WO2011101224A1 - Elektrische antriebseinheit - Google Patents

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WO2011101224A1 PCT/EP2011/051252 EP2011051252W WO2011101224A1 WO 2011101224 A1 WO2011101224 A1 WO 2011101224A1 EP 2011051252 W EP2011051252 W EP 2011051252W WO 2011101224 A1 WO2011101224 A1 WO 2011101224A1
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plastic housing
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Daniel Prix
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Magna Powertrain Ag & Co Kg
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    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears

Definitions

  • the invention relates to an electric drive unit with a stator, which is accommodated in a metal housing, and with a rotor which is rotatable within the stator.
  • the stator and rotor form an electrical machine to drive an output member (e.g., flange, shaft) connected to the rotor.
  • Such a drive unit may serve as a drive source in a hybrid electric vehicle.
  • stator housing metal housing is undesirable consuming.
  • This object is achieved by an electric drive unit with the features of claim 1, and in particular by the fact that on the metal housing in the region of the stator, a plastic housing is arranged, which forms at least one cooling channel for a cooling liquid to cool the stator via the metal housing.
  • a plastic housing is arranged on the metal housing in the region of the stator.
  • the plastic housing forms at least one cooling channel (preferably a plurality of cooling channels) for a cooling liquid (in particular cooling water).
  • This cooling Liquid serves to indirectly cool the stator, namely via the metal housing.
  • the additional plastic housing simplifies the production of the metal housing and in particular the cooling channels required therefor considerably. Furthermore, the drive unit has a particularly low weight due to the use of a plastic housing.
  • the Kunststoffgeffeu- se and the metal housing cooperate to form the one or more cooling channels together.
  • the respective cooling channel may be formed completely within the plastic housing.
  • the metal housing in the region of the stator forms a peripheral surface
  • the plastic housing in the region of the stator forms a lateral surface, which corresponds to the lateral surface of the metal housing and forms an annular gap with this.
  • the two lateral surfaces and the separating webs together form the cooling channel (s), i. the respective cooling channel is limited by the lateral surface of the metal housing, the lateral surface of the plastic housing and the said dividers.
  • the aforementioned lateral surfaces may in particular be lateral surfaces of a solid cylinder or of a cylinder segment.
  • the separating webs can extend along the entire circumference or only part of the circumference of the metal housing or the plastic housing.
  • the plastic housing circumferentially surrounds the metal housing in the area of the stator in order ultimately to provide a circumferentially closed cooling water jacket in the annular gap between the jacket and the housing. to form surfaces.
  • the plastic housing can also be provided only along a limited peripheral region of the metal housing, corresponding to the aforementioned cylinder segment.
  • the cooling channels preferably extend in the circumferential direction with respect to a longitudinal axis of the stator or of the rotor in order to effectively cool the metal housing in the region of the stator and to facilitate the conveyance of the cooling liquid. Relative to this, however, the cooling channels can also run in a spiral or in the axial direction.
  • the plastic housing may be formed in one piece.
  • the plastic housing is preferably placed in the axial direction (again relative to the longitudinal axis of the stator or the rotor) on the metal housing.
  • the plastic housing may be formed in two parts, wherein the dividing plane of the two housing parts preferably extends through the aforementioned longitudinal axis of the stator or rotor.
  • the two housing parts in this case may substantially correspond to two half cylinder surfaces.
  • the plastic housing has integrated sealing sections. These sealing portions may be formed, for example, in the manufacture of the plastic housing according to an injection molding process by means of injection-molded seals, i. Before injection molding suitable rubber seals are inserted into the mold.
  • the plastic housing additionally has a circuit housing section, in which an electrical circuit of the drive unit is received, which is also to be cooled.
  • the one or more cooling channels lead to the circuit housing portion to the arranged therein electrical Circuit to cool.
  • the electrical circuit can be, for example, a switched-mode power supply, in particular an inverter.
  • Circuit housing portion of the plastic housing preferably at least one metal foil or a metal sheet inserted or used.
  • the drive unit may comprise a gearbox (in particular a reduction gearbox) and a lubricating fluid circuit for lubricating and / or cooling the gearbox or also the rotor of the electric machine with a separate lubricating fluid (for example lubricating oil).
  • a gearbox in particular a reduction gearbox
  • a lubricating fluid circuit for lubricating and / or cooling the gearbox or also the rotor of the electric machine with a separate lubricating fluid (for example lubricating oil).
  • two liquid circuits are provided in this case, namely the cooling liquid guided in the cooling channels of the plastic housing for cooling the stator from the outside (via the metal housing), and the lubricating fluid guided inside the metal housing.
  • said cooling fluid can also serve for cooling the said lubricating fluid.
  • the drive unit has a sump for the lubricating fluid, the sump simultaneously forming a heat exchanger for delivering heat from the lubricating fluid (e.g., oil) to the cooling fluid (e.g., water).
  • the lubricating fluid e.g., oil
  • the cooling fluid e.g., water
  • FIGs. 1 and 2 show a respective perspective view of an electric drive unit.
  • 3 and 4 show a longitudinal sectional view and exploded view thereof.
  • the electric drive unit shown in FIGS. 1 to 4 comprises a metal housing 1 1, which is closed at its two end sides by a respective cover 13, 13 '.
  • the metal housing 1 1 is preferably cast from aluminum.
  • the drive unit further has a plastic housing 15 with a cylindrical lateral surface 17, which encloses a cylindrical lateral surface 19 of the metal housing 1 1 circumferentially.
  • the plastic housing 15 further has a patch on the top, cuboid circuit housing section 21st
  • a stator 23 is pressed into the metal housing 1 1.
  • a rotor 25 is arranged, which is rotatably connected to an output shaft 27 which is rotatably mounted in the metal housing 1 1.
  • the stator 23 and the rotor 25 form an electric machine 29, in particular a three-phase asynchronous machine.
  • the electric machine 29 is associated with an inverter 31 disposed inside the circuit housing portion 21.
  • the drive unit shown further comprises a spur gear 33, the input side of which is coupled to the output shaft 27 of the electric machine 29 and the output side to a connecting flange 35.
  • a special feature of the drive unit shown is that the plastic housing 15 together with the metal housing 1 1 an open cooling water circuit for cooling the stator 23 via the metal housing 1 1 forms.
  • a plurality of circumferentially differently extending separating webs 37 are formed on the outer side of the lateral surface 19 of the metal housing 1 1.
  • separating webs 37 By the separating webs 37, the outside of the lateral surface 19 of the metal housing 1 1 and the inside of Mantelflä- surface 17 of the plastic housing 15 a plurality of cooling channels 39 are formed, can flow through the cooling water along the lateral surface 19 of the metal housing 1 1 in the circumferential direction.
  • a circumferentially closed cooling water jacket is formed in order to cool the stator 23 connected thereto by heat conduction along the metal housing 11.
  • a plurality of cooling water connections 41 are provided on the plastic housing 15. A branching of the cooling water circuit thus formed also leads to the
  • Circuit housing section 21 to cool the arranged there inverter 31 by means of the cooling water.
  • the drive unit shown further includes a closed oil circuit to lubricate and cool the spur gear 33 and also to lubricate the bearings for the output shaft 27 and to cool the rotor 25.
  • the flow direction of the lubricating oil is illustrated in FIG. 3 by arrows 43.
  • the oil circuit is associated with a sump 45, through which a line 47 of the cooling water circuit is guided. The sump 45 and the conduit 47 thus form a heat exchanger to heat from the

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Abstract

Eine elektrische Antriebseinheit umfasst einen Stator (23), der in einem Metallgehäuse (11) aufgenommen ist, und einen Rotor (25), der innerhalb des Stators (23) drehbar ist. An dem Metallgehäuse (11) ist im Bereich des Stators (23) ein Kunststoff gehäuse (15) angeordnet, das wenigstens einen Kühlkanal (39) für eine Kühlflüssigkeit bildet, um den Stator (23) über das Metallgehäuse (11) zu kühlen.

Description

ELEKTRISCHE ANTRIEBSEINHEIT
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einem Stator, der in einem Metallgehäuse aufgenommen ist, und mit einem Rotor, der innerhalb des Stators drehbar ist. Der Stator und der Rotor bilden eine elektrische Maschine, um ein mit dem Rotor verbundenes Ausgangselement (z.B. Flansch, Welle) anzutreiben. Eine derartige Antriebseinheit kann in einem hybridelektrischen Fahrzeug als Antriebsquelle dienen.
Je nach Leistungsaufnahme der Antriebseinheit ist eine Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich. Hierdurch wird die Herstellung des den Stator aufnehmenden Metallgehäuses unerwünscht aufwendig.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Antriebseinheit der vorgenannten Art zu schaffen, die bei einfacher Herstellung ein geringes Gewicht besitzt. Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass an dem Metallgehäuse im Bereich des Stators ein Kunststoffgehäuse angeordnet ist, das wenigstens einen Kühlkanal für eine Kühlflüssigkeit bildet, um den Stator über das Metallgehäuse zu kühlen.
Bei der elektrischen Antriebseinheit ist an dem Metallgehäuse im Bereich des Stators ein Kunststoffgehäuse angeordnet. Das Kunststoffgehäuse bildet wenigstens einen Kühlkanal (vorzugsweise eine Vielzahl von Kühlkanälen) für eine Kühlflüssigkeit (insbesondere Kühlwasser). Diese Kühl- flüssigkeit dient dazu, den Stator indirekt, nämlich über das Metallgehäuse, zu kühlen.
Durch das zusätzliche Kunststoffgehäuse vereinfacht sich die Herstellung des Metallgehäuses und insbesondere der hieran erforderlichen Kühlkanäle erheblich. Ferner besitzt die Antriebseinheit aufgrund der Verwendung eines Kunststoffgehäuses ein besonders geringes Gewicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wirken das Kunststoffgehäu- se und das Metallgehäuse zusammen, um den oder die Kühlkanäle gemeinsam zu bilden. Alternativ hierzu kann der jeweilige Kühlkanal vollständig innerhalb des Kunststoffgehäuses gebildet sein.
Vorzugsweise bildet das Metallgehäuse im Bereich des Stators eine Man- telfläche, wobei auch das Kunststoffgehäuse im Bereich des Stators eine Mantelfläche bildet, die der Mantelfläche des Metallgehäuses entspricht und mit dieser einen Ringspalt bildet. An der Mantelfläche des Metallgehäuses oder an der Mantelfläche des Kunststoffgehäuses oder an beiden Mantelflächen sind Trennstege ausgebildet. Die beiden Mantelflächen und die Trennstege bilden gemeinsam den oder die Kühlkanäle, d.h. der jeweilige Kühlkanal wird durch die Mantelfläche des Metallgehäuses, die Mantelfläche des Kunststoffgehäuses und die genannten Trennstege begrenzt. Die genannten Mantelflächen können insbesondere Mantelflächen eines Vollzylinders oder eines Zylindersegments sein. Die Trennstege können sich entlang des gesamten Umfangs oder lediglich eines Teiles des Um- fangs des Metallgehäuses bzw. des Kunststoffgehäuses erstrecken.
Es ist bevorzugt, wenn das Kunststoffgehäuse das Metallgehäuse im Bereich des Stators umfänglich umschließt, um letztlich einen umfänglich geschlossenen Kühlwassermantel in dem Ringspalt zwischen den Mantel- flächen zu bilden. Allerdings kann das Kunststoffgehäuse auch lediglich entlang eines begrenzten Umfangsbereichs des Metallgehäuses vorgesehen sein, entsprechend dem vorgenannten Zylindersegment. Die Kühlkanäle verlaufen bezüglich einer Längsachse des Stators bzw. des Rotors vorzugsweise in Umfangsrichtung, um das Metallgehäuse im Bereich des Stators wirkungsvoll zu kühlen und die Förderung der Kühlflüs- sigkeit zu vereinfachen. Relativ hierzu können die Kühlkanäle jedoch auch spiralförmig oder in axialer Richtung verlaufen.
Das Kunststoffgehäuse kann einteilig ausgebildet sein. In diesem Fall wird das Kunststoffgehäuse vorzugsweise in axialer Richtung (wiederum bezogen auf die Längsachse des Stators bzw. des Rotors) auf das Metallgehäuse aufgesetzt. Alternativ hierzu kann das Kunststoffgehäuse zweiteilig ausgebildet sein, wobei die Trennebene der beiden Gehäuseteile vorzugsweise durch die vorgenannte Längsachse des Stators bzw. Rotors verläuft. Insbesondere können die beiden Gehäuseteile in diesem Fall im Wesentlichen zwei Halbzylinderflächen entsprechen. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Kunststoffgehäuse integrierte Dichtabschnitte aufweist. Diese Dichtabschnitte können beispielsweise bei der Herstellung des Kunststoffgehäuses gemäß einem Spritzgießverfahren durch mitgespritzte Dichtungen gebildet werden, d.h. vor dem Spritzgießen werden geeignete Gummidichtungen in die Form eingelegt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besitzt das Kunststoffgehäuse zusätzlich einen Schaltungsgehäuseabschnitt, in dem eine elektrische Schaltung der Antriebseinheit aufgenommen ist, die ebenfalls zu kühlen ist. Zu diesem Zweck führen der oder die Kühlkanäle auch zu dem Schaltungsgehäuseabschnitt, um die darin angeordnete elektrische Schaltung zu kühlen. Bei der elektrischen Schaltung kann es sich beispielsweise um ein Schaltnetzteil handeln, insbesondere einen Inverter.
Um elektromagnetische Störungen der genannten Schaltung aufgrund des Betriebs der elektrischen Maschine zu vermeiden, ist in dem
Schaltungsgehäuseabschnitt des Kunststoffgehäuses vorzugsweise wenigstens eine Metallfolie oder ein Metallblech eingelegt oder eingesetzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Antriebseinheit ein Ge- triebe (insbesondere Untersetzungsgetriebe) und einen Schmierflüssig- keitskreislauf aufweisen, um das Getriebe oder auch den Rotor der elektrischen Maschine mit einer separaten Schmierflüssigkeit (z.B. Schmieröl) zu schmieren und/ oder zu kühlen. Mit anderen Worten sind in diesem Fall zwei Flüssigkeitskreisläufe vorgesehen, nämlich die in den Kühlkanä- len des Kunststoffgehäuses geführte Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Stators von außen (über das Metallgehäuse), und die innerhalb des Metallgehäuses geführte Schmierflüssigkeit. Hierdurch können zwei verschiedene Temperaturniveaus der beiden Kühl- bzw. Schmierilüssigkeiten realisiert werden, und die genannte Kühlflüssigkeit kann auch zum Küh- len der genannten Schmierflüssigkeit dienen.
Zu diesem Zweck ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Antriebseinheit einen Sumpf für die Schmierflüssigkeit besitzt, wobei der Sumpf zugleich einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme von der Schmierflüssigkeit (z.B. Öl) an die Kühlflüssigkeit (z.B. Wasser) bildet.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen eine jeweilige Perspektivansicht einer elektrischen Antriebseinheit.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Längsschnittansicht bzw. Explosionsan- sieht hiervon.
Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigte elektrische Antriebseinheit umfasst ein Metallgehäuse 1 1, das an seinen beiden Stirnseiten von einem jeweiligen Deckel 13, 13' verschlossen ist. Das Metallgehäuse 1 1 ist vorzugsweise aus Aluminium gegossen. Die Antriebseinheit besitzt ferner ein Kunststoffgehäuse 15 mit einer zylindrischen Mantelfläche 17, die eine zylindrische Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 1 1 umfänglich umschließt. Das Kunststoffgehäuse 15 besitzt ferner einen an der Oberseite aufgesetzten, quaderförmigen Schaltungsgehäuseabschnitt 21.
Innerhalb der Mantelfläche 19 ist in das Metallgehäuse 1 1 ein Stator 23 eingepresst. Innerhalb des Stators ist ein Rotor 25 angeordnet, der mit einer Ausgangswelle 27 drehfest verbunden ist, welche in dem Metallgehäuse 1 1 drehbar gelagert ist. Der Stator 23 und der Rotor 25 bilden eine elektrische Maschine 29, insbesondere eine Drehstrom-Asynchronmaschine. Der elektrischen Maschine 29 ist ein Inverter 31 zugeordnet, der innerhalb des Schaltungsgehäuseabschnitts 21 angeordnet ist.
Die gezeigte Antriebseinheit umfasst ferner ein Stirnradgetriebe 33, das eingangsseitig mit der Ausgangswelle 27 der elektrischen Maschine 29 und ausgangsseitig mit einem Verbindungsflansch 35 gekoppelt ist.
Eine Besonderheit der gezeigten Antriebseinheit besteht darin, dass das Kunststoffgehäuse 15 gemeinsam mit dem Metallgehäuse 1 1 einen offenen Kühlwasserkreislauf zum Kühlen des Stators 23 über das Metallgehäuse 1 1 bildet. Hierfür sind an der Außenseite der Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 1 1 mehrere in Umfangsrichtung unterschiedlich weit verlaufende Trennstege 37 gebildet. Durch die Trennstege 37, die Außenseite der Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 1 1 und die Innenseite der Mantelflä- che 17 des Kunststoffgehäuses 15 sind mehrere Kühlkanäle 39 gebildet, durch die Kühlwasser entlang der Mantelfläche 19 des Metallgehäuses 1 1 in Umfangsrichtung fließen kann. Hierdurch wird ein umfänglich geschlossener Kühlwassermantel gebildet, um durch Wärmeleitung entlang des Metallgehäuses 1 1 den hiermit verbundenen Stator 23 zu kühlen.
Um das erforderliche Kühlwasser den Kühlkanälen 39 zuzuführen bzw. von diesen abzuführen, sind an dem Kunststoffgehäuse 15 mehrere Kühlwasseranschlüsse 41 vorgesehen. Eine Verzweigung des somit gebildeten Kühlwasserkreislaufs führt auch zu dem
Schaltungsgehäuseabschnitt 21, um den dort angeordneten Inverter 31 mittels des Kühlwassers zu kühlen.
Die gezeigte Antriebseinheit umfasst ferner einen geschlossenen Ölkreis- lauf, um das Stirnradgetriebe 33 zu schmieren und zu kühlen und um auch die Lager für die Ausgangswelle 27 zu schmieren und den Rotor 25 zu kühlen. Die Fließrichtung des Schmieröls ist in Fig. 3 durch Pfeile 43 illustriert. Dem Ölkreislauf ist ein Sumpf 45 zugeordnet, durch den eine Leitung 47 des Kühlwasserkreislaufs geführt ist. Der Sumpf 45 und die Leitung 47 bilden somit einen Wärmetauscher, um Wärme von dem
Schmieröl an das Kühlwasser abzugeben.
Somit sind im Ergebnis zwei Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Temperaturniveaus gebildet, so dass insbesondere auch der Inverter 31 mittels des Kühlwassers auf einem niedrigeren Temperaturniveau (ca. 80°C) ge- halten werden kann als die Temperatur des Schmieröls (ca. 130°C). Bezugszeichenliste
11 Metallgehäuse
13, 13' Deckel
15 Kunststoffgehäuse
17 Mantelfläche des Kunststoffgehäuses
19 Mantelfläche des Metallgehäuses
21 Schaltungsgehäuseabschnitt
23 Stator
25 Rotor
27 Ausgangswelle
29 elektrische Maschine
31 Inverter
33 Stirnradgetriebe
35 Verbindungsflansch
37 Trennsteg
39 Kühlkanal
41 Kühlwasseranschluss
43 Fließrichtung des Schmieröls
45 Sumpf
47 Leitung

Claims

Patentansprüche
Elektrische Antriebseinheit, mit einem Stator (23), der in einem Metallgehäuse (11) aufgenommen ist, und mit einem Rotor (25), der innerhalb des Stators drehbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Metallgehäuse (11) im Bereich des Stators (23) ein Kunststoffgehäuse (15) angeordnet ist, das wenigstens einen Kühlkanal (39) für eine Kühlflüssigkeit bildet, um den Stator (23) über das Metallgehäuse (11) zu kühlen.
Antriebseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoffgehäuse (15) und das Metallgehäuse (11) zusammenwirken, um den oder die Kühlkanäle (39) gemeinsam zu bilden.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Metallgehäuse (11) im Bereich des Stators (23) eine Mantelfläche (19) bildet, wobei auch das Kunststoffgehäuse (15) im Bereich des Stators (23) eine Mantelfläche (17) bildet, wobei an dem Metallgehäuse und/oder dem Kunststoffgehäuse Trennstege (37) ausgebildet sind, und wobei die Mantelfläche (19) des Metallgehäuses, die Mantelfläche (17) des Kunststoffgehäuses und die Trennstege (37) den oder die Kühlkanäle (39) bilden.
4. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoffgehäuse ( 15) das Metallgehäuse ( 11) im Bereich des Stators (23) umfänglich umschließt.
5. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoffgehäuse ( 15) einteilig oder zweiteilig ausgebildet ist.
6. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoffgehäuse ( 15) integrierte Dichtabschnitte aufweist.
7. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoffgehäuse ( 15) einen Schaltungsgehäuseabschnitt (21) aufweist, in dem eine elektrische Schaltung (31) der Antriebseinheit aufgenommen ist, wobei der oder die Kühlkanäle (39) auch zu dem Schaltungsgehäuseabschnitt (21) führen, um die elektrische Schaltung (31) zu kühlen.
8. Antriebseinheit nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Schaltungsgehäuseabschnitt (21) eine Metallfolie oder ein Metallblech angeordnet ist.
9. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit ferner ein Getriebe (33) aufweist, wobei das Metallgehäuse ( 1 1) wenigstens einen Kanal für eine Schmierflüssigkeit zum Schmieren und Kühlen des Getriebes (33) und/ oder des Rotors (25) aufweist.
10. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antriebseinheit einen Sumpf (45) für die Schmierflüssigkeit aufweist, wobei der Sumpf einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärme von der Schmierflüssigkeit an die Kühlflüssigkeit bildet.
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