DE19921310A1 - Elektrische Vorrichtung, insbesondere elektrischer Antrieb für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Elektrische Vorrichtung, insbesondere elektrischer Antrieb für Kraftfahrzeuge

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Abstract

Bei einer elektrischen Vorrichtung mit einem mehrere Adern und einem Kabelmantel umfassenden Kabels, insbesondere einem elektrischen Antrieb für Kraftfahrzeuge ist im Kabel ein zentraler, sich in Kabellängsrichtung erstreckender, von einem Kühlmedium durchströmbarer Kühlkanal (2) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung, insbesondere einen elektri­ schen Antrieb für Kraftfahrzeuge mit einem mehrere Adern und eine Kabelhülle umfassenden Kabel. Bei elektrischen Vorrichtungen, beispielsweise dem Antrieb für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, werden etwa für die Verbindung zwischen der Stromversorgung und dem Motor Kabel mit Querschnitten von mehr als 50 mm2 eingesetzt, um den erforderlichen hohen Stromfluss zu gewährleisten.
Kabel mit solchen Querschnitten tragen erheblich zum Gewicht eines Fahrzeuges bei. Ein weiteres Problem, das nicht nur bei den genannten Fahrzeugen auftritt, ist die thermische Belastung. Von hohen Strömen durchflossene Leistungskabel er­ hitzen sich naturgemäß, was zu einer thermischen Belastung der gesamten Vor­ richtung führt.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Vorrichtung, insbesondere einen elektrischen Antrieb für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, bei der die genannten Nachteile umgangen sind.
Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass in einem Leistungska­ bel ein zentraler, sich in Kabellängsrichtung erstreckender und von einem Kühl­ medium durchströmbarer Kühlkanal angeordnet ist. Die in den Kabeln entstehen­ de Wärme kann daher zum großen Teil abgeführt und dadurch die thermische Belastung der gesamten Vorrichtung verringert werden. Ein weiterer Vorteil be­ steht darin, dass aufgrund der Innenkühlung des Kabels der wirksame Kabelquer­ schnitt verkleinert und damit das Gewicht des Kabels verringert werden kann. Die Kühlung verringert auch den elektrischen Widerstand des Kabels, so dass die wi­ derstandsbedingte Wärmeentwicklung praktisch mit der eines Kabels üblichen Querschnittes vergleichbar ist.
Bei einem Elektroantrieb oder einem Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges ist es vorteilhaft, wenn der sich in einem Kabel befindliche Kühlkanal Teil eines ohnehin vorhandenen Kühlkreislaufes ist. Aufgrund der Doppelfunktion der Leistungskabel, nämlich Stromleitung und Weiterleitung des Kühlmediums, kann somit zumindest ein Teil der für den Kühlkreislauf erforderlichen Leitungen eingespart werden.
Der Kühlkanal kann allein durch eine - im Querschnitt gesehen - ringförmige An­ ordnung der Adern gebildet sein. Die Abdichtung nach außen erfolgt dabei durch die Kabelhülle. Eine solche Ausgestaltung erfordert allerdings ein elektrisch nicht leitendes Kühlmedium, beispielsweise Öl. Im Falle elektrisch leitender Kühlmedien ist der Kühlkanal von einem wärmedurchlässigen Rohr oder einem Schlauch ge­ bildet. Eine solche Kühlmedium-Leitung muss aufgrund ihrer geschützten Anord­ nung innerhalb des Kabels nicht die hohe mechanische Stabilität aufweisen, wie eine frei verlegte Kühlmedium-Leitung.
Bei Vorrichtungen der in Rede stehenden Art tritt eine thermische Belastung auch an den Kontaktstellen auf, also etwa an der Verbindungsstelle zwischen Kabel und Elektromotor. Um zumindest einen Teil der dort entstehenden Wärme abzu­ führen, ist es zweckmäßig, den Kühlkanal in unmittelbarer Nähe zum Kontaktbe­ reich seitlich oder stirnseitig aus dem Kabel herauszuführen. Eine weitergehende Kühlung kann dadurch erreicht werden, dass ein Flächenbereich der Kontaktstelle mit einer Kühlfläche in Wärmekontakt steht, die von einer Wand einer an den Kühlkanal angeschlossenen und von Kühlmedium durchströmbaren Kammer ge­ bildet ist. Eine weitere Möglichkeit zur Kühlung einer Kontaktstelle besteht darin, dass diese von einem Hohlraum durchsetzt ist, der mit dem Kühlkanal in Verbin­ dung steht. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch bewerkstelligt werden, dass am Kabelende ein hülsenförmiges Kontaktelement fixiert ist, das von einer Schraube mit Radialabstand durchsetzt ist. Der zwischen Schraube und dem hül­ senförmigen Kontaktelement vorhandene Innenraum ist dabei über einen bei­ spielsweise radial verlaufenden Verbindungskanal mit dem Kühlkanal des Kabels verbunden. Eine noch weitergehende Kühlung kann dadurch erreicht werden, dass auch die Schraube innen hohl ausgebildet ist, nämlich eine sacklochförmige axial erstreckende Ausnehmung aufweist, die im Bereich der Kontakthülse mit einer Radialbohrung versehen ist. Über diese Bohrung steht die sacklochförmige Ausnehmung mit dem Innenraum der Kontakthülse in Verbindung. Die stirnseitige Öffnung am schraubenkopffernen Ende der Schraube bildet die Verbindung mit einem Abflusskanal, der in einer mit der Schraube verbundenen Mutter angeord­ net ist und in deren Außenseite mündet.
Die Erfindung wird nun anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Kabel mit innenliegendem Kühlkanal in teilweise geschnittener Seitenansicht,
Fig. 2 ein Funktionsschema eines elektrischen Antriebes,
Fig. 3 ein mit einer Kontaktstelle verbundenes Kabelende,
Fig. 4 eine teilweise geschnittene schematische Ansicht einer mit Hilfe einer Kühlkammer gekühlten Kontaktstelle, und
Fig. 5 eine von einem Hohlraum durchsetzte und von Kühlmedium durchflos­ sene Kontaktstelle.
Das in Fig. 1 schematisch gezeigte Kabel 1 weist einen zentralen Kühlkanal 2 auf, der von einem Schlauch 3 gebildet ist. Um den Schlauch 3 herum sind Adern 4 angeordnet, die in üblicher Weise gestaltet sind, also eine isolierende Umhüllung aufweisen und entweder aus einem oder aus mehreren Drähten bestehen. Die Adern 4 bilden somit im Querschnitt gesehen einen Ring, der außenseitig von ei­ ner Kabelhülle 5 umgeben ist.
Fig. 2 zeigt exemplarisch den Aufbau eines Elektroantriebs für ein Kraftfahrzeug. Ein Elektromotor 6 ist unter Zwischenschaltung eines DC/AC-Wechselrichters 7 an eine Batterie 8 angeschlossen. Die Verbindung von der Batterie 8 zum Wech­ selrichter 7 erfolgt über zwei Kabel 1a, 1b. Der Wechselrichter wandelt die Gleich­ spannung der Batterie in einen Drehstrom um. Dementsprechend ist der Motor 6 mit dem Wechselrichter über drei Kabel 1c, 1d und 1e verbunden. Sowohl der Wechselrichter 7 als auch der Motor 6 sind gekühlt. Sie weisen zu diesem Zweck Leitungsanschlüsse 10a, 10b, 10c, 10d auf. Der Leitungsanschluss 10d, der den Kühlmittelaustritt des Motors bildet, ist über eine Leitung 9 eingangsseitig mit einer Pumpe 12 verbunden. Die Pumpe 12 fördert Kühlmedium über eine Leitung 13, in den Kühlkanal 2a des Kabels 1b. Der Kühlkanal 2a erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Kabels 1b, tritt im Bereich der Batterie 8 seitlich aus und mündet in eine Verbindungsleitung 14, die ihrerseits wiederum in den Kühlka­ nal 2b des Kabels 1a mündet. An seinem anderen Ende ist der Kühlkanal 2b mit dem Leitungsanschluss 10a des Wechselrichters 7 verbunden. Der mit dem Kühlmittelausgang 10b des Wechselrichters verbundene Kühlkanal 2c des Ka­ bels 1c erstreckt sich bis zum Elektromotor 6. Sein dort angeordnetes Ende ist über eine Verbindungsleitung 15 mit dem Kühlkanal 2d des Kabels 1d verbunden. Dessen, dem Wechselrichter 7 naheliegendes Ende schließlich ist über einen Verbindungskanal 16 mit dem Kühlkanal 2e des Kabels 1e verbunden. Der Kühl­ kanal 1c schließlich ist mit dem Leitungsanschluss 10c des Elektromotors 6 ver­ bunden. Dem Schema des in Fig. 2 dargestellten elektrischen Antriebs ist zu ent­ nehmen, dass durch die Anordnung der Kühlkanäle 2 innerhalb der Kabel 1 ne­ ben der Kabelkühlung der weitere Effekt erreicht wird, dass ein Großteil des Kühl­ kreislaufes durch die Kabel 1 selbst abgedeckt wird.
Fig. 3 zeigt das Ende 17 eines Kabels 1, das mit einer Kontaktstelle 18 elektrisch und mechanisch verbunden ist. Mit dem abisolierten Kabelende ist ein Kabel­ schuh 19 verbunden, der mit einer Crimphülse 20 am abisolierten Kabelende fi­ xiert ist. Der Kabelschuh ist von einem Schraubbolzen 21 durchgriffen und mit Hilfe einer auf den Schraubbolzen 21 aufgeschraubten Mutter 22 an einem Bau­ teil 23 fixiert. Ein Teil der an der Kontaktstelle 18 entstehenden Wärme wird über den Kontaktschuh zum Kühlkanal 2 geleitet und dort in Strömungsrichtung 24 vom Kühlmedium abgeführt.
Eine weitere Möglichkeit zur Kühlung einer Kontaktstelle 18a ist in Fig. 4 schema­ tisch gezeigt. Die Kontaktstelle 18a weist einen Flächenbereich 25 auf, der mit einer Kühlfläche 26 in Wärmekontakt steht. Der Flächenbereich 25 ist beispiels­ weise von der Oberseite des Kopfes 27 eines einen Kabelschuh 19 fixierenden Schraubbolzens 21 gebildet. Die Kühlfläche 26 hingegen ist die Außenseite einer Wand 28, die Teil einer von Kühlmedium in Strömungsrichtung 24 durchströmten Kammer 29 ist. Die Kammer 29 weist einen Anschlussstutzen 30 auf, mit dem das Ende eines seitlich aus einem Kabel 1 herausgeführten Kühlschlauches 3 ver­ bunden ist.
Fig. 5 zeigt schließlich eine Kontaktstelle 18b, die von einem elektrisch nicht lei­ tenden Kühlmedium durchströmt ist. Das Kabelende ist hier mit einem im Wesent­ lichen hülsenförmigen Kontaktelement, nämlich einer Kontakthülse 32 verbunden. Das abisolierte Kabelende 17a liegt in einer etwa radial von der Kontakthülse 32 abstehenden Fixierhülse 33 ein, die zur Kabelfixierung radial nach innen verdrückt ist. Weiterhin weist die Kontakthülse 32 einen radial abstehenden und koaxial in­ nerhalb der Fixierhülse 33 angeordneten Anschlussstutzen 34 auf, an dem das Ende des Kühlschlauches 3 fixiert ist. Die Kontakthülse 32 ist von einer Schrau­ be 35 durchgriffen, die auch eine Bohrung 36 im Bauteil 23 durchsetzt. Auf dem unterseits aus dem Bauteil 23 vorstehenden Gewindeschaftbereich der Schrau­ be 35 ist eine Mutter 37 aufgeschraubt. Die Schraube 35 weist eine sacklochför­ mige Ausnehmung 38 auf, die sich nahezu bis zum Schraubenkopf erstreckt und die am schraubenfernen Ende mit einer stirnseitigen Öffnung 39 mit einem Ab­ flusskanal 40 in Verbindung steht. Der Abflusskanal 40 ist innerhalb der Mutter 37 angeordnet und mündet über einen Anschlussstutzen nach außen. Die Wand 43 der Kontakthülse 32 ist ballig radial nach außen gewölbt, so dass zwischen dem Schraubenschaft 44 und der Kontakthülse 32 ein Radialabstand bzw. ein Rin­ graum 45 vorhanden ist. Dieser steht zum einen über den Anschlussstutzen 34 mit dem Kühlkanal 2 und andererseits über Radialbohrungen 46 mit der Ausneh­ mung 38 im Schraubenschaft 44 in Verbindung. Ein in Strömungsrichtung 24 durch die Kontaktstelle 18b gefördertes Kühlmedium führt somit Wärme aus der Kontakthülse 32, der Schraube 35, dem Bauteil 23 und der Mutter 37 ab. Die Ab­ dichtung des Ringraumes 45 erfolgt durch Zwischenlegscheiben 47.
Bezugszeichenliste
1
Kabel
2
Kühlkanal
3
Schlauch
4
Ader
5
Kabelhülle
6
Elektromotor
7
Wechselrichter
8
Batterie
9
Leitung
10
Leitungsanschluss
12
Pumpe
13
Leitung
14
Verbindungsleitung
15
Verbindungsleitung
16
Verbindungsleitung
17
Ende
18
Kontaktstelle
19
Kabelschuh
20
Crimphülse
21
Schraubbolzen
22
Mutter
23
Bauteil
24
Strömungsrichtung
25
Flächenbereich
26
Kühlfläche
27
Kopf
28
Wand
29
Kammer
30
Anschlussstutzen
32
Kontakthülse
33
Fixierhülse
34
Anschlussstutzen
35
Schraube
36
Bohrung
37
Mutter
38
Ausnehmung
39
Öffnung
40
Abflusskanal
42
Anschlussstutzen
43
Wand
44
Schraubenschaft
45
Ringraum
46
Radialbohrung
47
Zwischenlegscheibe

Claims (10)

1. Elektrische Vorrichtung, insbesondere elektrischer Antrieb für Kraftfahrzeuge, mit einem mehrere Adern (4) und eine Kabelhülle (5) umfassenden Kabel (1), dadurch gekennzeichnet, dass im Kabel ein zentraler, sich in Kabellängsrichtung erstreckender, von ei­ nem Kühlmedium durchströmbarer Kühlkanal (2) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (2) von einem wärmedurchlässigen Rohr oder Schlauch (3) gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kabelende (17) mit einem Kontaktbereich (18) elektrisch und me­ chanisch verbunden ist, wobei der Kühlkanal (2) in unmittelbarer Nähe zum Kontaktbereich (18) seitlich oder stirnseitig aus dem Kabel (1) herausgeführt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (18a) mit einem Flächenbereich (25) mit einer Kühl­ fläche (26) in Wärmekontakt steht, wobei die Kühlfläche (26) von einer Wand (28) einer an den Kühlkanal (2) angeschlossenen und von Kühlmedium durchströmbaren Kammer (29) gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (18b) von einem Hohlraum durchsetzt ist, der mit dem Kühlkanal (2) in Verbindung steht und von Kühlmedium durchströmbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Kabelende (17a) ein etwa hülsenförmiges Kontaktelement, nämlich eine Kontakthülse (32) fixiert ist, die von einer Schraube (35) mit Radialab­ stand durchsetzt ist, wobei der Innenraum der Kontakthülse (32) über einen etwa radial verlaufenden Verbindungskanal mit dem Kühlkanal (2) des Ka­ bels (1) in Verbindung steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (35) eine sacklochförmige, sich axial erstreckende Aus­ nehmung (38) aufweist, die im Bereich der Kontakthülse (32) mit einer Radial­ bohrung (47) mit dem Innenraum der Kontakthülse (32) und über eine stirnsei­ tige Öffnung (39) mit einem in einer mit der Schraube (35) verbundenen Mut­ ter (37) angeordneten und in deren Außenseite mündenden Abflusskanal (40) verbunden ist.
8. Elektroantrieb, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor (6), einer Stromquelle und einer einen Kühlkreislauf umfassenden, zur Kühlung beispielsweise des Motors dienenden Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die beispielsweise den Motor (6) mit der Stromquelle verbindenden Lei­ stungskabel (1) einen zentralen, sich in Kabellängsrichtung erstreckenden und von den Adern des Kabel umgebenen Kühlkanal (2) aufweisen, der einen Teil des Kühlkreislaufes bildet.
9. Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal von einem wärmedurchlässigen Rohr oder Schlauch (3) gebildet ist.
10. Antrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelenden (17) mit Kontaktbereichen (18) elektrisch und mecha­ nisch verbunden sind, die entsprechend den Ansprüchen 3 bis 7 ausgebildet sind.
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