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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist und eine sich im Bereich einer Drehachse des Rotors erstreckende zentrale Welle, eine radial außen an der elektrischen Maschine angeordnete und den Stator umgreifende Hülse sowie eine die zentrale Welle und die Hülse verbindende Kreisscheibe aufweist, wobei an der radial innenliegenden Seite der Hülse mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirkende Flächen ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs.
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Eine vorbeschriebene elektrische Maschine ist aus dem Stand der Technik bekannt und hat gegenüber einem sogenannten Innenläufer, bei dem der Rotor radial innenliegend ausgebildet ist und an seiner radial äußeren Seite mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirkende Flächen aufweist, den Vorteil einer höheren Drehmomentdichte. Mit einem als Außenläufer ausgebildeten Rotor wird daher zum Beispiel beim Einsatz der elektrischen Maschine als Antrieb eines Kraftfahrzeugs über einen größeren Drehzahlbereich ein für den Antrieb ausreichendes Drehmoment erzeugt als bei einem Innenläufer, so dass ein im Antriebsstrang nachgeordnetes Getriebe einfacher bzw. kleiner und kompakter aufgebaut sein kann, etwa mit weniger Gangstufen.
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Bekannte elektrische Maschinen mit Außenläuferrotor sind nachteilig in ihrer Leistung dadurch beschränkt, dass im Betrieb entstehende Wärme im Bereich des Rotors nur unzureichend abgeführt wird. Weil die an den Rotoren angeordneten Magnete, mittels denen mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirkende Flächen ausgebildet sind, temperatursensible sind und bei zu hohen Temperaturen entmagnetisieren, müssen die an den Magneten anliegenden Temperaturen zwingend in kontrollierten Grenzen gehalten werden.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine Kühlung des Rotors mittels Luftströmung zu gewährleisten. Dazu ist beispielsweise axial vor oder hinter dem Rotor ein Lüfter vorgesehen, der insbesondere von dem Rotor angetrieben ist und einen Luftzug um- und/oder durch den Rotor erzeugt. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus
DE 38 20 857 C2 bekannt. Ebenfalls bekannt ist es, bei in Fahrzeugen verbauten elektrischen Maschinen mit Außenläuferrotor Umgebungsluft zur Kühlung zu verwenden und durch die Fahrzeuggeschwindigkeit erzeugte Strömung für eine gute Wärmeabfuhr auszunutzen, was jedoch eine ausreichende Fahrzeuggeschwindigkeit voraussetzt. Bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten ist nachteilig keine ausreichende Kühlung der elektrischen Maschine gewährleistet.
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Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, an dem Rotor Kühlrippen anzuordnen, um einen verbesserten Wärmeübergang zwischen Rotor und der umgebenden Luft bzw. Kühlluft zu erreichen.
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Nachteilig können die genannten Luftkühlungen insbesondere für elektrische Maschinen mit hohen Leistungen keine ausreichende Kühlleistung zur Verfügung stellen, weisen einen schlechten Wärmeübergang auf und gehen zudem mit signifikanten Verlusten insbesondere durch Luftverwirbelungen und dadurch erzeugte Schleppmomente an dem Rotor einher. Letzteres gilt umso mehr, wenn der Rotor Kühlrippen aufweist. Die Verluste führen insbesondere an Lastpunkten, an denen der Motor ohnehin nur geringe Effizienzwerte aufweist, etwa bei sehr geringen Drehzahlen, zu einer weiteren Verschlechterung der Motoreffizienz.
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Aus
EP 0 623 988 A2 ist es bekannt, einen Kühlmantel mit Kühlflüssigkeit sowie einen luftdurchströmten Kühlkanal in einem Stator einer elektrischen Maschine mit Außenläufer vorzusehen. Nachteilig wird dabei jedoch die am Rotor entstehende Wärme nicht direkt aufgenommen, sondern lediglich indirekt über die zwischen Stator und Rotor zirkulierende Luft, so dass keine effiziente Kühlung des Rotors und der daran angeordneten Magnete erreicht werden kann. Zudem wird der Rotor mittels Lüfterflügeln mit Luft umströmt, was wie vorbeschrieben zu Verlusten führt.
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Es ist in Anbetracht des Standes der Technik eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorgenannte elektrische Maschine mit einer effizienten Kühlung vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1 sowie gemäß einem weiteren Erfindungsaspekts mit einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist bei der elektrischen Maschine in dem Rotor zumindest ein mit einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlkanal ausgebildet, der sich jeweils zumindest bereichsweise durch die zentrale Welle, die Kreisscheibe und die Hülse erstreckt.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einer elektrischen Maschine eine Vorrichtung zum Wandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt verstanden, wobei an dem Stator an einer Mantelfläche ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird, durch das ein Drehmoment auf den Rotor ausgeübt wird. Als Mantelfläche ist hier eine äußere Zylinderumfangsfläche oder eine innere Zylinderumfangsfläche zu verstehen. Der Stator weist ebenfalls eine Mantelfläche auf, die der Mantelfläche des Rotors gegenüberliegend angeordnet ist und mit dieser zum Erzeugen des Drehmoments magnetisch zusammenwirkt. Bei einem Außenläufer ist der Rotor radial außerhalb des Stators angeordnet, so dass die wirksame Mantelfläche des Stators eine Außenfläche und die wirksame Mantelfläche des Rotors eine Innenfläche ist. Bei einem Innenläufer hingegen ist der Rotor radial innerhalb des Stators angeordnet, so dass die wirksame Mantelfläche des Stators eine Innenfläche und die wirksame Mantelfläche des Rotors eine Außenfläche ist.
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Mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirkende Flächen können durch mehrere Magnete gebildet sein, die an dem Rotor angeordnet sind und beispielsweise an der radial innenliegenden Seite der Hülse verklebt oder eingepresst sind. Es kann auch ein Rotorblech mit darin eingepressten Magneten an der radial innenliegenden Seite der Hülse vorgesehen sein, wobei dann die radial innenliegende Seite des Rotorblechs als mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirkende Flächen verstanden wird, auch wenn diese als eine einzige Fläche erscheint.
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Als Welle ist ein rotationssymmetrisch um eine Drehachse angeordnetes Bauteil zu verstehen, dass zur Rotation um diese Drehachse vorgesehen ist. Eine Welle dient zur Übertragung einer Drehzahl und eines Drehmoments, insbesondere einer Antriebsleistung der elektrischen Maschine. Die Welle erstreckt sich in axialer Richtung über eine größere Länge als in radialer Richtung. Als Hülse wird eine ebenfalls rotationssymmetrisch um eine Drehachse ausgebildetes Bauteil verstanden, dass im axialen Querschnitt betrachtet einen Kreisring ausbildet. Als Kreisscheibe wird ein ebenfalls rotationssymmetrisch um eine Drehachse ausgebildetes Bauteil verstanden, dass sich in radialer Richtung über eine größere Länge erstreckt als in axialer Richtung und in axialer Richtung den Querschnitt eines weitestgehend vollen Kreises aufweist. Die Hülse und die Kreisscheibe bilden hier zusammen eine Topfform, wobei die Hülse die Topfwand bildet und die Kreisscheibe den Topfboden. Dabei weist die Topfform bzw. die Hülse einen derart großen Innendurchmesser auf, dass im inneren der Stator der elektrischen Maschine angeordnet sein kann.
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Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorteilhaft eine direkte Flüssigkühlung des als Außenläufer ausgebildeten Rotors möglich, mit der gegenüber einer Luftkühlung, insbesondere einer nur von außen an dem Rotor wirkenden Luftkühlung, eine wesentlich verbesserte Wärmeabfuhr erzielt wird. Insbesondere wird die Hülse, an der die mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirkende Flächen ausgebildet sind, unmittelbar an dieser Fläche, und somit unmittelbar an dem temperatursensibelsten Punkt der elektrischen Maschine, mit einem guten Wärmeübergang gekühlt. Die elektrische Maschine ist so vorteilhaft mit einer höheren Dauerleistung betreibbar. Zum Ausbilden einer besonders leistungsstarken elektrischen Maschine sind zudem Werkstoffe für die Magnete des Rotors wählbar, die besonders gute magnetische Eigenschaften aufweisen, jedoch auf Grund ihrer Temperatursensibilität bisher nicht bei Außenläufern mit hohen Leistungsanforderungen eingesetzt werden konnten.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird als Kühlmittel Wasser verwendet. Wasser weist eine sehr gute Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit auf und eignet sich daher besonders gut als Kühlmittel. In einer alternativen Ausführungsform wird als Kühlmittel Öl verwendet. Öl weist ebenfalls eine gute Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit auf und ist zudem im Gegensatz zu Wasser nichtleitend. Es bestehen somit bei einer Leckage des Öls ein geringeres Risiko eines Kurzschlusses und damit einer möglichen Beschädigung der elektrischen Maschine als bei Wasser. In einer weiterführenden Ausführungsform ist die elektrische Maschine so gestaltet, dass das als Kühlmittel verwendete Öl an anderer Stelle zur mechanischen Schmierung verwendet werden kann.
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Der Rotor ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einteilig bzw. monolithisch ausgeführt, das heißt, dass Welle, Hülse und Kreisscheibe ein einziges Bauteil bilden. Der Kühlkanal ist dann innenliegend ausgebildet und es ist keine Abdichtung des Kühlkanals entlang seines Weges durch den Rotor notwendig. Alternativ ist der Rotor aus mehreren Teilen zusammengesetzt, wobei dann zwischen den einzelnen Teilen Dichtungen vorgesehen sind oder die einzelnen Teile dicht miteinander verbunden sind, so dass ein unerwünschtes Entweichen von Kühlmittel aus dem Kühlkanal verhindert wird. Beispielsweise ist der Rotor einteilig mittels 3D Druck hergestellt, wobei komplexe Geometrien des Kühlkanals bei einem einteiligen Rotor einfach ausgebildet werden können. Alternativ ist der Rotor ein Gussteil mit verlorenen Kernen, wobei der Rotor um ein Negativ der Kühlkanalgeometrie herum gegossen wird und das Negativ im Nachhinein entfernt wird. In einer mehrteiligen Variante ist der Rotor aus zwei Halbschalen zusammengesetzt, die beispielsweise mit einer Flachdichtung gegeneinander gedichtet oder dicht miteinander verschweißt sind. Der Kühlkanal ist dabei in der Oberfläche einer Halbschale oder in beiden Oberflächen der Halbschalen, die zusammengefügt werden, ausgebildet. Die Halbschale ist beispielsweise durch ein Massivteil gebildet, in das der Kühlkanal eingefräst ist oder durch ein Blechteil, in das der Kühlkanal eingeprägt ist. Der Kühlkanal ist in einer weiteren zusammengesetzten Variante jeweils als Bohrung in einer einzelnen Hülse, einer einzelnen Kreisscheibe und einer einzelnen Welle vorgesehen, wobei dann Hülse, Kreisscheibe und Welle zusammengesetzt und gegeneinander abgedichtet oder dicht zusammengefügt sind.
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Der Kühlkanal weist in einer Ausführungsform jeweils eine einfache Geometrie einer Bohrung in den einzelnen Bauteilen Welle, Kreisscheibe und Hülse auf. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkanal jeweils eine mäandernde oder eine anders geartete Geometrie mit mehreren Richtungs- und/oder Querschnittswechsel in den einzelnen Bauteilen Welle, Kreisscheibe und Hülse auf. Vorteilhaft wird so die Fläche zwischen Kühlkanal und den Bauteilen vergrößert und ein verbesserter Wärmeübergang erreicht.
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Die zentrale Welle ist rotationssymmetrisch um die Drehachse des Rotors ausgebildet und erstreckt sich in einer Ausführungsform teilweise oder gänzlich durch den Stator der elektrischen Maschine, wobei die zentrale Welle dann gegenüber dem Stator gelagert ist. In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die zentrale Welle in axialer Richtung nicht mit dem Stator überschneidend. In einer Ausführungsform ist die zentrale Welle integral mit der Kreisscheibe ausgebildet und erstreckt sich nicht über die axiale Länge der Kreisscheibe hinaus, wobei die Welle dann auch als innenliegender Bereich der Kreisscheibe beschrieben werden kann.
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Bevorzugt erstreckt sich der Kühlkanal in der Hülse zumindest in axialer Richtung sowie in Umfangsrichtung über einen Großteil des Bereichs der mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirkende Flächen oder sogar über diesen gesamten Bereich, um eine effiziente Kühlung dieser Flächen sicher zu stellen. In einer Ausführungsform ist der Kühlkanal in Umfangsrichtung der Hülse mit Unterbrechungen ausgeführt. Es sind also in Umfangsrichtung mehrere sich axial erstreckende einzelne Kühlkanäle ausgebildet, die parallel durchströmt werden. Der Kühlkanal erstreckt sich insbesondere über die gesamte radiale Länge der Kreisscheibe, um den Teil des Kühlkanals in der Welle mit dem Bereich des Kühlkanals in der Hülse zu verbinden. Besonders vorteilhaft wirken durch die Rotation des Rotors in der Kreisscheibe Fliehkräfte auf das Kühlmittel, durch die das Kühlmittel in radialer Richtung beschleunigt und somit durch den gesamten Kühlkanal gedrückt wird. Es ist insofern kein Druckerhöhungsmittel notwendig, um die Förderung des Kühlmittels durch den Kühlkanal zu gewährleisten. Durch Wahl des Querschnitts des Kühlkanals in der Kreisscheibe wird die Kraft und somit die mögliche Förderrate bestimmt, mit der das Kühlmittel im Kühlkanal beaufschlagt wird.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkanal an der zentralen Welle rotationssymmetrisch um die Drehachse des Rotors ausgebildet. Das Kühlmittel unterliegt dann im Bereich der Welle nur geringen Fliehkräften und wird somit nicht durch solche an einer Strömung in axialer Richtung gehindert. Vorteilhaft ist bei einem rotationssymmetrisch in der Welle angeordnetem Kühlkanal eine Übergabe eines Kühlmittels von einem feststehenden Bauteil an die rotierende Welle mit einer entsprechenden Dichtung möglich. In einer entsprechend weiterführenden Ausführungsform weist die zentrale Welle einen Zulauf zum Kühlkanal zur Aufnahme von Kühlmittel auf. Da sich die Welle im Bereich der Drehachse des Rotors erstreckt, bietet sich ein Zulauf zum Kühlkanal hier besonders an. Bevorzugt ist dieser Zulauf an einer axialen Stirnseite der Welle angeordnet. Bei einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kühlkanal in der Welle schließt dann beispielsweise axial an die Welle ein feststehendes Bauteil an, das gegenüber der Welle mit einer entsprechenden Dichtung, die eine Dichtwirkung auch bei einer Relativbewegung zwischen dem Bauteil und der Welle sicher stellt, abgedichtet ist. Von dem feststehenden Bauteil wird dabei Kühlmittel in den Kühlkanal eingespeist.
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In einer Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist an der Hülse ein Auslass zum Entweichen des Kühlmittels aus dem Kühlkanal ausgebildet. Das Kühlmittel durchströmt so den Kühlkanal von dem Zulauf zu dem Auslass und kühlt dabei den gesamten Rotor. Bevorzugt ist der Auslass an einer axialen Stirnseite der Hülse angeordnet, so dass das Kühlmittel in axialer Richtung aus der Hülse herausströmt. Bevorzugt wird das Kühlmittel am Auslass drucklos in die Umgebung der elektrischen Maschine ausgeworfen und kann dann etwa aufgefangen und in einen Kühlmittelkreislauf zurückgeführt werden. Es ist dann an der Hülse keine Übergabe an ein weiteres Bauteil nötig, das mit der Hülse mitrotieren und/oder entsprechend gegenüber der Hülse abgedichtet sein müsste.
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Bei einer vorbeschriebenen Ausführungsform mit mehreren in Umfangsrichtung der Hülse nebeneinander angeordneten Teilen des Kühlkanals, weisen zumindest einige oder alle Teile des Kühlkanals jeweils einen Teilauslass auf, wobei dann die mehreren Teilauslässe als ein einziger Auslass verstanden werden.
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In einer Weiterentwicklung dieser Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine eine Speichervorrichtung zum Auffangen von aus dem Auslass entweichendem Kühlmittel. Diese ist beispielsweise als Kühlmittelsumpf ausgebildet. Vorteilhaft ist mit dem an der Hülse angeordneten Auslass und der Speichervorrichtung eine einfache und kostengünstige Ausführung geschaffen, um Kühlmittel aus dem Kühlkanal herauszuführen und aufzufangen. In einer Variante, in der als Kühlmittel Öl verwendet wird, dient eine als Kühlmittelsumpf ausgeführte Speichervorrichtung als Speicher für einen Kühlkreislauf der elektrischen Maschine sowie für die Schmierung zumindest eines weiteren Bauteils, beispielsweise, wenn die elektrische Maschine mit solchen weiteren Bauteilen, die einer Schmierung bedürfen, in einem Kraftfahrzeug verbaut ist. Beispielsweise dient der Kühlmittelsumpf auch zur Schmierung und Kühlung von Lagerelementen und/oder Getriebeelementen.
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Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine in einer Weiterentwicklung der vorgenannten Ausführungsform eine Fördereinrichtung zum Fördern des Kühlmittels von der Speichervorrichtung zum Zulauf auf. Die Fördervorrichtung ist etwa aus entsprechenden Leitungen gebildet und kann auch ein feststehendes Bauteil umfassen, das an die Welle angrenzt und in dem Kühlmittel an die Welle wie vorbeschrieben übergeben wird. Die Förderung des Kühlmittels durch die Fördereinrichtung wird in einer Ausführungsform durch die in der Kreisscheibe auf das Kühlmittel wirkenden Kräfte bedingt, das Kühlmittel wird als von dem Rotor angesaugt.
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In einer zweiten, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kühlkanal einen Hinweg sowie einen Rückweg, die sich jeweils zumindest bereichsweise durch die zentrale Welle, die Kreisscheibe und die Hülse erstrecken, wobei der Hinweg zum Fluss des Kühlmittels in einer ersten Richtung von der zentralen Welle weg ausgebildet ist und der Rückweg zum Fluss des Kühlmittels in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zur zentralen Welle hin ausgebildet ist, und wobei der Hinweg in der Hülse mit dem Rückweg verbunden ist.
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Als Richtung wird hierbei jeweils eine auf den Kühlkanal bezogene Richtung verstanden, wobei diese nicht mit einer einzelnen Raumrichtung des Gesamtsystems zusammenfällt. Der Hinweg und oder der Rückweg können auch innerhalb eines jeden der Bauteile Hülse, zentrale Welle und Kreisscheibe die Raumrichtung wechseln und beispielsweise mäanderförmig angeordnet sein. Die Richtung bezieht sich dann jeweils auf eine Normale auf der Querschnittsfläche dieses Kühlkanals. Bevorzugt sind der Hinweg und der Rückweg entlang der Strecke, über die sie den Rotor durchlaufen parallel geführt. Das Kühlmittel strömt auf dem Hinweg von der zentralen Welle zur Hülse und auf dem Rückweg von der Hülse zur zentralen Welle. An der Verbindungsstelle des Hinwegs und des Rückwegs geht das Kühlmittel aus dem Hinweg in den Rückweg über.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform weist der Hinweg zumindest in der Kreisscheibe einen größeren Querschnitt auf als der Rückweg und/oder der Hinweg ist in der zentralen Welle innenliegend gegenüber dem Rückweg ausgebildet. Auf beide Weisen lässt sich durch die Fliehkraft eine größere Kraft auf das sich im Hinweg befindliche Kühlmittel erreichen, so dass sich eine Strömung einstellt, die im Hinweg von der zentralen Welle zur Hülse und im Rückweg entgegengesetzt gerichtet ist. Vorteilhaft muss dann kein zusätzliches Mittel zum Erzeugen einer Strömung verwendet werden.
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Bevorzugt sind an der zentralen Welle ein Zulauf zum Hinweg zum Zuführen von Kühlmittel und ein Auslass des Rückwegs zum Entweichen des Kühlmittels ausgebildet. Das Kühlmittel ist so aus dem Rotor heraus und wieder in den Rotor hinein führbar, beispielsweise um noch weitere Bauteile zu durchströmen, oder, um an einem Wärmetauscher Wärme aus dem Kühlsystem nach außen abzuführen. Durch die Anordnung des Zulaufs und des Auslasses an der zentralen Welle, insbesondere an einer oder mehreren axialen Stirnseiten der zentralen Welle, ist das Zu- und/oder Abführen des Kühlmittels von bzw. hin zu feststehenden Bauteilen auf gedichtete Weise möglich. Es kann somit ein geschlossener Kreislauf geschaffen werden, der auch außerhalb des Rotors gegenüber der Umgebung dicht ist. In einem solchen geschlossenen System wird die Verwendung von Wasser als Kühlmittel gegenüber der Verwendung von Öl bevorzugt, da dieses eine bessere Wärmekapazität aufweist. Dazu ist bei dem geschlossenen System im Gegensatz zu einem offenen System etwa entsprechend der vorbeschriebenen ersten Ausführungsform, auf einfache Weise zu gewährleisten, dass kein Kühlmittel außerhalb des Kühlkreislaufes gelangt. In einer Ausführungsform sind der Hinweg und der Rückweg an der Welle koaxial ausgebildet.
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Bevorzugt weist die elektrische Maschine in einer Weiterentwicklung der vorgenannten Ausführungsform eine Fördereinrichtung zum Fördern des Kühlmittels von dem Auslass zum Zulauf auf. Die Fördervorrichtung ist etwa aus entsprechenden Leitungen gebildet und kann auch feststehende Bauteile umfassen, die an die Welle angrenzen und zwischen denen und der Welle wie vorbeschrieben Kühlmittel übergeben wird. Besonders bevorzugt ist die Fördereinrichtung geschlossen gegenüber der Umgebung ausgeführt und bildet mit dem Kühlkanal ein insgesamt geschlossenes System. Die Förderung des Kühlmittels durch die Fördereinrichtung wird in einer Ausführungsform durch die in der Kreisscheibe auf das Kühlmittel wirkenden Kräfte bedingt.
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In beiden vorgenannten Ausführungsformen, also sowohl bei einem offenen System mit einem Auslass an der Hülse, als auch bei einem geschlossenen System mit Auslass an der Welle, ist es bevorzugt, dass die Fördervorrichtung ein Druckerhöhungsmittel umfasst. Mit einem solchen wird das Kühlmittel in den Rotor eingedrückt, wobei der Kühlmittelfluss unabhängig von der Rotation des Rotors bestimmbar und regelbar ist. Bei dem Druckerhöhungsmittel handelt es sich bevorzugt um eine Pumpe.
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Es ist weiterhin ebenfalls in beiden vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass in dem Stator ein weiterer Kühlkanal vorgesehen ist, der einen Zulauf und einen Auslass aufweist. Der Stator ist mit diesem weiteren Kühlkanal dann in dem Kühlkreislauf eingebunden, so dass auch am Stator entstehende Abwärme vorteilhaft unmittelbar und effizient abführbar ist. Die Anbindung des Kühlkreislaufes an den Stator ist auf einfache Weise möglich, da es sich bei dem Stator um ein feststehendes Bauteil handelt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Zulauf des Stators mit der Fördereinrichtung verbunden und der Auslass des Stators ist mit dem Zulauf des Rotors verbunden. Der Stator ist insofern in baulich einfacher Weise in Reihe zwischen den Auslass und den Zulauf des Rotors geschaltet. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Fördereinrichtung einerseits mit dem Zulauf des Rotors und andererseits mit dem Zulauf des Stators verbunden, wobei der Auslass des Rotors einerseits und der Auslass des Stators andererseits jeweils mit der Fördereinrichtung verbunden sind. Der Stator und der Rotor sind dann parallel im Kühlkreislauf geschaltet. In einer Ausgestaltung ist in zumindest einem der parallelen Teile des Kühlkreislaufs ein Ventil vorgesehen, mit dem je nach Kühlbedarf des Rotors und des Stators das Verhältnis der Durchflussmengen in den Zweigen des Kühlkreislaufes steuerbar ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Fördereinrichtung und dem Zulauf des Rotors ein Wärmetauscher zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Kühlmittel angeordnet. Die aus dem Rotor und/oder dem Stator aufgenommene Wärmeenergie ist über einen Wärmetauscher besonders effizient an die Umgebung abführbar. Der Wärmetauscher ist beispielsweise zwischen einem Druckerhöhungsmittel und dem Zulauf des Rotors oder zwischen einem Auslass des Stators und einem Zulauf des Rotors angeordnet.
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Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer vorbeschriebenen elektrischen Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs. Die genannten Vorteile der elektrischen Maschine kommen bei dem Einsatz als Antriebsmittel eines Kraftfahrzeugs besonders zum Tragen, da hier hohe Leistungen bei hohen Momentendichten gefragt sind. Bei der Verwendung von Öl als Kühlmittel ist der Kühlkreislauf der elektrischen Maschine bevorzugt in einen bestehenden Ölkreislauf integriert, der zur Schmierung von mechanischen Bauteilen an dem Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigen, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Einzelnen zeigt:
- 1 eine stark vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem offenen Kühlkreislauf;
- 2 eine stark vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer Variante der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine stark vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem geschlossenen Kühlkreislauf;
- 4 eine stark vereinfachte schematische Schnittdarstellung einer Variante der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 ein stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt einen schematischen und nicht maßstäblichen Querschnitt einer elektrischen Maschine 100 mit einem lediglich in Grundzügen dargestellten Stator 2 und einem Rotor 3, wobei der Rotor 3 aus einer zentralen Welle 3a, einer Kreisscheibe 3b und einer Hülse 3c gebildet ist, die einteilig miteinander verbunden sind. Der Rotor 3 ist mittels Lagern 4 gegenüber dem feststehenden Stator 2 um eine Drehachse DA drehbar gelagert und weist an der radial innenliegenden Seite 3d Magnete 5 auf, die mit dem Stator 2 bzw. mit einer an dem Stator 2 ausgebildeten Außenfläche 2a zum Antrieb des Rotors 3 magnetisch zusammenwirkende Flächen 5a bilden.
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In dem Rotor 3 ist ein Kühlkanal 7 ausgebildet, der sich durch die Welle 3a, die Kreisscheibe 3b sowie die Hülse 3c erstreckt. Im Bereich der Welle 3a ist der Kühlkanal 7 rotationssymmetrisch um die Drehachse DA ausgebildet und weist an einer ersten axialen Stirnseite 3e der Welle 3a einen Zulauf 8 auf. Der Kühlkanal 7 erstreckt sich von der Welle 3 ausgehend weiter durch die Kreisscheibe 3b und die Hülse 3c und erstreckt sich dabei in der Hülse 3c, insbesondere im Bereich der Magnete 5, so dass beim Durchströmen des Kühlkanals 7 mit einem Kühlmittel eine gute Kühlung der Magnete erreicht wird. Im Umfangsrichtung der Kreisscheibe 3b und der Hülse 3c sind mehrere Teile des Kühlkanals 7 hintereinander angeordnet, so dass sie eine sternförmige Verteilung ergeben und ein in sich stabiler Rotor 3 entsteht, wobei in dem hier dargestellten Schnitt nur einer dieser Teile sichtbar ist. An einer axialen Stirnseite 3f der Hülse 3c weist der Kühlkanal 7 einen Auslass 9 bzw. mehrere um den Umfang verteilte Teilauslässe, die jedoch als ein Auslass 9 betrachtet werden, auf.
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Der Zulauf 8 des Kühlkanals 7 ist durch seine rotationssymmetrische Anordnung um die Drehachse DA mit einem nicht dargestellten feststehenden Bauteil verbindbar und mit einer entsprechenden Bewegungsdichtung dichtbar, um eine Übergabe von Kühlmittel an dem Zulauf 8 auszubilden.
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Zur Kühlung des Rotors 3 im Betrieb der elektrischen Maschine 100 wird dem Kühlkanal 7 am Zulauf 8 ein Kühlmittel, beispielsweise Öl, zugeführt, das dann vom Zulauf 8 entsprechend der im Kühlkanal 7 dargestellten Pfeilrichtungen zum Auslass 9 durch den Kühlkanal 7 strömt und dabei Wärmeenergie aufnimmt, insbesondere im Bereich der Magnete 5. Durch die bei einer Drehung des Rotors 3 auf das Kühlmittel im Bereich der Kreisscheibe 3b wirkenden radialen Fliehkräfte wird das Kühlmittel durch den Kühlkanal 7 getrieben.
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An dem Auslass 9 entweicht das Kühlmittel dem Kühlkanal 7, indem es drucklos in die Umgebung der elektrischen Maschine 100 ausgeworfen wird. Es wird dann einem hier nur stark vereinfacht dargestellten Kühlmittelkreislauf zugeführt, der eine Speichervorrichtung 11 in Form eines Kühlmittelsumpfes umfasst. Der Kühlmittelsumpf ist so angeordneten, dass das aus dem Auslass 9 ausgeworfene Kühlmittel aufgefangen wird. Von der Speichervorrichtung 11 wird das Kühlmittel mittels einer Fördervorrichtung 12 wieder zum Zulauf 8 gefördert. Die Fördervorrichtung 12 umfasst hier ein Druckerhöhungsmittel 13 in Form einer Pumpe, sowie einen Wärmetauscher 14 zum Abführen von Wärme aus dem Kühlkreislauf nach außen.
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In einer Variante der Ausführungsform gemäß 1, die in 2 dargestellt ist, ist der Kühlmittelkreislauf verzweigt und umfasst den zuvor beschriebenen Teil, bei dem Kühlmittel aus der Speichervorrichtung 11 zum Zulauf 8, durch den Kühlkanal 7 und vom Auslass 9 zurück zur Speichervorrichtung 11 gefördert wird. Weiterhin wird auf einem zweiten Strömungsweg 15 Kühlmittel von der Speichervorrichtung 11 zum Stator 2 gefördert, in dem ein hier nicht dargestellter weiterer Kühlkanal ausgebildet ist. Das Kühlmittel durchströmt diesen weiteren Kühlkanal von einem Zulauf des Stators 2 bis zu einem Auslass des Stators 2 und wird von dort, wie auch das am Auslass 9 ausgeworfene Kühlmittel, ebenfalls wieder der Speichervorrichtung 11 zugeführt. Der Rotor 3 und der Stator 2 werden folglich von dem Kühlmittel parallel durchströmt.
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3 zeigt einen wiederum schematischen und nicht maßstäblichen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 200. Diese weist wiederum einen Stator 2 und einen gegenüber den Stator 2 mittels Lagern 4 drehbar gelagerten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 besteht aus einer Welle 3a, einer Kreisscheibe 3b sowie einer Hülse 3c, wobei an der radial innen liegenden Seite 3d der Hülse 3c Magnete 5 zum Zusammenwirken mit dem Stator 2 angeordnet sind.
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Der Rotor 3 weist einen Kühlkanal 7 auf, der sich auf einen Hinweg 7a und einen Rückweg 7b aufteilt. An der Welle 3a umfasst der Kühlkanal 7 einen dem Hinweg 7a zugeordneten innenliegenden ersten Abschnitt 7c, an dem ein Zulauf 8 an einer ersten axialen Stirnseite 3e der Welle 3a vorgesehen ist. In der Kreisscheibe 3b und der Hülse 3c ist der Kühlkanal 7 mit nebeneinander und sich über den gleichen Pfad erstreckenden Hinweg 7a und Rückweg 7b ausgebildet. Der Hinweg 7a geht von dem ersten Abschnitt 7c des Kühlkanals 7 in der Welle 3a aus und ist in der Hülse 3c mit dem Rückweg 7b verbunden, der sich durch die Hülse 3c und die Kreisscheibe 3b zurück zur Welle 3a erstreckt. An der Welle 3a ist ein zweiter Abschnitt 7d des Kühlkanals 7 ausgebildet, der dem Rückweg 7b zugeordnet ist und mit dessen Abschnitt in der Kreisscheibe 3b in Verbindung steht. Der zweite Abschnitt 7d ist radial weiter außen als der erste Abschnitt 7c ausgebildet, wobei der zweite Abschnitt 7d des Kühlkanals 7 ebenso wie der erste Abschnitt 7c des Kühlkanals 7 rotationssymmetrisch um die Drehachse DA ausgebildet ist. Der zweite Abschnitt 7d des Kühlkanals 7 umfasst einen Auslass 10 an einer zweiten axialen Stirnseite 3g der Welle 3a.
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Sowohl der Zulauf 8 als auch der Auslass 10 des Kühlkanals 7 sind durch ihre rotationssymmetrische Anordnung um die Drehachse DA mit nicht dargestellten feststehenden Teilen verbindbar und mit entsprechenden Bewegungsdichtungen abdichtbar, um eine Übergabe von Kühlmittel an dem Zulauf 8 und dem Auslass auszubilden. Auf diese Weise ist ein geschlossenes System geschaffen.
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Zur Kühlung des Rotors 3 im Betrieb der elektrischen Maschine 200 wird dem Kühlkanal 7 am Zulauf 8 ein Kühlmittel zugeführt, das dann den Kühlkanal 7 vom Zulauf 8 durch den Hinweg 7a und anschließend durch den Rückweg 7b des Kühlkanals 7 hin zum Auslass 10 entsprechend der dargestellten Pfeilrichtungen durchströmt. Durch die bei einer Drehung des Rotors 3 auf das Kühlmittel im Bereich der Kreisscheibe 3b wirkenden radialen Fliehkräfte wird das Kühlmittel durch den Kühlkanal 7 getrieben, wobei durch den radial weiter innen liegenden ersten Abschnitt 7a des Kühlkanals 7 im Hinweg 7a ein längerer Weg in der Kreisscheibe 3b geschaffen ist als im Rückweg 7b, so dass das Kühlmittel dort eine größere Beschleunigung erfährt als im Rückweg 7b im Bereich der Kreisscheibe 3b, wo die Fliehkräfte das Kühlmittel der vorgesehenen Förderrichtung entgegen beschleunigen. Zusätzlich zu dem radial längeren Weg in der Kreisscheibe 3b im Hinweg 7a ist zudem der Hinweg 7a in der Kreisscheibe 3b mit einem größeren Querschnitt ausgebildet als im Rückweg 7b in der Kreisscheibe 3b, so dass die Beschleunigung im Hinweg 7a zusätzlich gegenüber der entgegengerichteten Beschleunigung im Rückweg 7b vergrößert ist.
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An dem Auslass 10 entweicht das Kühlmittel dem Kühlkanal 7 und wird einem hier nur schematisch dargestellten geschlossenen Kühlmittelkreislauf zugeführt. Der Kühlmittelkreislauf umfasst wiederum eine Fördervorrichtung 12 mit einem Druckerhöhungsmittel 13 in Form einer Pumpe sowie mit eine Wärmetauscher 14 zum Abführen von Wärme aus dem Kühlkreislauf nach außen. Der Kühlmittelkreislauf erstreckt sich von dem Auslass 10 über das Druckerhöhungsmittel 13 und den Wärmetauscher 14 wieder zum Zulauf 8 des Rotors.
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In einer Variante der Ausführungsform gemäß 3, die in 4 dargestellt ist, ist der Kühlmittelkreislauf zusätzlich durch den Stator 2 geführt, in dem ein hier nicht dargestellter weiterer Kühlkanal ausgebildet ist. Der Kühlmittelkreislauf durchströmt nach dem Druckerhöhungsmittel 13 zuerst den Stator 2 und anschließend den Wärmetauscher 14 und den Rotor 3.
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5 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 300 mit einer Vorderachse 20 und einer Hinterachse 21, wobei an der Vorderachse 20 eine vorbeschriebene elektrische Maschine 100 zu deren Antrieb angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Stator
- 2a
- Außenfläche des Stators
- 3
- Rotor
- 3a
- zentrale Welle
- 3b
- Kreisscheibe
- 3c
- Hülse
- 3d
- radial innenliegende Seite der Hülse
- 3e
- erste axiale Stirnseite der Welle
- 3f
- axiale Stirnseite der Hülse
- 3g
- zweite axiale Stirnseite der Welle
- 4
- Lager
- 5
- Magnete
- 5a
- mit dem Stator zum Antrieb des Rotors zusammenwirke Fläche
- 7
- Kühlkanal
- 7a
- Hinweg
- 7b
- Rückweg
- 7c
- erster Abschnitt des Kühlkanals
- 7d
- zweiter Abschnitt des Kühlkanals
- 8
- Zulauf der Welle
- 9
- Auslass der Hülse
- 10
- Auslass der Welle
- 11
- Speichervorrichtung
- 12
- Fördervorrichtung
- 13
- Druckerhöhungsmittel
- 14
- Wärmetauscher
- 15
- zweiter Strömungsweg
- 20
- Vorderachse
- 21
- Hinterachse
- 100
- elektrische Maschine
- 200
- elektrische Maschine
- 300
- Kraftfahrzeug
- DA
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3820857 C2 [0004]
- EP 0623988 A2 [0007]