DE102014221204B4 - Hybrid module and method of manufacturing a hybrid module for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Hybridmodul (1) für ein Fahrzeug, wobei das Hybridmodul (1) zwischen einem Verbrennungsmotor (10) und einem Getriebe (100) angeordnet ist, umfassend einen Elektroantrieb (3), bei dem ein Stator (5) eine Rotorbaugruppe (7), die in einem Rotorraum (6) vorgesehen ist, umschließt und eine Mehrzahl von Spulenkörpern (41) aufweist, wobei jeder Spulenkörper (41) einen Rohrabschnitt (38) mit einem Innenflansch (40) ausgebildet hat, durch den mehrere Spulenköpfe (39) des Stators (5) gehaltert sind, und ein Trägerelement (13), das einen Flanschabschnitt (15) und einen Kühlmantel (17) aufweist, wobei der Flanschabschnitt (15) die Rotorbaugruppe (7) lagert und der Kühlmantel (17) an einer äußeren Mantelfläche (19) des Stators (5) angeordnet ist, und wobei mindestens ein Wärmeleitelement (21, 23) an mindestens einer Seitenfläche (S1, S2) des Flanschabschnitts (15) des Trägerelements (13) angeordnet ist, und eine erste Seitenfläche (S1) des Flanschabschnitts (15) des Trägerelements (13), die dem Elektroantrieb (3) zugewandt ist, mindestens ein erstes Wärmeleitelement (21) aufweist, das eine passive Wärmeableitung oder eine aktive Wärmeableitung ausgebildet hat, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Wärmeableitung derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine erste Wärmeleitelement ein ringförmiges Bauteil (21) ist und in einer axialen Richtung (R1) vor einer Stirnseite (37) der Rotorbaugruppe (7) angeordnet ist und das Bauteil (21) in Freiräumen (11) des Hybridmoduls (1) zwischen mehreren Spulenköpfen (39) des Stators (5) in einer radialen Richtung (R2) verlaufende Abgangskanäle (61) ausbildet, in denen ein Kühlmedium geführt ist.Hybrid module (1) for a vehicle, wherein the hybrid module (1) between an internal combustion engine (10) and a transmission (100) is arranged, comprising an electric drive (3), wherein a stator (5) comprises a rotor assembly (7) is provided in a rotor space (6), enclosing and having a plurality of bobbins (41), wherein each bobbin (41) has a pipe section (38) with an inner flange (40) through which a plurality of coil heads (39) of the stator (40). 5), and a carrier element (13) which has a flange section (15) and a cooling jacket (17), wherein the flange section (15) supports the rotor assembly (7) and the cooling jacket (17) is mounted on an outer jacket surface (19 ) of the stator (5), and wherein at least one heat conduction member (21, 23) is disposed on at least one side surface (S1, S2) of the flange portion (15) of the support member (13), and a first side surface (S1) of the flange portion (15) of the carrier element ( 13), which faces the electric drive (3), has at least one first heat-conducting element (21) which has formed a passive heat dissipation or an active heat dissipation, characterized in that the active heat dissipation is formed such that the at least one first heat-conducting element annular component (21) and in an axial direction (R1) in front of an end face (37) of the rotor assembly (7) is arranged and the component (21) in free spaces (11) of the hybrid module (1) between a plurality of coil ends (39) of the Stators (5) in a radial direction (R2) extending outgoing ducts (61) forms, in which a cooling medium is guided.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridmodul für ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2.The present invention relates to a hybrid module for a vehicle according to the features of the preamble of
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren eines Hybridmoduls für ein Fahrzeug.The present invention further relates to a manufacturing method of a hybrid module for a vehicle.
Hybridmodule der eingangs genannten Art werden bekanntermaßen bei Hybridfahrzeugen verwendet. Dabei ist in klassischen Hybridfahrzeugen, wie in einer schematischen Blockansicht in
Einen schematischen Längsschnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Hybridmodul
Ferner umfasst das Hybridmodul ein Trägerelement
In den Kühlkanälen
In einigen weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen ist ein Kühlmantel mit Flüssigkeitskühlung an der äußeren Mantelfläche des Stators auch getrennt von dem Trägerelement ausgeführt. Dies ist beispielsweise im amerikanischen Patent
Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine Wärmeableitung aus dem Stator des Elektroantriebs durch einen Vollverguss, vorzugsweise im Kühlmantel, verbessert wird. Dabei weist die Vergussmasse durch Füllstoffe eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf und füllt zudem einen Raum zwischen einer Stirnseite des Stators und dem Kühlmantel bzw. dem Flanschabschnitt aus.Furthermore, it is known from the prior art that heat dissipation from the stator of the electric drive is improved by full encapsulation, preferably in the cooling jacket. In this case, the potting compound by fillers on an increased thermal conductivity and also fills a space between an end face of the stator and the cooling jacket or the flange.
Allgemein ist auch bekannt, dass eine Leistungsabgabe des Elektroantriebs bei längeren Betriebszeiten durch Erwärmungsgrenzen in den Bauteilen des Hybridsystems eingeschränkt wird. Im vorgegeben Bauraum ist sowohl die Verringerung der Verluste in den Systemkomponenten als auch die Erhöhung der Kühlleistung mit hohen Kosten für hochwertige Materialien und Prozesse verbunden. Bei einer Ölkühlung darf an allen Bauteilen die zulässige Grenztemperatur des Öls zudem nicht überschritten werden, da dieses ansonsten schneller altert. Dies gilt insbesondere auch für die Permanentmagneten in der Rotorbaugruppe, in denen mit ansteigenden Betriebstemperaturen der Anteil an hochpreisigem Dysprosium steigt und deren Eigenverluste aufgrund betriebsbedingter Magnetflussschwankungen durch eine aufwendige Segmentierung der Magnetpole gesenkt werden. Gerade bei Elektroantrieben mit konzentriert bewickelten Einzelpolen, die aufgrund von kurzen Wickelköpfen in Hybridantrieben bevorzugt eingesetzt werden, entstehen somit für eine hohe Dauerleistung bei hohen Drehzahlen erhebliche Magnetkosten.In general, it is also known that a power output of the electric drive is limited for longer operating times by heating limits in the components of the hybrid system. In the given installation space, both the reduction of losses in the system components and the increase in the cooling capacity are associated with high costs for high-quality materials and processes. In the case of oil cooling, the permissible limit temperature of the oil must not be exceeded on all components, as this will otherwise age faster. This applies in particular to the permanent magnets in the rotor assembly, in which increases with increasing operating temperatures, the proportion of high-priced dysprosium and their losses due to operational magnetic flux fluctuations are reduced by an elaborate segmentation of the magnetic poles. Especially in electric drives with concentrated wound individual poles, which are preferably used due to short end windings in hybrid drives, thus resulting in high continuous power at high speeds considerable magnetic costs.
Aus der
Eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist daher, ein Hybridmodul für ein Fahrzeug zu schaffen, dass im vorgegebenen Bauraum mit geringem Kosten- und Nachbearbeitungsaufwand die Leistungsabgabe eines Elektroantriebs steigert oder bei gleichbleibender Leistungsabgabe die Magnetkosten senkt.An object of the present invention is therefore to provide a hybrid module for a vehicle that increases the power output of an electric drive in a given space with low cost and Nachbearbeitungsaufwand or reduces the magnet costs at constant power output.
Diese Aufgabe wird durch ein Hybridmodul für ein Fahrzeug gelöst, das die Merkmale im Anspruch 1 oder Anspruch 2 umfasst. This object is achieved by a hybrid module for a vehicle comprising the features in
Eine weitere Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist, ein kostengeringes Herstellungsverfahren eines Hybridmoduls für ein Fahrzeug anzugeben, bei dem mit einem geringen Nachbearbeitungsaufwand die Leistungsabgabe eines Elektroantriebs gesteigert wird.Another object of the present invention is to provide a low-cost manufacturing method of a hybrid module for a vehicle in which the power output of an electric drive is increased with a small post-processing effort.
Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren eines Hybridmoduls für ein Fahrzeug gelöst, das die Merkmale im Anspruch 8 umfasst.This object is achieved by a manufacturing method of a hybrid module for a vehicle comprising the features in
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche umfasst.Further embodiments of the invention are covered by the subclaims.
Das erfindungsgemäße Hybridmodul für ein Fahrzeug ist zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordnet ist. Das Hybridmodul umfasst einen Elektroantrieb, bei dem ein Stator eine Rotorbaugruppe umschließt und eine Mehrzahl von Spulenkörpern aufweist. Die Rotorbaugruppe ist in einem Rotorraum vorgesehen. Jeder Spulenkörper hat einen Rohrabschnitt mit einem Innenflansch ausgebildet, durch den mehrere Spulenköpfe des Stators gehaltert sind. Das Trägerelement weist einen Flanschabschnitt und einen Kühlmantel auf. Vorzugsweise ist das Trägerelement derart ausgebildet, dass der Flanschabschnitt und der Kühlmantel aneinandergefügt sind. Ebenso ist aber auch denkbar, dass der Flanschabschnitt und der Kühlmantel des Trägerelements nicht unmittelbar aneinanderfügt sind. Der Flanschabschnitt lagert die Rotorbaugruppe und der Kühlmantel ist an einer äußeren Mantelfläche des Stators angeordnet, so dass dieser die Verlustwärme von der äußeren Mantelfläche des Stators abführt.The hybrid module according to the invention for a vehicle is arranged between an internal combustion engine and a transmission. The hybrid module includes an electric drive in which a stator encloses a rotor assembly and has a plurality of bobbins. The rotor assembly is provided in a rotor space. Each bobbin has a pipe section formed with an inner flange through which a plurality of coil heads of the stator are supported. The carrier element has a flange portion and a cooling jacket. Preferably, the carrier element is designed such that the flange portion and the cooling jacket are joined together. Likewise, however, it is also conceivable that the flange section and the cooling jacket of the carrier element are not directly adjoining one another. The flange portion supports the rotor assembly and the cooling jacket is disposed on an outer circumferential surface of the stator so that it dissipates the heat loss from the outer surface of the stator.
Erfindungsgemäß weist der Flanschabschnitt des Trägerelements in einer ersten Ausführungsform an mindestens einer Seitenfläche mindestens ein Wärmeleitelement zur Kühlung der Rotorbaugruppe auf.According to the invention, in a first embodiment, the flange portion of the carrier element has at least one heat-conducting element on at least one side face for cooling the rotor assembly.
In einer zweiten Ausführungsform ist der Innenflansch jedes Spulenkörpers derart ausgebildet, dass ein Wärmefluss von den Spulenköpfen zum Rotorraum hin reduziert bzw. gehemmt ist.In a second embodiment, the inner flange of each bobbin is designed such that a heat flow is reduced or inhibited from the coil ends to the rotor space.
Die Erfindung weist in ihrer ersten Ausführungsform eine erste Seitenfläche des Flanschabschnitts des Trägerelements, die dem Elektroantrieb zugewandt ist, mindestens ein erstes Wärmeleitelement auf, das mittels passiver Wärmeableitung oder mittels aktiver Wärmeableitung, die vom Elektroantrieb erzeugte Wärme, abführt.The invention has in its first embodiment, a first side surface of the flange portion of the support member, which faces the electric drive, at least a first heat conducting element, which dissipates by passive heat dissipation or by active heat dissipation, the heat generated by the electric drive.
Dieses mindestens eine Wärmeleitelement ist in einer ersten Ausführungsform derart in dem Bauraum des Hybridmoduls angeordnet, dass es bestehende Freiräume im Hybridmodul nutzt. Alle bisherigen im Hybridmodul verbauten und verbaubaren Bauteile können daher weiter genutzt werden. Somit müssen keine konstruktiven Umgestaltungen im Hybridmodul vorgenommen werden. Ferner hat dies den Vorteil, dass das Wärmemanagement im Hybridmodul auf kostengünstige Weise optimiert ist.In a first embodiment, this at least one heat-conducting element is arranged in the installation space of the hybrid module such that it uses existing free spaces in the hybrid module. All previous built in the hybrid module and components can therefore be used further. Thus, no structural changes in the hybrid module must be made. Furthermore, this has the advantage that the thermal management in the hybrid module is optimized in a cost-effective manner.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridmoduls bildet der Flanschabschnitt des Trägerelements mindestens eine Aussparung aus, mittels welcher das mindestens eine erste Wärmeleitelement über mindestens einen Befestigungsstift befestigt ist.In a further embodiment of the hybrid module according to the invention, the flange portion of the carrier element forms at least one recess, by means of which the at least one first heat-conducting element is fastened via at least one fastening pin.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist eine zweite Seitenfläche des Flanschabschnitts des Trägerelements, die dem Elektroantrieb abgewandt ist, mindestens ein zweites Wärmeleitelement auf, das mit dem mindestens einen ersten Wärmeleitelement verbunden ist. Bevorzugt ist dabei das zweite Wärmeleitelement über mindestens ein Verbindungselement mit dem mindestens einen ersten Wärmeleitelement verbunden. Auch ist bei der Erfindung vorgesehen, dass ein erstes Wärmeleitelement mit einem zweiten Wärmeleitelement stoff- und/oder formschlüssig, insbesondere durch ein Stauchen und/oder Verschweißen, mechanisch und thermisch miteinander verbunden ist.In a further preferred embodiment, a second side surface of the flange portion of the carrier element, which is remote from the electric drive, at least a second heat conducting element, which is connected to the at least one first heat conducting element. In this case, the second heat-conducting element is preferably connected via at least one connecting element to the at least one first heat-conducting element. It is also provided in the invention that a first heat conducting element with a second heat conducting element material and / or positive, in particular by upsetting and / or welding, mechanically and thermally connected to each other.
Vorzugsweise ist das zweite Wärmeleitelement mit dem ersten Wärmeleitelement derart miteinander verbunden, dass der mindestens eine Befestigungsstift zur Befestigung des ersten Wärmeleitelements über eine Aussparung mit dem zweiten Wärmeleitelement verbunden ist und eine Wärmebrücke bildet. Dabei nimmt im Betrieb eines Hybridmoduls das mindestens eine erste Wärmeleitelement die Wärme aus dem Umfeld der Rotorbaugruppe auf und weist hierfür eine, wie in der nachfolgenden Ausführungsform beschrieben, geeignete Oberflächenstruktur und/oder Beschichtung auf. Die Beschichtung ist vorzugsweise eine schwarze Antihaftbeschichtung. Die Wärme wird dann zum Teil direkt an den Flanschabschnitt des Trägerelements, jedoch aber auch über die als Wärmebrücken dienenden Befestigungsstifte direkt an das mindestens eine zweite Wärmeleitelement weitergeleitet. Durch diesen zusätzlichen Querschnitt und ihre hohe Wärmeleitfähigkeit reduziert das mindestens eine zweite Wärmeleitelement einen Wärmegradienten in radialer Richtung erheblich. Dies ist nachfolgend an einem Beispiel beschrieben: Zwischen dem die Rotorbaugruppe umgebenden Medium und dem Kühlwasser an einem Einlass als Wärmesenke, entsteht bei einem Wärmefluss von ca. 600 W in dem Trägerelement, wie beispielsweise aus Stahl, eine Temperaturdifferenz von etwa 30 bis 50°C. Interne Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass durch eine bessere Wärmeaufnahme und Wärmeleitung mittels erster und/oder zweiter Wärmeleitelemente, die Temperaturdifferenz erheblich um 30 bis 70% gesenkt werden kann. Eine Absenkung der Temperatur des die Rotorbaugruppe umgebenden Mediums um 15 bis 30°C führt zu einer Absenkung der Magnettemperatur in der Rotorbaugruppe, wodurch der Magnetfluss ansteigt. Vorteilhafterweise können dadurch wiederum deutlich preiswertere Magnete (mit geringem Dysprosium-Anteil) eingesetzt werden.The second heat-conducting element is preferably connected to the first heat-conducting element in such a way that the at least one fastening pin for fastening the first heat-conducting element is connected to the second heat-conducting element via a recess and forms a thermal bridge. During operation of a hybrid module, the at least one first heat-conducting element absorbs the heat from the surroundings of the rotor assembly and for this purpose has a suitable surface structure and / or coating, as described in the following embodiment. The coating is preferably a black non-stick coating. The heat is then forwarded partly directly to the flange portion of the support element, but also via the serving as thermal bridges mounting pins directly to the at least one second heat conducting element. Due to this additional cross-section and its high thermal conductivity, the at least one second heat-conducting element significantly reduces a thermal gradient in the radial direction. This is described below using an example: Between the medium surrounding the rotor assembly and the cooling water at an inlet as a heat sink, a heat flow of about 600 W in the support element, such as steel, a Temperature difference of about 30 to 50 ° C. Internal experiments by the applicant have shown that the temperature difference can be lowered considerably by 30 to 70% through better heat absorption and heat conduction by means of first and / or second heat-conducting elements. Lowering the temperature of the medium surrounding the rotor assembly by 15 to 30 ° C results in a lowering of the magnet temperature in the rotor assembly, increasing the magnetic flux. Advantageously, this in turn significantly cheaper magnets (with low dysprosium content) can be used.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridmoduls ist neben dem ersten und dem zweiten Wärmeleitelement, mindestens ein drittes Wärmeleitelement vorgesehen. Ein Teil des dritten Wärmeleitelements ist vorzugsweise vor einem Statorjoch, demnach nicht im Rotorraum, angeordnet und steht in einem direkten Kontakt mit dem Kühlmantel und dem mindestens einen zweiten Wärmeleitelement, so dass ein Wärmewiderstand zwischen dem zweiten Wärmeleitelement und den eingangs beschriebenen Kühlkanälen erheblich reduziert wird.In a further preferred embodiment of the hybrid module according to the invention, at least one third heat-conducting element is provided in addition to the first and the second heat-conducting element. A part of the third heat-conducting element is preferably arranged in front of a stator yoke, thus not in the rotor space, and is in direct contact with the cooling jacket and the at least one second heat-conducting element, so that a thermal resistance between the second heat-conducting element and the cooling channels described above is considerably reduced.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die passive Wärmeableitung derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine erste Wärmeleitelement radial zur Rotorbaugruppe eine durch Erhöhungen und Vertiefungen vergrößerte Oberfläche aufweist. Insbesondere bestehen erste Wärmeleitelemente bei einer passiven Wärmeableitung aus gut wärmeleitendem Material. Wie bereits oben beschrieben, ist das mindestens eine erste Wärmeleitelement mittels mindestens eines Befestigungsstiftes in mindestens einer Aussparung des Flanschabschnitts des Trägerelements befestigt, wobei dabei der mindestens eine Befestigungsstift vorzugsweise einstückig zu einem ersten Wärmeleitelement gehört, sprich sie bilden ein Bauteil und werden bevorzugt als Fließpressteil hergestellt. Selbstverständlich besteht der Befestigungsstift ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material.A further preferred embodiment of the invention provides that the passive heat dissipation is formed such that the at least one first heat-conducting element has a surface which is enlarged by elevations and depressions radially to the rotor assembly. In particular, there are first heat-conducting elements in a passive heat dissipation of good heat conducting material. As already described above, the at least one first heat-conducting element is fastened by means of at least one fastening pin in at least one recess of the flange portion of the carrier element, wherein the at least one fastening pin preferably belongs to a first heat-conducting element, that is to say form a component and are preferably produced as a extruded part , Of course, the fixing pin also consists of good heat conducting material.
Die aktive Wärmeableitung des der ersten Ausführungsform ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass das erste Wärmeleitelement ein ringförmiges, geschlossenes Bauteil ist, das in einer axialen Richtung vor einer Stirnseite der Rotorbaugruppe angeordnet ist. Das Bauteil bildet dabei in den Freiräumen des Hybridmoduls zwischen mehreren Spulenköpfen des Stators in einer radialen Richtung verlaufende Abgangskanäle aus, in denen ein Kühlmedium führbar ist.The active heat dissipation of the first embodiment according to the invention is designed such that the first heat conducting element is an annular, closed component, which is arranged in an axial direction in front of an end face of the rotor assembly. The component forms in the free spaces of the hybrid module between a plurality of coil heads of the stator in a radial direction extending outgoing passages, in which a cooling medium is feasible.
Vorzugsweise weist das ringförmige Bauteil, bevorzugt aus einem Blech hergestellt, einen Innenringkanal mit einem Einlass für das Kühlmedium (in Richtung der Schwerkraft vorzugsweise oben) und einen Außenringkanal mit einem Auslass für das Kühlmedium auf, wobei ein Übergang den Innenringkanal mit dem Außenringkanal verbindet. Der Übergang ist vorzugsweise gegenüberliegend dem Ein- und Auslass ausgebildet.Preferably, the annular component, preferably made of a metal sheet, an inner ring channel with an inlet for the cooling medium (in the direction of gravity preferably above) and an outer ring channel with an outlet for the cooling medium, wherein a transition connects the inner ring channel with the outer ring channel. The transition is preferably formed opposite the inlet and outlet.
Bei einem Elektroantrieb mit konzentriert gewickelten Einzelpolen im Stator hat der Außenringkanal vorzugsweise eine Mehrzahl von Ausnehmungen, über einen Umfang verteilt, zur Aufnahme der Spulenköpfe ausgebildet, so dass der Außenringkanal jeweils zwischen zwei aufeinander folgende Ausnehmungen einen der in radialer Richtung verlaufenden Abgangskanal ausbildet. Diese enden in einem ringförmigen Sammelraum axial vor einem Statorjoch, von wo aus das Kühlmedium durch mindestens eine Durchgangsbohrung auf die äußere Mantelfläche des Kühlmantels des Trägerelements gelangt.In an electric drive with concentrated wound single poles in the stator of the outer ring channel preferably has a plurality of recesses, distributed over a circumference, adapted to receive the coil heads, so that the outer ring channel forms between each successive recesses one of the extending in the radial direction outlet channel. These end in an annular collecting space axially in front of a stator yoke, from where the cooling medium passes through at least one through hole on the outer surface of the cooling jacket of the support element.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform endet jeder Abgangskanal des ersten Wärmeleitelements an einer oder zwei Durchgangsbohrungen. Auf der äußeren Mantelfläche des Kühlmantels verlaufen die eingangs beschriebenen Kühlkanäle dann vorteilhaft in axiale Richtung. Hierdurch kann der Kühlmantel als Stranggussteil kostengünstig hergestellt werden.In a particularly preferred embodiment, each outlet channel of the first heat-conducting element ends at one or two through-holes. On the outer surface of the cooling jacket, the cooling channels described above then advantageously extend in the axial direction. As a result, the cooling jacket can be produced as a continuous casting cost.
An einem Ende des Kühlmantels, entgegen dem mit dem Flanschabschnitt verbundenen Ende, enden die axial verlaufenden, parallelen Kühlkanäle in einem weiteren Ringkanal, der entweder beim Überdrehen des Stranggussteils spanend hergestellt wird oder als Blechteil an die Stirnseite des Kühlmantels angefügt wird. Erfolgt der letztere Fall nach der Montage des vorgefertigten Stators, kann mit dem Blechteil der Raum axial vor dem Statorjoch für einen größeren Querschnitt dieses Ringkanals genutzt werden. Vorzugsweise erfolgt der Abfluss der Kühlflüssigkeit auf der Seite zum Getriebe direkt aus dem dortigen Ringkanal.At one end of the cooling jacket, opposite to the end connected to the flange portion, the axially extending, parallel cooling channels terminate in a further annular channel which is either produced by over-turning of the continuous casting or added as a sheet metal part to the front side of the cooling jacket. If the latter case after mounting the prefabricated stator, can be used with the sheet metal part of the space axially in front of the stator yoke for a larger cross-section of this annular channel. Preferably, the outflow of the coolant takes place on the side of the transmission directly from the local annular channel.
Ist ein Abfluss direkt neben dem Zufluss auf der Seite zum Verbrennungsmotor gewünscht, so dient der Kühlkanal auf der Seite zum Getriebe nur zur Umlenkung der Flüssigkeitsströmung und die Anzahl der axial verlaufenden Kühlkanäle wird verdoppelt. Am Umfang wechselt die axiale Fließrichtung in benachbarte Kühlkanäle. Ein Sammelkanal auf der Auslassseite wird dann vorzugsweise im Trägerelement angeordnet. Hierzu weist das Flanschteil des Trägerelements im Radiusbereich des Kühlmantels eine Zahnung auf, wobei die Zahnerhöhungen die weglaufenden Kühlkanäle schließen und die Vertiefungen zwischen den Zähnen die Flüssigkeit aus den ankommenden Kühlkanälen in den Sammelkanal fließen lässt.If an outflow directly adjacent to the inflow on the side of the internal combustion engine is desired, then the cooling channel on the side of the transmission serves only to deflect the fluid flow and the number of axially extending cooling ducts is doubled. At the circumference, the axial flow direction changes into adjacent cooling channels. A collecting channel on the outlet side is then preferably arranged in the carrier element. For this purpose, the flange of the support member in the radius region of the cooling jacket on a toothing, wherein the tooth elevations close the running away cooling channels and the recesses between the teeth, the liquid from the incoming cooling channels flow into the collection channel.
Ist bei dem erfindungsgemäßen Hybridmodul die Kupplungsvorrichtung eine Nasskupplung, besteht das Umgebungsmedium in der Rotorbaugruppe aus einem Ölnebel. Dabei erzeugt das Öl einerseits zusätzliche Schleppverluste, andererseits aber werden die Eigenverluste der Kupplung, inklusive Kupplungssteller, und der Rotorbaugruppe (Wirbelstromverluste) relativ effektiv zur Wärmesenke abgeleitet. Unabhängig vom Umgebungsmedium (Ölnebel oder trockene Luft) sind Bauteile im rotierenden Teil des Hybridmoduls vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch die Rotation eine für den Wärmefluss günstige Strömung entsteht.In the hybrid module according to the invention, the coupling device is a wet clutch, the surrounding medium in the rotor assembly consists of an oil mist. On the one hand, the oil on the one hand generates additional drag losses, but on the other hand, the internal losses of the clutch, including the clutch plate, and the rotor assembly (eddy current losses) are dissipated relatively effectively to the heat sink. Regardless of the surrounding medium (oil mist or dry air), components in the rotating part of the hybrid module are preferably designed such that a flow which is favorable for the heat flow is produced by the rotation.
Während die Temperatur des die Rotorbaugruppe umgebenden Mediums niedrig gehalten wird, soll zur Realisierung einer hohen Leistungsdichte die zulässige Spitzentemperatur in der Statorwicklung möglichst hoch sein. Durch die Verwendung temperaturfester Isoliermaterialien (Drahtlack, Kunststoffe, etc.) können Wicklungstemperaturen von 180 bis 200°C zugelassen werden. Um eine Schädigung des Öls zu vermeiden, sollte dies allerdings nicht in Kontakt mit Bauteilen kommen, deren Temperatur über 150°C liegt.While the temperature of the medium surrounding the rotor assembly is kept low, the allowable peak temperature in the stator winding should be as high as possible in order to realize a high power density. By using temperature-resistant insulating materials (wire enamel, plastics, etc.), winding temperatures of 180 to 200 ° C can be permitted. However, in order to avoid damage to the oil, this should not come into contact with components whose temperature is above 150 ° C.
Wie bereits einleitend zur Erfindung beschrieben, sieht eine ergänzende oder alternative Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Innenflansch jedes Spulenkörpers derart ausgebildet ist, dass ein Wärmefluss von der Wicklung zum Rotorraum hin reduziert ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass im Dauerbetrieb die Kerntemperatur des Stators, wie auch im Zahnkopf, bei hohen Leistungen und Drehzahlen 20 bis 30°C und bei niedrigen Drehzahlen und hohen Drehmomenten sogar 40 bis 50°C unterhalb der Spitzentemperatur in der Wicklung liegt. Während eine zum Luftspalt weisende Statorkernfläche wärmetechnisch für den Rotorraum weitgehend neutral oder sogar kühlend wirkt, erfolgt die Erwärmung des Rotorraums aus dem Stator ganz überwiegend von der Wicklung durch Nutschlitze und in den Wickelkopfbereichen. Die erfindungsgemäße Lösung trägt somit dazu bei, den Wärmefluss aus dem Stator in den Rotorraum erheblich zu reduzieren. Hierdurch kann das Temperaturniveau im Rotor um 10 bis 20°C gesenkt werden, was wiederum die Magnetkosten erheblich reduziert.As already described in the introductory part of the invention, a supplementary or alternative embodiment of the invention provides that the inner flange of each bobbin is designed such that a heat flow from the winding to the rotor space is reduced. It has been shown that in continuous operation, the core temperature of the stator, as in the tooth head, at high powers and speeds 20 to 30 ° C and at low speeds and high torques even 40 to 50 ° C below the peak temperature in the winding. While a stator core surface facing the air gap has a largely neutral or even cooling effect on the rotor space, the heating of the rotor space from the stator takes place predominantly from the winding through slot slots and in the winding head areas. The solution according to the invention thus contributes to considerably reducing the heat flow from the stator into the rotor space. As a result, the temperature level in the rotor can be lowered by 10 to 20 ° C, which in turn significantly reduces the cost of the magnet.
Der Innenflansch weist dabei vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 3 mm auf, wobei die Dicke in der Fläche des Innenflansches variieren kann. Vorteilhaft ist jedoch, dass die größte Dicke des Innenflansches dann an Stoßstellen der Spulenkörper in der Mitte von Nutschlitzen des Statorkerns ausgebildet ist.The inner flange preferably has a thickness of 1 to 3 mm, wherein the thickness in the surface of the inner flange may vary. It is advantageous, however, that the largest thickness of the inner flange is then formed at joints of the bobbin in the middle of slot slots of the stator core.
Im Gegensatz zu aus den Stand der Technik bekannten Spulenkörpern vermindert sich die Dicke des Innenflansches nicht oder nur minimal mit zunehmenden Abstand zu einer Stirnfläche des Stators. In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Dicke des Innenflansches mit etwas axialem Abstand zum Statorkern sogar zu und zwar auf der von der Wicklung abgewandten Seite, wobei die Dickenzunahme auf der Montageseite des Rotors ca. 30 bis 80% der Luftspaltweite beträgt und auf der nicht Montageseite sogar größer als die Luftspaltweite ausgeführt ist.In contrast to known from the prior art bobbins, the thickness of the inner flange decreases not or only minimally with increasing distance to an end face of the stator. In a preferred embodiment, the thickness of the inner flange with some axial distance from the stator core even increases and indeed on the side facing away from the winding, wherein the increase in thickness on the mounting side of the rotor is about 30 to 80% of the air gap width and on the non-mounting side even greater than the air gap width is executed.
Es gibt zwei Möglichkeiten wie die Spulenkörper ausgestaltet sein können, damit der Wärmefluss von der Wicklung zum Rotorraum hin reduziert ist. Eine erfindungsgemäße Möglichkeit ist, dass die Spulenkörper aus Kunststoff vorgespritzt und montiert werden. Dabei besteht der Innenflansch jedes Spulenkörpers aus einem Kunststoff mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit, so dass der Wärmefluss von der Wicklung zum Rotorraum hin reduziert bzw. gehemmt ist. Vorzugsweise bestehen der Rohrabschnitt um den Zahnhals und der Außenflansch des Spulenkörpers dann aus einem gut wärmeleitenden Kunststoff. So besteht der Innenflansch beispielsweise aus einem weitgehend reinen Kunststoff, sprich ohne wärmeleitende Füllstoffe. Der übrige Bereich des Spulenkörpers, wie z. B. der Rohrabschnitt und der Außenflansch, besteht vorzugsweise aus dem gleichen Kunststoff wie der des Innenflansches, wobei hier aber der Kunststoff mit einem wärmeleitfähigen Füllstoff versehen wird.There are two ways in which the bobbins can be designed so that the heat flow from the winding to the rotor space is reduced. A possibility according to the invention is that the bobbins are pre-molded and assembled from plastic. In this case, the inner flange of each bobbin made of a plastic having a poor thermal conductivity, so that the heat flow is reduced or inhibited by the winding to the rotor chamber. Preferably, the pipe section around the tooth neck and the outer flange of the bobbin then consist of a good heat-conducting plastic. For example, the inner flange consists of a largely pure plastic, that is to say without heat-conducting fillers. The remaining area of the bobbin, such. As the pipe section and the outer flange, preferably consists of the same plastic as that of the inner flange, but here the plastic is provided with a thermally conductive filler.
Eine zweite Möglichkeit ist die Umspritzung der Blechpakete der Zahnkerne zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität mit einem hochfesten Kunststoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Der Kunststoff besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform aus zwei verschiedenen Kunststoffkomponenten mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten. Vorzugsweise bestehen nach dem Spritzvorgang der Rohrabschnitt um den Zahnhals und der Außenflansch aus einem gut wärmeleitenden Kunststoff und der Innenflansch hingegen aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff. So besteht der Innenflansch beispielsweise aus einem weitgehend reinen Kunststoff, sprich ohne wärmeleitende Füllstoffe.A second possibility is the encapsulation of the laminated cores of the tooth cores to ensure mechanical stability with a high-strength plastic with low thermal conductivity. The plastic consists in an advantageous embodiment of two different plastic components with different Wärmeleitfähigkeiten. Preferably, after the injection process, the pipe section around the tooth neck and the outer flange made of a good heat-conducting plastic and the inner flange, however, from a poorly heat-conductive plastic. For example, the inner flange consists of a largely pure plastic, that is to say without heat-conducting fillers.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass der gesamte Spulenkörper, sprich der Rohrabschnitt sowie der Außen- und Innenflansch, aus einem reinen Kunststoff besteht, wobei dann aber eine Wandstärke innerhalb der Nuten auf wenige Zehntel verkleinert ist.An alternative embodiment provides that the entire bobbin, ie the pipe section and the outer and inner flange, consists of a pure plastic, but then a wall thickness within the grooves is reduced to a few tenths.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zur Steigerung der Leistungsdichte eine Anhebung der zulässigen Wicklungstemperatur um 10 bis 20% erforderlich ist, so dass zur Isolierung der Nutschlitzisolation besonders hitzebeständige Drahtlacke und Kunststoffe eingesetzt werden. Vorzugsweise ist ferner der Einsatz sehr wärmebeständiger Vergussmassen, wie beispielsweise Duroplastmaterial, vorgesehen, die ebenfalls Temperaturen > 200°C zulassen und dank sehr hoher Füllgrade mit gut wärmeleitenden Füllstoffen, einen hohen Wärmeleitwert aufweisen.A further preferred embodiment of the invention provides that an increase of the permissible winding temperature by 10 to 20% is required to increase the power density, so that particularly heat-resistant wire enamels and plastics are used to insulate the slot slot insulation. Preferably, the use of very heat-resistant potting compounds, such as thermoset material, is also provided, which also allow temperatures> 200 ° C and thanks have very high fill levels with good heat-conducting fillers, a high thermal conductivity.
Mit den beschriebenen Maßnahmen kann die zulässige Spitzentemperatur in den Wicklungen, insbesondere im Wickelkopfbereich auf Werte über 200°C steigen und damit die Leistungsdichte mit geringen Zusatzkosten im Stator erheblich gesteigert werden. Dazu ein Beispiel: Allgemein ist bekannt, dass hoch wärmeleitfähige Vergussmassen spezifische Wärmeleitwerte von 3 bis 5 W/m·K erreichen. Wird nach Sicherstellung der Isolation der verbleibende Hohlraum mit einem grafitgefüllten Duroplast ausgespritzt, so werden spezifische Wärmeleitwerte bis 20 W/m·K erreicht. Dagegen weisen reine Kunststoffmassen, wie beispielsweise Polyphenylensulfid, nur spezifische Wärmeleitwerte von 0,2 bis 0,3 W/m·K auf. Der materialbedingte Unterschied im Wärmeleitwert beträgt somit das 10 bis 100-fache.With the measures described, the permissible peak temperature in the windings, in particular in the winding overhang region, can rise to values above 200 ° C. and thus the power density can be increased considerably with little additional costs in the stator. For example: It is generally known that highly thermally conductive potting compounds achieve specific thermal conductivity values of 3 to 5 W / m · K. If, after ensuring the insulation, the remaining cavity is sprayed with a graphite-filled thermosetting plastic, specific thermal conductivity values up to 20 W / m · K are achieved. In contrast, pure plastic materials, such as polyphenylene sulfide, only specific thermal conductivity of 0.2 to 0.3 W / m · K. The material-related difference in thermal conductivity is thus 10 to 100 times.
Der erfindungsgemäße Innenflansch mit geringer Wärmeleitfähigkeit zwischen den Wickelköpfen und dem Rotorraum, hemmt den Wärmefluss von der Wicklung in den Rotorraum erheblich. Gegenüber dem Stand der Technik, bei dem eine Trennfläche zwischen der Wicklung und dem Rotorraum durch die gut wärmeleitende Vergussmasse gebildet wird, sorgt der flächendeckende Innenflansch für einen Anstieg des Wärmewiderstandes um ein Vielfaches.The inner flange according to the invention with low thermal conductivity between the end windings and the rotor space, considerably inhibits the heat flow from the winding into the rotor space. Compared to the prior art, in which a separation surface between the winding and the rotor chamber is formed by the highly heat-conductive potting compound, the nationwide inner flange provides for an increase in the thermal resistance by a multiple.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines Hybridmoduls für ein Fahrzeug ist durch den folgenden erfindungsgemäßen Schritt gekennzeichnet. Es wird an einem Flanschabschnitt eines Trägerelements an mindestens einer Seitenfläche mindestens ein Wärmeleitelement zur Kühlung der Rotorbaugruppe angefügt.The production method of a hybrid module for a vehicle according to the invention is characterized by the following step according to the invention. At least one heat-conducting element for cooling the rotor assembly is attached to at least one side surface of a flange portion of a carrier element.
Aus Gründen der besseren Verständlichkeit wird an dieser Stelle noch der allgemeine Ablauf des Herstellungsverfahrens eines Hybridantriebs einschließlich des erfindungsgemäßen Schrittes beschrieben: Ein Flanschabschnitt für das Trägerelement wird vorzugsweise durch ein Gießen und Schmieden oder durch Stanzen und Biegen umformtechnisch aus einem dicken Blech als Stahlteil hergestellt und muss eine sehr hohe Festigkeit aufweisen. Für den Kühlmantel des Trägerelements kann dagegen eine niedrigere Stahllegierung mit günstigerem Wärmeleitwert verwendet werden. Nach dem Vorfertigen beider Teile werden für Befestigungszwecke anschließend Bohrungen im Kühlmantel und auch im Flanschteil eingearbeitet. In einem anschließenden Schritt werden der Flanschabschnitt und der Kühlmantel vor einer Nachbearbeitung in einer Drehmaschine (Zentrier- und Lagersitze) durch einen Schweißprozess mediendicht zum einstückigen Trägerelement zusammengefügt. In bzw. an das danach gereinigte Trägerelement wird dann das mindestens eine Wärmeleitelement an den Flanschabschnitt angefügt. Hat das mindestens eine Wärmeleitelement eine aktive Wärmeableitung, sprich es ist flüssigkeitsführend ausgebildet, so wird das mindestens eine Wärmeleitelement durch eine mediendichte Laserschweißnaht am Innen- und Außenrand sowie einige Schweißpunkte fixiert. Anschließend wird das Trägerelement erwärmt und der vorgefertigte Stator in das Trägerelement eingepresst. Danach wird der Blechring für den getriebeseitigen Ringkanal und/oder dem vierten Wärmeleitelementtyp (siehe
Durch mindestens ein Wärmeleitelement am Flanschabschnitt des Trägerelements kann bei der Erfindung somit vorteilhafterweise durch eine aktive oder passive Steigerung des Wärmeflusses vom Rotorraum zum Kühlmittel des Hybridmoduls, die Rotorbaugruppe effektiv gekühlt werden und dadurch die Leistungsabgabe des Elektroantriebs gesteigert werden. Ein Vorteil bilden auch die Abgangskanäle im Wärmeleitelement in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, da diese durch eine Flussführung des Kühlmittels eine bessere Wickelkopfkühlung und durch die Fließwege im Kühlmantel eine deutliche Verminderung des Temperaturgradienten über den Umfang des Kühlmantels erzielen. Die Kühlung mittels des mindestens einen Wärmeleitelements ist zudem in einem Freiraum des erfindungsgemäßen Hybridmoduls angeordnet, so dass bei der Erfindung weiterhin Bauteile, wie bspw. der Kupplungssteller, ohne Probleme eingebaut werden können. Auch hat sich gezeigt, dass die Herstellung des mindestens einen Wärmeleitelements zwar einerseits einige Schweißvorgänge benötigt, andererseits jedoch die Verwendung werkzeugfallender Bauteile mit geringem Nachbearbeitungsaufwand ermöglicht, die zudem aus kostengünstigem Material bestehen. Insbesondere bei der automatisierten Herstellung großer Stückzahlen überwiegt der Kostenvorteil bei den Rohteilen, so dass insgesamt ein Kostenvorteil entsteht.By virtue of at least one heat-conducting element on the flange section of the carrier element, the rotor assembly can thus be effectively cooled in the invention by actively or passively increasing the heat flow from the rotor space to the coolant of the hybrid module, thereby increasing the power output of the electric drive. An advantage is also the outlet channels in the heat-conducting element in a preferred embodiment of the invention, since they achieve a better winding cooling by flow control of the coolant and a significant reduction of the temperature gradient over the circumference of the cooling jacket through the flow paths in the cooling jacket. The cooling by means of the at least one heat conducting element is also arranged in a free space of the hybrid module according to the invention, so that in the invention further components, such as, for example, the clutch plate can be installed without problems. It has also been found that the production of the at least one heat-conducting element on the one hand requires some welding operations, on the other hand, however, allows the use of tools falling components with little reworking effort, which also consist of inexpensive material. Especially in the automated production of large quantities outweighs the cost advantage of the blanks, so that a total cost advantage arises.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:In the following, embodiments of the invention and their advantages with reference to the accompanying figures will be explained in more detail. The proportions in the figures do not always correspond to the actual size ratios, as some shapes are simplified and other shapes are shown enlarged in relation to other elements for ease of illustration. Showing:
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße Hybridmodul für ein Fahrzeug und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines Hybridmoduls für ein Fahrzeug ausgestaltet sein können und stellen somit keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.For identical or equivalent elements of the invention, identical reference numerals are used. Furthermore, for the sake of clarity, only reference symbols are shown in the individual figures, which are required for the description of the respective figure. The illustrated embodiments merely represent examples of how the hybrid module according to the invention for a vehicle and the production method according to the invention of a hybrid module for a vehicle can be configured and thus do not represent a conclusive limitation of the invention.
Wie in
Eine erste Seitenfläche S1 des Flanschabschnitts
Ferner ist in dieser Ansicht nach
Das ringförmige Bauteil
Bei einem Elektroantrieb
Vereinfacht kann ein ringförmiges Bauteil
Die Anordnung des ersten und zweiten Wärmeleitelements
Das dritte Wärmeleitelement
Die drei Wärmeleitelemente
Um diese zusätzliche Erwärmung zu verhindern, zeigt
Die
Anzumerken ist auch, dass diese Ausführungsform der Erfindung allein für sich oder auch mit den zuvor beschrieben Wärmeleitelementen
So nimmt im Betrieb des Hybridmoduls
Wie auch in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Hybridmodulhybrid module
- 33
- Elektroantriebelectric drive
- 55
- Statorstator
- 66
- Rotorraumrotor chamber
- 77
- Rotorbaugrupperotor assembly
- 88th
- freie Flächefree area
- 99
- Schwingungsdämpfervibration
- 1010
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1111
- Freiraumfree space
- 1313
- Trägerelementsupport element
- 1515
- Flanschabschnittflange
- 1717
- Kühlmantelcooling jacket
- 1919
- Mantelflächelateral surface
- 2121
- erstes Wärmeleitelement, Bauteilfirst heat-conducting element, component
- 2222
- getriebeseitiges Wärmeleitelementtransmission-side heat-conducting element
- 2323
- zweites Wärmeleitelementsecond heat-conducting element
- 2424
- drittes Wärmeleitelementthird heat-conducting element
- 2525
- Rotorrotor
- 2626
- HohlwellenabschnittHollow shaft section
- 2727
- Kupplungsvorrichtungcoupling device
- 2828
- Verschaltungsleiterinterconnection conductors
- 2929
- Aussparungrecess
- 3131
- Befestigungsstiftfastening pin
- 3232
- Verbindungselementconnecting element
- 3333
- Erhöhungincrease
- 3535
- Vertiefungdeepening
- 3737
- Stirnseite der RotorbaugruppeFront side of the rotor assembly
- 3838
- Rohrabschnittpipe section
- 3939
- Spulenkopfcoil head
- 4040
- Innenflanschinner flange
- 4141
- Spulenkörperbobbins
- 4242
- Außenflanschouter flange
- 4343
- Gehäusecasing
- 4444
- Stegweb
- 4545
- Kühlkanalcooling channel
- 4747
- InnenringkanalInner ring channel
- 4949
- Einlassinlet
- 5151
- AußenringkanalOuter ring channel
- 5353
- Auslassoutlet
- 5555
- Übergangcrossing
- 5757
- Umfangscope
- 5959
- Ausnehmungrecess
- 6161
- Abgangskanaloutlet channel
- 6363
- DurchgangsbohrungThrough Hole
- 6565
- Sammelraumplenum
- 6767
- Statorjochstator yoke
- 6969
- Wärmeflussheat flow
- 7070
- Nutschlitzslot opening
- 7171
- Vergussmassepotting compound
- 7373
- Dickethickness
- 100100
- Getriebetransmission
- AA
- Drehachseaxis of rotation
- R1R1
- axiale Richtungaxial direction
- R2R2
- radiale Richtungradial direction
- S1S1
- erste Seitenflächefirst side surface
- S2S2
- zweite Seitenflächesecond side surface
Claims (8)
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