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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 Sammelbehälter geleitet wird, wobei das Sammelbehälter 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. Liegen große Drehzahlen der elektrischen Maschine von beispielsweise 20.000 - 24.000 U/min vor, können die Lager der Rotorwelle beschädigt werden.
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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 die Lagerung der Rotorwelle drehzahlfest ausgeführt werden soll, kompakt baut und wobei das Lager durch das Kühlmedium gekühlt werden soll.
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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 um eine Drehachse (A) drehbaren Rotor, wobei der Rotor eine koaxiale Rotorwelle umfasst, wobei ein Rohrelement innerhalb der Rotorwelle vorgesehen ist, wobei das Rohrelement koaxial zu der Rotorwelle und drehfest zu dem Stator vorgesehen ist, wobei die Rotorwelle mit zumindest einem ersten Lager an dem Rohrelement drehbar gelagert ist. Durch die Lagerung der Rotorwelle an dem Rohrelement, das sich radial innerhalb und koaxial zu der Rotorwelle befindet, kann ein im Durchmesser kleines Lager und damit drehzahlfestes Lager verwendet werden. Dabei erstreckt sich das Rohrelement in Längsrichtung entlang der Drehachse A über nahezu der Rotorwellenlänge. Das Rohrelement sieht einen ersten und einen zweiten offene Endbereich vor. Der eine Endbereich ist mit einer Verbindungsleitung verbunden, durch die das Kühlmedium gepumpt wird. Der zweite offene Endbereich ist ein Austrittsbereich des Kühlmediums aus dem Rohrelement. Das dort austretende Kühlmedium strömt entlang einem Innenwandbereich der Rotorwelle und nimmt dabei Wärmeenergie von der Rotorwelle auf. Im Bereich eines Austrittsbereiches des Kühlmediums aus der Rotorwelle befinden sich Durchflussöffnungen die sich vorzugsweise radial außerhalb des ersten Lagers befinden. Dabei wird das erste Lager zumindest von dem Kühlmedium umspült, so dass auch hier Wärmeenergie von dem ersten Lager von dem Kühlmedium aufgenommen werden kann. Es ist aber auch möglich, dass das Lager durchspült wird, also nicht gekapselt ist. Hierbei kann im Falle einer Verwendung eines viskosen Mediums als Kühlmedium das erste Lager noch geschmiert werden. Nach dem Austritt des Kühlmediums aus den Durchflussöffnungen wird das Kühlmedium durch eine sich in axialer Richtung anschließenden Fangkappe gesammelt. Dabei dient die Fangkappe als eine Art von Trichter, der das aus der Rotorwelle ausströmende Kühlmedium einsammelt. An der Fangkappe ist, bevorzugt in Richtung der Schwerkraft, ein Öffnungsbereich vorgesehen, aus dem das Kühlmedium austreten und beispielsweise in einen Sammelbehälter strömen kann. Von dort kann eine Pumpe das Kühlmedium mittels einer Verbindungsleitung, wieder zurück in das Rohrelement pumpen. In die Verbindungsleitung kann auch ein zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen sein. Dabei können alle Bauteile, die mit dem Kühlmedium in Kontakt kommen mit Kühlrippen zur Oberflächenvergrößerung vorgesehen sein, um die Wärmeabgabe zu verbessern und damit die Kühlung zu steigern.
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Dabei kann es weiter vorgesehen sein, dass das erste Lager einerseits an einem Außenwandbereich des Rohrelements und andererseits an einem Innenwandbereich der Rotorwelle aufgenommen ist. Dabei kann zwischen dem ersten Lager und dem Außenwandbereich des Rohrelements oder zwischen dem Lager und dem Innenwandbereich der Rotorwelle noch ein Hilfselement, beispielsweise ein Distanzring verbaut sein. Weiter ist das Rohrelement vorzugsweise verdrehfest mit einem Gehäuseelement der elektrischen Maschine verbunden, wobei der Stator ebenfalls mit dem Gehäuseelement drehfest verbunden ist. Dabei kann die Fangkappe integral mit dem Rohrelement ausgeführt werden, was eine kompakte Bauform zur Folge hat.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn das Rohrelement drehfest mit einer Fangkappe verbunden ist, wobei die Fangkappe an einem seitlichen Ende der Rotorwelle angeordnet ist. Dabei sammelt die Fangkappe das aus der Rotorwelle austretende Kühlmedium zusammen.
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Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn die Verlustwärme der elektrischen Maschine durch das strömendes Kühlmedium abgeführt wird, wobei das Kühlmedium mittels des Rohrelements durch die Rotorwelle strömt und mittels der Fangkappe nach dem Kühlvorgang der Rotorwelle an einem Ende der Rotorwelle aufgefangen und durch einen Öffnungsbereich der Fangkappe mittels einer Verbindungsleitung in ein mit der Fangkappe verbundenen Sammelbehälter geleitet wird. Wie schon erwähnt ist dabei der Öffnungsbereich in Richtung der Schwerkraft vorgesehen, um einen vorteilhaften Durchfluss des Kühlmediums zu gewährleisten.
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Weiter kann es vorgesehen sein, dass radial außerhalb des ersten Lagers und/ oder radial innerhalb des ersten Lagers und radial innerhalb der Rotorwelle Durchflussöffnungen vorgesehen sind, wobei das Kühlmedium nach dem Kühlvorgang in der Rotorwelle durch die Durchflussöffnungen in die Fangkappe strömt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein zweites Lager einerseits auf der Rotorwelle und andererseits auf dem Rohrelement oder auf einem Element, das drehfest mit dem Stator verbunden ist, vorgesehen sein. Dabei kann das zweite Lager axial beabstandet von dem ersten Lager vorgesehen sein.
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Weiter kann der Sammelbehälter mit einer Pumpe verbunden sein, wobei die Pumpe das Kühlmedium mittels der Verbindungsleitung in das Rohrelement pumpt. Wie schon voranstehend beschrieben kann dadurch ein Kühlkreislauf vorgesehen sein, der die Rotorwelle und damit die elektrische Maschine kühlt.
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Um die Kühlung der elektrischen Maschine weiter vorteilhaft auszuführen kann es vorgesehen sein, dass im Verlauf der Verbindungsleitung ein Wärmetauscher vorgesehen ist. Hierdurch kann die Kühlung der elektrischen Maschine verbessert werden, da das Kühlmedium in dem Wärmetauscher zusätzlich Wärmeenergie an die Umgebung abgeben kann. Dabei ist der Wärmetauscher vorteilhaft in einem Luftstrom zu plazieren.
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Das Kühlmedium kann dabei vorteilhaft als ein viskoses Medium oder als ein wässriges Medium ausgeführt sein.
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Auch kann die Fangkappe zu der Rotorwelle mittels eines Dichtelements verdrehbar verbunden sein. Hierbei kann ein bekannter Simmerring oder auch ein fliehkraftabhängiger Dichtring, wie beispielsweise ein bekannter Levitex Dichtring verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Figur detailliert beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine
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Mit Bezug auf die 1 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 koaxial 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 koaxial ein Rohrelement 25 vorgesehen. Das Rohrelement 25 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 Verbindungsleitung 35 drehfest verbunden. Die gegenüberliegende andere 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 Austrittsbereich 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 entgegen der axialen Erstreckung der Rotorwelle 21 und bildet eine trichterförmige Ausgestaltung. In Richtung der Schwerkraft ist an einem radial äußeren Bereich der Fangkappe 30 ein Öffnungsbereich 38 vorgesehen. An dem Öffnungsbereich 38 ist hier eine Verbindungsleitung 35 vorgesehen. In weiterer Betrachtung kann ein Sammelbehälter 50 mit der Verbindungsleitung 35 verbunden sein. Weiter ist eine Pumpe 55 in der Verbindungsleitung vorgesehen, wobei von der Pumpe eine Zufuhrleitung 36 zu dem Rohrelement 25 vorgesehen, die auch als Verbindungsleitung 35 ausgebildet sein kann. Dabei ist hier gut zu sehen, dass zwischen einem Außenwandbereich 29 des Rohrelement 25 und einem Innenwandbereich 32 der Rotorwelle 21 ein Lager 28, hier in Form eines Kugellagers ausgeführt, vorgesehen ist. Durch diese Ausgestaltung der Rotorlagerung 28 kann ein im Durchmesser kleines Lager verwendet werden. Dabei zeichnet sich ein kleines Lager mit einer höheren Drehzahlfestigkeit aus als ein vergleichbar im Durchmesser größeres Lager. Weiter wird das so in der 1 gezeigte Lager 28 vorteilhaft von dem Kühlmedium 40 umspült und damit gekühlt. Bei einer Verwendung von Öl als Kühlmedium 40 kann auf eine Abdichtung des Lagers 28 verzichtet werden, so dass das Lager 28 sogar durchspült wird. Weiter kann die Rotorwelle 21, wie hier gezeigt, auch mit Kühlrippen 22 ausgeführt sein um die Oberfläche zu vergrößern und um damit einen vorteilhaften Wärmeübergang von der Rotorwelle zu dem Kühlmedium zu erzielen. 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, optional über einen Wärmetauscher 80, geleitet. Am Ende des Rohrelementes 25 befindet sich der Austrittsbereich 37 für das Kühlmedium 40 aus dem Rohrelement 25. Weiter strömt das Kühlmedium 40 aus dem Rohrelement 25 und weiter an der Innenfläche 24 der Rotorwelle 21 in Richtung des Austrittsbereiches 42 des Kühlmediums 40 aus 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 befindet sich auch das Lager 28, das hier gekapselt ausgeführt ist und von dem Kühlmedium 40 umströmt werden kann. Hierdurch kann eine Kühlung des Lagers 28 erfolgen. Im Austrittsbereich 42 aus der Rotorwelle 21 schert das Kühlmedium 40 von der Rotorwelle 21, genauer von den Durchflussöffnungen 33 ab und strömt weiter nahezu drucklos in die Fangkappe 30 ein, wo es sich primär im Bereich einer unteren Hälfte, in einer Einbaulage im Fahrzeug betrachtet und bedingt durch die Schwerkraft, der Fangkappe 30 ansammelt. Weiter strömt das Kühlmedium 40 durch den Öffnungsbereich 38 der Fangkappe 30 in die Verbindungsleitung 35 ein und in den optionalen Sammelbehälter 50. Von dem optionalen Sammelbehälter 50 pumpt die Pumpe 55 das Kühlmedium 40 wiederum in die Zuleitung 36. Dabei kann, hier nicht gezeigt, die Pumpe 55 auch in dem Sammelbehälter 50 vorgesehen sein, was vorteilhaft für eine kompakte Bauweise ist. Hier nicht dargestellt, kann sowohl die Verbindungsleitung 35, der optionale Sammelbehälter 50, die Pumpe bzw. ein Pumpengehäuse der Pumpe 55 sowie die Zufuhrleitung 36 mit Kühlrippen zur Oberflächenvergrößerung und damit zur besseren Wärmeabfuhr ausgeführt werden. Des Weiteren ist ein optionaler Wärmetauscher 80 im Kühlkreislauf möglich, um die Wärmeabfuhr von dem Kühlmedium 40 an eine Umgebung zu begünstigen.
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Der hier beschriebene Kreislauf des Kühlmediums 40 ist dabei als ein Niederdruckkreislauf ausgeführt, wodurch die Pumpenleistung gering gehalten werden kann. Hierbei kann eine Pumpe mit ca. 20 - 50 Watt Anwendung finden. Die Pumpe 55 kann dabei elektrisch oder auch mechanisch angetrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 10
- Stator
- 15
- Gehäuseelement
- 20
- Rotor
- 21
- Rotorwelle
- 22
- Kühlrippen
- 24
- Innenfläche
- 25
- Rohrelement
- 28
- erstes Lager
- 29
- Außenwandbereich
- 30
- Fangkappe
- 32
- Innenwandbereich
- 33
- Durchflussöffnung
- 35
- Verbindungsleitung
- 36
- Zufuhrleitung
- 37
- Austrittsbereich
- 38
- Öffnungsbereich
- 40
- Kühlmedium
- 42
- Austrittsbereich
- 48
- zweites Lager
- 50
- Sammelbehälter
- 55
- Pumpe
- 60
- Stauklappe
- 80
- Wärmetauscher
- A
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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