DE102014217434A1 - Electric machine and vehicle with such an electric machine - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird u.a. eine elektrische Maschine (2), insbesondere eines Elektroantriebs eines Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs (1), mit einem Stator (3) und einem Rotor (4), wobei der Stator (3) nach Art einer Welle-Nabe-Fügeverbindung infolge Presssitz unter Vermittlung eines als Metallgussteil ausgebildeten Hülsenelements (5) oder unmittelbar in einer Ausnehmung (6) eines als Metallgussteil ausgebildeten Statorgehäuses (7) der elektrischen Maschine (2) axial und drehfest angeordnet ist. Vorteilhaft bestehen das Hülsenelement (5) oder bei Verzicht auf besagtes Hülsenelement (5) das Statorgehäuse (7) zumindest teilweise aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC = Metal-Matrix Composite).Suggested is u.a. an electric machine (2), in particular an electric drive of an electric or hybrid vehicle (1), with a stator (3) and a rotor (4), wherein the stator (3) in the manner of a shaft-hub joint connection due to interference fit is arranged axially and rotationally fixed by means of a sleeve element (5) designed as a metal casting or directly in a recess (6) of a stator housing (7) of the electric machine (2) designed as a metal casting. Advantageously, the sleeve element (5) or in the absence of said sleeve element (5), the stator housing (7) at least partially made of a metal matrix composite material (MMC = metal-matrix composite).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der Erfindung. Gemäß Anspruch 9 der Erfindung betrifft dieselbe ferner ein Fahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine. The invention relates to an electrical machine according to the preamble of
Aus der
Aus der Praxis ist es des Weiteren bekannt, ein Statorgehäuse aus insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit integrierter Kühlstruktur aus einem Guss herzustellen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass das Aluminiumgehäuse einen anderen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt als der Stator. Wird der Stator beispielsweise in die Ausnehmung des Statorgehäuses eingepresst, ist eine ausreichend hohe Überdeckung des Presssitzes zwischen den beiden Fügepartnern zu wählen, um die Abstützung der Antriebsmomente der elektrischen Maschine im Statorgehäuse zu gewährleisten. Die besagte Überdeckung ergibt sich rechnerisch insbesondere aus dem Drehmoment und ggf. einer Axialkraft oder der Mindestpressung. Diese hohe Überdeckung führt zu hohen Spannungen in dem Statorgehäuse, die durch entsprechend hohen Materialaufwand kompensiert werden müssen. Die notwendigen Wandstärken beeinflussen jedoch die Wärmeableitung des Stators über das Statorgehäuse nachteilig und erfordern zusätzlich erhöhten Bauraum. From practice, it is further known to produce a stator housing made in particular of aluminum or an aluminum alloy with integrated cooling structure of a casting. It should be noted that the aluminum housing has a different coefficient of thermal expansion than the stator. If the stator is pressed, for example, in the recess of the stator housing, a sufficiently high overlap of the press fit between the two joining partners to choose to ensure the support of the drive torque of the electric machine in the stator housing. The said overlap results arithmetically in particular from the torque and optionally an axial force or the minimum pressure. This high coverage leads to high voltages in the stator housing, which must be compensated by correspondingly high cost of materials. However, the necessary wall thicknesses adversely affect the heat dissipation of the stator via the stator housing and additionally require increased space.
Des Weiteren ist es seit geraumer Zeit bekannt, Gussmotoren, insbesondere Druckgussmotoren aus Aluminium tribologisch zu optimieren, indem sogenannte MMC-Lagerstuhlverstärkungen vorgesehen werden (vgl.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine im Hinblick auf den Stand der Technik verbesserte elektrische Maschine zu schaffen, die zum einen bei minimiertem Materialaufwand eine ausreichend hohe Festigkeit und zum anderen eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit und Wärmeabführung gewährleistet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine bereitzustellen. The object of the invention is to provide an improved in terms of the state of the art electrical machine, which ensures a minimized cost of materials sufficiently high strength and on the other hand improved thermal conductivity and heat dissipation. It is another object of the invention to provide a vehicle with such an electric machine.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass aus MMC (MMC = Metal-Matrix Composit) bestehende Bauteile über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit verfügen. The invention is based on the recognition that MMC (MMC = metal matrix composite) existing components have a very good thermal conductivity.
Die gestellte Aufgabe wird demnach ausgehend von einer elektrische Maschine, insbesondere eines Elektroantriebs eines Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs, mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator nach Art einer Welle-Nabe-Fügeverbindung infolge Presssitz unter Vermittlung eines als Metallgussteil ausgebildeten Hülsenelements oder unmittelbar in einer Ausnehmung eines als Metallgussteil ausgebildeten Statorgehäuses der elektrischen Maschine axial und drehfest angeordnet ist, dadurch gelöst, dass das Hülsenelement oder bei Verzicht auf besagtes Hülsenelement das Statorgehäuse zumindest teilweise aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC = Metal-Matrix Composite) bestehen. The object is therefore based on an electric machine, in particular an electric drive of an electric or hybrid vehicle, with a stator and a rotor, wherein the stator in the manner of a shaft-hub joint connection due to interference fit through the intermediary of a formed as a metal casting sleeve member or is arranged axially and rotationally fixed in a recess of a formed as a metal casting stator housing of the electric machine, achieved in that the sleeve member or waiving said sleeve member, the stator housing at least partially made of a metal matrix composite material (MMC = metal-matrix composite).
Durch diese Maßnahme ist vorteilhaft neben einer tribologischen Optimierung der elektrischen Maschine eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit derselben zu verzeichnen. Durch die verstärkte Ausbildung des Hülsenelements gemäß der ersten Ausführungsvariante der Erfindung oder des Statorgehäuses gemäß der zweiten Ausführungsvariante der Erfindung kann insbesondere bei Materialeinheitlichkeit des verwendeten Metalls und aufgrund günstiger Temperaturausdehnungskoeffizienten die Überdeckung des Presssitzes vorteilhaft verringert werden, woraus eine geringere Belastung aller Fügepartner resultiert. Überdies können Gehäusewandstärken vorteilhaft reduziert werden, wodurch in Kombination mit der sehr guten Wärmeleitfähigkeit von MMC eine verbesserte Wärmeabführung aus dem Stator bzw. der elektrischen Maschine gewährleistet ist. As a result of this measure, in addition to a tribological optimization of the electrical machine, an improved thermal conductivity of the same is advantageously recorded. Due to the increased design of the sleeve member according to the first embodiment of the invention or the stator housing according to the second embodiment of the invention, the coverage of the interference fit can be advantageously reduced particularly in material uniformity of the metal used and due to favorable coefficients of thermal expansion, resulting in a lower load on all joining partners. In addition, housing wall thicknesses can advantageously be reduced, which, in combination with the very good thermal conductivity of MMC, ensures improved heat dissipation from the stator or the electrical machine.
Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Erfindung. The subclaims describe preferred developments or refinements of the invention.
Danach ist der Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC = Metal-Matrix Composite) durch ein Metall oder eine Metalllegierung mit einer in die Metallschmelze eingebrachten Hartkomponente gebildet. Bevorzugt sind dabei das Metall oder die Metalllegierung durch Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gebildet. Weiter bevorzugt ist die eingebrachte Hartkomponente durch keramische Hartpartikel und/oder Whisker gebildet, welche Hartpartikel und/oder Whisker einfach und kostengünstig in die Metallschmelze eingerührt sind/werden. Alternativ kann die eingebrachte Hartkomponente zumindest einen keramischen Körper mit offener Porosität – Preform – umfassen, dem/r in einem Infiltrationsprozess Metallschmelze derart zugeführt ist/wird, dass ein Durchdringungsgefüge gebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft ein an lokal verschiedene Ansprüche unterschiedliches Durchdringungsgefüge ausgebildet werden. Findet ein separat hergestelltes Hülsenelement Verwendung, ist dieses bevorzugt durch ein Einlegeteil gebildet, welches während der Herstellung des Statorgehäuses durch Eingießen am Statorgehäuse fixiert ist/wird. Wie die Erfindung weiter vorsieht, sind bevorzugt die den Presssitz bewirkenden Kontaktflächen des Hülsenelements oder des Statorgehäuses derart bearbeitet, dass die keramischen Hartpartikel und/oder Whisker m Bereich der besagten Kontaktflächen an ihrer Oberfläche freigelegt sind und im Zusammenbau der Fügepartner, nämlich Hülsenelement und Stator oder Statorgehäuse und Stator, vorteilhaft einen Mikroformschluss zwischen denselben provozieren. Durch diese Maßnahme kann die Überdeckung des Presssitzes weiter reduziert werden. Zum Freilegen der keramischen Hartpartikel und/oder Whisker können an sich bekannte Verfahren mechanischer Art, wie beispielsweise Schleifverfahren, oder chemischer Art, wie beispielsweise Ätzverfahren, Anwendung finden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung im Hinblick auf ein Statorgehäuse einsetzbar, welches eine Kühlstruktur mit integral im Statorgehäuse ausgebildeten Kühlkanälen und Hohlräumen aufweist, die ihrerseits an ein Wasser- oder Ölkühlsystem angeschlossen sind. Thereafter, the metal matrix composite (MMC) is formed by a metal or a metal alloy having a hard component introduced into the molten metal. In this case, the metal or the metal alloy is preferably formed by aluminum or an aluminum alloy. More preferably, the introduced hard component is formed by ceramic hard particles and / or whiskers, which hard particles and / or whiskers are simply and inexpensively stirred into the molten metal / are. Alternatively, the introduced hard component may comprise at least one open-porosity ceramic body - preform - to which molten metal is fed in an infiltration process such that a penetration structure is formed. In this way, advantageously, a penetration structure which differs from locally different requirements can be formed. If a separately produced sleeve element is used, this is preferably formed by an insert part which is fixed during casting of the stator housing by casting on the stator housing. As the invention further provides, preferably the interference fit causing contact surfaces of the sleeve member or the stator housing are processed so that the ceramic hard particles and / or whiskers m area of said contact surfaces are exposed on its surface and in the assembly of joining partners, namely sleeve member and stator or Stator housing and stator, advantageously provoke a microforming between them. By this measure, the coverage of the interference fit can be further reduced. In order to expose the ceramic hard particles and / or whiskers known methods of a mechanical nature, such as, for example, grinding methods or chemical methods, such as, for example, etching methods, can be used. Particularly advantageously, the invention with respect to a stator can be used, which has a cooling structure with integrally formed in the stator housing cooling channels and cavities, which in turn are connected to a water or oil cooling system.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybrid-Fahrzeug, mit einer elektrischen Maschine der vorbeschriebenen Art. Im Sinne der Erfindung wird unter einem Elektro-Fahrzeug ein Fahrzeug mit rein elektromotorischem Antrieb verstanden, der zum Vortrieb des Fahrzeugs vorgesehen ist. Ein Hybrid-Fahrzeug im Sinne der Erfindung umfasst sowohl wenigstens einen elektromotorischen Antrieb als auch wenigstens einen Antrieb mittels Verbrennungsmotor. The invention also relates to a vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle, with an electric machine of the type described above. For the purposes of the invention, an electric vehicle is understood to be a vehicle with a purely electromotive drive, which is provided for propulsion of the vehicle. A hybrid vehicle according to the invention comprises both at least one electromotive drive and at least one drive by means of an internal combustion engine.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to the embodiments schematically illustrated in the drawings. However, it is not limited to these, but covers all embodiments defined by the claims. Show it:
Gemäß
Wie der
Das separat respektive vorab hergestellte Hülsenelement
Im Hinblick auf das Statorgehäuse
Demgegenüber kann alternativ oder in Kombination mit besagten Hartpartikeln und/oder Whisker´n die Hartkomponente auch zumindest einen durch keramische Formgebung hergestellten keramischen Körper mit offener Porosität – Preform – umfassen, dem/r in einem Infiltrationsprozess Metallschmelze zugeführt ist/wird, wodurch ein sogenanntes Durchdringungsgefüge gebildet ist/wird, indem besagte Metallschmelze in die Porosität eindringt (nicht zeichnerisch dargestellt). On the other hand, alternatively or in combination with said hard particles and / or whiskers, the hard component may also comprise at least one open-porosity ceramic body - preform - which is supplied with molten metal in an infiltration process, thereby forming a so-called interpenetration structure is formed by said molten metal penetrates into the porosity (not shown in the drawing).
Bevorzugt ist/wird das Hülsenelement
Die zweite Ausführungsvariante der Erfindung nach
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht die Matrix in Anlehnung an das vorstehende Ausführungsbeispiel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, in welche besagte Hartkomponente in Form von keramischen Hartpartikeln, beispielsweise Siliciumcarbid, und/oder Whisker´n eingebracht ist. Auch hier werden die Hartpartikel und/oder Whisker in die Metallschmelze eingerührt. According to this embodiment, the matrix is based on the above embodiment of aluminum or an aluminum alloy, in which said hard component in the form of ceramic hard particles, such as silicon carbide, and / or Whisker'n is introduced. Again, the hard particles and / or whiskers are stirred into the molten metal.
Demgegenüber kann Alternativ oder in Kombination mit besagten Hartpartikeln und/oder Whisker´n die Hartkomponente auch zumindest einen durch keramische Formgebung hergestellten keramischen Körper mit offener Porosität – Preform – umfassen, dem/r in einem Infiltrationsprozess Metallschmelze zur Herstellung der Struktur des Statorgehäuses
Der zumindest eine keramische Körper kann dabei die gesamte Struktur des Statorgehäuses
Wie die Erfindung weiter vorsieht, sind die den Presssitz mit dem Stator
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Fahrzeug vehicle
- 2 2
- elektrische Maschine electric machine
- 3 3
- Stator stator
- 4 4
- Rotor rotor
- 5 5
- Hülsenelement sleeve member
- 6 6
- Ausnehmung recess
- 7 7
- Statorgehäuse stator
- 8 8th
- Kühlkanal cooling channel
- 9 9
- Kontaktfläche contact area
- 10 10
- Kontaktfläche contact area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 8659191 B2 [0002] US 8659191 B2 [0002]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- http://www.keramverband.de/keramik/pdf/02/sem02_15.pdf [0004] http://www.keramverband.de/keramik/pdf/02/sem02_15.pdf [0004]
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