DE102018113319A1

DE102018113319A1 - Elektromotor mit flüssigkeitsgekühltem Stator und luftgekühltem Rotor

Info

Publication number: DE102018113319A1
Application number: DE102018113319.7A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schmid; Jörn Mayer; Martin Füchtner
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: DE102018113319B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorraum des Elektromotors einen Ventilator aufweist, wobei der Statorbereich des Elektromotors einen ersten Ringkanal und einen zweiten Ringkanal aufweist, wobei der erste Ringkanal zum Einleiten von Kühlflüssigkeit in den Statorbereich ausgebildet ist, wobei der zweite Ringkanal zum Ausleiten von Kühlflüssigkeit aus dem Statorbereich ausgebildet ist, wobei der Statorbereich flüssigkeitsdicht gegenüber dem Rotorraum abgeschlossen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kühlung des Elektromotors, wobei der Statorbereich mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch den ersten Ringkanal in den Statorbereich eingeleitet wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch den zweiten Ringkanal aus dem Statorbereich ausgeleitet wird, wobei der Rotor durch durchströmende Luft gekühlt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Elektromotor eines Elektrofahrzeugs.
Der ungebrochene Trend hin zur Elektromobilität lässt die Nachfrage nach Elektromotoren mit hoher Leistung immer stärker werden. Elektromotoren erzeugen während des Betriebs Abwärme durch elektrische und mechanische Verluste. Dies erfordert eine Kühlung des Elektromotors, um den gewünschten und effizienten Betrieb des Elektromotors zu gewährleisten. Eine Überhitzung des Elektromotors kann zu Beschädigungen, beispielsweise der Motorlager oder der Statorisolierung, führen. Zu einer effizienten Kühlung gehört, dass alle zu kühlenden Bereiche des Elektromotors effektiv von einem Kühlmedium erreicht werden und dass der Kühlmechanismus ausreichend robust ist. Gerade im Rahmen der Elektromobilität ist eine Reduktion des Gewichtes der Antriebseinheit, also des Elektromotors mitsamt der Kühlung, wünschenswert. Aus der Druckschrift EP 3121938 A1 ist die Kühlung eines Elektromotors bekannt, bei der eine Kühlflüssigkeit radial durch den Motor geleitet wird. Eine Kühlflüssigkeit ist geeignet, schnell große Wärmemengen abzuführen, ist selbst jedoch schon relativ schwer. Die Druckschrift WO 2011/066068 A1 offenbart die Kühlung eines Elektromotors, wobei Teile des Elektromotors mit einer Kühlflüssigkeit und andere Teile des Elektromotors mit Luft gekühlt werden. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit hat sich hier allerdings als nicht optimal erwiesen.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor bereitzustellen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und eine robuste und gleichmäßige Kühlung bei relativ wenig Gewicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor, aufweisend ein Gehäuse, einen Statorbereich und einen Rotorraum, wobei der Rotorraum einen Rotor und eine Welle aufweist, wobei der Statorbereich eine Kupferwicklung und ein Statorblechpaket aufweist, wobei der Statorbereich einen ersten Wickelkopf und einen zweiten Wickelkopf aufweist, wobei der Statorbereich axiale Statornuten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorraum einen Ventilator aufweist, wobei der Statorbereich einen ersten Ringkanal und einen zweiten Ringkanal aufweist, wobei der erste Ringkanal zum Einleiten von Kühlflüssigkeit in den Statorbereich ausgebildet ist, wobei der zweite Ringkanal zum Ausleiten von Kühlflüssigkeit aus dem Statorbereich ausgebildet ist, wobei der Statorbereich flüssigkeitsdicht gegenüber dem Rotorraum abgeschlossen ist.
Auf diese Weise wird ein Elektromotor bereitgestellt, dessen Statorbereich, vor allem also den ersten Wicklungskopf, den zweiten Wicklungskopf, die Kupferwicklung und das Statorblechpaket mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Über den ersten Ringkanal wird die Kühlflüssigkeit gleichmäßig in den Statorbereich geführt, wobei der erste Ringkanal vorzugsweise entlang des ersten Wickelkopfes angeordnet ist. Die Kupferwicklung, der erste Wickelkopf und der zweite Wickelkopf sind so gestaltet, dass sie von der Kühlflüssigkeit umströmt werden können. Über den zweiten Ringkanal wird die Kühlflüssigkeit gleichmäßig aus dem Statorbereich abgeführt. Der zweite Ringkanal ist vorzugsweise entlang des zweiten Wickelkopfes angeordnet.
Denkbar ist, dass der Elektromotor einen Wärmetauscher oder eine andere Kühleinrichtung zum Abkühlen der Kühlflüssigkeit aufweist. Denkbar ist weiterhin, dass der Elektromotor einen Kühlflüssigkeitskreislauf zum Kühlen des Elektromotors mit der Kühlflüssigkeit und Wiederverwenden der Kühlflüssigkeit aufweist. Dazu ist ferner denkbar, dass der Elektromotor eine oder mehrere Pumpen zum Einleiten der Kühlflüssigkeit in den ersten Ringkanal aufweist.
Der Statorbereich ist vorzugsweise gegen den Rotorraum mit einem sehr dünnen Spaltrohr fluiddicht abgeschlossen.
Der Rotor im Rotorraum wird mit Luft gekühlt. Dazu saugt der Ventilator Luft durch Öffnungen im Gehäuse in den Innenraum der Welle ein. Dazu ist die Welle als Hohlwelle ausgeführt.
Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einem Aluminiummaterial gefertigt.
Bevorzugt weist der erste Ringkanal einen Kühlmitteleinlass und/oder der zweite Ringkanal einen Kühlmittelauslass auf, welche in einer besonders bevorzugten Ausführungsform derart gestaltet sind, dass Kühlmittelschläuche auf diese dicht aufgesteckt oder aufgeschraubt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilator ein Axialventilator ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Ringkanal zum ersten Wickelkopf hin erste radiale Bohrungen aufweist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise das gleichmäßige Einströmen der Kühlflüssigkeit vom ersten Ringkanal in den Bereich des ersten Wickelkopfes. Vorzugsweise sind die ersten radialen Bohrungen so angeordnet, dass die Kühlflüssigkeit den ersten Wickelkopf gleichmäßig umströmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Ringkanal zum zweiten Wickelkopf hin zweite radiale Bohrungen aufweist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise das gleichmäßige Ausströmen der Kühlflüssigkeit vom Bereich des zweiten Wickelkopfes in den zweiten Ringkanal. Vorzugsweise sind die zweiten radialen Bohrungen so angeordnet, dass die Kühlflüssigkeit den zweiten Wickelkopf beim Ausströmen gleichmäßig umströmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Wickelkopf mit einer Isolierhülse gegen das Gehäuse elektrisch isoliert ist, wobei vorzugsweise die Isolierhülse aus PEEK-Kunststoff hergestellt ist. Der Fachmann versteht unter PEEK-Kunststoff einen Polyetheretherketon-Kunststoff. Die elektrische Isolierung des ersten Wickelkopfes gegenüber dem Gehäuse schützt den Elektromotor vor Kurzschlüssen und am Elektromotor anliegende Teile vor Beschädigungen beispielsweise durch vom Gehäuse des Elektromotors ausgehende Kriechströme. PEEK-Kunststoff ist ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff mit hervorragenden Eigenschaften bezüglich elektromagnetischer und chemischer Beständigkeit. Zudem ist PEEK-Kunststoff leicht zu verarbeiten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Ringkanal durch die Isolierhülse und das Gehäuse gebildet ist. Die Isolierhülse, bevorzugt aus PEEK-Kunststoff hergestellt, lässt sich einfach verarbeiten. Damit ist es vorteilhaft einfach möglich, einen passgenauen temperaturbeständigen ersten Ringkanal unter der Verwendung möglichst weniger Teile und damit unter Reduktion des Gewichtes des Elektromotors herzustellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Wickelkopf mit einem Kühldeckel gegen das Gehäuse elektrisch isoliert ist, wobei vorzugsweise der Kühldeckel aus PEEK-Kunststoff hergestellt ist. Die elektrische Isolierung des zweiten Wickelkopfes gegenüber dem Gehäuse schützt den Elektromotor vor Kurzschlüssen und am Elektromotor anliegende Teile vor Beschädigungen beispielsweise durch vom Gehäuse des Elektromotors ausgehende Kriechströme.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Ringkanal durch den Kühldeckel und das Gehäuse gebildet ist. Der Kühldeckel, bevorzugt aus PEEK-Kunststoff hergestellt, lässt sich einfach verarbeiten. Damit ist es vorteilhaft einfach möglich, einen passgenauen temperaturbeständigen zweiten Ringkanal unter der Verwendung möglichst weniger Teile und damit unter Reduktion des Gewichtes des Elektromotors herzustellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilator direkt in die Welle gefräst ist, wobei der Ventilator derart ausgestaltet ist, dass er bei einer Drehbewegung der Welle Luft durch Öffnungen im Gehäuse axial in das Innere der Welle saugt. Dies ermöglicht eine vorteilhafte gewichtreduzierende und robuste Ausführung des Ventilators. Dadurch, dass der Ventilator direkt in die Welle gefräst ist, sind keine weiteren Bauteile notwendig. Dreht sich die Welle, so saugt der Ventilator Luft zum Kühlen durch Öffnungen im Gehäuse in das Innere der Welle. Denkbar ist auch, dass der Ventilator eine durch additive manufacturing, beispielsweise durch Lasersintern, direkt auf die Welle aufgebrachte Lüftergeometrie ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Axial-Radialventilator auf die Welle montiert ist, wobei der Axial-Radialventilator derart gestaltet ist, dass er bei einer Drehbewegung der Welle Luft aus dem Inneren der Welle axial absaugt und radial durch eine Luftführung aus dem Elektromotor drückt. Der Axial-Radialventilator saugt somit erwärmte Luft aus dem Inneren der Welle ab und drückt diese durch die Luftführung nach außen. Damit unterstützt der Axial-Radialventilator den Ventilator und sorgt für eine effektive Luftkühlung der Welle.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kühlung eines Elektromotors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Statorbereich mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch den ersten Ringkanal in den Statorbereich eingeleitet wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch den zweiten Ringkanal aus dem Statorbereich ausgeleitet wird, wobei der Rotor durch durchströmende Luft gekühlt wird. Durch das Einleiten der Kühlflüssigkeit durch den ersten Ringkanal und das Ausleiten der Kühlflüssigkeit durch den zweiten Ringkanal ist eine gleichmäßige Kühlung des Elektromotors ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeit unter Druck in den ersten Ringkanal geleitet wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch erste radiale Bohrungen vom ersten Ringkanal zum ersten Wickelkopf geleitet wird. Dies gewährleistet ein ortsgenaues Verteilen der Kühlflüssigkeit am ersten Wickelkopf. Vorzugsweise wird die Kühlflüssigkeit mit mindestens einer Pumpe in den ersten Ringkanal gepumpt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass wobei die Kühlflüssigkeit vom ersten Wickelkopf axial durch den Statorbereich entlang der Statornuten zum zweiten Wickelkopf geleitet wird. Vorzugsweise werden der erste Wickelkopf und der zweite Wickelkopf von der Kühlflüssigkeit umströmt. Dies ermöglicht eine effektive Kühlung des Statorbereiches.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die durchströmende Luft von einem Ventilator auf einer Welle des Rotors in das Innere der Welle gefördert wird. Der Ventilator ist vorzugsweise direkt in die Welle gefräst. Dies ermöglicht eine sehr robuste und einfache Kühlung des Rotors.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die durchströmende Luft von einem Axial-Radialventilator aus dem Elektromotor gefördert wird. Der Axial-Radialventilator unterstützt den Ventilator und sorgt für eine effektive Kühlung des Rotors. Vorzugsweise wird die durchströmende Luft durch die Luftführung aus dem Inneren der Welle gedrückt.
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 des Elektromotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein schematisches Schnittbild des Elektromotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist schematisch der Aufbau des Elektromotors 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Durch den Kühlmitteleinlass 2 wird mit Pumpen die Kühlflüssigkeit in den ersten Ringkanal 4 gepumpt. Der erste Ringkanal 4 besteht aus der Isolierhülse 15 (hier nicht gezeigt, dargestellt in 2) und dem Gehäuse 1.1 (hier nicht bezeichnet, dargestellt in 2). Die Kühlflüssigkeit strömt mit der Strömungsrichtung am Kühlmitteleinlass 5 durch den ersten Ringkanal 4. Durch die ersten radialen Bohrungen 6 strömt die Kühlflüssigkeit zum ersten Wickelkopf 7, welcher zum Kühlen von der Kühlflüssigkeit umströmt wird. Vom ersten Wickelkopf 7 fließt die Kühlflüssigkeit weiter durch die Statornuten 8 zum zweiten Wickelkopf 10. Vom zweiten Wickelkopf 10 strömt die Kühlflüssigkeit durch die zweiten radialen Bohrungen 9 in den zweiten Ringkanal 11 und dann durch diesen in Strömungsrichtung am Kühlmittelauslass 12 zum Kühlmittelauslass 3. Zwischen Kühlmittelauslass 3 und Kühlmitteleinlass 2 wird die Kühlflüssigkeit in einem Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmetauscher abgekühlt (nicht gezeigt).
2 zeigt eine schematische Schnittbildzeichnung des Elektromotors 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Elektromotor 1 besitzt ein Gehäuse 1.1 aus Aluminium. Aus den ersten Ringkanal 4 strömt die Kühlflüssigkeit durch erste radiale Bohrungen 6 zum ersten Wickelkopf 7. Der erste Ringkanal 4 wird durch die Isolierhülse 15 aus PEEK-Kunststoff und dem Gehäuse 1.1 gebildet. Vom ersten Wickelkopf 7 strömt die Kühlflüssigkeit entlang der Statornuten 8 (hier nicht gezeigt, dargestellt in 1) axial durch den Statorbereich zum zweiten Wickelkopf 10 und kühlt den ersten Wickelkopf 7, die Kupferwicklung 14, das Statorblechpaket 13 und den zweiten Wickelkopf 10. Am zweiten Wickelkopf 10 strömt die Kühlflüssigkeit durch die zweiten radialen Bohrungen 9 in den zweiten Ringkanal 11. Der zweite Ringkanal 11 wird durch das Gehäuse 1.1 und den Kühldeckel 17 aus PEEK-Kunststoff gebildet.
Der Statorbereich wird vom Spaltrohr 16 fluiddicht vom Rotorraum 18 isoliert. Im Rotorraum 18 befindet sich der Rotor 19 des Elektromotors 1. In die Welle 20, welche als Hohlwelle ausgeführt ist, ist der Ventilator 21 eingefräst. Bei einer Drehung der Welle 20 fördert der Ventilator 21 Luft durch Öffnungen (nicht gezeigt) im Gehäuse 1.1 in die Welle 20 und verursacht so die Kühlluftströmung 24. Die geförderte Luft kühlt die Innenseite der Welle 20 und wird vom Axial-Radialventilator 22 wieder aus dem Inneren der Welle 20 abgesaugt und durch die Luftführung 23 nach außen gefördert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3121938 A1 [0002]
WO 2011/066068 A1 [0002]

Claims

Elektromotor (1), aufweisend ein Gehäuse (1.1), einen Statorbereich und einen Rotorraum (18), wobei der Rotorraum (18) einen Rotor (19) und eine Welle (20) aufweist, wobei der Statorbereich eine Kupferwicklung (14) und ein Statorblechpaket (13) aufweist, wobei der Statorbereich einen ersten Wickelkopf (7) und einen zweiten Wickelkopf (10) aufweist, wobei der Statorbereich axiale Statornuten (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorraum (18) einen Ventilator (21) aufweist, wobei der Statorbereich einen ersten Ringkanal (4) und einen zweiten Ringkanal (11) aufweist, wobei der erste Ringkanal (4) zum Einleiten von Kühlflüssigkeit in den Statorbereich ausgebildet ist, wobei der zweite Ringkanal (11) zum Ausleiten von Kühlflüssigkeit aus dem Statorbereich ausgebildet ist, wobei der Statorbereich flüssigkeitsdicht gegenüber dem Rotorraum (18) abgeschlossen ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 1, wobei der Ventilator (21) ein Axialventilator ist.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringkanal (4) zum ersten Wickelkopf (7) hin erste radiale Bohrungen (6) aufweist.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Ringkanal (11) zum zweiten Wickelkopf (10) hin zweite radiale Bohrungen (9) aufweist.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wickelkopf (7) mit einer Isolierhülse (15) gegen das Gehäuse (1.1) elektrisch isoliert ist, wobei vorzugsweise die Isolierhülse (15) aus PEEK-Kunststoff hergestellt ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 4, wobei der erste Ringkanal (4) durch die Isolierhülse (15) und das Gehäuse (1.1) gebildet ist.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Wickelkopf (10) mit einem Kühldeckel (17) gegen das Gehäuse (1.1) elektrisch isoliert ist, wobei vorzugsweise der Kühldeckel (17) aus PEEK-Kunststoff hergestellt ist.
Elektromotor (1) nach Anspruch 6, wobei der zweite Ringkanal (11) durch den Kühldeckel (17) und das Gehäuse (1.1) gebildet ist.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ventilator (21) direkt in die Welle (20) gefräst ist, wobei der Ventilator (21) derart ausgestaltet ist, dass er bei einer Drehbewegung der Welle (20) Luft durch Öffnungen im Gehäuse (1.1) axial in das Innere der Welle (20) saugt.
Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Axial-Radialventilator (22) auf die Welle (20) montiert ist, wobei der Axial-Radialventilator (22) derart gestaltet ist, dass er bei einer Drehbewegung der Welle (20) Luft aus dem Inneren der Welle (20) axial absaugt und radial durch eine Luftführung (23) aus dem Elektromotor (1) drückt.
Verfahren zur Kühlung eines Elektromotors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Statorbereich mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch den ersten Ringkanal (4) in den Statorbereich eingeleitet wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch den zweiten Ringkanal (11) aus dem Statorbereich ausgeleitet wird, wobei der Rotor (19) durch durchströmende Luft gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kühlflüssigkeit unter Druck in den ersten Ringkanal (4) geleitet wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch erste radiale Bohrungen (6) vom ersten Ringkanal (4) zum ersten Wickelkopf (7) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei die Kühlflüssigkeit vom ersten Wickelkopf (7) axial durch den Statorbereich entlang der Statornuten (8) zum zweiten Wickelkopf (10) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Kühlflüssigkeit vom zweiten Wickelkopf (10) durch zweite radiale Bohrungen (9) in den zweiten Ringkanal (11) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die durchströmende Luft von einem Ventilator (21), insbesondere einem Ventilator (21), auf einer Welle (20) des Rotors (19) in das Innere der Welle (20) gefördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die durchströmende Luft von einem Axial-Radialventilator (22) aus dem Elektromotor (1) gefördert wird.