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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einer in einem Motorgehäuse angeordneten elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator, und einem in einem Getriebegehäuse angeordneten und von der elektrischen Maschine angetriebenen Getriebe, sowie eine in einer solchen elektrischen Antriebseinheit verwendete Kühlhülse.
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Elektrische Antriebseinheiten bieten aus energetischer und emissionstechnischer Sicht große Vorteile gegenüber Verbrennungsmotorantrieben. Eine elektrische Antriebseinheit besteht üblicherweise aus einer elektrischen Maschine, die wiederum einen Rotor und einen Stator umfasst, und einem Getriebeteil, der als Wandler des von der elektrischen Maschine zur Verfügung gestellten Drehmomentes dient und eine Anpassung der Drehzahl der elektrischen Maschine an die Gegebenheiten des Fahrzeugs vornimmt. Rotor, Stator und Getriebeteil müssen in einem Gehäuse eingebettet werden, welches den notwenigen Halt für die Bauteile bietet, die Anordnung der Teile funktionsgerecht zueinander sicherstellt sowie Anbaumöglichkeiten für außen angebrachte Komponenten offeriert und die notwendigen Aufhängungspunkte zum anzutreibenden Fahrzeug bereitstellt. Außerdem soll das Gehäuse vorzugsweise auch die Wärmeabfuhr der thermisch belasteten Bauteile unterstützen. Zur Kühlung wird häufig eine Kühlflüssigkeit im Gehäuse geführt, sofern die Wärmeabfuhr über Konvektion oder Luftkühlung nicht ausreicht.
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Eine solche elektrische Antriebseinheit zeigt beispielhaft die
DE 10 2012 102 798 A1 , bei der in einem Gehäuse eine elektrische Maschine und ein Planetengetriebe sowie eine Bremse untergebracht sind. Die elektrische Maschine wird dabei über einen zwischen dem Stator der elektrischen Maschinen und der Gehäuseinnenseite angeordneten Kühlmantel gekühlt.
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Bei der Herstellung elektrischer Antriebseinheiten in großen Stückzahlen ist es erforderlich, dass die Konstruktion und der Aufbau der Antriebseinheit massenfertigungstauglich ist und auch eine automatisierte Montage unterstützt. Dies ist insbesondere bei der Ausgestaltung der Wicklungen des Stators der elektrischen Maschine innerhalb des Gehäuses zu berücksichtigen. Um diese Wicklungen automatisiert herstellen zu können, muss der Werkzeugzugang zu den Wickelstellen im Gehäuse gewährleistet sein. Wenn die Antriebseinheit einer größeren Variantenvielfalt unterliegt, sollten zudem insbesondere Anpassungen in der axialen Längenausgestaltung einfach generierbar sein.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gut zu kühlende elektrische Antriebseinheit und eine Kühlhülse dafür anzugeben, deren Ausgestaltung eine automatische Fertigung begünstigt und dabei auch einer Variantenvielfalt der Antriebseinheit Rechnung trägt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Kühlhülse nach Anspruch 9. Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei der Montage einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit wird zunächst das Statorpaket noch ohne Wicklung in eine Kühlhülse eingebracht, beispielsweise eingepresst. Die Kühlhülse weist eine äußere Oberfläche auf, auf der das Kühlmittel spiralförmig in Form einer durch einen Steg gebildeten Wendel um die Kühlhülse herum geführt werden kann. Die axiale Länge der Kühlhülse entspricht im Wesentlichen der axialen Länge des Statorpaketes, so dass insbesondere die Seiten des Statorpaketes für das Einlegen der Wicklungsschlaufen und die Verschaltungen der einzelnen Wicklungen frei zugänglich sind und nicht durch Gehäuse beeinträchtigt werden. Insbesondere bei einer automatisiert ausgeführten Einzugswicklung, bei der durch eine Maschine automatisiert vorgewickelte Wicklungsspulen in die Statornuten hineingezogen werden, müssen die seitlichen Bereiche des Stators für den Zugriff der Maschine einerseits und für die Halterung des Stators andererseits frei zugänglich sein.
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Nach der Montage der Wicklungen in das Statorpaket, wird die Kühlhülse inklusive des gewickelten Statorpaketes in das Motorgehäuse der elektrischen Maschine eingebracht, so dass sich durch den spiralförmig umlaufenden Steg zwischen der Außenseite der Kühlhülse und der Innenseite des Motorgehäuses ein Hohlraum bildet.
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Der Hohlraum wird durch den radialen Abstand zwischen Kühlhülse und Gehäuseinnenwand erreicht, der durch den umlaufenden Steg der Wendel aufrechterhalten wird. Zur Kühlung der elektrischen Antriebseinheit fließt ein Kühlmittel zwischen der Kühlhülse und der umgebenden Gehäusewand spiralförmig um die Kühlhülse.
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Dabei kann der spiralförmig umlaufende Steg der Wendel vorteilhafterweise an der radial außenliegenden Seite der Kühlhülse angeordnet sein. Hierdurch kann die Kühlhülse inklusive Steg fertig vorproduziert werden und die damit korrespondierenden Motorgehäuseteile einfach und mit hoher Dichtfähigkeit an den Innenflächen hergestellt werden. Eine alternative aber ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der spiralförmig umlaufende Steg an der radial innenliegenden Seite der Motorgehäuseteile angeordnet ist. Dazu kann in einem Produktionsprozess der Motorgehäuseteile der Steg in die Innenseite beispielsweise eingefräst oder eingegossen werden. In beiden Alternativen wird nach radial außen durch den spiralförmig umlaufenden Steg ein Hohlraum für ein Kühlmittel zwischen der Kühlhülse und dem umgebenden Motorgehäuse gebildet.
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Zur Befestigung der Kühlhülse an dem umgebenden Motorgehäuse besitzt die Kühlhülse einen umlaufenden Haltesteg mit einem vergrößerten Durchmesser. Dieser Haltesteg kann entweder an einem axialen Ende der Kühlhülse angeordnet sein oder vorteilhafterweise als ein Mittelsteg in einem Bereich axial zwischen den beiden Enden. Der Haltesteg dient der sicheren Befestigung der Kühlhülse und damit auch des Stators an dem Motorgehäuse. Gleichzeitig werden über den Haltesteg unterschiedliche Bestandteile des Motorgehäuses miteinander fest verbunden. Dadurch kann die Kühlhülse inklusive fertig gewickeltem Stator einerseits in ein erstes Motorgehäuseteil eingeschoben werden und andererseits ein zweites Motorgehäuseteil, das mit dem Gehäuse für das Getriebe in Verbindung steht, über den aus dem ersten Motorgehäuseteil herausragenden Teil von Kühlhülse und Stator geschoben werden und danach beide Motorgehäuseteile über den Haltesteg der Kühlhülse sicher in einer Anordnung miteinander verbunden werden. Vorteilhafterweise kann dabei in einer Ausgestaltung zusätzlich das Getriebegehäuse ebenfalls zusammen mit dem zweiten Motorgehäuseteil an dem Haltesteg der Kühlhülse und dem ersten Motorgehäuseteil in einer einzigen Verbindung befestigt werden. Idealerweise erfolgt die Befestigung jeweils über einen Schraubverband, der am Umfang des Haltesteges ausgebildet ist.
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Die Motorgehäuseteile übernehmen gleichzeitig die Funktion der Lagerung des Rotors der elektrischen Maschine.
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Durch die Aufteilung des Motorgehäuses in mehrere Bauteile ist die Bearbeitbarkeit, insbesondere die Bearbeitbarkeit passgenauer Innenflächen, leichter gegeben und die Motorgehäuseteile sind leichter herstellbar. Passgenaue Innenflächen in Verbindung mit einzusetzenden Kühlelementen, die einen umlaufenden Steg aufweisen, ermöglichen hier eine hohe Dichtfunktion, die es erlaubt, das verwendete Kühlmittel im Hohlraum zwischen dem Steg zu halten und ein ungewolltes Übertreten zwischen einzelnen kühlmitteldurchflossenen Bereichen zu verhindern.
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Bei der Anordnung des Haltesteges an der Kühlhülse in einem Bereich zwischen den beiden Enden ist vorzugsweise ein Durchbruch in dem Haltesteg vorgesehen, damit die Kühlflüssigkeit in der Wendel durch den Haltesteg von einer Seite der Kühlhülse zur anderen Seite der Kühlhülse fließen kann. Der nicht zum Durchbruch gehörende Bereich am Umfang des Haltesteges dient der Sammlung aller auftretenden Querströmungen des Kühlmittels, die dann durch den Durchbruch kanalisiert werden können. Dadurch wird die Kühlhülse mit dem umgebenden Gehäuse in zwei spiralförmige Kühlwendel aufgeteilt, die über den Durchbruch verbunden sind.
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Zudem wird durch den Haltesteg erreicht, dass die Kühlflüssigkeit nicht im Bereich des Schraubverbandes zwischen den Motorgehäuseteilen und der Kühlhülse aus dem Hohlraum zwischen Kühlhülse und Motorgehäuse austreten kann und damit die Kühlleistung über den gesamten Umfang der Kühlhülse sichergestellt ist.
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Vorteilhafterweise kann die axiale Länge der elektrischen Antriebseinrichtung an Gegebenheiten angepasst werden, bei denen ein axial längerer Rotor und eine axial längere Kühlhülse vorgesehen werden sollen. Eine Variationsvielfalt der Antriebseinrichtungen sollte sich mit möglichst viel Gleichteilen abdecken lassen, so dass auch bei größerer axialer Länge der elektrischen Maschine gleiche Motorgehäuseteile verwendet werden können. Dazu ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung in der elektrischen Antriebseinheit ein drittes Motorgehäuseteil vorgesehen, das einen ersten Flansch und einen zweiten, am gegenüberliegenden Ende angeordneten Flansch aufweist. Das dritte Motorgehäuseteil ist dann einerseits an einem der Flansche des ersten oder des zweiten Motorgehäuseteils befestigt und andererseits mit dem anderen Flansch an dem jeweils anderen Motorgehäuseteil und dem Haltesteg der Kühlhülse befestigt. Dadurch ergibt sich eine Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche bauliche Anforderungen unter weitgehender Nutzung gleicher Bauteile. Die Einbindung eines dritten Motorgehäuseteils ist vorteilhaft auch bei der Bildung eines gemeinsamen Schraubverbandes des zweiten Motorgehäuseteils mit dem Getriebegehäuse möglich. Hierdurch wird wiederum eine Reduzierung der Anzahl der Verbindungstellen, insbesondere von Schraubverbindungen, geschaffen.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher beschrieben:
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Es zeigen:
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1 die schematische Darstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung
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2 eine Kühlhülse
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3 eine geänderte Anordnung der Kühlhülse
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4 eine Anordnung mit verlängertem Stator
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5 eine alternative Anordnung nach 1
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Antriebseinheit 2, die aus einer elektrischen Maschine 4 als Motor und einem Planetengetriebe 6 als einem der elektrischen Maschine 4 nachgeschalteten Getriebe 8 besteht. Dabei ist das Sonnenrad 10 des Planetengetriebes 6 mit der Rotorwelle 12 der elektrischen Maschine 4 verbunden. Die Rotorwelle 12 trägt den Rotor 14 und ist einerseits in einem Lager 16 in dem ersten Motorgehäuseteil 18 gelagert. Andererseits ist die Rotorwelle 12 in dem Lager 20 in dem zweiten Motorgehäuseteil 22 gelagert. In dem dargestellten Planetengetriebe 6 sind ferner die Planetenräder 24 auf dem Planetenträger 26 angeordnet, der auch die Abtriebswelle 28 der elektrischen Antriebseinheit 2 bildet oder mit dieser verbunden ist.
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Innerhalb der elektrischen Maschine 4 dreht sich der Rotor 14 gegenüber dem Stator 30 um die Rotationsachse 32. An den axialen Enden des Stators 30 sind die Wicklungsköpfe 34 der den Stator 30 durchziehenden Wicklungen zu erkennen. Radial außen wird der Stator 30 von einer Kühlhülse 36 umgeben, die im Wesentlichen die gleiche axiale Ausdehnung aufweist wie der Stator 30. Mit ihrer radial inneren Oberfläche ist die Kühlhülse 36 fest mit der radial äußeren Oberfläche des Stators 30 verbunden, so dass ein sicherer Wärmeübergang zwischen dem Stator 30 und der Kühlhülse erzielt werden kann. Auf der radial äußeren Oberfläche der Kühlhülse 36 ist ein Steg 38 vorgesehen, der die Kühlhülse 36 spiralförmig umläuft. Im axial mittleren Bereich der Kühlhülse ist ein Haltesteg 40 vorgesehen, der eine radial größere Ausdehnung als der Steg 38 aufweist. Der Haltesteg 40 bildet zusammen mit einem Flansch 42 an dem ersten Motorgehäuseteil 18 und einem Flansch 44 an dem zweiten Motorgehäuseteil 22 einen Schraubverband 46, der die Motorgehäuseteile 18 und 22 sowie die Kühlhülse 36 dichtend zusammenhält. Für die Kühlhülse 36 ist durch den Schraubverband 46 auch die sichere Anordnung im Motorgehäuse gewährleistet.
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Zwischen der radial äußeren Oberfläche der Kühlhülse 36 mit dem Steg 38 und der inneren Oberfläche der Motorgehäuseteile 18 und 22 bildet sich ein Hohlraum 52 aus, in dem Kühlflüssigkeit zur Kühlung der elektrischen Maschine 4 vorgesehen ist. In dem Hohlraum 52 umspült dabei die Kühlflüssigkeit den gesamten Stator 30. Der Steg 38 liegt dabei dichtend an der inneren Oberfläche der Motorgehäuseteile 18 und 22 an, damit keine Kühlflüssigkeit über den Steg 38 übertreten kann und die Umspülung des gesamten Stators 30 mit Kühlflüssigkeit gewährleistet ist. Das nachgeschaltete Getriebe 8 weist ein Getriebegehäuse 54 auf, das das Planetengetriebe 6 vollständig umgibt. Das Getriebegehäuse 54 ist durch einen weiteren Schraubverband 56 an dem zweiten Motorgehäuseteil 22 befestigt.
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Die 2 zeigt eine genauere Darstellung der Kühlhülse 36. Auf der radial äußeren Oberfläche ist der spiralförmig umlaufende Steg 38 erkennbar, der an einer Öffnung 48 den in der axialen Mitte der Kühlhülse 36 angeordneten Haltesteg 40 erreicht. Der Haltesteg 40 trennt die radial äußere Oberfläche in zwei Bereiche. An der Öffnung 48 ist ein Übergang von Kühlflüssigkeit von dem einen Bereich zum anderen Bereich ermöglicht. Auf dem Umfang des Haltestegs 40 verteilt sind Öffnungen 50 vorgesehen, durch die hier nicht gezeigte Schrauben zur Bildung des Schraubenverbandes 46 eingebracht werden können.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Antriebseinheit 82, die gegenüber der Anordnung in 1 geänderte Gehäuseteile aufweist. Ein erstes Motorgehäuseteil 58 überdeckt in der 3 den Stator 30 in seiner gesamten axialen Ausdehnung. Die hier verwendete Kühlhülse 60 weist einen Haltesteg 62 an einem ihrer axialen Enden auf. Ein zweites Motorgehäuseteil 64 schließt den Bereich der elektrischen Maschine 4 ab. Das Planetengetriebe 6 im nachgeschalteten Getriebe 8 wird von einem Getriebegehäuse 66 umschlossen. Das Getriebegehäuse 66, das erste Motorgehäuseteil 58, das zweite Motorgehäuseteil 64 und der Haltesteg 62 werden in einem einzigen Schraubverband 68 miteinander verbunden. Dadurch kann der Montagevorgang der elektrischen Antriebseinheit 82 vereinfacht werden, weil nur noch die am Umfang eines einzigen Schraubverbandes 68 vorgesehenen Schrauben montiert werden müssen.
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Eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Antriebseinheit 86 zeigt die 4, bei der eine axial längere elektrische Maschine 70 in dem gleichen ersten Motorgehäuseteil 18 wie in 1 verwendet wird. Dadurch erfordert der Stator 72 der längeren elektrischen Maschine 70 eine axial längere Kühlhülse 74, die zusammen mit dem Stator 72 weiter aus dem ersten Motorgehäuseteil 18 herausragt. Um auch das gleiche zweite Motorgehäuseteil 22 wie in 1 verwenden zu können, und damit mit den gleichen Motorgehäuseteilen 18 und 22 eine Mehrzahl an Varianten einer elektrischen Antriebseinheit herstellen zu können, muss die axiale Differenz an der Lücke zwischen den Motorgehäuseteilen ausgeglichen werden. Dazu wird ein drittes Motorgehäuseteil 76 zwischen das erste Motorgehäuseteil 18 und das zweite Motorgehäuseteil 22 eingebracht und umschließt ebenfalls die Kühlhülse 74. Das dritte Motorgehäuseteil 76 weist an seinen beiden axialen Enden Flansche 78 und 80 auf. Der Flansch 78 bildet zusammen mit dem Flansch 42 am ersten Motorgehäuseteil 18 einen ersten Schraubverband 84. Der zweite Flansch 80 bildet zusammen mit dem Flansch 44 an dem zweiten Motorgehäuseteil 22 und einem Haltesteg 88 an der Kühlhülse 74 einen zweiten Schraubverband 90. Das Getriebegehäuse 54 wird entsprechend der 1 an das zweite Motorgehäuseteil 22 in einem weiteren Schraubverband 56 angeschlossen.
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Sollen bei einem axial längeren Rotor die Motorgehäuseteile 58 und 64 sowie das Getriebegehäuse 66 gemäß einer Anordnung nach der 3 Verwendung finden, so kann ebenfalls eine axiale Längenanpassung entsprechend der 4 erfolgen, wodurch wiederum ein Schraubverband eingespart werden kann.
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Die 5 zeigt eine alternative Anordnung zur Darstellung in der 1. In der 1 bildet sich der zwischen den Motorgehäuseteilen 92 sowie 94 einerseits und der Kühlhülse 96 andererseits entstandene Hohlraum 98 in gleicher Weise aus wie in der 1. Jedoch ist hier der radial umlaufende Steg 100 nicht radial außen an der Kühlhülse 96 angeordnet, sondern radial innen in den Motorgehäuseteilen 92 und 94 ausgebildet, beispielsweise eingefräst. In gleicher Weise wie in der Anordnung nach 1 liegt auch hier der Steg 100 dichtend an der Kühlhülse 96 an, so dass im Hohlraum 98 befindliches Kühlmittel nicht über den Steg 100 übertreten kann und so die Kühlfunktion der Kühlwendel sichergestellt ist. An der Kühlhülse 96 ist analog zu 1 ein Haltesteg 102 vorgesehen, der im Schraubverband 104 mit den beiden Motorgehäuseteilen 92 und 94 verbunden werden kann. Anpassungen der Gehäuseteile an Ausgestaltungen entsprechend der 3 und 4 können in gleicher Weise erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- elektrische Antriebseinheit
- 4
- elektrische Maschine
- 6
- Planetengetriebe
- 8
- Getriebe
- 10
- Sonnenrad
- 12
- Rotorwelle
- 14
- Rotor
- 16
- Lager
- 18
- Motorgehäuseteil
- 20
- Lager
- 22
- Motorgehäuseteil
- 24
- Planetenrad
- 26
- Planetenträger
- 28
- Abtriebswelle
- 30
- Stator
- 32
- Rotationsachse
- 34
- Wicklungskopf
- 36
- Kühlhülse
- 38
- Steg
- 40
- Haltesteg
- 42
- Flansch
- 44
- Flansch
- 46
- Schraubverband
- 48
- Öffnung
- 50
- Öffnung
- 52
- Hohlraum
- 54
- Getriebegehäuse
- 56
- Schraubverband
- 58
- Motorgehäuseteil
- 60
- Kühlhülse
- 62
- Haltesteg
- 64
- Motorgehäuseteil
- 66
- Getriebegehäuse
- 68
- Schraubverband
- 70
- elektrische Maschine
- 72
- Stator
- 74
- Kühlhülse
- 76
- Motorgehäuseteil
- 78
- Flansch
- 80
- Flansch
- 82
- elektrische Antriebseinheit
- 84
- Schraubverband
- 86
- elektrische Antriebseinheit
- 88
- Haltesteg
- 90
- Schraubverband
- 92
- Motorgehäuseteil
- 94
- Motorgehäuseteil
- 96
- Kühlhülse
- 98
- Hohlraum
- 100
- Steg
- 102
- Haltesteg
- 104
- Schraubverband
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012102798 A1 [0003]
