DE102013020331A1

DE102013020331A1 - Elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE102013020331A1
Application number: DE201310020331
Authority: DE
Inventors: Robert Inderka; Robert Lehmann; Nis-Anton Möllgaard; Corrado Nizzola
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Maschine (10), insbesondere Asynchronmaschine, mit einem Stator (16) und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator (16) drehbaren Rotor (24), welcher als Kurzschlussläufer ausgebildet ist und wenigstens einen Kurzschlussring (32, 34) umfasst, mittels welchem Leiterstäbe des Kurzschlussläufers gegenseitig kurzgeschlossen sind, wobei der Kurzschlussring (32, 34) wenigstens einen von Kühlmittel durchströmbaren Kanal (56, 58, 60, 62) aufweist, wobei sich der Kanal (56, 58, 60, 62) im Kurzschlussring (32, 34) schräg zur radialen Richtung des Rotors (24) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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.
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.
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.
Die DE 10 2004 049 795 A1 offenbart eine elektrische Maschine, welche beispielsweise als Asynchronmaschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator sowie einen um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor. Der Rotor ist als Kurzschlussläufer ausgebildet und umfasst wenigstens einen Kurzschlussring, mittels welchem Leiterstäbe des Kurzschlussläufers gegenseitig kurzgeschlossen sind. Dabei weist der Kurzschlussring wenigstens einen von Kühlmittel durchströmbaren Kanal auf. Über diesen Kanal kann das Kühlmittel zu wenigstens einem Wickelkopf strömen, welcher den Kurzschlussring in radialer Richtung des Rotors nach außen hin verdeckt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere ihrer Wickelköpfe, zu realisieren.
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.
Um eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine und insbesondere ihre Wickelköpfe realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich der Kanal im Kurzschlussring schräg zur radialen Richtung und somit schräg zur axialen Richtung des Rotors erstreckt. Durch diesen schrägen Verlauf des Kanals kann das Kühlmittel, wobei es sich insbesondere um eine Kühlflüssigkeit und insbesondere um ein Öl handelt, schräg durch den Kanal strömen und beispielsweise dem Stator der elektrischen Maschine nicht in streng radialer Richtung sondern in einer Richtung schräg dazu zugeführt werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, wenigstens einen Wickelkopf des Stators besonders vorteilhaft und insbesondere besonders großflächig mit dem Kühlmittel zu benetzen. Infolge dieser großflächigen Benetzung kann eine besonders hohe Wärmemenge von dem Stator und insbesondere von dem Wickelkopf abgeführt werden. Darüber hinaus kann die Gefahr, dass das Kühlmittel in den Luftspalt der elektrischen Maschine gelangt, besonders gering gehalten werden.
Durch dieses Kühlkonzept ist es insbesondere möglich, unter schwierigen geometrischen Bedingungen der elektrischen Maschine, beispielsweise bei kurzen Wickelköpfen und bei langem Kurzschlussring eine Kühlung der Wickelköpfe sicher zu stellen, da das Kühlmittel besonders vorteilhaft aus axialer Richtung dem Wickelkopf zugeführt werden kann. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Kühlung des Wickelkopfs sichergestellt werden. Infolge dieser verbesserten Kühlung kann eine hohe Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine sichergestellt werden, so dass diese auch besonders hohe Leistungen über besonders lange Zeitspannen bereitstellen kann, ohne dass es zu einer Überhitzung der elektrischen Maschine kommt.
Darüber hinaus handelt es sich bei der Kühlung bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine um ein offenen System, wo durch eine sichere Zuführung des Kühlmittels an den Wickelkopf sowie eine besonders großflächige Benetzung des Wickelkopfes realisierbar ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Kanal bezogen auf die radiale Richtung und die axiale Richtung des Rotors jeweils von innen nach außen erstreckt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung mündet der Kanal an die Umgebung des Kurzschlussrings über eine Öffnung, die in einer senkrecht zur axialen Richtung des Rotors verlaufenden Stirnfläche des Kurschlussrings angeordnet ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Rotor eine Rotorwelle, die einen sich zumindest über einen Längenbereich der Rotorwelle in axialer Richtung dieser erstreckenden und von dem Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal sowie in ihrer den zweiten Kanal begrenzenden Mantelfläche wenigstens eine Austrittsöffnung für das Kühlmittel aufweist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung mündet der erste Kanal des Kurzschlussrings an die Umgebung des Kurzschlussrings über eine Öffnung, die in einer innenumfangsseitigen Mantelfläche des Kurzschlussrings angeordnet ist, wobei die Mantelfläche der Rotorwelle in radialer Richtung nach außen hin durch die innenumfangsseitige Mantelfläche des Kurzschlussrings zumindest teilweise überdeckt ist.
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.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht einer elektrischen Maschine, mit einem Stator und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor, welcher als Kurzschlussläufer ausgebildet ist und wenigstens einen Kurzschlussring umfasst, mittels welchem Leiterstäbe des Kurzschlussläufers gegenseitig kurzgeschlossen sind, wobei 1 zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung dient;
2 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht einer elektrischen Maschine, mit einem Stator und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor, welcher als Kurzschlussläufer ausgebildet ist und wenigstens einen Kurzschlussring umfasst, mittels welchem Leiterstäbe des Kurzschlussläufers gegenseitig kurzgeschlossen sind, wobei der Kurzschlussring wenigstens einen von Kühlmittel durchströmbaren und sich streng in radialer Richtung erstreckenden Kanal aufweist, wobei auch 2 zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung dient;
3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine gemäß 2, wobei 3 zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung dient;
4 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht durch eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor, welcher als Kurzschlussläufer ausgebildet ist und wenigstens einen Kurzschlussring umfasst, mittels welchem Leiterstäbe des Kurzschlussläufers gegenseitig kurzgeschlossen sind, wobei der Kurzschlussring wenigstens einen von Kühlmittel durchströmbaren Kanal aufweist und wobei sich der Kanal im Kurzschlussring schräg zur radialen Richtung und zur axialen Richtung des Rotors erstreckt; und
5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine gemäß 4.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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.
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.
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.
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.
Der Rotor 24 ist 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
2 und 3 zeigen eine elektrische Maschine 10, welche als Asynchronmaschine ausgebildet sein kann und im Wesentlichen der elektrischen Maschine 10 gemäß 1 entspricht.
Die elektrische Maschine 10 gemäß 2 und 3 unterscheidet sich dadurch von der elektrischen Maschine 10 gemäß 1, dass – wie aus 2 und 3 erkennbar ist – die Kurzschlussringe 32, 34 jeweils wenigstens zwei Kanäle 56, 58 beziehungsweise 60, 62 aufweisen. Die Kanäle 56 und 58 des Kurzschlussrings 34 und die Kanäle 60 und 62 des Kurzschlussrings 32 sind von dem Kühlmittel (Öl), welches über die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 aus dem Kanal 36 heraus an die Umgebung der Rotorwelle 26 strömt, durchströmbar. Besonders gut aus 3 ist erkennbar, dass der jeweilige Kanal 56, 58, 60, 62 beidseitig, das heißt in radialer Richtung nach innen zur Rotorwelle 26 hin und in radialer Richtung nach außen zum jeweiligen Wickelkopf 18, 20 hin an die Umgebung des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 über eine jeweilige Öffnung mündet.
Die jeweilige, in radialer Richtung äußere Öffnung des jeweiligen Kanals 56, 58, 60, 62 ist dabei in radialer Richtung nach außen durch den jeweiligen Wickelkopf 18, 20 überdeckt. Die jeweilige, in radialer Richtung innere Öffnung des jeweiligen Kanals 56, 58, 60, 62 ist dabei in radialer Richtung nach innen hin durch die Rotorwelle 26 überdeckt. Darüber hinaus sind die Kanäle 56, 58 und die Austrittsöffnungen 46, 47 in zumindest teilweiser gegenseitiger Überdeckung angeordnet. Auch die Kanäle 60, 62 und die Austrittsöffnungen 48, 49 sind in radialer Richtung in zumindest teilweiser gegenseitiger Überdeckung angeordnet. Hierdurch kann das aus den Austrittsöffnungen 46, 47 beziehungsweise 48, 49 austretende Öl auf besonders kurzem Wege zu den Kanälen 56, 58 beziehungsweise 60, 62 strömen und in diese einströmen.
Aus 2 und 3 ist erkennbar, dass sich die in den Kurzschlussringen 32, 34 erstreckenden Kanäle 56, 58, 60, 62 streng in radialer Richtung des Rotors 24 beziehungsweise der Rotorwelle 26 erstrecken. Ferner ist erkennbar, dass die Wickelköpfe 18, 20 in radialer Richtung nach innen hin vollständig durch die Kurzschlussringe 32, 34 überdeckt sind. Trotz dieses Umstands ist es möglich, die Wickelköpfe 18, 20 mit Öl zu benetzen, da das Öl über die Kanäle 56, 58, 60, 62 hindurch zu den Wickelköpfen 18, 20 strömen kann.
Um nun eine weiter verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine 10 und insbesondere ihrer Wickelköpfe 18, 20 zu realisieren, ist es – wie aus 4 und 5 erkennbar ist – vorgesehen, dass sich der jeweilige Kanal 56, 58, 60, 62 schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung erstreckt. Dabei erstreckt sich der jeweilige Kanal 56, 58, 60, 62 in radialer Richtung und in axialer Richtung des Rotors 24 jeweils von innen nach außen. Es wurde nämlich gefunden, dass durch den schrägen Verlauf der Kanäle 56, 58, 60, 62 im Vergleich zum streng radialen Verlauf eine Vergrößerung der von dem Öl anströmbaren Fläche der Wickelköpfe 18, 20 realisierbar ist. Durch die schrägen Kanäle 56, 58, 60, 62, welche als Bohrungen ausgebildet sein können, ist es nämlich möglich, das Öl auf jeweilige Stirn- und Außenseiten der Wickelköpfe 18, 20 zu leiten und somit den jeweiligen Wickelkopf 18, 20 besonders großflächig mit dem Öl zu benetzen. Hierdurch kann eine besonders hohe Wärmeabfuhr von den Wickelköpfen 18, 20 realisiert werden. Dieses Kühlkonzept ermöglicht eine bessere Kühlung des gesamten Stators 16, da auch ein Blechpaket des Stators 16 mit Öl gekühlt werden kann.
Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, in wenigstens einem der Wickelköpfe 18, 20 wenigstens einen sich in radialer Richtung erstreckenden und von dem Öl durchströmbaren Kanal sowie einen schräg zur axialen Richtung und schräg zur axialen Richtung erstreckenden und von dem Öl durchströmbaren Kanal vorzusehen. Mit anderen Worten hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenigstens einen schräg verlaufenden und von dem Öl durchströmbaren Kanal mit einem in radialer Richtung verlaufenden von dem Öl durchströmbaren Kanal zu kombinieren.
Wie bereits angedeutet, kann der jeweilige Kanal 56, 58, 60, 62 als Bohrung ausgebildet und demzufolge durch spanende Bearbeitung des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 ausgebildet sein. Der jeweilige Kurzschlussring 32, 34 ist beispielsweise als Gussbauteil mittels wenigstens einer Gussform ausgebildet. Dabei ist es möglich, beispielsweise mittels wenigstens eines Kerns den jeweiligen Kanal 56, 58, 60, 62 bereits beim Gießen des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 herzustellen.
Dem genannten Kühlkonzept mit den schräg verlaufenden Kanälen 56, 58, 60, 62 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei modernen elektrischen Maschinen der freie Raum im Gehäuse 12 immer kleiner wird. Werden die Wickelköpfe 18, 20 sehr kurz, das heißt weisen diese eine nur sehr geringe, in axialer Richtung verlaufende Erstreckung auf, so kann das beispielsweise bei der elektrischen Maschine 10 gemäß 1 aus den Austrittsöffnungen 46, 47 beziehungsweise 48, 49 ausströmende Öl nur noch eine sehr kleine Fläche des jeweiligen Wickelkopfes 18, 20 erreichen, wodurch der jeweilige Wickelkopf 18, 20 auf nur sehr kleiner Fläche mit Öl benetzt wird. Hieraus ergibt sich nur eine sehr geringe Kühlwirkung.
Durch die schräg verlaufenden Kanäle 56, 58, 60, 62 ist es jedoch möglich, die Wickelköpfe 18, 20 besonders großflächig mit dem Öl zu umspülen und somit besonders effektiv und effizient zu kühlen. Öl, welches nicht durch die Kanäle 56, 58, 60, 62 strömt, wird an einer jeweiligen, in radialer Richtung zur Rotorwelle 26 weisenden Unterseite des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 gesammelt. Durch die aus der Rotation der Rotorwelle 26 resultierende Fliehkraft liegt der Ölfilm permanent am jeweiligen Kurzschlussring 32, 34 an und kühlt zusätzlich den Rotor 24.
Ein positiver Nebeneffekt ist, dass bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine 10 beziehungsweise des Rotors 24 die Verluste im Rotor 24 zunehmen, während die Verluste im Stator 16 abnehmen. Diese Verluste, insbesondere in Form von Wärme, können nun besonders vorteilhaft mittels des Öls abgeführt werden.
Vorzugsweise weisen die Kanäle 56, 58, 60, 62 und die Austrittsöffnungen 46, 47, 48, 49 einen hinreichenden Innenumfang, insbesondere einen hinreichenden Durchmesser auf, so dass die Gefahr einer Verstopfung beispielsweise durch im Öl enthaltene Partikel gering gehalten werden kann. Andererseits darf der Durchmesser nicht zu groß gewählt werden, um einen hinreichenden Druck des Öls zu gewährleisten.
Aus 4 und 5 ist erkennbar, dass der jeweilige Kanal 56, 58, 60, 62 einerseits an die Umgebung des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 über eine Öffnung 64 mündet, die in einer senkrecht zur axialen Richtung des Rotors 24 verlaufenden Stirnfläche 66 des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 angeordnet ist. Andererseits mündet der jeweilige Kanal 56, 58, 60, 62 an die Umgebung des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 über eine Öffnung 68, welche in einer innenumfangsseitigen Mantelfläche 70 des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 angeordnet ist. Die jeweilige innenumfangsseitige Mantelfläche 70 überdeckt dabei in radialer Richtung nach außen die Mantelfläche 44 der Rotorwelle 26.
Besonders gut aus 5 ist erkennbar, dass die jeweilige Austrittsöffnung 46, 47 beziehungsweise 48, 49 in radialer Richtung in zumindest teilweiser Überdeckung mit der jeweiligen Öffnung 68 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Mantelfläche 44 der Rotorwelle 26 in radialer Richtung nach außen hin durch die innenumfangsseitige Mantelfläche 70 des jeweiligen Kurzschlussrings 32, 34 zumindest teilweise überdeckt.
Bezugszeichenliste

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: Richtungspfeil
44: Mantelfläche
46: Austrittsöffnung
47: Austrittsöffnung
48: Austrittsöffnung
49: Austrittsöffnung
50: Richtungspfeil
52: erste Seite
54: zweite Seite
56: Kanal
58: Kanal
60: Kanal
62: Kanal
64: Öffnung
66: Stirnfläche
68: Öffnung
70: innenumfangsseitige Mantelfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004049795 A1 [0005]

Claims

Elektrische Maschine (10), insbesondere Asynchronmaschine, mit einem Stator (16) und einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator (16) drehbaren Rotor (24), welcher als Kurzschlussläufer ausgebildet ist und wenigstens einen Kurzschlussring (32, 34) umfasst, mittels welchem Leiterstäbe des Kurzschlussläufers gegenseitig kurzgeschlossen sind, wobei der Kurzschlussring (32, 34) wenigstens einen von Kühlmittel durchströmbaren Kanal (56, 58, 60, 62) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kanal (56, 58, 60, 62) im Kurzschlussring (32, 34) schräg zur radialen Richtung des Rotors (24) erstreckt.
Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kanal (56, 58, 60, 62) bezogen auf die radiale Richtung und die axiale Richtung des Rotors (24) jeweils von innen nach außen erstreckt.
Elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (56, 58, 60, 62) an die Umgebung des Kurzschlussrings (32, 34) über eine Öffnung (64) mündet, die in einer senkrecht zur axialen Richtung des Rotors (24) verlaufenden Stirnfläche (66) des Kurzschlussrings (32, 34) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (24) eine Rotorwelle (26) umfasst, die einen sich zumindest über einen Längenbereich der Rotorwelle (26) in axialer Richtung dieser erstreckenden und von dem Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal (36) sowie in ihrer den zweiten Kanal (36) begrenzenden Mantelfläche (44) wenigstens eine Austrittsöffnung (46) für das Kühlmittel aufweist.
Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (56, 58, 60, 62) des Kurzschlussrings (32, 34) an die Umgebung des Kurzschlussrings (32, 34) über eine Öffnung (68) mündet, die in einer innenumfangsseitigen Mantelfläche (70) des Kurzschlussrings (32, 34) angeordnet ist, wobei die Mantelfläche (44) der Rotorwelle (24) in radialer Richtung nach außen hin durch die innenumfangsseitige Mantelfläche (70) des Kurzschlussrings (32, 34) zumindest teilweise überdeckt ist.