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Die Erfindung betrifft einen Ring, insbesondere zur Anbringung an der Innenseite eines Gehäuses oder eines Lagerschilds einer elektrischen Maschine. Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem derartigen Ring sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendet, überwiegend als Elektromotor für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines derartigen Fahrzeugs.
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Ein solcher Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter gekoppelt, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.
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Es ist auch möglich, eine elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben. Hierzu wird die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie einer Fahrzeugbatterie umgewandelt.
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Der Rotor einer elektrischen Maschine verfügt normalerweise über eine Rotorwelle, die von einem zylinderförmigen Rotorkörper umschlossen ist. Der Rotorkörper kann neben einem Paket laminierter Metallbleche unter anderem in dem Paket eingeschlossene Permanentmagneten und/oder eine Wicklung mit einem elektrischen Leiter aufweisen.
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Der den Rotor umgebende Stator weist normalerweise ein Paket laminierter Metallbleche auf, an dem mehrere Wicklungen elektrischer Leiter (Statorwicklungen) angebracht sind. Beim Betrieb der elektrischen Maschine werden die Statorwicklungen stark erwärmt, sodass eine Kühlung erforderlich ist. Die Kühlung kann beispielsweise durch Aufsprühen einer Kühlflüssigkeit auf an den Axialseiten des Stators angeordnete Wickelköpfe der Statorwicklungen erfolgen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, mehrere Düsen, durch die die Kühlflüssigkeit gesprüht wird, an einem Ring anzubringen, der sich an der Innenseite eines Gehäuses oder eines Lagerschilds der elektrischen Maschine befindet. Die durch die Düsen zugeführte Kühlflüssigkeit wird auf die Wickelköpfe der Statorwicklungen gesprüht, wodurch Wärme abgeführt wird.
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Um eine homogene Temperaturverteilung der Statorwicklungen zu erreichen, muss die Kühlflüssigkeit mit einem gleichförmigen Volumenstrom zugeführt werden. Die Wahl der richtigen Position und Ausrichtung der Düsen entlang des Rings und die Wahl eines geeigneten Drucks, mit dem die Kühlflüssigkeit zugeführt wird, hat einen großen Einfluss auf die Wärmeabfuhr. Es ist daher schwierig und aufwändig, die Düsen so anzuordnen, dass die Wicklungen der Wickelköpfe permanent gleichmäßig mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ring für die Innenseite eines Gehäuses oder eines Lagerschilds einer elektrischen Maschine anzugeben, der eine Beaufschlagung der Statorwicklungen mit einem gleichförmigen Volumenstrom der Kühlflüssigkeit ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Ring mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Der erfindungsgemäße Ring zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Mehrzahl von über seinen Umfang verteilt angeordneten Durchgangsöffnungen aufweist, durch die eine Kühlflüssigkeit zuführbar ist, wobei einer Durchgangsöffnung ein auf dem Ring angeordneter Vorsprung zugeordnet ist, der so geformt ist, dass ein die Durchgangsöffnung passierender Strahl der Kühlflüssigkeit beim Auftreffen auf den Vorsprung aufgefächert und/oder zerstäubt wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Kühlflüssigkeit homogen auf die zu kühlenden Statorwicklungen aufgebracht werden, indem sie durch den Ring zugeführt wird, der die Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, indem der Ring einen Vorsprung aufweist, der die Kühlflüssigkeit beim Aufprall auf den Vorsprung aufgefächert und zerstäubt, sodass sich ein feinverteilter Sprühnebel ergibt, der eine homogene Kühlung der Statorwicklungen ermöglicht.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass auf separate Düsen, die an verschiedenen geeigneten Positionen in der Nähe des Stators angebracht sind, verzichtet werden kann. Der erfindungsgemäße Ring bietet somit eine besonders einfache Lösung, um über den gesamten Umfang des Rings Kühlflüssigkeit gleichmäßig zuzuführen. Die Kühlflüssigkeit kann an der den Statorwicklungen abgewandten Seite zugeführt werden, sodass die Kühlflüssigkeit nach dem Passieren der Durchgangsöffnungen auf den Vorsprung trifft und von dort aufgefächert bzw. zerstäubt zu den Statorwicklungen gelangt.
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Die aufgesprühte Kühlflüssigkeit kann von den Statorwicklungen abfließen und in einem Sumpf oder einem Reservoir der elektrischen Maschine gesammelt werden. Von dort kann die Kühlflüssigkeit unter Verwendung einer Pumpe in einem Kühlkreislauf weitertransportiert und erneut zum Kühlen von Komponenten der Maschine verwendet werden.
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Da die Durchgangsöffnungen und die diesen zugeordneten Vorsprünge in den erfindungsgemäßen Ring integriert sind, ergibt sich dieselbe Wirkung einer Verteilung der Kühlflüssigkeit wie bei herkömmlichen separaten Düsen. Insbesondere kann der Ring mit den Vorsprüngen einstückig ausgebildet sein. In vorteilhafter Weise reduziert sich damit die Anzahl der benötigten Einzelteile. Ein derartiger Ring führt daher zu Kosteneinsparungen im Vergleich zu einer herkömmlichen Struktur mit separaten Düsen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ring wird es bevorzugt, dass der Vorsprung die Form eines der folgenden geometrischen Körper aufweist: dreiseitige Pyramide, vierseitige Pyramide, quadratische Pyramide, Kegel. Es wurde herausgefunden, dass mit einem derart geformten Vorsprung eine besonders gute Zerstäubung der auftreffenden Kühlflüssigkeit erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass ein Ring mit derart geformten Vorsprüngen einfach hergestellt werden kann.
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Eine bevorzugte Variante der Erfindung sieht daher vor, dass die Durchgangsöffnung und der dieser zugeordnete geometrische Körper so angeordnet sind, dass ein die Durchgangsöffnung passierender Strahl der Kühlflüssigkeit auf eine Spitze oder eine Kante des geometrischen Körpers auftrifft. Auf diese Weise kann die gewünschte Auffächerung und Zerstäubung der Kühlflüssigkeit bewirkt werden.
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Eine noch bessere Verteilung der Kühlflüssigkeit ergibt sich, wenn Kanten des geometrischen Körpers abgerundet sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ring kann die Anzahl der Durchgangsöffnungen vorzugsweise zwischen 20 und 48 variieren. Die Anzahl der Durchgangsöffnungen wird in Abhängigkeit vom Durchmesser des Rings festgelegt. Für elektrische Maschinen, die für den Antrieb von Fahrzeugen vorgesehen sind, kann z. B. ein Ring mit 40 Durchgangsöffnungen vorgesehen sein. Insbesondere kann der Ring eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweisen.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass an der Außenseite des Rings eine umlaufende Nut zum Zuführen der Kühlflüssigkeit zu den Durchgangsöffnungen ausgebildet ist. Diese Nut kann einen Einlass zum Einströmen von Kühlflüssigkeit in die Nut aufweisen. Ausgehend von dem Einlass verteilt sich die Kühlflüssigkeit über den gesamten Umfang des Rings zu sämtlichen Durchgangsöffnungen.
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In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, dass die umlaufende Nut eine Dichtung aufweist. Die Dichtung befindet sich beispielsweise an dem axialen Ende des Rings, an dem sich die Durchgangsöffnungen befinden. Die Dichtung stellt sicher, dass in die Nut geströmte Kühlflüssigkeit ausschließlich durch die Durchgangsöffnungen entweichen kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an der den Durchgangsöffnungen entgegengesetzten Axialseite des Rings eine oder mehrere ein Abfließen der Kühlflüssigkeit ermöglichende Öffnungen angeordnet sind. Diese Öffnungen können sich nahezu über die gesamte verfügbare Breite in Axialrichtung erstrecken und eine rechteckige Grundform aufweisen.
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Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, mit einem Gehäuse, in dem ein Stator und ein gegenüber dem Stator drehbarer Rotor aufgenommen sind, wobei an einer Axialseite oder an beiden Axialseiten des Gehäuses jeweils ein Ring der beschriebenen Art angeordnet ist. Der Ring kann in dem Gehäuse oder in einem dem Gehäuse zugeordneten Lagerschild angeordnet sein. Insbesondere kann der Ring in dem Gehäuse beziehungsweise Lagerschild eingepresst oder eingeklebt sein. Es wird bevorzugt, dass zwei derartige Ringe vorhanden sind, sodass die an beiden axialen Enden angeordneten Statorwicklungen gekühlt werden.
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Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße elektrische Maschine ein Gehäuse mit einem Lagerschild oder zwei Lagerschilden, wobei wenigstens ein Lagerschild einen Ring der beschriebenen Art aufweist.
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Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße elektrische Maschine ein Mittel, um Kühlflüssigkeit mit erhöhtem Druck zu den Durchgangsöffnungen des Rings zuzuführen. Das Mittel kann eine Pumpe sein, die Kühlflüssigkeit in einem Kreislauf fördert.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine der beschriebenen Art, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Maschine kann insbesondere ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs antreiben.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine der beschriebenen Art sieht vor, dass an einer Axialseite oder an beiden Axialseiten des Gehäuses ein erfindungsgemäßer Ring in das Gehäuse oder einen Lagerschild eingepresst oder eingeklebt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rings;
- 2 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Rings;
- 3 eine vergrößerte Ansicht des Rings im Bereich der Vorsprünge;
- 4 eine vergrößerte Ansicht des Rings, die sowohl die Durchgangsöffnungen als auch die Vorsprünge zeigt;
- 5 eine geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine; und
- 6 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Ring 1, der zur Anbringung an der Innenseite eines Gehäuses oder eines Lagerschilds einer elektrischen Maschine geeignet ist. Eine elektrische Maschine umfasst typischerweise zwei derartige Ringe 1, die an beiden Axialseiten im Bereich von Wickelköpfen von Statorwicklungen angeordnet sind.
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Der Ring 1 umfasst eine Vielzahl von über seinen Umfang verteilt angeordneten Durchgangsöffnungen 2, durch die eine Kühlflüssigkeit zuführbar ist. Im eingebauten Zustand ist der Ring 1 so orientiert, dass die Durchgangsöffnungen 2 in Richtung des Stators weisen. Der Ring 1 besitzt an seiner Außenseite 4 eine umlaufende Nut 3, dementsprechend sind die Durchgangsöffnungen 2 gegenüber der Außenseite 4 radial nach innen versetzt. Die in Umfangsrichtung verlaufende Nut 3 besitzt einen Einlass (nicht gezeigt) zum Zuführen einer Kühlflüssigkeit. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise Öl, Wasser oder eine Alkohol-Wasser-Mischung verwendet werden.
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An einer Innenseite 5 des Rings 1 befindet sich eine Vielzahl von Vorsprüngen 6, wobei jeder Durchgangsöffnung 2 ein Vorsprung 6 zugeordnet ist. Jeder Vorsprung 6 ist von der Mündung des Durchgangslochs 2 an der Innenseite 5 des Rings 1 beabstandet.
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2 ist eine Seitenansicht des Rings 1 und zeigt die über den Umfang verteilt angeordneten Durchgangsöffnungen 2. Die Anzahl der Durchgangsöffnungen 2 wird jeweils in Abhängigkeit vom Durchmesser des Rings 1 festgelegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind 40 Durchgangsöffnungen 2 vorhanden. Zusätzlich weist der Ring 1 mehrere im Vergleich zu den Durchgangsöffnungen 2 große Öffnungen 7 auf, die sich an der den Durchgangsöffnungen 2 entgegengesetzten Axialseite des Rings 1 befinden. Die Öffnungen 7 ermöglichen ein Abfließen der durch die Durchgangsöffnungen 2 zugeführten Kühlflüssigkeit. Die Öffnungen 7 besitzen eine rechteckige Grundform und abgerundete Ecken. In diesem Ausführungsbeispiel sind fünf derartige Öffnungen 7 vorhanden, die sich über mehr als die Hälfte des Umfangs des Rings 1 erstrecken. Der Ring 1 ist so in ein Gehäuse oder einen Lagerschild einer elektrischen Maschine integriert, dass sich die Öffnungen 7 während des Betriebs unten befinden. Der Ring 1 wird an einer Axialseite eines Gehäuses oder eines Lagerschilds für eine elektrische Maschine eingepresst. Alternativ kann der Ring eingeklebt werden. Bevorzugt weist eine elektrische Maschine an jeder Axialseite einen eingepressten Ring 1 auf. An der im eingebauten Zustand axial nach außen weisenden Seite befindet sich eine Dichtung 10, die sicherstellt, dass Kühlflüssigkeit ausschließlich durch die Durchgangsöffnungen 2 entweicht.
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3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Rings 1 im Bereich der Vorsprünge 6. 4 zeigt den Ring 1 aus einer anderen Perspektive, sodass neben den Vorsprüngen 6 an der Innenseite 5 auch die Außenseite 4 mit den Durchgangsöffnungen 2 sichtbar ist. Die Vorsprünge besitzen die Form einer dreiseitigen Pyramide, deren Basis sich an der Innenseite 5 des Rings 1 befindet und deren Spitze 9 radial nach innen zeigt. Der Vorsprung 6 weist abgerundete Kanten 8 auf.
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Während des Betriebs der elektrischen Maschine wird einen erhöhten Druck aufweisende Kühlflüssigkeit mittels einer Pumpe der Nut 3 an der Außenseite des Rings 1 zugeführt. Die Kühlflüssigkeit strömt entlang der Nut 3 an der Außenseite des Rings 1 und wird dabei durch die Durchgangsöffnungen 2 von außen nach innen gepresst. Die Vorsprünge 6 sind so zu den Durchgangsöffnungen 2 ausgerichtet, dass jeder Durchgangsöffnung 2 eine Spitze 9 gegenüberliegt. Ein die Durchgangsöffnung 2 passierender Strahl der Kühlflüssigkeit wird somit beim Auftreffen auf den Vorsprung 6 aufgefächert und zerstäubt. Dazu trägt insbesondere die Spitze 9 des Vorsprungs 6 bei, die für eine Verteilung der Kühlflüssigkeit sorgt. Der Flüssigkeitsstrahl wird dabei in einen Sprühnebel überführt, der gleichmäßig auf Statorwicklungen auftrifft und diese kühlt. Von den Statorwicklungen tropft die Kühlflüssigkeit nach unten und verlässt den Ring 1 durch die Öffnungen 7, bevor sie aufgefangen und wieder in einem Kreislauf gefördert wird.
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5 ist eine schematische geschnittene Darstellung der oberen Hälfte einer elektrischen Maschine 11 mit dem erfindungsgemäßen Ring 1 und einem Gehäuse 12. Im Inneren des Gehäuses 12 befinden sich ein Stator 13, der an seinen axialen Enden Wickelköpfe 14 aufweist, sowie ein von dem Stator 13 umgebener Rotor 16. Die Wickelköpfe 14 befinden sich in Axialrichtung teilweise innerhalb des Rings 1. Kühlflüssigkeit, die über den eingepressten Ring 1 zugeführt wird, wird zerstäubt, benetzt die Wickelköpfe 14 und kühlt diese, sodass eine festgelegte maximale Temperatur der Wicklungen des Stators 13 nicht überschritten wird.
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6 zeigt ein Fahrzeug 15 mit der elektrischen Maschine 11, die zum Antreiben des Fahrzeugs 15 dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ring
- 2
- Durchgangsöffnung
- 3
- Nut
- 4
- Außenseite
- 5
- Innenseite
- 6
- Vorsprung
- 7
- Öffnung
- 8
- Kante
- 9
- Spitze
- 10
- Dichtung
- 11
- elektrische Maschine
- 12
- Gehäuse
- 13
- Stator
- 14
- Wickelkopf
- 15
- Fahrzeug
- 16
- Rotor
