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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Derartige elektrische Maschinen sind insbesondere als Starter-Generator-Maschinen einsetzbar. Auch im Rahmen der Hybridisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugen sind derartige elektrische Maschinen einsetzbar.
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Stand der Technik
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Wesentlich bei der Konzeption derartiger elektrischer Maschine ist deren thermische Grenze, die unter anderem die Zeitdauer einer nutzbaren Peakleistung, die Höhe der kontinuierlichen Leistungsabgabe und die Lebensdauer bestimmt. Insbesondere bei Fahrzeugen mit elektrischen Traktionsmaschinen stellt diese thermische Grenze eine konstruktive Herausforderung dar, da ein großer Anteil der mechanischen Antriebsenergie aus der elektrischen Maschine gewonnen wird und hierbei Verlustleistungen auftreten. Kühllösungen müssen Wärme von verschiedenen Wärmequellen in der Maschine effektiv ableiten, um eine hohe Leistung und Lebensdauer der Maschine zu gewährleisten.
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Variable Last- und Drehzahlprofile führen zu transienten Erwärmungsprofilen. Es treten in derartigen elektrischen Maschinen verschiedene Wärmequellen auf, wobei beispielhaft Kupferverluste, Eisenverluste, Magnetverluste oder mechanische Verluste genannt seien. Diese Wärmequellen weisen unterschiedliche Abhängigkeiten bezüglich Last- und Drehzahl auf. Hieraus ergeben sich insgesamt komplexe Anforderungen an das Wärmepfaddesign und das Kühlverfahren für rotierende Elemente (Rotor) und nicht-rotierende Elemente (Stator) der elektrischen Maschine.
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Es sind verschiedene Kühlkonzepte zur Kühlung von derartigen elektrischen Maschinen bekannt. Weit verbreitet ist beispielsweise eine direkte oder indirekte Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine. Bei der direkten Kühlung wird die entstehende Wärme direkt im Statorkern abgeführt. Bei der indirekten Kühlung wird die entstehende Wärme axial oder radial nach außen geleitet, bevor sie durch ein Kühlmedium abgeleitet wird. Eine derartige indirekte Kühlung ist beispielsweise aus der
DE 10 2016 214 405 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Kühlkonzepte zur Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine umfassen beispielsweise eine Luftkühlung, wie beispielsweise in der
DE 10 2011 078 784 A1 beschrieben, eine Rotorwellenkühlung, wie beispielsweise in der
DE 10 2016 216 685 A1 beschrieben, sowie eine Ölverwirbelung, wie beispielsweise in der
DE 10 2016 202 886 A1 beschrieben. Ölkühlungen mit Verwirbelung sind sehr effektiv, weisen aber im Stand der Technik den Nachteil auf, dass sie eine konstruktiv relativ aufwendige Abdichtung des Maschinengehäuses erfordern.
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Bei einer Rotorkühlung mit Sprüh- und Verwirbelungsmechanismen wird ein beschleunigtes Kühlfluid auf den Rotor aufgebraucht. Beispielsweise kann der Rotor mit einer Düse besprüht werden. Alternativ ist es möglich, das Rotorgehäuse bzw. den Rotor bis zu einem bestimmten Niveau zu fluten. Hierbei entstehende Verwirbelungen, beispielsweise in Tropfenform, haben aufgrund der schnellen Rotordrehung einen sehr großen Impuls, sodass Rotor und/oder Stator beispielsweise durch Erosionen geschädigt werden können.
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Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, den Rotor durch direkte Fluidkühlung über die Rotorwelle zu kühlen. Das Kühlfluid kann hierbei auf verschiedene Weise dem Rotor zugeführt werden. Üblicherweise wird das Kühlmedium der Rotorwelle axial zugeführt, und auch wieder axial abgeführt. Hierbei verbleibt somit die Kühlflüssigkeit innerhalb des Rotors. Es erfolgt keine Besprühung des Rotors mittels Kühlflüssigkeit. Der Rotor bleibt somit an seiner Außenseite trocken, sodass erosive oder korrosive Beschädigungen beispielsweise durch Tröpfchen vermieden werden können. Diese Konstruktion ist jedoch hinsichtlich Dichtungsanforderungen und benötigtem Bauraum sehr anspruchsvoll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung einer Kühlung des Rotors mittels eines durch die Rotorwelle bzw. den Rotor geführten Kühlmediums. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung schlägt eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem in dem Stator angeordnetem Rotor mit einem auf einer Rotorwelle angebrachten Rotorkörper vor, wobei ein Gehäuse vorgesehen ist, welches den Stator und den Rotorkörper unter Ausbildung eines geschlossenen Raumes zu einer Umgebung der elektrischen Maschine hin abschließt, wobei ein Rotorkühlkreislauf, der einen innerhalb des Rotors verlaufenden Rotorkühlabschnitt und eine außerhalb des Rotors verlaufende Verbindungsleitung aufweist, vorgesehen ist, wobei der Rotorkühlabschnitt einen Zulaufabschnitt, über den Kühlflüssigkeit in den Rotorkühlabschnitt eingeführt wird, und einen Ablaufabschnitt, über den die Kühlflüssigkeit aus dem Rotorkühlabschnitt abgeführt wird, aufweist. Erfindungsgemäß weist hierbei der Zulaufabschnitt und/oder der Ablaufabschnitt wenigstens einen radial innerhalb der Rotorwelle verlaufenden Kanal auf. Über diesen wenigsten einen radial verlaufenden Kanal im Zulaufabschnitt kann Kühlflüssigkeit in einen axial in der Rotorwelle verlaufenden Kanal, welcher insbesondere als zentrale Wellenbohrung ausgebildet ist, eingebracht und von dort weiter durch den Rotor transportiert werden. Auch der wenigstens eine radial verlaufende Kanal des Ablaufabschnitts kann mit diesem oder einem anderen axial verlaufenden Kanal verbunden sein. Erfindungsgemäß kann ein stör-, insbesondere leckanfälliges Kühlflüssigkeitsreservoir im Innern des Motorgehäuses, also im Raum zwischen Gehäuse und Rotor, vermieden werden.
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Die Begriffe radial bzw. axial im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich stets auf die axiale Erstreckung der Rotorwelle. „Axial“ bedeutet somit eine Erstreckung oder einen Transport in Richtung der Längserstreckung dieser Rotorwelle, und „radial“ eine Erstreckung oder einen Transport senkrecht hierzu.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine hocheffektive Rotorkühlung für eine elektrische Maschine unter weitgehender Vermeidung von Korrosions- und Erosionseffekten sowie unter Minimierung der Anforderungen an Dichtungen und Bauraum zur Verfügung gestellt. Der erfindungsgemäß vorgesehene axiale Zulauf von Kühlflüssigkeit in die Rotorwelle und/oder axiale Ablauf von Kühlflüssigkeit aus der Rotorwelle ist konstruktiv in besonders einfacher Weise realisierbar. Das erfindungsgemäße Kühlkonzept weist eine hohe Robustheit auf sehr engem Bauraum auf.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteilhafterweise ist an dem radial äußeren Ende des wenigstens einen Kanals des Zulaufabschnitts und/oder des Ablaufabschnitts eine Ringnut ausgebildet ist. Eine derartige Ringnut dient zur Speicherung und effektiven Verteilung von Kühlflüssigkeit auf die radial in der Rotorwelle verlaufenden Kanäle.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine die Rotorwelle im Bereich des Zulaufabschnitts und/oder des Ablaufabschnitts in Umfangsrichtung umgebende Dichtungseinrichtung vorgesehen. Hiermit ist eine zuverlässige Dichtung der Ringnut bzw. des Zulaufabschnitts und der Ablaufabschnitts in einfacher Weise erzielbar.
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Die Ringnut ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, in der Rotorwelle ausgebildet ist. Hiermit ist die radiale Erstreckung der Rotorwelle minimierbar.
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Es ist allerdings auch denkbar, die Ringnut wenigstens teilweise in der Dichtungseinrichtung auszubilden. Hiermit kann eine mögliche mechanische Schwächung der Rotorwelle durch die Ringnut minimiert oder vermieden werden.
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Vorteilhafterweise weist die Dichtungseinrichtung auf jeder axialen Seite mindestens eine Abdichtung, insbesondere eine Wellendichtung auf. Hiermit ist eine wirksame Dichtung zur Verfügung gestellt.
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Es ist bevorzugt, dass der Rotorkühlkreislauf ein innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses vorgesehenes Förderelement zum Fördern von Kühlflüssigkeit durch den Rotorkühlkreislauf aufweist. Ein derartiges Förderelement kann insbesondere als Pumpe ausgebildet sein.
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Zweckmäßigerweise ist in oder an dem Gehäuse ausgebildeter weiterer Kühlkreislauf vorgesehen, wobei insbesondere der Rotorkühlkreislauf und der weitere Kühlkreislauf in wärmetauschender Wirkverbindung miteinander stehen. Hiermit ist von der Kühlflüssigkeit aufgenommene Rotorwärme in effektiver Weise an die Umgebung abgebbar.
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Zweckmäßigerweise ist in dem Gehäuse ein Druckausgleichselement vorgesehen . Hiermit können durch Temperaturschwankungen entstehende Druckunterschiede wirksam ausgeglichen werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung besch rieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, und
- 2 eine Detailansicht der Schnittansicht der 1.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist in 1 dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
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Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 10 und einen Rotor 20 auf. Der Rotor weist eine Rotorwelle 22 und einen auf dieser drehfest angebrachten Rotorkörper 23 auf. Der Rotorkörper 23 umfasst die elektromagnetisch wirkenden Komponenten des Rotors, wie etwa Blechpaket oder Permanentmagnete. Die Rotorwelle 22 ist über (nicht dargestellte) Lager in einem Gehäuse 12 drehbar gelagert. Das Gehäuse 12 trägt an seiner Innenseite den Stator 10.
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Der Stator 10 weist in an sich bekannter Weise eine (nicht dargestellte) Statorwicklung auf. Es wäre ebenfalls möglich, den Stator 10 mit Permanentmagneten auszubilden.
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Die elektrische Maschine 100 weist einen Rotorkühlkreislauf 50 auf. Über diesen Rotorkühlkreislauf 50 wird Kühlflüssigkeit in den Rotor 20 eingeführt, unter Wärmeaufnahme durch diesen geführt und wieder ausgetragen, wobei aus dem Rotor ausgetragene Kühlflüssigkeit nach erneuter Kühlung wieder in den Rotor eingebracht werden kann.
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Der Rotorkühlkreislauf 50 weist einen innerhalb des Rotors verlaufenden Rotorkühlabschnitt 52 und eine (rein schematisch dargestellte) außerhalb des Rotors verlaufende Verbindungsleitung 54 auf. Der Rotorkühlabschnitt 52 weist einen Zulaufabschnitt 521, über den Kühlflüssigkeit mittels einer Fördereinrichtung 550 in die Rotorwelle 22 einführbar, einen inneren Abschnitt 522, durch den die Kühlflüssigkeit im Inneren der Rotorwelle 22 sowie des Rotorkörper 23 transportiert wird, und einen Ablaufabschnitt 523, über den die Kühlflüssigkeit aus dem Rotor bzw. der Rotorwelle abgeführt wird, auf.
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Die aus dem Rotor abgeführte Kühlflüssigkeit wird über die außerhalb des Rotors liegende Verbindungsleitung 54 erneut der Fördereinrichtung 550 zugeführt und wieder über den Zulaufabschnitt 521 in die Rotorwelle eingeführt.
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Während des Durchlaufs der Kühlflüssigkeit durch den Rotor 20 nimmt diese während des Betriebes der elektrischen Maschine entstehende Rotorwärme auf. Diese Wärme wird während des Durchlaufens der Verbindungsleitung 54 wieder abgegeben. Zweckmäßigerweise ist hierzu ein zweiter Kühlkreislauf 90 vorgesehen, der mit der Verbindungsleitung 54 in wärmetauschender Wirkverbindung steht. Der zweite Kühlkreislauf 90 kann insbesondere als aktive Kühlung, beispielweise als Wasserkühlung, in oder an dem Gehäuse 12 ausgebildet sein.
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Der Rotorkühlabschnitt 52 weist zweckmäßigerweise eine geeignete Anzahl von Kühlkanälen auf. Hierdurch strömende Kühlflüssigkeit ist in der Lage, Wärme direkt von den Wärmequellen des Rotors wie etwa Wicklung, Blech und Magneten, in effektiver Weise aufzunehmen. Zulaufabschnitt 521 bzw. Ablaufabschnitt 523 weisen eine Anzahl von radial innerhalb der Rotorwelle 22 verlaufenden Kanälen 530 auf, die in einem axial verlaufenden zentralen Kanal 532 bzw. 533 münden (siehe insbesondere 2). Die Kanäle 532,533 können insbesondere als axiale Wellenbohrung einen einheitlichen Kanal bilden. Mit dieser Anordnung von Kanälen ist eine zentrale, radiale Kühlmittelzufuhr zum Rotor innerhalb des Maschinengehäuses 12 in effektiver Weise zur Verfügung gestellt.
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An dem radial äußeren Ende der Kanäle 530 des Zulaufabschnitts 521 sowie des Ablaufabschnitts 523 ist jeweils eine Ringnut 525 bzw. 527 in der Rotorwelle 22 ausgebildet. Diese Ringnuten 525, 527 werden von jeweiligen Dichtungseinrichtungen 580, 582 in Umfangsrichtung umgeben. Die Dichtungseinrichtung 580 wird von einem Zulaufkanal 540, und die Dichtungseinrichtung 582 von einem Ablaufkanal 542 radial durchsetzt. Der Zulaufkanal 540 verbindet die Fördereinrichtung 550 mit dem Zulaufabschnitt 521, und der Ablaufkanal 542 den Ablaufabschnitt 523 mit der Verbindungsleitung 54.
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Die Dichtungseinrichtungen 580, 582 sind in dem Gehäuse 12 feststehend, das heißt, die Rotorwelle 22 des Rotors 20 rotiert innerhalb dieser Dichtungseinrichtungen.
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Wie in 2 in einer detaillierteren Ansicht des Zulaufabschnitts 521 dargestellt ist, kann die Dichtungseinrichtung 580 mit einem T-förmigen Hauptkörper 590 und zwei axial ausgebildeten Wellendichtungen 592, die jeweils zwischen den T-Balken des Hauptkörpers 590 und der Welle 22 eingepasst sind, ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise ist der Hauptkörper 590 so dimensioniert, dass seine an der Welle anliegende Unterseite eine größere axiale Erstreckung A als die axiale Erstreckung a der Ringnut 525 aufweist.
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Insgesamt stellt der dargestellte Rotorkühlkreislauf 50 einen trockenen Rotorkühlkreislauf dar, das heißt, dass der Raum 45 zwischen dem Gehäuse 12 und dem Rotor 20 nicht direkt mit Kühlflüssigkeit in Berührung kommt. Vielmehr ist die Kühlflüssigkeit vollständig innerhalb des Rotorkühlkreislaufs 50 eingeschlossen.
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Die Kühlflüssigkeit wird, wie erläutert, dem Rotor 23 über den die Dichtungseinrichtung 580 durchlaufenden Zulaufkanal 540 radial zugeführt, und entsprechend über den Ablaufkanal 542, der durch die Dichtungseinrichtung 582 verläuft, axial wieder abgeführt. Die Fördereinrichtung 550 zur Zu- bzw. Abfuhr der Kühlflüssigkeit kanninnerhalb des Gehäuses 12 oder, wie dargestellt, auch außerhalb des Gehäuses 12 positioniert sein. Außerhalb des Gehäuses ist eine Positionierung am Gehäuse oder auch entfernt vom Gehäuse mit einer Verbingungsleitung realisierbar. Bei einer Anordnung innerhalb des Gehäuses 12 ist die Fördereinrichtung zweckmäßigerweise an der Innenseite des Gehäuses angebracht.
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Die Ringnuten 525, 527 dienen zur Verteilung der Kühlflüssigkeit um die Welle herum, sodass sie dann über den wenigstens einen radial in der Welle verlaufenden Kanal 530 in den zentralen axial verlaufenden Kanal (Wellenbohrung) 532 gelangen kann. Der zentrale Kanal 532 ist insbesondere mit im Wicklungsbereich des Rotorkörpers verlaufenden Leitungen 537 verbunden, welche dann in dem weiteren zentralen Kanal 533 münden
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Das Volumen der Ringnut 525 stellt insbesondere einen Speicher dar, aus dem das Innere der Rotorwelle 20 mit Kühlflüssigkeit gespeist wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ringnut 525, wie dargestellt, vollständig innerhalb der Rotorwelle 22, aber auch teilweise oder ganz innerhalb der jeweiligen Dichtungseinrichtungen 580, 582 ausgebildet sein kann. Insbesondere ist denkbar, die Ringnut 525 zum Teil innerhalb der Rotorwelle, und zum Teil innerhalb der Dichtungseinrichtung auszubilden. Gleiches gilt für die Ringnut 527 im Ablaufabschnitt 523, welche ebenfalls zur Speicherung von Kühlflüssigkeit dient.
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Die Verbindungsleitung 54 kann innerhalb des Gehäuses 12 geführt sein, wobei auch eine freiliegende Leitung denkbar ist.
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Der weitere Kühlkreislauf 90, mit dem die Verbindungsleitung 54 in wärmetauschender Wirkverbindung steht, kann insbesondere als Gehäusekühlung ausgebildet sein. Hierbei verlaufen durch das Gehäuse 12 Kühlkanäle, welche mit einem externen Kühlkreislauf verbunden sind. Eine derartige Gehäusekühlung ist besonders effizient und kostengünstig herstellbar, da sie beispielsweise vorgeformte Rohre aufweisen kann, die in das aus Metall oder Kunststoff bestehende Gehäuse eingegossen bzw. eingespritzt werden. Diese vorgeformten Rohre können insbesondere aus Aluminium, Stahl oder entsprechenden Legierungen hergestellt sein.
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Da die elektrische Maschine 100 während typischer Betriebszustände größeren Temperaturschwankungen unterliegt, kann sich der Druck im Inneren des Gehäuses 12 verändern. Zweckmäßigerweise können derartige Druckunterschiede durch ein Druckausgleichselement, beispielweise eine hydrophobe Membran, ein Labyrinth oder einem flexiblen Schlauch abgebaut werden. Derartige Druckausgleichselemente sind in der 1 schematisch dargestellt und mit 95 bezeichnet. Luft kann im Falle einer Membran in beiden Richtungen passieren, wobei Flüssigkeit in beiden Richtungen gesperrt wird.
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Es ist möglich, durch den Einsatz von Leckagebohrungen 121 im Statorgehäuse ein Fluten der Maschine bei Undichtheit des Kühlkreislaufs zu verhindern. Hierbei kann eine Funktion der elektrischen Maschine trotz reduzierter Kühlung und somit schnellerer Erwärmung im Betrieb erhalten werden.
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Als Kühlmittel für den Rotorkühlkreislauf 50 wird vorzugsweise Öl verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016214405 A1 [0004]
- DE 102011078784 A1 [0005]
- DE 102016216685 A1 [0005]
- DE 102016202886 A1 [0005]
