DE102011076529A1

DE102011076529A1 - Cooling arrangement for an electric machine

Info

Publication number: DE102011076529A1
Application number: DE102011076529A
Authority: DE
Inventors: Pedro Casals Ide; Timo WEHLEN; Stephan Scharr; Karl-Hermann Ketteler; Sebastian Kornexl; Matthias Reisch; Andreas Hölscher
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2012159790A1

Abstract

Es wird eine Kühlanordnung für eine elektrische Maschine mit zumindest einem Kühlkörper (1) vorgeschlagen, der zumindest einen Kühlkanal (2) aufweist, wobei der Kühlkanal (2) einen Kühlmediumeintritt und einen Kühlmediumaustritt aufweist, und wobei der Kühlkanal (2) zumindest einen ersten Abschnitt (4) als Zuleitung und zumindest einen zweiten Abschnitt (5) als Rückleitung umfasst, sodass zumindest eine Strömungsrichtungsumkehr des Kühlmediums in dem Kühlkanal (2) vorgesehen ist.A cooling arrangement for an electrical machine with at least one heat sink (1) is proposed, which has at least one cooling channel (2), wherein the cooling channel (2) has a cooling medium inlet and a cooling medium outlet, and the cooling channel (2) has at least a first section (4) as a feed line and at least one second section (5) as a return line, so that at least one reversal of the flow direction of the cooling medium is provided in the cooling channel (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine elektrische Maschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.The present invention relates to a cooling arrangement for an electrical machine according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art.

Beispielsweise aus der Druckschrift DE 199 50 660 A1 ist eine Kühlanordnung für einen Motor bekannt. Eine Kühlung der elektrischen Maschine ist erforderlich, um die Wärmeverluste der elektrischen Maschine, die sich im Betrieb ergeben, abführen zu können. Der Motor weist einen zylindrischen Motorgehäuseabschnitt auf, welcher von einem Hüllrohr umgeben ist und mit diesem einen seitlich durch ringförmig umlaufende Dichtmittel abgeschlossenen Kühlmantelraum bildet, der von einem Kühlmittel von einem Kühlmittelzufluss zu einem Kühlmittelabfluss durchströmbar ist. Somit tritt das Kühlmittel bezogen auf die Moterlängsachse an einem Ende in den Kühlmantelraum ein und an dem gegenüberliegenden Ende aus dem Kühlmantelraum wieder aus.For example, from the document DE 199 50 660 A1 For example, a cooling arrangement for an engine is known. Cooling of the electrical machine is required in order to be able to dissipate the heat losses of the electrical machine resulting in operation. The motor has a cylindrical motor housing section, which is surrounded by a cladding tube and forms with this a laterally closed by annular circumferential sealant cooling jacket space, which is traversed by a coolant from a coolant flow to a coolant outflow. Thus, the coolant enters the cooling jacket space at one end relative to the longitudinal axis of the engine and out of the cooling jacket space at the opposite end.

Es hat sich gezeigt, dass räumlich voneinander getrennte Eintrittsbereiche und Austrittsbereiche für das Kühlmedium eine konstruktiv aufwändigere Ausführung der Kühlanordnung erfordern. Insbesondere wenn mit der Kühlanordnung weitere Bauteile bzw. Komponenten gekühlt werden sollen. Zudem ergibt sich eine deutliche Einschränkung bezüglich der konstruktiven Freiheiten der Kühlanordnung, um insbesondere eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall zu ermöglichen.It has been shown that spatially separate inlet regions and outlet regions for the cooling medium require a structurally more complex design of the cooling arrangement. In particular, when with the cooling arrangement more components or components to be cooled. In addition, there is a clear limitation with respect to the constructive freedom of the cooling arrangement, in particular to allow adaptation to the particular application.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlanordnung der eingangs beschriebenen Gattung vorzuschlagen, welche insbesondere bezüglich der konstruktiven Ausgestaltung und der Kühleigenschaften weiter verbessert wird.The present invention is based on the object to propose a cooling arrangement of the type described above, which is further improved in particular with respect to the structural design and the cooling properties.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen.This object is achieved by the features of claim 1. Advantageous embodiments will become apparent in particular from the dependent claims and the drawings.

Demzufolge wird eine Kühlanordnung beispielsweise für eine elektrische Maschine oder dergleichen vorgeschlagen, wobei die Kühlanordnung zumindest einen Kühlkörper oder Ähnliches aufweist, der zumindest einen Kühlkanal oder dergleichen umfasst. Der Kühlkanal weist zumindest einen Kühlmitteleintritt und zumindest einen Kühlmittelaustritt auf. Erfindungsgemäß umfasst der Kühlkanal zumindest einen als Hinführung bzw. Zuführung ausgebildeten Abschnitt oder Bereich und zumindest einen als Rückführung ausgebildeten Abschnitt oder Bereich, so dass in vorteilhafter Weise der Kühlmediumeintritt und der Kühlmediumaustritt direkt bzw. unmittelbar benachbart sind, da zwischen den beiden Abschnitten eine Strömungsrichtungsumkehr des Kühlmedium in dem Kühlkanal erfolgt.Accordingly, a cooling arrangement is proposed for example for an electric machine or the like, wherein the cooling arrangement has at least one heat sink or the like, which comprises at least one cooling channel or the like. The cooling channel has at least one coolant inlet and at least one coolant outlet. According to the invention, the cooling channel comprises at least one section or area designed as a lead or feed and at least one section or area designed as a return, so that advantageously the cooling medium inlet and the cooling medium outlet are directly adjacent, since a flow direction reversal of the flow path between the two sections Cooling medium takes place in the cooling channel.

Aufgrund der Umkehr der Strömungsrichtung in dem Kühlkanal der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ergeben sich sowohl konstruktive als auch funktionale Vorteile. Beispielsweise wird die axiale Länge des Kühlkörpers bezogen auf die Lauflänge des Kühlkanals quasi doppelt genutzt, da in die eine Richtung die Zuführung und in die andere Richtung die Rückführung des Kühlmedium erfolgt. Auf diese Weise wird nicht nur die Lauflänge, sondern auch die Zeit zur Wärmeübertragung deutlich vergrößert. Ein weiterer Vorteil der Strömungsrichtungsumkehr ergibt sich daraus, dass aufgrund der direkt benachbarten Übergabeorte des Kühlmediums besondere Freiheiten bezüglich der konstruktiven Gestaltung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung realisiert werden, wodurch eine mögliche Anpassung an bestimmte Einbausituationen erheblich vereinfacht wird.Due to the reversal of the flow direction in the cooling channel of the cooling arrangement according to the invention, there are both constructive and functional advantages. For example, the axial length of the heat sink based on the running length of the cooling channel is used almost double, since in one direction, the supply and in the other direction, the return of the cooling medium. In this way, not only the run length, but also the time for heat transfer is significantly increased. Another advantage of the flow direction reversal arises from the fact that due to the directly adjacent transfer points of the cooling medium special liberties with respect to the structural design of the cooling arrangement according to the invention can be realized, whereby a possible adaptation to certain installation situations is considerably simplified.

Vorzugsweise wird als Kühlkörper eine zylindrische Form oder Ähnliches vorgesehen, wobei auch andere Formen möglich sind. Besonders vorteilhaft ist beispielsweise eine Form des Kühlkörpers als Hohlzylinder, bei der zum Beispiel am äußeren Umfang des Kühlkörpers der Kühlkanal in Form einer Wendel oder einer Schraubenfeder geführt ist. Bei den vorgenannten Formen des Kühlkanals ergibt sich eine besonders gleichmäßige Kühlwirkung über die Oberfläche des Kühlkörpers, um die erzeugte Wärme einer direkt mit dem Kühlkörper in Kontakt stehenden elektrischen Maschine optimal abzuführen.Preferably, a cylindrical shape or the like is provided as a heat sink, although other shapes are possible. For example, a shape of the heat sink is particularly advantageous as a hollow cylinder, in which, for example, the cooling channel is guided in the form of a helix or a helical spring on the outer circumference of the heat sink. In the abovementioned forms of the cooling channel, a particularly uniform cooling effect results over the surface of the heat sink in order to optimally dissipate the heat generated by an electric machine that is in direct contact with the heat sink.

Des Weiteren ergibt sich bei einem als Hohlzylinder ausgeführten Kühlkörper der erfindungsgemäßen Kühlanordnung der Vorteil, dass eine zu kühlende elektrische Maschine oder dergleichen in dessen Hohlraum auf einfachste Weise aufgenommen werden kann, wobei der äußere Umfang des Hohlzylinders von einem entsprechend gesteigerten bzw. angepassten Gehäuse umgeben ist, so dass der an dem äußeren Umfang des Hohlzylinders vorgesehene Kühlkanal nach außen hin durch das Gehäuse begrenzt und damit abgedichtet ist. Es sind aber auch andere konstruktive Ausgestaltungen denkbar, bei denen ein möglichst direkter Kontakt zwischen der zu kühlenden elektrischen Maschine und dem Kühlkörper realisiert werden.Furthermore, in the case of a cooling body designed as a hollow cylinder, the cooling arrangement according to the invention has the advantage that an electrical machine or the like to be cooled can be accommodated in the cavity in the simplest manner, the outer circumference of the hollow cylinder being surrounded by a correspondingly increased or adapted housing in that the cooling channel provided on the outer circumference of the hollow cylinder is bounded outwardly and sealed by the housing. But there are also other structural embodiments are conceivable in which the most direct contact between the electrical machine to be cooled and the heat sink can be realized.

Um den Zuführbereich und den Rückführbereich in dem Kühlkanal der Kühlanordnung zu realisieren, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die beiden Abschnitte oder Bereiche durch etwa zwei parallel zueinander verlaufende Wendeln oder dergleichen gebildet werden. Es sind auch spulenförmige Verläufe der benachbarten Abschnitte denkbar. Die Verläufe der Abschnitte können eine Konstante aber auch eine variable Steigung aufweisen. Vorzugsweise sind die Verläufe der beiden Abschnitte identisch ausgeführt bzw. korrespondieren, so dass das zugeführte Kühlmedium durch den ersten Abschnitt zum Beispiel über die gesamte axiale Länge des Kühlkörpers zugeführt und durch den daran anschließenden Abschnitt wieder zum Beispiel über die gesamte Länge des Kühlkörpers zurückgeführt wird, um einen gemeinsamen Übergabeort für das Kühlmedium an dem Kühlkörper zu realisieren. Somit wird als Kühlkörper quasi ein Gegenstromspiral- bzw. -wendelkühlmantel zum Beispiel für elektrische Maschinen vorgesehen.In order to realize the feed region and the return region in the cooling channel of the cooling arrangement, it can be provided according to a preferred embodiment that the two sections or regions are formed by approximately two mutually parallel helixes or the like. Coil-shaped courses of the adjacent sections are also conceivable. The profiles of the sections can have a constant but also a variable gradient. Preferably, the Course of the two sections executed identical or correspond, so that the supplied cooling medium supplied through the first portion, for example over the entire axial length of the heat sink and is returned by the adjoining section again, for example over the entire length of the heat sink to a common Transfer location for the cooling medium to realize the heat sink. Thus, a countercurrent spiral or -wendel cooling jacket, for example, provided for electric machines as a quench body.

Zum Vergrößern der wirksamen Oberfläche des Kühlkanals können Rippenelemente oder dergleichen Elemente im Verlauf des Kühlkanals vorgesehen werden, so dass neben der bereits optimierten Lauflänge des Kühlkanals zusätzlich auch die wirksame Kühlfläche bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung optimiert wird.To increase the effective surface of the cooling channel rib elements or the like elements can be provided in the course of the cooling channel, so that in addition to the already optimized run length of the cooling channel also the effective cooling surface is optimized in the cooling arrangement according to the invention.

Die vorliegende Erfindung beansprucht nicht nur die vorgeschlagene Kühlanordnung mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlkörper separat, sondern auch zusätzlich die Kühlanordnung im Bezug auf eine zu kühlende elektrische Maschine und ein die Kühlanordnung umgebenes Gehäuse oder dergleichen.The present invention claims not only separately the proposed cooling arrangement with the inventively designed cooling body, but also in addition the cooling arrangement with respect to an electric machine to be cooled and a housing surrounded by the cooling arrangement or the like.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert, in denen zwei mögliche Ausführungsvarianten beispielhaft angegeben sind. Es zeigen:Hereinafter, the present invention will be further explained with reference to the drawings, in which two possible embodiments are given by way of example. Show it:

1 eine schematische Seitenansicht einer ersten möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung; und 1 a schematic side view of a first possible embodiment of a cooling arrangement according to the invention; and

2 eine schematische Seitenansicht einer zweiten möglichen Ausführungsvariante der Kühlanordnung. 2 a schematic side view of a second possible embodiment of the cooling arrangement.

1 und 2 zeigen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung für eine elektrische Maschine. Unabhängig von den jeweiligen Ausführungsvarianten umfasst die Kühlanordnung einen Kühlkörper 1. Der Kühlkörper 1 ist beispielhaft als Hohlzylinder ausgebildet, der an seinem äußeren Umfang bzw. an seinem äußeren Mantel einen Kühlkanal 2 aufweist. 1 and 2 show examples of possible embodiments of a cooling arrangement according to the invention for an electrical machine. Regardless of the respective embodiments, the cooling arrangement comprises a heat sink 1 , The heat sink 1 is exemplified as a hollow cylinder formed on its outer periphery or on its outer jacket a cooling channel 2 having.

Der zylindrisch ausgebildete Kühlkörper 1 kann in seinem im Inneren vorgesehenen Hohlraum bzw. Innenraum die zu kühlende elektrische Maschine aufnehmen, die jedoch nicht weiter in den Figuren dargestellt ist. Auf diese Weise ergibt sich ein direkter Kontakt zwischen der elektrischen Maschine und dem Kühlkörper 1, um die in der elektrischen Maschine beispielsweise in der Wicklung oder dem Stator erzeugte Wärme über die erfindungsgemäße Kühlanordnung abzuführen. Der Kühlkörper 1 ist mit einem lediglich angedeuteten Gehäuse 3 umgeben, so dass der an dem Umfang des Kühlkörpers 1 verlaufene Kühlkanal 2 nach außen hin abgedichtet ist. In den Figuren ist das Gehäuse 3 jeweils der Einfachheit halber nur an einer Querschnittsseite angedeutet.The cylindrically shaped heat sink 1 can record in its interior cavity or interior to be cooled electrical machine, which is not shown in the figures. In this way results in a direct contact between the electric machine and the heat sink 1 in order to dissipate the heat generated in the electrical machine, for example in the winding or the stator, via the cooling arrangement according to the invention. The heat sink 1 is with a merely indicated housing 3 surrounded, so that at the periphery of the heat sink 1 running cooling channel 2 is sealed to the outside. In the figures, the housing 3 each indicated for simplicity only on a cross-sectional side.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Kühlkanal 2 einen ersten Abschnitt 4 als Zuleitung und einen zweiten Abschnitt 5 als Rückleitung aufweist, so dass der nicht weiter dargestellte Kühlmediumeintritt und der ebenfalls nicht weiter dargestellte Kühlmediumaustritt unmittelbar benachbart sind, da diese beispielsweise an einem Ende bezogen auf die Längsachse 6 des Kühlkörpers 1 bzw. der elektrischen Maschine angeordnet sind.According to the invention it is now provided that the cooling channel 2 a first section 4 as a supply line and a second section 5 having as return line, so that the not further shown cooling medium inlet and also not shown Kühlmediumaustritt are immediately adjacent, as these, for example, at one end with respect to the longitudinal axis 6 of the heat sink 1 or the electric machine are arranged.

Der an dem äußeren Umfang des Kühlkörpers 1 verlaufende Kühlkanal 2 mit seinen beiden Abschnitten 4, 5 ist wendelförmig ausgeführt. Die beiden Abschnitte 4, 5 des Kühlkanals 2 erstrecken sich über die gesamte axiale Länge des Kühlkörpers 1, wobei das Ende 7 des ersten Abschnittes 4 mit dem Anfang 8 des zweiten Abschnittes 5 verbunden ist und somit die Strömungsumkehr des Kühlmediums ermöglicht. Dadurch sind die beiden Abschnitte 4 und 5 als zwei etwa parallel zueinander verlaufende Wendeln ausgebildet. Somit ist die Strömung des in dem ersten Abschnitt 4 enthaltenen Kühlmediums der Strömung des in dem zweiten Abschnitt 5 enthaltenen Kühlmediums entgegen gerichtet. Die Strömungsrichtungsumkehr an dem Ende 7 des ersten Abschnittes 4 bzw. an dem Anfang 8 des zweiten Abschnittes 5 ist durch einen Pfeil 9 angedeutet, wobei die Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem ersten Abschnitt 4 durch einen Pfeil 10 und die Strömungsrichtung des Kühlmediums in dem zweiten Abschnitt 5 durch einen Pfeil 11 gekennzeichnet sind.The on the outer periphery of the heat sink 1 extending cooling channel 2 with its two sections 4 . 5 is helical. The two sections 4 . 5 of the cooling channel 2 extend over the entire axial length of the heat sink 1 , the end being 7 of the first section 4 with the beginning 8th of the second section 5 is connected and thus allows the flow reversal of the cooling medium. This causes the two sections 4 and 5 formed as two approximately mutually parallel helices. Thus, the flow is in the first section 4 contained cooling medium of the flow in the second section 5 directed cooling medium directed counter. The flow direction reversal at the end 7 of the first section 4 or at the beginning 8th of the second section 5 is by an arrow 9 indicated, wherein the flow direction of the cooling medium in the first section 4 through an arrow 10 and the flow direction of the cooling medium in the second section 5 through an arrow 11 Marked are.

In 2 ist die zweite mögliche Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kühlanordnung dargestellt, bei der im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante gemäß 1 eine Kühlrippe 12 über die gesamte Lauflänge des Kühlkanals 2 zur Vergrößerung der wirksamen Kühlfläche vorgesehen ist. Die Kühlrippe 12 ist bezogen auf den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 2 etwa mittig vorgesehen. Auf diese Weise wird der Kühlkanal 2 in Strömungsrichtung in zwei Strömungsbereiche aufgeteilt, die durch die Kühlrippe 12 bereichsweise voneinander getrennt sind, so dass die Kühlwirkung in dem Kühlkörper 1 erhöht wird. Die in Strömungsrichtung verlaufende Kühlrippe 12 kann beliebige Formen aufweisen. Vorzugsweise kann die Kühlrippe in beiden Abschnitten 4, 5 des Kühlkanals 2 vorgesehen sein.In 2 is the second possible embodiment of the cooling arrangement according to the invention shown, in which, in contrast to the first embodiment according to 1 a cooling fin 12 over the entire run length of the cooling channel 2 is provided to increase the effective cooling area. The cooling fin 12 is based on the flow cross-section of the cooling channel 2 provided approximately in the middle. In this way, the cooling channel 2 divided in the flow direction into two flow areas, through the cooling fin 12 are partially separated from each other, so that the cooling effect in the heat sink 1 is increased. The cooling fins running in the direction of flow 12 can have any shapes. Preferably, the cooling fin in both sections 4 . 5 of the cooling channel 2 be provided.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kühlkörperheatsink
22: Kühlkanalcooling channel
33: Gehäusecasing
44: erster Abschnitt des Kühlkanalsfirst section of the cooling channel
55: zweiter Abschnitt des Kühlkanalssecond section of the cooling channel
66: Längsachse des KühlkörpersLongitudinal axis of the heat sink
77: Ende des ersten AbschnittesEnd of the first section
88th: Anfang des zweiten AbschnittesBeginning of the second section
99: Pfeil-Strömungsrichtungsumkehr des KühlmediumsArrow flow direction reversal of the cooling medium
1010: Pfeil-Strömungsrichtung des Kühlmediums im ersten AbschnittArrow flow direction of the cooling medium in the first section
1111: Pfeil-Strömungsrichtung des Kühlmediums im zweiten AbschnittArrow flow direction of the cooling medium in the second section
1212: Kühlrippecooling fin

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19950660 A1 [0002]

Claims

Cooling arrangement for an electrical machine with at least one heat sink ( 1 ), the at least one cooling channel ( 2 ), wherein the cooling channel ( 2 ) has at least one cooling medium inlet and a cooling medium outlet, characterized in that the cooling channel ( 2 ) at least a first section ( 4 ) as a supply line and at least a second section ( 5 ) as return, so that at least one flow direction reversal of the cooling medium in the cooling channel ( 2 ) is provided.

Cooling arrangement according to claim 1, characterized in that the sections of the cooling channel ( 2 ) at least partially approximately helically on the outer circumference of the approximately cylindrical heat sink ( 1 ).

Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the two sections ( 4 . 5 ) of the cooling channel ( 2 ) each substantially over the axial length of the heat sink ( 1 ), the end ( 7 ) of the first section ( 4 ) with the beginning ( 8th ) of the second section for the flow direction reversal of the cooling medium is connected.

Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling medium inlet and the cooling medium outlet immediately adjacent to one end of the cylindrical cooling body ( 1 ) are arranged.

Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the two sections ( 4 . 5 ) of the cooling channel ( 2 ) are formed as two approximately mutually parallel helices.

Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the flow in the first section ( 4 ) contained the flow of the in the second section ( 5 ) is directed counter to the cooling medium contained.

Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling channel ( 2 ) at least one cooling fin ( 12 ) having.

Cooling arrangement according to claim 7, characterized in that the cooling channel ( 2 ) in the flow cross-section approximately in the middle of a running in the flow direction of cooling fin ( 12 ) at least in regions relative to the run length of the cooling channel ( 2 ) having.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink ( 1 ) is formed as a hollow cylinder, which from a housing ( 3 ), and that the cavity of the heat sink ( 1 ) receives the electrical machine to be cooled.