-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang sowie ihre Verwendung und ein Verfahren zur Kühlung einer solchen elektrischen Maschine.
-
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind elektrische Maschinen für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere für einen Hybridantrieb, bekannt. Um die elektrischen Maschinen zu kühlen, ist es dabei üblich, Luft oder gegebenenfalls auch Wasser zur Kühlung der elektrischen Maschine einzusetzen und dieses Kühlmedium durch zumindest einen Bereich der Maschine zu leiten. Die Kühlung der elektrischen Maschine ist dabei eingeschränkt, da über einen von der Flüssigkeit durchströmten Kühlwärmetauscher lediglich bestimmte Bereiche der Maschine gekühlt werden können, und da in anderen Bereichen der Maschine eine derartige Kühlung nicht möglich ist.
-
Im allgemeinen Stand der Technik haben sich daher für den genannten Einsatzzweck elektrische Maschinen etabliert, welche über eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Öl, gekühlt sind. Solche ölgekühlten elektrischen Maschinen weisen neben einem von Öl durchströmten Wärmetauscher eine direkte Kühlung insbesondere der Wickelköpfe der elektrischen Maschine auf. Die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit wird dabei innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine offen über die Wickelköpfe geleitet, sodass eine großflächige Wärmeabfuhr innerhalb der elektrischen Maschine möglich wird.
-
In der Praxis hat sich nun jedoch gezeigt, dass derartige über eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit gekühlte Maschinen immer wieder dazu neigen, sich sehr stark zu erwärmen, was beispielsweise bei permanent erregten Synchronmaschinen als elektrische Maschine so weit gehen kann, dass im Bereich des Rotors eine Entmagnetisierung auftritt. Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Eine besonders bevorzugte Verwendung der elektrischen Maschine ist im Anspruch 9 angegeben. Ein Verfahren zur Kühlung einer derartigen elektrischen Maschine ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der elektrischen Maschine beziehungsweise des Verfahrens zum Kühlen einer solchen elektrischen Maschine ergeben sich aus den jeweils abhängigen Unteransprüchen.
-
Die Erfinder haben erkannt, dass die Problematik bei von elektrisch isolierender Kühlflüssigkeit gekühlten elektrischen Maschinen, welche sich sehr stark erhitzen, häufig auf ein Aufschäumen des oft als Kühlflüssigkeit eingesetzten Öls zurückgeht. Durch dieses Aufschäumen des Öls kann es zu einer verminderten Förderleistung in einem Kreislauf der Kühlflüssigkeit kommen und damit außerdem zu einem Anstieg der Oberkante der Flüssigkeit beziehungsweise des Schaums in einem das Öl als Kühlflüssigkeit aufweisenden Ölsumpf innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine. Die Erfinder haben dabei erkannt, dass in dem Augenblick, wo Schaum und insbesondere Flüssigkeit in den Bereich des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor gelangt, die Kühlflüssigkeit aufgrund der auftretenden Reibung außerordentlich stark erwärmt wird, was zu den eingangs geschilderten bisher überraschenden Problemen führt. Um dieser Problematik entgegenzuwirken haben die Erfinder nun neben der bewährten Ölkühlung für die Wickelköpfe der elektrischen Maschine eine zusätzlich Kühlung des Stators der elektrischen Maschine über einen von einer nicht elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlwärmetauscher vorgesehen. Der vom Öl durchströmte Kühlwärmetauscher kann zur Einsparung von Bauteilen und Bauraum im Gegenzug entfallen. Hierdurch ist es möglich, die Menge an benötigtem Öl beziehungsweise an benötigter elektrisch isolierender Kühlflüssigkeit auf ein absolutes Minimum zu reduzieren, da nur noch die Wickelköpfe selbst gekühlt werden müssen. Der Stator wird über den Kühlwärmetauscher und die nicht elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, effizient gekühlt. Durch die Reduktion der Menge an elektrisch isolierender Kühlflüssigkeit auf ein absolutes Minimum wird auch bei herkömmlicher Bauform des Gehäuses der elektrischen Maschine erreicht, dass der Flüssigkeits- und/oder Schaum-Füllstand nie so stark ansteigen kann, dass die Gefahr eines Eintritts von elektrisch isolierender Kühlflüssigkeit in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator besteht.
-
Da über die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit nur noch die Wickelköpfe gekühlt werden müssen und ein Großteil der im Bereich des Stators anfallenden Wärme über die elektrisch nicht isolierende Kühlflüssigkeit abgeführt wird, kann der zur Kühlung benötigte Volumenstrom der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit verringert werden. Dies führt zu einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit und damit einer geringeren Neigung zur Schaumbildung. Außerdem kann die für die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit benötigte Kühlmittelpumpe mit deutlich kleinerem Bauvolumen und kleinerer Antriebsleistung ausgestattet werden, was diese in der Herstellung beziehungsweise Anschaffung sehr viel kostengünstiger macht.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann es außerdem vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit über Leitungselemente und eine Pumpe von einem im bestimmungsgemäßem Gebrauch unten im Gehäuse befindlichen Kühlflüssigkeitssumpf zu den wenigstens zwei Öffnungen für die direkte Kühlung der Wickelköpfe gefördert strömt, wobei in einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon der Kühlflüssigkeitssumpf und/oder die Leitungselemente in wärmeleitendem Kontakt zu dem Kühlwärmetauscher stehen. Ein solche wärmeleitender Kontakt des Kühlflüssigkeitssumpfs und/oder der Leitungselemente, in welchem die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit strömt, zu dem Kühlwärmetauscher ist von besonderem Vorteil, da über die nicht elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, welche typischerweise eine sehr viel höhere Wärmekapazität als die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit aufweist, eine Kühlung der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit erfolgen kann, sodass diese auf ein niedrigeres Temperaturniveau abgekühlt wird, als bei einem herkömmlichen Aufbau. Hierdurch wird die Kühlung der Wickelköpfe weiter verbessert, wodurch die Menge an benötigter elektrisch isolierender Kühlflüssigkeit nochmals reduziert oder die Dauerleistung der elektrischen Maschine entsprechend gesteigert werden kann.
-
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es ferner vorgesehen sein, dass der Kühlflüssigkeitssumpf und/oder die Leitungselemente auf der dem Stator abgewandten Seite des Kühlwärmetauschers in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kühlwärmetauscher ausgebildet sind. Hierdurch ist es möglich, die gesamte zur Verfügung stehende Oberfläche des Kühlwärmetauschers ideal auszunutzen, da über die eine Oberfläche ein wärmeleitender Kontakt zum Stator gegeben ist, sodass dieser entsprechend gekühlt wird und über die andere Oberfläche ein wärmeleitender Kontakt zu der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit, sodass auch diese durch die nicht elektrisch isolierende Flüssigkeit ideal abgekühlt werden kann.
-
Die elektrische Maschine gemäß der Erfindung lässt sich bei idealer Kühlung und damit verbundener maximaler Dauerleistungsaufnahme außerordentlich klein und kompakt realisieren, da sowohl eine Kühlung des Stators beispielsweise über ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch und eine Kühlung der Wickelköpfe über die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Öl, erfolgt. Das Öl wird außerdem einen Teil des Stators sowie auch einen Teil des Rotors mitkühlen, sodass insgesamt die anfallende Abwärme sehr effizient aus der elektrischen Maschine abgeführt werden kann. Eine solche elektrische Maschine, welche bei idealer Wärmeabfuhr vergleichsweise klein baut und dennoch eine hohe elektrische Dauerleistung beziehungsweise ein entsprechend hohes Dauerdrehmoment zur Verfügung stellen kann, eignet sich ideal für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere in elektrischen oder hybridisierten Antriebssträngen von Fahrzeugen, da hier eine hohe Leistungsfähigkeit bei minimalem Bauraum eine der Kernanforderungen ist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine hat ihre bevorzugte Verwendung daher in einem solchen Anwendungsumfeld, in dem sie für Kraftfahrzeugantriebsstränge, insbesondere als Motor, Generator und/oder Motor-Generator in seriellen oder parallelen hybridisierten Antriebssträngen sowie auch in rein elektrischen Antriebssträngen, eingesetzt wird. Der Einsatz kann dabei insbesondere in Nutzfahrzeugen erfolgen, da diese hinsichtlich der benötigten Dauerleistung besonders hohe Anforderungen an die elektrische Maschine stellen, welche durch die erfindungsgemäß aufgebaute elektrische Maschine ideal erfüllt werden können.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelöst. Das Verfahren ist dabei so ausgestaltet, dass eine Kühlung der Wickelköpfe über die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit nur bei Bedarf erfolgt. Insbesondere beim Einsatz von Öl als elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit ist dieses je nach Umgebungstemperatur und Bedingungen einer vergleichsweise hohen Änderung seiner Viskosität ausgesetzt. Um eine entsprechend große Ölmenge fördern zu können, wäre daher immer von der maximalen Viskosität des Öls, beispielsweise bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, auszugehen. Wird die elektrische Maschine bei solchen Bedingungen gestartet, so müsste dennoch die gesamte Menge an Öl gefördert werden können. Die hierfür benötigte Pumpe für die Kühlflüssigkeit wäre entsprechend groß und aufwändig. In dieser Situation ist eine Kühlung der Wickelköpfe aber nicht zwingend notwendig, da diese noch entsprechend kalt sind und erst mit zunehmender Erwärmung der elektrischen Maschine durch ihren Betrieb eine entsprechend hohe Temperatur erreichen. Daher kann es gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die direkte Kühlung der Wickelköpfe über die elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit lediglich bei Bedarf erfolgt. Ein solcher Bedarf kann beispielsweise über die direkt oder mittelbar gemessene Temperatur der Wickelköpfe und/oder der nicht elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit bestimmt werden. Ergänzend oder alternativ dazu kann ein solcher Bedarf auch anhand des elektrischen Statorstroms oder der Leistungsaufnahme ermittelt werden. Lediglich wenn Temperatur, Strom und/oder Leistung oberhalb einer vorgegebenen Grenze liegen, ist eine Kühlung der Wickelköpfe notwendig. In diesen Situationen ist die gesamte elektrische Maschine typischerweise aber bereits so warm, dass die Viskosität der elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit bereits vergleichsweise klein ist, sodass diese sehr effizient mit einer kleinen Pumpe gefördert werden kann. Die benötigte Pumpe kann daher beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend klein ausgebildet werden und benötigt lediglich eine vergleichsweise geringe Leistung. Dies ist hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads, insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeugantriebsstrang, sowie hinsichtlich des benötigten Bauraums und der zur Realisierung der Kühlung anfallenden Herstellungskosten von entscheidendem Vorteil.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand eines Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Skizzen näher beschrieben ist.
-
Es zeigen:
-
1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
-
2 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
-
In der Darstellung der 1 ist ein Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 1 zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 ist dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als permanent erregte Synchronmaschine dargestellt, sie kann jedoch auch von beliebiger anderer Bauform sein.
-
Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 2, welcher auf einer Welle 3 umläuft. Über einen Luftspalt 4 von dem Rotor 2 getrennt befindet sich der Stator 5 der elektrischen Maschine 1. Beispielhaft ist dabei ein elektrischer Leiter 6 sowie ein Blechpaket 7 im Stator 5 der elektrischen Maschine 1 angedeutet. An der Mantelfläche des Blechpakets 7 ist der Stator 5 von einem Kühlwärmetauscher 8 umgeben, welcher einen oder mehrere Kühlkanäle 9 aufweist. Die Kühlkanäle 9 sind Teil eines hier nicht in seiner Gesamtheit dargestellten Kühlkreislaufs, welcher von einer nicht isolierenden Kühlflüssigkeit durchströmt wird. In der Praxis wird diese nicht isolierende Kühlflüssigkeit typischerweise ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel sein. Dieses Gemisch wird nachfolgend als Kühlwasser bezeichnet. Außerhalb des Blechpakets 7 des Stators 5 bildet der elektrische Leiter 6 jeweils die sogenannten Wickelköpfe 10, 11 aus. Im Bereich dieser Wickelköpfe ist der elektrische Leiter 6 mit anderen Leitern entsprechend verbunden, ändert dort seine Richtung und taucht dann wieder in die nächste hier nicht dargestellte Nut des Blechpakets 7 des Stators 5 ein. In der Darstellung der 1 ist zu erkennen, dass im bestimmungsgemäßen Einsatz, wie er in der Schnittdarstellung der 1 dargestellt ist, oberhalb der Wickelköpfe 10, 11 jeweils Rohre 12, 13 mit Öffnungen 14, 15 angeordnet sind, über welche eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit, beispielsweise ein Öl, zur direkten Kühlung der Wickelköpfe 10, 11 auf diese läuft. Die elektrisch nichtisolierende Kühlflüssigkeit wird nachfolgend als Kühlöl bezeichnet.
-
Durch die direkte Benetzung der Wickelköpfe 10, 11 über das Kühlöl wird eine sehr gute Kühlung dieser Wickelköpfe 10, 11 erzielt. Dabei können für jeden der Wickelköpfe 10, 11 eine oder mehrere Öffnungen 14, 15 beziehungsweise Rohrleitungen 12, 13 vorhanden sein. In dem in 2 dargestellten Querschnitt sind beispielsweise drei Rohrleitungen 12.1, 12.2, 12.3 mit ihren entsprechenden Öffnungen 14.1, 14.2, 14.3 im Bereich des Wickelkopfs 10 beispielhaft dargestellt.
-
Um den Rotor 2 und den Stator 5 der elektrischen Maschine 1 ist dabei ein Gehäuse 16 angeordnet. Das zur direkten Kühlung der Wickelköpfe 10, 11 innerhalb des Gehäuses 16 über die Wickelköpfe 10, 11 laufende Kühlöl sammelt sich, nachdem es die Wickelköpfe 10, 11 gekühlt hat, in einem Kühlölsumpf 17, welcher in dem im bestimmungsgemäßen Einsatz unteren Teil des Gehäuses 16 ausgebildet und durch die gestrichelte Darstellung der Oberfläche des Kühlölsumpfs angedeutet ist. Dieser Kühlölsumpf 17 steht über ein Kühlölleitung 18 mit einer in 2 erkennbaren Kühlölpumpe 19 in Verbindung, welche das Kühlöl zu den Öffnungen 14 beziehungsweise 15 fördert, um so, wann immer die Kühlölpumpe 19 in Betrieb ist, eine Kühlung der Wickelköpfe 10, 11 des Stators 5 zu realisieren. Dadurch, dass das Kühlöl über die Wickelköpfe 10, 11 läuft und offen durch das Gehäuse 12 zurück in den Kühlölsumpf 17 gelangt, kommt es neben der Kühlung der Wickelköpfe 10, 11 auch zu einer zusätzlichen Kühlung von Teilen des Stators 5 und insbesondere auch zu einer leichten Kühlung des Rotors 2. Über das Kühlöl ist damit eine sehr gute Wärmeabfuhr, insbesondere von den Wickelköpfen 10, 11 zu erzielen.
-
Nun ist es jedoch so, dass ein Großteil der anfallenden Wärme im Bereich des Blechpakets 7 anfällt beziehungsweise im Bereich des Leiters 6 anfällt und über das Blechpaket 7 weitergeleitet wird. Diese Wärme kann über den Wärmetauscher 8 mit seinen Kühlkanälen 9 nun ideal über das Kühlwasser abgeführt werden. Damit lässt sich ein Großteil der Wärme aus der elektrischen Maschine 1 abführen. Die zusätzliche insbesondere im Bereich der Wickelköpfe 10, 11 entstehende Wärme wird über das Kühlöl aufgenommen und abgeführt. Mit einer minimalen Menge an Kühlöl lässt sich so eine sehr gute Kühlung der elektrischen Maschine 1 erreichen. Der Wärmetauscher 8 kann dabei zusätzlich zur Kühlung der Blechpakete 7 des Stators 5 auch eine Kühlung des Kühlöls mit übernehmen, beispielsweise indem über einen weiteren Wärmetauscher eine direkte Abkühlung des Kühlöls erfolgt (nicht dargestellt) oder indem eine indirekte Abkühlung dadurch erfolgt, dass der Wärmetauscher 8 beispielsweise mit dem Kühlöl im Bereich des Kühlölsumpfs 17 in wärmeleitendem Kontakt steht.
-
Dadurch, dass ein großer Teil der Wärme über das Kühlwasser abgeführt wird, kann die insgesamt benötigte Menge an Kühlöl reduziert werden. Ebenso kann der benötigte Volumenstrom an Kühlöl reduziert werden, insbesondere kann nur dann, wenn im Bereich der Wickelköpfe 10, 11 ein entsprechend hohe Temperatur vorliegt, die Kühlölpumpe 19 überhaupt betrieben werden. Durch die verringerte Menge an Kühlöl und den gegebenenfalls nur gelegentlichen Betrieb der Kühlölpumpe 19 beziehungsweise einen vergleichsweise geringen Volumenstrom durch die Kühlmittelpumpe 19 wird es möglich, die Kühlmittelpumpe 19 klein und kompakt aufzubauen. Durch den verringerten Volumenstrom an Kühlöl gegenüber einer ölgekühlten Maschine entsteht außerdem der Vorteil, dass das Kühlöl nicht so stark aufschäumt. Dadurch kann mit einer insgesamt sehr viel geringeren Menge an Kühlöl 17 gearbeitet werden. In der Darstellung der 1 und 2 ist mit der gestrichelten Linie der maximale Ölstand in dem Kühlölsumpf 17 dargestellt. Dieser kann aufgrund der besonderen Ausgestaltung so geplant werden, dass die Gefahr eines Eintritts von Kühlöl in den Luftspalt 4 sicher und zuverlässig in allen Betriebssituationen und üblicherweise auftretenden Schräglagen der elektrischen Maschine 1, insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug, verhindert werden kann. Eine Überhitzung der elektrischen Maschine 1 aufgrund von Kühlöl, welches in den Luftspalt 4 eindringt und aufgrund der dort auftretenden Reibung sehr stark erwärmt wird, kann somit in jedem Fall sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden.
