DE102016222051A1

DE102016222051A1 - Gehäuseanordnung für eine elektrische Maschine mit Kühlmantel

Info

Publication number: DE102016222051A1
Application number: DE102016222051.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Braun; Christine Wohlfeld; Patric Knorr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2018-05-17
Also published as: CN108075594B; US10476352B2; CN108075594A; US20180131253A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung für eine elektrische Maschine, umfassend:ein Gehäuse (110) mit einem Statoraufnahmebereich (120);einen im Statoraufnahmebereich (120) des Gehäuses (110) angeordneten Stator (140) der elektrischen Maschine; undeinen den Stator (140) umgebenden Kühlmantel (130) zur Flüssigkühlung des Stators (140).Die Wandung des Statoraufnahmebereichs (120) bildet die radial äußere Kühlmantelfläche des Kühlmantels (130) und die radial innere Kühlmantelfläche wird von einer auf den Stator (140) aufgeschobenen Hülse (145) gebildet. Die axiale Abdichtung des Kühlmantels (130) erfolgt mittels in den Spalt zwischen äußerer Kühlmantelfläche und innerer Kühlmantelfläche eingesetzter, doppelseitig wirkender Dichtungsträger (160, 170).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung für eine elektrische Maschine mit einem Kühlmantel zur Flüssigkühlung des Stators der elektrischen Maschine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter einer elektrischen Maschine wird ein elektromechanischer Wandler verstanden, der elektrische Energie in mechanische Energie und/oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Eine elektrische Maschine ist insbesondere ein Elektromotor (E-Motor) und/oder Generator mit einem feststehenden Stator bzw. Ständer und einem drehbar im Stator gelagerten Rotor bzw. Läufer (Innenläufer).
In Kraftfahrzeugen werden solche elektrischen Maschinen bspw. als Antriebsmotor (Fahrmotor) und/oder Generator (Lichtmaschine) verwendet. Die elektrische Maschine wird fast immer in einem Gehäuse oder dergleichen angeordnet. Bei zumeist begrenztem Bauraum bzw. beengten Platzverhältnissen (der zur Verfügung stehende radiale Bauraum beträgt häufig nur 10 mm bis 20 mm, was einen kompakten Aufbau erfordert) treten mitunter hohe Leistungsdichten auf, was eine aktive Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich macht. Diese aktive Kühlung erfolgt in der Regel mithilfe eines den Stator umgebenden Kühlmantels zur Flüssigkühlung. Ein solcher Kühlmantel besteht für gewöhnlich aus einem geschlossenen, zumindest näherungsweise ring- bzw. hohlzylindrischen Hohlraum (Kühlmantelraum), der durch eine radial äußere Kühlmantelfläche, eine radial innere Kühlmantelfläche und seitliche bzw. axiale Abdichtungen begrenzt ist. Der Hohlraum weist zudem einen Ein- und Auslass für die Kühlflüssigkeit (in der Regel Wasser oder Öl) auf und kann außerdem auch in einzelne Abschnitte bzw. Segmente unterteilt sein. Ferner muss eine Drehmomentabstützung des vom Kühlmantel umgebenen Stators am Gehäuse vorgesehen sein, was bspw. mittels Deckel oder Lagerschild erfolgen kann.
Die DE 10 2012 016 208 A1 derselben Anmelderin beschreibt ein Gehäuse mit einem Kühlmantel für ein Aggregat, insbesondere für einen Elektromotor. Ein den Stator aufnehmendes Innenteil wird über einen angeformten Lagerschild mit dem Außenteil des Gehäuses verbunden und ist auf diese Weise festgehalten und drehmomentabgestützt.
Zum Stand der Technik wird außerdem hingewiesen auf die WO 2006/106086 A1 , DE 10 2008 061 275 A1 , DE 10 2009 031 727 A1 , DE 10 2012 023 050 A1 , DE 10 2012 213 237 A1 und DE 10 2014 214 724 A1 .
Die Herstellung einer betreffenden Gehäuseanordnung soll, auch bei beengten Platzverhältnissen, mit geringem materiellem, maschinellem und zeitlichem Aufwand möglich sein.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden wird eine Gehäuseanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Kühlmantelfläche des Kühlmantels bzw. Kühlmantelraums von der Wandung, d. h. von der Innenwandung, des Statoraufnahmebereichs gebildet wird und die radial innere Kühlmantelfläche von einer auf den Stator aufgeschobenen Hülse gebildet wird, und dass die axiale Abdichtung des Kühlmantels mittels in den Spalt zwischen äußerer Kühlmantelfläche und innerer Kühlmantelfläche eingesetzter, doppelseitig, d. h. sowohl zur äußeren Kühlmantelfläche als auch zur inneren Kühlmantelfläche wirkender Dichtungsträger erfolgt. Bevorzugt handelt es sich um separat ausgebildete Dichtungsträger.
Die Erfindung ermöglicht den Aufbau einer kompakten Gehäuseanordnung aus wenigen, einfachen (d. h. weder komplexen noch durch hohe Funktionsintegration charakterisierten) und günstig herstellbaren Bauteilen bzw. Komponenten, bei zum Teil nur geringen Anforderungen an deren mechanische Bearbeitung, die sich außerdem schnell und einfach montieren lassen. Die Genauigkeitsanforderungen sind geringer als bei anderen aus dem Stand der Technik bekannten Gehäuseanordnungen mit gebautem, d. h. durch Zusammenbau bzw. Montage von einzelnen Komponenten gebildeten Kühlmantel (s. u.).
Die Hülse ist bevorzugt aus einem Metall, bspw. aus Stahl oder Aluminium, gebildet. Die Hülse weist bevorzugt eine radiale Dicke bzw. Wanddicke von nicht mehr als 1,0 mm auf (≤ 1,0 mm). Die Hülse kann auch dicker ausgebildet sein und eine Dicke von bis zu 5,0 mm, bevorzugt von bis zu 3,5 mm aufweisen. Der Stator und die Hülse sind bevorzugt drehfest verbunden, vorzugsweise verpresst, verklebt, verlötet oder verschweißt. Der Wärmeübergang zwischen Stator und diesen umgebende Hülse kann durch Verwendung von Wärmeleitpaste oder dergleichen verbessert werden, wobei die Wärmeleitpaste auch die Montage vereinfachen kann.
Ein Dichtungsträger kann aus Metall, bspw. aus Stahl oder Aluminium, gebildet sein. Ein Dichtungsträger kann aber auch aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, gebildet sein.
Das Gehäuse oder ein entsprechend ausgebildetes Gehäuseteil ist vorzugsweise ein Metallgussteil und insbesondere ein Leichtmetall-Druckgussteil, wie bspw. ein Aluminium- oder Magnesiumdruckgussteil.
Bevorzugt ist der Stator an wenigstens einem seiner axialen Enden durch einen Zentrierring am Gehäuse abgestützt. Der insbesondere aus Metall, bspw. aus Stahl oder Aluminium, gebildete Zentrierring bewirkt einerseits die konzentrische Ausrichtung des Stators zusammen mit der den Stator umgebenden Hülse im Statoraufnahmebereich des Gehäuses und dient andererseits der Drehmomentabstützung des Stators am Gehäuse. Am betreffenden axialen Ende, bevorzugt an beiden axialen Enden, erfolgt die Abstützung des Stators also mittels Zentrierring und nicht wie bislang üblich mittels Lagerschild, wohingegen die axiale Abdichtung des Kühlmantels durch den eingesetzten Dichtungsträger bewerkstelligt wird. Somit besteht eine Trennung der Funktionen Dichtigkeit und Drehmomentabstützung.
Der Zentrierring kann zusammen mit einem Lagerschild am Gehäuse befestigt, insbesondere festgeschraubt, sein. Ein Lagerschild ist ein insbesondere aus Metall, bspw. aus Stahl oder Aluminium, gebildeter Deckel bzw. Boden, der vorzugsweise eine von der Rotorwelle der elektrischen Maschine durchstreckte Mittelbohrung aufweist und insbesondere auch der Lagerung der Rotorwelle dient. Dieser Lagerschild übernimmt aber nicht wie bislang üblich die Drehmomentabstützung des Stators und/oder die axiale Abdichtung des Kühlmantels (dies wird mit dem Zentrierring und dem Dichtungsträger bewerkstelligt, wie oben beschrieben). Der Zentrierring und der Lagerschild können mit Flanschen ausgebildet sein, an denen die gemeinsame Befestigung am Gehäuse erfolgt. Die Befestigung erfolgt insbesondere durch Verschraubung mittels Schrauben, so dass die Befestigung schnell und ohne Wärmeeinbringung herstellbar und später auch wieder lösbar ist.
Der Zentrierring und der Dichtungsträger zur axialen Abdichtung der selben Kühlmantelseite können einteilig, bspw. als Schweißteil, und insbesondere einstückig, d. h. in einem Stück hergestellt, ausgebildet sein. Die einteilige oder sogar einstückige Ausbildung erleichtert die Montage.
Die Dichtungsträger können mit wenigstens einer ersten Ringnut, zur Aufnahme einer gegen die radial äußere Kühlmantelfläche dichtenden Dichtung, und wenigstens einer zweiten Ringnut, zur Aufnahme einer gegen die Hülse bzw. radial innere Kühlmantelfläche dichtenden Dichtung, ausgebildet sein. Alternativ können die Dichtungsträger mit wenigstens einer ersten angespritzten Dichtung, zur Abdichtung gegen die radial äußere Kühlmantelfläche, und wenigstens einer zweiten angespritzten Dichtung, zur Abdichtung gegen die Hülse bzw. radial innere Kühlmantelfläche, ausgebildet sein.
Bevorzugt ist der Stator aus einer Vielzahl von Statorblechen gebildet (d. h. der Stator besteht aus wenigstens einem sogenannten Statorblechpaket), die von der aufgeschobenen Hülse zusammengehalten und zum Kühlmantel abgedichtet werden.
Im Kühlmantel bzw. Kühlmantelraum kann wenigstens ein als Strömungsleitelement fungierender Einleger angeordnet sein, der die Kühlflüssigkeit in definierter Weise durch den Kühlmantel lenkt. Der Einleger kann als Kunststoffteil, insbesondere Spritzgussteil, ausgebildet sein. Bei der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung wird der Kühlmantel erst bei der Montage durch Zusammenbau der Komponenten gebildet und verschlossen (sogenannte gebauter Kühlmantel als Alternative zum gussintegrierten Kühlmantel), so dass der Einleger bei der Montage problemlos eingesetzt werden kann. Der Einleger kann auch die (konzentrische) Zentrierung des Stators im Statoraufnahmebereich des Gehäuses begünstigen.
Bei dem Gehäuse kann es sich um ein beliebiges E-Motor-/Generator-Gehäuse mit integrierter Statorkühlung handeln, insbesondere zur Verwendung im Kraftfahrzeugbereich. Die Erfindung eignet sich gleichermaßen für Fahrzeuge mit einem rein elektrischen Antrieb als auch für Fahrzeuge mit einem Hybridantrieb. Bei dem Gehäuse kann es sich daher auch um ein sogenanntes Hybridgetriebegehäuse oder Hybridgetriebegehäuseteil für ein Kraftfahrzeug handeln. Dieses Hybridgetriebegehäuse weist bspw. einen Statoraufnahmebereich für die Anordnung eines als Fahr- bzw. Antriebsmotor dienenden Elektromotors (gegebenenfalls auch mit Generatorfunktion) und/oder Generators auf, wobei der Elektromotor und/oder Generator bzw. dessen Stator durch den umgebenden, erfindungsgemäß gestalteten Kühlmantel aktiv gekühlt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand eines möglichen Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.

1 zeigt in einer Seitenansicht ein Hybridgetriebegehäuseteil.
2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Kühlmantel entsprechend dem in 1 angedeuteten Schnittverlauf (A-A).

1 zeigt ein Hybridgetriebegehäuseteil 110 eines Hybridgetriebes 100 für ein Kraftfahrzeug (PKW) mit Hybridantrieb. Bei dem Gehäuseteil 110 handelt es sich um ein Leichtmetall- und insbesondere Aluminium-Druckgussbauteil. Mit 120 ist ein als topfartige Kavität (Hohlraum) ausgebildeter Statoraufnahmebereich für einen im Hybridgetriebe 100 anzuordnenden Elektromotor (Fahrmotor) und/oder Generator bezeichnet. Während des Betriebs muss der Elektromotor und/oder Generator aktiv gekühlt werden, um die entstehende Wärme sicher abzuführen. Hierzu ist ein integrierter Kühlkanal bzw. Kühlmantel 130 vorgesehen, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann. D. h., der im Statoraufnahmebereich 120 aufgenommene Stator des Elektromotors bzw. Generators wird durch die Umströmung mit Kühlflüssigkeit aktiv gekühlt. Der mit strichlinierten Kreislinien dargestellte ringzylindrische Kühlmantel 130 kann bspw. einen mittleren Durchmesser von 250 mm bis 300 mm aufweisen. In 1 ist der Kühlmantel 130 mittels Strichlinien nur schematisch angedeutet. Die Anordnung und der Aufbau ergeben sich genauer aus 2.
2 zeigt einen Schnitt durch den Kühlmantel 130 gemäß dem in 1 angedeuteten Schnittverlauf A-A. Der im Gehäuseteil 110 aufgenommene Elektromotor bzw. Generator weist einen im Statoraufnahmebereich 120 angeordneten Stator 140 auf, der aus einzelnen Statorblechen 141 gebildet ist, und einen mit strichlinierter Linie angedeuteten Rotor 150. Die axiale Richtung ist mit I und die radiale Richtung mit r angegeben. Der Stator 140 ist von einer aufgeschobenen Metall- bzw. Blechhülse 145 umgeben. Die Hülse 145 bildet zugleich die radial innere Kühlmantelfläche des Kühlmantels 130. Die radial äußere Kühlmantelfläche des Kühlmantels 130 wird direkt von der gegossenen Innenwandung des Statoraufnahmebereichs 120 gebildet. Die axiale Abdichtung des Kühlmantels 130 erfolgt mit separat ausgebildeten und in den Spalt zwischen äußerer Kühlmantelfläche und innerer Kühlmantelfläche eingesetzten, doppelseitig wirkenden Dichtungsträgern 160 und 170. Die beiden Dichtungsträger 160 und 170 bilden sozusagen die seitlichen bzw. axialen Kühlmantelflächen. Die Dichtungsträger 160 und 170 sind mit ersten und zweiten Ringnuten ausgebildet, in denen Dichtringe (O-Ringe) angeordnet sind, die gegen die radial äußere Kühlmantelfläche bzw. gegen die Innenwandung des Statoraufnahmebereichs 120 und gegen die innere Kühlmantelfläche bzw. gegen die Hülse 145 dichten.
Die axiale Positionierung und Abstützung des Stators 140 zusammen mit der umgebenden Hülse 145 erfolgt über eine Ringschulter 125, die auch am Gehäuseteil 110 angeformt sein kann, und indirekt über einen am Gehäuse 110 festgeschraubten (äußeren) Lagerschild 190, der quasi als Deckel fungiert. Anstatt der Schulter 125 kann auch ein separat ausgebildeter (innerer) Lagerschild vorgesehen sein, der quasi als Boden fungiert.
Im Betrieb wirkt auf den Stator 140 ein Drehmoment, weswegen dieser am Gehäuse 110 abgestützt werden muss (Drehmomentabstützung), um ein Mitdrehen mit dem Rotor 150 bzw. ein Verdrehen relativ zum Gehäuse 110 bzw. zu dessen Statoraufnahmebereich 120 zu verhindern. Die Drehmomentabstützung erfolgt teilweise durch Abstützung an der Schulter 125, hauptsächlich aber mithilfe eines Zentrierrings 180, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einstückig mit dem lageschildseitigen Dichtungsträger 170 ausgebildet ist und mit dem auch die konzentrische Zentrierung des Stators 140 im Statoraufnahmebereich 120 bewerkstelligt wird. Der Zentrierring 180 wird zusammen mit dem Lagerschild 190 am Gehäuse 110 festgeschraubt (siehe Schraube 195) und durch den Kragen 191 des Lagerschilds 190 in axialer Richtung I gegen Stator 140 und die Hülse 145 gespannt, die sich am anderen axialen Ende an der Schulter 125 abstützen. Die abstützende Drehmomentübertragung zwischen dem Stator 140 und dem am Gehäuse 110 festgelegten Lagerring 180 erfolgt durch Reibschluss, Stoffschluss (bspw. durch Verlötung oder Verschweißung) und/oder durch Formschluss (bspw. mittels Verzahnungselementen). Der äußere lageschildseitige Dichtungsträger 170 wird durch die einstückige Ausbildung mit dem Zentrierring 180 in Position gehalten. Der innere schulterseitige Dichtungsträger 160 ist bspw. auf die Hülse 145 aufgepresst oder mit der Hülse 145 verklebt.
Im Inneren des integrierten Kühlmantels 130 kann ein Einleger bzw. Einlegeteil 135 angeordnet sein, dass als Strömungsleitelement für die Kühlflüssigkeit fungiert und die Zentrierung des Stators 140 im Statoraufnahmebereich 120 unterstützt.
Bezugszeichenliste

100: Getriebe
110: Gehäuse / Gehäuseteil
120: Statoraufnahmebereich
125: Ringschulter
130: Kühlmantel
135: Einleger
140: Stator
141: Statorbleche
145: Hülse
150: Rotor
160: Dichtungsträger
170: Dichtungsträger
180: Zentrierring
190: Lagerschild
191: Kragen
195: Schraube
I: axiale Richtung
r: radiale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012016208 A1 [0004]
WO 2006/106086 A1 [0005]
DE 102008061275 A1 [0005]
DE 102009031727 A1 [0005]
DE 102012023050 A1 [0005]
DE 102012213237 A1 [0005]
DE 102014214724 A1 [0005]

Claims

Gehäuseanordnung für eine elektrische Maschine, umfassend: - ein Gehäuse (110) mit einem Statoraufnahmebereich (120); - einen im Statoraufnahmebereich (120) des Gehäuses (110) angeordneten Stator (140) der elektrischen Maschine; und - einen den Stator (140) umgebenden Kühlmantel (130) zur Flüssigkühlung des Stators (140); dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Statoraufnahmebereichs (120) die radial äußere Kühlmantelfläche des Kühlmantels (130) bildet und die radial innere Kühlmantelfläche von einer auf den Stator (140) aufgeschobenen Hülse (145) gebildet ist, wobei die axiale Abdichtung des Kühlmantels (130) mittels in den Spalt zwischen äußerer Kühlmantelfläche und innerer Kühlmantelfläche eingesetzter, doppelseitig wirkender Dichtungsträger (160, 170) erfolgt.
Gehäuseanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (140) an wenigstens einem axialen Ende durch einen Zentrierring (180) am Gehäuse (110) abgestützt ist.
Gehäuseanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierring (180) zusammen mit einem Lagerschild (190) am Gehäuse (110) befestigt ist, insbesondere festgeschraubt ist.
Gehäuseanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierring (180) einteilig, insbesondere einstückig, mit einem Dichtungsträger (170) ausgebildet ist.
Gehäuseanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsträger (160, 170) mit wenigstens einer ersten Ringnut, zur Aufnahme einer gegen die radial äußere Kühlmantelfläche dichtenden Dichtung, und wenigstens einer zweiten Ringnut, zur Aufnahme einer gegen die Hülse (145) dichtenden Dichtung, ausgebildet sind.
Gehäuseanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsträger (160, 170) mit wenigstens einer ersten angespritzten Dichtung, zur Abdichtung gegen die radial äußere Kühlmantelfläche, und wenigstens einer zweiten angespritzten Dichtung, zur Abdichtung gegen die Hülse (145), ausgebildet sind.
Gehäuseanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (145) aus Metall gebildet ist und eine radiale Wanddicke von nicht mehr als 1,0 mm aufweist.
Gehäuseanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (140) aus einer Vielzahl von Statorblechen (141) gebildet ist, die von der aufgeschobenen Hülse (145) zusammengehalten und zum Kühlmantel (130) abgedichtet werden.
Gehäuseanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmantel (130) wenigstens ein als Strömungsleitelement fungierender Einleger (135) angeordnet ist.
Gehäuseanordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (110) ein Metallgussteil ist.