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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein elektrisch antriebbares Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug hierzu.
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Aus dem Stand der Technik sind rotierende elektrische Maschinen bekannt, wobei mittels einer Rotorinnenkühlung, das heißt einem durch eine Hohlwelle geleiteten Kühlmittel, Wärme aus einem Rotor abgeführt werden kann. Um die rotierende Hohlwelle beispielsweise gegen ein stehendes Gehäuse abzudichten, sodass ein Verlust an Kühlmittel vermieden oder verringert werden kann, wird eine Dichtung eingesetzt. Dabei kann deren Ausgestaltung beispielsweise von dem eingesetzten Kühlmittel, einer zu erzielenden Kühltemperatur und/oder einer Relativbewegung der gegeneinander abzudichtenden Komponenten der elektrischen Maschine vorgegeben werden.
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Die
DE 103 58 341 B4 offenbart eine Vorrichtung zum Lagern einer Kühlmittelzuführung für supraleitende Maschinen, wobei die Kühlmittelzuführung in einer Hohlwelle angeordnet und an einem Ende mittels einer Dichtungseinrichtung gelagert ist. Diese beispielsweise als Ferrofluiddichtung ausgebildete Dichtungseinrichtung dichtet ein inneres Raumvolumen eines Rotors und der damit verbundenen Hohlwelle gegenüber der Umgebung ab. Die Kühlmittelzuführung umfasst zumindest ein Wärmerohr, mittels welchem das Kältemittel von einer Kälteeinheit in die Hohlwelle, und umgekehrt, eingebracht wird.
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Die
DE 10 2014 215 649 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von rotierenden elektrischen Spulenwicklungen, insbesondere supraleitende Spulenwicklungen, einer elektrischer Maschine, wobei ein Kühlmittel, beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium oder flüssiges Neon, im Inneren einer Rotorwelle nach dem Thermosiphon-Prinzip zirkuliert und hierdurch Wärme aus dem Rotor abführen kann. Dabei kann eine Verbindung zwischen einer Rotorwelle und einem feststehenden Außengehäuse mittels Drehdichtungen, beispielsweise Ferrofluiddichtungen, gasdicht gegen die äußere Umgebung abgedichtet werden, sodass ein Verlust an verdampftem Kühlmittel vermieden wird.
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Ferner beschreibt die
DE 10 2009 009 127 A1 ein supraleitendes Magnetlager, umfassend einen Stator und einen eine Hohlwelle umfassenden Rotor. An einer äußeren Mantelfläche der Hohlwelle ist ein Korpus aus einem Typ-2-Supraleiter angeordnet, wobei zum Kühlen des Korpus unter dessen Sprungtemperatur die Hohlwelle eine Zuleitung aufweist, in der ein Kühlmedium, insbesondere flüssiger Stickstoff, eingeführt werden kann. Um eine Kondensation von Luft, insbesondere von Luftfeuchtigkeit, zwischen dem Stator und dem Rotor zu verhindern, ist eine Dichtung vorgesehen, die als eine Ferrofluid-Dichtung ausgestaltet sein kann.
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Nachteilig ist, dass ein derartiger Supraleiter eine Betriebstemperatur unterhalb einer Sprungtemperatur erfordern und auf sehr niedrige Temperaturen, beispielsweise von 77 K oder weniger, zu kühlen sind.
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Auch die
DE 28 41 163 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit einem Läufer, der eine supraleitende Erregerwicklung enthält. Zwischen jeweils benachbarten Bauteilen eines Wellenlängenstücks und eines Anschluss Kopfteils ist jeweils mindestens eine Dichtungsvorrichtung angeordnet. Dabei umfasst die Dichtungsvorrichtung mindestens eine Ferrofluiddichtung, um ein Entweichen eines erwärmten Kühlmittels (zum Beispiel Helium) zu verhindern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine rotierende Hohlwelle eines Rotors gegenüber einem Stator besonders zuverlässig gegen einen Kühlmittelaustritt abzudichten.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie bspw. aus der gattungsbildend zugrundegelegten
DE 28 41 163 A1 als bekannt hervorgeht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist eine elektrische Maschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen an einer Hohlwelle um eine Rotationsachse drehbar gelagert angeordneten Rotor und einen Stator, wobei zum Kühlen des Rotors ein Kühlmittel die Hohlwelle durchströmt. Dabei ist die Hohlwelle zum Verhindern eines Kühlmittelverlusts zum Rotor hin mittels einer Dichtung abgedichtet, wobei die Dichtung erfindungsgemäß als flüssigkeitsdichte Magnetfluiddichtung realisiert ist.
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Eine Welle zum Übertragen von Drehmomenten zwischen dem rotierenden Rotor und dem feststehenden, das heißt unbeweglichen Stator ist als die Hohlwelle, das heißt als ein Rohr, ausgebildet, die von einer Innenmantelfläche und einer Außenmantelfläche begrenzt wird. Diese Hohlwelle weist eine Innenmantelfläche und einer Außenmantelfläche und eine Drehachse, das heißt die Rotationsachse, entlang einer Längserstreckungsrichtung der Hohlwelle auf, die eine Rotation des Rotors vorgibt. In die Hohlwelle ragt ein innerer Hohlzylinder, der fest angeordnet ist und dem Stator zugeordnet wird. Somit umfasst der Stator den unbeweglichen und sich in die Hohlwelle erstreckenden inneren Hohlzylinder. Bei dem inneren Hohlzylinder handelt es sich beispielsweise um einen Stutzen oder Rohrabschnitt, der eine Innenmantelfläche und einer Außenmantelfläche als Oberflächen aufweist. Der Hohlzylinder dient als Einlassrohr oder Einlassdüse für ein Kühlmittel. Zwischen dem inneren Hohlzylinder und der Hohlwelle ergibt sich als Zwischenraum ein ringzylindrisches Hohlvolumen, dass von jeweiligen Mantelflächen der beiden festgelegt wird. Mit anderen Worten wird das ringzylindrische Hohlvolumen von der Außenmantelfläche des inneren Hohlzylinders und von der Innenmantelfläche der Hohlwelle begrenzt. Dabei kann eine Anordnung der Hohlwelle und des ringzylindrischen Hohlvolumens insbesondere rotationssymmetrisch und/oder achsensymmetrisch ausgebildet sein.
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Um eine beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme abzuführen, wird zum Kühlen des Rotors das Kühlmittel durch den inneren Hohlzylinder und gegengleich durch das ringzylindrische Hohlvolumen geleitet. Mit anderen Worten strömt das Kühlmittel, das heißt ein gasförmiger oder flüssiger Stoff oder ein Stoffgemisch, zum Abtransport von Wärme durch den inneren Hohlzylinder in die Hohlwelle und entgegengesetzt durch das ringzylindrische Hohlvolumen wieder aus der Hohlwelle heraus. Somit kann das Kühlmittel zwei einander entgegengesetzte Hauptströmungsrichtungen aufweisen und eine sogenannte Rotorinnenkühlung realisiert werden. Um einen ungewollten Kühlmittelaustritt zu Rotor hin zu vermeiden, weist die Hohlwelle die Dichtung auf, wobei es sich bei der Dichtung beispielsweise um eine berührungslose rotatorische Dichtung handeln kann, bei welcher sich Dichtfläche zueinander drehend relativ bewegen.
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Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Dichtung um eine flüssigkeitsdichte Magnetfluiddichtung. Die Magnetfluiddichtung kann einen an einem Gehäuse angeordneten ringförmigen Permanentmagneten aufweisen, der ein dauerhaftes Magnetfeld erzeugt, wobei dessen Feldlinien von jeweiligen magnetischen Polschuhen geführt werden, die an jeweiligen Polen des Permanentmagnets angeordnet sind. Mittels eines Sperrmediums kann ein Spalt zwischen der rotierenden Hohlwelle und den Polschuhen der Dichtung abgedichtet werden, indem es mittels eines geeignet geformten Magnetfeld im Spalt gehalten wird. Das Sperrmedium ist insbesondere ein als Ferrofluid ausgebildetes Magnetfluid, das auf magnetische Felder reagieren kann, ohne sich zu verfestigen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Ferrofluid um in einem Trägerfluid suspendierte ferromagnetische Nanopartikel aus Eisen, Magnetit und/oder Cobalt. Zum Abdichten mittels der Magnetfluiddichtung kann die Hohlwelle aus einem magnetischen Werkstoff, beispielsweise Stahl, und das Gehäuse der Magnetfluiddichtung aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, beispielweise Aluminium, gefertigt sein. Mittels der als flüssigkeitsdichten Magnetfluiddichtung ausgebildeten Dichtung kann ein Austritt des Kühlmittels effizient verhindert werden kann. Insbesondere im Vergleich zu einer konventionellen Gleitringdichtung kann mittels der Magnetfluiddichtung beispielsweise ein Trockenlauf, ein Druckverlust des Kühlmittels und/oder eine unerwünschte Erwärmung ausgeschlossen werden. Des Weiteren können Dichteigenschaften unabhängig von einem Zustand des Kühlmittels sichergestellt und ein Haftgleiteffekt (Stick-Slip-Effekt) verhindert werden. Dadurch kann die Dichtung mit einer langen Lebensdauer, einer einfachen Montage, einer hohen Betriebssicherheit und/oder einer hohen Betriebszuverlässigkeit bereitgestellt und die elektrische Maschine besonders effizient gekühlt werden.
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Dabei bleibt das Kühlmittel beim Kühlen innerhalb eines von einem flüssigen Aggregatzustand vorgegebenen Temperaturbereichs. Mit anderen Worten gibt ein Temperaturintervall, das jeweils von einer Obergrenze und einer Untergrenze definiert ist, während des Kühlens den flüssigen Aggregatzustand des Kühlmittels vor. Somit weist das Kühlmittel jenen Stoffzustand auf, in welchem ein Volumen des Kühlmittels beibehalten und eine Form des Kühlmittels unbeständig ist, während es den Rotor kühlt. Beispielsweise kann das Kühlmittel als eine Flüssigkeit vorliegen, wobei das Kühlmittel innerhalb eines Kühlkreises weder zu einem Gas verdampft oder verdunstet noch zu einem Feststoff solidiert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels des derartigen Kühlmittels ein Wärmetransport gleichmäßig erfolgen und eine große Wärmemenge abgeführt werden kann.
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Ferner ist vorgesehen, dass eine Minimaltemperatur des vorgegebenen Temperaturbereichs größergleich -150°C ist. Mit anderen Worten ist jene Temperatur, oberhalb welcher das Kühlmittel beim Kühlen verbleibt größer oder gleich -150°C. Das bedeutet, dass für ein Verflüssigen von gasförmigen Kühlmitteln, beispielsweise Stickstoff, Helium oder Wasserstoff, erforderliche Temperaturen während des Kühlens unerreicht bleiben. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Dichtung lediglich eine Auslegung gegen einen Austritt des flüssigen Kühlmittels erfordert und insbesondere bei Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann. Dadurch können Anforderungen, wie sie bei Tieftemperaturen (Kryotechnik) erforderlich sein können, bei einer Auslegung der Dichtung beziehungsweise der elektrischen Maschine vernachlässigt werden. Somit kann insbesondere ein sicherer Einsatz der die Dichtung aufweisenden elektrischen Maschine in dem Kraftfahrzeug gewährleistet und eine kompakte Bauweise bei der Dichtung realisiert werden.
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Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Kühlmittel beim Kühlen innerhalb eines von einem flüssigen Aggregatzustand vorgegebenen Druckbereichs bleibt. Mit anderen Worten gibt ein Druckintervall, das jeweils von einer Obergrenze und einer Untergrenze definiert ist, während des Kühlens den flüssigen Aggregatzustand des Kühlmittels vor. Somit weist das Kühlmittel jenen Stoffzustand auf, in welchem das Volumen des Kühlmittels beibehalten und die Form des Kühlmittels unbeständig ist, während es den Rotor kühlt. Beispielsweise kann das Kühlmittel als die Flüssigkeit vorliegen, wobei das Kühlmittel innerhalb eines Kühlkreises weder zu dem Gas verdampft oder verdunstet noch zu dem Feststoff solidiert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels des derartigen Kühlmittels der Wärmetransport gleichmäßig erfolgen und die große Wärmemenge abgeführt werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Kühlmittel als Kühlflüssigkeit, insbesondere als eine Wasser-Glykol-Mischung, realisiert ist. Mit anderen Worten wird die Kühlflüssigkeit als Kühlmittel zum Kühlen des Rotors eingesetzt. Dabei kann es sich insbesondere um eine Flüssigkeitsmischung basierend auf Wasser und Glykol handeln, wobei beispielsweise entmineralisiertes und/oder destilliertes Wasser mit Ethylenglykol in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis (Konzentration und/oder Mengenverhältnis) vermengt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders kostengünstiges Kühlflüssigkeit bereitgestellt werden kann, wobei mittels des Wassers zusätzlich zum gleichmäßigen Kühlen eine Geräuschdämmung realisiert und mittels des Glykols ein Gefrierpunkt von Wasser herabgesetzt werden, sodass das Kühlen bei Bedarf unterhalb des Gefrierpunkt von Wasser erfolgen kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die elektrische Maschine dazu eingerichtet ist, zum Kühlen das Kühlmittel durch den inneren Hohlzylinder in die Hohlwelle zu leiten und das eingeströmte Kühlmittel gegengleich durch das ringzylindrische Hohlvolumen aus der Hohlwelle ausströmen zu lassen. Dabei kann das Kühlmittel an einem Eintrittsbereich in den inneren Hohlzylinder eingeleitet und durch diesen hindurch in die Hohlwelle geführt werden, wobei das Kühlmittel eine erste der Hauptströmungsrichtungen aufweisen kann. Nachdem das Kühlmittel in die Hohlwelle eingeströmte ist, kann eine Strömungsumkehr erfolgen und das Kühlmittel durch das ringzylindrische Hohlvolumen in einem Austrittsbereich aus der Hohlwelle ausgeleitet werden. Beim Ausströmen des Kühlmittels weist das Kühlmittel eine zweite der Hauptströmungsrichtungen auf, wobei die beiden Hauptströmungsrichtungen einander entgegengesetzt sein können. Somit kann die Rotorinnenkühlung als eine offene Rotorinnenkühlung bereitgestellt werden, die im Gegensatz zu einer geschlossenen Rotorinnenkühlung, die als Wärmerohr realisiert sein kann, potentielle Druckunterschiede beim Abführen von Wärme leichter ausgleichen kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Magnetfluiddichtung stromabwärts von einem Austrittsbereich des Kühlmittels aus der Hohlwelle außerhalb einer der Hauptströmungsrichtungen angeordnet und über einen ringzylindrischen Hohlraum mit dem ringzylindrischen Hohlvolumen verbunden ist. Dabei fließt das Kühlmittel von der Hohlwelle durch den ringzylindrischen Hohlraum in der zweiten der Hauptströmungsrichtungen, wobei ein Teil des Kühlmittels vor einem Austritt aus der Hohlwelle im Austrittsbereich in einen ringzylindrischen Hohlraum einströmt. Dieser ringzylindrische Hohlraum schließt an das ringzylindrische Hohlvolumen an, wobei der ringzylindrische Hohlraum in einem Teilbereich von der Magnetfluiddichtung nach außen hin abgedichtet wird. Aufgrund einer derartigen Anordnung der Magnetfluiddichtung ergibt sich der Vorteil, dass die Dichtung außerhalb der beiden Hauptströmungsrichtungen positioniert ist und dadurch für vergleichsweise geringeren Strömungsgeschwindigkeiten und/oder geringere Drücken des Kühlmittels ausgelegt werden muss.
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Eine weitere Ausführungsform hierzu sieht vor, dass der ringzylindrische Hohlraum für das Kühlmittel parallel zu der Rotationsachse von der Außenmantelfläche der Hohlwelle und einer Fläche des Gehäuses der Magnetfluiddichtung und radial zu der Rotationsachse von einer Außenfläche einer von zwei Polschuhen und einer Schmalseite einer von zwei Magnetfluidschichten begrenzt ist. Mit anderen Worten wird der ringzylindrische Hohlraum für das Kühlmittel sowohl parallel als auch radial zu der Rotationsachse der Hohlwelle nach außen begrenzt. Jeweilige parallele Begrenzungsflächen können beispielsweise von einem Teilbereich der Außenmantelfläche der Hohlwelle und einem Teilbereich der Fläche des Gehäuses der Magnetfluiddichtung gebildet werden. Eine jeweilige radiale Begrenzungsfläche kann beispielsweise von der Magnetfluiddichtung bereitgestellt werden, wobei die Außenfläche einer der beiden Polschuhe und die Schmalseite einer der beiden Magnetfluidschichten den ringzylindrischen Hohlraum vorgeben. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Magnetfluidschichten lediglich im Bereich der Schmalseite eine Kontaktfläche mit dem Kühlmittel aufweist und dadurch die Gefahr des Kühlmittelaustritts reduziert werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Magnetfluiddichtung ein hydrophobe Eigenschaften aufweisendes Magnetfluid umfasst, das dazu eingerichtet ist, eine stabile Grenzfläche zwischen dem Kühlmittel und dem Magnetfluid zum Erzeugen eines flüssigkeitsabweisenden Effekts auszubilden. Mit anderen Worten wird mittels des hydrophobes Magnetfluid eine beständige Grenzfläche zwischen dem Kühlmittel und dem Magnetfluid erzeugt, um ein Vermischen von dem Kühlmittel und dem Magnetfluid zu verhindern. Dabei kann die Grenzschicht beispielsweise eine Vermengung des wasserbasierten Kühlmittels und des wasserabweisenden Magnetfluids erschweren oder verhindern. Hierbei weist die Grenzfläche als eine Phasengrenze zwei gegenüberliegende Seiten auf, wobei eine der Seiten das Magnetfluid gegen das Kühlmittel und eine andere der Seiten das Kühlmittel gegen das Magnetfluid abgrenzt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Dichtung flüssigkeitsdicht ausgeführt und ein Ausströmen des Kühlmittels aufgrund eines Verlustes an Magnetfluid verhindert werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform hierzu sieht vor, dass das Magnetfluid der Magnetfluiddichtung ein auf Siloxaneinheiten basiertes Trägerfluid aufweist. Mit anderen Worten umfasst das Magnetfluid Siloxane, die das Trägerfluid ausbilden können. Beispielweise handelt es sich hierbei um eine Silikonflüssigkeit. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein temperaturstabiles, elektrisch isolierendes und hydrophobes Trägerfluid kostengünstig bereitgestellt werden kann.
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Durch die Erfindung ist ein elektrisch antriebbares Kraftfahrzeug mit der einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Dabei ist das Kraftfahrzeug bevorzugt als ein Kraftwagen, insbesondere als ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen, oder als ein Personenbus oder ein Motorrad ausgestaltet.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der elektrischen Maschine beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Teilansicht einer Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine; und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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Der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug 12 mit einem Elektroantrieb kann folgende Situation beispielhaft zugrunde gelegt werden. Zum elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs 12 kann das Kraftfahrzeug 12 zumindest eine elektrische Maschine 10 aufweisen, die einen an einer Hohlwelle 14 angeordneten Rotor 16 und einen Stator 18 umfasst, die über beispielsweise als Wälzlager ausgebildete Lager 20 (1 zeigt nur eines der Lager 20) relativ zueinander um eine Rotationsachse 22 drehgelagert und über einen Spalt voneinander beanstandet sind. Der Stator 18 weist einen fest angeordneten und in die Hohlwelle 14 ragenden inneren Hohlzylinder 24 auf, wobei die Hohlwelle 14 und der innere Hohlzylinder 24 von jeweiligen Außenmantelfläche 26a, 26b nach außen und von jeweiligen Innenmantelfläche 28a, 28b nach innen begrenzt werden. Dabei bilden die Außenmantelfäche 26b des inneren Hohlzylinders 24 und die Innenmantelfläche 28a der Hohlwelle 14 einen ringzylindrischen Hohlvolumen 30 aus.
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Zum Kühlen des Rotors 16 strömt ein Kühlmittel, das als eine Kühlflüssigkeit und insbesondere als eine Wasser-Glykol-Mischung realisiert sein kann, durch den inneren Hohlzylinder 24 und gegengleich durch das ringzylindrischen Hohlvolumen 30, wodurch ein Rotorinnenkühlung, das heißt ein sogenanntes Rotorinnenkühlsystem, der elektrischen Maschine 10 bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann das Kühlmittel über einen Eintrittsbereich 32 durch den inneren Hohlzylinder 24 in die Hohlwelle 14 geleitet und das eingeströmte Kühlmittel gegengleich durch das ringzylindrischen Hohlvolumen 30 in einem Austrittsbereich 34 aus der Hohlwelle 14 ausströmen. In diesem Zusammenhang signalisieren Pfeile 36, 38 zwei einander entgegengesetzte Hauptströmungsrichtungen und Pfeile 40 eine Strömungsumkehr von einer ersten Hauptströmungsrichtung zu einer der ersten Hauptströmungsrichtung entgegengesetzten zweiten Hauptströmungsrichtung.
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Um einen Austritt des Kühlmittels und eine Kühlmittelverlust zu vermeiden, dichtet eine Dichtung 42 die Hohlwelle 14 zum Rotor 16 hin ab, wobei die Dichtung 42 als eine flüssigkeitsdichte Magnetfluiddichtung 44 realisiert ist. Die Magnetfluiddichtung 44 umfasst ein nichtmagnetisches Gehäuse 46, einen daran angeordneten Permanentmagneten 48 zum Erzeugen eines dauerhaften Magnetfelds und zwei an entgegengesetzten Polen des Permanentmagneten 48 angeordnete Polschuhe 50a, 50b zum Führen von Feldlinien des Magnetfelds. Des Weiteren umfasst die Magnetfluiddichtung 44 ein Magnetfluid, das mittels des geeignet geformten Magnetfelds einen jeweiligen Spalt zwischen der Hohlwelle 14 und dem jeweiligen der Polschuhe 50a, 50b abdichtet, wobei jeweils zwei Magentfluidschichten 52a, 52b ausgebildet werden können. Das Magnetfluid kann hydrophobe Eigenschaften und ein auf Siloxaneinheiten basiertes Trägerfluid aufweisen, wobei in dem Trägerfluid bei dem als Ferrofluid ausgebildeten Magnetfluid ferromagnetische Nanopartikel suspendiert sein können.
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Wie in 1 in einem von einem Abschnitt A gekennzeichneten Bereich und detailliert in 2 dargestellt, kann die Magnetfluiddichtung 44 stromabwärts von dem Austrittsbereich 34 des Kühlmittels aus der Hohlwelle 14 außerhalb der mit dem Pfeil 38 angezeigten zweiten der Hauptströmungsrichtungen angeordnet und über eine ringzylindrischen Hohlraum 54 mit dem ringzylindrischen Hohlvolumen 30 verbunden sein. Dabei kann der ringzylindrischen Hohlraum 54 parallel zu der Rotationsachse 22 von der Außenmantelfläche 26a der Hohlwelle 14 und einer Fläche 56 des Gehäuses 46 der Magnetfluiddichtung 44 begrenzt werden. Radial zu der Rotationsachse 22 kann der ringzylindrischen Hohlraum 54 von einer Außenfläche 58 eines der beiden Polschuhe 50a, 50b und einer Schmalseite 60 einer der zwei Magnetfluidschichten 52a, 52b beschränkt sein. Diese Schmalseite 60 kann eine Grenzfläche 62 zwischen dem Magnetfluid und dem Kühlmittel bilden. Hierfür kann das Magnetfluid insbesondere hydrophobe Eigenschaften zum Erzeugen eines flüssigkeitsabweisenden Effekts aufweisen, welche mittels dem auf Siloxaneinheiten basierenden Trägerfluid realisiert werden kann.
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Somit kann ein ungewollter Kühlmittelaustritt aus der Hohlwelle 14 mittels der als Magnetfluiddichtung 44 ausgebildeten Dichtung 42 realisiert werden.
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Derzeit weisen in Großserie produzierte Elektroautos (Kraftfahrzeug 12), zum Beispiel Audi e-tron, zwei Elektromotoren, das heißt zwei der elektrischen Maschinen (12), mit Rotorinnenkühlung auf. Dabei leitet ein Rohr (Hohlzylinder 24) die Kühlflüssigkeit in die Mitte des Rotors (16), wobei sich zwischen Rotor 16 und Stator 18 eine Gleitringdichtung (GRD) befinden kann. Die Gleitringdichtung umfasst ein rotierendes und ein feststehendes statisches Teil, wobei ein Federelement das statische Teil an das rotierende Teil drückt, sodass jeweilige Flächen der Teile aneinander liegen. In einem normalen Betrieb benässt die Kühlflüssigkeit mittels einer dünnen Schicht die beiden gegeneinander liegenden Flächen und bildet einen Gleitfilm, sodass beide Teile aneinander entlang gleiten können. Ein Austrocknen der Flächen und/oder ein Verlust an Kühlflüssigkeit kann beispielsweise aufgrund von gelösten Gasblasen in der Kühlflüssigkeit, die von Lufteinschlüssen und/oder einer Kavitation bedingt sein können, und/oder einer Leckage, einer sogenannten Undichtigkeit, auftreten. Bei der Leckage kann die von der Kühlflüssigkeit gebildete Schicht in radialer Richtung, ausgehende von der Rotationsachse 22, austreten und sich in einem Leckageraum sammeln, wobei die Kühlflüssigkeit einen Kühlkreis der elektrischen Maschine 10 verlassen kann. Dies kann eine hochpräzise Montage der Gleitringdichtung zum Vermeiden der Leckage erfordern, die unter anderem ein Benässen der Flächen umfasst. Das Austrocknen der Flächen und/oder der Verlust an Kühlflüssigkeit kann beispielsweise zu einem Trockenlauf, ein Anstarten mit Haftreibung (Haftgleiteffekt), erhöhten Reibungsverlusten, einer Erwärmung, einer unkontrollierte Übertemperatur, der erhöhten Leckage, Schäden an den aneinander geleitenden Flächen (zum Beispiel durch Kratzer) und weiteren Bauteilen der elektrischen Maschine 10, führen, die eine Lebensdauer der Gleitringdichtung und/oder der elektrischen Maschine 10 verringern.
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Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, statt der Gleitringdichtung eine Magnetfluiddichtung 44 bei der Rotorinnenkühlung zu verwenden, um den Austritt an Kühlflüssigkeit zu verhindern. Dabei kann die Welle (Hohlwelle 14) einen Hohlraum aufweisen, in welchem eine sogenannte stehende Wasserlanze, das heißt ein Rohr (Hohlzylinder 24) des Stators 18, insbesondere in einer Mitte, das heißt rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 22, angeordnet ist. Dabei können die Hohlwelle 14 und der Hohlzylinder 24 die Kühlflüssigkeit leiten. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Magnetfluiddichtung 44 die Dichtung 42 hermetisch sein kann, das heißt keine Leckage auftreten und ein Druckverlust verhindert werden kann. Des Weiteren kann ein Reibungskoeffizient der Magnetfluiddichtung 44 geringer als jener der Gleitringdichtung sein. Somit können die vorab angeführten Nachteile bei einem Einsatz der Gleitringdichtung ausgeräumt werden. Insbesondere kann die Dichtung 42 unabhängig von einem Zustand der Kühlflüssigkeit (zum Beispiel einer Alterung) betrieben werden. Dadurch können eine besonders lange Lebensdauer, eine hohe Betriebssicherheit und eine hohe Betriebszuverlässigkeit der Dichtung 42 realisiert werden. Des Weiteren kann die Dichtung 42 bei normalen Umgebungstemperaturen betrieben werden und aufgrund einer kompakten Bauweise einen geringen Platzbedarf aufweisen, sodass sie bevorzugt in einem Personenkraftfahrzeug (Kraftfahrzeug 12) eingesetzt werden kann.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Rotorinnenkühlung der elektrische Maschine 10 mittels der Magnetfluiddichtung 44 bereitgestellt werden kann.
