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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug, das die elektrische Maschine umfasst.
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Die meisten modernen Fahrzeuge, wie z. B. PKWs, Busse, Motorräder oder Züge, umfassen elektrische Maschinen. Die Fahrzeuge können Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge sein. Die elektrischen Maschinen können als Elektromotoren zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder als Generatoren zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie verwendet werden. Einige der elektrischen Maschinen können in zwei verschiedenen Modi, insbesondere in einem Generatormodus und in einem Motormodus, betrieben werden. Die elektrischen Maschinen können jeweils einen Stator und einen Rotor, der bezüglich des Stators drehbar ist, umfassen. Ferner können die elektrischen Maschinen mindestens eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds oder eines Stroms, in Abhängigkeit von dem Modus, in dem sie betrieben werden, umfassen.
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Aufgrund von Energieverlusten des Stroms, der durch die Spulen und/oder elektronischen Komponenten der elektrischen Maschinen in den in der Regel engen Räumen in entsprechenden Maschinengehäusen hindurchgeht, werden während des Betriebs der elektrischen Maschinen hohe Temperaturen erzeugt. Diese hohen Temperaturen können eine kurze Lebensdauer der entsprechenden elektrischen Maschine bedingen. Insbesondere kann ein Isolationsmaterial in den elektrischen Maschinen durch die hohe Temperatur beeinträchtigt werden. Und zwar kann ein Anstieg von 10 °C bei einer oder mehreren Spulen der elektrischen Maschine über ihre maximale Betriebstemperatur hinaus die Lebensdauer des Isolationsmaterials um etwa 50 % reduzieren, selbst wenn die Überhitzung nur vorübergehend ist. Dies kann eine Verkürzung der Lebensdauer der elektrischen Maschinen bedingen.
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Ferner kann eine Funktionsfähigkeit eines Schmieröls in der elektrischen Maschine durch die hohe Temperatur beeinträchtigt werden. Dies kann eine Blockierung von einem oder mehreren Lagern der elektrischen Maschine bedingen. Dies kann die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschinen reduzieren. Darüber hinaus kann es aufgrund der hohen Temperatur zu einem magnetischen Zerfall eines elektromagnetischen Felds in der elektrischen Maschine kommen. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit und/oder die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine reduziert werden. Ein weiteres durch die hohen Temperaturen verursachtes Problem kann ein erhöhter elektrischer Widerstand des Materials der Spule sein. Dieser erhöhte elektrische Widerstand kann zu noch höheren Temperaturen bei gleichzeitiger Verschlechterung all der anderen negativen Auswirkungen der hohen Temperatur, die oben beschrieben werden, führen. Also kann die hohe Temperatur, insbesondere eine Überhitzung, der elektrischen Maschine ein großes Problem darstellen und sollte so weit wie möglich vermieden werden.
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Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine elektrische Maschine mit einer langen Lebensdauer bereitzustellen, wobei die elektrische Maschine bei niedrigen Temperaturen betrieben werden kann. Ferner besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Fahrzeug mit einer langen Lebensdauer bereitzustellen, wobei die elektrische Maschine des Fahrzeugs bei niedrigen Temperaturen betrieben werden kann.
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Diese Aufgaben werden durch den jeweiligen Erfindungsgegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen dargeboten.
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Ein Aspekt bezieht sich auf eine elektrische Maschine zum Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie oder zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie, die einen Stator, einen Rotor, der bezüglich des Stators drehbar ist, und mindestens eine stromleitende Spule, die mit dem Stator oder dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, umfasst, wobei die Spule als ein Wärmerohr zur Ableitung von während des Betriebs der elektrischen Maschine erzeugter Wärme konfiguriert ist.
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Die Spule, die als das Wärmerohr konfiguriert ist, kann zu einer ordnungsgemäßen Kühlung des Stators, des Rotors und/oder einer oder mehrerer elektronischer Komponenten der elektrischen Maschine und somit einer ordnungsgemäßen Kühlung der elektrischen Maschine beitragen. Dies kann zur Vermeidung einer Überhitzung der elektrischen Maschine oder in dieser beitragen. Dies kann eine lange Lebensdauer der elektrischen Maschine bedingen. Somit kann die als das Wärmerohr konfigurierte Spule eine lange Lebensdauer der elektrischen Maschine bedingen.
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Die Spule, die als das Wärmerohr konfiguriert ist, kann im Folgenden als „Wärmerohr“ bezeichnet werden. Das Wärmerohr kann um einen Anker oder Kern der elektrischen Maschine, z. B. kreisförmig oder polygonal, gewunden sein. Das Wärmerohr kann einige Windungen umfassen. Das Wärmerohr kann aus einem bzw. einer abgedichteten Rohr oder Röhre, das bzw. die einen fluiddichten Hohlraum des Wärmerohrs umgibt, bestehen. Das Wärmerohr kann zum Teil mit einem Arbeitsfluid, z. B. Wasser oder Öl, gefüllt sein. Das Wärmerohr kann ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und/oder einer hohen elektrischen Leitfähigkeit umfassen oder daraus hergestellt sein. Das Wärmerohr kann ein Material, das mit dem Arbeitsfluid kompatibel ist, umfassen oder daraus hergestellt sein. Wenn beispielsweise Wasser als das Arbeitsfluid verwendet wird, kann das Wärmerohr Kupfer umfassen oder daraus hergestellt sein. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch von Vorteil sein, ein elektrisch isolierendes Arbeitsfluid, z. B. ein elektrisch isolierendes Öl, einzusetzen. Die Menge des Arbeitsfluids in dem Hohlraum kann so gewählt werden, dass das Wärmerohr über den Betriebstemperaturbereich hinweg sowohl Dampf als auch Flüssigkeit enthält. Das Wärmerohr kann eine Isolationsschicht auf seiner Außenfläche zur elektrischen Isolation des Wärmerohrs gegenüber der Umgebung umfassen. Ein Geflecht kann in dem Wärmerohr angeordnet sein. Beispielsweise kann das Geflecht eine Innenwand des Wärmerohrs bedecken. Das Geflecht kann eine homogene Verteilung des flüssigen Arbeitsfluids bedingen, da das flüssige Arbeitsfluid durch Kapillarkräfte des Geflechts von einem Kondensatorbereich zu einem Verdampferbereich des Wärmerohrs transportiert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Wärmerohr mindestens einen Verdampferbereich und mindestens einen Kondensatorbereich. Der Verdampferbereich kann in einem Teil der Spule, der während des Betriebs der elektrischen Maschine hohen Temperaturen ausgesetzt ist, angeordnet sein. Der Verdampferbereich kann an einer Position, an der die Wärme erzeugt wird, angeordnet sein. Beispielsweise kann der Verdampferbereich zu einem Innenbereich der Spule weisen. Der Kondensatorbereich kann an einer Position, an der die Wärme abgeleitet werden kann, angeordnet sein. Beispielsweise kann der Kondensatorbereich von dem Innenbereich der Spule weg weisen. Der Kondensatorbereich kann so angeordnet sein, dass er mechanisch und/oder thermisch mit einem Kühlkörper gekoppelt ist. Der Kühlkörper kann eine oder mehrere Kühlrippen umfassen. Der Kondensatorbereich kann durch den Kühlkörper und/oder durch die Umgebungsluft gekühlt werden.
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Das Arbeitsfluid kann durch die Wärme des Verdampferbereichs verdampft werden und absorbiert dabei die Wärme. Das verdampfte, d. h. gasförmige, Arbeitsfluid kann zu dem Kondensatorbereich abgeführt werden. Das verdampfte Arbeitsfluid kondensiert in dem Kondensatorbereich und setzt dabei die Wärme frei. Dann kann die Wärme an den Kühlkörper oder an die Umgebung abgegeben werden. Mindestens ein Teil des kondensierten und somit flüssigen Arbeitsfluids kann zurück zu dem Verdampferbereich zur erneuten Verdampfung und der damit einhergehenden Wärmeabsorption strömen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine den Kühlkörper, mit dem der Kondensatorbereich mechanisch und/oder thermisch gekoppelt ist. Beispielsweise kann der Kühlkörper eine oder mehrere Kühlrippen umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Spule eine erste Spule, die mechanisch mit dem Rotor gekoppelt ist; die elektrische Maschine umfasst eine zweite Spule, die als ein weiteres Wärmerohr zur Ableitung von während des Betriebs der elektrischen Maschine erzeugter Wärme konfiguriert ist; und die erste Spule und die zweite Spule sind elektromagnetisch miteinander gekoppelt. Die erste Spule kann so mit dem Rotor gekoppelt sein, dass die Spule gedreht wird, wenn sich der Rotor dreht. Die zweite Spule kann auch mit dem Rotor gekoppelt sein. Alternativ dazu kann bzw. können die zweite Spule und/oder eine oder mehrere weitere Spulen, die als Wärmerohre konfiguriert sind, mechanisch mit dem Stator gekoppelt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine als ein Elektromotor zur Umwandlung der elektrischen Energie in die mechanische Energie konfiguriert.
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Ein Aspekt bezieht sich auf ein Fahrzeug, das die obige elektrische Maschine umfasst, wobei die elektrische Maschine zum Antreiben des Fahrzeugs konfiguriert ist. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein PKW, ein Bus, ein Motorrad oder ein Zug sein. Das Fahrzeug kann ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeugs sein. Die elektrische Maschine kann als ein Elektromotor zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie konfiguriert sein. Optional kann die elektrische Maschine in einem Generatormodus zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie betrieben werden.
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Vorteile, Ausführungsformen und Merkmale der obigen elektrischen Maschine können Vorteile, Ausführungsformen und Merkmale des Fahrzeugs sein.
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Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und erläutert. Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben.
- 1 zeigt eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fahrzeugs, das eine elektrische Maschine umfasst.
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotors der elektrischen Maschine von 1.
- 3 zeigt einen detaillierten Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform einer Spule der elektrischen Maschine.
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Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutungen sind in der nachstehenden Bezugszeichenliste in zusammengefasster Form aufgelistet. Im Prinzip sind in den Figuren identische Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fahrzeugs 18, das eine elektrische Maschine 20, eine Batterie 22 und eine Steuereinheit 24 umfasst. Das Fahrzeug 18 kann beispielsweise ein PKW, ein Bus, ein Motorrad oder ein Zug sein. Das Fahrzeug 18 kann ein Elektrofahrzeug, das ausschließlich von der elektrischen Maschine 20 angetrieben wird, oder ein Hybridfahrzeug, das zusätzlich zu der elektrischen Maschine 20 eine Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) zum Antrieb des Fahrzeugs 18 umfassen kann, sein.
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Die elektrische Maschine 20 kann als ein Elektromotor zur Umwandlung von elektrischer Energie, die von der Batterie 22 bereitgestellt wird, in mechanische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs 18 konfiguriert sein. Optional kann die elektrische Maschine 20 in zwei verschiedenen Modi, insbesondere einem Motormodus zur Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie und einem Generatormodus zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, betrieben werden. Die in dem Generatormodus erzeugte elektrische Energie kann in der Batterie 20 gespeichert werden. Die elektrische Maschine 20 und die Batterie 22 können von der Steuereinheit 24 gesteuert werden.
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Die elektrische Maschine 20 umfasst einen Stator (nicht gezeigt), einen Rotor 30 (siehe 2), der bezüglich des Stators drehbar ist, und mindestens eine stromleitende Spule 34, die mit dem Stator oder dem Rotor 30 mechanisch gekoppelt ist, wobei die Spule 34 als ein Wärmerohr zur Ableitung von während des Betriebs der elektrischen Maschine 20 erzeugter Wärme konfiguriert ist. Optional umfasst die elektrische Maschine 20 einen Anker (nicht gezeigt), um den die Spule 34 gewunden ist.
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Die elektrische Maschine kann eine magnetische Vorrichtung (nicht gezeigt) zur Erzeugung eines Magnetfelds, in dem sich der Rotor 30 mit der Spule 34 während des Betriebs der elektrischen Maschine 20 dreht, umfassen. Die magnetische Vorrichtung kann mit dem Stator mechanisch gekoppelt sein. Die magnetische Vorrichtung kann ein Dauermagnet oder eine andere Spule sein. In letzterem Fall kann die Spule 34 als eine erste Spule bezeichnet werden und kann mit dem Rotor 30 gekoppelt sein, und die andere Spule kann als eine zweite Spule bezeichnet werden und kann mit dem Stator gekoppelt sein. Die erste und/oder die zweite Spule 34 können jeweils als ein Wärmerohr konfiguriert sein.
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Die Spule 34, die als Wärmerohr konfiguriert ist, kann zum Kühlen des Stators, des Rotors 30 und/oder einer oder mehrerer elektronischer Komponenten (nicht gezeigt) der elektrischen Maschine 20 und somit zum Kühlen der elektrischen Maschine 20 konfiguriert sein. Die Spule 34, die als das Wärmerohr konfiguriert ist, kann im Folgenden lediglich als „Wärmerohr“ bezeichnet werden.
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Im Folgenden wird zur Bereitstellung einer kurz gefassten Beschreibung und zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen lediglich die erste Spule 34, die mit dem Rotor 30 gekoppelt ist, beschrieben. Alternativ oder zusätzlich dazu kann jedoch die zweite Spule, die mit dem Stator gekoppelt ist, entsprechend der ersten Spule 34, insbesondere als ein Wärmerohr, konfiguriert sein. Ferner kann es zwei oder mehr erste Spulen 34, die mit dem Rotor 30 gekoppelt sind und die als entsprechende Wärmerohre konfiguriert sind, geben, und/oder kann es zwei oder mehr zweite Spulen, die mit dem Stator gekoppelt sind und die als entsprechende Wärmerohre konfiguriert sind, geben.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotors 30 der elektrischen Maschine 20 von 1. Der Rotor 30 umfasst einen Träger 32. Der Träger 32 ist dazu konfiguriert, eine oder mehrere der Spulen 34 zu halten. Jede der Spulen 34, insbesondere die Wärmerohre, können um einen entsprechenden Anker oder Kern (nicht gezeigt) der elektrischen Maschine 20, z. B. kreisförmig oder polygonal, gewunden sein, wobei der Anker bzw. der Kern durch den Träger 32 bereitgestellt werden oder mit diesem mechanisch gekoppelt sein können. Das Wärmerohr (die Wärmerohre) kann (können) jeweils verschiedene Windungen umfassen.
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3 zeigt einen detaillierten Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform der Spule 34, d. h. des Wärmerohrs, der elektrischen Maschine 20. Das Wärmerohr kann aus einem bzw. einer abgedichteten Rohr oder Röhre, das bzw. die einen fluiddichten Hohlraum des Wärmerohrs umgibt, bestehen. Das Wärmerohr umfasst einen Verdampferbereich 42 und einen Kondensatorbereich 44. Der Verdampferbereich 42 kann zu einem Innenbereich der Spule 34 weisen, und der Kondensatorbereich 44 kann von dem Innenbereich der Spule 34 weg weisen. Der Verdampferbereich 60 kann an einer Position, an der die Wärme erzeugt wird, d. h. in der Nähe des Kerns der entsprechenden Spule 34, angeordnet sein. Der Kondensatorbereich 62 kann an einer Position, an der keine oder nur wenig Wärme erzeugt wird, d. h. von dem Kern der Spule 34 weg, angeordnet sein. Optional kann der Kondensatorbereich 44 so angeordnet sein, dass er mechanisch und/oder thermisch mit einem Kühlkörper (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Der Kondensatorbereich 44 kann durch den Kühlkörper und/oder durch die Umgebungsluft gekühlt werden. Das Wärmerohr kann ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und/oder einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, z. B. Kupfer, umfassen oder daraus hergestellt sein. Das Wärmerohr kann eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, z. B. 1 kW/mK bis 500 kW/mK, z. B. 5 kW/mK bis 200 kW/mK, bereitstellen.
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Das Wärmerohr umfasst einen fluiddichten Hohlraum, in dem ein Arbeitsfluid 46, 48 angeordnet ist. Das Arbeitsfluid kann beispielsweise Wasser oder Öl sein. Das Wärmerohr kann ein Material, das mit dem Arbeitsfluid 46, 48 in dem Wärmerohr kompatibel ist, umfassen oder daraus hergestellt sein. Wenn beispielsweise Wasser als das Arbeitsfluid 46, 48 verwendet wird, kann das Wärmerohr Kupfer umfassen oder daraus hergestellt sein. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch von Vorteil sein, ein elektrisch isolierendes Arbeitsfluid, z. B. ein elektrisch isolierendes Öl, einzusetzen. Das Wärmerohr kann zum Teil mit dem Arbeitsfluid 46, 48 gefüllt sein. Die Menge des Arbeitsfluids kann so gewählt werden, dass das Wärmerohr über den Betriebstemperaturbereich der elektrischen Maschine 20 hinweg sowohl flüssiges Arbeitsfluid 46 als auch verdampftes Arbeitsfluid 48 enthält.
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Das flüssige Arbeitsfluid 46 kann durch die Wärme in dem Verdampferbereich 42 verdampft werden und absorbiert dabei mindestens einen Teil der Wärme. Das verdampfte, d. h. gasförmige, Arbeitsfluid 48 kann in einer ersten Richtung 50 zu dem Kondensatorbereich abgeführt werden. Das verdampfte Arbeitsfluid 48 kann in dem Kondensatorbereich 44 kondensieren und dabei die Wärme freisetzen. Die freigesetzte Wärme kann durch eine Wand 40 des Wärmerohrs an den Kühlkörper oder an die Umgebung des Wärmerohrs abgegeben werden. Mindestens ein Teil des kondensierten und somit flüssigen Arbeitsfluids 46 kann in einer zweiten Richtung 52 zurück zu dem Verdampferbereich 42 zur erneuten Verdampfung und der damit einhergehenden Wärmeabsorption strömen.
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Optional kann ein Geflecht (nicht gezeigt) in dem Wärmerohr angeordnet sein. Beispielsweise kann das Geflecht eine Innenseite der Wand 40 des Wärmerohrs bedecken. Das Geflecht kann eine homogene Verteilung des flüssigen Arbeitsfluids 46 bedingen, da das flüssige Arbeitsfluid 46 durch Kapillarkräfte, die durch das Geflecht bereitgestellt werden, von dem Kondensatorbereich 44 zu einem Verdampferbereich 42 transportiert werden kann.
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Das Wärmerohr kann eine Isolationsschicht (nicht gezeigt) auf seiner Außenfläche zur elektrischen Isolation des Wärmerohrs gegenüber der Umgebung umfassen.
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Die als das Wärmerohr konfigurierte Spule 34 kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren, das in der Technik bekannt ist, gebildet werden. Beispielsweise können einige U-förmige Abschnitte des Wärmerohrs so um den entsprechenden Kern und/oder Teil des Trägers 32 angeordnet werden, dass die offenen Enden der U-förmigen Abschnitte paarweise nebeneinander angeordnet sind. Dann können die offenen Enden miteinander gekoppelt werden, insbesondere fluiddicht, z. B. durch Laserschweißen, so dass ein großer fluiddichter Hohlraum gebildet wird, der sich über zwei oder mehr der U-förmigen Abschnitte hinweg erstreckt. Wenn nur noch ein Paar offener Enden übrig ist, kann das flüssige Arbeitsfluid 46 durch mindestens eines der offenen Enden in den fluiddichten Hohlraum, der durch all die miteinander gekoppelten U-förmigen Abschnitte bereitgestellt wird, eingefüllt werden. Optional kann der fluiddichte Hohlraum entlüftet werden, bevor er zum Teil mit dem flüssigen Arbeitsfluid 46 gefüllt wird. Dann kann der fluiddichte Hohlraum nach dem Füllen des fluiddichten Hohlraums mit dem flüssigen Arbeitsfluid 46 verschlossen werden, z. B. durch Laserschweißen.
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Obgleich die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung genau dargestellt und beschrieben wurde, sind eine derartige Darstellung und Beschreibung als Veranschaulichung oder beispielhaft und nicht als Beschränkung aufzufassen. Insbesondere wird die Erfindung durch die obigen Ausführungsformen nicht beschränkt. Beispielsweise könnte(n) nur die mit dem Stator gekoppelte(n) Spule(n) als das Wärmerohr ausgeführt sein. Alternativ dazu könnten die mit dem Stator gekoppelte(n) Spule(n) und die mit dem Rotor gekoppelte(n) Spule(n) jeweils als ein entsprechendes Wärmerohr ausgeführt sein, wie oben erläutert wird. Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann durch eine Betrachtung der Zeichnungen, der Offenbarung und der anhängigen Ansprüche verstanden und erwirkt werden.
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In den Ansprüchen schließt das Wort „umfasst/umfassend“ keine anderen Elemente aus, und der unbestimmte Artikel „ein/eine/einer“ schließt keinen Plural aus. Die bloße Tatsache, dass in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen andere Merkmale angeführt werden, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als Beschränkung des Schutzumfangs aufgefasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 18
- Elektrofahrzeug
- 20
- elektrische Maschine
- 22
- Batterie
- 24
- Steuerung
- 30
- Rotor
- 32
- Träger
- 34
- Spule
- 40
- Wand
- 42
- Verdampferbereich
- 44
- Kondensatorbereich
- 46
- flüssiges Arbeitsfluid
- 48
- verdampftes Arbeitsfluid
- 50
- erste Richtung
- 52
- zweite Richtung
