DE102014220835A1

DE102014220835A1 - Antriebsvorrichtung für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang

Info

Publication number: DE102014220835A1
Application number: DE102014220835.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Cudok
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21
Also published as: EP3207567A1; EP3207567B1; WO2016058870A1; JP6674453B2; JP2017536795A

Abstract

Offenbart wird eine Antriebsvorrichtung (100) für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, umfassend – eine elektrische Maschine (1) mit einem um eine Achse drehbar gelagerten Rotor (2) und einem dazu koaxial angeordneten Stator (10), wobei – der Rotor (2) eine elektromagnetische Rotorkomponente (8) und einen Rotorträger (4) aufweist und – der Stator (10) einen Statorträger (18) aufweist, der rotorseitig eine elektromagnetische Statorkomponente (12) trägt, wobei ein zylinderförmig ausgebildeter Systemträger (20) vorgesehen ist, der einen sich radial erstreckenden Radialwandabschnitt (22) umfasst, und der einen ersten sich axial erstreckenden Statorträgerabschnitt (18), der den Statorträger ausbildet, und zumindest einen zweiten sich axial erstreckenden Leistungselektronikträgerabschnitt (24), der einen Aufnahmebereich (28) für eine Elektronikbaugruppe (29; 30) zum Ansteuern der elektrischen Maschine ausbildet, aufweist, und der Systemträger (20) weiterhin eine erste am Statorträgerabschnitt (18) angeordnete Fluid-Kühlanordnung (34) aufweist, welche mit der elektromagnetischen Statorkomponente (12) im Wärmeaustauschkontakt steht, und zumindest eine zweite, von der ersten Fluid-Kühlanordnung (34) separat ausgebildeten, am Leistungselektronikträgerabschnitt (24) Fluid-Kühlanordnung (36) aufweist, die mit der Elektronikbaugruppe (29; 30) im Wärmeaustausch steht.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der DE 101 20 414 , ist eine als Außenläufer ausgebildete elektrische Maschine für eine Lichtmaschine oder einen Starter-Generator bekannt, bei der zumindest Teile einer die elektrische Maschine ansteuernden Leistungselektronik bezüglich einer Drehachse D der elektrischen Maschine radial innenliegend des Stators angeordnet sind. Dadurch kann eine elektrische Maschine mit einer besonders kompakten Bauweise bereitgestellt werden, die nur einen geringen Platzbedarf aufweist.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass bei einer hohen Leistungsaufnahme, beispielweise bei einer Verwendung der elektrischen Maschine als Antriebsvorrichtung im rein elektrischen Fahrbetrieb, eine sehr große Wärmeentwicklung in der elektrischen Maschine und auch der Leistungselektronik auftritt, die einer effektiven Kühlung bedarf. Die in der DE 101 20 414 offenbarte Kühlung über eine radial verlaufende Kondensatorbodenplatte und eine Kühlung im Statorträger ist dabei nicht ausreichend. Ist zudem die elektrische Maschine als Innenläufer ausgebildet, steht die Kühlung am Statorträger für die Leistungselektronik nicht zur Verfügung. Die Leistungselektronik muss dann separat gekühlt werden oder radial außerhalb des Stators angeordnet werden, was sehr viel Bauraum beansprucht.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine Antriebsvorrichtung mit einer elektrischen Maschine als Antriebsaggregat für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang bereitzustellen, die zum einen wenig Bauraum benötigt und zum anderen eine effektive Abfuhr einer beim Betreiben der elektrischen Maschine anfallenden Verlustwärme gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Vorliegend wird eine Antriebsvorrichtung für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang vorgeschlagen, wobei die Antriebsvorrichtung als eine elektrische Maschine mit einem um eine Achse A drehbar gelagerten Rotor und einem dazu koaxial angeordneten Stator ausgebildet ist. Dabei weist der Rotor eine elektromagnetische Rotorkomponente und einen Rotorträger auf, während der Stator einen Statorträger aufweist, der rotorseitig eine elektromagnetische Statorkomponente trägt. Um sowohl ein platzsparendes Antriebsaggregat auszubilden als auch für einen ausreichenden Wärmeabtransport zu sorgen, weist die Antriebsvorrichtung weiterhin einen zylinderförmig ausgebildeten Systemträger auf, der einen sich radial erstreckenden Radialwandabschnitt umfasst, und der einen ersten sich axial erstreckenden Statorträgerabschnitt, der den Statorträger ausbildet, und zumindest einen zweiten sich axial erstreckenden Leistungselektronikträgerabschnitt, der einen Aufnahmebereich für eine Elektronikbaugruppe zum Ansteuern der elektrischen Maschine ausbildet, aufweist. Dieser Systemträger ist vorzugsweise einteilig gefertigt und weist weiterhin eine erste Fluid-Kühlanordnung auf, die mit der elektromagnetischen Statorkomponente im Wärmeaustauschkontakt steht und zumindest eine zweite, von der ersten Fluid-Kühlanordnung separat ausgebildete Fluid-Kühlanordnung, die wiederum mit der Elektronikbaugruppe im Wärmeaustausch steht. Dieser Systemträger ermöglicht zum einen eine bauraumsparende Ausgestaltung und zum anderen über die separat ausgebildeten Fluid-Kühlanordnungen für Statorträger und Leistungselektronik eine effektive Kühlung der sich im Betrieb erhitzenden Komponenten.
Dadurch, dass sowohl die elektromagnetische Statorkomponente als auch die Elektronikbaugruppe mit eigenständigen Fluid-Kühlanordnungen im Wärmeaustausch stehen, kann die Verlustwärme besser abgeführt werden. Der Wärmeaustauschkontakt kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein zumindest mittelbarer Anlagekontakt zwischen der Elektronikbaugruppe, beispielsweise einem Bauelementgehäuse oder einem diesem zugeordneten Kühlkörper und einer Fläche des Leistungselektronikabschnitts ausgebildet ist. Dabei können zwischen den genannten Elementen Wärmeübertragungsmittel zur Verbesserung des Wärmetransports, wie zum Beispiel eine Wärmeleitpaste oder wärmeleitende Folien oder Platten oder dergleichen sandwichartig eingelegt sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein Wärmeaustauschkontakt auch durch Wärmestrahlung oder durch Konvektion der erwärmten Umgebungsluft, welche gegebenenfalls durch eine Lüfteranordnung erzwungen werden kann, stattfinden. Analog gilt das auch für den Wärmeaustauschkontakt des Statorträgerabschnitts.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine als Innenläufer ausgeführt. Dabei sind der Rotor und der Stator in einem am Systemträger zwischen Statorträgerabschnitt und dem Leistungselektronikträgerabschnitt ausgebildeten ringförmigen ersten Aufnahmeraum angeordnet, wobei Statorträgerabschnitt und Leistungselektronikträgerabschnitt über den Radialwandabschnitt radial voneinander beabstandet sind. Dadurch wird radial innerhalb des Rotors von dem sich axial erstreckenden Leistungselektronikträgerabschnitt ein Raum geschaffen, der für die Aufnahme einer Elektronikbaugruppe ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dabei dieser Aufnahmeraum radial innerhalb des Leistungselektronikträgerabschnitts ausgebildet, so dass die darin angeordnete Elektronikbaugruppe nicht von der Bewegung des Rotors beeinträchtigt ist.
Zudem hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die von der dem Leistungselektronikträgerabschnitt zugeordneten zweiten Fluid-Kühlanordnung bereitgestellte Kühlung auch auf die Rotorkomponenten einwirken kann. Prinzipiell wäre es aber auch möglich, neben dem Stator und dem Rotor auch die Elektronikbaugruppe in dem ersten Aufnahmeraum anzuordnen und den Leistungselektronikträgerabschnitt als radiale Innenbegrenzung auszugestalten.
Wie weiter unten noch genauer beschrieben, kann vorzugsweise die radiale Innenbegrenzung eine Zentralausnehmung definieren, in der wiederum bevorzugt eine Trennkupplung, insbesondere eine elektromagnetisch betätigbaren Formschlusskupplung, z.B. einer Klauenkupplung, wie in der DE 102013205174 beschrieben, aufgenommen sein kann. Für die genaue Ausgestaltung der Klauenkupplung wird auf die genannte Druckschrift verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hierin vollumfänglich umfasst ist.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Aufnahmeraum für die Elektronikbaugruppen weiterhin eine in dem Radialwandabschnitt, auf einer der elektrischen Maschine abgewandten axialen Stirnseite, ausgebildete Ausnehmung auf, in der beispielsweise eine Netzteilplatte (Powerboard) für die Leistungselektronik aufnehmbar ist. Dadurch kann an dem Systemträger nicht nur ein radial innenliegender koaxial zum Rotor ausgebildeter Aufnahmeraum ausgebildet werden, sondern auch gleichzeitig ein Aufnahmeraum für das Powerboard bereitgestellt werden, so dass eine besonders kompakte Bauweise möglich ist.
Das Powerboard selbst kann vorzugsweise schwingungsentkoppelt in der sich radial erstreckenden Aufnahmetasche befestigt sein. Für eine derartige schwingungsentkoppelte Befestigung sind insbesondere Schrauben mit Pufferelement bevorzugt, wie sie beispielsweise in der EP 1746294 beschrieben sind. Für eine genaue Beschreibung wird auf die EP 1746294 verwiesen.
Weiterhin trägt das Powerboard üblicherweise die Kondensatoren und andere Bauteile der Leistungselektronik, wobei diese Elemente derart angeordnet sind, dass sie in den vom Leistungselektronikträger ausgebildeten Aufnahmebereich hineinragen, so dass eine Kühlung der Bauteile stattfindet.
Dabei ist weiterhin bevorzugt, wenn weitere auf dem Powerboard angeordnete Elemente, wie beispielsweise Halbleiter (MOSFETs) über eine Wärmeleitpaste (Gapfiller), die zwischen dem Powerboard und einer Stirnseite des Leistungselektronikträgers angeordnet ist, in Wärmeaustauschkontakt mit der zweiten Fluid-Kühlanordnung stehen. Zur verbesserten Wärmeübertragung kann auch eine Stirnseite der im Aufnahmeraum aufgenommenen Elektronikbaugruppe, insbesondere eine Stirnseite des Kondensators, über einen Gapfiller thermisch mit dem Leistungselektronikträgerabschnitt verbunden sein. Zudem kann durch eine geeignete Materialwahl des Leistungselektronikträgers, beispielsweise aus einem besonders wärmeleitfähigem Material wie Alu, dafür gesorgt werden, dass die Wärme besser abtransportiert wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die erste Fluid-Kühlanordnung als ein im Statorträgerabschnitt ausgebildeter erster sich in Umfangsrichtung erstreckender ringförmiger Kanalabschnitt ausgebildet, der vorzugsweise radial außerhalb der elektromagnetischen Statorkomponenten angeordnet ist. Durch die im Statorträgerabschnitt angeordnete Kühlanordnung kann direkt Kühlmittel an die elektromagnetischen Statorkomponenten in Wärmeaustauschkontakt gebracht werden. Dadurch kann eine besonders effektive Kühlung des Stators erfolgen. Der Kühlmittelkanal selbst kann dabei einteilig im Statorträgerabschnitt oder mehrteilig zusammengebaut ausgebildet werden, wobei beispielsweise bei einem zweiteiligen Kühlmittelkanal der Kühlmittelkanal von dem Statorträger und einem die elektrische Maschine umgebenden Gehäuse gebildet werden kann. Bei einteiligen Kühlkanälen ist der Statorträger selbst hohl ausgeführt und dazu ausgelegt, ein Kühlmedium aufzunehmen.
Analog zu der ersten Fluid-Kühlanordnung kann auch die zweite Fluid-Kühlanordnung als ein im Leistungselektronikträgerabschnitt ausgebildeter zweiter, sich in Umfangsrichtung erstreckender, ringförmiger Kanalabschnitt ausgebildet sein. Dieser ist vorzugsweise radial zwischen der elektrischen Maschine und der Leistungselektronik angeordnet. Durch die Anordnung der zweiten Fluid-Kühlanordnung in dem sich axial erstreckenden Leistungselektronikträgerabschnitt, kann eine deutlich größere Kühlfläche bereitgestellt werden als beispielsweise durch eine als Kühlplatte ausgebildete Kondensatorbodenplatte, wie in der DE 101 20 414 beschrieben. Durch den ringförmigen Kanalabschnitt kann zudem der gesamte von dem Leistungselektronikträgerabschnitt ausgebildete zweite Aufnahmeraum gekühlt werden, so dass eine deutlich verbesserte Kühlung möglich ist.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist in dem Radialwandabschnitt des Systemträgers mindestens ein Kühlmittelzufuhrkanal, der Kühlmittel zu der ersten und/oder zweiten Fluid-Kühlanordnung führt, und mindestens ein Kühlmittelabfuhrkanal, der Kühlmittel aus der ersten und/oder zweiten Fluid-Kühlanordnung führt, ausgebildet. Dabei können für jede Fluid-Kühlanordnung separate Kühlmittelzufuhr- und Abfuhrkanäle vorgesehen sein, ist es jedoch auch möglich, einen zentralen Kühlmittelzufuhrkanal und einen zentralen Kühlmittelabfuhrkanal auszubilden, die das Kühlmittel in die entsprechenden Fluid-Kühlanordnungen verteilen.
Bei getrennten Kühlmittelzufuhr-/-abfuhrkanälen liegt der Vorteil darin, dass die Elektronikbaugruppe und die elektromagnetischen Statorkomponenten mit Kühlmitteln unterschiedlicher Temperatur gekühlt werden können, so dass eine besonders effektive Kühlung bereitgestellt werden kann. Dazu können zudem jeweils entsprechende Einlass- und Auslassöffnungen vorgesehen sein.
Alternativ ist jedoch auch möglich, einen zentralen Kühlmittelzufuhrkanal und Kühlmittelabfuhrkanal auszubilden, wodurch die Ausbildung des Radialwandabschnitts deutlich vereinfacht ist. So kann beispielsweise eine einteilig mit dem Kühlmittelkanal ausgebildete Rippe, eine Dichtung oder ein Einlegteil verwendet werden, um sowohl einen Kühlmittelzufuhrkanal als auch einen Kühlmittelabfuhrkanal auszubilden. Weiterhin kann auch im Bereich der beiden Kühlmittelkanäle ein Leitelement ausgebildet werden, durch dessen Formgebung die für die Kühlung notwendigen Ströme in die Kühlmittelkanäle eingeleitet bzw. eingeteilt werden können.
Da üblicherweise die Leistungselektronik einen höheren Kühlbedarf aufweist als die elektromagnetischen Statorkomponenten, ist es weiterhin vorteilhaft auch bei einer zentralen Kühlmittelzufuhr und -abfuhr zumindest die Zufuhrmenge des Kühlmittels zu der ersten und zweiten Fluid-Kühlanordnung zu steuern. Dazu kann beispielsweise eine Verbindung zwischen Kühlmittelkanal und zentralem Kühlmittelzufuhrkanal an die gewünschte Durchflussmenge angepasst werden. So kann beispielsweise der Durchmesser der Verbindung oder auch der gesamte Kühlmittelkanal im Statorträgerabschnitt von dem Leistungselektronikträgerabschnitt verschieden ausgebildet sein. Dadurch kann beispielsweise im Leistungselektronikträgerabschnitt mehr Kühlmittel bereitgestellt und dieses auch schneller durchgesetzt werden, so dass eine größere Wärmeabfuhrkapazität für den Leistungselektronikträgerabschnitt bereitsteht, als für den Statorträgerabschnitt. Durch diese sogenannte Parallelschaltung der Kühlmittelkanäle kann zudem der Gesamtdruckverlust im Kühlsystem des Systemträgers minimiert werden.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Kühlmittelzufuhrkanal mit nur einem der beiden Kühlmittelkanäle, beispielsweise dem zweiten ringförmigen Kanalabschnitt, und der Kühlmittelabfuhrkanal mit dem anderen, beispielsweise dem ersten ringförmigen, Kanalabschnitt verbunden sind, wobei der erste Kanalabschnitt und der zweite Kanalabschnitt über einen, vorzugsweise im Radialwandabschnitt ausgebildeten Verbindungskanal, fluidisch miteinander verbunden sind. Durch diese sogenannte Reihenschaltung kann zudem gewährleistet werden, dass die Leistungselektronik immer zuerst mit der Zulauftemperatur gekühlt wird. Nach der Kühlung der Leistungselektronik wird dann das Kühlmittel nicht direkt in die Auslassöffnung geleitet, sondern in den Kühlmittelkanal des Statorträgerabschnitts transportiert, um die elektromagnetischen Statorkomponenten zu kühlen. Auch dadurch kann dafür gesorgt werden, dass bei der Leistungselektronik ein größerer Kühleffekt bereitgestellt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als nur zwei Fluid-Kühlanordnungen in Reihenschaltung oder Parallelschaltung miteinander zu versorgen. Zudem können auch Mischformen aus Parallel- und Reihenschaltung vorhanden sein.
Wie oben bereits erwähnt, kann durch die Anordnung des Leistungselektronikträgerabschnitts radial innerhalb des Rotors über den Kühlmittelkanal im Leistungselektronikträgerabschnitt nicht nur die Elektronikbaugruppe, sondern auch die elektromagnetischen Komponenten des Rotors gekühlt werden. Um diesen Kühleffekt zu vergrößern, kann, wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, zudem auf dem Rotorträger bzw. auf dem dem Rotor gegenüberliegenden Bereich des Leistungselektronikträgerabschnitts mindestens ein Luftleitelement angeordnet sein, das dazu ausgelegt ist, erwärmte Luft von den elektromagnetischen Rotorkomponenten an die zweite Fluid-Kühlanordnung zu leiten, wobei das mindestens eine Luftleitelement von dem Rotorträger und/oder dem Leistungselektronikträgerabschnitt getragen wird. Derartige Luftleitelemente können beispielsweise über eine Struktur in Form von Wellenschaufeln oder Vorsprüngen ausgebildet sein, die eine Luftzirkulation zwischen dem Rotorträger und dem Leistungselektronikträgerabschnitt ermöglichen. Dadurch wird aktiv erwärmte Luft an die zweite Fluid-Kühlanordnung gebracht, so dass auch die Abwärme der elektromagnetischen Rotorkomponenten besser abtransportiert werden kann.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist, wie oben schon bemerkt, die Antriebsvorrichtung radial innen einen zentralen Aufnahmeraum auf, der mittels eines dritten sich axial erstreckenden Systemträgerabschnitts oder des Leistungselektronikträgerabschnitts ausgebildet ist, und in dem eine Trennkupplung, insbesondere eine elektromagnetisch betätigbare Formschlusskupplung, z.B. ein Klauenkupplung, aufnehmbar ist. Dabei ist besonders bevorzugt, wenn der zentrale Aufnahmeraum fluiddicht abgeschlossen ist, wobei vorzugsweise der den zentralen Aufnahmeraum bildende axiale Systemträgerabschnitt auf einer axialen Seite dichtend mit einem seitlich des Systemträgers angeordneten Lagerschild und auf der anderen Seite dichtend mit einem den Rotorträger drehbar lagernden Lager abgeschlossen ist. Dadurch ist es möglich, den die Trennkupplung aufnehmenden Aufnahmeraum mit einem Schmier- oder Kühlmittel zu füllen, auch wenn die elektrische Maschine selbst in einem Trockenbereich angeordnet ist.
Weiterhin kann an dem Systemträger eine dritte Fluid-Kühlanordnung vorgesehen sein, die mit der Elektronikbaugruppe im Wärmeaustausch steht, wobei vorzugsweise die dritte Fluid-Kühlanordnung als ein im dritten axialen Abschnitt ausgebildeter dritter sich in Umfangsrichtung erstreckender ringförmiger Kanalabschnitt ausgebildet ist, der vorzugsweise radial innerhalb der Leistungselektronik angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung kann eine besonders effektive Kühlung der Leistungselektronik und der angrenzenden Bauteile, wie beispielsweise auch der Trennkupplung, bereitgestellt werden.
Die kühlmittelfluidische Versorgung kann dabei ebenfalls in Reihen- oder Parallelschaltung erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, den zweiten und dritten Kühlmittelkanal parallel mit Kühlmittel zu versorgen, während der erste Kühlmittelkanal erst stromabwärts mit Kühlmittel versorgt wird (Reihenschaltung). Selbstverständlich kann auch ein separater Kühlmittelzulauf, -ablauf vorgesehen sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen definiert.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und sollen nicht den Schutzbereich der Anmeldung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
Es zeigen:
1: eine schematische räumliche Schnittansicht durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorliegender Antriebsvorrichtung und
2: eine schematische Darstellung zweier unterschiedlicher Anordnungen von Kühlkanälen.
Im Folgenden werden gleiche und funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt schematisch eine räumliche Schnittansicht durch eine als elektrische Maschine 1 ausgebildete Antriebsvorrichtung 100 für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 2, der um eine Achse A drehbar gelagert ist und von einem Rotorträger 4, der drehfest mit einer Welle 6 verbunden ist, getragen ist. Auf dem Rotorträger 4 sind dabei die elektromagnetischen Rotorkomponenten 8 in Form von Rotormagneten angeordnet.
Radial außerhalb des Rotors 2 ist ein Stator 10 angeordnet, der elektromagnetische Statorkomponenten 12 in Form von an einem Blechpaket 14 angeordneten Spulen 16 aufweist. Dabei ist das Statorblechpaket 14 von einem Statorträger 18 getragen, der als Statorträgerabschnitt 18 eines Systemträgers 20 ausgebildet ist.
Wie 1 weiter zu entnehmen, weist der Systemträger 20 neben dem Statorträgerabschnitt 18 einen integral mit dem Statorträgerabschnitt 18 ausgebildeten Radialwandabschnitt 22 auf. Zudem ist einteilig an dem Systemträger 20 ein Leistungselektronikträgerabschnitt 24 ausgebildet, der radial beabstandet von dem Statorträger 18 ausgebildet ist. Dadurch bildet der Systemträger 20 einen topfartigen Aufnahmeraum 26, in dem die elektrische Maschine 1 zumindest teilweise aufgenommen ist, wobei der Leistungselektronikträgerabschnitt 24 in Bezug auf die Drehachse A radial innerhalb des Rotorträgers 4 angeordnet ist.
Weiterhin zeigt 1, dass der Leistungselektronikträgerabschnitt 24 radial innen einen zweiten Aufnahmeraum 28 ausbildet, in dem eine Elektronikbaugruppe, insbesondere ein Kondensator 29, einer die elektrische Maschine 1 steuernden Leistungselektronik aufnehmbar ist. Der Kondensator 29 und andere nicht explizit dargestellte Elektronikbauteile wiederum werden von einem sogenannten Powerboard 30, d.h. einer Netzteilplatte, getragen, die wiederum in einer an dem Radialwandabschnitt 22 ausgebildeten Ausnehmung 32 abgesenkt angeordnet sein kann. Das Powerboard 30 trägt dabei neben dem Kondensator 29 auch andere Bauteile, die in den Aufnahmeraum 28 hineinragen oder zwischen Powerboard 30 und Systemträger 20 angeordnet sind, wie beispielsweise diverse Halbleiter (MOSFETs). Zwischen Powerboard 30 bzw. den vom Powerboard 30 getragenen Elementen und dem Systemträger 20, insbesondere dem Radialwandbereich 22 bzw. dem Leistungselektronikträgerabschnitt 24, kann weiterhin eine Wärmeleitpaste (Gapfiller) vorgesehen sein, die die Elektronikbaugruppen in direkten thermischen Kontakt mit dem Systemträger 20 und damit mit am Systemträger 20, insbesondere am Statorträger bzw. Leistungselektronikträgerabschnitt 24, angeordnete Fluid-Kühlanordnungen 34, 36 bringt, die nachfolgend detailliert beschrieben werden.
Dabei zeigt 1, dass die Fluid-Kühlanordnungen 34, 36 sowohl im Statorträgerabschnitt 18 als auch im Leistungselektronikträgerabschnitt 24 als Kühlmittelkanäle 34, 36 ausgebildet sind, die mit einem fluiden Kühlmittel beaufschlagbar sind und für eine Kühlung der elektromagnetischen Statorkomponenten (Kühlmittelkanal 34) bzw. der Leistungselektronik (Kühlmittelkanal 36) ausgelegt sind. Dabei ist der erste Kühlmittelkanal 34 vorzugsweise ringförmig angeordnet und einteilig in dem Statorträgerabschnitt 18 ausgebildet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Kühlmittelkanal radial innen durch den Statorträgerabschnitt 18 und radial außen durch ein, die elektrische Maschine 1 aufnehmendes Gehäuse zu begrenzen. Auch der zweite Kühlmittelkanal 36 ist, wie dargestellt, als ringförmiger Kühlmittelkanal ausgebildet und vorzugsweise mit einem fluiden Kühlmittel beaufschlagbar.
Um ein Kühlmittel in die Kühlkanäle 34, 36 zu leiten, sind weiterhin in dem Radialwandabschnitt 22 des Systemträgers 20 ein Kühlmittelzulaufkanal 38 und ein Kühlmittelablaufkanal 40 angeordnet, die den Kühlmittelkanal 34 und den Kühlmittelkanal 36 mit fluidem Kühlmittel versorgen. Da der Kühlmittelzulauf 38 und der Kühlmittelablauf 40 nicht in der Schnittebenenansicht der 1 liegen, sind diese nur gestrichelt angedeutet und als Konzept und nicht als tatsächliche Anordnung zu verstehen. Schematisch wird auf die Kühlmittelkanäle in 2 näher eingegangen.
Dabei kann für jeden Kühlmittelkanal 34 oder 36 jeweils ein separater Zulaufkanal 38 bzw. Ablaufkanal 40 vorgesehen sein, es ist jedoch auch möglich, wie schematisch in 2 dargestellt, die Kühlmittelkanäle 34, 36 über einen zentralen Kühlmittelzufuhrkanal 38 und einen zentralen Kühlmittelabfuhrkanal 40 mit Kühlmittel zu versorgen. Dabei zeigt 2a eine Parallelschaltung, während 2b eine Reihenschaltung darstellt.
Bei der Parallelschaltung sind, wie 2a zu entnehmen, der Kühlmittelzufuhrkanal 38 und der Kühlmittelabfuhrkanal 40 jeweils sowohl mit dem ersten Kühlmittelkanal 34 im Statorträgerabschnitt 18 als auch mit dem zweiten Kühlmittelkanal 36 im Leistungselektronikträgerabschnitt 24 verbunden. Dadurch kann Kühlmittel gleichzeitig sowohl dem ersten als auch dem zweiten Kühlmittelkanal 34, 36 zugeführt bzw. aus diesem abgeführt werden. Um die Kühlmittelzufuhr/abfuhr zu steuern bzw. einem unterschiedlichen Kühlbedarf des vom ersten oder zweiten Kühlmittelkanals 34, 36 gekühlten Elementen Rechnung zu tragen, kann die Zufuhr von Kühlmittel über den Durchmesser der Verbindungen 42, 44 bzw. 46, 48 bereitgestellt werden. Dabei kann beispielsweise ein Durchschnitt der Verbindung 42, 44 zum Kühlmittelkanal 34 kleiner ausgebildet als ein Durchschnitt der Verbindung 46, 48 zum Kühlmittelkanal 36. Über die unterschiedlichen Durchmesser der Verbindungen 42, 44, 46 und 48 kann dabei die Durchflussmenge und auch die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels in den Kühlmittelkanälen 34, 36 eingestellt und geregelt werden.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Kühlmittelzufuhr aktiv geregelt wird, beispielsweise über entsprechende Durchflussventile, die den Durchfluss des Kühlmittels in die Kanäle 34, 36 aktiv steuern. Gleichermaßen ist eine passive Durchflussmengensteuerung über Leitelemente in den Kanälen 38, 40 ebenfalls möglich.
Alternativ zu der in 2a dargestellten Parallelschaltung ist auch eine Reihenschaltung, wie in 2b dargestellt, möglich. Das bedeutet, dass die Kühlkanäle 34, 36 nicht gleichzeitig mit Kühlmittel beaufschlagt werden, sondern sequenziell. Dazu ist beispielsweise der Kühlmittelkanal 36 des Leistungselektronikträgerabschnitts 24 direkt mit dem Kühlmittelzufluss 38 verbunden, so dass Kühlmittel nur in den Kühlmittelkanal 36 des Leistungselektronikträgerabschnitts 24 eintreten kann. Die Kühlmittelkanäle 36 und 34 wiederum sind über einen Verbindungskanal 50 miteinander verbunden, so dass Kühlmittel, nachdem es durch den Kühlmittelkanal 36 des Leistungselektronikträgerabschnitts 24 geflossen ist, nicht nach außen abgeführt wird, sondern in den Kühlmittelkanal 34 des Statorträgerabschnitts 18 eingebracht wird und dann von dort aus über den Kühlmittelabfluss 40 nach außen abgeführt wird. Dabei kann vorzugsweise der Verbindungskanal 50 ebenfalls wie der Kühlmittelzufuhrkanal 38 und der Kühlmittelabfuhrkanal 40 in dem Radialwandabschnitt 22 des Systemträgers 20 ausgebildet sein.
Selbstverständlich ist ebenfalls möglich, jeden Kühlmittelkanal 34; 36 jeweils mit einem separaten Kühlmittelzufuhrkanal 38 bzw. Kühlmittelabfuhrkanal 40 zu versorgen. Dies hat den Vorteil, dass dann Kühlmittel unterschiedlicher Temperatur an die entsprechend zu kühlenden Elemente gebracht werden kann.
Wie 1 weiterhin zu entnehmen, ist der Kühlmittelkanal 36 des Leistungselektronikträgerabschnitts 24 nicht nur dazu ausgelegt, eine Elektronikbaugruppe zu kühlen, sondern kann gleichzeitig eine Kühlung des Rotors 2 bereitstellen. Um diese Kühlung weiter zu erhöhen, kann weiterhin auf dem Rotorträger 4 bzw. auf dem dem Rotorträger 4 gegenüberliegenden Bereich des Leistungselektronikträgerabschnitts 24 eine Struktur (nicht dargestellt) in Form von Wellen, Schaufeln oder Vorsprüngen ausgebildet sein, die eine Luftzirkulation zwischen dem Rotorträger und dem Leistungselektronikträger ermöglicht. Dadurch kann die Wärmeübertragung vom Rotor über die Luft an den Kühlmittelkanal 36 des Leistungselektronikträgerabschnitts 24 erfolgen und so eine Kühlung der elektromagnetischen Rotorkomponenten 8 bereitgestellt werden.
Die Kühlung der elektromagnetischen Statorkomponenten 12 bzw. der Leistungselektronik erfolgt ebenfalls über Wärmeaustauschkontakt. Dabei kann im Bereich der Leistungselektronik der Wärmeaustausch über die oben angesprochenen Gapfiller weiter erhöht werden. Zudem kann der Systemträger selbst aus einem wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Alu, ausgebildet sein, was dem Wärmeaustausch zwischen den Kühlkanälen 34, 36 und den zu kühlenden Elementen 12, 29, 30 erhöht.
Weiterhin zeigt 1, dass radial innerhalb des Leistungselektronikträgerabschnitts 24 der Systemträger 20 einen dritten Systemträgerabschnitt 52 aufweisen kann, der sich ebenfalls axial erstreckt und einen dritten ringförmigen Aufnahmeraum 54 definiert, der gleichzeitig eine Zentralausnehmung darstellt und dazu ausgelegt sein kann, eine Trennkupplung 56 aufzunehmen. Die Trennkupplung 56 kann, wie in 1 dargestellt, als elektromagnetisch betätigbar Formschlusskupplung, insbesondere als Klauenkupplung, ausgebildet sein. Deren Elemente und Funktionsweise sind in der DE 102013205174 genau dargelegt und sind hiermit in der Offenbarung vorliegender Anmeldung vollumfänglich mit umfasst.
Der dritte Systemträgerabschnitt 52 erstreckt sich axial von einem ersten Lagerschild 58, das seitlich des Systemträgers 20 angeordnet ist und mit diesem radial außen abschließt, zu einem Lager 60, das wiederum den Rotorträger 4 drehend lagert. Dabei ist der dritte Systemträgerabschnitt 52 dichtend sowohl an dem Lagerschild 58 als auch an dem Lager 60 abgeschlossen, so dass der Aufnahmeraum 54 im Wesentlichen fluiddicht abgeschlossen ist. Dadurch kann in dem Aufnahmeraum 54 auch Schmier- oder Kühlmittel für die Trennkupplung 56 aufgenommen werden, ohne dass auch die elektrische Maschine 1 in einem Nassraum angeordnet werden muss.
Um die Kühleffektivität, insbesondere für die Leistungselektronik zu erhöhen, kann weiterhin in dem dritten Systemabschnitt 52 ebenfalls ein Kühlmittelkanal (nicht dargestellt) vorgesehen sein, der mit Kühlmittel beaufschlagbar ist, und so für eine Kühlung der in dem Aufnahmeraum 28 angeordneten Elektronikbaugruppe und des Powerboards 30 dient.
Auch wenn in 1 die elektrische Maschine 1 als ein Innenläufer dargestellt ist, so ist der Systemträger 20 auch für elektrische Maschinen und Antriebsaggregate in Außenläuferbauform gleichermaßen geeignet. Auch hier ist eine effektive Kühlung gegeben.
Insgesamt kann mit dem oben beschriebenen Systemträger eine Antriebsvorrichtung vorgestellt werden, die eine verbesserte Kühlung sowohl der elektromagnetischen Komponenten der elektrischen Maschine als auch der Elektronikbauteile der Leistungselektronik aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Antriebseinheit
1: elektrische Maschine
2: Rotor
4: Rotorträger
6: Welle
8: elektromagnetische Rotorkomponenten
10: Stator
12: elektromagnetische Statorkomponenten
14: Zähne
16: Spulen
18: Statorträger
20: Systemträger
22: Radialwandabschnitt
24: Leistungselektronikträgerabschnitt
26: erster Aufnahmeraum
28: zweiter Aufnahmeraum
29: Kondensator
30: Leistungselektronik-Powerboard
32: Ausnehmung
34: erster Kühlmittelkanal
36: zweiter Kühlmittelkanal
38: Kühlmittelzulauf
40: Kühlmittelablaufkanal
42, 44, 46, 48: Verbindungselemente
50: Verbindungskanal
52: dritter Systemträgerabschnitt
54: dritter Aufnahmebereich
56: Trennelement
58: Lagerschild
60: Lager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10120414 [0002, 0003, 0016]
DE 102013205174 [0010, 0045]
EP 1746294 [0012, 0012]

Claims

Antriebsvorrichtung (100) für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, umfassend – eine elektrische Maschine (1) mit einem um eine Achse drehbar gelagerten Rotor (2) und einem dazu koaxial angeordneten Stator (10), wobei – der Rotor (2) eine elektromagnetische Rotorkomponente (8) und einen Rotorträger (4) aufweist und – der Stator (10) einen Statorträger (18) aufweist, der rotorseitig eine elektromagnetische Statorkomponente (12) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylinderförmig ausgebildeter Systemträger (20) vorgesehen ist, der einen sich radial erstreckenden Radialwandabschnitt (22) umfasst, und der einen ersten sich axial erstreckenden Statorträgerabschnitt (18), der den Statorträger ausbildet, und zumindest einen zweiten sich axial erstreckenden Leistungselektronikträgerabschnitt (24), der einen Aufnahmebereich (28) für eine Elektronikbaugruppe (29; 30) zum Ansteuern der elektrischen Maschine ausbildet, aufweist, und der Systemträger (20) weiterhin eine erste am Statorträgerabschnitt (18) angeordnete Fluid-Kühlanordnung (34) aufweist, welche mit der elektromagnetischen Statorkomponente (12) im Wärmeaustauschkontakt steht, und zumindest eine zweite, von der ersten Fluid-Kühlanordnung (34) separat ausgebildeten, am Leistungselektronikträgerabschnitt (24) Fluid-Kühlanordnung (36) aufweist, die mit der Elektronikbaugruppe (29; 30) im Wärmeaustausch steht.
Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) als Innenläufer ausgeführt ist, wobei der Rotor (2) und Stator (10) in einem am Systemträger (20) zwischen dem Statorträgerabschnitt (18) und dem Leistungselektronikträgerabschnitt (24) ausgebildeten ringförmigen ersten Aufnahmeraum (26) angeordnet sind.
Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufnahmeraum (28) für die Elektronikbaugruppe (29; 30), insbesondere für einen Kondensator (29), als zweiter ringförmiger Aufnahmeraum (28) ausgebildet ist, der radial innerhalb des Leistungselektronikträgerabschnitts (24) ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum für die Elektronikbaugruppen (29; 30) weiterhin eine in dem Radialwandabschnitt (22) auf einer der elektrischen Maschine (1) abgewandten axialen Stirnseite ausgebildete Ausnehmung (32) aufweist, in der ein Powerboard (30) für die Leistungselektronik aufnehmbar ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluid-Kühlanordnung (34) als ein im Statorträgerabschnitt (18) ausgebildeter, erster sich in Umfangsrichtung erstreckender ringförmiger Kanalabschnitt (34) ausgebildet ist, der vorzugsweise radial außerhalb der elektromagnetischen Statorkomponenten (12) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluid-Kühlanordnung (36) als ein im Leistungselektronikträgerabschnitt (24) ausgebildeter, zweiter sich in Umfangsrichtung erstreckender ringförmiger Kanalabschnitt (34) ausgebildet ist, der vorzugsweise radial zwischen der elektrischen Maschine (1) und der aufgenommenen Elektronikbaugruppe (29; 30) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Radialwandabschnitt (22) des Systemträgers (20) mindestens ein Kühlmittelzufuhrkanal (38), der Kühlmittel der ersten und/oder zweiten Fluid-Kühlanordnung (34; 36) zuführt, und mindestens ein Kühlmittelabfuhrkanal (40), der Kühlmittel aus der ersten und/oder zweiten Fluid-Kühlanordnung (34; 36) abführt, ausgebildet sind.
Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzufuhrkanal (38) und der Kühlmittelabfuhrkanal (40) zumindest jeweils mit dem ersten ringförmigen Kanalabschnitt (34) und dem zweiten ringförmigen Kanalabschnitt (36) verbunden sind.
Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzufuhrkanal (38) zumindest mit einem insbesondere dem zweiten ringförmigen Kanalabschnitt (36) und der Kühlmittelabfuhrkanal (40) mit dem anderen, insbesondere dem ersten, ringförmigen Kanalabschnitt (34) verbunden sind, und wobei zumindest der erste Kanalabschnitt (34) und der zweite Kanalabschnitt (36) über einen, vorzugsweise im Radialwandabschnitt (22) ausgebildeten, Verbindungskanal (50) fluidisch miteinander verbunden sind.
Antriebsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflussmenge von Kühlmittel in den Fluid-Kühlanordnungen (34; 36) und/oder den Kühlmittelkanälen über entsprechend ausgebildete Querschnitte (42; 44; 46; 48) einstellbar ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotorträger (4) und Leistungselektronikträgerabschnitt (24) mindestens ein Luftleitelement angeordnet ist, das dazu ausgelegt ist, erwärmte Luft von den elektromagnetischen Rotorkomponenten (8) an die zweite Fluid-Kühlanordnung (36) zu leiten, wobei das mindestens eine Luftleitelement von dem Rotorträger (4) und/oder dem Leistungselektronikträger (24) getragen ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungselektronikträgerabschnitt (24) oder ein weiterer radial innerhalb des Leistungselektronikträgerabschnitts (24) ausgebildeter sich axial erstreckender Systemträgerabschnitt (52) einen radial innenliegenden zentralen Aufnahmeraum (54) definiert, in der eine Trennkupplung (56), insbesondere eine elektromagnetisch betätigbare Formschlusskupplung, aufnehmbar ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei der zentrale Aufnahmeraum (54) fluiddicht abgeschlossen ist, wobei vorzugsweise der den zentralen Aufnahmeraum bildende axiale Systemträgerabschnitt (24; 52) auf einer axialen Seite dichtend mit einem seitlich des Systemträgers (20) angeordneten Lagerschild (58) abschließt und auf der anderen Seite dichtend zu einem den Rotorträger (4) drehbar lagernden Lager (60) abgeschlossen ist.
Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Systemträger (20) eine dritte Fluid-Kühlanordnung vorgesehen ist, die mit der Elektronikbaugruppe (29; 30) im Wärmeaustausch steht, wobei vorzugsweise die dritte Fluid-Kühlanordnung als ein im dritten axialen Abschnitt ausgebildeter, dritter sich in Umfangsrichtung erstreckender ringförmiger Kanalabschnitt ausgebildet ist, der vorzugsweise radial innerhalb der Leistungselektronik (29; 30) angeordnet ist.