DE102020212864A1

DE102020212864A1 - Elektromaschine für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020212864A1
Application number: DE102020212864.2A
Authority: DE
Inventors: Georgios Papaioannou
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine für ein Fahrzeug, insbesondere Radnabenmotor (1), mit einem Stator (5), der ein hohlzylindrisches Statorgehäuse (7) mit einem kühlmitteldurchströmten Kühlmantel aufweist, der als Ringspalt (15) zwischen einer radial äußeren Umfangswand (19) und einer radial inneren Umfangswand (21) des Statorgehäuses (7) ausgebildet ist, wobei zur Steigerung der Kühlwirkung im Ringspalt (15) zumindest ein Strömungseinbau angeordnet ist, der eine turbulente Kühlmittelströmung (23) erzeugt. Erfindungsgemäß ist der Strömungseinbau ein Turbulenzblechteil (25), das den Ringspalt (15) in der Umfangsrichtung (u) und/oder in der Axialrichtung (a) zumindest teilweise, insbesondere komplett ausfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein Radnabenmotor eines Fahrzeuges nimmt zum Beschleunigen des Fahrzeuges elektrische Leistung auf, die zu einer starken Wärmeentwicklung im Radnabenmotor führt. Um die Wärme abzuführen und den Wirkungsgrad des Radnabenmotors zu steigern, ist der Radnabenmotor mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
Ein gattungsgemäßer Radnabenmotor weist ein Statorgehäuse mit einem Ringspalt auf. Zur Statorkühlung wird mittels einer Kühlmittelpumpe ein Kühlmittel durch den Ringspalt gepumpt. In dem Ringspalt sind versetzt zueinander angeordnete Axialstege vorgesehen, die von dem Kühlmittel unter Bildung einer Kühlmittelströmung labyrinthartig umströmt werden, so dass sich Turbulenzen in der Kühlmittelströmung bilden, die im Vergleich zu einem Ringspalt ohne derartige Axialstege zu einer Steigerung der Kühlwirkung führen. Um die Kühlwirkung noch weiter zu steigern, kann die Anzahl der Axialstege im Ringspalt erhöht werden. Dies führt allerdings zu einem stark erhöhten Druckverlust in der Kühlmittelströmung, der eine höhere Pumpleistung der Kühlmittelpumpe erfordert, so dass eine weitere Steigerung der Kühlwirkung bei einem derartigen Radnabenmotor kostenintensiv ist.
Aus der DE 10 2009 001 458 A1 ist eine Elektromaschine bekannt. Die DE 10 2009 001 838 A1 offenbart eine Antriebseinrichtung. Aus der DE 10 2011 075 045 A1 sind ein Kühlmantel und eine Umlenkeinheit für Kühlmäntel bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Elektromaschine mit im Vergleich zum Stand der Technik effizienterer Kühlung bereitzustellen.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Strömungseinbau ein Turbulenzblechteil, das den Ringspalt in der Umfangsrichtung und/oder in der Axialrichtung zumindest teilweise, insbesondere komplett ausfüllt. Die Strömungsverhältnisse der turbulenten Kühlmittelströmung sind daher im gesamten Ringspalt annähernd gleich verteilt, so dass eine flächige und gleichmäßige Kühlung des Statorgehäuses ermöglicht ist. Der Stator wird somit im Vergleich zum Stand der Technik effektiver gekühlt.
Zur Erzeugung der turbulenten Kühlmittelströmung kann das Turbulenzblechteil eine, insbesondere durch Blechumformung hergestellte Profilierung, bevorzugt eine Wellenprofilierung, aufweisen. Durch die Profilierung ergibt sich eine effiziente und gleichmäßig Verwirbelung der Kühlmittelströmung bei vergleichsweise geringem Druckabfall im Ringspalt. Daher kann eine effektive Kühlung des Stators schon bei geringer Pumpleistung der Kühlmittelpumpe erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Elektromaschine kostengünstig und gewichtssparend ausführbar ist. Durch das geringe Gewicht der Elektromaschine ist die ungefederte Masse reduziert und dadurch die Fahrdynamik des Fahrzeuges verbessert.
In einer Ausführungsform kann die Amplitudenhöhe der Wellenprofilierung derart bemessen sein, dass sich das Turbulenzblechteil mit seinen Wellenscheiteln und Wellenfüssen radial beidseitig sowohl auf der radial äußeren Umfangswand als auch auf der radial inneren Umfangswand abstützt. Somit kann die Kühlmittelströmung nicht ungehindert zwischen dem Turbulenzblechteil und den Umfangswänden hindurchströmen, so dass der Strömungswiderstand für die Kühlmittelströmung im gesamten Ringspalt gleich ist und sich keine Bereiche mit laminarer Strömung ausbilden, die zu einer ineffektiven Kühlwirkung führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Statorgehäuse in einem Gießprozess als ein Metall-Gußteil, insbesondere Aluminium-Gußteil, hergestellt sein. Der Radnabenmotor weist daher ein geringes Gewicht auf, so dass die ungefederte Masse zur Verbesserung der Fahrdynamik auf ein Minimum reduziert ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Turbulenzblechteil, insbesondere ein Metallblechteil, bevorzugt ein Aluminiumblechteil, sein, das als ein separates Einlegerteil in den Ringspalt des Statorgehäuses eingesetzt ist. In Abkehr zum Stand der Technik ist es daher nicht erforderlich, dass der Strömungseinbau bereits in einem Gießprozess an das Statorgehäuse angeformt wird. Der Gießprozess ist somit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich vereinfacht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die radial innere Umfangswand und die radial äußere Umfangswand glattflächig ohne Strömungseinbauten ausgebildet sein. Die Herstellung des Statorgehäuses ist dadurch vereinfacht.
In einer konkreten Ausführungsform kann im Kühlbetrieb die den Ringspalt durchströmende Kühlmittelströmung eine axiale Strömungskomponente aufweisen, die in der Stator-Axialrichtung ausgerichtet ist. Zusätzlich kann im Kühlbetrieb die den Ringspalt durchströmende Kühlmittelströmung eine der axialen Strömungskomponente überlagerte umfangsseitige Strömungskomponente aufweisen, die in der Stator-Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Das Statorgehäuse ist dadurch sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung gleichmäßig gekühlt.
Bevorzugt kann die Wellenprofilierung im Turbulenzblechteil eine Vielzahl von in der Stator-Axialrichtung hintereinander angeordneten Wellenprofil-Segmenten aufweisen, von denen jedes Wellenprofil-Segment ein quer zur Stator-Axialrichtung, das heißt in der Stator-Umfangsrichtung verlaufendes Wellenprofil mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Wellenscheiteln und Wellenfüßen aufweist, die an Wellenflanken ineinander übergehen. Dies hat den Vorteil, dass das Turbulenzblechteil in Stator-Umfangsrichtung leicht verformbar, insbesondere biegbar, ist, so dass das Turbulenzblechteil ohne Auszuknicken oder Auszubeulen in Stator-Umfangsrichtung an den Verlauf des Ringspaltes in Stator-Umfangsrichtung anpassbar ist.
Besonders bevorzugt können jeweils in der Stator-Axialrichtung benachbarte Wellenprofil-Segmente um einen Querversatz zueinander versetzt sein, und zwar unter Bildung von Strömungsdurchlässen zwischen den Wellenflanken benachbarter Wellenprofil-Segmente. Insbesondere können die Strömungsdurchlässe in der Stator-Axialrichtung offen sein. Durch die Strömungsdurchlässe kann die Kühlmittelströmung hindurchströmen, und zwar derart, dass sich im Vergleich zum Stand der Technik bei verhältnismäßig geringem Strömungswiderstand Turbulenzen in der Kühlmittelströmung bilden, die die Kühlwirkung steigern.
In einer konkreten Ausführungsform können in der Stator-Axialrichtung benachbarte Wellenprofil-Segmente über zumindest einen Blechmaterial-Steg miteinander materialeinheitlich und einstückig verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass das Turbulenzblechteil ein leicht handhabbares Einlegerteil bildet, welches insbesondere bei der Montage der Elektromaschine in einem einzigen Einlegeschritt und auf einfache Weise in den Ringspalt einlegbar ist. Insbesondere kann der Querversatz so bemessen sein, dass der Blechmaterial-Steg jeweils Wellenscheitel benachbarter Wellenprofil-Segmente miteinander verbindet und/oder jeweils Wellenfüße benachbarter Wellenprofil-Segmente miteinander verbindet. Somit ist in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass die Strömungsdurchlässe für die Bildung von Turbulenzen bei gleichzeitig geringem Strömungswiderstand ausreichend groß bemessen sind.
Bevorzugt kann der Stator mit einem Fahrzeugrad des zweispurigen Fahrzeuges verbunden sein. Alternativ dazu kann aber auch der Rotor mit einem Fahrzeugrad des zweispurigen Fahrzeuges verbunden sein. Die Axialrichtung und die Umfangsrichtung sind jeweils bezogen auf das hohlzylindrische Statorgehäuse zu verstehen. Die Elektromaschine, insbesondere der Radnabenmotor, kann axial sehr kurz gebaut sein. Dies hat den Vorteil, dass die Elektromaschine, insbesondere der Radnabenmotor, platzsparend innerhalb von handelsüblichen Fahrzeugfelgen untergebracht werden kann.
Es zeigen:

1 einen Radnabenmotor mit einem im Schnitt dargestellten Stator;
2 in einer Seitenschnittansicht den Stator aus 1;
3 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt eines Turbulenzbleches gemäß einer ersten Ausführungsform;
4 in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt eines Turbulenzbleches gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 einen Radnabenmotor gemäß dem Stand der Technik mit einem im Schnitt dargestellten Stator, und
6 in einer Seitenansicht einen Ausschnitt des Radnabenmotors gemäß der 5.

In der 5 ist ein elektrischer Radnabenmotor 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, der zum Antrieb eines zweispurigen Fahrzeuges (nicht dargestellt) einsetzbar ist. Der Radnabenmotor 1 weist einen Rotor 3 und einen Stator 5 mit einem hohlzylindrischen Statorgehäuse 7 auf. Der Rotor 3 ist relativ zu dem Statorgehäuse 7 drehbar gelagert und drehfest mit einem aus einer Felge 9 und einem Reifen 11 aufgebauten Fahrzeugrad 12 verbunden. Im Betrieb des Radnabenmotors 3 dreht sich der mit einer Wicklung 13 bewickelte Rotor 3 zusammen mit dem Fahrzeugrad 12, während das mit Permanentmagneten 14 versehene Statorgehäuse 7 drehfest an einer Radaufhängung (nicht dargestellt) des Fahrzeugs angebunden ist.
Zur Kühlung des Stators 5 ist in dem Statorgehäuse 7 ein Ringspalt 15 vorgesehen, der einen kühlmitteldurchströmten Kühlmantel zur Kühlung des Stators 5 bildet. Wie in der 6 dargestellt, sind in dem Ringspalt 15 Axialstege 17 als Strömungseinbauten vorgesehen, die zwischen einer glattflächigen, radial äußeren Umfangswand 19 des Ringspaltes 15 und einer glattflächigen, radial inneren Umfangswand 21 des Ringspaltes 15 angeordnet sind und sich in Axialrichtung a des Radnabenmotors 1 erstrecken. Die Axialstege 17 sind in einem Gießprozess materialeinheitlich und einstückig an dem Statorgehäuse 7 angeformt und versetzt zueinander angeordnet. Durch die versetzte Anordnung strömt ein Kühlmittel, welches durch den Ringspalt 15 unter Bildung einer Kühlmittelströmung (angedeutet durch die Pfeile 23) strömt, labyrinthartig zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der Axialstege 17 hindurch. Beim Vorbeiströmen des Kühlmittels an den Axialstegen 17 verwirbelt das Kühlmittel und es bilden sich Turbulenzen in der Kühlmittelströmung 23 aus, die die Kühlwirkung der Kühlmittelströmung 23 steigern.
Um die Kühlwirkung noch weiter zu steigern ist anhand der 1 und 2 ein erfindungsgemäßer Radnabenmotor 1 beschrieben, bei dem in Abkehr zum Stand der Technik die Axialstege 17 durch einen Strömungseinbau in Form eines Turbulenzblechteils 25 ersetzt sind. Die Geometrie des Turbulenzblechteiles 25 gemäß einer ersten Ausführungsform ist nachfolgend anhand der 3 beschrieben.
Das Turbulenzblechteil 25 weist eine durch Blechumformung hergestellte, sinusförmige Wellenprofilierung auf, so dass das Turbulenzblechteil 25 eine Vielzahl von in der Axialrichtung a hintereinander angeordneter Wellenprofil-Segmente 27 aufweist. Jedes dieser Wellenprofil-Segmente 27 weist ein in Umfangsrichtung u verlaufendes Wellenprofil mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Wellenscheiteln 29 und Wellenfüßen 31 auf, die an Wellenflanken 33 ineinander übergehen. Die Wellenscheitel 29 und die Wellenfüße 31 sind abgeflacht ausgeführt, so dass das Turbulenzblechteil 25 in einem Querschnitt orthogonal zur Axialrichtung a trapezblechförmig ausgebildet ist. Die jeweils in der Axialrichtung a benachbarten Wellenprofil-Segmente 27 sind um einen Querversatz q zueinander versetzt, so dass sich zwischen den Wellenflanken 33 benachbarter Wellenprofil-Segmente 27 Strömungsdurchlässe 34 bilden, die in der Axialrichtung a offen sind. Die in Axialrichtung a benachbarten Wellenprofil-Segmente 27 sind derart miteinander verbunden, dass die Wellenscheitel 29 benachbarter Wellenprofil-Segmente 27 und die Wellenfüße 31 benachbarter Wellenprofil-Segmente 27 über jeweils einen Blechmaterial-Steg 35 miteinander verbunden sind.
Die Wellenprofilierung des Turbulenzbleches 25 ist derart bemessen, dass das Turbulenzblechteil 25 den Ringspalt 15 in Axialrichtung a und in Umfangsrichtung u vollständig ausfüllt, wobei sich das Turbulenzblechteil 25 mit seinen Wellenscheiteln 29 an der radial äußeren Umfangswand 19 und mit seinen Wellenfüßen 31 an der radial inneren Umfangswand 21 abstützt. Eine Amplitudenhöhe h des Turbulenzblechteiles 25 ist daher identisch mit einer Breite b (siehe 1 und 5) des Ringspaltes 15. Beim Durchströmen des Kühlmittels durch die Strömungsdurchlässe 34 im Turbulenzblechteil 25 stellt sich in der Kühlmittelströmung 23 eine mehrkomponentige Strömung ein, so dass die Kühlmittelströmung 23 eine axiale Strömungskomponente, die in der Axialrichtung a ausgerichtet ist, und eine der axialen Strömungskomponente überlagerte umfangsseitige Strömungskomponente aufweist, die in der Umfangsrichtung u ausgerichtet ist. Das Statorgehäuse 7 ist in einem Gießprozess als ein Metall-Gußteil hergestellt und das Turbulenzblechteil 25 ist als ein separates Einlegerteil in den Ringspalt 15 eingelegt und punktuell mittels Laserschweißen an der radial inneren Umfangswand 19 angebunden.
In der 4 ist ein Turbulenzblechteil 25 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, bei dem die Wellenscheitel 29 und die Wellenfüße 31 - anders als bei dem Turbulenzblechteil 25 der 3 - nicht abgeflacht, sondern abgerundet ausgeführt sind. In einem orthogonal zur Axialrichtung a verlaufenden Querschnitt ist das Turbulenzblechteil 25 der 4 daher nicht trapezblechförmig, sondern stattdessen wellblechförmig ausgebildet. Im Übrigen ist das Turbulenzblechteil 25 der 3 identisch aufgebaut wie das Turbulenzblechteil 25 der 4.
Bezugszeichenliste

1: Radnabenmotor
3: Rotor
5: Stator
7: Statorgehäuse
9: Felge
11: Reifen
12: Fahrzeugrad
13: Wicklung
14: Permanentmagnet
15: Ringspalt
17: Axialsteg
19: radial äußere Umfangswand
21: radial innere Umfangswand
23: Kühlmittelströmung
25: Turbulenzblechteil
27: Wellenprofil-Segment
29: Wellenscheitel
31: Wellenfuß
33: Wellenflanke
34: Strömungsdurchlass
35: Blechmaterial-Steg
a: Axialrichtung
b: Breite des Ringspaltes
h: Amplitudenhöhe
q: Querversatz
u: Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009001458 A1 [0004]
DE 102009001838 A1 [0004]
DE 102011075045 A1 [0004]

Claims

Elektromaschine für ein Fahrzeug, insbesondere Radnabenmotor (1), mit einem Stator (5), der ein hohlzylindrisches Statorgehäuse (7) mit einem kühlmitteldurchströmten Kühlmittelmantel aufweist, der als ein Ringspalt (15) zwischen einer radial äußeren Umfangswand (19) und einer radial inneren Umfangswand (21) des Statorgehäuses (7) ausgebildet ist, wobei zur Steigerung der Kühlwirkung im Ringspalt (15) zumindest ein Strömungseinbau angeordnet ist, der eine turbulente Kühlmittelströmung (23) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungseinbau ein Turbulenzblechteil (25) ist, das den Ringspalt (15) in der Umfangsrichtung (u) und/oder in der Axialrichtung (a) zumindest teilweise, insbesondere komplett ausfüllt.
Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der turbulenten Kühlmittelströmung (23) das Turbulenzblechteil (25) eine, insbesondere durch Blechumformung hergestellte Profilierung, bevorzugt eine Wellenprofilierung, aufweist.
Elektromaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenhöhe (h) der Wellenprofilierung derart bemessen ist, dass sich das Turbulenzblechteil (25) mit seinen Wellenscheiteln (29) und Wellenfüssen (31) radial beidseitig sowohl auf der radial äußeren Umfangswand (19) als auch auf der radial inneren Umfangswand (21) abstützt.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorgehäuse (7) in einem Gießprozess als ein Metall-Gußteil hergestellt ist, und/oder dass das Turbulenzblechteil (25), insbesondere ein Metallblechteil, als ein separates Einlegerteil in den Ringspalt (15) des Statorgehäuses (7) eingesetzt ist.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Umfangswand (21) und die radial äußere Umfangswand (19) glattflächig ohne Strömungseinbauten ausgebildet ist.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlbetrieb die den Ringspalt (15) durchströmende Kühlmittelströmung (23) eine axiale Strömungskomponente, die in der Stator-Axialrichtung (a) ausgerichtet ist, und eine damit überlagerte umfangsseitige Strömungskomponente aufweist, die in der Stator-Umfangsrichtung (u) ausgerichtet ist.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenprofilierung im Turbulenzblechteil (25) eine Vielzahl von in der Stator-Axialrichtung (a) hintereinander angeordneten Wellenprofil-Segmenten (27) aufweist, von denen jedes Wellenprofil-Segment (27) ein quer zur Stator-Axialrichtung (a), das heißt in der Stator-Umfangsrichtung (u) verlaufendes Wellenprofil mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Wellenscheiteln (29) und Wellenfüßen (31) aufweist, die an Wellenflanken (33) ineinander übergehen.
Elektromaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in der Stator-Axialrichtung (a) benachbarte Wellenprofil-Segmente (27) um einen Querversatz (q) zueinander versetzt sind, und zwar unter Bildung von Strömungsdurchlässen (34) zwischen den Wellenflanken (33) benachbarter Wellenprofil-Segmente (27), und dass insbesondere die Strömungsdurchlässe (34) in der Stator-Axialrichtung (a) offen sind.
Elektromaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stator-Axialrichtung (a) benachbarte Wellenprofil-Segmente (27) über zumindest einen Blechmaterial-Steg (35) miteinander materialeinheitlich und einstückig verbunden sind, und dass insbesondere der Querversatz (q) so bemessen ist, dass der Blechmaterial-Steg (35) jeweils Wellenscheitel (29) benachbarter Wellenprofil-Segmente (27) miteinander verbindet und/oder jeweils Wellenfüße (31) benachbarter Wellenprofil-Segmente (27) miteinander verbindet.