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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit, die beispielsweise in einem elektrisch oder hybrid-elektrisch angetriebenen Fahrzeug als Antriebsquelle an einer der Fahrzeugachsen dient. Die Antriebseinheit umfasst eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, welcher innerhalb des Stators drehbar ist. Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um eine Drehstrom-Asynchronmaschine handeln. Die Antriebseinheit umfasst ferner ein Getriebe, das eingangsseitig mit einem Ausgang der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Bei dem Getriebe kann es sich beispielsweise um ein Untersetzungsgetriebe und/oder ein Achsdifferentialgetriebe handeln. Weiterhin umfasst die Antriebseinheit eine elektrische Schaltung, bei der es sich beispielsweise um ein Schaltnetzteil für die elektrische Maschine handelt, insbesondere um einen Inverter. Außerdem umfasst die Antriebseinheit ein Gehäuse, das einen Motorraum und einen Getrieberaum bildet, wobei die elektrische Maschine in dem Motorraum angeordnet ist und das Getriebe zumindest teilweise in dem Getrieberaum angeordnet ist.
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Bei einer derartigen Antriebseinheit ist ein wirkungsvolles Kühlkonzept erforderlich, um bezüglich der elektrischen Maschine einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen und um die elektrische Schaltung vor Überhitzung zu schützen. Ferner muss das Getriebe gekühlt und geschmiert werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Antriebseinheit der vorgenannten Art zu schaffen, bei der die elektrische Maschine und die zugeordnete elektrische Schaltung wirkungsvoll gekühlt und auch das Getriebe hinreichend gekühlt und geschmiert werden, wobei die elektrische Antriebseinheit einen einfachen und kompakten Aufbau besitzen soll.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass die Antriebseinheit einen Schmierkreislauf aufweist, in dem eine Schmierflüssigkeit zum Schmieren und Kühlen des Rotors der elektrischen Maschine und des Getriebes geführt ist, wobei die Schmierflüssigkeit zwischen dem Motorraum und dem Getrieberaum zirkuliert, und wobei die Antriebseinheit einen Kühlkreislauf aufweist, in dem eine Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Stators der elektrischen Maschine und der elektrischen Schaltung geführt ist, wobei die Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs in wärmetauschender Verbindung zu der Schmierflüssigkeit des Schmierkreislaufs steht.
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Die elektrische Antriebseinheit umfasst somit einen Schmierkreislauf, der zumindest dem Rotor der elektrischen Maschine und einem Teil des Getriebes zugeordnet ist, und einen hiervon unabhängigen Kühlkreislauf, der dem Stator der elektrischen Maschine und der elektrischen Schaltung zugeordnet ist. Durch die getrennte Ausführung der beiden Kreisläufe können für jeden Kreislauf die verwendete Flüssigkeit und deren Temperaturniveau im Betrieb der Antriebseinheit optimal an die jeweilige Schmier- bzw. Kühlfunktion angepasst sein. Gleichwohl können der Rotor der elektrischen Maschine und Komponenten des Getriebes durch die Schmierflüssigkeit eines gemeinsamen Schmierkreislaufs geschmiert und gekühlt werden, wodurch ein einfacher und kompakter Aufbau der elektrischen Antriebseinheit erzielt wird. Da die Schmierflüssigkeit zwischen verschiedenen Bereichen des Gehäuses (Motorraum und Getrieberaum) zirkuliert, kann eine Verschmutzung der elektrischen Maschine durch Metallpartikel verhindert werden, welche möglicherweise durch Abrieb im Getriebe gebildet werden. Indem die beiden Kreisläufe in wärmetauschender Verbindung zueinander stehen, kann die in der Antriebseinheit entstehende Abwärme besonders wirksam abgeführt werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend und in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Der Schmierkreislauf und der Kühlkreislauf besitzen im Betrieb der elektrischen Antriebseinheit vorzugsweise unterschiedliche Temperaturniveaus, wobei infolge der wärmetauschenden Verbindung zueinander die Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs auch zum Kühlen der Schmierflüssigkeit des Schmierkreislaufs dient. Mit anderen Worten ist für den Kühlkreislauf ein niedrigeres Temperaturniveau vorgesehen als für den Schmierkreislauf, wobei die Kühlflüssigkeit über einen Wärmetauscher der Schmierflüssigkeit Wärme entzieht. Hierdurch können zwei verschiedene Temperaturniveaus stabil eingehalten werden, um die elektrische Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben zu können und die zugeordnete elektrische Schaltung zuverlässig vor Überhitzung zu schützen.
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Die Schmierflüssigkeit des Schmierkreislaufs ist vorzugsweise entlang des Rotors der elektrischen Maschine und auch entlang von Komponenten des Getriebes geführt, um den Rotor und die Getriebekomponenten zu schmieren und zu kühlen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Motorraum und der Getrieberaum des Gehäuses durch eine Trennwand voneinander getrennt, wobei die Schmierflüssigkeit durch Öffnungen in der Trennwand zwischen dem Motorraum und dem Getrieberaum zirkuliert, und wobei für die aus dem Getrieberaum in den Motorraum eintretende Schmierflüssigkeit eine Filtereinrichtung vorgesehen ist. Die Filtereinrichtung kann direkt an der Trennwand oder unter Bildung eines Zwischenraums benachbart hierzu angeordnet sein. Durch eine derartige Trennwand mit zugeordneter Filtereinrichtung kann besonders wirksam verhindert werden, dass die elektrische Maschine durch aus dem Getrieberaum stammende Partikel verschmutzt wird. Insbesondere kann hierdurch verhindert werden, dass Metallpartikel aus dem Getrieberaum in den Motorraum gelangen und dort beispielsweise die Isolierung der Statorwicklungen zerstören oder in den Luftspalt der elektrischen Maschine geraten und hierdurch deren Funktionstüchtigkeit beeinträchtigen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform durchquert ein erster Ablaufkanal die genannte Trennwand, durch den die Schmierflüssigkeit aus dem Motorraum in den Getrieberaum strömen kann. Ferner durchquert die Trennwand vorzugsweise ein zweiter Ablaufkanal, durch den die Schmierflüssigkeit in der Gegenrichtung, d. h. aus dem Getrieberaum in den Motorraum strömen kann. In diesem Fall ist die genannte Filtereinrichtung in oder an dem zweiten Ablaufkanal vorgesehen. In dem ersten Ablaufkanal hingegen ist eine Filtereinrichtung nicht zwingend erforderlich.
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Um die gewünschte Zirkulation der Schmierflüssigkeit des Schmierkreislaufs zwischen dem Motorraum und dem Getrieberaum zu bewirken, ist in dem Motorraum vorzugsweise eine erste Fördereinrichtung vorgesehen, welche die Schmierflüssigkeit zu Komponenten der elektrischen Maschine (insbesondere zu dem Rotor) und/oder in einer Richtung nach oben fördert. Die durch die erste Fördereinrichtung geförderte Schmierflüssigkeit kann somit gravitationsbedingt in Richtung des Getrieberaums abströmen. Zusätzlich ist in dem Getrieberaum vorzugsweise eine zweite Fördereinrichtung vorgesehen, welche die Schmierflüssigkeit zu Komponenten des Getriebes und/oder in einer Richtung nach oben fördert. Hierdurch kann die mittels der zweiten Fördereinrichtung geförderte Schmierflüssigkeit gravitationsbedingt wieder zurück in den Motorraum abströmen.
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Die genannte erste Fördereinrichtung kann insbesondere Förderflügel aufweisen, die mit dem Rotor der elektrischen Maschine drehfest verbunden sind, so dass bei einer Drehbewegung des Rotors die Schmierflüssigkeit mittels der Förderflügel zu den betreffenden Komponenten der elektrischen Maschine und/oder nach oben geschleudert oder gehoben wird. Vorzugsweise sind die Förderflügel durch Schleuderbleche gebildet, die intermittierend in einen Ölsumpf eintauchen.
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Die genannte zweite Fördereinrichtung kann insbesondere eine Zahnradpumpe aufweisen, um die Schmierflüssigkeit in dem Getrieberaum zu den Komponenten des Getriebes und/oder nach oben zu pumpen. Die Zahnradpumpe kann zumindest teilweise durch das Getriebe der Antriebseinheit gebildet sein, wodurch der zusätzliche Aufwand zur Bildung der zweiten Fördereinrichtung vorteilhaft gering ist.
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Ferner kann in dem Motorraum eine Führungseinrichtung vorgesehen sein, um die zu den Komponenten der elektrischen Maschine geförderte Schmierflüssigkeit in Richtung des Getrieberaums zu führen. Ebenso kann in dem Getrieberaum eine Führungseinrichtung vorgesehen sein, um die zu den Komponenten des Getriebes geförderte Schmierflüssigkeit in Richtung des Motorraums zu führen. Die genannten Führungseinrichtungen können beispielsweise durch Rinnen, Kanäle oder Leitungen gebildet sein, die in dem Gehäuse integral oder separat von dem Gehäuse ausgebildet sind. Auch ein zwischen dem Stator und dem Rotor der elektrischen Maschine gebildeter Ringspalt kann in dem Motorraum als Führungseinrichtung für die Schmierflüssigkeit dienen.
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Vorzugsweise umfasst das Gehäuse der Antriebseinheit einen Sumpf für die Schmierflüssigkeit des Schmierkreislaufs, wobei der Sumpf einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme von der Schmierflüssigkeit an die Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs bildet. In dem Sumpf wird während des Betriebs der elektrischen Antriebseinheit stets ein Teil der Schmierflüssigkeit gesammelt, nachdem diese den Rotor der elektrischen Maschine und/oder Komponenten des Getriebes geschmiert und gekühlt hat. Somit kann in oder an dem Sumpf des Schmierkreislaufs eine Wärmeabgabe an den Kühlkreislauf besonders wirksam erfolgen.
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Insbesondere kann wenigstens eine Leitung des Kühlkreislaufs durch den Sumpf geführt sein, um den erwünschten Wärmeübergang herbeizuführen. Beispielsweise kann eine Leitung des Kühlkreislaufs nach Art einer Kühlschlange durch den Sumpf gelegt sein.
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Zusätzlich zu der erläuterten Wärmeabgabe an den Kühlkreis kann die in dem Sumpf gesammelte Schmierflüssigkeit auch Wärme an die Umgebung abgeben, beispielsweise über einen Wandabschnitt des Gehäuses und/oder über Kühlrippen des Gehäuses.
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Was die Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs betrifft, so ist diese vorzugsweise entlang des Stators der elektrischen Maschine oder entlang eines den Stator umgebenden Gehäuseabschnitts geführt, um den Stator zu kühlen. Durch eine flächige Benetzung des Stators bzw. eines den Stator umgebenden Gehäuseabschnitts kann die Wärmeabgabe von dem Stator an die Kühlflüssigkeit besonders wirkungsvoll erfolgen.
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Hierzu ist es bevorzugt, wenn der Kühlkreislauf den Motorraum des Gehäuses umfänglich umschließt. Insbesondere kann die Kühlflüssigkeit entlang von Kühlkanälen geführt sein, die entlang einer Mantelfläche verlaufen, die durch den Stator der elektrischen Maschine oder durch einen den Stator umgebenden Gehäuseabschnitt gebildet ist.
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Um auch die genannte elektrische Schaltung mittels der Kühlflüssigkeit wirkungsvoll kühlen zu können, ist es bevorzugt, wenn die elektrische Antriebseinheit einen Schaltungsgehäuseabschnitt aufweist, in dem die elektrische Schaltung aufgenommen ist. In diesem Fall ist der Kühlkreislauf auch zu dem Schaltungsgehäuseabschnitt geführt, um die darin befindliche elektrische Schaltung zu kühlen.
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Längsschnittansicht einer elektrischen Antriebseinheit.
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Die gezeigte elektrische Antriebseinheit umfasst ein Metallgehäuse 11, das an seinen beiden Stirnseiten von einem jeweiligen Gehäusedeckel 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.
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Innerhalb der Mantelfläche 19 ist in das Metallgehäuse 11 ein Stator 23 eingesetzt, beispielsweise eingepresst. Innerhalb des Stators 23 ist ein Rotor 25 angeordnet, der mit einer hohlen 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. Die elektrische Maschine 29 ist in einem Motorraum 30 des Metallgehäuses 11 angeordnet. Der elektrischen Maschine 29 ist eine elektrische Schaltung zugeordnet, die beispielsweise einen Inverter 31 umfasst und innerhalb des Schaltungsgehäuseabschnitts 21 angeordnet ist. Die elektrische Schaltung kann ferner beispielsweise einen DC/DC-Konverter und/oder ein Ladegerät umfassen.
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Die gezeigte elektrische Antriebseinheit umfasst ferner ein Stirnradgetriebe 33, das in einem Getrieberaum 34 des Metallgehäuses 11 angeordnet ist. Das Stirnradgetriebe 33 ist eingangsseitig mit der Ausgangswelle 27 der elektrischen Maschine 29 gekoppelt. Das Stirnradgetriebe 33 ist als Untersetzungsgetriebe konfiguriert und ausgangsseitig mit dem Eingang eines (nicht dargestellten) Achsdifferentialgetriebes gekoppelt, welches wiederum zwei Ausgänge besitzt. Jedem dieser beiden Ausgänge ist ein Verbindungsflansch 35 zugeordnet, an dem eine Achswelle befestigt werden kann. Lediglich einer der Verbindungsflansche 35 ist in der gezeigten Schnittansicht ersichtlich. Der Getrieberaum 34 des Metallgehäuses 11 ist von dem Motorraum 30 mittels einer Trennwand 37 getrennt.
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Die gezeigte elektrische Antriebseinheit umfasst weiterhin einen geschlossenen Schmierkreislauf, in dem Schmieröl geführt ist, wobei die Fließrichtung des Schmieröls durch Pfeile 41 illustriert ist. Das Schmieröl dient zum Kühlen des Rotors 25 der elektrischen Maschine 29 und auch zum Schmieren des Rotors 25 bzw. der Lager 43 der Ausgangswelle 27. Zusätzlich dient das Schmieröl zum Schmieren und Kühlen der Komponenten des Stirnradgetriebes 33. Hierfür zirkuliert das Schmieröl zwischen dem Motorraum 30 und dem Getrieberaum 34, wie nachfolgend erläutert wird.
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Das Schmieröl wird in einem Sumpf 45 des Schmierkreislaufs gesammelt. An der rotierenden Ausgangswelle 27 sind mehrere Schleuderbleche 47 befestigt, die intermittierend in das in dem Sumpf 45 gesammelte Schmieröl eintauchen und dieses nach oben schleudern. Die Schleuderbleche 47 bilden somit eine erste Fördereinrichtung für das Schmieröl. Das nach oben geschleuderte Schmieröl gelangt in den Ringspalt, der zwischen dem Stator 23 und dem Rotor 25 der elektrischen Maschine 29 gebildet ist. Ferner gelangt das Schmieröl in einen Ringraum 51, der zwischen dem Rotor 25 und der Ausgangswelle 27 gebildet ist. Hierdurch wird der Rotor 25 der elektrischen Maschine 29 ständig mit dem Schmieröl benetzt.
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Das derartig in dem oberen Bereich des Motorraums 30 geförderte Schmieröl kann über einen ersten Ablaufkanal 53, der die Trennwand 37 durchquert, in den Getrieberaum 34 gelangen. Dort benetzt das Schmieröl die Komponenten des Stirnradgetriebes 33, um diese ebenfalls zu schmieren und zu kühlen. Zusätzlich zu der bestimmungsgemäßen Untersetzungswirkung bildet das Stirnradgetriebe 33 eine Zahnradpumpe, die das Schmieröl neuerlich nach oben befördert, d. h. das Stirnradgetriebe 33 bildet eine zweite Fördereinrichtung für das Schmieröl. Das derartig innerhalb des Getrieberaums 34 nach oben geförderte Schmieröl kann über einen zweiten Ablaufkanal 55, der die Trennwand 37 bezüglich des ersten Ablaufkanals 53 in der Gegenrichtung durchquert, zurück in Richtung des Motorraums 30 abströmen. Hierfür muss das Schmieröl jedoch einen Ölfilter 57 durchströmen, der die im Motorraum 30 befindliche elektrische Maschine 29 vor Verschmutzungspartikeln aus dem Getrieberaum 34 schützt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mündet der zweite Ablaufkanal 55 in den Innenraum der hohlen Ausgangswelle 27. Von dort kann das Schmieröl über das offene Ende und durch nicht dargestellte Auslassöffnungen in den Sumpf 45 gelangen.
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Zusätzlich zu dem erläuterten Schmierkreislauf umfasst die gezeigte elektrische Antriebseinheit einen offenen Kühlkreislauf, in dem Kühlwasser zirkuliert. Das Kühlwasser dient zum Kühlen des Stators 23 der elektrischen Maschine 29 sowie zum Kühlen des Inverters 31.
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Die Kühlung des Stators 23 erfolgt über die Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 11. An der Außenseite der Mantelfläche 19 sind mehrere Trennstege 61 gebildet. Durch die Trennstege 61, die Außenseite der Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 11 und die Innenseite der Mantelfläche 17 des Kunststoffgehäuses 15 sind mehrere Kühlkanäle 63 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 flächig verbundenen Stator 23 zu kühlen.
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Um das erforderliche Kühlwasser den Kühlkanälen 63 zuzuführen bzw. von diesen abzuführen, sind an dem Kunststoffgehäuse 15 mehrere Kühlwasseranschlüsse 65 vorgesehen. Eine Verzweigung des somit gebildeten Kühlkreislaufs führt auch zu dem Schaltungsgehäuseabschnitt 21, um den dort angeordneten Inverter 31 mittels des Kühlwassers zu kühlen.
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Der vorstehend erläuterte Schmierkreislauf und der Kühlkreislauf stehen in wärmetauschender Verbindung zueinander. Hierfür ist eine Leitung 67 des Kühlkreislaufs durch den Sumpf 45 des Schmierkreislaufs geführt. Der Sumpf 45 und die Leitung 67 bilden somit einen Wärmetauscher, um Wärme von dem Schmieröl an das Kühlwasser abzugeben.
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Somit sind ein Schmierkreislauf und ein Kühlkreislauf mit unterschiedlichen Temperaturniveaus gebildet, so dass die Außenseite des Stators 23 der elektrischen Maschine 29 und der Inverter 31 mittels des Kühlwassers auf einem niedrigeren Temperaturniveau (ca. 80°C) gehalten werden können als die Temperatur des Schmieröls (ca. 130°C). Hierdurch wird für die elektrische Maschine 29 eine erhöhte Leistungsdichte erzielt, und der Inverter 31 wird zuverlässig vor Überhitzung geschützt.
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Ein einziger Schmierkreislauf erlaubt es hierbei, die relevanten Komponenten sowohl der elektrischen Maschine 29 als auch des Stirnradgetriebes 33 (und des nicht dargestellten Achsdifferentialgetriebes) zu schmieren und zu kühlen. Hierdurch vereinfacht sich auch die Abdichtung der elektrischen Maschine 29 an der dem Stirnradgetriebe 33 zugewandten Seite. Durch die Verwendung der Schleuderbleche 47 als eine erste Fördereinrichtung und die Verwendung des Stirnradgetriebes 32 als eine zweite Fördereinrichtung (Zahnradpumpe) entfällt für den Schmierkreislauf die Notwendigkeit einer separaten Ölpumpe. Ferner verbessert die Verwendung der Schleuderbleche 47 als Ölfördereinrichtung an der dem Stirnradgetriebe 33 abgewandten Seite die Schmierung des dort befindlichen Lagers 43 der Ausgangswelle 47.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Metallgehäuse
- 13, 13'
- Gehäusedeckel
- 15
- Kunststoffgehäuse
- 17
- Mantelfläche des Kunststoffgehäuses
- 19
- Mantelfläche des Metallgehäuses
- 21
- Schaltungsgehäuseabschnitt
- 23
- Stator
- 25
- Rotor
- 27
- Ausgangswelle
- 29
- elektrische Maschine
- 30
- Motorraum
- 31
- Inverter
- 33
- Stirnradgetriebe
- 34
- Getrieberaum
- 35
- Verbindungsflansch
- 37
- Trennwand
- 41
- Fließrichtung des Schmieröls
- 43
- Lager der Ausgangswelle
- 45
- Sumpf
- 47
- Schleuderblech
- 49
- Ringspalt
- 51
- Ringraum
- 53
- erster Ablaufkanal
- 55
- zweiter Ablaufkanal
- 57
- Ölfilter
- 61
- Trennstück
- 63
- Kühlkanal
- 65
- Kühlwasseranschluss
- 67
- Leitung des Kühlkreislaufs
