-
Die Erfindung betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs. Das Aktivteil weist eine magnetfelderzeugende Komponente, einen Aktivteilkern zum Leiten eines magnetischen Flusses und zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente sowie eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Aktivteils auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine.
-
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen elektrifizierter Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden können. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise zwei Aktivteile in Form von einem Stator sowie einem gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor auf. Die Aktivteile weisen magnetfelderzeugende Komponenten auf, welche von einem Aktivteilkern, beispielsweise einem Blechpaket, gehalten werden.
-
Um eine Dauerleistung der elektrischen Maschinen zu verbessern, werden die Aktivteile üblicherweise gekühlt. Insbesondere an den magnetfelderzeugenden Komponenten fällt dabei Wärme ab, welche im Falle des Stators beispielweise durch einen kühlmittelführenden Gehäusemantel bzw. Kühlmantel, welcher den Statorkern umgibt, gekühlt werden. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass der kühlmittelführende Gehäusemantel beabstandet zu den magnetfelderzeugenden Komponenten angeordnet ist, sodass die Abwärme über das Material des Aktivteilkerns zu dem Gehäusemantel geführt werden muss und daher ein Wärmetransport von den magnetfelderzeugenden Komponenten zu dem Kühlmittel nicht optimal ist. Außerdem treten im Kühlmantel üblicherweise hohe Druckverluste auf, welche durch eine externe Pumpe ausgeglichen werden müssen. Diese Pumpe benötigt eine externe Energiezufuhr. Darüber hinaus wird ein radiales Maß der elektrischen Maschinen durch den Kühlmantel vergrößert.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine energieschonende, bauraumsparende und effiziente Lösung zum Kühlen einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aktivteil sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßes Aktivteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs weist eine magnetfelderzeugende Komponente, einen Aktivteilkern zum Leiten eines magnetischen Flusses und zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente sowie eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Aktivteils auf. Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest ein, in das Aktivteil integriertes, pulsierendes Wärmerohr aufweisend eine Kapillare mit einem in Segmenten aus Flüssigkeit und Dampf vorliegenden Arbeitsmedium. Die Segmente sind durch einen abwärmebedingten Temperaturgradienten zum Pulsieren und dadurch zum Transportieren der Abwärme entlang des Temperaturgradienten anregbar.
-
Zur Erfindung gehört außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen Aktivteil. Die elektrische Maschine ist insbesondere als eine Antriebsmaschine für das Kraftfahrzeug ausgebildet. Die elektrische Maschine kann eine Axialfluss- oder eine Radialflussmaschine sein. Die elektrische Maschine weist zwei Aktivteile in Form von einem Stator und einem Rotor auf, wobei zumindest eines der Aktivteile, insbesondere zumindest der Stator, als das erfindungsgemäße Aktivteil ausgebildet ist. Die Aktivteile weisen magnetfelderzeugende Komponenten auf, welche im Falle des Stators als bestrombare Wicklungen ausgebildet sind und im Falle des Rotors als Permanentmagnete und/oder bestrombare Wicklungen oder in Form eines Kurzschlusskäfigs ausgebildet sein können.
-
Die Aktivteile weisen jeweils einen Aktivteilkern auf, welcher zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente ausgebildet ist. Dazu kann der Aktivteilkern beispielsweise Wicklungsnuten zum Halten von Wicklungen und/oder Kavitäten zum Aufnehmen von Permanentmagneten aufweisen. Der Aktivteilkern kann beispielsweise als ein Blechpaket aus gestanzten, axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet sein. Zum Kühlen des Aktivteils weist dieses die Kühlvorrichtung mit dem zumindest einen pulsierenden Wärmerohr auf. Das pulsierende Wärmerohr weist die Kapillare auf, welcher als ein dünner, rohrförmiger Kühlkanal ausgebildet ist. Die Kapillare weist einen Durchmesser, beispielsweise im Mikrometerbereich oder Millimeterbereich, auf, durch welchen ein in der Kapillare angeordnetes Arbeitsmedium dem Kapillareffekt unterliegt.
-
Die Kapillare ist insbesondere mäanderförmig ausgebildet und weist mehrere axial verlaufende, zueinander beabstandete Längsabschnitte und mehrere, die Längsabschnitte verbindende, an axial gegenüberliegenden Endabschnitten des Aktivteils angeordnete Umlenkabschnitt auf. Die Kapillare ist also mehrfach geschlungen und erstreckt sich zwischen den Endabschnitten. Die Längsabschnitte sind geradlinig und sich in axialer Längsrichtung erstreckend ausgebildet und sind in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet. Die U-förmigen, zwei benachbarte Längsabschnitte verbindenden Umlenkabschnitte bilden Windungen der Kapillare aus und sind abwechselnd in einem ersten und einem zweiten der Endabschnitte angeordnet. Die mäanderförmige Kapillare ist insbesondere geschlossen ausgebildet.
-
Die Kapillare bildet gemeinsam mit dem darin angeordneten Arbeitsmedium ein pulsierendes Wärmerohr bzw. eine Pulsating Heatpipe (PHP) aus, welches bzw. welche als ein Wärmeübertrager fungiert und dazu ausgelegt ist, Abwärme von einer Heißseite des Aktivteils zu einer Kaltseite des Aktivteils zu transportieren. Ein Ort des Abwärmeeintrags bzw. der Abwärmeentstehung ist dabei die Heißseite des Aktivteils. Beispielsweise kann die Abwärme im Bereich einer elektrischen Verbindung der Wicklungen des Stators mit maschinenexternen elektrischen Leitungen in das Aktivteil eingetragen werden. Das pulsierende Wärmerohr ist thermisch an eine Wärmesenke der Kühlvorrichtung des Aktivteils angebunden. Die Wärmesenke kann beispielsweise ein passiver oder ein von Kühlmittel durchströmter Kühlkörper sein. Der Ort der Anbindung des pulsierenden Wärmerohrs an die Wärmesenke ist die Kaltseite des Aktivteils. Die Wärmesenke kann beispielsweise stirnseitig an dem Aktivteil angeordnet sein.
-
Das Arbeitsmedium, mit welchem die evakuierte Kapillare partiell befüllt ist, bildet aufgrund der Oberflächenspannung in der Kapillare Segmente aus Flüssigkeit und Dampf aus. Die Dampfsegmente sind dabei durch Dampfblasen und die Flüssigsegmente durch Flüssigkeitstropfen gebildet, wobei sich das jeweilige Segment über den gesamten Querschnitt der Kapillare erstreckt. Ein einen bestimmten Schwellwert überschreitender, abwärmebedingter Temperaturgradient bzw. Temperaturunterschied zwischen der Heißseite und der Kaltseite führt zu einem Druckgradienten, welcher wiederum die Segmente pulsieren lässt. Durch eine hohe Temperatur auf der Heißseite, welche einen Verdampfungsbereich ausbildet, verdampft das Arbeitsmedium lokal, wodurch sich die Dampfsegmente ausdehnen und der Druck lokal erhöht wird. Eine niedrige Temperatur auf der Kaltseite, welche einen Kondensationsbereich ausbildet, führt lokal zur Kondensation und damit zum Schrumpfen der Dampfsegmente sowie zum Druckabfall. Diese Druckunterschiede regen das Arbeitsmedium zum Pulsieren an, wodurch ein sich selbst erhaltender und den Wärmetransport steigernder Fluss des Arbeitsmediums entsteht.
-
Ein solches pulsierendes Wärmerohr weist eine hohe effektive Wärmeleitfähigkeit auf und stellt daher eine hohe Kühlleistung bereit. Durch die ständige pulsierende Bewegung des Arbeitsmediums benötigt ein solches pulsierendes Wärmerohr außerdem in vorteilhafter Weise keine externe Pumpe oder elektrische Anregung und ist somit besonders einfach, energiesparend und robust ausgebildet.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Kapillare in den Aktivteilkern integriert ist. Beispielsweise erstreckt sich die Kapillare mäanderförmig durch den Aktivteilkern zu Endabschnitten, welche an axial gegenüberliegende Stirnseiten des Aktivteilkerns angrenzen. Beispielsweise können zum Herstellen der aktivteilkernintegrierten Kapillare die Blechlamellen gestanzte Aussparungen aufweisen, welche im gestapelten Zustand der Blechlamellen die Kapillare ausbilden. Die Kapillare erstrecken sich also hier durch ein Material des Aktivteilkerns und sind somit in vorteilhafter Weise besonders nahe an den magnetfelderzeugenden Komponenten angeordnet. Außerdem wird ein Bauraum des Aktivteils nicht vergrößert.
-
Auch kann vorgesehen sein, dass das Aktivteil einen den Aktivteilkern umgebenden Gehäusemantel aufweist, in welchen die Kapillare zumindest teilweise integriert ist. Der Gehäusemantel des Aktivteils, welcher insbesondere ein Gehäusemantel des Stators ist und anliegend an dem Statorkern angeordnet ist, kann auch ein Gesamtgehäuse der elektrischen Maschine sein und zusätzlich den Rotor aufnehmen. Der Gehäusemantel kann stirnseitige Deckelabschnitte aufweisen, welche Stirnseiten des Rotors und des Stators überdecken, wobei an einer der Deckelabschnitte die Wärmesenke angeordnet sein kann. Beispielsweise kann eine Außenseite des Aktivteilkerns zumindest einen Kanal aufweisen, welcher unter Ausbildung der Kapillare durch den Gehäusemantel abgeschlossen ist. Auch kann der Gehäusemantel zweiteilig ausgebildet sein, wobei ein erster Teil des Gehäusemantels zumindest einen Kanal aufweist, welcher durch einen zweiten Teil des Gehäusemantels abgeschlossen ist. Der zumindest eine Kanal ist eine nutartige Vertiefung in der Außenseite des Aktivteilkerns oder in dem ersten Teil des Gehäusemantels, welcher durch Fräsen oder Prägen ausgebildet sein kann. Auch können in Ränder der Blechlamellen Einkerbungen ausgestanzt werden, welche beim Stapeln der Blechlamellen den zumindest einen Kanal in der Außenseite des Aktivteilkerns ausbilden.
-
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Aktivteil vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
-
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung einer ersten Ausgestaltung einer elektrischen Maschine;
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausgestaltung einer elektrischen Maschine;
- 3 eine schematische Querschnittdarstellung durch einen Teil der elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform; und
- 4 eine schematische Querschnittdarstellung durch einen Teil der elektrischen Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform.
-
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 und 2 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen einer elektrischen Maschine 1 für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug in einer schematischen Längsschnittdarstellung. Die elektrische Maschine 1 weist zwei Aktivteile 2, 3 auf, wobei ein erstes Aktivteil 2 als ein Stator 4 und ein zweites Aktivteil 3 als ein Rotor 5 ausgebildet ist. Beide Aktivteile 2, 3 weisen einen jeweiligen Aktivteilkern 6 sowie eine magnetfelderzeugende Komponente 7 auf. Der Aktivteilkern 6 des Rotors 5 ist mit einer Rotorwelle 8 des Rotors 5 drehfest verbunden. Außerdem weist der Stator 4 einen Gehäusemantel 9 auf, welcher anliegend an dem Aktivteilkern 6 des Stators 4 angeordnet ist.
-
Zum Kühlen der elektrischen Maschine 1 weist zumindest eines der Aktivteile 2, 3, hier der Stator 4, eine Kühlvorrichtung 10 mit einer Wärmesenke 11 und einem pulsierenden Wärmerohr 12 auf. Das pulsierende Wärmerohr 12 ist gemäß 1 in den Gehäusemantel 9 und gemäß 2 zumindest teilweise in den Aktivteilkern 6 des Stators 4 integriert. Die Wärmesenke 11 ist stirnseitig am Aktivteil 2, hier an einem Deckelabschnitt 13 des Gehäusemantels 9 angeordnet und thermisch mit dem pulsierenden Wärmerohr 12 gekoppelt. Zum thermischen Koppeln des in den Aktivteilkern 6 des Stators 4 integrierten Wärmerohrs 12 gemäß 2 weist das Wärmerohr 12 hier einen Koppelabschnitt 14 auf, welcher außerhalb des Aktivteilkerns 6 angeordnet ist und zu dem Deckelabschnitt 13 des Gehäusemantels 9 und damit zu der Wärmesenke 11 geführt ist.
-
Das Wärmerohr 12 weist eine geschlossen kurvige Kapillare 15 auf, in welcher sich ein Arbeitsmedium im Zweiphasengebiet befindet. Dies bedeutet, dass das Arbeitsmedium abwechselnd in Dampfsegmenten und Flüssigsegmenten entlang des Verlaufs der Kapillare 15 vorliegt. Diese Dampfsegmente und Flüssigsegmente werden durch einen lokalen Abwärmeeintrag zum Pulsieren angeregt, wobei durch die Pulsationsbewegung die Abwärme zu dem mit der Wärmesenke 11 gekoppelten Abschnitt des pulsierenden Wärmerohrs 12 transportiert und dort an die angebundene Wärmesenke 11 abgegeben wird. Die Abwärme bzw. Verlustwärme treibt also eine Strömung des Arbeitsmediums in der Kapillare 15 an, sodass das pulsierende Wärmerohr 12 keine externe Energiezufuhr benötigt.
-
Die gehäusemantelintegrierte Kapillare 15 gemäß 1 ist, wie anhand des Querschnitts durch den Gehäusemantel 9 gemäß 3 gezeigt ist, mittels zweier Teile 16, 17 des Gehäusemantels 9 ausgebildet. Ein erster Teil 16 des Gehäusemantels 9, welcher hier radial innenliegend ausgebildet ist und an dem Aktivteilkern 6 des Stators 4 anliegt, weist mehrere, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Kanäle 18 mit einem kapillaren Durchmesser 19 auf. Ein zweiter Teil 17 des Gehäusemantels 9 umgibt den ersten Teil 16 des Gehäusemantels 9 radial und schließt somit die Kanäle 18 unter Ausbildung der Kapillare 15 ab.
-
Die aktivteilintegrierte Kapillare 15 gemäß 2 ist, wie anhand des Querschnitts durch den Aktivteilkern 6 gemäß 4 gezeigt ist, mittels Ausstanzungen 20 aus einer Blechlamelle 21 ausgebildet. Beim axialen Stapeln mehrere Blechlamellen 21 werden die Aussparungen 20 fluchtend zueinander angeordnet und bilden somit die Kapillare 15 aus.
