-
Die Erfindung betrifft einen Kühlring für einen Wickelkopf eines Aktivteils einer elektrischen Antriebsmaschine und eine Aktivteilkühlanordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlrings.
-
Die Spitzenleistung einer elektrischen Antriebsmaschine ist in der Regel durch die Temperatur seiner Aktivteile (Rotor und Stator) begrenzt. Falls die Spitzenleistung einer elektrischen Antriebsmaschine durch den Stator begrenzt ist, dann oft wegen der Temperatur der Wickelköpfe. Diese verursachen einen großen Anteil der thermischen Verluste in der Maschine und sind in klassischen Kühlkonzepten nicht besonders gut gekühlt. Ist eine elektrische Antriebsmaschine nicht direkt luftgekühlt, befindet sich meist im Gehäuse eine Kühlung. Um die Kühlung der Wickelköpfe in diesem Fall zu verbessern, gibt es unterschiedliche Ansätze: (1) Ohne weitere Modifikation fließt die Wärme von den Wickelköpfen über das Kupfer zum Statormaterial, und vom Statormaterial zum Gehäuse ab. (1) Die Wickelköpfe werden mit einem isolierenden Kunststoff voll vergossen, sodass sein direkter Weg zwischen Wickelköpfen und Gehäuse besteht, kann ein Teil der Wärme diesen direkten Weg nehmen. (3) Die Wickelköpfe können mit einem isolierenden Kunststoff in einer bestimmten Dicke vergossen und ein separates hohles Gussteil aus Kunststoff, z.B. durch eine Klebeverbindung, aufgebracht werden. Dieses separate hohle Gussteil ist mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt. (4) Konzepte mit direktem Kühlmittel-Wickelkopf-Kontakt. Die Wickelköpfe werden mit Öl bespritzt oder umströmt.
-
Aus der
DE 10 2020 206 333 A1 ist ein weiteres Kühlkonzept bekannt. Dabei wird eine erste, innere Wand auf die Wickelköpfe aufgebracht und beispielsweise mittels Blasformen in die Form der Wickelköpfe gebracht. Zudem wird eine zweite, äußere Wand aufgebracht, wodurch ein Hohlraum für eine Kühlflüssigkeit zwischen äußerer und innerer Wand entsteht. Zwischen den zwei Teilen (innere und äußere Wand) muss eine feste Verbindung bestehen (z.B. geklebt), um zu verhindern, dass Flüssigkeit aus dem Hohlraum ausläuft und damit den Stator beschädigt. Die innere und die äußere Wand müssen getrennt voneinander gefertigt und aufgebracht werden. Das erfordert einen hohen Fertigungsaufwand der der Montage der elektrischen Maschine und bedingt mögliche Versagensarten während der Montage oder des Betriebs.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung eines Aktivteils einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs zu verbessern.
-
Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Gemäß einem Aspekt wird offenbart ein Kühlring für einen Wickelkopf, insbesondere für eine ringförmige Wickelkopfanordnung, eines Aktivteils, insbesondere eines Stators oder eines Rotors, einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: (a) ein, insbesondere kreisringförmiges, Hohlraum-Kühlvolumen, das den Wickelkopf umschließt; (b) ein Kunststoffhüllbauteil, das einen Wickelkopfkühlkanal ausbildet, welcher das Kühlvolumen, insbesondere an einem gesamten Kühlringumfang, gegen den Wickelkopf, insbesondere die Wicklungen des Wickelkopfes, und gegen eine Umgebung des Wickelkopfes, insbesondere einen Wickelkopfraum, abdichtet.
-
Indem ein einziges Kunststoffhüllbauteil den gesamten Wickelkopfkühlkanal abgrenzt, ist dieser viel robuster gegen ein Versagen im Betrieb, beispielsweise an einer Fügestelle - denn Fügestellen sind beim erfindungsgemäßen Kühlring nicht erforderlich.
-
Gemäß einer Ausführung das Kunststoffhüllbauteil die gesamte Wandung des Wickelkopfkühlkanals ausbildet, insbesondere sowohl gegen den Wickelkopf als auch gegen eine Umgebung des Wickelkopfes. Damit kann das Kühlmittel mittels des einzigen Kunststoffhüllbauteils für einen gesamten Wickelkopf ausgebildet werden.
-
Gemäß einer Ausführung ist das Kunststoffhüllbauteil einstückig (d.h. vorliegend insbesondere: urgeformt als ein einziges Bauteil, insbesondere in einem Prozessschritt, hier einem Rotationsformen), insbesondere mittels eines Rotationsformverfahrens, ausgebildet. Ein solches Kunststoffhüllbauteil kann viel einfacher prozesssicher gefertigt werden und ist zudem leichter und robuster.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine Aktivteilkühlanordnung, insbesondere Stator- oder Rotorkühlanordnung, für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: (A) ein Aktivteil mit einem Aktivteilkern und beiderseits des Aktivteilkerns jeweils einem Wickelkopf, der sich ausgehend von dem Aktivteilkern erstreckt; (B) einen Kühlring gemäß einer Ausführung der Erfindung an wenigstens einem, insbesondere beiden, der Wickelköpfe.
-
Gemäß einer Ausführung weist die Aktivteilkühlanordnung ein Wärmerohr auf, das sich in dem Aktivteilkern und in dem Kühlring erstreckt und mit beidem thermisch zum Wärmetransport verbunden ist. Damit kann der Wärmetransport von dem Aktivteilkern hin zu dem Kühlkanal verstärkt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlrings für einen Wickelkopf, insbesondere für eine ringförmige Wickelkopfanordnung, eines Aktivteils, insbesondere eines Stators oder eines Rotors, einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte, die in der angegebenen oder einer anderen fachgerechten Reihenfolge durchgeführt werden können: (i) Herstellen einer Wandung eines Kunststoffhüllbauteils, die ein Hohlraum-Kühlvolumen abgrenzt, das den Wickelkopf umgibt, mittels eines Rotationsformverfahrens.
-
Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, einen Kühlring aus einem einzigen Bauteil auf die Wickelköpfe aufzubringen. Dies ermöglicht das Fertigungsverfahren des Rotationsformens, angewendet auf den Wickelköpfen selbst.
-
Damit ist der Kühlring auf jedem Wickelkopf ein einziges Teil, das direkt auf den Wickelkopf aufgebracht wird, sodass keine Verbindung mehrerer Bauteile zum Ausbilden des Kühlkanals notwendig ist. Das Rotationsformen ermöglicht die Fertigung in wenigen Schritten. Beliebige Formen können gefertigt, weniger Teile verwendet und Kosten eingespart werden.
-
Zuletzt kann erreicht werden, dass in dem Statorgehäuse keine Flüssigkühlung mehr gebraucht wird, was enormen radialen Bauraum einsparen kann.
-
Gemäß einer Ausführung beinhaltet das Kühlvolumen zumindest eine Hüllgeometrie, insbesondere ein Hüllvolumen, des Wickelkopfes hinsichtlich einer Umfangsrichtung und einer Längsachse des Aktivteils. Damit wird eine ausreichende und ausreichend turbulente Kühlmittelströmung erreicht.
-
Gemäß einer Ausführung erstreckt sich das Kühlvolumen um einen Teil der Gesamterstreckung des Wickelkopfes über diese Erstreckung hinaus; in radialer Richtung des Aktivteils nach innen und/oder außen, insbesondere um 5% oder 10% oder 25%, und/oder in axialer Richtung des Aktivteils weg von dem Statorkern, insbesondere um 25% oder 50% oder 100%. Mit einem anwendungsspezifisch gestalteten Überhang kann ein erforderliches Maß eines Wärmetransports sichergestellt werden.
-
Gemäß einer Ausführung ist eine Statorkern-nahe Wandung des Kühlrings an einem Ansatz der Windungen des Wickelkopfes an einem Aktivteilkern ausgebildet. Damit wird ein guter Wärmeübergang vom Aktivteilkern zu dem Wickelkopf und/oder eine dichte Abgrenzung des Kühlkanals erreicht.
-
Gemäß einer Ausführung ist die Aktivteilkern-nahe Wandung des Kühlrings mit einer axialen Seitenwand des Aktivteilkerns thermisch zum Wärmetransport verbunden. Dies stellt einen guten Wärmeübergang auf die Wandung des Kühlrings sicher. Gemäß einer Ausführung ist die Wandung mit einem Thermoplast- und/oder einem Duroplast-Kunststoff ausgebildet.
-
Gemäß einer Ausführung erfolgt ein Anbringen einer Herstellform, die eine Nut in der Form einer vorgesehene Außenkontur des Kühlrings aufweist und ein Wandungsausgangsmaterial, insbesondere ein aushärtbares, Kunststoffpulver enthält (sprich in der Nut aufgenommen hat), über den Wickelkopf an eine axiale Seitenwand eines Kerns des Aktivteils. Damit kann der Kühlring direkt am Einsatzort einstückig gefertigt werden.
-
Gemäß einer Ausführung weist die Herstellform eine Dichtung, z. B. aus Gummi, zur Festlegung des Wandungsausgangsmaterial in der Nut auf, und/oder ist derart geformt, dass das Wandungsausgangsmaterial, das zum Rotationsformen verwendet wird, nicht aus der Nut fließt. Damit ist sichergestellt, dass zum Rotationsformen genügend Wandungsausgangsmaterial in der Nut vorhanden ist und kein Wandungsausgangsmaterial in Nuten der elektrischen Antriebsmaschine fließen kann.
-
Gemäß einer Ausführung weist die Herstellform ein Temperiersystem auf, mit dem die Herstellform vor, während und/oder nach dem Rotationsformen temperiert, insbesondere erwärmt und gekühlt, werden kann. Insbesondere können Kanäle für Heizschlangen einer elektrischen Heizung und/oder eine fluidbasierte Temperierung in der Form integriert sein, womit die Dicke der Außenwand des Kühlrings kontrolliert werden kann.
-
Gemäß einer Ausführung ist das Temperiersystem der Herstellform nur zum Kühlen eingerichtet, beispielsweise mittels Wasserkanälen. Eine gegebenenfalls erforderliche Erwärmung der Herstellform, und insbesondere des darin angeordneten Wandungsausgangsmaterials, wird gemäß einer Ausführung eingebracht, indem das Rotationsformen in einem Ofen oder mit einer anderen externen Wärmequelle zum Heizen und/oder Vorheizen der Herstellform durchgeführt wird.
-
Bei einer Kühlung mittels Wasserkanälen können gemäß einer Ausführung mit lokalen Temperaturänderungen lokal unterschiedliche Wandstärken der Wandung ausgebildet werden, weil das Wandungsausgangsmaterial dann unterschiedlich schnell aushärtet.
-
Gemäß einer Ausführung ist das Wandungsausgangsmaterial ein Thermoplast und wird in der Herstellform vor und/oder bei dem Rotationsformen erhitzt. Dabei wird die gesamte Aktivteilanordnung gedreht, wodurch die Wandung des Kühlrings aus dem erwärmten Wandungsausgangsmaterial einstückig geformt wird.
-
Gemäß einer Ausführung ist das Wandungsausgangsmaterial ein Duroplast, dessen Komponenten vor dem Rotationsformen aktiviert werden, so dass ein Aushärten bei dem Rotieren erfolgt und damit die Wandung des Kühlrings aus dem erwärmten Wandungsausgangsmaterial einstückig geformt wird.
-
Gemäß einer Ausführung wird die Herstellform bei bereits ausgebildeter Wandung gekühlt und weiter oder nochmals rotiert. Dadurch kann die Wandstärke der Wandung eingestellt werden.
-
Gemäß einer Ausführung wird anschließend an das Rotationsformen die Herstellform entfernt. Der Kühlring ist damit fertig ausgebildet.
-
Gemäß einer Ausführung wird die an dem Aktivteil angebrachte Herstellform mit dem Aktivteil beim Rotationsformen nacheinander oder gleichzeitig um zwei oder mehr Rotationsachsen gedreht, um die Außenkontur und damit die Wandung mittels der wirkenden Fliehkräfte vollständig auszubilden.
-
Zum Anschluss des Hohlraum-Kühlvolumens an eine Zuleitung und eine Anleitung von Kühlfluid können entsprechende Zu- und Ableitungsrohre bereits zuvor montiert und beim Rotationsformen eingeformt werden; auch eine Bohrung von Zuleitung- und Ableitungs-Löchern, in die nachträglich die entsprechenden Leitungen eingeführt und festgelegt werden können, kann vorgesehen sein. Das Kühlfluid kann beispielsweise von radial außen oder von axial aus dem Statorgehäuse zugeführt werden, wenn das Aktivteil ein Stator ist. Wenn das Aktivteil ein Rotor ist, kann die Zuführung beispielsweise von radial innen oder axial aus einer Hohl-Rotorwelle erfolgen.
-
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren:
- 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Zwischenstand eines Herstellverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
- 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen weiteren Zwischenstand des beispielhaften Herstellverfahrens aus 1.
- 3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Aktivteilkühlanordnung mit zwei Kühlringen gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, die mit dem Verfahren gemäß den 1 und 2 hergestellt wurden.
- 4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine weitere Aktivteilkühlanordnung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung mit Wärmerohren.
-
Anhand der 1 bis 3 ist ein Verfahren zu einer rotationsformenden Herstellung eines Kühlrings 2 für einen Wickelkopf 4 eines Aktivteils 6 einer elektrischen Antriebsmaschine 8 eines Kraftfahrzeugs erläutert. Das Aktivteil 6 ist vorliegend der Stator der elektrischen Antriebsmaschine 8 und weist einen Aktivteilkern 10 (=Statorkern) auf, der in einem Motorgehäuse 11 fest gelagert ist und durch welchen hindurch in längsaxialer Richtung Wicklungen 12 verlaufen. Die Weiterführungen der Wicklungen 12 bilden beiderseits des Aktivteilkerns 10 jeweils eine Wickelkopfanordnung aus, die hier auch kurz als Wickelkopf 4 bezeichnet wird.
-
In 1 ist gezeigt das Anbringen S10 einer Herstellform 20 über den Wickelkopf 4 an eine axiale Seitenwand 14 des Aktivteilkerns 10. Die Herstellform 20 weist eine Nut 22 in der Form einer vorgesehene Außenkontur 24 des Kühlrings 2 auf, in welcher ein Wandungsausgangsmaterial 26, hier als Kunststoffpulver, aufgenommen ist. Zur Abdichtung der Nut 22 und damit zur Festlegung des Wandungsausgangsmaterials 26 in der Nut 22 weist die Herstellform 20 eine Dichtung 28 auf. Zudem weist die Herstellform 20 ein Temperiersystem 29 mit Temperierwasserkanälen auf, mittels dessen die Herstellform 22 vor, während und/oder nach dem Rotationsformen temperiert werden kann.
-
In 2 ist der urformende Schritt der Herstellung S20 einer Wandung 30 eines Kunststoffhüllbauteils 32 mittels Rotationsformens dargestellt, sprich durch eine Rotation der gesamten dargestellten Anordnung um eine oder mehrere Rotationsachsen. Vorliegend wird um eine Rotationsachse A1, hier die Drehachse der elektrischen Antriebsmaschine 8, gedreht, und um eine Rotationsachse A2, hier eine Achse, die in der längsaxialen Mitte des Statorkerns senkrecht durch die Längsachse A1 verläuft. Damit kann die Wandung 30 vorliegend bei bestimmten Wandungsgeometrien vollständig ausgebildet werden.
-
Je nach auszuformender Wandung 30 kann vorliegend und/oder in anderen Ausführungsbeispielen auch eine dritte Rotationsachse und/oder ein Schütteln der gesamten Herstellanordnung vorgesehen sein. Die unterschiedlichen Rotationen und/oder ein ein- oder mehrmaliges Schütteln können nacheinander oder gleichzeitig, also einander überlagert, eingebracht werden.
-
Die Wandung 30 bildet sich dabei so aus, dass das Kunststoffhüllbauteil 32 die Außenkontur 24 aufweist und als Hohlbauteil ein Hohlraum-Kühlvolumen 34 abgrenzt, das den Wickelkopf 4 umgibt. Das Hohlraum-Kühlvolumen 34 ist damit durch die Wandung 30 elektrisch und bzgl. eines Kühlfluids von dem Wickelkopf 4 und der Umgebung 1 des Kunststoffhüllbauteils 32 abgegrenzt und bildet entsprechend einen Wickelkopfkühlkanal 36 aus. Eine Wandstärke der Wandung 30 kann durch eine Kühlung der Herstellform 20 eingestellt werden.
-
Die einzelnen Verfahrensschritte des Herstellverfahrens der 1 bis 3 sind nachfolgend beschrieben.
-
S10: Zunächst wird die Herstellform 20 an das Ende der Wicklungen 21 - sprich die Wickelköpfe 4 - angebracht. Vorliegend wird die Herstellform 20 durch eine Anlage an einen Innenumfang des Statorkerns 10 zentriert. Zudem ist die Herstellform mit einer Dichtung 28 (hier aus Gummi) ausgestattet, sodass das Wandungsausgangsmaterial 26, das zum Rotationsformen verwendet wird, nicht in Nuten der elektrischen Antriebsmaschine 8 fließen kann: Denn die elektrischen Leiter befinden sich in den Nuten des Statorkerns. Aus technischen Gründen enden die Leiter nicht bündig mit dem innenradius des Statorkerns. D.h. in den Statorkernnuten gibt es noch etwas „Luft“, die ohne die Dichtung 28 durch das Rotationsformen unerwünscht befüllt würde.
-
S20: (a) Ist das Wandungsausgangsmaterial 26, das zum Rotationsformen verwendet wird, ein Thermoplast, wird es mittels des Temperiersystems 29 erhitzt und die gesamte Anordnung rotiert, wodurch der Kühlring ausgeformt wird. (b) Ist das Wandungsausgangsmaterial 26 ein Duroplast, muss es nicht erhitzt werden und es reicht, wenn die gesamte Anordnung gedreht wird.
-
Anschließend wird das Wandungsausgangsmaterial 26 gekühlt und die Anordnung nochmals gedreht, wodurch die Wandstärke der Wandung 30 des Kunststoffhüllbauteils 32 eingestellt wird.
-
Zuletzt wird die Herstellform 20 entfernt.
-
Die Kühlringe 2 sind direkt mit dem jeweiligen Wickelkopf 4 verbunden und können in dem Hohlraum-Kühlvolumen 34 jeweils mit einem Kühlmedium durchströmt werden. Dazu ist eine nicht dargestellte Zu- und Ableitung für Kühlfluid an jedem Kühlring 2 vorgesehen.
-
Durch das Rotationsformen benetzt das Wandungsausgangsmaterial (neben der Außenkontur der Nut der Herstellform) auch den Wickelkopf bzw. seine Einzeldrähte. Dadurch ist der Wickelkopf mit einer dünnen Kunststoffschicht benetzt. Dies vermeidet eine direkte Berührung der elektrischen Leiter durch das Kühlmittel (Gefahr des Stromflusses über das Wasser).
-
Bei dem Durchströmen besteht daher kein direkter Kontakt zwischen Kühlmedium und Wickelkopf 4, sodass das Kühlmedium frei wählbar ist (z.B. auch ein elektrisch leitendes Kühlmittel wie Wasser) und eine Schädigung der Wicklungen verhindert wird. Das Kunststoffhüllbauteil 32 bildet damit den Kühlring 2 aus, der in der 3 - nach dem Entfernen der Herstellform - dargestellt ist.
-
Vorliegend kann aufgrund einer ggf. benötigten Maßhaltigkeit vorgesehen sein, die Kühlanschlüsse schon vorher zu fertigen und sie in der Herstellform mit einzugießen. Der Kühlanschluss kann beispielsweise wie ein kurzes Stück Rohr ausgeführt sein, an das später ein Schlauch zur Kühlmittelzuführung aufgesteckt werden kann. Beispielsweise werden dann die Kühlmittelanschlussteile im Inneren der Herstellform auf die vorgesehene Stelle aufgesteckt und im Rotationsverfahren mit vergossen. Die vergossenen Löcher im Kühlanschlussstück können dann nach Abschluss des Rotationsformens noch durchstochen werden.
-
Mit einer derartigen Kühlring-Kühlung kann eine Statorkühlung im Motorgehäuse 11 entweder ersetzt werden - und so Bauraum eingespart -; oder die Kühlring-Kühlung wird zusätzlich eingesetzt, um eine höhere dauerhafte oder Spitzen- Leistungsabgabe der elektrischen Antriebsmaschine 8 zu ermöglichen.
-
In 4 ist ein weiteres Beispiel einer Aktivteilkühlanordnung 40 gezeigt, bei dem zusätzlich Wärmerohre 42 in den Stator (Aktivteil 6) eingesetzt werden, um die Wärme des Aktivteilkerns 10 in das Hohlraum-Kühlvolumen 34 zu übertragen, wo die mittels des zirkulierenden Kühlfluids abgeführt werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Umgebung des Kühlrings
- 2
- Kühlring
- 4
- Wickelkopf
- 6
- Aktivteil (=Stator)
- 8
- elektrische Antriebsmaschine
- 10
- Aktivteilkern (=Statorkern)
- 11
- Motorgehäuse
- 12
- (Stator-)Wicklungen
- 20
- Herstellform
- 22
- Nut
- 24
- Außenkontur
- 26
- Wandungsausgangsmaterial
- 28
- Dichtung
- 29
- Temperiersystem
- 30
- Wandung
- 32
- Kunststoffhüllbauteil
- 34
- Hohlraum-Kühlvolumen
- 36
- Wickelkopfkühlkanal
- 40
- Aktivteilkühlanordnung
- 42
- Wärmerohr
- A1,A2
- Rotationsachsen
- Sxx
- Verfahrensschritte
-
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 102020206333 A1 [0003]
