DE102019204815A1 - Anordnung zur Flüssigkeitskühlung einer elektrischen Maschine - Google Patents

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Linus Eschenbeck
Christopher Allnoch
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Abstract

Anordnung zur Flüssigkeitskühlung einer elektrischen Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem Rotor (R), wobei die elektrische Maschine (EM) an ihrem Außenumfang von einem Kühlmantel (M) umgeben ist, welcher einen Eingang (M1) und einen Ausgang (M2) aufweist, wobei in Einbaulage der elektrischen Maschine (EM) der Eingang (M1) räumlich unterhalb einer Drehachse (RA) des Rotors (R), und der Ausgang (M2) räumlich oberhalb der Drehachse (RA) angeordnet ist; sowie elektrische Maschine (EM) mit einer solchen Anordnung, sowie Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine (EM).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Flüssigkeitskühlung einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit einer solchen Anordnung, sowie eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
  • Im Stand der Technik sind Anordnungen zur Flüssigkeitskühlung von elektrischen Maschinen bekannt. So beschreibt beispielsweise die Patentanmeldung DE 10 2017 203 435 A1 ein Kühlmantelbauteil für ein Gehäuse einer elektrischen Maschine. Das Kühlmantelbauteil umfasst einen rohrförmigen Kühlmantel mit einem Zulaufstutzen und einem Ablaufstutzen, welche an entgegengesetzten Enden des Kühlmantels angeordnet sind. Eine solche Anordnung erhöht jedoch den Bauraumbedarf, da für Zulauf und Ablauf des Kühlmantelbauteils entsprechende Anschlüsse bereitgestellt werden müssen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Flüssigkeitskühlung für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche sich durch eine gute Kühlwirkung und durch einen geringen Bauraumbedarf auszeichnet.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung, sowie aus den Figuren.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung zur Flüssigkeitskühlung einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor vorgeschlagen. Die elektrische Maschine ist an ihrem Außenumfang von einem Kühlmantel umgeben. Der Kühlmantel weist einen Eingang und einen Ausgang auf. Der Kühlmantel ist dazu eingerichtet, flüssiges Kühlmedium vom Eingang zum Ausgang zu führen, sodass Wärme von der elektrischen Maschine an das Kühlmedium übertragen werden kann. Das Kühlmedium kann anschließend durch einen Wärmetauscher fließen, wodurch Wärme vom Kühlmedium an eine Umgebung oder an ein anderes Kühlmedium übertragen werden kann. Das Kühlmedium kann in einem Kühlkreislauf zirkulieren, sodass das Kühlmedium nach Durchströmung des Wärmetauschers wieder der elektrischen Maschine zugeführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich in Einbaulage der elektrischen Maschine der Eingang räumlich unterhalb einer Drehachse des Rotors, und der Ausgang räumlich oberhalb dieser Drehachse angeordnet ist.
  • Durch eine solche räumliche Trennung zwischen Eingang und Ausgang des Kühlmantels erfolgt die Durchströmung des Kühlmantels von unten nach oben. Somit kann ein eigener Anschluss am Ausgang entfallen, da sich am Ausgang austretendes Kühlmedium in einem Sumpfbereich eines Gehäuses, welches die elektrische Maschine umgibt, sammeln kann. Eine solche Lösung erhöht zudem die thermische Effizienz der Kühlungsanordnung.
  • Vorzugsweise ist der Ausgang in Einbaulage räumlich am obersten Punkt der elektrischen Maschine angeordnet. Durch eine solche Anordnung wird die thermische Effizienz der Kühlungsanordnung besonders erhöht, da am Ausgang austretendes Fluid somit über die gesamte elektrische Maschine herabfließen kann.
  • Vorzugsweise fließt am Ausgang austretendes Kühlmedium außerhalb des Kühlmantels an der elektrischen Maschine herab. Durch eine solche Anordnung kann das am Ausgang austretende Kühlmedium mit dem Rotor in Berührung kommen. Dreht sich der Rotor, so wird das Kühlmedium verwirbelt. Dies erhöht die thermische Effizienz der Kühlungsanordnung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Ausgang zumindest zwei Austrittsöffnungen auf. Die beiden Austrittsöffnungen sind dabei in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet. Eine solche Anordnung begünstigt das Abfließen von austretendem Kühlmedium auf beide Stirnseiten der elektrischen Maschine.
  • Vorzugsweise ist der Eingang in Einbaulage der elektrischen Maschine räumlich im unteren Drittel oder im unteren Viertel der elektrischen Maschine angeordnet, und dabei entfernt vom untersten Punkt der elektrischen Maschine. Durch eine solche Ausgestaltung wird die Breite des Zusammenbaus von elektrischer Maschine mitsamt Kühlmantel nicht vergrößert.
  • Vorzugsweise sind Eingang und Ausgang zumindest um ein Viertel des Umfangs der elektrischen Maschine voneinander entfernt angeordnet, besonders bevorzugt zumindest um ein Drittel des Umfangs. Durch eine solche Anordnung kann eine zumindest einigermaßen gleichmäßige Kühlung der elektrischen Maschine ermöglicht werden.
  • Vorzugsweise ist der Kühlmantel derart ausgebildet, dass ausgehend vom Eingang einströmendes Kühlmedium entlang beider Umfangsrichtungen zum Ausgang geführt wird. In anderen Worten weist der Kühlmantel einen ersten und einen zweiten Strömungspfad auf. Der erste Strömungspfad führt ausgehend vom Eingang in einer ersten Richtung entlang dem Außenumfang der elektrischen Maschine zum Ausgang. Der zweite Strömungspfad führt ausgehend vom Eingang in einer zweiten Richtung entlang dem Außenumfang der elektrischen Maschine zum Ausgang. Erste und zweite Richtung sind dabei entgegensetzt ausgerichtet. Durch eine solche Anordnung kann eine zumindest einigermaßen gleichmäßige Kühlung der elektrischen Maschine erzielt werden. Die beiden Strömungspfade können eine voneinander unterschiedliche Länge aufweisen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Kühlmantel durch einen Statorträger der elektrischen Maschine und ein Abdeckelement gebildet, welches den Statorträger umschließt. Durch eine solche Konstruktion kann ein ohnehin erforderliches Bauelement - der Statorträger - zur Bildung des Kühlmantels verwendet werden. Die erforderliche Teilezahl zur Bildung des Kühlmantels kann somit reduziert werden.
  • Vorzugsweise wird der Ausgang des Kühlmantels durch zumindest eine, vorzugsweise zwei im Statorträger ausgebildete Öffnungen gebildet. Aus diesen Öffnungen kann Kühlmedium austreten, und gelangt somit unmittelbar zur Statorwicklung. Die Statorwicklung kann somit effizient gekühlt werden, ohne vom Kühlmantel umschlossen zu sein.
  • Vorzugsweise sind am Statorträger Mittel ausgebildet oder angeordnet, welche zur Aufteilung des am Eingang des Kühlmantels eintretenden Kühlmittels ausgebildet sind. Die Mittel können beispielsweise Strömungshilfen wie Blenden, Leitelemente oder ähnliches sein. Dadurch kann eine gleichmäßige Verteilung des eintretenden Kühlmediums im Kühlmantel erreicht werden.
  • Vorzugsweise ist die oben beschriebene Anordnung zur Flüssigkeitskühlung Bestandteil einer elektrischen Maschine. In anderen Worten kann die Anordnung zusammen mit den elektromagnetisch aktiven Elementen der elektrischen Maschine eine gemeinsame Baueinheit bilden.
  • Die elektrische Maschine mit der oben beschriebenen Anordnung kann Bestandteil einer Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug sein. Die Antriebseinheit kann beispielsweise durch eine Fahrzeug-Achseinheit, durch ein Getriebe oder durch ein zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe angeordnetes Hybridmodul gebildet sein. Das Getriebe kann ein mehrstufiges oder ein stufenloses Getriebe sein.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend in den Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
    • 1 bis 3 verschiedene Antriebsstränge für ein Kraftfahrzeug; sowie
    • 4 und 5 je eine Schnittansicht einer elektrischen Maschine.
  • 1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor VM auf, dessen Ausgang mit einer Eingangswelle GW1 eines Getriebes G verbunden ist. Das Getriebe G bildet eine Antriebsstrangeinheit des Antriebstrangs. Eine Abtriebswelle GW2 des Getriebes G ist mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet, die an der Abtriebswelle GW2 anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs zu verteilen. Das Getriebe G weist einen Radsatz RS auf, welcher zusammen mit in 1 nicht dargestellten Schaltelementen dazu eingerichtet ist verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen der Eingangswelle GW1 und der Abtriebswelle GW2 bereitzustellen. Das Getriebe G weist eine mit der Eingangswelle GW1 verbundene elektrische Maschine EM auf. Die elektrische Maschine EM ist dazu eingerichtet die Eingangswelle GW1 anzutreiben.
  • 2 zeigt schematisch einen Antriebsstrang, bei dem im Getriebe G keine elektrische Maschine enthalten ist. Stattdessen ist zwischen Verbrennungsmotor VM und Getriebe G ein Hybridmodul HY vorgesehen. Das Hybridmodul HY weist eine elektrische Maschine EM auf.
  • 3 zeigt schematisch einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, welcher im Gegensatz zu den in 1 und 2 dargestellten Ausführung ein rein elektrischer Antriebsstrang ist. Der Antriebsstrang weist eine Fahrzeug-Achseinheit EA auf. Die Achseinheit EA weist eine elektrische Maschine EM auf, welche dazu eingerichtet ist eine Welle W anzutreiben. Die Welle W ist mit einem Differentialgetriebe AG verbunden. Das Differentialgetriebe AG ist dazu eingerichtet, die an der Welle W anliegende Leistung auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs zu verteilen.
  • Die in 1 bis 3 dargestellten Antriebsstränge sind nur beispielhaft anzusehen. Beispielsweise könnten die Antriebsstränge gemäß 1 und 2 auch quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet sein. Der Antriebsstrang kann zum Antrieb von Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen dienen.
  • Für derartige Anwendungen ist der Einsatz einer Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine EM von Vorteil, insbesondere um eine maximal verfügbare Dauerleistung derselben zu erhöhen. 4 und 5 zeigen schematisch eine Anordnung einer solchen Flüssigkeitskühlung.
  • 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine EM mit einem Stator S und einem Rotor R, wobei die Schnittebene rechtwinklig zu einer Drehachse RA des Rotors R angeordnet ist. Die elektrische Maschine EM ist beispielhaft als Innenläufer ausgebildet, also mit einem radial innerhalb des Stators S angeordnetem Rotor R. Die hier beschriebene Anordnung zur Flüssigkeitskühlung kann jedoch auch bei einem Außenläufer angewendet werden, bei dem der Rotor R radial außerhalb des Stators S angeordnet ist.
  • Die elektrische Maschine EM ist in Einbaulage dargestellt, wobei die Vertikale durch den Richtungspfeil z verdeutlicht ist. Der Stator S wird durch einen Statorträger ST gehalten. Der Statorträger ST kann beispielsweise als ein Aluminium-Druckgussteil hergestellt sein. Der Stator S kann in den Statorträger ST eingepresst sein. Der Statorträger ST ist von einem Abdeckelement C umgeben, wobei zwischen einer Innenfläche des Abdeckelements C und einer Außenfläche des Statorträgers ST ein Spalt besteht. Der Spalt bildet einen Kühlmantel M, durch den flüssiges Kühlmedium wie Wasser oder Öl fließen kann. Das Kühlmedium kann Wärme vom Statorträger ST, der vom Stator S aufgewärmt wurde, aufnehmen und über einen nicht dargestellten Wärmetauscher an die Umgebung oder an ein anderes Kühlmedium abgeben.
  • Der Kühlmantel M weist einen Eingang M1 und einen Ausgang M2 auf. Der Eingang M1 ist räumlich unterhalb der Drehachse RA angeordnet, und zwar im unteren Viertel der elektrischen Maschine EM. Der Eingang M1 ist dabei bewusst vom räumlich untersten Punkt der elektrischen Maschine EM entfernt angeordnet, um die Einbauhöhe derselben nicht zu erhöhen. Der Ausgang M2 ist räumlich oberhalb der Drehachse RA angeordnet, und zwar am obersten räumlichen Punkt der elektrischen Maschine EM. Eingang M1 und Ausgang M2 sind etwa um ein Drittel des Umfangs um den Statorträger ST voneinander entfernt. Pfeile verdeutlichen den Weg des Kühlmediums vom Eingang M1 zum Ausgang M2.
  • Der Kühlmantel M weist einen ersten Strömungspfad S1 und einen zweiten Strömungspfad S2 auf. In den Eingang M1 einströmendes Kühlmedium wird durch ein mit dem Statorträger ST verbundenes Trennelement X auf die beiden Strömungspfade S1, S2 aufgeteilt. Die beiden Strömungspfade S1, S2 führen in Umfangsrichtung zum Ausgang M2, wobei der erste Strömungspfad S1 kürzer ist als der zweite Strömungspfad S2.
  • Der Ausgang M2 wird durch eine im Statorträger ST ausgebildete Öffnung M2a gebildet. An der Öffnung M2a austretendes Kühlmedium fließt nun getrieben von der Schwerkraft an der elektrischen Maschine EM herab, und sammelt sich einem Sumpfbereich (nicht dargestellt).
  • 5 zeigt eine weitere schematische Schnittdarstellung der elektrischen Maschine EM, in welcher der Ausgang M2 zu sehen ist. Die Schnittebene wird nun durch die Drehachse RA und durch die Vertikale z gebildet. Die elektrische Maschine EM ist in Einbaulage dargestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in 5 nur die obere Schnitthälfte dargestellt. In 5 ist gut zu erkennen, dass jedem der Strömungspfade S1, S2 eine eigene Austrittsöffnung M2a, M2b zugeordnet ist. Die Austrittsöffnungen M2a, M2b sind axial voneinander beabstandet. Durch einen Spalt zwischen Statorträger ST und Stator S fließt das aus den Austrittsöffnungen M2a, M2b austretendes Kühlmedium über die Wickelköpfe des Stators S. Das derart abfließende Kühlmedium tropft auf den Rotor R. Bei Rotation des Rotors R wird das Kühlmedium verwirbelt und abgeschleudert. Dies erhöht die thermische Effizienz der Kühlungsanordnung in besonderem Maße. Schließlich tropft das Kühlmedium nach unten ab, und wird in einem Sumpfbereich gesammelt (nicht dargestellt).
  • Handelt es sich beim Kühlmedium um Öl, so kann das abtropfende Kühlmedium zusätzlich zur Schmierung verwendet werden, beispielsweise zur Schmierung eines Wälzlagers, mittels dem der Rotor R gegenüber einem Gehäuse gelagert ist (nicht dargestellt).
  • Bezugszeichenliste
    • EM
    Elektrische Maschine
    S
    Stator
    ST
    Statorträger
    C
    Abdeckelement
    R
    Rotor
    RA
    Drehachse des Rotors
    M
    Kühlmantel
    M1
    Eingang
    S1
    Erster Strömungspfad
    S2
    Zweiter Strömungspfad
    X
    Aufteilungsmittel
    M2
    Ausgang
    M2a
    Austrittsöffnung
    M2b
    Austrittsöffnung
    VM
    Verbrennungsmotor
    G
    Getriebe
    GW1
    Eingangswelle
    GW2
    Ausgangswelle
    RS
    Radsatz
    AG
    Differentialgetriebe
    DW
    Antriebsrad
    HY
    Hybridmodul
    EA
    Fahrzeug-Achseinheit
    W
    Welle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017203435 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Anordnung zur Flüssigkeitskühlung einer elektrischen Maschine (EM) mit einem Stator (S) und einem Rotor (R), wobei die elektrische Maschine (EM) an ihrem Außenumfang von einem Kühlmantel (M) umgeben ist, welcher einen Eingang (M1) und einen Ausgang (M2) aufweist, wobei der Kühlmantel (M) dazu eingerichtet ist, ein Kühlmedium, welches am Eingang (M1) in den Kühlmantel (M) eintritt, zum Ausgang (M2) zu führen, dadurch gekennzeichnet, dass in Einbaulage der elektrischen Maschine (EM) der Eingang (M1) räumlich unterhalb einer Drehachse (RA) des Rotors (R), und der Ausgang (M2) räumlich oberhalb der Drehachse (RA) angeordnet ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (M2) in Einbaulage räumlich am obersten Punkt der elektrischen Maschine (EM) angeordnet ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang (M2) austretendes Kühlmedium außerhalb des Kühlmantels (M) an der elektrischen Maschine (EM) herabfließt.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (M2) zumindest zwei Austrittsöffnungen (M2a, M2b) aufweist, welche in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind.
  5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang (M1) in Einbaulage räumlich im unteren Drittel oder im unteren Viertel der elektrischen Maschine (EM) angeordnet ist, wobei der Eingang (M1) räumlich vom untersten Punkt der elektrischen Maschine (EM) entfernt angeordnet ist.
  6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Eingang (M1) und Ausgang (M2) zumindest um ein Viertel des Umfangs der elektrischen Maschine (EM) voneinander entfernt angeordnet sind, besonders bevorzugt zumindest um ein Drittel des Umfangs.
  7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (M) derart ausgebildet ist, dass ausgehend vom Eingang (M1) in den Kühlmantel (M) eintretendes Kühlmedium in beide Umfangsrichtungen zum Ausgang (M2) geführt wird.
  8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (M) einen ersten und einen zweiten Strömungspfad (S1, S2) aufweist, wobei der erste Strömungspfad (S1) ausgehend vom Eingang (M1) in einer ersten Richtung entlang dem Außenumfang der elektrischen Maschine (EM) zum Ausgang (M2) führt, und wobei der zweite Strömungspfad (S2) ausgehend vom Eingang (M1) in einer zweiten Richtung entlang dem Außenumfang der elektrischen Maschine (EM) zum Ausgang (M2) führt, wobei die erste und zweite Richtung entgegengesetzt sind.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strömungspfade (S1, S2) eine voneinander unterschiedliche Länge aufweisen.
  10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (M) durch einen Statorträger (ST) der elektrischen Maschine (EM) und ein den Statorträger (ST) umschließendes Abdeckelement (C) gebildet ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (M2) durch zumindest eine im Statorträger (ST) ausgebildete Öffnung (M2a, M2b) ausgebildet ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Statorträger (ST) Mittel (X) zur Aufteilung des am Eingang (M1) eintretenden Kühlmittels ausgebildet oder angeordnet sind.
  13. Elektrische Maschine (EM), gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Flüssigkeitskühlung der elektrischen Maschine (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch eine elektrische Maschine (EM) nach Anspruch 13, welche zum Antrieb des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist.
  15. Antriebseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit durch eine Fahrzeug-Achseinheit (EA), durch ein Getriebe (G) oder durch ein zwischen einem Verbrennungsmotor (VM) und einem Getriebe (G) angeordnetes Hybridmodul (HY) gebildet ist.
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