DE19810437A1

DE19810437A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE19810437A1
Application number: DE19810437A
Authority: DE
Inventors: Juergen Glauning
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 1999-03-04

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkma len.

Stand der Technik

Es ist bekannt, elektrische Maschinen, insbesondere Drehstromgeneratoren, der gattungsgemäßen Art zur energetischen Versorgung eines Bordspannungsnetzes in Kraftfahrzeugen einzusetzen. Vorzugsweise werden hierfür Klauenpolgeneratoren eingesetzt, die sehr leicht und leistungsfähig und dabei kostengünstig sind. Bekannt sind Ausführungen mit einflutiger axia ler Belüftung durch einen außenliegenden Lüfter.

Daneben gibt es sogenannte Kompaktgeneratoren, die zweiflutige Belüftungen mittels zwei kleinerer innen liegender Lüfter aufweisen. Die Kühlluft wird hierbei jeweils axial angesaugt und verläßt den Generator radial im Bereich seiner Ständerwickelköpfe jeweils in einem Antriebs- und Schleifringlagerschild. Um bei hohen Motorraumtemperaturen eine effektive Generator kühlung sicherzustellen, sind weiterhin zusätzliche Vorrichtungen zur Frischluftansaugung bekannt.

Die Dimensionierung der Kühlung muß insgesamt so aus gelegt sein, daß die Temperaturen der Komponenten des Generators unter allen auftretenden Randbedingungen spezifische Grenzwerte nicht überschreiten. Die bei Nutzfahrzeuggeneratoren übliche komplette Kapselung gegen Staub, Schmutz und Spritzwasser erhöht die Pro blematik der notwendigen Wärmeabfuhr. Bekannt sind weiterhin geschlossene Generatoren mit Kühlrippen zur Oberflächenkühlung sowie geschlossene Generatoren mit flüssiger Kühlung, beispielsweise Öl.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist den Vorteil auf, daß durch getrennte Kühlkreisläufe für einen Stator und für einen Rotor eine unabhängige Kühlung der Teile ermöglicht wird. Insbesondere bei Verwendung von unterschiedlichen Kühlmedien für Sta tor und Rotor, beispielsweise Wasser und Luft, kann eine unabhängige Kühlung sowie eine Optimierung eines jeweils zweckmäßigen Kühlmediumdurchsatzes hinsicht lich einer Temperaturbeanspruchung erzielt werden. Die voneinander unabhängigen Kühlkreisläufe lassen sich einzeln hinsichtlich ihres Volumenstromes vari ieren und optimieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung lassen sich die Kühlkreisläufe bei Erreichen einer Betriebstemperatur der elektrischen Maschine einzeln und unabhängig von einander zuschalten. Vorteilhaft ist hierbei, wenn der Stator einen Kühlmantel aufweist, der mit einer Innenfläche im wesentlichen zylindrischen Gehäuse der elektrischen Maschine gefügt ist und wenigstens einen ringförmigen Kühlkanal aufweist. Um eine großflächi gere und effektivere Kühlung zu gewährleisten, ist es jedoch vorteilhaft, diesen Kühlkanal über eine große Fläche des Kühlmantels zu erstrecken, beispielsweise mäander- oder spiralförmig in Umfangsrichtung des Gehäuses anzuordnen. Ebenso können jedoch auch meh rere, beispielsweise durch Kanäle miteinander verbun dene und/oder durch Stege voneinander getrennte Kühl kanäle im Kühlmantel vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäße sogenannte Hybridkühlung der elektrischen Maschine kann hierbei in vorteilhafter Weise an einen Flüssigkeitskühlkreislauf der Brenn kraftmaschine angekoppelt sein, wobei zweckmäßiger weise ein elektrisch oder auf andere Weise angesteu ertes Trennventil vorgesehen ist. Ebenso möglich ist jedoch auch ein vom Kühlkreislauf der Brennkraftma schine unabhängiger, eigener Kühlkreislauf für die elektrische Maschine, wobei zur Umwälzung der Kühl flüssigkeit eine mechanisch oder elektrisch betrie bene Pumpe in Frage kommt oder auch eine Umwälzung durch Erwärmung, das heißt nach dem Thermosiphonprin zip. Hierbei ist keine eigene Pumpe notwendig.

Der Kühlkreislauf des Rotors der elektrischen Maschi ne wird vorzugsweise mit Luft als Kühlmedium betrie ben, da hierbei keinerlei Isolationsprobleme gegen über stromführenden Bauteilen zu berücksichtigen sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Rotor eine zentrale Bohrung auf, durch die die Luft einströmen kann, sowie mehrere Querbohrungen, durch die die Luft radial nach außen strömen und durch meh rere Bohrungen in der elektrischen Maschine zirkulie ren kann.

Besonders vorteilhaft läßt sich durch Gestaltung der luftführenden Elemente eine Sogwirkung der zirkulie renden Luft erzielen, die durch ein zentral die Hohl bohrungen des Rotors verschließendes Zwangsführungs element unterstützt wird. Weiterhin kann es vorteil haft sein, ein Impulsrad oder Lüfterrad mit mehreren Flügeln vorzusehen, das als ein weiteres Zwangs führungselement die Luftzirkulation unterstützt (Luftleitblech-Turbine). Zweckmäßig ist es, wenn die Luftströmung an einen Wickelkopf der elektrischen Maschine vorbei verläuft und somit besonders bei höheren Drehzahlen für eine effektive Kühlung sorgen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Abküh lung der im Wasser gekühlten Gehäuse vorbeistreifen den Luft durch entsprechende Luftführungen gewährlei stet, wodurch ein noch effektiverer Wärmeaustausch der Kühlmedien untereinander erzielbar ist. Der Luft kreislauf kann sowohl geschlossen, teilweise oder auch völlig offen sein, das heißt mit ständiger Luft zufuhr von außen. Bei einem offenen Luftkreislauf ist vorteilhaft eine Abfuhr eines Abriebes von Reibbelä gen einer Trockenkupplung des Kraftfahrzeuges er zielbar. Die im Gehäuse befindlichen Bohrungen für die ausströmende Luft können sowohl stirnseitig axial als auch mantelseitig radial angeordnet sein. In ei ner vorteilhaften Abwandlung können alle oder einige Bohrungen im Gehäuse auch als Längsbohrungen bezie hungsweise Schlitze oder Längsschlitze ausgeführt sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer mit einem Getriebe wirkverbundenen elektrischen Maschine;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Details ent sprechend Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer mo difizierten Ausführungsform der elektri schen Maschine entsprechend Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine elektrische Maschine 1, die mit einem Getriebe wirkverbunden ist. Das Getriebe ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Planetengetriebe 52, wodurch die Übersetzung der elektrischen Maschine 1 bezüglich eines Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges in zwei Stufen variiert. Die elektrische Maschine 1, im dar gestellten Ausführungsbeispiel eine Drehstrommaschi ne, weist einen Stator 34 mit zwei Wickelköpfen 10 und 18 und einem Rotor 44 auf, der in Wirkverbindung mit dem Planetengetriebe 52 steht. Der Stator 34 ist von einem Kühlmantel 40 umschlossen.

Der im wesentlichen zylindrisch ausgeführte Kühlman tel 40 ist mit einer Innenfläche 35 eines im wesent lichen ebenfalls zylindrisch ausgeführten Gehäuses 36 fest verbunden, wobei der Kühlmantel 40 eine oder mehrere ring- oder beispielsweise mäanderförmig aus gebildete Nuten aufweist, die als Kühlkanal 38 fungieren. Durch die resultierende große Kontakt fläche des Kühlmantels 40 zum Gehäuse 36 ist ein guter Wärmeübergang vom Stator 34 auf den Kühlmantel 40 und damit auf das Gehäuse 36 gewährleistet. Bei einer Durchspülung des Kühlkanales 38 mit einem Kühl medium 32, wofür beispielsweise Wasser in Frage kommt, ist somit eine gute Wärmeableitung erzielbar. Die in der elektrischen Maschine 1 unter Betrieb mit hoher Last entstehende erhebliche Wärmeentwicklung kann vom Stator 34 in das Gehäuse 36 übergehen und wird vom Kühlmedium 32 schnell abgeführt.

Das Kühlmedium 32 kann durch eine hier nicht erkenn bare Eingangsbohrung in den ring- oder mäanderförmi gen Kühlkanal 38 eintreten, über den der gesamte Um fang des Kühlmantels 40 angebracht ist. Dabei nimmt das Kühlmedium 32 Wärmeenergie auf und kann durch eine, hier ebenfalls nicht dargestellte Ausgangsboh rung wieder austreten. Durch eine großflächige Anbin dung und einen guten thermischen Übergang zwischen Stator 34 und Kühlmantel 40 kann der Stator 34, und damit die elektrische Maschine 1, sehr effektiv gekühlt werden. Der Wärmeübergang zwischen Stator 34 und Kühlmantel 40 läßt sich weiter verbessern durch möglichst gute Durchströmung mit dem Kühlmedium 32, was durch Verzweigungen beziehungsweise durch Stege 42 in mehreren Kühlkanälen erreicht werden kann. Das Kühlmedium 32 kann von einer separaten, dafür vor gesehenen Pumpe umgewälzt werden. Ebenso möglich ist jedoch auch eine Zirkulation, die auf dem Thermo siphonprinzip beruht, das heißt, wobei keine separate Pumpe erforderlich ist.

In einer weiteren Variante kann eine Anbindung an ein Kühlsystem beziehungsweise einen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, wobei jedoch zu bedenken ist, daß bei Betriebstemperatur der Brenn kraftmaschine die Temperaturen im Kühlmedium 32 durchweg höher liegen als bei einem separaten Kühl kreislauf.

Erkennbar ist weiterhin der in zwei Wälzlagern 60 drehbar gelagerte Rotor 44, der zusammen mit einem Klauenpol 46 und den zwei Wickelköpfen 10 und 18 die elektrische Maschine 1 bildet. Erkennbar ist weiter hin eine Gestaltung des in der Fig. 1 rechts liegen den Wellenendes des Rotors 44 als zentrales Sonnenrad 66 für das Planetengetriebe 52, das mit mehreren Pla netenrädern 68 kämmt. Diese sind an einem Planeten träger 71 drehbar gelagert, der mit einer Abtriebs welle 72 des Planetengetriebes 52 eine Baueinheit bildet. Die Planetenräder 68 kämmen weiterhin mit einem Hohlrad 70, welches gegen das Gehäuse 36 oder gegen den Planetenträger 71 festlegbar ist und auf diese Weise die beiden möglichen Übersetzungsstufen des Planetengetriebes herstellen kann.

Der Rotor 44 ist mit einer Zentralbohrung 2 am in Fig. 1 links liegenden Wellenende versehen, die in eine Hohlbohrung 4 größeren Durchmessers mündet und eine Durchströmung mit kühlender Luft erlaubt. Die durch die Bohrung 2 einströmende Luft durchströmt den Rotor 44 durch die Hohlbohrung 4 auf seiner ganzen Länge und kann durch wenigstens zwei Querbohrungen 6 unmittelbar außerhalb des rechten Wälzlagers 60 ra dial nach außen in einen Vorraum 54 zwischen dem Ge triebe 52 und der elektrischen Maschine 1 austreten. Die wenigstens zwei, vorzugsweise jedoch in größerer Zahl vorhandenen, Querbohrungen 6 sind vorzugsweise nicht völlig senkrecht zu einer Drehachse 56 des Ro tors 44 angeordnet, sondern zur besseren Luftführung leicht schräg nach außen, in Richtung des Wellenendes des Rotors 44 hin, geneigt.

Die Querbohrungen 6 erfüllen neben der Luftführung gleichzeitig die Funktion einer Turbine, bei der die Umfangsgeschwindigkeit am Außendurchmesser größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit am Innendurchmesser. Hierdurch kann ein Sog beziehungsweise ein Unterdruck erzielt werden, der die Luft aus dem Kern des Rotors 44, das heißt aus der Hohlbohrung 4, herausfördern kann. Unterstützt wird diese Wirkung durch ein winke lig geformtes Zwangsführungselement, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein kegelförmiger Verschlußstop fen 8, dessen Kegelspitze 9 mit der Drehachse 56 des Rotors 44 zusammenfällt. Der Verschlußstopfen 8 ver schließt somit die Hohlbohrung 4 auf der der Bohrung 2 gegenüberliegenden Seite des Rotors 44 und zwingt die durch die Bohrung 2 einströmende Luft zum Aus tritt durch die Querbohrungen 6.

Die im Vorraum 54 befindliche Luft wird weiter durch mehrere Bohrungen 14 beziehungsweise Längsschlitze 15 geführt, welche die Luft in Richtung eines Luftspal tes zwischen Rotor 44 und dem Stator 34 leiten. Hier bei streicht die Luft am Wickelkopf 10 (antriebs seitig) vorbei und kann dabei Wärme aufnehmen. Gleichzeitig kann sie sich durch das Vorbeistreifen am wassergekühlten Gehäuse 36 abkühlen, bevor sie durch den Luftspalt zwischen Rotor 44 und Stator 34 sowie durch den Klauenpol 46 und an einer Erreger wicklung 16 vorbei zum Wickelkopf 18 geführt wird. Dabei werden die genannten Elemente abgekühlt.

Streicht die Luft wiederum am wassergekühlten Gehäuse 36 vorbei, kann sie hierbei weiter Wärme abgeben und kühlt selbst dabei ab. Durch mehrere stirnseitig im Gehäuse 36 angeordnete Bohrungen 22 beziehungsweise Längsschlitze 23 kann die Luft aus der elektrischen Maschine 1 austreten, wobei ein Teil dieser ausströ menden Luft wieder durch die Bohrung 2 als Frischluft angesaugt wird. Hierdurch entsteht ein teilweise ge schlossener Kreislauf.

Fig. 2 zeigt in einer Detailschnittansicht entspre chend Fig. 1 ein Impulsrad 28 oder Lüfterrad, welches die Form einer flachen Scheibe aufweist und unmittelbar angrenzend an die Ausströmöffnungen der radialen Querbohrungen 6 auf der Welle des Rotors 44 fixiert ist. Hierdurch wird die Umleitung der Luft strömung aus den Querbohrungen 6 in die Bohrungen 14 beziehungsweise in die Längsschlitze 15 unterstützt, die ausgehend von einer Richtung koaxial zur Dreh achse 56 bis zur Vorbeiströmung am Luftspalt zwischen Rotor 44 und Stator 34 eine Umlenkung um 180° er fährt.

Das Impulsrad 28 weist weiterhin mehrere auf einer der elektrischen Maschine 1 zugewandten flachen Seite senkrecht aufgebrachte Flügel 26 sowie ein an deren Enden senkrecht aufliegendes Luftleitblech 30 auf. Dieses ringförmige Luftleitblech 30 mit jeweils am inneren und äußeren Rand des Ringes aufgebogener Kon tur steht somit mit seiner flachen Seite parallel zur flachen Seite des Impulsrades 28 beziehungsweise senkrecht zur Drehachse 56. Das Impulsrad wirkt zu sammen mit den Flügeln 26 und dem Luftleitblech wie eine Turbine und dient zur Unterstützung der Sogwir kung der Luft aus den Querbohrungen 6.

Fig. 3 zeigt in einer weiteren Schnittansicht eine modifizierte Ausführungsform der hybridgekühlten elektrischen Maschine 1. Gleiche Teile wie in den vorangegangenen Figuren sind mit gleichen Bezugszei chen versehen und nicht nochmals erläutert. Hier ist jedoch im Unterschied zur Darstellung in Fig. 1 stirnseitig links am Gehäuse 36, das heißt auf glei cher Seite wie die Bohrung 2, eine Abdeckung 48 vor gesehen ist, die die Ausströmung der Luft nach außen verhindert und somit für einen geschlossenen Kühl kreislauf der Luft sorgt. Die aus den Bohrungen 22 beziehungsweise den Längsschlitzen 23 austretende Luft kann sogleich wieder in die Bohrung 2 eintreten. Ein Großteil der von der Kühlluft aufgenommenen Wärme wird hierbei über das flüssige Kühlmedium 32 nach außen transportiert.

Claims

1. Elektrische Maschine, insbesondere zum Starten einer Brennkraftmaschine und/oder zur Spannungsver sorgung eines Bordspannungsnetzes eines Kraftfahrzeu ges, mit einem in einem Gehäuse befestigten Stator und mit einem auf einem Rotor gelagerten Klauenpol läufersystem, wobei die elektrische Maschine über eine auftrennbare Wirkverbindung mit der Brennkraft maschine koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (34) und der Rotor (44) in getrennte, un terschiedliche Kühlmedien aufweisende, Kühlkreisläufe eingebunden sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stator (34) eine Flüssigkeits kühlung aufweist und der Rotor (44) eine Luftkühlung aufweist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen einem im wesentlichen zy lindrischen Gehäuse (36) und dem Stator (34) ein Kühlmantel (40) vorgesehen ist, der mit einer Innen fläche des Gehäuses (36) gefügt ist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß in dem Kühlmantel (40) wenigstens ein Kühlkanal (38) vorgesehen ist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der wenigstens eine Kühlkanal (38) in Umfangsrichtung des Gehäuses (36) angeordnet ist.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der wenigstens eine Kühlkanal (38) mäanderförmig und/oder spiralförmig in Umfangsrich tung des Gehäuses (36) angeordnet ist.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühl kanäle (38) vorgesehen sind, die durch Stege (42) voneinander abgetrennt sind.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig keitskühlung der elektrischen Maschine (1) unabhängig von einem Flüssigkeitskühlkreislauf der Brennkraft maschine ist.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flüssigkeitskühlung der elek trischen Maschine (1) eine Thermosiphonkühlung ist.

10. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flüssigkeitskühlung der elek trischen Maschine (1) mit dem Flüssigkeitskühlkreis lauf der Brennkraftmaschine gekoppelt ist.

11. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft kühlung des Rotors (44) durch eine Luftzirkulation erfolgt.

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkühlung des Rotors (44) mittels einer zentralen Luftführung (2, 4) und mehre ren radialen Querbohrungen (6) im Rotor (44) erfolgt.

13. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch mehrere Bohrungen (14) in der elektrischen Ma schine (1) zirkulieren kann.

14. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft durch mehrere Längsschlitze (15) in der elektrischen Maschine (1) zirkulieren kann.

15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sog wirkung der zirkulierenden Luft durch eine Unter druckerzeugung erzielt wird.

16. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zirku lierende Luft durch ein zentral die Hohlbohrung (4) des Rotors (44) verschließendes Zwangsführungselement unterstützbar ist.

17. Elektrische Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwangsführungselement ein Verschlußstopfen (8) mit einer auf einer Drehachse (56) des Rotors (44) liegenden Kegelspitze (9) ist.

18. Elektrische Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Zwangsführungsele ment ein Impulsrad (28) mit mehreren Flügeln (26) umfaßt.

19. Elektrische Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwangsführungselement ein rotierendes Luftleitblech (30) umfaßt.

20. Elektrische Maschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmung an einem Wickel kopf (10) der elektrischen Maschine (1) vorbei ver läuft.

21. Elektrische Maschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abkühlung der am wasserge kühlten Gehäuse (36) vorbeistreichenden Luft erfolgt.

22. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luft kreislauf geschlossen ist.

23. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkreislauf offen ist.

24. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ab führung eines Abriebes von Reibbelägen einer Trocken kupplung des Kraftfahrzeuges durch die Luftströmung erfolgen kann.

25. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für aus strömende Luft stirnseitig im Gehäuse (36) befindli che Bohrungen (22) axial angeordnet sind.

26. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für aus strömende Luft stirnseitig im Gehäuse (36) befindli che Längsschlitze (23) axial angeordnet sind.

27. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß für ausströmende Luft mantelseitig im Gehäuse (36) befindliche Bohrun gen (22) radial angeordnet sind.

28. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß für ausströmende Luft mantelseitig im Gehäuse (36) befindliche Längs schlitze (23) radial angeordnet sind.