Beschreibung

Titel Elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, in dem ein Rotor drehbar angeordnet und in dem eine ein Kühlmedium aufweisende Kühleinrichtung vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen der elektrischen Maschine.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind ölkühlungen für elektrische Maschinen bekannt, die als Düsenkühlung oder als Sumpfkühlung ausgebildet sind. Bei einer Düsenkühlung wird als Kühlmedium wirkendes öl über Düsen im Gehäuseinneren verteilt. Bei einer Sumpfkühlung wird im Inneren des Gehäuses der elektrischen Maschine ein ölsumpf ausgebildet, in dem der Rotor zumindest abschnittsweise eintaucht und so bei einer Rotation aus dem ölsumpf öl zum Zwecke der Kühlung mitreißt. Das öl benetzt hierbei den Rotor und Teile der elektrischen Maschine.

Hierbei ist nachteilig, dass zu einer hinreichenden Kühlwirkung im Falle einer Düsenkühlung eine größere Anzahl von Düsen im Inneren des Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet werden muss, um eine möglichst wirksame und effektive Einbringung des öls zu bewirken. Derartige Düsen sind aufwendig zu montieren und beanspruchen Bauraum. Bei einer Sumpfkühlung ist nachteilig, dass lediglich eine gute Rotorbenetzung stattfindet, wenn dieser im ölsumpf läuft, so dass im Wesentlichen lediglich eine Außenmantelfläche des Rotors hinreichend gekühlt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit verbesserter Kühlung bereitzustellen, insbesondere eine hinreichende Einbringung und

gleichmäßige Verteilung von Kühlmedium innerhalb der elektrischen Maschine zu bewirken.

Offenbarung der Erfindung

Hierzu wird eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse vorgeschlagen, in dem ein Rotor drehbar angeordnet und in dem eine ein Kühlmedium aufweisende Kühleinrichtung vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist im Gehäuse mindestens ein, mit dem Rotor mitdrehendes, von einer rotationssymmetrischen Formgebung abweichendes Mediumverwirbelungselement angeordnet. Elektrische Maschinen, die hohe Leistungen erbringen müssen, wie dies beispielsweise bei Elektromotoren von Elektrofahrzeugen oder von Hybridfahrzeugen, oder generell in Hybridanwendungen, der Fall ist, benötigen eine aktive Kühlung, wie vorstehend beschrieben. Erfindungsgemäß wird ein Mediumverwirbelungselement im Gehäuse angeordnet, das sich mit dem Rotor mitdreht. Das Mediumverwirbelungselement hat dabei eine solche Ausbildung, dass es von einer rotationssymmetrischen Formgebung abweicht. Seine Geometrie ist folglich nicht rotationssymmetrisch-gleichmäßig, sondern sie weist Bereiche auf, in denen keine Rotationssymmetrie vorliegt. Hierdurch kann erreicht werden, dass im Gehäuse befindliches Kühlmedium besser verteilt wird, insbesondere verwirbelt wird, als dies mit rein rotationssymmetrischen Formgebungen, wie beispielsweise im Stand der Technik über den Rotor selbst, möglich ist. Gerade die von der rotationssymmetrischen Formgebung abweichende Ausbildung des Mediumverwirbelungselements führt in Abhängigkeit von der Drehzahl der elektrischen Maschine zu einer fortdauernden Impulsbeaufschlagung von Kühlmedium-Molekülen, die entweder auf das Mediumverwirbelungselement auftreffen oder im Gehäuse vorhanden sind und von der nicht rotationssymmetrischen Form des Mediumverwirbelungselements getroffen werden. Es wird folglich auf die Kühlmedium-Moleküle eine kinetische Energie eingetragen, die zu deren

Wandern im Inneren des Gehäuses führen, so dass auch entlegene Bereiche dieses Gehäuses und der darin befindlichen Anordnung, insbesondere des Rotors, des Stators und der Welle beziehungsweise deren Lagerungen, erreicht werden. Es tritt demzufolge eine aktive Verwirbelung des Kühlmediums ein.

In einer Ausführungsform ist das Mediumverwirbelungselement eine Rotorwuchtscheibe. Rotorwuchtscheiben sind im Stand der Technik bekannt, sie dienen dazu, Unwuchten, wie sie bei der Herstellung des Rotors, insbesondere durch Aufbringung von elektrischen Wicklungen, entstehen und bei höheren Drehzahlen unerwünscht sind, auszugleichen. Regelmäßig werden sie endseitig des Rotors auf der Welle aufgebracht und mit dem Rotor drehfest verbunden. Die Rotorwuchtscheibe erhält hiermit eine Doppelverwendung, nämlich zum Einen als Mittel zum Auswuchten des Rotors und zum Anderen als Mediumverwirbelungselement.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Mediumverwirbelungselement an mindestens einer seiner Stirnseiten und/oder seiner Mantelflächen mindestens einen Verwirbelungsvorsprung und/oder eine Verwirbelungsvertiefung für das Kühlmedium auf. Mindestens eine der Stirnseiten und/oder mindestens eine der Mantelflächen des Mediumverwirbelungselements weist demzufolge entweder einen Verwirbelungsvorsprung und/oder eine Verwirbelungsvertiefung auf. Ein Verwirbelungsvorsprung ist hierbei ein aus dem Mediumverwirbelungselement heraustretendes Element, während eine Verwirbelungsvertiefung in das Verwirbelungselement eingebracht ist. Hierdurch ergeben sich Unregelmäßigkeiten von Außenflächen, nämlich der Stirnseiten und/oder der Mantelflächen, die in der Rotation bei Auftreffen von Kühlmedium-Molekülen diesen einen Impuls verleihen und zu einer Bewegung, letztlich zu einer Verwirbelung des Kühlmediums, innerhalb des Gehäuses führen.

Bevorzugt ist der Verwirbelungsvorsprung und/oder die Verwirbelungsvertiefung materialeinheitlich mit dem Mediumverwirbelungselement ausgebildet. Dies bedeutet, dass etwa die Verwirbelungsvertiefung in das Material des Verwirbelungselements eingebracht, insbesondere aus diesem durch beispielsweise spanabhebende Verfahren oder im Wege eines Guss- oder sonstigen Herstellungsverfahrens ausgenommen, ist. Der

Verwirbelungsvorsprung ist an die Geometrie des Verwirbelungselements materialeinheitlich angebracht, beispielsweise angegossen oder angespritzt. Bevorzugt wird der Verwirbelungsvorsprung im Zuge der Herstellung des Mediumverwirbelungselements mitausgebildet.

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In einer anderen Ausführungsform ist der Verwirbelungsvorsprung und/oder die Verwirbelungsvertiefung als separates Teil am Mediumverwirbelungselement ausgebildet. Die Ausbildung ist nicht nur materialeinheitlich, sondern auch in Materialverschiedenheit möglich. Hierdurch lassen sich beispielsweise auch als Ersatzteile ausgebildete, insbesondere wechselbare, Verwirbelungsvorsprünge oder Verwirbelungsvertiefungen vorsehen, die bei hohen Laufleistungen der elektrischen Maschine gewartet oder getauscht werden können.

Bevorzugt sind mehrere Verwirbelungsvorsprünge in Form mindestens einer Verwirbelungsbürste ausgebildet. Mit Verwirbelungsbürste ist gemeint, dass mehrere Verwirbelungsvorsprünge derart zusammengefasst sind, dass sie, einer Bürste ähnlich oder eine Bürste ausbildend, aus dem Mediumverwirbelungselement hervortreten. Näheres zeigen die Figuren.

In einer Ausführungsform ist der Verwirbelungsvorsprung und/oder die

Verwirbelungsvertiefung radial verlaufend ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Verwirbelungsvorsprung beziehungsweise die Verwirbelungsvertiefung in Richtung der Radialerstreckung verläuft, also beispielsweise der Verwirbelungsvorsprung über einen Außenumfang des Mediumverwirbelungselements hinaustritt, also beispielsweise in Form der bereits erwähnten Bürste, wobei sich diese in Radialrichtung verlaufend erstreckt, oder dass die Verwirbelungsvertiefung beispielsweise in eine Stirnseite des Mediumverwirbelungselements in Radialrichtung verlaufend, beispielsweise von der Rotorwelle ausgehend, radial verlaufend ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Verwirbelungsvertiefung als sich über einen Teilumfang des Mediumverwirbelungselements erstreckende randoffene Ausnehmung ausgebildet. Die Verwirbelungsvertiefung verläuft demzufolge umfangsseitig, wobei sie als randoffene Ausnehmung ausgebildet ist, die sich über einen Teilumfang des Mediumverwirbelungselements, mithin also unter Abweichung von der rotationssymmetrischen Formgebung, erstreckt. Hierbei sind in den Außenumfang des Mediumverwirbelungselements, also beispielsweise der bereits erwähnten Rotorwuchtscheibe, Ausnehmungen eingebracht, die die Impulsbeaufschlagung von Kühlmedium bewirken und zu Verwirbelung desselben führen.

Weiter ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung eine

Kühlmediumsumpfeinrichtung und/oder eine Kühlmediumspritzeinrichtung ist. Sowohl Kühlmediumsumpfeinrichtungen als auch Kühlmediumspritzeinrichtungen sind bekannt. Bei der

Kühlmediumsumpfeinrichtung läuft der Rotor in einem Sumpf aus Kühlmedium, der im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, während bei der Kühlmediumspritzeinrichtung das Kühlmedium über Spritzdüsen in das Innere des Gehäuses gespritzt wird und hierbei Bestandteile der elektrischen Maschine, insbesondere den Rotor, beaufschlagt. Selbstverständlich sind auch Kombinationen aus Kühlmediumsumpfeinrichtung und Kühlmediumspritzeinrichtung denkbar.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Gehäuse mindestens ein Mediumsprüh- und/oder Mediumnebelfänger angeordnet ist, der eine Leiteinrichtung für gesammeltes Kühlmedium aufweist. Der Mediumsprüh- und/oder Mediumnebelfänger dient dazu, eingesprühtes oder vernebeltes Kühlmedium aufzufangen und in einer gewünschten Art und Weise zu halten und/oder zu leiten, wozu eine Leiteinrichtung für das von ihm gesammelte Kühlmedium vorgesehen ist.

Bevorzugt ist die Leiteinrichtung auf das Mediumverwirbelungselement gerichtet. Gesammeltes Kühlmedium wird demzufolge direkt zurück auf das Mediumverwirbelungselement geleitet und von dort neu verwirbelt. Auf diese Weise lässt sich eine besonders wirkungsvolle und effektive Rückführung und Neuverwirbelung des Kühlmediums erreichen, so dass dieses nicht langwierig von Wänden des Gehäuses, beispielsweise in den Kühlmediumsumpf, ablaufen muss, sondern sofort zur neuen Verwirbelung zur Verfügung steht.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Kühlmedium ein Kühlschmiermittel, insbesondere ein öl, ist. Auf diese Weise wird nicht nur ein wirksamer Austrag von Abwärme der elektrischen Maschine bewirkt, sondern in sehr vorteilhafter Weise auch deren Schmierung, insbesondere auch der bereits erwähnten Rotorwelle. Durch die Verwirbelung des Kühlschmiermittels nämlich lässt sich dieses in besonders vorteilhafter Weise im Gehäuse der elektrischen Maschine

verteilen und erreicht so auch Stellen, die nur schwer von Schmiermittel erreichbar sind oder von denen Schmiermittel leicht wieder ausgetragen wird. Auf diese Weise lässt sich sehr vorteilhaft eine Mangelschmierung verhindern, und zwar auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen. Vielmehr wird sichergestellt, dass die elektrische Maschine nicht nur gut gekühlt, sondern auch über ihre gesamte Laufzeit gut geschmiert ist, ohne dass dem Schmiermittel besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden müsste, wie dies beispielsweise bei intervallischer Schmierung, insbesondere bei durch Wartung erfolgende Schmierung, der Fall ist, da hier ausgetragenes oder verlorenes Schmiermittel stets nachgefüllt werden muss.

Weiter wird ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, insbesondere, wie vorstehend beschrieben, im Inneren ihres Gehäuses, in dem ein Rotor drehbar angeordnet und in dem eine ein Kühlmedium aufweisende Kühleinrichtung vorgesehen ist. Erfindungsgemäß erfolgt das Kühlen durch ein Verwirbeln des Kühlmediums mittels mindestens eines, mit dem Rotor mitdrehenden, von einer roationssymmetrischen Formgebung abweichenden Mediumverwirbelungselements. Die Kühlung erfolgt hierbei durch ein Verwirbeln des Kühlmediums, wozu das Mediumverwirbelungselement vorgesehen wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.

Es zeigen:

Figur 1 eine elektrische Maschine im Längsschnitt mit

Mediumverwirbelungselementen und Mediumnebelfänger;

Figur 2 die elektrische Maschine mit Verwirbelungselementen und Mediumsprüh-/ und/oder Mediumnebelfänger;

Figur 3 eine Ausbildung des Mediumverwirbelungselements mit Verwirbelungsvorsprüngen und -Vertiefungen;

Figur 4 ein Verwirbelungselement mit als Verwirbelungsbürsten ausgebildeten Verwirbelungsvorsprüngen;

Figur 5 dasselbe Verwirbelungselement in anderer Ansicht;

Figur 6 ein Verwirbelungselement mit als randoffene Ausnehmungen eines Teilumfangs ausgebildete Verwirbelungsvertiefungen und

Figur 7 dasselbe Mediumverwirbelungselement in anderer Ansicht.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Spulen 2 aufweisenden Stator 3, wobei sich die Spulen 2 innerhalb eines Gehäuses 4 der elektrischen Maschine befinden und mit einem Luftspalt 5 zwischen sich einen Rotor 6 aufweisen, der in dem Gehäuse 4 auf einer Rotorwelle 7 drehbar zwischen den Spulen 2 lagert. Der Rotor 6 weist an seinen Endseiten 8 jeweils eine Rotorwuchtscheibe 9 auf, die drehfest mit dem Rotor 6 und/oder der Rotorwelle 7 verbunden ist und sich somit mit dem Rotor 6 mitdreht. Innerhalb des

Gehäuses 4 ist ein Kühlmediumsumpf 10 unterseitig innerhalb des Gehäuses 4 vorgesehen, in dem sich Kühlmedium 1 1 schwerkraftbedingt sammelt. Der Rotor 6 taucht in das Kühlmedium 1 1 im Kühlmediumsumpf 10 zumindest abschnittsweise ein und reißt dieses in einer Rotation mit sich, so dass es zu einem Verschleudern von Kühlmedium 11 innerhalb des Gehäuses 4 bei

Rotation des Rotors 6 kommt. Das Kühlmedium 1 1 läuft von Gehäusewänden 12 ab und sammelt sich wieder im Kühlmediumsumpf 10. Das Gehäuse 4 weist jeweils endseitig in seinem Inneren Mediumnebelfänger 13 auf, die verschleudertes Kühlmedium 11 auffangen und durch eine Ausbildung als Leiteinrichtung 14 gezielt auf die Rotationswuchtscheiben 9 leiten, die als

Mediumverwirbelungselemente 15 ausgebildet sind. Hierdurch wird eine gezielte Beaufschlagung der Mediumverwirbelungselemente 15 erreicht, so dass eine sofortige Verwirbelung des aufgefangenen und auf die

Mediumverwirbelungselemente 15 geleiteten Kühlmediums 1 1 erfolgt, ohne dass dieses erst in den Kühlmittelsumpf 11 gelangen und über die Rotation des

Rotors wieder aufgeschleudert werden müsste. Hierdurch erfolgt eine sehr feine und hochwirksame Verwirbelung und Vernebelung des Kühlmediums 1 1 , das bevorzugt als Kühlschmiermittel 16, insbesondere als öl 17, ausgebildet ist. Hierdurch wird eine Kühleinrichtung 18 für die elektrische Maschine ausgebildet, die als Kühlmediumsumpfeinrichtung 19 ausgebildet ist.

Figur 2 zeigt wiederum die elektrische Maschine 1 mit dem Gehäuse 4 und dem Rotor 6, dem endseitig die als Mediumverwirbelungselemente 15 ausgebildeten Rotorwuchtscheiben 9 drehfest angeschlossen sind. Die elektrische Maschine 1 weist hierbei eine Kühlmediumspritzeinrichtung 20 auf, bei der Kühlmedium 1 1 über Spritzdüsen 21 in das Gehäuse 4 eingespritzt wird, wozu ein Kühlmediumkreislauf 22 mit einem Kühlmediumvorratsbehälter 23 und einer hieraus Kühlmedium 11 fördernden Kühlmediumpumpe 24 vorgesehen ist. Der Kühlmediumpumpe 24 stromabwärts sind die Spritzdüsen 21 nachgeordnet, wobei Kühlmedium 1 1 aus dem Inneren des Gehäuses 4 über eine Ablaufstelle 25 in den Kühlmittelvorratsbehälter 23 zurückgelangt. Die Spritzdüsen 21 beaufschlagen über mehrere Strahlen von Kühlmedium 1 1 oder über einen Kühlmediumsprühfänger 26 die Mediumverwirbelungselemente 15, nämlich die Rotorwuchtscheiben 9. In axialer Verlängerung der Rotorwuchtscheiben 9, im Inneren des Gehäuses 4 angeordnet, bevorzugt am Gehäuse 4 innenseitig gehalten, sind Leiteinrichtungen 14, bevorzugt als Leitbleche 27, vorgesehen, die zumindest einen Teil des Kühlmittelsprühfängers 26 fangen und auf die Mediumverwirbelungselemente 15 leiten, so dass durch diese das eingesprühte Kühlmedium 1 1 unmittelbar der Verwirbelung zugeführt wird.

Figur 3 zeigt eine als Mediumverwirbelungselement 15 ausgebildete Rotorwuchtscheibe 9 für die vorstehend beschriebene elektrische Maschine 1 (hier nicht dargestellt) in perspektivischer Ansicht. Diese weist eine Mittenausnehmung 28 zum Durchtritt der hier nicht dargestellten Rotorwelle 7 auf. An ihrer Stirnseite 29 weist das Mediumverwirbelungselement 15

Verwirbelungsvertiefungen 30 auf, die in Form von randoffenen Ausnehmungen 31 in die Stirnseite 27 eingebracht sind, dergestalt, dass sie von der Mittenausnehmung 28 an radial verlaufend bis hin zur Mantelfläche 32 des Mediumverwirbelungselements 15 verlaufen. Die randoffenen Ausnehmungen 31 sind hierbei als vier gleichmäßig winkelbeabstandete randoffene

Ausnehmungen 31 ausgebildet. Die Verwirbelungsvertiefungen 30 sind dem hier nicht dargestellten Rotor 6 abgewandt und dem hier nicht dargestellten Gehäuse 4 zugewandt.

Figur 4 zeigt eine andere Ausführung des Mediumverwirbelungselements 15, bei der Verwirbelungsvorsprünge 33 in Form von Verwirbelungsbürsten 34 ausgebildet sind. Diese sind bevorzugt als ersetzbare Verwirbelungsbürsten 34 und aus einem anderen Material als das Mediumverwirbelungselement 15 bestehend ausgebildet, so dass sie beispielsweise bei Abnutzung ausgetauscht werden können.

Figur 5 zeigt dasselbe Mediumverwirbelungselement 15 in Ansicht auf dessen Mantelfläche 32, aus der die Verwirbelungsbürsten 34, nämlich die Verwirbelungsvorsprünge 33, hervortreten.

Figur 6 zeigt eine andere Ausführungsform des Mediumverwirbelungselements 15, nämlich der Rotorwuchtscheibe 9, im Querschnitt, wobei Verwirbelungsvertiefungen 30 in Form von randoffenen Ausnehmungen 31 über einen Teilumfang 35 des Mediumverwirbelungselements 15 unter Unterbrechung der durchgehenden Mantelfläche 32 ausgebildet sind.

Figur 7 zeigt dasselbe Mediumverwirbelungselement 15 mit den randoffenen Ausnehmungen 31 als Verwirbelungsvertiefungen 30, die sich über den Teilumfang 35 des Mediumverwirbelungselements 15, nämlich dessen Mantelfläche 32, erstrecken und diametral gegenüberliegend ausgebildet sind.