DE102022209904A1 - Electric machine with optimized cooling system - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine in einem Systemgehäuse mit einem flüssigkeitsdichten Stator und einem Rotor, wobei die elektrische Maschine einen auf der Unterseite des Systemgehäuses gelegenen Öleinlass aufweist, wobei über den Öleinlass Öl unter Druck in ein ringförmiges Ölverteilungsvolumen einbringbar ist, und eine Verbindung über einen Kühlkanal im Stator, der nahe der Wicklungsnuten eingebracht ist, sowie einem Kühlkanal innerhalb der Wicklungsnuten vom Ölverteilungsvolumen in Richtung auf einen ringförmigen Öltank axial erfolgt, und eine Verbindung vom Öltank über einen Kühlkanal, der randständig aber innerhalb des Statorblechs vorliegt, in Richtung auf einen Ölauslass vorhanden istElectric machine in a system housing with a liquid-tight stator and a rotor, the electric machine having an oil inlet located on the underside of the system housing, oil under pressure being able to be introduced into an annular oil distribution volume via the oil inlet, and a connection via a cooling channel in the stator, which is introduced near the winding slots, as well as a cooling channel within the winding slots from the oil distribution volume in the direction of an annular oil tank, and a connection from the oil tank via a cooling channel, which is at the edge but within the stator sheet, is present in the direction of an oil outlet
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine in einem Systemgehäuse mit einem Stator und einem Rotor, wobei die elektrische Maschine einen auf der Unterseite des Systemgehäuses gelegenen Öleinlass aufweist, wobei über den Öleinlass Öl unter Druck in ein ringförmiges Ölverteilungsvolumen einbringbar ist, das sich über mindestens drei Ölkanäle im Stator verteilt.The invention relates to an electrical machine in a system housing with a stator and a rotor, the electrical machine having an oil inlet located on the underside of the system housing, wherein oil can be introduced under pressure into an annular oil distribution volume via the oil inlet, which has at least three oil channels distributed in the stator.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Antriebe für Fahrzeuge gewinnen an Bedeutung. Aktuell werden Statoren von elektrischen Maschinen mit Haarnadel-Wicklung vor dem eigentlichen Einbringen der Drähte imprägniert oder mit Kunststoff vergossen. Das heißt, dass der gewickelte Stator zusätzlich zur Fixierung der Wicklung in den Wickelnuten als auch der Wickelköpfe am Stator mit einem Harz oder Ähnlichem behandelt wird. Es ist eine entsprechende Menge an Harz oder Verguss-Material erforderlich, um den gesamten Stator zu benetzen.Electric drives for vehicles are becoming increasingly important. Currently, stators of electrical machines with hairpin windings are impregnated or cast with plastic before the wires are actually inserted. This means that the wound stator is treated with a resin or the like in addition to fixing the winding in the winding slots as well as the winding heads on the stator. An appropriate amount of resin or potting material is required to wet the entire stator.
Der Stator muss auch an bestimmten Bereichen wie beispielsweise dem Stator-Innendurchmesser entsprechend abgedeckt werden, um überschüssig anhaftendes Material z.B. im Luftspalt zum Rotor zu vermeiden. Während des Betriebs der elektrischen Maschine fällt Wärme an, welche vor allem bei elektrischen Maschinen mit hoher Leistungsdichte mittels eines Kühlmittels abgeführt werden muss. Aus diesem Grund weist das Maschinengehäuse den Kühlmitteleinlassanschluss und den Kühlmittelauslassanschluss auf. Durch den Kühlmitteleinlassanschluss kann dem Maschinengehäuse Kühlmittel zugeführt werden. Durch den Kühlmittelauslassanschluss kann hingegen das Kühlmittel aus dem Maschinengehäuse abgeführt werden.The stator must also be covered accordingly in certain areas, such as the stator inner diameter, in order to avoid excess material sticking to the rotor, for example in the air gap. During operation of the electrical machine, heat is generated, which must be dissipated using a coolant, especially in electrical machines with high power density. For this reason, the machine body has the coolant inlet port and the coolant outlet port. Coolant can be supplied to the machine housing through the coolant inlet connection. However, the coolant can be removed from the machine housing through the coolant outlet connection.
Aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einem Kühlsystem zu entwickeln, wobei das Kühlsystem den Stator optimal entwärmt.It is the object of the invention to develop an electrical machine with a cooling system, the cooling system optimally cooling the stator.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe wird gelöst mit einer elektrische Maschine in einem Systemgehäuse mit einem flüssigkeitsdichten Stator und einem Rotor, wobei die elektrische Maschine einen auf der Unterseite des Systemgehäuses gelegenen Öleinlass aufweist, wobei über den Öleinlass Öl unter Druck in ein ringförmiges Ölverteilungsvolumen einbringbar ist, und eine Verbindung über mindestens einen Kühlkanal im Stator, der nahe der Wicklungsnuten eingebracht ist, sowie mindestens einem Kühlkanal innerhalb der Wicklungsnuten vom Ölverteilungsvolumen in Richtung auf ein ringförmiges Ölsammelvolumen axial erfolgt, und eine Verbindung vom ringförmigen Ölsammelvolumen über mindestens einen Kühlkanal, der randständig aber innerhalb des Statorblechs vorliegt, in Richtung auf einen Ölauslass vorhanden ist.The object is achieved with an electrical machine in a system housing with a liquid-tight stator and a rotor, the electrical machine having an oil inlet located on the underside of the system housing, oil under pressure being able to be introduced into an annular oil distribution volume via the oil inlet, and a connection via at least one cooling channel in the stator, which is introduced near the winding slots, and at least one cooling channel within the winding slots from the oil distribution volume in the direction of an annular oil collection volume axially, and a connection from the annular oil collection volume via at least one cooling channel, which is at the edge but within the stator sheet , in the direction of an oil outlet.
Die Bezeichnung Kühlkanal umfasst auch eine Gruppe von einzelnen Durchführungen und Öffnungen mit derselben Funktion. So sind die Kühlkanäle immer um die Achse der elektrischen Maschine verteilt.The term cooling channel also includes a group of individual passages and openings with the same function. The cooling channels are always distributed around the axis of the electrical machine.
Dabei ist die Strömungsrichtung in zwei der Kühlkanälen gegenläufig zu einem weiteren Kühlkanal.The flow direction in two of the cooling channels is opposite to another cooling channel.
Ein Kühlkanal verläuft innerhalb der Wickelnuten benachbart zu einer Separationshülse, wobei die Separationshülse den Stator gegen den Rotorraum der elektrischen Maschine vollständig oder nur in den Statornutöffnungen dichtet.A cooling channel runs within the winding grooves adjacent to a separation sleeve, the separation sleeve sealing the stator against the rotor space of the electrical machine completely or only in the stator groove openings.
Ein Kühlkanal ist im Statorblech zwischen den radial verlaufenden Wicklungsnuten angeordnet, wobei ein teilweiser radialer Überlapp zwischen Kühlkanal und Wicklungsnuten vorliegt.A cooling channel is arranged in the stator plate between the radially extending winding slots, with a partial radial overlap between the cooling channel and winding slots.
Ein Kühlkanal verläuft randständig an den Statorblechen.A cooling channel runs along the edges of the stator sheets.
Auf beiden Seiten der Wickelköpfe des Stators sind Ölabweiser angebracht, die in ihre Form den Wickelköpfen folgen.Oil deflectors are attached to both sides of the winding heads of the stator, the shape of which follows the winding heads.
Beschreibung der FigurenDescription of the characters
-
1 zeigt einen Schnitt durch eine elektrische Maschine,1 shows a section through an electrical machine, -
2 zeigt einen Schnitt durch einen Stator,2 shows a section through a stator, -
3 ist eine Vergrößerung des Ausschnitts A,3 is an enlargement of section A, -
4 zeigt ein Detail der Wickelnut aus3 ,4 shows a detail of thewinding groove 3 , -
5 zeigt eine Darstellung des Stators mit Blick auf den Ölabweiser 7b,5 shows a representation of the stator with a view of theoil deflector 7b, -
6 zeigt den Stator mit Blick auf einen geteiltem Ölabweiser,6 shows the stator with a view of a split oil deflector, -
7 und8 zeigen den Ölabweiser 7b,7 and8th show theoil deflector 7b, -
9 und10 zeigen den geteilten Ölabweiser.9 and10 show the split oil deflector.
Auch ist ein weiterer Ölabweiser 7b vorhanden, der an die Form des Wickelkopfes 7b angepasst ist und zum großen Teil parallel zur Achse A verläuft. In Richtung auf den Gehäusedeckel 10 hin ist der Ölabweiser zur Achse A hin gekrümmt, die Anbindung an den Stator erfolgt über eine gestufte oder gekrümmte Partie. In Richtung auf den Gehäusedeckel 10 bildet der Ölabweiser 7b mindestens eine Öffnung 15 aus, die als gezielt eingesetzte Leckage zur Schmierung weitere Komponenten dient.There is also a
Die
Am äußeren Durchmesser des Stators 3 sind die Öffnungen für den Kühlkanal Ca zu erkennen. Der Kühlkanal Ca umfasst dabei mehrere Öffnungen gleicher oder unterschiedlicher Größe, die aber alle auf einem Umfangskreis nahe des Rands des Blechpaket 3a angeordnet sind. Der Kühlkanal Cb stellt sich in schlitzförmige Öffnungen dar, die sich benachbart, aber nicht im direkten Kontakt, mit den Wickelnuten 11 befinden. Die schlitzförmigen Öffnungen überlappen dabei radial teilweise mit den sich radial erstreckenden Wickelnuten 11.The openings for the cooling channel Ca can be seen on the outer diameter of the
In den Wickelnuten 11 werden Haarnadel-Wicklungen installiert. Die Wickelnuten bieten zudem Raum für den dritten Kanal Cc, der direkt an der Separationshülse 5 in den Wickelnuten 11 angebracht ist.Hairpin windings are installed in the
Kühles Öl wird über einen unten liegenden Öleinlass 13 in den Wickelkopfraum an den Wickelköpfen 6a, nämlich in das Ölverteilungsvolumen 14, mit Druck zugeleitet und zirkular um den gesamten Wickelkopf 6a verteilt. Durch eine an die Form des Wickelkopfs 6a angepassten Ölabweiser 7a fließt das Öl zu den Wicklungsnuten 11 und den Haarnadelwicklungen darin. Das Öl gelangt durch Kanal Cb und Cc durch den Stator 3 zum zweiten Wickelkopf 6b. Das entspricht einem Ölfluss von links nach rechts in der
Der axiale Querschnitt des Ölverteilervolumens 14 verjüngt sich im Bereich des Wickelkopfes 6a zum Stator hin. Dadurch wird eine turbulente Anströmung der Wickelköpfe erzielt. Das Öl wird dadurch durch die Kühlkanäle der Wickelnuten 11 gepresst, wodurch der Wärmeübergang drastisch steigt. Der große Querschnitt des Ölverteilvolumens ist, dass der Wickelkopf in Umfangsrichtung gleichmäßig gekühlt wird.The axial cross section of the
Über Öffnungen 15, wie auch in den
Der Ölauslass 8 ist als Überlauf ausgeformt. Somit wird sichergestellt, dass der komplette Stator 3 im Öl steht. Zudem dient der Wickelkopfraum an den Wickelköpfen 6a und 6b als Ölsammelvolumen 9, beziehungsweise als Ölverteilungsvolumen 14 und bildet einen alleinigen Öltank aus. Das spart den Bauraum für einen separaten Öltank. Da durch den hohen Füllstand des Öls bis an den Auslauf 8 heran, eine Luftblase an der höchsten Position entstehen kann, wird einen Entlüftungsöffnung in den Ölabscheidern 7a, 7b zumindest an einer gravimetrisch hohen Position verwendet.The oil outlet 8 is shaped as an overflow. This ensures that the
Der Rotor ist hermetisch vom Stator durch die Separatorhülse 5 abgetrennt, wobei die Separatorhülse 5 mit der Wickelungsnut 11 den Kanal Ca ausbildet. Damit kann der Rotor als Trockenläufer ausgeführt werden, was zu reduzierten Schleppverlusten führt.The rotor is hermetically separated from the stator by the
Der bi-direktionale Ölfluss durch den Stator 3 hat wesentliche Vorteile. Er erlaubt eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und verbesserte Wärmeübergänge durch die serielle Anordnung der Kanäle Ca mit Cb sowie Cc. Man erreicht ein einheitlicheres Temperaturniveau der rechten und linken Statorseite.The bi-directional oil flow through the
Auch ist durch das Strömungsbild vorgegeben, dass der Ein- und der Auslass 13, 8 axial auf derselben Seite der elektrischen Maschine liegen.The flow pattern also dictates that the inlet and
BezugszeichenReference symbols
- 11
- elektrische Maschineelectric machine
- 22
- SystemgehäuseSystem housing
- 33
- Statorstator
- 3a3a
- StatorblechpaketStator lamination package
- 44
- RotorraumRotor room
- 55
- SeparationshülseSeparation sleeve
- 6a, 6b6a, 6b
- Wickelkopfwinding head
- 7a, 7a` 7b7a, 7a` 7b
- ÖlabweiserOil deflector
- 7c7c
- HinterschnittUndercut
- 88th
- ÖlauslassOil outlet
- 99
- ÖlsammelvolumenOil collection volume
- 1010
- GehäusedeckelHousing cover
- 1111
- Wicklungsnutwinding groove
- 1212
- ÖlsumpfOil sump
- 1313
- ÖleinlassOil inlet
- 1414
- ÖlverteilungsraumOil distribution room
- 1515
- Öffnungopening
- AA
- Achseaxis
- Ca, Cb, CcCa, Cb, Cc
- KühlkanäleCooling channels
- 1616
- PhasenanschlüssePhase connections
- 1717
- Stromschienebusbar
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
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