DE102017112835A1 - Electric machine, motor vehicle and method for producing an electrical machine - Google Patents

Electric machine, motor vehicle and method for producing an electrical machine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt eine elektrische Maschine mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Maschine umfasst eine Rotorwelle (10) und einen Stator, und die Rotorwelle (10) weist oberflächennahe Kühlstrukturen (11) auf.
Die Erfindung stellt ferner ein entsprechendes Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereit.

Figure DE102017112835A1_0000
The invention provides an electric machine having the following features: The machine comprises a rotor shaft (10) and a stator, and the rotor shaft (10) has near-surface cooling structures (11).
The invention further provides a corresponding motor vehicle and a corresponding manufacturing method.
Figure DE102017112835A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.The present invention relates to an electric machine. The present invention also relates to a corresponding motor vehicle and to a corresponding production method.

Stand der TechnikState of the art

Die Erwärmung spielt bei der Bemessung elektrischer Maschinen und insbesondere Motoren eine entscheidende Rolle, da eine gute Ausnutzung der zulässigen Betriebstemperatur die Maschinenleistung steigert. Die im Motor entstehende Verlustwärme wird daher gewöhnlich durch Kühlung nach außen abgeführt. Je wirkungsvoller die Kühlung ausgelegt ist, desto kleiner kann somit der Motor bei gleicher Leistung gebaut werden bzw. umso mehr Leistung kann ein Motor gleicher Bauart abgeben.Heating plays a decisive role in the dimensioning of electrical machines and in particular motors, as a good utilization of the permissible operating temperature increases the machine output. The resulting heat loss in the engine is therefore usually dissipated by cooling to the outside. The more effective the cooling is designed, the smaller the engine can be built for the same performance, or the more power can be delivered by a motor of the same design.

Bekannt ist insbesondere die Selbstkühlung, bei der die Maschine ohne Verwendung eines Lüfters durch Luftbewegung und Strahlung gekühlt wird. Bei der sogenannten Eigenkühlung hingegen wird die Luft durch einen Lüfter bewegt, den die Rotorwelle der Maschine selbst antreibt. Eine dritte Option schließlich stellt die sogenannte Fremdkühlung dar, bei welcher die Luft durch einen extern angetriebenen Lüfter bewegt oder ein anderweitiges fremdbewegtes Kühlmittel genutzt wird.In particular, the self-cooling is known, in which the machine is cooled by using air movement and radiation without the use of a fan. In the so-called self-cooling, however, the air is moved by a fan that drives the rotor shaft of the machine itself. Finally, a third option is the so-called forced cooling, in which the air is moved by an externally driven fan or otherwise used foreign coolant is used.

Angesichts ihres meist großen nutzbaren Drehzahlbereiches kommt bei mobilen elektrischen Maschinen, insbesondere im Triebstrang von Elektroautos (battery electric vehicle, BEV), nach dem Stand der Technik regelmäßig eine Fremdkühlung zum Einsatz, um die Kühlleistung drehzahlunabhängig regeln zu können.In view of their usually large usable speed range comes in mobile electric machines, especially in the drivetrain of electric cars (battery electric vehicle, BEV), according to the prior art regularly used a foreign cooling to control the cooling capacity independent of speed.

EP3006743A1 offenbart einen additiv gefertigten Axialventilator zur Motorkühlung mit einer Nabe, die eine Mitte des Axialgebläses definiert, und einer Führung, die die Nabe umgibt und eine Öffnung definiert, die den Luftstrom auf der Auslassseite des Axialgebläses erleichtert. Dabei ist eine Klinge mit der Nabe verbunden und erstreckt sich von der Nabe derart radial nach außen, dass die Führung die Klinge entlang einer Schaufellängsachse halbiert, die Einlassabschnitt und Auslassabschnitt der Klinge definiert. EP3006743A1 discloses an additively manufactured axial fan for engine cooling with a hub defining a center of the axial fan and a guide surrounding the hub and defining an opening which facilitates the flow of air on the outlet side of the axial fan. In this case, a blade is connected to the hub and extends radially outwardly from the hub such that the guide bisects the blade along a blade longitudinal axis defining the inlet and outlet portions of the blade.

US2016352201A1 offenbart eine additiv gefertigte elektrische Maschine mit einer Stator-Anordnung mit einem Stator-Kern und einer Vielzahl von Wicklungen. Eine Rotorbaugruppe ist konzentrisch mit der Stator-Anordnung angeordnet und so konfiguriert, dass sie sich um eine Achse dreht. Die Rotoranordnung umfasst einen Rotorkern und einen Käfig, der einen Umfang des Rotorkerns umgibt. Der Käfig umfasst eine Mehrzahl von Flügelradflossen, die dem Ende des Rotorkerns benachbart sind. US2016352201A1 discloses an additively manufactured electrical machine having a stator assembly with a stator core and a plurality of windings. A rotor assembly is disposed concentrically with the stator assembly and configured to rotate about an axis. The rotor assembly includes a rotor core and a cage surrounding a circumference of the rotor core. The cage includes a plurality of vane fins adjacent the end of the rotor core.

US6866478B2 offenbart eine additiv gefertigte Miniatur-Gasturbine. US6866478B2 discloses an additively manufactured miniature gas turbine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung stellt eine elektrische Maschine, ein entsprechendes Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.The invention provides an electric machine, a corresponding motor vehicle and a corresponding manufacturing method according to the independent claims.

Ein Vorzug dieser Lösung liegt in ihrem innovativen Motorkühlkonzept, das sich durch oberflächennahe, hochintegrierte Kühlstrukturen in der Rotorwelle auszeichnet.An advantage of this solution lies in its innovative engine cooling concept, which is characterized by near-surface, highly integrated cooling structures in the rotor shaft.

Ein Vorteil des damit verbundenen Herstellungsprozesses besteht in seiner besonderen Eignung für Kleinserienanwendungen mit hohem Anspruch an Leichtbau und Funktionsintegration. Obgleich als Urformverfahren einzuordnen, erfordert das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren keinerlei Gussform oder anderweitiges Werkzeug, das die Geometrie der Kühlstrukturen speichern würde. Die Fertigung kann vielmehr unmittelbar auf der Basis von CAD-Datenmodellen etwa der Kühlwasser- oder Ölleitungen aus formlosem oder formneutralem Werkstoff mittels chemischer oder physikalischer Prozesse erfolgen. Das vorgeschlagene Verfahren empfiehlt sich somit nicht nur zur Kleinserienfertigung oder Einzelfertigung elektrischer Maschinen mit Einzelkomponenten von hoher geometrischer Komplexität, sondern auch zur parallelen Fertigung dieser Komponenten in größeren Stückzahlen.An advantage of the associated manufacturing process is its particular suitability for small series applications with high demands on lightweight construction and functional integration. Although classified as a primary molding process, the manufacturing process of the invention does not require any mold or other tool that would store the geometry of the cooling structures. On the contrary, the production can take place directly on the basis of CAD data models, for example, of the cooling water or oil lines of shapeless or form-neutral material by means of chemical or physical processes. The proposed method is thus recommended not only for small batch production or single production of electrical machines with individual components of high geometric complexity, but also for parallel production of these components in larger quantities.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Urform-, Umform- oder Trennverfahren erhöht sich die Wirtschaftlichkeit einer erfindungsgemäß hergestellten Maschine daher mit steigender Komplexität der Geometrie ihrer Kühlstrukturen. Die digitale Schnittstelle einschlägiger Fertigungsmaschinen und deren hoher Automatisierungsgrad ermöglichen dabei auch eine dezentrale, geografisch unabhängig verteilte Produktion von Motoren (cloud producing).In contrast to conventional primary shaping, forming or separating methods, the economic efficiency of a machine produced according to the invention therefore increases with increasing complexity of the geometry of its cooling structures. The digital interface of relevant production machines and their high degree of automation also enable a decentralized, geographically independent distributed production of engines (cloud producing).

Schließlich trägt der generative Ansatz des erörterten Verfahrens gerade in der Fahrzeugtechnik dazu bei, die durch Werkzeugbereitstellung und -pflege verursachten Lebenszykluskosten der jeweiligen Baureihe zu minimieren.Finally, the generative approach of the discussed method, especially in vehicle technology, contributes to minimizing the life cycle costs of the respective series caused by tool provisioning and maintenance.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Figurenliste list of figures

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht oberflächennaher Kühlstrukturen in einer Rotorwelle.
  • 2 zeigt aus einer mit 1 übereinstimmenden Perspektive den hochintegrierten Verlauf der Kühlwasser- und Ölleitungen.
An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and will be described in more detail below.
  • 1 shows a perspective view of near-surface cooling structures in a rotor shaft.
  • 2 shows from one with 1 consistent perspective the highly integrated course of cooling water and oil lines.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines als Innenläufer ausgeführten Elektromotors für einen Triebstrang. Als erfindungswesentlich erweist sich hierbei die Rotorwelle (10), die von oberflächennahen Kühlstrukturen (11) umlaufen wird, welche sich gleichsam spiralförmig etwa sechsmal um die Längsachse der Rotorwelle (10) winden. 1 illustrates a preferred embodiment of the invention in the form of an internal rotor designed as an electric motor for a drive train. As essential to the invention proves here the rotor shaft ( 10 ) of near-surface cooling structures ( 11 ), which, as it were, spiral about six times about the longitudinal axis of the rotor shaft (FIG. 10 ) wind.

Wie 2 verdeutlicht, wird die Fremdkühlung des Elektromotors durch einen kompakten Mantel von flachen Kühlwasser- und Ölleitungen (12, 13) weiter verbessert. Die Leitungen (12, 13) verlaufen hierzu mäandrisch entlang der Kühlstrukturen (11), wobei die Ölleitungen (13) abschnittsweise zwischen jeweils zwei benachbarten Abschnitten der breiteren Kühlwasserleitungen (12) eingebettet sind.As 2 clarifies, the external cooling of the electric motor by a compact shell of shallow cooling water and oil lines ( twelve . 13 ) further improved. The pipes ( twelve . 13 ) run meandering along the cooling structures ( 11 ), whereby the oil lines ( 13 ) in sections between each two adjacent sections of the wider cooling water lines ( twelve ) are embedded.

Der hohe Integrationsgrad, den die 1 und 2 erkennen lassen, wird durch eine additive Fertigung der Kühlstrukturen (11) erreicht. Der Sammelbegriff des generativen oder additiven Fertigungsverfahrens (additive manufacturing, AM) ist dabei in einem umfassenden Wortsinn zu verstehen, der jedwedes Pulverbett-, Freiraum-, Flüssigmaterial- oder anderweitige Schichtbauverfahren einschließt. In diesem Rahmen mögen auch Hybridmaschinen zum Einsatz kommen, die einen der genannten Ansätze mit Fräsen oder anderweitigen spanabhebenden Verfahren kombinieren.The high level of integration that the 1 and 2 can be detected by an additive manufacturing of the cooling structures ( 11 ) reached. The collective term of the additive or additive manufacturing process (AM) is to be understood in a comprehensive sense, which includes any powder bed, free space, liquid material or other layer construction process. In this context, hybrid machines may also be used which combine one of the mentioned approaches with milling or other cutting methods.

Einschlägige Verfahren werden beispielsweise in den Richtlinien VDI 3404 und VDI 3405 dargestellt und umfassen selektives Laserschmelzen (SLM), Lasersintern (SLS) oder Wärmesintern (selective heat sintering, SHS) ebenso wie das Verfestigen von Pulverwerkstoffen mittels eines Binders (binder jetting) oder das sogenannte Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting, EBM). In Betracht kommen auch Schmelzschichten (fused deposition modeling, FDM), Auftragschweißen (cladding), das Aufschmelzen und schichtweise Auftragen von Wachs (wax deposition modeling, WDM), diverse Metallpulver-Auftragsverfahren (MPA), Kaltgasspritzen oder Elektronenstrahlschmelzen (electron beam welding, EBW). Zu denken ist schließlich an Stereolithografie (SLA), digitale Lichtverarbeitung (digital light processing, DLP), Flüssigimprägnierung (liquid composite moulding, LCM) oder anderweitige Schichtbauverfahren wie laminierte Objektherstellung (laminated object modeling, LOM), dreidimensionalen metallischen Siebdruck (3D screen printing) oder lichtgesteuerte elektrophoretische Abscheidung.Relevant methods are described, for example, in the guidelines VDI 3404 and VDI 3405 and include selective laser melting (SLM), laser sintering (SLS) or selective heat sintering (SHS) as well as the solidification of powder materials by means of a binder (binder jetting) or the so-called Electron beam melting (EBM). Also suitable are melt layers (fused deposition modeling, FDM), cladding, the melting and layer-wise application of wax (WDM), various metal powder application methods (MPA), cold gas spraying or electron beam welding (EBW) ). Last but not least, stereolithography (SLA), digital light processing (DLP), liquid composite molding (LCM) or other laminating techniques such as laminated object modeling (LOM), three-dimensional metallic screen printing or light-controlled electrophoretic deposition.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 6866478 B2 [0007]US 6866478 B2 [0007]

Claims (10)

Elektrische Maschine, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Maschine umfasst eine Rotorwelle (10) und einen Stator und - die Rotorwelle (10) weist oberflächennahe Kühlstrukturen (11) auf.Electric machine, characterized by the following features: - the machine comprises a rotor shaft (10) and a stator and - the rotor shaft (10) has near-surface cooling structures (11). Elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Maschine umfasst ferner Kühlwasserleitungen (12) und - die Kühlwasserleitungen (12) verlaufen mäandrisch entlang der Kühlstrukturen (11).Electric machine after Claim 1 characterized by the following features: - the machine further comprises cooling water ducts (12) and - the cooling water ducts (12) run meandering along the cooling structures (11). Elektrische Maschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Maschine umfasst ferner Ölleitungen (13) und - die Ölleitungen (13) verlaufen mäandrisch zwischen den Kühlwasserleitungen (12).Electric machine after Claim 2 characterized by the following features: - the machine further comprises oil ducts (13) and - the oil ducts (13) run meandering between the cooling water ducts (12). Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die elektrische Maschine ist ein Elektromotor.Electric machine according to one of the Claims 1 to 3 characterized by the following feature: - the electric machine is an electric motor. Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kraftfahrzeug weist einen zumindest teilelektrischen Antrieb auf und - der Antrieb umfasst eine Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4.Motor vehicle, characterized by the following features: - The motor vehicle has an at least partially electric drive and - The drive comprises a machine according to one of Claims 1 to 4 , Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - zumindest die Kühlstrukturen (11) werden additiv gefertigt.Method for producing an electric machine according to one of Claims 1 to 4 characterized by the following feature: - at least the cooling structures (11) are made additive. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Fertigen erfolgt in einem Pulverbettverfahren, insbesondere selektivem Laserschmelzen, selektivem Lasersintern, selektivem Wärmesintern, Binder-Jetting oder Elektronenstrahlschmelzen.Method according to Claim 6 characterized by the following feature: the manufacturing takes place in a powder bed process, in particular selective laser melting, selective laser sintering, selective heat sintering, binder jetting or electron beam melting. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Fertigen erfolgt in einem Freiraumverfahren, insbesondere Schmelzschichten, Auftragschweißen, Wax Deposition Modeling, einem Metallpulver-Auftragsverfahren, Kaltgasspritzen oder Elektronenstrahlschmelzen.Method according to Claim 6 characterized by the following feature: the manufacturing takes place in a free-space method, in particular melt layers, build-up welding, wax deposition modeling, a metal powder application method, cold gas spraying or electron beam melting. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Fertigen erfolgt in einem Flüssigmaterialverfahren, insbesondere Stereolithografie, digitale Lichtverarbeitung oder Flüssigimprägnieren.Method according to Claim 6 characterized by the following feature: the manufacturing takes place in a liquid material process, in particular stereolithography, digital light processing or liquid impregnation. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Fertigen erfolgt in einem anderweitigen Schichtbauverfahren, insbesondere laminierter Objektherstellung, dreidimensionalem metallischen Siebdruck oder lichtgesteuerter elektrophoretischer Abscheidung.Method according to Claim 6 , characterized by the following feature: the manufacturing takes place by means of a different layer construction method, in particular laminated object production, three-dimensional metallic screen printing or light-controlled electrophoretic deposition.
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