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Die Erfindung betrifft einen Motor mit einem Kühlsystem, mittels dem der Rotor und der Stator des Motors gekühlt werden können. Der Motor ist ein Elektromotor.
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Im PKW sowie im Kraftfahrzeugbereich kommt der Elektromotor vermehrt als Antriebsmotor zum Einsatz. Für die unterschiedlichen Anwendungsfälle in Kraftfahrzeugen werden unterschiedliche Antriebseinheiten benötigt. So sind Antriebseinheiten bekannt, die neben dem E-Motor weiterhin ein gekoppeltes Getriebe umfassen.
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Im Kraftfahrzeugbereich werden in der Regel höhere Leistungsdichten erforderlich, so dass an die Kühlung des Motors, insbesondere des Rotors und des Stators der E-Maschine, höhere Anforderungen gestellt werden. Eine einfache Luftkühlung ist in den meisten Fällen nicht umsetzbar, da durch die Kühlluft insbesondere der Rotor unzureichend gekühlt wird.
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So sind für die Statorkühlung im Wesentlichen drei unterschiedliche Konzepte bekannt, nämlich eine reine Wasserkühlung, eine gemischte Wasser- und Ölkühlung sowie eine reine Ölkühlung. Die Kühlung des Stators ist aus den StdT hinreichend bekannt und einfach umsetzbar, da die Kühlkanäle im Gehäuse und Stator frei gestaltet werden können. Bevorzugt wird als Kühlmedium eine Wassermischung verwendet, welche einen hohen Cp-Wert aufweist.
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Die Kühlung des Rotors ist dagegen sehr viel aufwendiger, da es sich beim Rotor um ein bewegtes Bauteil handelt. Die Wärmeübertragung von Rotor auf Stator ist nur in einem sehr begrenzten Umfang möglich.
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Um die Leistungsdichte von Traktionsmaschinen zu erhöhen, ist eine verbesserte Kühlung des Rotors und der Wickelköpfe der Statorwicklung erforderlich, wobei der Einsatz einer Wassermischung im Bereich von drehenden Teilen nicht geeignet ist.
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So ist aus der
DE 10 2019 214 664 A1 eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der ein Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator eingesetzt wird. Der Stator des Elektromotors ist in einem Motorraum der Antriebsvorrichtung angeordnet. Der Motorraum ist als Nassraum gestaltet und zur Aufnahme eines Wärmeleitfluides ausgebildet. Weiterhin ist in der Motorraumwand ein Kühlkanal zur Durchleitung von Kühlwasser vorgesehen, so dass im Bereich des Presssitzes des Stators eine direkte Kühlung erfolgt. Das Wärmeleitfluid im Motorraum verbessert die Wärmeübertragung zwischen den äußeren Bereichen des Stators und der Motorraumwand.
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Es ist allerdings vorgesehen, dass der Motorraum nur im Bodenbereich bis unterhalb des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator mit Wärmeleitfluid befüllt wird. Im Betrieb führt dies zu einer ungleichmäßigen Kühlung des Stators über den Umfang gesehen.
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Aus der
DE10 2019 124 209 A1 ist ein Kühlsystem für einen Elektromotor mit einer Rotorkühlung bekannt. Der Rotor umfasst beidseitig angeordnete Endscheiben, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, wobei in den Endscheiben Austrittsöffnungen vorgesehen sind, durch die das Kühlmittel gezielt aufgefächert und zerstäubt wird. Das Kühlmedium wird, bevor es aus den Austrittsöffnungen austritt., durch die hole Rotorwelle und durch Kanäle in den Blechpaketen des Rotors geleitet.
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Der Kühlmittelstrahl ist auf die Wickelköpfe des Stators ausgerichtet. Offenbart wird somit eine Rotor-Innen-Kühlung mit Öl, mit einem gezielten Abwurf eines Rotor-Ölvolumenstroms auf die Innenseite der Statorwickelköpfe, um dort eine zusätzliche Kühlwirkung zu entfalten und die Kühlwirkung dort gleichmäßiger zu gestalten.
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Aus der
DE 10 2021 204 688 A1 ist ein weiteres System zum Kühlen eines elektrischen Motors bekannt. Hier wird ein Kühlkreislauf vorgeschlagen, mittels dem eine Kühlung des Rotors ermöglicht wird. Der geschlossene Kühlmittelkreislauf ist zwischen dem Getriebe, der Rotorwelle, der drehgeberendseitigen Ausgleichsplatte, dem Lamellenpaket und der ausgabeendseitigen Ausgleichsplatte ausgebildet.
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Die
DE 11 2019 003 492 T5 offenbart einen Motor mit einer Kombination aus Ölkühlung und Wasserkühlung. Dabei sind zwei getrennte Kanäle im Gehäuse vorgesehen, durch die entweder Kühlwasser oder das Kühlöl gepumpt werden. Zur Kühlung des Stators ist weiterhin vorgesehen, dass Öl durch Ölspritzöffnungen auf die Statorspulen und den Rotor gesprüht wird, das anschließend durch den Motorraum fließt und über Ölauslassöffnungen wieder in den Ölkreislauf gelangt. Die vom Öl aufgenommene Wärme wird an den Kühlwasserkreislauf übertragen bzw. über diesen abgeführt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Motor mit einem Kühlsystem vorzuschlagen, der für ein Kraftfahrzeug geeignet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Es wird ein Motor mit einem Kühlsystem, umfassend ein Gehäuse mit einem Gehäuseraum in dem ein Stator und ein auf einer Rotorwelle angeordneter Rotor aufgenommen sind, wobei das Kühlsystem einen Ölkühlkreislauf und einen mit einem Kühler verbindbaren Wasserkühlkreislauf umfasst, wobei ein Ölkanalabschnitt des Ölkreislaufs durch den Gehäuseraum gebildet wird und weiterhin Durchlässe vorgesehen sind, durch die ein Ölstrom in den Gehäuseraum ein und aus dem Gehäuseraum austreten kann, so dass das Öl des Ölkühlkreislaufs Abwärme des Rotors und des Stators abführen kann. Öl, das in den Innenraum des Motorgehäuses gelangt, kommt zwangsweise mit dem Rotor und dem Stator in Kontakt und kann Wärmeenergie von diesen Bauteilen abführen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Ölkreislauf ein Ölsumpf und eine Pumpe umfasst, wobei der Ölsumpf derart ausgelegt ist, dass das Öl mittels des Wasserkühlkreislaufs kühlbar ist. Der Ölsumpf ermöglicht die Aufnahme eines Ölvorrates, so dass die Abkühlzeit für das Öl verlängert wird. Dabei umfasst der Wasserkühlkreislauf, wie aus dem StdT bekannt, einen Kühlkanal, der in der Wandung des Gehäuses des Motors oder an der Wandung des Gehäuses entlanggeführt ist, so dass der Stator mittels des Kühlwassers gekühlt werden kann. Die Rückkühlung des Kühlwassers erfolgt über einen an den Wasserkühlkreislauf angeschlossenen Kühler wie er üblicherweise im KFZ zum Einsatz kommt.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass durch die Rotorwelle ein Wellenkanal führt, der einen Teilabschnitt des Ölkühlkreislaufs bildet. Wobei die Rotorwelle weiterhin Durchlässe aufweisen kann, die als Öleinspritzöffnungen ausgeführt sind, über die Öl aus dem Wellenkanal in den Gehäuseraum pumpbar ist. Erfindungsgemäß wird Öl aus dem Ölsumpf mittels der Pumpe auch in die Rotorwelle gepumpt und von dort durch die Öleinspritzöffnungen oder Düsen in den Gehäuseraum gespritzt. Die Spritzwirkung vergrößert sich mit steigender Drehzahl durch die Zentrifugalkraft.
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Der Stator umfasst einen Statorkern und eine um den Statorkern gewickelte Statorspule die in Axialrichtung gesehen Wickelköpfe bildet. Idealerweise sind die Öleinspritzöffnungen auf die Wickelköpfe ausgerichtet, so dass der wesentliche Ölstrahl auf die Wickelköpfe trifft. Konstruktionsbedingt ragen die Wickelköpfe frei in den Gehäuseraum und können deshalb nicht direkt mit dem Wasserkühlkreislauf in Kontakt gebracht werden. Unter Ölstrahl ist ein Flüssigkeitsstrahl aber auch eine Benebelung mit Öl zu verstehen.
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Der Aufbau des Ölkreislaufs umfasst in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante eine Verteilerkammer, wobei das Öl mittels der Pumpe vom Ölsumpf in die Verteilerkammer pumpbar ist, wobei der Wellenkanal und ein weiterer Ringkanal mit der Verteilerkammer kommunizieren, so dass der Ölstrom geteilt wird.
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Dabei ist der Ringkanal vorzugsweise derart ausgelegt, dass ein Ölstrom auf die Wickelköpfe gelenkt wird. Weiterhin kann der Ölstrom aus dem Ringkanal derart ausgerichtet sein, dass dieser auf die Radial außenliegende Seite der Wickelköpfe gerichtet ist.
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In einer Vorteilhaften Ausführung umfasst der Ölsumpf ein Trennelement, wobei das Trennelement einen mäanderförmigen Kanal im Ölsumpf bildet, welcher zwischen Durchlass 14 und Auslass 25 angeordnet ist. Die Kühlwirkung auf das Öl im Ölsumpf wird dadurch stark verbessert.
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Eine weitere Verbesserung der Kühlung kann dadurch erreicht werden, dass das Trennelement als Element mit Kühlrippen ausgeführt ist, wobei die Kühlrippen eine Wärmeübertragungsfläche 26 aufweisen, die in Kontakt mit einer Kühlfläche 27 des Wasserkühlkreislaufs steht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von 1 näher erläutert. Dargestellt ist ein Motor 1 oder eine elektrische Maschine als stark vereinfachte Skizze. Der Motor 1 besteht aus einem Gehäuse 8 mit einem Gehäuseraum 21 in dem der Stator 3 und ein auf einer Rotorwelle 5 angeordneter Rotor 5 aufgenommen sind. Das Kühlsystem des Motors 1 setzt sich aus einem Ölkühlkreislauf und einen mit einem Kühler 2 verbindbaren Wasserkühlkreislauf zusammen. Der Ölkreislauf setzt sich aus mehreren Ölkanalabschnitt zusammen, die Teilweise in das Motorgehäuse oder die Gehäusedeckel integriert sind. Einen Teilabschnitt des Ölkreislaufs bildet der Gehäuseraum 21. Dafür sind Durchlässe 14, 17 vorgesehen, durch die ein Ölstrom 9, 10 in den Gehäuseraum 21 ein und ein Ölstrom 20 durch den Durchlass 14 aus dem Gehäuseraum 21 austreten kann. Weiterhin führt der Ölkreislauf durch den Wellenkanal 22 der Rotorwelle 5 und von dort über die Durchlässe 19 in der Rotorwelle 5 in den Gehäuseraum 21, so dass der Ölstrom (9, 10) direkt mit dem Rotor und dem Stator in Kontakt kommt.
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Über die Rücklaufkanäle 14 im unteren Bereich des Gehäuseraums 21 gelangt das Öl zurück in den Ölsumpf 15. Im Ölsumpf ist ein Trennelement 24 angeordnet, durch das das Öl eine längere mäanderförmige Strecke durchlaufen muss, ehe es wieder von der Pumpe 16 in den Ölkreislauf gepumpt wird. Das Trennelement kann einteilig mit der Wanne des Ölsumpfs 15 ausgeführt werden. Die Wanne oder auch Ölwanne ist ein separates Bauteil, welches an das Gehäuse des Motors angeschraubt ist. Idealerweise berühren die Stege des Trennelementes 24 mit ihren Wärmeübertragungsflächen 26 die Kühlfläche 27 des Wasserkühlkreislaufs. Die vom Öl aufgenommene Wärme wird an den Wasserkühlkreislauf übertragen bzw. über diesen abgeführt.
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Der Wasserkühlkreislauf der dargestellten Ausführungsform verläuft durch einen in der Wandung des Gehäuses 8 verlaufenden Kanal und ist mit dem externen Kühler 2 verbunden. Die Kühlkanäle im Gehäuse und Stator können frei gestaltet werden.
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Als Kühlwasser ist eine Kühlwassermischung mit einem hohen Cp-Wert zu bevorzugen. Im Gehäuseraum kommt aufgrund der bewegten Teile ein Öl als Kühlmedium zum Einsatz. Ein externer Ölkühler wird nicht benötigt, da über die Ölwanne eine Kühlung durch die Umgebungsluft erfolgt und über das Trennelement 24 eine direkte Wärmeübertragung zum Kühlwasser gewährleistet ist.
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Die Pumpe 16 kann einen eigenen Antrieb aufweiten oder mit dem Motor gekoppelt sein, wobei ein eigener Antrieb den Vorteil hat, dass auch bei Motorstillstand eine Aufrechterhaltung der Ölkühlung realisiert werden kann. Die Pumpe 16 saugt Öl aus dem Ölsumpf und pumpt es durch die Lanze 12 in die Rotorwelle 6. Aus den Öldüsen 19 austretendes Öl bewirkt zumindest eine Benetzung der Wickelköpfe mit Öl, welches durch Abtropfen von den Wickelköpfen über die Durchlässe 14 im Bodenbereich des Gehäuseraums 21 wieder zurück in den Ölsumpf 15 geführt wird. Der Ölsumpf ist derart an das Getriebegehäuse montiert, dass er den untersten Teil des Motors, ausgehend von der Einbaulage, bildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor
- 2
- Kühler
- 3
- Wickelkopf
- 4
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- Rotorwelle
- 7
- Lager
- 8
- Gehäuse
- 9
- Ölstrom
- 10
- Ölstrom
- 11
- Lager
- 12
- Lanze
- 13
- Ölstrom
- 14
- Rücklaufkanal
- 15
- Ölsumpf
- 16
- Pumpe
- 17
- Ringkanal
- 18
- Kühlkanal Kühlwasser
- 19
- Öldüse
- 20
- Ölstrom
- 21
- Gehäuseraum
- 22
- Wellenkanal
- 23
- Verteilerkammer
- 24
- Trennelement
- 25
- Auslass
- 26
- Wärmeübertragungsfläche
- 27
- Kühlfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019214664 A1 [0007]
- DE 102019124209 A1 [0009]
- DE 102021204688 A1 [0011]
- DE 112019003492 T5 [0012]
