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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Mantelkühlung nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1, welcher insbesondere vorteilhaft als Antrieb für Kraftfahrzeuge einsetzbar ist.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen Elektromotor umfasst, der konzentrisch und koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist, wobei in dem Leistungsstrang zwischen Elektromotor und Kegelraddifferenzial ein schaltbarer 2-Gang-Planetenradsatz angeordnet ist, der ebenfalls koaxial zu dem Elektromotor bzw. dem Kegelraddifferenzial positioniert ist. Die Antriebseinheit ist sehr kompakt aufgebaut und erlaubt einen guten Kompromiss zwischen Steigfähigkeit, Beschleunigung und Energieverbrauch. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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In bekannter Weise umfasst ein Elektromotor im Wesentlichen einen um eine Rotationsachse drehbaren Rotor und einen den Rotor umschließenden Stator, der von einem Gehäuse umgeben ist. Der Elektromotor ist ein elektromechanischer Wandler der elektrische Leistung in mechanische Leistung umwandelt. In herkömmlichen Elektromotoren erzeugen stromdurchflossene Leiterspulen Magnetfelder, deren gegenseitige Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Bewegung umgesetzt werden. Hohe Ströme erzeugen verursachen dabei eine Wärmeentwicklung, welche die Leistungsdichte des Elektromotors begrenzt.
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Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen Elektromotoren besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der Elektromotoren wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen eines Elektromotors durchgesetzt.
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Die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung sind beispielsweise aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von Elektromotoren mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Bei der Wickelkopfkühlung erfolgt der Wärmeübergang dabei direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid. Bei der Mantelkühlung wird die entstehende Wärme dagegen an der äußeren Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf übertragen. Dabei ist der Stator in einen Kühlmantel eingepresst, der an seiner Außenmantelfläche eine den Stator gewindeartig umlaufende Kühlmittelleitung aufweist. Der Kühlmantel wird dann zusammen mit dem Stator in das Gehäuse des Elektromotors eingesetzt, so dass die die mit einer von außerhalb des Gehäuses in die Kühlmittelleitung mündenden Kühlmittelzuleitung und mit einer von der Kühlmittelleitung nach außerhalb des Gehäuses führenden Kühlmittelableitung verbundene Kühlmittelleitung kühlmitteldicht verschlossen wird.
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Nachteilig bei einem Elektromotor mit Mantelkühlung ist jedoch der aus dem zusätzlichen Kühlmantel resultierende erhöhte radiale Bauraum sowie der erhöhte Material- und Fertigungsaufwand.
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Ausgehend von den genannten Nachteilen des Standes der Technik resultiert somit die Aufgebe, einen Elektromotor mit Mantelkühlung zu konzipieren, bei dem die Mantelkühlung durch einen geringen radialen Bauraum sowie einen niedrigen Material- und Fertigungsaufwand auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird bei einen Elektromotor mit Mantelkühlung, der gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 einen um eine Rotationsachse drehbaren Rotor und einen den Rotor umschließenden sowie von einem Gehäuse umgebenen Stator umfasst, wobei zwischen dem Gehäuse des Stators und dem Stator eine um den Stator gewindeartig umlaufende Kühlmittelleitung angeordnet ist, die mit einer von außerhalb des Gehäuses in die Kühlmittelleitung mündenden Kühlmittelzuleitung und mit einer von der Kühlmittelleitung nach außerhalb des Gehäuses führenden Kühlmittelableitung verbunden ist, derart gelöst, dass die Kühlmittelleitung direkt in die Innenmantelfläche des Gehäuses des Stators eingeformt ist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass der bislang notwendige Kühlmantel eingespart werden und somit das notwendige Material für den Kühlmantel fast um die Hälfte reduziert werden kann. Zusätzlich kann der bislang notwendige radiale Bauraum für die Mantelkühlung um mehrere Millimeter reduziert werden.
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Der Elektromotor kann im Sinne dieser Anmeldung auch als elektrische Maschine bezeichnet werden. Die elektrische Maschine dient zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und sie umfasst in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich, insbesondere drehbar, angeordneten Teil.
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Der Stator der elektrischen Maschine ist bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine ausgebildet. Ein Stator für eine Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech im Wesentlichen parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen.
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Eine Statorwicklung ist ein elektrisch leitfähiger Leiter, dessen Längenerstreckung wesentlich größer ist als sein Durchmesser. Die Statorwicklung kann grundsätzlich jede beliebige Querschnittsform aufweisen. Bevorzugt sind rechteckige Querschnittsformen, da sich mit diesen hohe Packungs- und folglich Leistungsdichten erzielen lassen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Statorwicklung aus Kupfer gebildet. Bevorzugt weist eine Statorwicklung eine Isolierung auf. Zur Isolierung der Statorwicklung kann beispielsweise Glimmerpapier, welches aus mechanischen Gründen durch einen Glasgewebeträger verstärkt sein kann.
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Der Stator kann ferner einen Statorkörper besitzen. Der Statorkörper kann einteilig oder mehrteilig, insbesondere segmentiert ausgebildet sein. Ein einteiliger Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Statorkörper umfänglich gesehen einteilig ausgebildet ist. Der Statorkörper ist dabei in der Regel aus einer Vielzahl von gestapelten laminierten Elektroblechen gebildet, wobei jedes der Elektrobleche zu einem Kreisring geschlossen ausgebildet ist. Ein segmentiert aufgebauter Statorkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einzelnen Statorsegmentteilen aufgebaut ist.
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In dem Statorkörper sind bevorzugt die Statorzähne des Stators ausgebildet. Als Statorzähne werden Bestanteile des Statorkörpers bezeichnet, die als umfänglich beabstandete, zahnartig radial nach innen gerichtete Teile des Statorkörpers ausgebildet sind und zwischen deren freien Enden und einem Rotorkörper ein Luftspalt für das Magnetfeld gebildet ist. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Wesentlichen kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.
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Das Motorgehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Motorgehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen und wird insbesondere aus einem metallischen Material gebildet. Vorteilhafter Weise kann das Motorgehäuse aus einem metallischen Gussmaterial, wie zum Beispiel Grauguss oder Stahlguss geformt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Motorgehäuse ganz oder teilweise aus einem Kunststoff auszubilden. Das Motorgehäuse kann auch mehrteilig und/oder mehrstückig ausgebildet sein.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse oder Zugmaschinen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühlmittelleitung im Gehäuse einen halbkreisförmigen Profilquerschnitt aufweist und durch die Außenmantelfläche des Stators kühlmitteldicht verschlossen ist. Denkbar ist jedoch auch ein trapez- oder viereckförmiger Profilquerschnitt der Kühlmittelleitung.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die axiale Fixierung des Stators im Gehäuse einerseits durch einen mit seiner Axialstirnseite an der einen axialen Stirnseite des Stators anliegenden Gehäusesteg erfolgt. Der Gehäusesteg ist dabei an die Innenmantelfläche des Gehäuses angeformt und komplett umlaufend ausgebildet.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die axiale Fixierung des Stators im Gehäuse andererseits durch einen mit seiner Axialstirnseite an der anderen axialen Stirnseite des Stators anliegenden Niederhalterring erfolgt. Der Niederhalterring wird dabei nach dem Einsetzen des Stators in das Gehäuse an diesem verschraubt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Kühlmittelleitung durch zwischen der Axialstirnseite des Gehäusesteges und der einen axialen Stirnseite des Stators und zwischen der Axialstirnseite des Niederhalterrings und der anderen axialen Stirnseite des Stators angeordnete Dichtringe, axial abgedichtet ist.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Kühlmittelleitung durch einen zwischen der Innenmantelfläche des Gehäuses und der gegenüberliegenden Außenmantelfläche des Niederhalterrings angeordneten Dichtring zusätzlich radial abgedichtet ist.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Dichtringe der Kühlmittelleitung bevorzugt als O-Ringe ausgebildet sind, die in entsprechenden Dichtnuten in der Innenmantelfläche des Gehäuses, der Axialstirnseite des Gehäusesteges und der Axialstirnseite des Niederhalterrings angeordnet sind.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei einen Ausschnitt eines Querschnittes durch einen Elektroantrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromotor.
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In der einzigen Figur ist deutlich ein Elektromotor mit einer Mantelkühlung gezeigt, der einen um eine Rotationsachse drehbaren Rotor 1 und einen den Rotor 1 umschließenden Stator 2 umfasst, der von einem Gehäuse 3 umgeben ist. Dabei ist zwischen dem Gehäuse 3 des Stators 2 und dem Stator 2 eine um den Stator 2 gewindeartig umlaufende Kühlmittelleitung 4 angeordnet, die mit einer von außerhalb des Gehäuses 3 in die Kühlmittelleitung 4 mündenden Kühlmittelzuleitung 5 und mit einer von der Kühlmittelleitung 4 nach außerhalb des Gehäuses 3 führenden Kühlmittelableitung verbunden ist.
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Ebenso geht aus der Zeichnung klar hervor, dass die Kühlmittelleitung 4 direkt in die Innenmantelfläche 6 des Gehäuses 3 des Stators 2 eingeformt ist.
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Aus der Figur ist ferner ersichtlich, dass die Kühlmittelleitung 4 im Gehäuse 3 einen halbkreisförmigen Profilquerschnitt aufweist und durch die Außenmantelfläche 7 des Stators 2 kühlmitteldicht verschlossen ist.
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Der Figur ist auch gut entnehmbar, dass die axiale Fixierung des Stators 2 im Gehäuse 3 einerseits durch einen mit seiner Axialstirnseite 10 an der einen axialen Stirnseite 8 des Stators 2 anliegenden Gehäusesteg 9 und andererseits durch einen mit seiner Axialstirnseite 13 an der anderen axialen Stirnseite 9 des Stators 2 anliegenden Niederhalterring 12 erfolgt.
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Die Figur zeigt des Weiteren, dass die Kühlmittelleitung 4 durch zwischen der Axialstirnseite 10 des Gehäusesteges 9 und der einen axialen Stirnseite 8 des Stators 2 und zwischen der Axialstirnseite 13 des Niederhalterrings 12 und der anderen axialen Stirnseite 9 des Stators 2 angeordnete Dichtringe 14, 15 axial abgedichtet ist.
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In der Figur ist ferner gezeigt, dass die Kühlmittelleitung 4 durch einen zwischen der Innenmantelfläche 6 des Gehäuses 3 und der gegenüberliegenden Außenmantelfläche 16 des Niederhalterrings 12 angeordneten Dichtring 17 zusätzlich radial abgedichtet ist.
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Schließlich zeigt die Figur auch, dass die Dichtringe 14, 15, 17 der Kühlmittelleitung 4 bevorzugt als O-Ringe ausgebildet sind, die in entsprechenden Dichtnuten in der Innenmantelfläche 6 des Gehäuses 3, der Axialstirnseite 10 des Gehäusesteges 9 und der Axialstirnseite 13 des Niederhalterrings 12 angeordnet sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung erste und zweite Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Stator
- 3
- Gehäuse
- 4
- Kühlmittelleitung
- 5
- Kühlmittelzuleitung
- 6
- Innenmantelfläche von 3
- 7
- Außenmantelfläche von 2
- 8
- axiale Stirnseite von 2
- 9
- Gehäusesteg
- 10
- Axialstirnseite von 9
- 11
- axiale Stirnseite von 2
- 12
- Niederhalterring
- 13
- Axialstirnseite von 12
- 14
- Dichtring
- 15
- Dichtring
- 16
- Außenmantelfläche von 12
- 17
- Dichtring
