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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, aufweisend ein erstes Gehäusebauteil und ein zweites Gehäusebauteil.
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Gehäuse für elektrische Maschinen von Elektrofahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Elektrische Maschinen erzeugen während des Betriebs Abwärme durch elektrische und mechanische Verluste. Dies erfordert eine Kühlung der elektrischen Maschine, um den gewünschten und effizienten Betrieb der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Eine Überhitzung der elektrischen Maschine kann zu einer Beschädigung der elektrischen Maschine, beispielsweise des Motorlagers oder der Statorisolierung, führen. Üblicherweise sind elektrische Maschinen in einem Gehäuse angeordnet, die die elektrische Maschine vollständig einschließt und vor Verunreinigungen, beispielsweise durch Schmutz, Öl oder Dunst, schützt. Die Kühlung ist üblicherweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Um das Drehmoment der elektrischen Maschine im Gehäuse abzustützen, sind aus dem Stand der Technik im Wesentlichen zwei Varianten bekannt. In einer ersten Variante wird das Drehmoment durch einen zwischen Stator und Gehäuse gebildeten Pressverband abgestützt. Dies erfordert jedoch eine vergleichsweise hohe und vor allem homogene Steifigkeit des Gehäuseinneren. Anordnung und Ausführung der Kühlung dürfen einer homogenen Steifigkeit nicht entgegenstehen. Insbesondere darf das Gehäuse über die Kühlrippen hinweg keine großen Steifigkeitsschwankungen aufweisen. Alternativ werden Zuganker verwendet, um Stator und Gehäuse miteinander zu verbinden. Durch die Verwendung von Zugankern werden nachteilig der Maschinendurchmesser und Maschinengewicht erhöht und die Wärmeübertragung vermindert. Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Gehäusen ist auch, dass bei entsprechend fragiler Ausführung des Kühlkanals die den Kühlkanal aufweisenden Gehäuseteile nicht in den Kraftpfad eingebunden werden können. Die nicht in den Kraftpfad eingebundenen Gehäuseteile stellen mechanisch ungenutztes Material dar.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik bei vergleichsweise geringem Gewicht eine verbesserte Kühlleistung bei erhöhter Stabilität und Robustheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, aufweisend ein erstes Gehäusebauteil und ein zweites Gehäusebauteil, wobei das erste Gehäusebauteil einen Mantel aufweist, der konzentrisch zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine angeordnet ist, wobei der Mantel einen Kühlkanal aufweist, der sich in Form einer Doppelhelix um die Rotationsachse windet, wobei eine erste Stirnseite des ersten Gehäuseteils ein erstes Lagerschild bildet, wobei das zweite Gehäusebauteil an einer zweiten Stirnseite des ersten Gehäusebauteils angeordnet ist und ein zweites Lagerschild bildet.
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Auf diese Weise wird ein Gehäuse für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, zur Verfügung gestellt, das sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine hohe Kühlleistung und eine hohe mechanische Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auszeichnet. Dies wird insbesondere durch die Aufteilung des Gehäuses und die Verbindung der beiden Gehäusebauteile erreicht. Insbesondere ist die Kühlung in Form einer Kühlkanalgeometrie direkt in das Gehäuse, d.h. in das erste Gehäusebauteil, integriert. Bevorzugt hat das erste Gehäusebauteil die Form eines halboffenen Zylinders, in den der Stator der elektrischen Maschine eingeführt werden kann. Die geschlossene Stirnseite ist dabei so ausgeführt, dass sie die Funktion eines Lagerschilds übernimmt. Dafür weist sie eine mittige Öffnung auf, um die Rotorwelle und das zugehörige Lager aufzunehmen. Das zweite Gehäusebauteil wird an der offenen Stirnseite des ersten Gehäusebauteils angebracht und übernimmt die Funktion eines zweiten Lagerschilds, d.h. es nimmt das andere Ende der Rotorwelle und das zugehörige Lager auf. Bevorzugt weist das zweite Gehäusebauteil Bohrungen zur Befestigung am ersten Gehäusebauteil auf. Auf diese Weise ist die elektrische Maschine vollständig von dem Gehäuse umgeben. Dadurch, dass eines der beiden Lagerschilde in das erste Gehäusebauteil integriert ist, wird vorteilhafterweise eine vereinfachte Montage und reduzierte Fehleranfälligkeit erreicht. Denkbar ist auch, dass das erste Gehäuseteil eine Einheit mit einer weiteren Antriebskomponente des Fahrzeugs bildet, also beispielsweise in das Getriebegehäuse integriert ist.
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Um die geometrischen Verhältnisse des Gehäuses und insbesondere des Kühlkanals präzise beschreiben zu können, sei mittig durch das Gehäuse eine Längsachse gedacht, die im Falle einer Zylinderform des Gehäuses mit der Achse des Zylinders zusammenfällt. Sie schneidet die Stirnflächen des Gehäuses im Mittelpunkt der beiden, die Rotorwelle aufnehmenden Öffnungen. Bezüglich dieser Achse sei weiterhin eine azimutale Richtung eingeführt, die der Umfangsrichtung des konzentrisch zur Bezugsachse angeordneten Mantels des ersten Gehäusebauteils entspricht.
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Im Mantel des ersten Gehäusebauteils ist nun ein Kühlkanal integriert, durch den Kühlmittel (im einfachsten Falle Luft) transportiert wird, das die über die Innenwand des Gehäuses übertragene Abwärme der elektrischen Maschine aufnimmt. Erfindungsgemäß hat der Kühlkanal die Form einer Doppelhelix, deren beide Stränge im Mantel verlaufen und sich um die Längsachse winden. Hierdurch wird vorteilhaft ein Gehäuse für eine elektrische Maschine mit integrierter Kühlung zur Verfügung gestellt, das eine gleichmäßige Kühlung und damit eine gleichmäßige niedrige Temperatur in der Maschine ermöglicht.
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Erfindungsgemäß bevorzugt mündet der Kühlkanal zur Ein- und Rückleitung des Kühlmittels in mindestens zwei Öffnungen an der Außenfläche des ersten Gehäusebauteils. Bevorzugt sind beide Öffnungen in der Nähe einer der beiden Stirnseiten, besonders bevorzugt in der Nähe der geschlossenen Stirnseite angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Öffnung in der Nähe einer Stirnseite, die zweite Öffnung in der Nähe der anderen Stirnseite angeordnet. Alternativ wird das Kühlmedium an der Schnittstelle zum zweiten Gehäusebauteil ein- und rückgeleitet. Bevorzugt sind die einzelnen Windungen der Kühlkanalgeometrie, d.h. der Doppelhelix, so voneinander getrennt, dass über die Windungen kein Kühlmittelaustausch stattfinden kann. Dadurch werden vorteilhafterweise Kühlmedienströmungsverluste reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Stränge der Doppelhelix an einem Ende miteinander verbunden, so dass das Kühlmittel in einem Strang der Doppelhelix von der einleitenden Öffnung wegströmt, die Längsachse in mehreren Windungen umläuft und dann durch den zweiten Strang in entgegengesetzter Richtung über mehrere Windungen zur rückführenden Öffnung geführt wird. Dadurch wird vorteilhafterweise eine gleichmäßige Verteilung des strömenden Kühlmittels über den Mantel erreicht und die Aufnahme der Abwärme damit gesteigert. Der Kühlkanal ist bevorzugt derart angeordnet, dass eine gleichmäßige Kühlung der innerhalb des Gehäuses angeordneten elektrischen Maschine erfolgt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Kühlkanalgeometrie auch eine Mehrzahl an Kühlkanälen aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verlauf des Kühlkanals gegenüber der azimutalen Richtung eine sich verändernde Steigung auf. Insbesondere weist die Doppelhelix Abschnitte mit kleinerer und Abschnitte mit größerer Steigung auf. Über die Steigung des Verlaufs lässt sich nun vorteilhafterweise beeinflussen, mit welcher Rate das Kühlmittel entlang der Längsachse transportiert wird. In einem Abschnitt mit einer großen Steigung gegenüber der azimutalen Richtung fließt das Kühlmittel vornehmlich in Richtung der Längsachse, während es in einem Abschnitt mit kleiner Steigung vornehmlich in Umfangrichtung fließt. Durch den Verlauf der Steigung lässt sich so beeinflussen, in welchen Bereichen entlang der Längsachse das Kühlmittel mehr oder weniger Zeit hat, um die Abwärme aufzunehmen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Gehäusebauteil als Gussbauteil ausgeführt. Insbesondere ist das erste Gehäusebauteil als Druckgussbauteil ausgeführt. Bevorzugt ist das erste Gehäusebauteil aus einem Metall und/oder einer metallhaltigen Verbindung ausgeführt. Besonders bevorzugt handelt es sich hierbei um ein gut wärmeleitendes (Leicht-)Metall bzw. eine Legierung, beispielsweise eine Aluminiumlegierung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das zweite Gehäusebauteil als Gussbauteil ausgeführt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, aufweisend ein Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei innerhalb des Gehäuses ein Stator und ein Rotor angeordnet sind. Hierdurch wird vorteilhaft eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Elektrofahrzeug mit in das Gehäuse integrierter Kühlung zur Verfügung gestellt. Insbesondere weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Stabilität und verbesserte Kühlleistung bei vergleichsweise geringem Gewicht auf. Erfindungsgemäß bevorzugt bildet der Stator mit dem ersten Gehäusebauteil einen Pressverband.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für eine elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das erstes Gehäusebauteil in einem Druckgussverfahren hergestellt wird, wobei während des Druckgussverfahrens ein als Kern fungierendes dünnwandiges Rohr in das erste Gehäusebauteil eingebracht wird, wobei eine Umfangsfläche des Rohrs einen Kühlkanal bildet, wobei das Rohr nach dem Druckgussverfahren im ersten Gehäusebauteil verbleibt. Insbesondere wird das erste Gehäusebauteil mit der integrierten Kühlkanalgeometrie im Combicore-Verfahren hergestellt. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird ein Gehäuse für eine elektrische Maschine mit integrierter Kühlung zur Verfügung gestellt. Das so hergestellte Gehäuse weist gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht auf. Durch den Einsatz des Rohrs können die Wandstärken reduziert werden, die sonst benötigt werden, um ein dichtes System zu gewährleisten. Bevorzugt übernimmt das Rohr zusammen mit dem umgebenden Gussmaterial eine tragende Funktion.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Rohr während des Druckgussverfahrens mit einem Füllstoff befüllt, wobei der Füllstoff am Ende des ersten Verfahrensschritts aus dem Rohr entfernt wird. Der Füllstoff verhindert vorteilhaft eine Verformung des Rohrs während des Druckgussprozesses. Bevorzugt erfolgt das Entfernen des Füllstoffs mechanisch, beispielsweise durch Spülen und/oder Strahlen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einem zweiten Verfahrensschritt der Stator in das Gehäuse eingepresst.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch den Aufbau eines Gehäuses für eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung in Explosionsansicht.
- 2 illustriert schematisch eine Kühlkanalgeometrie für ein Gehäuse für eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 3a und 3b illustrieren schematisch den Aufbau eines Gehäuses für eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist ein Gehäuse 1 für eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Explosionsansicht schematisch dargestellt. Das Gehäuse 1 besteht aus einem ersten, bevorzugt zylinderförmig ausgeführten Gehäuseteil 2. Das erste Gehäuseteil 2 ist bevorzugt als Gussbauteil ausgeführt. Es weist im Inneren der Wandung eine Kühlkanalgeometrie 4 auf. Hierdurch wird vorteilhaft ein erstes Gehäusebauteil 2 für ein Gehäuse 1 einer elektrischen Maschine mit einer in das erste Gehäusebauteil 2 integrierten Kühlung zur Verfügung gestellt. Der Kühlkanal 4 ist bevorzugt in Form einer Doppelhelix mit ungleichmäßiger Steigung ausgeführt, siehe auch 2. Bevorzugt sind die Windungen der Kühlkanalgeometrie 4 voneinander getrennt, so dass kein Medienaustausch über die Windungen stattfinden kann. In der Nähe der ersten Stirnseite 5 sind in der Figur oben außerdem zwei Öffnungen abgebildet, durch die das Kühlmittel in den Kühlkanal eingeleitet und wieder zurückgeführt werden kann. Diese Kühlkanalgeometrie 4 ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung und damit eine gleichmäßig niedrige Temperatur in der elektrischen Maschine. An seiner ersten Stirnseite 5 weist das erste Gehäusebauteil 2 eine Stirnwand auf, die so gestaltet ist, dass sie als Lagerschild fungiert. Dazu weist sie eine Öffnung auf, die die Rotorwelle der elektrischen Maschine und deren Lager aufnehmen kann. Auf diese Weise ist eines der beiden Lagerschilde direkt in das erste Gehäusebauteil 2 integriert und bildet mit dem ersten Gehäusebauteil 2 ein Bauteil. Hierdurch wird die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert, die Montage vereinfacht und die Stabilität des Gehäuses 1 erhöht. Das erste Gehäusebauteil 2 wird bevorzugt im Druckgussverfahren hergestellt. Hierdurch werden eine geringe Porosität, hohe mechanische Kennwerte und eine verbesserte Wärmebehandlung des ersten Gehäusebauteils 2 erreicht. Während des Druckgussverfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt ein als Kern fungierendes Rohr innerhalb des ersten Gehäusebauteils 2 angeordnet. Eine Umfangfläche des Rohrs definiert die Kühlkanalgeometrie 4. Bevorzugt ist das Rohr während des Druckgussprozesses mit einem Füllstoff gefüllt. Der Füllstoff verhindert ein Verformen des Rohrs während des Druckgussprozesses. Das Rohr verbleibt am Ende des Druckgussprozesses im ersten Gehäusebauteil 2. Der Füllstoff wird am Ende des ersten Verfahrensschrittes bevorzugt mechanisch, beispielsweise durch Spülen und/oder Strahlen, aus dem Rohr entfernt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das erste Gehäusebauteil 2 im Combicore-Verfahren hergestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Stator 7 in das Gehäuse 1 eingepresst. Das Gehäuse 1 wird an der zweiten Stirnseite 6 mit einem zweiten Gehäusebauteil 3 verschlossen. Das zweite Gehäusebauteil 3 bildet somit einen Deckel auf dem ersten Gehäusebauteil 2. Dabei ist das zweite Gehäusebauteil 3 als zweites Lagerschild ausgeführt. Das zweite Gehäusebauteil 3 ist bevorzugt im Wesentlichen flach ausgeführt und weist Bohrungen zur Befestigung am ersten Gehäusebauteil 2 und/oder am Getriebegehäuse auf. Bevorzugt ist das zweite Gehäusebauteil 3 als Gussbauteil ausgeführt.
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In 2 ist eine Kühlkanalgeometrie 4 für ein Gehäuse 1 einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Kühlkanalgeometrie 4 weist die Form einer Doppelhelix auf. Insbesondere weist die Kühlkanalgeometrie 4 eine ungleichmäßige Steigung auf. Die Kühlkanalgeometrie 4 weist Bereich kleinerer und Bereiche größerer Steigung auf. In der abgebildeten Ausführungsform sind die beiden Stränge der Doppelhelix unten miteinander verbunden, so dass das Kühlmittel zunächst im ersten Strang von der Einleitungsöffnung wegfließt und anschließend im zweiten Strang zur Rückführungsöffnung zurückgeleitet wird. Beide Öffnungen sind zueinander benachbart positioniert, so dass Einleitung und Rückleitung des Kühlmittels vorteilhafterweise an derselben Stelle angebracht werden können. Insbesondere sind die Windungen der Doppelhelix voneinander getrennt, so dass ein Medienaustausch, d.h. ein Austausch von Kühlmittel, zwischen den einzelnen Windungen verhindert wird. Die Ausführung der Kühlkanalgeometrie 4 als Doppelhelix mit ungleichmäßiger Steigung bewirkt vorteilhaft eine gleichmäßige Kühlung der elektrischen Maschine über die gesamte Oberfläche des Gehäuses 1. Hierdurch werden vorteilhaft hohe Temperaturgradienten in der elektrischen Maschine verhindert und eine gleichmäßig niedrige Temperatur ermöglicht.
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In 3a und 3b ist ein Gehäuse für eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. 3a zeigt das in 1 in Explosionsansicht dargestellte Gehäuse 1 in Schnittansicht mit dem, in das Gehäuse 1 eingeführten Stator 7. Das Gehäuse 1 weist ein bevorzugt als Gussbauteil ausgeführtes erstes Gehäusebauteil 2 auf. Das erste Gehäusebauteil 2 weist an einer ersten Stirnseite 5 des ersten Gehäusebauteils 2 eine Stirnwand auf, die als Lagerschild ausgeführt ist. Das erste Gehäusebauteil 2 ist somit bevorzugt topfförmig. Das zweite Gehäusebauteil 3 bildet dazu ein zweites Lagerschild, das an der zweiten Stirnseite 6 des ersten Gehäusebauteils 2 angebracht ist. Im Inneren der Wandung des ersten Gehäusebauteils 2 sind Ausnehmungen angeordnet. Diese Ausnehmungen bilden eine Kühlkanalgeometrie 4. Hierdurch wird ein Gehäuse 1 für eine elektrische Maschine, insbesondere für eines Elektrofahrzeugs, mit integrierter Kühlung zur Verfügung gestellt, das gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Kühlleistung und erhöhte Steifigkeit und Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht aufweist. 3b zeigt den in 3a gekennzeichneten Ausschnittbereich A. Hier ist in Vergrößerung der Mantel des ersten Gehäusebauteils 2 mit den, den Kühlkanal 4 bildenden Ausnehmungen abgebildet.
