DE102017203156A1 - Electric machine for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Gehäuse (2), einen Stator (3), wobei der Stator (3) über einen Statorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Statorkühlkreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist und einen Kühlmantel (4) aufweist, der am Stator (3) angeordnet ist, und einen Rotor (5), wobei der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Rotorkühlkreislauf ein interner, geschlossener Kühlkreislauf ist, der einen Wärmetauscher (6) aufweist, wobei der Wärmetauscher (6) durch den Kühlmantel (4) des Statorkühlkreislaufs ausgebildet ist.Electric machine (1) for a motor vehicle comprising a housing (2), a stator (3), wherein the stator (3) can be cooled via a stator cooling circuit, wherein the stator cooling circuit is connected to an external cooling circuit and has a cooling jacket (4), which is arranged on the stator (3), and a rotor (5), wherein the rotor is cooled by a rotor cooling circuit, wherein the rotor cooling circuit is an internal, closed cooling circuit having a heat exchanger (6), wherein the heat exchanger (6) the cooling jacket (4) of the stator cooling circuit is formed.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Gehäuse, einen Stator, wobei der Stator über einen Statorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Statorkühlkreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist, und einen Rotor, wobei der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Rotorkühlkreislauf ein interner, geschlossener Kühlkreislauf ist.The present invention relates to an electric machine for a motor vehicle comprising a housing, a stator, wherein the stator is cooled by a stator cooling circuit, wherein the stator cooling circuit is connected to an external cooling circuit, and a rotor, wherein the rotor is cooled via a rotor cooling circuit, wherein the rotor cooling circuit is an internal, closed cooling circuit.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Maschinen, Asynchronmaschinen wie Synchronmaschinen, erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme - elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die den Stator und/oder den Rotor der elektrischen Maschine kühlt.Electric machines, asynchronous machines, such as synchronous machines, generate heat due to the dielectric loss during their operation - electrical energy is converted into heat, which, on the one hand, causes a deterioration in the efficiency of the electric machine and, on the other hand, adversely affects a reliable operation of the electric machine over its lifetime. Therefore, a cooling device is generally provided in electrical machines, which cools the stator and / or the rotor of the electric machine.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Maßnahmen zum Kühlen von elektrischen Maschinen bekannt. Die gängigsten Arten der Kühlung sind jedoch die Luftkühlung und die Flüssigkeitskühlung. In der Regel werden dabei der Kühlung zugeordnete Kühlkanäle an einen externen Kühlkreislauf, wie beispielsweise den Kühlkreislauf eines wassergekühlten Verbrennungsmotors, angeschlossen.Numerous measures for cooling electrical machines are known from the prior art. However, the most common types of cooling are air cooling and liquid cooling. As a rule, cooling channels associated with the cooling are connected to an external cooling circuit, such as, for example, the cooling circuit of a water-cooled internal combustion engine.
Das Dokument
Das Schriftstück
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine mit einer alternativen, bedarfsgerechten Kühlung anzugeben, die sich durch einen bauteiloptimierten und somit kostenreduzierten Aufbau auszeichnet.It is an object of the invention to provide an electric machine with an alternative, need-based cooling, which is characterized by a component-optimized and thus cost-reduced structure.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Gehäuse, einen Stator, wobei der Stator über einen Statorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Statorkühlkreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist und einen Kühlmantel aufweist, der am Stator angeordnet ist, und einen Rotor, wobei der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Rotorkühlkreislauf ein interner, geschlossener Kühlkreislauf ist, der einen Wärmetauscher aufweist, wobei der Wärmetauscher durch den Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs ausgebildet ist.The object is achieved by an electrical machine for a motor vehicle comprising a housing, a stator, wherein the stator is cooled by a stator cooling circuit, the stator cooling circuit is connected to an external cooling circuit and having a cooling jacket, which is arranged on the stator, and a Rotor, wherein the rotor is cooled via a rotor cooling circuit, wherein the rotor cooling circuit is an internal, closed cooling circuit having a heat exchanger, wherein the heat exchanger is formed by the cooling jacket of the stator cooling circuit.
Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Maschine ein Gehäuse, einen Stator sowie einen Rotor.According to the invention, the electric machine comprises a housing, a stator and a rotor.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist der Stator über einen Statorkühlkreislauf und der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar. D.h. der Statorkühlkreislauf dient bei Bedarf der Kühlung des Stators der elektrischen Maschine und der Rotorkühlkreislauf dient bei Bedarf der Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine.According to the present invention, the stator is cooled via a stator cooling circuit and the rotor via a rotor cooling circuit. That If necessary, the stator cooling circuit serves to cool the stator of the electric machine, and the rotor cooling circuit serves as needed to cool the rotor of the electric machine.
Der Statorkühlkreislauf ist erfindungsgemäß an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen und weist einen Kühlmantel auf, der am Stator angeordnet ist. Der externe Kühlkreislauf kann beispielsweise der Kühlkreislauf eines wassergekühlten Verbrennungsmotors sein. Der externe Kühlkreislauf kann auch der Kühlung weiterer Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise einem Inverter, dienen. Der externe Kühlkreislauf bedient sich dabei einer Kühleinrichtung zur Kühlung eines Kühlmittels. Diese Kühleinrichtung kann beispielsweise als ein Wärmetauscher, ein Flüssigkeitskreislauf oder eine Luftkühlung ausgebildet sein.The stator cooling circuit according to the invention is connected to an external cooling circuit and has a cooling jacket, which is arranged on the stator. The external cooling circuit can be, for example, the cooling circuit of a water-cooled internal combustion engine. The external cooling circuit may also serve to cool other vehicle components, such as an inverter. The external cooling circuit uses a cooling device for cooling a coolant. This cooling device can be designed, for example, as a heat exchanger, a liquid circuit or an air cooling system.
Unter einem Kühlmittel ist jedes dem Fachmann bekannte Kühlmittel, das zur Kühlung von elektrischen Maschinen verwendet werden kann, zu verstehen.A coolant is to be understood as meaning any coolant known to the person skilled in the art which can be used for cooling electrical machines.
Bei dem Rotorkühlkreislauf handelt es sich erfindungsgemäß um einen internen, geschlossenen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher aufweist. Unter der Begrifflichkeit „interner, geschlossener Kühlkreislauf“ soll dabei insbesondere ein Kühlkreislauf verstanden werden, der nicht mit einem externen Kühlkreislauf verbunden ist und der stofflich nicht mit einem anderen Kühlkreislauf, hier dem Statorkühlkreislauf, gekoppelt ist.The rotor cooling circuit according to the invention is an internal, closed cooling circuit which has a heat exchanger. The term "internal, closed cooling circuit" is to be understood in particular a cooling circuit, which is not connected to an external cooling circuit and the material not coupled with another cooling circuit, here the stator cooling circuit.
Sowohl der Statorkühlkreislauf, wie auch der Rotorkühlkreislauf sind als integrale Bestandteile der elektrischen Maschine zu verstehen.Both the stator cooling circuit and the rotor cooling circuit are to be understood as integral components of the electrical machine.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Wärmetauscher des Rotorkühlkreislaufs durch den Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs ausgebildet.According to the present invention, the heat exchanger of the rotor cooling circuit is formed by the cooling jacket of the stator cooling circuit.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die elektrische Maschine in Bezug auf eine effiziente Kühlung des Stators wie auch des Rotors unter minimalem Bauteil und somit Kostenaufwand dargestellt werden kann. Im Besonderen durch die Nutzung des Kühlmantels des Statorkühlkreislaufs als Wärmetauscher für den Rotorkühlkreislauf lässt sich eine Synergieeffekt generieren, der es ermöglicht einen bauteil- sowie kostenoptimierten Aufbau der elektrischen Maschine zu generieren und weiterhin eine bedarfsgerechte Kühlung des Stators sowie des Rotors sicher zu stellen. Zudem werden die Schnittstellen zu einem externen Kühlkreislauf minimiert und somit die Gefahr einer ungewollten Verunreinigung des Kühlmittels innerhalb der Kühlkreisläufe reduziert, wodurch ein zuverlässiger Betrieb der elektrischen Maschine gewährleistet werden kann.The advantages achieved by the invention are in particular that the electric machine can be represented with respect to efficient cooling of the stator as well as the rotor with minimal component and thus cost. In particular, by the use of the cooling jacket of Statorkühlkreislaufs as a heat exchanger for the rotor cooling circuit can generate a synergy effect that allows generating a component and cost-optimized design of the electric machine and continue to provide a needs-based cooling of the stator and the rotor safely. In addition, the interfaces to an external cooling circuit are minimized, thus reducing the risk of unwanted contamination of the coolant within the cooling circuits, whereby a reliable operation of the electrical machine can be ensured.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.Further developments of the invention are specified in the dependent claims, the description and the accompanying drawings.
Bevorzugt ist die elektrische Maschine in Innenläuferbauweise mit radial außen liegendem Stator ausgeführt, wobei der Kühlmantel den Stator zumindest teilweise, bevorzugt über einen Bereich von 180° bis 300°, außenumfänglich umgibt. Bei einem derartigen Aufbau ist folglich von radial innen nach radial außen betrachtet der Rotor außenumfänglich von dem Stator umgeben, der Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs ist außenumfänglich an dem Stator ausgeführt und das Gehäuse der elektrischen Maschine umgibt wiederum den Kühlmantel des Stators außenumfänglich.Preferably, the electric machine is designed in an inner rotor design with a radially outer stator, wherein the cooling jacket surrounding the stator at least partially, preferably over a range of 180 ° to 300 °, the outer circumference. In such a structure, the rotor is therefore circumferentially surrounded by the stator from radially inward to radially outward, the cooling jacket of the stator cooling circuit is embodied on the outside of the stator and the housing of the electrical machine in turn surrounds the cooling jacket of the stator on the outside.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist der Rotorkühlkreislauf einen ersten Kühlkanal zur Führung eines Kühlmittels durch den Rotor mit zumindest einem ersten Kühlmitteleinlass und zumindest einem ersten Kühlmittelauslass auf. Weiterhin weist der Rotorkühlkreislauf bevorzugt einen zweiten Kühlkanal zur Führung des Kühlmittels entlang des Wärmetauschers, nämlich dem Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs, des Rotorkühlkreislaufs mit zumindest einem zweiten Kühlmitteleinlass und zumindest einem zweiten Kühlmittelauslass auf. Vorzugsweise ist der zweite Kühlmittelauslass des zweiten Kühlkanals über eine erste Kühlmittelleitung mit dem ersten Kühlmitteleinlass des ersten Kühlkanals und der erste Kühlmittelauslass des ersten Kühlkanals über eine zweite Kühlmittelleitung mit dem zweiten Kühlmitteleinlass des zweiten Kühlkanals fluidverbunden.In a preferred embodiment of the electric machine according to the invention, the rotor cooling circuit has a first cooling channel for guiding a coolant through the rotor with at least one first coolant inlet and at least one first coolant outlet. Furthermore, the rotor cooling circuit preferably has a second cooling channel for guiding the coolant along the heat exchanger, namely the cooling jacket of the stator cooling circuit, the rotor cooling circuit with at least one second coolant inlet and at least one second coolant outlet. Preferably, the second coolant outlet of the second cooling channel is fluidly connected to the first coolant inlet of the first cooling channel via a first coolant line and the first coolant outlet of the first cooling channel via a second coolant line to the second coolant inlet of the second cooling channel.
Bevorzugt ist der erste Kühlkanal in einer Rotorwelle des Rotors ausgebildet und erstreckt sich zumindest teilweise im Wesentlichen axial durch die Rotorwelle.Preferably, the first cooling channel is formed in a rotor shaft of the rotor and extends at least partially substantially axially through the rotor shaft.
Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer Drehachse der Rotorwelle des Rotors.The term "axial" describes a direction along or parallel to a rotational axis of the rotor shaft of the rotor.
Die Begrifflichkeit „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse der Rotorwelle des Rotors.The term "radial" describes a direction normal to the axis of rotation of the rotor shaft of the rotor.
Der erste Kühlmittelauslass weist vorzugsweise einen größeren radialen Abstand zu der Drehachse der Rotorwelle des Rotors auf als der erste Kühlmitteleinlass. Durch die Anordnung des ersten Kühlmittelauslasses in größerem radialen Abstand zur der Drehachse als der erste Kühlmitteleinlass stellt sich eine drehzahlabhängige Druckdifferenz und damit ein drehzahlabhängiger Massenstrom in dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal ein. Die Kühlkanäle können in allen Komponenten des Rotors ausgeführt sein. Die Form und die Größe der Kühlkanäle richtet sich nach dem erforderlichen Massenstrom und der abzuführenden Wärmeleistung. Die Druckdifferenz zwischen dem ersten Kühlmitteleinlass und dem ersten Kühlmittelauslass kann anhand des Zusammenhangs
Bevorzugt ist der zweite Kühlkanal in dem Gehäuse der elektrischen Maschine ausgebildet.Preferably, the second cooling channel is formed in the housing of the electric machine.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist an oder in dem Gehäuse der elektrischen Maschine im Bereich des ersten Kühlmittelauslasses eine spiralförmige Auffanggeometrie angeordnet. Die spiralförmige Auffanggeometrie wandelt die kinetische Energie des aus dem Kühlmittelauslasses ausströmenden Kühlmittels in einen Druckanstieg am Ende der Spirale um und erhöht somit den Massendurchsatz des geschlossenen Rotorkühlkreislaufes bei gleichbleibendem Energieaufwand. Weiterhin erfolgt eine Umwandlung der Rotationsenergie des Kühlmittels, aufgeprägt durch die Rotation der Rotorwelle des Rotors, in eine translatorische Bewegung.In an advantageous embodiment of the electric machine according to the invention, a spiral-shaped collecting geometry is arranged on or in the housing of the electric machine in the region of the first coolant outlet. The spiral collecting geometry converts the kinetic energy of the coolant flowing out of the coolant outlet into a pressure increase at the end of the spiral and thus increases the mass flow rate of the closed rotor cooling circuit with the same energy expenditure. Furthermore, a conversion of the rotational energy of the coolant, imprinted by the rotation of the rotor shaft of the rotor, in a translatory movement.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. -
2 zeigt eine erste perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. -
3 zeigt eine zweite perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. -
4 zeigt eine dritte perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. -
5 zeigt eine erste perspektivische Ansicht einer spiralförmigen Auffanggeometrie. -
6 zeigt eine zweite perspektivische Ansicht einer spiralförmigen Auffanggeometrie.
-
1 is a sectional view of an electric machine according to the invention. -
2 shows a first perspective view of an electric machine according to the invention. -
3 shows a second perspective view of an electric machine according to the invention. -
4 shows a third perspective view of an electrical machine according to the invention. -
5 shows a first perspective view of a spiral collecting geometry. -
6 shows a second perspective view of a spiral collecting geometry.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
In
Die elektrische Maschine
Die elektrische Maschine
Da der Aufbau und die Funktion eines Stators
Der Stator
Der Statorkühlkreislauf ist an einen externen Kühlkreislauf (nicht dargestellt) angeschlossen, die den Statorkühlkreislauf mit einem gekühlten Kühlmittel versorgt. Der Statorkühlkreislauf weist einen Kühlmantel
Der Rotorkühlkreislauf ist ein interner, geschlossener Kühlkreislauf, der mit einem Kühlmittel gefüllt ist. Das Kühlmittel des Rotorkühlkreislaufs ist stofflich nicht mit dem Kühlmittel des Statorkühlkreislaufs gekoppelt. Der Rotorkühlkreislauf umfasst einen ersten Kühlkanal
Der erste Kühlkanal
Der erste Kühlmitteleinlass
Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Drehachse
Die Begrifflichkeit „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse
Der zweite Kühlkanal
Der erste Kühlkanal
Die Förderung des Kühlmittels innerhalb des Rotorkühlkreislaufs erfolgt über die Rotation der Rotorwelle
Im Bereich der beiden ersten Kühlmittelabflüsse
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Elektrische MaschineElectric machine
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Statorstator
- 44
- Kühlmantelcooling jacket
- 55
- Rotorrotor
- 66
- Wärmetauscherheat exchangers
- 77
- Erster KühlkanalFirst cooling channel
- 88th
- Zweiter KühlkanalSecond cooling channel
- 99
- Erster KühlmitteleinlassFirst coolant inlet
- 1010
- Zweiter KühlmitteleinlassSecond coolant inlet
- 1111
- Erste KühlmittelauslassFirst coolant outlet
- 11'11 '
- Weiterer erster KühlmittelauslassAnother first coolant outlet
- 1212
- Zweiter KühlmittelauslassSecond coolant outlet
- 1313
- Erste KühlmittelleitungFirst coolant line
- 1414
- Zweite KühlmittelleitungSecond coolant line
- 1515
- Rotorwellerotor shaft
- 1616
- Drehachse (der Rotorwelle)Rotary axis (the rotor shaft)
- 1717
- Spiralförmige AuffanggeometrieSpiral collecting geometry
- 1818
- Kühlmittelführender Kanal (des Kühlmantels)Coolant carrying duct (of the cooling jacket)
- 1919
- Innenseite (des Kühlmantels)Inside (of the cooling jacket)
- 2020
- Umkehrpunktturning point
- 2121
- Wellenendeshaft end
- 2222
- Hülseshell
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R016 | Response to examination communication | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |