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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle umfasst, wobei eine Verlustwärme der elektrischen Maschine durch ein strömendes Kühlmedium abgeführt wird, wobei das Kühlmedium durch die Rotorwelle strömt und mittels einer Fangkappe nach dem Kühlvorgang der Rotorwelle an einem Ende der Rotorwelle aufgefangen und mittels einer Verbindungsleitung in ein mit der Fangkappe verbundenes Reservoir geleitet wird, wobei das Reservoir in Fahrtrichtung gesehen vor der Fangkappe angeordnet ist.
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Aus der
WO 2008/133786 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug mit einem Stator und einem Rotor bekannt. Dabei ist der Rotor hohl ausgeführt und es befindet sich innerhalb des Rotors ein Rohrelement, durch das Kühlmedium strömt und an einem Ende des Rotors ausströmt. Weiter strömt das Kühlmedium entlang des Rotors und tritt an einem anderen Ende, das dem ersten Ende entgegengerichtet ist aus und wird in einem Behälter aufgefangen. Eine Pumpe befördert das Kühlmedium aus dem Behälter wieder in das Rohrelement. Dabei ist das Rohrelement drehfest mit dem Rotor verbunden.
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Liegen große Beschleunigen vor, kann es sein, dass das Kühlmedium in dem Behälter nach einer Seite strömt und die Pumpe kein Kühlmedium mehr ansaugen kann. Damit weiter die Kühlung funktioniert ist eine große Menge von Kühlmedium nötig, was wiederum einen großen Behälter und damit Bauraum benötigt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug mit einem Stator und einem Rotor bereitzustellen, wobei möglichst wenige Mengen von Kühlmedium vorhanden sein sollen, die Vorrichtung kompakt baut und auch bei großen Beschleunigungen in Fahrtrichtung des Fahrzeugs sicher funktioniert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle umfasst, wobei eine Verlustwärme der elektrischen Maschine durch ein strömendes Kühlmedium abgeführt wird, wobei das Kühlmedium mittels eines Rohrelements durch die Rotorwelle strömt und mittels einer Fangkappe nach dem Kühlvorgang der Rotorwelle an einem Ende der Rotorwelle aufgefangen und mittels einer Verbindungsleitung in ein mit der Fangkappe verbundenes Reservoir geleitet wird, wobei das Reservoir in Fahrtrichtung gesehen vor der Fangkappe angeordnet ist, wobei zwischen dem Reservoir und der Fangkappe eine Stauklappe vorgesehen ist. Dabei ist die Rotorwelle im Wesentlichen quer zur Fahrtrichtung bei einer Geradeausfahrt angeordnet. Die Fangkappe, die sich an einem Ende der Rotorwelle befindet, ist trichterförmig ausgebildet und sammelt durch diese Ausformung das aus der Rotorwelle austretende Kühlmedium. Im Bereich einer unteren Hälfte der Fangkappe, wobei sich die untere Hälfte durch die Einbaulage im Fahrzeug definiert und im Bereich einer Drehachse der Rotorwelle sich eine obere Hälfte ergibt, ist ein Öffnungsbereich vorgesehen, an dem ein Flanschelement vorgesehen ist, an diesem wiederum eine Verbindungsleitung befestigt ist. Dabei ist der Öffnungsbereich im Wesentlichen auf der der Fahrtrichtung abgewandten Seite vorgesehen, um bei einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs das Kühlmedium durch den Öffnungsbereich und in die Verbindungsleitung, begünstigt durch die Trägheit des Kühlmediums, einströmen zu lassen. Entgegen der Fahrtrichtung gesehen schließt sich an die Verbindungsleitung ein Reservoir an, in dem das Kühlmedium sich sammeln kann. Mit dem Reservoir ist eine Pumpe verbunden, die mittels einer Zufuhrleitung, die mit dem Rohr verbunden ist, das Kühlmedium wieder zur Kühlung des Rotors in die Rotorwelle leitet. Um bei einem Bremsvorgang das im Reservoir gesammelte Kühlmedium daran zu hindern, dass es wieder zurück in die Fangkappe fließt, ist die erfindungsgemäße Stauklappe vorgesehen, die bei dem Bremsvorgang, also bei einer negativen Beschleunigung in Fahrtrichtung das Zurücklaufen des Kühlmediums verhindert, in dem die Stauklappe die Verbindungsleitung verschließt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Stauklappe bei einem Beschleunigungsvorgang in Fahrtrichtung die Verbindungsleitung verschließt. Vorwiegend wird jedoch die Stauklappe so ausgeführt sein, dass diese bei einem Bremsvorgang die Verbindungsleitung zwischen dem Reservoir und dem Öffnungsbereich verschließt. Dabei kann die Stauklappe sowohl im Bereich des Öffnungsbereiches, in der Verbindungsleitung oder auch im Bereich des Reservoirs vorgesehen sein. Durch diese Ausführungsform kann möglichst wenig Kühlmedium verwendet werden, was sich vorteilhaft auf das Fahrzeuggewicht auswirkt. Es kann folglich nur so viel umlaufendes Kühlmedium verwendet werden, wie effektiv für den Kühlvorgang notwendig ist. Es muss folglich nicht darauf geachtet werden, dass bei einem Beschleunigungsvorgang, negativ oder positiv in Fahrtrichtung gesehen, genügend Kühlmedium im Reservoir vorhanden ist, um ein Leerlaufen der Pumpe zu verhindern, da das Kühlmedium durch die Stauklappe daran gehindert wird, bei dem Beschleunigungsvorgang aus dem Reservoir und zurück in die Fangkappe zu fließen.
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Wie bereits beschrieben kann es vorgesehen sein, dass die Stauklappe für eine in Fahrtrichtung bei einer Geradeausfahrt verlaufenden Beschleunigung die Verbindungsleitung zwischen der Fangkappe und dem Reservoir frei gibt und bei einer entgegen der Fahrtrichtung verlaufenden Beschleunigung die Verbindungsleitung zwischen der Fangkappe und dem Reservoir verschließt.
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Auch kann es, wie bereits erwähnt, vorgesehen sein, dass die Stauklappe für eine entgegen der Fahrtrichtung verlaufenden Beschleunigung die Verbindungslei-tung zwischen der Fangkappe und dem Reservoir frei gibt und für eine in Fahrtrichtung verlaufende Beschleunigung die Verbindungsleitung zwischen der Fangkappe und dem Reservoir verschließt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht, wie bereits oben beschrieben, vor, dass die Stauklappe im Öffnungsbereich der Fangkappe oder im Bereich der Verbindungsleitung oder im Bereich des Reservoirs angeordnet ist. Dabei ist zu erwähnen, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Stauklappe im Öffnungsbereich der Fangkappe vorgesehen ist, da hierdurch möglichst wenig Kühlmedium zurück in die Fangkappe fließen kann.
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Auch kann es günstig sein, wenn der Öffnungsbereich der Verbindungsleitung mit der Fangkappe im Bereich einer unteren Hälfte der Fangkappe liegt, wobei die untere Hälfte durch eine horizontale Ebene die durch die Rotorwelle verläuft von einer oberen Hälfte abgetrennt wird. Dabei ist, wie bereits erwähnt, eine Einbaulage im Fahrzeug entscheidend für die Unterteilung in die untere und die obere Hälfte.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Reservoir und der Rotorwelle eine Zufuhrleitung und in der Zufuhrleitung eine Pumpe vorgesehen ist. Die Pumpe kann dabei einen Kühlkreislauf des Kühlmediums vorteilhaft verbessern, da das Kühlmedium gezielt aus dem Reservoir abgesaugt und mittels der Zuführleitung und mittels des Rohrelements in die Rotorwelle strömt. Dabei ist zu erwähnen, dass es sich hier um ein offenes Kühlsystem handelt, also kein geschlossener Druckkreislauf vorhanden ist, sondern im Niederdruckbereich das Kühlmedium durch die Pumpe zu der Rotorwelle befördert wird. Durch eine Rotation der Rotorwelle wird das Kühlmedium zu dem einen Ende der Rotorwelle befördert, das dem Eintrittsbereich in die Rotorwelle entgegengesetzt ist.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Zufuhrleitung mit einem Rohrelement verbunden ist, wobei das Rohrelement innerhalb der Rotorwelle angeordnet ist. Wie bereits erwähnt wird durch das Rohrelement das Kühlmedium zu der Rotorwelle befördert. Dabei tritt das Kühlmedium an einem Ende der Rotorwelle aus, das dem anderen Ende der Rotorwelle, an dem die Fangkappe vorgesehen ist, entgegengesetzt ist.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass das Rohrelement zu der Rotorwelle verdrehbar angeordnet ist. Dies bedeutet, dass das Rohrelement nicht mit der Rotorwelle mitdreht, sondern fest zu dem Stator angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine drehbare Abdichtung zwischen der Zufuhrleitung und dem Rohrelement entfallen kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, das die Verbindungsleitung und/oder das Reservoir und/oder die Pumpe und/oder die Verbindungsleitung mit Kühlrippen zur Oberflächenvergrößerung ausgeführt ist. Durch die Oberflächenvergrößerung wird eine Wärmeabfuhr der genannten Bauteile positiv beeinflusst was wiederum die Wärmeabfuhr des Kühlmediums begünstigt. Hierdurch kann die Kühlung der elektrischen Maschine verbessert werden.
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Auch kann es vorteilhaft sein, wenn im Strom des Kühlmediums zwischen dem Öffnungsbereich und der Rotorwelle ein Wärmetauscher zur Kühlung des Kühlmediums vorgesehen ist. Hierbei kann jeder bekannte Wärmetauscher verwendet werden.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Pumpe eine Leistungsaufnahme von 20 bis 50 Watt hat. Da das Kühlmedium zu dem Rohrelement mit einem geringen Druck gefördert wird, kann die Pumpenleistung stark reduziert werden, was sich in der niedrigen Leistungsaufnahme wiederspiegelt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, dass parallel zur Verbindungsleitung und unter Umgehung der Stauklappe eine Entlüftungsleitung vorgesehen ist, die im Wesentlichen mittig oder in der oberen Hälfte der Verbindungsleitung bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug, angeordnet ist. Hierbei sorgt die Entlüftungsleitung dafür, dass der Strom des Kühlmediums in der Verbindungsleitung nicht durch Luftpolster im Reservoir oder durch Unterdruck in der Fangkappe behindert wird. Auch kann die Entlüftungsleitung außerhalb der Verbindungsleitung oder innerhalb der Verbindungsleitung vorgesehen. Dabei kann die Entlüftungsleitung als ein separates Bauteil oder auch integral mit der Verbindungsleitung ausgeführt sein. Dabei kann das Kühlmedium als ein viskoses Medium, wie Öl oder als ein wässriges Medium ausgeführt sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine
- 2 einen Querschnitt im Bereich der elektrischen Maschine
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Mit Bezug auf die 1 und die 2 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine in einem Fahrzeug beschrieben. Dabei ist der Aufbau der elektrischen Maschine 1 wie folgt:
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Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 10 sowie einen konzentrisch zum Stator 10 radial innerhalb positionierten Rotor 20 mit einer Rotorwelle 21, die um die Drehachse A drehbar ist. Radial innerhalb der Rotorwelle 21 ist konzentrisch ein Rohrelement 25 vorgesehen. Das Rohrelement 25, besser zu sehen in 2, ist beidseitig offen. Dabei erstreckt sich das Rohrelement 25 im Wesentlichen über die gesamte Länge der Rotorwelle 21. Auf einer Seite des Rohrelementes 25 ist das Rohrelement 25 mit einer Zufuhrleitung 36 drehfest verbunden. Die gegenüberliegende offene Seite des Rohrelements 25 bildet einen Austrittsbereich 37 für ein Kühlmedium 40. Im Austrittsbereich 37 des Kühlmediums 40 ist die Rotorwelle 21 seitlich geschlossen. Die Seite der Rotorwelle 21 die der geschlossenen Seite der Rotorwelle 21 gegenüberliegt, bildet einen Austrittsbereich 42 für das Kühlmedium 40 aus der Rotorwelle 21. Im Anschluss an den Durchflussbereich 42 für das Kühlmedium 40 aus der Rotorwelle 21 ist eine Fangkappe 30 vorgesehen. Die Fangkappe 30 ist dabei verdrehbar zur Rotorwelle 21 und in dieser Ausführungsform verdrehfest mit dem Stator 10 vorgesehen. Dabei erstreckt sich die Fangkappe 30 im Austrittsbereich 42 des Kühlmediums 40 aus der Rotorwelle 21 nach radial außen sowie in axialer Richtung entlang der Drehachse A und bildet eine trichterförmige Ausgestaltung.
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Dabei ist die elektrische Maschine 1 in Bezug auf die Drehachse A der Rotorwelle 21 quer zur Fahrtrichtung bei geradeausfahrt vorgesehen. Dies bedeutet, dass die Fangkappe 30 ebenfalls, die hier rotationssymmetrisch um die Drehachse A der Rotorwelle 21 ausgeführt ist, ebenfalls quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet ist. Dabei kann die Fangkappe 30 in eine untere Hälfte und in eine obere Hälfte in Bezug auf die Einbaulage im Fahrzeug unterteilt werden. Die Grenze zwischen der unteren Hälfte und der oberen Hälfte bildet die Drehachse A der Rotorwelle 21. Im Bereich der unteren Hälfte ist an der Fangkappe 30 ein Öffnungsbereich 38 vorgesehen. An dem Öffnungsbereich 38 ist hier ein Flanschelement 34 befestigt, an das wiederum eine Verbindungsleitung 35 vorgesehen ist. Dabei erstreckt sich die Verbindungsleitung 35 im Wesentlichen in Richtung gegen die Fahrtrichtung. In weiterer Betrachtung gegen die Fahrtrichtung ist weiter ein Reservoir 50 vorgesehen. Das Reservoir ist weiterhin mit einer Pumpe 55 verbunden, wobei von der Pumpe eine Zufuhrleitung 36 zu dem Rohrelement 25 vorgesehen ist. Im Bereich der Verbindungsleitung 35 zwischen dem Öffnungsbereich 38 und dem Reservoir 50 ist eine Stauklappe 60 vorgesehen. Dabei ist die Stauklappe 60 in dieser Ausführungsform derart vorgesehen, dass bei einer Beschleunigung in Fahrtrichtung die Verbindungsleitung 35 geöffnet ist wohingegen bei einer negativen Beschleunigung in Fahrtrichtung die Stauklappe die Verbindungsleitung 35 verschließt. Liegt weder eine positive noch eine negative Beschleunigung in Fahrtrichtung vor, ist hier vorgesehen, dass die Stauklappe 60 ebenfalls die Verbindungsleitung 35 frei gibt. Nachfolgend soll der Verlauf des Kühlmediums 40 näher beschrieben werden. Ausgehend von der Pumpe 55 wird das Kühlmedium 40 durch die Zufuhrleitung 36, welche mit dem Rohrelement 25 drehfest verbunden ist, geleitet. Am Ende des Rohrelementes 25 strömt das Kühlmedium 40 aus dem Rohrelement 25 und strömt weiter an einer Innenfläche 24 der Rotorwelle 21. Begünstigt durch eine Rotation der Rotorwelle 21 strömt das Kühlmedium 40 nahezu drucklos entlang der Innenfläche 24 zu dem Austrittsbereich 42 aus der Rotorwelle 21 und nimmt dabei thermische Energie von der Rotorwelle 21 auf. An dem Austrittsbereich 42 aus der Rotorwelle 21 zu der Fangkappe 30 schert das Kühlmedium 40 ab und strömt weiter nahezu drucklos in die Fangkappe 30 ein, wo es sich primär im Bereich der unteren Hälfte der Fangkappe 30 ansammelt. Weiter strömt das Kühlmedium 40 durch den Öffnungsbereich 38 und das Flanschelement 34 in die Verbindungsleitung 35 ein. Bei einer geöffneter Stauklappe 60 fließt das Kühlmedium 40 weiter durch die Verbindungsleitung 35 in das Reservoir 50. Von dem Reservoir 50 pumpt die Pumpe 55 das Kühlmedium wiederum in die Zuleitung 36. Dabei kann, hier nicht gezeigt, die Pumpe 55 auch in dem Reservoir 50 vorgesehen sein, was vorteilhaft für eine kompakte Bauweise ist. Liegt nun eine Beschleunigung in Fahrtrichtung vor, wird das Kühlmedium 40 bedingt durch die Trägheit des Kühlmediums 40 entgegen der Fahrtrichtung an den Innenwandbereich der Fangkappe 30 gedrückt. Dabei kann sich ein Flüssigkeitsstand wie beispielsweise mit der Linie Fpg eingezeichnet in der Fangkappe 30 entstehen. In diesem Bereich befindet sich auch der Öffnungsbereich 38 was wiederum das Einströmen des Kühlmediums 40 in den Öffnungsbereich 38 und damit in das Reservoir 50 begünstigt. Im Falle einer negativen Beschleunigung in Fahrtrichtung besteht die Gefahr, dass auch das in der Verbindungsleitung 35 und dem Reservoir befindlichen Kühlmedium 40 zurück in die Fangkappe 30 strömt und zu einem starken Flüssigkeitsanstieg in der Fangkappe 30 führt, hier mit einer gestrichelten Linie Fng dargestellt. Hierdurch kann die Gefahr bestehen, dass das Reservoir 50 leerläuft und die Pumpe 55 kein Kühlmedium 40 mehr zu der Rotorwelle 21 zur Kühlung befördern kann. Die Stauklappe 60 die bei einer negativen Beschleunigung in Fahrtrichtung die Verbindungsleitung 35 verschließt, verhindert ein Leerlaufen des Reservoirs 50 und verhindert weiter, dass die Pumpe 55 kein Kühlmedium 40 in dieser Fahrsituation an die Rotorwelle 21 pumpen kann. Hier nicht dargestellt, kann sowohl die Verbindungsleitung 35, das Reservoir 50, die Pumpe bzw. ein Pumpengehäuse der Pumpe 55 sowie die Zufuhrleitung mit Kühlrippen zur Oberflächenvergrößerung und damit zur besseren Wärmeabfuhr ausgeführt werden. Des Weiteren ist, ebenfalls hier nicht dargestellt, ein Wärmetauscher im Kühlkreislauf möglich, um die Wärmeabfuhr von dem Kühlmedium 40 zu begünstigen.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn wie hier dargestellt, parallel zu der Verbindungsleitung 35 und unter Umgehung der Stauklappe 60 eine Entlüftungsleitung 39 vorgesehen ist, um den Strom des Kühlmediums 40 in der Verbindungsleitung 35 nicht durch eventuelle Luftpolster im Resrevoir 50 oder durch einen Unterdruck im Bereich der Fangkappe 30 zu behindern. Dabei ist die Entlüftungsleitung vorwiegend mittig oder in der oberen Hälfte der Verbindungsleitung 35, bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug, vorgesehen, um eine optimale Funktion zu gewährleisten. Dabei verläuft die Entlüftungsleitung vorteilhaft vom Bereich der Fangkappe 30 bis zu dem Reservoir 50.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Elektrische Maschine
- 10
- Stator
- 20
- Rotor
- 21
- Rotorwelle
- 24
- Innenfläche
- 25
- Rohrelement
- 30
- Fangkappe
- 34
- Flanschelement
- 35
- Verbindungsleitung
- 36
- Zufuhrleitung
- 37
- Austrittsbereich
- 38
- Öffnungsbereich
- 39
- Entlüftungsleitung
- 40
- Kühlmedium
- 42
- Austrittsbereich
- 50
- Reservoir
- 55
- Pumpe
- 60
- Stauklappe
- 80
- Wärmetauscher
- A
- Drehachse
- Fpg
- Flüssigkeitsstand bei positiver Beschleunigung in Fahrtrichtung
- Fng
- Flüssigkeitsstand bei negativer Beschleunigung in Fahrtrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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