-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Es ist bekannt, elektrische Maschinen zu kühlen. Ein bekannter Kühlungsmechanismus besteht darin, eine Kühlung über den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine vorzunehmen. Bei elektrischen Maschinen, bei denen der Rotor an der Außenfläche angeordnete Permanentmagnete umfasst, sind die Permanentmagnete typischerweise mit einer Rotorbandage umgeben. Mit zunehmenden Drehzahlen nimmt die Dicke einer solchen Rotorbandage zu. Da eine Rotorbandage typischerweise aus elektrisch isolierendem Material besteht, besitzt sie eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Eine Kühlwirkung über den Luftspalt zwischen Rotor und Stator wird hierdurch reduziert. Eine alternativ einsetzbare Metallbandage zur Halterung der Permanentmagnete ist üblicherweise wesentlich dicker als eine Bandage aus einem elektrisch isolierenden Material.
-
Weiter ist es bekannt, eine Kühlung des Rotors über die Innenfläche des Rotors vorzunehmen. Auch eine solche Kühlung besitzt einen eher geringen Wirkungsgrad, da die radiale Dicke des Rotors als thermischer Widerstand wirkt.
-
Aus der
FR 2980056 A1 ist es bekannt, Kühlluftkanäle an der Außenseite des Rotor einer elektrischen Maschine angrenzend an den Luftspalt zwischen Rotor und Stator auszubilden. Solche Kühlluftkanäle bewirken eine gewisse Oberflächenvergrößerung der Rotoroberfläche angrenzend an den Luftspalt zwischen Rotor und Stator, haben jedoch eine begrenzte Wirksamkeit.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eine verbesserte Kühlung des Rotors einer elektrischen Maschine bereitgestellt.
-
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor radial beabstandet zum Stator um eine Längsachse rotiert. Zwischen Rotor und Stator erstreckt sich ein Luftspalt. Der Rotor weist eine Rotorwelle (auch als Rotorträgerwelle bezeichenbar) mit zwei Stirnseiten und einer Oberfläche und eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf, die mit der Rotorwelle verbunden sind und an den Luftspalt angrenzen.
-
Es ist vorgesehen, dass die Rotorwelle radial beabstandet zum Luftspalt eine Mehrzahl von Kühlkanälen aufweist, die sich in Längsrichtung der Rotorwelle zwischen den Stirnseiten der Rotorwelle erstrecken.
-
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Kühlung des Rotors durch gesondert ausgebildete Kühlkanäle bereitzustellen, die sich in der Rotorwelle oder an der Oberfläche der Rotorwelle in axialer Richtung erstrecken. Hierdurch wird eine Kühlung bereitgestellt, die unabhängig von einer Kühlung über den Luftspalt ist und insbesondere nicht von Material und Dicke einer Rotorbandage abhängt. Die über die Kühlkanäle bereitgestellte Kühlung kann eine Kühlung über den Luftspalt ergänzen oder sogar ersetzen (wenn der Luftspalt sehr klein gemacht wird). Als Kühlmedium kann jeglicher gasförmiger Stoff eingesetzt werden, der der Rotorwelle an der einen Stirnseite zugeführt und an der anderen Stirnseite entnommen wird, wobei das Kühlmedium die an ihren axialen Enden offenen Kühlkanäle durchströmt.
-
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine aktive und damit effektive Kühlung eines Rotors, da unmittelbar das Magnetpaket aus der Mehrzahl der Permanentmagneten gekühlt wird und Wärme nicht ausschließlich über den Luftspalt zwischen Rotor und Stator abtransportiert werden muss. Hierdurch kann auch die Menge an erforderlichem Kühlmedium minimiert werden. Weiter wird durch eine minimierte Temperaturschwankung und bessere Kühlung des Magnetpakets die Entmagnetisierung der Randschichten reduziert, was zu einer Stabilisierung des magnetischen Feldes beiträgt und die Effizienz der elektrischen Maschine deutlich steigert. Dies wiederum erlaubt es, die Größe der elektrische Maschine zu reduzieren.
-
Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen Innenläufer, bei dem der Rotor vom Stator umschlossen ist, oder um einen Außenläufer, bei dem der Stator vom Rotor umschlossen ist, handeln.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlkanäle als längliche Bohrungen in der Rotorwelle ausgebildet sind, die sich radial beabstandet zur Oberfläche der Rotorwelle zwischen den Stirnseiten der Rotorwelle erstrecken, nämlich radial innen zur Oberfläche bei einem Innenläufer und radial außen zur Oberfläche bei einem Außenläufer. Die genannte Oberfläche der Rotorwelle ist dabei die äußere Mantelfläche der Rotorwelle bei einem Innenläufer und die innere Mantelfläche der Rotorwelle bei einem Außenläufer. Diese Ausgestaltung ist mit dem Vorteil verbunden, dass eine Kühlung im Material der Rotorwelle erfolgt, so dass Wärme effektiv durch die Kühlkanäle abtransportiert werden kann. Der Kühlkanäle können beispielsweise durch Bohren hergestellt werden, wenn sie geradlinig verlaufen, oder durch Funkenerodieren ggf. in Kombination mit Bohren hergestellt werden, wenn sie teilweise gebogen verlaufen.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Kühlkanäle als längliche Vertiefungen in der Oberfläche der Rotorwelle ausgebildet sind. Die länglichen Vertiefungen werden beispielsweise durch längliche Nuten gebildet, die einen z.B. halbkreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt besitzen. Dabei grenzen die länglichen Vertiefungen radial außen an die Permanentmagnete oder eine Zwischenschicht, mit der die Permanentmagnete verbunden sind, an. Diese Ausgestaltung ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Vertiefungen vergleichsweise einfach in der Rotorwelle ausgebildet werden können, beispielsweise durch Fräsen oder Funkeneroderien, wobei auch von einem geradlinigen Verlauf abweichende Verläufe in einfacher Weise realisierbar sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kühlkanäle benachbart zu den Permanentmagneten ausgebildet sind, so dass sie diese in besonders effektiver Weise kühlen können.
-
Die Permanentmagnete grenzen in einer Ausgestaltung unmittelbar an die Oberfläche der Rotorwelle an. Sie sind beispielsweise durch scheibenförmigen Permanentmagnete gebildet, die auf der Rotorwelle sitzen und in axialer Richtung unmittelbar hintereinander angeordnet sind. In anderen Ausgestaltungen können Permanentmagnete eingesetzt werden, die sich in axialer Richtung erstrecken.
-
Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Permanentmagnete mit einer Zwischenschicht verbunden sind, die auf der Oberfläche der Rotorwelle ausgebildet ist. Eine solche Zwischenschicht, die der Befestigung der Permanentmagnete dient, wird auch als Magnetjoch bezeichnet. Die genannte Zwischenschicht besteht aus einem nichtleitenden und nicht magnetischen/magnetisierbaren Material wie zum Beispiel einem Kompositmaterial auf Keramik- oder Polymerbasis, zum Beispiel glasfaserverstärktem Kunststoff. Die Verwendung einer Zwischenschicht ist grundsätzlich optional und hängt von den Randbedingungen der elektrischen Maschine ab, beispielsweise der Drehzahl und den auf die Permanentmagnete wirkenden Kräfte.
-
Sofern eine Zwischenschicht vorhanden ist, ist vorgesehen, dass die länglichen Vertiefungen an der Oberfläche der Rotorwelle radial innen zur Zwischenschicht ausgebildet sind.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Verdichterstufe vor, die axial beabstandet zur Rotorwelle angeordnet und dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine Fluidströmung durch die Kühlkanäle bereitzustellen. Dabei umfasst die Verdichterstufe ein Laufrad und einen Stator. Grundsätzlich können auch mehrere Verdichterstufen hintereinander angeordnet sein. Durch den Einsatz einer Verdichterstufe wird eine konstante Fluidzufuhr für die Kühlkanäle sichergestellt. Die Verdichterstufe kann dabei bezogen auf die Strömungsrichtung axial vor den Kühlkanälen angeordnet sein oder alternativ axial hinter den Kühlkanälen angeordnet sein. Im ersten Fall beaufschlagt sie das Kühlfluid mit Druck, so dass dieses durch die Kühlkanäle strömt. Im zweiten Fall erzeugt sie einen Unterdruck am Ausgang der Kühlkanäle, was wiederum zu einem Fluidstrom durch die Kühlkanäle führt.
-
Das Laufrad der Verdichterstufe wird durch einen Laufschaufelkranz gebildet, deren Laufschaufeln in Umfangsrichtung aneinander angrenzen. Das Laufrad kann dabei direkt oder über ein Übersetzungsgetriebe mit der Rotorwelle gekoppelt sein. Grundsätzlich kann auch ein gesonderter Antrieb für das Laufrad vorgesehen sein.
-
Gemäß einer Ausgestaltung kann der Stator in entsprechender Weise als Leitrad mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung aneinander angrenzender Leitschaufeln ausgebildet sein. Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass der Stator als Formteil mit integrierten Fluidkanälen ausgebildet ist, die eingangsseitig dem Laufrad und ausgangsseitig den Kühlkanälen zugeordnet sind. Die Ausgestaltung des Stators der Verdichterstufe als Formteil erlaubt es, die durch das Laufrad beschleunigte Luft zu komprimieren und dabei gezielt auf den stirnseitigen Eingang der Kühlkanäle zu leiten. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Formteil an seinem axial hinteren Ende, der an die Kühlkanäle angrenzt, einen kreisförmigen Luftspalt ausbildet, der gegenüberliegend zum Eingang der Kühlkanäle angeordnet ist.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass dem Laufrad ein weiteres Formteil mit integrierten Fluidkanälen vorgelagert ist, wobei ein Kühlfluid über das weitere Formteil bereits in definierter Richtung dem Laufrad zugeführt wird, so dass die beschleunigte und komprimierte Luft effektiver den Kühlkanälen der Rotorwelle zugeführt werden kann.
-
Die genannten Formteile mit integrierten Fluidkanälen können beispielsweise durch 3D-Druck hergestellt sein.
-
Statt der Bereitstellung einer Verdichterstufe kann alternativ vorgesehen sein, dass ein druckbeaufschlagtes Kühlfluid extern erzeugt und der elektrischen Maschine über einen Anschluss bereitgestellt wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Kühlfluid über ein Formteil mit integrierten Fluidkanälen von dem genannten Anschluss zu den Kühlkanälen verteilt wird.
-
Die elektrische Maschine kann grundsätzlich in offener Bauweise ohne Gehäuse ausgebildet sein. Gleichwohl sehen Ausgestaltungen der Erfindung vor, dass die elektrische Maschine in einem Gehäuse mit axial beabstandeten Endplatten angeordnet ist, in denen die Rotorwelle gelagert ist, wobei die eine der Endplatten mindestens einen Fluideinlass und die andere der Endplatten mindestens einen Fluidauslass aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Verdichterstufe innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Hierdurch ist die elektrische Maschine in ihrem Betrieb unabhängig von der externen Zuführung eines druckbeaufschlagten Kühlfluids. Sofern eine Verdichterstufe vorgesehen ist, ist diese dabei eingangsseitig mit dem Fluideinlass der einen Endplatte verbunden.
-
In anderen Ausgestaltungen ist eine Verdichterstufe oder ein anderes Kompressionsmittel außerhalb des Gehäuses angeordnet. In einem solchen Fall bildet der Fluideinlass der einen Endplatte einen Anschluss zur Bereitstellung eines druckbeaufschlagten Fluids.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an mindestens einer der Stirnseiten der Rotorwelle eine Zusatzplatte angeordnet ist, die aerodynamisch gebogene Fluidkanäle aufweist, über ein Kühlfluid dahingehend umlenkbar ist, das es eine Richtungskomponente in Rotationsrichtung der Rotorwelle erhält. Hierbei ist zu beachten, dass die Rotorwelle und damit die Kühlkanäle mit hoher Drehzahl rotieren. Für ein effektives Einblasen von Kühlfluid in die Kühlkanäle ist es daher anzustreben, das Kühlfluid in Umfangsrichtung zu beschleunigen. Hierzu dient die Zusatzplatte, wobei die in dieser integrierten Fluidkanäle eine Art Vordralldüsen bilden, die das einströmende Kühlfluid in Rotationsrichtung umlenken und dabei das Kühlfluid mit einem Drall versehen. Der erzeugte Drall reduziert aerodynamische Verluste beim Einblasen des Kühlfluids in die Kühlkanäle.
-
Der Bedarf, eine solche Zusatzplatte einzusetzen, hängt dabei von dem Durchmesser der Kühlkanäle und der Drehzahl der elektrischen Maschine ab. Bei geringen Drehzahlen und großen Durchmesser der Kühlkanäle ist eine Zusatzplatte mit integrierten, aerodynamisch gebogenen Fluidkanälen nicht notwendigerweise erforderlich.
-
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass für ein verlustarmes Einblasen von Kühlfluid in die Kühlkanäle die Kühlkanäle selbst zumindest eingangsseitig aerodynamisch geformt sind und dabei eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung aufweisen. Eine entsprechende Formgebung ist bei Kühlkanälen, die an der Oberfläche der Rotorwelle ausgebildet sind, unproblematisch. Bei Kühlkanälen, die innerhalb der Rotorwelle verlaufen, kann eine solche Formgebung beispielsweise über Funkenerodieren bereitgestellt werden.
-
In anderen Ausgestaltungen verlaufen die Kühlkanäle geradlinig zwischen den beiden Stirnseiten, beispielsweise dann, wenn ein ausreichend verlustarmes Einblasen von Kühlfluid durch die genannte Zusatzplatte mit aerodynamisch gebogenen Fluidkanälen realisiert werden kann.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Rotorwelle einstückig ausgebildet ist. Die Rotorwelle ist dementsprechend nicht durch segmentierte Bleche gebildet, sondern aus vollem Material gearbeitet, das sich von innen nach außen aufbaut.
-
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete des Rotors von einer Bandage umgeben und radial fixiert sind. Dabei kann das Material der Rotorbandage unabhängig von dessen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden, da eine ausreichende Kühlung des Rotors bereits über die Kühlkanäle der Rotorwelle bereitgestellt wird.
-
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor, hilfsweise einen Permanentmagnet-Synchronmotor. Bei einem Permanent-Synchronmotor ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor außenliegende Permanentmagnete angebracht sind.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors, der einen Rotor mit einer Rotorwelle und Permanentmagneten aufweist, wobei innerhalb der Rotorwelle sich längst erstreckende Kühlkanäle ausgebildet sind und der Elektromotor eine integrierte Verdichterstufe zur Bereitstellung einer Fluidströmung durch die Kühlkanäle aufweist;
- 2 in einer Schnittansicht ein Gehäuse mit einem Elektromotor gemäß der 1;
- 3 das Gehäuse und den Elektromotor der 1 und 2 in einer Ansicht von vorne unter Darstellung des Rotors und des Stators des Elektromotors;
- 4 in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Elektromotors, der einen Rotor mit einer Rotorwelle und Permanentmagneten aufweist, wobei auf der Oberfläche der Rotorwelle sich längst erstreckende Kühlkanäle ausgebildet sind und der Elektromotor eine integrierte Verdichterstufe zur Bereitstellung einer Fluidströmung durch die Kühlkanäle aufweist; und
- 5 in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Elektromotors, der einen Rotor mit einer Rotorwelle und Permanentmagneten aufweist, wobei innerhalb der Rotorwelle sich längst erstreckende Kühlkanäle ausgebildet sind und der Elektromotor einen Anschluss für ein druckbeaufschlagtes Kühlfluid zur Bereitstellung einer Fluidströmung durch die Kühlkanäle aufweist.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wird, bei denen als Kühlfluid Luft eingesetzt wird. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich kann als Kühlfluid auch ein anderes Gas eingesetzt werden. Weiter wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung anhand einer als Innenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine beschrieben ist. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können in entsprechender Weise bei einer als Außenläufer ausgebildeten elektrischen Maschine realisiert sein.
-
Die 1 zeigt eine elektrische Maschine, die als Elektromotor betrieben wird, bei der es sich bei grundsätzlich gleichem Aufbau aber auch um einen Generator handeln könnte. Der Elektromotor umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 1. Der Stator 2 ist lediglich schematisch dargestellt und umfasst in an sich bekannter Weise ein Statorjoch 21, das beispielsweise aus geblechten Zähnen besteht, und eine Mehrzahl von Spulen 22. Der genaue Aufbau des Stators 2 ist im vorliegenden Kontext nicht von Relevanz, so dass der Stator eine Vielzahl von Bauformen realisieren kann.
-
Der Rotor 2 ist innenseitig des Stators 1 angeordnet und rotiert um eine Längsachse bzw. Drehachse 11, die eine axiale Richtung definiert. Es handelt sich um einen innenlaufenden Rotor 2. Zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ist ein sich axial erstreckender Luftspalt 3 ausgebildet, der nicht maßstabsgerecht dargestellt ist.
-
Im Längsschnitt der 1, der durch die Längsachse 11 geht, ist sowohl die obere Hälfte als auch die untere Hälfte des elektrischen Motors dargestellt, wobei der elektrische Motor rotationssymmetrisch ausgebildet ist und dementsprechend die beiden Hälften spiegelsymmetrisch sind. Für eine bessere Übersichtlichkeit der Darstellung kennzeichnen Bezugszeichen jeweils nur Elemente einer der beiden Hälften. Dies gilt auch für die weiteren 2 bis 5.
-
Der Rotor 2 umfasst eine Rotorwelle 4 und eine Vielzahl von scheibenförmigen, segmentierten Permanentmagneten 5, die außenliegend am Rotor 2 und in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Die magnetische Polung der Permanentmagnete 5 ist in an sich bekannter Art und Weise ausgebildet. Beispielsweise sind die Permanentmagnete 5 in Umfangsrichtung alternierend umgekehrt gepolt oder Gruppen von Permanentmagneten sind in Umfangsrichtung alternierend umgekehrt gepolt. Hierauf kommt es im vorliegenden Kontext nicht an. Ebenso wenig kommt es auf die Anzahl der Permanentmagnete 5 an.
-
Die Rotorwelle 4 weist zwei Stirnseiten 41, 42 und eine Oberfläche 43 auf, die durch die äußere Mantelfläche der Rotorwelle 4 gebildet ist. Die Stirnseiten 41, 42 werden beispielsweise durch zwei Abschlussringe gebildet, die verhindern, dass die Permanentmagnete 5 in axialer Richtung frei werden können. Die Rotorwelle 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise innen hohl und bildet dementsprechend einen Hohlzylinder. Die Rotorwelle 4 besteht beispielsweise aus Eisen oder einem nichtleitenden Material. Sie kann einstückig ausgebildet sein. Die Rotorwelle 4 kann auch als Rotorträgerwelle bezeichnet werden.
-
Radial außen an der Oberfläche 43 der Rotorwelle 4 ist eine Zwischenschicht 7 ausgebildet, die aus einem nicht leitenden und nicht magnetischen oder magnetisierbaren Material besteht und dazu dient, die Permanentmagnete 5 radial innen zu fixieren. Die Zwischenschicht 7 besteht beispielsweise aus einem nicht leitenden Verbundwerkstoff und wird auch als Magnetjoch bezeichnet. Die Permanentmagnete 5 sind an der Zwischenschicht 7 befestigt, zum Beispiel angeklebt, und auf diese Weise mit der Rotorwelle 4 verbunden. Sie werden radial außen durch eine Bandage 15 fixiert. Die Bandage 15 wird beispielsweise durch eine Glashülse oder eine Kohlenfaserhülse gebildet. Alternativ kann auch eine metallische Bandage 15 eingesetzt werden. Durch die Bandage 15 entsteht ein Anpressdruck auf die Magnete 5.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die Zwischenschicht 7 optional ist und in anderen Ausführungsbeispielen die Permanentmagnete 5 radial innen unmittelbar mit der Oberfläche 43 der Rotorwelle 4 verbunden sind.
-
Die Rotorwelle 4 umfasst eine Mehrzahl von Kühlkanälen 61, die sich in Längsrichtung der Rotorwelle 4 zwischen den Stirnseiten 41, 42 der Rotorwelle 4 erstrecken. Die Kühlkanäle 61 sind dabei an ihren axialen Enden offen, so dass an dem einen Ende eines Kühlkanals 61 Luft eintreten und an dem anderen Ende des Kühlkanals 61 wieder austreten kann. Die Kühlkanäle 61 erstrecken sich dabei radial innen zur Oberfläche 43 der Rotorwelle 4 und innerhalb der Rotorwelle 4. Sie erstrecken sich dementsprechend auch radial beabstandet zum Luftspalt 3. Es handelt sich um gesonderte Kühlkanäle, die unabhängig vom und zusätzlich zum Luftspalt 3 realisiert sind.
-
Die elektrische Maschine umfasst des Weiteren eine Verdichterstufe 8, die ein Laufrad 81 und einen Stator 82 sowie ein dem Laufrad 81 vorgelagertes Element 83 aufweist. Das Laufrad 81 wird in an sich bekannter Weise durch ein Lüfterrad, beispielsweise in BLISK-Ausführung bereitgestellt. Das Laufrad 81 wird dabei direkt oder über ein Übersetzungsgetriebe durch die Rotorwelle 4 angetrieben (nicht gesondert dargestellt). Der Stator 82 kann grundsätzlich als Leitschaufelrad ausgebildet sein, besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel allerdings eine Ausprägung als Formteil, das beispielsweise durch 3D-Druck hergestellt ist. In das Formteil sind Fluidkanäle 820 integriert, die eingangsseitig zum Laufrad 81 und ausgangsseitig zu den Kühlkanälen 61 geöffnet sind. Durch die Fluidkanäle 820 wird die durch das Laufrad 81 angesaugte und beschleunigte Luft komprimiert und zum Eingang der Kühlkanäle 61 geleitet. Zusätzlich können in das Formteil Fluidkanäle 821 integriert sein, die einen Teil der durch das Laufrad 81 beschleunigten Luft dem Luftspalt 3 zuführen, um auch in diesem einen Luftstrom zu erzeugen.
-
Das dem Laufrad 81 vorgelagerte Element 83 ist ebenfalls als Formteil mit integrierten Fluidkanälen 830 ausgebildet. Es dient dazu, einströmende Luft mit einer definierten Richtung dem Laufrad 82 zuzuführen. Dabei können auch in dem vorgelagerten Element 83 weitere Fluidkanäle 831 ausgebildet sein, die der Zuführung von Luft zum Luftspalt 3 dienen. Das vorgelagerte Element 83 ist optional.
-
Durch die Verdichterstufe 8 wird Kühlluft komprimiert und druckbeaufschlagt den Kühlkanälen 61 bereitgestellt.
-
Es ist zu beachten, dass der Stator bzw. das Formteil 82 naturgemäß nichtrotierend ausgebildet sind. Dagegen rotiert die Rotorwelle 4 und mit dieser auch die darin ausgebildeten Kühlkanäle 61. Um ein effektive Einblasen von Luft in die Kühlkanäle 61 sicherzustellen, können Mittel vorgesehen sein, die die Luft in Rotationsrichtung der Rotorwelle 4 umlenken. Hierzu sieht eine Ausgestaltung vor, dass an der vorderen Stirnseite 41 der Rotorwelle 4 eine Zusatzplatte 14 angeordnet ist, die aerodynamisch gebogene Fluidkanäle 140 aufweist, über die aus den Kühlkanälen 820 ausströmende Luft des Formteils 82 eine Richtungskomponente in Rotationsrichtung der Rotorwelle 4 erfährt. Über die Fluidkanäle 140 wird die Luft dabei mit einem Drall versehen. Die Darstellung der Fluidkanäle 140 der Zusatzplatte 14 ist insofern nur schematisch.
-
Optional kann auch an der axial hinteren Stirnseite 42 eine entsprechende Zusatzplatte 14 vorgesehen sein. Diese führt dazu, dass die aus den Kühlkanälen 61 austretende Luft von ihrem Drall befreit wird und im Wesentlichen in axialer Richtung die elektrische Maschine verlässt.
-
In alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass alternativ oder zusätzlich auch die Fluidkanäle 820 im Formteil 82 derart geformt sind, dass sie die Luft mit einem Drall in Rotationsrichtung der Rotorwelle 4 versehen. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Kühlkanäle 61 selbst - abweichend von einer vollständig geradlinigen Erstreckung - jedenfalls angrenzend an die vorderen Stirnseite 41 aerodynamisch derart geformt sind, dass die durch die Verdichterstufe 8 bereitgestellte Luft effektiv in die Kühlkanäle 61 einblasbar ist.
-
Der in der 1 dargestellte elektrische Maschine ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor. Im Betrieb wird eine Wechselspannung an die Statorspulen angelegt, wodurch diese bei Stromfluss ein Magnetfeld ausbilden, das sich durch eine Dreiphasigkeit des Stroms fortlaufend im Kreis bewegt. Ein weiteres Magnetfeld bilden die Permanentmagnete 5 des Rotors 2.
-
Die 2 zeigt die elektrische Maschine der 1 angeordnet in einem Gehäuse 10. Das Gehäuse 10 kann als geschlossenes Gehäuse ausgebildet sein und umfasst eine axial vordere Endplatte 101 und eine axial hintere Endplatte 102. Die Rotorwelle 4 erstreckt sich zwischen den Endplatten 101, 102 und ist in diesen gelagert. Die axial vordere Endplatte 101 umfasst einen Fluideinlass 91 und die axial hintere Endplatte 102 umfasst einen Fluidauslass 92. Die Verdichterstufe 8, nämlich deren Formteil 83 ist eingangsseitig mit dem Fluideinlass 91 verbunden.
-
Die 3 zeigt die elektrische Maschine der 1 und das Gehäuse der 2 in einer Ansicht von vorne, wobei die die Verdichterstufe 8 bildenden Elemente nicht dargestellt sind. Es sind gut die Kühlkanäle 61 zu erkennen, die sich radial beabstandet zur Oberfläche 43 der Rotorwelle 4 in axialer Richtung innerhalb der Rotorwelle 4 erstrecken. Weiter sind schematisch zwei Fluideinlässe 91 dargestellt, die an der axial vorderen Endplatte 101 ausgebildet sind.
-
Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 1-3 dadurch unterscheidet, dass die Kühlkanäle nicht im Inneren der Rotorwelle 4 verlaufen, sondern an deren Oberfläche. So sind Kühlkanäle 62 vorgesehen, die als längliche Vertiefungen in der Oberseite 43 der Rotorwelle 4 ausgebildet sind. Ansonsten wird auf die Beschreibung der 1-3 verwiesen.
-
Die Kühlkanäle 62 können beispielsweise durch halbkreisförmige oder rechteckige Nuten in der Oberseite 43 der Rotorwelle 4 gebildet sein. Die Kühlkanäle 62 werden dabei radial außen durch die Zwischenschicht 7 begrenzt. Sofern keine Zwischenschicht 7 vorhanden ist, werden die Kühlkanäle 62 radial außen durch das radial innere Ende der Permanentmagnete 5 begrenzt. Die Kühlkanäle 62 können in einfacher Weise mit großer Freiheit in ihrer Formgebung (sowohl im Hinblick auf die Querschnittsform als auch im Hinblick auf eine eventuelle Formgebung in Längsrichtung) beispielsweise durch Fräsen oder Funkenerodieren an der Oberfläche 43 ausgebildet werden. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle 62 angrenzend an die axial vordere Stirnseite 41 aerodynamisch geformt sind.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass aufgrund der gegenüber den 1-3 veränderten radialen Position der Kühlkanäle 62 auch die in den Formteilen 82, 83 ausgebildeten Fluidkanäle 820, 830 einen abweichenden Verlauf aufweisen.
-
Die 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 1-3 durch den Umstand unterscheidet, dass keine Verdichterstufe 8 vorgesehen ist und stattdessen von außen druckbeaufschlagte Luft zugeführt wird. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu den 1-3 Bezug genommen.
-
So ist gemäß der 5 vorgesehen, dass die elektrische Maschine einen Anschluss 91 aufweist, über den druckbeaufschlagte Luft bereitgestellt wird. Bei dem Anschluss 91 handelt es sich um den Fluideinlass der axial vorderen Endplatte 101 des Gehäuses 10. An den Anschluss 91 schließt sich ein Formteil 12 an, in das Fluidkanäle 120 integriert sind und das beispielsweise durch 3D-Druck hergestellt ist. Die Fluidkanäle 120 sind ausgangsseitig den Kühlkanälen 62 zugeordnet, d. h. sie leiten die durch den Anschluss 91 erhaltene druckbeaufschlagte Luft zu den Kühlkanälen 61 bzw. zur axial vorderen Zusatzplatte 14, die aerodynamisch gebogene Fluidkanäle 140 aufweist, die wie in Bezug auf die 1 erläutert der Kühlluft einen Drall versetzen.
-
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Verdichterstufe 8 der 1-4 alternativ axial hinter der Rotorwelle angeordnet ist und Luft ansaugt.
-
Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
-
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
-
