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Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine, ausgebildet als Motor und/oder Generator, aufweisend ein Gehäuse, einen mit dem Gehäuse drehfest verbundenen Stator, sowie eine koaxial und radial innerhalb des Stators angeordnete, drehbar um deren Längsachse gelagerte Rotorwelle, bei welcher der Stator und die Rotorwelle elektromagnetisch wirksame Komponenten tragen, zwischen denen ein hohlzylindrischer Luftspalt ausgebildet ist, und bei welcher im Bereich einer Kühllufteinlassöffnung im Gehäuse ein Lüfter an dem Gehäuse befestigt ist, der im Betrieb der Elektromaschine Kühlluft zumindest zu dessen Rotor bläst, wobei der Lüfter mit dem einströmseitigen Ende eines Strömungskanalbauteils in Strömungsverbindung ist, welches sich von der Kühllufteinlassöffnung nach radial innen sowie abgebogen in Richtung zu einem axialen Ende der Rotorwelle erstreckt, und wobei das austrittseitige Ende des Strömungskanalbauteils im Bereich der radialen Außenseite des Rotors endet.
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Eine derartige Elektromaschine kann beispielsweise in einem Dynamometer oder einem Fahrzeugprüfstand eingebaut sein, mit dessen Hilfe Kennwerte eines Fahrzeugs oder einer Antriebsstrangkomponente ermittelbar sind. Die Rotorwelle wird üblicherweise mittels Luft und der Stator mittels eines flüssigen Kühlfluids gekühlt, wobei letzteres durch Kühlkanäle im Gehäuse der Elektromaschine geführt wird. Zur Kühlung der Rotorwelle beziehungsweise der von der Rotorwelle getragenen elektromagnetisch wirksamen Komponente wird Kühlluft durch eine Einlassöffnung im Gehäuse der Elektromaschine und über wenigstens eine Einströmöffnung in der Rotorwelle in deren zylindrischen Innenraum hinein geleitet, und nach Durchströmen desselben durch wenigstens eine Ausströmöffnung der Rotorwelle aus dieser abgeführt. Die so erwärmte Kühlluft wird dann anschließend über wenigstens einen Kühlluftauslasskanal im Gehäuse von der Elektromaschine weggeleitet.
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Im Betrieb verursacht nicht nur der die benötigte Kühlluft bereitstellende Lüfter sondern auch die von diesem hin zu dem Rotor strömende Kühlluft Geräusche. Insbesondere dann, wenn eine solche Elektromaschine in einem Prüfstand eingebaut ist und dort als Antrieb oder Last für ein zu prüfendes Aggregat dient, wie beispielsweise für einen Verbrennungsmotor oder ein Getriebe, können die Betriebsgeräusche der Elektromaschine sowie deren Kühleinrichtungen bei der Messung der Betriebsgeräusche des zu testenden Aggregats störend wirken. Da bei solchen Prüfständen üblicherweise die Rotorwelle der Elektromaschine mit der Antriebswelle des zu testenden Aggregats verbunden ist, erweist sich eine koaxiale Zuführung von Kühlluft hinein in die hohle Rotorwelle aus Platzgründen als technisch schwierig. Daher wird bei solchen Anwendungen eine radiale Einströmung von Kühlluft in das Gehäuse und in den Hohlraum der Rotorwelle sowie eine ebensolche Ableitung der erwärmten Kühlluft von dort bevorzugt. Dies bedeutet allerdings, dass ein die benötigte Kühlluft bereitstellender Lüfter an der radialen Außenseite des Gehäuses der Elektromaschine anzuordnen ist, denn an den Stirnseiten der Elektromaschine sind die zu testenden Aggregate platziert. Daher muss die Kühlluft von dem Lüfter zu der wenigstens einen Einströmöffnung an einem Ende der Rotorwelle gelangen. Hierbei passiert die Kühlluft verschiedene Maschinenteile, welche einen Strömungswiderstand bilden und insbesondere bei der Messung von Betriebsgeräuschen des zu prüfenden Aggregats nachteilige Strömungsgeräusche verursachen. Die aus der
DE 10 2007 021 723 A1 ,
DE 10 2007 035 975 A1 ,
JP 2001 -
251 812 A ,
JP H05- 219 685 A und
EP 2 601 086 B1 bekannten Elektromaschinen beziehungsweise deren Kühlvorrichtungen weisen diesbezüglich offenbar keine Konstruktionen zur Geräuschreduzierung auf. So ist die aus der
DE 10 2007 021 723 A1 bekannte Elektromaschine zwar weitgehend gattungsbildend, jedoch weist diese einen geschlossenen Kühlluftkreislauf mit zusätzlichen, internen Rückkühlern für die Kühlluft auf. Zudem sind, wie erwähnt, keine gesonderten Mittel zur Geräuschreduzierung vorhanden. Daher wurde nach einer technischen Lösung gesucht, wie sich die von der Luftkühlung verursachten Geräusche einer Elektromaschine reduzieren lassen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wurde durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Demnach geht die Erfindung aus von einer Elektromaschine, die als Motor und/oder Generator ausgebildet ist. Diese Elektromaschine weist ein Gehäuse auf, welches drehfest mit einem Stator verbunden ist. Der Stator umgibt radial und koaxial eine Rotorwelle, welche um deren Längsachse drehbar in dem Gehäuse gelagert angeordnet ist. Der Stator und die Rotorwelle weisen elektromagnetisch wirksame Komponenten auf, zwischen denen ein hohlzylindrischer Luftspalt ausgebildet ist. Am Gehäuse der Elektromaschine ist eine Kühllufteinlassöffnung ausgebildet, in deren Bereich ein Lüfter am Gehäuse befestigt ist, welcher im Betrieb der Elektromaschine Kühlluft zumindest zu dessen Rotor bläst.
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Zur Reduzierung der durch strömende Kühlluft verursachten Betriebsgeräusche der Elektromaschine ist zunächst vorgesehen, dass der Lüfter mit dem einströmseitigen Ende eines Strömungskanalbauteils in Strömungsverbindung ist, welches sich von der Kühllufteinlassöffnung nach radial innen sowie abgebogen in Richtung zu einem axialen Ende der Rotorwelle erstreckt, und dass das austrittseitige Ende des Strömungskanalbauteils im Bereich der radialen Außenseite des Rotors endet.
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Dadurch, dass die Kühlluft mittels des Strömungskanalbauteils direkt von dem Lüfter hin zu der Rotorwelle und insbesondere hin zu deren Einströmöffnungen geleitet wird, ist eine erhebliche Reduzierung der Strömungsgeräusche der Kühlluft zu verzeichnen. Dies liegt vor allem daran, dass die Kühlluft auf deren Weg zu den Einströmöffnungen in der Rotorwelle direkt geführt wird und an der Wandung des Strömungskanalbauteils einen nur geringen Strömungswiderstand erfährt. Hierdurch werden Strömungsgeräusche vermieden oder auf ein hier nicht störendes Niveau begrenzt.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der gestellten Aufgabe als zusätzliche Geräuschreduzierungsmaßnahme vorgesehen, dass das Strömungskanalbauteil mit seinem einströmseitigen Ende in dem Gehäuse des Lüfters derartig aufgenommen ist, dass es ein Lüfterrad des Lüfters radial sowie axial überdeckt, und dass das Strömungskanalbauteil zumindest im Bereich des Lüfterrades Löcher in seiner Wand aufweist.
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Die Löcher wirken hierbei dämpfend auf die vom Lüfter und der strömenden Kühlluft im Lüfter verursachten Geräusche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Strömungskanalbauteil trichterförmig sowie geschwungen ausgebildet, wobei dessen einströmseitiges Ende einen größeren Durchmesser aufweist als dessen ausströmseitiges Ende. Durch diese Geometrie kann die durch das Strömungskanalbauteil zu fördernde Kühlluft direkt an die Eintrittsöffnungen der Rotorwelle herangeführt werden. Die trichterförmige Geometrie des Strömungskanalbauteils führt zudem zu einer vorteilhaften Druckerhöhung der Kühlluft.
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Um eine Anordnung des Lüfters möglichst weit weg von den beengten Platzverhältnissen an den axialen Enden der Elektromaschine zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das Strömungskanalbauteil in Bezug zu seiner Längserstreckung eine S-förmige Geometrie aufweist. Hierdurch kann die Kühlluft sowohl nach radial innen hinein als auch hin zu einem weiter entfernten axialen Ende der Elektromaschine geführt werden.
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Eine andere Weiterbildung der Elektromaschine gemäß der Erfindung sieht vor, dass das Strömungskanalbauteil mit seinem austrittseitigen Ende tangential zur radialen Außenseite des Rotors ausgerichtet ist. In Kombination mit ebenfalls schräg in Drehrichtung der Rotorwelle ausgerichteten Einströmöffnungen der Rotorwelle kann eine besonders strömungsgünstige Einleitung der Kühlluft in die Rotorwelle erreicht werden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das Strömungskanalbauteil fest mit dem Gehäuse des Lüfters verbunden ist. Dies erleichtert die Montage von Strömungskanalbauteil und Lüfter an und im Gehäuse der Elektromaschine.
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Eine Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass das Strömungskanalbauteil über seine gesamte Länge eine Vielzahl von Löcher aufweist, so dass dieses aus einem Lochblech herstellbar ist.
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Im Zusammenwirken mit den Löchern in der Wandung des Strömungskanalbauteils kann vorgesehen sein, dass dieses an der Außenseite seiner Wand von einem Fließmaterial abgedeckt ist. Dieses erhöht weiter die Geräuschdämpfungswirkung der erwähnten Löcher.
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Die Elektromaschine mit den Merkmalen der Erfindung ist bevorzugt ein Bestandteil eines Dynamometers oder eines Motoren- und/oder Getriebeprüfstandes, so dass auch eine diesbezügliche Verwendung derselben beansprucht wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigt
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen der Erfindung,
- 2 einen schematisch dargestellten Prüfstand für Antriebsaggregate eines Kraftfahrzeugs, in dem eine Elektromaschine gemäß 1 enthalten ist, und
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein vergrößert dargestelltes Strömungskanalbauteil, welches in der Elektromaschine gemäß 1 eingebaut ist.
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Die in 1 dargestellte Elektromaschine 1 ist als Elektromotor ausgebildet. Sie weist ein weitgehend hohlzylindrisches Gehäuse 2 auf, welches an seinen beiden axialen Enden mit jeweils einem Gehäusedeckel 20 verschlossen ist. In dem Gehäuse 2 ist ein sich koaxial zur Längsachse 17 der Elektromaschine 1 erstreckender Stator 3 befestigt. Radial innerhalb des Stators 3 ist eine Rotorwelle 5 angeordnet, welche über wenigstens zwei Wälzlager 11, 12 in dem Gehäuse 2 drehbar gelagert ist. Der Stator 3 und die Rotorwelle 5 sind mit elektromagnetisch wirksamen Komponenten 4, 6 versehen, welche durch einen zylindrischen Luftspalt 7 radial voneinander beabstandet sind. Die elektromagnetisch wirksamen Komponenten 4, 6 sind als Blechpakete, Wicklungen und/oder Permanentmagneten ausgebildet, deren Aufbau und Wirkungsweise den Fachmann bekannt sowie im Zusammenhang mit der Erfindung nicht relevant sind. Auf deren genaue zeichnerische Darstellung und Beschreibung wird daher verzichtet. Zur Kühlung des Stators 3 ist in dem Gehäuse 2 wenigstens ein Kühlwasserkanal 18 ausgebildet, durch den eine Kühlwasserströmung 19 geleitet wird.
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Die Rotorwelle 5 ist als Hohlwelle ausgebildet, welche an ihren axialen Enden mit jeweils einem Rotorwellendeckel 9 verschlossen ist. Hierzu sind die Rotorwellendeckel 9 mittels Schrauben 10 an der Rotorwelle 5 befestigt. An den beiden Rotorwellendeckeln 9 ist jeweils ein Wellenzapfen 9a, 9b befestigt, welche mit einem anzutreibenden und/oder abzubremsenden Aggregat 41, 42 (siehe 2) verbindbar sind.
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Die Rotorwelle 5 weist demnach einen weitgehend geschlossenen zylindrischen Innenraum 8 auf, durch den ein Kühlfluid in Form von Kühlluft 29 leitbar ist. Diese Kühlluft 29 wird der Rotorwelle 5 durch eine radiale Kühllufteinlassöffnung 13 im Gehäuse 2 zugeführt. Ein Volumenstrom von Kühlluft 29 wird von einem Lüfter 21 erzeugt, welcher an der radialen Außenseite des Gehäuses 2 der Elektromaschine 1 befestigt ist und die Kühllufteinlassöffnung 13 des Gehäuses 2 überdeckt. Der Lüfter 21 weist ein Gehäuse 21a auf, in dem ein elektrischer Antriebsmotor 22 angeordnet ist. Dessen Antriebswelle ist mit einem Lüfterrad 23 verbunden, welches aus der Umgebung Kühlluft 29 ansaugt und diese durch die Kühllufteinlassöffnung 13 in ein Strömungskanalbauteil 30 presst.
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Wie insbesondere 3 veranschaulicht, hat das Strömungskanalbauteil 30 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa die Geometrie eines S-förmig gebogenen Trichters. Dabei weist sein einströmseitiges Ende 36 einen größeren Durchmesser auf als sein ausströmseitiges Ende 37. Das Strömungskanalbauteil 30 ist gemäß einer Ausführungsform fest mit dem Gehäuse 21a des Lüfters 21 verbunden, es kann gemäß einer anderen Ausführungsform aber auch mittels eines Kragens an seinem einströmseitigen Ende 36 an dem Gehäuse 2 der Elektromaschine 1 befestigt sein. Das Strömungskanalbauteil 30 erstreckt sich erkennbar von der Kühllufteinlassöffnung 13 im Gehäuse 2 der Elektromaschine 1 bis nahe zur radialen Außenseite der Rotorwelle 5 im Bereich deren in 1 rechten, ersten axialen Endes. Dabei ist das ausströmseitige Ende 37 axial dort angeordnet, wo wenigstens zwei radiale Einströmöffnungen 25, 26 in der Rotorwelle 5 ausgebildet sind. Hierdurch kann die Kühlluft 29 direkt in den Innenraum 8 der sich im Betrieb drehenden Rotorwelle 5 eingeleitet werden.
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Nach dem Passieren des austrittseitigen, durchmesserkleineren Endes 37 des Strömungskanalbauteils 30 gelangt die Kühlluft 29 auch in einen ersten Ringraum 15, welcher zwischen dem Gehäuse 2, der Rotorwelle 5, dem einlassseitigen Wälzlager 11 und den elektromagnetisch wirksamen Komponenten 4, 6 der Elektromaschine 1 ausgebildet ist. Von diesem ersten Ringraum 15 strömt die Kühlluft 29 durch die zumindest zwei Einströmöffnungen 25, 26 der Rotorwelle 5 in deren Innenraum 8. Nach einem axialen Durchströmen dieses Innenraumes 8 verlässt die Kühlluft 29 den Innenraum 8 über zumindest zwei Ausströmöffnungen 27, 28 in der Rotorwelle 5 entlang des in 1 dargestellten Strömungsweges 32, 34 nach radial außen, hinein in einen zweiten Ringraum 16, welcher zwischen dem Gehäuse 2, der Rotorwelle 5, dem auslassseitigen Wälzlager 12 und den elektromagnetisch wirksamen Komponenten 4, 6 der Elektromaschine 1 ausgebildet ist. Von dort wird die erwärmte Kühlluft 29 entlang des Strömungsweges 34 durch eine Kühlluftauslassöffnung 14 des Gehäuses 2 der Elektromaschine 1 aus derselben abgeführt.
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Es kann für die Beschickung des Innenraumes 8 der Rotorwelle 5 mit Kühlluft 29 vorteilhaft sein, wenn das ausströmseitige Ende 37 des Strömungskanalbauteils 30 nicht senkrecht sondern tangential zur zylindrischen Außenmantelfläche der Rotorwelle 5 ausgerichtet ist. In Kombination mit schräg in Drehrichtung ausgerichteten Einströmöffnungen 25, 26 der Rotorwelle 5 kann eine besondere günstige Einbringung der Kühlluft 29 in den Innenraum 8 der Rotorwelle 5 erreicht werden.
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Wie erwähnt und in 1 veranschaulicht, gelangt Kühlluft 29 von dem Lüfter 21 durch das Strömungskanalbauteil 30 entlang des Strömungsweges 31 in den Innenraum 8 der Rotorwelle 5. Zudem gelangt ein kleinerer Anteil des Volumenstromes der Kühlluft 29 über einen weiteren Strömungsweg 33 koaxial und radial zwischen Rotor 5 und Stator 4 zu dem zweiten Ringraum 16. Insofern erfahren der Rotor 5 und der Stator 3 in geringem Maße auch eine Außenkühlung durch die Kühlluft 29.
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2 veranschaulich sehr schematisch, dass die Elektromaschine 1 mit den Merkmalen der Erfindung sehr vorteilhaft in einen Prüfstand 40 mit ihrer Motorfunktion als elektromotorischer Antrieb und mit ihrer Generatorfunktion als elektromechanische Bremse beziehungsweise Last genutzt werden kann. Hierzu ist die Elektromaschine 1 mit einem Verbrennungsmotor 41 und mit einem Getriebe 42 gegebenenfalls wechselweise antriebswirksam verbunden. Eine Wasser führende erste Kühlvorrichtung 43 und eine Luft führende zweite Kühlvorrichtung in Form des erwähnten Lüfters 21 sind ebenfalls schematisch dargestellt.
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Die 1 und 3 zeigen, dass das Strömungskanalbauteil 30 nur im Bereich des Lüfters 21 beziehungsweise dessen Lüfterrades 23 oder aber auch über seine gesamt Länge mit Löchern 35 versehen sein kann, welche zur Redzierung der Strömungsgeräusche des Lüfters 21 und/oder der strömenden Kühlluft 29 dienen. So kann das Strömungskanalbauteil 30 komplett aus einem metallischen Lochblech hergestellt sein.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das Strömungskanalbauteil 30 zumindest im Bereich des Lüfters 21 beziehungsweise dessen Lüfterrades 23 von einem Fliesmaterial 38 umgeben ist, welches als akustisches Dämpfungsmittel im Zusammenwirken mit den erwähnten Löchern 35 zur weiteren Reduzierung der Schallemission der Elektromaschine 1 beiträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromaschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Elektromagnetisch wirksame Komponente am Stator
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Elektromagnetisch wirksame Komponente an der Rotorwelle
- 7
- Luftspalt
- 8
- Innenraum der Rotorwelle
- 9
- Rotorwellendeckel
- 9a
- Erster Wellenzapfen
- 9b
- Zweiter Wellenzapfen
- 10
- Schrauben
- 11
- Erstes Wälzlager
- 12
- Zweites Wälzlager
- 13
- Kühllufteinlassöffnung im Gehäuse
- 14
- Kühlluftauslassöffnung im Gehäuse
- 15
- Erster Ringraum
- 16
- Zweiter Ringraum
- 17
- Längsachse der Rotorwelle
- 18
- Kühlwasserkanal
- 19
- Kühlwasserströmung
- 20
- Gehäusedeckel
- 21
- Lüfter
- 21a
- Gehäuse des Lüfters
- 22
- Antriebsmotor des Lüfters
- 23
- Lüfterrad
- 25
- Erste Einströmöffnung der Rotorwelle
- 26
- Zweite Einströmöffnung der Rotorwelle
- 27
- Erster Ausströmöffnung der Rotorwelle
- 28
- Zweite Ausströmöffnung der Rotorwelle
- 29
- Kühlluft
- 30
- Strömungskanalbauteil
- 31
- Strömungsweg hinein in die Rotorwelle
- 32
- Strömungsweg heraus aus der Rotorwelle
- 33
- Strömungsweg koaxial zwischen Rotor und Stator
- 34
- Strömungsweg heraus aus dem Gehäuse
- 35
- Löcher in der Wand des Strömungskanalbauteils
- 36
- Einströmseitiges Ende des Strömungskanalbauteils
- 37
- Ausströmseitiges Ende des Strömungskanalbauteils
- 38
- Fliesmaterial
- 40
- Prüfstand
- 41
- Verbrennungsmotor
- 42
- Getriebe
- 43
- Erste Kühlvorrichtung
