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Die Erfindung betrifft eine Elektromotor-Kühlanordnung.
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Elektrische Maschinen geben ihre Verlustleistung in Form von Wärme ab, wodurch sich der Motorstator und/oder der Motorrotor der elektrischen Maschine erwärmen. Insbesondere elektrische Maschinen, die als Traktionsantrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs eingesetzt werden, weisen eine hohe Motorleistung und somit auch eine hohe Verlustwärme auf. Durch die hohe Verlustwärme erwärmt sich die elektrische Maschine, wodurch der elektrische Wirkungsgrad der elektrischen Maschine reduziert und unter Umständen der Motorstator und/oder der Motorrotor der elektrischen Maschine beschädigt werden kann.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Elektromotor-Kühlanordnungen bekannt, durch die die im Motorstator entstehende Wärme abgeführt wird. Eine bekannte Möglichkeit für die Kühlung des Motorstators ist es, in dem Motorgehäuse einen fluiddurchströmten Kühlmantel vorzusehen, der den Motorstator unmittelbar umgibt. Eine derartige Kühlanordnung offenbart die
DE 10 2014 117 382 A1 .
Eine andere bekannte Möglichkeit zum Kühlen des Motorstators ist es, das Motorgehäuse in einen Nassraum und einen Trockenraum aufzuteilen, wobei in dem Trockenraum der Motorrotor angeordnet ist und in dem Nassraum der Motorstator angeordnet ist. In dem Nassraum wird der Motorstator von einem Kühlmedium umspült, wodurch die im Motorstator entstehende Verlustwärme sehr effektiv abgeführt wird.
Die
WO 2013/013737 A2 offenbart eine derartige Elektromotor-Kühlanordnung. Dabei weist ein Elektromotor einen Motorstator und einen Motorrotor auf, wobei der Motorstator starr in einem Motorgehäuse angeordnet ist und der Motorrotor auf einer rotierenden Rotorwelle fest angeordnet ist. Zwischen dem rotierenden Motorrotor und dem feststehenden Motorstator ist ein Spaltrohr angeordnet, welches das Motorgehäuse in einen Nassraum und einen Trockenraum unterteilt, wobei der im Nassraum angeordnete Motorstator durch das im Nassraum strömende und unter Druck stehende Kühlmedium gekühlt wird. Die Kühlmedium-Strömung wird durch eine an den Nassraum fluidisch angeschlossene Pumpe erzeugt, wobei das durch die Verlustwärme des Motorstators aufgewärmte Kühlmedium durch einen im Kühlkreislauf angeordneten Kühler gekühlt wird.
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Nachteilhaft an dieser Ausführung der Elektromotor-Kühlanordnung ist es, dass im Nassraum ein Druck von beispielsweise bis zu 9 bar absolut herrscht, der auf die Außenumfangsfläche des Spaltrohrs wirkt und den Druck, der im Trockenraum herrscht und auf die Innenumfangsfläche des Spaltrohrs wirkt, weit übersteigt. Durch diese Druckdifferenz wird das Spaltrohr nach radial innen belastet. Um Verformungen des Spaltrohrs aufgrund der druckbedingten Belastung vorzubeugen und dadurch Beschädigungen des Elektromotors oder eine Leckage zwischen dem Nass- und Trockenraum zu vermeiden, weist das Spaltrohr eine hohe Steifigkeit auf, wodurch das Spaltrohr eine relativ große Wandstärke aufweist. Durch die relativ große Wandstärke des Spaltrohrs vergrößert sich der magnetische Spalt zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator, wodurch der Wirkungsgrad des Elektromotors reduziert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektromotor-Kühlanordnung derart weiterzuentwickeln, dass der Wirkungsgrad des Elektromotors erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektromotor-Kühlanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Die Elektromotor-Kühlanordnung umfasst einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse, einem Motorstator und einem mit dem Motorstator elektromagnetisch zusammenwirkenden rotierenden Motorrotor. Der Motorrotor ist beispielsweise auf einer Rotorwelle angeordnet, wobei die Rotorwelle über jeweils ein Lager an den axialen Enden im Motorgehäuse drehbar gelagert ist. Der Motorstator ist über seine Außenumfangsfläche ortsfest in dem Motorgehäuse angeordnet.
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Das Motorgehäuse ist in einen mit einem Kühlmedium durchströmten Nassraum und einen Trockenraum unterteilt, wobei der Motorrotor in dem Trockenraum angeordnet ist und der Motorstator in dem Nassraum angeordnet ist. Die Unterteilung des Motorgehäuses in einen Nassraum und einen Trockenraum erfolgt über ein Spaltrohr, welches sich zumindest am Motorgehäuse abstützt und in dem Ringspalt bzw. Luftspalt zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator angeordnet ist. Das Spaltrohr dichtet den Nassraum gegenüber dem Trockenraum fluiddicht ab.
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Der Nassraum weist einen Fluideinlass und einen Fluidauslass auf, wobei der Fluideinlass mit der Druckseite einer Pumpe verbunden ist und der Fluidauslass mit der Saugseite der Pumpe fluidisch verbunden ist.
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Erfindungsgemäß herrscht im Nassraum ein niedrigerer Druck als im Trockenraum, wodurch auf die Innenumfangsfläche des Spaltrohrs ein höherer Druck wirkt als auf die Außenumfangsfläche des Spaltrohrs, so dass das Spaltrohr nach radial außen belastet wird. Dabei liegt das Spaltrohr mit seiner Außenumfangsfläche an dem Motorgehäuse und ggfs. auch an dem Motorstator an, so dass durch die druckbedingte Belastung des Spaltrohrs nach radial außen das Spaltrohr an das feststehende Motorgehäuse und den feststehenden Motorstator gepresst wird. Der Druck im Trockenraum ist vorzugsweise atmosphärischer Druck. Eine relevante Verformung des Spaltrohrs erfolgt durch die druckbedingte Belastung nicht, da der Differenzdruck maximal wenige 100 mbar beträgt.
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Durch eine derartige Ausgestaltung der Elektromotor-Kühlanordnung ist eine geringere Steifigkeit des Spaltrohrs ausreichend, so dass die Wandstärke des Spaltrohrs und damit auch die radiale Ausdehnung des magnetischen Spalts zwischen dem Motorstator und dem Motorrotor reduziert ist, wodurch der Wirkungsgrad des Elektromotors erhöht ist. Die Druckdifferenz zwischen dem Nass- und Trockenraum beträgt besonders bevorzugt maximal 400 mbar.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in Strömungsrichtung zwischen der Pumpe und dem Fluideinlass ein Druckausgleichsbehälter angeordnet. Üblicherweise bestimmt der im Kühlkreislauf entstehende Druckverlust die Pumpleistung der Pumpe, wobei an der Druckseite der Pumpe der höchste Druck herrscht, der bis zur Saugseite der Pumpe abnimmt. Durch die Anordnung des Druckausgleichsbehälters zwischen der Pumpe und dem Fluideinlass wird der durch die Pumpe erzeugte Druck auf einen im Trockenraum herrschenden Druck bzw. auf einen niedrigeren Druck abgesenkt. Im weiteren Verlauf des Kühlkreislaufs nimmt der Druck hinter dem Druckausgleichsbehälter bis zur Saugseite der Pumpe weiter ab. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass in dem Nassraum ein niedrigerer Druck als im unter atmosphärischen Druck stehenden Trockenraum herrscht und das Spaltrohr nach radial außen belastet wird.
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Vorzugsweise stellt der Druckausgleichsbehälter einen Druckausgleich zum atmosphärischen Druck her. Dadurch wird der Druck einfach und kostengünstig auf den im Trockenraum herrschenden Druck abgesenkt. Der Druckausgleichsbehälter kann dabei beispielsweise eine zur Atmosphäre offene Öffnung aufweisen und dadurch den Druckausgleich zum atmosphärischen Druck herstellen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühler in Strömungsrichtung zwischen der Pumpe und dem Fluideinlass des Nassraums angeordnet. Vorzugsweise ist der Kühler in Strömungsrichtung zwischen der Pumpe und dem Druckausgleichsbehälter angeordnet. Dabei bewirkt der Kühler einen Druckverlust, wodurch der Druckausgleich im Druckausgleichsbehälter fluidisch näher am Nassraum erfolgt und dadurch im Nassraum genauer geregelt ist.
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Vorzugsweise liegt das Spaltrohr mit seiner Außenumfangsfläche an dem Motorstator an, so dass das Spaltrohr durch die Druckdifferenz zwischen dem Trockenraum und dem Nassraum und die daraus resultierende druckbedingte Belastung gegen den feststehenden Motorstator gedrückt wird und dadurch eine Verformung des Spaltrohrs verhindert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Spaltrohr aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt, wodurch das Spaltrohr ein niedriges Gewicht aufweist, magnetisch neutral und korrosionsbeständig ist.
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Vorzugsweise sind die Statorwicklungen unmittelbar von dem Fluid umströmt, wodurch die in den Statorwicklungen entstehende Verlustwärme direkt an das Fluid übertragen wird. Dadurch wird die Kühlung des Motorstators sehr effektiv.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Motorstator einen Statorkörper mit sich axial querschnittsneutral erstreckenden Statorzähnen und auf den Statorzähnen aufgewickelten Statorwicklungen auf, wobei das Kühlfluid zwischen den einzelnen Statorzähnen strömt. In den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen der Elektromotor-Kühlanordnung sind die Statorwicklungen lediglich an den beiden axialen Enden des Motorstators von dem Fluid umströmt. Dadurch, dass erfindungsgemäß das Fluid zwischen den einzelnen Statorzähnen und somit unmittelbar an den Statorwicklungen entlang strömt, wird die Wärmeübertragungsfläche der Statorwicklungen vergrößert, wodurch die Kühlung des Motorstators verbessert wird. Die zwischen den Statorzähnen ausgebildeten Kühlkanäle sind durch die Statorzähne und durch die Außenumfangsfläche des Spaltrohrs begrenzt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Hierbei zeigt die Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektromotor-Kühlanordnung mit dem Elektromotor im Längsschnitt.
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Die Figur zeigt einen Elektromotor 10 mit einem Motorgehäuse 12, in dem ein feststehender Motorstator 20 und ein rotierender Motorrotor 30 angeordnet sind. Der Motorrotor 30 des Elektromotors 10 weist einen Rotorkörper 34 und Permanentmagnete 35 auf, wobei der Rotorkörper 34 sich beispielsweise aus einer Vielzahl von Rotorblechen zusammensetzt und Permanentmagnete 35 in dem Rotorkörper 34 fest angeordnet sind. Anstelle der Permanentmagnete 35 können auch Läuferwicklungen, ein Kurzschlusskäfig oder Flussbarrieren oder eine Kombination der genannten Elemente im Rotorkörper 34 angeordnet sein. Der Rotorkörper 34 ist über seine Innenumfangsfläche 33 an einer Rotorwelle 32 drehfest gelagert. Die Rotorwelle 32 ist an jedem axialen Ende über jeweils ein Lager 36, 38 an dem Motorgehäuse 12 drehbar gelagert. Die Lager 36, 38 können, wie in der Figur gezeigt, als Wälzlager oder aber beispielsweise als Gleitlager ausgeführt sein.
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Der Motorstator 20 liegt mit seiner Außenumfangsfläche 21 an dem Motorgehäuse 12 an und ist an diesem befestigt, beispielsweise mittels Presssitz, Verschraubung oder Verklebung. Der Motorstator 20 weist einen Statorkörper 22 mit einem Statorrücken 23 und einer Vielzahl von Statorzähnen 27 auf, wobei auf den Statorzähnen 27 Statorwicklungen 24 aufgewickelt sind. Die Statorzähne 27 erstrecken sich ausgehend von dem ringförmigen und an dem Motorgehäuse 12 anliegenden Statorrücken 23 nach radial innen, wobei jeder Statorzahn 27 mit seinem freien Ende an einem zylindrischen Spaltrohr 26 anliegt.
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Das Spaltrohr 26 unterteilt das Motorgehäuse 12 in einen Nassraum 40 und einen Trockenraum 42. Das Spaltrohr 26 ist aus einem faserverstärktem Kunststoff hergestellt und liegt mit der Außenumfangsfläche 29 an dem feststehenden Motorstator 20 an. Zusätzlich liegt das Spaltrohr 26 an den beiden axialen Enden mit der Außenumfangsfläche 29 fluiddicht an dem Motorgehäuse 12 an. Es sind auch Ausführungen denkbar, bei denen die Innenfläche des Spaltrohrs 26 am Motorgehäuse 12 anliegt oder das Motorgehäuse 12 das Spaltrohr 26 umgreift.
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In dem Nassraum 40 ist der Motorstator 20 angeordnet. Der Nassraum 40 weist einen Fluideinlass 44 und einen Fluidauslass 46 auf. An den Fluideinlass 44 ist die Druckseite 55 einer Pumpe 54 und an den Fluidauslass 46 die Saugseite 56 der Pumpe 54 angeschlossen, so dass der Nassraum 40 bei Betrieb der Pumpe 54 von dem Fluid durchströmt ist. Dabei strömt das Fluid ausgehend von dem Fluideinlass 44 durch die Zwischenräume 60 zwischen den einzelnen Statorzähnen 27 bis zum Fluidauslass 46. Das Fluid ist ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium, wobei das Kühlmedium bevorzugt flüssig ist.
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Die Pumpe 54, ein Kühler 56 und ein Druckausgleichsbehälter 58 bilden zusammen mit dem Nassraum 40 einen Kühlkreislauf 50. Der Kühler 56 ist in Strömungsrichtung zwischen der Pumpe 54 und dem Fluideinlass 44 angeordnet und kühlt das durch die Verlustwärme des Elektromotors 10 erwärmte Fluid ab, bevor das Fluid wieder in den Nassraum 40 eingeleitet wird. Der Druckausgleichsbehälter 58 ist in Strömungsrichtung zwischen dem Kühler 56 und dem Fluideinlass 44 angeordnet und gleicht den im Kühlkreislauf 50 herrschenden Druck an den im Trockenraum 42 herrschenden atmosphärischen Druck PA an.
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Durch die Anordnung des Druckausgleichsbehälters 58 zwischen der Pumpe 54 und dem Fluidauslass 44 wird der durch die Pumpe 54 erzeugte überatmosphärische Druck auf einen im Trockenraum 42 herrschenden atmosphärischen Druck PA am Auslass des Druckausgleichsbehälters 58 abgesenkt. Im weiteren Verlauf des Kühlkreislaufs 50 nimmt der Druck ausgehend vom Druckausgleichsbehälter 58 bis zur Saugseite 57 der Pumpe 54 weiter ab, so dass in dem Nassraum 40 ein niedrigerer Druck PN als im Trockenraum 42 herrscht. Dadurch, dass der Druck PN im Nassraum 40 geringer ist als der Druck PA im Trockenraum, wird das Spaltrohr 26 nach radial außen belastet, wodurch das Spaltrohr 26 mit der Außenumfangsfläche 29 an den Motorstator 20 und das Motorgehäuse 12 gepresst wird. Ein typischer Druck PN im Nassraum liegt zwischen 400 und 900 mbar absolut.
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Auf diese Weise können die Steifigkeit des Spaltrohrs 26 sowie die Wandstärke des Spaltrohrs 26 reduziert werden, da eine druckbedingte Verformung durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektromotor-Kühlanordnung 2 verhindert wird. Durch die Reduzierung der Wandstärke des Spaltrohrs 26 kann auch der magnetische Spalt zwischen dem Motorrotor 30 und dem Motorstator 20 klein ausfallen, so dass der Wirkungsgrad des Elektromotors 10 erhöht wird.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014117382 A1 [0003]
- WO 2013/013737 A2 [0003]
