DE102020121432A1

DE102020121432A1 - Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine und einem Wechselrichter, Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020121432A1
Application number: DE102020121432.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Engelhardt; Stefan Oechslen; Jörg Schneider
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2040-08-15
Also published as: DE102020121432B4; US11784537B2; CN114079353A; US20220052583A1

Abstract

Es wird ein Antriebsstrang (100) aufweisend eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2), einen Wechselrichter (3) und ein Anschlussgehäuse (4) mit einem Kühlmittelraum (4.1) in welchem ein elektrischer Leiter (5) zum Verbinden einer direkt flüssigkeitsgekühlten Statorwicklung (2.2) des Stators (2) mit dem Wechselrichter (3) angeordnet ist vorgeschlagen, wobei der Kühlmittelraum (4.1) zu einem Statorraum (2.1) des Stators (2) hin an einer Öffnung (4.3) flüssigkeitsdurchlässig geöffnet ist, wobei der elektrische Leiter (5) an einer Durchführung (4.2) aus dem Kühlmittelraum (4.1) zum Wechselrichter (3) geführt ist, wobei die Durchführung (4.2) flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. Weiterhin wird ein Kraftfahrzeug (200) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine und einem Wechselrichter, wobei die elektrische Maschine eine direkt flüssigkeitsgekühlte Statorwicklung aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug.
Elektrische Maschinen sind typischerweise durch ihre maximale Betriebstemperatur leistungslimitiert, weswegen sie im Betrieb gekühlt werden müssen. Gerade bei hochperformanten elektrischen Maschinen ist es oft vorgesehen, dass Wicklungen der Maschine, insbesondere die Statorwicklung, zum Kühlen mit einer Kühlflüssigkeit direkt beaufschlagt werden. Im Vergleich zu einer indirekten Kühlung kann so deutlich effizienter Wärme abgeführt werden und ein dauerhaft ausfallsicherer Betrieb bei hohen Leistungen garantiert werden.
Die direkte Flüssigkeitskühlung bringt allerdings einige Schwierigkeiten bei Konstruktion und Betrieb der elektrischen Maschine mit sich. Da ein Eintreten von Kühlflüssigkeit in den Luftspalt zu erhöhten Reibungsverlusten führen würde, ist es vorteilhaft, dies zu verhindern. Als Abhilfe kann beispielsweise ein Spaltrohr eingesetzt werden. Neben dem Verlust von Kühlflüssigkeit in den Luftspalt muss auch der Verlust von Kühlflüssigkeit nach Außen verhindert werden. Dies ist besonders an Stellen der elektrischen Maschine nötig, an denen beispielsweise elektrische Leiter durch das Gehäuse der elektrischen Maschine, beispielsweise durch das Statorgehäuse von der Wicklung zu einem Wechselrichter geführt werden.
Elektrische Leiter werden typischerweise an einem axialen Ende des Stators aus dem Statorgehäuse geführt. Gerade an den axialen Enden des Stators ist Bauraum knapp. Dies gilt insbesondere für den Bereich zwischen dem Wickelkopf der Statorwicklung und der Stirnseite des Statorgehäuses, wodurch typischerweise der elektrische Leiter mit einem geometrischen Versatz vom Wickelkopf zu der Stelle geführt wird, an der er das Statorgehäuse verlässt. Um diesen geometrischen Versatz ausgleichen zu können, muss der elektrische Leiter ein flexibles Teilstück zwischen Wickelkopf und Gehäuse aufweisen. Dieses flexible Teilstück vergrößert allerdings weiterhin den Bauraumbedarf im Bereich des Wickelkopfes.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsstrang bereitzustellen, welcher die genannten Nachteile Standes der Technik nicht aufweist, sondern eine optimierte Durchführung eines elektrischen Leiters aus dem Statorgehäuse zum Wechselrichter des Antriebsstranges bereitstellt, ohne dass der elektrische Leiter ein flexibles Teilstück innerhalb des E-Maschinengehäuses aufweisen müsste.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Antriebsstrang aufweisend eine elektrische Maschine mit einem Stator, einen Wechselrichter und ein Anschlussgehäuse mit einem Kühlmittelraum in welchem ein elektrischer Leiter zum Verbinden einer direkt flüssigkeitsgekühlten Statorwicklung des Stators mit dem Wechselrichter angeordnet ist, wobei der Kühlmittelraum zu einem Statorraum des Stators hin an einer Öffnung flüssigkeitsdurchlässig geöffnet ist, wobei der elektrische Leiter an einer Durchführung aus dem Kühlmittelraum zum Wechselrichter geführt ist, wobei die Durchführung flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ermöglicht die Abdichtung des Raumes, welcher kühlflüssigkeitsdurchströmt ist, abseits des Stators direkt am Wechselrichter. Der geometrische Versatz kann durch die größere Länge des elektrischen Leiters, insbesondere im Bereich des Kühlmittelraumes, ausgeglichen werden. So ermöglicht die große Länge beispielsweise eine gewisse Flexibilität des elektrischen Leiters, obwohl dieser typischerweise eher steif ausgeführt ist. Ferner ermöglicht die Abdichtung am Wechselrichter, dass der elektrische Leiter bis hin zum Wechselrichter direkt flüssigkeitsgekühlt wird. Die Möglichkeit einer Überhitzung des elektrischen Leiters in diesem Bereich kann so reduziert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter eine Stromschiene umfasst. Hierdurch ist es möglich, sehr große Stromstärken zu leiten. Stromschienen sind üblicherweise eher steif. Die Anordnung der Stromschienen gemäß dieser Ausführungsform ermöglich eine mechanische Flexibilität, welche groß genug ist, Versätze, beispielsweise durch Relativbewegungen oder Schwingungen im Betrieb auszugleichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Öffnung an einer Stirnseite des Stators angeordnet ist. Dadurch ist eine geschickte Führung des elektrischen Leiters aus dem Stator zum Wechselrichter hin möglich. Der elektrische Leiter lässt sich so bauraumsparend in axialer Richtung aus dem Stator führen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anschlussgehäuse einen Einlass zum Einleiten einer Kühlflüssigkeit in den Kühlmittelraum aufweist. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine gute Durchströmung des Kühlmittelraumes mit der Kühlflüssigkeit. Das Anschlussgehäuse dient hier also als Kühlflüssigkeitszuführung für den Stator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anschlussgehäuse einen Auslass zum Ausleiten einer Kühlflüssigkeit aus dem Kühlmittelraum aufweist. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise ebenfalls eine gute Durchströmung des Kühlmittelraumes mit der Kühlflüssigkeit. Das Anschlussgehäuse dient hier als Kühlflüssigkeitsabführung für den Stator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Durchführung mit einer an einem Wechselrichtergehäuse des Wechselrichters angeordneten Dichtung des Wechselrichters flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Dichtung in das Wechselrichtergehäuse eingelegt, oder eingeklebt, oder in dem Wechselrichtergehäuse verspannt oder in das Wechselrichtergehäuse gepresst ist. Dadurch ist es auf vorteilhafte Weise einfacher möglich, das Anschlussgehäuse auf das Wechselrichtergehäuse aufzusetzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wechselrichter den Stator in einer zu einer Statorachse parallelen axialen Richtung nicht überragend angeordnet ist. Dadurch ist auf vorteilhafte Weise eine sehr kompakte Bauform ermöglicht. Denkbar ist, dass der Wechselrichter in axialer Richtung mit dem Stator abschließt. Denkbar ist, dass das Anschlussgehäuse auf die Stirnseite des Stators und auf eine Stirnseite des Wechselrichters aufgesetzt ist. Dazu ist denkbar, dass die Stirnseite des Wechselrichters parallel zur Stirnseite des Stators angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Außenwandung des Wechselrichters den Kühlmittelraum zu einer Seite hin zumindest teilweise abschließt. Dadurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, eine Wandung des Anschlussgehäuses einzusparen. Weiterhin eröffnet sich die Möglichkeit, das Anschlussgehäuse für verschiedene Geometrien von Wechselrichter und Stator vorzusehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Statorgehäuse des Stators und das Anschlussgehäuse nicht einteilig verbunden sind und/oder dass das Anschlussgehäuse und das Wechselrichtergehäuse des Wechselrichters nicht einteilig verbunden sind. Dies ermöglicht auf einfache und vorteilhafte Weise eine modulare Ausführung des Antriebsstranges, wodurch es möglich ist, einzelne Komponenten einfach auszutauschen. Ferner wird die Herstellung der einzelnen Komponenten des Antriebsstranges deutlich vereinfacht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung zur Lösung der eingangs formulierten Aufgabe ist ein Kraftfahrzeug aufweisend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
Alle zuvor im Zusammenhang mit der Steuereinheit offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf das den erfindungsgemäßen Antriebsstrang sowie das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

1 illustriert schematisch einen Antriebsstrang gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist schematisch ein Antriebsstrang 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Antriebsstrang 100 weist eine elektrische Maschine 1 mit einer direkt flüssigkeitsgekühlten Statorwicklung 2.2 auf. Innerhalb eines Statorblechpaketes 2.5 des Stators 2 verlaufend angeordnet sind elektrische Leiter (nicht gezeigt) der Statorwicklung 2.2. Die elektrischen Leiter der Statorwicklung 2.2 sind in zwei Wickelköpfen 2.6 zur Statorwicklung 2.2 verbunden.
Die Statorwicklung 2.2 wird von dem Wechselrichter 3 mit Phasenströmen gespeist. Dazu ist die Statorwicklung 2.2 über einen elektrischen Leiter 5, welcher hier als Stromschiene ausgeführt ist, mit dem Wechselrichter 3 verbunden. Um die Statorwicklung 2.2 mit einer Kühlflüssigkeit zu kühlen, wird ein Statorraum 2.1 des Stators 2 mit der Kühlflüssigkeit durchströmt. Somit stellt sich die Aufgabe, den Statorraum 2.1 flüssigkeitsdicht abzudichten. Um zu verhindern, dass Kühlflüssigkeit in einen Bereich zwischen Rotor 6 mit dem Rotorblechpaket 6.2 und der Rotorwelle 6.1 gerät, weist die elektrische Maschine 1 ein Spaltrohr 2.7 auf. Ferner muss auch die Stelle abgedichtet werden, an welcher der elektrische Leiter 5 zum Wechselrichter 3 geführt wird.
Dazu weist der Antriebsstrang 100 ein Anschlussgehäuse 4 auf, welches eine durchgängige Öffnung 4.3 in den Statorraum 2.1 aufweist. Der Innenraum des Anschlussgehäuses 4 bildet einen Kühlmittelraum 4.1 durch welchen der elektrische Leiter 5 von der Öffnung 4.3 zu einer Durchführung 4.2 zum Wechselrichter 3 hin geführt wird. Die Durchführung 4.2 ist fluiddicht abgedichtet. Dazu weist der Antriebsstrang 100 eine in das Wechselrichtergehäuse 3.1 eingearbeitete Dichtung 3.2 auf. Mit anderen Worten ist die Abdichtung des Statorgehäuses 2.4 von der Öffnung 4.3 zum Austritt des elektrischen Leiters 5 hin zum Wechselrichtergehäuse 3.1 verlegt. Die Verlängerung des elektrischen Leiters 5 vom Wickelkopf 2.6 zur Dichtung 3.2 lässt auch bei eigentlich steifen Stromschienen als elektrische Leiter 5 ausreichend mechanische Flexibilität entstehen, so dass keine flexiblen Teilstücke bauraumintensiv in den mechanischen Leiter 5 eingearbeitet werden müssten.
Das Anschlussgehäuse 4 weist ferner einen Einlass 4.4 zum Einleiten von Kühlflüssigkeit auf. Die Kühlflüssigkeit strömt durch den Einlass 4.4 in den Kühlmittelraum 4.1 und kühlt dort den elektrischen Leiter 5. Von dort strömt die Kühlflüssigkeit weiter durch die Öffnung 4.3 in den Statorraum 2.1, umspült die Wickelköpfe 2.6 und die Statorwicklung 2.2 und verlässt an einer weiteren Stirnseite 2.3' des Stators 2 den Stator 2 durch einen Auslass 4.5. Die Strömungsrichtung der Kühlmittelflüssigkeit ist in der 1 durch Pfeile angedeutet.
Für eine platzsparende Anordnung und einfache Montage ist vorgesehen, dass das Wechselrichtergehäuse 3.1 in einer axialen Richtung A, welche parallel zur Statorachse S angeordnet ist, nicht das Statorgehäuse 2.4 überragt. Ferner ist vorgesehen, dass eine Außenwandung 3.3 des Wechselrichters 3 den Kühlmittelraum 4.1 zumindest teilweise in einer Richtung abdichtet.
2 illustriert schematisch ein Kraftfahrzeug 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 200 weist einen Antriebsstrang 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf.

Claims

Antriebsstrang (100) aufweisend eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2), einen Wechselrichter (3) und ein Anschlussgehäuse (4) mit einem Kühlmittelraum (4.1) in welchem ein elektrischer Leiter (5) zum Verbinden einer direkt flüssigkeitsgekühlten Statorwicklung (2.2) des Stators (2) mit dem Wechselrichter (3) angeordnet ist, wobei der Kühlmittelraum (4.1) zu einem Statorraum (2.1) des Stators (2) hin an einer Öffnung (4.3) flüssigkeitsdurchlässig geöffnet ist, wobei der elektrische Leiter (5) an einer Durchführung (4.2) aus dem Kühlmittelraum (4.1) zum Wechselrichter (3) geführt ist, wobei die Durchführung (4.2) flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.
Antriebsstrang (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (5) eine Stromschiene umfasst.
Antriebsstrang (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4.3) an einer Stirnseite (2.3) des Stators (2) angeordnet ist.
Antriebsstrang (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussgehäuse (4) einen Einlass (4.4) zum Einleiten einer Kühlflüssigkeit in den Kühlmittelraum (4.1) aufweist.
Antriebsstrang (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussgehäuse (4) einen Auslass zum Ausleiten einer Kühlflüssigkeit aus dem Kühlmittelraum (4.1) aufweist.
Antriebsstrang (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (4.2) mit einer an einem Wechselrichtergehäuse (3.1) des Wechselrichters (3) angeordneten Dichtung (3.2) des Wechselrichters (3) flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.
Antriebsstrang (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) den Stator (2) in einer zu einer Statorachse (S) parallelen axialen Richtung (A) nicht überragend angeordnet ist.
Antriebsstrang (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenwandung (3.3) des Wechselrichters (3) den Kühlmittelraum (4.1) zu einer Seite hin zumindest teilweise abschließt.
Antriebsstrang (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Statorgehäuse (2.4) des Stators (2) und das Anschlussgehäuse (4) nicht einteilig verbunden sind und/oder dass das Anschlussgehäuse (4) und das Wechselrichtergehäuse (3.1) des Wechselrichters (3) nicht einteilig verbunden sind.
Kraftfahrzeug (200) aufweisend einen Antriebsstrang (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.