DE102008001622A1 - Elektrische Maschine mit Sprüh- und Sumpfkühlung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die ein Gehäuse und im Gehäuse mindestens eine elektrische, einen Rotor umfassende Baugruppe aufweist, und mit einer Kühleinrichtung, die im unteren Bereich des Gehäuses eine dort angeordnete oder ausgebildete Sumpfwanne für ein Kühlmittel aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung (10) ferner mindestens eine Kühlmittelsprüheinrichtung (18) zum Besprühen der elektrischen Baugruppe (3) mit Kühlmittel (9) aufweist, wobei die Sumpfwanne (8) einen Kühlmittelablauf (21) aufweist, der im Nichtbetrieb der elektrischen Maschine (1) das Kühlmittel (9) in ein Kühlmittelreservoir (12) einleitet und derart bemessen ist, dass sich im Betrieb der elektrischen Maschine (1) bei vorgegebenem Kühlmittelvolumenstrom der Kühlmittelsprüheinrichtung (18) in der Sumpfwanne (8) ein den Rotor (3) benetzender Kühlmittelpegel (27) einstellt. Ferner umfassst die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.
Description
- Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die ein Gehäuse und im Gehäuse mindestens eine elektrische, einen Rotor umfassende Baugruppe aufweist, und mit einer Kühleinrichtung, die im unteren Bereich des Gehäuses eine dort angeordnete oder ausgebildete Sumpfwanne für ein Kühlmittel aufweist. Ferner umfasst die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.
- Stand der Technik
- Zur Kühlung elektrischer Maschinen ist es bekannt, elektrische Baugruppen mit Öl zu beaufschlagen. Dies wird bei einer Düsenölkühlung erreicht, indem eine Vielzahl von Düsen die zu kühlenden elektrischen Baugruppen mit Öl besprühen. Dies erfordert eine aufwendige Konstruktion.
- Eine weitere Möglichkeit bietet die Sumpfkühlung, welche einen Ölsumpf aufweist, in den die zu kühlenden elektrischen Baugruppen eingetaucht werden. Die Sumpfkühlung erfordert eine Füllstandsüberwachung, die schwierig zu realisieren ist. Ferner wird das Öl bei niedrigen Temperaturen zähflüssig und verklebt die elektrischen Baugruppen der elektrischen Maschine. Beispielsweise werden ein Stator und ein Rotor miteinander verklebt, weil sich bei der Sumpfkühlung das Öl innerhalb eines Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor befindet.
- Aufgabe der Erfindung ist es eine einfach zu realisierende Kühleinrichtung bereitzustellen, welche ein Verkleben der elektrischen Baugruppen verhindert.
- Offenbarung der Erfindung
- Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung ferner mindestens eine Kühlmittelsprüheinrichtung zum Besprühen der elektrischen Baugruppe mit Kühlmittel aufweist, wobei die Sumpfwanne einen Kühlmittelablauf aufweist, der im Nichtbetrieb der elektrischen Maschine das Kühlmittel in ein Kühlmittelreservoir einleitet und derart bemessen ist, dass sich im Betrieb der elektrischen Maschine bei vorgegebenen Kühlmittelvolumenstrom der Kühlmittelsprüheinrichtung in der Sumpfwanne ein den Rotor benetzender Kühlmittelpegel einstellt. Die Erfindung ermöglicht durch den Kühlmittelablauf einen variablen Kühlmittelpegel in der Sumpfwanne. Bei Betrieb der elektrischen Maschine wird für eine Kühlmittelverteilung über die Kühlmittelsprüheinrichtung der vorgegebene Kühlmittelstrom in die elektrische Maschine eingesprüht. Der Kühlmittelablauf verhindert dabei ein Volllaufen der elektrischen Maschine mit Kühlmittel, indem er Kühlmittel aus der Sumpfwanne in das Kühlmittelreservoir einleitet. Dabei läuft soviel Kühlmittel aus der Sumpfwanne ab, dass sich der Kühlmittelpegel einstellt. Ist der Kühlmittelpegel so hoch, dass er den Rotor benetzt, dann übernimmt der Rotor eine zusätzliche Kühlmittelverteilung indem er das Kühlmittel auf die elektrischen Baugruppen schleudert, wobei sich der Luftspalt zwischen Rotor und Stator mit Kühlmittel füllt. Bei Nichtbetrieb der elektrischen Maschine leitet der Kühlmittelablauf das Kühlmittel in das Kühlmittelreservoir, wodurch der Kühlmittelpegel mindestens so weit absinkt, dass der Rotor nicht mehr in das Kühlmittel eintauchen kann und der Luftspalt kühlmittelfrei ist. Ein Verkleben des Stators und des Rotors, insbesondere bei niedriger Temperatur wie sie insbesondere bei Nichtbetrieb vorliegt, ist somit nicht möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass gegenüber dem Stand der Technik weniger Kühlmittelsprüheinrichtungen eingesetzt werden müssen, um die gleiche Kühlleistung zu erzielen, was zu einer Vereinfachung der Konstruktion führt.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung einen Kühlmittelkreislauf aufweist.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung eine Kühlmittelpumpe aufweist, die zwischen dem Kühlmittelreservoir und der Kühlmittelsprüheinrichtung strömungstechnisch angeordnet ist. Die Kühlmittelpumpe fördert das Kühlmittel zur Kühlmittelsprüheinrichtung und erzeugt den notwendigen Druck, um die elektrischen Baugruppen mit Kühlmittel zu besprühen. Dabei bezieht die Pumpe ihr Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sumpfwanne einen Kühlmittelüberlauf aufweist, der mit dem Kühlmittelreservoir kommunizierend verbunden ist. Der Kühlmittelüberlauf begrenzt den Kühlmittelpegel auf ein maximales Niveau, indem überschüssiges Kühlmittel, das den Kühlmittelpegel weiter ansteigen lassen würde, in das Kühlmittelreservoir einleitet.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlmittel ein Kühlschmiermittel, insbesondere ein Öl ist. Es ist vorteilhaft, ein Kühlschmiermittel zu verwenden, da dadurch ein Verschleiß an beweglichen Teilen der elektrischen Maschine gemindert wird.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als elektrischer Antrieb eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
- Ferner ist ein Verfahren vorgesehen, dass zur Kühlung und/oder Schmierung einer elektrischen Maschine vorgesehen ist, die einer oder mehreren der vorangegangenen Beschreibungen entspricht, wobei die elektrische Maschine ein Gehäuse und im Gehäuse mindestens eine elektrische, einen Rotor umfassende Baugruppe aufweist, und eine Kühleinrichtung hat, die im unteren Bereich des Gehäuses eine dort angeordnete, oder ausgebildete Sumpfwanne für ein Kühlmittel aufweist. Das Verfahren sieht erfindungsgemäß vor, dass die Kühleinrichtung die elektrische Baugruppe mit Kühlmittel mittels einer Kühlmittelsprüheinrichtung besprüht, wobei das Kühlmittel bei nicht betriebener elektrischer Maschine aus der Sumpfwanne abläuft und in ein Kühlmittelreservoir eingeleitet wird, wobei der Ablaufvorgang bei betriebener elektrischer Maschine unter Berücksichtigung der Vorgabe des Kühlmittelvolumenstroms der Kühlmittelsprühvorrichtung derart schnell gewählt wird, dass ein Kühlmittelpegel in der Sumpfwanne erzeugt wird, der den Rotor mit Kühlmittel benetzt. Im Nichtbetrieb der elektrischen Maschine sinkt der Kühlmittelpegel in der Sumpfwanne so weit ab oder die Sumpfwanne läuft leer, sodass jeweils der Rotor nicht mit ruhendem Kühlmittel benetzt ist.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, und zwar zeigt
-
1 einen Längsschnitt der elektrischen Maschine und -
2 einen Querschnitt der elektrischen Maschine. - Ausführungsform(en) der Erfindung
- Die
1 zeigt eine elektrische Maschine1 mit einem Gehäuse2 , welches eine erste elektrische Baugruppe3 aufweist, die als Rotor4 ausgestaltet ist. Zudem weist das Gehäuse2 eine zweite elektrische Baugruppe3 auf, die als Stator5 ausgebildet ist, wobei sich zwischen Rotor4 und Stator5 ein Luftspalt6 bildet, der einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist. Das Gehäuse2 ist in seinem unteren Bereich7 als Sumpfwanne8 ausgebildet, in der sich ein Kühlmittel9 befindet. Die Sumpfwanne8 und das Kühlmittel9 gehören zu einer Kühleinrichtung10 , die einen Kühlmittelkreislauf11 aufweist. Der Kühlmittelkreislauf11 verläuft von einem Kühlmittelreservoir12 über eine Leitung13 zu einer Kühlmittelpumpe14 . Ausgehend von der Kühlmittelpumpe14 wird das Kühlmittel9 über eine Leitung15 zu einem Knotenpunkt16 und von dem Knotenpunkt16 mittels einer Leitung17 zu einer ersten Kühlmittelsprüheinrichtung18 weitergeleitet. Ferner wird ausgehend vom Knotenpunkt16 das Kühlmittel9 über eine Leitung19 zu einer zweiten Kühlmittelsprüheinrichtung18 gefördert. Die Kühlmittelsprüheinrichtungen18 erzeugen jeweils einen Kühlmittelsprühstrahl20 , welcher den Stator5 mit Kühlmittel9 besprüht. Danach tropft das Kühlmittel9 in die Sumpfwanne8 . Die Sumpfwanne8 weist einen Kühlmittelablauf21 auf, der über eine Leitung22 mit einem Knotenpunkt23 und ausgehend von dem Knotenpunkt23 über eine Leitung24 mit dem Kühlmittelreservoir12 kommunizierend verbunden ist. Der Kühlmittelablauf21 ist am tiefsten Punkt der Sumpfwanne8 angebracht. Ferner weist die Sumpfwanne8 einen Kühlmittelüberlauf25 auf, welcher über eine Leitung26 mit dem Knotenpunkt23 und somit ebenfalls mit dem Kühlmittelreservoir12 kommunizierend verbunden ist. Damit ist der Kühlmittelkreislauf11 geschlossen. Ein Kühlmittelpegel27 ist dabei derart bemessen, dass der Rotor4 in das Kühlmittel9 eintaucht, wodurch der Rotor4 mit Kühlmittel9 benetzt wird. Ferner ist in der dargestellten Ausführungsform das Kühlmittel9 als Kühlschmiermittel28 ausgeführt, welches ein Öl29 ist. Im Betrieb der elektrischen Maschine1 fördert die Kühlmittelpumpe14 das Öl29 zu den Kühlmittelsprüheinrichtungen18 , welche den Stator5 mittels Kühlmittelsprühstrahlen20 kühlen. Das auf diese Weise aufgebrachte Öl29 tropft innerhalb des Gehäuses2 von dem Stator5 in die Sumpfwanne8 , aus der das Öl29 über den Kühlmittelablauf21 über die Leitung22 und24 in das Kühlmittelreservoir12 eingeleitet wird. Über die Leitung29 bezieht die Kühlmittelpumpe14 das Öl29 aus dem Kühlmittelreservoir12 , wodurch der Kühlmittelkreislauf11 geschlossen ist. Fördert die Kühlmittelpumpe14 mehr Kühlmittel9 in das Gehäuse2 als über den Kühlmittelablauf21 ablaufen kann, so steigt der Kühlmittelpegel27 an. Die Kühlmittelpumpe14 erzeugt somit einen Kühlmittelvolumenstrom, der in der Sumpfwanne8 den Kühlmittelpegel27 einstellt. Ist der Kühlmittelpegel27 soweit angestiegen, dass der Rotor4 bereichsweise eintauchen kann und damit ein Teil des Luftspaltes6 mit Öl29 gefüllt ist, dann verteilt der Rotor4 bei Rotation das Öl29 innerhalb des Gehäuses2 . Um ein Volllaufen des Gehäuses2 mit Öl29 zu verhindern, ist der Kühlmittelüberlauf25 vorgesehen, welcher derart angebracht ist, dass überschüssiges Öl29 ab einem bestimmten Kühlmittelpegel27 über die Leitungen26 und24 in das Kühlmittelreservoir12 zurückläuft. Fördert die Kühlmittelpumpe14 einen kleineren Kühlmittelvolumenstrom als über den Ablauf21 abläuft, so sinkt der Kühlmittelpegel27 , wodurch der Rotor nicht mehr in das Öl29 eintaucht und der Luftspalt6 ölfrei wird. Dies Tritt insbesondere bei Nichtbetrieb der elektrischen Maschine1 auf, da dann kein Kühlmittelvolumenstrom vorliegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Rotor4 und der Stator5 bei niedriger Temperatur miteinander durch das Öl29 verklebt wird, wenn das Öl29 aufgrund der niedrigen Temperatur eine hohe Zähigkeit aufweist. - Die
2 zeigt eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine1 . Die Querschnittsansicht verdeutlicht die Ausgestaltung des Querschnitts des Luftspaltes6 und zeigt eine Anordnung30 einer Vielzahl von Kühlmittelsprüheinrichtungen18 . Die Kühlmittelsprüheinrichtungen18 sind dabei derart angeordnet, dass sie entlang des oberen Bereichs31 des Stators5 angeordnet sind und vorwiegend den Stator5 mit Öl29 besprühen. Ferner zeigt die2 einen zusätzlichen Kühlmittelüberlauf25 , welcher seitlich am Gehäuse2 angebracht ist.
Claims (7)
- Elektrische Maschine (
1 ), die ein Gehäuse (2 ) und im Gehäuse (2 ) mindestens eine elektrische, einen Rotor (4 ) umfassende Baugruppe (3 ) aufweist, und mit einer Kühleinrichtung (10 ), die im unteren Bereich des Gehäuses (2 ) eine dort angeordnete, oder ausgebildete Sumpfwanne (8 ) für ein Kühlmittel (9 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (10 ) ferner mindestens eine Kühlmittelsprüheinrichtung (18 ) zum Besprühen der elektrischen Baugruppe (3 ) mit Kühlmittel (9 ) aufweist, wobei die Sumpfwanne (8 ) einen Kühlmittelablauf (21 ) aufweist, der im Nichtbetrieb der elektrischen Maschine (1 ) das Kühlmittel (9 ) in ein Kühlmittelreservoir (12 ) einleitet und derart bemessen ist, dass sich im Betrieb der elektrischen Maschine (1 ) bei vorgegebenen Kühlmittelvolumenstrom der Kühlmittelsprüheinrichtung (18 ) in der Sumpfwanne (8 ) ein den Rotor (3 ) benetzender Kühlmittelpegel (27 ) einstellt. - Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (
10 ) einen Kühlmittelkreislauf (11 ) aufweist. - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (
10 ) eine Kühlmittelpumpe (14 ) aufweist, die zwischen dem Kühlmittelreservoir (12 ) und der Kühlmittelsprüheinrichtung (18 ) strömungstechnisch angeordnet ist. - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sumpfwanne (
8 ) einen Kühlmittelüberlauf (25 ) aufweist, der mit dem Kühlmittelreservoir (12 ) kommunizierend verbunden ist. - Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (
9 ) ein Kühlschmiermittel (28 ), insbesondere ein Öl (29 ) ist. - Elektrische Maschine, gekennzeichnet durch die Ausbildung als elektrischer Antrieb eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs.
- Verfahren zur Kühlung und/oder Schmierung einer elektrischen Maschine (
1 ), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (1 ) ein Gehäuse (2 ) und im Gehäuse (2 ) mindestens eine, einen Rotor (4 ) umfassende elektrische Baugruppe (3 ) aufweist, und eine Kühleinrichtung (10 ) hat, die im unteren Bereich des Gehäuses (2 ) eine dort angeordnete oder ausgebildete Sumpfwanne (8 ) für ein Kühlmittel (9 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (10 ) die elektrische Baugruppe (3 ) mit Kühlmittel (9 ) mittels einer Kühlmittelsprüheinrichtung (18 ) besprüht, wobei das Kühlmittel (9 ) bei nicht betriebener elektrischer Maschine (1 ) aus der Sumpfwanne (8 ) abläuft und in ein Kühlmittelreservoir (12 ) eingeleitet wird, wobei der Ablaufvorgang bei betriebener elektrischer Maschine (1 ) unter Berücksichtigung der Vorgabe des Kühlmittelvolumenstroms der Kühlmittelsprühvorrichtung (18 ) derart schnell gewählt wird, dass ein Kühlmittelpegel (27 ) in der Sumpfwanne (8 ) erzeugt wird, der den Rotor (3 ) mit Kühlmittel (9 ) benetzt.
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