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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor und zwei Lagerschilde. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Solche elektrischen Maschinen werden in modernen Kraftfahrzeugen zu Traktionszwecken eingesetzt, insbesondere als Asynchronmaschinen. Daraus erwachsen besondere Anforderungen an die Kühlung, insbesondere des Rotors. Ohne besondere Kühlmaßnahmen kann der Rotor seine Wärme lediglich über den Luftspalt an den Stator und dieser über ein Gehäuse an das Äußere der elektrischen Maschine abgeben oder über die Welle abführen. Daneben kann der Rotor seine Wärme aber auch an Luft im Inneren der elektrischen Maschine ableiten, welche dann die Wärme über einen Lagerschild abführt. Gerade der letztgenannte Kühlmechanismus weist erhebliches Optimierungspotential auf.
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Beim Einsatz elektrischer Maschinen in Kraftfahrzeugen scheidet eine interne Flüssigkeitskühlung des Rotors jedoch in der Regel aus, weil dies einen aufwändigen Fertigungsprozess voraussetzt und im Übrigen einem erheblichen Betriebsrisiko unterliegt. Insbesondere die Gefahr eine Flüssigkeitsaustritts innerhalb der elektrischen Maschine während des Betriebs macht einen solchen Ansatz praktisch unbrauchbar.
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Die
DE 740 375 A offenbart eine Anordnung zur Kühlung elektrischer Maschinen, bei denen die Flächen des festen und umlaufenden Teils der Maschine einander in geringen gegenseitigen Abständen gegenüberstehen. Dabei ist vorgesehen, dass die Flächen zwecks Bildung vielfacher, starker örtlicher Luft- oder sonstiger Gaswirbel mit einer zur Umlaufbewegung vorzugsweise quergestellten, durch Rippen oder Vorsprünge hervorgerufenen Zerklüftung versehen sind. Dabei sind Lagerschilde der elektrischen Maschine mit vielen Rippen oder auch Stacheln versehen.
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DE 1 264 676 A offenbart ein Reibungsgebläse zur Kühlung umlaufender Maschinen, insbesondere Elektromotoren und Generatoren. Es wird vorgeschlagen, Lagerschilde mit rechteckigen Durchbrechungen zur Aufnahme von dicht abschließenden und innen und außen über den Lagerschild herausragenden Rippen hoher Wärmeleitfähigkeit zu versehen.
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DE 2 312 334 A offenbart einen geschlossenen Asynchron-Elektromotor. Zur thermischen Entlastung des Statoreisens und zur wirksamen Abführung der Ankerwärme wird vorgeschlagen, einen in inniger Verbindung mit dem Ankerkäfig stehenden Wärmeleitkörper mit einem Ring zu verbinden, der in eine ringförmige Aussparung des Lagerschildes hineinragt.
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DE 1 128 023 B betrifft eine Einrichtung zur Oberflächenkühlung von umlaufenden Maschinen, insbesondere Elektromotoren und Generatoren. Zur Verbesserung der Gehäusekühlung wird vorgeschlagen, dass die auf der Anströmseite der Außenkühlluft im Lagerschild angeordneten Durchdringungskörper durch Material guter Wärmeleitfähigkeit mit den auf der Kühlluftabströmseite angeordneten Durchdringungskörpern verbunden sind, wobei sowohl die Durchdringungskörper als auch das die Durchdringungskörper verbindende Material mit eine Kühlluftströmung nicht wesentlich behindernden Rippen quer zur Richtung des Kühlluftstromes versehen sind.
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Eine Einrichtung zur Kühlung umlaufender Maschinen ist in
AT 240 458 B offenbart. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr an die Außenluft ist ein mit dem sich drehenden Maschinenteil (Läufer) wärmeschlüssig fest verbundener Körper aus Material guter Wärmeleitfähigkeit vorgesehen, der mit dem ihm gegenüberliegenden Lagerschild einen Raum bildet, der keine die Kühlströmung behindernden Teile aufweist. Als Kühlströmung wird eine aus einer koaxialen Potentialumlaufströmung und einer koaxial umlaufenden Rotationsströmung bestehende Drehströmung mit Hilfe von am Körper und am Lagerschild angebrachten radialen Rippen, Profilen oder dergleichen angeregt.
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Aus der
US 2 458 010 A ist eine vollständig abgeschlossene, nichtventilierte elektrodynamische Maschine bekannt, an der zwei Fächermittel angeordnet sind, welche eine Zirkulation der Luft im Inneren der Maschine erzeugen. Zudem weist ein Lagerträger der Maschine innere Wärmeleitlamellen zur Aufnahme der Wärme der zirkulierenden Luft auf.
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Die
CH 152 691 A beschreibt eine elektrische Maschine mit axialen Ausschnitten am äußeren Umfang des Statorblechpakets für die Kühlung desselben. Aus einem Rotoreisen austretende Kurzschlussstäbe wirken dabei als Ventilator, welcher die eingeschlossene Luft im Motor stetig in einem Kreislauf bewegt und die hauptsächlich am Eisenkörper des Rotors und des Stators befindlichen heißen Luftschichten immer wieder mit gekühlten Stirnflächen zweier Lagerschilder in Berührung bringt.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rotorkühlung anzugeben, die automotiven Erfordernissen gerecht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt also die Überlegung zugrunde, die Kühlung des Rotors über die Luft im Inneren der Maschine und die Lagerschilde dadurch zu verbessern, dass am Lagerschild angebrachte Kühlelemente eine für den Wärmeaustausch mit dem Lagerschild vorgesehene Oberfläche vergrößert und/oder zu einer verbesserten Wärmeabgabe an den Lagerschild beiträgt. Unter Lagerschild ist dabei jeder Teil des Gehäuses der elektrischen Maschine zu verstehen, der der Stirnseite des Rotors gegenüberliegt und zur Durchführung einer Welle bestimmt ist, wobei es unerheblich ist, ob dieser Bereich einteilig mit dem übrigen Gehäuse ausgeführt ist, oder an diesem deckelartig bzw. zusätzlich angebracht ist. Es ist vorgesehen, dass ein Lagerschild eine Vielzahl einzelner Kühlelemente, insbesondere wiederum umfassend eine oder mehrere Kühlrippen, aufweist. Dabei ist es sowohl möglich, dass die Kühlelemente als Teil des Lagerschilds ausgebildet ist oder als separates Bauelement an diesem angeordnet, insbesondere befestigt, ist.
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Mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird somit der Vorteil erreicht, eine größere Wärmemenge vom Rotor über den Lagerschild abzuführen. Die Erfindung zeichnet sich deshalb besonders dadurch aus, dass dafür keine zusätzlichen aktiven Kühlmaßnahmen, wie eine Flüssigkeitskühlung, des Rotors erforderlich sind.
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Bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind an dem wenigstens einen Lagerschild jeweils mehrere radial um die Drehachse verlaufende, in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnete Kühlelemente vorgesehen. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass der der Stirnseite des Rotors gegenüberliegende, für den Wärmeaustausch bestimmte Bereich des Lagerschilds eine ausreichend große Oberfläche aufweist. Es ist dabei besonders zweckmäßig, die Kühlelemente in identischen Abständen anzuordnen, womit in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Wärmeabgabe an den Lagerschild erzielt wird.
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Um die Luft im Inneren der elektrischen Maschine gezielt in die Richtung der Kühlelemente zu leiten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass rotorseitig ein Fördermittel vorgesehen ist, das bei einem Drehen des Rotors zur Erzeugung einer Strömung von Luft im Inneren der elektrischen Maschine zu den Kühlelementen ausgebildet ist. Über die durch Konvektion oder eine ungerichtete Verwirbelung bei dem Drehen des Rotors erzeugte Luftbewegung hinaus kann die durch den Rotor erwärmte Luft so schneller und gezielter mit den Kühlelementen wechselwirken. Somit kann die Wärmeabgabe des Rotors an die ihm stirnseitig gegenüberliegenden Lagerschilde noch effizienter gestaltet werden.
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Eine solche elektrische Maschine kann so weitergebildet werden, dass der Rotor an wenigstens einer Stirnseite als Fördermittel mehrere Schaufelelemente aufweist, welche dazu ausgebildet sind, Wärme des Rotors an die Luft im Inneren der elektrischen Maschine abzugeben. Die Schaufelelemente können dabei als Teil des Rotors ausgebildet sein oder an diesem als separate Bauelemente angeordnet sein. Die einzelnen Schaufelelemente können dabei gerade ausgebildet sein oder aber, insbesondere in Form eines Kreisbogens oder eines Abschnitts einer Kreisevolvente, gekrümmt sein. Es ist darüber hinaus auch denkbar, die Schaufelelemente in grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannter Weise (z. B. mittels Simulationswerkzeugen) auf eine gewünschte Strömungsverteilung optimiert auszubilden, beispielsweise zu einem tragflächenartigen Profil. Bezüglich der Drehachse können die Schaufelelemente dabei auf einer geraden Linie liegen, oder aber in bevorzugter Weise gegen die Drehrichtung des Rotors geneigt sein.
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Es ist zudem erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein, insbesondere mit den Kühlelementen fest verbundenes, Luftleitmittel zur Erzeugung eines Kühlkreislaufs für die Luft im Inneren der Maschine vorgesehen ist. Dadurch bilden sich wenigstens zwei Strömungswege, beispielsweise zum einen zwischen dem Lagerschild und dem Luftleitmittel, andererseits zwischen dem Rotor und dem Luftleitmittel, aus. Entlang dieser beiden Strömungswege kann die Luft nun zirkulieren und an der dem Rotor zugewandten Seite des Kühlkreislaufs Wärme aufnehmen und diese auf der anderen Seite des über die Kühlelemente Luftleitmittels an den Lagerschild abgeben.
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Es ist ferner erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Luftleitmittel als Kühlring, die mehreren radial verlaufend in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Kühlelemente rotorseitig abdeckend, ausgebildet ist. Diese radialsymmetrische Anordnung der Kühlelemente und des Kühlrings trägt wiederum zu einer gleichmäßigen Wärmeabfuhr bei. Da der Kühlring zwei benachbarte Kühlelemente jeweils rotorseitig abschließt, entsteht ein Strömungsraum mit zwei Öffnungen. Es ist nun besonders günstig, wenn die Schaufelelemente derart geneigt ausgebildet sind, dass sie beim Überstreichen des Kühlrings an einer Öffnung jeweils einen Überdruck und an der anderen Öffnung einen Unterdruck erzeugen, so dass der Kühlkreislauf kontinuierlich aufrecht erhalten wird. Auf diese Weise kann eine maximale Wärmeabgabe an den Lagerschild erfolgen und eine besonders intensive Kühlung des Rotors erreicht werden. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass der Kühlring selbst zur Wärmeaufnahme und -ableitung über die Kühlelemente an den Lagerschild ausgebildet ist.
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Bei einer elektrischen Maschine mit Schaufelelementen erweist es sich als besonders vorzugswürdig, dass die Schaufelelemente auf einer Halterungsvorrichtung für einen Kurzschlussring des Rotors vorgesehen sind. Insbesondere Asynchronmaschinen weisen an der Stirnseite des Rotors einen Kurzschlussring auf, der häufig von einer Halterungsvorrichtung, insbesondere einem Haltering, gehaltert ist. Da bei automotiven Anwendungen für erfindungsgemäße elektrische Maschinen Drehzahlen bis zu 15.000 min-1 erreicht werden können, sind derartige Halterungsvorrichtungen zur Kompensation der auftretenden Fliehkräfte praktisch zwingend erforderlich. Es ist daher besonders vorteilhaft, die Schaufelelemente auf diesen Halterungsvorrichtungen vorzusehen. Dabei ist es besonders bevorzugt, die Schaufelelemente als Teil der Halterungsvorrichtung auszubilden, da diese typischerweise bereits aus einem Werkstoff mit hohen Festigkeitsanforderungen, wie beispielsweise einem hochfesten Aluminium, bestehen. Darüber hinaus ist es besonders sinnvoll, wenn die Halterungsvorrichtung aus einem nichtmagnetischen Material, also aus einem diamagnetischen oder paramagnetischen Material, ausgebildet ist, um einen Schluss eines magnetischen Kreises über die Halterungsvorrichtung zu vermeiden.
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Schließlich ist es bei einer elektrischen Maschine der erfindungsgemäßen Art besonders vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine eine Kühleinrichtung, insbesondere eine Flüssigkeitskühleinrichtung, zum Abführen der an den wenigstens einen Lagerschild abgegebenen Wärme aufweist. Eine solche nicht innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine verlaufende Kühleinrichtung wird auch automotiven Anforderungen gerecht. Zweckmäßigerweise wird dabei Kühlmittel der Kühleinrichtung in einem Kühlkanal innerhalb des Lagerschildes mit möglichst geringem Abstand zu den Kühlelementen geführt, wobei der Verlauf des Kühlkanals der Anordnung und/oder dem Verlauf der Kühlelemente folgen kann. Die Kühlleistung kann damit signifikant verstärkt werden, da die von den Kühlelementen aufgenommene Wärme beschleunigt aus dem Inneren der elektrischen Maschine abgeführt werden kann. Es ergibt sich mithin eine mittelbare Flüssigkeitskühlung des Rotors.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Sämtliche Ausführungen zur elektrischen Maschine lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesem die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung eines Schnitts durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine;
- 2 eine Detailansicht im Bereich eines Schaufelelements an einem Rotor der elektrischen Maschine;
- 3 den Rotor mit Lüfterschaufeln der erfindungsgemäßen Maschine;
- 4 einen Ausschnitt eines Lagerschilds der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Kühlelementen; und
- 5 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Schnitts durch eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2, einem um eine Drehachse 3 drehbar gelagerten Rotor 4 und einer mit diesem fest verbundene Welle 5. Diese sind in einem Gehäuse 6, umfassend zwei Lagerschilde 7, 8, angeordnet, wobei die Lagerschilde 7, 8 jeweils ein Lager 9, 10 zur drehbaren Lagerung der Welle 5 aufweisen. An den Lagerschilden 7, 8 sind rotorseitig jeweils mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Kühlelemente 11, 12 ausgebildet, welche in gleichem Abstand von der Drehachse radial als Teil der Lagerschilde 7, 8 ausgebildet sind. Die Kühlelemente 11, 12 eines jeden Lagerschildes 7, 8 sind jeweils mit einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildeten Kühlring 13, 14 rotorseitig abgeschlossen. Ihnen liegen an den Stirnseiten 15, 16 des Rotors 4 mehrere ebenfalls radial um die Drehachse 3 in Umfangsrichtung verlaufende Schaufelelemente 17, 18 gegenüber. Diese sind als Teil jeweils eines Halterings 19, 20, der nicht näher dargestellte Kurzschlussringe des Rotors 4 haltert, ausgebildet. Die Halteringe 19, 20 dienen dem Schutz der Kurzschlussringe vor starken, bei Betrieb der elektrischen Maschine 1 auftretenden Fliehkräften, weswegen die Halteringe 19, 20 aus einem hochfesten Aluminium oder einer hochfesten Aluminiumlegierung ausgeführt sind. Darüber hinaus sind innerhalb der Lagerschilde 7, 8 jeweils Kühlkanäle 31, 32 als aktive Flüssigkeitskühlung ausgebildet. Diese sind auf Höhe der Kühlelemente 11, 12 angeordnet, um eine möglichst effiziente mittelbare Flüssigkeitskühlung zu erreichen.
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2 zeigt die zuvor beschriebene elektrische Maschine 1 in einer Detailansicht im Bereich der Schaufelelemente 18 des Rotors 4 zur Verdeutlichung des Wirkungsprinzips der Erfindung. Bei einer Bewegung des Rotors 4 um die Drehachse 3 versetzen die Schaufelelemente 18 Luft 21 im Inneren der elektrischen Maschine 1 in eine Bewegung entlang eines ersten Strömungsweges 22, der sich zwischen dem Schaufelelement 18 und dem Kühlring 14 erstreckt, wobei gleichzeitig eine Abgabe von Wärme des Rotors 4 an die Luft 21 im Inneren der elektrischen Maschine 1 erfolgt. Diese Wärme wird teilweise an dem Kühlring 14 abgegeben und über die Kühlelemente 12 an den Lagerschild 8 weitergegeben. Dieser Effekt ist jedoch weniger dominant als jener, der entsteht, wenn die Luft 21 statorseitig außen am Kühlring 14 vorbeiströmt, und dann entlang eines zweiten Strömungsweges 23 durch mehrere durch zwei benachbarte Kühlelemente 12, den Kühlring 14 und den Lagerschild 8 begrenzte Strömungsräume strömt. Dadurch wird eine größere Wärmemenge der Luft 21 direkt oder indirekt über das Kühlelement 12 und den Kühlring 14 an den Lagerschild 8 abgegeben. Die nunmehr abgekühlte Luft 21 strömt daraufhin wellenseitig innen am Kühlring 14 vorbei in den Zwischenraum zwischen Schaufelelement 18 und Kühlring 14, so dass ein Kühlkreislauf entsteht. Dieser wird dadurch aufrechterhalten, dass die Schaufelelemente 18 so angeordnet sind, dass bei einem Überstreichen eine positive Druckdifferenz zwischen dem Anfang und dem Ende des ersten Strömungsweges 22 entsteht.
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Dieser Kühlkreislauf sorgt für eine kontinuierliche, gezielte Wärmeabgabe des Rotors 4 an den Lagerschild 8, so dass eine effektive Rotorkühlung bewirkt wird, ohne aktive Kühlkomponenten, wie eine Flüssigkeitskühlung, am Rotor vorzusehen. Im Vergleich dazu werden umfangreiche konstruktive Änderungen am Rotor 4 vermieden, die insbesondere für die Sicherstellung der Dichtigkeit beispielsweise einer Flüssigkeitskühlung erforderlich wären. Darüber hinaus kann die von den Schaufelelementen 18 erzeugte Strömung weitere Zirkulationsschleifen anregen, mithin eine Luftströmung in Nebenkreisläufen verursachen, die zur Kühlung weiterer Komponenten der elektrischen Maschine 1, beispielsweise des Stators 2 und/oder seiner Wickelkopfe, geeignet sind. Die Ausführungen zu 2 lassen sich analog auf die weiteren Bereiche in der Umgebung der Kühlringe 13, 14 der elektrischen Maschine 1 übertragen.
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3 zeigt den Rotor 4, umfassend ein Blechpaket 24, zwei Halteringe 19, 20 und die entlang der Drehachse 3 angeordnete Welle 5. An den Stirnseiten 15, 16 weisen die Halteringe 19, 20 jeweils sechzehn Schaufelelemente 17, 18 auf, die, wie bereits beschrieben, zur Wärmeabgabe und zur Erzeugung einer Strömung ausgebildet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schaufelelemente 17, 18 als Teil der Halteringe 19, 20 ausgebildet, was aufgrund der auftretenden Fliehkräfte bevorzugt ist. Zudem sind die Schaufelelemente 17, 18 gerade und geneigt ausgestaltet, um den in 2 beschriebenen gerichteten Kühlkreislauf zu erzeugen. Die Neigung der Schaufelelemente 17, 18 ist dabei insbesondere von der gewünschten Zirkulationsrichtung des Kühlkreislaufs abhängig.
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4 zeigt einen Ausschnitt des Lagerschilds 8, an dem mehrere Kühlelemente 12 als ein Teil ausgebildet und mit dem Kühlring 14 rotorseitig abgeschlossen sind. Die einteilige Ausbildung der Kühlelemente 12 mit dem Lagerschild 8 wird dabei bevorzugt. Dies gilt auch dafür, dass der Kühlring 14 ein separates Bauelement bildet und aus einer Aluminiumlegierung besteht, der mit mehreren Befestigungselementen 25 an den Kühlelementen 12 befestigt ist. An die Wärmeleitfähigkeiten der Kühlelemente 12 und des Kühlrings 14 werden dabei keine über die üblichen Materialeigenschaften hinausgehenden Anforderungen gestellt. Diese Ausführungen gelten analog für den anderen Lagerschild 7.
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Schließlich zeigt 5 ein Kraftfahrzeug 26 mit einer elektrischen Maschine 1 für Traktionszwecke. Dazu ist die elektrische Maschine 1 über eine Getriebevorrichtung 27 mit einer Vorderachse 28 zum Antrieb der Räder 29, 30 verbunden. Die elektrische Maschine 1 kann aber selbstverständlich auch bei Kraftahrzeugen mit Heck- oder Allradantrieb sowie für Fahrzeuge mit mehr als zwei Achsen oder einspurige Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen.