DE4417432A1 - Flüssigkeitsgekühlte Antriebseinheit für ein Elektromobil - Google Patents

Description

Die Erfindung handelt von einer Antriebseinheit für ein Elek­ tromobil, die aus einem an ein Getriebe angeflanschten Elektro­ motor, dessen Gehäuse flüssigkeitsdurchströmt ist, und aus einem Steuergehäuse besteht. Bei Elektromobilen ist Flüssig­ keitskühlung trotz des höheren Aufwandes vorteilhaft, weil sie durch leichte Motoren mit hoher Energiedichte geringes Fahr­ zeuggewicht begünstigt und deren Einbau im Inneren des Fahr­ zeuges erleichtert.

Es ist aus der Praxis - etwa aus dem Kranbau - bekannt, Elek­ tromotoren zum Zweck der Kühlung mit flüssigkeitsdurchströmten Gehäusen auszubilden. Solche Motoren liegen meist in einem ho­ hen Leistungsbereich und werden von einer Schaltwarte aus ge­ steuert, in der auch die sehr umfangreichen Steueranlagen un­ tergebracht sind.

Elektromobilmotoren sind relativ klein, ihre Steuerung ist je­ doch sehr kompliziert, um allen Anforderungen des Betriebes (Leistungsregelung, Drehzahl und Drehsinnregelung, Nutzbrem­ sung, Batterieladung, Schaltung eines gegebenenfalls vorhande­ nen Getriebes etc.) gerecht zu werden. Sie werden heute mit Stromrichterschaltungen in Halbleiterbauweise, deren Raumbedarf geringer ist, und mit Steuerprozessoren erfüllt. Wegen der ho­ hen Energiedichte der Leistungselektronik und der thermischen Empfindlichkeit der Prozessoren ist es üblich, die Steuerung auf verschiedene Stellen im Motorraum zu verteilen und die Leistungselektronik an einer Stelle mit reichlicher Kühlluft­ zufuhr unterzubringen. Das erfordert lange und (etwa durch Schwingungen) verletzliche Verbindungsleitungen, trotzdem bleibt die Kühlung unbefriedigend und die Zugänglichkeit für Diagnose und Reparatur ist schlecht.

Aus der DE-OS 39 41 474 ist es zwar bereits bekannt, den Gleichrichterbereich eines in einen flüssigkeitsgekühlten Auf­ nahmehohlraum eines Verbrennungsmotors eingebauten Generators innerhalb dessen Bereiches oder auch in einem von diesem ge­ trennten Bereich anzuordnen. Ein Gleichrichter fühlt sich bei der Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors wohl. Diese Tem­ peratur von etwa 80° ist aber für einen Steuerprozessor, wie er für die Steuerung eines Elektromobilmotors erforderlich ist, bereits unerträglich.

Es ist daher Ziel der Erfindung, eine gattungsgemäße Antriebs­ einheit mit Prozessorsteuerung kompakt und trotzdem thermisch stabil auszubilden.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der Boden des Steuergehäuses auf das Gehäuse des Elektromotors aufgesetzt und ebenfalls flüssigkeitsgekühlt ist, wobei der Boden des Steuer­ gehäuses mit dem Motorgehäuse in Serie flüssigkeitsverbunden ist und zuerst durchströmt wird. Motor und Steuergehäuse mit sämtlichen Steuerelementen werden somit zu einer Einheit zu­ sammengefaßt. So entfallen viele Kabelverbindungen und es wird eine Antriebseinheit geschaffen, die mit wenigen Handgriffen in das Fahrzeug einzusetzen ist. Möglich ist das durch die Einbe­ ziehung der Steuerung in den Kühlkreislauf, wobei durch die Serienschaltung sichergestellt werden kann, daß die empfind­ lichsten Teile - die selbst meist wenig Wärme erzeugen - an der kühlsten Stelle angeordnet werden und der Motor trotzdem inten­ siv gekühlt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Motorgehäuse aus einem Innenkörper mit Leitrippen und aus einem Hüllrohr, das mit dem Boden des Steuergehäuses einstückig ist, wobei der Boden durch eine Öffnung im Hüllrohr mit dem Raum zwischen Hüllrohr und Innenkörper verbunden ist (Anspruch 2). So kann das Hüllrohr mit Boden als einfacher Gußteil konzipiert sein, der die Leitrippen des Innenkörpers umgibt und so die Kühlka­ näle für die Motorkühlung bildet. Die zuerst den Boden des Steuergerätes kühlende Flüssigkeit kann durch die Öffnung in das Motorgehäuse übertreten, ohne Rohrleitungen und mit mini­ malem Druckverlust.

Aus der EP-OS 208 219 ist es zwar bekannt, einen Elektromotor mit einem Hüllrohr zu umgeben, um eine Flüssigkeitskühlung zu ermöglichen. Das Gehäuse besteht jedoch aus vielen Teilen, was Abdichtung und Zusammenbau erschwert und weist kein angebautes Steuergehäuse auf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Innenkörper nahe seinen Stirnenden Umfangsnuten zur Aufnahme eines Dichtringes (Anspruch 3) und nahe einem Stirnende einen Bund auf, der dem Hüllrohr als Anschlag in axialer Richtung dient (Anspruch 4). So wird mit einfachen Maßnahmen eine gute Abdichtung erreicht.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Motorgehäuse außerhalb des Bundes mindestens einen radialen Kanal zur Auf­ nahme von elektrischen Verbindungsleitungen auf (Anspruch 5). Es bestehen also zwischen Steuergerät und Motor keine freien Verbindungsleitungen mehr, was die Betriebssicherheit weiter erhöht. Freiliegende Leitungen sind bei den in einem Fahrzeug immer auftretenden Schwingungen exponiert und stellen im Kolli­ sionsfall auch eine Gefährdung dar.

Schließlich ist es noch praktisch, in den Kühlflüssigkeits­ kreislauf außerhalb der Antriebseinheit einen Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung einzuschalten (Anspruch 6). Durch die umfassende Wirkung des erfindungsgemäßen Kühlsystemes wird die gesamte Verlustwärme durch die Kühlflüssigkeit abgeführt und kommt vollständig der Fahrzeugheizung zugute. Die Energie dafür müßte andernfalls der Akkumulatorenbatterie entnommen werden, was auf Kosten der immer prekären Reichweite des Fahrzeuges ginge.

Aus der DE-OS 34 42 350 ist es zwar bekannt, die Verlustwärme von Leistungshalbleitern einem Heizkörper im Innenraum eines Fahrzeuges zuzuführen, die Motorverlustwärme bleibt aber unge­ nutzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der gesamten Antriebseinheit mit Steuergerät;

Fig. 2 einen vertikalen Längsschnitt nach II-II in Fig. 1 durch Steuergehäuse und Elektromotor;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Elektromotor mit abgenommenem Steuergehäuse, die darunterliegenden Motorteile sind nicht gezeigt;

Fig. 4 eine Draufsicht aus dem erfindungsgemäßen Elektromotor wie in Fig. 3, jedoch mit abgenommenen Außenteil;

Fig. 5 eine Stirnansicht nach V in Fig. 4;

Fig. 6 einen Querschnitt nach BB in Fig. 3;

Fig. 7 einen Querschnitt nach AA in Fig. 3;

Fig. 8 das Detail X der Fig. 6 in Ansicht;

Fig. 9 eine schematische Seitenansicht der Antriebseinheit mit Kühlkreislauf.

Die gesamte in Fig. 1 dargestellte Antriebseinheit besteht aus einem Elektromotor 1, der an eine Getriebeeinheit 2 ange­ flanscht ist, und aus einem darüberliegenden Steuergehäuse 5, das den Motor 1 hier teils verdeckt. Zu dem Steuergehäuse 5 führt eine Signal- und Steuerleitung 6. Stromzufuhrleitung und Akkumulatorenbatterie sind nicht dargestellt. Das Kabel 7 stellt die Verbindung zu einem Schaltaktuator 3 des Getriebes 2 her. Die Radantriebswellen 4 und eine Nase 8 zur Befestigung der Antriebseinheit im Fahrzeug sind nur angedeutet.

Im Längsschnitt durch den Motor gemäß Fig. 2 ist die Motorachse angedeutet und mit 10 bezeichnet. Der erfindungsgemäße Elektro­ motor 1 besteht aus einem zylindrischen Innenkörper 11 (Stator­ wicklungen und Rotor sind der Einfachheit halber weggelassen), der in axialer Richtung von einem linken Flansch 12 zum Anschluß an die Getriebeeinheit 2 und von einem rechten Flansch 13 für einen nicht dargestellten Lagerschild begrenzt ist. Für die Verbindung der beiden Flansche 12, 13 mit den angrenzenden Teilen sind die Gewindebohrungen 14 an beiden Seiten vorgese­ hen. Am Außenumfang beider Flansche 12, 13 ist je eine Nut 15 zur Aufnahme eines Dichtringes angeordnet. Am rechten Flansch 13 ist ein Anschlagbund 17 ausgebildet (siehe Fig. 2, 4 und 5). Zwischen den Flanschen 12, 13 erstreckt sich eine spiralför­ mige Leitrippe 16 (Fig. 4). Der rechte Flansch 13 weist weiters eine Befestigungskonsole 18 und Stutzen 19 (beide Fig. 4) auf, die Kanäle 20 zur Aufnahme elektrischer Verbindungsleitungen zwischen Motor 1 und Steuergehäuse 5 enthalten. Die Leitrippe 16 bildet am Umfang des Innenkörpers 11 einen ersten Kühlkanal 21.

Der Innenkörper 11 des Motors ist von einem Hüllrohr 25 (Fig. 2, 7) umgeben. Dieses Hüllrohr 25 besteht aus einer Umfangswand 26, die die ersten Kühlkanäle 21 des Innenkörpers 11 nach außen begrenzt, es ist durch in Nuten 15 verlegte Dichtringe gegenü­ ber dem Innenkörper abgedichtet und durch den Anschlagbund 17 am Innenkörper in axialer Richtung festgelegt. Am oberen Teil des Hüllrohres 25 ist ein Kühlsattel 27 mit seitlichen Wänden 28 ausgebildet, der in einem ebenen Rechteckflansch 29 mit einer Dichtungsnut 30 und Bohrungen 31 endet. Im Inneren des Kühlsattels 27 sind Leitwände 32 (Fig. 3) vorgesehen, die einen zweiter Kühlkanal 33 bilden.

Auf den Rechteckflansch 29 des Kühlsattels 27 ist ein Steuer­ gehäuseboden 40 dichtend angeschraubt (wieder Fig. 2), wozu auch dieser einen Rechteckflansch 42 aufweist. Auf dem Steuergehäu­ seboden 40 ist ein Chassis 43 angeschraubt, das die gesamte Elektronik, die hier nur angedeutet ist, trägt. Auf den Steuer­ gehäuseboden 40 ist dann ein Steuergehäusedeckel 41 dichtend aufgeschraubt.

Anhand der Fig. 3, 6, 7, und 8 wird nun der Kühlkreislauf be­ schrieben. Die Kühlflüssigkeit, im allgemeinen Wasser, tritt bei 50 (Fig. 3, 6) in den Kühlsattel 27 ein. Es durchläuft dort den von den Leitwänden 32 gebildeten schlangenförmigen zweiten Kühlkanal 33, wobei es den Steuergehäuseboden 40 bestreicht. Sodann tritt es durch den Schacht 51 (Fig. 7) und durch eine Öffnung 52 im Hüllrohr 26 in den ersten Kühlkanal 21 und umströmt spiralförmig den Innenkörper 11 des Motors, wobei es diesen wirksam kühlt. Dann tritt es durch den Kühlwasseraus­ trittstutzen 53 (Fig. 6, 8) aus.

Der äußere Kühlkreislauf 60 ist in Fig. 9 schematisch darge­ stellt. Das durch den Kühlwasseraustrittstutzen 53 die An­ triebseinheit verlassende Kühlwasser strömt in einen Wärme­ tauscher 62, in dem es die Verlustwärme an die Fahrzeugheizung abgibt. Sodann wird es von einer Kühlwasserpumpe 61 wieder zum Kühlwassereintrittstutzen 50 geleitet.

Claims (6)

1. Antriebseinheit für ein Elektromobil, bestehend aus einem an ein Getriebe angeflanschten Elektromotor, dessen Gehäuse flüs­ sigkeitsdurchströmt ist, und aus einem Steuergehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (40) des Steuergehäuses (5) auf das Gehäuse (11, 25) des Elektromotors (1) aufgesetzt und eben­ falls flüssigkeitsgekühlt ist, wobei der Boden (40) des Steuer­ gehäuses (5) mit dem Motorgehäuse (11, 25) in Serie flüssig­ keitsverbunden ist und zuerst durchströmt wird.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Motorgehäuse (11, 25) aus einem Innenkörper (11) mit Leit­ rippen (16) und aus einem Hüllrohr (25) besteht, das mit dem Boden (40) des Steuergehäuses (5) einstückig ist, wobei letzte­ rer durch eine Öffnung (52) im Hüllrohr (25) mit dem Raum (21) zwischen Hüllrohr (25) und Innenkörper (11) verbunden ist.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkörper (11) an seinen Stirnenden Flansche (12, 13) mit Umfangsnuten (26) zur Aufnahme eines Dichtringes aufweist.

4. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkörper (11) nahe einem Flansch (13) einen Bund (17) aufweist, der dem Hüllrohr (25) als Anschlag in axialer Rich­ tung dient.

5. Antriebseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkörper (11) außerhalb des Bundes (17) mindestens einen radialen Kanal (20) zur Aufnahme von elektrischen Ver­ bindungsleitungen enthaltenden Stutzen (19) aufweist.

6. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitskreislauf (60) außerhalb der Antriebsein­ heit (1, 2, 5) einen Wärmetauscher (62) für die Fahrzeugheizung durchströmt.