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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine, einem mit der elektrischen Maschine verbundenen Stromrichter und einer gemeinsamen Kühleinrichtung zum Kühlen der elektrischen Maschine und des Stromrichters, wobei die Kühleinrichtung eine Kühlmittelführung aufweist, durch welche ein Kühlmittel zunächst durch den Stromrichter und ausgehend von dem Stromrichter durch die elektrische Maschine führbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Antriebssystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine, einem mit der elektrischen Maschine verbundenen Stromrichter, der einen oder mehrere Halbleiterschalter aufweist, und einer gemeinsamen Kühleinrichtung zum Kühlen der elektrischen Maschine und des Stromrichters, wobei die Kühleinrichtung eine Kühlmittelführung aufweist, durch welche ein Kühlmittel zunächst durch den Stromrichter und ausgehend von dem Stromrichter durch die elektrische Maschine geführt wird.
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Ein derartiges Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Stromrichter und einer gemeinsamen Kühleinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 220 852 A1 bekannt. Bei dieser Kühleinrichtung wird dasselbe Kühlmittel sowohl zum Kühlen des Stromrichters als auch zum Kühlen der elektrischen Maschine verwendet. Das Kühlmittel strömt zunächst durch einen Kühlmittelpfad des Stromrichters und dann durch einen Kühlmittelpfad der elektrischen Maschine. Die Halbleiterschalter des Stromrichters werden von dem Kühlmittel beidseitig umströmt, um diese von beiden Seiten zu kühlen.
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Aus der Druckschrift
DE 11 2016 000 239 T5 ist ein Leistungshalbleiter eines Elektrofahrzeugs bekannt, dessen Oberseite in ein Epoxidharz gegossen ist und dessen Unterseite einen Kühlkörper aufweist. Ober- und Unterseite werden parallel von einem Kühlmittel umströmt. Die Druckschrift
DE 11 2013 004 237 T5 offenbart eine Mehrzahl von mit Harz vergossenen Leistungshalbleitern, welche an, durch eine parallele Anordnung der Leistungshalbleiter hergestellten, parallelen Kühlkanälen an der Ober- und an der Unterseite mit Kühlmittel beaufschlagt werden. Aus dem englischsprachigen Wikipedia-Artikel „Chip on board“ in der Version vom 01.01.2019 ist bekannt, Halbleiterchips direkt auf Leiterplatten zu montieren und die kontaktierten Halbleiterchips zum Schutze ihrer Bonddrähte vor Beschädigungen zu vergießen. Aus der Druckschrift
US 2018 / 0 339 583 A1 ist bekannt, einen Inverter und eine elektrische Maschine mit einem Kühlkreislauf in Reihe zu kühlen. Die Druckschrift
DE 10 2014 208 499 A1 offenbart Ventile zum Einstellen von Volumenströmen eines Kühlmittels. Aus der Druckschrift
EP 3 028 888 A1 ist ein gemeinsamer Rücklauf von zwei Kühlkreisläufen mit getrennten Vorläufen bekannt. Die Druckschrift
US 2018 / 0 334 025 A1 offenbart die Kühlung von Rotor und Stator einer elektrischen Maschine mit getrennten Kühlmittelpfaden. Ein Kühlmitteldurchfluss ist für jeden der Kühlmittelpfade separat über unabhängige Pumpen einstellbar. Aus der Druckschrift
US 9 160 214 B2 ist eine Kühlvorrichtung eines Elektrofahrzeugs bekannt.
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Bei solchen Antriebssystemen hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass sich von dem Kühlmittel mitgeführte Partikel an den Halbleiterschaltern des Stromrichters ablagern können. Diese Partikel können, beispielsweise wenn sie elektrisch leitfähig sind, unerwünschte Kurzschlüsse hervorrufen und zu einem Ausfall des Antriebssystems führen.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfügbarkeit des Antriebssystems zu erhöhen.
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Gelöst wird die Aufgabe mit einem Antriebssystem nach Anspruch 1.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stromrichter, insbesondere die Halbleiterschalter des Stromrichters, von mehreren Seiten gekühlt werden. Über den ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad kann die Oberseite der Halbleiterschalter gekühlt werden. Dabei sind die Halbleiterschalter mit einer Schutzschicht oder Schutzmasse bedeckt, so dass stromleitende Flächen der Halbleiterschalter wirksam gegen das Anhaften von in dem Kühlmittel mitgeführten Partikeln geschützt werden. Die Unterseite der Halbleiterschalter kann über den zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad gekühlt werden, welcher durch den Kühlkörper verläuft. Der Kühlkörper kann die Halbleiterschalter einerseits gegenüber dem Kühlmittel abschirmen, so dass auch an der Unterseite keine in dem Kühlmittel mitgeführten Partikel an stromführende Flächen der Halbleiterschalter gelangen können. Andererseits kann der Kühlkörper zusätzlich ein Halteelement für die Halbleiterschalter bilden. Zusammenfassend werden bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem unerwünschte Kurzschlüsse durch Ablagerungen von Partikeln verhindert, so dass die Verfügbarkeit des Antriebssystems erhöht wird.
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Bevorzugt ist der Kühlkörper mit einer Leiterbahnplatte, insbesondere mit einer Platine, verbunden, auf der die Halbleiterschalter angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schutzschicht oder Schutzmasse ein Epoxidharz aufweist. Das Epoxidharz kann einen wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Schutz für die Halbleiterschalter bilden. Bevorzugt ist die Schutzschicht oder Schutzmasse durch ein Gießverfahren gebildet, so dass der Aufwand zum Schützen der Halbleiterbauelemente geringgehalten werden kann.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung mit einem ersten steuerbaren Ventil zum Einstellen der Volumenströme in dem ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad und dem zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad. Das erste Ventil kann einstellbare Durchflussquerschnitte für den ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad und den zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad aufweisen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Antriebssystem zwei erste Ventile aufweist, wobei über eines der Ventile der Volumenstrom in dem ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad und über ein weiteres der Ventile der Volumenstrom in dem zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad einstellbar ist. Weiter alternativ können der erste Stromrichter-Kühlmittelpfad und der zweite Stromrichter-Kühlmittelpfad aus einer Verzweigungsstelle hervorgehen, die ventillos ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung können die Volumenströme nicht eingestellt werden, sondern regulieren sich von selbst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Stromrichter-Kühlmittelpfad und der parallele zweite Stromrichter-Kühlmittelpfad in einer Verbindungsstelle mit einem dritten Stromrichter-Kühlmittelpfad verbunden sind, so dass Kühlmittel, welches durch den ersten und zweiten Stromrichter-Kühlmittepfad strömt, in den dritten Stromrichter-Kühlmittelpfad leitbar ist. In dem dritten Stromrichter-Kühlmittelpfad kann das Kühlmittel zusammengeführt werden und gemeinsam in Richtung der elektrischen Maschine geleitet werden. Eine derartige Ausgestaltung mit einer Verbindungsstelle, in der der erste und der zweite Stromrichter-Kühlmittelpfad zusammengeführt werden, bringt den Vorteil mit sich, dass die Aufteilung des Kühlmittels in dem ersten und zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad unabhängig von der Ausgestaltung der Kühlmittelführung im Bereich der elektrischen Maschine ausgestaltet sein kann, insbesondere unabhängig von einer Aufteilung der Kühlmittelführung im Bereich der elektrischen Maschine in parallele Pfade.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühlmittelführung einen ersten Maschinen-Kühlmittelpfad zum Kühlen eines Stators der elektrischen Maschine und einen parallel zu dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad vorgesehenen zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad zum Kühlen eines Rotors der elektrischen Maschine aufweist. Hierdurch wird es möglich, mit derselben Kühleinrichtung nicht nur den Stromrichter, sondern auch den Rotor und den Stator der elektrischen Maschine zu kühlen. Der Stator-Kühlmittelpfad ist bevorzugt derart ausgebildet, dass eine Wicklung des Stators von dem Kühlmittel umströmbar ist. Eine derartig gekühlte Wicklung wird auch als direktgekühlte Wicklung bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Antriebssystem ein zweites steuerbares Ventil zum Einstellen der Volumenströme in dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad und dem zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad umfasst. Das zweite Ventil kann einstellbare Durchflussquerschnitte für den ersten Maschinen -Kühlmittelpfad und den zweiten Maschinen -Kühlmittelpfad aufweisen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Antriebssystem zwei zweite Ventile aufweist, wobei über eines der Ventile der Volumenstrom in dem ersten Maschinen -Kühlmittelpfad und über ein weiteres der Ventile der Volumenstrom in dem zweiten Maschinen -Kühlmittelpfad einstellbar ist. Weiter alternativ können der erste Maschinen -Kühlmittelpfad und der zweite Maschinen -Kühlmittelpfad aus einer Verzweigungsstelle hervorgehen, die ventillos ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung können die Volumenströme nicht eingestellt werden, sondern regulieren sich von selbst.
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Bevorzugt ist das zweite Ventil derart eingestellt, dass ein Volumenstrom durch den ersten Maschinen-Kühlmittelpfad zum Kühlen des Stators größer ist als ein Volumenstrom durch den zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad zum Kühlen des Rotors. Eine derartige Einstellung des zweiten Ventils ist bei solchen elektrischen Maschinen von Vorteil, bei denen in dem Stator eine größere Verlustleistung freigesetzt wird als in dem Rotor. Über den größeren Volumenstrom im Bereich des Stators kann eine größere Wärmemenge aus dem Stator abgeführt werden.
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Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausgestaltung weist die Kühlmittelführung im Bereich der elektrischen Maschine einen gemeinsamen Kühlmittelpfad zum Kühlen des Stators und des Rotors auf. Der gemeinsame Kühlmittelpfad kann derart ausgebildet sein, dass zuerst der Rotor und dann der Stator von dem Kühlmittel durchströmbar ist. Bevorzugt wird der gemeinsame Kühlmittelpfad aber derart ausgebildet, dass zuerst der Rotor und dann der Stator von dem Kühlmittel durchströmbar ist, so dass zuerst der Bereich der elektrischen Maschine - hier der Rotor - durchströmt wird, in welchem die geringere Verlustleistung freigesetzt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug mit einem vorstehend beschriebenen Antriebssystem.
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Bei dem Kraftfahrzeug können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Antriebssystem beschrieben worden sind.
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Bevorzugt bildet das Antriebssystem einen Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs, insbesondere einen Vorderradantrieb, Hinterradantrieb, Allradanrieb oder einen Radnabenantrieb.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Kraftfahrzeug ein Getriebe, welches mit dem Rotor der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Bei einer Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs mit einem Getriebe ist die Kühleinrichtung des Antriebssystems bevorzugt separat von einer Kühlvorrichtung des Getriebes ausgebildet. Das Getriebe kann zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt sein. Bei einer Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor ist die Kühleinrichtung des Antriebssystems bevorzugt separat von einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors ausgebildet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 5.
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Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Antriebssystem beschrieben worden sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kühlmittel in der Kühlmittelführung in einem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad zum Kühlen eines Stators der elektrischen Maschine und in einem parallel zu dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad vorgesehenen zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad zum Kühlen eines Rotors der elektrischen Maschine geführt wird. Durch ein solches paralleles Durchleiten des Kühlmittels durch den Rotor und den Stator können die Nachteile eines seriellen Durchleitens vermieden werden. Wird das Kühlmittel nämlich zuerst durch den Stator und dann durch den Rotor geleitet, entsteht im Rotor eine vergleichsweise große Kühlmitteltemperatur, wodurch sich der Wirkungsgrad der Maschine verschlechtern kann. Wird hingegen zuerst der Rotor und dann der Stator von demselben Kühlmittel durchströmt, so kann es zu einem erhöhten Druck an einem Radialwellendichtring kommen, der Reibungsverluste und ein erhöhtes Risiko mit sich bringt, dass die Dichtung beschädigt wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein erster Volumenstrom in dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad mittels eines steuerbaren Ventils größer eingestellt wird als ein zweiter Volumenstrom in dem zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad. Über den größeren Volumenstrom im Bereich des Stators kann eine größere Wärmemenge aus dem Stator abgeführt werden.
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Zusätzlich zu den vorstehend erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen können alternativ oder zusätzlich auch die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem erörterten vorteilhaften Ausgestaltungen allein oder in Kombination bei dem Verfahren Anwendung finden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem in einer schematischen Darstellung;
- 2 das Antriebssystem des Kraftfahrzeugs gemäß 1 in einer schematischen Darstellung; und
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In der 1 ist ein als Elektrofahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug 1 mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 2 gezeigt. Das Antriebssystem 2 ist als Traktionsantrieb des Kraftfahrzeugs 1 ausgestaltet und treibt ein oder mehrere Räder des Kraftfahrzeugs an. Ein Bestandteil des Antriebssystems 2 ist ein Energiespeicher 3, der beispielsweise als Batterie, Akkumulator oder Superkondensator (engl. supercapacitor) ausgebildet sein kann. Das Antriebssystem 2 umfasst ferner einen Stromrichter 4 und eine elektrische Maschine 5.
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Der Stromrichter 4 ist als Wechselrichter ausgebildet und weist eine Gleichspannungsseite sowie eine Wechselstromseite auf. Auf seiner Gleichspannungsseite ist der Stromrichter 4 mit dem Energiespeicher 3 verbunden. Auf seiner Wechselspannungsseite ist der Stromrichter 4 mit der elektrischen Maschine 5 verbunden. Gleichspannungsseitig umfasst der Stromrichter 4 einen Zwischenkreiskondensator 4.1. Ferner umfasst der Stromrichter mehrere Halbleiterschalter 4.2, die beispielsweise als MOSFET, IGBT oder Bipolartransistoren ausgebildet sein können. Parallel zu den Halleiterschaltern 4.12 sind Freilaufdioden 4.3 vorgesehen.
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Die Darstellung in 2 zeigt ein Antriebssystem 2 wie es in dem Fahrzeug 1 nach 1 zum Einsatz kommen kann. Das Antriebssystem 2 umfasst eine Kühleinrichtung 6, die als gemeinsame Kühleinrichtung für den Stromrichter 4 und die elektrische Maschine 5 ausgebildet ist. Die Kühleinrichtung 6 umfasst eine Kühlmittelführung 7, durch welche ein Kühlmittel zunächst durch den Stromrichter 4 und ausgehend von dem Stromrichter 4 durch die elektrische Maschine 5 geführt werden kann. Als Kühlmittel kommt bevorzugt ein elektrisch schlecht bzw. nicht-leitfähiges Kühlmedium, wie beispielsweise ein Öl, zum Einsatz.
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Im Bereich des Stromrichters 4 weist die Kühlmittelführung einen ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 zum Kühlen einer Oberseite der Halbleiterschalter 4.2 auf. Um die Halbleiterschalter 4.2 vor unerwünschten Verschmutzungen zu schützen, sind diese mit einer Schutzschicht 9 oder Schutzmasse bedeckt. Die Schutzschicht 9 ist aus einem Epoxidharz ausgebildet. Die Halbleiterschalter 4.2 sind an einem Kühlkörper 8 befestigt. Der erste Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 ist derart ausgebildet, dass das Kühlmittel bei Durchströmen des ersten Stromrichter-Kühlmittelpfads 11 in direkten Kontakt mit der Schutzschicht 9 oder Schutzmasse treten kann.
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Parallel zu dem ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 ist ein zweiter Stromrichter-Kühlmittelpfad 12 zum Kühlen einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Stromrichters 4, insbesondere der Halbleiterschalter 4.2, vorgesehen. Dieser zweite Stromrichter-Kühlmittelpfad 12 verläuft durch den Kühlkörper 8 des Stromrichters 4, so dass auch das in diesem Kühlmittelpfad 12 strömende Kühlmittel nicht in direkten Kontakt mit den Halbleiterschaltern kommen kann. Die Kühlmittelströmung ist in 2 durch Pfeile innerhalb des jeweiligen Stromrichter-Kühlmittelpfads 11, 12 angedeutet. Der zweite Stromrichter-Kühlmittelpfad 12 ermöglicht somit eine indirekte Kühlung des Stromrichters 12 über den Kühlkörper 8.
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Zum Einstellen der Volumenströme in dem ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 und dem zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad 12 weist die Kühleinrichtung 6 ein erstes steuerbares Ventil 16 auf. Der der erste Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 und der parallele zweite Stromrichter-Kühlmittelpfad 12 münden in einer Verbindungsstelle 18 in einen dritten Stromrichter-Kühlmittelpfad 13. Das durch den ersten und zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad 11, 12 strömende Kühlmittel wird somit vermischt und durch den dritten Stromrichter-Kühlmittepfad 13 in Richtung der elektrischen Maschine 5 geleitet.
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Auch im Bereich der elektrischen Maschine 5 weist die Kühlmittelführung 7 zwei parallele Kühlmittelpfade 14,15 auf. Ein erster Maschinen-Kühlmittelpfad 14 ist zum Kühlen des Stators 5.1 der elektrischen Maschine 5 im Bereich des Stators vorgesehen. Ein parallel zu dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad 14 angeordneter zweiter Maschinen-Kühlmittelpfad 15 verläuft durch den Rotor 5.2 der elektrischen Maschine und ermöglicht das separate Kühlen des Rotors 5.2. Der erste Maschinen-Kühlmittelpfad 14 ist derart ausgestaltet, dass der Stator, insbesondere eine Wicklung des Stators 5.2 von dem Kühlmittel durchströmt werden kann. Insofern liegt eine Direktkühlung der Statorwicklung vor.
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Die Verteilung des Volumenstroms in dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad 14 und dem zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad 15 kann unabhängig von der Verteilung des Volumenstroms in dem ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 und dem zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad 12 eingestellt werden. Zum Einstellen der Volumenströme in dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad 14 und dem zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad 15 umfasst das Antriebssystem 2 ein zweites steuerbares Ventil 17. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird ein erster Volumenstrom in dem ersten Maschinen-Kühlmittelpfad 14 größer eingestellt als ein zweiter Volumenstrom in dem zweiten Maschinen-Kühlmittelpfad 15. Der Stator 5.1 und der Rotor 5.2 sind durch eine Hülse 19 getrennt. Diese Hülse ist fluiddicht ausgebildet und dichtet den von dem Kühlmittel durchströmten Stator 5.1 gegenüber dem Rotor 5.2 ab.
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Bei dem vorstehend gezeigten Antriebssystem 2 kann ein Verfahren zum Kühlen des Antriebssystems 2 zur Anwendung kommen, bei dem das Kühlmittel in der Kühlmittelführung 7 in einem ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 zum Kühlen einer Oberseite des Stromrichters 4 geführt wird, wobei die Halbleiterschalter 4.2 mit einer Schutzschicht 9 oder Schutzmasse bedeckt sind, und der erste Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 derart ausgebildet ist, dass das Kühlmittel bei Durchströmen des ersten Stromrichter-Kühlmittelpfads 11 in direkten Kontakt mit der Schutzschicht 9 oder Schutzmasse tritt, und in einem einen parallel zu dem ersten Stromrichter-Kühlmittelpfad 11 vorgesehenen zweiten Stromrichter-Kühlmittelpfad 12 zum Kühlen einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Stromrichters 4 geführt wird, der durch einen Kühlkörper 8 des Stromrichters 4 verläuft. Bei dem Antriebssystem 2 werden unerwünschte Kurzschlüsse durch Ablagerungen von Partikeln verhindert, so dass die Verfügbarkeit des Antriebssystems 2 erhöht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Antriebssystem
- 3
- Energiespeicher
- 4
- Stromrichter
- 4.1
- Zwischenkreiskondensator
- 4.2
- Halbleiterschalter
- 4.3
- Freilaufdiode
- 5
- elektrische Maschine
- 5.1
- Stator
- 5.2
- Rotor
- 6
- Kühleinrichtung
- 7
- Kühlmittelführung
- 8
- Kühlkörper
- 9
- Schutzschicht oder Schutzmasse
- 11
- erster Stromrichter-Kühlmittelpfad
- 12
- zweiter Stromrichter-Kühlmittelpfad
- 13
- zweiter Stromrichter-Kühlmittelpfad
- 14
- erster Maschinen-Kühlmittelpfad
- 15
- zweiter Maschinen -Kühlmittelpfad
- 16
- Ventil
- 17
- Ventil
- 18
- Verbindungsstelle
- 19
- Hülse
