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Die Erfindung betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine aufweisend ein magnetfelderzeugendes System zur Erzeugung eines magnetischen Flusses sowie ein Aktivteileisen zum Halten des magnetfelderzeugenden Systems und zum Leiten des magnetischen Flusses des magnetfelderzeugenden Systems. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Die Maschinen weisen Aktivteile in Form von einem ortsfest gelagerten Stator bzw. Ständer sowie in Form von einem bezüglich des Stators beweglich gelagerten Rotor bzw. Läufer auf. Die Aktivteile weisen üblicherweise magnetfelderzeugende Systeme in Form von bestrombaren Wicklungen und/oder Permanentmagneten auf, welche von einem Aktivteileisen gehalten werden und einen magnetischen Fluss erzeugen.
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Im Betrieb der elektrischen Maschine erhitzt sich diese und wird daher üblicherweise gekühlt. Eine Kühlung kann jedoch Konflikte zwischen dem elektromagnetischen Verhalten und der thermischen Auslegung der elektrischen Maschine verursachen, beispielsweise indem der innerhalb des Aktivteileisens geführte magnetische Fluss durch eine Kühlung des Aktivteils stark eingeschränkt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlung für ein Aktivteil einer elektrischen Maschine bereitzustellen, welche ein elektromagnetisches Verhalten der elektrischen Maschine positiv beeinflusst.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aktivteil sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Ein erfindungsgemäßes Aktivteil für eine elektrische Maschine weist ein magnetfelderzeugendes System zur Erzeugung eines magnetischen Flusses sowie ein Aktivteileisen zum Halten des magnetfelderzeugendes Systems und zum Leiten des magnetischen Flusses des magnetfelderzeugendes Systems auf. Außerdem weist das Aktivteil eine Kühl- und Flussführungsstruktur auf, welche in das Aktivteileisen eingebettete und sich zumindest teilweise axial durch das Aktivteileisen erstreckende Elemente aufweist. Die Elemente sind als Kühlabschnitte zum Abführen von Abwärme des Aktivteils und zusätzlich als magnetische Flusssperrabschnitte zum Führen des magnetischen Flusses des magnetfelderzeugenden Systems innerhalb von Flussführungsabschnitten ausgebildet. Die Flussführungsabschnitte grenzen an die Flusssperrabschnitte an und sind durch das Aktivteileisen gebildet.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine mit zumindest einem erfindungsgemäßen Aktivteil. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als elektrische Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet werden. Die elektrische Maschine kann eine translatorisch arbeitende elektrische Maschine oder eine rotatorisch arbeitende elektrische Maschine sein. Die elektrische Maschine kann eine elektrisch erregte elektrische Maschine, eine permanenterregte elektrische Maschine oder eine hybriderregte elektrische Maschine sein. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Synchronmaschine, kann jedoch auch als eine Asynchronmaschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine weist zwei Aktivteile in Form von einem ortsfest gelagerten Stator bzw. Ständer sowie einem bezüglich des Stators beweglich, beispielsweise drehbar, gelagerten Rotor bzw. Läufer auf. Der Stator weist ein statorseitiges, magnetfelderzeugendes System auf, welches beispielsweise bestrombare Statorwicklungen aufweist. Das statorseitige, magnetfelderzeugende System wird von einem statorseitigen Aktivteileisen, beispielsweise ein Statorblechpaket bzw. Statoreisen, gehalten.
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Der Rotor kann als Innenläufer oder Außenläufer ausgebildet sein und weist ein rotorseitiges, magnetfelderzeugendes System bzw. Erregersystem auf. Das Erregersystem weist zur Ausbildung einer elektrisch erregten Maschine zumindest eine bestrombare Rotorwicklung auf, welche zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses ausgebildet ist. Zur Ausbildung einer permanenterregten Maschine weist das Erregersystem zumindest einen Permanentmagneten auf, welcher zur Erzeugung eines permanenterregten magnetischen Flusses ausgebildet ist. Zur Ausbildung einer hybriderregten Maschine weist das Erregersystem zumindest eine Rotorwicklung und zumindest einen Permanentmagneten auf, deren magnetische Flüsse sich überlagern können. Auch kann die Maschine Kavitäten zur Reluktanzbildung aufweisen, sodass zusätzlich der Reluktanzeffekt erzielt wird. Das Erregersystem wird von einem rotorseitigen Aktivteileisen, also einem Rotoreisen, welches beispielsweise als Rotorblechpaket oder massives Rotoreisen ausgebildet sein kann, gehalten. Das Rotoreisen führt zudem den magnetischen Fluss des Erregersystems.
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Um eine im Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Abwärme abführen zu können, weist zumindest eines der Aktivteile, also der Rotor und/oder der Stator, die Kühl- und Flussführungsstruktur mit den Elementen auf. Die Elemente sind dabei in das Aktivteileisen eingebettet. Insbesondere weist das Aktivteileisen dazu sich zumindest teilweise axial durch das Aktivteileisen erstreckende Kavitäten zum Aufnehmen der Elemente auf. Die Kavitäten und damit die Elemente sind entlang eines Umfangs des Aktivteileisens beabstandet zueinander angeordnet. Die Kavitäten sind dabei radial innerhalb einer Außenseite bzw. eines Außenrands des Aktivteils, welche bzw. welcher an einen Luftspalt der elektrischen Maschine zwischen den zwei Aktivteilen angrenzt, angeordnet. Die Elemente erstrecken sich dabei zumindest teilweise axial durch das Aktivteileisen. Die Elemente sind multifunktional ausgebildet und können als Kühlabschnitte die Abwärme, beispielsweise die Abwärme des magnetfelderzeugenden Systems, in axialer Richtung ableiten bzw. abführen.
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Die Elemente fungieren zusätzlich als magnetische Flusssperrabschnitte bzw. magnetische Flussbarrieren, während das an die Flusssperrabschnitte angrenzende Aktivteileisenmaterial als Flussführungsabschnitte fungiert. Die magnetischen Flussführungsabschnitte und die magnetischen Flusssperrabschnitte sind entlang des Umfangs insbesondere abwechselnd angeordnet. Die magnetischen Flusssperrabschnitte können dabei äquidistant oder nicht äquidistant zueinander angeordnet werden. Die magnetischen Flusssperrabschnitte wirken dabei als magnetische Widerstände, welche eine Orientierung des magnetischen Flusses und damit eine Konzentration des magnetischen Flusses in den angrenzenden magnetischen Flussführungsabschnitten beeinflussen können. Die Elemente können dabei eine beliebige Querschnittsform, beispielsweise rund, oval, rechteckförmig, trapezförmig, etc. aufweisen.
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Durch die geschickte Kombination aus Kühlung und Flussführung mittels der Elemente kann ein vorteilhafter Kompromiss zwischen direkter Kühlung des Aktivteils und der elektromagnetischen Auslegung des Aktivteils bereitgestellt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Aktivteil ein Schenkelpolrotor ist und das Aktivteileisen einen Jochring und zumindest zwei, entlang eines Umfangs des Jochrings an dem Jochring angeordnete Schenkelpole aufweist, welche jeweils einen radial von dem Jochring abstehenden Polschaft und jeweils einen an dem Polschaft angeordneten Polschuh aufweisen, wobei die Elemente in die Polschuhe eingebettet sind. Im Falle eines Innenläufers sind die Schenkelpole entlang eines Außenumfangs des Jochrings bzw. ringförmigen Rotorjochs verteilt angeordnet und stehen radial nach außen hin ab. Das Rotorjoch und die Schenkelpole sind insbesondere einteilig ausgebildet. Die Schenkelpole weisen jeweils einen Polschaft bzw. Polkern und einen Polschuh auf, wobei ein Außenrand des Polschuhs dem Luftspalt der elektrischen Maschine zugewandt ist und der Polschaft zwischen dem Jochring und dem Polschuh angeordnet ist.
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Der Polschaft weist vorzugsweise eine rechteckförmige Querschnittsfläche auf, ist also vorzugsweise parallelflankig ausgebildet. Der Polschuh weist entweder eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf, sodass die Schenkelpole eine pilzförmige Querschnittsfläche aufweisen und zwischen der Oberfläche der Schenkelpole und dem Innendurchmesser des Stators ein inhomogener Luftspalt resultiert. Auch kann der Polschuhe eine zylinderförmige Querschnittsfläche aufweisen, sodass zwischen der Oberfläche der Schenkelpole und dem Innendurchmesser des Stators ein homogener Luftspalt resultiert. Zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen sind Nuten gebildet, in welchen beispielsweise um die Polschäfte gewickelten Erregerwicklungen bzw. Rotorwicklungen angeordnet sind. Die Erregerwicklungen werden bei einer Rotation des Rotors durch die Polschuhe, und gegebenenfalls mittels Nutverschlusskeilen zwischen den Polschuhen, auf den Polschäften gehalten. Zum Erzeugen eines elektrisch erregten Flusses kann den Rotorwicklungen ein Strom zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich zu den Erregerwicklungen können auch Permanentmagnete in das Rotoreisen eingebettet sein.
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Die als Kühlabschnitte und Flusssperrabschnitte fungierenden Elemente sind in die Polschuhe eingebettet. Insbesondere sind pro Polschuh mehrere Elemente entlang des Umfangs beabstandet zueinander angeordnet. Jeder Polschuh kann dazu mehrere, entlang des Umfangs beabstandet zueinander angeordnete Kavitäten aufweisen, in welchen die Elemente angeordnet sind. Diese Kavitäten sind mit den Elementen gefüllt.
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Zwischen den Kavitäten bildet das Material des Rotoreisens die Flussführungsabschnitte innerhalb des Polschuhs aus.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das Aktivteil ein Vollpolrotor ist und das Aktivteileisen entlang eines Umfangs des Aktivteileisens verteilt angeordnete Aufnahmebereiche zum Aufnehmen des magnetfelderzeugenden Systems aufweist, wobei die Elemente in zwischen den Aufnahmebereichen angeordneten Aktivteileisenbereichen eingebettet sind. Beispielsweise kann eine dem Stator zugewandte Außenseite des Vollpolrotors Nuten aufweisen, in welchen Erregerwicklungen angeordnet sind. Zwischen den Nuten sind Nutzähne angeordnet, in welche die Elemente eingebettet sein können.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Elemente zumindest teilweise als passive Wärmeleitelemente aus einem thermisch leitfähigen Material, insbesondere Kupfer, ausgebildet, welche dazu ausgelegt sind, eine Abwärme des Aktivteils axial abzuleiten und einer Wärmesenke zuzuführen. Die Elemente können beispielsweise als thermisch leitfähige Stäbe ausgebildet sein, welche in den Kavitäten des Aktivteileisens angeordnet sind und sich zumindest teilweise axial durch das Aktivteileisen erstrecken.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Elemente zumindest teilweise als Heatpipes ausgebildet. Die Heatpipes weisen eine Wandung auf, welche ein Volumen umschließt. In dem Volumen sind eine Kapillarstruktur, ein Hohlraum sowie ein Arbeitsmedium angeordnet. Auf. Das Arbeitsmedium ist in der Kapillarstruktur in flüssigem Zustand gespeichert. Ein Wärmeeintrag erhöht die Temperatur des Arbeitsmediums so lange, bis dieses verdampft, sich in dem Hohlraum verteilt und an anderer Stelle wieder auskondensiert. Heatpipes weisen den Vorteil auf, dass sie ohne Verwendung einer Pumpe Abwärme abtransportieren können. Die als Heatpipes und/oder passive Wärmeleitelemente ausgebildeten Kühlabschnitte sind insbesondere mit einer Wärmesenke thermisch gekoppelt. Die Wärmesenke kann beispielsweise ein Kühlkörper der elektrischen Maschine sein, an welchen die Elemente thermisch angekoppelt sind. Beispielsweise kann sich die Wärmesenke bzw. thermische Senke bei einem Aktivteil in Form von einem Rotor in einer Welle des Rotors befinden, durch welche die Wärme des Rotors abgeführt wird. Dazu sind die sich axial erstreckenden Elemente beispielsweise über ein weiteres Wärmeleitelement mit der Wärmesenke gekoppelt, wobei das weitere Wärmeleitelement die Abwärme radial leitet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Elemente zumindest teilweise als rohrförmige, von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle bzw. Hohlleiter ausgebildet. Die Kühl- und Flussführungsstruktur ist also zur aktiven Kühlung des Aktivteils ausgebildet, indem die Elemente als Hohlleiter ausgeführt sind, welche die sich zumindest teilweise axial durch das Blechpaket erstreckenden Kühlkanäle ausbilden. Die Kühlkanäle sind von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel durchströmbar. Die Kühlkanäle sind dabei an einen Kühlkreis der elektrischen Maschine, in welchem das Kühlmittel zirkulieren kann, angebunden.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Elemente zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sind und die Elemente elektrisch miteinander verbunden sind, sodass durch die Einrichtung ein Dämpfungskäfig gebildet ist. Beispielsweise können die Wärmeleitelemente sowie die Wandungen der Kühlkanäle bzw. der Heatpipes aus dem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein. An einander gegenüberliegen Stirnseiten des Aktivteils sind die elektrisch leitfähigen Elemente kurzgeschlossen, sodass sich der Dämpfungskäfig ergibt.
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Besonders bevorzugt weist das Aktivteil, welches insbesondere als Rotor ausgebildet ist, zur Ausbildung des Dämpfungskäfigs und der Kühlabschnitte als die Elemente bestrombare, als Dämpferwicklungen fungierende Hohlleiter auf, welche von einem Kühlmittel durchströmbar sind. Die Elemente weisen also drei Funktionen auf. Erstens kann durch gezieltes Bestromen der Dämpferwicklungen die magnetische Durchflutung aktiv beeinflusst werden. Zweiten werden die magnetischen Flusssperren aufgrund der für die Dämpferwicklung erzeugten Kavitäten im Aktivteilblechpaket erzeugt bzw. bereitgestellt. Drittens können die Dämpferwicklungen durch das Führen von Kühlmittel in den Hohlleitern aktiv gekühlt werden.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Aktivteil vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist ein erstes Aktivteil 2 in Form von einem hier hohlzylinderförmigen Stator 3 und ein zweites Aktivteil 4 auf, welches hier als ein innerhalb des Stators 3 drehbar gelagerter Schenkelpolrotor 5 ausgebildet ist. Der Stator 3 weist ein erstes Aktivteileisen 6 bzw. Statoreisen und der Schenkelpolrotor 5 weist ein zweites Aktivteileisen 7 bzw. Rotoreisen auf. Das Statoreisen 6 weist entlang einer Umfangsrichtung U eine Vielzahl von Statornuten 6a auf, in welchen ein hier nicht gezeigtes magnetfelderzeugendes System mit bestrombaren Statorwicklungen angeordnet werden kann.
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Das Rotoreisen 7 weist hier einen Jochring 8 sowie mehrere Schenkelpole 9 auf, welche entlang der Umfangsrichtung U verteilt angeordnet sind. Die Schenkelpole 9 weisen einen Polschaft 10 sowie einen Polschuh 11 auf. Eine Außenseite 12 des Polschuhs 11 ist angrenzend an einen Luftspalt 13 der elektrischen Maschine 1 angeordnet. Der Schenkelpolrotor 5 weist ebenfalls ein hier nicht gezeigtes magnetfelderzeugendes System zur Erzeugung eines magnetischen Flusses auf, welches beispielsweise Erregerwicklungen und/oder Permanentmagnete aufweisen kann. Die Erregerwicklungen können beispielsweise um die Polschäfte 10 gewickelt sein und von den Polschuhen 11 gehalten werden.
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Hier weist das zweite Aktivteil 4 eine Kühl- und Flussführungsstruktur 14 auf, welche durch in das Aktivteileisen 7 eingebettete Elemente 15 gebildet ist. Die Elemente 15 sind dazu ausgelegt, das Aktivteil 4 zu kühlen und den magnetischen Fluss des magnetfelderzeugenden Systems innerhalb des Aktivteileisens 7 zu führen bzw. zu beeinflussen. Die Elemente 15 bilden dazu sowohl Kühlabschnitte 16 als auch Flusssperrabschnitte 17 aus. Zum Ausbilden der Kühlabschnitte 16 können die Elemente 15 beispielsweise als thermisch leitfähige Stäbe, als Heatpipes oder als kühlmittelführende Kühlrohre ausgebildet sein. Die Elemente 15 können auch elektrisch leitfähig und kurzgeschlossen sein, sodass die Kühl- und Flussführungsstruktur 14 einen Dampferkäfig des Schenkelpolrotors 5 ausbildet. Insbesondere sind die Elemente 15 dazu als von einem Kühlmittel durchströmbare, bestrombare Hohlleiter ausgebildet. In ihrer Funktion als Flusssperrabschnitte 17 sind die Elemente 15 dazu ausgelegt, den magnetischen Fluss des magnetfelderzeugenden Systems in angrenzenden Flussführungsabschnitten 18 zu beeinflussen. Die Flussführungsabschnitte 18 sind durch Aktivteileisenbereiche ausgebildet.
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Die Kühl- und Flussführungsstruktur 14 ist hier in die Polschuhe 11 integriert bzw. eingebettet. Dazu können in den Polschuhen 11 Kavitäten bzw. Durchführungen angeordnet sein, welche sich zumindest teilweise axial durch den Polschuh 11 erstrecken und in welchen die Elemente 15 angeordnet sind. Die Kavitäten sind hier entlang der Umfangsrichtung U beabstandet zueinander angeordnet, sodass in dem Polschuh 11 entlang der Umfangsrichtung U abwechselnd Flusssperrabschnitte 17 und Flussführungsabschnitte 18 gebildet sind. Zwischen den Flusssperrabschnitten 17 und der Außenseite 12 der Polschuhe 11 befinden sich Stege 19, welche durch Material des Aktivteileisens 7 gebildet sind und welche beispielsweise eine in Umfangsrichtung U konstante oder veränderliche Dicke aufweisen können.
