-
Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Eine solche Axialflussmaschine ist beispielsweise bereits der
WO 2015/019107 A2 , der
WO 2016/185173 A1 , der
EP 2 835 895 A2 sowie der
EP 1 559 604 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Axialflussmaschine weist einen Rotor auf, welcher einen Rotorträger, an dem Rotorträger gehaltene Magnete und innerhalb des Rotorträgers verlaufende Kühlkanäle aufweist. Die Kühlkanäle sind jeweils von Kühlluft zum Kühlen des Rotors durchströmbar. Der jeweilige Kühlkanal weist einen jeweiligen Eintritt auf, über welchen die Kühlluft in den jeweiligen Kühlkanal einleitbar ist. Des Weiteren weist der jeweilige Kühlkanal mindestens einen jeweiligen Austritt auf, über welchen die Kühlluft abführbar ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Axialflussmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte und bedarfsgerechte Kühlung des Rotors realisiert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Um eine Axialflussmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte und bedarfsgerechte Kühlung des Rotors realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Axialflussmaschine eine den Eintritten zugeordnete Ventileinrichtung aufweist, mittels welcher ein von der Kühlluft durchströmbarer Strömungsquerschnitt des jeweiligen Eintritts einstellbar, das heißt veränderbar ist. Insbesondere ist die Ventileinrichtung zwischen einer die Eintritte verschließenden und somit den jeweiligen Strömungsquerschnitt auf null reduzierenden Schließstellung und wenigstens einer die Eintritte freigebenden Offenstellung relativ zu dem Rotor bewegbar, insbesondere drehbar, sodass in der Offenstellung der Strömungsquerschnitt größer als null ist. Somit kann in der Offenstellung Kühlluft den jeweiligen Eintritt durchströmen und somit über den jeweiligen Eintritt in den jeweiligen Kühlkanal einströmen. In der Schließstellung kann keine Kühlluft den jeweiligen Eintritt durchströmen und somit über den Eintritt in den jeweiligen Kühlkanal einströmen.
-
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Durch elektromagnetische Verluste in elektrischen Maschinen entsteht Wärme. Diese sollte abgeführt werden, um eine Leistungsreduzierung, eine Beschädigung oder eine Zerstörung der Maschine zu vermeiden. Speziell bei Axialflussmaschinen (AFM) sollte eine maximale Temperatur nicht überschritten werden, um eine Festigkeit von Klebeverbindungen zwischen den beispielsweise als Permanentmagnete ausgebildeten Magneten und dem Rotorträger nicht unerwünscht zu beeinträchtigen. Bei hohen Leistungen reicht hierfür eine natürliche Konvektion nicht aus. Flüssigkeitsgekühlte Rotoren sind sehr aufwendig. Äußere Rippen am Rotor würden zu hohen Ventilationsverlusten führen. Erfindungsgemäß ist daher die Ventileinrichtung vorgesehen, welche beispielsweise automatisch und/oder temperaturabhängig geöffnet und geschlossen beziehungsweise die Strömungsquerschnitte einstellen kann. Da die Kühlkanäle innerhalb des Rotorträgers verlaufen, sind die Kühlkanäle innenliegende Kühlkanäle, über welche Wärme besonders vorteilhaft aus dem Rotor abgeführt werden kann. In Betriebszuständen, in welchen über die Kühlkanäle eine Kühlung des Rotors nicht erforderlich oder nicht erwünscht ist, befindet sich die Ventileinrichtung beispielsweise in der Schließstellung. Hierdurch kann ein besonders verlustarmer Betrieb realisiert werden. In Betriebszuständen, in welchen eine Kühlung des Rotors über die Kühlkanäle vorteilhaft oder erwünscht ist, kann sich die Ventileinrichtung in der Offenstellung befinden, wodurch Wärme besonders effektiv und effizient aus und insbesondere von dem Rotor abgeführt werden kann.
-
Die Ventileinrichtung ist beispielsweise eine Scheibe, insbesondere eine Verschluss-Lochblende, welche beispielsweise um eine Drehachse, um welche der Rotor der Axialflussmaschine relativ zu einem Stator der Axialflussmaschine, drehbar ist. Beispielsweise ist der Ventileinrichtung ein auch als Aktuator bezeichneter Aktor zugeordnet, mittels welchem die Ventileinrichtung relativ zu dem Rotor bewegbar, insbesondere drehbar, ist. Der Aktor kann selbsttätig und/oder temperaturgeregelt sein. Beispielsweise kann der Aktor als ein Bimetall ausgebildet oder aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sein. Ferner ist es denkbar, dass der Aktor ein elektrisch betreibbarer Aktor, insbesondere Elektromotor, ist, sodass beispielsweise mittels des Aktors unter Nutzung von elektrischer Energie die Ventileinrichtung relativ zu dem Rotor bewegt werden kann. Die Erfindung ermöglicht eine bedarfsgerechte Kühlung und somit gegenüber herkömmlichen Lösungen eine erhöhte Leistungsfähigkeit und eine erhöhte Zuverlässigkeit der Axialflussmaschine. Insbesondere kann durch eine Verlustreduzierung ein besonders effizienter Betrieb der Axialflussmaschine realisiert werden. Die vorigen und folgenden Ausführungen können ohne Weiteres auch auf Radialflussmaschinen übertragen werden, sodass die Erfindung auch bei Radialflussmaschinen Anwendung finden kann.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht einer ersten Ausführungsform eines Rotors einer Axialflussmaschine;
- 2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Rotors der Axialflussmaschine gemäß 1;
- 3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer oberen Hälfte eines Rotors einer Axialflussmaschine in einer zweiten Ausführungsform und
- 4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer oberen Hälfte einer dritten Ausführungsform eines Rotors einer Axialflussmaschine.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Vorderansicht einen Rotor 14 einer als Axialflussmaschine 10 ausgebildeten, elektrischen Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Axialflussmaschine 10 dazu ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch anzutreiben. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform des Rotors 14 der Axialflussmaschine 10. Wie in Zusammenschau mit 4 erkennbar ist, weist die Axialflussmaschine 10 einen Stator 12 und einen Rotor 14 auf, welcher mittels des Stators 12 antreibbar und dadurch um eine Drehachse 16 relativ zu dem Stator 12 drehbar ist. Hierbei zeigt 4 nur einen schematischen Ausschnitt einer solchen Axialflussmaschine 10, welche mindestens einen Stator 12 und mindestens einen Rotor 14 aufweist, so dass die Darstellung keinerlei Einschränkung auf den Typ der Axialflussmaschine 10 ergibt und rein beispielsweise zu sehen ist. Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass der Rotor 14 einen Rotorträger 18 und Magnete 20 aufweist. Beispielsweise sind die Magnete 20 separat von dem Rotorträger 18 ausgebildet und an dem Rotorträger 18 gehalten, insbesondere dadurch, dass der jeweilige Magnet 20 mit dem Rotorträger 18 durch eine jeweilige Klebeverbindung verbunden ist. Insbesondere ist der jeweilige Magnet 20 ein jeweiliger Permanentmagnet. Der Rotor 14 weist außerdem innerhalb des Rotorträgers 18 verlaufende Kühlkanäle 22 auf. Da die Kühlkanäle 22 innerhalb des Rotorträgers 18 verlaufen, sind jeweilige Teilbereiche der Kühlkanäle 22 in 1 nicht erkennbar, wobei diese Teilbereiche in 1 durch gestrichelte Linien veranschaulicht sind. Der jeweilige Kühlkanal 22 ist von Kühlluft durchströmbar, insbesondere in radialer Richtung des Rotors 14 von innen nach außen. Hierfür weist der jeweilige, auch als Kühlluftkanal bezeichnete Kühlkanal 22 einen jeweiligen Eintritt 24 auf, über welchen die Luft, insbesondere aus einer Umgebung 26 des Rotors 14, in den jeweiligen Kühlkanal 22 einleitbar ist. Des Weiteren weist der jeweilige Kühlkanal 22 einen jeweiligen Austritt 28 auf, über welchen die den jeweiligen Kühlkanal 22 durchströmende Kühlluft aus dem jeweiligen Kühlkanal 22 abführbar und beispielsweise in die Umgebung 26 führbar ist. Es ist erkennbar, dass die jeweiligen Austritte 28 in radialer Richtung des Rotors 14 weiter außen liegen als die jeweiligen Eintritte 24, welche auch als Einlässe bezeichnet werden. Der jeweilige, auch als Einlass bezeichnete Eintritt 24 verläuft parallel zur axialen Richtung oder schräg zur axialen Richtung des Rotors 14 und damit zur Axialflussmaschine 10.
-
Auch ist in 1 erkennbar, dass in der ersten Ausführungsform sich die Kühlkanäle 22 im Rotorträger 18 aufteilen, so dass jedem Eintritt 24 mit einem anfangenden Kühlkanal 22 dann mehrere Austritte 28 mit einem jeweiligen Kühlkanal 22 und damit mehreren Kühlkanälen 22 zugeordnet und fluidisch verbunden ist. Beispielsweise sind in der ersten Ausführungsform dem einen Eintritt 24 mit dem einen Kühlkanal 22, der sich dann in zwei Kühlkanäle 22 auftrennt auch zwei Austritte 28 zugeordnet und fluidisch verbunden. Je nach Größe und Ausführung eines Rotors kann hier das Verzweigungsverhältnis der Kühlkanäle bestimmt werden, da die Kühlung über den kompletten Umfang erfolgen soll, der ja mit dem Radius nach außen hin zunimmt, so dass hier die Kühlkanäle 22 aus Stabilitätsgründen nicht beliebig verbreitert werden können und damit sich verzweigen um auch den größer-werdenden Umfang nach außen hin abdecken zu können.
-
Aus 2 ist erkennbar, dass der Rotor 14 auch eine einfach auch als Welle bezeichnete Rotorwelle 30 aufweist. Beispielsweise ist der Rotorträger 18 drehfest mit der Rotorwelle 30 verbunden. Dabei ist es denkbar, dass der Rotorträger 18 separat von der Rotorwelle 30 und drehfest mit der Rotorwelle 30 verbunden ist.
-
Um nun eine besonders vorteilhafte und bedarfsgerechte Kühlung des Rotors 14 realisieren zu können, weist der Rotors 14 der Axialflussmaschine 10, wie besonders gut aus 1 erkennbar ist, eine den Eintritten 24 zugeordnete und den Eintritten 24 gemeinsame Ventileinrichtung 32 auf, mittels welcher ein jeweiliger, von der Kühlluft durchströmbarer Strömungsquerschnitt des jeweiligen Eintritts 24 durchströmbar ist. Die Ventileinrichtung 32 ist um die Drehachse 16 relativ zu dem Rotor 14 drehbar, wodurch die, insbesondere alle, Strömungsquerschnitte der, insbesondere aller, Eintritte 24, insbesondere gleichzeitig, einstellbar sind. Insbesondere kann die Ventileinrichtung 32 um die Drehachse 16 relativ zu dem Rotor 14 zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verdreht und somit bewegt werden. In der Schließstellung sind die Eintritte 24 mittels der Ventileinrichtung 32 fluidisch versperrt, sodass die Strömungsquerschnitte auf null reduziert sind. Somit kann keine Kühlluft aus der Umgebung 26 die Eintritte 24 durchströmen. In der Offenstellung gibt die Ventileinrichtung 32 die Eintritte 24 frei, sodass in der Offenstellung die Strömungsquerschnitte größer als null sind. Somit kann Luft als Kühlluft aus der Umgebung 26 die Eintritte 24 durchströmen und somit in die Kühlkanäle 22 einströmen. Insbesondere kann die Ventileinrichtung 32 in mehrere, voneinander unterschiedliche Offenstellungen gedreht werden, in welchen die Strömungsquerschnitte jeweilige, gegenüber null größere Werte aufweist.
-
Aus 1 ist erkennbar, dass der Ventileinrichtung 32 ein Aktor 34 zugeordnet ist, mittels welchem die Ventileinrichtung 32 um die Drehachse 16 relativ zu dem Rotor 14 drehbar ist, um dadurch die Strömungsquerschnitte einzustellen. Der Aktor 34 ist beispielsweise ein Bimetall. Ferner ist denkbar, dass der Aktor 34 aus eine Formgedächtnislegierung gebildet ist. Somit ist beispielsweise der Aktor 34 durch Temperaturänderungen des Rotors 14, dessen Temperaturänderungen mit Temperaturänderungen des Aktors 34 einhergehen, zerstörungsfrei verformbar, wobei durch Verformen des Aktors 34 die Ventileinrichtung 32 um die Drehachse 16 relativ zu dem Rotor 14 drehbar ist. Dadurch werden die Strömungsquerschnitte automatisch und in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen des Rotors 14 eingestellt, das heißt verändert, sodass eine besonders einfache, kostengünstige und bedarfsgerechte Kühlung des Rotors 14 darstellbar ist. Insgesamt ist erkennbar, dass die Ventileinrichtung 32 als Ventil fungiert, mittels welchem die Strömungsquerschnitte und somit eine jeweilige, die Strömungsquerschnitte durchströmende Menge der Kühlluft einstellbar sind.
-
Bei der ersten Ausführungsform ist die Ventileinrichtung 32 als eine Lochblende oder als eine Art Lochblende ausgebildet. Je Eintritt 24 weist die Ventileinrichtung 32 wenigstens oder genau eine Durchgangsöffnung 36 auf. In der Offenstellung ist der jeweilige Eintritt 24 von einer jeweiligen der Durchgangsöffnungen 36 überlappt, wodurch der jeweilige Eintritt 24 freigegeben ist. In der Schließstellung sind die Eintritte 24 mittels jeweiliger, sich an die Durchgangsöffnungen 36 anschließender Wandungsbereiche der Ventileinrichtung 32 verschlossen, dadurch, dass die Eintritte 24 in axialer Richtung der Axialflussmaschine 10 zur Umgebung 26 hin durch die Wandungsbereiche überdeckt sind.
-
Bei der ersten Ausführungsform verläuft der jeweilige Eintritt 24 schräg zur axialen Richtung des Rotors 14, sodass der jeweilige Eintritt 24 entlang einer ersten Strömungsrichtung von der Kühlluft durchströmbar ist, wobei die erste Strömungsrichtung somit auch schräg zur axialen Richtung des Rotors 14 verläuft. Auch verläuft der jeweilige Austritt 28 bei der ersten Ausführungsform ebenfalls schräg zur axialen Richtung des Rotors 14, sodass der jeweilige Austritt 28 entlang einer jeweiligen, zweiten Strömungsrichtung von der Kühlluft durchströmbar ist. Die zweite Strömungsrichtung verläuft somit auch schräg zur axialen Richtung des Rotors 14, wobei die zweite Strömungsrichtung eine andere Schräge zur axialen Richtung des Rotors 14 aufweist als die erste Strömungsrichtung, insbesondere ist die axiale Komponente der beiden Schrägen der Strömungsrichtungen umgekehrt und insbesondere beispielsweise die radiale Komponente der beiden Schrägen der Strömungsrichtungen gleich.
-
Ferner ist es denkbar, dass mindestens eine der beiden jeweilige Strömungsrichtung parallel zur axialen Richtung des Rotors 14 verläuft, wie dies beim Eintritt 24 in einer zweiten Ausführungsform in 3 dargestellt ist.
-
3 zeigt in einem Ausschnitt eine zweite Ausführungsform des Rotors 14, bei der der jeweilige Eintritt 24 in axialer Richtung des Rotors 14 verläuft und der jeweilige Austritt 28 in radialer Richtung des Rotors 14 verläuft, sodass die jeweilige, erste Strömungsrichtung in axialer Richtung des Rotors 14 verläuft, veranschaulicht durch den Pfeil 40, und die jeweilige, zweite Strömungsrichtung in radialer Richtung des Rotors 14 verläuft, veranschaulicht durch die Pfeile 38.
-
In der zweite Ausführungsform des Rotors 14 in 3 ist die Ventileinrichtung 32 beispielsweise als zylindrisches dünnwandiges Rohrstück mit radialen Öffnungen ausgeführt.
-
Schließlich zeigt 4 einen Ausschnitt einer dritte Ausführungsform eines Rotors 14 einer Axialflussmaschine 10. Bei der dritten Ausführungsform ist wenigstens einem der Austritte 28 ein auch als Heat Pipe bezeichnetes Wärmerohr 44 zugeordnet, welches, wie durch einen Pfeil 46 veranschaulicht ist, von der den wenigstens einen Austritt 28 durchströmenden und somit über den wenigstens einen Austritt aus dem zugehörigen Kühlkanal 22 ausströmenden Kühlluft durchströmbar ist. Das Wärmerohr 44 ist eine mögliche Ausführungsform einer Wärmesenke, die Wärme von oder aus der den wenigstens einen Austritt 28 durchströmenden Kühlluft aufnehmen und beispielsweise an ein anderes, insbesondere flüssiges Kühlmedium oder Arbeitsmedium übertragen kann, insbesondere über Kühlrippen 48, mit denen das Wärmerohr 44 versehen sein kann. Bei dem anderen Kühlmittel oder Arbeitsmedium kann es sich beispielsweise um Wasser, mithin Kühlwasser, oder aber um Öl handeln, sodass eine Wasser- beziehungsweise Ölkühlung darstellbar ist. Beispielsweise sind das Wärmerohr 44 und beispielsweise auch die Kühlrippen 48 in einem Kreislauf angeordnet.
-
In einer vorteilhaften weiteren Ausführung ist der Rotor 14 nicht nur durch den Kühlkanal 22 kühlbar, sondern auch noch durch eine Luftströmung durch den Luftspalt 50 zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14, der bei Axialflussmaschinen in Scheibenform gebildet ist. Der Luftspalt 50 kann in seiner Scheibenform auch als ein weiterer Kühlkanal genutzt sein, wodurch eine Luftspaltkühlung realisierbar oder realisiert ist. Die Luftströmung durch den Luftspalt 50 als Kühlkanal ist am äußeren Umfang des Rotors 14 zurück auf eine Rotorrückseite des Rotors 14 geführt, wobei die Kühlluft in dem Kreislauf auf die Rotorrückseite geführt werden kann. Die Wärme kann dabei beispielsweise direkt in dem genannten Kreislauf innerhalb eines Gehäuses der Axialflussmaschine 10 durch das Wärmerohr 44 und gegebenenfalls die Kühlrippen 48 entzogen und nach außen, das heißt an eine Umgebung des Gehäuses, insbesondere der Axialflussmaschine 10 insgesamt, geführt werden und dort in einem Wärmetauscher zum Beispiel an Luft, Öl oder Wasser, das heißt an ein anderes oder das zuvor genannte, andere Kühlmittel abgeführt werden.
-
Beispielsweise weist der Rotorträger 18 wenigstens einen beispielsweise als Bohrung ausgebildeten Verbindungskanal 52 auf, über welchen der Luftspalt 50 fluidisch mit dem Kühlkanal 22 verbunden ist. Somit kann beispielsweise stromab des Wärmerohrs 44 die Kühlluft in einen ersten Teilstrom und in einen zweiten Teilstrom aufgeteilt werden. Der erste Teilstrom strömt durch den Kühlkanal 22 hindurch, und der zweite Teilstrom strömt durch den Verbindungskanal 52 und somit durch den Luftspalt 50 hindurch. Stromauf des Wärmerohrs 44 werden die Teilströme beispielsweise zu einem Gesamtstrom vereinigt, welcher dann stromab des Wärmerohrs 44 in den ersten Teilstrom und den zweiten Teilstrom aufgeteilt wird. Durch die beispielsweise als Verbindungsbohrungen ausgebildeten Verbindungskanäle 52 kann somit dem Luftspalt 50 zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 zumindest ein Teil der Kühlluft zugeführt werden, wodurch die Luftspaltkühlung realisiert ist. Diese Luftspaltkühlung wird durch eine Sogwirkung eines austretenden Hautkühlluftstroms insbesondere auf einer dem Wärmerohr 44 zugewandten Vorderseite des Rotors 14 unterstützt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Axialflussmaschine
- 12
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Drehachse
- 18
- Rotorträger
- 20
- Magnet
- 22
- Kühlkanal
- 24
- Eintritt
- 26
- Umgebung
- 28
- Austritt
- 30
- Rotorwelle
- 32
- Ventileinrichtung
- 34
- Aktor
- 36
- Durchgangsöffnung
- 38
- Pfeil
- 40
- Pfeil
- 42
- Pfeil
- 44
- Wärmerohr
- 46
- Pfeil
- 48
- Kühlrippen
- 50
- Luftspalt
- 52
- Verbindungskanal
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2015/019107 A2 [0002]
- WO 2016/185173 A1 [0002]
- EP 2835895 A2 [0002]
- EP 1559604 A1 [0002]
