-
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit, mit einem eine Kühlmittelzuführung aufweisenden statischen Zuführelement, wobei die Kühlmittelzuführung zumindest eine entlang einer Längsachse des Zuführelementes verlaufenden Versorgungskanal und mehrere entlang eines Umfangs des Zuführelementes verteilt angeordnete, quer / schräg zu dem Versorgungskanal verlaufende und aus dem Zuführelement austretende Auslasskanäle aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebseinheit mit dieser Kühlvorrichtung.
-
Kühlvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2018 117 939 A1 einen elektrischen Antrieb, in dem ein Elektromotor über einen Ölkreislauf des Getriebes gekühlt wird. Dabei wird im Wesentlichen eine Schleuderkühlung umgesetzt, bei der ein rotierendes Bauteil, bevorzugt eine zentrale Welle, mit Durchgangslöchern versehen ist, durch welche Löcher im Betrieb aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft Kühlmittel in radialer Richtung nach außen geschleudert wird und somit an den entsprechenden Bestandteilen des Elektromotors verteilt wird.
-
Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung hat es sich jedoch herausgestellt, dass das Kühlöl bei Stillstand der ölführenden Welle nicht weiter verteilt werden kann. Somit werden die entsprechenden Bestandteile - wenn überhaupt - durch den sich absetzenden Ölsumpf nur punktuell gekühlt. Lokal kann es somit an den ungekühlten Stellen zur Überhitzung kommen. Des Weiteren ist die Auslegung der Ölverteilung in der rotierenden Welle bei diesen Ausführungen relativ aufwändig. Hierbei sind beispielweise die Fragen zu lösen, bei welcher Drehzahl und welchem Öldruck aus welcher Bohrung / welchem Durchgangsloch wie viel Öl kommt. Diese Abstimmung lässt die Herstellung der entsprechenden Welle relativ aufwändig werden.
-
Des Weiteren gibt es Kühlvorrichtungen, bei denen die Kühlmittelströme gezielt an bestimmten Bereichen der elektrischen Maschine entlang geleitet werden. Selbst im Betrieb dieser Vorrichtungen kommt es jedoch wiederum lediglich an vorher ausgewählten Stellen der elektrischen Maschine zur punktuellen Kühlung. Beispielhaft hierzu ist etwa die
DE 10 2015 007 588 A1 zu nennen.
-
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst einfach aufgebaute Kühlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine von einer Drehzahl rotierender Antriebswellen unabhängige, leistungsfähige Kühlung ermöglicht.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf dem Zuführelement ein relativ zu dem Zuführelement verdrehbarer, zur Kühlmittelverteilung ausgebildeter Verteilerring aufgenommen ist, wobei der Verteilerring derart ausgebildet und auf die Auslasskanäle des Zuführelementes abgestimmt ist, dass der Verteilerring durch einen im Betrieb aus den Auslasskanälen austretenden Kühlmittelstrom unmittelbar rotatorisch angetrieben ist.
-
Durch das Vorsehen des drehbaren Verteilerrings auf dem Zuführelement wird eine Kühlvorrichtung zur Verfügung gestellt, die auch unabhängig von weiteren im Betrieb rotierenden Bestandteilen des Antriebsstranges funktioniert und folglich die Antriebseinheit auch bei Stillstand effektiv kühlt. Durch die entsprechende Rotation des Verteilerrings wird das Kühlmittel großflächig verteilt, um möglichst effektiv die entsprechenden Bauteile zu kühlen. Des Weiteren ist der Aufbau der Kühlvorrichtung möglichst einfach gehalten.
-
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
-
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn der Verteilerring derart ausgebildet ist, dass er das im Betrieb aus den Auslasskanälen austretende Kühlmittel (vorzugsweise Öl) derart umlenkt, dass das Kühlmittel von dem Verteilerring aus in einer radialen Richtung und / oder einer axialen Richtung (der Längsachse) zu einer Umgebung hin austritt. Dadurch wird das Kühlmittel im Betrieb großräumig verteilt.
-
Zudem hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn das Zuführelement und / oder der Verteilerring ringförmig ausgebildet sind / ist. Dadurch lässt sich die Kühlvorrichtung möglichst bauraumsparend in der Antriebseinheit integrieren.
-
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Zuführelement unmittelbar durch einen gehäusefesten Bereich zur Verfügung gestellt wird. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht.
-
Für eine einfach aufgebaute Lagerung und Ausbildung des Verteilerrings hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser auf einem axialen Ende des Zuführelementes drehbar gelagert ist. Weiter bevorzugt ist der Verteilerring auf einem axial vorspringenden (vorzugsweise ebenfalls ringförmig verlaufenden) Lagerungsbereich des Zuführelementes gelagert. Dadurch wird der Bauraumbedarf weiter reduziert.
-
Ist der Verteilerring in der axialen Richtung relativ zu dem Zuführelement abgestützt, erfolgt auch eine axiale Lagerung des Verteilerrings auf möglichst einfache Weise.
-
Für eine effiziente Kühlmittelverteilung hat es sich zudem als zweckmäßig herausgestellt, wenn der Verteilerring einen, in Bezug auf die Längsachse des Zuführelementes, radial außerhalb des Zuführelementes angeordneten, ersten Wandungsbereich und / oder einen (in Bezug auf die Längsachse) radial innerhalb des Zuführelementes angeordneten, zweiten Wandungsbereich aufweist.
-
Weisen / weist der erste Wandungsbereich und / oder der zweite Wandungsbereich mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete radiale Durchgangslöcher auf, ist eine effektive Kühlung der entsprechenden Bestandteile sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Verteilerringes realisiert.
-
Für eine robuste Ausbildung des Verteilerrings ist es weiterhin zweckmäßig, wenn der Verteilerring einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist.
-
Sind die Auslasskanäle des Zuführelementes in Umfangsrichtung (schräg) angestellt, wird der Antrieb des Verteilerrings im Betrieb auf möglichst einfache Weise ermöglicht. Demzufolge tritt das Kühlmittel sowohl in radialer Richtung als auch schräg in Umfangsrichtung zur Innenseite bzw. zur Außenseite des Zuführelementes aus und trifft beabstandet zu dem Zuführelement auf entsprechende Gegenbereiche des Verteilerringes. Diese Gegenbereiche sind vorzugsweise als entsprechende Leitschaufeln oder Ausnehmungen am / im Verteilerring umgesetzt. Dadurch ist der Aufbau des Verteilerrings ebenfalls möglichst einfach realisiert.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebseinheit für einen hybriden oder rein elektrischen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mit einer elektrischen Maschine sowie einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Kühlvorrichtung zumindest mit dem Verteilerring radial innerhalb oder radial außerhalb zumindest eines Bestandteils der elektrischen Maschine angeordnet ist.
-
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit eine bevorzugt über einen Fluiddruck angetriebene Fluidkühlung mittels eines Rotationsrings (Verteilerring) realisiert. Der Druck des Kühlfluids wird genutzt, um die weitere Komponente in Form des Verteilerrings in Rotation zu versetzen und das Kühlmittel über eine große Fläche / einen großen Bereich hinweg um einen Fluidauslasspunkt zu verteilen. Konkreter ausgedrückt ist der Ring (Verteilerring) auf einer fluidleitenden Komponente aufgesetzt, um das Kühlfluid über einen entsprechenden Bereich zu verteilen. Das Kühlfluid wird in den Ring an bestimmten Punkten eingespritzt, sodass der Ring durch die exzentrische Einspritzung und die entsprechenden Konturen am Ring in Rotation versetzt wird. In dem Ring sind weiterhin Löcher eingebracht, durch die das Kühlmittel nach außen oder auch nach innen ausgebracht werden kann. Wenn der Ring durch den Druck des Kühlfluids in Rotation versetzt wird, rotieren auch selbstverständlich die Löcher des Ringes, sodass es zu einer großflächigen Verteilung des Kühlmittels kommt. Dies ermöglicht eine Verteilung des Kühlmittels über den gesamten Ring hinweg, wobei der Ring ausschließlich durch den Druck des Kühlfluids angetrieben wird.
-
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie sie bereits in einer teilweise dargestellten elektrischen Antriebseinheit eingesetzt ist, wobei der Aufbau der Kühlvorrichtung seitens eines Zuführelementes und eines darauf rotierend gelagerten Verteilerringes detailliert dargestellt ist,
- 2 eine Längsschnittdarstellung der in 1 eingesetzten Kühlvorrichtung mit durch Strömungspfeile veranschaulichtem, im Betrieb auftretendem Kühlmittelstrom,
- 3 eine Querschnittsansicht eines Umfangsbereiches der Kühlvorrichtung nach den 1 und 2, wobei der Schnitt derart gewählt ist, dass sowohl zwei in radialer Richtung den Verteilerring durchdringende Durchgangslöcher, als auch mehrere in dem Zuführelement gebildete Auslasskanäle zu erkennen sind,
- 4 eine Querschnittansicht der Kühlvorrichtung ähnlich zu 3, wobei der im Betrieb aus den Auslasskanälen austretende Kühlmittelstrom durch Strömungspfeile angedeutet ist, sowie
- 5 eine Querschnittsansicht der Kühlvorrichtung ähnlich zu den 3 und 4, wobei nun auch mehrere in dem Verteilerring eingebrachte Ausnehmungen zu erkennen sind.
-
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen daher ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Mit 1 ist zunächst ein prinzipieller Aufbau einer eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 aufweisenden elektrischen Antriebseinheit 2 zu erkennen. Die elektrische Antriebseinheit 2 ist auf typische Weise im Betrieb in einem der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Dieser Kraftfahrzeugantriebsstrang kann entweder rein elektrisch oder hybridisch umgesetzt sein. Eine in der elektrischen Antriebseinheit 2 vorgesehene elektrische Maschine 14 dient dabei in einem entsprechenden elektrischen oder hybridischen Betriebsmodus zum Antrieb des Kraftfahrzeuges. In 1 sind Stator 15 und Rotor 16 der elektrischen Maschine 14 stark vereinfacht dargestellt.
-
Erfindungsgemäß ist die Kühlvorrichtung 1 in einem Raum der elektrischen Antriebseinheit 2 aufgenommen. Die Kühlvorrichtung 1 dient im Betrieb zum Kühlen der Bestandteile, vorzugsweise des Stators 15 und / oder des Rotors 16, der elektrischen Maschine 14 durch Erzeugung eines Kühlmittelstromes. Die Kühlvorrichtung 1 ist in einem der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Gehäuse der elektrischen Maschine 14 aufgenommen. Hierzu weist die Kühlvorrichtung 1 ein Zuführelement 4 auf, das statisch und demnach fest an dem Gehäuse der elektrischen Maschine 14 angebracht bzw. unmittelbar durch dieses Gehäuse ausgebildet ist.
-
Das Zuführelement 4 ist, wie 1 gut zu erkennen, im Wesentlichen ringförmig ausgeformt. Das Zuführelement 4 verläuft um eine zentrale Längsachse 5 ringförmig. Die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial, radial und Umfangsrichtung beziehen sich auf diese Längsachse 5. Mit einer axialen Richtung / axial ist folglich eine Richtung entlang der Längsachse 5, mit der einer radialen Richtung / radial eine Richtung senkrecht zu der Längsachse 5 und mit Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch zu der Längsachse 5 verlaufenden Kreislinie zu verstehen.
-
Das Zuführelement 4, wie in 1 näher zu erkennen, weist eine Kühlmittelzuführung 3 auf. Insbesondere ist ein axial verlaufender Versorgungskanal 6 des Zuführelementes 4 mit 1 zu erkennen. Auf diese Weise sind mehrere Versorgungskanäle 6 in der Umfangsrichtung verteilt in dem Zuführelement 4 eingebracht. Der jeweilige Versorgungskanal 6 geht zu einem freien Ende 9 des Zuführelementes 4 hin in zwei Auslasskanäle 7a und 7b über. Ein erster Auslasskanal 7a verläuft von dem Versorgungskanal 6 aus radial nach außen und tritt zu einer radialen Außenseite 27 des Zuführelementes 4 hin aus dem Zuführelement 4 aus. Ein zweiter Auslasskanal 7b erstreckt sich in radialer Richtung von dem Versorgungskanal 6 aus nach innen und tritt zu einer radialen Innenseite 28 des Zuführelementes 4 hin aus dem Zuführelement 4 aus. Der Versorgungskanal 6 ist im Wesentlichen als Sackloch ausgebildet und endet somit vor einer axialen Stirnseite 20 des Zuführelementes 4.
-
Auf dem Zuführelement 4 ist ein ebenfalls ringförmiger Verteilerring 8 drehbar aufgenommen. Der Verteilerring 8 ist zentriert zu der Längsachse 5 angeordnet. Der Verteilerring 8 ist um die Längsachse 5 (/ Drehachse) drehbar an dem Zuführelement 4 gelagert / abgestützt. Auch ist der Verteilerring 8 in der axialen Richtung relativ zu dem Zuführelement 4 abgestützt.
-
Wie diesbezüglich mit den 1 und 2 näher zu erkennen, weist das Zuführelement 4 zur drehbaren Lagerung des Verteilerrings 8 einen axialen Fortsatz in Form eines Lagerungsbereichs 10 aufweist. Dieser Lagerungsbereich 10 ist in dieser Ausführung ringförmig realisiert und läuft somit vollständig in Umfangsrichtung des Zuführelementes 4 um. Eine radial verlaufende / axial neben dem Zuführelement 4 angeordnete Seitenwand 21 des Verteilerrings 8 weist eine ebenfalls ringförmig umlaufende axial zu dem Zuführelement 4 hin geöffnete Vertiefung 22 auf, die den Lagerungsbereich 10 gleitend aufnimmt. Die Vertiefung 22 ist als eine Nut realisiert. Somit gleitet der Lagerungsbereich 10 bei einem Drehen des Verteilerringes 8 relativ zu dem Zuführelement 4 in der Vertiefung 22 ab.
-
Zur axialen Sicherung des Verteilerrings 8 ist ein Sicherungsstift 23 / Sicherungsbolzen vorhanden. Dieser Sicherungsstift 23, der weiter bevorzugt in Umfangsrichtung auch mehrfach vorgesehen sein kann, ist einerseits in dem Verteilerring 8 verankert und andererseits in einer ringförmig umlaufenden Aussparung 24 in Form einer Nut 24 drehbar / gleitend gelagert. Der Sicherungsstift 23 ist radial ausgerichtet und somit durch die Seiten der Aussparung 24 in axialer Richtung relativ zu dem Zuführelement 4 gesichert / abgestützt.
-
Wie des Weiteren besonders gut in Verbindung mit den 3 bis 5 zu erkennen, ist der Verteilerring 8 derart ausgebildet, dass ein im Betrieb aus den Auslasskanälen 7a, 7b austretender Kühlmittelstrom, wie er durch die entsprechenden Pfeile 18 gekennzeichnet ist, so auf den Verteilerring 8 auftrifft, dass der Verteilerring 8 dadurch unmittelbar rotatorisch angetrieben wird.
-
Demnach ist der Verteilerring 8 mit in den 3 und 4 der Übersichtlichkeit halber weggelassenen Fluidumleitabschnitten versehen, die dafür sorgen, dass der gemäß 4 radial nach außen und radial nach innen aus dem Zuführelement 4 austretende Kühlmittelstrom 18 die Drehung des Verteilerrings 8 verursacht. Hierzu ist in der 5 beispielhaft näher dargestellt, dass die Fluidumleitabschnitte bevorzugt als mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Ausnehmungen 17 ausgebildet sind, die auf den dem Zuführelement 4 zugewandten radialen Bereichen des Verteilerrings 8 eingebracht sind. Durch das Auftreffen des Kühlmittelstroms 18 auf die umfangsseitigen Seitenflanken der Ausnehmungen 17 wird der Impuls des Kühlmittelstromes 18 an den Verteilerring 8 weitergegeben und dieser rotatorisch angetrieben (gemäß Drehrichtungspfeil 19 in 3).
-
Wie auch mit 4 verdeutlicht, sind die Auslasskanäle 7a, 7b in Umfangsrichtung angestellt und folglich in radialer Richtung gesehen schräg gestellt, um einen Impuls in Umfangsrichtung auf den Verteilerring 8 zu übertragen. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass der Verteilerring 8 in weiteren Ausführungen auch auf andere Weise realisierbar ist, insbesondere hinsichtlich seiner Fluidumleitabschnitt, die weiter bevorzugt auch als integrale oder separat angebrachte Förderschaufeln realisiert sind.
-
Wie mit den 1 und 2 des Weiteren zu erkennen, weist der Verteilerring 8 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf. Der Verteilerring 8 weist einen ersten Wandungsbereich 11 in Form eines Außenwandungsbereichs sowie einen zweiten Wandungsbereich 12 in Form eines Innenwandungsbereichs auf. Die beiden Wandungsbereiche 11, 12 sind in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet und über die Seitenwand 21 miteinander gekoppelt. Der erste Wandungsbereich 11 ist radial außerhalb / zur radialen Außenseite 27 des Zuführelementes 4 angeordnet, wohingegen der zweite Wandungsbereich 12 radial innerhalb / zur radialen Innenseite 28 des Zuführelementes 4 hin angeordnet ist. Die beiden Wandungsbereiche 11 überdecken das Zuführelement 4 insbesondere in einem die Auslasskanäle 7a, 7b aufweisenden Abschnitt.
-
Die Wandungsbereiche 11, 12 sowie die Seitenwand 21 bilden mit dem Zuführelement 4 einen Verteilraum 26 auf, indem das im Betrieb aus den Auslassöffnungen 7 ausströmende Kühlmittel gesammelt, verteilt und weitergeleitet wird. Die Wandungsbereiche 11, 12 sind jeweils auf ihrer dem Zuführelement 4 zugewandten radialen Seite mit den Ausnehmungen 17 versehen. Diese Ausnehmungen 17 befinden sich auf übliche Weise axial auf Höhe der Auslasskanäle 7a, 7b.
-
Der Verteilerring 8 ist sowohl zu seiner radialen Innenseite, als auch zu seiner radialen Außenseite, d.h. sowohl seitens seines ersten Wandungsbereiches 11, als auch seitens seines zweiten Wandungsbereiches 12 mit mehreren in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, radialen Durchgangslöchern 13 versehen. Diese Durchgangslöcher 13 dienen zum Ausbringen des Kühlmittels, wie in 2 angedeutet und somit zum Erzeugen eines (ausgegebenen) Kühlstromes 25, der die elektrische Antriebseinheit 2 durchströmt. Die Durchgangslöcher sind axial versetzt zu den Auslasskanälen 7a, 7b angeordnet.
-
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß ein Fluiddruck ausgenutzt um ein weiteres Bauteil (Verteilerring 8) in Rotation zu versetzen, um somit das Kühlfluid flächig um die Fluidauslassstelle zu verteilen. Umgesetzt wird dieser Gedanke dadurch, dass ein Ring 8 auf das fluidführende Bauteil 4 aufgebracht wird, welches das Kühlfluid flächig verteilen soll. Das Kühlfluid wird punktuell in den Ring 8 eingebracht und soll den Ring 8 durch eine exzentrische Einbringung und dementsprechende Konturen 17 im Ring 8 in Rotation versetzen. In dem Ring 8 sind wiederum einige Löcher 13 eingebracht, wodurch das Kühlfluid nach außen, oder auch nach außen und innen, geschleudert werden kann. Dadurch, dass der Ring 8 durch den Fluiddruck in Rotation versetzt wird, drehen sich auch diese Löcher 13 im Ring 8 und somit ist eine flächige Verteilung des Kühlfluids realisiert. Somit ist eine Möglichkeit geschaffen, Kühlfluid flächig um den Ring 8 herum zu verteilen, wobei der Ring 8 allein durch den Fluiddruck angetrieben wird. Die Auslegung, wie viel Fluid von dieser Baugruppe verteilt wird, ist auch deutlich einfacher als bei bekannten Schleuderkühlungen, da es hier keinen Drehzahleinfluss des Getriebes gibt und somit die Auslegung wie viel Fluid dorthin kommt statisch im System ausgeführt werden kann.
-
Wie in 1 zu sehen, wird über ein statisches Teil 4 Fluid zugeführt. Dieses Teil 4 soll ein rotationsymmetrischer Ring sein. Am Ende 9 des statischen Teils 4 befindet sich der Führungsring 10. Auf diesen Ring 10 wird der Verteilerring 8 gelegt, welcher hierdurch frei rotieren kann. Über einen Bolzen 23 oder ähnliches, welcher in einer Bohrung im Verteiler 8 angebracht ist und in eine Nut 24 im statischen Teil 4 ragt, wird der Verteilerring 8 vor axialer Bewegung fixiert.
-
In 2 ist zu sehen, wie das Fluid in den Verteilerring 8 eingebracht wird und über, im Umfang des Ringes 8 verteilte Bohrungen 13, an die zu kühlenden Stellen geführt wird. Die Bohrungen 7a, 7b am statischen Bauteil sind versetzt zur Rotationsachse 5 anzubringen, um den Verteilerring 8 zu beschleunigen.
-
Wie in den 3 bis 5 zu sehen, wird durch die Bohrungen 7a, 7b aus dem statischen Bauteil 4 der Verteilerring 8 beschleunigt, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des Fluides über den Umfang entsteht. Je nach Druck kann der Verteilerring 8 z.B. mit Konturen 17 oder Ähnlichem versehen werden, um eine bessere Angriffsfläche für das Fluid zur erzeugen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kühlvorrichtung
- 2
- elektrische Antriebseinheit
- 3
- Kühlmittelzuführung
- 4
- Zuführelement
- 5
- Längsachse
- 6
- Versorgungskanal
- 7
- Auslassöffnung
- 7a
- erster Auslasskanal
- 7b
- zweiter Auslasskanal
- 8
- Verteilerring
- 9
- Ende
- 10
- Lagerungsbereich
- 11
- erste Wandungsbereich
- 12
- zweiter Wandungsbereich
- 13
- Durchgangsloch
- 14
- elektrische Maschine
- 15
- Stator
- 16
- Rotor
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Strömungspfeil
- 19
- Drehrichtungpfeil
- 20
- Stirnseite
- 21
- Seitenwand
- 22
- Vertiefung
- 23
- Sicherungsstift
- 24
- Aussparung
- 25
- Kühlstrom
- 26
- Verteilraum
- 27
- Außenseite
- 28
- Innenseite
