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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor mit einer Rotorwelle, wobei der Rotor ein Lüfterrad mit einem Zentralkörper und wenigstens einer sich an einer Ansatzlinie aus dem Zentralkörper erhebenden Schaufel aufweist.
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Stand der Technik
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In elektrischen Maschinen, insbesondere bei solchen, die als Generator verwendet werden, und insbesondere auch bei Verwendung in Fahrzeugen, werden Lüfter zur Kühlung der elektrischen Maschine eingesetzt. Die Lüfter bestehen aus einem Lüfterrad mit einer Vielzahl Schaufeln und sind an einem Rotor der elektrischen Maschine vorgesehen. Die Geschwindigkeit des Lüfterrades wird somit über die Kopplung zum Rotor der elektrischen Maschine bestimmt, welcher wiederum beispielsweise über ein Riemenrad mit einem Keilriemen eines entsprechenden Fahrzeuges verbunden ist. Während des Betriebs der elektrischen Maschine dreht sich der Rotor teilweise mit sehr hohen Drehzahlen, wodurch hohe Fliehkräfte auf die Schaufeln wirken. Zudem wirken aufgrund von Drehzahlwechseln unterschiedliche Fliehkräfte auf die Schaufeln. Die Fliehkräfte können dazu führen, dass die Schaufeln brechen und die elektrische Maschine infolgedessen nicht mehr ausreichend gekühlt wird und die Maschine durch die abgebrochenen Schaufeln beschädigt wird.
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Somit ist es wünschenswert, einen robusteren Lüfter bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine mit dem Merkmal des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor mit einer Rotorwelle auf. Der Rotor weist ein Lüfterrad mit einem Zentralkörper und wenigstens einer Schaufel auf. Die Schaufel erhebt sich an einer Ansatzlinie aus dem Zentralkörper. Die Ansatzlinie ist somit eine Linie, die die Grenze zwischen dem Zentralkörper und der wenigstens einen Schaufel darstellt. Die wenigstens eine Schaufel weist einen Schwerpunkt auf, wobei in einem Längsschnitt entlang der Rotorwelle durch den Schwerpunkt der Schwerpunkt im Wesentlichen auf Höhe eines Schnittpunkts der neutralen Faser des Zentralkörpers mit der Ansatzlinie liegt.
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Eine Linie, die durch den Schwerpunkt und durch den Schnittpunkt verläuft, verläuft somit senkrecht zur Rotorwelle.
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Die neutrale Faser, auch Nulllinie genannt, bezeichnet in der Festigkeitslehre diejenige Faser oder Schicht eines Balkenquerschnitts, deren Länge sich bei Verdrehen bzw. Biegen nicht ändert. Eine dort kollinear eingeleitete Kraftverursacht keine überlagerte Biege- oder Torsionsbeanspruchung, sondern nur eine Zug- oder Druckspannung.
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Der Schwerpunkt der wenigstens einen Schaufel ist auch der Kraftansatzpunkt der Zentrifugalkraft, die auf die Schaufel wirkt. Da der Schwerpunkt der wenigstens einen Schaufel auf einer gemeinsamen Linie mit dem Schnittpunkt liegt, ist eine Biegebeanspruchung aufgrund der Zentrifugalkraft, die auf die Schaufel wirkt, sehr gering, insbesondere gleich Null, da kein Hebelarm vorhanden ist. Es wirken vielmehr im Wesentlichen nur Zugkräfte. Dadurch wirken deutlich geringere Verformungskräfte auf die Schaufel. Im Vergleich dazu wirken bei Lüftern aus dem Stand der Technik, bei denen der Schwerpunkt der Lüfterschaufel deutlich höher als die neutrale Faser liegt, Verformungskräfte auf die Schaufel, die dazu führen, dass sich die Schaufel insbesondere an der Ansatzlinie verbiegt. Dies führt auf Dauer zu Materialermüdung und Schädigungen bis hin zum Ausfall der elektrischen Maschine.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich in dem Längsschnitt entlang der Rotorwelle durch den Schwerpunkt ein erster Abschnitt der wenigstens einen Schaufel ausgehend vom Zentralkörper in einen von der Ebene, in der die neutrale Faser des Zentralkörpers liegt, begrenzten ersten Halbraum. Ein an den ersten Abschnitt anschließender zweiter Abschnitt erstreckt sich aus diesem ersten Halbraum in den anderen von der Ebene begrenzten zweiten Halbraum. Die Schaufel verläuft in dem Längsschnitt somit zunächst von der Ebene weg auf eine Seite der Linie, die durch den Schwerpunkt der Schaufel und durch den Schnittpunkt verläuft, und verläuft anschließend durch die Linie hindurch auf eine andere Seite der Linie. Somit kann durch Einstellen der Form des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts der Schaufel der Schwerpunkt der Schaufel und damit der Ansatzpunkt der Zentrifugalkraft sehr genau auf die Höhe der neutralen Faser des Zentralkörpers eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise weist der erste Abschnitt der Schaufel eine U-Form oder eine V-Form auf. Solch eine U-Form oder V-Form ist bei der Herstellung des Lüfterrades einfach zu realisieren. Aufgrund dieser Form kann der Schwerpunkt der Schaufel zudem genauer eingestellt werden. Auch kann die Krümmung spitzer oder weicher ausgebildet sein. Jedoch ist die Form des ersten Abschnitts nicht auf eine U-Form oder V-Form beschränkt.
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Vorteilhafterweise ist die Ansatzlinie in einem Winkel zu einem Radius des Lüfterrades angeordnet. Der Winkel ist größer als 0° und kleiner als 90°, bevorzugt größer als 30° und kleiner als 60°, besonders bevorzugt etwa 45°. Somit kann ausreichende Luftmenge in Richtung der zu kühlenden Bestandteile der elektrischen Maschine transportiert werden.
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Vorteilhafterweise sind der Zentralkörper und die wenigstens eine Schaufel einstückig ausgebildet. Dies führt beispielsweise dazu, dass die Schaufel bei der Herstellung des Lüfterrades leicht aus dem Material des Lüfterrades geformt werden kann, insbesondere durch Stanzen und Verbiegen, und nicht erst aufwendig mit dem Zentralkörper des Lüfterrades verbunden werden muss, beispielsweise durch Verschrauben oder Schweißen.
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Vorteilhafterweise weist der Rotor einen ersten und einen zweiten Klauenpol auf. Das Lüfterrad ist an dem ersten oder an dem zweiten Klauenpol befestigt. Es können auch zwei Lüfterräder vorgesehen sein, wobei jeweils ein Lüfterrad an einem Klauenpol befestigt ist. Die elektrische Maschine kann somit beispielsweise ein Klauenpolgenerator sein. Die elektrische Maschine kann von einer Seite, oder aber von zwei Seiten gekühlt werden, je nachdem wie hoch die Temperatur innerhalb der elektrischen Maschine wird. Der erste Abschnitt der Schaufel wird bevorzugt derart auf dem Klauenpol angeordnet, dass der erste Abschnitt in einer Lücke zwischen zwei Polfingern positioniert ist.
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Vorteilhafterweise entspricht eine Anzahl der Schaufeln der Anzahl der Polfinger des ersten Klauenpols oder des zweiten Klauenpols. Die Anzahl der Schaufeln ist somit optimal an die Anzahl der vorhandenen Lücken zwischen den Polfingern angepasst, wodurch die Lüftung der elektrischen Maschine optimiert wird. Es können jedoch zusätzlich auch herkömmliche Schaufeln auf den Polfingern des Klauenpols angeordnet sein, da in diesem Falle die oben beschriebene Biegebeanspruchung durch die Unterstützung des Lüfters durch den Klauenpol nicht in diesem Maße zum Tragen kommt.
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Vorteilhafterweise ist das Lüfterrad aus Metall. Das Lüfterrad ist beispielsweise ein Eisenblech oder ein Aluminiumblech. Einerseits kann somit die wenigstens eine Schaufel bei der Herstellung des Lüfterrades leicht geformt werden. Andererseits sind Metalle sehr robust und elastisch und damit bruchfest. Zudem kann das Lüfterrad einfach am Rotor bzw. an dem Klauenpol, beispielsweise durch Verschweißen oder Verschrauben, befestigt werden.
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Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Schaufeln acht bis zwölf, vorzugsweise zehn. Diese Anzahl an Schaufeln bietet eine optimale Kühlung der elektrischen Maschine, wobei die Schaufeln nicht zu nah beieinander angeordnet, aber auch nicht zu weit voneinander entfernt angeordnet sind. Die Anzahl der Schaufeln kann aus akustischen Gründen auch ungerade gewählt werden.
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Grundsätzlich kann der Abstand zwischen den einzelnen Schaufeln auch ungleichmäßig verteilt sein. Auch dies kann zu einer Geräuschreduzierung und/oder -veränderung beitragen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Lüfterrad in einer Schnittansicht.
- 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Lüfterrad in einer perspektivischen Ansicht.
- 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Lüfterrades.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichartige Elemente und werden nicht jedes Mal gesondert erläutert.
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In 1 ist schematisch und in vereinfachter Form eine elektrische Maschine 1 in einer bevorzugten Ausführungsform im Längsschnitt dargestellt, die als Wechselstrom-Synchrongenerator mit einem Rotor 20 als Klauenpolläufer (bzw. als sog. Klauenpolgenerator) mit geregelter elektrischer Erregung des Polrads zum Einsatz in Kraftfahrzeugen ausgebildet ist.
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Die elektrische Maschine 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse, insbesondere ein Metallgehäuse auf, bestehend aus je einem Lagerschild 2 und 3 an beiden Stirnseiten. Die Lagerschilde 2 und 3 sind topfförmig ausgebildet, insbesondere mit stirn- und umfangseitigen Aussparungen für eine Kühlluftführung.
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Axial zwischen den beiden Lagerschilden 2 und 3 ist ein Stator 10 befestigt, der im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Lamellenpaket und einer darin angeordneten mehrphasigen Wicklung bzw. Statorwicklung 4 ausgebildet ist. Das Lamellenpaket kann in an sich bekannter Weise aus einer Vielzahl von Blechlamellen hergestellt sein.
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Die Statorwicklung 4 ist in Wicklungsstränge gegliedert, die in axial und zueinander parallel verlaufenden, radial nach innen offenen Nuten untergebracht sind. Innerhalb des zylinderförmig ausgebildeten Lamellenpakets ist der Rotor 20 angeordnet und in den Lagerschilden 2 und 3 um eine Rotationsachse R drehbar gelagert. Eine Rotorwelle 100 trägt zwei gegensätzlich gepolte Klauenpole 300, 400. Jeder Klauenpol besteht vorzugsweise aus Eisen, ist massiv ausgebildet und weist entlang des Umfangs eine Vielzahl von sich in Achsrichtung erstreckenden Polfingern auf, die im Wesentlichen trapezförmig geformt und mit gleichmäßiger Winkelteilung in Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Beide Klauenpole 300, 400 sind auf der Rotorwelle 100 derart angeordnet, dass sie sich einander gegenüberstehen und ihre klauenartig ausgebildeten Polfinger wechselseitig als Süd- und Nordpole ineinandergreifen. Sie überdecken eine ringförmige Erregerwicklung 6, die sich auf einem Polkern 15 befindet, der die beiden Klauenpole 300, 400 auf Abstand hält.
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An axialen Endflächen der Klauenpole 300, 400 können Lüfter 200 angeordnet und an ihnen befestigt sein. Entsprechende Luftströme treten dann axial durch die stirnseitigen Öffnungen in den Lagerschilden ein, werden dabei durch die beiden Lüfter angesaugt und treten radial durch Öffnungen am Umfang der Lagerschilde wieder aus, sodass die Wickelköpfe der Ständerwicklung 4 in einem radialen Kühlluftstrom liegen. Die Lüfter umfassen in dieser Ausführungsform ein erfindungsgemäßes Lüfterrad 200 mit einem Zentralkörper 210 und wenigstens einer Schaufel 220.
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Am der Antriebsseite gegenüberliegenden Ende der Rotorwelle 100, in der Figur rechts, ist ein Schleifringpaar 7 angeordnet, das der Stromversorgung der Erregerwicklung 6 dient. Ein Gleichstrom der Erregerwicklung 6 erzeugt ein in Bezug auf den Rotor stillstehendes axiales Magnetfeld, das durch die Klauenpole 300, 400 in eine radiale Richtung umgelenkt wird. Durch die Drehung des Rotors entsteht für den Stator 10 ein magnetisches Drehfeld.
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Dieses Drehfeld rotiert mit zum Klauenpol 300, 400 synchroner Drehzahl und induziert in jedem Strang bzw. jeder Phase der Statorwicklung 4 eine Wechselspannung. Die einzelnen Strangwechselspannungen sind um einen Winkel (Phasenverschiebungswinkel) zeitlich gegeneinander verschoben. Beispielsweise sind für eine symmetrische, dreisträngige Wicklung die drei sinusförmigen Wechselspannungen um 120° zeitlich zueinander verschoben. Gleiches gilt für die Wechselströme.
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Kohlebürsten, die gegen Oberflächen der Schleifringe 7 gedrückt werden, sind in einem Bürstenhalter 8 gelagert, der hier zusammen mit einem Regler 9, der die in den Wicklungen induzierten Wechselspannungen auf eine von Drehzahl und Last unabhängige, konstante Spannung regeln kann, eine Einheit bildet.
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Der von der Statorwicklung 4 abgegebene Wechselstrom kann über eine Gleichrichteranordnung 11 einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zugeführt werden, wobei die Gleichrichteranordnung 11 beispielhaft außen am hinteren Lagerschild 3 angeordnet ist. Die Gleichrichteranordnung 11 sowie der Regler 9 sind von einer Schutzkappe 12 an der hinteren Stirnseite der elektrischen Maschine 1 abgedeckt.
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In 2 ist schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lüfterrads 200 perspektivisch gezeigt. Das Lüfterrad 200 weist hier den Zentralkörper 210 und zehn Schaufeln 220 auf, die am Umfang des Lüfterrades 200 gleichverteilt angeordnet sind. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Schaufeln 220, die auf dem Lüfterrad 200 vorgesehen sind, der Anzahl der Polfinger des Klauenpols 300, 400, so dass in jeder Lücke zwischen zwei Polfingern eine Schaufel 220 angeordnet ist. Der Zentralkörper 210 ist in dieser Ausführungsform im Wesentlichen planar, jedoch ist die Form nicht auf eine planare Form beschränkt.
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Jede Schaufel 220 erhebt sich an einer Ansatzlinie 230 aus dem Zentralkörper 210 des Lüfterrades 200. Die Ansatzlinie 230 ist in einem Winkel α zu einem Radius 290 des Lüfterrades 200 angeordnet. Der Winkel α ist in dieser Ausführungsform 45°, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Winkel von 45° beschränkt, und der Winkel α kann ein Winkel zwischen 0° und 90° oder ein Winkel zwischen 30° und 60° sein.
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Ein erster Abschnitt 270 jeder Schaufel 220 erstreckt sich ausgehend vom Zentralkörper 210 in einen von der Ebene 235, in der die neutrale Faser 250 (siehe 3) des Zentralkörpers 210 liegt, begrenzten ersten Halbraum (der sich in 2 unterhalb der Lüfterschaufel 200 befindet), und ein an den ersten Abschnitt 270 anschließender zweiter Abschnitt 280 jeder Schaufel 220 erstreckt sich aus diesem ersten Halbraum in den anderen von der Ebene 235 begrenzten zweiten Halbraum (der sich in 2 oberhalb der Lüfterschaufel 200 befindet). In dieser Ausführungsform liegt der Schwerpunkt 240 der Schaufel 220 ebenfalls in der Ebene 235. Auch liegt ein Schnittpunkt 260 der neutralen Faser 250 des Zentralkörpers 210 mit der Ansatzlinie 230 in der Ebene 235. Der erste Abschnitt 270 weist hier eine V-Form auf.
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Das Lüfterrad 200 besteht hier aus Metall, beispielsweise aus einem Eisenblech oder Aluminiumblech, wobei der Zentralkörper 210 sowie die Schaufeln 220 einstückig ausgebildet sind. Die Schaufeln 220 werden bei der Herstellung aus dem Material der Lüfterschaufel 200 geformt, insbesondere ausgestanzt und herausgebogen, wodurch das Lüfterrad 200 leicht hergestellt werden kann. Das Lüfterrad 200 kann beispielsweise am benachbarten Klauenpol angeschweißt sein.
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In 3 ist schematisch ein Ausschnitt eines Längsschnitts entlang der Schnittlinie III-III aus 2 durch die Rotorwelle 100 (nicht gezeigt) und durch das Lüfterrad 200 gezeigt. Das Lüfterrad 200 ist an dem ersten Klauenpol 300 befestigt, beispielsweise angeschweißt. Die neutrale Faser 250 verläuft in der Ebene 235 bzw. in dem Zentralkörper 210 des Lüfterrades bis zum Schnittpunkt 260 der neutralen Faser 250 des Zentralkörpers 210 mit der Ansatzlinie 230. Der Schwerpunkt 240 der Schaufel 220 liegt im Wesentlichen auf einer Höhe mit der neutralen Faser 250. Ein Pfeil 500 stellt die auf den Schwerpunkt 240 der Schaufel 220 wirkende Zentrifugalkraft dar. Da der Schwerpunkt 240 der Schaufel 220 im Wesentlichen auf einer Höhe mit der neutralen Faser 250 liegt, kommt es im Wesentlichen zu einer Zugbelastung und die auf die Schaufel wirkende Biegebeanspruchung ist sehr klein.
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Auch in 3 ist zu erkennen, dass der erste Abschnitt 270 der Schaufel 220 sich ausgehend vom Zentralkörper 210 in einen von der Ebene 235, in der die neutrale Faser 250 des Zentralkörpers 210 liegt, begrenzten ersten Halbraum (in 3 unterhalb der neutralen Faser 250) erstreckt, und der an den ersten Abschnitt 270 anschließende zweite Abschnitt 280 der Schaufel 220 sich aus diesem ersten Halbraum in den anderen von der Ebene 235 begrenzten zweiten Halbraum (in 3 oberhalb der neutralen Faser 250) erstreckt. In dieser Ausführungsform weist der erste Abschnitt 270 eine U-Form auf.
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Es können zusätzlich auch Schaufeln, insbesondere solche, die sich an der Ansatzlinie nur in den ersten Halbraum erheben, an Positionen angrenzend zu bzw. auf den Polfingern des Klauenpols angeordnet sein. In einer solchen Ausgestaltung (nicht dargestellt) kommen die einleitend geschilderten Nachteile nicht in diesem Maße zum Tragen, da die Schaufeln durch den Polfinger abgestützt sind und sich daher nicht so stark verbiegen können.
