DE102019207323A1

DE102019207323A1 - Elektrische Maschine eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE102019207323A1
Application number: DE102019207323.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Lang; Thomas Auer; Sebastian Paulik; Harald Wendl; Gerhard Obermaier; Maria Lang
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-11-26
Also published as: KR20200134158A; CN111969789A; US11575297B2; US20200373816A1

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine mit einem Stator (1) und einem Rotor (2) vorgeschlagen, welche in einem Gehäuse (3) angeordnet sind, wobei eine Flüssigkeitskühlung als Mantelkühlung zum Kühlen des Stators (1) vorgesehen ist, wobei im Inneren des Gehäuses (3) zumindest ein mit der Flüssigkeitskühlung über die Gehäusewand verbundener Flächenkühler (10) zur direkten Kühlung von im Inneren des Gehäuses (3) angeordneten Bauteilen vorgesehen ist. Ferner wird ein Achsantrieb eines Fahrzeuges mit der elektrischen Maschine vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit der elektrischen Maschine.
Beispielsweise aus der Druckschrift EP 0 231 785 A2 ist ein Fahrzeug mit einem Generator bekannt. Zum Kühlen des Stators des Generators ist eine Mantelkühlung vorgesehen, die mit Kühlmittel aus dem Fahrzeug beaufschlagt wird. Die Mantelkühlung kann über zusätzliche wärmeleitende Elemente eine indirekte Kühlung von weiteren Bauteilen vorsehen. Des Weiteren wird ein Lüfterrad angetrieben, der einen Kühlluftstrom erzeugt.
Da es für die Leistungsfähigkeit einer elektrischen Maschine entscheidend ist, die auftretende Wärme ausreichend abzuführen, ist insbesondere für elektrische Maschinen, die als Motor betrieben werden, eine ausreichende Flüssigkeitskühlung erforderlich. Neben dem mittels Mantelkühlung temperierten Stator sind auch im Inneren der elektrischen Maschine weitere erhebliche wärmeproduzierende Bauteile vorgesehen, die unbedingt gekühlt werden müssen. Die Kühlung von im Inneren der elektrischen Maschine vorgesehenen Bauteilen ist konstruktiv aufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrische Maschine der eingangs beschriebenen Gattung und einen Achsantrieb mit der elektrischen Maschine vorzuschlagen, bei denen eine besonders effektive Flüssigkeitskühlung konstruktiv einfach und kostengünstig realisiert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 10 gelöst, wobei sich vorteilhafte Weiterbildungen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen ergeben.
Somit wird eine elektrische Maschine beispielsweise als Achsantrieb mit einem Stator und einem Rotor vorgeschlagen, welche in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist, die zumindest eine den Stator umgebende Mantelkühlung umfasst, sodass der Stator an seinem Mantelbereich gekühlt werden kann. Um die Flüssigkeitskühlung weiter zu optimieren und konstruktiv einfach zu gestalten, ist vorgesehen, dass im Inneren des Gehäuses zumindest ein mit der Flüssigkeitskühlung über die Gehäusewand verbundener Flächenkühler oder dergleichen zur direkten Kühlung von im Inneren des Gehäuses angeordneten Bauteilen vorgesehen ist.
Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, den Stator über seine Mantelfläche zu kühlen, sondern es ist darüber hinaus über den vorgesehenen Flächenkühler möglich, zusätzlich konstruktiv einfach und kostengünstig die im Inneren erhebliche Wärme erzeugenden Bauteile ausreichend zu kühlen. Dadurch, dass der Flächenkühler mit der vorhandenen Flüssigkeitskühlung verbunden ist und in unmittelbarer Umgebung im Inneren des Gehäuses den zu kühlenden Bauteilen zugeordnet ist, kann eine direkte Kühlung ohne zusätzliche wärmeleitenden Bauteile erfolgen. Demzufolge wird die abstrahlende Wärme direkt von dem Kühlmittel aufgenommen und besonders effektiv abgeführt. Die effektive und bauraumgünstige Kühlung der Erfindung zeichnet sich besonders für den Einsatz bei elektrischen Maschinen als Achsantriebe für Fahrzeuge aus, da der zur Verfügung stehende Bauraum gering ist und der Kühlbedarf zum Aufbringen maximaler Leistungen erheblich ist.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flächenkühler etwa ringsegmentförmig in seiner räumlichen Grundform ausgeführt ist und koaxial zur Drehachse des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet ist. Durch die quasi grundsätzlich ringsegmentförmige Ausgestaltung des Flächenkühlers wird eine Ringsegmentströmung in dem Inneren des Gehäuses um die Rotorachse herum ermöglicht und somit werden die umliegenden Bauteile effektiv gekühlt. An die ringsegmentscheibenförmige Grundform sind ohne weiteres Anformungen denkbar, um zum Beispiel den Zu- und Abfluss des Kühlmittels vorzusehen und/oder auch um den Flächenkühler mit seinem Kühlflächenbereich an bestimmte vorgegebene geometrische Formen der zu kühlenden Bauteilen anzupassen. Da der Anschluss des ringsegmentförmigen Flächenkühlers über die Gehäusewand erfolgt, ist diese Art der Zusatzkühlung besonders einfach in die elektrische Maschine zu integrieren, ohne dass ein größerer Bauaufwand notwendig ist.
Wie bereits beschrieben, kann die vorhandene Flüssigkeitskühlung eines Fahrzeuges als Kühlmittelversorgung für den Flächenkühler mitverwendet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, eine separate Flüssigkeitskühlung bei Bedarf vorzusehen, ohne die grundsätzlichen Vorteile der Erfindung zu verlieren.
Der Kühlmittelzulauf und -ablauf für den Flächenkühler kann dadurch realisiert werden, dass der mit der Flüssigkeitskühlung verbundene Kühlmittelzulauf und -ablauf des Flächenkühlers in eine Gehäusestirnwand integriert ist, wobei der Kühlmittelzulauf und -ablauf auf einer gemeinsamen Umfangsbahn der Gehäusestirnwand angeordnet sind, sodass eine Ringsegmentströmung in dem Flächenkühler realisiert wird. Vorzugsweise kann das Ringsegment möglichst nahezu über den gesamten Umfang ausgeführt sein, sodass die Ringsegmentströmung sich ebenfalls nahezu über den gesamten Umfang ausbreiten kann und die zugewandten Bauteile ausreichend kühlen kann.
Eine konstruktiv vorteilhafte Integration der Kühlmittelzuführung in den Flächenkühler der elektrischen Maschine kann dadurch realisiert werden, dass der Kühlmittelzulauf eine erste Kühlmittelbohrung und eine mit der ersten Kühlmittelbohrung verbundene zweite Kühlmittelbohrung umfasst. Hierbei ist die erste Kühlmittelbohrung mit der Mantelkühlung verbunden und verläuft im Wesentlichen axial am Mantelbereich durch die Gehäusewand. Die zweite Kühlmittelbohrung ist mit dem Flächenkühler verbunden und verläuft radial durch die Gehäusestirnwand. Demzufolge sind die Zulaufbohrungen aufgrund ihrer Lage am Mantelbereich des Gehäuses beziehungsweise an der Stirnseite des Gehäuses besonders einfach vorzusehen, sodass auch eine Nachrüstung bei bereits gefertigten elektrischen Maschinen ohne weiteres möglich ist. Zur Kühlmittelabführung wird ein Kühlmittelablauf des Flächenkühlers mit einer dritten Kühlmittelbohrung verbunden, die beispielsweise radial durch die Gehäusestirnwand verläuft und in eine Ablaufbohrung mündet, um das Kühlmittel zurück zur Flüssigkeitskühlung zu führen.
Der vorgesehene Flächenkühler bei der vorgeschlagenen elektrischen Maschine kann beliebige räumliche Gestaltungen annehmen, um an den jeweils vorgesehenen Innenraumbereich der elektrischen Maschine angepasst zu werden. Beispielsweise kann der Flächenkühler mehrere Abschnitte als Kühlflächenbereich umfassen, die im Wesentlichen den jeweils zu kühlenden Bauteilen unmittelbar zugeordnet sind, um eine direkte Kühlung durch Aufnahme der Wärmestrahlung zu ermöglichen.
Beispielsweise können als zu kühlende Bauteile insbesondere dem Rotor, den Wickelköpfen, den Lagern des Rotors oder dergleichen die vorgesehenen Abschnitte des Kühlflächenbereiches des Flächenkühlers zugeordnet sein und damit die konstruktive Form des Flächenkühlers festlegen. Beispielsweise können beide Gehäusestirnseitenbereiche mit einem Flächenkühler ausgerüstet sein, sodass die Bauteile beidseitig im Inneren effektiv direkt gekühlt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Achsantrieb eines Fahrzeuges, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit der vorbeschriebenen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird somit als Radantrieb des Achsantriebes des Fahrzeuges oder dergleichen vorgesehen. Insgesamt ergeben sich die vorbeschriebenen Vorteile und weitere Vorteile.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

1 eine geschnittene Teilansicht einer möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
2 eine quergeschnittene, dreidimensionale Ansicht der elektrischen Maschine; und
3 eine weitere geschnittene Teilansicht der elektrischen Maschine gemäß 1.

In den 1 bis 3 sind verschiedene Ansichten einer möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zum Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug beispielhaft dargestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator 1 und einen Rotor 2, welche in einem Gehäuse 3 angeordnet sind. Der Rotor 2 rotiert um eine Drehachse 4 und treibt ein Fahrzeugrad an, wobei der Rotor 2 über ein erstes Rotorlager 5 und ein zweites Rotorlager 6 in dem Gehäuse 3 gelagert ist.
Zum Kühlen des sich um den Rotor 2 erstreckenden fest mit dem Gehäuse 3 verbundenen Stators 1 ist als Flüssigkeitskühlung eine Mantelkühlung vorgesehen, die durch zum Beispiel mehrere spiralförmige Kühlkanäle 7 realisiert wird, die durch eine Kühlbuchse 8 verlaufen und sich um den Stator 1 erstrecken.
Um die Flüssigkeitskühlung effektiver zu gestalten und besonders kostengünstig und konstruktiv einfach zu realisieren, ist vorgesehen, dass im Inneren des Gehäuses 3 ein mit der Flüssigkeitskühlung über eine Gehäusestirnwand 9 verbundener Flächenkühler 10 zur direkten Kühlung von im Inneren des Gehäuses 3 angeordneten Bauteilen der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
Der Flächenkühler 10 ist in seiner Grundform etwa ringsegmentförmig ausgeführt und verläuft koaxial zur Drehachse 4 des Rotors 2. Der Flächenkühler 10 umfasst mehrere Abschnitte 11, 12, 16 als Kühlflächenbereich. Die Ringsegmentform des Flächenkühlers 10 verläuft um den Rotor 2 in einem Winkel vorzugsweise von kleiner 360 Grad.
Wie insbesondere aus 1 und 2 ersichtlich ist, erfolgt die Kühlmittelversorgung beziehungsweise die Anbindung der Flüssigkeitskühlung an den Flächenkühler 10 in der Weise, dass der Kühlmittelversorgung eine erste Kühlmittelbohrung 13 und eine mit der ersten Kühlmittelbohrung 13 verbundene zweite Kühlmittelbohrung 14 umfasst. Die erste Kühlmittelbohrung 13 verläuft axial in der Gehäusemantelfläche und ist mit der Kühlbuchse 8 der Mantelkühlung verbunden. Die zweite Kühlmittelbohrung 14 ist mit dem Kühlmittelzulauf 18 des Flächenkühlers 10 verbunden und verläuft radial durch die Gehäusestirnwand 9. Im Übergangsbereich zwischen der ersten Kühlmittelbohrung 13 und der zweiten Kühlmittelbohrung 14 können Dichtmittel zum Beispiel O-Ringe oder dergleichen vorgesehen sein. Zur Kühlmittelabführung wird ein Kühlmittelablauf 19 des Flächenkühlers 10 mit einer dritten Kühlmittelbohrung 20 verbunden, die radial durch die Gehäusestirnwand 9 verläuft und in eine Ablaufbohrung 17 mündet.
Insbesondere aus 2 ist der ringsegmentförmige Verlauf des Flächenkühlers 10 ersichtlich. Aus der Querschnittdarstellung gemäß 2 im Bereich des Radkopfes der elektrischen Maschine als Achsantrieb wird deutlich, wo der Kühlmittelzulauf 18 und der Kühlmittelablauf 19 des Flächenkühlers 10 an der Gehäusestirnwand 9 angeordnet sind. Diese sind zum Ermöglichen einer maximalen Ringsegmentströmung über den Umfang auf einer gemeinsamen Umfangbahn voneinander beabstandet angeordnet.
Insbesondere aus den 1 und 3 ist ersichtlich, dass der ringsegmentförmige Flächenkühler 10 einen umlaufenden Kühlflächenbereich aufweist. Unter anderem ist ein erster Abschnitt 11 des Kühlflächenbereiches im Wesentlichen den an einer Stirnseite des Stators 1 angeordneten Wickelköpfen 15 unmittelbar zugewandt, um diese direkt durch die Aufnahme der Strahlungswärme zu kühlen. Ein zweiter Abschnitt 12 des Kühlflächenbereiches des Flächenkühlers 10 ist unmittelbar einem Stirnseitenbereich des Rotors 2 axialseitig zugewandt. Auf diese Weise wird die vom Rotor 2 abstrahlende Wärme ebenfalls direkt vom Flächenkühler 10 aufgenommen und abtransportiert. Der Flächenkühler 10 ist mit einem dritten Abschnitt 16 seines Kühlflächenbereiches einer Lagerstelle des Rotorlagers 5 unmittelbar zugewandt.
Demzufolge wird durch die Form des Kühlflächenbereiches des Flächenkühlers 10 eine an den Rotor 2 angepasste Form des Flächenkühlers 10 gebildet, sodass durch das Kühlmittel eine maximale Umströmung des Rotors 2 und der Wickelköpfe 15 sowie des Rotorlagers 5 ermöglicht wird.
Durch die stirnseitige Anordnung des Flächenkühlers 10 an der elektrischen Maschine ist diese zusätzliche effektive Direktkühlung leicht nachrüstbar. Der Flächenkühler 10 bildet ein in sich abgeschlossenes Bauteil mit dem Kühlmittelzulauf 18 und dem Kühlmittelablauf 19 für das Kühlmittel. Der Kühlmittelablauf 19 des Flächenkühlers 10 ist mit der radial durch die Gehäusestirnwand 9 verlaufende dritte Kühlmittelbohrung 20 verbunden. Die dritte Kühlmittelbohrung 20 mündet in die Ablaufbohrung 17 und bildet quasi den Kühlmittelablauf, welcher beispielsweise in 3 gezeigt ist, sodass das Kühlmittel über die Ablaufbohrung 17 den Radkopf des Achsantriebes verlassen kann und der Flüssigkeitskühlung zugeführt werden kann.
Der dargestellte Flächenkühler 10 ist hier beispielhaft an einem Stirnseitenbereich des Gehäuses 3 der elektrischen Maschine vorgesehen. Es ist jedoch ohne weiteres denkbar, dass der Flächenkühler 10 auch auf der anderen Stirnseite der elektrischen Maschine angebracht wird, um die Kühlung weiter zu steigern. Als Kühlmittel wird vorzugsweise ein Wasserfrostschutzgemisch verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Rotor
3: Gehäuse
4: Drehachse
5: erstes Rotorlager
6: zweites Rotorlager
7: Kühlkanäle
8: Kühlbuchse
9: Gehäusestirnwand
10: Flächenkühler
11: erster Abschnitt eines Kühlflächenbereiches
12: zweiter Abschnitt eines Kühlflächenbereiches
13: erste Kühlmittelbohrung
14: zweite Kühlmittelbohrung
15: Wickelköpfe
16: dritter Abschnitt eines Kühlflächenbereiches
17: Ablaufbohrung
18: Kühlmittelzulauf
19: Kühlmittelablauf
20: dritte Kühlmittelbohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0231785 A2 [0002]

Claims

Elektrische Maschine eines Fahrzeuges, mit einem Stator (1) und einem Rotor (2), welche in einem Gehäuse (3) angeordnet sind, wobei eine Flüssigkeitskühlung als Mantelkühlung zum Kühlen des Stators (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Gehäuses (3) zumindest ein mit der Flüssigkeitskühlung über die Gehäusewand verbundener Flächenkühler (10) zur direkten Kühlung von im Inneren des Gehäuses (3) angeordneten Bauteilen vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenkühler (10) in seiner Grundform als Ringsegment ausgeführt ist und koaxial zur Drehachse (4) des Rotors (2) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelzulauf (18) und der Kühlmittelablauf (19) des Flächenkühlers (10) an einer Gehäusestirnwand (9) auf einer gemeinsamen Umfangsbahn angeordnet sind, sodass eine Ringsegmentströmung durch den Flächenkühler (10) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlmittelversorgung des Flächenkühlers (10) eine erste Kühlmittelbohrung (13) und eine mit der ersten Kühlmittelbohrung (13) verbundene zweite Kühlmittelbohrung (14) vorgesehen sind, wobei die erste Kühlmittelbohrung (13) mit der Mantelkühlung verbunden ist und axial durch die Gehäusewand verläuft und wobei die zweite Kühlmittelbohrung (14) mit dem Flächenkühler (10) verbunden ist und radial durch die Gehäusestirnwand (9) verläuft.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlmittelabführung ein Kühlmittelablauf (19) des Flächenkühlers (10) mit einer dritten Kühlmittelbohrung (20) verbunden ist, die radial durch die Gehäusestirnwand (9) verläuft und in eine Ablaufbohrung (17) mündet.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenkühler (10) mit einem ersten Abschnitt (11) seines Kühlflächenbereiches an einer Stirnseite des Stators (1) vorgesehenen Wickelköpfen (15) unmittelbar zugewandt ist.
Elektrische Maschinen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenkühler (10) mit einem zweiten Abschnitt (12) seines Kühlflächenbereiches einem Stirnseitenbereich des Rotors (2) axialseitig unmittelbar zugewandt ist.
Elektrische Maschinen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenkühler (10) mit einem dritten Abschnitt (16) seines Kühlflächenbereiches einer Lagerstelle des Rotorlagers (5, 6) unmittelbar zugewandt ist.
Elektrische Maschinen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gehäusestirnwand (9) jeweils ein Flächenkühler (10) zugeordnet ist.
Achsantrieb eines Fahrzeuges mit zumindest einer elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche.