DE102021201961A1

DE102021201961A1 - Flügelrad für eine elektrische Maschine und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102021201961A1
Application number: DE102021201961.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Lang; Thomas Auer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flügelrad (1) für eine elektrische Maschine (5), wobei das Flügelrad (1) drehbar um eine Rotationsachse (Rot) gelagert ist wobei das Flügelrad (1) eine rotationssymmetrische Scheibenanordnung aufweist, wobei die Scheibenanordnung aus einer ersten Flügelträgerscheibe (2) und einer zu der ersten Flügelträgerscheibe (2) beabstandet angeordneten zweiten Flügelträgerscheibe (3) besteht, und wobei die Scheibenanordnung eine zentrierte rotationssymmetrische Aussparung (4) zur Aufnahme eines rotationssymmetrischen Bauteiles aufweist,und das Flügelrad (1) mehrere Flügel (11) aufweist, welche dazu ausgebildet sind, bei Rotation des Flügelrades (1) einen durchströmenden Luftstrom zu fördern,wobei zwischen der ersten Flügelträgerscheibe (2) und der zweiten Flügelträgerscheibe (3) mehrere in einer Umlaufrichtung (U) gleichmäßig angeordnete Verschwenkungselemente angeordnet sind,wobei jeweils ein Flügel (11) an einem Verschwenkungselement verschwenkbar um eine Schwenkachse gelagert ist, so dass eine Verschwenkung in Abhängigkeit von der Fliehkraft und /oder der Luftströmung ermöglicht ist.Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flügelrad für eine elektrische Maschine, wobei das Flügelrad drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist, und wobei das Flügelrad eine rotationssymmetrische Scheibenanordnung aufweist, wobei die Scheibenanordnung aus einer ersten Flügelträgerscheibe und einer zu der ersten Flügelträgerscheibe beabstandet angeordneten zweiten Flügelträgerscheibe besteht, und wobei die Scheibenanordnung eine zentrierte rotationssymmetrische Aussparung zur Aufnahme eines rotationssymmetrischen Bauteiles aufweist, und wobei das Flügelrad mehrere Flügel aufweist, welche dazu ausgebildet sind, bei Rotation des Flügelrades einen durchströmenden Luftstrom zu fördern. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug.
Elektrische Maschinen, insbesondere rotierende elektrische Maschinen, wandeln mechanische Energie in elektrische um und umgekehrt. Zu diesen Maschinen gehören jene, welche einen Rotor und einen drehbar um den Rotor gelagerten Stator aufweisen. Der Rotor ist mit einer rotierenden Rotorwelle verbunden. Entweder Stator oder Rotor oder Rotor und Stator weisen stromdurchflossene Wicklungen mit sogenannten Wickelköpfen auf, welche Wärme erzeugen. Auch der Rotor selber erzeugt Wärme.
Insbesondere der Stator und der Rotor zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, müssen hohe Drehmomente auf kleinstem Bauraum bewältigen. Daraus resultiert eine hohe Stromdichte in Rotor- und Statorwicklungen, welche zu thermischen Verlusten und hoher Abwärme führt. Diese kann jedoch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine beeinträchtigen.
Um eine Abwärme der elektrischen Maschine zu reduzieren, werden Rotor und Stator gekühlt. Hierzu können für den Stator und Rotor insbesondere Luft oder Wasser eingesetzt werden. So kann der Stator außenseitig mit einen Wassermantel gekühlt werden.
Bekannt ist auch zusätzlich oder stattdessen mittels eines durchströmenden Luftstroms die elektrische Maschine zu kühlen. Dieser Luftstrom kann mittels eines Lüfter- bzw. Flügelrades bzw. Ventilators gefördert werden, welcher drehbar gelagert ist. Dabei ist beispielsweise das Lüfterrad bzw. Flügelrad von einem Rotor antreibbar und ist hierzu mit dem Rotor bzw. einer Rotorwelle des Rotors drehfest verbunden.
Die DE 10 2011 087 602 A1 offenbart eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, in welchem ein Stator fest und ein Rotor mit einer Rotorwelle drehbar gelagert angeordnet sind, wobei auf der Rotorwelle mindestens ein Lüfterrad zum Erzeugen eines Kühlluftstroms drehfest angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Komponente einer die elektrische Maschine betreibenden Leistungselektronik auf einem mit Kühlrippen versehenen Grundträger angeordnet ist.
Die DE 10 2010 026 682 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Rotor, einem Stator mit umfänglich angeordneter Statorwicklung aus einem elektrisch leitenden Material und einem Gehäuse mit einer ersten und einer zweiten sich in Umfangsrichtung erstreckenden Öffnung, wobei stirnseitig am Rotor ein Lüfter angeordnet ist, der drehfest mit dem Rotor verbunden ist und radial erstreckende Flügel aufweist. Vom Lüfter wird ein Kühlmedium über die erste Öffnung angesaugt, über die zweite Öffnung ausgeblasen und zwischen der ersten und zweiten Öffnung zügig zumindest an Teilbereichen der Statorwicklung vorbeigefördert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel bereitzustellen, welche eine verbesserte Kühlung einer elektrischen Maschine bewirken.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Flügelrad mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung angegeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Flügelrad für eine elektrische Maschine, wobei das Flügelrad drehbar um eine Rotationsachse gelagert ist, und wobei das Flügelrad eine rotationssymmetrische Scheibenanordnung aufweist, und wobei die Scheibenanordnung aus einer ersten Flügelträgerscheibe und einer zu der ersten Flügelträgerscheibe beabstandet angeordneten zweiten Flügelträgerscheibe besteht, und wobei die Scheibenanordnung eine zentrierte rotationssymmetrische Aussparung zur Aufnahme eines rotationssymmetrischen Bauteiles aufweist,
und das Flügelrad mehrere Flügel aufweist, welche dazu ausgebildet sind, bei Rotation des Flügelrades einen durchströmenden Luftstrom zu fördern,
und wobei
zwischen der ersten Flügelträgerscheibe und der zweiten Flügelträgerscheibe mehrere in einer Umlaufrichtung gleichmäßig angeordnete Verschwenkungselemente angeordnet sind,
wobei jeweils ein Flügel an einem Verschwenkungselement verschwenkbar um eine Schwenkachse gelagert ist, so dass eine Verschwenkung in Abhängigkeit von der Fliehkraft und /oder der Luftströmung ermöglicht ist.
Es ist bekannt, dass die elektrische Maschine Wärme erzeugt, so dass bei einer Temperaturgrenze die Leistung der elektrischen Maschine zurückgenommen werden muss, damit diese nicht überhitzt. Daher ist eine gute Kühlung notwendig. Hierzu durchströmt Luft den Rotor in den Luftspalten/Freigängen beispielsweise einer kreuz- oder sternförmigen Rotorwelle. Die Luft strömt als Luftstrom in der elektrischen Maschine und kann Wärme im Rotor aufnehmen und nach außen über ein Gehäuse oder an die z.B. wassergekühlte Statorkühlbuchse abgeben.
Unter durchströmenden Luftstrom/ Luftströmung kann dabei die Menge und Geschwindigkeit des Luftstroms, der durch die Rotorwelle und anschließend durch das Flügelrad strömt, verstanden werden. Unter radialer Richtung versteht man eine radiale Richtung um die Rotationsachse berum.
Mittels des Flügelrades wird dieser Luftstrom gefördert. Das Flügelrad kann beispielsweise an der Rotorwelle angeordnet und durch die Drehung dieser in Rotation gebracht werden. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Förderung des Luftstromes abhängig von der Rotation des Flügelrades (Fliehkraft) und des durchströmenden Luftstroms vorteilhaft ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Verschwenkungselemente in den Flügelträgerscheiben können die Flügel je nach Rotation und durchströmenden Luftstrom verschwenkt werden. Dadurch kann sich eine selbstregelnde Kühlung einstellen.
Bei niedriger Rotation des Flügelrades, beispielsweise infolge niedriger Fahrgeschwindigkeit wird durch das erfindungsgemäße Flügelrad eine möglichst hohe Luftströmung/Luftgeschwindigkeit (Luftförderung) erzeugt, wodurch eine effiziente Kühlwirkung erzielt wird. Bei hoher Rotation und hoher Luftgeschwindigkeit des Flügelrades beispielsweise infolge einer hohen Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges wird hingegen durch das erfindungsgemäße Flügelrad und dessen Verschwenkung in Abhängigkeit von der hohen Rotation und /oder der hohen Luftgeschwindigkeit die Luftströmung und Luftgeschwindigkeit durch die Rotorwelle nicht zu groß; d.h. es findet wenig Luftförderung statt. Nachteile in der Akustik als auch in der Wärmeabgabe durch eine zu hohe Luftströmung/Luftgeschwindigkeit werden vermieden, bei gleichzeitig effizienter Kühlwirkung. Die Flügel haben in „aus dem Wind bzw. Luftströmung“ herausgedrehter Stellung kaum mehr Luftwiderstand und die Luftströmung/Luftgeschwindigkeit nimmt nicht mehr zu.
Sinkt die Rotorwellendrehzahl und damit die Rotation des Flügelrades wieder oder ist diese niedrig, verbleiben die Flügel in einer Stellung oder werden in eine Stellung zurückgeschwenkt, in welcher den Flügeln durch hohe Anströmung viel Luftwiderstand entgegengesetzt wird. Bei niedriger Rotation des Flügelrades beispielsweise niedriger Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges wird somit eine möglichst hohe Luftströmung/Luftgeschwindigkeit durch die Rotorwelle erzeugt, wodurch eine effiziente Kühlwirkung erzielt wird. Dies bedeutet, dass bei einer geringen Rotation, die Flügel mit viel Luftwiderstand der Rotorwellendrehzahl entgegengesetzt sind; d.h. die Ventilatorfunktion bzw. Flügelradfunktion hoch ist.
Durch das erfindungsgemäße Flügelrad wird eine selbstregelnde rotorwellendrehzahlabhängige bzw. rotationsabhängige Kühlung geschaffen.
Dabei ist die Schwenkachse vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse ausgebildet.
Die Flügel sind in weiterer Ausbildung vorzugsweise identisch ausgebildet. Die Flügel können dabei leicht gebogen (gewölbt) sein, oder aber ein ungewölbtes Profil aufweisen.
Ferner sind die Verschwenkungselemente dazu ausgebildet, eine selbstregelnde Verschwenkung, d.h. eine Verschwenkung der Flügel in Abhängigkeit von der Rotation des Flügelrades zu ermöglichen, so dass den Flügeln bei einer geringen Fliehkraft und einem geringen durchströmenden Luftstrom viel Luftwiderstand entgegengesetzt wird. Dies bedeutet, dass wenn die Rotorwellendrehzahl oder die Rotation des Flügelrades gering ist, die Flügel mit viel Luftwiderstand der Rotorwellendrehzahl (Luftströmung) entgegengesetzt sind. Mit anderen Worten die Flügel werden in den Luftstrom gedreht oder verbleiben in diesem. Die Ventilatorfunktion ist dementsprechend hoch; und es wird viel Luft gefördert.
In weiterer Ausgestaltung sind die Verschwenkungselemente dazu ausgebildet, bei einer hohen Fliehkraft und einem hohen durchströmenden Luftstrom eine selbstregelnde Verschwenkung der Flügel aus der Luftströmung heraus zu bewirken. In dieser Stellung setzen die Flügel dem Luftstrom geringen Luftwiderstand entgegen und es wird wenig bzw. keine Luft gefördert.
In weiterer Ausbildung weisen die Flügel im Wesentlichen eine horizontale Anfangsstellung auf. Dadurch ist eine sehr gute Anströmung der Flügel bei geringerer Rotation / Fliehkraft und wenig Luftströmung möglich, was zu einer erhöhten Förderung des durchströmenden Luftstroms führt und damit zu einer besseren Kühlung beispielsweise der elektrischen Maschine.
In weiterer Ausgestaltung ist zumindest eine Luftöffnung zum Durchströmen von Luft zumindest in der ersten Flügelträgerscheibe oder der zweiten Flügelträgerscheibe angeordnet. Insbesondere können diese Öffnungen ebenfalls als ein mit Stegen durchbrochener Ringkreis ausgebildet sein. Dadurch ist eine gleichmäßige Durchströmung von Luft, welche vom Rotor bzw. der Rotorwelle kommt möglich.
In weiterer Ausgestaltung weist jedes der Verschwenkungselemente zumindest einen, eine elastische Rückstellkraft ausübenden Torsionsabschnitt auf oder ist als ein, eine elastische Rückstellkraft ausübendes Torsionselement ausgebildet, so dass bei Rotation des Flügelrades eine Verschwenkung anhand der sich einstellenden Fliehkraft und/oder des sich einstellenden Luftwiderstandes durch die durchströmende Luft bei hoher Rotation oder hohem Luftwiderstand bewirkt ist, wobei die Verschwenkung mittels der elastischen Rückstellkraft bei geringerer Rotation oder weniger Luftströmung rückstellbar ist.
Dadurch ist eine einfache Selbstregelung der Flügelstellung möglich. Bei zu viel Luftströmung/Luftwiderstand und Rotation bzw. Rotorwellendrehzahl können sich Flügel selbstständig anhand der Torsion aus dem Wind drehen. D.h. das Verschwenkungselement verdreht sich dementsprechend. Bei anschließender auftretender geringerer Rotation bzw. Rotorwellendrehzahl und Luftströmung/Luftwiderstand bewirkt die Rückstellkraft des Verschwenkungselements ein Rückstellen des Flügels durch Rückdrehung des Verschwenkungselements.
Die Elastizität ist vorzugsweise eine dauerelastische Elastizität.
In weiterer Ausbildung weist jedes der Verschwenkungselemente einen vorgegebenen Torsionswiderstandsmoment auf, so dass sich eine Verschwenkung der Flügel erst ab einer bestimmten Fliehkraft und bestimmten Luftströmung einstellt, welche in Summe zusammen größer als der Torsionswiderstandsmoment ist. Dies bedeutet, dass die Summe aus der Fliehkraft und der Luftströmung größer sein muss als der Torsionswiderstandsmoment, damit es zu einer Verschwenkung kommt. Dadurch werden die Flügel bei geringer Rotation in der Anfangsstellung gehalten und können dadurch für eine gute Luftförderung sorgen. Der Torsionswiderstandsmoment ist vorzugsweise für alle Flügel identisch.
In weiterer Ausbildung sind die Verschwenkungselemente jeweils als Torsionsfedern ausgebildet, welche jeweils zwischen der ersten Flügelträgerscheibe und der zweiten Flügelträgerscheibe angeordnet sind, wobei die Flügel jeweils an oder auf einer Torsionsfeder verschwenkbar angeordnet sind. Eine solche Torsionsfeder kann beispielsweise als Drehstabfeder bzw. Torsionsstab ausgebildet sein. Bei dieser stabförmigen Feder entstehen beim Verdrehen des Stabes um seine Längsachse in dessen Querschnitt sogenannte Torsionsspannungen, die mit dem von außen angebrachten Torsionsmoment im Gleichgewicht sind. Bei Verdrehen wirken somit an dem Torsionsstab die elastischen Rückstellkräfte. Die Flügel können einfach mittig am Torsionsstab eingehängt werden oder durch eine Bohrung eingebracht werden. Dadurch ist eine einfache Anbringung möglich.
Die Torsionsfedern dienen vorzugsweise als Flügelträger.
In weiterer Ausbildung sind die Verschwenkungselemente jeweils als ein zweischnittig ausgebildeter elastischer auf Torsion beanspruchbarer Zapfen, welcher sich in einen ersten Zapfen und einen zweiten Zapfen aufteilt, ausgebildet. Diese sind bevorzugt als identische Torsionsstäbe ausgebildet. Solche Zapfen können beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Vergütungsstahl gebildet sein und aus einem einzigen Stück zylinderförmigen Halbzeug hergestellt sein. Ferner können die Zapfen aus einem Metall wie Titan, oder aus einer Metallmischung die Titan beinhaltet bestehen. Auch kann der Zapfen als ein Hohlrohr ausgebildet sein. Dabei bildet der Zapfen quasi auch die Schwenkachse aus.
In weiterer Ausgestaltung ist jeweils ein Flügel drehfest zwischen den ersten und den zweiten Zapfen gelagert, wobei der erste Zapfen an der ersten Flügelträgerscheibe und der zweite Zapfen an der zweiten Flügelträgerscheibe befestigt ist. Dabei sind die Flügel jeweils gleich beabstandet drehfest zwischen den beiden Zapfen gelagert. Die beiden Zapfen fungieren jeweils als Torsionsfeder. Dadurch kann eine gleichmäßige Verschwenkung der Flügel erzielt werden. Insbesondere sind die Flügel mit den beiden Zapfen zwischen der ersten Flügelträgerscheibe und der zweiten Flügelträgerscheibe drehfest eingepresst.
Ist die Rotorwellendrehzahl d.h. Rotation und die Luftströmung gering, so sind die Flügel mit viel Luftwiderstand der Rotorwellendrehzahl bzw. Rotation und Luftströmung entgegengesetzt. Die Ventilatorfunktion ist somit hoch. Steigt die Rotorwellendrehzahl, d.h. die Rotation und die Luftströmung, so ist der Luftwiderstand zu den Flügeln höher und diese beginnen, sich aus dem Wind, d.h. aus der Luftströmung zu drehen, indem sich die Zapfen am Flügel tordieren (Torsionsfederfunktion). Je nach Luftwiderstand verstellen sich somit die Flügel im Flügelrad.
Ferner liegen sich der erste und der zweite Zapfen in weiterer Ausgestaltung gegenüber.
Dabei drehen sich bei Rotation des Flügelrades entgegen dem Uhrzeigersinn, die Flügel ebenfalls entgegen des Uhrzeigersinns. Um eine größtmögliche Verschwenkung zu erhalten sind die Flügel in dem dazu entsprechenden Endbereich der Flügel angeordnet.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einem Stator mit einer auf den Stator angeordneten Wicklung sowie einem, um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor, der drehbar bezüglich des Stators angeordnet ist, wobei der Rotor eine Rotorwelle aufweist, die zusammen mit dem Rotor rotiert, und wenigstens einen von dem Rotor antreibbaren drehbar um die Rotationsachse gelagerten, wie oben beschriebenen Flügelrad zum Fördern eines durchströmenden Luftstroms zur Kühlung der elektrischen Maschine.
Durch das erfindungsgemäße Flügelrad wird entstehende Abwärme beim Betrieb der elektrischen Maschine optimal abgeführt, so dass die angrenzenden Bauteile wie beispielsweise vorhandene Lager der Rotorwelle nicht geschädigt werden und wobei gleichzeitig die elektrische Maschine mit hoher Leistung betrieben werden kann.
Die Rotationsachse des Flügelrades entspricht der Rotationsachse des Rotors bzw. der elektrischen Maschine.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit einer wie oben beschriebenen elektrischen Maschine, umfassend einem Flügelrad mit Verschwenkungselementen, welche insbesondere als Zapfen ausgebildet sind, wobei die Verschwenkungselemente jeweils endseitig an einem Flügel ausgebildet sind, so dass eine größtmögliche Verschwenkung mit der Hauptdrehrichtung einer Rotorwelle ermöglicht ist.
Dabei ist die Hauptdrehrichtung des Motors bzw. der Rotorwelle eine Drehrichtung in einer Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:

1: ein Flügelrad in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung,
2: eine erste Flügelträgerscheibe in Seitenansicht,
3: ein Flügel im Detail,
4: eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Flügelrad.

1 zeigt ein erstes Flügelrad 1 in einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Dieses weist eine rotationssymmetrische Scheibenanordnung auf, wobei die Scheibenanordnung aus einer ersten Flügelträgerscheibe 2 und einer zu der ersten Flügelträgerscheibe 2 beabstandet angeordneten zweiten Flügelträgerscheibe 3 besteht. Beide Flügelträgerscheiben 2, 3 sind in ihrer Größe vorzugsweise identisch.
Zur Aufnahme eines rotationssymmetrischen Bauteils wie die Rotorwelle 6 (4) eines Rotors 7 (4) einer elektrischen Maschine 5 (4) weist die Scheibenanordnung eine zentrierte rotationssymmetrische Aussparung 4 auf. Das erfindungsgemäße Flügelrad 1 ist drehbar gelagert und kann durch den Rotor 7 (4) oder die Rotorwelle 6 (4) angetrieben werden.
Das erfindungsgemäße drehbar gelagerte Flügelrad 1 ist von dem Rotor 7 (4) oder der Rotorwelle 6 (4) antreibbar und dazu ausgebildet, bei Rotation des Flügelrades 1 einen durch die elektrische Maschine 5 durchströmenden Luftstrom zu fördern.
Das Flügelrad 1 ist dabei zur Rotation vorzugsweise an der Rotorwelle 6 (4) drehfest angeordnet. Auch eine drehfeste Anordnung an dem Rotor 7 (4) ist möglich.
Ferner weist das Flügelrad 1 Verschwenkungselemente auf, welche hier als jeweils zweischnittige Zapfen, hier als erster Zapfen 10a und zweiter Zapfen 10b ausgebildet sind. Die Zapfen 10a, 10b sind als elastische auf Torsion beanspruchbare, d.h. eine Rückstellkraft bei Verdrehung aufweisende, Zapfen 10a, 10b ausgebildet. Die Zapfen 10a, 10b weisen bei Verdrehung eine Rückstellkraft auf.
Die beiden Zapfen 10a,10b (3) können beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Vergütungsstahl gebildet sein und aus einem einzigen Stück zylinderförmigen Halbzeug hergestellt sein. Ferner können die Zapfen aus einem Metall wie Titan, oder aus einer Metallmischung die Titan beinhaltet bestehen. Auch kann der Zapfen als ein Hohlrohr ausgebildet sein.
Bei den Zapfen 10a, 10b (3) entstehen beim Verdrehen um die Längsachse in dessen Querschnitt eine sogenannte Torsionsspannungen, die mit dem von außen angebrachten Torsionsmoment im Gleichgewicht sind. Bei Verdrehen wirken somit an dem Zapfen 10a,10b (3) die elastischen Rückstellkräfte. Die Zapfen 10a, 10b sind in Länge und Form identisch ausgebildet. Dadurch kann eine gleichmäßige Verschwenkung aller Flügel 11 erzielt werden.
Zwischen den beiden Zapfen 10a,10b (3) ist jeweils ein Flügel 11 drehfest gelagert. Dabei ist jeweils der erste Zapfen 10a (3) an der ersten Flügelträgerscheibe 2 und der zweite Zapfen 10b (3) an der zweiten Flügelträgerscheibe 3 befestigt.
Insbesondere ist jeweils ein Flügel 11 mit den beiden Zapfen 10a, 10b (3) zwischen der ersten Flügelträgerscheibe 2 und der zweiten Flügelträgerscheibe 3 drehfest eingepresst.
Die Flügel 11 und deren Zapfen 10a, 10b (3) sind dabei in Umfangsrichtung U gleichmäßig beabstandet zwischen den beiden Flügelträgerscheiben 2,3 angeordnet. Insbesondere sind diese in einer radialen Richtung R gesehen möglichst am Rand der beiden Flügelträgerscheiben 2,3 angeordnet.
Die Flügel 11 können dabei als ebene rechteckähnliche Platte ausgebildet sein oder gewölbt.
Die Flügel 11 sind dabei derart angeordnet, dass diese im Wesentlichen eine horizontale Anfangsstellung aufweisen.
Ferner sind mehrere Luftöffnungen 12 zum Durchströmen von Luft in der ersten Flügelträgerscheibe 10a angeordnet. Dabei ist die erste Flügelträgerscheibe 10a zu der Rotorwelle 6 bzw. zum Rotor 7 hinweisend angeordnet. Luft, welche den Rotor 6 bzw. die Rotorwelle 6 entlangströmt, kann somit einfach durch die Luftöffnungen 12 zu den Flügeln 11 gelangen.
Ist im Betrieb beispielsweise am Anfang eine niedrige Rotorwellendrehzahl bzw. niedrige Luftströmung vorhanden, so strömt die Luftströmung durch die Luftöffnungen 12 zu den Flügeln 11. Diese weisen im Wesentlichen eine horizontale Anfangsstellung auf. Dadurch werden die Flügel 11 durch die Luftströmung direkt mit viel Luftwiderstand angeströmt. Dies heißt mit anderen Worten, dass wenn die Rotorwellendrehzahl (Fliehkraft) und die Luftströmung gering ist, so wird durch die Flügel 11 viel Luftwiderstand der Luftströmung entgegengesetzt; d.h. es findet eine direkte Anströmung statt. Die Ventilatorfunktion ist hoch und es findet eine sehr gute Förderung des durchströmenden Luftstroms statt.
Auch bei niedriger Rotation des Flügelrades 1 beispielsweise niedriger Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges wird somit eine möglichst hohe Luftströmung/Luftgeschwindigkeit durch das erfindungsgemäße Flügelrad 1 erzeugt, wodurch eine effiziente Kühlwirkung erzielt wird. Dies bedeutet, dass bei einer geringen Rotation, die Flügel mit viel Luftwiderstand der Luftströmung entgegengesetzt sind; d.h. die Ventilatorfunktion bzw. Flügelradfunktion hoch ist.
Eine Torsion der Flügel 11 findet bei niedriger Luftströmung nicht oder nur im geringen Maße statt.
Steigt die Rotorwellendrehzahl, so ist der Luftwiderstand zu den Flügeln 11 als auch die Fliehkraft zu den Flügeln 11 höher und diese beginnen sich aus dem Wind zu drehen, bzw. sich dementsprechend um die Zapfen 10a 10b, quasi als Schwenkachse, zu drehen, d.h. zu verschwenken, da die Zapfen 10a, 10b als elastische auf Torsion beanspruchbare Zapfen 10a,10b ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass die Zapfen 10a, 10b am Flügel 11 selbständig tordieren (Torsionsfederfunktion). Je nach auftretender Fliehkraft und Luftwiderstand verdrehen sich nun die Flügel 10a, 10b. Dabei kann jede Einstellung zwischen Anfangsstellung und einer Endstellung (maximales aus dem Wind drehen mit maximaler Torsion) möglich sein. Dies entspricht einer stufenlosen Verstellung.
Die Flügel 11 drehen sich somit aus dem Wind, hier der Luftströmung.
Somit wird bei hoher Rotation des Flügelrades 1, beispielsweise infolge einer hohen Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges die Luftströmung und Luftgeschwindigkeit durch das erfindungsgemäße Flügelrad 1 nicht zu groß; d.h. es findet wenig Luftförderung statt. Nachteile in der Akustik als auch in der Wärmeabgabe durch eine zu hohe Luftströmung/Luftgeschwindigkeit werden vermieden, bei gleichzeitig effizienter Kühlwirkung. Die Flügel 11 haben in dieser Stellung kaum mehr Luftwiderstand und die Luftströmung/Luftgeschwindigkeit nimmt nicht mehr zu.
Sinkt die Rotorwellendrehzahl wieder und damit die Rotation des Flügelrades 1 wieder, so bewirkt die Rückstellkraft der Zapfen 10a,10b, dass die Flügel 11 wieder langsam in ihre Anfangsstellung zurückwandern.
Bei niedriger Rotation des Flügelrades 1, beispielsweise niedriger Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges, wird somit eine möglichst hohe Luftströmung/Luftgeschwindigkeit durch das erfindungsgemäße Flügelrad 1 erzeugt, wodurch eine effiziente Kühlwirkung erzielt wird. Dies bedeutet, dass bei einer geringen Rotation, die Flügel 11 mit viel Luftwiderstand der Rotorwellendrehzahl entgegengesetzt sind; d.h. die Ventilatorfunktion bzw. Flügelradfunktion hoch ist.
Durch das erfindungsgemäße Flügelrad 1 wird eine selbstregelnde rotorwellendrehzahlabhängige bzw. rotationsabhängige Kühlung geschaffen.
Erfindungsgemäß sind hierzu Flügel 11 an Zapfen 10a, 10b vorgesehen, welche eine elastische Rückstellkraft ausübende Torsion aufweisen, so dass bei hoher Rotation oder hohem Luftwiderstand des Flügelrades 1 eine Verschwenkung anhand der sich einstellenden Fliehkraft und des sich einstellenden Luftwiderstandes durch die durchströmende Luft bewirkt ist, wobei die Verschwenkung mittels der elastischen Rückstellkraft bei geringerer Rotation oder weniger Luftwiderstand rückstellbar ist.
2 zeigt die Flügel 11 im Betrieb eines Fahrzeugs. Die beiden Zapfen 10a, 10b sind jeweils endseitig an den Flügeln 11 ausgebildet, so dass eine größtmögliche Verschwenkung mit der Hauptdrehrichtung 13 der Rotorwelle 6 ermöglicht ist.
Dabei ist die Hauptdrehrichtung 13 des Motors bzw. der Rotorwelle 6 eine Drehrichtung in einer Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs. Bei der Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs, d.h. der Drehung der Rotorwelle 6 in Hauptdrehrichtung 13 werden die Flügel 11 daher in einer Drehrichtung 14, welche gleich ist mit der Hauptdrehrichtung 13 verschwenkt. Der in der ersten Flügelträgerscheibe 2 und der zweiten Flügelträgerscheibe 3 gelagerte zweischnittig ausgebildete Zapfen, bestehend aus dem ersten Zapfen 10a und dem zweiten Zapfen 10b fungiert als Torsionsfeder bzw. Torsionsdrehstab.
Es findet eine Verdrehung der Flügel 11 mit steigender Rotorwellendrehzahl bzw. Rotation des Rotors 7 (4) statt, so dass bei niedriger Rotorwellendrehzahl, welche bei einer niedrigen Fahrgeschwindigkeit auftritt, eine möglichst hohe Luftströmung/Luftgeschwindigkeit durch die Rotorwelle erzeugt wird, so dass eine effiziente Kühlwirkung erzielt wird. Bei einer hohen Rotorwellendrehzahl, welche bei hoher Fahrgeschwindigkeit auftritt, wird hingegen die Luftströmung/Luftgeschwindigkeit durch die Rotorwelle 6 (4) nicht zu groß, so dass Nachteile in der Akustik bzw. auch in der Wärmeabgabe vermieden werden.
Dies wird dadurch erzielt, in dem sich bei steigender Rotorwellendrehzahl, die Flügel 11 selbstständig aus der Luftströmung drehen, in dem sich die Flügel 11 selbstständig durch die Zapfen 10a, 10b verschwenken. Bei wieder auftretender niedrigeren Rotorwellendrehzahl bewirken die Zapfen 10a, 10b durch ihre Rückstellkraft ein Zurückdrehen der Flügel 11.
Durch das erfindungsgemäße Flügelrad 1 ist eine selbstregelnde Kühlung möglich, in dem sich die Zapfen 10a,10b selbständig tordieren (Torsionsfederfunktion). Je nach Luftströmung und Fliehkraft (Rotorwellenzahl) ist eine stufenlose Verstellung der Flügel 11 durch das erfindungsgemäße Flügelrad 1 möglich.
Zusätzlich können die Zapfen 10a, 10b einen (gleichen) vorgegebenen Torsionswiderstandsmoment aufweisen, so dass sich eine Verschwenkung der Flügel 11 erst ab einer bestimmten Fliehkraft und einer bestimmten Luftströmung einstellt, welche in Summe zusammen größer als der Torsionswiderstandsmoment ist.
Dies bedeutet, dass die Summe aus Fliehkraft und Luftströmung größer sein muss als der Torsionswiderstandsmoment, damit es zu einer Verschwenkung kommt. Dadurch werden die Flügel 11 bei geringer Rotation in der Anfangsstellung gehalten und können dadurch für eine gute Luftförderung sorgen.
3 zeigt die Flügel 11 mit den beiden sich gegenüberliegenden Zapfen 10a und 10b. Die Flügel 11 sind hier als ebene Platte ausgebildet, können jedoch auch leicht gewölbt ausgebildet sein.
4 zeigt eine elektrische Maschine 5 mit einem erfindungsgemäßen Flügelrad 1 im Betrieb.
Eine solche elektrische Maschine 5 umfasst ferner einen Stator 8 mit auf dem Stator 8 angeordneten Wicklungen, welche endseitig jeweils einen Wickelkopf 9 ausbilden. Weiterhin weist die elektrische Maschine 5 den Rotor 7 (4) als auch die Rotorwelle 6 auf, welche jeweils drehbar um eine Rotationsachse Rot gelagert sind.
Um beispielsweise angrenzende Bauteile z.B. Lager der Rotorwelle 6 nicht zu schädigen, muss die Abwärme im Betrieb der elektrischen Maschine 5 möglichst gut abgeführt werden, damit die elektrische Maschine 5 mit hohen Leistungen betrieben werden kann.
Somit ist eine gute Kühlung notwendig. Die Luft, hier als Pfeile gezeichnet, durchströmt den Rotor 7 in den Freigängen der z.B. kreuz- oder sternförmigen Rotorwelle 6. Die Luft kann beispielsweise im Kreislauf strömen und dabei Wärme im Rotor 7 aufnehmen und später beispielsweise an ein Gehäuse oder an eine wassergekühlte Statorkühlbuchse abgeben.
Durch das erfindungsgemäße Flügelrad 1 kann eine luftstromabhängige und rotorwellendrehzahlabhängige, das heißt fliehkraftabhängige selbstregelnde Kühlung einer elektrischen Maschine 5 geschaffen werden. Das erfindungsgemäße Flügelrad 1 ist zudem kostengünstig herzustellen.
Bezugszeichenliste

1: Flügelrad
2: erste Flügelträgerscheibe
3: zweite Flügelträgerscheibe
4: Aussparung
5: elektrische Maschine
6: Rotorwelle
7: Rotor
8: Stator
9: Wickelkopf
10a, 10b: Zapfen
11: Flügel
12: Luftöffnungen
13: Hauptdrehrichtung
14: Drehrichtung
U: Umfangsrichtung
R: radiale Richtung
Rot: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011087602 A1 [0006]
DE 102010026682 A1 [0007]

Claims

Flügelrad (1) für eine elektrische Maschine (5), wobei das Flügelrad (1) drehbar um eine Rotationsachse (Rot) gelagert ist wobei das Flügelrad (1) eine rotationssymmetrische Scheibenanordnung aufweist, wobei die Scheibenanordnung aus einer ersten Flügelträgerscheibe (2) und einer zu der ersten Flügelträgerscheibe (2) beabstandet angeordneten zweiten Flügelträgerscheibe (3) besteht, und wobei die Scheibenanordnung eine zentrierte rotationssymmetrische Aussparung (4) zur Aufnahme eines rotationssymmetrischen Bauteiles aufweist, und das Flügelrad (1) mehrere Flügel (11) aufweist, welche dazu ausgebildet sind, bei Rotation des Flügelrades (1) einen durchströmenden Luftstrom zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass, zwischen der ersten Flügelträgerscheibe (2) und der zweiten Flügelträgerscheibe (3) mehrere in einer Umlaufrichtung (U) gleichmäßig angeordnete Verschwenkungselemente angeordnet sind, wobei jeweils ein Flügel (11) an einem Verschwenkungselement verschwenkbar um eine Schwenkachse gelagert ist, so dass eine Verschwenkung in Abhängigkeit von der Fliehkraft und /oder der Luftströmung ermöglicht ist.
Flügelrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse (Rot) ausgebildet ist
Flügelrad (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkungselemente dazu ausgebildet sind, bei einer hohen Fliehkraft und einem hohen durchströmenden Luftstrom eine selbstregelnde Verschwenkung der Flügel (11) aus der Luftströmung heraus zu bewirken.
Flügelrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (11) im Wesentlichen eine horizontale Anfangsstellung aufweisen.
Flügelrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Luftöffnung (12) zum Durchströmen von Luft zumindest in der ersten Flügelträgerscheibe (2) oder der zweiten Flügelträgerscheibe (3) angeordnet ist.
Flügelrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Verschwenkungselemente zumindest einen eine elastische Rückstellkraft ausübenden Torsionsabschnitt aufweist oder als ein eine elastische Rückstellkraft ausübendes Torsionselement ausgebildet ist, so dass bei Rotation des Flügelrades (1) eine Verschwenkung anhand der sich einstellenden Fliehkraft und des sich einstellenden Luftwiderstandes durch die durchströmende Luft bei hoher Rotation oder hohem Luftwiderstand bewirkt ist, wobei die Verschwenkung mittels der elastischen Rückstellkraft bei geringerer Rotation oder weniger Luftwiderstand rückstellbar ist.
Flügelrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Verschwenkungselemente einen vorgegebenen Torsionswiderstandsmoment aufweist, so dass sich eine Verschwenkung der Flügel (11) erst ab einer bestimmten Fliehkraft und bestimmten Luftströmung einstellt, welche in Summe zusammen größer als der Torsionswiderstandsmoment ist.
Flügelrad (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkungselemente jeweils als Torsionsfedern ausgebildet sind, welche jeweils zwischen der ersten Flügelträgerscheibe (2) und der zweiten Flügelträgerscheibe (3) angeordnet sind, wobei die Flügel (11) jeweils an oder auf einer Torsionsfeder verschwenkbar angeordnet sind.
Flügelrad (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkungselemente jeweils als ein zweischnittig ausgebildeter elastischer auf Torsion beanspruchbarer Zapfen, welcher sich in einen ersten Zapfen (10a) und einen zweiten Zapfen (10b) aufteilt, ausgebildet sind.
Flügelrad (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Flügel (11) drehfest zwischen den ersten Zapfen (10a) und dem zweiten Zapfen (10b) gelagert ist, wobei der erste Zapfen (10a) an der ersten Flügelträgerscheibe (2) und der zweite Zapfen (10b) an der zweiten Flügelträgerscheibe (3) befestigt ist.
Flügelrad (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zapfen (10a) und der zweite Zapfen (10b) sich gegenüberliegen.
Elektrische Maschine (5) umfassend einem Stator (8) mit einer auf den Stator (8) angeordneten Wicklung sowie einem, um eine Rotationsachse (Rot) rotierbaren Rotor (7), der drehbar bezüglich des Stators (8) angeordnet ist, wobei der Rotor (7) eine Rotorwelle (6) aufweist, die zusammen mit dem Rotor (7) rotiert, und wenigstens einen von dem Rotor (7) antreibbaren, drehbar um die Rotationsachse (Rot) gelagerten, Flügelrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Fördern eines durchströmenden Luftstroms zur Kühlung der elektrischen Maschine (5).
Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (5) nach Anspruch 12, umfassend einem Flügelrad (1) mit Verschwenkungselementen, wobei die Verschwenkungselemente jeweils endseitig an einem Flügel (11) ausgebildet sind, so dass eine größtmögliche Verschwenkung mit der Hauptdrehrichtung einer Rotorwelle (6) ermöglicht ist.