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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zum vollständigen oder zumindest teilweisen elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges, wie ein Pkw, Lkw, Bus oder sonstiges Nutzfahrzeug. Die elektrische Maschine weist üblicherweise ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse fest aufgenommenen Stator und einen radial innerhalb des Stators angeordneten sowie in Bezug auf eine zentrale Drehachse drehbar gelagerten Rotor auf.
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Im Bereich der E-Mobilität besteht derzeit der Trend, die Leistung der entsprechenden Traktionsmaschinen möglichst hoch auszubilden. Da die elektrischen Maschinen vorzugsweise immer kompakter auszugestalten sind (aufgrund von Bauraum- und Materialeinsparungen), nimmt die Leistungsdichte weiter zu. Dies führt wiederum dazu, dass eine im Betrieb entstehende Abwärme mit zusätzlichen Hilfseinrichtungen abzuführen ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die eine möglichst hohe Leistungsdichte aufweist und mit möglichst kompakten sowie einfach aufgebauten Mitteln gekühlt wird.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine elektrische Maschine zum vollständigen oder zumindest teilweise elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges umgesetzt, welche elektrische Maschine ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse fest aufgenommenen Stator und einen radial innerhalb des Stators angeordneten sowie in Bezug auf eine zentrale Drehachse drehbar gelagerten Rotor aufweist. Der Rotor weist weiterhin ein Rotorblechpaket sowie zumindest ein, in eine Ausnehmung des Rotorblechpaketes aufgenommenes Wärmerohr auf, wobei ein erstes axiales Ende des Wärmerohres durch einen ersten Kurzschlussring gebildet / begrenzt oder kontaktiert ist und ein, dem ersten axialen Ende gegenüberliegendes, zweites axiales Ende des Wärmerohres durch einen zweiten Kurzschlussring gebildet / begrenzt oder kontaktiert ist sowie zumindest ein Kurzschlussring als ein Radiallüfterrad umgesetzt ist.
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Durch diese Ausbildung wird weitestgehend der Einsatz zusätzlicher Vorrichtungen, wie Pumpen, zum Kühlen der elektrischen Maschine vermieden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es weiterhin von Vorteil, wenn das zumindest eine Wärmerohr als eine Heatpipe ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich eine effektive Kühlung des Rotorblechpaketes im Betrieb.
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Die Kühlleistung wird weiter verbessert, wenn mehrere Wärmerohre entlang eines Umfangs des Rotorblechpaketes verteilt angeordnet sind. Das jeweilige Wärmerohr ist vorzugsweise in einer eigenen Ausnehmung des Rotorblechpaketes aufgenommen.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine als eine Drehstrom-Asynchronmaschine realisiert ist. Dadurch ergibt sich eine hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine.
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Auch ist es von Vorteil, wenn beide Kurzschlussringe als Radiallüfterräder realisiert sind, wodurch die Kühlleistung weiter verbessert wird.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn in einer axialen Seitenwand des Gehäuses eine Kühleinrichtung vorhanden ist, welche Kühleinrichtung derart ausgebildet ist, dass im Betrieb ein durch das zumindest eine Radiallüfterrad erzeugter, durch die Seitenwand hindurch und/oder entlang der Seitenwand geführter Luftstrom gekühlt wird.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß eine Rotorkühlung über eine Heatpipe sowie eine stirnseitige Wärmeabfuhr (seitens des Gehäuses) für eine Drehstrom-Asynchronmaschine umgesetzt. Die elektrische Maschine weist ein Gehäuse mit einem Statorkühlmantel, einen Kühlmantel an einer Stirnseite (Kühleinrichtung in Seitenwand), einen Stator, Lager sowie einen Rotor auf. Der Rotor weist wiederum eine Rotorwelle mit Rotorblechen auf; Rotorstäbe (Läuferstäbe) agieren als Heatpipes und sind mit Kurzschlussringen an der Stirnseite verbunden; ein Radiallüfter an der Stirnseite dient zum Kühlen der Rotorstäbe, die als Wärmerohr agieren.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ausgeführten elektrischen Maschine,
- 2 eine detaillierte Längsschnittdarstellung der elektrischen Maschine nach 1, wobei ein im Betrieb stattfindender Wärmeaustausch zwischen einem Wärmerohr und einem Kurzschlussring bzw. dem Kurzschlussring und einer Umgebung der elektrischen Maschine eingezeichnet ist,
- 3 eine Seitendarstellung eines in 1 eingesetzten Rotors,
- 4 eine perspektivische Darstellung des Rotors,
- 5 eine perspektivische Darstellung des Rotors, wobei eine ein Radiallüfterrad als ein erster Kurzschlussring aufweisende axiale Seite zu erkennen ist, sowie
- 6 eine teilweise explodierte, perspektivische Darstellung des Rotors.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Wie zunächst in 1 gut zu erkennen, weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 ein Gehäuse 2 auf. Das Gehäuse 2 weist einen so genannten Statorkühlmantel 19 auf. Dieser Statorkühlmantel 19 dient im Betrieb zum Kühlen eines in dem Gehäuse 2 aufgenommenen Stators 3. Der Statorkühlmantel 19 ist durch eine hohl ausgebildete (radiale) Außenwand 18 des Gehäuses 2 realisiert. Demnach ist in der Außenwand 18 ein sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung erstreckender Hohlraum 20 realisiert, durch welchen Hohlraum 20 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 ein Kühlmedium 17b geleitet wird. Unmittelbar auf einer radialen Innenseite der Außenwand 18 ist der Stator 3 (mit Blechen inklusive Wicklungen) angeordnet.
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Wiederum radial innerhalb des Stators 3 ist ein Rotor 5 um eine zentrale Drehachse 4 drehbar gelagert. Eine den Rotor 5 unmittelbar aufnehmende Rotorwelle 16 ist hierzu über zwei in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnete Lager 15a, 15b in Form von Wälzlagern, nämlich Kugellagern, relativ zu dem Gehäuse 2 gelagert. Neben der Rotorwelle 16 weist der Rotor 5 mehrere scheibenförmige Rotorbleche 21 auf, die zu einem Rotorblechpaket 6 kombiniert angeordnet, nämlich übereinander gestapelt, sind.
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Der nähere Aufbau des Rotors 5 geht auch besonders gut in Verbindung mit den 3 bis 6 hervor. Der Rotor 5 weist erfindungsgemäß mehrere Wärmerohre 7 auf. Jedes Wärmerohr 7 ist durch einen Läuferstab 14 gebildet. Dieser rohrförmige Läuferstab 14 ist in einer radialen Ausnehmung 22 des Rotorblechpaketes 6 eingesetzt, nämlich eingepresst. Der Läuferstab 14 ist zu seinen axial einander abgewandten Seiten jeweils mit einem Kurzschlussring 9a, 9b verbunden. Ein erster Kurzschlussring 9a ist zu einer ersten axialen Seite / zu einem ersten axialen Ende 8a des Läuferstabes 14 angeordnet; ein zweiter Kurzschlussring 9b ist zu einer zweiten axialen Seite / einer dem ersten Ende 8a gegenüberliegenden zweiten Ende 8b hin angeordnet. Der jeweilige Kurzschlussring 9a, 9b kontaktiert den jeweiligen Läuferstab 14 / ist an dem jeweiligen Läuferstab 14 befestigt und schließt dadurch alle Läuferstäbe 14, wie sie in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, untereinander kurz. Zudem dient der jeweilige Kurzschlussring 9a, 9b zur hermetischen Abdichtung des Innenraums jedes Läuferstabes 14 und somit zur fertigen Ausbildung des Läuferstabs 14 als Wärmerohr 7.
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Zurückkommend auf die 1 und 2 ist des Weiteren zu erkennen, dass in zumindest einer axialen Seitenwand 11 des Gehäuses 2 eine zusätzliche Kühleinrichtung 12 integriert ist. Diese ebenfalls hohle sowie als Kühlmantel ausgebildete Seitenwand 11 wird wiederum von einem Kühlmedium 17a durchströmt.
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Da der erste Kurzschlussring 9a in dieser Ausführung gleichzeitig als Radiallüfterrad 10 realisiert ist, ergibt sich die nachfolgend näher beschriebene Funktion des ersten Kurzschlussrings 9a als Kühlelement. Wie in Verbindung mit 2 veranschaulicht, findet im Betrieb der in 2 zu erkennende Wärmeaustausch statt. Einerseits wird das Radiallüfterrad 10 aufgrund der drehenden Bewegung des Rotors 5 dazu verwendet, eine im Gehäuse 2 befindliche Kühlluft zur Erzeugung eines Luftstromes in radialer Richtung nach außen in Richtung eines Wickelkopfes 13 des Stators 3 zu befördern. Dadurch strömt die Luft, die sich zuvor an der Seitenwand 11 abgekühlt hat und die Seitenwand 11 zuvor durch entsprechende Fenster hindurch durchströmt hat, entlang des ersten Kurzschlussringes 9a und kühlt diesen wiederum ab, welcher Kurzschlussring 9a wiederum in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmerohr 7 steht. Innerhalb des Wärmerohrs 7 entsteht dadurch wiederum eine Zirkulation des enthaltenen Fluids zur Erzeugung eines Kondensators und eines Verdampfers.
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In anderen Worten ausgedrückt, besteht die erfindungsgemäße Ausführung darin, die Läuferstäbe 14 und somit den Rotor 5 aktiv im Betrieb zu kühlen ohne ein externes Kühlmedium durch den Rotor 5 zu leiten. Dadurch wird eine übermäßige Erwärmung und somit eine Erhöhung der Wiederstände in den Läuferstäben 14 vermieden, um die E-Maschine 1 mit einer höheren Leistung dauerhaft betreiben zu können und um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Die E-Maschine 1 besteht aus einem Gehäuse 2 mit Statorkühlmantel 19, einem stirnseitigen Kühlmantel 12, einem Stator 3 (Bleche inkl. Wicklungen), aus Lagern 15a, 15b und einem Rotor 5. Der Rotor 5 besteht aus einer Rotorwelle 16 mit Rotorblechen 21, aus Läuferstäben 14, welche als Heatpipe 7 ausgeführt sind und stirnseitig mit Kurzschlussringen 9a, 9b verbunden sind, und aus einem stirnseitigen Radiallüfter 10 zur Kühlung der Heatpipes 7. Der Aufbau des Rotors 5 mit Kühlfunktion ist dabei folgendermaßen: Die Rotorbleche 21 sind identisch und entsprechen den üblichen Auslegungskriterien eines Rotorblechpaketes 6 für ASM-Maschinen 1 bezüglich Gewicht, Drehzahlfestigkeit, Anbindung Läuferstäbe 14, usw. In dem Blechpaket 6 sitzen die Läuferstäbe 14, welche als Heatpipe 7 ausgeführt sind. Diese sind an den Stirnflächen über Kurzschlussringe 9a, 9b verbunden, welche für einen gezielten Kurzschluss der Läuferstäbe 14 sorgen. Das Magnetfeld wird dann im Rotor 5 durch das Indizieren einer Spannung, die wiederum einen Strom hervorruft, in den Läuferstäben 14 erzeugt. Zusätzlich ist ein Kurzschlussring 9a mit einem Radiallüfter 10 versehen, über diesen dann die Heatpipes 7 wieder abgekühlt werden.
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Die Funktionsweise ist wie folgt: Die axial einströmende (angesaugte) Luft, wird an dem stirnseitigen Kühlmantel 12 vorbeigeleitet und kühlt sich dabei ab. Der stirnseitige Kühlmantel 12 kann zusätzlich mit Kühlrippen versehen sein, um eine größere Kühlfläche für die vorbeiströmende Luft zur Verfügung zu stellen und um den Luftstrom besser zu führen. Dann wird die Luft radial nach außen geleitet und kühlt somit den Kurzschlussring 9a ab. Das erhitze Gas kann sich dann an dem Kurzschlussring 9a (Kondensator) wieder verflüssigen. Der flüssige Anteil des Arbeitsmediums kehrt dann durch Kapillarkräfte (Heatpipe 7) zum Verdampfer (Läuferstäbe 14) zurück. Hier kann dann die Flüssigkeit die Wärme aus den Läuferstäben 14 (welche die Heatpipes 7 bilden) wieder aufnehmen. Sie wird dabei gasförmig und strömt zu dem Kurzschlussring 9a zurück, an dem es sich wieder abkühlen und verflüssigen kann. Dieser Kreislauf erfolgt passiv und damit ohne Hilfsmittel wie etwa einer Umwälzpumpe. Dieser Aufbau ist dahingehend vorteilhaft, da der innere Kreislauf in der Heatpipe 7 passiv erfolgt und somit keine zusätzliche Energie benötigt wird. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Wärme genau dort abgeführt wird, wo sie entsteht (in den Läuferstäben 14). Somit erhitzt sich der ganze Rotor 5 inkl. Blechpaket 6 nicht weiter. Für die Lager 15a, 15b ist dies auch positiv, da hier keine Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenring entsteht. Dies reduziert die Kosten für die Lager 15a, 15b und es ermöglicht eine gleichmäßigere Lagerluft in allen Betriebspunkten der E-Maschine 1. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Lüfter 10 auch den Wickelkopf 13 mit kühlt. Man könnte auch auf beiden Seiten einen Radiallüfter 10 an den Kurzschlussringen 9a und 9b anbringen, was die Wärmeabfuhr erhöht und gleichzeitig könnten dadurch beide Wickelköpfe 13 gekühlt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Drehachse
- 5
- Rotor
- 6
- Rotorblechpaket
- 7
- Wärmerohr
- 8a
- erstes Ende
- 8b
- zweites Ende
- 9a
- erster Kurzschlussring
- 9b
- zweiter Kurzschlussring
- 10
- Radiallüfterrad
- 11
- Seitenwand
- 12
- Kühleinrichtung
- 13
- Wickelkopf
- 14
- Läuferstab
- 15a
- erstes Lager
- 15b
- zweites Lager
- 16
- Rotorwelle
- 17a
- erstes Kühlmedium
- 17b
- zweites Kühlmedium
- 18
- Gehäusemantel
- 19
- Statorkühlmantel
- 20
- Hohlraum
- 21
- Rotorblech
- 22
- Ausnehmung
