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Die Erfindung betrifft ein Ölsystem einer elektrischen Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Trockensumpf-Systeme mit Einspritzschmierung im Getriebe einer elektrischen Antriebseinheit (EDU) werden zur Steigerung des Wirkungsgrades durch reduzierte Planschverluste verwendet.
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Die
EP 1 271 747 A1 offenbart, dass in Elektromotoren oft Spaltrohre Anwendung finden, welche eine Flüssigkeitskühlung des Stators ermöglichen. Das Mittelteil eines beschriebenen Spaltrohres ist dünnwandiger ausgebildet als die Seitenteile. Diese Seitenteile sind zudem in ihrer Form und Materialwahl an die spezifischen thermischen Gegebenheiten angepasst. Besonders geeignet ist der Gegenstand für Werkzeugmaschinen mit Hauptspindelantrieben mit Mittelfrequenz-Synchronmotoren, da damit die Betriebstemperatur im antriebsseitigen Lager herabsetzbar ist. Verfahrensgemäß wird bei sehr engen Luftspalten zwischen Stator und Rotor das Mittelteil ausgedreht und kalibriert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Ölsystem einer elektrischen Antriebseinheit anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ölsystem einer elektrischen Antriebseinheit gemäß Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Ölsystem einer elektrischen Antriebseinheit vorgeschlagen, umfassend eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, einem Stator und einem Rotor, wobei ein Rotorraum, in dem der Rotor sich befindet, durch eine im Stator angeordnete Hülse aus einem elektrisch nicht leitfähigen und nicht ferromagnetischem Material, die an ihren Enden gegen das Gehäuse abgedichtet ist, fluiddicht vom Stator getrennt ist, wobei der Stator mit einem Öl geflutet ist, wobei ein Öleinlass und ein Ölauslass jeweils auf einer Stirnseite des Stators angeordnet sind, wobei der Stator zwei Wickelköpfe aufweist, für die jeweils ein umlaufender Wickelkopfraum zum Strömen des Öls vorgesehen ist. Erfindungsgemäß sind der Öleinlass und der Ölauslass auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators angeordnet, wobei mehrere axial verlaufenden Bypasskanäle und/oder Axialkanäle vorgesehen sind, die die beiden Wickelkopfräume miteinander verbinden, wobei die Axialkanäle im Statorblech und/oder im Gehäuse integriert sind, wobei die elektrische Antriebseinheit ferner ein Getriebe umfasst, das durch das Ölsystem geschmiert ist, wobei das Ölsystem einen Trockensumpf, eine Absaugpumpe sowie eine Druckpumpe umfasst, wobei die Absaugpumpe auf einen deutlich größeren Volumenstrom ausgelegt ist als die Druckpumpe, wobei die Absaugpumpe Öl aus dem Trockensumpf zur Kühlung durch einen Wärmetauscher, der durch einen Thermostaten bypassiert ist, und anschließend durch ein Filter in den Stator fördert, wobei die Druckpumpe Öl aus dem gefluteten Stator weiter zum Getriebe fördert, wobei der Öleinlass auf einer höheren geodätischen Höhe als der Ölauslass angeordnet ist, wobei eine Rücklaufleitung aus dem Stator in den Trockensumpf vorgesehen ist.
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Mittels der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Trockensumpfsystem einer elektrischen Antriebseinheit mit einem gefluteten Stator einer elektrischen Maschine als Öltank realisiert. Auf diese Weise werden Bauraum, Gewicht und Kosten für eine Trockensumpfschmierung einer elektrischen Maschine reduziert.
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Durch die Verwendung des gefluteten Stators der elektrischen Maschine entfallen der durch einen anderenfalls erforderlichen Öltank benötigte Bauraum und das zusätzliche Gewicht. Stattdessen dient der geflutete Stator als Öltank, der als Ausgleichsbehälter dient, damit auch in dynamischen Fahrsituationen (Längs- und Querdynamik) die Funktion der Einspritzschmierung immer zur Verfügung steht.
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Insgesamt ist somit eine deutliche Steigerung der Dauerleistungsdichte der gesamten elektrischen Antriebseinheit durch geringeres Gewicht möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem im Stator rotierbaren Rotor, und
- 2 eine schematische Ansicht einer elektrischen Antriebseinheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine 1 mit einem Stator 2 und einem im Stator 2 rotierbaren Rotor 3. Ein Rotorraum 4, in dem der Rotor 3 sich befindet, kann durch eine im Stator 2 angeordnete Hülse 5 fluiddicht vom Stator 2 getrennt sein. Beispielsweise ist die Hülse 5 an ihren Enden gegen ein Gehäuse 12 der elektrischen Maschine 1 abgedichtet. Der Stator 2 ist mit einem dielektrischen Kühlmedium, insbesondere Getriebeöl, geflutet. Durch den fluiddicht abgetrennten Rotorraum 4 ist dieser ölfrei. Zur Abfuhr geringer Leckage-Mengen in den Rotorraum 4 ist ein Ablauf aus diesem vorgesehen.
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Die Hülse 5 ist in ein Statorblechpaket eingefügt und aus einem elektrisch nicht leitfähigen und nicht ferromagnetischem Material gefertigt, um keine zusätzlichen Verluste zu erzeugen, welche den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 1 negativ beeinflussen würden. Beispielsweise kann die Hülse 5 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gefertigt sein um diese Anforderungen zu erfüllen.
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Die Wicklung der elektrischen Maschine 1 besteht aus Kupfer und besitzt somit eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Kühlung über den Wickelkopf 8 ist bei Hairpin-Wicklungen besonders wirksam, da dieser eine größere Oberfläche gegenüber dem Kühlmedium bietet als eine Runddrahtwicklung.
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Es kann eine Strömungsführung des Kühlmediums vorgesehen sein, die darauf ausgelegt ist, über den gesamten Umfang beider Wickelköpfe 8 eine ausreichende Strömung zu erzeugen und somit eine gleichmäßige Kühlwirkung über den gesamten Wickelkopf 8 zu erzielen. Um dies zu erreichen kann die Ölzufuhr und Ölabfuhr auf axial gegenüberliegenden Seiten und um einen Winkel φ von 180° versetzt angeordnet sein, das heißt ein Öleinlass 6 ist auf einer Stirnseite des Stators 2 in Radialrichtung von einer Längsachse L beabstandet angeordnet und ein Ölauslass 7 ist auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Stators 2 in Radialrichtung von der Längsachse L beabstandet und um den Winkel φ von 180° versetzt zum Öleinlass 6 angeordnet. Im Bereich beider Wickelköpfe 8 ist jeweils ein umlaufender Wickelkopfraum 9 vorgesehen, in dem das Kühlmedium strömen kann.
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Auf der Winkelposition des Öleinlasses 6 und des Ölauslasses 7 kann radial außerhalb der Statorwicklung oder im Statorblech jeweils ein axial verlaufender Bypasskanal 10 vorgesehen sein, der die beiden Wickelkopfräume 9 miteinander verbindet. Ferner sind verteilt über den Umfang mehrere Axialkanäle 11 vorgesehen, welche beide Wickelkopfräume 9 miteinander verbinden. Diese Axialkanäle 11 können in das Statorblech integriert sein oder über einen Hohlraum zwischen dem innersten Leiter der Statorwicklung und der Hülse 5 dargestellt werden.
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2 ist eine schematische Ansicht eines Ölsystems 20 einer elektrischen Antriebseinheit, umfassend einen Trockensumpf 21, eine Absaugpumpe 22 sowie eine Druckpumpe 23. Die Absaugpumpe 22 ist auf einen deutlich größeren Volumenstrom ausgelegt als die Druckpumpe 23. Beide Pumpen 22, 23 können jedoch als getrennte Stufen auf einer gemeinsamen Welle 24 laufen. Ein Antrieb 25 dieser Welle 24 kann sowohl mechanisch als auch elektrisch ausgebildet sein. Die Absaugpumpe 22 fördert Öl aus dem Trockensumpf 21 zur Kühlung durch einen Wärmetauscher 26, der durch einen Thermostaten 27 bypassiert ist, und anschließend durch ein Filter 28 in den Stator 2 einer elektrischen Maschine 1. Insbesondere kann die elektrische Maschine 1 wie oben beschrieben und in 1 gezeigt ausgebildet sein.
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Indem das Fördervolumen der Absaugpumpe 22 deutlich größer ausgelegt wird als das der Druckpumpe 23 wird sichergestellt, dass der Trockensumpf 21 leer gefördert wird und der geflutete Stator 2 als Ausgleichstank dient. Die Druckpumpe 23 fördert Öl aus dem gefluteten Stator 2 weiter zu einem Getriebe 29, insbesondere zur Einspritzschmierung und Lagerschmierung.
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Die Verbindung vom gefluteten Stator 2 zur Druckpumpe 23 ist auf möglichst geringer geodätischer Höhe zu wählen, um eine dauerhafte Versorgung der Einspritzschmierung sicherzustellen, auch in Situationen mit starker Längs- und/oder Querdynamik. Die Verbindung der Absaugpumpe 22 zum gefluteten Stator 2 ist hingegen auf möglichst großer geodätischer Höhe zu wählen, um einen Rücklauf aus dem Stator 2 in den Trockensumpf 21 durch eine Rücklaufleitung 30 zu vermeiden oder zu reduzieren. Weiterhin ist zu beachten, dass die Verbindung der Absaugpumpe 22 und der Druckpumpe 23 auf unterschiedlichen axialen Seiten des Stators 2 positioniert werden.
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Der Vorteil dieser Lösung besteht in der Reduzierung des Gewichts und des benötigten Bauraums für ein als Trockensumpfsystem ausgebildetes Ölsystem 20. Das Trockensumpfsystem an sich ist ein großer Stellhebel zur Steigerung der Effizienz der elektrischen Antriebseinheit. Der geflutete Stator 2 ist aus Sicht der Kühlung der elektrischen Maschine 1 sehr vorteilhaft, da hierdurch größere Dauerleistungsdichten möglich sind als mit klassischer Wassermantelkühlung.
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In einer elektrischen Antriebseinheit, die zumindest die elektrische Maschine 1 und das Getriebe 29, sowie optional eine Leistungselektronik und/oder einen Eingang einer Gelenkwelle mit entsprechendem Getriebe (P3 Hybrid) umfasst, wird die mit Getriebeöl gekühlte elektrische Maschine 1 mit geflutetem Stator 2 eingesetzt. Dieser geflutete Stator 2 übernimmt neben der Funktion der Kühlung der elektrischen Maschine 1 auch die Funktion des Tanks des als Trockensumpfsystem ausgebildeten Ölsystems 20 des Getriebes 29.
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Gefluteter Stator 2 bedeutet, dass der Wickelkopfraum 9 der elektrischen Maschine 1 vollständig von Öl umgeben ist und somit gefüllte Öl-Ringräume um die Wickelköpfe 8 bildet. Diese beiden Öl-Ringräume sind durch axiale Kanäle 11 miteinander verbunden, welche sich im Statorblechpaket oder auch im Gehäuse 12 befinden können. Die ölgefüllten Bereiche sind gegenüber dem Rotorraum 4 abzudichten, was beispielsweise durch eine Hülse 5 aus GFK geschehen kann, die in das Statorblechpaket eingefügt wird.
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Da der geflutete Stator 2 damit auch eine Ausgleichsfunktion übernimmt, müssen im Bereich des gefluteten Stators 2 Ölpegelschwankungen zulässig sein, ohne dass die Kühlung der elektrischen Maschine 1 leidet. Dies kann durch die Art der konstruktiven Gestaltung des gefluteten Ringraumes ermöglicht werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Bedeckung des Wickelkopfes mit Öl im Betrieb sicherzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Rotorraum
- 5
- Hülse
- 6
- Öleinlass
- 7
- Ölauslass
- 8
- Wickelkopf
- 9
- Wickelkopfraum
- 10
- Bypasskanal
- 11
- Axialkanal
- 12
- Gehäuse
- 20
- Ölsystem
- 21
- Trockensumpf
- 22
- Absaugpumpe
- 23
- Druckpumpe
- 24
- Welle
- 25
- Antrieb
- 26
- Wärmetauscher
- 27
- Thermostat
- 28
- Filter
- 29
- Getriebe
- 30
- Rücklaufleitung
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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