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Die Erfindung betrifft eine Kühlfluidführung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, sowie eine Antriebseinheit für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einer solchen Kühlfluidführung.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Ausgestaltungen zur Fluidkühlung von elektrischen Maschinen bekannt. So beschreibt die
DE 10 2005 012 378 A1 einen Aufbau, bei dem in einer Nabe ein Durchgang angeordnet ist, durch den ein kühlender Fluidstrom zum Rotor der elektrischen Maschine geliefert wird. Das Fluid wird durch Zentrifugalkraft von der Rotornabe auf die Rotorenden, und dann auf einen den Rotor umgebenden Stator geschleudert. Durch eine derartige Innenkühlung wird jedoch das Blechpaket des Stators kaum gekühlt.
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Die
US 2018/0115219 A1 beschreibt eine Kühlstruktur eines Antriebsmotors, bei dem eine ringartige Struktur den Stator umgibt und diesen hält. Die ringartige Struktur weist einen Kühlölkanal auf, wobei Kühlöl aus Spritzöffnungen der ringartigen Struktur austritt und zu den Windungen des Stators geführt wird. Das Öl fließt an der elektrischen Maschine herab und sammelt sich in einem Ölsumpf. Durch eine Pumpe wird das Öl im Ölsumpf wieder dem Kühlölkanal zugeführt. Durch eine derartige Außenkühlung wird jedoch der Rotor kaum gekühlt.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung eine Kühlfluidführung bereitzustellen, durch welche auf einfache Weise sowohl der Stator als auch der Rotor einer elektrischen Maschine gekühlt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Kühlfluidführung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem drehfesten Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten, drehbar gelagerten Rotor vorgeschlagen. Der Stator ist zumindest abschnittsweise von einem Kühlmantel umgeben. Der Kühlmantel bildet einen oder mehrere Kanäle, durch die Kühlfluid fließen kann. Als Kühlfluid kann beispielsweise Öl verwendet werden, oder alternativ dazu ein anderes Fluid mit im Wesentlichen dielektrischen Eigenschaften. Der Kühlmantel weist zumindest eine, bevorzugt mehrere Öffnungen auf, durch die Kühlfluid aus dem Kühlmantel austritt und getrieben durch die Schwerkraft an der elektrischen Maschine herabfließt.
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Erfindungsgemäß ist an einer drehfesten Wand, welche axial neben der elektrischen Maschine angeordnet ist, ein Fluidelement ausgebildet oder befestigt. Das Fluidleitelement ist derart angeordnet, dass es an der Wand herabfließendes Fluid in Richtung einer Drehachse des Rotors ablenkt, sodass das derart abgelenkte Fluid auf ein mit dem Rotor verbundenes Element trifft.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zumindest ein Teil des vom Stator herabfließenden Kühlfluids die Wand berührt, und an der Wand herabfließt. Ist der Spalt zwischen der Wand und dem Rotor, bzw. einen mit dem Rotor verbundenen Element klein genug, so wird der an der Wand herabfließende Kühlfluidstrom in Drehrichtung des Rotors abgelenkt, sodass der Kühlfluidstrom nicht mehr vertikal nach unten fließt. Vielmehr wirkt durch die Strömung im Spalt zwischen der Wand und dem Rotor, bzw. dem mit dem Rotor verbundenen Element eine tangential gerichtete Kraft auf den Kühlfluidstrom, sodass der Kühlfluidstrom in Drehrichtung des Rotors mitgerissen wird - aber weiterhin an der Wand anliegt.
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Durch das Fluidleitelement wird der an der Wand herabfließende Kühlfluidstrom aufgefangen und in Richtung der Rotordrehachse abgelenkt. Das Fluidleitelement verhindert somit, dass der Kühlfluidstrom beim Herabfließen an der Wand um rotierenden Teile herumfließt. Stattdessen führt das Fluidleitelement den Kühlfluidstrom gezielt in Richtung der Drehachse, und damit zu dem mit dem Rotor verbundenen Element. Beim Auftreffen des Kühlfluidstroms auf das mit dem Rotor verbundenen Element wird das Kühlfluid weggeschleudert, und zwar vorzugsweise radial nach außen. Dadurch wird das Kühlfluid in Richtung des Rotors geschleudert, und verbessert somit dessen Kühlung.
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Vorzugsweise ist an dem mit dem Rotor verbundenen Element zumindest ein Vorsprung vorgesehen. Trifft der vom Fluidleitelement geführte Kühlfluidstrom auf den zumindest einen rotierenden Vorsprung, so wird das Abschleudern des Kühlfluids, und somit die Kühlwirkung auf den Rotor weiter verbessert.
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Vorzugsweise ist das mit dem Rotor verbundene Element radial und axial innerhalb des Rotors angeordnet, also in dem vom Rotor umschlossenen zylindrischen Raum. Dadurch trifft das durch die Rotation des mit dem Rotor verbundenen Elements abgeschleuderte Fluid zuverlässig auf eine Innenseite des Rotors, und verbessert somit die Kühlung desselben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist radial zwischen dem Rotor und dem mit dem Rotor verbundenen Element ein weiteres Fluidleitelement angeordnet. Das weitere Fluidleitelement ist derart angeordnet und ausgebildet, dass das durch die Rotation des mit dem Rotor verbundenen Elements abgeschleuderte Fluid auf das weitere Fluidleitelement trifft, und dadurch zerstäubt wird. Dadurch kann ein Kühlfluidnebel erzeugt werden, welcher eine besonders gute Kühlwirkung auf den Rotor hat.
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Vorzugsweise sind an dem weiteren Fluidleitelement mehrere Durchgangsöffnungen angeordnet. Trifft das abgeschleuderte Fluid auf diese Durchgangsöffnungen, so wird dieses in feine Tröpfchen zerstäubt. Dadurch wird auf einfache Weise ein Kühlfluidnebel erzeugt, welcher eine besonders gute Kühlwirkung auf den Rotor hat.
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Vorzugsweise ist das weitere Fluidleitelement mit dem Rotor drehfest verbunden. Beispielsweise kann das weitere Fluidleitelement ein Abschnitt eines Rotorträgers sein. Dadurch ist kein eigenständiges Bauteil zur Bildung des weiteren Fluidleitelements erforderlich.
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Vorzugsweise sind in einem Trägerelement des Rotors Durchgangsöffnungen ausgebildet. Diese Durchgangsöffnungen sind derart angeordnet, dass das radial nach außen abgeschleuderte Fluid durch die Durchgangsöffnungen zu Wickelkopfenden des Stators geleitete wird. Dadurch kann das abgeschleuderte Fluid zur Kühlung der Wickelkopfenden verwendet werden, sodass eine besonders effiziente Kühlung vorliegt.
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Die drehfeste Wand, an welcher der Kühlfluidstrom herabfließt, kann beispielsweise durch ein Lagerschild gebildet sein, wobei an dem Lagerschild ein Wälzlager zur Drehlagerung des Rotors abgestützt ist. Das mit dem Rotor verbundene Element kann durch eine Nabe gebildet sein, über welche der Rotor drehbar gelagert ist. Lagerschild und/oder Nabe sind bei einem Lageraufbau der elektrischen Maschine meist ohnehin vorhanden, sodass keine eigenständigen Bauteile zur Verbesserung der Rotorkühlung erforderlich sind.
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Vorzugsweise ist die zumindest eine Austrittsöffnung des Kühlmantels räumlich oberhalb einer Drehachse des Rotors angeordnet, besonders bevorzugt im räumlich oberen Viertel der elektrischen Maschine. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Kühlwirkung der elektrischen Maschine erreicht, da das Kühlfluid an der gesamten oder zumindest an einem Großteil der elektrischen Maschine herabfließt.
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Die eingangs beschriebene Kühlfluidführung eignet sich besonders für den Einsatz in einer Antriebseinheit für einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang. Die Antriebseinheit weist in diesem Fall eine elektrische Maschine auf, welche dazu eingerichtet ist das Kraftfahrzeug anzutreiben. Für derartige Anwendungen ist üblicherweise eine besonders hohe Leistungsdichte erforderlich, sodass eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine von hoher Bedeutung ist.
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Die Antriebseinheit kann beispielsweise ein Hybridmodul sein, welches im Kraftfahrzeug-Antriebsstrang zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe, oder abtriebsseitig zwischen einem Getriebe und einem Differentialgetriebe angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Antriebseinheit durch das Getriebe selbst gebildet sein, welches in diesem Fall die elektrische Maschine mitsamt der Kühlfluidführung aufweist. Derartige Getriebe werden auch als Hybridgetriebe bezeichnet.
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Die Antriebseinheit kann durch einen elektrischen Achsantrieb gebildet sein. Ein solcher elektrischer Achsantrieb weist die elektrische Maschine mitsamt der Kühlfluidführung auf. Die elektrische Maschine treibt dabei üblicherweise ein Differentialgetriebe an, welches die Antriebsleistung auf Antriebsräder der Kraftfahrzeug-Achse verteilt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
- 1a bis 1d verschiedene Konfigurationen eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs;
- 2a und 2b je eine schematische Schnittansicht durch eine Antriebseinheit des Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs;
- 3a und 3b je eine schematische Ansicht einer Kühlfluidführung.
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1a zeigt einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs. Der Antriebsstrang weist einen Verbrennungsmotor VM auf. Zur Anpassung der Drehzahl- und Drehmomentabgabe-Charakteristik des Verbrennungsmotors VM an die Fahrwiderstände des Kraftfahrzeugs weist der Antriebsstrang ein Getriebe G auf. Das Getriebe G kann beispielsweise ein Automatikgetriebe, ein automatisiertes Getriebe mit einer einzigen Anfahrkupplung, ein Doppelkupplungsgetriebe, ein CVT-Getriebe oder ein Handschaltgetriebe sein. Abtriebsseitig ist das Getriebe G mit einem Differentialgetriebe AG verbunden, welches die Antriebsleistung auf Antriebsräder DW verteilt.
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Im Antriebsstrang gemäß 1a ist zwischen dem Verbrennungsmotor VM und dem Getriebe G ein Hybridmodul HY angeordnet. Das Hybridmodul HY weist eine elektrische Maschine EM auf, mittels der das Kraftfahrzeug rein elektrisch oder hybridisch zusammen mit dem Verbrennungsmotor VM antreibbar ist. Das Hybridmodul HY kann eine in 1a nicht dargestellte Trennkupplung aufweisen, mittels der eine Drehmomentübertragung zwischen Verbrennungsmotor VM und elektrischer Maschine EM schaltbar ist.
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1b zeigt eine weitere Konfiguration eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs. Darin ist ein Hybridmodul HY2 vorgesehen, welches im Gegensatz zum Antriebsstrang gemäß 1a an der Abtriebsseite des Getriebes G angeordnet ist. Auch das Hybridmodul HY2 weist eine elektrische Maschine EM auf, mittels der das Kraftfahrzeug rein elektrisch oder hybridisch zusammen mit dem Verbrennungsmotor VM antreibbar ist.
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1c zeigt eine weitere Konfiguration eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs. Darin ist kein Hybridmodul vorgesehen; stattdessen ist die elektrische Maschine EM Bestandteil des Getriebes G. Ein solches Getriebe G wird auch als Hybridgetriebe bezeichnet.
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1d zeigt eine weitere Konfiguration eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs, welcher im Gegensatz zu den Antriebssträngen gemäß 1a bis 1c ein rein elektrischer Antriebsstrang ohne Verbrennungsmotor ist. Ein elektrischer Achsantrieb EA weist eine elektrische Maschine EM auf, deren Antriebsleistung über das Differentialgetriebe AG auf Antriebsräder DW des Kraftfahrzeugs verteilt wird. Auch ein solcher Antriebsstrang könnte ein Getriebe zwischen der elektrischen Maschine EM und dem Differentialgetriebe AG aufweisen, beispielsweise ein 2-Gang-Getriebe. Ein derartiger elektrischer Achsantrieb EA könnte auch mit einer verbrennungsmotorisch angetriebenen zweiten Achse kombiniert werden.
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Die Hybridmodule HY, HY2, das Hybridgetriebe G und der Achsantrieb EA bilden je eine Kraftfahrzeug-Antriebseinheit. 2a zeigt eine schematische Schnittansicht einer solchen Antriebseinheit HY, HY2, G, EA, welche die elektrische Maschine EM aufweist. Die elektrische Maschine EM umfasst einen Stator S, welcher gegenüber einem Gehäuse GG drehfest angeordnet ist, und einen Rotor R. Der Rotor R ist über einen Rotorträger RT und eine Rotornabe RN um eine Drehachse X drehbar gelagert, und zwar über ein Wälzlager WL welches sich an einem Lagerschild LS abstützt. Das Lagerschild LS ist mit dem Gehäuse GG drehfest verbunden, sodass das Lagerschild LS eine drehfeste Wand bildet.
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Der Stator S ist von einem Kühlmantel SM umgeben. Der Kühlmantel SM weist einen Kühlfluidkanal auf, in den über eine nicht dargestellte Zuführöffnung Kühlfluid O zugeführt wird, beispielsweise mittels einer Pumpe. Das Kühlfluid O, beispielsweise Öl, fließt durch den Kühlmantel SM und nimmt dabei Abwärme des Stators S auf. Am räumlich höchstgelegenen Punkt des Kühlmantels SM sind zwei Austrittsöffnungen SMA vorgesehen, aus denen Kühlfluid O aus dem Kühlmantel SM austritt. Aufgrund der Schwerkraft fließt das Kühlfluid O an der elektrischen Maschine EM herab, wobei die Wickelkopfenden des Stators S von Kühlfluid O umspült, und somit gekühlt werden.
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Gelangt Kühlfluid O in Kontakt mit dem Lagerschild LS, so fließt zumindest ein überwiegender Anteil dieses Kühlfluids O am Lagerschild LS nach unten ab. Dreht sich der Rotor, so wirken aufgrund des kleinen Spalts zwischen Rotorträger RT und Lagerschild LS Strömungs- und Scherkräfte auf den am Lagerschild LS herabfließenden Kühlfluidstrom. Dadurch wird das am Lagerschild LS herabfließende Kühlfluid O abgelenkt, und fließt daher nicht vertikal nach unten. An dem Lagerschild LS ist ein Fluidleitelement L ausgebildet, welches diesen abgelenkten Kühlfluidstrom in Richtung der Drehachse X ablenkt, sodass das am Lagerschild LS herabfließende Kühlfluid O auf die Rotornabe RN trifft. Durch die Rotation der Rotornabe RN wird das auftreffende Kühlfluid O nach radial außen abgeschleudert, wie in 2a durch mehrere Pfeile verdeutlicht ist. Das Abschleudern des Kühlfluids O kann durch einen mit der Rotornabe RN verbundenen Vorsprung RNX verbessert werden.
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Jener Bereich der Rotornabe RN, in dem der herabfließende Kühlölstrom auftrifft, ist radial und axial innerhalb des Rotors R angeordnet. Dadurch wird das abgeschleuderte Kühlfluid O in Richtung der Rotor-Innenseite geschleudert. Zwischen der Abschleuder-Stelle des Kühlfluids O und dem Rotor R ist ein Abschnitt des Rotorträgers RT angeordnet. Dieser Abschnitt des Rotorträgers RT bildet ein zweites Fluidleitelement L2, und weist mehrere Durchgangsöffnungen L2A auf. Das radial abgeschleuderte Kühlfluid O trifft auf die Öffnungen L2A des rotierenden Rotorträgers RT, und wird dadurch zerstäubt, wie in 2a durch mehrere Pfeile verdeutlicht ist. Dadurch entsteht innerhalb des Rotors R ein Kühlfluidnebel, welcher sich durch eine besonders gute Kühlwirkung auf den Rotor R auszeichnet.
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Das durch die Durchgangsöffnungen L2A austretende Kühlfluid O sammelt sich nun am Innendurchmesser jenes Abschnitts des Rotorträgers RT, welcher den Rotor R unmittelbar aufnimmt. Auf der in 2a rechten Seite des Rotorträgers RT wird das Kühlfluid O durch die Rotation des Rotorträgers RT nach radial außen abgeschleudert, und trifft derart auf das rechte Wickelkopfende des Stators S. Auf der in 2a linken Seite des Rotorträgers RT tritt das Kühlfluid durch Durchgangsöffnungen TH im Rotorträger RT hindurch, wird durch die Rotation des Rotorträgers RT nach radial außen abgeschleudert, und trifft derart auf das linke Wickelkopfende des Stators S.
Um die ablenkende Wirkung des rotierenden Rotorträgers RT auf den am Lagerschild LS herabfließenden Kühlfluidstrom besser zu verdeutlichen, ist in 2b eine Schnittebene A-A durch die Antriebseinheit HY, HY2, G, EA angegeben. In 3a und 3b sind verschiedene schematische Ansichten des Lagerschilds LS und der Rotornabe RN in dieser Ebene A-A angegeben, um den Kühlfluidstrom zu visualisieren.
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In 3a ist eine nicht-erfindungsgemäße Ausführung dargestellt, wobei bei dem in 3a dargestellten Lagerschild LS das Fluidleitelement L nicht vorhanden ist. Ein Teil des Kühlfluid O gelangt ausgehend von einer der Austrittsöffnungen SMA an die Wand des Lagerschild LS, und fließt getrieben durch die Schwerkraft am Lagerschild LS herab. In einer Zone RZ ist der Spalt zwischen rotierendem Rotorträger RT und feststehendem Lagerschild LS so klein, dass Strömungs- und Scherkräfte auf das am Lagerschild LS herabfließende Kühlfluid O wirken. Die Rotationsrichtung R-DIR des Rotorträgers RT ist in 3a durch einen Drehrichtungspfeil dargestellt. Durch die Rotation des Rotorträgers RT wird das herabfließende Kühlfluid O mitgerissen, und folgt dabei der Drehbewegung des Rotorträges RT. Das herabfließende Kühlfluid O trifft dadurch nicht auf die Rotornabe RN; stattdessen fließt das herabfließende Kühlfluid O an der Rotornabe RN vorbei.
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In 3b ist nun eine erfindungsgemäße Ausführung der Kühlfluidführung dargestellt, wobei bei dem in 3b dargestellten Lagerschild LS das Fluidleitelement L vorhanden ist. Das durch die Rotation des Rotorträgers RT in der Zone RZ abgelenkte Kühlfluid O trifft nun auf das Fluidleitelement L, welches beispielsweise eine Rippe des Lagerschilds LS sein kann. Das Fluidleitelement L lenkt den Kühlfluidstrom in Richtung der Drehachse X um, sodass der am Lagerschild LS herabfließende Kühlfluidstrom auf die Rotornabe RN trifft. Das derart auf die Rotornabe RN treffende Kühlfluid O wird durch die Rotation der Rotornabe RN nach radial außen abgeschleudert, wie in 3b durch Pfeile visualisiert ist. Dieser Effekt kann durch den an der Rotornabe RN vorstehenden Vorsprung RNX noch verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- VM
- Verbrennungsmotor
- HY
- Hybridmodul
- HY2
- Hybridmodul
- G
- Getriebe
- EA
- Elektrischer Achsantrieb
- AG
- Differentialgetriebe
- DW
- Antriebsrad
- EM
- Elektrische Maschine
- S
- Stator
- SM
- Kühlmantel
- SMA
- Austrittsöffnung
- O
- Fluid
- R
- Rotor
- R-DIR
- Drehrichtung
- RT
- Rotorträger
- RZ
- Zone
- RN
- Rotornabe
- RNX
- Vorsprung
- GG
- Gehäuse
- LS
- Lagerschild; Wand
- WL
- Wälzlager
- X
- Drehachse
- L
- Fluidleitelement
- L2
- Weiteres Fluidleitelement
- L2A
- Durchgangsöffnungen
- TH
- Durchgangsöffnungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005012378 A1 [0002]
- US 2018/0115219 A1 [0003]
