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Die Erfindung betrifft eine elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung.
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Stand der Technik
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Aktuell besteht der Antriebsstrang für Hybrid- und Elektroantriebe aus einer Vielzahl von eigenständigen Einzelkomponenten wie z.B. Elektromotor, Getriebe, Leistungselektronik etc. Zum einen müssen diese Einzelkomponenten miteinander verbunden werden und zum anderen umfassen die Einzelkomponenten jeweils individuelle Subkomponenten wie Gehäuse, Lager, Dichtungen etc., die bei jeder Einzelkomponente identische oder ähnliche Aufgaben übernehmen.
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Durch die Integration von mehreren Einzelkomponenten zu einem System lassen sich Material- und Fertigungskosten einsparen. Einige Subkomponenten können etwa entfallen bzw. in ihrer Anzahl reduziert werden wie z.B. Stecker, Schrauben, Dichtungen, Gehäusedeckel etc., weitere können günstiger werden, wie z.B. Leitungen, durch eine Verkleinerung der Entfernung der Komponenten zueinander und die Montage kann sich aufgrund weniger zu montierender Teile im Umfang verringern. Ein Beispiel hierfür ist die E-Achse von Bosch, bei der Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik in einem Gehäuse integriert sind. Hierdurch wird es auch möglich, einen Kühlkreislauf für mehrere Komponenten zu nutzen.
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Durch die grundsätzlich sehr strengen Bauraumanforderungen im Automotive-Bereich und einer angestrebten weiteren Erhöhung der Leistungsdichte spielt die Thermik der E-Maschine eine wichtige Rolle. Es ist somit von zentraler Bedeutung, die als Wärme anfallende Verlustleistung der E-Maschine abzuführen.
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Die
DE 10 2013 204 766 A1 offenbart eine elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung, welche wenigstens eine Fahrzeugachse aufweist, an welcher Fahrzeugräder anbringbar sind, und wobei die elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung ein Getriebe aufweist, welches mit der Fahrzeugachse verbunden ist. Ferner weist die Fahrzeugachsenvorrichtung einen Elektromotor auf, welcher mit dem Getriebe gekoppelt ist, zum Übertragen eines Drehmoments auf die Fahrzeugachse und die mit der Fahrzeugachse verbundenen Fahrzeugräder. Überdies weist die elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung eine Leistungselektronik auf, wobei die Leistungselektronik einen Inverter aufweist, welcher mit dem Elektromotor verbunden ist, zum Speisen des Elektromotors mit elektrischer Energie.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung, welche wenigstens eine Fahrzeugachse aufweist, an welcher Fahrzeugräder anbringbar sind, und wobei die elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung außerdem folgende Komponenten aufweist: ein Getriebe, welches mit der Fahrzeugachse verbunden ist, einen Elektromotor, welcher mit dem Getriebe gekoppelt ist zum Übertragen eines Drehmoments auf die Fahrzeugachse und die mit der Fahrzeugachse verbunden Fahrzeugräder, eine Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik einen Inverter aufweist, welcher mit dem Elektromotor verbunden ist, zum Speisen des Elektromotors mit elektrischer Energie, und wobei in einem Kühlkreislauf zumindest einer der Komponenten zumindest abschnittsweise eine dreidimensionale, wärmeleitende Struktur angeordnet ist.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch das zumindest abschnittsweise Anordnen der dreidimensionalen, wärmeleitenden Struktur in einem Kühlkreislauf zumindest einer der Komponenten eine verbesserte Wärmeabführung des Kühlmittels über die Struktur zu ermöglichen. Das Vorsehen der dreidimensionalen, wärmeleitenden Struktur in dem Kühlkreislauf der zumindest einen Komponente erhöht somit in vorteilhafter Weise eine Oberfläche eines wärmeleitenden Materials, welches durch die wärmeleitende Struktur ausgebildet wird, um somit in effizienter Weise Wärme abzuführen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur durch ein offen-poröses Material ausgebildet ist. Somit kann in vorteilhafter Weise eine verbesserte Wärmeleitung innerhalb des Kühlmittels erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das offen-poröse Material durch einen Schaum eines Metalls oder einer Metalllegierung ausgebildet ist. Hierdurch kann vorzugsweise bei geringem Gewicht eine gute Wärmeabfuhr erreicht werden. Ferner kann die Form des Schaums an eine Form des Kühlmittelkreislaufs angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Schaum aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet ist. Sowohl Kupfer als auch Aluminium weisen ein geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Schaum eine Beschichtung aus Messing, Silber, Kupfer oder Zink aufweist. Somit kann vorzugsweise eine potenzielle negative Wechselwirkung zwischen dem porösen Material und dem Kühlmittel verhindert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur eine höhere Wärmeleitfähigkeit als ein Kühlmittel, vorzugsweise Öl, des Kühlkreislaufs aufweist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der dreidimensionalen, wärmeleitenden Struktur zwischen 200 W/(m.K) und 500 W/(m.K) beträgt.
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Die verwendeten Materialien weisen somit eine signifikant höhere Wärmeleitfähigkeit als das Kühlmittel auf. Öl weist beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,13 bis 0,15 W/(m.K) auf. Das Eindringen des offen-porösen Materials sorgt somit dafür, dass an einer Stelle im Kühlmittelkreislauf bzw. Ölreservoir entstehende Wärme schneller abgeführt werden kann bzw. sich gleichmäßig auf das Ölreservoir verteilt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das offen-poröse Material dazu ausgebildet ist, metallische Partikel aus dem Kühlmittel aufzufangen. Aufgrund der geometrischen Ausbildung des offen-porösen Materials verfangen sich metallische Partikel aus dem Öl, welche beispielsweise aufgrund von Materialverschleiß im Getriebe entstehen können, in dem offen-porösen Material. Somit wird eine zusätzliche Filterwirkung realisiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das offen-poröse Material an Abschnitten des Kühlmittelkreislaufs angeordnet ist, an welchen ein verminderter Kühlmittelfluss auftritt. Das Anordnen des offen-porösen Materials an solchen Totstellen im Kühlmittelkreislauf weist den Vorteil auf, dass speziell an diesen Stellen eine gleichmäßigere Verteilung der entstehenden Wärme auf das Ölreservoir bewirkt werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Form des offen-porösen Materials derart ausgebildet ist, dass in dem offen-porösen Material ausgebildete Kühlmittelkanäle im Wesentlichen in Kühlmittelflussrichtung angeordnet sind. Unter einem Kühlmittelkanal ist hierbei die Richtung des Kühlmittelstroms innerhalb des offen-porösen Materials zu verstehen, d.h., es sind keine speziellen Kanäle in das Material eingefräst, sondern die geometrische Struktur des Materials an sich lässt einen guten Kühlmittelfluss zu, ohne einen Kühlmitteldruck wesentlich zu erhöhen.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Komponenten benachbart zueinander angeordnet sind und einen gemeinsamen Kühlkreislauf zum Kühlen der Komponenten aufweisen. Somit kann eine kompakte Anordnung und eine effiziente Kühlung der Komponenten gewährleistet werden.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer in einem Kraftfahrzeug verbauten elektrischen Fahrzeugachsenvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines offen-porösen Materials gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer in einem Kraftfahrzeug verbauten elektrischen Fahrzeugachsenvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung 1 weist zumindest eine Fahrzeugachse 10 auf, an welcher die Fahrzeugräder 12a, 12b anbringbar sind.
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Ferner weist die elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung 1 ein Getriebe 14 auf, welches mit der Fahrzeugachse 10 verbunden ist.
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Darüber hinaus weist die elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung 1 einen Elektromotor 16 auf, welcher mit dem Getriebe 14 gekoppelt ist, zum Übertragen eines Drehmoments auf die Fahrzeugachse 10 und die mit der Fahrzeugachse 10 verbundenen Fahrzeugräder 12a, 12b. Des Weiteren weist die elektrische Fahrzeugachsenvorrichtung 1 eine Leistungselektronik 18 auf, welche einen Inverter 20 aufweist, der mit dem Elektromotor 16 verbunden ist, zum Speisen des Elektromotors 16 mit elektrischer Energie.
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In einem Kühlkreislauf 22 zumindest einer der Komponenten 14, 16, 18 ist zumindest abschnittsweise eine dreidimensionale, wärmeleitende Struktur 24 angeordnet.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform weisen das Getriebe, der Elektromotor und die Leistungselektronik einen gemeinsamen Kühlkreislauf 22 auf und die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur 24 ist im Wesentlichen entlang einer vollständigen Länge des Kühlkreislaufs 22 in einem Bodenbereich des Kühlkreislaufs 22 angeordnet, wobei die Struktur 24 derart ausgebildet ist, dass diese in etwa eine halbe Höhe des Kühlmittelkreislaufs aufweist. Alternativ kann die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur 24 beliebige andere Abmessungen in Höhe, Breite und/oder Länge aufweisen bzw. an eine spezielle Geometrie des Kühlkreislaufs 22 angepasst sein.
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Die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur 24 ist vorzugsweise durch ein offen-poröses Material ausgebildet. Alternativ kann die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur beispielsweise durch ein anderes geeignetes Material ausgebildet sein, welches einen guten Kühlmittelfluss durch das Material bei gleichzeitig hoher Oberfläche und Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Das offen-poröse Material ist vorzugsweise durch einen Schaum eines Metalls oder einer Metalllegierung ausgebildet. Der Schaum ist vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet. Alternativ kann der Schaum beispielsweise aus Aluminium ausgebildet sein. Beide diese Materialien weisen jeweils eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schaum unbeschichtet. Alternativ kann der Schaum beispielsweise mit einer Beschichtung aus Messing, Silber, Kupfer oder Zink versehen sein, um eine potenzielle negative Wechselwirkung zwischen dem porösen Material und einem Kühlmittel bzw. Öl zu verhindern.
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Die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur weist somit eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Kühlmittel, vorzugsweise ein Öl, auf. Die Wärmeleitfähigkeit der dreidimensionalen, wärmeleitenden Struktur 24 beträgt vorzugsweise zwischen 200 W/(m.K) und 500 W/(m·K).
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Ferner ist das offen-poröse Material vorzugsweise dazu ausgebildet, metallische Partikel aus dem Kühlmittel aufzufangen. Das offen-poröse Material wirkt damit zusätzlich als Filter.
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Darüber hinaus ist das offen-poröse Material vorzugsweise an Abschnitten des Kühlmittelkreislaufs angeordnet, an welchen ein verminderter Kühlmittelfluss auftritt. Damit kann erreicht werden, dass speziell an diesen Stellen Wärme schnell abgeführt bzw. sich gleichmäßiger auf das Ölreservoir bzw. den Kühlmittelkreislauf verteilen kann, ohne den Kühlmitteldruck wesentlich zu erhöhen.
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Ferner ist eine Form des offen-porösen Materials derart ausgebildet, dass in dem offen-porösen Material ausgebildete Kühlmittelkanäle im Wesentlichen in Kühlmittelflussrichtung angeordnet sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines offen-porösen Materials gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In der in 2 gezeigten Darstellung ist die dreidimensionale, wärmeleitende Struktur 24 durch das offen-poröse Material in Form des metallischen Schaums wie mit Bezug auf 1 beschrieben ausgebildet. Das offen-poröse Material weist die Beschichtung 26 aus Messing auf. Alternativ kann der metallische Schaum beispielsweise unbeschichtet sein oder eine andere geeignete Beschichtung aus Silber, Kupfer oder Zink aufweisen. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit des offen-porösen Materials kann ferner durch eine Porengröße, ein Gewicht und/oder eine Materialdicke beeinflusst werden, sodass das offen-poröse Material an entsprechende bauliche und/oder systemische Anforderungen anpassbar ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise können eine Form, Abmessung und/oder eine Beschaffenheit der dreidimensionalen, wärmeleitenden Struktur entsprechend abgeändert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013204766 A1 [0005]
