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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, sind als Motoren und Generatoren einsetzbar. Insbesondere im Rahmen der Hybridisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugen sind derartige elektrische Maschinen einsetzbar.
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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 hierdurch erhöhte 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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Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass in derartigen elektrischen Maschinen verwendete Permanentmagnete eine maximale Einsatztemperatur aufweisen, bei deren Überschreitung die Magnetisierung signifikant vermindert wird bzw. verlorengeht. Ebenso besitzen Wicklungen eine zulässige Maximaltemperatur, die nicht überschritten werden darf.
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Variable Last- und Drehzahlprofile führen zu transienten Erwärmungsprofilen. Es treten in derartigen elektrischen Maschinen verschiedene Wärmequellen auf, wobei beispielhaft Stromwärmeverluste im Kupfer, Ummagnetisierungsverluste in Eisen und Magneten oder mechanische Verluste genannt seien. Diese Wärmequellen weisen unterschiedliche Abhängigkeiten von 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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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die elektrische Maschine weist einen Rotor auf, der eine sich in axialer Richtung erstreckende Rotorwelle und einen die Rotorwelle umgebenden Rotorkörper aufweist, und einen den Rotor umgebenden Stator. Der Rotorkörper und der Stator sind zweckmäßigerweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehen. An einem ersten axialen Ende des Rotorkörpers ist eine erste Wuchtscheibe vorgesehen und an einem zweiten axialen Ende des Rotorkörpers eine zweite Wuchtscheibe. Insbesondere sorgen diese Wuchtscheiben für eine mechanische Robustheit des Rotors.
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An einer dem Rotorkörper zugewandten Innenseite der ersten Wuchtscheibe, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, ist ein erster radialer Kanal bzw. ein erster sich radial erstreckender Kanal vorgesehen, der von einer ersten radialen Position bis zu einem radialen äußeren Ende der ersten Wuchtscheibe verläuft. Dieser erste radiale Kanal verläuft bzw. erstreckt sich insbesondere in radialer Richtung oder zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung und somit insbesondere senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Drehachse des Rotors. Der erste radiale Kanal kann in der Wuchtscheibe insbesondere als Vertiefung, Aussparung, Einbuchtung oder Nut vorgesehen sein und wird für eine Kühlmittelströmung zur Kühlung des Rotors in einem oder mehreren Kühlmittelkanälen verwendet.
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In der ersten Wuchtscheibe ist an der ersten radialen Position eine erste axiale Bohrung vorgesehen, insbesondere derart, dass ein erster Kühlmittelkanal durch die erste axiale Bohrung und durch den ersten radialen Kanal gebildet wird. Besonders zweckmäßig ist dieser erste Kühlmittelkanal vorgesehen, um Luft als Kühlmittel zu leiten. Die erste axiale Bohrung durchdringt die erste Wuchtscheibe komplett, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem ersten radialen Kanal und einem Luftraum der elektrischen Maschine hergestellt ist. Besonders zweckmäßig wird der erste Kühlmittelkanal derart gebildet, dass Luft als Kühlmittel von dem Luftraum durch die axiale Bohrung und durch den ersten radialen Kanal strömen kann und durch das radiale äußere Ende der ersten Wuchtscheibe zurück in den Luftraum strömen kann und dabei insbesondere auf den Stator geschleudert werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich verläuft von der ersten radialen Position der ersten Wuchtscheibe ausgehend innerhalb des Rotorkörpers eine erste Rotoraussparung bis zu einer zweiten radialen Position der zweiten Wuchtscheibe. Diese erste Rotoraussparung verläuft insbesondere in axialer Richtung oder zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung und somit insbesondere parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zu der Drehachse des Rotors. In der zweiten Wuchtscheibe ist an der zweiten radialen Position eine zweite axiale Bohrung vorgesehen, insbesondere derart, dass ein zweiter Kühlmittelkanal durch die zweite axiale Bohrung, durch die erste Rotoraussparung und durch den ersten radialen Kanal gebildet wird.
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Die zweite axiale Bohrung durchdringt die zweite Wuchtscheibe komplett, so dass eine Fluidverbindung zwischen der ersten Rotoraussparung und einem Luftraum der elektrischen Maschine hergestellt ist. Insbesondere ist auch dieser zweite Kühlmittelkanal vorgesehen, um Luft als Kühlmittel zu leiten. Zweckmäßigerweise ist der zweite Kühlmittelkanal derart gebildet, dass Luft als Kühlmittel durch die zweite axiale Bohrung, durch die erste Rotoraussparung und durch den ersten radialen Kanal strömen kann und durch das radiale äußere Ende der ersten Wuchtscheibe hinausströmen kann und dabei insbesondere auf den Stator geschleudert werden kann. In dem Rotor kann die Luft Wärme von dem Rotorkörper aufnehmen und diesen kühlen.
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Es sei angemerkt, dass die Nummerierung einzelner Elemente („erste“ Wuchtscheibe, „zweite“ Wuchtscheibe, „erste“ axiale Bohrung, „zweite“ axiale Bohrung, „erster“ Kühlmittekanal, „zweiter“ Kühlmittekanal usw.) im vorliegenden Zusammenhang keine Reihenfolge, Wertung, Präferenz oder Relevanz der einzelnen Elemente zum Ausdruck bringen soll, sondern zur klaren und deutlichen Unterscheidung der einzelnen Elemente dienen soll. Es versteht sich, dass ohne Beschränkung der Allgemeinheit jede der beiden Wuchtscheiben der elektrischen Maschine zweckmäßigerweise als entsprechende „erste“ oder „zweite“ Wuchtscheibe ausgebildet sein kann.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine effektive und verbesserte Rotorkühlung, eine einfache und wartungsarme Zuführung von Kühlmittel durch die axialen Bohrungen, eine einfache und gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels durch die Rotationsbewegung des Rotors und eine effektive Umwälzung des Kühlmittels. Durch das erfindungsgemäße Konzept ist ferner eine direkte Kühlung von elektromagnetisch wirksamen Komponenten wie etwa Permanentmagneten und/oder Wickelköpfen des Rotors sowie des Stators unter Ausnutzung sehr kurzer Wärmepfade geschaffen.
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Der erste radiale Kanal in der ersten Wuchtscheibe in Verbindung mit der ersten bzw. zweiten axialen Bohrung in den Wuchtscheiben erlaubt es besonders zweckmäßig, automatisch eine Luftströmung durch den jeweiligen Kühlkanal zu erzeugen und damit den Rotor und Stator effektiv zu kühlen. Luft kann automatisch gefördert bzw. durch die axialen Bohrungen angesaugt werden, durch den Rotor transportiert und radial ausgestoßen werden. Dabei kann die Luft beispielsweise Wickelköpfe oder Permanentmagnete umströmen, an einem Gehäuse der elektrischen Maschine entlang geleitet und schließlich wieder angesaugt werden. Durch diese Luftströmung kann eine konvektive Wärmeübertragung erhöht werden.
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Die Ausbildung des ersten radialen Kanals und der axialen Bohrung(en) in der bzw. den Wuchtscheiben erweist sich als sehr platzsparend, wobei die Wuchtscheiben zunächst für eine mechanische Robustheit des Rotors sorgen und ferner für die Strömung von Kühlmittel verwendet werden können. Für eine hohe Förderwirkung und hohe Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels ist insbesondere ein steiler, radialer Kanalwinkel zweckmäßig. Für ein verbessertes NVH-Verhalten (Noise-Vibration-Harshness) und eine stabile Kennlinie ist insbesondere ein flacher, tangentialer Austrittswinkel des radialen Kanals zweckmäßig.
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Die Rotorkühlung kann zweckmäßigerweise als eine reine Luftkühlung nur mit Luft als Kühlmittel betrieben werden, wobei Luft axial in den Rotor gesaugt und radial in Richtung des Stators bzw. der Wickelköpfe geschleudert wird. Ein derartiger Luftkreislauf kann beispielsweise offen vorgesehen sein, insbesondere durch Ansaugen von Umgebungsluft und Ausstoßen heißer Luft, oder auch geschlossen, insbesondere durch Umwälzung der Luft im Maschinen- bzw. Luftraum der elektrischen Maschine.
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Vorteilhafterweise ist an einer der Rotorwelle zugewandten Innenseite eines Gehäuses der elektrischen Maschine ein Wärmeübertragungselement vorgesehen, insbesondere in Form einer Rippenstruktur. Das Wärmeübertragungselement kann an einer entsprechenden sich axial und/oder radial erstreckenden Innenseite des Gehäuses vorgesehen sein und dient insbesondere der Übertragung von Wärme zwischen Luft und Gehäuse, so dass ein geschlossener Luftkreislauf ermöglicht wird. Luft kann besonders zweckmäßig aus dem Luftraum durch die erste axiale Bohrung angesaugt werden, durch den ersten radialen Kanal transportiert und wieder in den Luftraum ausgestoßen werden. Innerhalb des Luftraums kann die erwärmte Luft umgewälzt und durch Kontakt mit einem Kühlkörper oder mit einem Kühlmittel (z.B. Ölnebel) abgekühlt werden, um anschließend wieder durch die erste axiale Bohrung angesaugt zu werden.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine Öffnung in einem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehen. Durch diese Öffnung(en) kann zweckmäßigerweise frische, kühle Luft von außerhalb der elektrischen Maschine angesaugt werden und warme Luft kann aus der elektrischen Maschine aufgestoßen werden. Besonders zweckmäßig wird somit ein offener Luftkreislauft ermöglicht.
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Bevorzugt ist an einer ersten Seite des Gehäuses, insbesondere an einer der ersten Wuchtscheibe benachbarten Seite des Gehäuses, wenigstens eine erste Öffnung vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich ist an einer zweiten Seite des Gehäuses, insbesondere an einer der zweiten Wuchtscheibe benachbarten Seite des Gehäuses, vorzugsweise wenigstens eine zweite Öffnung vorgesehen ist. Beispielsweise kann im Rahmen des offenen Luftkreislaufs durch die zweite(n) Öffnung(en) frische Luft angesaugt werden, durch den zweiten Kühlmittelkanal transportiertet werden, also durch die zweite axiale Bohrung, die erste Rotoraussparung und den ersten radialen Kanal, und durch die erste(n) Öffnung(en) wieder ausgestoßen werden.
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Besonders vorteilhaft ist bzw. sind an der ersten und/oder zweiten Seite des Gehäuses und/oder des Kühlkanals jeweils wenigstens ein Element vorgesehen, welches bei rotierendem Rotor einen Druckunterschied zwischen der wenigstens einen ersten Öffnung und wenigstens einen zweiten Öffnung erzeugt, insbesondere jeweils ein schaufelförmiges Element. Dieses kann selbst rotorfest, also statisch im Bezugssystem des Rotors angeordnet sein und beispielsweise in Form mehrerer Schaufeln auf der Wuchtscheibe, die in den Kühlkanal ragen, ausgeführt sein. Diese einen Druckunterschied erzeugenden Elemente können jeweils insbesondere eine schaufelförmige Struktur aufweisen und erzeugen zweckmäßigerweise ein Druckgefälle derart, dass Luft durch die zweite(n) Öffnung(en) angesaugt, durch den zweiten Kühlmittelkanal transportiertet und durch die erste(n) Öffnung(en) ausgestoßen werden kann und somit ein offener Luftkreislauf erzeugt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die elektrische Maschine dazu eingerichtet, Luft oder Luft und eine Kühlflüssigkeit, z.B. ein Öl, als Kühlmittel zumindest teilweise durch den ersten Kühlmittelkanal und/oder durch den zweiten Kühlmittelkanal zu leiten. Die vorliegende elektrische Maschine ermöglicht es somit besonders zweckmäßig nur Luft als Kühlmittel im Zuge einer reinen Luftkühlung zu verwenden oder eine hybride Kühlung vorzusehen mit Luft als einem ersten Kühlmittel und mit der Kühlflüssigkeit als einem zweiten Kühlmittel, so dass insbesondere ein Luft-Flüssigkeits-Gemisch zur Kühlung verwendet wird. Die Kühlflüssigkeit kann zweckmäßigerweise dem Luftmassenstrom untergemischt (Dispersion) werden, wodurch die thermischen Eigenschaften des Kühlmittels verbessert werden.
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Im Zuge einer derartigen hybriden Kühlung kann Luft durch die axiale(n) Öffnung(en) in den Wuchtscheiben angesaugt werden und mit der Flüssigkeit vermischt und umgewälzt werden. Dabei unterstützt die umgewälzte Luft die gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit und wirkt auch selbst als wärmeübertragendes Medium. Die Luft erhöht zweckmäßigerweise die konvektive Wärmeübertragung und dient als Trägermedium für Flüssigkeitstropfen. Die Kühlflüssigkeit kann somit gleichmäßiger im Luftraum der elektrischen Maschine verteilt werden.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine Injektionsvorrichtung vorgesehen und dazu eingerichtet, die Kühlflüssigkeit in die erste Rotoraussparung zu injizieren und/oder innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine zu injizieren, insbesondere in eine Luftströmung. Die Kühlflüssigkeit kann somit zweckmäßigerweise dem Luftmassenstrom untergemischt werden und die thermischen Eigenschaften des Kühlmittels können verbessert werden. Beispielsweise kann die Kühlflüssigkeit durch die Injektionsvorrichtung in einen Ansaugkanal der elektrischen Maschine injiziert werden, beispielsweise an einer der Öffnungen in dem Gehäuse.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist innerhalb der Rotorwelle eine Wellenbohrung vorgesehen, wobei die Wellenbohrung mit der ersten Rotoraussparung innerhalb des Rotorkörpers in Fluidverbindung steht, insbesondere derart, dass ein dritter Kühlmittelkanal durch die Wellenbohrung, durch die erste Rotoraussparung und durch den ersten radialen Kanal in der ersten Wuchtscheibe gebildet wird. Die erste Rotoraussparung kann hierbei über entsprechende, in der Rotorwelle ausgebildete radiale Öffnungen mit der axialen Wellenbohrung der Rotorwelle in fluider Verbindung stehen. Besonders zweckmäßig ist dieser dritte Kühlmittelkanal für die Kühlflüssigkeit im Zuge der hybriden Kühlung vorgesehen. Insbesondere wird der dritte Kühlmittelkanal derart gebildet, dass die Kühlflüssigkeit durch die Wellenbohrung, durch die erste Rotoraussparung und den sich radial erstreckenden Kanal strömen kann und durch das radiale, äußere Ende der ersten Wuchtscheibe hinausströmen kann und insbesondere auf den Stator geschleudert werden kann. Ein Teil des zweiten und des dritten Kühlmittelkanals wird somit durch dieselben Elemente gebildet, insbesondere durch die erste Rotoraussparung und den ersten radialen Kanal in der ersten Wuchtscheibe. Zweckmäßigerweise wird die Kühlflüssigkeit in diesen Elementen mit der Luft vermischt.
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Die Rotorwelle kann wenigstens an einem axialen Ende über die axiale Erstreckung des Gehäuses der elektrischen Maschine mit einem Wellenstummel bzw. Wellenstumpf hinausragen. Ein derartiger Wellenstummel kann als ein Einlass ausgebildet sein, über den die Kühlflüssigkeit in die Wellenbohrung eintreten kann. Ferner kann Kühlflüssigkeit nach dem Ausschleudern auf den Stator in einem Sumpfbereich in dem Gehäuse der elektrischen Maschine gesammelt werden, und beispielsweise durch einen Rückstau für die Abscheidung von Luftblasen sorgen. Durch Auslassbohrungen in dem Gehäuse kann die Kühlflüssigkeit in einen entsprechenden Kreislauf zurückgeführt werden, in dem es anschließend durch einen Wärmetauscher konditioniert werden kann.
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Vorzugsweise ist an einer dem Rotorkörper zugewandten Innenseite der zweiten Wuchtscheibe ein zweiter radialer Kanal bzw. ein zweiter sich radial erstreckender Kanal vorgesehen, der in radialer Richtung oder zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von der Rotorwelle bis zu der zweiten radialen Position verläuft. Die Wellenbohrung innerhalb der Rotorwelle steht vorzugsweise mit der ersten Rotoraussparung innerhalb des Rotorkörpers über diesen zweiten radialen Kanal in Fluidverbindung. Die Kühlflüssigkeit kann somit besonders zweckmäßig von der Wellenbohrung durch den zweiten radialen Kanal in die erste Rotoraussparung geleitet werden und sich dort mit der Luft vermischen. Das auf diese Weise erzeugte Luft-Flüssigkeits-Gemisch kann durch den restlichen Teil der ersten Rotoraussparung und den ersten radialen Kanal in der ersten Wuchtscheibe strömen und durch das radiale, äußere Ende der ersten Wuchtscheibe auf den Stator geschleudert werden.
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Vorteilhafterweise ist innerhalb des Rotorkörpers eine zweite Rotoraussparung vorgesehen, wobei eine erste Strömungsrichtung innerhalb der ersten Rotoraussparung und eine zweite Strömungsrichtung innerhalb der zweiten Rotoraussparung gegenläufig zueinander sind. Wie auch die erste Rotoraussparung erstreckt sich diese zweite Rotoraussparung insbesondere in axialer Richtung oder zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung, insbesondere parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse des Rotors. Zweckmäßigerweise verlaufen die erste und die zweite Rotoraussparung parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zueinander. Insbesondere können die erste und zweite Rotoraussparung in demselben radialen Abstand zu der Rotorwelle vorgesehen sein. Durch diese Rotoraussparungen können insbesondere gegenläufige Kühlmittelströme innerhalb des Rotorkörpers erzeugt werden, wodurch der Rotor besonders effektiv und gleichmäßig gekühlt werden kann. Insbesondere können derartige Rotoraussparungen ohnehin in dem Rotorkörper vorgesehen sein, um diesen in Leichtbauweise zu fertigen. Die ohnehin vorhandenen Rotoraussparungen können dann auf kostengünstige und aufwandsarme Weise zusätzlich für die Kühlung des Rotors und des Stators verwendet werden.
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Vorzugsweise ist an der dem Rotorkörper zugewandten Innenseite der ersten Wuchtscheibe ein dritter radialer Kanal bzw. ein dritter sich radial erstreckender Kanal von der Rotorwelle bis zu der zweiten Rotoraussparung vorgesehen, wobei die Wellenbohrung innerhalb der Rotorwelle mit der zweiten Rotoraussparung innerhalb des Rotorkörpers über diesen dritten radialen Kanal in Fluidverbindung steht. Dieser dritte radiale Kanal kann in der ersten Wuchtscheibe zweckmäßigerweise entsprechend dem zweiten radialen Kanal in der zweiten Wuchtscheibe vorgesehen sein.
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Vorzugsweise ist an der dem Rotorkörper zugewandten Innenseite der zweiten Wuchtscheibe ein vierter radialer Kanal bzw. ein vierter sich radial erstreckender Kanal von der zweiten Rotoraussparung bis zu einem radialen äußeren Ende der zweiten Wuchtscheibe vorgesehen. Insbesondere ist dieser vierte Kanal in der zweiten Wuchtscheibe entsprechend dem ersten radialen Kanal in der ersten Wuchtscheibe vorgesehen.
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Dieser dritte und vierte radiale Kanal sind zweckmäßigerweise derart vorgesehen, dass ein vierter Kühlmittelkanal durch die Wellenbohrung, durch den dritten radialen Kanal in der ersten Wuchtscheibe, durch die zweite Rotoraussparung und durch den vierten radialen Kanal in der zweiten Wuchtscheibe gebildet wird.
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Dieser vierte Kühlmittelkanal ist insbesondere entsprechend dem dritten Kühlmittelkanal vorgesehen, jedoch mit entgegengesetzter Strömungsrichtung innerhalb des Rotorkörpers.
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Die beiden Wuchtscheibe können besonders zweckmäßig baugleich oder zumindest im Wesentlichen baugleich ausgebildet sein und zweckmäßigerweise zueinander verdreht an den axialen Enden des Rotorkörpers angeordnet sein. Die Ausbildung von derartigen radialen Verbindungskanälen in den Wuchtscheiben erweist sich als sehr platzsparend. Die an beiden axialen Enden mit einer Kanalstruktur ausgebildeten Wuchtscheiben ermöglichen einen Eintritt von Kühlflüssigkeit von der Wellenbohrung in den Rotorkörper an seinen beiden axialen Enden. Hiermit ist eine gegenläufige Strömung von Kühlflüssigkeit durch in axialer Richtung parallel zueinander in dem Rotorkörper verlaufende Rotoraussparungen bereitstellbar, ohne dass eine Umlenkung der durch die Rotoraussparungen strömenden Kühlflüssigkeit innerhalb des Rotorkörpers notwendig ist. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßige Kühlung des Rotorkörpers erzielbar. Mit anderen Worten tritt hierdurch Kühlflüssigkeit an beiden axialen Enden in den Rotorkörper ein, und kann dann anschließend durch die Rotoraussparungen innerhalb des Rotorkörpers an das jeweilige andere axiale Ende des Rotorkörpers transportiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist in der zweiten Wuchtscheibe an einer radialen Position der zweiten Rotoraussparung eine dritte, die zweite Wuchtscheibe durchdringende axiale Bohrung vorgesehen, insbesondere derart, dass ein fünfter Kühlmittelkanal, zweckmäßigerweise für Luft als Kühlmittel, durch die dritte axiale Bohrung und durch den vierten radialen Kanal gebildet wird. Dieser fünfte Kühlmittelkanal kann insbesondere entsprechend dem ersten Kühlmittelkanal vorgesehen sein, jedoch an der entgegengesetzten Wuchtscheibe. Durch den ersten und fünften Kühlmittelkanal kann zweckmäßigerweise an beiden Wuchtscheiben ein Luftstrom von dem Luftraum durch die jeweilige axiale Bohrung und den jeweiligen radialen Kanal zurück in den Luftraum ermöglicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise in der ersten Wuchtscheibe an der radialen Position der zweiten Rotoraussparung eine vierte, die erste Wuchtscheibe durchdringende axiale Bohrung vorgesehen, insbesondere derart, dass ein sechster Kühlmittelkanal, insbesondere für Luft als Kühlmittel, durch die vierte axiale Bohrung, durch die zweite Rotoraussparung und durch den vierten radialen Kanal gebildet wird. Dieser sechste Kühlmittelkanal kann insbesondere entsprechend dem zweiten Kühlmittelkanal vorgesehen sein, jedoch mit entgegengesetzter Strömungsrichtung innerhalb der jeweiligen Rotoraussparungen. Durch den zweiten und sechsten Kühlmittelkanal kann insbesondere jeweils ein Luftstrom von dem einen Luftraum durch die axialen Bohrungen und durch den Rotorkörper zu dem jeweils entgegengesetzten Luftraum ermöglicht werden.
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Besonders zweckmäßig können die Wuchtscheiben wie obig erläutert baugleich oder zumindest im Wesentliche baugleich ausgebildet und relativ zueinander verdreht angeordnet sein. Es versteht sich, dass jeweils eine Vielzahl der jeweiligen Rotoraussparungen, der radialen Kanälen und der axialen Bohrungen vorgesehen und im Umfangsrichtung über den Rotor gleichmäßig verteilt angeordnet sein kann, so dass eine Vielzahl entsprechender Kühlmittelkanäle vorgesehen ist. Insbesondere kann der Rotorkörper eine Vielzahl von ersten und zweiten Rotoraussparungen und entstehender Kühlmittelkanäle aufweisen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig derart angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung in jeweils in Umfangsrichtung zueinander benachbarten Rotoraussparungen axial gegenläufig ist. Hiermit kann eine besonders gleichmäßige und effektive Kühlung erzielt werden.
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Besonders vorteilhaft kann die elektrische Maschine derart ausgestaltet sein, wie es in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2020 209 709.7 der Anmelderin gezeigt ist. Die DE 10 2020 209 709.7 betrifft eine elektrische Maschine mit einer Wellenbohrung innerhalb einer Rotorwelle und mit einer Anzahl von Rotoraussparungen innerhalb eines Rotorkörpers, wobei in beiden Wuchtscheiben radial sich erstreckenden Kanäle vorgesehenen sind, über welche Kühlflüssigkeit von der Wellenbohrung in die Rotoraussparungen gelangen kann und wobei eine axiale Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einer der Rotoraussparungen gegenläufig ist zu einer Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einer weiteren der Rotoraussparungen.
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Die elektrische Maschine gemäß der DE 10 2020 209 709.7 ist mit einer reinen Flüssigkeitskühlung vorgesehen. Durch die vorliegende Erfindung kann die elektrische Maschine gemäß der DE 10 2020 209 709.7 um eine zusätzliche Luftkühlung erweitert werden, indem in den Wuchtscheiben entsprechende axiale Bohrungen vorgesehen werden. Somit kann eine hybride Kühlung in der elektrischen Maschine der DE 10 2020 209 709.7 implementiert werden, so dass ein Luft-Flüssigkeits-Gemisch durch das dortige Kühlmittelkanalsystem geleitet werden kann. Hinsichtlich weiterer Details auf die DE 10 2020 209 709.7 verwiesen, deren Offenbarung auch zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
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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 beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer seitlichen Schnittansicht.
- 2 zeigt schematisch einen Rotor einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer seitlichen Schnittansicht.
- 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer perspektivischen Schnittansicht.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den vorliegenden Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder baugleiche Elemente.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 10 und einen Rotor 20 auf. Der Rotor 20 weist eine Rotorwelle 22 und einen auf dieser drehfest angebrachten Rotorkörper 23 auf. Der Rotorkörper 23 umfasst elektromagnetisch wirkende Komponenten des Rotors 20, wie etwa Permanentmagnete 23a. Die Rotorwelle 22 ist über nicht im Einzelnen dargestellte Lager in einem Gehäuse 12 drehbar gelagert. Hierbei ragt ein axiales Ende der Rotorwelle 22 als Wellenstummel bzw. Wellenstumpf 22a aus dem Gehäuse 12 vor.
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Das Gehäuse 12 trägt an seiner Innenseite den Stator 10. Der Stator 10 weist in an sich bekannter Weise eine Statorwicklung bzw. einen Wickelkopf 10a auf, die bzw. der einen Statorkern umgibt. Es wäre ebenfalls möglich, den Stator 10 mit Permanentmagneten auszubilden. Zwischen Stator 10 und Rotorkörper 23 ist ein Luftspalt 17 in an sich bekannter Weise ausgebildet.
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Mittels des Gehäuses 12 ist ein Raum bzw. Luftraum oder Maschinenraum 45 definiert, welcher den Rotorkörper 23 und den Stator 10 gegenüber der Umgebung 40 der elektrischen Maschine 100 abschließt.
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An seinen axialen Enden ist der Rotorkörper 23 jeweils mit einer Wuchtscheibe 27a, 27b ausgebildet. Diese Wuchtscheiben 27a, 27b dienen zur Bereitstellung von Material auf einem Rotationsdurchmesser >0, in welchem durch Bohrungen das Wuchten des Rotors ermöglicht wird. Weiterhin dienen sie zur mechanischen Stabilisierung des Rotorkörpers.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im Folgenden die in 1 rechts dargestellte Wuchtscheibe 27a als erste Wuchtscheibe und die links dargestellte Wuchtscheibe als zweite Wuchtschiebe 27b bezeichnet.
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Die nachfolgend referenzierten Richtungen axial, radial und tangential bzw. in Umfangsrichtung sind bezüglich der Längserstreckungsrichtung bzw. der Rotationsachse der Rotorwelle 22 zu verstehen und sind mittels den Pfeilen A (axial), R (radial) und T (tangential) veranschaulicht.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind in dem Rotorkörper 23 und den Wuchtscheiben 27a, 27b Kühlmittelkanäle vorgesehen, um eine reine Luftkühlung oder eine hybride Kühlung mit einem Luft-Flüssigkeits-Gemisch zu ermöglichen.
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Zu diesem Zweck sind an einer dem Rotorkörper 23 zugewandten Innenseite der ersten Wuchtscheibe 27a erste radiale Kanäle 111 vorgesehen, welche jeweils von einer ersten radialen Position in radialer Richtung R bis zu einem radialen äußeren Ende der ersten Wuchtscheibe 27a verlaufen.
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An diesen ersten radialen Positionen ist in der ersten Wuchtscheibe 27a jeweils eine erste axiale Bohrung 121 vorgesehen. Durch diese ersten axialen Bohrungen 121 und durch den jeweiligen ersten radialen Kanal 111 wird jeweils ein erster Kühlmittelkanal 151 gebildet, insbesondere derart, dass Luft als Kühlmittel von dem Luftraum 45 durch die jeweilige axiale Bohrung 121 und den jeweiligen ersten radialen Kanal 111 strömen kann und durch das jeweilige radiale, äußere Ende der ersten Wuchtscheibe 27a zurück in den Luftraum 45 strömen kann und dabei insbesondere auf den Stator 10 geschleudert werden kann.
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Ferner ist an einer der Rotorwelle 22 zugewandten Innenseite des Gehäuses 12 ein Wärmeabfuhrelement 140 vorgesehen, insbesondere in Form einer Rippenstruktur. Durch diese Rippenstruktur 140 kann Wärme aus dem Luftraum 45 abgeleitet werden und es kann ein geschlossener Luftkreislauf 160 von dem Luftraum 45 durch den ersten Kühlmittelkanal 151 zurück in den Luftraum 45 zur Kühlung von Rotor 20 und Stator 10 erzeugt werden.
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Ferner weist der Rotorkörper 23 eine Anzahl von sich axial erstreckenden Rotoraussparungen auf, die es ermöglichen den Rotor 20 bzw. den Rotorkörper 23 in Leichtbauweise auszuführen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können diese Rotoraussparungen als Teile von Kühlmittelkanälen verwendet werden.
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Von den ersten radialen Positionen der ersten Wuchtscheibe 27a ausgehend verläuft innerhalb des Rotorkörpers 23 jeweils eine erste Rotoraussparung 131 in axialer Richtung A bis zu einer zweiten radialen Position der zweiten Wuchtscheibe 27b. An dieser zweiten radialen Position ist in der zweiten Wuchtscheibe 27b jeweils eine zweite axiale Bohrung 122 vorgesehen. Ein zweiter Kühlmittelkanal 152 wird jeweils durch die jeweilige zweite axiale Bohrung 122, durch die jeweilige erste Rotoraussparung 131 und durch den jeweilige ersten radialen Kanal 111 gebildet, insbesondere derart, dass Luft als Kühlmittel aus dem Luftraum 45 durch die zweite axiale Bohrung 122 eingesaugt werden kann, durch die erste Rotoraussparung 131 und durch den ersten radialen Kanal 111 strömen kann, durch das radiale, äußere Ende der ersten Wuchtscheibe 27a hinausströmen kann und dabei auf den Stator 10 geschleudert werden kann.
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Diese ersten und zweiten Kühlmittelkanäle 151, 152 können jeweils für eine reine Luftkühlung nur mit Luft als Kühlmittel verwendet werden oder auch für eine hybride Kühlung mit Luft als einem ersten Kühlmittel und einer Kühlflüssigkeit als einem zweiten Kühlmittel. Für den letzteren Fall ist ferner eine Injektionsvorrichtung vorgesehen, um Kühlflüssigkeit in die erste Rotoraussparung 131 zu injizieren.
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Beispielsweise ist zu diesem Zweck innerhalb der Rotorwelle 22 eine Wellenbohrung 22b vorgesehen und an dem Wellenstummel 22a ist ein Einlass 32 ausgebildet, über welchen die Kühlflüssigkeit in die Wellenbohrung 22b eintreten kann. Diese Kühlflüssigkeit kann beispielsweise über einen nicht dargestellten externen Kühlmittelkreislauf zur Verfügung gestellt werden.
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Die Wellenbohrung 22b steht mit den ersten Rotoraussparungen 131 innerhalb des Rotorkörpers 23 in Fluidverbindung. Zu diesem Zweck ist an einer dem Rotorkörper 23 zugewandten Innenseite der zweiten Wuchtscheibe 27b jeweils ein zweiter radialer Kanal 112 vorgesehen, der von der Rotorwelle 22 bis zu der jeweiligen zweiten radialen Position verläuft. Ferner sind radiale Öffnungen 22e in der Rotorwelle 22 vorgesehen, so dass Kühlflüssigkeit von der Wellenbohrung 22b über diese radialen Öffnungen 22e und die zweiten radialen Kanäle 112 in die ersten Rotoraussparungen 131 eintreten kann.
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Auf diese Weise werden dritte Kühlmittelkanäle 153 jeweils durch die Wellenbohrung 22b, durch den jeweiligen zweiten radialen Kanal 112, durch die jeweiligen erste Rotoraussparung 131 und durch den jeweiligen ersten radialen Kanal 111 gebildet.
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Die Kühlflüssigkeit kann sich in den ersten Rotoraussparungen 131 jeweils mit der Luft vermischen. Das auf diese Weise erzeugte Luft-Flüssigkeits-Gemisch kann durch den jeweiligen restlichen Teil der ersten Rotoraussparung 131 und den ersten radialen Kanal 111 in der ersten Wuchtscheibe 27a strömen und auf den Stator 10 geschleudert werden. Die Luft ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit, erhöht die konvektive Wärmeübertragung und dient als Trägermedium für Flüssigkeitstropfen. Die Kühlflüssigkeit kann somit gleichmäßiger im Luftraum 45 der elektrischen Maschine 100 verteilt werden.
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Besonders zweckmäßig ist eine Vielzahl von Rotoraussparungen in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung in dem Rotorkörper derart vorgesehen, dass die Strömungsrichtungen innerhalb benachbarter Rotoraussparungen jeweils gegenläufig zueinander sind, wie nachfolgend in Bezug auf 2 erläutert werden soll.
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2 zeigt den Rotor 20 der elektrischen Maschine 100 aus 1 in einer schematischen Schnittansicht, wobei die Schnittebene aus 1 und Schnittebene aus 2 um einen Winkel in Umfangsrichtung relativ zueinander verdreht sind.
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Wie in 2 zu erkennen ist, weist der Rotorkörper 23 zweite Rotoraussparungen 132 auf. Die Strömungsrichtung innerhalb der ersten Rotoraussparungen 131 verläuft wie in 1 dargestellt beispielsweise jeweils von links nach rechts. Im Gegensatz dazu verläuft die Strömungsrichtung innerhalb der zweiten Rotoraussparungen 132 wie in 2 gezeigt beispielsweise jeweils von rechts nach links.
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Zu diesem Zweck sind an der dem Rotorkörper 23 zugewandten Innenseite der ersten Wuchtscheibe 27a dritte radiale Kanäle 113 jeweils von der Rotorwelle 22 bis zu den zweiten Rotoraussparungen 132 vorgesehen. Die Wellenbohrung 22b steht mit den zweiten Rotoraussparungen 132 jeweils über diese dritten radialen Kanäle 113 in Fluidverbindung.
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Ferner sind an der dem Rotorkörper 23 zugewandten Innenseite der zweiten Wuchtscheibe 27b vierte radiale Kanäle 114 jeweils von den zweiten Rotoraussparungen 132 bis zu einem radialen äußeren Ende der zweiten Wuchtscheibe 27b vorgesehen.
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Auf diese Weise werden vierte Kühlmittelkanäle 154 jeweils durch die Wellenbohrung 22b, durch den jeweiligen dritten radialen Kanal 113, durch die jeweilige zweite Rotoraussparung 132 und durch den jeweiligen vierten radialen Kanal 114 gebildet. Diese vierten Kühlmittelkanäle 154 sind entsprechend den dritten Kühlmittelkanälen 153 vorgesehen, jedoch mit entgegengesetzten Strömungsrichtungen innerhalb der Rotoraussparungen.
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Ferner sind in der zweiten Wuchtscheibe 27b jeweils an den radialen Positionen der zweiten Rotoraussparungen 132 dritte axiale Bohrungen 123 vorgesehen, so dass fünfte Kühlmittelkanäle 155 durch die jeweilige dritte axiale Bohrung 123 und durch den jeweiligen vierten radialen Kanal 114 gebildet werden. Diese fünften Kühlmittelkanäle 155 sind entsprechend den ersten Kühlmittelkanälen 151 vorgesehen, nur an der entgegengesetzten Wuchtscheibe.
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In der ersten Wuchtscheibe 27a sind an den radialen Positionen der zweiten Rotoraussparungen 132 jeweils vierte axiale Bohrungen 124 vorgesehen, so dass sechste Kühlmittelkanäle 156 jeweils durch die jeweilige vierte axiale Bohrung 124, durch die jeweilige zweite Rotoraussparung 132 und durch den jeweiligen vierten radialen Kanal 114 gebildet werden. Diese sechsten Kühlmittelkanäle 156 sind entsprechend den zweiten Kühlmittelkanälen 152 vorgesehen mit entgegengesetzter Strömungsrichtungen innerhalb der Rotoraussparungen.
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Insbesondere sind die erste Wuchtscheibe 27a und die zweite Wuchtscheibe 27b baugleich oder zumindest im Wesentlichen baugleich ausgebildet und relativ zueinander um einen Winkel in Umfangsrichtung verdreht angeordnet. Die an beiden axialen Enden mit den jeweiligen Bohrungen und radialen Kanälen ausgebildeten Wuchtscheiben 27a,27b ermöglichen einen Eintritt von Luft und Kühlflüssigkeit in den Rotorkörper 23 an seinen beiden axialen Enden. Hiermit ist eine gegenläufige Strömung von Kühlmittel durch in axialer Richtung parallel zueinander in dem Rotorkörper 23 verlaufende Rotoraussparungen 131, 132 bereitstellbar, ohne dass eine Umlenkung der durch die Rotoraussparungen 131, 132 strömenden Kühlmittel innerhalb des Rotorkörpers 23 notwendig ist. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßige Kühlung des Rotorkörpers 23 erzielbar. Mit anderen Worten treten hierdurch Kühlflüssigkeit und Luft an beiden axialen Enden in den Rotorkörper 23 ein und können anschließend durch die Rotoraussparungen 131, 132 innerhalb des Rotorkörpers 23 an das jeweilige andere axiale Ende des Rotorkörpers 23 transportiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann für die Luft als Kühlmittel auch ein offener Luftreislauf erzeugt werden. Zu diesem Zweck können Öffnungen in dem Gehäuse vorgesehen sein, um einen Austausch der Luft in dem Luftraum 45 zu ermöglichen, wie nachfolgend in Bezug auf 3 erläutert werden soll.
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3 zeigt die erfindungsgemäße elektrische Maschine 100 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung in einer schematischen perspektivischen Schnittansicht.
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Wie in 3 gezeigt, weist das Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 100, hier in den beiden Lagerschilden, erste Öffnung 171 auf, durch welche Luft aus dem Luftraum 45 ausgestoßen werden kann, und zweite Öffnungen 172, durch welche Luft von der Umgebung 40 der elektrischen Maschine 100 in den Luftraum 45 eintreten kann.
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Ferner sind Elemente 181, 182 vorgesehen, die hier als schaufelförmige Elemente von den Lagerschilden nach Innen abstehen. Sie verlaufen von den Öffnungen 172 ausgehend in Richtung der axialen Bohrungen in den Wuchtscheiben 27a, 27b. Insbesondere sorgen diese Elemente 181, 182 bei rotierendem Rotor für einen Druckunterschied zwischen den Öffnungen 172 im Gehäuse und den axialen Bohrungen 121 einerseits und zwischen den Öffnungen 171 und 172 im Gehäuse andererseits.
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Durch diese Öffnungen 171, 172 und Schaufelelemente 181, 182 kann somit eine offener Luftkreislauf 162 erzeugt werden, so dass Luft durch die Öffnungen 172 in die elektrische Maschine 100 eintreten kann und dort durch den zweiten Kühlmittelkanal 152, also durch die zweite axiale Öffnung 122 in der zweite Wuchtscheibe 27b, durch die erste Rotoraussparung 131 und durch den ersten radialen Kanal 111 in der ersten Wuchtscheibe 27a transportiert werden kann. Nach Austritt aus dem zweiten Kühlmittelkanal kann Luft um die Wickelköpfe des Stators 10 herum strömen und aus der ersten Öffnung 171 wieder aus dem Gehäuse 12 austreten.
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Entsprechend kann auch ein offener Luftreislauf in entgegengesetzter Strömungsrichtung erzeugt werden, indem Luft durch entsprechende zweite Öffnung in dem der ersten Wuchtscheibe 27a zugewandten Gehäuseseite eintritt, durch den sechsten Kühlmittelkanal 156 transportiert wird und durch entsprechende erste Öffnungen in der dem zweiten Wickelkopf 27b zugewandten Gehäuseseite wieder austritt.
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Es versteht sich ferner, dass die elektrische Maschine gemäß 3 ebenfalls eine Injektionsvorrichtung zur Injektion der Kühlflüssigkeit umfassen kann, insbesondere eine Wellenbohrung in der Rotorwelle und entsprechende radiale Kanäle in den Wuchtscheiben, wie es in 1 und 2 dargestellt ist, auch wenn derartige Elemente in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellt sind. Ebenso könnte eine solche Kühlflüssigkeit über eine gehäusefeste Düse in den Luftstrom eingespritzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- elektrische Maschine
- 10
- Stator
- 10a
- Wickelkopf
- 12
- Gehäuse
- 17
- Luftspalt
- 20
- Rotor
- 22
- Rotorwelle
- 22a
- Wellenstumpf
- 22b
- Wellenbohrung
- 22e
- radiale Öffnung
- 23
- Rotorkörper
- 27a
- erste Wuchtscheibe
- 27b
- zweite Wuchtscheibe
- 32
- Einlass
- 40
- Umgebung
- 45
- Raum bzw. Luftraum
- 111
- erster radialer Kanal
- 112
- zweiter radialer Kanal
- 113
- dritter radialer Kanal
- 114
- vierter radialer Kanal
- 121
- erste axiale Bohrung
- 122
- zweite axiale Bohrung
- 123
- dritte axiale Bohrung
- 124
- vierte axiale Bohrung
- 131
- erste Rotoraussparung
- 132
- zweite Rotoraussparung
- 140
- Wärmeabfuhrelement, Rippenstruktur
- 151
- erster Kühlmittelkanal
- 152
- zweiter Kühlmittelkanal
- 153
- dritter Kühlmittelkanal
- 154
- vierter Kühlmittelkanal
- 155
- fünfter Kühlmittelkanal
- 156
- sechster Kühlmittelkanal
- 161
- geschlossener Luftkreislauf
- 162
- offener Luftkreislauf
- 171
- erste Öffnung
- 172
- zweite Öffnung
- 181
- erstes ein Druckgefälle erzeugendes Element
- 182
- zweites ein Druckgefälle erzeugendes Element
