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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Im Rahmen der Entwicklung von modernen Fahrzeugen kommt es zunehmend zur Elektrifizierung von Antriebssträngen. Ein solcher Antriebsstrang umfasst wenigstens eine elektrische Maschine, mittels welcher das Fahrzeug antreibbar ist. Eine solche elektrische Maschine, die zum Antreiben eines Fahrzeugs dient, wird üblicherweise auch als Traktionsmaschine oder als Traktions-Elektromaschine (TEM) bezeichnet. Die elektrische Maschine ist dabei beispielsweise als Asynchronmaschine ausgebildet.
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Ein solcher Antriebsstrang kommt beispielsweise bei einem Hybrid-Fahrzeug zum Einsatz. Hierbei umfasst der Antriebsstrang zudem eine Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher das Hybrid-Fahrzeug ebenfalls antreibbar ist. Darüber hinaus sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Elektrofahrzeuge bekannt, die mittels wenigstens einer elektrischen Maschine angetrieben werden. Hierbei ist keine Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben des Kraftwagens vorgesehen. Eine Verbrennungskraftmaschine dient beispielsweise lediglich zum Antreiben eines Generators zum Bereitstellen von elektrischem Strom, nicht jedoch zum Antreiben des Fahrzeugs.
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Zur Realisierung einer hohen Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine ist deren hinreichende Kühlung mittels eines Kühlmittels besonders wichtig. Durch eine hinreichende Kühlung kann ein hinreichender Dauerleistungsbetrieb der elektrischen Maschine dargestellt werden. Mit anderen Worten spielt die Kühlung der elektrischen Maschine eine wichtige Rolle, um zu realisieren, dass die elektrische Maschine hohe Leistungen und Drehmomente auch über eine lange Zeitdauer bereitstellen kann.
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Die
DE 10 2012 203 697 A1 offenbart eine elektrische Maschine, welche beispielsweise als Asynchronmaschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator sowie einen Rotor. Der Rotor ist um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar. Darüber hinaus umfasst der Rotor eine Rotorwelle. Die Rotorwelle weist zumindest einen Kanal auf, welcher sich zumindest über einen Längenbereich der Rotorwelle in axialer Richtung dieser erstreckt und von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Mit anderen Worten ist die Rotorwelle zumindest in einem Längenbereich als Hohlwelle ausgebildet, so dass die Rotorwelle in diesem Längenbereich von einem Kühlmittel, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit, durchströmbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders effektive und effiziente Kühlung der elektrischen Maschine realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders effektive und effiziente Kühlung der elektrischen Maschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rotorwelle in ihrer den Kanal der Rotorwelle begrenzenden Mantelfläche wenigstens eine Austrittsöffnung aufweist. Darüber hinaus ist wenigstens ein zumindest teilweise in dem Kanal der Rotorwelle angeordnetes Leitungselement vorgesehen. Das Leitungselement weist zumindest einen schräg oder vorzugsweise senkrecht zur axialen Richtung der Rotorwelle verlaufenden und über wenigstens eine Einströmöffnung mit dem Kanal der Rotorwelle fluidisch verbundenen weiteren Kanal zum Führen von Kühlmittel aus dem ersten Kanal über die Austrittsöffnung an die Umgebung der Rotorwelle auf.
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Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den ersten Kanal der Rotorwelle durchströmendes Kühlmittel, insbesondere Kühlflüssigkeit, aus dem ersten Kanal der Rotorwelle abzuzweigen und mittels des weiteren Kanals des Leitungselements und der Austrittsöffnung der Rotorwelle an die Umgebung dieser, das heißt aus der Rotorwelle herauszuführen. Dadurch, dass das Leitungselement und somit der weitere Kanal zumindest teilweise in dem ersten Kanal der Rotorwelle angeordnet sind, kann den ersten Kanal der Rotorwelle durchströmendes Kühlmittel gezielt und definiert abgezweigt und aus dem ersten Kanal über den weiteren Kanal und die Durchtrittsöffnung aus der Rotorwelle herausgeführt und wenigstens einem zu kühlenden Bauteil der elektrischen Maschine gezielt zugeführt werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es zu einer zumindest im Wesentlichen laminaren Strömung des Kühlmittels in der Rotorwelle beziehungsweise in dem ersten Kanal der Rotorwelle kommt, wenn das Kühlmittel in den ersten Kanal der Rotorwelle eingeleitet, insbesondere hineingepumpt, wird und den ersten Kanal axial durchströmt. Zu der laminaren Strömung kommt es dabei insbesondere aufgrund der axialen Strömungsrichtung des Kühlmittels sowie aufgrund der auf das Kühlmittel wirkenden Fliehkraft, welche wiederum aus der Rotation der sich im Betrieb der elektrischen Maschine drehenden Rotorwelle resultiert. Wäre nun beispielsweise die Austrittsöffnung, jedoch nicht das Leitungselement vorgesehen, so dass das Kühlmittel aus dem ersten Kanal der Rotorwelle über die als Durchgangsöffnung ausgebildete Austrittsöffnung aus der Rotorwelle herausströmen könnte, wobei das Kühlmittel aufgrund der Abwesenheit des Leitungselements nicht durch den weiteren Kanal geführt werden würde, so kann die laminare Strömung des Kühlmittels eine gewünschte Strömung und insbesondere eine gewünschte Verteilung des Kühlmittels beeinträchtigen. Insbesondere kann es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Kühlmittelmenge auf gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Maschine kommen.
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Durch den Einsatz der Austrittsöffnung in Kombination mit dem wenigstens einen Leitungselement ist nun jedoch eine definierte Führung und in der Folge ein definiertes Herausführen des Kühlmittels aus der Rotorwelle realisierbar, so dass beispielsweise eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf gegenüberliegende Seiten beziehungsweise in gegenüberliegenden Endbereichen der elektrischen Maschine darstellbar ist. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Kühlung der elektrischen Maschine, realisiert werden, so dass die elektrische Maschine auch besonders hohe Leistungen über lange Zeitspannen hinweg bereitstellen kann.
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Mittels des Leitungselements ist es nämlich möglich, Kühlmittel aus dem ersten Kanal der Rotorwelle in einem Mittenbereich, das heißt im Bereich der Drehachse der Rotorwelle, abzuzweigen. Durch die Verwendung des Leitungselements und des weiteren Kanals zum Abzweigen des Kühlmittels kann somit der Einfluss der Fliehkraft auf das Kühlmittel beziehungsweise auf die Strömung des Kühlmittels vermieden oder zumindest gering gehalten werden. In der Folge ergeben sich auch Freiheitsgrade hinsichtlich der Konstruktion der Rotorwelle, so dass diese zumindest nahezu beliebig groß, das heißt mit einem zumindest nahezu beliebig großen Durchmesser ausgestaltet werden kann.
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Beispielsweise ist es möglich, mittels der Austrittsöffnung und des Leitungselements auf einer Seite beziehungsweise in einem Endbereich des Stators angeordnete Wickelköpfe des Stators zu kühlen, da die Wickelköpfe gezielt mit dem Kühlmittel beaufschlagt werden können. Somit kann an den Wickelköpfen entstehende Wärme an das Kühlmittel übertragen werden. Im Anschluss daran fließt das Kühlmittel beispielsweise über wenigstens eine Auslassöffnung in einem Gehäuse zurück in einen Kühlkreislauf. Bei dem Kühlmittel handelt es sich vorzugsweise um eine Kühlflüssigkeit, insbesondere um Öl, wodurch eine besonders effektive und effiziente Kühlung realisierbar ist.
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Zur Realisierung einer besonders effektiven und effizienten Kühlung wird als Kühlmittel beispielsweise Getriebeöl, insbesondere eines Handschaltgetriebes, verwendet. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das Kühlmittel mit einem Volumenstrom in einem Bereich von einschließlich 7 bis einschließlich 8 Litern pro Minute gefördert wird beziehungsweise den ersten Kanal der Rotorwelle durchströmt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Leitungselement in der Austrittsöffnung angeordnet und erstreckt sich ausgehend von der Austrittsöffnung zumindest in den ersten Kanal der Rotorwelle hinein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Leitungselement die Austrittsöffnung zumindest überwiegend oder vollständig durchdringt. Hierdurch kann eine exakte und vorteilhafte Führung des Kühlmittels realisiert werden, da das Kühlmittel nicht oder nur sehr geringfügig zwischen dem Leitungselement und der Rotorwelle hindurchströmen kann. Ferner ist dadurch beispielsweise im Vergleich zu einer Anordnung des Leitungselements auf Stoß mit der Rotorwelle eine einfache Herstellung der elektrischen Maschine, insbesondere eine einfache Montage des Leitungselements an der Rotorwelle, darstellbar. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass das Leitungselement über seine Anordnung in der Austrittsöffnung mit der Rotorwelle verbunden, das heißt an dieser gehalten ist.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Einströmöffnung des Leitungselements, über welche Kühlmittel aus dem ersten Kanal in den weiteren Kanal einströmen kann, auf der Drehachse, das heißt auf Höhe der Drehachse der Rotorwelle angeordnet ist. Hierdurch kann der Einfluss der Fliehkraft auf die Führung des Kühlmittels sowie der Einfluss von weiteren Parametern auf die Führung und insbesondere auf die Verteilung des Kühlmittels vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Rotorwelle in ihrer den Kanal begrenzenden Mantelfläche wenigstens eine zweite Austrittsöffnung aufweist, wobei sich das Leitungselement zumindest von der ersten Austrittsöffnung bis zu der zweiten Austrittsöffnung erstreckt. Ferner ist der weitere Kanal zum Führen von Kühlmittel aus dem ersten Kanal über die Austrittsöffnungen an die Umgebung der Rotorwelle ausgebildet. Mit anderen Worten kann Kühlmittel aus dem ersten Kanal über die Einströmöffnung in den weiteren Kanal des Leitungselements einströmen und über den weiteren Kanal und die wenigstens zwei Austrittsöffnungen aus der Rotorwelle herausgeführt werden. Hierdurch kann eine besonders effektive Kühlung der elektrischen Maschine realisiert werden, da dem wenigstens einen Bauteil, insbesondere den Wickelköpfen der elektrischen Maschine, Kühlmittel aus der Rotorwelle nicht nur über die erste Austrittsöffnung, sondern auch über die zweite Austrittsöffnung zugeführt werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Austrittsöffnung auf einer ersten Seite der Rotorwelle und die zweite Austrittsöffnung auf einer der ersten Seite in radialer Richtung der Rotorwelle gegenüberliegenden, zweiten Seite der Rotorwelle angeordnet. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Versorgung des wenigstens einen zu kühlenden Bauteils realisiert werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Geometrie des Leitungselements besonders einfach auszugestalten.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die zweite Austrittsöffnung in radialer Richtung der Rotorwelle der ersten Austrittsöffnung gegenüberliegend angeordnet ist. Hierdurch können die Austrittsöffnungen besonders einfach gefertigt werden. Beispielsweise können die Austrittsöffnungen als Bohrungen hergestellt werden. Darüber hinaus kann dadurch das zu kühlende Bauteil bei mehrmaligen, vollständigen Umdrehungen der Rotorwelle über beide Austrittsöffnungen im gleichen Bereich mit dem Kühlmittel versorgt werden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Leitungselement zumindest von der ersten Austrittsöffnung zur zweiten Austrittsöffnung gerade beziehungsweise geradlinig erstreckt. Hierbei ist das Leitungselement beispielsweise als gerade Hülse ausgebildet. Dadurch können die Kosten der elektrischen Maschine besonders gering gehalten werden. Gleichzeitig können besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen für das in dem weiteren Kanal des Leitungselements strömende Kühlmittel dargestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Einströmöffnung in einer den weiteren Kanal begrenzenden Mantelfläche des Leitungselements vorgesehen.
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Dadurch kann das den ersten Kanal der Rotorwelle durchströmende Kühlmittel besonders vorteilhaft abgezweigt und in den weiteren Kanal eingeleitet werden, insbesondere dann, wenn das Leitungselement in beiden Austrittsöffnungen angeordnet ist und sich von der ersten Austrittsöffnung bis zu der zweiten Austrittsöffnung und insbesondere in diese hinein erstreckt. Dann kann das Kühlmittel aus der Rotorwelle über die in der Mantelfläche vorgesehene Einströmöffnung in den weiteren Kanal einströmen und beispielsweise beidenends stirnseitig aus dem Leitungselement ausströmen.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Leitungselement als separat von der Rotorwelle ausgebildetes und an dieser gehaltenes Bauteil ausgebildet ist. Hierdurch können die Rotorwelle und das Leitungselement einfach und kostengünstig hergestellt werden. Darüber hinaus kann das Leitungselement besonders einfach an der Rotorwelle befestigt werden.
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Zur Befestigung des Leitungselements an der Rotorwelle ist es beispielsweise vorgesehen, dass das Leitungselement mit einer Passung, insbesondere einer Presspassung, in der wenigstens einen Austrittsöffnung der Rotorwelle angeordnet ist. Dadurch ist das Leitungselement besonders fest an der Rotorwelle fixiert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht einer elektrischen Maschine, mit einem Stator und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor, welcher eine Rotorwelle umfasst, die einen sich zumindest über einen Längenbereich der Rotorwelle in axialer Richtung dieser erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kanal sowie wenigstens eine Austrittsöffnung aufweist, die einerseits in den Kanal und andererseits an die Umgebung der Rotorwelle mündet, wobei 1 zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung dient;
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2 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht einer elektrischen Maschine, mit einem Stator und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor, welcher eine Rotorwelle umfasst, die einen sich zumindest über einen Längenbereich der Rotorwelle in axialer Richtung dieser erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kanal aufweist, wobei die Rotorwelle in ihrer den Kanal begrenzenden Mantelfläche wenigstens eine Austrittsöffnung aufweist, und wobei wenigstens ein zumindest teilweise in dem Kanal angeordnetes Leitungselement vorgesehen ist, welches zumindest einen schräg oder senkrecht zur axialen Richtung der Rotorwelle verlaufenden und über wenigstens eine Einströmöffnung mit dem Kanal der Rotorwelle fluidisch verbundenen weiteren Kanal zum Führen von Kühlmittel aus dem ersten Kanal über die Austrittsöffnung an die Umgebung der Rotorwelle aufweist;
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine gemäß 2;
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4 eine schematische Perspektivansicht des Leitungselements, welches als Hülse ausgebildet ist;
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5 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements;
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6 eine schematische Längsschnittansicht des Leitungselements entlang einer in 5 gezeigten Schnittlinie B-B; und
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7 eine schematische Längsschnittansicht durch den Rotor mit der Rotorwelle gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Längsschnittansicht eine elektrische Maschine 10 in Form einer Asynchronmaschine. Die elektrische Maschine 10 wird beispielsweise in einem Antriebsstrang eines als Hybrid-Fahrzeug oder vorzugsweise als Elektrofahrzeug ausgebildeten Kraftwagens verwendet, wobei der Kraftwagen mittels der elektrischen Maschine 10 antreibbar ist. Die elektrische Maschine 10 wird daher auch als Traktionsmaschine oder als Traktions-Elektromaschine (TEM) bezeichnet. Die elektrische Maschine 10 weist beispielsweise eine Leistung von 35 Kilowatt und einen Drehmoment von 60 Newtonmetern auf. Als äußere Dimensionen weist die elektrische Maschine 10 einen Außendurchmesser von 160 Millimetern und eine Länge von 140 Millimetern auf.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst ein Gehäuse 12, durch welches ein Aufnahmeraum 14 begrenzt ist. In dem Aufnahmeraum 14 ist eine Mehrzahl von Komponenten der elektrischen Maschine 10 angeordnet.
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Bei einer dieser Komponenten handelt es sich um einen im Ganzen mit 16 bezeichneten Stator der elektrischen Maschine 10. Der Stator 16 umfasst Wickelköpfe 18, 20. Die Wickelköpfe 18, 20 sind auf jeweiligen Stirnseiten beziehungsweise in jeweiligen Endbereichen des Stators 16 angeordnet. Der Wickelkopf 18 ist auf einer sogenannten B-Seite der elektrischen Maschine 10 angeordnet, wobei der Wickelkopf 20 auf einer sogenannten A-Seite der elektrischen Maschine 10 angeordnet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass die A-Seite der B-Seite abgewandt ist. Der Stator 16 umfasst auch in 1 besonders schematisch dargestellte Wicklungen 22, welche an den Wickelköpfen 18, 20 gehalten beziehungsweise um diese gewickelt sind.
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Die elektrische Maschine 10 umfasst auch einen im Ganzen mit 24 bezeichneten Rotor. Der Rotor 24 ist um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse 12 und relativ zu dem Stator 16 drehbar und umfasst eine um die Drehachse drehbare Rotorwelle 26. Darüber hinaus umfasst der Rotor 24 ein Rotorelement 28, welches auf der Rotorwelle 26 angeordnet und mit dieser drehbar verbunden ist. Somit ist auch das Rotorelement 28 um die Drehachse relativ zum Stator 16 drehbar.
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Der Rotor 24 ist vorzugsweise als Kurzschlussläufer ausgebildet. Hierbei umfasst das Rotorelement 28 ein Blechpaket 30, an welchem in 1 nicht erkennbare Leiterstäbe fixiert sind. Die Leiterstäbe sind beispielsweise zumindest teilweise in das Blechpaket 30 eingebettet. Üblicherweise werden die Leiterstäbe auch als Läuferstäbe bezeichnet.
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Ferner umfasst das Rotorelement 28 Kurzschlussringe 32, 34. Aus 1 ist erkennbar, dass der Kurzschlussring 32 auf der B-Seite angeordnet ist, während der Kurzschlussring 34 auf der A-Seite angeordnet ist. Über die Kurzschlussringe 32, 34 sind die Leiterstäbe gegenseitig kurzgeschlossen, wodurch ein Kurzschlusskäfig des Rotorelements 28, insbesondere des Kurzschlussläufers, gebildet ist.
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Aus 1 ist ferner erkennbar, dass der Kurzschlussring 34 in radialer Richtung des Rotors 24, insbesondere der Rotorwelle 26, nach außen hin durch den Wickelkopf 20 überdeckt ist. Darüber hinaus ist der auf der B-Seite angeordnete Kurzschlussring 32 in radialer Richtung nach außen hin durch den Wickelkopf 18 überdeckt. Die Rotorwelle 26 ist zumindest in einem Längenbereich als Hohlwelle ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Rotorwelle 26 zumindest in dem Längenbereich einen ersten Kanal 36 aufweist, welcher sich in axialer Richtung der Rotorwelle 26 in dieser erstreckt.
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Der erste Kanal 36 ist von einem Kühlmittel in Form von Öl durchströmbar. Im Betrieb der elektrischen Maschine 10 wird das Öl beispielsweise mittels wenigstens einer Pumpe gefördert und über eine stirnseitige und als Durchgangsöffnung ausgebildete Eintrittsöffnung 38 der Rotorwelle 26 in den Kanal 36 hineingepumpt. Aus 1 ist erkennbar, dass die Rotorwelle 26 auf einer der Eintrittsöffnung 38 gegenüberliegenden Stirnseite 40 geschlossen ausgebildet ist. Die Strömung des Öls in den ersten Kanal 36 hinein und durch diesen hindurch ist in 1 durch Richtungspfeile 42 veranschaulicht.
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Die Rotorwelle 26 weist darüber hinaus in ihrer den ersten Kanal 36 in radialer Richtung begrenzenden Mantelfläche 44 Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 auf, die als Durchgangsöffnungen ausgebildet sind. Somit durchdringen die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 die Mantelfläche 44, das heißt eine den ersten Kanal 36 in radialer Richtung der Rotorwelle 26 begrenzende Wandung der Rotorwelle 26 vollständig. Die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 münden somit einerseits in den ersten Kanal 36 und andererseits an die Umgebung der Rotorwelle 26.
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Aus 1 ist erkennbar, dass die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 bezogen auf das Blechpaket 30 überdeckungsfrei angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Austrittsöffnungen 46, 48 in radialer Richtung nach außen nicht durch das Blechpaket 30 überdeckt sind.
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Da die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 die Mantelfläche 44 vollständig durchdringen, kann das den ersten Kanal 36 durchströmende Öl über die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 aus der Rotorwelle 26 heraustreten und somit an die Umgebung der Rotorwelle 26 strömen. Dieses Ausströmen des Öls aus dem ersten Kanal 36 an die Umgebung der Rotorwelle 26 ist in 1 durch Richtungspfeile 50 veranschaulicht. Mittels des Öls kann die Rotorwelle 26 selbst gekühlt werden. Insbesondere ist es möglich, mittels des Öls das Blechpaket 30 infolge eines Wärmeübergangs von dem Blechpaket 30 an die Rotorwelle 26 und weiter an das den ersten Kanal 36 durchströmende Öl zu kühlen. Darüber hinaus können – wie durch die Richtungspfeile 50 veranschaulicht ist – die Wickelköpfe 18, 20 mit dem aus den Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 ausströmenden Öl beaufschlagt und dadurch gekühlt werden. Nach dem Kühlen der Wickelköpfe 18, 20 kann das Öl beispielsweise über wenigstens eine Ausströmöffnung des Gehäuses 12 aus diesem ausströmen und beispielsweise zur Pumpe zurückströmen, so dass ein Kühlkreislauf geschlossen ist.
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Wie aus 1 erkennbar ist, sind die Austrittsöffnungen 48, 49 auf der B-Seite angeordnet, so dass die Austrittsöffnungen 48, 49 dem Wickelkopf 18 zugeordnet sind. Mittels des die Austrittsöffnungen 48, 49 durchströmenden Öls kann somit der Wickelkopf 18 gekühlt werden. Die Austrittsöffnungen 46, 47 hingegen sind auf der A-Seite angeordnet und somit dem Wickelkopf 20 zugeordnet, so dass mittels des die Austrittsöffnungen 46, 47 durchströmenden Öls der Wickelkopf 20 gekühlt werden kann.
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Die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 erstrecken sich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung. Darüber hinaus sind die Austrittsöffnungen 46, 48 auf einer ersten Seite 52 der Rotorwelle 26 angeordnet. Die Austrittsöffnungen 47, 49 sind auf einer zweiten Seite 54 der Rotorwelle 26 angeordnet. Die zweite Seite 54 liegt dabei in radialer Richtung gegenüber der ersten Seite 52. Darüber hinaus ist die Austrittsöffnung 47 in radialer Richtung gegenüber der Austrittsöffnung 46 angeordnet, wobei die Austrittsöffnung 49 in radialer Richtung gegenüber der Austrittsöffnung 48 angeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Austrittsöffnungen 46, 47 in radialer Richtung der Rotorwelle 26 in gegenseitiger Überdeckung angeordnet. Analog dazu sind auch die Austrittsöffnungen 48, 49 in radialer Richtung der Rotorwelle 26 in gegenseitiger Überdeckung angeordnet.
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Wie durch die Richtungspfeile 42 angedeutet ist, strömt das Öl zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung durch den ersten Kanal 36. Ferner dreht sich der Rotor 24 im Betrieb der elektrischen Maschine 10, so dass auf das den ersten Kanal 36 durchströmende Öl eine Fliehkraft wirkt. Es wurde gefunden, dass es durch diese Fliehkraft und die axiale Strömungsrichtung des Öls zu einer zumindest im Wesentlichen laminaren Strömung des Öls in der Rotorwelle 26 kommt. Dadurch kann es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Ölmenge auf der A-Seite und der B-Seite kommen. Diese ungleichmäßige, schlechte Verteilung der Ölmenge kann die Leistung und insbesondere die darstellbare Dauerleistung der elektrischen Maschine 10 beeinträchtigen.
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Um nun eine effiziente und effektive Kühlung der elektrischen Maschine 10 zu realisieren, so dass diese hohe Leistungen auch über eine lange Zeitspanne hinweg bereitstellen kann, werden – wie aus 2 bis 7 erkennbar ist – eigensteife Leitungselemente in Form von eigensteifen Röhrchen 56, 58 verwendet. Die Röhrchen 56, 58 sind gleich ausgebildet und anhand von 4 bis 6 am Beispiel des Röhrchens 56 näher veranschaulicht. Das zuvor und im Folgenden zum Röhrchen 56 Geschilderte kann somit ohne weiteres auch auf das andere Röhrchen 58 übertragen werden und umgekehrt.
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Das jeweilige Röhrchen 56, 58 ist hülsenartig ausgebildet und weist einen weiteren Kanal 60 auf, was insbesondere aus 6 zu erkennen ist. Das Röhrchen 56 ist teilweise in dem ersten Kanal 36 der Rotorwelle 26, teilweise in der Austrittsöffnung 46 und teilweise in der Austrittsöffnung 47 angeordnet, weist eine gerade beziehungsweise geradlinige Erstreckung auf und erstreckt sich ausgehend von der Austrittsöffnung 46 in den ersten Kanal 36 hinein bis zur Austrittsöffnung 47. Beispielsweise ist die jeweilige Austrittsöffnung 46, 47 vollständig von dem Röhrchen 56 durchdrungen, so dass das Röhrchen 56 zumindest im Wesentlichen bündig mit einer außenumfangsseitigen Oberfläche der Mantelfläche 44 angeordnet ist.
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Analoges trifft auf das Röhrchen 58 zu. Das Röhrchen 58 ist teilweise im ersten Kanal 36, teilweise in der Austrittsöffnung 48 und teilweise in der Austrittsöffnung 49 angeordnet, weist eine gerade beziehungsweise geradlinige Erstreckung auf und erstreckt sich ausgehend von der Austrittsöffnung 48 in den erste Kanal 36 hinein bis zur Austrittsöffnung 49. Das Röhrchen 56 ist beispielsweise mit einer Presspassung in der Austrittsöffnung 46 und/oder in der Austrittsöffnung 47 angeordnet, so dass das Röhrchen 56 über diese Presspassung an der Rotorwelle 26 fixiert ist. Somit ist eine kraftschlüssige Befestigung des Röhrchens 56 an der Rotorwelle 26 vorgesehen. Entsprechend dazu kann auch das Röhrchen 58 mit einer Presspassung in der Austrittsöffnung 48 und/oder der Austrittsöffnung 49 angeordnet sein, so dass das Röhrchen 58 über diese Presspassung an der Rotorwelle 26 gehalten ist. Somit ist auch das Röhrchen 58 kraftschlüssig mit der Rotorwelle 26 verbunden.
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Das jeweilige Röhrchen 56, 58 weist wenigstens eine als Durchgangsöffnung ausgebildete Einströmöffnung 62 auf, über die der jeweilige weitere Kanal 60 mit dem ersten Kanal 36 fluidisch verbunden ist. Dadurch kann den ersten Kanal 36 durchströmendes Öl über die jeweilige Einströmöffnung 62 in den jeweiligen weiteren Kanal 60 einströmen, wobei der jeweilige weitere Kanal 60 – wie in 2 durch Richtungspfeile 64 angedeutet ist – zum Führen des Öls aus dem ersten Kanal 36 über die jeweiligen Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 an die Umgebung der Rotorwelle 26 ausgebildet ist.
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Die jeweilige Einströmöffnung 62 ist in einer jeweiligen, den jeweiligen weiteren Kanal 60 begrenzenden Mantelfläche 66 des jeweiligen Röhrchens 56, 58 vorgesehen. Dadurch kann das den ersten Kanal 36 durchströmende Öl in axialer Richtung der Rotorwelle 26 die Einströmöffnung 62 durch- und in den Kanal 60 einströmen. Durch das jeweilige Röhrchen 56, 58 wird das in den Kanal 60 eingeströmte Öl in die radiale Richtung der Rotorwelle 26 umgelenkt, so dass das den jeweiligen Kanal 60 durchströmende Öl in radialer Richtung durch die jeweiligen Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 durchströmen und an die Umgebung der Rotorwelle 26 in den Aufnahmeraum 14 strömen kann.
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Hierzu weist das jeweilige Röhrchen 56, 58 – wie besonders gut aus 6 erkennbar ist – auf seinen jeweiligen Stirnseiten 68, 70 Ausströmöffnungen 72 auf. Über die Ausströmöffnungen 72 kann das den Kanal 60 durchströmende Öl aus dem jeweiligen Röhrchen 56, 58 und somit aus der Rotorwelle 26 in radialer Richtung dieser ausströmen. Wie anhand der Richtungspfeile 64 erkennbar ist, kann das in radialer Richtung aus dem jeweiligen Röhrchen 56, 58 ausströmende Öl die Wickelköpfe 18, 20 an- und umströmen, so dass die Wickelköpfe 18, 20 wie bei 1 gekühlt werden können. Im Unterschied zu 1 jedoch ist es bei der elektrischen Maschine 10 gemäß 2 bis 7 mittels der Röhrchen 56, 58 ermöglicht, dass die axiale Strömung und die Fliehkraft auf die Verteilung des Öls keinen oder nur noch einen sehr geringen Einfluss haben. Mittels der Röhrchen 56, 58 kann nämlich das Öl aus dem Kanal 36 gezielt abgezweigt, umgelenkt und an die Umgebung der Rotorwelle 26 geführt werden.
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Mit anderen Worten hat insbesondere die Fliehkraft aufgrund der Verwendung der hohlen Röhrchen 56, 58 keinen Einfluss auf die Verteilung des Öls, da das Öl nur dann aus der Rotorwelle 26 beziehungsweise aus dem ersten Kanal 36 an die Umgebung der Rotorwelle 26 ablaufen kann, wenn die Rotorwelle 26 beziehungsweise ihr erster Kanal 36 vollständig mit dem Öl gefüllt ist.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Röhrchen 56, 58 aus einem ersten Werkstoff und die Rotorwelle 26 aus einem zweiten Werkstoff gebildet sind, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff vorzugsweise den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei kann der erste Werkstoff dem zweiten Werkstoff entsprechen. Hierdurch kann eine sichere Fixierung der Röhrchen 56, 58 an der Rotorwelle 26 gewährleistet werden. Die Rotorwelle 26 und/oder das jeweilige Röhrchen 56, 58 sind vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Ferner ist eine hinreichend große Dimensionierung der Einströmöffnung 62, des weiteren Kanals 60 und der Ausströmöffnungen 72 vorteilhaft, so dass diese nicht durch in dem Öl etwaig enthaltene Partikel verstopft werden und/oder dass die Entstehung eines übermäßigen Drucks in der Rotorwelle 26 vermieden werden kann. Darüber hinaus ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Rotorwelle 26 und insbesondere die Röhrchen 56, 58 aus einem Material gebildet sind, das bis 200 Grad Celsius temperaturbeständig ist.
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Aus 3 ist besonders gut zu erkennen, dass sich der jeweilige weitere Kanal 60 zwischen den jeweils korrespondierenden Austrittsöffnungen 46, 47 beziehungsweise 48, 49 geradlinig in radialer Richtung der Rotorwelle 26 erstreckt.
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Das jeweilige Röhrchen 56, 58 ist als separat von der Rotorwelle 26 ausgebildetes und an dieser gehaltenes Bauteil ausgebildet, wobei die Halterung des jeweiligen Röhrchens 56, 58 an der Rotorwelle 26 beispielsweise über die genannte Presspassung erfolgt.
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Das Rotorelement 28 ist beispielsweise auf die Rotorwelle 26 aufgepresst und befindet sich in Kontakt mit der Rotorwelle 26, so dass infolge eines Wärmeübergangs vom Rotorelement 28 auf die Rotorwelle 26 und weiter auf das den ersten Kanal 36 durchströmende Öl auch das Rotorelement 28 gekühlt werden kann.
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Der Stator 16, insbesondere die Wickelköpfe 18, 20, hingegen werden durch Spritzöl gekühlt, welches auf die geschilderte Weise aus dem ersten Kanal 36 über die jeweilige Einströmöffnung 62, den jeweiligen Kanal 60, die jeweiligen Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 und die jeweiligen Ausströmöffnungen 72 austritt.
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Mittels der Röhrchen 56, 58 können die Wickelköpfe 18, 20 besonders gut gekühlt werden, und zwar dadurch, dass das Öl besonders gleichmäßig auf die A-Seite und die B-Seite verteilt wird. Dadurch können die Wickelköpfe 18, 20 mit zumindest im Wesentlichen gleichen Ölmengen und somit hinreichend mit Öl versorgt und gekühlt werden.
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Vorzugsweise ist ein Volumenstrom des Öls vorgesehen, welcher in einem Bereich von einschließlich 7 Litern pro Minute bis einschließlich 8 Litern pro Minute liegt. Durch die gleichmäßige Verteilung des Öls auf die A-Seite und die B-Seite kann eine besonders hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 10 realisiert werden, so dass die elektrische Maschine 10 hohe Leistungen auch über lange Zeitspannen hinweg bereitstellen kann. Dadurch kann die elektrische Maschine 10 besonders vorteilhaft als Traktionsmaschine für ein Hybrid-Fahrzeug oder insbesondere ein Elektrofahrzeug verwendet werden.
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Die Einströmöffnungen 62 sind dabei auf der Drehachse der Rotorwelle 26 angeordnet. Dadurch kann das den ersten Kanal 36 durchströmende Öl im Bereich der Drehachse und somit aus einem Mittenbereich der Rotorwelle 26 aus dem ersten Kanal 36 abgezweigt und zu den Wickelköpfen 18, 20 geleitet werden. Dadurch kann der Einfluss der Fliehkraft sowie der Einfluss von anderweitigen Parametern auf die Ölverteilung vermieden oder gering gehalten werden. Ferner kann der Einfluss von unterschiedlichen und/oder wechselnden Randbedingungen auf die Ölverteilung vermieden oder gering gehalten werden. Mit anderen Worten ist es möglich, trotz unterschiedlicher Drehzahlen des Rotors 24 im Betrieb der elektrischen Maschine 10 und somit trotz unterschiedlicher, aus den unterschiedlichen Drehzahlen resultierenden Fliehkräften und trotz abwechselnder und unterschiedlicher Strömungen des Öls in der Rotorwelle 26 eine gleichmäßige Ölverteilung auf die A-Seite und die B-Seite sicherzustellen.
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7 zeigt den Rotor 24 mit der Rotorwelle 26 und dem Rotorelement 28 gemäß einer zweiten Ausführungsform. In 7 sind insbesondere die Austrittsöffnungen 46, 47 der Rotorwelle 26 erkennbar. Die Röhrchen 56, 58 sind in 7 nicht dargestellt. Ferner ist aus 7 die mit 74 bezeichnete Drehachse des Rotors 24 erkennbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Aufnahmeraum
- 16
- Stator
- 18
- Wickelkopf
- 20
- Wickelkopf
- 22
- Wicklungen
- 24
- Rotor
- 26
- Rotorwelle
- 28
- Rotorelement
- 30
- Blechpaket
- 32
- Kurzschlussring
- 34
- Kurzschlussring
- 36
- erster Kanal
- 38
- Eintrittsöffnung
- 40
- Stirnseite
- 42
- Richtungspfeile
- 44
- Mantelfläche
- 46
- Austrittsöffnung
- 47
- Austrittsöffnung
- 48
- Austrittsöffnung
- 49
- Austrittsöffnung
- 50
- Richtungspfeil
- 52
- erste Seite
- 54
- zweite Seite
- 56
- Röhrchen
- 58
- Röhrchen
- 60
- weiterer Kanal
- 62
- Einströmöffnung
- 64
- Richtungspfeil
- 66
- Mantelfläche
- 68
- Stirnseite
- 70
- Stirnseite
- 72
- Ausströmöffnung
- 74
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012203697 A1 [0005]
