WO2019201702A1 - Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische maschine - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a liquid cooling system for an electric machine, in particular an electric machine for a vehicle with a stator and a rotor.
  • the meandering cooling channels are provided to provide as much surface area to ensure an advantageous heat transfer to the cooling liquid speed.
  • Object of the present invention is therefore to provide a liquid cooling system for a elec- tric machine, in which a heat transfer to the cooling liquid in a cooling channel works advantageously, with a resistance of the coolant flow is as low as possible and thus a power requirement for a coolant pump is low.
  • a liquid cooling system for an electric machine for an electric machine according to claim 1.
  • the liquid cooling system according to the invention for an electrical machine, a stator assembly and a Rotoranord tion wherein the stator assembly is provided with a cooling channel and / or wherein the rotor assembly is provided with a cooling channel, wherein through the cooling channel, a fluid in a main flow direction (D) flows and wherein the cooling channel provides at least one groove.
  • the groove can be arranged along the main flow direction (D). It is also advantageous if a plurality of grooves in a parallel arrangement or in a staggered arrangement to the main flow direction (D) are arranged.
  • the groove is arranged at an angle to the main flow direction (D).
  • a plurality of grooves may be arranged in parallel and / or alternating with one another at a different angle to the main flow direction (D).
  • the arrangement of the grooves at an angle to the main flow Rich device (D) can also be characterized as an oblique position of the grooves to the main flow direction be.
  • the three-dimensional vortices generated by the structure of the groove have the property that they can penetrate deep into the boundary layer. Thus, locally high heat transfer coefficients can be achieved even with a laminar flow of the fluid.
  • the obliquely inclined grooves in the main flow direction are arranged alterna tely one another at a positive and a negative angle, so while a main vortex in the cooling channel will be weaker, but it will be generated locally smaller vortex.
  • Figure 1 an embodiment of a cooling channel according to the invention
  • FIG. 2 shows another embodiment of adeka invention nals Figures 3-12 further advantageous embodiments of a cooling channel according to the invention
  • FIG. 1 shows a cooling channel 5; 15 with grooves 20, 21, 22, 23, 24, 25 wherein the Nu th 20, 21, 22, 23, 24, 25 are arranged in the longitudinal direction of a main flow direction D of a fluid 30.
  • any number of grooves can be provided one behind the other or beside each other in a parallel arrangement.
  • the vortices are suitable, an advantageous heat transfer from the cooling passage 5; 15 to cause the fluid 30. This will be described fol lowing still in the other figures.
  • FIG. 2 shows a cooling channel 5; 15 wherein the fluid 30, the cooling channel 5; 15 flows through in the main flow direction D.
  • the grooves 20, 21, 22, 23 are arranged here at an angle to the main flow direction D of the fluid 30.
  • the oblique arrangement of the grooves 20, 21, 22, 23 is defined with the angle a.
  • the grooves 20, 21, 22, 23 are arranged in the main flow direction D in succession.
  • FIG. 3 shows a cooling channel 5; 15, as already described in Figure 2, but in a plan view.
  • embossed three-dimensional vortex shown here triggers.
  • three-dimensional vortex is a heat flow or heat transfer from the component, so a stator or a rotor in which the cooling channel 5; 15 befin det, particularly pronounced to the fluid 30.
  • FIG. 4 shows a cooling channel 5; 15 in cross section, as already described in Figures 2 and 3. It is easy to see how the groove 20 in the cooling channel 5; 15 is arranged.
  • the groove 20 obliquely flowed from the fluid 30 with the main flow direction D.
  • this forms a flow direction E in the groove which, in addition to the already mentioned region of pronounced three dimensional vortices, still leads to a circulating flow in the channel.
  • This zir flowing flow in the channel is further advantageous for a heat transfer from the component, ie a stator or a rotor in which the cooling channel 5; 15 is in the fluid 30th
  • FIG. 5 shows a cooling channel 5; 15, as already described in Figure 2.
  • the main flow direction D of the fluid 30 at a flow through the cooling channel 5; 15 by means of the grooves 20, 21, 22, inter alia, in a direction of flow E in the grooves and further along the main flow direction D, is brought into a vortex.
  • an advantageous heat transfer from the component, ie a stator or a rotor in which the cooling channel 5; 15, are achieved in the fluid 30.
  • the main flow of the fluid 30 is opposed by the already described above vortex a very low resistance.
  • FIG. 6 shows with FIG. 7 a cross section through a cooling channel 5; 15 as already described in Figure 4.
  • FIG. 7 On the effects of caused by the groove, or grooves flow change of the main flow D gegan conditions. Particularly good to see in Figure 7 that forms a Se kundärwirbel at one end of the groove, wherein in the main flow direction D itself at the other end of the groove is a main vortex.
  • the region in which the main vortex forms is a region for a high energy transfer from the component, that is to say a stator or a rotor, in which the cooling channel 5; 15, to the fluid 30.
  • FIG. 8 shows a cooling channel 5; 15 in plan view.
  • the grooves 20, 21, 22, 23 in the main flow direction D one behind the other and alternately once at a positive angle a and then the next groove at a nega tive angle - a arranged.
  • the effects of this arrangement of the grooves 20, 21, 22, 23 in the figure 9, 10 and 1 1 are shown in more detail.
  • FIG. 9 shows
  • a secondary vortex is formed by the last groove on the side of the second main vortex. It should also be mentioned here that in the region of the two main vortices a region of a high energy transfer from the component, that is to say a stator or a rotor, in which the cooling channel 5; 15, to which fluid 30 is present.
  • FIG. 12 shows a cooling channel 5; 15 in a plan view.
  • the grooves 20, 21 successively in the direction of the main flow direction D of the fluid 30 in different angles, here b and c are arranged, which of course in number can of course also be provided in many cases in order to produce the most advantageous main vortex a high energy transfer from the component, so a stator or a rotor in which the cooling channel 5; 15 to produce fluid 30.
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Abstract

Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine, umfassend eine Statoranordnung und eine Rotoranordnung, wobei die Statoranordnung mit einem Kühlkanal (5) versehen ist und/oder wobei die Rotoranordnung mit einem Kühlkanal (15) versehen ist, wobei durch den Kühlkanal (5; 15) ein Fluid (30) in einer Hauptstromrichtung (D) strömt, wobei der Kühlkanal (5; 15) zumindest eine Nut (20) vorsieht.

Description

Flüssigkeitskühlsvstem für eine elektrische Maschine
Vorliegende Erfindung betrifft ein Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug mit einem Stator und einem Rotor.
Aus dem Stand der Technik der DE 196 24 519 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, sowie mit einem flüssigkeitsgekühlten Gehäu se, bei dem ein Gehäuseinnenteil mit einem System von mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen vorgesehen ist, um eine Kühlung der elektrischen Maschine zu erreichen.
Dabei sind die mäanderförmig verlaufenden Kühlkanäle vorgesehen, um möglichst viel Oberfläche bereitzustellen, um eine vorteilhafte Wärmeübertragung an die Kühlflüssig keit zu gewährleisten.
Nachteilig an diesem aus dem Stand der Technik bekannten Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine ist jedoch, dass die mäanderförmigen Kühlkanäle einen Wi derstand für den Kühlmittelfluss darstellen, was zu einem hohen Leistungsbedarf bei der Kühlmittelpumpe führen kann.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb ein Flüssigkeitskühlsystem für eine elekt rische Maschine bereitzustellen, bei der ein Wärmeübergang auf die Kühlflüssigkeit in einem Kühlkanal vorteilhaft funktioniert, wobei ein Widerstand des Kühlmittelflusses möglichst gering ist und damit ein Leistungsbedarf für eine Kühlmittelpumpe gering ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Dabei umfasst das erfindungsgemäße Flüssigkeits kühlsystem für eine elektrische Maschine, eine Statoranordnung und eine Rotoranord nung, wobei die Statoranordnung mit einem Kühlkanal versehen ist und / oder wobei die Rotoranordnung mit einem Kühlkanal versehen ist, wobei durch den Kühlkanal ein Fluid in einer Hauptstromrichtung (D) strömt und wobei der Kühlkanal zumindest eine Nut vorsieht. Dabei kann die Nut längs zu der Hauptstromrichtung (D) angeordnet sein. Hierbei ist es auch vorteilhaft, wenn mehrere Nuten in paralleler Anordnung oder in einer gestaffelten Anordnung zu der Hauptstromrichtung (D) angeordnet sind.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn die Nut in einem Winkel zu der Hauptstrom richtung (D) angeordnet ist. Dabei können aber auch mehrere Nuten parallel und / oder zueinander abwechseln in einem unterschiedlichen Winkel zu der Hauptstromrichtung (D) angeordnet sein. Die Anordnung der Nuten in einem Winkel zu der Hauptstromrich tung (D) kann auch als eine schräge Anstellung der Nuten zur Hauptstromrichtung be zeichnet werden. Hierdurch werden beim Durchfließen des Fluids durch den Kühlkanal an den schräg angestellten Nuten dreidimensionale Wirbel erzeugt. Da das Fluid in der Strömung nicht auf eine Wand prallt, wie beispielsweise bei der Verwendung von Ste gen im Kühlkanal oder bei einem mäanderförmig verlaufenden Kühlkanal, ist der zu sätzliche Strömungswiderstand bei der Verwendung von Nuten sehr gering. Die durch die Struktur der Nut erzeugten dreidimensionalen Wirbel haben die Eigenschaft, dass diese bis tief in die Grenzschicht eindringen können. So können lokal hohe Wärme übergangskoeffizienten sogar bei einer laminaren Strömung des Fluids erreicht werden. Für den Fall, dass die schräg angestellten Nuten in Hauptströmungsrichtung abwech selnd zueinander in einem positiven und einem negativen Winkel angeordnet werden, so wird zwar ein Hauptwirbel im Kühlkanal schwächer ausgeprägt sein, es werden aber dadurch lokal kleinere Wirbel erzeugt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Darstellungen näher erläutert werden. Da bei stellen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich bevor zugte Ausführungen dar und sollen nicht den Rahmen der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
Es zeigen:
Figur 1 : eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Kühlkanals
Figur 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlka nals Figuren 3-12 weitere vorteilhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kühlkanals
Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Figur 1 zeigt einen Kühlkanal 5; 15 mit Nuten 20, 21 , 22, 23, 24, 25 wobei die Nu ten 20, 21 , 22, 23, 24, 25 in Längsrichtung einer Flauptstromrichtung D eines Fluids 30 angeordnet sind. Dabei können beliebig viele Nuten hintereinander oder auch nebenei nander in paralleler Anordnung vorgesehen werden. Bei einem Überströmen der Nuten kann es zu Wirbeln kommen, wobei die Wirbel geeignet sind, einen vorteilhaften Wär meübergang von dem Kühlkanal 5; 15 zu dem Fluid 30 zu bewirken. Dies wird nachfol gend noch in den weiteren Figuren beschrieben.
Die Figur 2 zeigt einen Kühlkanal 5; 15 wobei das Fluid 30 den Kühlkanal 5; 15 in der Hauptstromrichtung D durchströmt. Im Gegensatz zu der in der Figur 1 beschriebenen Ausführungsform sind die Nuten 20, 21 , 22, 23 hier schräg zur Hauptstromrichtung D des Fluids 30 angeordnet. Dabei wird hier die schräge Anordnung der Nuten 20, 21 , 22, 23 mit den Winkel a definiert. In dieser Ausführungsform sind die Nuten 20, 21 , 22, 23 in der Hauptstromrichtung D nacheinander angeordnet. Besser zu sehen in der Figur 3, entstehen in Hauptstromrichtung D des Fluids 30, nach den Nuten 20, 21 , 22, 23, Be reiche ausgeprägter dreidimensionaler Wirbel. In diesen Bereichen ausgeprägter drei dimensionaler Wirbel entsteht ein vorteilhafter Wärmestrom T von dem Bauteil bzw. von dem Kühlkanal 5; 15 zu dem Fluid 30. Hierdurch wird eine vorteilhafte Wärmeabfuhr und damit Kühlung gewährleistet. Vorteilhaft ist dabei, dass durch dieses Ausführungs form mit Nuten 20, 21 , 22, 23 in einem Kühlkanal 5; 15 dem Fluid 30 in der Hauptstrom richtung D nur ein geringer zusätzlicher Widerstand entgegengesetzt wird, im Vergleich dazu, wenn man beispielsweise die Nuten als Stege ausbilden würde, also wenn diese in den Kühlkanal 5; 15 hineinragen würden.
Die Figur 3 zeigt einen Kühlkanal 5; 15, wie bereits in der Figur 2 beschrieben, jedoch in einer Draufsicht. Hierbei ist gut zu erkennen, wie die Hauptstromrichtung D des Fluids 30, wenn dieses über die Nuten 20, 21 , 22, 23 strömt, eine Stromrichtung E in den Nu- ten erzeugt, der der einer Orientierung der Nut entspricht. Dabei ist weiter hier gut zu erkennen, dass nach den Nuten 20, 21 , 22, 23 in Stromrichtung D sich Bereiche ausge prägter dreidimensionaler Wirbel bilden, hier getrichelt dargestellt. In diesen Bereichen ausgeprägter dreidimensionaler Wirbel ist ein Wärmestrom bzw. ein Wärmeübergang von dem Bauteil, also ein Stator oder ein Rotor, in dem sich der Kühlkanal 5; 15 befin det, zu dem Fluid 30 besonders günstig ausgeprägt.
Die Figur 4 zeigt einen Kühlkanal 5; 15 im Querschnitt, wie bereits in den Figuren 2 und 3 beschrieben. Hierbei ist gut zu sehen, wie die Nut 20 im Kühlkanal 5; 15 angeordnet ist. Dabei wird, wie schon erwähnt, die Nut 20 schräg von dem Fluid 30 mit der Haupt stromrichtung D angeströmt. Wie bereits erwähnt, bildet sich dadurch eine Strömungs richtung E in der Nut aus was neben den bereits erwähnten Bereich ausgeprägter drei dimensionaler Wirbel noch zu einer zirkulierenden Strömung im Kanal führt. Diese zir kulierende Strömung im Kanal ist dabei weiter vorteilhaft für einen Wärmeübergang aus dem Bauteil, also ein Stator oder ein Rotor, in dem sich der Kühlkanal 5; 15 befindet, in das Fluid 30.
Die Figur 5 zeigt einen Kühlkanal 5; 15, wie bereits in der Figur 2 beschrieben. Dabei ist hier gut zu erkennen, wie die Hauptstromrichtung D des Fluids 30 bei einem Durch strömen des Kühlkanals 5; 15 mittels der Nuten 20, 21 , 22 unter anderem in eine Stromrichtung E in den Nuten und weiter entlang der Hauptstromrichtung D, in einen Wirbel gebracht wird. Durch diese Wirbel kann, wie schon erwähnt ein vorteilhafter Wärmeübergang von dem Bauteil, also ein Stator oder ein Rotor, in dem sich der Kühl kanal 5; 15 befindet, in das Fluid 30 erzielt werden. Dabei ist weiter zu erwähnen, dass durch den bereits auch vorangehenden beschriebenen Wirbel dem Hauptstrom des Fluids 30 ein nur sehr geringer Wiederstand entgegengesetzt wird. Dies bedeutet, dass durch diese Nuten 20, 21 , 22 der Wärmeübergang von dem Bauteil, also ein Stator oder ein Rotor, in dem sich der Kühlkanal 5; 15 befindet, in das Fluid 30 verbessert wird, ohne dabei einen signifikanten Widerstand entgegenzusetzen. Dies bedeutet weiterhin, dass durch diese Ausführungsform keine signifikant erhöhte Leistung für eine hier nicht dargestellte Kühlmittelpumpe für das Fluid 30 benötigt wird. Die Figur 6 zeigt mit der Figur 7 einen Querschnitt durch einen Kühlkanal 5; 15 wie be reits in der Figur 4 beschrieben. Dabei wird hier jedoch auf die Auswirkungen der durch die Nut, bzw. Nuten verursachten Strömungsänderung der Flauptströmung D eingegan gen. Besonders gut zu sehen ist in der Figur 7 dass sich an einen Ende der Nut ein Se kundärwirbel bildet, wobei in der Hauptströmungsrichtung D sich am anderen Ende der Nut ein Hauptwirbel befindet. Wie bereits in der Figur 3 beschrieben, ist der Bereich in dem sich der Hauptwirbel bildet, ein Bereich für einen hohen Energieübertrag von dem Bauteil, also ein Stator oder ein Rotor, in dem sich der Kühlkanal 5; 15 befindet, zu dem Fluid 30.
Die Figur 8 zeigt einen Kühlkanal 5; 15 in der Draufsicht. Dabei sind hier die Nuten 20, 21 , 22, 23 in der Hauptströmungsrichtung D hintereinander und abwechselnd einmal unter einem positiven Winkel a und darauffolgend die nächste Nut unter einem negati ven Winkel - a angeordnet. Dabei sind die Auswirkungen dieser Anordnung der Nuten 20, 21 , 22, 23 in der Figur 9, 10 und 1 1 näher dargestellt. Dabei zeigen die Figuren 9,
10 und 1 1 , dass sich an den jeweiligen Endbereichen der Nuten 20, 21 , 22, 23 sich durch die abwechselnde schräge Anordnung einmal in einem positiven Winkel a und nachfolgend in einem negativen Winkel -a sich zwei Wirbel bilden, nämlich hier ein Wir bel 1 und ein Wirbel 2.
Weiter ist in der Figur 1 1 gut zu erkennen, wie auf Seite des zweiten Hauptwirbels sich ein Sekundärwirbel von der letzten Nut ausbildet. Weiter ist hier zu erwähnen, dass in dem Bereich der beiden Hauptwirbel ein Bereich von einem hohen Energieübertrag von dem Bauteil, also ein Stator oder ein Rotor, in dem sich der Kühlkanal 5; 15 befindet, zu dem Fluid 30 vorhanden ist.
Die Figur 12 zeigt einen Kühlkanal 5; 15 in einer Draufsicht. Dabei sind hier die Nuten 20, 21 nacheinander in Richtung der Hauptstromrichtung D des Fluids 30 in unter schiedlichen Winkeln, hier b und -c angeordnet, die bei Bedarf in ihrer Anzahl natürlich auch noch vielfach vorgesehen werden können, um möglichst vorteilhafte Hauptwirbel zu erzeugen um einen hohen Energieübertrag von dem Bauteil, also ein Stator oder ein Rotor, in dem sich der Kühlkanal 5; 15 befindet, zu dem Fluid 30 zu erzeugen. Bezuqszeichen
5 Kühlkanal
15 Kühlkanal
20 Nut
21 Nut
22 Nut
23 Nut
24 Nut
25 Nut
30 Fluid
a Winkel
-a Winkel
b Winkel
-b Winkel
-c Winkel
D Hauptstromrichtung des Fluids
E Stromrichtung des Fluids in und nach der Nut

Claims

Patentansprüche
1. Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine, umfassend:
eine Statoranordnung und eine Rotoranordnung, wobei die Statoranordnung mit einem Kühlkanal (5) versehen ist und / oder wobei die Rotoranordnung mit einem Kühlkanal (15) versehen ist, wobei durch den Kühlkanal (5; 15) ein Fluid (30) in einer Hauptstrom richtung (D) strömt, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühlkanal (5; 15) zumindest eine Nut (20) vorsieht.
2. Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) längs zu der Hauptstromrichtung (D) angeordnet ist.
3. Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nuten (20; 21 ; 22; 23) längs zu der Hauptstromrichtung in paralleler und / oder in gestaffelter Anordnung zu der Hauptstromrichtung (D) ange ordnet sind.
4. Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) in einem Winkel (a) zu der Hauptstromrichtung (D) angeordnet ist.
5. Flüssigkeitskühlsystem für eine elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nuten (20; 21 ; 22; 23) parallel und /oder zueinander abwechselnd in einem unterschiedlichen Winkel (a; -a; b; -c) zu der Hauptstromrichtung (D) angeordnet sind.
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