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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen der Patentansprüche.
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Gemäß der
WO 2014 / 057 245 A2 und der
GB 964 906 A sind Vorrichtungen zur Kühlung elektrischer Maschinen Stand der Technik. Beide Vorrichtungen umfassen im Blechpaket des Rotors angeordnete schraubenförmige Förderstrukturen. Diese Förderstrukturen sind zugleich die Kühlmittelleitungen, welche insbesondere gemäß der
WO 2014 / 057 245 A2 nahe an den im Rotor angeordneten Magneten zu deren Kühlung vorbeigeführt sind. D. h. Förderung und Kühlung sind miteinander gekoppelt. Die Kühlmittelleitungen müssen folglich schraubenartig ausgeführt sein. Eine Implementierung derartiger Kühlmittelleitungen in das Blechpaket ist aufwendig. Insbesondere ist die Integration einer Zwischenhülse als Träger der Förderstruktur in das Blechpaket erforderlich. Gemäß der
GB 964 906 A sind sogar mehrere solcher Träger im Blechpaket zu integrieren, um eine Kühlung in mehreren Bereichen des Rotors zu erreichen. Zusammengefasst ergeben sich gemäß dem Stand der Technik Einschränkungen hinsichtlich der Anordnung der Kühlmittelleitungen in dem Rotor und somit einer erreichbaren gezielten Kühlung thermisch besonders beanspruchter Bereiche. Weiterhin ist gemäß der
DE 10 2017 202 801 A1 ein Rotorblechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine bekannt. Das Rotorblechpaket umfasst ein erstes stirnseitiges Endblech mit wenigstens einem ersten Lüfterkopf, ein zweites stirnseitiges Endblech mit wenigstens einem zweiten Lüfterkopf und mehrere Innenbleche, welche zwischen dem ersten stirnseitigen Endblech und dem zweiten stirnseitigen Endblech angeordnet sind. Dabei bilden die Innenbleche wenigstens einen Kühlkanal aus, und der Kühlkanal verbindet den ersten Lüfterkopf mit dem zweiten Lüfterkopf. Der erste Lüfterkopf und der zweite Lüfterkopf sind derart achssymmetrisch zueinander angeordnet, dass eine erste Öffnung des ersten Lüfterkopfs in einer Rotationsrichtung des Rotorblechpakets geöffnet ist, und dass eine zweite Öffnung des zweiten Lüfterkopfs entgegen der Rotationsrichtung des Rotorblechpakets geöffnet ist. Bei einer Rotation des Rotorblechpakets erzeugt der erste Lüfterkopf einen Staudruck, durch welchen ein Kühlmediumüber den ersten Lüfterkopf in den Kühlkanal gefördert wird, und der zweite Lüfterkopf erzeugt einen Sog, durch welchen das Kühlmedium über den zweiten Lüfterkopf aus dem Kühlkanal heraus gefördert wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kühlung einer elektrischen Maschine einfach, wirksam, energiesparend und möglichst flexibel zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen gelöst.
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Erfindungsgemäß wird in den Rotor bzw. in das Blechpaket einer elektrischen Maschine eine Leitungsstruktur eingebracht, welche das Kühlmittel räumlich nah an den Magneten vorbeifördert, die in dem Blechpaket angeordnet sind, so dass ein konvektiver Wärmetransport sichergestellt ist. Das Kühlmittel wird zunächst über eine rotierende Hohlwelle zur Verfügung gestellt und ein Transport des Kühlmittels ausgehend von der Hohlwelle über das Blechpaket erfolgt anhand der beim Betrieb der Maschine auftretenden Fliehkraft entlang zumindest einer Steigleitung. Im weiteren Verlauf werden weitere Kühlleitungen axial an den Magneten vorbeigeführt und an den Stirnseiten des Rotors gesammelt. Dort befindet sich zu beiden Seiten jeweils eine axiale Fördergeometrie, ähnlich einer archimedischen Schraube. Die jeweilige Fördergeometrie erzeugt einen Druck, um das Fluid, entgegen der Fliehkraft, an den Stirnseiten des Rotors wieder in Richtung der Hohlwelle zu fördern. Sämtliche Kühlleitungen können entweder extra als separates Rohrleitungssystem ausgeführt sein oder direkt im Blechpaket vorgesehen werden.
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Dadurch, dass die stirnseitig des Rotors angeordneten Förderelemente allein die Fluidförderung übernehmen, gibt es bezüglich der Anordnung der Kühlmittelleitungen keine strikten Einschränkungen, d. h. es können insbesondere verzweigte Kühlkanäle vorgesehen werden, welche insbesondere in Richtung der Kühlmittelströmung im Rotor vor der jeweiligen Fördergeometrie wieder zusammengeführt werden. Mit der so erreichbaren Variabilität der Kühlstruktur können die Magnete besser gekühlt werden. Im Ergebnis ist es von Vorteil, dass für die Erhöhung der Leistungsdichte von elektrischen Maschinen auf einfache und energiesparende Weise, bei einer hohen Flexibilität hinsichtlich der individuellen Gestaltung des Rotors, eine ausreichende Kühlung der Magnete im Rotor sichergestellt ist.
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Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung und eine Darstellung der erreichten Vorteile sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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In 1 ist der Rotor einer elektrischen Maschine gezeigt, so wie allgemein bekannt. In 2 ist dieser Rotor schematisch in einer Schnittdarstellung mit Details bzw. Bezugszeichen gezeigt. Der Rotor umfasst (Permanent-)Magnete 1, d. h. es handelt sich bei der elektrischen Maschine um eine permanenterregte Synchronmaschine. Die Magnete 1 sind nahe der Oberfläche des Blechpakets 2 des Rotors, das eine Vielzahl von gestapelten Blechlamellen umfasst, im Blechpaket 2 eingebettet. Das Blechpaket 2 bzw. die Blechlamellen sind gegen ein Verdrehen gesichert auf einer Hohlwelle 3 angeordnet. An den beiden stirnseitigen Enden des Rotors bzw. des Blechpakets 2 sind Endscheiben 4a, 4b angeordnet (auch als Pressplatten bezeichnet). Die Endscheiben 4a, 4b sind ebenfalls derart mit der Hohlwelle 3 verbunden, dass keine Relativbewegung zwischen der jeweiligen Endscheibe 4a, 4b und der Hohlwelle 3 erfolgt.
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Zur Kühlung der elektrischen Maschine wird ein Kühlmittel bereitgestellt, beispielsweise mittels einer nicht gezeigten Pumpe, welche jedoch lediglich sicherstellt, dass Kühlmittel in den Bereich der Hohlwelle 3 bzw. in die in der Hohlwelle 3 angeordnete Kühlmittelleitung gefördert wird und dort zur Kühlung bereitsteht, d. h. die Pumpe ist vergleichsweise klein dimensioniert und entspricht einer Art Vorförderpumpe mit einer geringen Leistungsaufnahme, so dass wenig Energie zur Förderung des Kühlmittels erforderlich ist, was die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems erhöht, welches die elektrische Maschine umfasst. Die elektrische Maschine ist insbesondere Bestandteil eines Fahrzeuges bzw. dient zum Antrieb eines Fahrzeuges.
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Die durch die Rotation des Rotors beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden (Trägheits- bzw. Flieh- oder Zentrifugal-) Kräfte bewirken eine Förderung des Kühlmittels über zumindest eine radial im Blechpaket 2 verlaufende erste Kühlmittelleitung 5 („Steigleitung“) in Richtung der Ober- bzw. (Außen-) Umfangsfläche des Rotors, d. h. in den Bereich der Anordnung der Magnete 1 in dem Blechpaket 2. Die erste Kühlmittelleitung 5 kann eine Form, Geometrie und/oder Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, welche diese Förderung des Kühlmittels begünstigt. Von der ersten Kühlmittelleitung 5 zweigt zumindest eine zweite Kühlmittelleitung 6 ab, welche insbesondere horizontal im Blechpaket 2 jeweils in Richtung der Endscheiben 4a, 4b entlang der Magnete 1 verläuft. Bevorzugt zweigt auch zumindest eine dritte Kühlmittelleitung 7 von der ersten Kühlmittelleitung 5 ab, welche insbesondere derart horizontal im Blechpaket 2 jeweils in Richtung der Endscheiben 4a, 4b entlang der Magnete 1 verläuft, so dass durch die zweite Kühlmittelleitung 6 und die dritte Kühlmittelleitung 7 die Magnete 1 umschlossen werden, wie es in 2 gezeigt ist. Auch die zweite Kühlmittelleitung 6 und die dritte Kühlmittelleitung 7 können eine Form, Lage (z. B. eine geneigte oder gekrümmte Anordnung im Blechpaket 2), Geometrie und/oder Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, welche die Förderung des Kühlmittels begünstigt. Die zweite Kühlmittelleitung 6 und die dritte Kühlmittelleitung 7 werden im weiteren Verlauf im Blechpaket 2 zu einer vierten Kühlmittelleitung 8 zusammengeführt. Die vierte Kühlmittelleitung 8 mündet im Bereich der Anordnung der am Blechpaket 2 stirnseitig angeordneten Endscheibe 4a, 4b in eine in der Endscheibe 4a, 4b vorgesehene Fördergeometrie 9, welche im weiteren Verlauf noch konkret beschrieben wird. Auch die vierte Kühlmittelleitung 8 kann eine Form, Lage (z. B. eine geneigte oder gekrümmte Anordnung im Blechpaket 2), Geometrie und/oder Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, welche die Förderung des Kühlmittels begünstigt. Mittels der Fördergeometrie 9 wird das Kühlmittel entgegen der wirkenden (Flieh-) Kräfte durch eine radial in der Endscheibe 4a, 4b angeordnete fünfte Kühlmittelleitung 10 wieder zur bzw. in Richtung der Hohlwelle 3 gefördert. Die fünfte Kühlmittelleitung 10 kann eine von mehreren solcher Kühlmittelleitungen sein, die beispielsweise radial gerade oder auch gekrümmt bzw. spiralarmförmig ausgeführt sein können, d. h. auch die fünfte Kühlmittelleitung 10 kann eine Form, Lage, Geometrie und/oder Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, welche die Förderung des Kühlmittels begünstigt. Die beschriebene Förderung bzw. Strömung des Kühlmittels ist in 2 beispielhaft mittels Pfeilen zum Zweck einer besseren Übersichtlichkeit nur im linken oberen Teil des Rotors bzw. Hohlwelle 3, des Blechpakets 2 und den Endscheiben 4a, 4b gezeigt.
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Dadurch, dass die Endscheiben 4a, 4b gegen ein Verdrehen gegenüber der Hohlwelle 3 gesichert mit der Hohlwelle 3 verbunden sind, erfolgt bei der Rotation des Rotors beim Betrieb der elektrischen Maschine ein Umlaufen bzw. eine Rotation der in den dem Blechpaket 2 zugewandten Stirnseiten der Endscheiben 4a, 4b jeweils angeordneten Fördergeometrie 9, die insbesondere einer in der jeweiligen Endscheibe 4a, 4b angeordneten spiralförmigen Anordnung von Ausnehmungen bzw. Nuten oder Hervorhebungen bzw. Vorsprüngen, d. h. einem Förderelement oder mehreren Förderelementen, entspricht, das bzw. die insbesondere kontinuierlich ausgeführt sind, also entweder mit (einzelne Schaufeln) oder ohne (umlaufende spiralförmige Förderkante) Unterbrechung ausgeführt sind. Somit steht eine einfache Konstruktion bereit, da für ein Erreichen einer Förderwirkung keine zueinander beweglichen Bauteile erforderlich sind.
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Wie in 2 gezeigt, ist in der jeweiligen Endscheibe 4a, 4b in der dem Blechpaket 2 zugewandten Stirnseite zunächst eine Nut bzw. Ausnehmung eingearbeitet, welche eine in radialer Richtung nach innen (in Richtung der Hohlwelle 3) und eine in radialer Richtung nach außen (in Richtung des nicht gezeigten Stators/Gehäuses der elektrischen Maschine) weisende Umfangsfläche umfasst, wobei in die nach außen weisende Umfangsfläche wiederum eine, in axialer Richtung der Erstreckung der Endscheibe 4a, 4b in Richtung der dem Blechpaket 2 abgewandten Stirnseite verlaufende, schrauben-/spiral- bzw. wendelförmige Nut eingebracht ist, welche gemäß dem Prinzip eines Schneckenförderers arbeitet. Somit ergibt sich bei der Rotation des Rotors beim Betrieb der elektrischen Maschine zwischen dem aus der vierten Kühlmittelleitung 8 bzw. aus der Vielzahl von vierten Kühlmittelleitungen 8 heraustretenden und somit in die Fördergeometrie 9 eintretenden Kühlmittel dadurch eine große Geschwindigkeitsdifferenz/Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kühlmittel und der Fördergeometrie 9 bzw. dem Förderelement/den Förderelementen, dass die Fördergeometrie bzw. das Förderelement/die Förderelemente räumlich nahe dem Außenumfang der Endscheibe 4a, 4b, d. h. mit einem möglichst großen Abstand zur Hohlwelle 3 in der Endscheibe 4a, 4b angeordnet ist/sind, da die Umfangsgeschwindigkeit der Fördergeometrie 9 bzw. des Förderelements/der Förderelemente infolgedessen besonders hoch ist und auf das Kühlmittel ein möglichst großer Impuls übertragen wird, so dass eine sichere Förderung des Kühlmittels wieder zurück zur bzw. in Richtung der Hohlwelle 3 erfolgt, d. h. das Kühlmittel in einen Zustand mit einem Druck versetzt wird, welcher ausreicht, eine Strömung des Kühlmittels entgegen der wirkenden Fliehkräfte zu ermöglichen. D. h. die Fördergeometrie 9 wirkt insbesondere gemäß dem Prinzip einer (axialen) Strömungsmaschine, wobei das axial durch diese Strömungsmaschine geförderte Kühlmittel nach dem Austritt aus der Strömungsmaschine durch die fünfte Kühlmittelleitung 10 bzw. die Vielzahl von fünften Kühlmittelleitungen 10 in Richtung der Hohlwelle 3 strömt bzw. gefördert wird. Noch anders gesagt, entspricht die Fördergeometrie 9 einer Fluidpumpe axialer Bauart. Insgesamt erfolgt auf die beschriebene Weise ein freies und widerstandsarmes Fließen von Kühlmittel durch den Rotor.
