DE102010008584A1

DE102010008584A1 - Elektrische Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102010008584A1
Application number: DE102010008584A
Authority: DE
Inventors: Daniel Prix
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-08-25
Also published as: DE112011100588A5; US9000631B2; CN102782998B; CN102782998A; WO2011101224A1; US20120313465A1

Abstract

Eine elektrische Antriebseinheit umfasst einen Stator, der in einem Metallgehäuse aufgenommen ist, und einen Rotor, der innerhalb des Stators drehbar ist. An dem Metallgehäuse ist im Bereich des Stators ein Kunststoffgehäuse angeordnet, das wenigstens einen Kühlkanal für eine Kühlflüssigkeit bildet, um den Stator über das Metallgehäuse zu kühlen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einem Stator, der in einem Metallgehäuse aufgenommen ist, und mit einem Rotor, der innerhalb des Stators drehbar ist. Der Stator und der Rotor bilden eine elektrische Maschine, um ein mit dem Rotor verbundenes Ausgangselement (z. B. Flansch, Welle) anzutreiben. Eine derartige Antriebseinheit kann in einem hybridelektrischen Fahrzeug als Antriebsquelle dienen.
Je nach Leistungsaufnahme der Antriebseinheit ist eine Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich. Hierdurch wird die Herstellung des den Stator aufnehmenden Metallgehäuses unerwünscht aufwendig.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Antriebseinheit der vorgenannten Art zu schaffen, die bei einfacher Herstellung ein geringes Gewicht besitzt.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass an dem Metallgehäuse im Bereich des Stators ein Kunststoffgehäuse angeordnet ist, das wenigstens einen Kühlkanal für eine Kühlflüssigkeit bildet, um den Stator über das Metallgehäuse zu kühlen.
Bei der elektrischen Antriebseinheit ist an dem Metallgehäuse im Bereich des Stators ein Kunststoffgehäuse angeordnet. Das Kunststoffgehäuse bildet wenigstens einen Kühlkanal (vorzugsweise eine Vielzahl von Kühlkanälen) für eine Kühlflüssigkeit (insbesondere Kühlwasser). Diese Kühlflüssigkeit dient dazu, den Stator indirekt, nämlich über das Metallgehäuse, zu kühlen.
Durch das zusätzliche Kunststoffgehäuse vereinfacht sich die Herstellung des Metallgehäuses und insbesondere der hieran erforderlichen Kühlkanäle erheblich. Ferner besitzt die Antriebseinheit aufgrund der Verwendung eines Kunststoffgehäuses ein besonders geringes Gewicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wirken das Kunststoffgehäuse und das Metallgehäuse zusammen, um den oder die Kühlkanäle gemeinsam zu bilden. Alternativ hierzu kann der jeweilige Kühlkanal vollständig innerhalb des Kunststoffgehäuses gebildet sein.
Vorzugsweise bildet das Metallgehäuse im Bereich des Stators eine Mantelfläche, wobei auch das Kunststoffgehäuse im Bereich des Stators eine Mantelfläche bildet, die der Mantelfläche des Metallgehäuses entspricht und mit dieser einen Ringspalt bildet. An der Mantelfläche des Metallgehäuses oder an der Mantelfläche des Kunststoffgehäuses oder an beiden Mantelflächen sind Trennstege ausgebildet. Die beiden Mantelflächen und die Trennstege bilden gemeinsam den oder die Kühlkanäle, d. h. der jeweilige Kühlkanal wird durch die Mantelfläche des Metallgehäuses, die Mantelfläche des Kunststoffgehäuses und die genannten Trennstege begrenzt. Die genannten Mantelflächen können insbesondere Mantelflächen eines Vollzylinders oder eines Zylindersegments sein. Die Trennstege können sich entlang des gesamten Umfangs oder lediglich eines Teiles des Umfangs des Metallgehäuses bzw. des Kunststoffgehäuses erstrecken.
Es ist bevorzugt, wenn das Kunststoffgehäuse das Metallgehäuse im Bereich des Stators umfänglich umschließt, um letztlich einen umfänglich geschlossenen Kühlwassermantel in dem Ringspalt zwischen den Mantelflächen zu bilden. Allerdings kann das Kunststoffgehäuse auch lediglich entlang eines begrenzten Umfangsbereichs des Metallgehäuses vorgesehen sein, entsprechend dem vorgenannten Zylindersegment.
Die Kühlkanäle verlaufen bezüglich einer Längsachse des Stators bzw. des Rotors vorzugsweise in Umfangsrichtung, um das Metallgehäuse im Bereich des Stators wirkungsvoll zu kühlen und die Förderung der Kühlflüssigkeit zu vereinfachen. Relativ hierzu können die Kühlkanäle jedoch auch spiralförmig oder in axialer Richtung verlaufen.
Das Kunststoffgehäuse kann einteilig ausgebildet sein. In diesem Fall wird das Kunststoffgehäuse vorzugsweise in axialer Richtung (wiederum bezogen auf die Längsachse des Stators bzw. des Rotors) auf das Metallgehäuse aufgesetzt. Alternativ hierzu kann das Kunststoffgehäuse zweiteilig ausgebildet sein, wobei die Trennebene der beiden Gehäuseteile vorzugsweise durch die vorgenannte Längsachse des Stators bzw. Rotors verläuft. Insbesondere können die beiden Gehäuseteile in diesem Fall im Wesentlichen zwei Halbzylinderflächen entsprechen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Kunststoffgehäuse integrierte Dichtabschnitte aufweist. Diese Dichtabschnitte können beispielsweise bei der Herstellung des Kunststoffgehäuses gemäß einem Spritzgießverfahren durch mitgespritzte Dichtungen gebildet werden, d. h. vor dem Spritzgießen werden geeignete Gummidichtungen in die Form eingelegt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besitzt das Kunststoffgehäuse zusätzlich einen Schaltungsgehäuseabschnitt, in dem eine elektrische Schaltung der Antriebseinheit aufgenommen ist, die ebenfalls zu kühlen ist. Zu diesem Zweck führen der oder die Kühlkanäle auch zu dem Schaltungsgehäuseabschnitt, um die darin angeordnete elektrische Schaltung zu kühlen. Bei der elektrischen Schaltung kann es sich beispielsweise um ein Schaltnetzteil handeln, insbesondere einen Inverter.
Um elektromagnetische Störungen der genannten Schaltung aufgrund des Betriebs der elektrischen Maschine zu vermeiden, ist in dem Schaltungsgehäuseabschnitt des Kunststoffgehäuses vorzugsweise wenigstens eine Metallfolie oder ein Metallblech eingelegt oder eingesetzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Antriebseinheit ein Getriebe (insbesondere Untersetzungsgetriebe) und einen Schmierflüssigkeitskreislauf aufweisen, um das Getriebe oder auch den Rotor der elektrischen Maschine mit einer separaten Schmierflüssigkeit (z. B. Schmieröl) zu schmieren und/oder zu kühlen. Mit anderen Worten sind in diesem Fall zwei Flüssigkeitskreisläufe vorgesehen, nämlich die in den Kühlkanälen des Kunststoffgehäuses geführte Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Stators von außen (über das Metallgehäuse), und die innerhalb des Metallgehäuses geführte Schmierflüssigkeit. Hierdurch können zwei verschiedene Temperaturniveaus der beiden Kühl- bzw. Schmierflüssigkeiten realisiert werden, und die genannte Kühlflüssigkeit kann auch zum Kühlen der genannten Schmierflüssigkeit dienen.
Zu diesem Zweck ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Antriebseinheit einen Sumpf für die Schmierflüssigkeit besitzt, wobei der Sumpf zugleich einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme von der Schmierflüssigkeit (z. B. Öl) an die Kühlflüssigkeit (z. B. Wasser) bildet.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 und 2 zeigen eine jeweilige Perspektivansicht einer elektrischen Antriebseinheit.
3 und 4 zeigen eine Längsschnittansicht bzw. Explosionsansicht hiervon.
Die in den 1 bis 4 gezeigte elektrische Antriebseinheit umfasst ein Metallgehäuse 11, das an seinen beiden Stirnseiten von einem jeweiligen Deckel 13, 13' verschlossen ist. Das Metallgehäuse 11 ist vorzugsweise aus Aluminium gegossen. Die Antriebseinheit besitzt ferner ein Kunststoffgehäuse 15 mit einer zylindrischen Mantelfläche 17, die eine zylindrische Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 11 umfänglich umschließt. Das Kunststoffgehäuse 15 besitzt ferner einen an der Oberseite aufgesetzten, quaderförmigen Schaltungsgehäuseabschnitt 21.
Innerhalb der Mantelfläche 19 ist in das Metallgehäuse 11 ein Stator 23 eingepresst. Innerhalb des Stators ist ein Rotor 25 angeordnet, der mit einer Ausgangswelle 27 drehfest verbunden ist, welche in dem Metallgehäuse 11 drehbar gelagert ist. Der Stator 23 und der Rotor 25 bilden eine elektrische Maschine 29, insbesondere eine Drehstrom-Asynchronmaschine. Der elektrischen Maschine 29 ist ein Inverter 31 zugeordnet, der innerhalb des Schaltungsgehäuseabschnitts 21 angeordnet ist.
Die gezeigte Antriebseinheit umfasst ferner ein Stirnradgetriebe 33, das eingangsseitig mit der Ausgangswelle 27 der elektrischen Maschine 29 und ausgangsseitig mit einem Verbindungsflansch 35 gekoppelt ist.
Eine Besonderheit der gezeigten Antriebseinheit besteht darin, dass das Kunststoffgehäuse 15 gemeinsam mit dem Metallgehäuse 11 einen offenen Kühlwasserkreislauf zum Kühlen des Stators 23 über das Metallgehäuse 11 bildet. Hierfür sind an der Außenseite der Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 11 mehrere in Umfangsrichtung unterschiedlich weit verlaufende Trennstege 37 gebildet. Durch die Trennstege 37, die Außenseite der Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 11 und die Innenseite der Mantelfläche 17 des Kunststoffgehäuses 15 sind mehrere Kühlkanäle 39 gebildet, durch die Kühlwasser entlang der Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 11 in Umfangsrichtung fließen kann. Hierdurch wird ein umfänglich geschlossener Kühlwassermantel gebildet, um durch Wärmeleitung entlang des Metallgehäuses 11 den hiermit verbundenen Stator 23 zu kühlen.
Um das erforderliche Kühlwasser den Kühlkanälen 39 zuzuführen bzw. von diesen abzuführen, sind an dem Kunststoffgehäuse 15 mehrere Kühlwasseranschlüsse 41 vorgesehen. Eine Verzweigung des somit gebildeten Kühlwasserkreislaufs führt auch zu dem Schaltungsgehäuseabschnitt 21, um den dort angeordneten Inverter 31 mittels des Kühlwassers zu kühlen.
Die gezeigte Antriebseinheit umfasst ferner einen geschlossenen Ölkreislauf, um das Stirnradgetriebe 33 zu schmieren und zu kühlen und um auch die Lager für die Ausgangswelle 27 zu schmieren und den Rotor 25 zu kühlen. Die Fließrichtung des Schmieröls ist in 3 durch Pfeile 43 illustriert. Dem Ölkreislauf ist ein Sumpf 45 zugeordnet, durch den eine Leitung 47 des Kühlwasserkreislaufs geführt ist. Der Sumpf 45 und die Leitung 47 bilden somit einen Wärmetauscher, um Wärme von dem Schmieröl an das Kühlwasser abzugeben.
Somit sind im Ergebnis zwei Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Temperaturniveaus gebildet, so dass insbesondere auch der Inverter 31 mittels des Kühlwassers auf einem niedrigeren Temperaturniveau (ca. 80°C) gehalten werden kann als die Temperatur des Schmieröls (ca. 130°C).
Bezugszeichenliste

11: Metallgehäuse
13, 13': Deckel
15: Kunststoffgehäuse
17: Mantelfläche des Kunststoffgehäuses
19: Mantelfläche des Metallgehäuses
21: Schaltungsgehäuseabschnitt
23: Stator
25: Rotor
27: Ausgangswelle
29: elektrische Maschine
31: Inverter
33: Stirnradgetriebe
35: Verbindungsflansch
37: Trennsteg
39: Kühlkanal
41: Kühlwasseranschluss
43: Fließrichtung des Schmieröls
45: Sumpf
47: Leitung

Claims

Elektrische Antriebseinheit, mit einem Stator (23), der in einem Metallgehäuse (11) aufgenommen ist, und mit einem Rotor (25), der innerhalb des Stators drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Metallgehäuse (11) im Bereich des Stators (23) ein Kunststoffgehäuse (15) angeordnet ist, das wenigstens einen Kühlkanal (39) für eine Kühlflüssigkeit bildet, um den Stator (23) über das Metallgehäuse (11) zu kühlen.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgehäuse (15) und das Metallgehäuse (11) zusammenwirken, um den oder die Kühlkanäle (39) gemeinsam zu bilden.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallgehäuse (11) im Bereich des Stators (23) eine Mantelfläche (19) bildet, wobei auch das Kunststoffgehäuse (15) im Bereich des Stators (23) eine Mantelfläche (17) bildet, wobei an dem Metallgehäuse und/oder dem Kunststoffgehäuse Trennstege (37) ausgebildet sind, und wobei die Mantelfläche (19) des Metallgehäuses, die Mantelfläche (17) des Kunststoffgehäuses und die Trennstege (37) den oder die Kühlkanäle (39) bilden.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgehäuse (15) das Metallgehäuse (11) im Bereich des Stators (23) umfänglich umschließt.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgehäuse (15) einteilig oder zweiteilig ausgebildet ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgehäuse (15) integrierte Dichtabschnitte aufweist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffgehäuse (15) einen Schaltungsgehäuseabschnitt (21) aufweist, in dem eine elektrische Schaltung (31) der Antriebseinheit aufgenommen ist, wobei der oder die Kühlkanäle (39) auch zu dem Schaltungsgehäuseabschnitt (21) führen, um die elektrische Schaltung (31) zu kühlen.
Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaltungsgehäuseabschnitt (21) eine Metallfolie oder ein Metallblech angeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit ferner ein Getriebe (33) aufweist, wobei das Metallgehäuse (11) wenigstens einen Kanal für eine Schmierflüssigkeit zum Schmieren und Kühlen des Getriebes (33) und/oder des Rotors (25) aufweist.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit einen Sumpf (45) für die Schmierflüssigkeit aufweist, wobei der Sumpf einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme von der Schmierflüssigkeit an die Kühlflüssigkeit bildet.