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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Elektromotors und zur Fixierung eines Statorblechpakets in einem Elektromotor.
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Aus der
DE 10 2021 002 001 A1 ist ein Toleranzring zur Fixierung und Kühlung eines Stators in einem Elektromaschinengehäuse bekannt. Der Toleranzring weist eine Mehrzahl von Ausformungen auf, wobei erste Ausformungen in Umfangsrichtung des Rings und zweite Ausformungen in Axialrichtung des Rings verlaufen. Die Ausformungen sind bei einem Einsetzen des Toleranzrings in das Elektromaschinengehäuse verformbar, wodurch eine mechanische Spannung im Toleranzring erzeugt wird, die die Bauteile gegeneinander fixiert. Eine Kühlung des Stators wird über eine Zufuhr von Kühlflüssigkeit in die Ausformungen des Toleranzrings ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines Elektromotors umfasst
- - ein Statorblechpaket,
- - ein Gehäuse zum Aufnehmen des Statorblechpakets,
- - einen Ring, wobei der Ring zwischen dem Gehäuse und dem Statorblechpaket angeordnet ist und wobei der Ring eine Mehrzahl von Aussparungen aufweist,
- - zwei Abdichtungen,
- - eine Mehrzahl von Kammern, wobei erste Kammern von dem Ring, dem Statorblechpaket und den Abdichtungen begrenzt werden und zweite Kammern von dem Ring, dem Gehäuse und den Abdichtungen begrenzt werden,
- - wobei die Kammern mittels der Mehrzahl von Aussparungen einen durchgehenden mäandernden Kühlkanal bilden,
- - wobei der Kühlkanal mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass für ein Kühlfluid aufweist und
- - wobei der Ring derart ausgebildet ist, dass dieser eine Federkraft auf das Statorblechpaket und das Gehäuse zwecks Fixierung des Statorblechpakets ausübt.
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Unter dem Begriff „mäandernd“ wird dabei die Eigenschaft verstanden, dass sich die Strömungsrichtung des Kühlfluides bei der Durchströmung des Kühlkanals mehrfach ändert und zwei Hauptströmungsrichtungen im Kühlkanal existieren, die entgegengesetzt zueinander verlaufen. Neben der Ausführung, dass die Strömungsrichtungen in zwei benachbarten Kammern entgegengesetzt zueinander verlaufen, ist auch die Ausführung, dass die Strömungsrichtungen zunächst in mehreren benachbarten Kammern parallel zueinander verlaufen bevor eine Änderung der Strömungsrichtung stattfindet, in der Begriffsdefinition einbegriffen.
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Dadurch, dass der Einlass des Kühlkanals über einen vorgegebenen mäandernden Strömungspfad mit dem Auslass des Kühlkanals verbunden ist, wird in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung eine gleichmäßige Durchströmung des Kühlkanals mit Kühlfluid ermöglicht, was zu einer verbesserten Kühlung des Statorblechpakets führt. Die Situation, dass Teilbereiche des Kühlkanals nur unzureichend von Kühlfluid durchströmt werden, kann nicht oder nur sehr eingeschränkt auftreten.
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Vorzugsweise besteht der Ring aus Federstahl. Unter Federstahl wird dabei ein Edelstahl mit Federeigenschaften, gekennzeichnet bspw. durch eine hohe Elastizitätsgrenze, verstanden. Ein Beispiel hierfür ist Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4310. Durch die Verwendung eines solchen Materials kann eine starke Verformung des Rings ohne plastischen, d.h. dauerhaften, Anteil erreicht werden. Für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist dies vorteilhaft, da eine starke Verformung des Rings beim Einbau in die Kühlvorrichtung und während des Betriebs der Kühlvorrichtung auftreten kann. Durch die Vermeidung einer plastischen Verformung und einer damit einhergehenden Beschädigung des Rings kann das ständige Aufbringen einer Federkraft durch den Ring auf das Statorblechpaket und das Gehäuse und damit eine Fixierung des Statorblechpakets im Gehäuse gewährleistet werden.
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Während des Betriebs des zu kühlenden Elektromotors treten Temperaturunterschiede zwischen dem Statorblechpaket und dem Gehäuse auf. Zudem kann der Elektromotor sehr niedrigen Außentemperaturen (-40 °C) ausgesetzt sein. In Kombination mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien von Gehäuse und Statorblechpaket kann daher eine signifikante und ungleiche Expansion oder Kontraktion von Statorblechpaket und Gehäuse auftreten. Dadurch, dass der Ring so gestaltet sind, dass dieser im eingebauten Zustand eine Federkraft ausübt, kann über den gesamten Temperaturbereich eine Fixierung des Statorblechpakets im Gehäuse gewährleistet werden, ohne dass eine übermäßige Belastung des Gehäuses auftritt. Die vergleichsweise geringe Belastung des Gehäuses kann bei dessen Auslegung in Form einer materialsparenden Gestaltung vorteilhaft berücksichtigt werden.
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Bevorzugt sind die Aussparungen des Rings an den Rändern des Rings angeordnet. Dadurch sind die einzelnen Kammern des Kühlkanals an ihren Enden verbunden und das Kühlfluid muss jeweils die komplette Länge der Kammern durchströmen, was wiederum zu einer effektiven Kühlung des Statorblechpakets beiträgt.
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Vorzugsweise ist der Ring so ausgebildet, dass die Strömungsrichtungen des Kühlfluides in zwei benachbarten Kammern entgegengesetzt zueinander verlaufen, d.h. es findet am Ende jeder Kammer eine Umlenkung des Kühlfluides um 180° mittels der Aussparungen des Rings statt. Dies ist vorteilhaft, da zwangsweise der komplette Kühlkanal durchströmt wird und daher eine gleichmäßige Kühlung des Statorblechpakets erzielt wird.
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Bevorzugt sind die Aussparungen aus dem Ring ausgestanzt, was eine kostengünstige Herstellung des Rings ermöglicht.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor umfasst eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung.
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 den Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines Rings der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
- 3 den Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
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1 zeigt eine Darstellung des Querschnitts der Kühlvorrichtung 1. Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein Statorblechpaket 2, ein Gehäuse 3 sowie einen Ring 4, der zwischen Statorblechpaket 2 und Gehäuse 3 angeordnet ist und im Ausführungsbeispiel aus Federstahl besteht. Das Gehäuse 3 besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminium. Der Ring 4 umfasst eine Mehrzahl von in 2 gezeigten Aussparungen 5. Im Ausführungsbeispiel sind die Aussparungen 5 aus dem Ring 4 ausgestanzt. Weiterhin umfasst die Kühlvorrichtung 1 eine Mehrzahl von Kammern 7. Dabei werden erste Kammern 7 von dem Ring 4 und dem Statorblechpaket 2 begrenzt und zweite Kammern 7 von dem Ring 4 und dem Gehäuse 3 begrenzt. Seitlich werden die Kammern 7 von den in 3 gezeigten Abdichtungen 6 begrenzt. Im Ausführungsbeispiel bestehen die Abdichtungen 6 aus einem Elastomer. Mittels der Aussparungen 5 bilden die Kammern 7 einen durchgehenden mäandernden Kühlkanal 8. Der Kühlkanal 8 verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Einlass 9 und einen Auslass 10, durch die ein Kühlfluid in den Kühlkanal 8 eintreten bzw. diesen verlassen kann.
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Durch eine geeignete Gestaltung der Kammern 7 sowie durch die Wahl des Durchmessers des Rings 4 kann eine entstehende Federkraft so gesteuert werden, dass eine Fixierung des Statorblechpakets 2 im Gehäuse 4 gewährleistet wird.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Statorblechpaket 2 eine Mehrzahl von miteinander stoffschlüssig verbundenen Statorblechen. Die stoffschlüssige Verbindung der Statorbleche ist so gestaltet, dass ein Eindringen von Kühlfluid in das Statorblechpaket 2 unterbunden wird.
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2 zeigt eine detaillierte Darstellung des Rings 4. Der Ring 4 umfasst die Aussparungen 5. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Aussparungen 5 des Rings 4 so angeordnet, dass sie sich abwechselnd an den beiden Rändern des Rings 4 befinden. Die Strömungsrichtung eines durch den Kühlkanal 8 fließenden Kühlfluides in zwei benachbarten Kammern 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel entgegengesetzt.
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In nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispielen verlaufen die Strömungsrichtungen in mehreren benachbarten Kammern 7 durch entsprechende Anordnung der Aussparungen 5 parallel zueinander, bevor die Strömungsrichtung wechselt. In einem solchen alternativen Ausführungsbeispiel können jeweils zwei benachbarte Kammern 7 dieselbe Strömungsrichtung aufweisen.
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Weiterhin werden durch den Ring 4 der Einlass 9 und der Auslass 10 des Kühlkanals 8 festgelegt. Der Einlass 9 und der Auslass 10 des Kühlkanals 8 werden voneinander durch eine Kammer 7 getrennt, welche keine Aussparungen 5 aufweist. Das Kühlfluid tritt durch den Einlass 9 in den Kühlkanal 8 ein, strömt entlang eines mäandernden Strömungspfades durch sämtliche Kammern 7 des Kühlkanals 8 (mit Ausnahme der zwischen Einlass 9 und Auslass 10 befindlichen Kammer 7) und verlässt den Kühlkanal 8 durch den Auslass 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkanal 8 einteilig, d.h. es existiert nur ein Einlass 9 und nur ein Auslass 10.
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In nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispielen ist der Kühlkanal 8 mehrteilig, d.h. dass zwei oder mehr Paare von Einlässen 9 und Auslässen 10 vorhanden sind. In einem Ausführungsbeispiel befinden sich zwei Einlässe 9 in benachbarten Kammern 7 im oberen Bereich des Kühlkanals 8 und zwei Auslässe 10 in benachbarten Kammern 7 im unteren Bereich des Kühlkanals 8. Die Einlässe und Auslässe sind jeweils von einer Kammer 7 ohne Aussparung 5 getrennt. Entsprechend ergeben sich zwei getrennte Abschnitte des Kühlkanals 8. Ein Vorteil einer solchen Ausführung ist, dass das eintretende Kühlfluid nicht über den kompletten Umfang des Statorblechpakets 2 dessen Wärme aufnehmen muss, sondern lediglich über einen Teil des Umfangs. Dadurch wird gegenüber eines einteiligen Kühlkanals 8 eine gleichmäßigere Kühlung des Statorblechpakets 2 erreicht und die Differenz der Kühlfluidtemperatur am Einlass 9 und am Auslass 10 wird reduziert.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 verlaufen die Kammern 7 des Kühlkanals 8 parallel zur Längsachse des Rings 4. In einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel verlaufen die Kammern 7 des Kühlkanals 8 diagonal zur Längsachse des Rings 4, in einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel bogenförmig.
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In 3 ist ein Längsschnitt der Kühlvorrichtung 1 dargestellt. Der Ring 4 wird seitlich von den Abdichtungen 6 eingefasst, womit auch die Kammern 7 seitlich abgeschlossen werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel findet die Fixierung der Abdichtungen 6 über zwei Lagerschilde 11 statt.
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Die Kühlvorrichtung 1 eignet sich als Kühlvorrichtung für einen Elektromotors eines Fahrzeugs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021002001 A1 [0002]