DE102016204959A1 - Drive arrangement with an electric machine and a Sprühkühlanordnung for cooling the electric machine - Google Patents
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Abstract
Antriebsanordnung (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine (2) mit einem Stator (3) und einem Rotor (4), wobei der Stator (3) und der Rotor (4) in einem Innenraum (5) eines Gehäuses (6) angeordnet sind, und eine Sprühkühlanordnung (7), wobei vermittels der Sprühkühlanordnung (7) in einem Kühlbetrieb der Stator (3) und/oder der Rotor (4) der elektrischen Maschine (2) durch Besprühen mit einem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise kühlbar sind, wobei während des Kühlbetriebs das flüssige Kältemittel an dem Stator (3) und/oder dem Rotor (4) der elektrischen Maschine (2) zumindest teilweise verdampft und wobei das gasförmige Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel über zumindest eine erste Leitung (8) aus dem Innenraum (5) des Gehäuses (6) abführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Leitung (8) ein erstes Regelventil (9) angeordnet ist, wobei über das erste Regelventil (9) der Dampfdruck in dem Innenraum (5) des Gehäuses (6) regelbar ist.Drive arrangement (1) for a motor vehicle comprising an electric machine (2) with a stator (3) and a rotor (4), wherein the stator (3) and the rotor (4) in an interior (5) of a housing (6) and a spray cooling arrangement (7), wherein the stator (3) and / or the rotor (4) of the electric machine (2) are at least partly coolable by spraying with a liquid refrigerant by means of the spray cooling arrangement (7) in a cooling operation, wherein during the cooling operation, the liquid refrigerant at the stator (3) and / or the rotor (4) of the electric machine (2) at least partially evaporated and wherein the gaseous refrigerant and / or the liquid refrigerant via at least a first line (8) the interior (5) of the housing (6) are discharged, characterized in that in the first conduit (8), a first control valve (9) is arranged, via the first control valve (9) of the vapor pressure in the interior (5) of housing (6) is adjustable.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator und der Rotor in einem Innenraum eines Gehäuses angeordnet sind, und eine Sprühkühlanordnung, wobei vermittels der Sprühkühlanordnung in einem Kühlbetrieb der Stator und/oder der Rotor der elektrischen Maschine durch Besprühen mit einem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise kühlbar sind, wobei während des Kühlbetriebs das flüssige Kältemittel an dem Stator und/oder dem Rotor der elektrischen Maschine zumindest teilweise verdampft und wobei das gasförmige Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel über zumindest eine erste Leitung aus dem Innenraum des Gehäuses abführbar sind.The present invention relates to a drive assembly for a motor vehicle comprising an electric machine with a stator and a rotor, wherein the stator and the rotor are arranged in an interior of a housing, and a Sprühkühlanordnung, wherein by means of the Sprühkühlanordnung in a cooling operation of the stator and / or the rotor of the electric machine are at least partially coolable by spraying with a liquid refrigerant, wherein during the cooling operation, the liquid refrigerant at the stator and / or the rotor of the electric machine at least partially evaporated and wherein the gaseous refrigerant and / or the liquid refrigerant over at least a first line from the interior of the housing can be discharged.
Stand der TechnikState of the art
Antriebsanordnungen der genannten Art finden in unterschiedlichsten Konfigurationen in Kraftfahrzeugen Anwendung, wobei die elektrische Maschine einer derartigen Antriebsanordnung abhängig von der Konfiguration nur in bestimmten Betriebstemperaturgrenzen betrieben werden kann bzw. soll.Drive arrangements of the type mentioned find application in a wide variety of vehicle configurations, with the electrical machine of such a drive arrangement being or can only be operated within certain operating temperature limits, depending on the configuration.
Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist. Der Stator weist einen Statorkern und zumindest eine an dem Statorkern angeordnete Statorwicklung auf. Weiterhin kann der Rotor einen Rotorkern und zumindest eine an dem Rotorkern angeordnete Rotorwicklung umfassen.Electric machines include a fixed stator and a movable rotor, wherein the rotor is mounted in the most common type of electrical machine rotatably within a ring-shaped stator. The stator has a stator core and at least one stator winding arranged on the stator core. Furthermore, the rotor may comprise a rotor core and at least one rotor winding arranged on the rotor core.
Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme. Vorwiegend kommt es im Bereich der Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Wicklungsköpfe, zu einer starken Wärmeentwicklung. Die Folge dieser starken Erwärmung ist eine Erhöhung des dielektrischen Verlustfaktors – noch mehr elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine kühlt.Electric machines generate heat due to the dielectric loss during their operation. Predominantly, in the region of the stator winding and / or the rotor winding, in particular in the region of the respective winding heads, there is a strong evolution of heat. The result of this intense heating is an increase in the dielectric loss factor - even more electrical energy is converted to heat, which in turn causes a deterioration in the efficiency of the electric machine and on the other hand adversely affects reliable operation of the electric machine over its lifetime. Therefore, a cooling device is generally provided in drive assemblies with electric machines, which cools the parts to be cooled of the electric machine.
Konventionelle Kühlungen für elektrische Maschinen bedienen sich eines zirkulierenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels. Das Kühlmittel zirkuliert beispielsweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder in einer als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle, auf der der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das flüssige Kühlmittel nimmt aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme auf und transportiert diese ab. Diese Lösungen erfolgen in der Regel mit großem Abstand zur Wärmequelle und erfordern eine Wärmeleitung durch den Rotorkern und/oder den Statorkern, um die Abwärme in den Kühlkreislauf abzuleiten. Mittels dieser diffusen Wärmeleitung werden oftmals auch benachbarte Teile wie zum Beispiel Lager, Dichtungen etc. erwärmt und somit thermisch belastet.Conventional cooling for electrical machines use a circulating gaseous or liquid coolant. The coolant circulates, for example, in a housing of the electric machine or in a rotor shaft designed as a hollow shaft, on which the rotor of the electric machine is arranged. Due to its heat capacity, the liquid coolant absorbs the heat and transports it away. These solutions usually take place at a great distance from the heat source and require heat conduction through the rotor core and / or the stator core in order to dissipate the waste heat into the cooling circuit. By means of this diffuse heat conduction often adjacent parts such as bearings, seals, etc. are heated and thus thermally stressed.
Daneben sind auch Kühlvorrichtungen bekannt, die aufgrund der Verdampfung eines Kühlmittels eine Kühlung von zu kühlenden Oberflächen einer elektrischen Maschine bewirken. Das Kühlmittel wird dabei an der zu kühlenden Oberfläche verdampft und anschließend wieder rückkondensiert. So beschreibt beispielsweise das Dokument
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Antriebsanordnung mit einer elektrischen Maschine und einer Sprühkühlanordnung anzugeben, die eine variable Kühlung der elektrischen Maschine und somit einen leistungsoptimierten Betrieb der Antriebsanordnung erlaubt.It is an object of the invention to provide an improved drive arrangement with an electric machine and a spray cooling arrangement, which allows a variable cooling of the electric machine and thus a performance-optimized operation of the drive arrangement.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator und der Rotor in einem Innenraum eines Gehäuses angeordnet sind, und eine Sprühkühlanordnung, wobei vermittels der Sprühkühlanordnung in einem Kühlbetrieb der Stator und/oder der Rotor der elektrischen Maschine durch Besprühen mit einem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise kühlbar sind, wobei während des Kühlbetriebs das flüssige Kältemittel an dem Stator und/oder dem Rotor der elektrischen Maschine zumindest teilweise verdampft und wobei das gasförmige Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel über zumindest eine erste Leitung aus dem Innenraum des Gehäuses abführbar sind, wobei in der ersten Leitung ein erstes Regelventil angeordnet ist, wobei über das erste Regelventil der Dampfdruck in dem Innenraum des Gehäuses regelbar ist.The object is achieved by a drive arrangement for a motor vehicle comprising an electric machine with a stator and a rotor, wherein the stator and the rotor are arranged in an interior of a housing, and a Sprühkühlanordnung, wherein by means of the Sprühkühlanordnung in a cooling operation of the stator and / or the rotor of the electric machine by spraying with a liquid refrigerant are at least partially coolable, wherein during the cooling operation, the liquid refrigerant to the stator and / or the rotor of the electric machine at least partially evaporated and wherein the gaseous refrigerant and / or the liquid refrigerant can be discharged via at least a first line from the interior of the housing, wherein in the first line, a first control valve is arranged, wherein via the first control valve, the vapor pressure is adjustable in the interior of the housing.
Die elektrische Maschine weist erfindungsgemäß einen Stator, einen Rotor und ein Gehäuse auf, wobei der Stator und der Rotor in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet sind.The electric machine according to the invention comprises a stator, a rotor and a housing, wherein the stator and the rotor are arranged in an inner space of the housing.
Erfindungsgemäß sind in einem Kühlbetrieb der Antriebsanordnung mittels der Sprühkühlanordnung die elektrische Maschine, genauer der Stator und/oder der Rotor der elektrischen Maschine, zumindest teilweise kühlbar. Die Kühlung des Stators und/oder Rotors erfolgt vermittels zumindest teilweisem Besprühen der zu kühlenden Oberflächen des Stators und/oder Rotors mit einem flüssigen Kältemittel. Entsprechend der vorliegenden Erfindung verdampft das flüssige Kältemittel zumindest teilweise an den zu kühlenden Oberflächen des Stators und/oder Rotors – es bildet sich ein erste Phase, nämlich gasförmiges Kältemittel, und/oder eine zweite Phase, nämlich flüssiges Kältemittel.According to the invention, the electric machine, more precisely the stator and / or the rotor of the electric machine, can be cooled at least partially in a cooling operation of the drive arrangement by means of the spray cooling arrangement. The cooling of the stator and / or rotor takes place by means of at least partial spraying of the surfaces to be cooled of the stator and / or rotor with a liquid refrigerant. According to the present invention, the liquid refrigerant evaporates at least partially on the surfaces to be cooled of the stator and / or rotor - it forms a first phase, namely gaseous refrigerant, and / or a second phase, namely liquid refrigerant.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind das gasförmige Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel über zumindest eine erste Leitung aus dem Innenraum des Gehäuses abführbar.According to the present invention, the gaseous refrigerant and / or the liquid refrigerant can be discharged from the interior of the housing via at least one first line.
In der ersten Leitung ist erfindungsgemäß ein erstes Regelventil angeordnet, wobei über das erste Regelventil der Dampfdruck in dem Innenraum des Gehäuses regelbar ist.In the first line according to the invention, a first control valve is arranged, wherein the vapor pressure in the interior of the housing can be regulated via the first control valve.
Durch die Verdampfung des Kältemittels ist eine homogene Temperatur der zu kühlenden Oberflächen sichergestellt. Das Kältemittel erwärmt sich an den zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine bis zum Start einer vom jeweiligen Dampfdruck abhängigen Verdampfung auf der zu kühlenden Oberfläche und führt dabei einerseits durch die Aufwärmung auf die Siedetemperatur und andererseits durch die latente Verdampfungswärme Wärme von der zu kühlenden Oberfläche der elektrischen Maschine ab. Der Dampfdruck kann durch das erste Regelventil eingestellt werden. Die Oberflächentemperatur des zu kühlenden Bauteils der elektrischen Maschine ist somit über den Dampfdruck im Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine einstellbar und es wird ein leistungsoptimierter Betrieb der Antriebsanordnung gewährleistet.The evaporation of the refrigerant ensures a homogeneous temperature of the surfaces to be cooled. The refrigerant heats up to the surfaces of the electric machine to be cooled until the start of an evaporation dependent on the respective vapor pressure on the surface to be cooled and leads on the one hand by the warming to the boiling temperature and on the other hand by the latent heat of vaporization of the surface to be cooled of the electrical Machine off. The vapor pressure can be adjusted by the first control valve. The surface temperature of the component to be cooled of the electric machine is thus adjustable via the vapor pressure in the interior of the housing of the electric machine and it ensures a performance-optimized operation of the drive assembly.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.Further developments of the invention are specified in the dependent claims, the description and the accompanying drawings.
Die Sprühkühlanordnung umfasst bevorzugt einen Kältemitteltank zur Aufnahme des flüssigen Kältemittels, eine Kältemittelpumpe, zumindest eine Sprüheinheit und einen Kondensator.The spray cooling arrangement preferably comprises a refrigerant tank for holding the liquid refrigerant, a refrigerant pump, at least one spray unit and a condenser.
Über die Kältemittelpumpe ist das flüssige Kältemittel aus dem Kältemitteltank zu der Sprüheinheit förderbar. Die Kältemittelpumpe ist bevorzugt als regelbare Pumpe ausgeführt. Derart ist es möglich die zu fördernde Menge an flüssigem Kältemittel zu regeln und somit die Effizienz der Sprühkühlanordnung positiv zu beeinflussen.Via the refrigerant pump, the liquid refrigerant from the refrigerant tank to the spray unit is conveyed. The refrigerant pump is preferably designed as a controllable pump. In this way, it is possible to control the amount of liquid refrigerant to be delivered and thus to positively influence the efficiency of the spray cooling arrangement.
Mittels dem Einsatz einer Sprüheinheit ist es möglich das Kältemittel direkt auf die zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine zu sprühen und eine homogene Verteilung des Kältemittels über die zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine zu bewirken. Durch diese direkte Kühlung der Wärmequellen können die thermischen Widerstände reduziert werden. Weiterhin reicht bereits ein geringer Kältemittelmassenstrom aus, um die zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine mit Kältemittel zu benetzen.By means of the use of a spray unit, it is possible to spray the refrigerant directly onto the surfaces of the electric machine to be cooled and to effect a homogeneous distribution of the refrigerant over the surfaces of the electric machine to be cooled. By this direct cooling of the heat sources, the thermal resistances can be reduced. Furthermore, even a low refrigerant mass flow is sufficient to wet the surfaces of the electrical machine to be cooled with refrigerant.
Der Kondensator ist bevorzugt eingangsseitig über die erste Leitung und das erste Regelventil mit dem Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine derart verbindbar, dass während des Kühlbetriebs gasförmiges Kältemittel und/oder flüssiges Kältemittel aus dem Innenraum des Gehäuses in den Kondensator strömen kann.The condenser is preferably connected on the input side via the first line and the first control valve to the interior of the housing of the electric machine such that gaseous refrigerant and / or liquid refrigerant can flow from the interior of the housing into the condenser during the cooling operation.
Bevorzugt ist der Kondensator ausgangsseitig mit dem Kältemitteltank verbunden ist.Preferably, the capacitor is connected on the output side to the refrigerant tank.
Weiterhin bevorzugt ist der Kältemitteltank über eine zweite Leitung und ein zweites Ventil mit dem Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine verbindbar, sodass während des Kühlbetriebs flüssiges Kältemittel von dem Innenraum des Gehäuses direkt in den Kältemitteltank fließen kann.Further preferably, the refrigerant tank is connectable via a second line and a second valve to the interior of the housing of the electric machine, so that during the cooling operation liquid refrigerant can flow from the interior of the housing directly into the refrigerant tank.
Durch die Verbindung des Kondensators und/oder des Kältemitteltanks mit dem Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine über die erste Leitung und/oder die zweite Leitung kann die Antriebsanordnung weiterhin an spezielle Bauraumanforderungen innerhalb des Kraftfahrzeugs individuell angepasst werden.By connecting the condenser and / or the refrigerant tank to the interior of the housing of the electric machine via the first line and / or the second line, the drive arrangement can be further adapted to specific space requirements within the motor vehicle individually.
Vorzugsweise mündet die zweite Leitung in Bezug auf die Einbaulage der Antriebsanordnung ausgehend von einem tiefsten Abschnitt des Gehäuses in dem Kältemitteltank.Preferably, the second conduit opens with respect to the installation position of the drive assembly, starting from a deepest portion of the housing in the refrigerant tank.
Durch die Ausbildung der zweiten Leitung mit dem zweiten Regelventil, insbesondere dadurch, dass die zweite Leitung in Bezug auf die Einbaulage der Antriebsanordnung von dem tiefsten Abschnitt in den Kältemitteltank mündet, wird ein besonders zuverlässiger Abfluss des flüssigen Kältemittels aus dem Innenraum des Gehäuses sichergestellt und ein Planschen des Stators und/oder Rotors in dem flüssigen Kältemittel und somit ein Leistungsverlust der elektrischen Maschine durch Planschverluste verhindert.By forming the second line with the second control valve, in particular the fact that the second line with respect to the installation position of the drive assembly of the deepest portion opens into the refrigerant tank, a particularly reliable drainage of the liquid refrigerant is ensured from the interior of the housing and prevents splashing of the stator and / or rotor in the liquid refrigerant and thus a loss of power of the electric machine by splashing losses.
Das Kältemittel ist bevorzugt eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit mit einem Siedepunkt bei Umgebungsdruck zwischen 60°C und 100°C, insbesondere zwischen 60°C und 80°C.The refrigerant is preferably an electrically non-conductive liquid having a boiling point at ambient pressure between 60 ° C and 100 ° C, in particular between 60 ° C and 80 ° C.
Bekannte Anwendungen zur Sprühkühlung verwenden meist spezielle elektrisch nicht leitende Öle. Diese können aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaft zwar direkt auf die zu kühlende Oberfläche, beispielsweise die Wicklungsoberfläche, gesprüht werden, verdampfen dort aber aufgrund der maximal zulässigen Oberflächentemperatur nicht. Der feine Ölfilm tropft von der zu kühlenden Oberfläche zurück in den Ölsumpf und gibt dort die aufgenommene Wärmemenge wieder an die Gehäusewand ab oder wird von dort zu einem Wärmetauscher gepumpt.Known applications for spray cooling usually use special electrically non-conductive oils. Due to their dielectric properties, these can be sprayed directly onto the surface to be cooled, for example the winding surface, but do not evaporate there due to the maximum permissible surface temperature. The fine oil film drips from the surface to be cooled back into the oil sump and there returns the heat absorbed to the housing wall or is pumped from there to a heat exchanger.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Antriebsanordnung, insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sprühkühlanordnung, kann die Antriebsanordnung leistungsoptimiert betrieben werden. Dabei bedingt der Einsatz des Kondensators eine besonders effiziente Rückkondensation des gasförmigen Kältemittels und eine optimierte Wärmeabfuhr aus dem Innenraum des Gehäuses.Due to the inventive design of the drive assembly, in particular by the inventive design of the Sprühkühlanordnung, the drive assembly can be operated optimized performance. In this case, the use of the capacitor requires a particularly efficient recondensation of the gaseous refrigerant and an optimized heat dissipation from the interior of the housing.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention will now be described by way of example with reference to the drawings.
Fig. zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Antriebsanordnung.Fig. Shows a schematic representation of an exemplary drive arrangement.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die in Fig. dargestellte beispielhafte Antriebsanordnung
Die elektrische Maschine
Der Rotor
Der Stator
Die Sprühkühlanordnung
Das Filterelement
In einem Kühlbetrieb der Antriebsanordnung
Der Innenraum
Weiterhin ist der Innenraum
Der Kondensator
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Antriebsanordnungdrive arrangement
- 22
- Elektrische MaschineElectric machine
- 33
- Statorstator
- 44
- Rotorrotor
- 55
- Innenrauminner space
- 66
- Gehäusecasing
- 77
- SprühkühlanordnungSprühkühlanordnung
- 88th
- Erste LeitungFirst line
- 99
- Erstes RegelventilFirst control valve
- 1010
- KältemittelpumpeRefrigerant pump
- 1111
- Sprüheinheitspray
- 1212
- Kondensatorcapacitor
- 1313
- KältemitteltankRefrigerant tank
- 1414
- Zweite LeitungSecond line
- 1515
- Zweites RegelventilSecond control valve
- 1616
- Tiefster AbschnittDeepest section
- 1717
- Filterelementfilter element
- 1818
- Höchster AbschnittHighest section
- 1919
- Rotorwellerotor shaft
- 2020
- Statorkernstator core
- 2121
- Statorwicklungstator
- 2222
- Rotorkernrotor core
- 2323
- Rotorwicklungrotor winding
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: RAUSCH, GABRIELE, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., DE |
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R020 | Patent grant now final |