DE102015202918B4

DE102015202918B4 - Gehäuse einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102015202918B4
Application number: DE102015202918.2A
Authority: DE
Inventors: Dragan Mikulec; Klaus Schleicher; Florian Mehringer; Norbert Schramm; Matthias Meyer
Original assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: DE102015202918A1

Abstract

Gehäuse (4) einer elektrischen Maschine (2) umfassend:- ein inneres Tragrohr (12) aus einem wärmeleitenden Material, welches einen Stator (10) und einen Rotor (8) der elektrischen Maschine (2) umgibt;- einen Einlasskanal (16) mit einem Kühlmitteleinlass (18), wobei der Einlasskanal (16) an einem ersten axialen Rand an dem inneren Tragrohr (12) angeordnet ist und sich entlang des ersten axialen Randes erstreckt;- einen Auslasskanal (20) mit einem Kühlmittelauslass (22), wobei der Auslasskanal (20) an einem dem ersten axialen Rand gegenüberliegenden zweiten axialen Rand an dem inneren Tragrohr (12) angeordnet ist und sich entlang des zweiten axialen Randes erstreckt,- wobei der Einlasskanal (16) und der Auslasskanal (20) über einen Kühlkanal (24), welcher sich axial entlang einer Oberfläche des inneren Tragrohres (12) erstreckt, miteinander verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass- der Einlasskanal (16) als Rohr ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Einlasskanals (16) im Bereich des Kühlmitteleinlasses (18) größer ist als der Durchmesser des Einlasskanals (16) an dem ersten axialen Rand in Umfangsrichtung gegenüber dem Kühlmitteleinlass (18), wobei der Einlasskanal (16) dazu ausgelegt ist, ein Kühlmedium in Umfangsrichtung zu fördern und axial in den Kühlkanal (24) umzulenken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse einer elektrischen Maschine mit einem inneren Tragrohr, welches einen Stator und einen Rotor der elektrischen Maschine umgibt, einem Einlasskanal mit einem Kühlmitteleinlass und einem Auslasskanal mit einem Kühlmittelauslass. Der Einlass- und der Auslasskanal sind jeweils an einem axialen Rand an dem inneren Tragrohr angeordnet und erstrecken sich entlang des axialen Randes des inneren Tragrohrs. Der Einlass- und der Auslasskanal sind über einen Kühlkanal, welcher sich axial entlang einer Oberfläche des inneren Tragrohres erstreckt, miteinander verbunden. Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine, wobei dazu ein Kühlmedium zunächst in dem Einlasskanals tangential gefördert, anschließend in axialer Richtung entlang des Kühlkanals umgelenkt und schließlich aus dem Kühlkanal in den Auslasskanal gefördert wird.
Elektrische Maschinen und Aggregate mit hoher Leistungsdichte benötigen eine Zwangskühlung mit einer Kühlflüssigkeit. Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich üblicherweise um ein Wasser-Glykol-Gemisch. Derzeit übliche fluidgekühlte Gehäuse weisen Kühlkanäle auf, in denen eine Strömung mäanderförmig, d. h. abwechselnd axial und tangential, zwischen den Gehäusezylindern geführt wird. Solche sogenannten Kühlmäntel generieren durch den Kühlkanalquerschnitt und der häufigen Umkehrung der Strömungsrichtung einen hohen Druckverlust. Axiale Kühlkanäle mit mäandernden Umlenkungen an den axialen Enden erfordern eine Abdichtung der axial offenen Kanäle, sowie deroffenen Umlenkungen. Zudem erfordern konventionelle Kühlmäntel eine mehrteilige und gedichtete Ausführung, da die Kühlkanäle für eine spanende Bearbeitung oder Nachbearbeitung zugängig sein müssen, und zur Montage oder zum Betrieb dicht verschlossen sein müssen. Tangential umlaufende Kühlwendel (ein- oder mehrgängig) erfordert beispielsweise ein gedichtetes Außenrohr.
Die US 4 700 092 A offenbart eine elektrische Maschine mit einem als ringförmiger Spalt ausgeführten Kühlkanal, der um ein inneres Tragrohr angeordnet ist. Das den Kühlkanal aufweisende Tragrohr umgibt Stator und Rotor der elektrischen Maschine.
Die US 2013/0 189 131 A1 offenbart einen Stator einer elektrischen Maschine mit einem Kühlkanal, der den Stator umgibt und als Ringspalt ausgebildet ist. Einlass und Auslass befinden sich an diametral gegenüberliegenden axialen Enden des Kühlkanals, sodass der Kühlkanal im Wesentlichen in Axialrichtung durchströmt wird.
In der US 5 859 482 A ist ein flüssigkeitsgekühlter Elektromotor beschrieben. Der Elektromotor umfasst dabei Statorrahmen mit Kühlleitungen. Die Kühlleitungen sind schraubenförmig angeordnet.
Aus der EP 1 630 930 A2 geht eine flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine hervor. Die elektrische Maschine umfasst eine Welle, einen Rotor, welcher mit der Welle verbunden ist, einen Stator und mindestens einen Kanal, welcher dazu ausgelegt ist, eine Flüssigkeit aufzunehmen.
In der DE 20 2012 003 789 U1 ist ein wassergekühlter Motor mit einem Kühlmantel beschrieben. Der Kühlmantel weist einen Innenwandabschnitt und einen Außenwandabschnitt auf, welche ein eingeschlossenes abgedichtetes Volumen bilden, welches derart gebildet ist, dass das Liquid in das Volumen durch einen Kühlmanteleinlass eintreten kann und durch einen Kühlmantelauslass aus dem Kühlmantel abgeleitet werden kann.
Aus der DE 720 551 A geht eine wasserdicht gekapselte elektrische Maschine hervor. Die elektrische Maschine weist ferner Wasserkühlkanäle auf, die ein Maschinengehäuse der elektrischen Maschine umgeben und durch einen Kühlmantel gebildet werden, wobei der Kühlmantel die Kühlkanäle allseitig umschließt.
Die US 2008 / 0 284 263 A1 beschreibt einen Wassermantel für eine Rotationsmaschine. Der Wassermantel umfasst dabei einen Kanal, welcher mit einem zu kühlenden Bereich der elektrischen Maschine verbunden ist. Der Kanal weist ferner eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf, durch welche eine Kühlflüssigkeit strömt. Ziel ist es eine möglichst turbulente Strömung der Kühlflüssigkeit zu erreichen, um den Wärmeaustausch zu steigern. Ferner ist zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung eine Wand vorgesehen, sodass die Eintrittsströmung in den Kanal und die Austrittsströmung aus dem Kanal nicht aufeinander treffen. Die Strömungsführung im Kanal, d. h. die des Wassermantels, verläuft radial von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Strömungsführung des Kühlmediums und damit die Kühlung einer elektrischen Maschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Gehäuse einer elektrischen Maschine umfassend:

- ein inneres Tragrohr aus einem wärmeleitenden Material, welches einen Stator und einen Rotor der elektrischen Maschine umgibt;
- einen Einlasskanal mit einem Kühlmitteleinlass, wobei der Einlasskanal an einem ersten axialen Rand an dem inneren Tragrohr angeordnet ist und sich entlang des ersten axialen Randes erstreckt;
- einen Auslasskanal mit einem Kühlmittelauslass, wobei der Auslasskanal an einem dem ersten axialen Rand gegenüberliegenden zweiten axialen Rand an dem inneren Tragrohr angebracht ist und sich entlang des zweiten axialen Randes erstreckt,
- wobei der Einlasskanal und der Auslasskanal über einen Kühlkanal, welcher sich axial entlang einer Oberfläche des inneren Tragrohres erstreckt, miteinander verbunden sind, und wobei
- der Einlasskanal als Rohr ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Einlasskanals im Bereich des Kühlmitteleinlasses größer ist als der Durchmesser des Einlasskanals an dem ersten axialen Rand in Umfangsrichtung gegenüber dem Kühlmitteleinlass, wobei der Einlasskanal dazu ausgelegt ist, ein Kühlmedium in Umfangsrichtung zu fördern und axial in den Kühlkanal umzulenken.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, ein homogenes Temperaturfeld eines fluidgekühlten Gehäuses einer elektrischen Maschine mittels einer Strömungsführung des Kühlmediums zu erreichen.
Um eine homogene Temperaturverteilung erreichen zu können, ist eine konstant bleibende Strömungsgeschwindigkeit in den zur Kühlung des Gehäuses vorgesehenen Kanälen, welche sich aus einem Einlasskanal, einem Kühlkanal und einem Auslasskanal zusammensetzten können, notwendig. Zur Umsetzung einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit ist eine geometrische Auslegung zumindest eines der Kanäle notwendig. Daher ist der Durchmesser des Einlasskanals am Kühlmitteleinlass oder im Bereich des Kühlmitteleinlasses größer als der Durchmesser des Einlasskanals gegenüber dem Kühlmitteleinlass. Diese Auslegung des Einlasskanals wird auch als Herzkurvenverteiler bezeichnet. Ein Herzkurvenverteiler als Kanalform ist in Verbindung mit Pinolenwerkzeugen bekannt. Somit kann die Auslegung oder Form des Einlasskanals auch als Pinolform bezeichnet werden.
Das Konzept der Pinolform oder des Herzkurvenverteilers stammt aus der Kunststoffverarbeitung, insbesondere der Extrusion. Dabei werden beispielsweise Kunststoffschmelzen durch schlitz- oder ringförmige Düsen gepresst, um Folien oder Rohre herstellen zu können. Auch hier ist es notwendig, homogene Strömungsgeschwindigkeiten am Düsenauslass zu generieren, um qualitativ hochwertige Teile herstellen zu können. Um eine aus einem Rohr kommende Strömung gleichmäßig auf einen breiten flachen Kanal, z. B. einen Schlitz, verteilen zu können, kann man einen Kanalbereich mit hohem Strömungswiderstand, z. B. ein enger Schlitz, mit einem niedrigen Strömungswiderstand, z. B. ein dickes Rohr, kombinieren und die Geometrie so anpassen, dass die Druckverluste auf allen Fließwegen gleich sind. Bei gleichbleibender Spalthöhe können damit auch die Austrittsgeschwindigkeiten entlang der Spaltbreite konstant gehalten werden.
Um eine aus dem Einlasskanal kommende Strömung gleichmäßig auf den breiten flachen Kühlkanal verteilen zu können, wird erfindungsgemäß ein Kanalbereich mit hohem Strömungswiderstand, d. h. den breiten flachen Kühlkanal, mit einem niedrigen Strömungswiderstand, d. h. den Einlasskanal, kombiniert und die Geometrie der Kanäle wird so angepasst, dass die Druckverluste auf allen Fließwegen gleich sind.
Mit anderen Worten kann der Einlasskanal als Verteilkanal vorgesehen sein, in welchen ein Kühlmedium, welches über den Kühlmitteleinlass in den Einlasskanal eintreten kann, umlaufend geführt wird. Der Einlasskanal ist dabei als Rohr ausgebildet, welches sich entlang des ersten axialen Randes oder des Endes des inneren Tragrohres erstreckt. Mit anderen Worten kann der Einlasskanal ringförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der Durchmesser des Einlasskanals ausgehend von dem Kühlmitteleinlass in Umfangsrichtung abnehmend ausgestaltet sein und erreicht in Umfangsrichtung gegenüber dem Kühlmitteleinlass ein Minimum. Mit anderen Worten ist der Durchmesser des Einlasskanals im Bereich des Kühlmitteleinlasses größer als der Durchmesser des Einlasskanals in Umfangsrichtung gegenüber, d. h. diametral gegenüber dem Kühlmitteleinlass. Mit anderen Worten verjüngt sich der Durchmesser des Einlasskanals ausgehend vom Kühlmitteleinlass solange, bis der Durchmesser des Einlasskanals ein Minimum erreicht. Ferner ist der Einlasskanal dazu ausgelegt, ein Kühlmedium in Umfangsrichtung zu fördern und axial in den Kühlkanal umzulenken. Mit anderen Worten kann der Einlasskanal auch als Herzkurvenkanal oder als Herzkurvenverteiler oder Pinolform bezeichnet werden. Der Einlasskanal kann einen ringförmigen Spalt aufweisen, welcher den Eintritt in den Kühlkanal darstellt. In vorteilhafter Weise kann die Spalthöhe des Spalts kleiner sein als der Durchmesser des Einlasskanals. Der Einlasskanal kann dabei die Formgebung eines ringförmigen Düsenauslasses eines Pinolenwerkzeugs aufweisen.Die Vorteile dieser Form des Einlasskanals können beispielsweise in verbesserten strömungs- und wärmetechnischen Parametern liegen.
Um eine homogene Temperaturverteilung erreichen zu können, kann es beim Einlasskanal vorgesehen sein, das Kühlmedium vom Kühlmitteleinlass aus in Umfangsrichtung zu verteilen. Beispielsweise kann zwischen Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass überall die Strömungsgeschwindigkeit konstant gehalten werden. Der Einlasskanal kann dabei als Rohr ausgeführt sein. In vorteilhafter Weise kann der Durchmesser des Einlasskanals im Bereich des Kühlmitteleinlasses größer sein als der Durchmesser des Einlasskanals gegenüber dem Kühlmitteleinlass. Mit anderen Worten kann sich der Durchmesser des Einlasskanals ausgehend vom Kühlmitteleinlass solange verjüngen, bis der Durchmesser des Einlasskanals gegenüber Kühlmitteleinlass ein Minimum erreicht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums über den Gehäuseumfang ermöglicht werden kann. Damit generiert die Form des Einlasskanals kaum Druckverluste und benötigt in radialer Richtung weniger Bauraum.
Als wärmeleitendes Material, aus welchem das innere Tragrohr besteht, kann beispielsweise eine Aluminiumlegierung verwendet werden, wobei unter einer Aluminiumlegierung auch Aluminium zu verstehen ist. Als Kühlmedium kann beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch oder andere Kühlmedien eingesetzt werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkanal eine ausschließlich axiale Führung aufweist. Mit anderen Worten kann der Kühlkanal zwischen einem Innenzylinder - dem inneren Tragrohr - und einem Außenzylinder - äußere Kanalwand oder Wandung des Kühlkanals - gebildet sein. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlmedium, welches zwischen dem inneren und einem äußeren Tragrohr - dem Kühlkanal - geführt werden kann, einen geringeren Strömungswiderstand erfährt, da es eine deutlich kürzere Strecke zwischen Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass durchströmt als beispielsweise bei einer mäanderförmigen Strömung eines fluidgekühlten Gehäuses. Geringere Strömungswiderstände können zu geringeren Verlusten hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeiten führen und damit zu einem verbesserten Wärmeübergang. Ein besserer Wärmeübergang kann eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglichen und somit den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine steigern.
Der Einlasskanal kann, wie bereits erwähnt, über einen Kühlkanal mit dem Auslasskanal verbunden sein. Damit am Auslasskanal die gleichen Strömungseigenschaften wie im Einlasskanal erreicht werden können, kann die über das innere Tragrohr gleichmäßig verteilte Kühlkanalströmung wieder in ein einzelnes Auslassrohr geführt werden. Der Auslasskanal kann dabei als Rohr ausgeführt sein. In vorteilhafter Weise kann der Durchmesser des Auslasskanals im Bereich des Kühlmittelauslasses größer sein als der Durchmesser des Auslasskanals an dem zweiten axialen Rand in Umfangsrichtung gegenüber, d. h. diametral gegenüber dem Kühlmittelauslass. Mit anderen Worten kann die Geometrie des Auslasskanals genau der Geometriedes Einlasskanals entsprechen. Mit anderen Worten kann sichder Durchmesser des Auslasskanals ausgehend vom Kühlmittelauslass solange verjüngen, bis der Durchmesser des Auslasskanals gegenüber dem Kühlmittelauslass ein Minimum erreicht. Der Auslasskanal kann einen ringförmigen Spalt aufweisen, welcher den Austritt aus dem Kühlkanal darstellt. In vorteilhafter Weise kann die Spalthöhe des Spalts kleiner sein als der Durchmesser des Auslasskanals.
In einer Ausführungsform ist der Kühlkanal als Ringspalt ausgebildet. Der Ringspalt stellt den Kanal zwischen innerem Tragrohr und der Wandung des Kühlkanals dar. Die Wandung des Kühlkanals kann wie das innere Tragrohr eine zylindrische Form aufweisen. Somit umgibt die Wandung des Kühlkanals in einem bestimmten vorgegebenen und in Umfangsrichtung parallelen gleichbleibenden Abstand das innere Tragrohr. Der Freiraum zwischen innerem Tragrohr und der Wandung des Kühlkanals stellt somit den Ringspalt dar. Unter einem Ringspalt kann beispielsweise ein Schlitz verstanden werden, welcher ringförmig ausgebildet ist. Der Durchmesser des Einlasskanals und/oder des Auslasskanals kann größer als die Spalthöhe des Ringspalts sein. Durch diese einfache Kanalgeometrie ergibt sich der Vorteil, dass das Herstellungsverfahren vereinfacht wird, da keine komplexe Gestaltung von Kühlkanälen wie beispielsweise bei einer mäanderförmigen Strömungsführung erforderlich ist.
Anstelle eines Ringspalts können einzelne Rohre bereitgestellt werden, welche ringförmig in regelmäßigen Abständen um das innere Tragrohr angeordnet sein können. Die Rohre können sich dabei axial entlang der Oberfläche des inneren Tragrohres erstrecken und ebenfalls ausschließlich eine axiale Führung aufweisen. In vorteilhafter Weise kann der Durchmesser der Rohre in einem Bereich von 0,25 und 2,5 Millimeter liegen. Der Durchmesser der Rohre kann insbesondere einen Durchmesser von 1 Millimeter aufweisen.
In vorteilhafter Weise kann der Kühlkanal eine Höhe zwischen 0,25 und 2,5 Millimetern, insbesondere von 1 Millimeter, aufweisen. Mit Höhe ist hier insbesondere der Abstand zwischen Wandung des Kühlkanals zu dem inneren Tragrohr bezeichnet, wobei sich die Wandung des Kühlkanals in einem bestimmten vorgegebenen und axial gleichbleibenden Abstand zum inneren Tragrohr erstreckt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Fertigung des Gehäuses mit einer Höhe des Spaltes des Kühlkanals von mindestens 0,25 Millimetern einfach umzusetzen ist und dass bei derartiger Spalthöhe des Kühlkanals Verstopfungen durch eine mögliche Verunreinigung des Kühlmediums vermieden werden können.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in dem Kühlkanal ein Steg, welcher ebenfalls axial zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal verläuft und ein äußeres Tragrohr und das innere Tragrohr stützt, angeordnet ist. In vorteilhafter Weise kann die Breite des Stegs um ein Vielfaches geringer sein als die Breite des Kühlkanals. Mit Breite ist hier insbesondere die Ausdehnung des Ringspalts des Kühlkanals in Umfangsrichtung entlang des inneren Tragrohres gemeint. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass durch das Vorsehen von mindestens einem Steg ein gleichmäßiger Abstand des äußeren Tragrohres zu dem inneren Tragrohr gewährleistet ist. Zudem kann der Steg, welcher das äußere und das innere Tragrohr stützt, die Drehmomentenübertragung fördern.
In vorteilhafter Weise kann eine Wandung des Einlasskanals und/oder eine Wandung des Auslasskanals und/oder eine Wandung des Kühlkanals und/oder zumindest ein Lagerschild zumindest teilweise aus Kunststoff bestehen. Als alternatives Material für die Wandungen der Kanäle und/oder das Lagerschild kann beispielsweise auch ein fasergefüllter Kunststoff verwendet werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Gehäuse der elektrischen Maschine kostengünstig und gegenüber beispielsweise der Aluminiumlegierung mit geringerem Gewicht hergestellt werden kann.
Ferner gehört zu der Erfindung noch eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse.
Schließlich gehört zu der Erfindung noch ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine kann auch wahlweise in einem Flugzeug oder in einer Werkzeugmaschine oder in einer Druckmaschine verwendet werden.
Schließlich gehört zu der Erfindung noch ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse, umfassend die Schritte:

- tangentiales Fördern eines Kühlmediums in Umfangsrichtung entlang des Einlasskanals;
- Umlenken des Kühlmediums aus dem Einlasskanal in axialer Richtung entlang des Kühlkanals;
- Ableiten des Kühlmediums aus dem Kühlkanal in den Auslasskanal;
- tangentiales Fördern des Kühlmediums in Umfangsrichtung entlang des Auslasskanals, sowie
- Strömen des Kühlmediums entlang des Einlasskanals und/oder des Kühlmitteleinlasses und/oder des Kühlkanals und/oder des Auslasskanals und/oder des Kühlmittelauslasses mit konstanter Geschwindigkeit, durch Verteilen des Kühlmediums entlang des Kühlkanals mittels des Einlasskanals.

In vorteilhafter Weise weist das Kühlmedium zudem im Einlasskanal, im Kühlkanal, sowie im Auslasskanal einen konstant bleibenden Druckverlust auf. Das Kühlmedium kann dabei zunächst in dem Einlasskanal tangential in Umfangsrichtung um das innere Tragrohr gefördert, aus dem Einlasskanal in axialer Richtung entlang des Kühlkanals umgelenkt, aus dem Kühlkanal in den Auslasskanal abgeleitet und schließlich tangential in Umfangsrichtung in den Auslasskanal gefördertwerden zum Kühlmittelauslass.
Die zuvor in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse;
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Gehäuses ohne Lagerschild;
3 eine schematische Darstellung der geometrischen Auslegung eines Einlasskanals des erfindungsgemäßen Gehäuses;
4 eine Schnittdarstellung (IV - IV) von 3;
5 eine schematische Darstellung eines ersten nicht erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens von Lagerschild und Gehäusesegment des erfindungsgemäßen Gehäuses als separate Komponenten; und
6 eine schematische Darstellung eines zweiten nicht erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens des erfindungsgemäßen Gehäuses.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In 1 ist eine elektrische Maschine 2 mit einem Gehäuse 4 dargestellt. Bei der elektrischen Maschine 2 kann es sich beispielsweise um einen Motor oder einen Generator handeln. Die elektrische Maschine 2 weist u.a. eine Welle 6, einen Rotor 8 und einen Stator 10 auf, welche in dem Gehäuse 4 angeordnet sind.
Das Gehäuse 4 setzt sich, wie in 1 dargestellt, aus einem inneren Tragrohr 12, einem Lagerschild 14 und einem äußeren Tragrohr (in 1 nicht dargestellt) zusammen. Zwischen dem inneren Tragrohr 12 und dem äußeren Tragrohr ist in dem Gehäuse 4 integriert ein Einlasskanal 16, ein Auslasskanal 20 und ein Kühlkanal 24 vorgesehen. Der Einlasskanal 16 und der Auslasskanal 20 sind jeweils an einem axialen Rand an dem inneren Tragrohr 12 angeordnet und erstrecken sich entlang des Randes des inneren Tragrohrs 12.
2 ist eine schematische Darstellung des Gehäuses 4 ohne Lagerschild 14. Das Gehäuse 4 setzt sich, wie bereits erläutert, aus einem inneren Tragrohr 12 und einem äußeren Tragrohr 26 zusammen. Das innere Tragrohr 12 und das äußere Tragrohr 26 können dabei aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere einer Aluminiumlegierung, bestehen. Auf dem inneren Tragrohr 12 ist zur Umsetzung eines fluidgekühlten Gehäuses 4 eine Kanalstruktur, bestehendaus einem Einlasskanal 16, einem Auslasskanal 20 und einem Kühlkanal 24, vorgesehen. Diese Kanalstruktur kann von einem äußeren Tragrohr 26 umgeben sein. Die Zuleitung des Kühlmediums in die Kanalstruktur des fluidgekühlten Gehäuses 4 erfolgt über einen Kühlmitteleinlass 18, welcher an dem Einlasskanal 16 angeordnet ist.
Die Ableitung des Kühlmediums kann dabei analog über einen Kühlmittelauslass 22, welcher an dem Auslasskanal 20 angeordnet ist, erfolgen. Der Kühlmitteleinlass 18 und/oder der Kühlmittelauslass 22 können als kurze Rohre ausgebildet sein oder eine andere geometrische Kanalform aufweisen. Der Einlasskanal 16 und der Auslasskanal 20 sind über einen Kühlkanal 24, welcher sich axial entlang einer Oberfläche des inneren Tragrohres 12 erstreckt, verbunden.
Um eine homogene Temperaturverteilung des Kühlmediums über das gesamte Gehäuse 4 erreichen zu können, kann eine geometrische Auslegung des Einlasskanals 16 und/oder des Auslasskanals 20 erfolgen, sodass das Kühlmedium vom Kühlmitteleinlass 18 aus in Umfangsrichtung so verteilt werden kann, dass es gleichmäßig entlang des Kühlkanals 24 homogen über die gesamte Oberfläche des inneren Tragrohres 12 zum Kühlmittelauslass 22 strömen kann. Im besten Fall herrscht zwischen Kühlmitteleinlass 18 und Kühlmittelauslass 22 überall die gleiche Strömungsgeschwindigkeit. Um dies zu erreichen, ist die Kanalgeometrie entsprechend ausgelegt. Der Einlasskanal 16 und/oder der Auslasskanal 20 sind dabei als Rohr ausgeführt.
Der Einlasskanal 16 ist dabei als Rohr ausgebildet, welches sich entlang des ersten axialen Randes des inneren Tragrohres 12 erstreckt. Mit anderen Worten kann der Einlasskanal 16 ringförmig oder kreisförmig ausgebildet sein. Der Durchmesser des Einlasskanals 16 nimmt ausgehend von dem Kühlmitteleinlass 18 in Umfangsrichtung ab und erreicht in Umfangsrichtung gegenüber dem Kühlmitteleinlass 18 ein Minimum. Mit anderen Worten ist der Durchmesser des Einlasskanals 16 im Bereich des Kühlmitteleinlasses 18 größer als der Durchmesser des Einlasskanals 16 in Umfangsrichtung gegenüber dem Kühlmitteleinlass 18. Mit anderen Worten verjüngt sich der Durchmesser des Einlasskanals 16 ausgehend vom Kühlmitteleinlass 18 solange, bis der Durchmesser des Einlasskanals 16 ein Minimum erreicht. Mit anderen Worten kann der Einlasskanal 16 auch als Herzkurvenkanal oder als Herzkurvenverteiler oder Pinolform bezeichnet werden. Die Kanalgeometrie des Auslasskanals 20 kann analog zu der des Einlasskanals 18 ausgelegt sein, sodass sich eine identische Kanalform für den Einlasskanal 16 und den Auslasskanal 20 ergibt. Auf die geometrische Auslegung des Einlasskanals 16 wird im Folgenden genauer eingegangen.
In 3 ist schematisch die geometrische Auslegung des Einlasskanals 16 des Gehäuses 4 dargestellt. Wie bereits erwähnt, kann diese geometrische Auslegung auch analog für den Auslasskanal 20 erfolgen. In 4 ist ein Schnitt durch den Einlasskanal 16 aus 3 dargestellt. Diese zeigt eine Abwicklung des Einlasskanals 16 in einer Schnittdarstellung. Der Einlasskanal 16 ist als Herzkurvenkanal ausgebildet. Ein Herzkurvenkanal kann auch als Herzkurvenverteiler oder Pinolform bezeichnet werden. Das Konzept des Herzkurvenverteilers stammt aus der Kunststoffverarbeitung, insbesondere der Extrusion. Dabei werden beispielsweise Kunststoffschmelzen durch schlitz- oder ringförmige Düsen einer Pinole gepresst, um Folien oder Rohre herstellen zu können. Auch hier ist es notwendig, homogene Strömungsgeschwindigkeiten am Düsenauslass zu generieren, um qualitativ hochwertige Teile herstellen zu können. Die Vorteile eines Herzkurvenverteilers oder einer Pinolform des Einlasskanals 16 können beispielsweise in verbesserten strömungs- und wärmetechnischen Parametern liegen. Um eine homogene Temperaturverteilung erreichen zu können, wird das Kühlmedium vom Kühlmitteleinlass 18 aus in Umfangsrichtung entlang des Einlasskanals 16 verteilt. Der Einlasskanal 16 wird deshalb beispielsweise auch als Verteilkanal bezeichnet. Im besten Fall kann in der Ringströmung, d. h. der Strömung in Umfangsrichtung im Einlasskanal 16, zwischen Kühlmitteleinlass 18 und Kühlmittelauslass 22 überall die gleiche Strömungsgeschwindigkeit herrschen. Um dies erreichen zu können, ist es notwendig, die Kanalgeometrie des Einlasskanals 16, dem ein Kühlkanal 24 angeschlossen ist, analytisch auszulegen.
Um eine aus dem Einlasskanal 16 kommende Strömung gleichmäßig auf den breiten flachen Kühlkanal 24, welcher als Ringspalt ausgeführt sein kann, verteilen zu können, kann man einen Kanalbereich mit hohem Strömungswiderstand, d. h. der Kühlkanal 24, mit einem niedrigen Strömungswiderstand, z. B. der Einlasskanal 16, kombinieren und die Geometrie so anpassen, dass die Druckverluste auf allen Fließwegen, also im Einlasskanal 16, im Kühlkanal 24 und/oder im Auslasskanal 20, gleich sind. Bei gleichbleibender Spalthöhe des Kühlkanals 24 können damit auch die Austrittsgeschwindigkeiten, also beispielsweise V₁ und V₂ und V₃, entlang der Spaltbreite des Kühlkanals 24 gleich groß sein.
Der konstant bleibende Druckverlust Δp entlang der Breitenkoordinate x (vergleiche 3) kann formuliert werden als: $\frac{\partial Δ p (x)}{\partial x} = 0$
Der gesamte Druckverlust Δp im Einlasskanal 16 und im Eintritt in den Kühlkanal 24 setzt sich aus dem Druckverlust im Einlasskanal 16 Δp_Rohr und dem Druckverlust im Kühlkanal 24 Δp_Schlitz zusammen: $Δ p (x) = Δ p_{R o h r} (x) + Δ p_{S c h l i t z} (x) .$
Mit den bisherigen Forderungen ist die Geometrie des Einlasskanals 16 noch völlig offen. Es müssen noch weitere Einschränkungen getroffen werden, um zu einer eindeutigen Lösung zu gelangen. Eine Möglichkeit ist z. B. die Vorgabe einer linear ansteigenden Länge y(x) des Kühlkanals 24. Diese kann nach folgenden Formeln bestimmt werden: $y (x) = y_{0} \frac{x}{\frac{B}{2}} = \frac{2 y_{0}}{B} x .$
Mit Y₀ ist hier die maximale Länge des Kühlkanals 24 bezeichnet. Die Größe B beschreibt in der oben genannten Gleichung die Breite des Spaltes des Kühlkanals 24.
Diese Art der Auslegung des Einlasskanals 16 kann auch als Fischschwanzverteiler bezeichnet werden. Für den Fischschwanzverteiler wird der Druckverlust im Einlasskanal 16 Δp_Rohr wie folgt berechnet: $Δ p_{R o h r} (x) = \int_{L (x)}^{L (x = \frac{B}{2})} \frac{8 η * {\dot{V}}_{g e s} * \frac{x}{B}}{π R^{4} (x)} d L (x),$
wobei dL ein unendlich kurzes Rohrsegment darstellen kann. Mit R ist hier der Durchmesser des Einlasskanals 16, mit V_ges der in den Kühlmitteleinlass 18 strömende Volumenstrom des Kühlmediums und mit η ist die dynamische Viskosität des Kühlmediums bezeichnet. Der Druckverlust im Eintrittsbereich des Kühlkanals 24 Δp_Schlitz kann mit der nachfolgenden Gleichung berechnet werden: $Δ p_{S c h l i t z} (x) = \frac{12 η {\dot{V}}_{g e s}}{B H^{3}} y (x)$
Es kann ein Zusammenhang zwischen der Länge des Einlasskanals 16 und der Breite des Kühlkanals 24 aufgestellt werden, wobei H die Höhe des Kühlkanals 24 beschreibt: $R (x) = {(\frac{2 H^{3} x}{3 π * sin (arctan (2 * (\frac{y_{0}}{B}))})}^{\frac{1}{4}} .$
Wickelt man diese noch als flächig angenommene Geometrie des Einlasskanals 16 um das innere Tragrohr 12, so erhält man die Form des Einlasskanals 16.
Die Kanalstruktur eines Gehäuses einer elektrischen Maschine kann beispielsweise für einen Elektromotor vorgesehen sein. Im Kühlkanal 24 findet die wesentliche Wärmeübertragung zwischen innerem Tragrohr 12 und Kühlmedium statt. Dieser Wärmeübergang hängt im Wesentlichen von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums ab. Da der Volumenstrom und der Durchmesser des Kühlkanals 24 vorgegebene Werte sind, kann man die Strömungsgeschwindigkeit nur über die Höhe des Kühlkanals 24 beeinflussen. Je kleiner die Höhe des Kühlkanals 24, desto größer die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Wärmeübergangskoeffizient. Da die Kühlleistung vorgegeben sein kann, z. B. 2 kW, ist der Wärmeübergangkoeffizient proportional zurmittleren Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Gehäuse 4. Eine Senkung der mittleren Motortemperatur ist also durcheine Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten respektive der Strömungsgeschwindigkeit möglich. Erwähnenswert ist, dassdies nichts an der Kühlleistung ändert, da diese im thermischen Gleichgewicht immer der Verlustleistung entspricht. DieSteigerung der Strömungsgeschwindigkeit ist allerdings mit einem hohen Druckverlust verbunden. Eine mögliche Vorgehensweise bei der Dimensionierung der Spalthöhe wäre also beispielsweise die Reduzierung derselben, bis der maximal zulässige Druckverlust (beispielsweise 100 mbar) erreicht ist. An diesem Punkt ist dann sowohl die durchschnittliche Motortemperatur, als auch der benötigte Bauraum minimal.
Eine analytische Abschätzung des Druckverlustes ergibt für die bestehenden Bedingungen eine Höhe des Kühlkanals 24 von z. B. 0,25 mm, bei der ein Druckverlust von z. B. 100 mbar erreicht wird. Da dieser Wert fertigungstechnisch und auch hinsichtlich eventueller Verstopfungen durch z. B. Verunreinigungen im Kühlmedium, problematisch ist, kann ein größerer Wert,beispielsweise von 1 mm, für eine Höhe des Kühlkanals 24 festgelegt werden.
In 5 und 6 ist jeweils ein mögliches Herstellungsverfahren mit den einzelnen Prozessschritten dargestellt. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Fertigungsverfahrens von Lagerschild 14 und Gehäusesegment 28 als separate Komponenten. 6 hingegen zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Fertigungsverfahrens für das Gehäuse 4.
In Abhängigkeit der Kühlkanalgeometrie, sowie der Ausführung des Gehäusesegments 28 und des Lagerschildes 14 als separate Komponenten oder als ein einteiliges Bauteil können die einzelnen Prozessschritte variieren.
Bei der separaten Fertigung von Lagerschild 14 und Gehäusesegment 28, wie in 5 dargestellt, kann auf das Spritzgussverfahren zurückgegriffen werden. In einer bevorzugten Variante zur Herstellung des Lagerschildes 14 können beispielsweise Gewindeinserts 32 in das erste Spritzgießwerkzeug 30 eingelegt und dort beispielsweise über Dorne und/oder Stifte (hier nicht dargestellt) positioniert und fixiert werden. Das erste Spritzgießwerkzeug 30 kann dabei eine Negativform des Einlasskanals 16 oder des Auslasskanals 20 aufweisen. In einem weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung des Lagerschilds 14 umspritzt eine Spritzgießmaschine 34 die in dem ersten Spritzgießwerkzeug 30 positionierten Komponenten mit Kunststoff. Im Hinblick auf die Vermeidung von Leckage bzw. der Abdichtung des Kühlkreislaufes kann die Integration eines Dichtrings, beispielsweise mittels 2-Komponenten-Spritzguss, in das Lagerschild 14 erfolgen. Nach dem Erstarren der Schmelze kann das fertige Lagerschild 14 aus dem ersten Spritzgießwerkzeug 30 entnommen werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein zweites Spritzgießwerkzeug 36 zur Herstellung des Gehäusesegments 28 bereitgestellt werden. Dazu wird das innere Tragrohr 12 in das zweite Spritzgießwerkzeug 36 eingelegt und positioniert. Nach dem Einlegen der Komponenten in das zweite Spritzgießwerkzeug 36 werden die Komponenten mit Kunststoff mittels der Spritzgießmaschine 34 umspritzt. Dabei erfolgt eine Füllung der Kavität. Nach dem Erstarren der Schmelze kann das fertige Gehäusesegment 28 aus dem zweiten Spritzgießwerkzeug 36 entnommen werden. Durch die Vorbehandlung mit einem Haftvermittler z. B. Vestamelt® kann die Haftung beider Komponenten, d. h.zwischen dem inneren Tragrohr 12 und dem Gehäusesegment 28, im Spritzgussverfahren verbessert werden.
Alternativ zum dem beschriebenen Prozess besteht die Möglichkeit, das Gehäusesegment 28 ohne das innere Tragrohr 12 zu spritzen und erst im Nachgang die beiden Komponenten zu fügen.
Um das Gehäusesegment 28 und das Lagerschild 14 als ein Bauteil fertigungstechnisch umsetzen zu können, ist die Anwendung der sogenannten Schmelzkerntechnik erforderlich. Diese ist in Zusammenhang mit 6 beschrieben. Durch den Einsatz eines Schmelzkerns 40, der im Anschluss an das Spritzgießen aus dem Gehäuse 4 herausgelöst, d. h. ausgeschmolzen wird, können mit Hilfe dieses Verfahrens komplexe Hohlkörper mit Hinterschnitten gefertigt werden. Als Material für den Schmelzkern 40 können niedrig schmelzende Materialien, beispielsweise Zinn-Wismut-Legierungen, zum Einsatz kommen.
Vorgeschaltet zum eigentlichen Spritzgießvorgang wird bei der Schmelzkerntechnik z. B. zunächst die Herstellung des Schmelzkerns 40 z. B. im Druckgießverfahren erfolgen. Dazu wird die Schmelze des Schmelzkernmaterials beispielsweise eine Zinn-Wismut-Legierung in eine Dauerform 38 gegossen. In einer bevorzugten Variante zur Herstellung des Gehäuses 4 können beispielsweise das innere Tragrohr 12, sowie der Schmelzkern 40in das Spritzgießwerkzeug 42 eingelegt und dort beispielsweise über Dorne und/oder Stifte (hier nicht dargestellt) positioniert und fixiert werden. Der Schmelzkern 40 bildet dabei einen Hohlkörper für die Kanäle d. h. den Einlasskanal 16, den Auslasskanal 20, den Kühlkanal 24 und/oder den Kühlmitteleinlass 18 und den Kühlmittelauslass 22.
Nach dem Einlegen der Komponenten in das Spritzgießwerkzeug 42 werden die Komponenten mit Kunststoff mittels einer Spritzgießmaschine 34 umspritzt. Nach dem Erstarren der Schmelze wird das Gehäuse aus dem Spritzgießwerkzeug 42 entnommen und das Ausschmelzen des Schmelzkerns 40 erfolgt z. B. in einem Ofen 44. Das ausgeschmolzene Material des Schmelzkerns 40 kann dem Prozess wieder zugeführt und wiederverwendet werden.

Claims

Gehäuse (4) einer elektrischen Maschine (2) umfassend: - ein inneres Tragrohr (12) aus einem wärmeleitenden Material, welches einen Stator (10) und einen Rotor (8) der elektrischen Maschine (2) umgibt; - einen Einlasskanal (16) mit einem Kühlmitteleinlass (18), wobei der Einlasskanal (16) an einem ersten axialen Rand an dem inneren Tragrohr (12) angeordnet ist und sich entlang des ersten axialen Randes erstreckt; - einen Auslasskanal (20) mit einem Kühlmittelauslass (22), wobei der Auslasskanal (20) an einem dem ersten axialen Rand gegenüberliegenden zweiten axialen Rand an dem inneren Tragrohr (12) angeordnet ist und sich entlang des zweiten axialen Randes erstreckt, - wobei der Einlasskanal (16) und der Auslasskanal (20) über einen Kühlkanal (24), welcher sich axial entlang einer Oberfläche des inneren Tragrohres (12) erstreckt, miteinander verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, dass - der Einlasskanal (16) als Rohr ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Einlasskanals (16) im Bereich des Kühlmitteleinlasses (18) größer ist als der Durchmesser des Einlasskanals (16) an dem ersten axialen Rand in Umfangsrichtung gegenüber dem Kühlmitteleinlass (18), wobei der Einlasskanal (16) dazu ausgelegt ist, ein Kühlmedium in Umfangsrichtung zu fördern und axial in den Kühlkanal (24) umzulenken.
Gehäuse (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Kühlkanal (24) eine ausschließlich axiale Führung aufweist.
Gehäuse (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Auslasskanal (20) als Rohr ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Auslasskanals (20) im Bereich des Kühlmittelauslasses (22) größer ist als der Durchmesser des Auslasskanals (20) an dem zweiten axialen Rand in Umfangsrichtung gegenüber dem Kühlmittelauslass (22).
Gehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24) als Ringspalt ausgebildet ist.
Gehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (24) eine Höhe zwischen 0,25 und 2,5 Millimetern, insbesondere von 1 Millimeter, aufweist.
Gehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in dem Kühlkanal (24) ein Steg, welcher ebenfalls axial zwischen dem Einlasskanal (16) und dem Auslasskanal (20) verläuft und ein äußeres Tragrohr (26) und das innere Tragrohr (12) stützt, angeordnet ist.
Gehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Wandung des Einlasskanals (16) und/oder eine Wandung des Auslasskanals (20) und/oder eine Wandung des Kühlkanals (24) und/oder zumindest eines Lagerschilds (14) zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet ist oder sind.
Elektrische Maschine (2) mit einem Gehäuse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (2) nach Anspruch 8.
Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine (2) mit einem Gehäuse (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schritten: - tangentiales Fördern eines Kühlmediums in Umfangsrichtung entlang eines Einlasskanals (16); - Umlenken des Kühlmediums aus dem Einlasskanal (16) in axialer Richtung entlang eines Kühlkanals (24); - Ableiten des Kühlmediums aus dem Kühlkanal (24) in einen Auslasskanal (20); - tangentiales Fördern des Kühlmediums in Umfangsrichtung entlang des Auslasskanals (20), gekennzeichnet durch - Strömen des Kühlmediums entlang des Einlasskanals (16) und/oder des Kühlmitteleinlasses (18) und/oder des Kühlkanals (24) und/oder des Auslasskanals (20) und/oder des Kühlmittelauslasses (22) mit konstanter Geschwindigkeit durch Verteilen des Kühlmediums entlang des Kühlkanals (24) mittels des Einlasskanals (16).