DE102021121035A1

DE102021121035A1 - Statorkühlmantel mit gerichtetem Kühlmittelfluss

Info

Publication number: DE102021121035A1
Application number: DE102021121035.6A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Krank; Ralf Weigel; Heinrich Graf; Simon Strasinsky; Bernhard Wolf
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Statorkühlmantel zur Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse mittels eines Kühlmittels, aufweisend einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, wenigstens einen, sich zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass erstreckende, Kühlkanal, der radial zwischen dem Stator und dem Gehäuse angeordnet ist,

Description

Die Erfindung betrifft einen Statorkühlmantel zur Kühlung eines Stators einer elektrischen Maschine an einer Aufnahme des Stators in einem Gehäuse mittels eines Kühlmittels, eine Mantelhülse für einen solchen Statorkühlmantel sowie eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug.
Die effektive Kühlung von Rotor und Stator in elektrischen Antriebsmaschinen stellt die Hauptanforderung für ein hohes Dauermoment und eine hohe Dauerleistung dar, insbesondere bei stromerregten Synchronmaschinen (SSM). Die Erfindung kann aber auch für Asynchronmaschinen, permanenterregte Synchronmaschinen und andere elektrische Maschinen interessant sein, die auch eine hohe Kühlleistung benötigen.
Eine hohe Dauerleistung ist essenziell für ein dynamisches Fahrverhalten, d.h. einer dynamischen Landstraßenfahrt oder in der dynamischen Bergfahrt.
Bei bestimmten bekannten elektrischen Antriebsmaschinen für Kraftfahrzeuge wird der Rotor der elektrischen Antriebsmaschine mit Öl gekühlt, insbesondere von innen durch eine Hohlwellenkühlung und an der Stirnseite durch eine Stirnseitenkühlung, während der Stator durch eine Wassermantelkühlung gekühlt wird. Auch eine Ölkühlung für den Statorkern ist an sich bekannt.
Die bekannten Kühlkonzepte zeigen aber keine ausreichende Kühlleistung im Stator im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen. Hieraus ergeben sich unerwünscht begrenzte Fahrleistungen in Bergfahrten und Nachteile auf Fahrzeug-Systemebene, da die erzeugbare Heizleistung zum Erwärmen des Hochvoltspeichers bei Kaltstart nicht ausreichend ist. Aus letzterem Grund werden teilweise zusätzlich elektrische Durchlauferhitzer für den Kaltstart verbaut, die zu erheblichen Mehrkosten, Mehrgewicht und Bauraumbedarfen führen.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2019 213 118 A1 eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem eine ausreichende Kühlung der Statorwickelköpfe in den genannten Betriebsfällen schwierig erscheint.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Statorkühlmantel zu verbessern.
Jeder der unabhängigen und nebengeordneten Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird offenbart einen Statorkühlmantel zur äußeren Kühlung eines, insbesondere außenstehenden, Stators einer elektrischen Maschine an einer mittelbaren und/oder unmittelbaren Aufnahme des Stators in einem Gehäuse, insbesondere in einem Stator- und/oder Motorgehäuse, mittels eines, insbesondere elektrisch nichtleitenden, Kühlmittels. Das Kühlmittel ist gemäß einer Ausführung ein Kühlöl.
Der Statorkühlmantel weist zumindest auf: (a) wenigstens einen Kühlmitteleinlass und wenigstens einen Kühlmittelauslass; und (b) einen oder mehrere, zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass zur Führung von Kühlmittel sich erstreckende, Kühlkanäle, die radial zwischen dem Stator und dem Gehäuse angeordnet sind und insbesondere einen gesamten Statorkernaußenmantel zur Kühlung abdecken, d.h. insbesondere im Wesentlichen eine gesamte Axialerstreckung und im Wesentlichen eine gesamte Umfangserstreckung des Statorkernaußenmantels.
Der wenigstens eine Kühlkanal ist so ausgebildet, dass das Kühlmittel zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass wenigstens zweimal, insbesondere mehrmals, in jeweils einem axialen Kühlkanalabschnitt entlang einem größeren Teil oder entlang der gesamten axialen Erstreckung des Statorkerns oder des Stators geführt werden kann. Insbesondere ist dabei zwischen je zwei axialen Kühlkanalabschnitten ein Umlenkkanal vorgesehen, insbesondere als Abschnitt eines Kühlkanals, der auch axiale Kühlkanalabschnitte aufweist. Gemäß einer Ausführung sind in Umfangsrichtung benachbarte axiale Kühlkanalabschnitte so zur Kühlmittelführung verbunden, dass sie axial gegensinnig, insbesondere in gegenläufigen Axialrichtungen, durchströmt werden können.
Der Statorkühlmantel wird also nicht (ausschließlich) gleichsinnig parallel, sondern gemäß einer Ausführung in Mäanderform, d.h. insbesondere auch gegensinnig, sprich insbesondere (bzgl. der Umfangsrichtung) abwechselnd in die eine Axialrichtung und in die andere Axialrichtung, durchströmt. Dabei kann insbesondere ein einziger Kühlkanal mit mehreren Umlenkungen seriell durchströmt werden und/oder entlang eines Abschnitts (insbesondere eines gesamten Axialabschnitts) des Kühlkanals können mehrere Teilkanäle parallel durchströmt werden, die insbesondere stromabwärts der Aufteilung wieder vereinigt werden.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungen können die Umlenkkanäle zur Umlenkung des Kühlmittels nach radial innen abdichtend in den Dichtelementen ausgebildet sein oder in der Mantelhülse; und nach radial außen abdichtend insbesondere im Gehäuse.
Durch die gegensinnig parallele, insbesondere Mäander-förmige, Durchströmung der Kühlkanäle, insbesondere mit mehreren Umlenkungen des Kühlmittels, ist die Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Kühlkanälen höher als bei bekannten Statorkühlmänteln, die nur ungerichtet oder parallel aufgeteilt in einer Axialrichtung gleichsinnig durchströmt werden. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit führt zu einem höheren Wärmeübergangskoeffizient zwischen Kühlmittel und Oberfläche, was eine höhere Kühlleistung mit sich bringt. Ferner führt eine gegensinnig axiale Durchströmung zu einer guten Durchmischung des Kühlmittels, d.h. das Kühlmittel laminarisiert nicht in den Kühlkanälen und es findet daher ein guter Austausch von Wärme zwischen der wandnächsten Schicht und dem Zentrum der Kanäle statt.
Gemäß einer Ausführung ist der wenigstens eine Kühlkanal so ausgebildet, dass an jeder Umfangsposition, insbesondere bezogen auf eine gesamte axiale Erstreckung des Statorkühlmantels und/oder eines Statorkerns, höchstens eine, d.h. insbesondere keine oder eine, axiale Hauptfließrichtung des Kühlmittels, insbesondere in einem oder mehreren Kühlkanälen, vorgesehen ist. Unter einem Vorsehen einer axialen Hauptfließrichtung des Kühlmittels ist vorliegend insbesondere zu verstehen, dass bei einem Regelbetrieb aufgrund der Ausbildung des Kühlkanals oder der Kühlkanäle höchstens eine Hauptfließrichtung des Kühlmittels auftritt.
Damit kann eine wirksame Kühlung der Statorwickelköpfe auch an der äußeren Radialseite erreicht werden. Insbesondere kann so auch eine wirksame Kühlung des Statorkernaußenmantels mit einer wirksamen Kühlung der Außenseite der Statorwickelköpfe verbunden werden. Wenn ein elektrisch nicht-leitendes Kühlmittel, wie beispielsweise ein geeignetes Kühlöl verwendet wird, kann beides mit einem Kühlmittelkreislauf erreicht werden.
Damit kann eine einfache Kühlkanalanordnung realisiert werden, die ohne eine Aufspaltung des Kühlmittelflusses auskommt; anders als bei bekannten Statorkühlmänteln, die beispielsweise zwischen dem Kühlmitteleinlass und -auslass einen ungerichteten Kühlmittelfluss aufweisen, oder bei denen ein axial mittiger Kühlmitteleinlass und beidseitiger Kühlmittelauslass vorliegt, sodass an derselben Umfangsposition Kühlmittel in beide Axialrichtungen fließt bzw. ein Kühlmittelfluss in beiden Axialrichtungen vorgesehen ist. In beiden bekannten Fällen reduziert sich durch den geteilten und/oder ungeführten Kühlmittelfluss die Fließgeschwindigkeit, was die Wärmeabfuhr reduziert. Die vorliegende Lösung mit einer an jeder Umfangsposition festgelegten, einzigen Axial-Flussrichtung sorgt für eine höhere Fließgeschwindigkeit und damit eine bessere Wärmeabfuhr.
Mit dem Begriff einer axialen Hauptfließrichtung ist vorliegend insbesondere gemeint, dass abseits gegebenenfalls vorgesehener Umlenkbereiche das Kühlmittel nur für einen Fluss in einer der Axialrichtungen oder mit einer Richtungskomponente nur in einer der Axialrichtungen vorgesehen ist. Dabei kann beim ggf. Betrieb vorkommen, dass Kühlmittel an einer Umlenkstelle oder beispielsweise bei einem geringen Kühlmittelfluss auch mit einer Richtungskomponente in die andere Axialrichtung fließt, sodass eben nur die Hauptfließrichtung des Kühlmittels in der einen Axialrichtung ist, nicht zwingend die Fließrichtung von 100% des an der Umfangsposition vorgesehenen Kühlmittels.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine Mantelhülse für einen Statorkühlmantel, der gemäß einer Ausführung der Erfindung ausgebildet ist. Die Mantelhülse weist zumindest auf: (A) einen Hülsen-Außenmantel, an der eine statorseitige Begrenzungskontur für den wenigstens einen Kühlkanal des Statormantels ausgebildet ist; und (B) einen Hülsen-Innenmantel mit einem Kernkühlbereich zur Anlage an einen Statorkern.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Statorkühlmantel gemäß einer Ausführung der Erfindung und/oder eine Mantelhülse gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass durch die parallele Durchströmung der Kühlkanäle die Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Kühlkanälen verhältnismäßig gering ist. Eine geringe Strömungsgeschwindigkeit führt zu einem geringen Wärmeübergangskoeffizient zwischen Kühlmittel und Oberfläche, was eine geringe Kühlleistung mit sich bringt. Weiterhin kann eine rein axiale Durchströmung zu einer schlechten Durchmischung des Kühlmittel s führen, d.h. das Kühlmittel laminarisiert in den Kühlkanälen und es findet nur ein verhältnismäßig geringer Austausch von Wärme zwischen der wandnächsten Schicht und dem Zentrum der Kanäle statt.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, für den Statorkühlmantel nicht eine ausschließlich gleichsinnig parallele Durchströmung vorzusehen, sondern auch eine gegensinnige Durchströmung, sodass insbesondere das Kühlmittel bei seinem Fluss durch den Kühlkanal - insbesondere mehrfach - zwischen den beiden Wickelköpfen des Stators hin- und herströmt, wobei es zwischen diesen Passagen - insbesondere im Bereich des Wickelkopfes - umgelenkt wird, und an verschiedenen Umfangsposition des Statorkernmantels hin- bzw. zurückfließt.
Gemäß einer Ausführung ergibt sich so für den Kühlkanal eine Mäanderform, bei der das Kühlmittel den Kühlkanal auch gegensinnig, sprich insbesondere (bzgl. der Umfangsrichtung) abwechselnd in die eine Axialrichtung und in die andere Axialrichtung, durchströmt, wobei die beiden Außenpositionen des Mäanders insbesondere im Bereich des Wickelkopfes angeordnet sind.
Der Statorkühlmantel wird also nicht nur parallel und einfach, sondern in Mäanderform durchströmt. Hierbei können alle Kanäle seriell durchströmt oder mehrere Kanäle parallel durchströmt werden.
Gemäß einer Ausführung tritt das Kühlmittel mittig an der Unterseite in den Kühlkanal ein und teilt sich in zwei Äste (= Kühlkanäle) auf, von denen jeder auf einer der beiden Seiten des Stators mäanderförmig zur Oberseite des Stators führt. Hierbei weist insbesondere jeder Mäander-Ast mehrere, insbesondere zwei oder vier, parallele axiale Kühlkanalabschnitte auf. Diese Ausprägung ermöglicht einen Kompromiss aus einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, und damit einem hohen Wärmeübergangskoeffizient, und einem geringen Druckverlust.
Eine Aufteilung des mäanderförmigen Kühlkanals in mehrere Kühlkanalabschnitte führt im Vergleich zu einem einzigen Kanal für den gesamten Kühlmittelfluss mit größerem Querschnitt zu einer Erhöhung der Oberfläche und damit der Kühlleistung. Hierbei können auch mehr als zwei parallele Kühlkanalabschnitte zum Einsatz kommen. Die beschriebene Umsetzung mit einem Kühlmitteleinlass an der Unterseite und zwei symmetrischen Kühlkanälen zur Oberseite hat den weiteren Vorteil, dass das Kühlmittel an der Oberseite durch Auslassöffnungen auf die Wickelköpfe ausspritzen kann. Hierbei kann der gesamte Ölvolumenstrom in den unteren 70% der Kanäle zur Kühlung verwendet werden.
Eine mäanderartige Kühlkanalführung hat im Vergleich zu einer parallel auf den ganzen Statorumfang aufgeteilte Durchströmung der Kühlkanäle den Vorteil einer höheren Strömungsgeschwindigkeit in den einzelnen Kühlkanälen durch die höhere Flussrate. Damit verbessert sich die erreichbare Kühlleistung, weil eine höhere Strömungsgeschwindigkeit zu einem größeren Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Kühlmittel und Oberfläche führt.
Zudem führt eine reine, einfache axiale Durchströmung zu einer schlechten Durchmischung des Kühlmittels, d.h. das Kühlmittel laminarisiert in den Kühlkanälen und es findet kaum Austausch von Wärme zwischen der wandnächsten Schicht und dem Zentrum der Kanäle statt; anders bei der mäanderartige Kühlkanalführung: durch die mehrfache Umlenkung wird die Durchströmung turbulenter, sodass ein besserer Wärmeaustausch möglich ist.
Für die Ausbildung des Kühlkanals oder der Kühlkanäle im Sinne der Erfindung ist es an sich unerheblich, ob die Kühlkanal-Querschnitte aus dem Statorgehäuse, aus einem Statorblechpaket oder aus einer Mantelhülse ausgenommen sind. Mit diesen Alternativen können im einzelnen Anwendungsfall unterschiedliche Vorteile verbunden sein. Beispielsweise im Hinblick auf Fertigbarkeit: bei einem Konzept, in welchem die Kühlkanäle nach innen hin offen im Kokillenguss des Statorgehäuses integriert sind, ist es aufwändig, die Fertigungstoleranzen bei der mechanischen Bearbeitung des Statorsitzes einzuhalten. Die Drehbearbeitung mit einer Vielzahl von „Unterbrechungen“ führt zudem zu längeren Bearbeitungszeiten.
Die Ausnehmung der Kühlkanalquerschnitte aus dem Statorblechpaket am Statorkernmantel ermöglicht eine deutlich höhere Anzahl von Ölkanälen in einem Mäander-Ast, als im Statorgehäuse beim Kokillenguss erreichbar ist. Denn die Fertigung des gestanzten Blechs ist wesentlich genauer möglich als die des Kokillengusses. Eine höhere Anzahl von Kanälen führt zu einer größeren Oberfläche und damit zu einer höheren Effektivität des Kühlkonzepts.
Gemäß einer Ausführung alterniert die axiale Hauptfließrichtung in Umfangsrichtung, insbesondere mit einer Umlenkung der Fließrichtung zwischen zwei, insbesondere benachbarten, Umfangspositionen. Das ermöglicht eine, insbesondere bezüglich der axialen Erstreckung und/oder des Umfangs des Stators, gleichmäßige Kühlung des Statorkernaußenmantels auch ohne eine starke Verzweigung des Kühlmittelstroms.
Gemäß einer Ausführung ist in einem Kühlkanal ein Umlenkkanal von der einen hin zu der anderen Axialrichtung vorgesehen, der sich stromabwärts in wenigstens zwei oder drei oder mehr axiale Kühlkanalabschnitte aufteilt, welche beabstandet voneinander an benachbarten Umfangspositionen ausgebildet sind. Durch ein Vorsehen von mehreren getrennten, insbesondere parallelen, Kühlmittelströmen, die dann einen kleineren Querschnitt aufweisen als ein vereinigter Kühlmittelstrom, kann gegebenenfalls eine bessere Wärmeabfuhr aus dem Statorkernaußenmantel und/oder in den Kühlmittelfluss erreicht werden.
Gemäß einer Ausführung sind die axiale Kühlkanalabschnitte parallel zueinander. Gemäß einer Ausführung sind zwischen zwei Umlenkkanälen nicht mehr als zwei oder drei oder vier axiale Kühlkanalabschnitte angeordnet.
Gemäß einer Ausführung weist der Statorkühlmantel zwei Kühlkanäle auf, die jeweils zur Kühlung einer der seitlichen Umfangshälften eingerichtet sind. Durch diese Art der Aufteilung des Kühlmittelflusses in zwei Kühlmittelströme kann sichergestellt werden, dass nicht der zuletzt am Umfang des Statorkernaußenmantels angeströmte Umfangsbereich relevant schlechter gekühlt wird, weil bereits zuvor viel Abwärme aufgenommen wurde. Gemäß einer alternativen Ausführung weist der Statorkühlmantel nur einen einzigen Kühlkanal auf, um bei einem vorgegebenen absoluten Kühlmittelfluss eine maximale Durchströmungsrate des Kühlkanals und somit eine hohe Wärmeabfuhr zu erreichen.
Gemäß einer Ausführung verläuft der wenigstens eine Kühlkanal zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass unverzweigt, um bei einem vorgegebenen absoluten Kühlmittelfluss eine maximale Durchströmungsrate des Kühlkanals und somit eine hohe Wärmeabfuhr zu erreichen.
Gemäß einer Ausführung weisen alle axialen Kühlkanalabschnitte die gleiche Kühlmittelflussrichtung auf. Damit lässt sich eine einfache Gestaltung des Statorkühlmantels erreichen. Insbesondere können dann eventuell vorgesehene Dichtelemente einfach gestaltet sein, weil sie nur gegen einen Kühlmittelaustritt abdichten, nicht aber das Kühlmittel definiert umlenken müssen.
Die Dichtelemente können beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt sein. Im Fall von Aluminium können die Dichtelemente beispielsweise als Guss oder Tiefziehteil hergestellt werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass auf das Aluminium zur Verbesserung der Dichteigenschaften Gummi oder Kunststoff aufgespritzt wird. Zudem ist eine Dichtung zwischen Blechpaket und Dichtelement bzw. zwischen Gehäuse und Dichtelement via Dichtung, beispielsweise mittels wenigstens eines O-Rings, denkbar.
Gemäß einer Ausführung sind stromabwärts des Kühlmitteleinlasses wenigstens zwei Teilkanäle angeordnet, die, insbesondere jeweils mit mehreren Umlenkungen in Umlenkkanälen, unterschiedliche Umfangsbereiche des Stators zur Kühlung abdecken. Durch diese Art der Aufteilung des Kühlmittelflusses in zwei Kühlmittelströme kann sichergestellt werden, dass nicht der zuletzt am Umfang des Statorkernaußenmantels angeströmte Umfangsbereich relevant schlechter gekühlt wird, weil bereits zuvor viel Abwärme aufgenommen wurde.
Gemäß einer Ausführung weist der Statorkühlmantel in Umfangsrichtung verteilt und voneinander beabstandet mehr als 40, insbesondere mehr als 50 oder 60, axiale Kühlkanalabschnitte auf, die insbesondere ein Teilkanal und/oder Teil eines längeren, mehrfach umgelenkten, Kühlkanals sein können. Eine solche Ausführung ermöglicht eine sehr effektive Wärmeabfuhr, weil die Wärmeleitung durch die vielen, in kleinem Abstand angeordneten Kühlkanäle besser ist. Diese Ausführung ist insbesondere möglich, wenn die Kühlkanäle durch eine trennende oder spanende Bearbeitung in dasjenige/diejenigen Bauteile eingebracht werden kann/können, in welchem/n die Kühlkanäle ausgebildet sind: Beispielsweise können derart die Kühlkanäle aus den Statorblechen am Statorkernaußenmantel vor der Montage des Statorblechpakets ausgestanzt werden.
Gemäß einer Ausführung weisen zwei oder mehr in Umfangsrichtung benachbarte axiale Kühlkanalabschnitte einen Kühlmittelfluss in die gleiche Axialrichtung auf, wobei insbesondere die an die dadurch gebildete Kühlkanalgruppe angrenzenden axialen Kühlkanalabschnitte einen Kühlmittelfluss in die andere Axialrichtung vorsehen. Durch ein Vorsehen von mehreren getrennten, insbesondere parallelen, Kühlmittelströmen, die dann einen kleineren Querschnitt aufweisen als ein vereinigter Kühlmittelstrom, kann gegebenenfalls eine bessere Wärmeabfuhr aus dem Statorkernaußenmantel und/oder in den Kühlmittelfluss erreicht werden.
Gemäß einer Ausführung weist die Kühlkanalgruppe einen gemeinsamen Kühlmittelzufluss und einen gemeinsamen Kühlmittelabfluss auf, um einen einfachen Anschluss des Statorkühlmantels an die Kühlmittelversorgung der elektrischen Maschine zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführung erstreckt sich der Statorkühlmantel axial über eine Axialerstreckung eines Statorkerns des Stators einerseits oder beiderseits hinaus. In einem dadurch einerseits oder beiderseits des Statorkerns ausgebildeten, axialen Überstand ist eine Mehrzahl von Auslassöffnungen, insbesondere als einziger oder zusätzlicher Kühlmittelauslass, angeordnet.
Damit kann eine wirksame Kühlung der Statorwickelköpfe auch an der äußeren Radialseite erreicht werden. Insbesondere kann so auch eine wirksame Kühlung des Statorkernaußenmantels mit einer wirksamen Kühlung der Außenseite der Statorwickelköpfe verbunden werden. Wenn ein elektrisch nicht-leitendes Kühlmittel, wie beispielsweise ein geeignetes Kühlöl verwendet wird, kann beides mit einem Kühlmittelkreislauf erreicht werden.
Gemäß einer Ausführung sind die Auslassöffnungen in einem axialen Erstreckungsbereich eines Statorwickelkopfs angeordnet. Dadurch können die Statorwickelköpfe direkt von radial außen her mit dem Kühlmittel benetzt werden, insbesondere ohne sich auf einer Zwischenführung stromabwärts der Statormantelkühlung weiter zu erwärmen.
Gemäß einer Ausführung ist die Mehrzahl von Auslassöffnungen in Umfangsrichtung beabstandet verteilt in einer oberen Umfangshälfte angeordnet. Dadurch ist eine gleichmäßige Kühlung der Statorwickelköpfe über den gesamten Umfang des Stators möglich. Denn aufgrund des Einflusses der Schwerkraft und das dadurch herabtropfende Kühlmittel ist eine Anordnung der Auslassöffnungen nur in der oberen Umfangshälfte ausreichend, um den ganzen Umfang zu kühlen, zumindest wenn Kühlmittel an der gesamten oberen Umfangshälfte austreten kann. Insbesondere sind die Auslassöffnungen in Umfangsrichtung gleichmäßig und/oder auf im Wesentlichen die gesamte obere Umfangshälfte verteilt beabstandet.
Gemäß einer Ausführung ist der wenigstens eine Kühlkanal in dem Überstand derart ausgebildet, dass die Auslassöffnungen mit Kühlmittel versorgt werden. Gemäß einer Ausführung bilden die Auslassöffnungen den Kühlmittelauslass in den Gehäuseinnenraum aus. Dadurch ist kein zusätzliches Bauteil für den Kühlmittelauslass erforderlich. Bei einer nasslaufenden Maschine ist ohnehin ein Ölsumpf und/oder eine Schwerkraftbedingte Kühlmittelsammlung vorgesehen, aus welchem/r beispielsweise mittels einer Kühlmittelpumpe ein Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmetauscher zur Abgabe der aufgenommenen Wärme betrieben werden kann.
Gemäß einer Ausführung ist der Kühlkanal ganz oder teilweise im Gehäuse ausgebildet, insbesondere aus dem Gehäuse ausgenommen; oder einer, mehrere oder alle der mehreren Kühlkanäle sind im Gehäuse ausgebildet, insbesondere aus dem Gehäuse ausgenommen. Das ermöglicht eine Gewichtseinsparung, da die Kühlkanäle an Stellen ausgenommen sind, die bei bekannten Gehäusen mit Material gefüllt sind. Zudem ist diese Bauweise radial platzsparend.
Gemäß einer Ausführung ist der Kühlkanal ganz oder teilweise an einem Statorkernaußenmantel ausgebildet, insbesondere aus den Statorblechen an dem Statorkernaußenmantel ausgenommen; oder einer, mehrere oder alle der mehreren Kühlkanäle sind an einem Statorkernaußenmantel ausgebildet, insbesondere aus den Statorblechen an dem Statorkernaußenmantel ausgenommen. Diese Bauweise ist radial platzsparend. Denn die Kühlkanäle werden am Außenmantel des Statorkerns aus den Statorblechen ausgenommen, insbesondere ausgestanzt. Gleichzeitig wird ein Gewichtsvorteil erreicht, verglichen mit bekannten Statorblechpaketen.
Gemäß einer Ausführung ist im Bereich des axialen Überstands, insbesondere auf beiden Axialseiten des Statorkerns, insbesondere jeweils, ein Dichtelement, insbesondere ein Dichtring, zum Begrenzen wenigstens eines Kühlkanals nach radial innen radial zwischen dem Gehäuse und dem Statorwickelkopf angeordnet. Damit können die axial verlaufenden Kühlkanäle bzw. axialen Kühlkanalabschnitte an ihren axialen Enden abgedichtet und/oder umgelenkt werden. Das Dichtelement weist insbesondere einen Kunststoffwerkstoff oder einen Metallwerkstoff wie beispielsweise Aluminium auf.
Gemäß einer Ausführung führt das Dichtelement wenigstens einen in dem Axialbereich des Statorkerns ausgebildeten Kühlkanal in dem Überstand fort. Insbesondere weist das Dichtelement dazu einen Kühlkanal und/oder einen Kühlkanalabschnitt, insbesondere zum Umlenken des Kühlmittels im Kühlmittelfluss zwischen zwei axialen Kühlkanalabschnitten, auf. Die axialen Kühlkanalabschnitte sind insbesondere nicht oder nur ansatzweise am Dichtelement ausgebildet, während der größte Teil oder die gesamte Erstreckung im Axialbereich des Statorkerns ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausführung bildet das Dichtelement wenigstens einen Umlenkkanal zur axialen Richtungsänderung zwischen einer ersten Axialrichtung als erste axiale Hauptflussrichtung des Kühlmittels und einer zweiten, gegenläufigen Axialrichtung als zweite axiale Hauptflussrichtung des Kühlmittels, wobei der Umlenkkanal jeweils zwischen zwei voneinander, insbesondere in Umfangsrichtung, beabstandeten axialen Kühlkanalabschnitten ausgebildet ist, die sich ihrerseits im Axialbereich des Statorkerns erstrecken. Dadurch kann das Dichtelement insbesondere, beispielsweise in Umfangsrichtung beabstandete, Kühlkanäle und/oder Teilkanäle verbinden.
Gemäß einer Ausführung weist das Dichtelement die Auslassöffnungen auf. Damit lässt sich einfach erreichen, dass die Auslassöffnungen im Axialbereich der Statorwickelköpfe angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführung ist der Kühlmitteleinlass in einer unteren Umfangshälfte, insbesondere im Wesentlichen an einer unteren Umfangsposition, angeordnet. Insbesondere bei nur in der oberen Umfangshälfte angeordneten Auslassöffnungen kann damit eine kurzer Kühlmittelfluss bei gleichzeitiger Abdeckung des gesamten Statorumfangs erreicht werden.
Alternativ ist gemäß einer Ausführung der Kühlmitteleinlass in einer oberen Umfangshälfte, insbesondere im Wesentlichen an einer oberen Umfangsposition, angeordnet, beispielsweise wenn das aufgrund des vorgesehenen Betriebsfalls sinnvoller erscheint.
Gemäß einer Ausführung ist der Kühlmitteleinlass axial in einem Randbereich der Erstreckung des Statorkerns angeordnet. Damit kann ein einfacher Kühlmittelanschluss erreicht werden.
Gemäß einer Ausführung weist der Hülsen-Innenmantel, insbesondere beiderseits, axial abseits des Kernkühlbereichs einen axialen Überstand auf, in welchem ausgehend von der Begrenzungskontur, insbesondere beiderseits, wenigstens eine, insbesondere mehrere, Auslassöffnungen als durchgehende Ausnehmung zwischen dem Hülsen-Außenmantel und dem Hülsen-Innenmantel ausgebildet ist.
Mit den Auslassöffnungen kann eine wirksame Kühlung der Statorwickelköpfe auch an der äußeren Radialseite erreicht werden. Insbesondere kann so auch eine wirksame Kühlung des Statorkernaußenmantels mit einer wirksamen Kühlung der Außenseite der Statorwickelköpfe verbunden werden. Wenn ein elektrisch nicht-leitendes Kühlmittel, wie beispielsweise ein geeignetes Kühlöl verwendet wird, kann beides mit einem Kühlmittelkreislauf erreicht werden. In dem axialen Überstand ist damit insbesondere ein Wickelkopfkühlbereich zur Kühlung eines oder vorzugsweise beider Statorwickelköpfe ausgebildet.
Durch die Verwendung einer Mantelhülse als radial innere Begrenzung der Kühlmittelkanäle wird eine Demontage des Stators bzw. der elektrischen Maschine aus dem Gehäuse möglich. Bei bekannten Fahrzeug-Antriebsmaschinen ist in den meisten Konzepten der Stator in das Gehäuse eingepresst, beispielsweise thermisch eingeschrumpft. Dann ist der Stator nicht mit realistischem Aufwand zu demontieren. Bei der vorliegenden Lösung kann gemäß einer Ausführung der Stator in die Mantelhülse eingepresst sein, wohingegen diese selbst lediglich lösbar, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung oder einer Klemmverbindung, an dem Gehäuse befestigt. Dann kann der Stator - zusammen mit der Mantelhülse - aus dem Gehäuse entnommen, und so beispielsweise im Falle eines Defekts, ausgetauscht werden. Damit wird eine nennenswert besserer Reparierbarkeit von BEVs erreicht, bei denen dann bei einem Statordefekt nicht mehr die gesamte E-Maschine mit Gehäuse ausgetauscht werden muss - der damit oft verbundene, wirtschaftliche Totalschaden kann dann abgewendet werden.
Gemäß einer Ausführung ist die Begrenzungskontur der Mantelhülse mit einer oder mehreren, von dem Hülsen-Außenmantel sich radial nach innen erstreckenden, nicht durchgängigen Ausnehmungen ausgebildet, die einen Querschnitt und eine Längserstreckung eines oder mehrerer Kühlkanäle des Statorkühlmantels ganz oder teilweise ausbilden.
Gemäß einer Ausführung ist der Hülsen-Innenmantel zur radial inneren Aufnahme eines Stators einer elektrischen Maschine, und der Hülsen-Außenmantel zur Aufnahme in einem Gehäuse des Stators und/oder der elektrischen Maschine eingerichtet.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:

1 veranschaulicht einen Statorkühlmantel gemäß einer an sich vorliegend nicht beanspruchten Ausführung.
2 zeigt die Querschnitte der Kühlkanäle des Statorkühlmantels aus 1.
3 zeigt das Statorgehäuse aus 1, an dessen radialer Innenseite die radial äußeren Begrenzungen der Kühlkanäle des Statorkühlmantels ausgebildet sind.
4 veranschaulicht einen mäanderartig ausgebildeten Statorkühlmantel gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung.
5 zeigt die Querschnitte der Kühlkanäle des mäanderartig ausgebildeten Statorkühlmantels aus 4.
6 zeigt das Statorgehäuse aus 4, an dessen radialer Innenseite die radial äußeren Begrenzungen der Kühlkanäle des mäanderartig ausgebildeten Statorkühlmantels ausgebildet sind.
7 veranschaulicht einen mäanderartig im Statorblechpaket ausgebildeten Statorkühlmantel gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung.
8 zeigt die Querschnitte der Kühlkanäle des mäanderartig im Statorblechpaket ausgebildeten Statorkühlmantels aus 7.
9 zeigt den Stator aus 7, an dessen radialer Außenseite die radial inneren Begrenzungen der Kühlkanäle des mäanderartig im Statorblechpaket ausgebildeten Statorkühlmantels ausgebildet sind.
10 veranschaulicht einen mäanderartig in einer Mantelhülse ausgebildeten Statorkühlmantel gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung.
11 zeigt die Querschnitte der Kühlkanäle des mäanderartig in einer Mantelhülse ausgebildeten Statorkühlmantels aus 10.

In den 4 bis 11 sind verschiedene beispielhafte Ausführungen der Erfindung gezeigt. In den 1 bis 3 ist eine ebenfalls unbekannte Ausführung gezeigt, für die vorliegend allerdings kein Schutz an sich angestrebt wird. Trotzdem sind einzelne Merkmale dieser Ausführung kombinierbar mit erfindungsgemäßen Ausführungen.
Alle Figuren zeigen - im Einzelfall unterschiedliche - Ausschnitte einer elektrischen Antriebsmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen jeweils nicht dargestellten Rotor und einen Stator 100. Der Stator ist jeweils unmittelbar oder mittelbar über eine Mantelhülse 200 in einem Gehäuse 300 aufgenommen und festgelegt.
Zwischen dem Gehäuse 300 radial außen und radial innen entweder dem Stator 100 oder der Mantelhülse 200 ist zur Kühlung des Stators 100 Statorkühlmantel 400 angeordnet.
Der Statorkühlmantel 400 weist einen Kühlmitteleinlass 402 und einen Kühlmittelauslass 404 auf. Zwischen dem Kühlmitteleinlass 402 und dem Kühlmittelauslass 404 erstrecken sich ein oder mehrere Kühlkanäle, die radial zwischen dem Stator 100 und dem Gehäuse 300 angeordnet sind und einen gesamten Statorkernaußenmantel 102 eines Statorkerns 104 des Stators 100 zur Kühlung abdecken. Die Kühlkanäle sind in den verschiedenen Ausführungsbeispielen unterschiedlich ausgebildet und deshalb jeweils bei deren Beschreibung mit unterschiedlichen Bezugszeichen versehen.
Der Statorkühlmantel 400 erstreckt sich axial über eine Axialerstreckung des Statorkerns 104 beiderseits hinaus. In einem dadurch beiderseits jeweils ausgebildeten Überstand 408.1 bzw. 408.2 sind jeweils eine Mehrzahl von Auslassöffnungen 410 angeordnet, sodass die Auslassöffnungen 410 in einem axialen Erstreckungsbereich eines jeweiligen Statorwickelkopfs 106.1 bzw. 106.2 angeordnet sind.
Die Auslassöffnungen 410 sind in Umfangsrichtung u des Statorkühlmantels 400 beabstandet verteilt in einer oberen Umfangshälfte 412 angeordnet, wobei die Auslassöffnungen 410 in Umfangsrichtung u gleichmäßig auf im Wesentlichen die gesamte obere Umfangshälfte verteilt beabstandet sind.
In allen Ausführungsbeispielen bildet die Gesamtheit aller Auslassöffnungen 412 den Kühlmittelauslass 404 in den Gehäuseinnenraum aus, ohne dass weitere Auslässe vorgesehen sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch wenigstens ein weiterer Auslass vorgesehen sein, beispielsweise wenn für die Kühlung des Statorkerns ein grö-ßerer Kühlmittelfluss vorgesehen ist als durch die Auslassöffnungen 412 ausgeströmt werden soll.
Das ausgelassene Kühlmittel ergießt sich in das Gehäuseinnere und sammelt sich der Schwerkraft folgend am Gehäusegrund, von wo aus es im Regelfall mittels einer Kühlmittelpumpe einem Wärmetauscher zur Abgabe der aufgenommenen Statorwärme und anschließend wieder dem/einem Kühlkreislauf zugeführt wird.
Nach der vorstehenden Beschreibung von Merkmalen, die den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gemein sind, werden nachfolgend die Unterschiede der einzelnen Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert.
1 veranschaulicht einen Statorkühlmantel 400 gemäß einer vorliegend nicht an sich beanspruchten Ausführung, die trotzdem gezeigt wird, weil sie auch Merkmale zeigt, die in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft mit einer erfindungsgemäßen Ausführung kombinierbar sein können.
In der Ausführung der 1 sind die Querschnitte von Kühlkanälen 414 des Statorkühlmantels 400 im Gehäuse 300 ausgebildet, hier als Ausnehmungen bereits beim Gehäuseguss aus einer Aluminiumlegierung eingebracht.
Das Gehäuse 300 ist einwandig und die am Gehäuseinnenmantel offenen Kühlkanäle 414 befinden sich auf der Innenseite. Die Strömungsgeometrie und damit der Statorkühlmantel 400 entsteht durch ein Einpressen des Stators 100 und zweier Dichtelemente 416 (auf jeder Axialseite des Statorkerns 104 eines), hier als Dichtring aus Aluminium oder einem geeigneten Kunststoff ausgebildet.
Die Kühlkanäle 414 im Gehäuse werden bei dieser Ausführung im Rahmen des ohnehin eingesetzten Kokillengussverfahrens in den Sandkern für den Statorsitz integriert und führen nur zu geringen Mehraufwendungen. Beispielsweise wird eine Vielzahl von Kühlkanälen 414 (insbesondere begrenzt bei Ausbildung der Kühlkanäle im Gehäuse mittels Kokillenguss, vorliegend vierundvierzig in Umfangsrichtung u gleichmäßig verteilt beabstandete axial verlaufende Kühlkanäle 414) in das Gehäuse 300 integriert, sodass im Betrieb eine axiale Durchströmung des Gehäuses 300 ermöglicht wird.
Auf beiden axialen Seiten des Statorkerns 104 ist als Umfangskühlkanal 418 jeweils ein Sammelring zur Kühlmittelzuführung zu den Auslassöffnungen 410 und zum Ablauf in das Gehäuse 300 integriert. Die Querschnitte der axialen Kühlkanäle 414 werden im Bereich des Statorkerns 104 durch das Einpressen des Stators 100 geschlossen; die Abdichtung der Sammelringe 418 durch das Einpressen jeweils eines Dichtelements 416 entstehen.
In einer nicht dargestellten Variation dieses Ausführungsbeispiels kann das Dichtelement 416, das an sich vor dem Fügen des Stators eingepresst wird, stattdessen in den Guss des Gehäuses 300 integriert werden. Unabhängig von der verwendeten Variante können die Dichtelemente 416 Dichtungen, z.B. aus Kunststoff, an der Kontaktfläche zum Stator 100 und/oder zum Gehäuse 300 aufweisen. Alternativ kann als Dichtung eine Flüssigdichtung zum Einsatz kommen.
Im Fall einer nassen E-Maschine, bei der sich ein Kühlöl im Raum der E-Maschine befindet, kann die Dichtung des Dichtelements entfallen, da eine geringe Leckage nicht zu relevanten Nachteilen führt.
Der Kühlmittelzulauf in den Statorkühlmantel hinein erfolgt im Ausführungsbeispiel durch den Kühlmitteleinlass 402 in Umfangsrichtung u oben und axial im Bereich eines der Überstände 408.2 über den zugehörigen Sammelring 416.2. Das Kühlmittel strömt in diesem Fall durch die axialen Kühlkanäle 414 zum anderen Sammelring 416.1. Alternativ kann der Kühlmittelzulauf durch einen zusätzlichen umlaufenden Kanal in der axialen Mitte des Stators erfolgen, wobei die Strömungsrichtung des Öls axial nach außen in Richtung beider Sammelringe wäre. Die in diesem Abschnitt beschriebenen Merkmale unterschieden sich von der vorliegend beanspruchten Erfindung.
Der Kühlmittelrücklauf erfolgt jedenfalls durch ein Ausspritzen des Kühlmittels auf beide Statorwickelköpfe 106 an den Austrittsöffnungen 410 der jeweiligen Axialseite. Dieses Anspritzen der Wickelköpfe von außen und ausgehend von der gesamten oberen Umfangshälfte 412 führt zu einer sehr hohen Kühlleistung, da alle Umfangsbereiche direkt mit relativ kühlem Kühlmittel bespritzt werden können.
2 veranschaulicht den Statorkühlmantel 400, indem die Gesamtheit der Kühlmitteldurchflossenen Querschnitte der Kühlkanäle 414 und 418 dargestellt ist. Auf beiden Axialseiten sind Auslassöffnungen 410 des Auslasses 404 vorhanden, auch wenn diese in der Darstellung nur auf der Axialseite des Kühlmitteleinlasses 402 sichtbar sind.
3 zeigt das Statorgehäuse 300 aus 1. An der radialen Innenseite des Statorgehäuses 300 sind die radial äußeren Begrenzungen der axial verlaufenden Kühlkanäle 414 des Statorkühlmantels aus den 1 und 2 ausgebildet. Die beiden Umfangskühlkanäle 418.1 und 418.2 sind hier analog zur Darstellung in 1 erkennbar.
4 veranschaulicht einen mäanderartig ausgebildeten Statorkühlmantel 400 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung.
Dabei sind die Querschnitte von zwei mäanderförmigen Kühlkanälen 420.1 und 420.2 des Statorkühlmantels 400 im Gehäuse 300 ausgebildet, hier als Ausnehmungen bereits beim Gehäuseguss aus einer Aluminiumlegierung eingebracht. Jeder der beiden mäanderförmigen Kühlkanäle 420.1 bzw. 420.2 erstreckt sich entlang einer seitlichen Umfangshälften 422.1 (links/hinten in der Darstellung) bzw. 422.2 (rechts/vorne in der Darstellung) bis hin zu Auslassöffnungen 410, die als Kühlmittelauslass 404 dienen.
Das Gehäuse 300 ist einwandig und die am Gehäuseinnenmantel offenen Kühlkanäle 420 befinden sich auf der Innenseite. Die Strömungsgeometrie und damit der Statorkühlmantel 400 entsteht durch ein Einpressen des Stators 100 und zweier Dichtelemente 416 (auf jeder Axialseite des Statorkerns 104 eines), hier als Dichtring aus Aluminium oder einem geeigneten Kunststoff ausgebildet.
Entlang seiner Erstreckung weist jeder der mäanderförmigen Kühlkanäle 420 stromabwärts eines unten am Gehäuse 300 an der Grenze der beiden seitlichen Umfangshälften 422 angeordneten Kühlmitteleinlasses 402 (insbesondere bezogen auf den Kühlmittelfluss) zunächst einen Verteilerkanal 424 auf. Der Verteilerkanal verteilt den Kühlmittelzufluss auf die beiden mäanderförmigen Kühlkanäle 420, wobei das Kühlmittel in jedem der Kühlkanäle 420 anschließend jeweils auf zwei axiale Kühlkanalabschnitte 426 aufgeteilt wird, welche beabstandet voneinander an benachbarten Umfangspositionen U1, U2 im Gehäuse 300 ausgebildet sind.
Die axialen Kühlkanalabschnitte 426 verlaufen entlang der gesamten Axialerstreckung des Statorkerns und münden nach einer axialen Passage des Statorkerns in einer ersten Axialrichtung A+ in einen gemeinsamen Umlenkkanal 428, der das Kühlmittel hin zu benachbarten Umfangspositionen U1, U2 führt, an denen mehrere weitere (hier wieder zwei) axiale Kühlkanalabschnitte 426 ausgebildet sind, die das Kühlmittel im Betrieb in die entgegengesetzte Axialrichtung A- zurückführen zu derjenigen Axialseite, an der das Kühlmittel in den Verteilerkanal eingelassen wurde. Diese axialen Kühlkanalabschnitte 426 münden wiederum in einen gemeinsamen Umlenkkanal 428, sodass das Kühlmittel erneut in die entgegengesetzte (sprich wieder die erste) Axialrichtung A+ durch weitere axiale Kühlkanalabschnitte 426 an weiteren Umfangspositionen strömen kann. Diese Konfiguration wird vorliegend als mäanderförmig oder mäanderartig bezeichnet.
Die Querschnitte der axialen Kühlkanalabschnitte 426 sind durch den Statorkernaußenmantel 102 abgedichtet, die Querschnitte der gemeinsamen Umlenkkanäle 428 durch die radiale Außenseite der Dichtringe 416, die genauso oder anders als diejenigen aus den 1 bis 3 ausgebildet sein können. Auf jeden Fall sind an den Dichtringen die Auslassöffnungen 410 ausgebildet, die ausgehend von den Umlenkkanälen 426 als Kühlmittelauslass 404 dienen.
Die axialen Kühlkanalabschnitte 426 verlaufen im Bereich des Statorkerns 104, die gemeinsamen Umlenkkanäle 428 im Bereich des axialen Überstands 408 und damit der Statorwickelköpfe 106.
Der zugeordnete Teil des Verteilerkanals 424, die zugehörigen Umlenkkanäle 428 und die zugehörigen axialen Kühlkanalabschnitte bilden also den jeweiligen mäanderförmigen Kühlkanal 420 aus.
Der Statorkühlmantel 400 der 4 wird also nicht - wie in der vorliegend nicht beanspruchten Ausführung gemäß den 1 bis 3 - ausschließlich parallel in die gleiche Richtung, sondern in Mäanderform durchströmt. Hierbei können an sich alle axialen Kühlkanalabschnitte 426 seriell durchströmt werden oder mehrere davon parallel aufgeteilt, wie hier zu 4 beschrieben.
5 zeigt die Querschnitte der mäanderförmigen Kühlkanäle 420.1 und 420.2, die gemeinsam den Statorkühlmantel 400 des Ausführungsbeispiels aus 4 ausbilden. Das Kühlmittel, hier ein Kühlöl, tritt mittig an der Unterseite in einen der beiden Kühlkanale, indem sich der gesamte Kühlmittelstrom in zwei Äste aufteilt, die auf beiden Seiten des Stators mäanderförmig zur Oberseite des Stators führen. Hierbei besteht jeder Mäander-Ast aus zwei parallelen Kühlkanälen. Diese Ausprägung führt zu einem Kompromiss aus einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, und damit einem hohen Wärmeübergangskoeffizient, und einem geringen Druckverlust. Die Parallelisierung von mehreren Kanälen im Vergleich zu einem Kanal mit größerem Querschnitt führt zu einer Erhöhung der Oberfläche und damit der Kühlleistung. Hierbei können auch mehr als zwei parallele Kanäle zum Einsatz kommen. Die beschriebene Umsetzung mit einem Kühlmitteleinlass 402 an der Unterseite und einer symmetrischen Ölführung zur Oberseite hat den weiteren Vorteil, dass das Öl an der Oberseite analog zur Ausführung der 1 bis 3 auf die Wickelköpfe ausspritzen kann. Hierbei kann im Gegensatz zur Ausführung der 1 bis 3 der gesamte Ölvolumenstrom in den unteren 70% der Kanäle zur Kühlung verwendet werden. In der gegebenenfalls einfacher zu fertigenden und zu montierenden Ausführung der 1 bis 3 spritzt dagegen bereits ein Teil des Öls auf der Seite der Ölzufuhr auf den Wickelkopf aus.
6 zeigt das Statorgehäuse aus 4, an dessen radialer Innenseite die radial äu-ßeren Begrenzungen der mäanderförmigen Kühlkanäle 420 des mäanderartig ausgebildeten Statorkühlmantels 400 ausgebildet sind, mit den Dichtringen 416. Besonders gut ersichtlich ist die Anordnung der Umlenkkanäle 428 im axialen Überstand 408 und die Anordnung der axialen Kühlkanalabschnitte 426 im Bereich zwischen den beiden axialen Überständen 408, sprich axial entlang des gesamten Statorkerns 104 (der hier nicht dargestellt ist).
7 veranschaulicht einen mäanderartig unter anderem im Statorblechpaket 430 ausgebildeten Statorkühlmantel 400 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung. Von dem Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 unterscheidet sich diese Ausführung insbesondere dadurch, dass die Querschnitte der Kühlkanäle nicht im Guss des Gehäuses 300 ausgebildet sind. Stattdessen sind die axialen Kühlkanalabschnitte 432 an der radialen Außenseite aus dem Statorblechpaket 430 ausgenommen, und werden im Zusammenbau mit der radialen Innenseite des Gehäuses 300 geschlossen. Die Zuführung bzw. Umlenkung des Kühlmittels zwischen den axialen Kühlkanalabschnitten 432 erfolgt durch einen aufgrund der Perspektive nicht dargestellten Verteilerkanal und Umlenkkanäle 434, die zwischen dem jeweiligen Dichtelement 436.1 bzw. 436.2 ausgebildet sind.
Die Dichtelemente 436 sind gegenüber den Dichtelementen 416 aus den beiden ersten Ausführungsbeispielen dahingehend verändert, dass die Querschnitte des Verteilerkanals und der Umlenkkanäle 434 in den Dichtelementen 436 eingebracht sind und im Zusammenbau gegen das Gehäuse 300 geschlossen sind.
Die Strömungsführung ist dabei insbesondere bezüglich ihrer Mäanderform analog zu dem Statorkühlmantel im Ausführungsbeispiel der 4 bis 6.
Die Ausbildung der axialen Kühlkanalabschnitte 432 im Statorblechpaket 430 ermöglicht eine deutlich höhere Anzahl (hier achtzig) von axialen Kühlkanalabschnitten 432 im Umfang des Statorkernmantels (also auch einem Mäander-Ast), da die Fertigungstoleranzen der gestanzten Bleche des Statorblechpakets 430 wesentlich höher als im Kokillenguss sind. Eine höhere Anzahl von Kanälen kann zu einer größeren Oberfläche und damit zu einer höheren Effektivität des Kühlkonzepts führen. Die Kühlkanalabschnitte 432 im Statorblechpaket 430 können an der Außenfläche gemäß einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels zu einer geschlossenen Fläche verbunden werden, um die Robustheit beim Statorfügen zu erhöhen.
Die Dichtelemente 436 können aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt sein. Im Fall von Aluminium können die Dichtelemente als Guss oder Tiefziehteil hergestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass auf das Aluminium zur Verbesserung der Dichteigenschaften Gummi oder Kunststoff aufgespritzt wird. Zudem ist eine Dichtung zwischen Blechpaket und Dichtelement bzw. zwischen Gehäuse und Dichtelement via O-Ring denkbar.
8 zeigt die Querschnitte der mäanderförmigen Kühlkanäle 440.1 und 440.2, die gemeinsam den mäanderartigen Statorkühlmantel 400 im Statorblechpaket 430 des Ausführungsbeispiels aus 7 ausbilden. Die Kühlkanäle 440 teilen sich den Verteilerkanal 438, und weisen jeweils Umlenkkanäle 434 und axiale Kühlkanalabschnitte 432 auf.
Das Kühlmittel, hier ein elektrisch isolierendes Kühlöl, tritt über den Kühlmitteleinlass 402 und den Verteilerkanal 438 mittig an der Unterseite in beide Kühlkanäle 440 ein; der gesamte Kühlmittelstrom teilt sich in zwei Äste auf, die auf beiden Seiten des Stators mäanderförmig - das heißt abwechselnd durch einen axialen Kühlkanalanschnitt 432 und einen Umlenkkanal 434 - zur Oberseite des Stators führen. Hierbei besteht jeder Mäander-Ast aus vier parallelen Kühlkanälen. Diese Ausprägung führt zu einem Kompromiss aus einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, und damit einem hohen Wärmeübergangskoeffizient, und einem geringen Druckverlust. Die Parallelisierung von mehreren Kanälen im Vergleich zu einem Kanal mit größerem Querschnitt führt zu einer Erhöhung der Oberfläche und damit der Kühlleistung. Hierbei können auch mehr als vier parallele Kanäle zum Einsatz kommen. Die beschriebene Umsetzung mit einem Kühlmitteleinlass 402 an der Unterseite und einer symmetrischen Ölführung zur Oberseite hat den weiteren Vorteil, dass das Öl an der Oberseite analog zu den Ausführungen der 1 bis 3 bzw. der 4 bis 6 auf die Wickelköpfe ausspritzen kann. Hierbei kann im Gegensatz zur Ausführung der 1 bis 3 der gesamte Ölvolumenstrom in den unteren 70% der Kanäle zur Kühlung verwendet werden. In der gegebenenfalls einfacher zu fertigenden und zu montierenden Ausführung der 1 bis 3 spritzt dagegen bereits ein Teil des Öls auf der Seite der Ölzufuhr auf den Wickelkopf aus.
9 zeigt den Stator 100 aus 7 und die zugehörigen Dichtelemente 436. Am Statorkernaußenmantel 102 des Statorkerns 104 des Stators 100 sind die radial inneren Begrenzungen der axialen Kühlkanalabschnitte 432 aus dem Statorblechpaket 430 ausgenommen, hier ausgestanzt. Gemeinsam mit dem Verteilerkanal und den Umlenkkanälen 434, deren Querschnitte in den Dichtelementen 436 ausgebildet sind, sowie dem Innenmantel des in 9 nicht dargestellten Statorgehäuses 300 bilden die axialen Kühlkanalabschnitte 432 die mäanderförmigen Kühlkanäle 440 aus.
Besonders gut ersichtlich ist die Anordnung der Umlenkkanäle 434 im axialen Überstand 408 und die Anordnung der axialen Kühlkanalabschnitte 432 im Bereich zwischen den beiden axialen Überständen 408, sprich axial entlang des gesamten Statorkerns 104.
10 veranschaulicht einen mäanderartig in einer Mantelhülse 200 ausgebildeten Statorkühlmantel 400 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung.
Die Mantelhülse 200 weist einen Hülsen-Außenmantel 462 auf, an der eine statorseitige Begrenzungskontur 470 der Kühlkanäle des Statorkühlmantels 400 eingebracht ist, sodass Ausnehmungen in dem Hülsen-Außenmantel 462 die Querschnitte der Kühlkanäle ausbilden. Die Kühlkanäle sind bzgl. des vorgesehenen Kühlmittelflusses beispielsweise analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 4 bis 6 oder gemäß den 7 bis 9 ausgebildet, hier also mit zwei halb-umfänglichen, mäanderförmigen Kühlkanälen 460.1 und 460.2, die jeweils mehrere axiale Kühlkanalabschnitte 452 und mehrere Umlenkkanäle 454, und aus dem Kühlmitteleinlass 402, gegebenenfalls mittels eines gemeinsamen Verteilerkanals 458 mit Kühlmittel versorgt werden.
11 zeigt die Querschnitte der Kühlkanäle des in der Mantelhülse 200 ausgebildeten Statorkühlmantels aus 10. Das Kühlmittel, hier ein elektrisch isolierendes Kühlöl, tritt über den Kühlmitteleinlass 402 und den Verteilerkanal 458 mittig an der Unterseite in beide Kühlkanäle 460 ein; der gesamte Kühlmittelstrom teilt sich in zwei Äste auf, die auf beiden Seiten des Stators mäanderförmig - das heißt abwechselnd durch einen axialen Kühlkanalanschnitt 452 und einen Umlenkkanal 454 - zur Oberseite des Stators führen. Hierbei besteht jeder Mäander-Ast aus vier parallelen Kühlkanälen. Diese Ausprägung führt zu einem Kompromiss aus einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, und damit einem hohen Wärmeübergangskoeffizient, und einem geringen Druckverlust. Die Parallelisierung von mehreren Kanälen im Vergleich zu einem Kanal mit größerem Querschnitt führt zu einer Erhöhung der Oberfläche und damit der Kühlleistung. Hierbei können auch mehr als vier parallele Kanäle zum Einsatz kommen. Die beschriebene Umsetzung mit einem Kühlmitteleinlass 402 an der Unterseite und einer symmetrischen Ölführung zur Oberseite hat den weiteren Vorteil, dass das Öl an der Oberseite analog zu den Ausführungen der 1 bis 3 bzw. der 4 bis 6 bzw. der 7 bis 9 auf die Wickelköpfe ausspritzen kann. Hierbei kann im Gegensatz zur Ausführung der 1 bis 3 der gesamte Ölvolumenstrom in den unteren 70% der Kanäle zur Kühlung verwendet werden. In der gegebenenfalls einfacher zu fertigenden und zu montierenden Ausführung der 1 bis 3 spritzt dagegen bereits ein Teil des Öls auf der Seite der Ölzufuhr auf den Wickelkopf aus.
Die Mantelhülse 200 weist zudem einen Hülsen-Innenmantel 464 mit einem Kernkühlbereich 466 zur Anlage an den Statorkern 104 auf. Der Hülsen-Innenmantel 464 weist beiderseits, axial abseits des Kernkühlbereichs 466 einen axialen Überstand 408 auf, in welchem ausgehend von den Umlenkkanälen 454, die im Überstand 408 und in der oberen Umfangshälfte 412 angeordnet sind, die Auslassöffnungen 410 als durchgehende Ausnehmung (sich erstreckend zwischen dem Hülsen-Außenmantel und dem Hülsen-Innenmantel, also durch die Wandstärke der Mantelhülse 200 hindurch) ausgebildet ist.
Mit den Auslassöffnungen 410 kann auch in dieser Gestaltung mit einer Mantelhülse 200 eine wirksame Kühlung der äußeren Radialseite der Statorwickelköpfe 106 erreicht werden. Zudem kann so auch eine wirksame Kühlung des Statorkernaußenmantels 102 mit einer wirksamen Kühlung der Außenseite der Statorwickelköpfe 106 verbunden werden. Wenn - wie hier - ein elektrisch nicht-leitendes Kühlöl als Kühlmittel verwendet wird, kann beides mit einem einzigen Kühlmittelkreislauf erreicht werden. In dem axialen Überstand 408 ist damit insbesondere ein Wickelkopfkühlbereich 468 zur Kühlung der Statorwickelköpfe 106 ausgebildet.
Durch die Verwendung einer Mantelhülse 200 als radial innere Begrenzung der Kühlmittelkanäle wird eine Demontage des Stators 100 bzw. der elektrischen Antriebsmaschine 1 aus dem Gehäuse 300 möglich. Bei bekannten Fahrzeug-Antriebsmaschinen 1 ist in den meisten Konzepten der Stator in das Gehäuse eingepresst, beispielsweise thermisch eingeschrumpft. Dann ist der Stator nicht mit wirtschaftlich und/oder organisatorisch vertretbarem Aufwand zu demontieren. Bei der vorliegenden Lösung ist jedoch der Stator 100 in die Mantelhülse 200 eingepresst, wohingegen die Mantelhülse selbst lediglich lösbar mittels einer Schraubverbindung an dem Gehäuse 300 befestigt ist. Daher kann der Stator 100 - zusammen mit der verpressten Mantelhülse 200 - aus dem Gehäuse 300 entnommen werden, und so beispielsweise im Falle eines Defekts ausgetauscht. Damit wird eine nennenswert besserer Reparierbarkeit von BEVs erreicht, bei denen dann bei einem Statordefekt nicht mehr die gesamte E-Maschine mit Gehäuse ausgetauscht werden muss - der damit oft verbundene, wirtschaftliche Totalschaden des Fahrzeugs kann dann abgewendet werden.
Die Mantelhülse weist eine Begrenzungskontur 470 mit mehreren, von dem Hülsen-Außenmantel 462 sich radial nach innen erstreckenden, nicht durchgängigen Ausnehmungen ausgebildet, die die Querschnitte und die Längserstreckungen der Kühlkanäle 460 nach radial innen hin ausbilden. Die Querschnitte werden geschlossen durch die Montage des Gehäuses 300, dessen radialer Innenmantel dann an den Querschnitten anliegt. Dieser Schluss muss nicht zwingend vollständig Kühlmitteldicht ausgebildet sein, falls ein nicht-leitendes Kühlmittel eingesetzt wird. Ein im Verhältnis kleiner Leck-Kühlmittelstrom ist hinnehmbar.
Der Hülsen-Innenmantel 464 ist zur radial inneren Aufnahme des Stators 100, insbesondere des Statorkerns 104 der elektrischen Antriebsmaschine 1 eingerichtet; der Hülsen-Außenmantel 462 zur Aufnahme im Statorgehäuse 300.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Antriebsmaschine
100: Stator
102: Statorkernaußenmantel
104: Statorkern
106: Statorwickelkopf
200: Mantelhülse
300: Gehäuse
400: Statorkühlmantel
402: Kühlmitteleinlass
404: Kühlmittelauslass
408: axialer Überstand
410: Auslassöffnungen
412: obere Umfangshälfte des Statorkühlmantels
414: Gehäuseausnehmungen als axial verlaufende Kühlkanäle
416: Dichtelement, hier Dichtring
418: Umfangskühlkanal, hier Sammelring
420: mäanderförmiger Kühlkanal
422: seitliche Umfangshälfte des Statorkühlmantels
424: Verteilerkanal
426: axiale Kühlkanalabschnitte, im Statorgehäuse ausgebildet
428: Umlenkkanal
430: Statorblechpaket
432: axiale Kühlkanalabschnitte, im Statorblechpaket ausgebildet
434: Umlenkkanäle, im Dichtelement ausgebildet
436: Dichtelement mit Ausnehmungen für die Querschnitte der Umlenkkanäle
438: Verteilerkanal
440: mäanderförmiger Kühlkanal
452: axiale Kühlkanalabschnitte, in der Mantelhülse ausgebildet
454: Umlenkkanäle, in der Mantelhülse ausgebildet
458: Verteilerkanal, in der Mantelhülse ausgebildet
460: mäanderförmiger Kühlkanal
462: Hülsen-Außenmantel
464: Hülsen-Innenmantel
466: Kernkühlbereich
468: Wickelkopfkühlbereich
470: Begrenzungskontur der Mantelhülse
a: Axialrichtung
A+: erste Axialrichtung, insbesondere axiale Hauptflussrichtung des Kühlmittels
A-: zweite Axialrichtung, insbesondere gegenläufige axiale Hauptflussrichtung
u: Umfangsrichtung
U: Umfangsposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019213118 A1 [0006]

Claims

Statorkühlmantel (400) zur Kühlung eines Stators (100) einer elektrischen Maschine (1) in einem Gehäuse (300) mittels eines Kühlmittels, aufweisend - einen Kühlmitteleinlass (402) und einen Kühlmittelauslass (404), - wenigstens einen, sich zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass erstreckende, Kühlkanal (420; 440; 460), der radial zwischen dem Stator und dem Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal so ausgebildet ist, dass das Kühlmittel zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass mehrmals in einem axialen Kühlkanalabschnitt (426; 432; 452) entlang eines größeren Teils oder entlang der gesamten axialen Erstreckung eines Statorkerns (104) und/oder des Stators geführt werden kann.
Statorkühlmantel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung (u) benachbarte axiale Kühlkanalabschnitte so zur Kühlmittelführung verbunden sind, dass sie axial gegensinnig, insbesondere in gegenläufigen Axialrichtungen (a+; a-), durchströmt werden können.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal so ausgebildet ist, dass an jeder Umfangsposition (U) höchstens eine axiale Hauptfließrichtung (A+; A-) des Kühlmittels vorgesehen ist.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Hauptfließrichtung (A+; A-) in Umfangsrichtung alterniert.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kühlkanal ein Umlenkkanal (428; 434; 454) von der einen hin zu der anderen Axialrichtung (A+; A-) vorgesehen ist, der sich stromabwärts in wenigstens zwei axiale Kühlkanalabschnitte aufteilt, welche beabstandet voneinander an benachbarten Umfangspositionen (U) ausgebildet sind.
Statorkühlmantel gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Umlenkkanälen nicht mehr als zwei oder drei oder vier axiale Kühlkanalabschnitte angeordnet sind.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Kühlkanäle (420.1, 420.2; 440.1, 440.2; 460.1, 460.2), die jeweils zur Kühlung einer der seitlichen Umfangshälften (422.1; 422.2) eingerichtet sind.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein einziger Kühlkanal vorgesehen ist.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass unverzweigt verläuft.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkühlmantel in Umfangsrichtung (u) verteilt und voneinander beabstandet mehr als vierzig axiale Kühlkanalabschnitte aufweist.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr in Umfangsrichtung (u) benachbarte axiale Kühlkanalabschnitte einen Kühlmittelfluss in die gleiche Axialrichtung (A+; A-) aufweisen.
Statorkühlmantel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Statorkühlmantel axial über eine Axialerstreckung eines Statorkerns des Stators hinaus erstreckt und in einem dadurch ausgebildeten Überstand (408.1, 408.2) eine Mehrzahl von Auslassöffnungen (410) angeordnet sind.
Mantelhülse (200) für einen Statorkühlmantel (400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen Hülsen-Außenmantel (462), an der eine statorseitige Begrenzungskontur (470) für den wenigstens einen Kühlkanal (420; 440; 460) im Bereich des Statorkernaußenmantels (102) ausgebildet ist, und einen Hülsen-Innenmantel (464) mit einem Kernkühlbereich (466) zur Anlage an einen Statorkern (104).
Elektrische Antriebsmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Statorkühlmantel (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder eine Mantelhülse (200) gemäß Anspruch 13.