiten S des Blechs 7 miteinander und bildet einen Abschnitt der sieben parallel zueinander verlaufenden, schraubenspindelförmigen Kühlkanäle 9 aus, welche dadurch entstehen, dass die einzelnen Bleche 7 deckungsgleich in Längsrichtung L des Rotors 1 zu dem Rotorblechpaket 2 gestapelt werden, wobei entweder jedes einzelne Blech 7 oder Pakete von mehreren Blechen 7 in Umfangrichtung U versetzt zueinander angeordnet werden. Die Durchbrüche 8 sind jeweils auf einem gedachten Kreisring 10 der Bleche 7 angeordnet. Zwischen benachbarten Durchbrüchen 8 bildet das Blech 7 jeweils eine Speiche 11 aus. Ferner weist das Blech 7 mehrere sich radial nach außen erstreckende, identische Wicklungsnuten 11 auf, welche äquidistant entlang eines äußeren Umfangs 12 des Blechs 7 um jeweils einen Nutsprung 13 verteilt sind. Der Nutsprung 13 ist hierbei der umfängliche Abstand bzw. der Winkelabstand zweier benachbarter Wicklungsnuten 11 zueinander.
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Wie insbesondere aus 3 und 4 ersichtlich werden die Bleche 7 derart zueinander verdreht gestapelt, dass die Durchbrüche 8 von in der Stapelrichtung L versetzten Blechen 7 (exemplarisch in 4 verdeutlicht durch die mit Bezugszeichen „8a“ und „8b“ bezeichneten Durchbrüche) in einer Umfangsrichtung U der Bleche 7 von einem Blech zu einem unmittelbar benachbarten Blech (exemplarisch in 4 verdeutlicht durch die mit Bezugszeichen „7a“ und „7b“ bezeichneten Bleche) versetzt zueinander angeordnet sind. Die Durchbrüche der in Stapelrichtung L versetzten Bleche (z.B. die Durchbrüche 8a, 8b) sind dabei in der Umfangsrichtung U der Bleche 7 um jeweils einen Nutsprung 13 versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich ein relativ kleiner Steigungswinkel α des Kühlkanals 9. Der Nutsprung 13 stellt dabei den Winkelabstand zweier benachbarter Wicklungsnuten 11 dar. Die Durchbrüche 8 bilden dadurch schraubenspindelförmige Kühlkanäle 9 aus, wobei der Verlauf einer dieser Kühlkanäle 9 in Form einer archimedischen Schraube in 3 zur Verdeutlichung teilweise ohne zugehörige Bleche 7 dargestellt ist. Die Kühlkanäle 9 verlaufen untereinander parallel.
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5 veranschaulicht, wie einzelne Bleche 7 alternativ zu einem erfindungsgemäßen Blechpaket 2 übereinander gestapelt werden können. Nachdem einzelne Bleche 7, beispielsweise solche nach 2, bereitgestellt worden sind, werden diese derart sukzessive in einer Stapelrichtung L gestapelt, dass die Durchbrüche 8 von in der Stapelrichtung L versetzten Blechen 10 in einer Umfangsrichtung U der Bleche 7 versetzt zueinander angeordnet sind. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 5 werden beispielsweise die mit Bezugszeichen „8a“ und „8b“ bezeichneten Durchbrüche von in der Stapelrichtung L versetzten Blechen 7 von einem Teil-Blechpaket 14a zu einem unmittelbar benachbarten Teil-Blechpaket 14b in einer Umfangsrichtung U der Bleche 7 um einen Nutsprung 13 versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich ein relativ großer Steigungswinkel α des Kühlkanals 9. Ein Teil-Blechpaket 14a, 14b umfasst dabei jeweils drei einzelne Bleche 7.
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6 bis 8 zeigen in einer Gegenüberstellung schraubenspindelförmige Kühlkanäle 9 mit unterschiedlichen Steigungswinkeln α. In 6 sind die Durchbrüche 8 von in der Stapelrichtung L versetzten Blechen 7 – ähnlich wie durch 4 verdeutlicht – von einem Blech zu einem unmittelbar benachbarten Blech in der Umfangsrichtung der Bleche 7 versetzt zueinander angeordnet, woraus sich ein relativ kleiner Steigungswinkel α des Kühlkanals 9 ergibt. In 7 und 8 sind die Durchbrüche 8 von in der Stapelrichtung L versetzten Blechen – ähnlich wie durch 5 verdeutlicht – von einem Teil-Blechpaket zu einem unmittelbar benachbarten Teil-Blechpaket in einer Umfangsrichtung der Bleche versetzt zueinander angeordnet, woraus sich im Vergleich zu dem Rotorblechpaket nach 6 ein größerer Steigungswinkel α des Kühlkanals 9 ergibt. Der Steigungswinkel α des Kühlkanals 9 nach 8 ist dabei größer als derjenige nach 7, da die in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordneten Teil-Blechpakete 14 nach 8 eine größere Anzahl von einzelnen Blechen enthalten als die Blechpakete 14 nach 7.
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9 zeigt eine elektrische Maschine 5 mit einem Gehäuse 15 und einem Öl-Kühlkreislauf 16, dessen Förderrichtung innerhalb des Gehäuses 15 mit Pfeilen veranschaulicht ist. In einem in 9 links dargestellten ersten Abschnitt 17 des Gehäuses 15 ist eine Rotorwelle 18 drehbar gelagert. In einem in 9 rechts dargestellten zweiten Abschnitt 19 des Gehäuses 15 ist das Getriebe 6 untergebracht, welches von der Rotorwelle 18 angetrieben wird. Auf der Rotorwelle 18 ist ein Rotor 1 nach einer der 1 bis 8 drehfest gelagert, sodass sich bei rotierender Rotorwelle 18 auch der Rotor 1 dreht. Der Rotor 1 wird mit geringem Abstand radial von einem fest stehenden Stator 20 umgeben, welcher ein Statorblechpaket 21 umfasst (10 und 11) und an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils einen Stator-Wickelkopf 22 und 23 aufweist, welche in axialer Richtung über zwei einander gegenüberliegende axiale Stirnseiten des Rotors 1 hinausragen. Der Stator 20 wird mit Abstand in radialer Richtung vollumfänglich von dem ersten Abschnitt 17 des Gehäuses 15 umgeben. Dabei bilden der erste Abschnitt 17 des Gehäuses 15 und der Stator 20 zwischen sich spiralförmige Nuten 24 aus, wie dies durch 10 bis 12 gezeigt ist. Die spiralförmigen Nuten 24 bilden einen Teil eines äußeren Kühlkanals K zwischen Stator 20 und Gehäuse 15 aus. Der äußere Kühlkanal setzt sich beidseitig an die spiralförmigen Nuten 24 anschließend zwischen den Stator-Wickelköpfen 22, 23 und dem ersten Abschnitt 17 des Gehäuses 15 fort. In seinem unteren Bereich bildet das Gehäuse 15 weiterhin einen Sumpf 25 für Öl aus, welches insbesondere der Kühlung des Rotors 1, Stators 20 und Getriebes 6 dient.
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Nachdem das Öl, wie im Folgenden dargestellt wird, Wärme insbesondere von dem Rotor 1 und dem Stator 20 aufgenommen hat, wird es in einem Umlauf-Kühlkreislauf 26 rückgekühlt. Der Umlauf-Kühlkreislauf 26 umfasst eine Kühlmittelleitung 27, welche eingangsseitig 28 und ausgangsseitig 29 an den Sumpf 25 angeschlossen ist. Innerhalb der Kühlmittelleitung 27 ist eine Förderpumpe 30 angeordnet, welche Öl aus dem Sumpf 25 ansaugt und über einen Wärmetauscher 31 zurück in den Sumpf 25 befördert. Zur Kühlung des Öls innerhalb des Wärmetauschers 31 wird dieser zusätzlich von Kühlwasser durchströmt, welches in einem Hauptkühlkreislauf 32 zirkuliert und wiederum von einem Hauptwasserkühler 33 gekühlt wird.
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Bei stillstehendem Rotor 1 sammelt sich das Öl in dem Sumpf 25. Wird die elektrische Maschine 5 in den Betriebszustand versetzt, so rotiert die Rotorwelle 18 und mit ihr auch der Rotor 1 und die schraubenspindelförmigen Kühlkanäle 9. Durch die Rotation der schraubenspindelförmigen Kühlkanäle 9, welche jeweils eine Förderspirale im Sinne einer Schneckenpumpe ausbilden, und des Lüfter-Laufrads 3 (1) bilden sich innerhalb des geschlossenen Gehäuses 17 der elektrischen Maschine 5 auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotors 1 eine Druckseite 34 und eine Sogseite 35 aus. Durch die Sogwirkung der schraubenspindelförmigen Kühlkanäle 9 auf der Sogseite 35 wird Öl aus dem Sumpf 25 über die spiralförmigen Nuten 24 zwischen dem ersten Abschnitt 17 des Gehäuses 15 und dem Stator 20 und damit über den gesamten Umfang des Stators 20 angesogen. Dabei kann auch Öl in den oberen Bereich von Rotor 1 und Stator 20 gefördert werden, wobei das Öl insbesondere über den in 9 rechts dargestellten Stator-Wickelkopf 23 abtropfen und über die schraubenspindelförmigen Kühlkanäle 9 des Rotors 1 auf die Druckseite 34 gefördert werden kann. Über die Stator-Wickelköpfe 22 und 23, welche beim Passieren des Öls bzw. Ölnebels gekühlt werden, wird anfangs Öl und nach längerem Betrieb überwiegend Ölnebel in den Rotor 1 gesogen und über die schraubenspindelförmigen Kanäle 9 auf die Druckseite 34 der elektrischen Maschine 5 gefördert. Von dort aus passiert der Ölnebel die Stator-Wickelköpfe 22 und 23 der anderen Statorseite, um wieder über den Umfang des Statorblechpaketes auf die Sogseite 35 zu wechseln. Durch die spiralförmigen Nuten 24 am Außenumfang des Statorblechpaketes 21 (10, 11) oder am Innenumfang des Gehäuses 15 (12) wird anfangs das Öl aus dem Ölsumpf 25 leicht entlang dieser Nuten 24 zu den Stirnflächen des Statorblechpakets 21 geführt.
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Oberhalb einer gedachten Mittelachse bzw. Längsachse L der Rotorwelle 18 kann das Öl nach dem Passieren der Wickelköpfe 22 und 23 abtropfen und wird durch den Sog in die schraubenspindelförmigen Kühlkanäle 9 des Rotors 1 gesogen. Bei sehr hohen Drehzahlen steigt dabei der Blasenanteil des Öls. Der Rotor 1 fördert das Öl bzw. Öl-Luft-Gemisch zur Druckseite 34 und wird dabei gekühlt. Über den Umlauf-Kühlkreislauf 26 wird das Öl rückgekühlt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass Kühlkanäle in einer Wandung des Gehäuses 15 angeordnet sind, welche beispielsweise durch Kühlwasser des Haupt-Wasserkühlkreislaufs 32 durchströmt werden und für eine Rückkühlung des Öls innerhalb des Gehäuses 15 sorgen.
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10 und 11 zeigen einen Teil eines Statorblechpaketes 21 zum Einsatz in der elektrischen Maschine nach 1. Das Statorblechpaket 21 ist durch Stapeln von identischen Blechen 36 zusammengesetzt worden. Die Bleche 36 weisen mehrere Aussparungen 37 auf, welche sich von einem inneren Umfang 38 des Blechs 36 radial nach außen erstrecken. Mehrere dieser Bleche 36 wurden in einer Stapelrichtung L, welche identisch sein kann mit einer Stapelrichtung L der Bleche 7 des Rotorblechpakets 2 (1 und 3 bis 5), übereinandergestapelt. Dadurch bilden die Aussparungen 37 kreisringförmig angeordnete Wicklungsnuten 39 des Statorblechpaketes 21 aus. Die Bleche 36 weisen weiterhin jeweils mehrere um die Aussparungen 37 bzw. Wicklungsnuten 39 herum kreisringförmig angeordnete Ausnehmungen 40 auf, welche entlang eines Außenumfangs 41 der Bleche 36 angeordnet sind und sich von dem Außenumfang 41 aus radial nach innen erstrecken. Die Bleche 36 wurden jeweils um einen Nutsprung 42 zueinander verdreht, so dass die Ausnehmungen 40 von in der Stapelrichtung L versetzten und jeweils unmittelbar benachbarten Blechen 36 spiralförmige Nuten 24 bilden, welche jeweils schräg zur Stapelrichtung L verlaufen und als äußerer Kanal K innerhalb der elektrischen Maschine 5 dienen können. Der Verlauf einer Nut 24 ist in 11 exemplarisch mit einer Strichpunktlinie 24a nachgezeichnet. Zwischen zwei Nuten 24 bildet der Außenumfang 41 der Bleche 36 bzw. des Statorblechpaketes 21 jeweils eine spiralförmige Kühlrippe 43 aus, wobei der Verlauf einer der Kühlrippen 43 exemplarisch in 11 durch eine Strichpunktlinie 43a nachgezeichnet ist.
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12 zeigt einen ersten Abschnitt 17 eines hohlzylindrischen Gehäuses 15 zum Einsatz in der elektrischen Maschine 5 nach 9. Der erste Abschnitt 17 des Gehäuses 15 weist an seinem Innenumfang 44, welcher als eine Passfläche zum Einbau des Stators 20 dient, schraubenspindelförmige Aussparungen 45 auf, welche spiralförmige Nuten 24 des Kühlkanals K bilden können.
