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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche elektrische Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2014 218 453 A1 als bekannt zu entnehmen. Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf, welcher um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar ist. Dabei ist beispielsweise der Rotor mittels des Stators antreibbar. Ferner ist der Rotor mit einer Kühlflüssigkeit versorgbar, welche beispielsweise als ein Öl ausgebildet ist und genutzt wird, um zumindest einen Teilbereich der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors, zu kühlen.
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Außerdem weist die elektrische Maschine eine mit dem Rotor mitdrehbare Führungseinrichtung auf, mittels welcher zumindest ein Teil der Kühlflüssigkeit, der während eines Betriebs der elektrischen Maschine fliehkraftbedingt in radialer Richtung des Rotors nach außen strömt, geführt und verteilt werden kann. Während des genannten Betriebs der elektrischen Maschine dreht sich der Rotor um die Drehachse relativ zum Stator. Ferner wird dabei der Rotor mit der Kühlflüssigkeit versorgt, sodass auf die Kühlflüssigkeit Fliehkräfte wirken. Die Fliehkräfte sind in radialer Richtung der elektrischen Maschine nach außen gerichtet und bewirken somit eine Strömung zumindest des genannten Teils der Hydraulikflüssigkeit in radialer Richtung nach außen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte 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 Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders vorteilhafte Kühlung der elektrischen Maschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Führungseinrichtung eine Mehrzahl von zumindest in Umfangsrichtung des Rotors voneinander getrennten, radialen Taschen aufweist, mittels welchen zumindest der genannte Teil der Kühlflüssigkeit, der fliehkraftbedingt in radialer Richtung des Rotors beziehungsweise der elektrischen Maschine insgesamt nach außen strömt, aufgefangen und zwischengespeichert, das heißt vorübergehend gespeichert werden kann. Außerdem weist die Führungseinrichtung jeweilige, den Taschen zugeordnete Abführöffnungen auf, über welche Wicklungen des Stators, die auf in axialer Richtung der elektrischen Maschine beziehungsweise des Stators gegenüberliegenden Seiten, insbesondere des Stators, angeordnet sind, mit der Kühlflüssigkeit aus den Taschen versorgbar sind.
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Die Taschen sind beispielsweise jeweilige Ausnehmungen, deren jeweilige Böden beispielsweise in radialer Richtung nach außen hin gegenüber jeweiligen, sich in Umfangsrichtung des Rotors an die jeweiligen Taschen anschließenden beziehungsweise zwischen den jeweiligen Taschen angeordneten Teilbereichen, insbesondere der Führungseinrichtung, zurückversetzt sind, sodass die fliehkraftbedingt in radialer Richtung nach außen strömende Hydraulikflüssigkeit besonders vorteilhaft in den Taschen aufgefangen werden kann, insbesondere derart, dass sich zunächst eine hinreichend große Menge an Hydraulikflüssigkeit in der jeweiligen Tasche sammelt. Mittels der beispielsweise als Durchgangsöffnungen und/oder Bohrungen ausgebildeten Abführöffnungen lassen sich dann jeweilige Volumenströme der Kühlflüssigkeit aus den Taschen zu den auf den gegenüberliegenden Seiten angeordneten Wicklungen des Stators gezielt einstellen, wobei beispielsweise die zunächst in den Taschen aufgenommene Hydraulikflüssigkeit mit Hilfe der Abführöffnungen in einem festlegbaren beziehungsweise festgelegten Verhältnis auf die auf den gegenüberliegenden Seiten angeordneten Wicklungen aufgeteilt und diesen zugeführt werden kann. Dadurch kann eine gezielte und definierte Kühlung der Wicklungen, insbesondere von durch die Wicklungen gebildeten Wickelköpfen, realisiert werden. Das Verhältnis, mit welchem die mittels der Taschen aufgefangene Hydraulikflüssigkeit auf die jeweiligen Wicklungen aufgeteilt wird, kann beispielsweise durch einen jeweiligen, von der Hydraulikflüssigkeit aus der jeweiligen Tasche durchströmbaren Strömungsquerschnitt der jeweiligen Abführöffnung bedarfsgerecht eingestellt beziehungsweise festgelegt werden. Insbesondere wird das genannte Verhältnis beziehungsweise die Aufteilung der Hydraulikflüssigkeit auf die auf den aufeinander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Wicklungen so festgelegt beziehungsweise so gewählt, dass beispielsweise erste der Wicklungen beziehungsweise erste der Wickelköpfe, die auf einer ersten der Seiten angeordnet sind, und zweite der Wicklungen beziehungsweise zweite der Wickelköpfe die auf der zweiten Seite angeordnet sind, die gleiche Kühlleistung erfahren. Dadurch kann eine zumindest im Wesentlichen homogene beziehungsweise gleichmäßige Kühlung der elektrischen Maschine realisiert werden, sodass beispielsweise eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige beziehungsweise homogene Temperatur beziehungsweise Temperaturverteilung in der elektrischen Maschine realisiert werden kann.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass die elektrische Maschine während ihres Betriebs durch unterschiedliche, insbesondere externe Wärmequellen sowie durch Verlustleistungen der elektrischen Maschine selbst erwärmt wird. Bei einer der externen Wärmequellen handelt es sich beispielsweise um eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, welches mittels der Verbrennungskraftmaschine und/oder mittels der elektrischen Maschine, insbesondere in einem Motorbetrieb der elektrischen Maschine, antreibbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei einer der externen Wärmequellen um einen Wandler, das heißt um einen hydrodynamischen Drehmomentwandler und/oder um eine andere Komponente, insbesondere des Kraftfahrzeugs, handeln. Steigt beispielsweise eine Temperatur der elektrischen Maschine derart an, dass die Temperatur wenigstens einen Schwellenwert überschreitet, so kann üblicherweise einer weiteren Erwärmung der elektrischen Maschine nur durch eine Leistungsreduzierung der elektrischen Maschine und/oder durch eine starke Kühlung der elektrischen Maschine entgegengewirkt werden, um die elektrische Maschine vor Schädigung zu schützen. Die Leistungsreduzierung wird auch als Derating bezeichnet. Thermisch hoch belastete Bauteile sind dabei die Wicklungen beziehungsweise durch die Wicklungen gebildete Wickelköpfe des Stators.
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Üblicherweise erfolgt eine Kühlung des Rotors und des Stators, insbesondere der Wickelköpfe des Stators, durch eine interne Zuführung von Kühlflüssigkeit, die beispielsweise als ein Öl ausgebildet ist. Die Zuführung erfolgt beispielsweise über eine Drehdurchführung. Die Kühlflüssigkeit durchströmt üblicherweise zunächst den Rotor und verlässt diesen dann fliehkraftbedingt in radialer Richtung nach außen in Richtung des Stators. Dabei ist herkömmlicherweise eine genaue Aufteilung der Kühlflüssigkeit auf die auf den gegenüberliegenden Seiten angeordneten Wicklungen beziehungsweise Wickelköpfe des Stators aufgrund von Sogwirkungen und Verwirbelungen nicht eindeutig sichergestellt, wodurch der Stator nur ungleichmäßig gekühlt wird. Dies führt üblicherweise dazu, dass die Leistungsreduzierung zu einem frühen Zeitpunkt während des Betriebs erfolgen muss.
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Dies kann nun mittels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vermieden werden, da sich durch die gezielte und definierte Aufteilung der mittels der Taschen aufgefangenen Kühlflüssigkeit auf die auf den gegenüberliegenden Seiten angeordneten Wicklungen eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige beziehungsweise homogene Temperaturverteilung infolge einer besonders effektiven Kühlung realisieren lässt.
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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 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug;
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2 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine; und
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3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der elektrischen Maschine.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen jeweils ausschnittsweise in einer schematischen Längsschnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, welches beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 10 kommt dabei beispielsweise in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zum Einsatz, welches mittels des Antriebsstrangs antreibbar ist. Somit ist das Kraftfahrzeug beispielsweise mittels der elektrischen Maschine 10 antreibbar. Optional kann der Antriebsstrang wenigstens eine Verbrennungskraftmaschine umfassen, mittels welcher das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Das Kraftfahrzeug ist somit beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet.
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Die elektrische Maschine 10 ist beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar, mittels welchem das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine 10 in einem Generatorbetrieb und somit als Generator betreibbar ist. Im Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 10 beispielsweise von Rädern und somit mittels kinetischer Energie des sich bewegenden Kraftfahrzeugs angetrieben, wodurch mittels des Generators zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs in von dem Generator bereitgestellte elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die von dem Generator bereitgestellte elektrische Energie kann beispielsweise wenigstens einem Verbraucher des Kraftfahrzeugs und/oder einem Energiespeicher zugeführt werden, in welchem die elektrische Energie gespeichert werden kann. Der Antriebsstrang umfasst beispielsweise ein Getriebe, von welchem in 1 und 2 ausschnittsweise ein Getriebegehäuse 12 erkennbar ist. Die elektrische Maschine 10 ist dabei beispielsweise in dem Getriebegehäuse 12, insbesondere in einer Glocke des Getriebegehäuses 12, aufgenommen.
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Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die elektrische Maschine 10 einen Stator 15 und einen Rotor 17 aufweist, welcher um eine Drehachse relativ zu dem Stator 15 drehbar und mittels des Stators 15 antreibbar ist. Durch Antreiben des Rotors 17 wird der Rotor 17 um die Drehachse relativ zu dem Stator 15 und relativ zu dem Getriebegehäuse 12 gedreht. Dabei ist der Rotor 17 mit einer Kühlflüssigkeit versorgbar, welche beispielsweise als ein Öl ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 10 ist somit mit einer Ölkühlung ausgestattet, sodass zumindest ein Teilbereich der elektrischen Maschine 10 mittels der Kühlflüssigkeit gekühlt werden kann.
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In Zusammenschau mit 3 ist besonders gut erkennbar, dass die elektrische Maschine 10 darüber hinaus eine mit dem Rotor 17 um die Drehachse relativ zu dem Stator 15 mitdrehbare Führungseinrichtung 20 aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil der Kühlflüssigkeit, der während eines Betriebs der elektrischen Maschine 10 fliehkraftbedingt in radialer Richtung des Rotors 17 beziehungsweise die elektrische Maschine 10 insgesamt nach außen strömt, geführt und verteilt werden kann beziehungsweise wird. Während des genannten Betriebs der elektrischen Maschine 10 wird der Rotor 17 mittels des Stators 15 angetrieben, wodurch der Rotor 17 um die Drehachse relativ zu dem Stator 15 gedreht wird. Ferner wird dabei der Rotor 17 mit der Kühlflüssigkeit versorgt. Durch die Drehung des Rotors 17 wirken auf die Kühlflüssigkeit Fliehkräfte, welche in radialer Richtung nach außen gerichtet sind. Diese Fliehkräfte bewirken eine Strömung zumindest des genannten Teils der Hydraulikflüssigkeit in radialer Richtung nach außen. Die radiale Richtung verläuft dabei zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse und somit zur axialen Richtung des Rotors 17 und somit des Stators 15 und der elektrischen Maschine 10 insgesamt.
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Ferner weist der Stator 15 erste Wicklungen 22 auf, durch welche zumindest ein erster Wickelkopf 24 gebildet ist. Des Weiteren weist der Stator 15 zweite Wicklungen 26, durch welche wenigstens ein zweiter Wickelkopf 28 gebildet ist. Die ersten Wicklungen 22 und somit der erste Wickelkopf 24 sind dabei auf einer ersten Seite 30, insbesondere des Stators 15, angeordnet, wobei die zweiten Wicklungen 26 und somit der zweite Wickelkopf 28 auf einer der ersten Seite 30 in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Seite 32, insbesondere des Stators 15, angeordnet sind.
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Um nun eine besonders vorteilhafte Kühlung der elektrischen Maschine 10 realisieren zu können, weist die Führungseinrichtung 20 eine Mehrzahl von zumindest in Umfangsrichtung des Rotors 17 voneinander getrennten, radialen Taschen 16 und 18 (3) auf, mittels welchen zumindest der genannte Teil der Kühlflüssigkeit, der während des Betriebs der elektrischen Maschine 10 fliehkraftbedingt in radialer Richtung nach außen strömt, aufgefangen und zwischengespeichert werden kann beziehungsweise wird. Ferner weist die Führungseinrichtung 20 jeweilige, den Taschen 16 und 18 zugeordnete Abführöffnungen auf, über welche die auf den gegenüberliegenden Seiten 30 und 32 angeordneten Wicklungen 22 und 26 beziehungsweise Wickelköpfe 24 und 28 mit der Hydraulikflüssigkeit aus den Taschen 16 und 18 versorgt werden können. Von den den Taschen 16 und 18 zugeordneten Abführöffnungen ist in 3 lediglich eine der in 3 gezeigten Tasche 16 zugeordnete, mit 34 bezeichnete Abführöffnung erkennbar, wobei die folgenden und vorigen Ausführungen zur Abführöffnung 34 ohne weiteres auf die anderen Abführöffnungen übertragen werden können und umgekehrt.
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Beispielsweise ist die Abführöffnung 34 als Bohrung und/oder Durchgangsöffnung ausgebildet. Das Abführen der Kühlflüssigkeit aus den Taschen 16 und 18 und somit das Versorgen der Wickelköpfe 24 und 28 mit der Hydraulikflüssigkeit aus den Taschen 16 und 18 geschieht in einem festgelegten Verhältnis, welches durch entsprechende Ausgestaltung der Abführöffnungen, insbesondere durch entsprechende Ausgestaltung wenigstens eines von der aufgefangenen Hydraulikflüssigkeit durchströmbaren Strömungsquerschnitts der jeweiligen Abführöffnung, festgelegt ist beziehungsweise wird.
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Beispielsweise wird die Seite 30 auch als A-Seite bezeichnet, wobei die Seite 32 auch als B-Seite bezeichnet wird. In vollständig hergestelltem Zustand des Kraftfahrzeugs ist die auch als Elektromaschine bezeichnete elektrische Maschine 10 beispielsweise derart angeordnet, dass die B-Seite in Fahrzeuglängsrichtung hinter der A-Seite angeordnet ist, sodass die B-Seite beispielsweise in Fahrzeuglängsrichtung nach hinten und die A-Seite in Fahrzeuglängsrichtung nach vorne weist.
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Bei dem in den Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind beispielsweise die Taschen 16 ausschließlich den Wicklungen 22 auf der Seite 30 zugeordnet, wobei die Taschen 18 ausschließlich den Wicklungen 26 auf der Seite 32 zugeordnet sind, sodass die mittels der Taschen 16 aufgefangene Kühlflüssigkeit lediglich den auf der Seite 30 angeordneten Wicklungen 22 und die mittels der Taschen 18 aufgefangene Kühlflüssigkeit lediglich den auf der Seite 32 angeordneten Wicklungen 26 zugeführt wird. Durch entsprechende Ausgestaltung der jeweiligen Tasche 16 beziehungsweise 18 und/oder durch entsprechende Ausgestaltung des jeweiligen, von der Kühlflüssigkeit durchströmbaren Strömungsquerschnitts der jeweiligen Abführöffnung und/oder durch entsprechende Wahl der Anzahl der jeweiligen Taschen 16 und 18 können beispielsweise eine den Wicklungen 22 zuzuführende erste Menge der Kühlflüssigkeit sowie eine den Wicklungen 26 zuzuführende zweite Menge der Kühlflüssigkeit bedarfsgerecht eingestellt werden, wodurch das zuvor genannte Verhältnis, insbesondere der Mengen zueinander, eingestellt werden kann. Somit kann die mittels der Taschen 16 und 18 aufgefangene Kühlflüssigkeit bedarfsgerecht auf die Wicklungen 22 und 26 aufgeteilt werden, wodurch beispielsweise eine jeweilige Kühlleistung, mittels welcher die jeweiligen Wicklungen 22 beziehungsweise 26 gekühlt werden, einstellbar ist. Insbesondere kann auf diese Weise ein jeweiliger Volumenstrom der Kühlflüssigkeit zu den Wicklungen 22 beziehungsweise 26 präzise und bedarfsgerecht eingestellt werden, insbesondere derart, dass die Wicklungen 22 auf der Seite 30 die gleiche Kühlleistungen wie die Wicklungen 26 auf der Seite 32 erfahren. Durch die gezielte Führung und Aufteilung der Kühlflüssigkeit können unerwünschte, durch Strömungen oder Sogwirkungen bewirkte Beeinflussungen auf die Verteilung der Kühlflüssigkeit verhindert werden, denn sobald die Kühlflüssigkeit in den radialen Taschen 16 und 18 gefangen ist, kann die Kühlflüssigkeit die radialen Taschen 16 und 18 nur noch über die definiert vorgesehenen, als Ausgänge fungierenden Abführöffnungen verlassen. Die jeweilige Abführöffnung dient daher der Entleerung der jeweiligen Tasche 16 beziehungsweise 18 sowie zur Einstellung der jeweiligen, den jeweiligen Wicklungen 22 beziehungsweise 26 zuzuführenden Menge der Kühlflüssigkeit.
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Um den Bauraumbedarf, das Gewicht, die Teilanzahl und die Kosten der elektrischen Maschine 10 besonders gering halten zu können, sind die Taschen 16 und 18 bei der in den Fig. gezeigten Ausführungsform durch einen als Außenlamellenträger 36 gebildeten Lamellenträger einer Lamellenkupplung 38 gebildet. Die Lamellenkupplung 38 weist dabei als Außenlamellen 40 ausgebildete erste Kupplungslamellen auf, welche zumindest in Umfangsrichtung des Außenlamellenträgers 36 an diesem abgestützt sind, sodass Drehmomente zwischen dem Außenlamellenträger 36 und den Außenlamellen 40 übertragen werden können. Dabei sind die Außenlamellen 40 jeweils teilweise in den jeweiligen Taschen 16 und 18 aufgenommen beziehungsweise angeordnet.
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Über die Lamellenkupplung 38 kann beispielsweise der Rotor 17 mit einem um die Drehachse relativ zu dem Getriebegehäuse 12 drehbaren weiteren Bauelement des Antriebsstrangs gekoppelt werden, sodass über die Lamellenkupplung 38 Drehmomente zwischen dem Rotor 17 und dem weiteren Bauelement übertragen werden können. Hierzu umfasst die Lamellenkupplung 38 beispielsweise einen weiteren, als Innenlamellenträger 42 ausgebildeten Lamellenträger sowie weitere, als Innenlamellen 44 ausgebildete Kupplungslamellen, welche zumindest in Umfangsrichtung des Innenlamellenträgers 42 an diesem abgestützt sind, sodass Drehmomente zwischen den Innenlamellen 44 und dem Innenlamellenträger 42 übertragen werden können.
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In 1 und 3 veranschaulichen Pfeile eine Strömung der Kühlflüssigkeit zunächst in radialer Richtung nach außen in die Taschen 16 und dann weiter von diesen zu den auf der A-Seite angeordneten Wicklungen 22. Ferner veranschaulicht in 2 ein Pfeil eine Strömung der Kühlflüssigkeit zunächst in radialer Richtung nach außen in die Taschen 18 und von diesen weiter zu den auf der B-Seite angeordneten Wicklungen 26. Somit ist anhand der Pfeile die zuvor beschriebene, definierte und bedarfsgerechte Führung und Aufteilung der Hydraulikflüssigkeit auf die Wicklungen 22 und 26 erkennbar, wodurch sich eine bedarfsgerechte und definierte Kühlung der Wicklungen 22 und 26 realisieren lässt. In der Folge kann eine zumindest im Wesentlichen gleichmäßige beziehungsweise homogene Temperatur beziehungsweise Temperaturverteilung der elektrischen Maschine 10 während ihres Betriebs gewährleistet werden, sodass die elektrische Maschine 10 über eine lange Zeitspanne eine besonders hohe Leistung bereitstellen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrische Maschine
- 12
- Getriebegehäuse
- 15
- Stator
- 16
- Tasche
- 17
- Rotor
- 18
- Tasche
- 20
- Führungseinrichtung
- 22
- Wicklungen
- 24
- Wickelkopf
- 26
- Wicklungen
- 28
- Wickelkopf
- 30
- Seite
- 32
- Seite
- 34
- Abführöffnung
- 36
- Außenlamellenträger
- 38
- Lamellenkupplung
- 40
- Außenlamellen
- 42
- Innenlamellenträger
- 44
- Innenlamellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014218453 A1 [0002]