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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für eine elektrische Maschine.
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Hintergrund und Stand der Technik
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Bei Elektromotoren kommen je nach Nenndrehzahl, erforderlichem Drehmoment und vorhandenem Bauraum verschiedene Designs zum Einsatz. Insbesondere bei schnelldrehenden Motoren kann es vorteilhaft sein, toroidförmige Statorwicklungen zu verwenden, so dass der Stator eine oder mehrere Ringkernspulen umfasst. Dadurch kann eine hohe Nenndrehzahl von einigen Zehntausend Umdrehungen pro Minute (rpm) bis über eine Million rpm bei einem relativ großen Drehmoment erreicht werden, wobei relativ wenig Wickeldraht für die Statorwicklung verwendet wird. Solche Motoren können z. B. in einem Abgasturboladers zum Beschleunigen der Turbine zum Einsatz kommen.
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In einem Abgasturbolader wird bekanntlich eine Abgasturbine mit dem Restdruck der Fahrzeugabgase angetrieben, um die Ansaugluft des Motors zu verdichten und dadurch den Luftdurchsatz zu erhöhen. Zur Unterstützung des Abgasturboladers, insbesondere beim Anlaufen, können Elektromotoren zum Einsatz kommen. Elektrische Maschinen zum Antreiben des Abgasturboladers können dabei unter Umstände auch im Generatorbetrieb zur Rückgewinnung elektrischer Energie eingesetzt werden.
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In dem beschriebenen Einsatzfeld ist eine erforderliche Motorleistung in der Größenordnung von etwa 2,5 kW bei einer Nenndrehzahl von etwa 80.000 bis 300.000 Umdrehungen pro Minute durchaus üblich. Grundsätzlich wird zum Erreichen einer hohen Drehzahl und eines großen Drehmoments relativ viel Kupfer bzw. ein verhältnismäßig dicker Wickeldraht benötigt. Aufgrund der hohen Motorleistung wird in dem Antriebsmotor eine relativ hohe Spulenwärme erzeugt, die in der Größenordnung von etwa 300 bis 400°C liegen kann. Zusätzlich kann in dem genannten Einsatzgebiet der Motor aufgrund des Wärmeeintrags des Abgasstroms weiter erwärmt werden, wobei die Temperatur des Abgasstroms im Bereich von etwa 400 bis 1100°C liegen kann.
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Bei Verwendung der elektrischen Maschine in einem Kraftfahrzeug steht zur Kühlung der Maschine der Kühlwasserkreislauf der Kraftfahrzeuges zur Verfügung, der bei modernen Fahrzeugen mit einer Temperatur von etwa 125°C und einem Druck von 5 Bar betrieben wird. Unter Nutzung dieses Kühlwasserkreislaufs sollte die elektrische Maschine beispielsweise auf eine Betriebstemperatur von maximal etwa 150°C bis 160°C gehalten werden.
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Die Erfindung ist aber auch einsetzbar für andere Hochgeschwindigkeitsmotoren mit hoher Wärmeentwicklung. Hochgeschwindigkeitsmotoren haben in der Regel eine Drehzahl von mindestens 20.000 Umdrehungen pro Minute (U/min), und sie können je nach Bauart Drehzahlen von beispielsweise 100.000 bis 200.000 U/min oder bis zu 1.000.000 U/min erzeugen. Ferner ist die Erfindung anwendbar auf Motoren sowohl mit Toroidkern und entsprechender toroidförmiger Statorwicklung als auch mit einem klassischen Statordesign mit Rückschlussring und Statorpolen, wobei der Wickeldraht entlang von Statornuten geführt wird, welche zwischen den Statorpolen gebildet sind.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlanordnung für eine elektrische Maschine zu schaffen, die im Betrieb der Maschine erzeugte Motorwärme abführen und die elektrische Maschine auf einer vorgegebenen Betriebstemperatur halten kann. Die Betriebstemperatur selbst ist abhängig von Art und Einsatz der Maschine.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die Erfindung sieht auch eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 12 vor. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung sieht eine Kühlanordnung für eine elektrische Maschine vor, die einen Stator aufweist, der einen Rotor koaxial umgibt, wobei die Kühlanordnung ein Spritzgussteil aufweist, das an den Stator angespritzt ist und in dem ein Kühlkanal zum Transport eines Kühlmittels ausgeformt ist. Indem die Kühlanordnung unmittelbar an den Stator angespritzt wird, lässt sich eine optimale Wärmeabfuhr von den Spulendrähten des Stators über die Kühlanordnung erzielen. Zudem ist die Herstellung der Kühlanordnung und ihre Ankopplung an den Stator unkompliziert und erfordert außer einem Spritzvorgang zur Herstellung des Spritzgussteils nur wenige zusätzliche Fertigungsschritte.
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Das Spritzgussteil ist vorzugsweise aus einem wärmeleitenden Kunststoff gefertigt, insbesondere aus einem Duroplast. Es besteht zum Beispiel aus einer Epoxid-Formmasse. Das Spritzgussteil kann aber auch aus einem anderen Duroplast bestehen. So können beispielsweise Duroplasten basierend auf Polymerisation (zum Beispiel Polyester), Polykondensation (beispielsweise Phenol) oder Polyaddition verwendet werden. In manchen Ausgestaltungen weist das Duroplast eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,7 W/(K m) auf. Das Spritzgussteil wird insbesondere an den Außenumfang des Stators angeformt, wobei der Stator zumindest teilweise in das Spritzgussteil eingebettet ist. Der Stator kann auch vollständig in das Spritzgussteil eingebettet sein, um die Wärmeübertragung zu optimieren.
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Der Kühlkanal kann in Form einer den Außenumfang des Stators umgreifenden Schlaufe ausgebildet sein, oder alternativ in Form einer den Stator ein oder mehrmals umlaufenden Spirale.
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In einer Ausgestaltung wird der Kühlkanal in dem Spritzgussteil durch eine am Außenumfang des Spritzgussteils offene Nut gebildet, die durch einen Topfförmigen Deckel verschlossen wird, der auf das Spritzgussteil aufgebracht und mit diesem verbunden wird. Dies erlaubt es, das Spritzgussteil mit einer relativ einfachen Spritzgussform herzustellen, wobei für die Ausbildung des Kühlkanals keine Schieber notwendig sind.
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An das Spritzgussteil und/oder an den Topf können Kühlrippen angeformt sein. Ferner können eine Kühlmittel-Zufuhrleitung und eine Kühlmittel-Abfuhrleitung, welche mit dem Kühlkanal in Verbindung stehen, direkt in das Spritzgussteil eingeformt sein. Alternativ können Zufuhr- und Abfuhrleitungen für das Kühlmittel oder eine dieser Leitungen in dem Topf ausgebildet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel hat der Kühlkanal einen Durchmesser von etwa 3–8 mm, insbesondere etwa 5–7 mm. Der Kühlkanal kann im Querschnitt beispielsweise kreisförmig, oval, oder rechteckig, insbesondere rechteckig mit abgerundeten Ecken, sein, wobei seine Querschnittsfläche in der Größenordnung von etwa 30–200 mm2, insbesondere von etwa 30–60 mm2 liegen kann.
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In manchen Ausgestaltungen ist eine Einlassöffnung der Kühlmittel-Zufuhrleitung in axialer Richtung oberhalb oder unterhalb des Kühlkanals angeordnet. Analog ist in machen Ausgestaltungen der Erfindung eine Auslassöffnung der Kühlmittel-Abfuhrleitung in axialer Richtung oberhalb oder unterhalb des Kühlkanals angeordnet. Die Einlass- und die Auslassöffnung können dabei in einer Richtung parallel zur Drehachse zeigend ausgestaltet sein.
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Als Kühlmittel kann Wasser verwendet werden, das gegebenenfalls Zusätze enthält, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Weitere Zusätze, wie Farbmittel und Frostschutzmittel können dem Kühlmittel beigefügt sein. Auch andere Arten von Kühlmittel können zum Einsatz kommen. Bei Verwendung der elektrischen Maschinen am Kraftfahrzeug kann das Kühlmittel dem Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs entnommen werden.
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Die Kühlanordnung findet insbesondere Verwendung in einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator, der den Rotor koaxial umgibt, wobei der Stator eine Ringkernspule aufweist und wobei die Ringkernspule in das Spritzgussteil zumindest teilweise eingebettet ist, so dass die Kühlkanäle jedenfalls den Außenumfang der Ringkernspule umgeben. Dieser Antriebsmotor kann beispielsweise in einem Abgasturbolader eingesetzt werden.
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Die Erfindung ist im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers in Kombination mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Beispiel;
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ringkernspule mit einem Spritzgussteils zum Aufbau einer Kühlanordnung gemäß einem Beispiel;
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3 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Kühlanordnung gemäß einem weiteren Beispiel; und
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4 zeigt eine Draufsicht auf die Kühlanordnung der 3, wobei in dieser Darstellung auch ein Rotor der elektrischen Maschine gezeigt ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers zur Erläuterung eines Einsatzbeispiels des Elektromotors gemäß der Erfindung. Der Abgasturbolader empfängt auf einer Einlassseite 10 den Abgasdruck von dem Verbrennungsmotor, um einen Kompressor 12 und eine Turbine 14 anzutreiben, die auf derselben Welle 16 montiert sind. Die durch den Kompressor 12 komprimierte Abgasluft wird dem Motorzylinder 18 zugeführt, um die Ansaugluft zu verstärken und dadurch den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern. Die heiße Abgasluft wird über die Turbine 14 auf der Auslassseite 20 abgeführt. Kompressor 12 und Turbine 14 wirken zusammen, um dem Motor komprimierte Luft zuzuführen. In vielen Fahrzeugen setzt der Abgasturbolader erst ab einer bestimmten Motordrehzahl ein. Dann müssen der Kompressor und die Turbine innerhalb kürzester Zeit auf ihre Betriebs-Drehzahl gebracht werden, die etwa bei 200.000 U/min liegt. Zur Beschleunigung des Abgasturboladers kann daher die Welle 16 mit einem Elektromotor 22 gekoppelt sein, der den Abgasturbolader beschleunigt. Wie oben erläutert, entsteht in dem Elektromotor aufgrund der erforderlichen hohen Drehzahlen erhebliche Wärme, die im Bereich von 300–400°C liegen kann. Die Erfindung sieht eine Kühlanordnung für solche und andere Elektromotoren vor, um die Motoren im Betrieb auf eine vorgegebene Betriebstemperatur zu kühlen, in dem beschriebenen Beispiel auf eine Betriebstemperatur im Bereich von 150–160°C.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ringkernspule 22 eines Hochgeschwindigkeits-Elektromotors mit einem Spritzgussteils 24 zum Aufbau einer Kühlanordnung gemäß einem Beispiel der Erfindung. Die Ringkernspule 22 bildet das Kernstück eines Stators des Elektromotors, wobei ein Rotor 39 (siehe 4) koaxial in den Stator eingefügt ist. Der Aufbau solcher Motoren ist grundsätzlich bekannt, wobei die Erfindung nicht auf Elektromotoren mit Ringkernspule beschränkt ist, sondern grundsätzlich auf jeden Innenläufermotor anwendbar ist. Der Spritzgussteil 24 ist an den Außenumfang der Ringkernspule zwei 20 angespritzt, sodass die Ringkernspule 22 zumindest teilweise oder vollständig in der Spritzgussteil 24 eingebettet ist, wie in 3 gezeigt.
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In dem Spritzgussteil 24 ist in dem gezeigten Beispiel ein Kühlkanal 26 ausgebildet, der den Außenumfang der des Spritzgussteils 24 in Form einer Schlaufe umgreift. Wie in 2 gezeigt, erstreckt sich der Kühlkanal 26 von einem Einlassende 26a bei einer Einlassöffnung 28 um nahezu den gesamten Außenumfang des Spritzgussteils 24, ändert seine Richtung bei einem Schlaufenabschnitt 26b und mündet an einem Auslassende 26c in einer Auslassöffnung 30. Somit umgreift der Kühlkanal 26 den Außenumfang des Spritzgussteils 24 weitgehend, beispielsweise zu etwa 90% oder etwa 95% oder 98%, wobei zwei Kühlkanalabschnitte parallel zueinander um den Umfang des Spritzgussteils 20 angeordnet sind. Die schlaufenförmige Ausbildung des Kühlkanals 26 hat den Vorteil, dass die Anbindung des Einlassendes 26a und des Auslassendes 26c an die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 unkompliziert ist und es keine sich kreuzenden Kühlkanalabschnitte gibt. Alternativ könnte der Kanal gleichwohl kreisförmig oder spiralförmig gestaltet sein. Sofern der Kühlkanal den Außenumfang des Spritzgussteils 24 nur einmal umläuft, kann die Anbindung des Kühlkanals an die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 ähnlich erfolgen wie in 2 gezeigt. Sofern der Kühlkanal in mehreren Spiralwindungen um den Außenumfang des Spritzgussteils verläuft, müsste die Anbindung an die Einlassöffnung und/oder die Auslassöffnung modifiziert werden. Beispielsweise könnte eine Einlassöffnung für den Kühlkanal an einem Stirnende des Spritzgussteils 24 vorgesehen werden, und eine Auslassöffnung an dem gegenüberliegenden Stirnende. In der gezeigten Ausführungsform befinden sich die Einlassöffnung und die Auslassöffnung in axialer Richtung oberhalb der Kühlkanäle. Beiden Öffnungen zeigen dabei in axiale Richtung, wodurch eine einfache Integration in ein vorhandenes Kühlsystem, insbesondere in einen Kühlwasserkreislauf eines Automobils, möglich ist.
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In der Ausgestaltung der Figur zwei weist das Spritzgussteil 24 ferner Kühlrippen oder Verstärkungsrippen 32 sowie Anschlussteile 34 für die Spulendrahtenden 36a von drei Statorwicklungen 36 (in dem gezeigten Beispiel für ein Dreiphasenmotor) auf. Die Statorwicklungen sind, wie in 2 gezeigt, um einen toroidförmigen Spulenkern 38 gewickelt, um den Stator zu bilden.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines Spritzgussteils 24 zur Bildung einer Kühlanordnung für einen Elektromotor mit einer Toroidspule, wie die in 2 gezeigte. Die Toroidspule ist in 3 mit dem Spulenkern 38 und der Statorwicklung 36, zwischen denen eine Nutisolation 40 liegt, dargestellt. Die Nutisolation umfasst auf ihrer Oberseite zwei in Umfangsrichtung verlaufende, konzentrisch angeordnete Vertiefungen, in denen Leitbleche 41 angeordnet sind. Auf der Unterseite der Nutisolation 40 ist eine weitere Vertiefung ausgebildet, in welcher ebenfalls ein Leitblech 41 angeordnet ist. Die Leitbleche 41 sind einerseits mit der Statorwicklung 36 und andererseits mit Anschlusspins elektrisch verbunden. Die Statorwicklung kann somit über die Leitbleche 41 verschaltet und über die Anschlusspins geerdet sowie mit einer Leiterplatte verbunden werden. Die Leiterplatte kann insbesondere eine Motorsteuerung tragen, über welche die Kommutierung des Elektromotors gesteuert wird. In 3 sind das Einlassende 26a des Kühlkanals, das mit der Einlassöffnung 28 in Verbindung steht, das Auslassende 26c des Kühlkanals sowie, auf der gegenüberliegenden Seite, zwei Abschnitte 26d und 26e des Kühlkanals zu sehen, die das Kühlmittel führen. Der Kühlkanal 26 ist, wie in 2 gezeigt, durch nach außen offene Nuten in dem Außenumfang des Spritzgussteils 24 gebildet. Diese Nuten werden durch einen topfförmigen Deckel 42, der auf den Außenumfang des Spritzgussteils 20 aufgeschoben wird, verschlossen, um den Kühlmittelkanal 26 zu bilden. Zwischen dem Außenumfang des Spritzgussteils 24 und dem Deckel 42 können eine oder mehrere Dichtungen eingebracht sein. Alternativ zu einem topfförmigen Deckel kann auch ein anders gestaltetes zylindrisches Bauteil den Kühlmittelkanal 26 an seinem Umfang verschließen. Der hier gezeigte und beschriebene Aufbau des Kühlmittelkanals erlaubt eine besonders einfache Fertigung, weil die Kanalabschnitte 26a bis 26e durch einfache Nuten gebildet werden können, die in den Außenumfang des Spritzgussteils 24 eingeformt werden, ohne dass hierfür eine komplizierte Schieberanordnung des Spritzgusswerkzeugs notwendig wäre. Schieber werden lediglich zum Ausbilden der Einlassöffnung 28, der Auslassöffnung 30, und von Öffnungen in den Anschlussteilen 34 benötigt.
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Das Spritzgussteil 24 kann aus einem thermoplastischem oder duroplastischen Material bestehen und besteht vorzugsweise aus einem Duropolast, wie beispielsweise einer Epoxid-Formmasse oder einem Phenol. Das Material des Spritzgussteils 24 sollte Hitzebeständigkeit bis zu einer Temperatur von ca. 200°C, spritzbar und gießbar sein. Es sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, etwa in der Größenordnung von 1 W/(m·K) oder darüber. Der Kühlkanal kann einen rechteckigen oder gerundeten Querschnitt, beispielsweise einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt haben. Die Querschnittsfläche kann etwa im Bereich von 30–200 mm2, insbesondere zum Beispiel im Bereich von 30–60 mm2 betragen. Der Durchmesser des Kühlkanals kann, abhängig von seiner Form, im Bereich von etwa 3–8 mm und spezieller 5–7 mm liegen.
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Der topfförmige Deckel 42 kann ebenfalls aus einem Kunststoff oder aus Aluminium hergestellt sein. Er kann zusätzliche Kühlrippen aufweisen (in den Figuren nicht gezeigt). Aluminium ist aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit von ca. 204 W/(m·K) ein bevorzugtes Material. Der topfförmige Deckel 42 und das Spritzgussteil 24 sollten den gleichen oder einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
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4 zeigt eine Draufsicht auf das Spritzgussteil 24, wobei dieselben Komponenten mit denselben Bezugszeichen beschrieben sind. In dieser Darstellung ist auch der konzentrisch zu der Statorwicklung 36 angeordneter Rotor 39 gezeigt, der beispielsweise einen zweipoligen Rotormagneten umfasst.
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Die in diesem Beispiel beschriebene, durch das Spritzgussteil 24 gebildete Kühlanordnung kann beispielsweise mit dem Kühlwasser des Kühlkreislaufes eines Kraftfahrzeuges als Kühlmittel betrieben werden, wobei das Kühlwasser beispielsweise eine Betriebstemperatur von etwa 125°C bei einem Druck von 5 bar haben kann. Unter Verwendung dieses Kühlmittels kann die Kühlanordnung ein Elektromotor, der Motorwärme in der Größenordnung von 300–400°C erzeugt, auf eine Betriebstemperatur im Bereich von etwa 150–160°C kühlen. Die Kühlanordnung kann auch mit anderen Arten von Motoren, bei anderen Betriebstemperaturen und -drücken und/oder mit anderen Kühlmitteln betrieben werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale, können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Einlassseite
- 12
- Kompressor
- 14
- Turbine
- 16
- Welle
- 18
- Motorzylinder
- 20
- Auslassseite
- 22
- Ringkernspule
- 24
- Spritzgussteil
- 26
- Kühlkanal
- 26a
- Einlassende
- 26b
- Schlaufenbereich
- 26c
- Auslassende
- 28
- Einlassöffnung
- 30
- Auslassöffnung
- 32
- Kühl-/Verstärkungsrippen
- 34
- Anschlussteile
- 36
- Statorwicklung
- 36a
- Spulendrahtenden
- 38
- Statorkern
- 39
- Rotor
- 40
- Nutisolation
- 41
- Leitblech
- 42
- topfförmiger Deckel
