DE112019006197T5

DE112019006197T5 - Elektrische Maschine mit umlaufender Flüssigkeitskühlung und damit verbauter Wechselrichter

Info

Publication number: DE112019006197T5
Application number: DE112019006197.6T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey M. Geither; David Colavincenzo; Fernando VENEGAS DIAZ
Original assignee: Bendix Commercial Vehicle Systems LLC
Current assignee: Bendix Commercial Vehicle Systems LLC
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-09-09
Also published as: CA3122988A1; US10862371B2; MX2021006984A; CN113348103A; WO2020123351A1; US20200195094A1

Abstract

Eine Anordnung einer elektrischen Maschine mit umlaufender Kühlung beinhaltet eine Kühlleitung, die derart angeordnet ist, dass sie Wärme von einem integrierten Gehäuse abführt, das einen Elektromotor und einen Wechselrichter enthält. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Elektromotor und dem Wechselrichter sind durch flexible, vorgeformte Sammelschienen bereitgestellt, welche in übertretenden Flüssigkeitskühlungsverbindungen im Bereich zwischen dem Elektromotor und dem Wechselrichter angeordnet sind. Das integrierte Gehäuse weist eine zwischenliegende Abdeckung über den Abschnitten des Elektromotors und des Wechselrichters des Gehäuses auf und ist mit einem Ausschnitt versehen, den die Sammelschienen passieren können, um zum Elektromotor zu gelangen. Das Gehäuse ist weiterhin mit einer äußeren Gehäuseabdeckung und Dichtungen bereitgestellt, welche den Elektromotor und den Wechselrichter gegenüber der Außenumgebung und gegenseitig voneinander isolieren.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft das Verbauen eines Elektromotors mit einem Wechselrichter in Anwendungen wie Elektromotoren, die in bestimmten Systemen zur Stromerzeugung und -speicherung von Hybridelektrokraftfahrzeug verwendet werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Hybridelektrofahrzeugen, bei denen ein Verbrennungsmotor mit einem Motorgenerator und einem System zur Speicherung von elektrischer Energie kombiniert ist, wurde auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge große Aufmerksamkeit geschenkt, insbesondere im Bereich von Personenbeförderungsmitteln. Die Entwicklung von Hybridelektrofahrzeugsystemen hat erst in letzter Zeit bei Nutz- und Geländefahrzeugen, z. B. LKWs und Bussen der Fahrzeugklassen 2-8, bei Erdbaumaschinen und Bahnanwendungen, und bei durch einen stationären Verbrennungsmotor angetriebenen Installationen großes Interesse auf sich gezogen.
Technologien für den hybrid-elektrischen Antrieb bieten zahlreiche Vorteile; dazu zählen Verbesserungen im Hinblick auf die Kraftstoffeffizienz, die Verringerung der Emissionen von Verbrennungsmotoren und Fahrzeuggeräuschen als Beitrag zur Erfüllung behördlicher Auflagen, eine verbesserte Fahrzeugleistung wie auch geringere Kosten für den Flottenbetrieb. Diese Vorteile werden zu einem erheblichen Anteil durch das Vermögen hybrid-elektrischer Systeme erlangt, Energie zurückzugewinnen, die andernfalls vergeudet werden würde (wie bspw. durch das Bremsen entstehende mechanische Energie, die ansonsten als Wärmeenergie in die Umgebung abgeführt werden würde), und die aufgefangene Energie zu einer anderen Zeit, wenn sie benötigt wird, etwa beim Bestromen von Fahrzeugkomponenten anstelle der Verwendung des Verbrennungsmotors als Leistungsquelle oder beim Unterstützen des Fahrzeugantriebs, zurückzuführen.
Motorgeneratoren von Hybridelektrofahrzeugen wurden typischerweise entweder unabhängig vom Verbrennungsmotor angeordnet (beispielsweise mithilfe separater Elektromotoren zur Bestromung der Vorderräder und Rückgewinnung von Energie von diesen, während der Verbrennungsmotor Antriebsleistung für die Hinterräder bereitstellt) oder aber mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt, indem sie beispielsweise in den „hinteren Teil“ des Verbrennungsmotors (d. h. das Ende, an dem sich das Schwungrad des Motors befindet) oder zwischen Verbrennungsmotor und Kraftübertragungskomponenten der Räder eingebaut wurden. Dank dieser Position „hinter dem Motor“ kann die Motorgeneratorausrüstung Drehmoment direkt an den Antriebsstrang und die Räder des Fahrzeugs abgeben und direkt vom Antriebsstrang angetrieben werden, zum Beispiel bei Nutzbremsereignissen. Beispiele für Letzteres sind u. a. Motorgeneratoren vom Schwungradtyp, bei denen das Schwungrad eines herkömmlichen Motors modifiziert ist, um als Rotor des Motorgenerators zu dienen, und ein konzentrisch montierter Stator um das Schwungrad angeordnet ist, sowie separate Elektromotoren, die zwischen dem Motor und den Antriebsrädern angeordnet sind. Das sogenannte „Two-Mode-Hybrid“-Getriebe, das von General Motors in dem leichten Pickup 2009 GMC Silverado angeboten wird, war mit einem Getriebe mit zwei Elektromotoren für den Fahrzeugantrieb und die Erzeugung elektrischer Energie ausgestattet.
Eine andere Form des Hinzufügens eines Motorgenerators zu einem Verbrennungsmotor besteht in der Verwendung sogenannter Startergeneratoren. Bei diesem Ansatz wird ein Elektromotor direkt an einen Motor gekoppelt, um sowohl als elektrischer Generator (eine Funktion, die traditionell von einer herkömmlichen riemengetriebenen Lichtmaschine übernommen wird) als auch als Motoranlasser zu dienen, was Gewicht und Kosten von Elektromotoren mit beiden, Lichtmaschine und Anlasser, senkt. Derartige Installationen mit Startergenerator sind besonders in sogenannten Motor-Start-Stopp-Systemen nützlich, bei denen der Motor in Phasen, in denen das Fahrzeug steht, abgeschaltet wird, um Kraftstoff einzusparen und die Leerlaufemissionen zu verringern. Startergeneratoren befanden sich hinter dem Motor (ein in geeigneter Weise konstruierter Schwungrad-Motorgenerator kann, als Beispiel, auch als Anlasser verwendet werden) und waren auch am vorderen Ende eines Motors montiert, wo der Startergenerator einen Riemen antreiben kann, der direkt an die Motorkurbelwelle gekoppelt ist. Ein Beispiel für das letztgenannte System ist das System „Belt Alternator Starter“, das von General Motors im SUV 2007 Saturn Vue als Option angeboten wurde. Diese Systeme lassen sich nur sehr schwer an große Motoren wie bspw. Dieselmotoren für Nutzfahrzeuge anpassen, da der Elektromotor größer sein muss, damit der viel höhere Drehmomentbedarf dieser Hochleistungsmotoren gedeckt werden kann, etwa für das Anlassen und Betreiben verschiedener Komponenten (beispielsweise kann ein Motorkühllüfter mehr als 50 KW an Leistung benötigen, eine Last, die einen hohen Drehmomentbetrag zum Antreiben des Lüfterkeilriemens erfordert). Außerdem müsste der Riemenantrieb in solch einem vergrößerten System die Kapazität besitzen, die hohen Beträge an Drehmoment zu übertragen, was eventuell nicht möglich oder jedenfalls praktisch ist, da die dickeren und breiteren Antriebsriemen und Riemenscheiben, die zum Decken dieses Drehmomentbedarfs ausreichend sind, unter Umständen so viel größer und schwerer als ihre Pendants in Automobilen sind, dass sie in puncto Gewicht, Größe und/oder Kosten ausscheiden.
Eine weitere Herangehensweise zum Bereitstellen von Hybridelektrofahrzeug-Fähigkeiten ist in der US-Patentanmeldung Nr. 15/378 139 , jetzt US-Patent Nr. beschrieben. Bei dieser Herangehensweise ist ein Motorgenerator in einer Weise angeordnet, die eine geringe oder keine Verlängerung der Fahrzeugfront erforderlich macht. Im Zusammenhang der vorliegenden Beschreibung ist das „vordere Ende“ des Motors das Ende, das dem Ende entgegengesetzt ist, von welchem die Abgabe des vom Motor erzeugten Drehmoments an die primären Drehmomentverbraucher übertragen wird, etwa das Getriebe und die Antriebsachsen des Fahrzeugs oder den Verbraucher einer stationären Motorinstallation wie bspw. einen Pumpenantrieb. Das hintere Ende eines Motors liegt typischerweise dort, wo sich das Schwungrad des Motors befindet, und das vordere Ende dort, wo sich Komponenten wie motorgetriebene Zusatzteile (bspw. Klimaanlage und Verdichter von Druckluft, Kühlgebläse für den Motor, Kühlmittelpumpen, Servolenkpumpen) befinden. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich vorrangig zwar auf Ausführungsformen für Nutzfahrzeuge, in denen die Motorkurbelwelle mit der Längsachse des Fahrzeugs ausgerichtet ist, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf Motoranwendungen mit Frontmotor und Längsausrichtung beschränkt, sondern kann auch im Zusammenhang mit quer montierten Motoren (was quer montierte Motoren einschließt, die sich an der Front oder dem Heck eines Fahrzeugs befinden) verwendet werden, welche auch Umgebungen mit sehr wenig Platz im Bereich neben dem Ende des Motors gegenüber dem Schwungradende aufweisen können.
Bei diesem System mit Vorderenden-Motorgenerator befindet sich der Motorgenerator im vorderen Bereich des Motors. Die Motorgeneratoreinheit beinhaltet einen Wechselrichter und Steuerelektronik, die beieinander angeordnet sind. Derartige Motorgeneratoreinheiten müssen typischerweise mit einer Möglichkeit bereitgestellt sein, in platz-, energie- und kostensparender Art und Weise Wärme effektiv abzuführen, die während der Erzeugung elektrischer Energie, der Drehmomenterzeugung und Leistungsumwandlung entsteht. Im Falle einer elektrischen Radialflussmaschine wird die meiste Wärme durch den Stator abgeleitet, der konzentrisch in Bezug auf die Drehachse des Rotors liegt.
Eine Herangehensweise zur Kühlung besteht im Bereitstellen einer Flüssigkeitskühlung mit Kühlkanälen um den Umfang des Motorgenerators über möglichst große Teile der Mantelfläche des Stators. Eine derartige Auslegung schafft allerdings eine Barriere um den Elektromotor; es ist schwierig, elektrische Verbindungen, die den Elektromotor mit anderen Konfiguration wie einen Wechselrichter verbinden, durch diese hindurch zu legen. Dem ähnlich stellt sich die Anordnung von Eingängen und Ausgängen für Kühlpfade bei einer Anwendung mit begrenztem Platz als problematisch dar, bei welcher der Wechselrichter seitlich dem Elektromotor angeordnet ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung löst diese und andere Probleme durch Bereitstellung eines flüssigkeitsgekühlten integrierten Motorgenerator- und Wechselrichtersystems, in welchem der Wechselrichter in einer senkrecht zur Drehachse des Elektromotors verlaufenden Ebene, vorzugsweise ungefähr in der gleichen Ebene wie der Elektromotor, und radial außerhalb des Elektromotors angeordnet ist. Die Verbindung zwischen dem Ausgang der Leistungselektronikvorrichtungen, die sich im Inneren der Wechselrichtereinheit befinden, in einer Ausführungsform dem Elektromotorgehäuse am nächsten, erfolgt unter Verwendung vorgeformter flexibler Sammelschienen, die über den Kühlkanälen, dann durch einen Ausschnitt im oberen Elektromotorgehäuse und nach unten zum Klemmenblock, der mit dem Statorabschnitt verbunden ist, verlaufen. Flexible Sammelschienen lassen enge Biegungen zu, was das kompakte Platzieren von Komponenten ermöglicht. Die Sammelschienen werden mithilfe eines elektrisch nichtleitenden Klemmenblocks befestigt.
Ein Vorteil einer Ausgestaltung mit integriertem Elektromotor und Wechselrichter besteht im Schutz vor äußerer Verunreinigung, der durch eine Kombination von Dichtungen bereitgestellt wird. Eine Dichtung befindet sich zwischen dem Elektromotor und dem Wechselrichter, wohingegen der Wechselrichter an seiner Oberseite und das Elektromotorgehäuse an seiner Oberseite eigene Dichtungen aufweisen. Weiterhin sind die Oberseiten des Elektromotors und Wechselrichters mit einem einzigen zwischenliegenden Gehäuse abgedeckt; die Oberseite des zwischenliegenden Gehäuses wiederum ist von einer einzigen Abdeckplatte abgedichtet. Infolgedessen ist die gesamte Baugruppe gegenüber Verunreinigungen abgedichtet, wenngleich der Elektromotor und Wechselrichter separate Teile darstellen.
Die vorliegende Erfindung kann es ermöglichen, dass der Elektromotor und der Wechselrichter ihre eigenen unabhängigen Kühlmittelkreisläufe besitzen, vorzugsweise aber über einen Kühlmitteldurchlass in Kommunikationsverbindung miteinander stehen. Diese Herangehensweise minimiert Leitungsverbindungen und Leckstellen dank nur zwei Kühlmittelanschlüssen in der Baugruppe; eine Eintrittsöffnung für das Kühlmittel befindet sich dabei im Elektromotorgehäuse und eine Austrittsöffnung im Wechselrichtergehäuse. Bei den Kühlmedien kann es sich zum Beispiel um ein Fluid eines Verbrennungsmotors wie bspw. Motorkühlmittel, -schmieröl oder -getriebefluid handeln.
Wenn beispielsweise wegen Platzbeschränkungen der Wechselrichter eventuell entfernt montiert ist, kann in einer weiteren Ausführungsform ein multifunktionaler Verteilerblock bereitgestellt werden, um elektrische Verbindungen und Kühlmittelverbindungen zwischen dem Elektromotor- und Wechselrichtergehäuse zu verteilen. In einer derartigen Ausführungsform würde sich das flüssige Kühlmittel zwischen dem Elektromotor- und Wechselrichtergehäuse über einen einzigen Durchlass bewegen, der ohne Weiteres mit Anschlüssen und Leitungen ausgelegt werden kann.
Die Abschnitte von Elektromotor- und Wechselrichtergehäuse können miteinander verbaut oder als separate Gehäuse ausgebildet sein, die vorzugsweise derart ausgelegt sind, dass die Gehäuseabschnitte miteinander verbunden werden können, mit kooperierenden Anschlüssen und Verbindungen zum Weiterleiten von Kühlmittel und/oder elektrischem Strom und Signalen zwischen den Gehäusen. Weiter bevorzugt können die Abschnitte von Elektromotor- und Wechselrichtergehäuse derart ausgelegt sein, dass, wenn die Gehäuseabschnitte zusammengesetzt werden, die kooperierenden Kühlmittelverbindungen in leckagefreier Weise simultan vervollständigt werden.
Wenn sie als getrennte Gehäuseabschnitte verkörpert sind, wenn zum Beispiel Platzbeschränkungen keine radiale Anordnung des Wechselrichtergehäuses mit unmittelbarer Angrenzung zulassen würden, werden die Abschnitte durch elektrische Leitungen und Kühlmittelleitungen verbunden, die sich zwischen den Gehäusen erstrecken. In derartigen Ausführungsformen sind vorzugsweise die elektrischen Verbindungen auf der Elektromotorgehäuseseite entweder mit den Sammelschienen gekoppelt oder erstrecken sich direkt zu den Sammelschienenklemmen. In Ausführungsformen, in denen Kühlmittel über einen Einlass am Elektromotorgehäuse eintritt und auf der Wechselrichtergehäuseseite austritt, ist nur eine einzige Kühlmittelleitung zwischen dem Elektromotor- und Wechselrichtergehäuse erforderlich, was Kosten und Komplexität verringert, da sich eine Kühlmittelrückführleitung zwischen den Gehäusen erübrigt. Die Ausführungsformen mit entfernter Platzierung können auch einen multifunktionalen Verteilerblock beinhalten, der am Elektromotorgehäuse oder am Wechselrichtergehäuse angebracht ist. Der Verteilerblock würde einen Übergangsbereich bereitstellen, vorzugsweise mit standardisierten Verbindungen, um Zusammenbau und Installation des Elektromotor- und Wechselrichtergehäuses zu ermöglichen. Wenn sie am Elektromotorgehäuse angebracht werden, würden die elektrischen Verbindungen des Verteilerblocks mit den Enden der Sammelschienen seitens des Wechselrichters gekoppelt werden.
Die vorliegende Offenbarung richtet sich primär zwar auf die Verwendung der erfindungsgemäßen umlaufend gekühlten elektrischen Maschine in Fahrzeuganwendungen (insbesondere in Anwendungen von Nutzfahrzeugen), doch ist die elektrische Maschine auch gut für die Verwendung im Zusammenhang mit stationären Motorinstallationen (beispielsweise Notstromdieselgeneratoren), nicht für den Straßenverkehr bestimmten Motoranwendungen wie bspw. Baumaschinen mit Eigenantrieb und anderen Motoranwendungen geeignet. Dem ähnlich kann die Erfindung zwar im Zusammenhang mit einem Verbrennungsmotor, der mit dem Rotor eines Elektromotors gekoppelt ist, verwendet werden, doch ist die Verwendung eines Motors nicht erforderlich, und alternative Energiequellen für die Rotation des Rotors können mit der erfindungsgemäßen umlaufend gekühlten elektrischen Maschine gekoppelt werden.
Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung unter Berücksichtigung der zugehörigen Zeichnungen hervor.
Figurenliste

1A und 1B sind Schrägrisse einer elektrischen Maschine mit Elektromotor-Flüssigkeitskühlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 und 3 sind Ansichten der Komponenten der elektrischen Maschine in 1.
4 ist eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A stellt eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher ein Elektromotorgehäuse 101 und ein Wechselrichtergehäuse 110 miteinander verbaut sind, was in dieser Ausführungsform durch Koppeln separater Gehäuseabschnitte miteinander erfolgt. Das Wechselrichtergehäuse 110 ist in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Drehachse eines Elektromotors in das Elektromotorgehäuse 101 verläuft. In 1A schneidet die senkrechte Ebene das Elektromotorgehäuse, und insbesondere einen Rotor 102 und einen Stator 103 des Elektromotors, die sich darin befinden. Das Elektromotorgehäuse enthält zudem eine Umlaufkühlungsanordnung 111, die derart angeordnet ist, dass sie Wärme von einer äußeren Mantelfläche des Stators 103 aufnimmt. Die konkrete Auslegung der Flüssigkeitskühlung ist nicht auf die Auslegung eines allgemein flachen Rohrs der Kühlungsanordnung 111 begrenzt, sondern schließt eine jede Leitungsanordnung ein, die zum Abführen von Wärme vom Elektromotor effektiv ist. Der Kühlmitteleinlassanschluss 106 und Kühlmittelauslassanschluss 107 (siehe 1B) sind an äußeren Flächen des Gehäuses angeordnet und stehen mit der Kühlungsanordnung 111 in Fluidverbindung. Die Kühlanordnungen in dieser Ausführungsform werden weiter unten weitergehend erläutert.
Eine zwischenliegende Gehäuseabdeckung 105 erstreckt sich sowohl über das Elektromotor- als auch Wechselrichtergehäuse, und eine äußere Gehäuseabdeckung 104 erstreckt sich über die zwischenliegende Gehäuseabdeckung 105 und schließt sie ab, wie in 2 gezeigt.
Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Elektromotor und dem Wechselrichter verlaufen über vorgeformte flexible Sammelschienen 108, die sich von einem Elektromotorende des Wechselrichtergehäuses 110 zum Elektromotorgehäuse 101 erstrecken. Die Sammelschienen sind flexibel und dünn genug, um über der Flüssigkeitskühlungsschlauchanordnung zum mittleren Bereich des Elektromotorgehäuses 101 zu verlaufen; zugleich sind sie dick und breit genug, um eine ausreichende Schnittfläche bereitzustellen, damit sie den elektrischen Strom und die Spannung aushalten, die, wie erwartet wird, von den Sammelschienen 108 getragen werden.
Die Sammelschienen 108 stellen eine elektrische Verbindung mit jeweiligen Elektromotorklemmen her, die über wenigstens einen Durchlass in der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung 105 zwischen dem Wechselrichtergehäuse 110 und dem Elektromotorgehäuse 101 (in dieser Ausführungsform Öffnung 122 (auch als Ausschnitt bezeichnet)) zugänglich sind, wobei die Klemmen durch einen nichtleitenden Klemmenblock 109 geführt und/oder in Position gehalten werden. Die Sammelschienen 108 können mit den Elektromotorklemmen 109 gekoppelt werden, indem sie entweder die Öffnung 112 passieren, um zu den Klemmen zu gelangen, oder des erfolgt durch Verbindung mit den Klemmen 109 auf der Wechselrichterseite der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung, die sich durch die Öffnung 122 erstrecken.
Des Weiteren, wie in 1A gezeigt, können leichtere Leiterbahnen wie bspw. eine zu einem Elektromotor-Positions-Resolver 125 führende Signalleitung 126 entlang der Sammelschienen 108 zur Steuerelektronik 112 des Wechselrichters geleitet werden. Nachdem die Sammelschienen 108 installiert worden sind, kann die äußere Gehäuseabdeckung 104 über der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung 105 angebracht werden, um die Komponenten des Wechselrichters und die Komponenten des Elektromotors von äußeren Verunreinigungen zu isolieren. Die Abdichtung der abgedeckten Abschnitte der Gehäuse gegenüber der Umgebung und gegenüber einander wird durch die Verwendung von Gehäuseabdeckungsdichtungen 117-118 und einer Dichtung 119 zwischen dem Elektromotorgehäuse 101 und dem Wechselrichtergehäuse 110 verstärkt.
In dieser Ausführungsform befinden sich die externen elektrischen Verbindungen mit der Wechselrichtersteuerelektronik 112 am Ende des Wechselrichtergehäuses 110. Die Verwendung des Niederspannungsanschlusses 115 und des Hochspannungsanschlusses 116 für die Übertragung von Signalen bzw. elektrischer Energie ist bekannt; daher ist keine weitere Beschreibung für das Leiten von Signalen und elektrischer Leistung zu/von diesen Anschlüssen notwendig.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zudem eine Flüssigkeitskühlung für die Komponenten des Wechselrichters bereitgestellt werden, wie in den 2 und 3 gezeigt. Während der Elektromotor und der Wechselrichter mit separaten Kühlkreisläufen versehen sein können, ist der Kühlkreislauf des Wechselrichters in dieser Ausführungsform ein Zweig, der Kühlmittel jeweils über den Einlassanschluss 106 und Auslassanschluss 107 aufnimmt bzw. abgibt. Konkret fließt das Kühlmittel, das durch den Einlass 106 in das Gehäuse eintritt, über die obere Abzweigung 120a der Kühlmitteldurchlässe 127 in die Umlaufkühlungsanordnung 111, und nachdem es durch die Anordnung zirkuliert ist, wandert es über die untere Abzweigung 120b zum Wechselrichterabschnitt des Kühlkreislaufs. Anschließend passiert das Kühlmittel den Wärmetauscher 128, wo das Kühlmittel Wärme von der Wechselrichterelektronik 112 absorbiert, und tritt durch den Auslassanschluss 107 aus dem Gehäuse aus. Die Kühlmitteldurchlässe 127 können als Schläuche und/oder Bohrungen durch feste Materialien verkörpert sein.
Dadurch, dass in dieser Ausführungsform alle Kühlmittelverbindungen und äußeren elektrischen Verbindungen zu zwei Kühlmittelverbindungen und zwei elektrischen Verbindungen zusammengefasst sind, werden mögliche Quellen für Kühlmittelleckagen aus der elektrischen Maschine wie auch Verbindungsanschlussleckagen aus der Umgebung in die elektrische Maschine minimiert.
3 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der primären Komponenten einer elektrischen Maschine mit umlaufender Flüssigkeitskühlung als miteinander verbundene Befestigungselemente für den Zusammenbau. In dieser Ausführungsform wird das Elektromotorgehäuse 101 mithilfe von Befestigungselementen mit dem Wechselrichtergehäuse 110 gekoppelt. Alternativ können diese Gehäuse einstückig ausgebildet werden. Das Elektromotorgehäuse 101 nimmt den Rotor 102, Stator 103 und die Umlaufkühlungsanordnung 111 des Stators auf. In dieser Ausführungsform weist die Kühlungsanordnung 111 zudem die hintere Abdeckplatte des Gehäuses 101 auf. Dem ähnlich nimmt das Wechselrichtergehäuse 110 die Wechselrichterelektronik 112 auf (der Übersichtlichkeit halber sind andere in diesem Gehäuse vorhandenen elektrischen Komponenten weggelassen).
Oberhalb der Gehäuse 101, 110 befindet sich die zwischenliegende Gehäuseabdeckung 105. Die zwischenliegende Gehäuseabdeckung 105 weist einen Ausschnitt 121 auf, der in dieser Ausführungsform bogenförmig ist und sich an einer Stelle befindet, die einer Öffnung 122 im Elektromotorgehäuse 101 entspricht. Der nichtleitende Klemmenblock 109 ist ähnlich geformt, sodass er einen isolierten Durchgang für Verbindungen zwischen den Sammelschienen 108 und dem Elektromotor bereitstellen kann. In dieser Ausführungsform sind die Sammelschienen 108 mit Bolzen 123 und Muttern 124 gekoppelt, die allesamt von der daneben befindlichen Klemme elektrisch isoliert sind, beispielsweise durch Tüllen in den Durchgangslöchern des nichtleitenden Klemmenblocks 109. Wie in den vorherigen Ausführungsformen der Fall, sind die Sammelschienen 108 an ihren jeweiligen entgegengesetzten Enden mit der Wechselrichterelektronik 112 verbunden; dabei verlaufen sie über der Seitenwand der Elektromotor-Kühlungsschlauchanordnung und behalten zugleich ein minimales Profil in Richtung der Drehachse des Rotors 102 bei. Nach der Installation der Sammelschienen 108 wird die äußere Gehäuseabdeckung 104 über der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung 105 gesichert. Ein Resolver 125 zum Erfassen der Position und/oder Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 102 ist innerhalb der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung 105 ebenfalls von der Umgebung abgeschirmt, wobei seine Signalleitung entlang einer Seitenwand der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung zur Elektronik 112 geleitet wird. Geeignete Dichtungen und/oder Dichtstoffe sind am Gehäuse und den Gehäuseabdeckungskontaktflächen bereitgestellt, um die elektrische Maschine gegenüber eindringenden Flüssigkeiten und anderen ungewollten Verunreinigungen abzudichten und das Elektromotor- und Wechselrichtergehäuse gegenseitig abzudichten.
4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher das Elektromotorgehäuse und das Wechselrichtergehäuse voneinander getrennt sind; dabei liegt das Wechselrichtergehäuse in dieser Ausführungsform nach wie vor in einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse des Rotors des Elektromotors verläuft. In dieser Ausführungsform sind die Sammelschienen 108 mit entsprechenden Klemmen 129 eines Verteilerblocks 130 gekoppelt. Der Verteilerblock 130 stellt Verbindungen 131 für standardisierte elektrische Leitungen 132 bereit, die sich zwischen dem Elektromotorgehäuse 101 und elektrischen Verbindungen 133 am Wechselrichtergehäuse 110 erstrecken. Zwischen Abschnitten von Elektromotor- und Wechselrichtergehäuse erstreckt sich von einer Fluidverbindung 134 zudem eine Kühlmittelleitung 135 für die Übertragung von Kühlmittel zwischen den Gehäusen. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die zwischenliegende Gehäuseabdeckung 105, welche die Verbindung der Sammelschienen 108 über der Umlaufkühlungsvorrichtung 111 erleichtert, nur über den Elektromotorgehäuseabschnitt und den Verteilerblock 130, wohingegen der Wechselrichtergehäuseabschnitt eine separate Abdeckung 136 erhält.
Die vorstehende Offenbarung wurde lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dargelegt und ist nicht einschränkend gedacht. Da sich für den Fachmann solche Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen ergeben können, in denen Geist und Wesen der Erfindung umgesetzt werden, sollte die Erfindung derart ausgelegt werden, dass sie jegliches einschließt, was innerhalb des Umfangs der zugehörigen Ansprüche und von Äquivalenten davon liegt.
Bezugszeichenliste

101: Elektromotorgehäuse
102: Rotor
103: Stator
104: äußere Gehäuseabdeckung
105: zwischenliegende Gehäuseabdeckung
106: Kühlmitteleinlassanschluss
107: Kühlmittelauslassanschluss
108: Sammelschienen
109: nichtleitender Klemmenblock
110: Wechselrichtergehäuse
111: Umlaufkühlungsanordnung
112: Wechselrichtersteuerelektronik
115: Niederspannungsanschluss
116: Hochspannungsanschluss
117: Dichtung
118: Dichtung
119: Dichtung
120a, 120b: oberer und unterer Kühlzweig
121: Ausschnitt der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung
122: Öffnung des Elektromotorgehäuses
123: Bolzen
124: Muttern
125: Resolver
126: Signalleitung
127: Kühlmitteldurchlässe
128: Wärmetauscher
129: Verteilerblocksammelschienenklemmen
130: Verteilerblock
131: elektrische Verbindungen
132: elektrische Leitungen
133: elektrische Verbindungen
134: Fluidverbindung
135: Kühlmittelleitung
136: Wechselrichtergehäuseabdeckung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 15378139 [0006]

Claims

Umlaufend gekühlte elektrische Maschine, umfassend: einen Elektromotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist; eine Umlaufkühlungsanordnung, die konzentrisch um den Stator angeordnet ist und zum Aufnehmen von Wärme von einem äußeren Mantelbereich des Stators ausgelegt ist; einen Wechselrichter; und ein Gehäuse der elektrischen Maschine, wobei das Gehäuse der elektrischen Maschine aufweist: ein Elektromotorgehäuse, das zum Aufnehmen des Elektromotors und der Umlaufkühlungsanordnung ausgelegt ist, ein Wechselrichtergehäuse, das zum Aufnehmen des Wechselrichters ausgelegt ist, wobei das Wechselrichtergehäuse in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu einer Drehachse des Rotors verläuft und den Elektromotor zumindest teilweise schneidet, und elektrische Leitungen zwischen dem Elektromotor und dem Wechselrichter, welche von einem Bereich des Elektromotorgehäuses innerhalb eines Innenradius der Umlaufkühlungsanordnung zu dem Wechselrichter in einer Richtung verlaufen, die radial von der Rotordrehachse weg weist, zu dem Wechselrichter.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die elektrischen Leitungen Sammelschienen aufweisen.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 2, wobei die Sammelschienen als flache Leiterbahnen ausgebildet sind.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die Sammelschienen auf einer Wechselrichtergehäuseseite der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung mit Klemmen eines nichtleitenden Klemmenblocks, angeordnet in den Öffnungen, gekoppelt sind.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die Klemmen auf einer Elektromotorgehäuseseite des nichtleitenden Klemmenblocks mit dem Elektromotor gekoppelt sind.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei die Umlaufkühlungsanordnung eine axiale Höhe entlang der Rotordrehachse aufweist, und die Sammelschienen über ein Ende der Umlaufkühlungsanordnung an einer axialen Position außerhalb der axialen Höhe der Umlaufkühlungsanordnung verlaufen.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: eine zwischenliegende Gehäuseabdeckung, die sich zumindest teilweise über das Elektromotorgehäuse erstreckt; und eine äußere Elektromotorgehäuseabdeckung zwischen der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung und dem Elektromotorgehäuse, wobei die Elektromotorgehäuseabdeckung mit der Umlaufkühlungsanordnung gekoppelt oder einstückig damit ausgebildet ist.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei die Umlaufkühlungsanordnung eine Vielzahl von Kühlschläuchen aufweist, die um eine Wand der Anordnung angeordnet sind.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Kühlschläuchen zum Aufnehmen und Ableiten eines Kühlmediums ausgelegt sind, und wenigstens ein Kühlmedieneinlassanschluss und wenigstens ein Kühlmedienauslassanschluss an dem in wenigstens einem Bereich angeordnet sind, der von den Sammelschienen und dem nichtleitenden Klemmenblock entfernt ist.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 9, wobei das Kühlmedium gemeinsam mit einer Kühlanordnung des Wechselrichters genutzt wird.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei sich der wenigstens eine Kühlmedieneinlassanschluss und der wenigstens eine Kühlmedienauslassanschluss auf Seiten des Elektromotorgehäuses befinden, die parallel zur Drehachse des Rotors verlaufen.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei der wenigstens eine Kühlmedieneinlassanschluss ein einzelner Kühlmedieneinlassanschluss ist und der wenigstens eine Kühlmedienauslassanschluss ein einzelner Kühlmedienauslassanschluss ist, und alle Kühlmedien zum Kühlen des Elektromotors und Wechselrichters den einzelnen Kühlmedieneinlass- und -auslassanschluss passieren.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 12, wobei es sich bei dem Kühlmedium um ein Fluid eines Motors eines Fahrzeugs handelt.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei eine axiale Höhe des Wechselrichtergehäuses innerhalb einer axialen Höhe des Elektromotorgehäuses liegt.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 14, wobei die axiale Höhe des Wechselrichtergehäuses bezüglich der axialen Höhe des Elektromotorgehäuses zentriert ist.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 6, wobei wenigstens eines von den Sammelschienen und den Klemmen wenigstens eine Öffnung der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung passiert.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 7, wobei die Sammelschienen auf einer Wechselrichterseite der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung mit Klemmen gekoppelt sind, die mit entsprechenden Klemmen auf einer Elektromotorgehäuseseite der zwischenliegenden Gehäuseabdeckung in elektrischer Kommunikationsverbindung stehen.
Umlaufend gekühlte elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das Elektromotorgehäuse und das Wechselrichtergehäuse eines von einstückig ausgebildet, einander benachbart und miteinander gekoppelt sind und mit elektrischen Leitungen und Kühlleitungen getrennt sind, welche sich zwischen dem Elektromotorgehäuse und dem Wechselrichtergehäuse erstrecken.