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Die Erfindung betrifft eine Kühlkanalanordnung für eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Ergänzende Ansprüche sind auf eine elektrische Maschine mit der Kühlkanalanordnung sowie auf ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine gerichtet.
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Elektrische Maschinen weisen typischerweise ein Kühlsystem für den Stator der elektrischen Maschine auf, wobei das Kühlsystem eine Statorkühlbuchse mit durchzogenen Kühlwasserkanälen umfasst. Die Infrastruktur für diese Kühlung besteht insbesondere aus einem Kühler und einer Wasserpumpe und kann am Aggregat, z.B. an einer angetriebenen Elektro-Nutzfahrzeug-Achse, bereits vorhanden sein, woraus sich ein Kostenvorteil ergibt. Am Nutzfahrzeug und auch in vielen anderen Anwendungen ist es notwendig, dass die elektrische Maschine hohe Leistungen liefern kann. Dies bedeutet, jedoch auch, dass viel Wärme entsteht, die leistungsbegrenzend sein kann. Sehr kritisch ist dabei die Temperatur in den Wickelköpfen. Ab Erreichen einer bestimmten Wickelkopftemperatur senkt typischerweise eine Steuerung der elektrischen Maschine deren Leistung, was auch unter dem Begriff „Derating“ bekannt ist.
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Aus der
DE 10 2014 221 648 ist eine als Scheibenläufer ausgebildete elektrische Maschine bekannt, wobei ein ringförmiger Stator und ein ebenfalls ringförmiger Rotor in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind. Der Stator und der Rotor weisen dabei näherungsweise gleiche Durchmesser auf und sind beide koaxial zu einer Rotationsachse angeordnet. Zwischen dem Stator und dem Rotor erstreckt sich ein Luftspalt. Angrenzend an den Luftspalt weist der Stator mehrere Spulen auf, welche entlang des Umfangs des Stators nebeneinander angeordnet sind. Jede der Spulen weist Wicklungen aus Drähten auf, welche auf einen Grundkörper gewickelt sind. Während des Betriebs der elektrischen Maschine treten elektrische Verluste in den Wicklungen und magnetische Verluste in den Grundkörpern auf, wodurch es zu erheblichen lokalen Erwärmungen kommt, sodass die Spulen wärmeerzeugende Komponenten des Stators sind. Um diese wärmeerzeugenden Komponenten effizient kühlen zu können, ist an dem Stator eine Kühlkanalanordnung mit einem im Querschnitt U-förmigen Kühlkanal vorgesehen, durch den ein Kühlfluid wie beispielsweise Wasser oder Öl oder ein kühlendes Gas im Wesentlichen in Umfangsrichtung entlang des Stators geströmt werden kann. Zwei seitliche Schenkel des U-förmigen Querschnitts umgreifen dabei die wärmeerzeugenden Komponenten von den Seiten her, sodass die Spulen nicht nur an ihrer nach außen gerichteten Rückseite, sondern auch an ihrer radial nach innen gerichteten Seitenfläche sowie an der entgegengesetzten, radial nach außen gerichteten Seitenfläche gekühlt werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, Abwärme von Wickelköpfen einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs besser abzuführen. Dies dient zum einen dem Zweck, die angrenzenden Teile, z.B. Lager der Rotorwelle, nicht zu schädigen. Zum anderen dient es dazu, die elektrische Maschine mit hohen Leistungen betreiben zu können. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Kühlkonzept für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs bereit. Die elektrische Maschine kann insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen, entweder allein oder in Kombination mit einem Verbrennungskraftmotor. Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Wickelkopfkühlung der elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei Wärme insbesondere aus den Wickelköpfen der elektrischen Maschine abgeführt wird, indem Kühlwasser durch einen Kanal geleitet wird, der zwischen Gehäuseteilen (z.B. einem Motorgehäuse oder einem Deckel der elektrischen Maschine) und dem betreffenden Wickelkopf eingeklemmt ist. Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass der Kanal zweiteilig ausgeführt ist. Dabei umfasst der Kanal ein flexibles Element, das insbesondere wie eine Membran wirkt. Das flexible Element kann sich sehr gut an die Kontur des Wickelkopfes anschmiegen. Weiterhin umfasst der Kanal ein starres Element (z.B. ein Blechpressteil), das z.B. in den Gehäuseteilen (Deckel oder Gehäuse der elektrischen Maschine) positioniert ist. Durch Anlegen der Membran an die Wickelköpfe entsteht durch Deformation eine besonders große Kontaktfläche. Dies ermöglicht eine sehr gute Wärmeleitung.
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In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Kühlkanalanordnung für eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Kühlkanalanordnung umfasst ein starres Element und ein flexibles Element. Das starre Element und das flexible Element begrenzen gemeinsam einen fluiddichten Kühlkanal für ein Kühlfluid zur Kühlung einer axialen Stirnseite eines Wickelkopfs einer elektrischen Maschine. Das flexible Element ist dazu eingerichtet, sich an eine Außenkontur der axialen Stirnseite des Wickelkopfes anzupassen.
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Unter „fluiddicht“ kann verstanden werden, dass das Kühlfluid, welches sich in dem Kühlkanal befindet, nicht über das starre Element und das flexible Element in einen Innenraum der elektrischen Maschine gelangt, wenn die Kühlkanalanordnung in der elektrischen Maschine angeordnet ist. Dadurch kann der Innenraum der elektrischen Maschine trocken, d.h. frei von Kühlfluid, gehalten werden. Dadurch können beispielsweise Planschverluste durch den rotierenden Rotor vermieden werden. Bei dem Kühlfluid kann es sich beispielsweise um Wasser handeln, z.B. gemischt mit einem Additiv wie Glysantin®.
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Das Kühlfluid kann im Sinne eines Kühlkreislaufs durch einen Einlass dem Kühlkanal zugeführt, durch den Kühlkanal zur Wärmeabfuhr parallel (getrennt lediglich durch das flexible Element) an der axialen Stirnseite des Wickelkopfs entlanggeführt, anschließend über einen Auslass abgeführt, außerhalb des Kühlkanals rückgekühlt (beispielsweise mittels eines Kühlers bzw. Wärmetauschers) und anschließend durch den Einlass erneut dem Kühlkanal zugeführt werden.
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In einer Ausführungsform ist das starre Element ringförmig und weist einen U-förmigen Querschnitt auf, sodass das starre Element einen ringförmigen Kühlkanal bildet, der auf einer ersten axialen Stirnseite geschlossen ist und auf einer zweiten axialen Stirnseite offen ist, die der ersten Stirnseite abgewandt ist. Das flexible Element ist in dieser Ausführungsform ebenfalls von ringförmiger Gestalt, sodass das flexible Element dazu eingerichtet ist, den ringförmigen Kühlkanal auf der zweiten axialen Stirnseite zu verschließen. Das starre Element und das flexible Element sind fluiddicht miteinander verbunden, sodass sie gemeinsam den fluiddichten Kühlkanal bilden. Diese Ausführungsform kommt mit lediglich zwei ringförmigen Dichtstellen zwischen dem starren Element und dem flexiblen Element aus.
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In einer weiteren Ausführungsform sind das starre Element und das flexible Element durch eine Vulkanisation, eine Klebeverbindung eine Schweißverbindung oder eine Klemmverbindung miteinander verbunden. Das flexible Element ist insbesondere an einem radial inneren und einem radial äußeren Schenkel des im Querschnitt U-förmigen starren Elements befestigt. Die Schnittstelle zwischen dem flexiblen Element und dem betreffenden Schenkel des starren Elements muss fluiddicht sein. Dies kann besonders gut über Klemmstellen, Kleben, Vulkanisieren oder Verschwei-ßen erfolgen.
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Das flexible Element ist bevorzugt aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, sodass Kühlfluid, welches sich innerhalb der Kühlkanalanordnung befindet, über das flexible Element Wärme von dem zu kühlenden Wickelkopf aufnehmen kann, sodass der Wickelkopf gekühlt wird. Beispielsweise kann das flexible Element aus Gummi oder Kautschuk, z.B. FKM (Fluorkautschuk), hergestellt sein. Es gibt hierzu eine breite Auswahl geeigneter Kunststoffmischungen. Wichtig sind die Temperaturbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit des Materials.
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Das flexible Element kann weiterhin aus einem Komposit-Material hergestellt sein. Ein Komposit-Material bzw. ein Verbundmaterial ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, wobei dieser Werkstoff andere Werkstoffeigenschaften besitzt als die einzelnen miteinander verbundenen Materialien. Komposit-Materialien sind vorteilhaft, da sie durch die Verwendung von zwei oder mehreren Materialien die günstigen Eigenschaften von verschiedenen Materialien kombinieren können.
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Das starre Element kann ein kostengünstig herstellbares Blechpressteil sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst eine erste Kühlkanalanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und eine zweite Kühlkanalanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Weiterhin umfasst die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor, der in einer radialen Richtung von dem Stator umgeben ist, einen ersten Wickelkopf des Stators auf einer ersten axialen Stirnseite der elektrischen Maschine und einen zweiten Wickelkopf des Stators auf einer zweiten axialen Stirnseite der elektrischen Maschine. Ferner umfasst die elektrische Maschine ein Gehäuse mit einem stirnseitigen Gehäuseteil, welches die elektrische Maschine auf der ersten axialen Stirnseite verschließt, und einen Gehäusedeckel, welcher die elektrische Maschine auf der zweiten axialen Stirnseite verschließt.
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Das starre Element der ersten Kühlkanalanordnung ist in eine zu der Außenkontur des starren Elements passende Ausnehmung des Gehäuseteils der elektrischen Maschine eingelegt, wobei das flexible Element der ersten Kühlkanalanordnung derart an dem ersten Wickelkopf anliegt, dass sich die Oberfläche des flexiblen Elements an eine Außenkontur des ersten Wickelkopfes anpasst. Weiterhin ist das starre Element der zweiten Kühlkanalanordnung in eine zu der Außenkontur des starren Elements passende Ausnehmung des Gehäusedeckels der elektrischen Maschine eingelegt, wobei das flexible Element der zweiten Kühlkanalanordnung derart an dem zweiten Wickelkopf anliegt, dass sich die Oberfläche des flexiblen Elements an eine Außenkontur des zweiten Wickelkopfes anpasst.
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Die elektrische Maschine kann als Motor oder als Generator betrieben werden. Wenn die elektrische Maschine als Motor betrieben wird, kann eine insbesondere zeitvariable Spannung an den Stator und an die darin befindlichen Wicklungen angelegt werden, um ein zeitvariables Magnetfeld zu erzeugen, das im Rotor wirkt, um ein Drehmoment zu induzieren und damit eine Drehbewegung zu erzeugen. Wenn die elektrische Energie als Generator betrieben wird, kann beispielsweise elektrische Energie durch Induktion eines variierenden Magnetfeldes (z.B. durch Rotation des Rotors) in einen geschleiften oder gewickelten Leiter des Stators erzeugt werden, um einen Strom in den Leiter zu induzieren.
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In einer Ausführungsform weist das starre Element der ersten Kühlkanalanordnung einen eingangsseitigen Anschluss zum Zufluss von Kühlfluid in den Kühlkanal aufweist. Weiterhin weist das starre Element der ersten Kühlkanalanordnung einen ausgangsseitigen Anschluss zum Abfluss von Kühlfluid aus dem Kühlkanal auf. Dabei ist der eingangsseitige Anschluss fluiddicht mit einem ersten Anschluss eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine verbunden, und der ausgangsseitige Anschluss ist fluiddicht mit einem zweiten Anschluss des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine verbunden.
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Auf ähnliche Weise kann das starre Element der zweiten Kühlkanalanordnung einen eingangsseitigen Anschluss zum Zufluss von Kühlfluid in den Kühlkanal aufweisen, wobei das starre Element der zweiten Kühlkanalanordnung weiterhin einen ausgangsseitigen Anschluss zum Abfluss von Kühlfluid aus dem Kühlkanal aufweisen kann. Dabei ist der eingangsseitige Anschluss fluiddicht mit einem ersten Anschluss des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine verbunden, und der ausgangsseitige Anschluss ist fluiddicht mit einem zweiten Anschluss des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine verbunden.
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Vorteilhafterweise sind sowohl die erste Kühlkanalanordnung als auch die zweite Kühlkanalanordnung mit demselben Kühlkreislauf der elektrischen Maschine verbunden. Bei den genannten Anschlüssen des Kühlkreislaufs kann es sich beispielsweise um Hydraulikstecker handeln, z.B. aus einem Metall. Der Kühlkreislauf der elektrischen Maschine umfasst insbesondere eine Hydraulikpumpe zur Umwälzung des Kühlfluids innerhalb des Kühlkreislaufs und einen Wärmetauscher zur Rückkühlung von Kühlfluid, welches zuvor Wärme von zu kühlenden Komponenten der elektrischen Maschine aufgenommen hat.
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Der Kühlkreislauf der elektrischen Maschine kann einen weiteren Kühlkanal aufweisen, welcher in Umfangsrichtung um den Stator herum verläuft. Insbesondere kann die elektrische Maschine einen Statorkern, eine Statorkühlbuchse und wenigstens einen weiteren Kühlkanal umfassen, wobei die Statorkühlbuchse den Statorkern in einer radialen Richtung außen umgibt, und wobei der wenigstens Kühlkanal zwischen der Statorkühlbuchse und dem Gehäuse der elektrischen Maschine verläuft, sodass durch den wenigstens einen weiteren Kühlkanal gefördertes Kühlfluid den Statorkern kühlen kann. Diese Ausführungsform ermöglicht, besonders viel Wärme von dem Stator abzuführen. Weiterhin können derselbe Kühler zur Rückkühlung von Kühlfluid und dieselbe Pumpe zur Förderung von Kühlfluid genutzt werden, um den wenigstens einen Kühlkanal (der durch das starre und das flexible Element gebildet wird) und den wenigstens einen weiteren Kühlkanal (der durch die Statorkühlbuchse und das Gehäuse der elektrischen Maschine gebildet wird) mit gekühltem Kühlfluid zu versorgen. Dadurch können Bauteile, Montage- und Wartungsaufwand sowie Kosten gespart werden.
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Der eingangsseitige Anschluss und der erste Anschluss des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine können durch eine Vulkanisation, eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung, eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung miteinander verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich können der ausgangsseitige Anschluss und der zweite Anschluss des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine durch eine Vulkanisation, eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung, eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung miteinander verbunden sein. Die Verbindung zwischen den betreffenden Anschlüssen kann weiterhin vorteilhaft durch eine Flächendichtung oder einen Dichtring zwischen dem eingangsseitige/ausgangsseitigen Anschluss des Kühlwasserkanals und dem ersten/zweiten Hydraulikanschluss des Kühlkreislaufs realisiert werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches eine elektrische Maschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Das Kraftfahrzeug kann einen elektrischen Achsantrieb aufweisen, der von der elektrischen Maschine angetrieben wird. Die elektrische Maschine ist dabei derart in dem Kraftfahrzeug angeordnet, dass das Kraftfahrzeug von der elektrischen Maschine angetrieben werden kann, wenn sich die elektrische Maschine im Motorbetrieb befindet. Weiterhin kann die elektrische Maschine derart innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, dass die elektrische Maschine durch das Kraftfahrzeug angetrieben wird, wenn sich die elektrische Maschine im Generatorbetrieb befindet. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Nutzfahrzeug, ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Motorrad, Motorroller, Moped, Fahrrad, E-Bike, Bus oder Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t), oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug wie Helikopter oder Flugzeug. Mit anderen Worten ist die Erfindung in allen Bereichen des Transportwesens wie Automotive, Aviation, Nautik, Astronautik etc. einsetzbar. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise zu einer Fahrzeugflotte gehören. Das Kraftfahrzeug kann durch einen Fahrer gesteuert werden, möglicherweise unterstützt durch ein Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug kann jedoch auch beispielsweise ferngesteuert und/oder (teil-)autonom gesteuert werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine Längsschnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit zwei erfindungsgemäßen Kühlkanalanordnungen,
- 2 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung eines Teils der elektrischen Maschine im Bereich einer der Kühlkanalanordnungen nach 1,
- 3 eine perspektivische Ansicht einer der Kühlkanalanordnungen der elektrischen Maschine nach 1,
- 4 eine Längsschnittdarstellung einer weiteren Kühlkanalanordnung für die elektrische Maschine nach 1,
- 5 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs, das durch die elektrische Maschine nach 1 angetrieben werden kann, und
- 6 eine Draufsicht auf einen Antriebsstrang eines weiteren Kraftfahrzeugs, das durch die elektrische Maschine nach 1 angetrieben werden kann.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2 und mit einem Rotor 3. Die elektrische Maschine 1 umfasst weiterhin ein Gehäuse 4 und einen Gehäusedeckel 5. Die elektrische Maschine 1 kann als Motor und als Generator betrieben werden. Die elektrische Maschine 1 kann ein Kraftfahrzeug 6/38 antreiben, das durch 5 bzw. 6 gezeigt ist.
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Wenn die elektrische Maschine 1 als Motor betrieben wird, kann eine zeitvariable Spannung an den Stator 2 und an die darin befindlichen Wicklungen angelegt werden, um ein zeitvariables Magnetfeld zu erzeugen, das im Rotor 3 wirkt, um ein Drehmoment zu induzieren und damit eine Drehbewegung zu erzeugen. Wenn die elektrische Maschine 1 als Generator betrieben wird, kann elektrische Energie durch Induktion eines variierenden Magnetfeldes (z.B. durch Rotation des Rotors 3) in einem geschleiften oder gewickelten Leiter des Stators 2 erzeugt werden, um einen Strom in den Leiter zu induzieren.
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Der Stator 2 umfasst einen Statorkern 7, eine Statorkühlbuchse 8 sowie einen ersten Wickelkopf 9 auf einer ersten Stirnseite S1 der elektrischen Maschine 1 und einen zweiten Wickelkopf 10 auf einer zweiten Stirnseite S2 der elektrischen Maschine 1. Der Statorkern 7 und die Statorkühlbuchse 8 sind fest (d.h. sie rotieren nicht) in dem Gehäuse 4 aufgenommen. Der Statorkern 7 weist einen zylindrischen Innenhohlraum auf, in welchem der Rotor 3 angeordnet ist. Der Rotor 3 ist drehbar um eine Längsachse L der elektrischen Maschine 1 in einem ersten Wälzlager 11 und in einem zweiten Wälzlager 12 gelagert.
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Der erste Wickelkopf 9 ist innerhalb eines ersten Wickelkopfraumes 13 angeordnet, der links in 1 dargestellt ist (erste Stirnseite S1). Der zweite Wickelkopf 10 ist innerhalb eines zweiten Wickelkopfraumes 14 angeordnet, der rechts in 1 und vergrößert in 2 dargestellt ist (zweite Stirnseite S2).
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Der erste Wickelkopfraum 13 ist ein Hohlraum. In einer axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 wird der erste Wickelkopfraum 13 durch ein Gehäuseteil 19 des Gehäuses 4 begrenzt, wobei das Gehäuseteil 19 die elektrische Maschine 1 auf der ersten Stirnseite S1 verschließt. Der erste Wickelkopfraum 13 wird weiterhin in einer radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 außen durch das Gehäuse 4 begrenzt. Innen in der radialen Richtung r geht der Wickelkopfraum 13 in einen ersten Rotorraum 25 über. Der erste Wickelkopfraum 13 und der erste Rotorraum 25 sind trocken, d.h. es befindet sich kein Kühlfluid innerhalb des ersten Wickelkopfraums 13 und innerhalb des ersten Rotorraums 25.
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Der zweite Wickelkopfraum 14 ist ebenfalls ein Hohlraum. In der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 wird der zweite Wickelkopfraum 14 durch den Gehäusedeckel 5 begrenzt, welcher die elektrische Maschine 1 auf der zweiten Stirnseite S2 nach außen verschließt. Der zweite Wickelkopfraum 14 wird weiterhin in einer radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 außen durch das Gehäuse 4 begrenzt. Innen in der radialen Richtung r geht der zweite Wickelkopfraum 14 in einen zweiten Rotorraum 27 über. Der zweite Wickelkopfraum 14 und der zweite Rotorraum 27 sind trocken, d.h. es befindet sich kein Kühlfluid innerhalb des zweiten Wickelkopfraums 14 und innerhalb des zweiten Rotorraums 27.
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Innerhalb des zweiten Wickelkopfraums 14 ist eine Kühlkanalanordnung 15 angeordnet, die einen starres Element 16, z.B. ein Blechpressteil, und ein flexibles Element 17, z.B. aus einem Kautschuk, umfasst. Wie besonders gut aus 2 ersichtlich ist das starre Element 16 der Kühlkanalanordnung 15 ringförmig und weist einen U-förmigen Querschnitt auf. Der U-förmige Querschnitt setzt sich aus einem längeren inneren Schenkel 18, einem ersten äußeren Schenkel 20 und einem zweiten äußeren Schenkel 21 zusammen. Der längere innere Schenkel 18 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel länger als die beiden äußeren Schenkel 20 und 21, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gleiche Länge aufweisen. Der längere innere Schenkel 18 begrenzt einen ringförmigen Kühlkanal 22 in der axialen Richtung x auf der zweiten Stirnseite S2 der elektrischen Maschine 1. Der erste äußere Schenkel 20 begrenzt den Kühlkanal 22 innen in der radialen Richtung r. Der zweite äußere Schenkel 21 begrenzt den Kühlkanal 22 außen in der radialen Richtung r.
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Das starre Element 16 bildet den Kühlkanal 22 somit derart, dass der Kühlkanal 22 in der axialen Richtung x auf der zweiten Stirnseite S2 geschlossen ist. In Richtung der ersten Stirnseite S1 hingegen ist der durch das starre Element 16 gebildete Kühlkanal 22 offen und wird durch das flexible Element 17 geschlossen. Dazu ist das flexible Element 17 ebenfalls ringförmig und komplementär zu dem starren Element 16 geformt. Einander abgewandte Endabschnitte 23 und 24 des flexiblen Elements 17 sind derart mit jeweils einem der Schenkel 20, 21 des starren Elements 16 verbunden, dass der durch das starre Element 16 und das flexible Element 17 gebildete Kühlkanal 22 geschlossen und fluiddicht ist. Die Verbindung zwischen den Endabschnitten 23, 24 und den Schenkeln 20, 21 kann über Klemmstellen, Klebeverbindungen, Vulkanisieren, Verschweißungen oder andere geeignete Verbindungsverfahren erfolgen, die eine fluiddichte Verbindung zwischen dem starren Element 16 und dem flexiblen Element 17 ermöglichen.
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Das starre Element 16 ist in Richtung der zweiten Stirnseite S2 in eine zu der äußeren Kontur des starren Elements 16 passende Ausnehmung 26 der inneren Oberfläche des Gehäusedeckels 5 eingesetzt. Das flexible Element 17 liegt an der in Richtung der zweiten Stirnseite S2 orientierten äußeren Oberfläche des zweiten Wickelkopfes 10 an. Durch seine Flexibilität kann sich das flexible Element 17 wie eine Membran sehr gut an die Kontur des zweiten Wickelkopfes 10 anschmiegen. Durch das Anliegen des flexiblen Elements 17 an dem zweiten Wickelkopf 10 wie eine Membran ist eine sehr gute Wärmeleitung möglich (Große Kontaktfläche durch Deformation).
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Das starre Element 16 weist einen eingangsseitigen Anschluss 28 auf, über welchen dem Kühlkanal 22 ein Volumenstrom gekühltes Kühlfluid zugeführt werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der eingangsseitige Anschluss 28 an dem inneren Schenkel 18 angeordnet und umfasst eine Bohrung in dem inneren Schenkel 18 sowie ein hohlzylindrisches Anschlussstück. Der eingangsseitige Anschluss 28 ist mit einem durch den Gehäusedeckel 5 verlaufenden Leitungselement 29 eines Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine 1 fluiddicht verbunden, z.B. über Klemmen, Klebeverbindungen, Vulkanisieren, Verschweißungen oder andere geeignete Verbindungsverfahren erfolgen, die eine fluiddichte Verbindung zwischen dem eingangsseitigen Anschluss 28 und dem Leitungselement 29 des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine 1 ermöglichen.
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Das starre Element 16 weist weiterhin einen ausgangsseitigen Anschluss 36 auf, über welchen aus dem Kühlkanal 22 ein Volumenstrom Kühlfluid abgeführt werden kann, welches zuvor Wärme von dem zweiten Wickelkopf 10 aufgenommen hat. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der ausgangsseitige Anschluss 36 ebenfalls an dem inneren Schenkel 18 angeordnet und umfasst eine Bohrung in dem inneren Schenkel 18 sowie ein hohlzylindrisches Anschlussstück. Der ausgangsseitige Anschluss 36 ist mit einem durch den Gehäusedeckel 5 verlaufenden Leitungselement 37 des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine 1 fluiddicht verbunden, z.B. über Klemmen, Klebeverbindungen, Vulkanisieren, Verschweißungen oder andere geeignete Verbindungsverfahren erfolgen, die eine fluiddichte Verbindung zwischen dem ausgangsseitigen Anschluss 36 und dem weiteren Leitungselement 37 des Kühlkreislaufs der elektrischen Maschine 1 ermöglichen.
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Spiegelsymmetrisch zu der Kühlkanalanordnung 15 innerhalb des zweiten Wickelkopfraums 14 kann auch innerhalb des ersten Wickelkopfraums 13 eine weitere Kühlkanalanordnung 53 angeordnet sein, wie dies schematisch in 1 und näher im Detail durch 4 gezeigt ist. Die weitere Kühlkanalanordnung kann ähnlich oder gleich wie die Kühlkanalanordnung 15 innerhalb des zweiten Wickelkopfraums 14 aufgebaut und spiegelsymmetrisch zu der Kühlkanalanordnung 15 innerhalb des zweiten Wickelkopfraums 14 aufgebaut und an den Kühlkreislauf angeschlossen sein.
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So kann die weitere Kühlkanalanordnung 53 einen starres Element 54, z.B. ein Blechpressteil, und ein flexibles Element 55, z.B. aus einem Kautschuk, umfassen. Das starre Element 54 ist ringförmig und weist einen U-förmigen Querschnitt auf. Der U-förmige Querschnitt setzt sich aus einem längeren inneren Schenkel 56, einem ersten äußeren Schenkel 57 und einem zweiten äußeren Schenkel 58 zusammen. Der längere innere Schenkel 56 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel länger als die beiden äußeren Schenkel 57 und 58, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gleiche Länge aufweisen. Der längere innere Schenkel 56 begrenzt einen ringförmigen Kühlkanal 59 in der axialen Richtung x auf der ersten Stirnseite S1 der elektrischen Maschine 1. Der erste äußere Schenkel 57 begrenzt den Kühlkanal 59 innen in der radialen Richtung r. Der zweite äußere Schenkel 58 begrenzt den Kühlkanal 59 außen in der radialen Richtung r.
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Das starre Element 54 bildet den Kühlkanal 59 somit derart, dass der Kühlkanal 59 in der axialen Richtung x auf der ersten Stirnseite S1 geschlossen ist. In Richtung der zweiten Stirnseite S2 hingegen ist der durch das starre Element 54 gebildete Kühlkanal 59 offen und wird durch das flexible Element 55 geschlossen. Dazu ist das flexible Element 55 ebenfalls ringförmig und komplementär zu dem starren Element 54 geformt. Einander abgewandte Endabschnitte 60 und 61 des flexiblen Elements 55 sind derart mit jeweils einem der Schenkel 57, 58 des starren Elements 54 verbunden, dass der durch das starre Element 54 und das flexible Element 55 gebildete Kühlkanal 59 geschlossen und fluiddicht ist. Die Verbindung zwischen den Endabschnitten 60, 61 und den Schenkeln 57, 58 kann über Klemmstellen, Klebeverbindungen, Vulkanisieren, Verschweißungen oder andere geeignete Verbindungsverfahren erfolgen, die eine fluiddichte Verbindung zwischen dem starren Element 54 und dem flexiblen Element 55 ermöglichen.
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Das starre Element 54 ist in Richtung der ersten Stirnseite S1 in eine zu der äußeren Kontur des starren Elements 54 passende Ausnehmung 62 der inneren Oberfläche des Gehäuseteils 19, welches die elektrische Maschine 1 auf der ersten Stirnseite S1 verschließt, eingesetzt. Das flexible Element 55 liegt an der in Richtung der ersten Stirnseite S1 orientierten äußeren Oberfläche des ersten Wickelkopfes 9 an. Durch seine Flexibilität kann sich das flexible Element 55 wie eine Membrane sehr gut an die Kontur des ersten Wickelkopfes 9 anschmiegen. Durch das Anliegen des flexiblen Elements 44 an dem ersten Wickelkopf 9 wie eine Membran ist eine sehr gute Wärmeleitung möglich (Große Kontaktfläche durch Deformation).
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Das starre Element 54 weist einen eingangsseitigen Anschluss 63 auf, über welchen dem Kühlkanal 59 ein Volumenstrom gekühltes Kühlfluid zugeführt werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der eingangsseitige Anschluss 63 an dem inneren Schenkel 56 angeordnet und umfasst eine Bohrung 64 in dem inneren Schenkel 56. Das Gehäuseteil 19, welches die elektrische Maschine 1 auf der ersten Stirnseite S1 verschließt, umfasst eine in der axialen Richtung verlaufende Bohrung 65 (Zulaufbohrung), die mit dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine 1 verbunden ist bzw. ein Teil dieses Kühlkreislaufs ist. Die Bohrung 65 im Gehäuseteil 19 ist mit der Bohrung 64 in dem inneren Schenkel 56 des starren Elements 54 verbunden, sodass gekühltes Kühlfluid aus dem Kühlkreislauf der elektrischen Maschine 1 in den Kühlkanal 59 der weiteren Kühlkanalanordnung 53 geleitet werden kann, um den ersten Wickelkopf 9 zu kühlen. Insbesondere kann die Bohrung 65 im Gehäuseteil 19 in die Bohrung 64 in dem inneren Schenkel 56 des starren Elements 54 münden, wobei die Bohrung 65 im Gehäuseteil 19 und die Bohrung 64 in dem inneren Schenkel 56 des starren Elements 54 miteinander fluchten. Das starre Element 54 weist weiterhin einen ausgangsseitigen Anschluss (nicht gezeigt) auf, über welchen aus dem Kühlkanal 59 ein Volumenstrom Kühlfluid abgeführt werden kann, welches zuvor Wärme von dem ersten Wickelkopf 9 aufgenommen hat.
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1 und 2 zeigen, dass die Statorkühlbuchse 8 den Statorkern 7 in der radialen Richtung r außen umgibt. Die Statorkühlbuchse 8 weist Ausnehmungen 30.1, 30.2, 30.3 an ihrer äußeren Oberfläche 31 auf. Die Ausnehmungen 30.1, 30.2, 30.3 können sich beispielsweise teilweise oder vollständig (d.h. 360°) in einer Umfangsrichtung um die Statorkühlbuchse 8 herum erstrecken. Die Ausnehmungen 30.1, 30.2, 30.3 können zusammen beispielsweise einen gemeinsamen Statorkern-Kühlkanal 32 bilden, der beispielsweise spiralförmig verläuft. Alternativ können die Ausnehmungen 30.1, 30.2, 30.3 auch beispielsweise mehrere parallel zueinander verlaufende und mit Abstand in der axialen Richtung x zueinander angeordnete einzelne Statorkern-Kühlkanäle 32.1, 32.2 und 32.3. bilden. Der Statorkern-Kühlkanal 32 verläuft bzw. die Statorkern-Kühlkanäle 32.1, 32.2, 32.3 verlaufen dabei zwischen der Statorkühlbuchse 8 und dem Gehäuse 4 der elektrischen Maschine 1, sodass durch den Statorkern-Kühlkanal 32 bzw. durch die Statorkern-Kühlkanäle 32.1, 32.2, 32.3 gefördertes Kühlfluid den Statorkern 7 kühlen kann. Somit kann auch Wärme, welche durch die Kühlkanäle 22, 59 geflossenes Kühlfluid von den Wickelköpfen 9, 10 aufgenommen hat, über den Statorkern 7 und die Statorkühlbuchse 8 an das Kühlfluid in dem Statorkern-Kühlkanal 32 bzw. in den Statorkern-Kühlkanälen 32.1, 32.2, 32.3 abgegeben werden. Das Kühlfluid wiederum kann seine Wärme über das Gehäuse 4 an die Umgebung 29 der elektrischen Maschine 1 abgeben oder durch einen Wärmetauscher (nicht gezeigt) des Kühlkreislaufs rückgekühlt werden. Insbesondere zirkuliert das Kühlfluid innerhalb des Statorkern-Kühlkanals 32 bzw. in den Statorkern-Kühlkanälen 32.1, 32.2, 32.3. Dazu kann das Kühlfluid mittels einer Pumpe (nicht gezeigt) des Kühlkreislaufs gefördert werden. Der wenigstens eine Statorkern-Kühlkanal 32 bzw. 32.1, 32.2, 32.3 kann zu demselben Kühlkreislauf gehören wie die Kühlkanäle 22, 59 die durch die starren Elemente 16, 54 und die flexiblen Element 17, 55 gebildet werden.
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5 zeigt rein beispielhaft einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs 6 mit der elektrischen Maschine 1 nach 1. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Hybridfahrzeug 6. Ein Verbrennungskraftmotor 33 kann dabei mit einem Getriebe 34 gekoppelt werden, sodass ein Drehmoment von einer Ausgangswelle des Verbrennungskraftmotors 33 auf eine Eingangswelle des Getriebes 34 übertragen werden kann. Auf ähnliche Weise kann die elektrische Maschine 1 mit dem Getriebe 34 gekoppelt werden, sodass ein Drehmoment von einer Ausgangswelle der elektrischen Maschine 1 auf eine Eingangswelle des Getriebes 34 übertragen werden kann.
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Bei dem Getriebe 34 kann es sich somit um ein Hybridgetriebe handeln, wobei der Verbrennungskraftmotor 33 und/oder die elektrische Maschine 1 mit dem Getriebe 34 gekoppelt werden können. Das Getriebe 34 kann ein Automatikgetriebe sein. Ein Antrieb des Kraftfahrzeugs 6 kann wahlweise über den Verbrennungskraftmotor 33, den elektrischen Motor 1 (d.h. die elektrische Maschine 1 im Motorbetrieb) oder über eine Kombination beider Antriebsaggregate 1, 33 erfolgen. Der rein beispielhafte Antriebsstrang mit dem Getriebe 34 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Parallelhybrid mit P2-Architektur, wobei die elektrische Maschine 1 zwischen dem Verbrennungskraftmotor 33 und dem Getriebe 34 angeordnet ist. Der Verbrennungskraftmotor 33 kann dabei über eine Trennkupplung 35 von der elektrischen Maschine 1 und von dem Getriebe 34 getrennt werden.
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6 zeigt ein weiteres Kraftfahrzeug 38, z.B. ein Nutzfahrzeug oder ein Personenkraftfahrwagen (Pkw). Das Kraftfahrzeug 38 weist einen im Folgenden näher erläuterten Antriebstrang 39 auf, der optional einen zuschaltbaren und abschaltbaren Allradantrieb ermöglicht. Der Antriebsstrang 39 umfasst eine Antriebseinheit 40. Die Antriebseinheit 40 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Motor 41, z.B. einen Verbrennungskraftmotor (z.B. den Verbrennungskraftmotor 33 nach 5) oder eine elektrische Maschine 1, wie sie durch 1 gezeigt ist, sowie ein Getriebe 42 (z.B. das Getriebe 34 nach 5). Die Antriebseinheit 40 treibt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über ein vorderes Differenzialgetriebe 43 zwei Vorderräder 44 und 45 permanent an, die an einer Vorderachse 46 des Kraftfahrzeugs 38 angebracht sind.
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Der Antriebsstrang 39 kann alternativ oder zusätzlich zu dem beschriebenen Vorderachsantrieb einen zuschaltbaren und abschaltbaren elektrischen Achsantrieb 47 aufweisen, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine 1 nach 1 und ein hinteres Differentialgetriebe 48 umfasst. Der elektrische Achsantrieb 47 kann (wie durch 6 gezeigt) als zentraler Achsantrieb ausgeführt sein und beispielsweise sowohl ein erstes Hinterrad 49 über eine erste Seitenwelle 50 als auch ein zweites Hinterrad 51 über eine zweite Seitenwelle 52 antreiben. Die Räder 49, 51 können mit Zwillingsbereifung ausgeführt sein. Alternativ kann auch die erste Seitenwelle 50 über einen ersten elektrischen Achsantrieb 47 und die zweite Seitenwelle 52 über einen zweiten elektrischen Achsantrieb 47, jeweils in Form einer radnahen elektrischen Maschine, angetrieben werden, wobei die elektrischen Achsantriebe 47 dann jeweils kein Differentialgetriebe 48 aufweisen müssen, sondern mit einer starren Achsbrücke mechanisch unabhängig die Räder 51, 49 antreiben. Alternativ könnte ein Getriebe zwischen den Achsantrieben 47 und den Radnaben, z.B. in Form eines Planetengetriebes oder einer Portalräderkette, für die richtigen Drehzahlen und Drehmomente sorgen. Die angetriebene Achse kann dabei als hitere Achse oder, falls mehr als zwei Achsen vorhanden sind, als mittige Achse angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- L
- Längsachse elektrische Maschine
- S1
- erste Stirnseite elektrische Maschine
- S2
- zweite Stirnseite elektrische Maschine
- x/r
- axiale/radiale Richtung
- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Gehäuse
- 5
- Gehäusedeckel
- 6
- Kraftfahrzeug
- 7
- Statorkern
- 8
- Statorkühlbuchse
- 9
- erster Wickelkopf
- 10
- zweiter Wickelkopf
- 11
- erstes Rotorlager
- 12
- zweites Rotorlager
- 13
- erster Wickelkopfraum
- 14
- zweiter Wickelkopfraum
- 15
- Kühlkanalanordnung
- 16
- starres Element
- 17
- flexibles Element
- 18
- innerer Schenkel
- 19
- Gehäuseteil auf der ersten Stirnseite
- 20
- erster äußerer Schenkel
- 21
- zweiter äußerer Schenkel
- 22
- Kühlkanal
- 23
- Endabschnitt des flexiblen Elements
- 24
- Endabschnitt des flexiblen Elements
- 25
- erster Rotorraum
- 26
- Ausnehmung Gehäusedeckel
- 27
- zweiter Rotorraum
- 28
- eingangsseitiger Anschluss für Kühlfluid
- 29
- Leitungselement Kühlkreislauf elektrische Maschine
- 30.1
- Ausnehmung Statorkühlbuchse
- 30.2
- Ausnehmung Statorkühlbuchse
- 30.3
- Ausnehmung Statorkühlbuchse
- 31
- Außenumfang Statorkühlbuchse
- 32
- Statorkern-Kühlkanal
- 32.1
- Statorkern-Kühlkanal
- 32.2
- Statorkern-Kühlkanal
- 32.3
- Statorkern-Kühlkanal
- 33
- Verbrennungskraftmotor
- 34
- Getriebe
- 35
- Trennkupplung
- 36
- eingangsseitiger Anschluss für Kühlfluid
- 37
- Leitungselement Kühlkreislauf elektrische Maschine
- 38
- Kraftfahrzeug
- 39
- Antriebsstrang
- 40
- Antriebseinheit
- 41
- Motor
- 42
- Getriebe
- 43
- vorderes Differentialgetriebe
- 44
- Vorderrad
- 45
- Vorderrad
- 46
- Vorderachse
- 47
- elektrischer Achsantrieb
- 48
- hinteres Differentialgetriebe
- 49
- erstes Hinterrad
- 50
- erste Seitenwelle
- 51
- zweites Hinterrad
- 52
- zweite Seitenwelle
- 53
- Kühlkanalanordnung im ersten Wickelkopfraum
- 54
- starres Element
- 55
- flexibles Element
- 56
- längerer innerer Schenkel
- 57
- erster äußerer Schenkel
- 58
- zweiter äußerer Schenkel
- 59
- ringförmiger Kühlkanal
- 60
- Endabschnitt des flexiblen Elements
- 61
- Endabschnitt des flexiblen Elements
- 62
- Ausnehmung Gehäuseteil auf der ersten Stirnseite
- 63
- eingangsseitiger Anschluss
- 64
- Bohrung
- 65
- Zulaufbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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