-
Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für
einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs, die einen von einem Kühlmittel
durchströmbaren Kühlmantel aufweist.
-
Stand der Technik
-
Elektrische
Maschinen können erhebliche Abwärme erzeugen,
die zum störungsfreien Betrieb auf hohem Leistungsniveau
abgeführt werden muss. Insbesondere elektrische Maschinen
von Hybridantrieben von Fahrzeugen sind aufgrund der in Fahrzeugen
regelmäßig beengten Bauraumverhältnisse relativ
schwer kühlbar. Im Stand der Technik ist es deshalb bekannt,
derartige elektrische Maschinen mit einem Kühlmantel zu
versehen, der außenumfangsseitig der elektrischen Maschine,
beispielsweise in einem Maschinengehäuse, ausgebildet ist
und eine Durchströmung mit Kühlmittel vorsieht.
Beispielsweise ist aus der
EP
1 041 699 B1 bekannt, einen solchen Kühlmantel
aus zwei in Umfangsrichtung erstreckten, durch ein trennendes Element
in Längsrichtung einmal getrennten Durchströmungsbereichen
auszubilden, so dass das Kühlmittel, von einem Zulauf kommend,
zunächst in Umfangsrichtung einen ersten Fluidströmungskanal
und dann einen hieran strömungstechnisch angeschlossenen zweiten
Fluidströmungskanal in Umfangsrichtung bis zu einem Auslass,
der dem Einlass benachbart liegt, durchströmt. Hieran ist
nachteilig, dass es zwischen dem ersten und zweiten Fluidströmungskanal
Bereiche gibt, die keine Kühlmantelüberdeckung
aufweisen, die also nicht durch Kühlmitteldurchströmung des
Kühlmantels gekühlt werden. Ferner ist nachteilig,
dass das Kühlmittel relativ schnell Abwärme aufnimmt
und der Temperaturgradient zwischen zu kühlender elektrischer
Maschine und Kühlmittel sehr schnell kleiner wird. Es ergibt
sich keine ideale Überdeckung zwischen Kühlmantel
und den zu kühlenden Komponenten, ferner wird eine nur
ungleichmäßige Wärmeverteilung über
die Gesamtlänge der elektrischen Maschine und eine verminderte
Wärmeaufnahme des Kühlmittels im Verlauf der Strömungskanäle
erreicht. Auch bei rein spiralförmiger Durchströmung
eines gewissermaßen schraubenförmig um die elektrische
Maschine herum ausgebildeten Kühlkanals lassen sich die
genannten Nachteile nicht vermeiden.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einem möglichst
wirksamen, von Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel
bereitzustellen, der die genannten Nachteile vermeidet und einen hohen
Temperaturaustrag aus der elektrischen Maschine bei technisch einfacher
Konstruktion und leichter Herstellbarkeit ermöglicht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Hierzu
wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, insbesondere für
einen Hybridantrieb eines Fahrzeugs, die einen von einem Kühlmittel durchströmbaren
Kühlmantel aufweist. Hierbei ist vorgesehen, dass der Kühlmantel
an einer Maschinenseite einen Verteilring für das Kühlmittel
und an der anderen Maschinenseite einen Sammelring für das
Kühlmittel aufweist und dass Verteilring und Sammelring über
mehrere, schraubenförmige, dem Kühlmantel angehörende
Kühlmittelkanäle strömungstechnisch verbunden
sind. Durch die Ausbildung des Verteilrings und die Verteilung des
Kühlmittels in mehrere Kühlmittelkanäle
wird eine über den Umfang verteilte, mehrfache Einleitung
des Kühlmittels in den Kühlmantel erreicht. Anders
als im Stand der Technik wird hierdurch, in Umfangsrichtung betrachtet,
eine frühzeitige Abnahme des Temperaturgradienten zwischen
Kühlmittel und zu kühlender elektrischer Maschine
vermieden, im Gegenteil wird über den gesamten Umfang mittels
des Verteilrings gleichmäßig kühles Kühlmittel
eingeleitet. Durch die schraubenförmige Ausbildung der
Kühlmittelkanäle wird eine möglichst
gute Überdeckung des Umfangs der elektrischen Maschine
erreicht, so dass es keine Bereiche gibt, die nicht, in Axialerstreckung
betrachtet, an der Kühlung teilnehmen. Anders als bei rein axialem
Verlauf und mehrfacher Kühlmitteleinleitung wird durch
die schraubenförmige Ausbildung der Kühlmittelkanäle
die Ausbildung von Temperaturstauungen vorteilhaft vermieden. Die
Kühlmittelkanäle gehören hierbei dem
Kühlmantel an, ebenso wie Verteilring und Sammelring.
-
Bevorzugt
ist vorgesehen, dass die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufen. Zwischen Verteilring und Sammelring
sind demzufolge mehrere, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende,
sich zumindest teilweise schraubenförmig um die elektrische
Maschine herum erstreckende Kühlmittelkanäle ausgebildet.
Es ist hierbei nicht erforderlich, dass die Kühlmittelkanäle
eine oder mehrere vollständige schraubenförmige
Windungen um die elektrische Maschine herum ausführen;
auch das Ausbilden einer nur teilweisen schraubenförmigen
Umwindung pro Kühlmittelkanal ist hierbei ausreichend,
da über den Verteilring die Einleitung von frischem Kühlmittel über
den Umfang verteilt an mehreren Stellen in die einzelnen Kühlmittelkanäle
erfolgt.
-
In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weisen die
Kühlmittelkanäle etwa die gleiche Länge
und/oder den gleichen Querschnitt auf. Hierdurch wird erreicht,
dass sich zuströmendes Kühlmittel gleichmäßig
auf die Kühlkanäle verteilt, dadurch, dass sich
durch die im Wesentlichen gleichen Rohrlängen ein gleicher
Druckverlust zwischen Verteilring und Sammelring (beziehungsweise
Zulauf und Ablauf) einstellt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise
erreicht, dass die einzelnen Kühlmittelkanäle
in gleicher Weise von im Wesentlichen gleich großen Kühlmittelmasseströmen
beaufschlagt werden und sich Ungleichförmigkeiten im Wärmeaustrag
im Verlauf des Umfangs der elektrischen Maschine nicht ergeben.
-
Weiter
ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlmittelkanäle
von über dem Umfang des Verteilrings angeordneten Abzweigungen
ausgehen. Die Abzweigungen eröffnen demzufolge den Verteilring in
die einzelnen Kühlmittelkanäle. Die Abzweigungen sind
hierbei über den Umfang des Verteilrings verteilt, insbesondere
bevorzugt gleichförmig verteilt. Die über den
Umfang verlaufende Verteilung der Abzweigungen erfolgt bevorzugt
so, dass die gleichförmige Durchströmung der einzelnen
Kühlmittelkanäle mit Kühlmittel sichergestellt
ist.
-
Weiter
ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass
die Kühlmittelkanäle über den Umfang
des Sammelrings angeordnete Einmündungen in diesen einmünden.
Die Einmündungen entsprechen hierbei den Abzweigungen am
Verteilring zumindest im Wesentlichen. Die Einmündungen
sorgen für den Durchtritt des Kühlmittels aus
den Kühlmittelkanälen in den Sammelring, von wo
aus das Kühlmittel abgeleitet wird. Auch diese Einmündungen
sind bevorzugt so angeordnet, dass ein strömungstechnisch
gleichförmiges Entleeren der einzelnen Kühlmittelkanäle
in den Sammelring beziehungsweise ein im Wesentlichen gleichförmiges Durchfließen
der Kühlmittelkanäle sichergestellt ist.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen der Verteilring
und/oder der Sammelring einen beziehungsweise jeweils einen Tangentialanschluss
für das Zuführen beziehungsweise Abführen des
Kühlmittels auf. Solche Tangentialanschlüsse, die
strömungstechnisch das Kühlmittel in günstiger Weise
in Umfangsrichtung in den Verteilring einleiten beziehungsweise
aus dem Sammelring ausleiten, sorgen für eine entsprechende,
erwünschte Durchströmung des Verteilrings beziehungsweise
des Sammelrings zur gleichmäßigen Beaufschlagung von
Abzweigungen beziehungsweise dem gleichmäßigen
Ausströmen aus Einmündungen. Unerwünschte
Verwirbelungen treten hierbei nicht oder nur in sehr geringem Umfange
auf, so dass eine unerwünschte Bildung von Staustellen
oder nicht hinreichend gleichförmig durchströmten
Bereichen nicht erfolgt.
-
Bevorzugt
ist vorgesehen, dass stromabwärts der in Strömungsrichtung
gesehen letzten Abzweigung eine Engstelle oder ein Verschluss im
Verteilring angeordnet ist. Hierdurch wird verhindert, dass das
Kühlmittel in unerwünschter Weise mehrere Durchströmungen,
insbesondere vollständige Durchströmungen, des
Verteilrings durchführt, bevor es in die Kühlmittelkanäle
einströmt. Ganz im Gegenteil wird nämlich erreicht,
dass sich vor der Engstelle oder dem Verschluss ein solcher Staudruck
bildet, dass das zuströmende Kühlmittel aus dem
Verteilring heraus gleichförmig in die Kühlmittelkanäle
eingeleitet wird.
-
Entsprechend
ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass – in
Strömungsrichtung gesehen – vor der ersten Einmündung
der Sammelring mittels einer Engstelle oder mittels eines Verschlusses
gedrosselt oder verschlossen ist. Auch hierdurch wird verhindert,
dass das (erwärmte) Kühlmittel, das aus den Kühlmittelkanälen
in den Sammelring einströmt, in unerwünschter
Weise mehrere Durchströmungen des Sammelrings in Umfangsrichtung
durchführt, bevor es den Sammelring über den Anschluss
verlässt. In den Sammelring einströmendes Kühlmittel
wird demzufolge gezwungen, aus dem Sammelring durch den Anschluss,
insbesondere nämlich bevorzugt den Tangentialanschluss
zum Abführen des Kühlmittels, auszuströmen.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt
zu sein.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
Kühlmantel einer elektrischen Maschine in dreidimensionaler
Darstellung und
-
2 denselben
Kühlmantel in Querschnittsdarstellung auf Höhe
des Verteilrings.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
1 zeigt
einen Kühlmantel 1 für eine nicht dargestellte
elektrische Maschine. Der Kühlmantel 1 umgibt
hierbei die nicht dargestellte elektrische Maschine umfangsförmig
und zumindest abschnittsweise. Der Kühlmantel 1 weist
an seiner einen Seite 2 (die der einen Maschinenseite 17 zugeordnet
ist) einen Verteilring 3 für durch den Verteilring 3 über
einen Tangentialanschluss 4 beströmendes Kühlmittel 5 auf.
An seiner anderen Seite 6 (die der anderen Maschinenseite 18 zugeordnet
ist, die also der einen Seite 2 am anderen Ende des Kühlmantels 1 gegenüberliegt)
weist der Kühlmantel 1 einen entsprechenden Sammelring 7 auf,
wobei der Verteilring 3 und der Sammelring 7 über
von dem Verteilring 3 ausgehende, im Wesentlichen parallel
verlaufende und schraubenförmig über den Umfang
und die Axialerstreckung des Kühlmantels 1 gewundene
Kühlmittelkanäle 8 strömungstechnisch
miteinander verbunden sind. Der Sammelring 7 weist ebenfalls
einen Tangentialanschluss 4 auf, der der Ableitung von
Kühlmittel 5 nach Passieren des Kühlmantels 1 dient.
Der an dem Verteilring 3 ausgebildete Tangentialanschluss 4 ist
hierbei ein Zulauf 9, wohingegen der an dem Sammelring 7 ausgebildete
Tangentialanschluss 4 ein Ablauf 10 ist. Zulauf 9 und
Ablauf 10 weisen im Wesentlichen in entgegengesetzte Richtungen,
um der Strömungsrichtung des Kühlmittels 5, die
dieses bei Durchströmen des Kühlmantels 1,
insbesondere nämlich der Kühlmittelkanäle 8 und
darauf folgendes Sammelrings 7 aufweist, Rechnung zu tragen.
Durch eine solche Ausbildung der Tangentialanschlüsse 4 werden
ungünstige Strömungsverhältnisse im Kühlmantel 1,
insbesondere unerwünschte Verwirbelungen, vermieden. Gleichzeitig
wird sichergestellt, dass das Kühlmittel 5 den
Kühlmantel 1 zügig und gleichförmig
passiert. Zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels 5 im
Verteilring 3 sind im Verteilring 3 Abzweigungen 11 ausgebildet,
an die sich die Kühlmittelkanäle 8 strömungstechnisch
anschließen. Die Abzweigungen 11 eröffnen
demzufolge den Verteilring 3 in den jeweils zugeordneten Kühlmittelkanal 8.
Die Kühlmittelkanäle 8 wiederum münden
in Einmündungen 12 in den Sammelring 7; die
Einmündungen 12 eröffnen demzufolge den Sammelring 7 zu
den Kühlmittelkanälen 8 hin. Die Abzweigungen 11 sind
auf dem Verteilring 3 im Wesentlichen gleich beabstandet,
wie dies der im Wesentlichen gleich beabstandeten, parallelen Anordnung
der Kühlmittelkanäle 8 entspricht. Gleiches
gilt entsprechend für die Einmündungen 12,
die am Sammelring 7 ausgebildet sind. In der dargestellten
Ausführungsform gehen vom Verteilring 3 sechs
Kühlmittelkanäle 8 ab, die nach einer
jeweils etwa hälftigen, schraubenförmigen Umwindung
der nicht dargestellten elektrischen Maschine in den Sammelring 7 münden.
Dadurch, dass die Kühlmittelkanäle 8 im
Wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweisen, ergibt sich, vom
Verteilring 3 ausgehend, ein gleichmäßiger
Druckabfall über die Kühlmittelkanäle 8,
so dass eine gleichmäßige Durchströmung
aller Kühlmittelkanäle 8 mit Kühlmittel 5 gewährleistet
ist. Die hier nicht dargestellte elektrische Maschine wird demzufolge über
ihren Umfang gleichmäßig gekühlt, wobei
in Hinblick auf ihre Axialerstreckung keine ungekühlten
Bereiche vorkommen. Insbesondere ist sichergestellt, dass über
den Umfang gleichförmig kühles Kühlmittel 5 eingeleitet
werden kann, und dass dieses Kühlmittel 5 zügig
und ohne allzu lange Verweildauer (wie dies aber bei im Stand der
Technik gängigen Ausführungsformen der Fall ist)
den Kühlmantel passieren und hierbei möglichst
zügig unter großem Temperaturgradient Wärme
von der elektrischen Maschine aufnehmen und austragen kann.
-
2 zeigt
denselben Kühlmantel und eine von ihm umgebene elektrische
Maschine 13 im Querschnitt auf Höhe des Verteilrings 3. Über
den Tangentialanschluss 4, nämlich den Zulauf 9,
strömt Kühlmittel 5 in den Verteilring 3 ein.
Der Verteilring 3 weist stromabwärts des Zulaufs 9 so
viele Abzweigungen 11 auf, wie (hier nicht sichtbare) Kühlmittelkanäle 8 (vergleiche 1)
vorhanden sind; in dem gezeigten Ausführungsbeispiel (vergleiche 1)
sind demzufolge über den Umfang des Verteilrings 3 sechs
Abzweigungen 11 im Wesentlichen gleich beabstandet zueinander
im Vollkreis angeordnet. Nach einer letzten Abzweigung 14 ist
im Verteilring 3 eine Engstelle 15 und/oder ein
Verschluss 16 angeordnet, der ein Weiterströmen
des Kühlmittels 5 über einen vollen Durchlauf
des Verteilrings 3 hinaus, also über einen Vollkreis
hinaus, verhindert oder im Falle einer Engstelle strömungstechnisch
erschwert. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Kühlmittel 5 in
die Abzweigungen 11 und damit in die (hier nicht sichtbaren) Kühlmittelkanäle 8 gezwungen
wird. Eine entsprechende Engstelle 15 beziehungsweise ein
entsprechender Verschluss 16 ist an dem Tangentialanschluss 4 (nämlich
dem Ablauf 10) des hier nicht sichtbaren Sammelrings 7 angeordnet,
mit der Maßgabe, dass der Verschluss 16 und/oder
die Engstelle 15 im Sammelring 7 strömungstechnisch
gesehen vor der ersten Einmündung 12 angeordnet
ist; hierdurch wird verhindert, dass über die Einmündungen 12 in
den Sammelring 7 gelangendes Kühlmittel 5 über
einen Vollkreis hinaus den Sammelring 7 durchströmt,
vielmehr wird das Kühlmittel 5 aus dem Sammelring 7 in
den Ablauf 10 gezwungen.
-
Kühlmäntel 1 der
beschriebenen Art können bevorzugt (und bauraumneutral
zu bestehenden Ausführungsformen) vorteilhaft in ein nicht
dargestelltes Gehäuse der elektrischen Maschine 13 integriert
werden oder Bestandteil derselben sein, insbesondere auch einstückig
mit dem Gehäuse ausgebildet sein. Sie sind insbesondere
sehr leicht im Gussverfahren herzustellen, wobei die hier beschriebene Kühlmantelgeometrie
durch den geringen Neigungswinkel der von den Kühlmittelkanälen 8 beschriebenen
schraubenförmigen Umwindungen der elektrischen Maschine 13 das
Befüllen einer Gießform mit Sand und das Entfernen
dieses Sandes aus dem Gussrohling bei der Herstellung des Gehäuses
im Vollformgießverfahren sehr vorteilhaft vereinfacht und
dadurch die Serienkonstanz bei sehr vorteilhafter Ausschussvermeidung
steigert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-