DE102016109274A1 - Cooling system for cooling an electrical machine - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Kühlsystem (10) zum Kühlen einer elektrischen Maschine (12) vorgesehen mit einem Rotor (16) und einem mit dem Rotor (16) elektromagnetisch zusammenwirkenden Stator (14) zur Ausbildung der elektrischen Maschine (12), wobei die elektrische Maschine (12) einen sich zwischen dem Rotor (16) und dem Stator (14) erstreckenden Innenraum (22) aufweist, einem in dem Rotor (16) ausgebildeten Kanal (18) zur Zufuhr eines flüssigen und in dem Kanal (18) verdampfbaren Kältemittels zur Kühlung des Rotors (16) durch Verdampfung, wobei der Kanal (18) über einen Gasdurchlass mit dem Innenraum (22) kommuniziert, und einem mit dem Innenraum (22) kommunizierenden Verdichter (24) zum Absaugen des gasförmigen Kältemittels. Durch das in dem Rotor (16) verdampfbare Kältemittel, das über den Gasdurchlass aus dem Innenraum (22) abgesaugt werden kann, kann eine besonders hohe Kühlleistung erreicht werden, so dass eine gute Kühlung einer, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen, elektrischen Maschine (12) ermöglicht ist.A cooling system (10) for cooling an electric machine (12) is provided with a rotor (16) and a stator (14) which interacts electromagnetically with the rotor (16) to form the electrical machine (12), wherein the electric machine ( 12) has an interior space (22) extending between the rotor (16) and the stator (14), a channel (18) formed in the rotor (16) for supplying a liquid and vaporizable refrigerant in the channel (18) for cooling of the rotor (16) by evaporation, wherein the channel (18) communicates with the interior (22) via a gas passage, and a compressor (24) communicating with the interior (22) for exhausting the gaseous refrigerant. By the in the rotor (16) vaporizable refrigerant, which can be sucked through the gas passage from the interior (22), a particularly high cooling capacity can be achieved, so that a good cooling of a, in particular for the electrical drive of a motor vehicle provided, electric machine (12) is possible.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, mit dessen Hilfe eine, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehene, elektrische Maschine gekühlt werden kann. The invention relates to a cooling system with the aid of which, in particular for the electrical drive of a motor vehicle provided, electric machine can be cooled.

Aus US 2010/0295391 A1 ist ein Elektromotor mit einem äußeren Stator und einem inneren Rotor bekannt. Der Stator weist ein rohrförmiges Gehäuse auf durch das Kühlleitungen geführt sind, um mit Hilfe eines Kühlmittels den Stator zu kühlen. Das Gehäuse kann durch Deckel verschlossen werden, welche den Rotor lagern. Die Kühlleitungen des Gehäuses können sich in den Deckeln fortsetzen, um einen gelagerten Wellenabschnitt des Rotors ebenfalls kühlen zu können. Out US 2010/0295391 A1 For example, an electric motor with an outer stator and an inner rotor is known. The stator has a tubular housing through which cooling ducts are led in order to cool the stator by means of a coolant. The housing can be closed by covers which store the rotor. The cooling lines of the housing may continue in the covers to also cool a supported shaft portion of the rotor.

Es besteht ein ständiges Bedürfnis elektrische Maschinen, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, gut zu kühlen. There is a constant need to cool electrical machines, in particular for the electric drive of a motor vehicle, well.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute Kühlung einer, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen, elektrischen Maschine ermöglichen. It is the object of the invention to show measures that allow good cooling of a, in particular provided for the electrical drive of a motor vehicle, electric machine.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. The object is achieved according to the invention by a cooling system having the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims and the following description, which individually or in combination may represent an aspect of the invention.

Erfindungsgemäß ist ein Kühlsystem zum Kühlen einer, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen, elektrischen Maschine, vorgesehen mit einem Rotor und einem mit dem Rotor elektromagnetisch zusammenwirkenden Stator zur Ausbildung der elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen sich zwischen dem Rotor und dem Stator erstreckenden Innenraum aufweist, einem in dem Rotor ausgebildeten Kanal zur Zufuhr eines flüssigen und in dem Kanal verdampfbaren Kältemittels, insbesondere R134a, R113, FC72 oder CO2, zur Kühlung des Rotors durch Verdampfung, wobei der Kanal über einen Gasdurchlass, insbesondere gasdurchlässige Membran und/oder Expansionsventil mit dem Innenraum kommuniziert, und einem mit dem Innenraum kommunizierenden Verdichter zum Absaugen des gasförmigen Kältemittels. Dabei wird die gasdurchlässige Membran lediglich von gasförmigem Kältemittel passiert, wohingegen das Expansionsventil einen noch nicht gasförmigen Anteil des Kältemittels verdampft und damit gasförmig macht. According to the invention, a cooling system for cooling an electric machine provided, in particular for the electric drive of a motor vehicle, is provided with a rotor and a stator interacting electromagnetically with the rotor for forming the electric machine, the electric machine extending between the rotor and the stator Interior, a channel formed in the rotor for supplying a liquid and vaporizable in the channel refrigerant, in particular R134a, R113, FC72 or CO 2 , for cooling the rotor by evaporation, wherein the channel via a gas passage, in particular gas-permeable membrane and / or Expansion valve communicates with the interior, and communicating with the interior of a compressor for extracting the gaseous refrigerant. In this case, the gas-permeable membrane is only passed by gaseous refrigerant, whereas the expansion valve evaporates a non-gaseous portion of the refrigerant and thus makes it gaseous.

Durch den Gasdurchlass kann das flüssige Kältemittel in dem Kanal zurückgehalten werden, so dass nur das gasförmige Kältemittel den Gasdurchlass durchdringen kann. Der Gasdurchlass kann flüssiges Kältemittel in der Art eines Filters zurückhalten. Dies führt dazu, dass die Temperatur des Kältemittels in dem Kanal im Wesentlichen konstant beim Siedepunkt des Kältemittels liegt oder darunter. Die Temperatur des Kältemittels innerhalb des Kanals liegt daher auf einem im Wesentlichen konstant niedrigen Temperaturniveau vor, so dass eine hohe Kühlleistung zur Kühlung des Rotors erreicht werden kann. Hierbei kann zudem die gesamte Verdampfungsleistung zum Verdampfen des Kältemittels zur Kühlung des Rotors genutzt werden, so dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Da das Kältemittel in der Gasphase den Rotor verlässt, ist es nicht erforderlich flüssiges Kältemittel aus dem Rotor wieder abzuführen. Stattdessen kann abgewartet werden, bis das flüssige Kältemittel verdampft. Verluste infolge von flüssigen Kältemittel im Innenraum der elektrischen Maschine, insbesondere zwischen dem Rotor und dem Stator, werden vermieden. Rückführungsleitungen in dem Rotor können dadurch eingespart werden. Durch den Verdichter kann das gasförmige Kältemittel aus dem Innenraum der elektrischen Maschine abgesaugt und insbesondere kondensiert und gekühlt in einem Kältekreislauf wieder dem Kanal zugeführt werden. Durch das Absaugen des gasförmigen Kältemittels wird ein Hitzestau im Innenraum vermieden und eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht. Zusätzlich kann durch den Verdichter eine Strömung erzeugt werden die zusätzlich eine konvektive Wärmeabfuhr ermöglicht, wodurch die Kühlleistung weiter gesteigert wird. Durch das in dem Rotor verdampfbare Kältemittel, das über den Gasdurchlass aus dem Innenraum abgesaugt werden kann, kann eine besonders hohe Kühlleistung erreicht werden, so dass eine gute Kühlung einer, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen, elektrischen Maschine ermöglicht ist. Through the gas passage, the liquid refrigerant can be retained in the channel, so that only the gaseous refrigerant can penetrate the gas passage. The gas passage may retain liquid refrigerant such as a filter. As a result, the temperature of the refrigerant in the channel is substantially constant at or below the boiling point of the refrigerant. The temperature of the refrigerant within the channel is therefore at a substantially constant low temperature level, so that a high cooling capacity for cooling the rotor can be achieved. In this case, moreover, the entire evaporation power can be used to evaporate the refrigerant for cooling the rotor, so that a high degree of efficiency can be achieved. Since the refrigerant leaves the rotor in the gas phase, it is not necessary to remove liquid refrigerant from the rotor again. Instead, it is possible to wait until the liquid refrigerant evaporates. Losses due to liquid refrigerant in the interior of the electric machine, in particular between the rotor and the stator are avoided. Return lines in the rotor can thereby be saved. By the compressor, the gaseous refrigerant can be sucked from the interior of the electric machine and in particular condensed and cooled in a refrigeration cycle to be returned to the channel. By sucking off the gaseous refrigerant heat build-up in the interior is avoided and allows good heat dissipation. In addition, a flow can be generated by the compressor which additionally allows convective heat removal, whereby the cooling capacity is further increased. By the vaporizable in the rotor refrigerant, which can be sucked through the gas passage from the interior, a particularly high cooling capacity can be achieved, so that a good cooling of a, in particular provided for the electrical drive of a motor vehicle, electric machine is possible.

Die elektrische Maschine kann einen radial inneren Rotor und einen radial äußeren Stator aufweisen, wobei es auch möglich ist, dass der Rotor radial außen und der Stator radial innen vorgesehen ist. Der Rotor kann Permanentmagneten aufweisen, die mit durch stromdurchfließbare Spulen ausgebildete Elektromagneten des Stators elektromagnetisch zusammen wirken können. Die elektrische Maschine kann im Motorbetrieb betrieben werden, wodurch die den Spulen zugeführte elektrische Energie zum Antrieb des Rotors genutzt wird. In einem Generatorbetrieb kann die mechanische Energie des rotierenden Rotors in elektrische Energie des Stators gewandelt und insbesondere in einer geeigneten Batterie gespeichert werden. Insbesondere weist die elektrische Maschine eine Leistung auf, die ausreicht ein Kraftfahrzeug elektrisch, vorzugsweise rein elektrisch, anzutreiben. Die elektrische Maschine kann Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs sein. The electric machine may have a radially inner rotor and a radially outer stator, wherein it is also possible that the rotor is provided radially on the outside and the stator radially inwards. The rotor may comprise permanent magnets which may interact electromagnetically with electromagnets of the stator formed by current-flowable coils. The electric machine can be operated in motor mode, whereby the electrical energy supplied to the coils is used to drive the rotor. In a generator mode, the mechanical energy of the rotating rotor can be converted into electrical energy of the stator and in particular stored in a suitable battery. In particular, the electric machine has a power sufficient to drive a motor vehicle electrically, preferably purely electrically. The electric machine may be part of a drive train of a motor vehicle.

Insbesondere weist der Rotor Permanentmagneten auf, wobei die Permanentmagneten von dem im Kanal flüssig und/oder gasförmig vorliegenden Kältemittel und/oder von dem im Innenraum vorliegenden gasförmigen Kältemittel kühlbar sind. Beispielsweise kann das im Innenraum gasförmig vorliegende Kältemittel über die Oberfläche des Permanentmagneten strömen. Die Temperatur der Permanentmagneten haben einen entsprechend großen Einfluss auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine. Beispielsweise kann das in dem Innenraum gasförmig vorliegende Kältemittel durch eine von dem Verdichter erzwungene Strömung an der Oberfläche des Permanentmagneten entlangströmen und dadurch eine konvektive Kühlung des Permanentmagneten erreichen. Die Permanentmagneten können auch über Wärmeleitung aus dem Kanal heraus gekühlt werden, wobei die von dem Kältemittel in dem Kanal aufgenommene Wärme zum Verdampfen des Kältemittels genutzt werden kann. Gegebenenfalls kann der Permanentmagnet an seiner Innenseite einen Teil der Wandung des Kanals ausbilden, so dass in dem Kanal ein direkter Kontakt des flüssigen und/oder gasförmigen Kältemittels mit dem Permanentmagnet vorgesehen werden kann. In particular, the rotor has permanent magnets, wherein the permanent magnets can be cooled by the refrigerant present in the channel in liquid and / or gaseous form and / or by the gaseous refrigerant present in the interior. For example, the refrigerant present in gaseous form in the interior can flow over the surface of the permanent magnet. The temperature of the permanent magnets have a correspondingly large influence on the efficiency of the electric machine. For example, the refrigerant present in gaseous form in the interior can flow along the surface of the permanent magnet through a flow forced by the compressor, thereby achieving convective cooling of the permanent magnet. The permanent magnets can also be cooled via heat conduction out of the channel, wherein the heat absorbed by the refrigerant in the channel can be used to evaporate the refrigerant. Optionally, the permanent magnet on its inner side form a part of the wall of the channel, so that in the channel direct contact of the liquid and / or gaseous refrigerant can be provided with the permanent magnet.

Vorzugsweise ist durch den Verdichter innerhalb des Innenraums eine an dem Stator entlangführende Gasströmung des gasförmigen Kältemittels zur konvektiven Kühlung des Stators mit Hilfe des gasförmigen Kältemittels erzeugbar. Der Verdichter kann in dem Innenraum für das gasförmige Kältemittel eine erzwungene Strömung aufprägen, die zu einer konvektiven Kühlung auch des Stators genutzt werden kann. Das Kältemittel kann dadurch nicht nur den Rotor, sondern auch den Stator kühlen. Da die Temperatur des im Innenraum befindlichen gasförmigen Kältemittels im Wesentlichen dem Siedepunkt des gasförmigen Kältemittel entspricht, liegt eine vergleichsweise hohe Temperaturdifferenz vor, die zur Erhöhung der Kühlleistung genutzt werden kann. Vorzugsweise kann der Verdichter an einer Axialseite des Innenraums der elektrischen Maschine angeschlossen sein, während das den Gasdurchlass passierende gasförmige Kältemittel den Kanal in Richtung der gegenüberliegenden Axialseite des Innenraums der elektrischen Maschine verlässt. Dadurch muss das gasförmige Kältemittel einen besonders langen Weg durch den Innenraum der elektrischen Maschine bis zum Verdichter zurücklegen, wodurch die konvektive Kühlleistung erhöht werden kann. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des über den Gasdurchlass in den Innenraum eintretenden gasförmigen Kühlmittels durch die gesamte axiale Erstreckung des ringförmigen Spaltraums strömt, der in radialer Richtung zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den stromdurchfließbaren Spulen des Stators ausgebildet ist. Dadurch kann gleichzeitig der Rotor und der Stator konvektiv gekühlt werden. Preferably, a gas flow of the gaseous refrigerant passing along the stator for the convective cooling of the stator with the aid of the gaseous refrigerant can be generated by the compressor within the interior. The compressor can impose a forced flow in the gaseous refrigerant interior, which can be used for convective cooling of the stator as well. The refrigerant can thereby cool not only the rotor but also the stator. Since the temperature of the gaseous refrigerant in the interior substantially corresponds to the boiling point of the gaseous refrigerant, there is a comparatively high temperature difference which can be used to increase the cooling capacity. Preferably, the compressor may be connected to an axial side of the interior of the electric machine while the gaseous refrigerant passing through the gas passage exits the channel toward the opposite axial side of the interior of the electric machine. As a result, the gaseous refrigerant must cover a particularly long distance through the interior of the electric machine to the compressor, whereby the convective cooling capacity can be increased. It is preferably provided that at least part of the gaseous coolant entering the interior via the gas passage flows through the entire axial extent of the annular gap space which is formed in the radial direction between the permanent magnets of the rotor and the current-carrying coils of the stator. As a result, the rotor and the stator can be cooled convectively at the same time.

Besonders bevorzugt weist der Stator gewickelte stromdurchfließbare Spulen auf, wobei die mindestens eine Spule zum direkten Kontakt mit dem in dem Innenraum befindlichen gasförmigen Kältemittel zumindest teilweise exponiert ist. Üblicherweise ist die Spule in einer Vergussmasse eingelassen. Dadurch, dass die Spule zumindest teilweise nicht vergossen ist und stattdessen frei zugänglich exponiert ist, kann das gasförmige Kältemittel zumindest einen Teil der Spule direkt erreichen, wodurch sich eine entsprechend gute Kühlung des Stators ergibt. Particularly preferably, the stator has wound current-flowable coils, wherein the at least one coil is at least partially exposed for direct contact with the gaseous refrigerant located in the interior. Usually, the coil is embedded in a potting compound. The fact that the coil is at least partially not shed and instead exposed exposed, the gaseous refrigerant can reach at least a portion of the coil directly, resulting in a correspondingly good cooling of the stator.

Insbesondere ist der Verdichter mit einem nachgeschalteten Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels verbunden, wobei der Kondensator über eine nachgeschaltete Druckreduktionseinheit, insbesondere Drossel, zur Reduzierung des Drucks des Kältemittels mit dem Kanal verbunden ist. Dadurch kann ein Kältekreislauf ausgebildet werden, in dem das Kältemittel im Kreis gefördert wird. Vorzugsweise ist das Kältemittel in dem Kältekreislauf eingeschlossen und kann dadurch nicht in die Umgebung entweichen. Durch die Verdichtung des gasförmigen Kältemittels mit Hilfe des Verdichters liegt das Kältemittel auf einem hohen Temperaturniveau vor, so dass der Kondensator mit einer hohen Kühlleistung betrieben werden kann und entsprechend kleiner dimensioniert werden kann. Beispielsweise kann ein zur Kondensation des Kältemittels vorgesehener, insbesondere durch Fahrtwind luftgekühlter, Frontkühler eines Kraftfahrzeugs kleiner und leichter ausgelegt werden, wodurch der Luftwiderstand des Kraftfahrzeugs reduziert und durch den geringeren Bauraumbedarf konstruktive Freiheiten geschaffen werden können. In particular, the compressor is connected to a downstream condenser for condensing the refrigerant, wherein the condenser is connected via a downstream pressure reduction unit, in particular throttle, for reducing the pressure of the refrigerant to the channel. As a result, a refrigeration cycle can be formed, in which the refrigerant is conveyed in a circle. Preferably, the refrigerant is trapped in the refrigeration cycle and thereby can not escape into the environment. Due to the compression of the gaseous refrigerant by means of the compressor, the refrigerant is present at a high temperature level, so that the condenser can be operated with a high cooling capacity and can be dimensioned correspondingly smaller. For example, provided for the condensation of the refrigerant, in particular air cooled by wind, front radiator of a motor vehicle can be made smaller and lighter, thereby reducing the air resistance of the motor vehicle and constructive freedom can be created by the smaller space requirement.

Vorzugsweise ist die Druckreduktionseinheit als Turbine zur Erzeugung mechanischer Arbeit ausgestaltet, wobei die Turbine mit dem Verdichter zum Antrieb des Verdichters mechanisch gekoppelt ist. Im Vergleich zu einer Drossel kann mit Hilfe der Turbine mechanische Arbeit erzeugt werden, die genutzt werden kann. Durch die Verwendung der von der Turbine erzeugten mechanischen Arbeit zum Antrieb des Verdichters kann zumindest der Energieeinsatz zum Betrieb des Verdichters reduziert werden. Preferably, the pressure reduction unit is designed as a turbine for generating mechanical work, wherein the turbine is mechanically coupled to the compressor for driving the compressor. Compared to a throttle, the turbine can be used to generate mechanical work that can be used. By using the mechanical work generated by the turbine to drive the compressor, at least the energy input for operating the compressor can be reduced.

Besonders bevorzugt ist die Druckreduktionseinheit mit einem nachgeschalteten Ausgleichsbehälter zur Pufferung des Kältemittels und der Ausgleichsbehälter mit einer nachgeschalteten Kältemittelpumpe verbunden, wobei die Kältemittelpumpe mit dem nachgeschalteten Kanal kommuniziert. Die Kältemittelpumpe kann das flüssige Kältemittel in den Kanal fördern. Wenn beispielsweise bei einer geringen Wärmeentwicklung der elektrischen Maschine nur wenig Kältemittel in dem Kanal verdampft, ist durch den Ausgleichsbehälter dabei sichergestellt, dass zwischenzeitlich kondensiertes Kältemittel gespeichert werden kann und nicht im Kondensator verbleibt. Dadurch kann leicht auf einen sich ändernden Massenstrombedarf des Kältemittels reagiert werden, ohne einen Rückstau im Kältekreislauf zu erzeugen. Particularly preferably, the pressure reduction unit is connected to a downstream expansion tank for buffering the refrigerant and the expansion tank with a downstream refrigerant pump, wherein the refrigerant pump communicates with the downstream channel. The refrigerant pump can deliver the liquid refrigerant into the channel. If, for example, only a small amount of refrigerant in the duct evaporates when there is little heat development of the electric machine, it is ensured by the expansion tank that condensed refrigerant can be stored in the meantime and not in the condenser remains. As a result, it is easy to react to a changing mass flow requirement of the refrigerant without generating a backlog in the refrigeration cycle.

Insbesondere kann ein Messgerät zur zumindest indirekten Abschätzung der Verdampfungsleistung in dem Kanal zum Einsatz kommen, wobei eine Förderleistung einer Kältemittelpumpe zum Speisen des Kanals in Abhängigkeit des Messergebnisses des Messgeräts einstellbar ist. Das Messgerät kann beispielweise den Dampfdruck im Kanal messen und mit dem Förderdruck der Kältemittelpumpe vergleichen. Wenn nur ein geringer Anteil des Kältemittels in dem Kanal verdampft wird, kann dadurch automatisch die Förderleistung der Kältemittelpumpe reduziert werden, so dass unnötige Verlustleistungen der Kältemittelpumpe vermieden werden. In particular, a measuring device can be used for the at least indirect estimation of the evaporation power in the channel, wherein a delivery rate of a refrigerant pump for feeding the channel is adjustable as a function of the measurement result of the measuring device. For example, the meter can measure the vapor pressure in the duct and compare it to the delivery pressure of the refrigerant pump. If only a small proportion of the refrigerant is evaporated in the channel, this can automatically reduce the delivery rate of the refrigerant pump, thus avoiding unnecessary power losses of the refrigerant pump.

Vorzugsweise weist der Stator einen Kühlkanal zur Kühlung des Stators auf, wobei der Kühlkanal mit einer Kühlmittelpumpe zum Speisen des Kühlkanals mit einem flüssigen Kühlmittel verbunden ist, wobei der Kühlkanal mit einem nachgeschalteten Kühler zum Kühlen des Kühlmittels verbunden ist. Der Stator kann dadurch mit Hilfe des Kühlmittels gekühlt werden, so dass es nicht erforderlich ist den Stator einzig mit Hilfe des gasförmigen Kältemittels im Innenraum der elektrischen Maschine zu kühlen. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass das Kühlmittel einen Phasenwechsel vollzieht. Das Kühlmittel kann in allen Betriebspunkten flüssig bleiben, wodurch ein entsprechend einfach aufgebauter Kühlkreislauf ermöglicht ist, in dem das flüssige Kühlmittel im Kreis gefördert werden kann. Der Kühler kann in einem, insbesondere durch Fahrtwind luftgekühlten, Frontkühler eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Preferably, the stator has a cooling channel for cooling the stator, wherein the cooling channel is connected to a coolant pump for supplying the cooling channel with a liquid coolant, wherein the cooling channel is connected to a downstream cooler for cooling the coolant. The stator can thereby be cooled by means of the coolant, so that it is not necessary to cool the stator solely by means of the gaseous refrigerant in the interior of the electric machine. In this case, it is not necessary for the coolant to undergo a phase change. The coolant can remain liquid at all operating points, whereby a correspondingly simple design cooling circuit is made possible, in which the liquid coolant can be conveyed in a circle. The radiator may be provided in a, in particular by airstream cooled, front radiator of a motor vehicle.

Besonders bevorzugt sind das Kühlmittel und das Kältemittel in voneinander getrennten Kreisläufen vorgesehen. Dies ermöglicht es insbesondere für das Kühlmittel einerseits und das Kältemittel andererseits unterschiedliche Stoffe zu verwenden, die für ihren jeweiligen Einsatzzweck und Temperaturbereich optimiert sein können. Particularly preferably, the coolant and the refrigerant are provided in separate circuits. On the other hand, this makes it possible, in particular for the coolant on the one hand and the refrigerant on the other hand, to use different substances which can be optimized for their respective intended use and temperature range.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments, wherein the features shown below, both individually and in combination may represent an aspect of the invention. Show it:

1: eine schematische Prinzipdarstellung eines Kühlsystems in einer ersten Ausführungsform, 1 FIG. 2 is a schematic diagram of a cooling system in a first embodiment, FIG.

2: eine schematische Prinzipdarstellung eines Kühlsystems in einer zweiten Ausführungsform und 2 : A schematic diagram of a cooling system in a second embodiment and

3: eine schematische Prinzipdarstellung eines Kühlsystems in einer dritten Ausführungsform. 3 : A schematic diagram of a cooling system in a third embodiment.

Das in 1 dargestellte Kühlsystem 10 für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug weist eine elektrische Maschine 12 auf, die eine ausreichende Leistung zum rein elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs erzeugen kann. Die elektrische Maschine 12 weist hierzu einen äußeren Stator 14 auf, der im Motorbetrieb einen inneren Rotor 16 antreiben kann. Der Rotor 16 weist einen koaxialen Kanal 18 auf, der nach radial außen verzweigen kann und nur über an axialen Enden vorgesehenen als gasdurchlässige Membranen 20 ausgestaltete Gasdurchlässe mit einem Innenraum 22 der elektrischen Maschine 12 kommunizieren kann. Die jeweilige Membran 20 kann auch durch ein Expansionsventil ersetzt sein. Durch die Membranen 20 wird das flüssige Kältemittel solange in dem Kanal 18 zurückgehalten, bis es verdampft und in der Gasphase die Membran 20 passieren kann. Der Rotor 16 wird dadurch gekühlt. Mit Hilfe eines Verdichters 24 kann das gasförmige Kältemittel aus dem Innenraum 22 abgesaugt werden, wodurch in dem Innenraum 22 eine erzwungene Strömung entsteht, die den Rotor 16 und den Stator 14 konvektiv kühlen kann. Das gasförmige Kältemittel kann stromabwärts vom Verdichter 24 in einem Kondensator 26 kondensiert werden und nachfolgend einer als Drossel 28 ausgestalteten Druckreduktionseinheit zugeführt werden. Auf dem abgesenkten Druckniveau kann das flüssige Kältemittel zur Zwischenspeicherung einem Ausgleichsbehälter 30 zugeführt werden, aus dem das flüssige Kältemittel mit Hilfe einer geregelten Kältemittelpumpe 32 wieder dem Kanal 18 zugeführt werden kann, wodurch ein geschlossener Kältekreislauf 34 für das Kältemittel ausgebildet ist. Die Fördermenge der Kältemittelpumpe 32 kann in Abhängigkeit von der Verdampfungsleistung des Kältemittels in dem Kanal 18 geregelt sein. This in 1 illustrated cooling system 10 for an electrically driven motor vehicle has an electrical machine 12 on, which can produce sufficient power for the purely electric drive of the motor vehicle. The electric machine 12 has an outer stator for this purpose 14 on, in the engine operation, an inner rotor 16 can drive. The rotor 16 has a coaxial channel 18 on, which can branch radially outward and only provided on axial ends as gas-permeable membranes 20 equipped gas outlets with an interior 22 the electric machine 12 can communicate. The respective membrane 20 can also be replaced by an expansion valve. Through the membranes 20 the liquid refrigerant is in the channel as long 18 retained until it evaporates and in the gas phase the membrane 20 can happen. The rotor 16 is cooled by it. With the help of a compressor 24 can the gaseous refrigerant from the interior 22 be sucked out, causing in the interior 22 a forced flow is created, which is the rotor 16 and the stator 14 can convectively cool. The gaseous refrigerant may be downstream from the compressor 24 in a condenser 26 condensed and subsequently one as a throttle 28 configured pressure reduction unit to be supplied. At the lowered pressure level, the liquid refrigerant for buffering a surge tank 30 be fed, from which the liquid refrigerant by means of a regulated refrigerant pump 32 back to the canal 18 can be supplied, creating a closed refrigeration cycle 34 is formed for the refrigerant. The flow rate of the refrigerant pump 32 may vary depending on the vaporization capacity of the refrigerant in the channel 18 be regulated.

Zusätzlich zu dem Kältekreislauf 34 kann ein zur Kühlung des Stators 14 vorgesehener Kühlkreislauf 36 vorgesehen sein. Eine Kühlmittelpumpe 38 kann ein flüssiges Kühlmittel durch den Stator 14 pumpen. Das erwärmte flüssige Kühlmittel kann nachfolgend in einem Kühler 40 gekühlt werden und im gekühlten Zustand wieder von der Kühlmittelpumpe 38 gefördert werden. In addition to the refrigeration cycle 34 can be used to cool the stator 14 provided cooling circuit 36 be provided. A coolant pump 38 can be a liquid coolant through the stator 14 pump. The heated liquid coolant may subsequently be in a cooler 40 be cooled and in the cooled state again from the coolant pump 38 be encouraged.

Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kühlsystems 10 ist im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kühlsystems 10 die Drossel 28 durch eine Turbine 42 ersetzt, so dass die als Turbine 42 ausgestaltete Druckreduktionseinheit mechanische Energie erzeugen kann. Die Turbine 42 ist mit dem Verdichter 24 gekoppelt, so dass die in der Turbine 42 gewonnene Energie zum Betrieb des Verdichters 24 genutzt werden kann. At the in 2 illustrated embodiment of the cooling system 10 is compared to the in 1 illustrated embodiment of the cooling system 10 the throttle 28 through a turbine 42 replaced, so that as a turbine 42 configured pressure reduction unit can generate mechanical energy. The turbine 42 is with the compressor 24 coupled so that in the turbine 42 recovered energy to operate the compressor 24 can be used.

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kühlsystems 10 ist im Vergleich zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kühlsystems 10 der Stator 14 anders gestaltet. Der Stator 14 weist auf Wickelköpfe 44 aufgewickelte stromdurchfließbare Spule 46 auf. Im Gegensatz zu den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen des Kühlsystems 10 sind die Wickelköpfe 44 und die Spulen 46 nicht in einer Vergussmasse eingegossen, sondern zumindest teilweise exponiert, so dass die Wickelköpfe 44 und die Spulen 46 des Stators 14 von dem gasförmigen Kältemittel in dem Innenraum zur konvektiven Wärmeabfuhr direkt umströmt werden können. At the in 3 illustrated embodiment of the cooling system 10 is compared to the in 2 illustrated embodiment of the cooling system 10 the stator 14 designed differently. The stator 14 points to winding heads 44 coiled current-flowable coil 46 on. Unlike the in 1 and 2 illustrated embodiments of the cooling system 10 are the winding heads 44 and the coils 46 not poured into a potting compound, but at least partially exposed, so that the winding heads 44 and the coils 46 of the stator 14 can be flowed directly around the gaseous refrigerant in the interior for convective heat removal.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2010/0295391 A1 [0002] US 2010/0295391 A1 [0002]

Claims (10)

Kühlsystem zum Kühlen einer, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen, elektrischen Maschine (12), mit einem Rotor (16) und einem mit dem Rotor (16) elektromagnetisch zusammenwirkenden Stator (14) zur Ausbildung der elektrischen Maschine (12), wobei die elektrische Maschine (12) einen sich zwischen dem Rotor (16) und dem Stator (14) erstreckenden Innenraum (22) aufweist, einem in dem Rotor (16) ausgebildeten Kanal (18) zur Zufuhr eines flüssigen und in dem Kanal (18) verdampfbaren Kältemittels, insbesondere R134a, R113, FC72 oder CO2, zur Kühlung des Rotors (16) durch Verdampfung, wobei der Kanal (18) über einen Gasdurchlass, insbesondere gasdurchlässige Membran (20) und/oder Expansionsventil, mit dem Innenraum (22) kommuniziert, und einem mit dem Innenraum (22) kommunizierenden Verdichter (24) zum Absaugen des gasförmigen Kältemittels. Cooling system for cooling a, in particular for the electrical drive of a motor vehicle provided, electric machine ( 12 ), with a rotor ( 16 ) and one with the rotor ( 16 ) electromagnetically interacting stator ( 14 ) for the formation of the electrical machine ( 12 ), wherein the electric machine ( 12 ) one between the rotor ( 16 ) and the stator ( 14 ) extending interior ( 22 ), one in the rotor ( 16 ) trained channel ( 18 ) for supplying a liquid and in the channel ( 18 ) evaporable refrigerant, in particular R134a, R113, FC72 or CO 2 , for cooling the rotor ( 16 ) by evaporation, the channel ( 18 ) via a gas passage, in particular gas-permeable membrane ( 20 ) and / or expansion valve, with the interior ( 22 ) communicates, and one with the interior ( 22 ) communicating compressor ( 24 ) to suck the gaseous refrigerant. Kühlsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (16) Permanentmagneten aufweist, wobei die Permanentmagneten von dem im Kanal (18) flüssig und/oder gasförmig vorliegenden Kältemittel und/oder von dem im Innenraum (22) vorliegenden gasförmigen Kältemittel kühlbar sind. Cooling system according to claim 1, characterized in that the rotor ( 16 ) Has permanent magnets, wherein the permanent magnets of the in the channel ( 18 ) liquid and / or gaseous refrigerant and / or of the interior ( 22 ) present gaseous refrigerant can be cooled. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Verdichter (24) innerhalb des Innenraums (22) eine an dem Stator (14) entlangführende Gasströmung des gasförmigen Kältemittels zur konvektiven Kühlung des Stators (14) mit Hilfe des gasförmigen Kältemittels erzeugbar ist. Cooling system according to claim 1 or 2, characterized in that by the compressor ( 24 ) inside the interior ( 22 ) one on the stator ( 14 ) along the gas flow of the gaseous refrigerant for convective cooling of the stator ( 14 ) With the aid of the gaseous refrigerant can be generated. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (14) gewickelte stromdurchfließbare Spulen (46) aufweist, wobei die mindestens eine Spule (46) zum direkten Kontakt mit dem in dem Innenraum (22) befindlichen gasförmigen Kältemittel zumindest teilweise exponiert ist. Cooling system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the stator ( 14 ) wound current-flowable coils ( 46 ), wherein the at least one coil ( 46 ) for direct contact with the in the interior ( 22 ) is at least partially exposed gaseous refrigerant. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) mit einem nachgeschalteten Kondensator (26) zum Kondensieren des Kältemittels verbunden ist, wobei der Kondensator (26) über eine nachgeschaltete Druckreduktionseinheit, insbesondere Drossel (28), zur Reduzierung des Drucks des Kältemittels mit dem Kanal (18) verbunden ist. Cooling system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the compressor ( 24 ) with a downstream capacitor ( 26 ) is connected to condense the refrigerant, wherein the condenser ( 26 ) via a downstream pressure reduction unit, in particular throttle ( 28 ), to reduce the pressure of the refrigerant with the channel ( 18 ) connected is. Kühlsystem nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckreduktionseinheit als Turbine (42) zur Erzeugung mechanischer Arbeit ausgestaltet ist, wobei die Turbine (42) mit dem Verdichter (24) zum Antrieb des Verdichters (24) mechanisch gekoppelt ist. Cooling system according to claim 5, characterized in that the pressure reduction unit as a turbine ( 42 ) is designed for the production of mechanical work, wherein the turbine ( 42 ) with the compressor ( 24 ) for driving the compressor ( 24 ) is mechanically coupled. Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckreduktionseinheit (28, 42) mit einem nachgeschalteten Ausgleichsbehälter (30) zur Pufferung des Kältemittels und der Ausgleichsbehälter (30) mit einer nachgeschalteten Kältemittelpumpe (32) verbunden ist, wobei die Kältemittelpumpe (32) mit dem nachgeschalteten Kanal (18) kommuniziert. Cooling system according to claim 5 or 6, characterized in that the pressure reduction unit ( 28 . 42 ) with a downstream expansion tank ( 30 ) for buffering the refrigerant and the expansion tank ( 30 ) with a downstream refrigerant pump ( 32 ), wherein the refrigerant pump ( 32 ) with the downstream channel ( 18 ) communicates. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass ein Messgerät zur zumindest indirekten Abschätzung der Verdampfungsleistung in dem Kanal (18) vorgesehen ist, wobei eine Förderleistung einer Kältemittelpumpe (32) zum Speisen des Kanals (18) in Abhängigkeit des Messergebnisses des Messgeräts einstellbar ist. Cooling system according to one of claims 1 to 7, characterized in that a measuring device for at least indirect estimation of the evaporation power in the channel ( 18 ), wherein a delivery rate of a refrigerant pump ( 32 ) for dining the channel ( 18 ) is adjustable depending on the measurement result of the measuring device. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (14) einen Kühlkanal zur Kühlung des Stators (14) aufweist, wobei der Kühlkanal mit einer Kühlmittelpumpe (38) zum Speisen des Kühlkanals mit einem flüssigen Kühlmittel verbunden ist, wobei der Kühlkanal mit einem nachgeschalteten Kühler (40) zum Kühlen des Kühlmittels verbunden ist. Cooling system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the stator ( 14 ) a cooling channel for cooling the stator ( 14 ), wherein the cooling channel with a coolant pump ( 38 ) is connected to supply the cooling channel with a liquid coolant, wherein the cooling channel with a downstream cooler ( 40 ) is connected for cooling the coolant. Kühlsystem nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel und das Kältemittel in voneinander getrennten Kreisläufen (34, 36) vorgesehen sind. Cooling system according to claim 9, characterized in that the coolant and the refrigerant in separate circuits ( 34 . 36 ) are provided.
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