WO2016142190A1 - Elektrische maschine mit einem kühlkörper - Google Patents

Elektrische maschine mit einem kühlkörper Download PDF

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WO2016142190A1
WO2016142190A1 PCT/EP2016/054144 EP2016054144W WO2016142190A1 WO 2016142190 A1 WO2016142190 A1 WO 2016142190A1 EP 2016054144 W EP2016054144 W EP 2016054144W WO 2016142190 A1 WO2016142190 A1 WO 2016142190A1
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inverter
heat sink
rotor
cooling
electrical machine
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PCT/EP2016/054144
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Holger Fröhlich
David Charles
Robert Krause
Arnoud Smit
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Aumovio Germany GmbH
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/18—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with ribs or fins for improving heat transfer

Definitions

  • the present invention relates to an electric machine with a heat sink.
  • Electric motors in which a housing for a control and
  • the present invention is therefore based on the object to develop an electric motor which avoids the disadvantages mentioned, with which therefore an electric machine can be built to save space and yet efficiently cooled.
  • ⁇ special should be easily tuned for changes in power of the electric motor by changing the length of other components.
  • An electric machine having a stator, a rotor and an inverter arranged in an inverter, in which the rotor is rotatably mounted with its rotor axis in a first bearing plate and a second bearing plate about a rotational axis has a heat sink, which is arranged between the second bearing plate and the inverter housing in direct contact, ie direct contact with the inverter housing.
  • the rotor has at two opposing, in the direction of the end shields facing end faces fan blades, while the heat sink is provided with at least two cooling fins.
  • the electric machine preferably an electric motor
  • a power, control and / or control electronics also referred to as inverter
  • inverter a power, control and / or control electronics
  • inverter also referred to as inverter
  • the second bearing plate can be connected to a circumferential outer surface to the axis of rotation at least one blow-out opening for radially from ⁇ blow have the cooling medium.
  • the first end shield typically has at least one axial intake port, but at least one radial exhaust port. At the ⁇ suction port and blowoff port or or can be configured as a slit.
  • the second bearing plate typically has an axially arranged suction port.
  • the rotor typically has a short-circuit ring on the end faces pointing in the direction of the bearing shield, on which or on which the fan blade blades are arranged or formed.
  • a heat transfer from a heat source via the heat sink to a surrounding medium consists of: a heat transfer from the heat source to the heat sink; a heat conduction within the heat sink to a heat sink surface and a heat transfer from a surface by free or forced convection to a surrounding medium.
  • a heat ⁇ transition from the inverter housing to the heat sink can be minimized by a smooth surface of the inverter housing and respectively or the cooling body. Alternatively or additionally, this can be done through an inverter between the housing and the heat sink up ⁇ brought thermal paste.
  • the heat sink is designed as a heat exchanger in order to be able to efficiently dissipate waste heat arising in the electrical machine.
  • Cooling ribs which are present on the heat sink are typically arranged to extend radially, preferably from a center of the heat sink to an edge, since the sucked cooling medium thus radially passes over the heat sink from the outer circumference to the inside.
  • a pipe pitch of the heat sink decreases with decreasing diameter.
  • a void fraction may remain constant over a diameter reduction to increase flow resistance.
  • an offset arrangement of cooling fins or pins per row of tubes can also be provided.
  • the cooling fins are preferably formed with a straight or curved in a plan view from the direction of the axis of rotation or circular or cross-section, ie as area or Pin fins. As a result, a flow behavior of the cooling medium can be influenced as desired.
  • the cooling ribs can be arranged in at least two mutually offset rows at different distances from the axis of rotation on the cooling body, so that the cooling ribs are adapted to a geometry of the cooling body.
  • the Lüfterradschaufeln can be made in one piece or in one piece with the short-circuit ring or the rotor, so that there is a cohesive connection.
  • the inverter housing is provided with a circumferential encapsulation in order to protect the electronics located therein.
  • a modular structure with the stator, the rotor, the heat sink, the first bearing plate, the second bearing plate and the inverter is provided to support the modular system already described.
  • the electrical machine described is typically used as an electric motor, preferably in an electric vehicle.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electrical machine
  • Fig. 2 is an exploded view of the electric machine
  • Figure 3 is a detailed figure 2 corresponding explosi ⁇ onsmother of the electrical machine. 4 is a sectional view of the electric machine;
  • FIG. 5 is a plan view of the heat sink with curved cooling fins.
  • FIG. 6 is a perspective view of the cooling fins shown in FIG. 5; FIG.
  • Fig. 7 is a plan view of the heat sink with straight cooling fins
  • FIG. 8 is a perspective view of the cooling fins shown in FIG. 7;
  • FIG. 9 is a plan view of the heat sink with needle ribs and
  • FIG. 10 shows a perspective view of the cooling ribs shown in FIG. 9.
  • Figure 1 shows a schematic view of an electric machine with a stator 1, a first bearing plate 5, a second bearing plate 6, an inverter housing 3 and a disposed between the second bearing plate 6 and the inverter housing 3 heat sink 10. The components mentioned are by a Ver - 16 screwed together.
  • the first end shield 5 and the second end shield 6 are spaced from each other, but interconnected by the stator 1.
  • the heat sink 10 is in direct mechanical contact with both the second end shield 6 and the inverter housing 3.
  • FIG. 2 shows an exploded view of the electric machine, an electric motor.
  • the first end shield 5 and the second end shield 6 are already connected to the stator 1, which is designed as a heat exchanger heat sink 10 is placed on the inverter side second bearing plate 6 and the encapsulated inverter housing 3 is mounted in direct, surface contact on the heat sink 10.
  • the stator 1 which is designed as a heat exchanger heat sink 10 is placed on the inverter side second bearing plate 6 and the encapsulated inverter housing 3 is mounted in direct, surface contact on the heat sink 10.
  • Figure 2 representation corresponding to the electric machine is also shown in Figure 3 with more detail in an ex ⁇ plosionsdarwolf.
  • the first bearing plate 5 and the second bearing plate 6 axial suction 7 are arranged.
  • the first end shield 5 and the second end shield 6 have a plurality of exhaust openings 8 on an outer surface running around an axis of rotation, through which heat-laden air (exhaust air) is blown out.
  • the rotor 2 is provided on a rotor axis as a rotation axis in the two bearing plates 5 and 6 and can rotate in the stator 1.
  • a short-circuit ring 11 is attached with fan blades 12 formed thereon.
  • the axis of rotation runs centrally through the components of the electric machine.
  • the electrical machine with integrated inverter housing 3 has an opti mized ⁇ cooling performance with minimal space required for a housing assembly.
  • the cooling takes place by means of two mo ⁇ toreigene fan, which are arranged in the illustrated embodiment of the short circuit rings 11.
  • the inverter 4 is arranged encapsulated in the inverter housing 3.
  • the stator 1 is the central unit for a series of electric motors, which includes different variants. Of the
  • stator 1 Diameter of the stator 1 remains unchanged in the modular system, but its length is variable. Thus, the stator 1 is usable in all variants of the series. Interfaces of the end shields 5 and 6 to the stator 1 back allow the cultivation of the same end shields. A stator core and a rotor core can be adjusted in length (depending on the torque). This ensures that stator laminated core and rotor core are always constructed the same, which saves costs.
  • the stator 1 also has an electromechanical interface for connection to the inverter 4 or the inverter housing
  • the cooler and the inverter 4 is given a modular design or a modular system of electric motors in a simple and cost-effective manner.
  • drive-side housing parts such as radiator and inverter 4 are tuned to the output side requirements, without having to modify all parts of the engine.
  • this type of construction allows for an efficient automated production of motor, heat exchanger and inverter on separate cycle lines and easy joint assembly in the Aufstecktama.
  • Air as a cooling medium is sucked in radially on the non-locating side via ribs 9 of the heat sink 10.
  • Annular ring surface of the heat sink 10 allow a maximum cooling surface.
  • FIG. 1 A sectional view of the electric machine is shown in FIG.
  • Air flows 17 are moved by the Lüfterradschaufeln 12 and cool the output side of the stator winding head 18 and On the drive side with the aid of the heat sink 10, the inverter 4 and the stator winding head 18th
  • FIG. 5 shows a plan view of the heat sink 10 with cooling ribs 9 arranged thereon.
  • heat transfer surfaces in the form of surface or needle ribs are formed on the heat sink 10.
  • areas are ⁇ rib having a curved cross-section in plan view.
  • the entire heat sink 10 and thus also the cooling fins 9 are made of a material with a good thermal conductivity, in the embodiment shown pure aluminum.
  • a thick rib root is used so that there is better heat conduction.
  • a higher rib density leads to an enlargement of the heat delivery surface and thus to a higher efficiency for the cooling.
  • the cooling ribs 9 are arranged in circular rows around a center of the heat sink 10 in four rows.
  • An orientation of a rib geometry is oriented here in the direction of a volume flow of the cooling medium and it is a Vordrall achieved by curved cooling fins 9.
  • the coolant is guided radially inward along the heat sink 10.
  • Short single ribs can be used to selectively hold up to a maximum of ten times a hydraulic diameter and then displace a succeeding row of ribs into a drain stream of a previous channel to maintain a temperature gradient in a rib-enclosing flow.
  • a cross-sectional flow through the rib channels regarded as a pipe flow is initially a mixed flow until it reaches a hydrodynamic and thermal inlet length.
  • this area there are two flow forms, the free laminar or turbulent upper flow and the adjacent boundary layer flow adjacent to the respective cooling rib 9.
  • the latter has enormous turbulence which significantly increase a heat ⁇ transition, at the same time the upper flow can largely undisturbed the cooling fins course happen. However, this is only the case until the boundary layer has formed, ie, its thickness has grown to half the pipe diameter.
  • FIG. 5 of a multi-row fin cooler with short cooling ribs 9 has the advantage of a predrirl due to curved cooling ribs 9.
  • the cooling fins 9 also need not all be the same length, but may alternately have a different length.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of the heat sink 10 in a view corresponding to FIG. The cooling fins
  • FIG. 9 Cross-section is shown in Fig. 9 in a figure 5 corresponding view.
  • the cooling fins 9 are arranged circularly circumferentially in ⁇ staggered rows.
  • Fig. 10 in a figure 6 corresponding view, a section of the heat sink 10 is shown enlarged.
  • a tube ⁇ row distance increases with decreasing diameter, but a void ratio remains constant over this diameter reduction.
  • Typically, between four and eight rows are used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator (1), einem Rotor (2) sowie einem in einem Invertergehäuse (3) angeordneten Inverter (4). Der Rotor (2) ist mit seiner Rotorachse in einem ersten Lagerschild (5) und in einem zweiten Lagerschild (6) um eine Drehachse drehbar gelagert und ein Kühlkörper (10) ist zwischen dem zweiten Lagerschild (6) und dem Invertergehäuse (3) in unmittelbarem berührenden Kontakt mit dem Invertergehäuse (3) angeordnet. Der Rotor (2) ist an zwei einander gegenüberliegenden, in Richtung der Lagerschilde (5, 6) weisenden Stirnseiten mit Lüfterradschaufeln (12) versehen und der Kühlkörper (10) weist mindestens zwei Kühlrippen (9) auf. Außerdem kann Kühlluft als Kühlmedium auf einer Inverterseite radial angesaugt und radial ausgeblasen werden.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit einem Kühlkörper Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Kühlkörper.
Bedingt durch die physikalischen Eigenschaften einer elektrischen Maschine und zugehöriger Leistungselektronik entstehen bei einem Betrieb von einem Elektromotor Verlustleistungen, die in Form von Abwärme zu einer Temperaturerhöhung der elektrischen Maschine führen. Eine hohe Eigentemperatur führt jedoch zu einem Leistungsverlust oder gar einem Ausfall. Um dies zu vermeiden, muss die Abwärme während des Betriebs abgeführt werden.
Elektromotoren, bei denen ein Gehäuse für eine Steuer- und
Leistungselektronik angebaut ist und eine Kühlung des gesamten Aggregats unter ausschließlicher Nutzung eines motoreigenen Lüfters erfolgt, sind bekannt. Dabei kann ein Anbau entweder radial oder axial hinter dem Elektromotor erfolgen. Proble- matisch hierbei ist jedoch, dass derartige Anbauten viel Platz verbrauchen, was einer gewünschten kleinbauenden Anordnung des Elektromotors widerspricht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zu entwickeln, der die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also eine elektrische Maschine platzsparend aufgebaut und dennoch effizient gekühlt werden kann. Insbe¬ sondere sollen bei Leistungsänderungen des Elektromotors durch Längenänderung auch weitere Bauteile einfach abstimmbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor sowie einem in einem Invertergehäuse angeordneten Inverter, bei der der Rotor mit seiner Rotorachse in einem ersten Lagerschild und einem zweiten Lagerschild um eine Drehachse drehbar gelagert ist, weist einen Kühlkörper auf, der zwischen dem zweiten Lagerschild und dem Invertergehäuse in unmittelbarem berührendem, also direktem Kontakt mit dem Invertergehäuse angeordnet ist. Der Rotor weist an zwei einander gegenüberliegenden, in Richtung der Lagerschilde weisenden Stirnseiten Lüfterradschaufeln auf, während der Kühlkörper mit mindestens zwei Kühlrippen versehen ist.
Die elektrische Maschine, vorzugsweise ein Elektromotor, kann somit als Motorbaukasten ausgeführt sein, bei dem eine Leis- tungs-, Ansteuer- und/oder Regelelektronik, auch als Inverter bezeichnet, in einem Invertergehäuse untergebracht ist und durch ein motoreigenes Lüftersystem eine wirksame Kühlung des gesamten Aggregats möglich ist. Durch ein derartiges Baukastensystem können mit möglichst wenigen Bauteilen verschiedene Varianten herstellbar sein und eine kostengünstige Ausführung ist erreichbar, es können einem Kunden also preiswert baugleiche Motoren in verschiedenen Leistungsklassen angeboten werden. Durch die Lüfterradschaufeln und deren Anordnung wird ein Kompaktantrieb mit einem Doppellüftersystem im saugenden Betrieb realisiert, wobei der Stator und der Rotor einerseits und der Inverter andererseits in zwei voneinander unabhängigen Kühlkreisläufen gekühlt werden. Durch die Verbindung des Inver- tergehäuses mit dem Kühlkörper wird bei optimiertem Wärme¬ übergang zwischen Wärmequelle und dem Kühlkörper eine platzsparende Bauweise verwirklicht.
Das zweite Lagerschild kann an einer um die Drehachse umlaufenden Außenfläche mindestens eine Ausblasöffnung zum radialen Aus¬ blasen des Kühlmediums aufweisen. Durch das radiale Ansaugen des Kühlmediums kann neben der Kühlung auch eine Schallabstrahlung an der elektrischen Maschine durch ein Unterdrücken von
Oberflächenschwingungen vermindert werden. Der erste Lagerschild hat typischerweise mindestens eine axiale Ansaugöffnung, allerdings mindestens eine radiale Ausblasöffnung. Die An¬ saugöffnung und bzw. oder die Ausblasöffnung können als Schlitz ausgeführt sein. Außerdem hat typischerweise auch der zweite Lagerschild eine axial angeordnete Ansaugöffnung. Typischerweise weist der Rotor an den in Richtung der Lageschilde weisenden Stirnseiten jeweils einen Kurzschlussring auf, an dem bzw. an die die Lüfterradschaufeln angeordnet oder ausgebildet sind. Durch eine Anformung der Lüfterradschaufeln an die Kurzschlussringe ergibt sich eine platzsparende Anordnung der zum Kühlen benötigten Lüfterradschaufeln.
Ein Wärmetransport von einer Wärmequelle über den Kühlkörper an ein umgebendes Medium setzt sich zusammen aus: einem Wärmeübergang von der Wärmequelle auf den Kühlkörper; einer Wärmeleitung innerhalb des Kühlkörpers an eine Kühlkörperoberfläche und einem Wärmeübergang von einer Oberfläche durch freie oder erzwungene Konvektion an ein umgebendes Medium. Ein Wärme¬ übergang von dem Invertergehäuse zu dem Kühlkörper kann minimiert sein durch eine glatte Oberfläche des Invertergehäuses und bzw. oder des Kühlkörpers. Alternativ oder zusätzlich kann dies durch eine zwischen dem Invertergehäuse und dem Kühlkörper aufge¬ brachte Wärmeleitpaste erfolgen.
Vorzugsweise ist der Kühlkörper als ein Wärmetauscher ausgebildet, um effizient in der elektrischen Maschine entstehende Abwärme ableiten zu können.
Am Kühlkörper vorhandene Kühlrippen sind typischerweise radial verlaufend angeordnet, vorzugsweise von einem Mittelpunkt des Kühlkörpers zu einem Rand, da somit das angesaugte Kühlmedium den Kühlkörper vom Außenumfang nach innen radial überstreicht. Typischerweise nimmt ein Rohrreihenabstand der Kühlkörper mit sinkendem Durchmesser ab. Alternativ oder zusätzlich kann ein Hohlraumanteil über eine Durchmesserverringerung konstant bleiben, um einen Strömungswiderstand zu erhöhen. Außerdem kann auch eine versetzte Anordnung von Kühlrippen bzw. Pins pro Rohrreihe vorgesehen sein.
Die Kühlrippen sind vorzugsweise mit einem in einer Draufsicht aus Richtung der Drehachse gerade oder gekrümmt verlaufenden oder kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, also als Flächen- bzw. Nadelrippen. Hierdurch kann ein Strömungsverhalten des Kühlmediums wie gewünscht beeinflusst werden.
Die Kühlrippen können in mindestens zwei zueinander versetzten Reihen mit unterschiedlichen Abständen zu der Drehachse auf dem Kühlkörper angeordnet sein, so dass die Kühlrippen an eine Geometrie des Kühlkörpers angepasst sind.
Die Lüfterradschaufeln können einteilig bzw. einstückig mit dem Kurzschlussring oder dem Rotor ausgeführt sein, so dass eine Stoffschlüssige Verbindung vorliegt.
Alternativ oder zusätzlich ist das Invertergehäuse mit einer umlaufenden Verkapselung versehen, um die darin befindliche Elektronik zu schützen.
Vorzugsweise ist ein modularer Aufbau mit dem Stator, dem Rotor, dem Kühlkörper, dem ersten Lagerschild, dem zweiten Lagerschild und dem Inverter vorgesehen, um das bereits beschriebene Baukastensystem zu unterstützen.
Die beschriebene elektrische Maschine wird typischerweise als Elektromotor eingesetzt, vorzugsweise in einem Elektrofahrzeug .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine ;
Fig. 2 eine Explosionszeichnung der elektrischen Maschine;
Fig. 3 eine Figur 2 entsprechende detaillierte Explosi¬ onszeichnung der elektrischen Maschine; Fig. 4 eine Schnittdarstellung der elektrischen Maschine;
Fig. 5 eine Draufsicht auf den Kühlkörper mit gekrümmten Kühlrippen;
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der in Fig. 5 ge¬ zeigten Kühlrippen;
Fig. 7 eine Draufsicht auf den Kühlkörper mit geraden Kühlrippen;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung der in Fig. 7 gezeigten Kühlrippen; Fig. 9 eine Draufsicht auf den Kühlkörper mit Nadelrippen und
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung der in Fig. 9 ge¬ zeigten Kühlrippen. Figur 1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine elektrische Maschine mit einem Stator 1, einem ersten Lagerschild 5, einem zweiten Lagerschild 6, einem Invertergehäuse 3 und einem zwischen dem zweiten Lagerschild 6 und dem Invertergehäuse 3 angeordneten Kühlkörper 10. Die genannten Bauteile sind durch eine Ver- schraubung 16 miteinander verbunden. Der erste Lagerschild 5 und der zweite Lagerschild 6 sind voneinander beabstandet, aber durch den Stator 1 miteinander verbunden. Der Kühlkörper 10 ist in direktem mechanischem Kontakt sowohl mit dem zweiten Lagerschild 6 als auch mit dem Invertergehäuse 3.
In Figur 2 ist eine Explosionsdarstellung der elektrischen Maschine, eines Elektromotors gezeigt. Der erste Lagerschild 5 und der zweite Lagerschild 6 sind bereits mit dem Stator 1 verbunden, der als Wärmetauscher ausgebildete Kühlkörper 10 wird auf den inverterseitigen zweiten Lagerschild 6 aufgesetzt und das gekapselte Invertergehäuse 3 wird in direktem, flächigem Kontakt auf den Kühlkörper 10 montiert. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen.
In einer Figur 2 entsprechenden Darstellung ist die elektrische Maschine in Figur 3 mit mehr Details ebenfalls in einer Ex¬ plosionsdarstellung gezeigt. Am ersten Lagerschild 5 und am zweiten Lagerschild 6 sind axiale Ansaugöffnungen 7 angeordnet. Der erste Lagerschild 5 und der zweite Lagerschild 6 weisen auf einer um eine Drehachse umlaufenden Außenfläche mehrere Aus- blasöffnungen 8 auf, durch die wärmebeladene Luft (Abluft) ausgeblasen wird. Der Rotor 2 wird auf einer Rotorachse als Drehachse versehen in den beiden Lagerschilden 5 und 6 gelagert und kann im Stator 1 rotieren. An einander gegenüberliegenden und jeweils einem der Lagerschilde 5, 6 zugewandten Seiten des Rotors 2 ist ein Kurzschlussring 11 mit daran angeformten Lüfterradschaufeln 12 angebracht. Die Drehachse verläuft mittig durch die Bauteile der elektrischen Maschine.
Somit ergibt sich ein Kompaktantrieb mit einer doppelseitigen Luftkühlung in Form eines Baukastensystems. Die elektrische Maschine mit integriertem Invertergehäuse 3 weist eine opti¬ mierte Kühlleistung bei gleichzeitig minimalem Platzbedarf für einen Gehäuseaufbau auf. Die Kühlung erfolgt durch zwei mo¬ toreigene Lüfter, die im dargestellten Ausführungsbeispiel an den Kurzschlussringen 11 angeordnet sind. Der Inverter 4 ist in dem Invertergehäuse 3 gekapselt angeordnet.
Der Stator 1 ist dabei die zentrale Einheit für eine Baureihe von Elektromotoren, die verschiedene Varianten umfasst. Der
Durchmesser des Stators 1 bleibt im Baukastensystem unverändert, seine Länge ist jedoch variabel. Somit ist der Stator 1 bei allen Varianten der Baureihe verwendbar. Schnittstellen der Lagerschilde 5 und 6 zum Stator 1 hin ermöglichen den Anbau gleicher Lagerschilde. Ein Statorblechpaket und ein Rotorblechpaket kann (drehmomentabhängig) in seiner Länge angepasst werden. Dadurch wird erreicht, dass Statorblechpaket und Rotorblechpaket stets gleichartig aufgebaut sind, was Kosten spart. Der Stator 1 weist außerdem eine elektromechanische Schnitt¬ stelle zum Verbinden mit dem Inverter 4 bzw. dem Invertergehäuse
3 auf. Durch eine Dreiteilung des in der Länge variierbaren Motors, des Kühlers und des Inverters 4 ist ein modularer Aufbau gegeben bzw. ein Baukasten von Elektromotoren in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar. Insbesondere sind an- triebsseitige Gehäuseteile wie Kühler und Inverter 4 auf die abtriebsseitigen Anforderungen abstimmbar, ohne dass alle Teile des Motors abgeändert werden müssen. Fertigungstechnisch erlaubt diese Art der Bauweise eine effektive automatisierte Fertigung von Motor, Wärmetauscher und Inverter auf getrennten Taktstraßen und eine einfache gemeinsame Montage im AufSteckprinzip .
Luft als Kühlmedium wird an der Loslagerseite radial über Rippen 9 des Kühlkörpers 10 angesaugt. Die Kühlrippen 9 auf einer
Kreisringfläche des Kühlkörpers 10 ermöglichen eine maximale Kühloberfläche. Durch die axialen Ansaugschlitze in den
Stirnflächen der Lagerschilde 5, 6 erreicht man eine gute Kühlung beider Lager. Da bei der gewählten doppelseitigen Luftkühlung die Abtriebsseite durch die alleinige Kühlung des Wickelkopfes 18 weniger Temperaturbelastung erhält als die Antriebsseite, d. h. die Loslagerseite, durch die Kühlung von Inverter 4 und Wickelkopf 18, kommt es zu einem Temperaturgefälle innerhalb des Stators 1 bzw. in der elektrischen Maschine selbst. Aufgrund dieses Temperaturgradienten und durch eine gute Wärmeleitfä¬ higkeit der Wicklung kann die auf der Antriebsseite durch den Motor und den Inverter 4 entstehende Wärme auch über die Abtriebsseite abgeführt werden, wodurch sich die erbrachte Kühlleistung auf der Antriebsseite erhöht. Auf diese Weise ist es möglich, eine Dimensionierung der mit dem Rotor 2 verbundenen Lüfterradschaufeln 12 entsprechend der vorhandenen Bauräume und nicht allein nach der pro Seite zu erbringenden Kühlleistung auszulegen. Dadurch erreicht man für die elektrische Maschine mit integriertem Inverter 4 ein bauraumoptimiertes Design.
Eine Schnittdarstellung der elektrischen Maschine ist in Figur
4 dargestellt. Luftströme 17 werden durch die Lüfterradschaufeln 12 bewegt und kühlen abtriebsseitig den Statorwickelkopf 18 und antriebsseitig mit Hilfe des Kühlkörpers 10 den Inverter 4 und den Statorwickelkopf 18.
In Fig. 5 ist in einer Draufsicht der Kühlkörper 10 mit darauf angeordneten Kühlrippen 9 gezeigt. Zum Erreichen einer möglichst hohen Kühlleistung in Bezug auf das axial angeordnete Inver- tergehäuse 3 sind an dem Kühlkörper 10 Wärmeübertragungsflächen in Form von Flächen- bzw. Nadelrippen ausgebildet. In dem in Fig. 5 und in einem perspektivischen Ausschnitt in Fig. 6 gezeigten Ausschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel werden Flächen¬ rippen mit in Draufsicht gekrümmtem Querschnitt verwendet. Der gesamte Kühlkörper 10 und somit auch die Kühlrippen 9 sind aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, im gezeigten Ausführungsbeispiel reines Aluminium. Eine dicke Rippenwurzel wird verwendet, so dass eine bessere Wärmeleitung gegeben ist. Eine höhere Rippendichte führt zu einer Vergrößerung der Wärmeabgabefläche und damit zu einer höheren Effizienz für die Kühlung. Die Kühlrippen 9 sind in dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel in vier Reihen kreisförmig umlaufend um ein Zentrum des Kühlkörpers 10 angeordnet. Eine Ausrichtung einer Rippengeometrie orientiert sich hierbei in Richtung eines Volumenstroms des Kühlmediums und es wird ein Vordrall durch geschwungene Kühlrippen 9 erreicht.
Das Kühlmittel wird entlang des Kühlkörpers 10 radial nach innen geführt. Kurze Einzelrippen können dazu genutzt werden, nach maximal einem zehnfachen eines hydraulischen Durchmessers und anschließendem Versetzen einer nachfolgenden Rippenreihe in einen Ablaufstrom eines vorhergehenden Kanals gezielt dazu genutzt werden, einen Temperaturgradienten in einer rippenumschließenden Strömung hochzuhalten.
Eine als Rohrströmung betrachtete Querschnittsdurchströmung der Rippenkanäle ist zunächst eine Mischströmung bis zu einem Erreichen einer hydrodynamischen und thermischen Einlauflänge . In diesem Bereich liegen zwei Strömungsformen vor, die freie laminare oder turbulente Oberströmung und die an der jeweiligen Kühlrippe 9 anliegende anwachsende Grenzschichtströmung. Letztere weist enorme Turbulenzen auf, welche einen Wärme¬ übergang signifikant erhöhen, gleichzeitig kann die Oberströmung weitestgehend ungestört den Kühlrippenverlauf passieren. Dies ist allerdings nur solange der Fall, bis sich die Grenzschicht ausgebildet hat, d. h. ihre Dicke auf den halben Rohrdurchmesser angewachsen ist.
Durch gezieltes "Abreißenlassen" der Grenzschicht vor Erreichen der thermischen und hydrodynamischen Einlauflänge wird gerade dieser Effekt des höheren Wärmeübergangs ausgenutzt und durch Versetzen der Kühlrippen 9 wird dieser Effekt für jede Rippenreihe neu angesetzt.
Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung eines mehrreihigen Rippenkühlers mit kurzen Kühlrippen 9 weist den Vorteil eines Vordralls durch geschwungene Kühlrippen 9 auf. Die Kühlrippen 9 müssen auch nicht alle gleich lang sein, sondern können abwechseln auch eine unterschiedliche Länge aufweisen. In Fig. 7 ist in einer Figur 5 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers 10 gezeigt. Die Kühlrippen
9 sind nun ebenfalls in mehreren, zueinander versetzten und mit unterschiedlichen Abständen zur zu einem Zentrum des Kühlkörpers
10 angeordneten Reihen kreisförmig umlaufend um das Zentrum des Kühlkörpers 10 angebracht, allerdings nicht in einer ge¬ schwungenen, sondern geraden Form. In Fig. 8 ist in einer Fig. 6 entsprechenden perspektivischen Ansicht ein Teil des Kühlkörpers 10 vergrößert dargestellt. Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers 10 mit Na¬ delrippen 9, also Kühlrippen 9 mit in Draufsicht rundem
Querschnitt ist in Fig. 9 in einer Figur 5 entsprechenden Ansicht gezeigt. Die Kühlrippen 9 sind kreisförmig umlaufend in zu¬ einander versetzten Reihen angeordnet. Wiederum ist in Fig. 10 in einer Figur 6 entsprechenden Ansicht ein Ausschnitt des Kühlkörpers 10 vergrößert dargestellt. Hier nimmt ein Rohr¬ reihenabstand mit sinkendem Durchmesser zu, ein Hohlraumanteil bleibt aber über dieser Durchmesserverringerung konstant. Typischerweise werden zwischen vier und acht Reihen verwendet. Nach der letzten Rohrreihe ergibt sich vor der Motoreinströmung eine Beruhigungszone. Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine
mit einem Stator (1) und einem Rotor (2) sowie einem in einem Invertergehäuse (3) angeordneten Inverter (4), wobei
der Rotor (2) mit seiner Rotorachse in einem ersten Lagerschild (5) und in einem zweiten Lagerschild (6) um eine Drehachse drehbar gelagert ist und
ein Kühlkörper (10) zwischen dem zweiten Lagerschild (6) und dem Invertergehäuse (3) in unmittelbarem berührenden Kontakt mit dem Invertergehäuse (3) angeordnet ist, wobei
der Rotor (2) an zwei einander gegenüberliegenden, in Richtung der Lagerschilde (5, 6) weisenden Stirnseiten Lüfterradschaufeln (12) und
der Kühlkörper (10) mindestens zwei Kühlrippen (9) aufweist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagerschild (6) an einer um die Drehachse umlaufenden Außenfläche mindestens eine Ausblas- Öffnung (8) zum radialen Ausblasen des Kühlmediums aufweist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) an den in Richtung der Lagerschilde (5, 6) weisenden Stirnseiten jeweils einen
Kurzschlussring (11) aufweist, an dem die Lüfterradschaufeln (12) angeordnet oder ausgebildet sind.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeübergang von dem Invertergehäuse (3) zu dem Kühlkörper (10) minimiert ist durch eine glatte Oberfläche des Invertergehäuses (3) und/oder des Kühlkörpers (10) und /oder durch eine zwischen dem Invertergehäuse (3) und dem Kühlkörper (10) aufgebrachte Wärmeleitpaste .
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Kühlkörper (10) alsein Wärmetauscher ausgebildet ist.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kühlkörper (10) vorhandene Kühlrippen (9) radial verlaufend angeordnet sind.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (9) mit einem in einer Draufsicht aus Richtung der Drehachse gerade oder gekrümmt verlaufenden oder kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Invertergehäuse (3) eine umlaufende Verkapselung aufweist.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein modularer Aufbau mit dem Stator (1), dem Rotor (2), dem Kühlkörper (10), dem ersten Lagerschild (5), dem zweiten Lagerschild (6) und dem Inverter (4) vorgesehen ist.
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