DE102008001622A1

DE102008001622A1 - Elektrische Maschine mit Sprüh- und Sumpfkühlung

Info

Publication number: DE102008001622A1
Application number: DE102008001622A
Authority: DE
Inventors: Paul Esse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-12
Also published as: WO2009135762A1; EP2274820A1; US20110148229A1; US8502424B2

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 Maschine 1 mit einem Gehäuse 2, welches eine erste elektrische Baugruppe 3 aufweist, die als Rotor 4 ausgestaltet ist. Zudem weist das Gehäuse 2 eine zweite elektrische Baugruppe 3 auf, die als Stator 5 ausgebildet ist, wobei sich zwischen Rotor 4 und Stator 5 ein Luftspalt 6 bildet, der einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist. Das Gehäuse 2 ist in seinem unteren Bereich 7 als Sumpfwanne 8 ausgebildet, in der sich ein Kühlmittel 9 befindet. Die Sumpfwanne 8 und das Kühlmittel 9 gehören zu einer Kühleinrichtung 10, die einen Kühlmittelkreislauf 11 aufweist. Der Kühlmittelkreislauf 11 verläuft von einem Kühlmittelreservoir 12 über eine Leitung 13 zu einer Kühlmittelpumpe 14. Ausgehend von der Kühlmittelpumpe 14 wird das Kühlmittel 9 über eine Leitung 15 zu einem Knotenpunkt 16 und von dem Knotenpunkt 16 mittels einer Leitung 17 zu einer ersten Kühlmittelsprüheinrichtung 18 weitergeleitet. Ferner wird ausgehend vom Knotenpunkt 16 das Kühlmittel 9 über eine Leitung 19 zu einer zweiten Kühlmittelsprüheinrichtung 18 gefördert. Die Kühlmittelsprüheinrichtungen 18 erzeugen jeweils einen Kühlmittelsprühstrahl 20, welcher den Stator 5 mit Kühlmittel 9 besprüht. Danach tropft das Kühlmittel 9 in die Sumpfwanne 8. Die Sumpfwanne 8 weist einen Kühlmittelablauf 21 auf, der über eine Leitung 22 mit einem Knotenpunkt 23 und ausgehend von dem Knotenpunkt 23 über eine Leitung 24 mit dem Kühlmittelreservoir 12 kommunizierend verbunden ist. Der Kühlmittelablauf 21 ist am tiefsten Punkt der Sumpfwanne 8 angebracht. Ferner weist die Sumpfwanne 8 einen Kühlmittelüberlauf 25 auf, welcher über eine Leitung 26 mit dem Knotenpunkt 23 und somit ebenfalls mit dem Kühlmittelreservoir 12 kommunizierend verbunden ist. Damit ist der Kühlmittelkreislauf 11 geschlossen. Ein Kühlmittelpegel 27 ist dabei derart bemessen, dass der Rotor 4 in das Kühlmittel 9 eintaucht, wodurch der Rotor 4 mit Kühlmittel 9 benetzt wird. Ferner ist in der dargestellten Ausführungsform das Kühlmittel 9 als Kühlschmiermittel 28 ausgeführt, welches ein Öl 29 ist. Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 fördert die Kühlmittelpumpe 14 das Öl 29 zu den Kühlmittelsprüheinrichtungen 18, welche den Stator 5 mittels Kühlmittelsprühstrahlen 20 kühlen. Das auf diese Weise aufgebrachte Öl 29 tropft innerhalb des Gehäuses 2 von dem Stator 5 in die Sumpfwanne 8, aus der das Öl 29 über den Kühlmittelablauf 21 über die Leitung 22 und 24 in das Kühlmittelreservoir 12 eingeleitet wird. Über die Leitung 29 bezieht die Kühlmittelpumpe 14 das Öl 29 aus dem Kühlmittelreservoir 12, wodurch der Kühlmittelkreislauf 11 geschlossen ist. Fördert die Kühlmittelpumpe 14 mehr Kühlmittel 9 in das Gehäuse 2 als über den Kühlmittelablauf 21 ablaufen kann, so steigt der Kühlmittelpegel 27 an. Die Kühlmittelpumpe 14 erzeugt somit einen Kühlmittelvolumenstrom, der in der Sumpfwanne 8 den Kühlmittelpegel 27 einstellt. Ist der Kühlmittelpegel 27 soweit angestiegen, dass der Rotor 4 bereichsweise eintauchen kann und damit ein Teil des Luftspaltes 6 mit Öl 29 gefüllt ist, dann verteilt der Rotor 4 bei Rotation das Öl 29 innerhalb des Gehäuses 2. Um ein Volllaufen des Gehäuses 2 mit Öl 29 zu verhindern, ist der Kühlmittelüberlauf 25 vorgesehen, welcher derart angebracht ist, dass überschüssiges Öl 29 ab einem bestimmten Kühlmittelpegel 27 über die Leitungen 26 und 24 in das Kühlmittelreservoir 12 zurückläuft. Fördert die Kühlmittelpumpe 14 einen kleineren Kühlmittelvolumenstrom als über den Ablauf 21 abläuft, so sinkt der Kühlmittelpegel 27, wodurch der Rotor nicht mehr in das Öl 29 eintaucht und der Luftspalt 6 ölfrei wird. Dies Tritt insbesondere bei Nichtbetrieb der elektrischen Maschine 1 auf, da dann kein Kühlmittelvolumenstrom vorliegt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Rotor 4 und der Stator 5 bei niedriger Temperatur miteinander durch das Öl 29 verklebt wird, wenn das Öl 29 aufgrund der niedrigen Temperatur eine hohe Zähigkeit aufweist.
Die 2 zeigt eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine 1. Die Querschnittsansicht verdeutlicht die Ausgestaltung des Querschnitts des Luftspaltes 6 und zeigt eine Anordnung 30 einer Vielzahl von Kühlmittelsprüheinrichtungen 18. Die Kühlmittelsprüheinrichtungen 18 sind dabei derart angeordnet, dass sie entlang des oberen Bereichs 31 des Stators 5 angeordnet sind und vorwiegend den Stator 5 mit Öl 29 besprühen. Ferner zeigt die 2 einen zusätzlichen Kühlmittelüberlauf 25, welcher seitlich am Gehäuse 2 angebracht ist.

Claims

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.