DE19626213C2 - Integrierter drehzahlgeregelter Antrieb - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Antriebsma­ schine, in Elektrofahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Haupt­ anspruchs (DE 44 42 867 A1).

Moderne elektrische Maschinen mit hohen Leistungen weisen häufig dementsprechend hohe Betriebstempera­ turen auf. Dabei unterscheiden sich die Betriebs­ temperaturen des Motor- beziehungsweise Generator­ elementes der elektrischen Maschinen von der zuge­ hörigen Elektronik. Bei luftgekühlten Anlagen wird daher im allgemeinen ein Schaltschrank für die Elektronik, beispielsweise für einen Umrichter, ne­ ben dem Motor vorgesehen. Bei mit Flüssigkeiten ge­ kühlten Anlagen ist es beispielsweise gemäß der DE 28 28 473 bekannt, Kühlölkreisläufe vorzusehen, die einen Ölfluß an einem einen Kühlkörper aufwei­ senden Gleichrichter vorbei und durch das Ständer­ gehäuse des offenbarten Generators ermöglichen. Der beschriebene Kühlkörper dient jedoch ausschließlich dem Kühlen des Gleichrichters und weist keine Bohrungen für Kühlmittel auf.

Aus dem DE-Gebrauchsmuster 81 10 016 ist eine sprühölgekühlte elektrische Maschine bekannt, bei der das Ständergehäuse mit Kühlkanälen für das Kühlmittel durchsetzt ist. Ein Kühlkanal führt dabei zusätzlich durch das hintere Lagerschild der Maschine zur Maschinen-Hohlwelle, um auch den Rotor der Maschine ausreichend zu kühlen. Aus der DE 44 11 055 A1 ist ebenfalls eine elektrische Maschine mit einer Flüssigkeitskühlung bekannt, wobei die Kühlflüssigkeit durch eine Vielzahl von Kühlkanälen im Ständergehäuse der Maschine gepumpt wird. Dabei sind im Bedarfsfall weitere Kühlkanäle in den Wickelköpfen des Ständers vorgesehen. Aus der US-PS 4,959,570 ist es bekannt, neben den Kühlkanälen im Ständergehäuse der elektrischen Maschine auch das Maschineninnere mit der Kühlflüssigkeit durchströmen zu lassen, wobei die Wickelköpfe der Statorwicklung mit einer flüssigkeitbeständigen Beschichtung versehen sind.

Aus der DE 44 44 956 A1, Fig. 12 ist ein Wechselstromgenerator mit Flüssigkeitskühlung bekannt, bei dem Kühlflüssigkeit nicht nur am Außenumfang des Ständerblechpaketes entlang zu den Wickelköpfen geführt ist sondern ferner durch Kühlkanäle im hinteren Lagerschild die dort angeordneten elektrischen Bauelemente kühlt. Die Kühlkanäle sind an diesem Lagerschild zur Stirnseite hin offen und werden dort von einer Kühlabdeckung nach außen hin abgedichtet. Auf der Kühlabdeckung befinden sich elektrische Leistungsbauteile, die über Wärmesenken die in ihnen erzeugte Verlustwärme an die Kühlabdeckung abgeben. Von dort wird die Verlustwärme über den Kühlmittelstrom abgeführt.

Aus der DE 44 42 867 A1 ist schließlich ein Elektromotor für Straßenfahrzeuge bekannt, dessen Gehäuse antriebsseitig als Lagerschild ausgebildet ist. An der Rückseite des Elektromotors befinden sich Modul-Baueinheiten für die Leistungsschalter des Elektromotors, welche in Achsrichtung der Maschine miteinander fest verbunden, jedoch voneinander separiert sind. Der Elektromotor sowie die Modul- Baueinheiten weisen Kühlkanäle bzw. Kühlkammern für eine Flüssigkeitskühlung auf. Die Kühlkammern werden dabei von Trägerplatten für die Leistungsschaltelemente abgedeckt. Bei derartigen Antriebsanordnungen ist somit ein erheblicher konstruktiver, räumlicher und materieller Aufwand für die Flüssigkeitskühlung der thermisch hoch beanspruchten elektrischen Bauelemente erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Aufwand möglichst gering zu halten, um eine kostengünstige und kompakte Antriebseinheit zu bekommen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Antriebsmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß ein Bauteil der elektrischen Maschine, nämlich der Kühlkörper für das mindestens eine elektronische Bauelement, multifunktionell einge­ setzt wird, und zwar als Lagerschild für den Rotor und als Kühlkörper für das mindestens eine elektro­ nische Bauelement. Die unterschiedlichen Betriebs­ temperaturen von Rotor und elektronischem Bauele­ ment lassen sich durch die erfindungsgemäß vorgese­ hene gleichzeitige Verwendung des Kühlkörpers als Lagerschild auch auf eng benachbartem Raum hinrei­ chend gut entkoppeln, so daß es möglich wird, die bisher getrennt aufgebauten Funktionsteile voll­ ständig zu integrieren und Elemente für den Rotor und die Elektronik gemeinsam zu nutzen. Da der er­ findungsgemäß vorgesehene bevorzugte Kühlkörper Bohrungen für den Durchfluß von Kühlmittel, bei­ spielsweise Öl, aufweist, ist eine besonders wirk­ same Kühlung möglich.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Lagerschild eine beliebig geformte Platte verstanden, in der ein Lager für die Rotor­ welle angeordnet und im Gehäuse positioniert ist.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem elektronischen Bauelement ein der Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Ma­ schine dienendes Element verstanden. Insbesondere betrifft die Erfindung auch die Anordnung von elek­ tronischen Leistungsbauelementen, wie Pulswechsel­ richter oder Umrichter, auf einem als Lagerschild ausgeführten Kühlkörper.

Die Erfindung umfaßt ferner das Merkmale, eine durch den Kühlkörper verlaufende, sich während des Betriebs der Maschine stark erhitzende elektrische Verbindung der elektronischen Leistungsbauelemente zum Ständer, beispielsweise zu dessen Stromversorgung, mit weiteren Kühlkanälen zu umgeben. Durch die dadurch ermöglichte intensive Kühlung der elektrischen Verbindung können die un­ terschiedlichen Temperaturniveaus auf einfache Art und Weise entkoppelt werden. Diese zusätzlichen Kühlkanäle können längs oder quer zur Längsachse der elektrischen Verbindung angeordnet sein, bei­ spielsweise über den gesamten Umfang des Verbin­ dungselementes beziehungsweise beispielsweise über die gesamte Länge des Verbindungselementes.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung sieht in bevorzugter Weise vor, die mittels des erfindungsgemäßen Kühlkörpers bewirkte Flüssigkeits­ kühlung des mindestens einen elektronischen Bauele­ ments entweder in Reihe mit der mittels Kühlkanälen im Ständergehäuse erfolgenden Kühlung des Rotors oder separat davon durchzuführen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform er­ möglicht die erfindungsgemäße Maschine die Integra­ tion eines Drehzahlsensors, der durch einen am er­ findungsgemäß ausgeführten Lagerschild angebrachten Sensorteil mit elektronischen Elementen und einer auf der Welle des Rotors mitrotierenden Geberspur gebildet wird, wobei der Drehzahlsensor nach außen eine hohe Schutzklasse aufweist, während im Inneren eine offene Bauweise möglich ist.

Die erfindungsgemäße Maschine erlaubt es zudem, alle Leistungsverbindungen, die Wechselstrom va­ riabler Frequenz führen, elektromagnetisch verträg­ lich zu kapseln und somit die Entstörung zu er­ leichtern.

Die erfindungsgemäße Maschine kann selbstverständ­ lich auch mehr als ein, beispielsweise zwei, Lager­ schilde, die als Kühlkörper wirken und entsprechend ausgeführt sind, aufweisen. Die Anordnung der elek­ tronischen Bauelemente beziehungsweise Leistungs­ bauelemente auf der dem Rotor abgewandten Stirnflä­ che des Lagerschildes ist aufgrund der gewünschten Wärmeentkopplung bevorzugt. Gleichwohl ist es er­ findungsgemäß auch möglich, die durch den Kühlkör­ per gekühlten Bauelemente auf der dem Rotor zuge­ wandten Fläche des jeweiligen Lagerschildes anzu­ ordnen oder in dem Lagerschild selbst.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand einer Figur und des dazu­ gehörigen Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine im Längsschnitt.

Ausführungsbeispiel

Die Figur zeigt eine elektrische Maschine 2, in de­ ren zylinderförmigen Gehäuse 4 ein Ständer 6 und ein Rotor 8 angeordnet sind. Die Welle 10 des Ro­ tors 8 ist drehbar in Lagern 12 und 14 gelagert. Das Lager 12 befindet sich in dem Lagerschild 16, das gleichzeitig als Kühlkörper ausgebildet ist. Das Lagerschild 16 weist senkrecht zur Längsachse A des Rotors 8 parallel zueinander verlaufende und miteinander beispielsweise über Umlenkkanäle ver­ bundene Kühlkanäle 18 auf, die im Bereich der dem Rotor abgewandten Stirnfläche 20 des Lagerschilds 16 angeordnet sind. Selbstverständlich können die Kühlkanäle 18 auch anders angeordnet sein, bei­ spielsweise in Mäander- oder Spiralform. An der dem Rotor abgewandten Stirnfläche 20 des Lagerschilds 16 befinden sich zwei elektronische Leistungsbau­ elemente 22. Die im Lagerschild 16 vorhandenen Kühlkanäle 18 sind über einen Verbindungskanal 24 mit Kühlkanälen 26 in Reihe geschaltet, die senk­ recht zur Längsachse A des Rotors 8 parallel zuein­ ander und miteinander verbunden im Gehäuse 4 ver­ laufen. Selbstverständlich können die Kühlkanäle 26 auch anders angeordnet sein, beispielsweise paral­ lel zur Längsachse A des Rotors. Die Kühlkanäle 26 dienen der Kühlung der Generator- beziehungsweise Antriebseinheit. Die Figur verdeutlicht auch die Kühlung einer elektrischen Verbindung 28 zum Stän­ der 6 durch Kühlkanäle 30, die parallel zueinander und miteinander verbunden senkrecht zur Längsachse A des Rotors 8 um die elektrische Verbindung 28 an­ geordnet sind. Auch hier sind andere Anordnungen der Kühlelemente 30 möglich. Die Kühlkanäle 30 die­ nen der gezielten Kühlung der Hochstromverbindung 28, so daß eine thermische Entkopplung der elektri­ schen Leistungsbauelemente 22 von der Generator­ beziehungsweise Antriebseinheit gewährleistet ist. Das Lagerschild 16 weist ferner ein Sensorteil 32 mit integrierter Elektronik auf, der zusammen mit einer auf dem Rotor 8 mitrotierenden Geberspur 34 einen Drehzahlsensor bildet.

Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch Ab­ wandlungen der vorgenannten Ausführung. So ist es erfindungsgemäß auch vorgesehen, auf den Verbin­ dungskanal 24 zu verzichten und demgemäß getrennte Kühlkreisläufe für das Lagerschild und die Ro­ toreinheit vorzusehen. Ferner ist es auch möglich, die Kühlkanäle nicht als Bohrungen im Lagerschild oder Ständergehäuse auszuführen, sondern beispiels­ weise Nuten aufweisende Lagerschildteile bezie­ hungsweise Gehäuseteile zu verwenden, wobei die Nu­ ten als Kühlkanäle fungieren und durch ein jeweili­ ges zweites Gehäuseteil beziehungsweise La­ gerschildteil abgedeckt werden.

Claims (7)

1. Elektrische Antriebsmaschine zum Einsatz in Elektrofahrzeugen, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Ständer, einem in einem Lager mindestens eines Lagerschilds gelagerten Rotor, mindestens einem elektronischen Bauelement, einem mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlten Kühlkörper für das mindestens eine elektronische Bauelement und mit einer elektrischen Verbindung vom elektronischen Bauelement zum Ständer, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (16) für das mindestens eine elektronische Bauelement (22), insbesondere Leistungsbauelement, als Lagerschild ausgebildet ist, welches an seiner Stirnseite (20) wärmeleitend das mindestens eine elektronische Bauelement (22) trägt und mehrere Kühlkanäle (18) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit aufweist, wobei die vom elektronischen Bauelement (22) zum Ständer (6) verlaufende elektrische Verbindung (28) durch das Lagerschild (16) verläuft und von weiteren, im Lagerschild (16) vorhandenen Kühlkanälen (30) umgeben ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Kühlkanäle (30) senkrecht zur Längsachse (A) des Rotors (8) konzentrisch um die elektrische Verbindung (28) angeordnet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Gehäuse (4) mindestens mehrere, vorzugsweise senkrecht zur Längsachse (A) des Rotors (8) verlaufende Kühlkanäle (26) zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit aufweist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (18) des Kühlkörpers (16) in Reihe mit Kühlkanälen (26) des Gehäuses (4) geschaltet sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (18) des Kühlkörpers (16) getrennt von Kühlkanälen (26) des Gehäuses (4) geschaltet sind.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (2) ferner einen Drehzahlsensor mit einem eine integrierte Elektronik aufweisenden Sensorteil (32) am Lagerschild (16) und eine Geberspur (34) am Rotor(8) aufweist.

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement (22), vorzugsweise elektronische Leistungsbauelement (22), ein Pulswechselrichter ist.