WO2020057699A1 - Kühlkörper für einen elektrischen motor, elektrischer motor und verfahren zum kühlen des motors - Google Patents

Kühlkörper für einen elektrischen motor, elektrischer motor und verfahren zum kühlen des motors Download PDF

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WO2020057699A1
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heat sink
channel
electric motor
connection
coolant
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PCT/DE2019/200079
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Sebastian Martens
Natale Cosmo Bifano
Sascha Klett
Maximilian MUNZ
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Ziehl-Abegg Automotive Gmbh & Co. Kg
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    • B60K2001/003—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units
    • B60K2001/006—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units the electric motors

Definitions

  • the invention relates to a heat sink for an electric motor, in particular for a wheel hub drive of a commercial vehicle, with a channel which extends between a first connection of the heat sink and a second connection of the heat sink. Furthermore, the invention relates to an electric motor with a corresponding heat sink and a method for cooling the electric motor.
  • Heat sinks of the type in question have been known in practice for years. Liquid cooling for electric motors is particularly widespread in the field of wheel hub drives in order to provide adequate heat dissipation at high power density. Because despite high efficiency over large areas of the map, there are operating conditions in electric motors designed as wheel hub drives in which a large part of the power is converted into heat, for example in start-up situations with a gradient.
  • peak loads at which high heat flows emanate from the coils, can be absorbed and defused by using comparatively large components with a high mass and a high heat capacity.
  • This can be, for example, ribs of the coil windings, which are made of stainless steel and can absorb a relatively high amount of thermal energy for a short time, which is then continuously dissipated during operation.
  • Heat sinks are used as heat exchangers, which are generally cylindrical components and are introduced into the interior of a stator pack of the wheel hub drive.
  • the heat sink is, for example, a cylinder made of aluminum, in which channels are milled.
  • the duct system is made up of coolant on one side of the circumference of the cylinder Coolant circuit supplied.
  • the coolant at the first connection strikes a distributor channel vertically as an impact jet and is introduced from the distributor channel into a multiplicity of channels on the cylinder jacket which are guided parallel to one another.
  • the coolant is collected at the second connection and from there it is returned to a coolant circuit.
  • the present invention is therefore based on the object of designing and developing a cooling of the type mentioned at the outset in such a way that a higher degree of efficiency can be achieved and the periods in which individual areas are exposed to high temperatures are reduced. According to the invention, the above object is achieved by the features of claim 1.
  • the duct in question then spirally winds around the heat sink.
  • the above object is achieved by the features of the independent claim 10, according to which the electric motor is equipped with a corresponding heat sink.
  • the object is achieved by claim 14, which is further subordinate, according to which coolant is guided within the channel at a flow rate which is sufficiently high to effect the Dean number at least in sections in the channel which is greater than or equal to 50 and preferably greater than 54.
  • the flow behavior of the coolant within the channels can be specifically influenced and optimized by taking the curvature of the channels into account as a function of the other dimensions of the channels.
  • the Dean number depends on the one hand on the flow rate and the viscosity of the coolant, but can also be influenced by changing a curvature and by changing the width and height of the channels - or the hydraulic diameter of the channels.
  • the cooling body is basically in the form of a rotating body.
  • This can be, for example, a truncated cone which has a first base area, a second base area and a jacket, the jacket of the rotary body preferably being provided with a groove forming the channel. Since the channel spirally wraps around the heat sink, the heat sink - with the channel - is not strictly rotationally symmetrical.
  • the heat sink is designed as a hollow circular cylinder.
  • the circular cylindrical shape of the heat sink is suitable for use with electric motors that have a stator and a rotor that can be rotated relatively to it.
  • the stator and rotor are also regularly designed in the form of a first circular cylinder and a hollow second circular cylinder surrounding it. Either the outer hollow second circular cylinder is the non-rotatable stator and the inner first circular cylinder is relative to it rotating rotor (inner rotor), or the inner first circular cylinder is the non-rotatable stator and the hollow second circular cylinder is the rotating rotor (outer rotor) relative to it.
  • the heat sink according to the teaching described here can be arranged on the outside around the stator of the inner rotor motor in the first case, in preferred embodiments the heat sink is inserted inside the stator of an outer rotor motor.
  • the latter embodiment is particularly suitable for wheel hub drives of vehicles - preferably commercial vehicles. Due to its hollow circular cylindrical shape, the heat sink is adapted to the shape of the stator, which is also circular cylindrical.
  • the groove forming the channel can be wholly or partially introduced into an outer surface of the casing of the rotary body forming the cooling body, for example by milling. However, the channel is preferably at least partially introduced into an inner surface of the jacket of the heat sink.
  • the heat sink is therefore suitable for use in a permanently excited synchronous motor (PMSM) designed as an external rotor motor and can be inserted inside the stator package.
  • PMSM permanently excited synchronous motor
  • the first connection and the second connection can be located closer to the first base area of the heat sink.
  • the first connection can in particular be used to supply coolant, the second connection serving to return the coolant to the coolant circuit.
  • the coolant can thus be introduced close to the first base area and move along the heat sink through the spiral channel.
  • the channel can preferably make a U-turn closer to the second base area of the heat sink.
  • the guide of the channel has in particular an angle of almost 180 °.
  • the area of the U-turn can have a particularly high curvature compared to the rest of the spiral guidance of the channel and can lead to a particularly high Dean number, which in turn favors the formation of secondary vortices and the heat absorption of the coolant in the heat sink and thus the cooling capacity increases.
  • the canal then moves back to the first base area in order to end in the second connection.
  • the first connection and the second connection preferably lie opposite one another on the circumference. This configuration is particularly advantageous for the use of the heat sink with wheel hub drives, because the coolant can be fed to the heat sink on the inside of the vehicle - close to the first base area - and can also be guided back into the coolant circuit on the same side.
  • the channel is partially designed in the form of a double helix.
  • the first connection can be connected to a first strand of the double helix and the second connection can be connected to a second strand of the double helix.
  • the first strand of the double helix thus leads from the first connection to the U-turn.
  • the second strand of the double helix leads from the U-turn to the second connection.
  • the double helix shape alternates turns of the first strand, which lead the coolant in one direction towards the U-turn, with turns of the second strand, which lead the coolant in the opposite direction.
  • the coolant supplied to the heat sink - which has the lowest temperature when it enters the first connection - therefore first passes through the windings of the first strand and thereby absorbs heat. There is a temperature difference not only in relation to the components to be cooled, but also in relation to the coolant in the turns of the second strand. After the turn, the coolant flows back through the turns of the second strand, but in opposite directions between two turns of the first strand until it has reached the highest temperature when it exits the second connection.
  • the temperatures in the windings of the first strand and the second strand are far apart from one another, the temperatures in the windings of the first strand and the second strand in the region of the U-turn near the second base surface are largely the same. Because the particularly cold coolant in the turns of the first Strand near the first base surface has a high temperature difference to the components to be cooled, and the already largely heated coolant in the windings of the second strand near the first base surface has a low temperature difference to the components to be cooled, is the cooling capacity via the axial extent of the heat sink reasonably adjustable.
  • a width of the channel is greater than a third of a height of the channel.
  • the width of the channel is preferably less than three times the height of the channel.
  • the width of the channel can be approximately 5 to approximately 50 mm and in particular 7 mm to 21 mm.
  • the height of the channel can also be approximately 5 mm to approximately 50 mm and in particular 7 mm to 21 mm.
  • the ratio of width to height is preferably between 1/3 and 3, because in these areas the relative pressure loss can be represented universally as a function of the Dean number and thus manipulated in a targeted manner. With a more extreme width-to-height ratio, the effect of increasing the relative pressure drop is reduced because the vortex systems become unstable and the radial flow exchange no longer takes place primarily on the outer walls.
  • the radius of curvature of the channels - that is to say the radius of the casing of the rotating body - can preferably be between 50 mm and 200 mm.
  • the heat sink is made of aluminum, and any material with a suitable thermal conductivity and a suitable specific heat capacity can be used.
  • an electric motor which comprises such a heat sink - with one or more of the features described.
  • This is preferably a permanently excited synchronous motor (PMSM) designed as an external rotor motor.
  • the electric motor is further preferably a wheel hub drive for a vehicle, in particular for a commercial vehicle.
  • the heat sink can be located inside a stator of the electric motor and can dissipate the energy converted into heat during operation. This preferably includes
  • Coolant is guided at a flow rate in a channel or in the channel of the heat sink described.
  • the flow rate is sufficiently high to cause a Dean number in the channel, at least in sections, which is greater than or equal to 50.
  • the Dean number is preferably greater than 54, so that secondary vortices form in the flow of the coolant through the channel.
  • a heat sink according to the teaching described here is preferably used.
  • the coolant is introduced at the first connection into the spiral channel that winds around the heat sink.
  • the Dean number can be determined via the flow rate and the formation of secondary vortices can be controlled.
  • FIG. 1a shows an embodiment of a heat sink in longitudinal section
  • FIG. 2 shows the embodiment of the heat sink in an enlarged section.
  • a heat sink 1 for an electric motor can be seen in general in FIG. 1a (not shown).
  • the heat sink 1 is particularly suitable for cooling permanently excited synchronous motors (PMSM), which are designed as external rotor motors, preferably as wheel hub drives for a vehicle and in particular for a commercial vehicle.
  • PMSM permanently excited synchronous motors
  • the heat sink 1 is arranged inside a stator or a stator pack of the electric motor.
  • the heat sink 1 comprises a channel 2, which extends between a first connection 3 a of the heat sink 1 and a second connection (not shown in FIG. 1 a) of the heat sink 1. Since FIG. 1a is a sectional view, only the first connection 3a can be seen. In this embodiment, however, the second connection is designed in a manner that is rotationally symmetrical about the longitudinal axis 4 relative to the first connection 3a. The first connection 3a and the second connection are therefore mutually opposite.
  • the heat sink 1 is designed in the form of a hollow circular cylinder.
  • the hollow circular cylinder has a first base area 5, a second base area 6 and a jacket 7.
  • the jacket 7 of the circular cylinder is provided with a groove forming the channel 2.
  • the channel 2 wraps around the heat sink 1 in a spiral.
  • the channel 2 is designed in the form of a double helix and is introduced into an inner surface 8 of the jacket 7. In other embodiments, however, the channel 2 can also be introduced into an outer surface 9 of the jacket 7.
  • the first connection 3a and the second connection are closer to the first base 5 of the heat sink 1 than to the second base 6 of the heat sink 1.
  • the channel 2 makes one U-turn 10, wherein the channel 2 changes its direction a tight curve by about 180 °.
  • the first connection 3a is connected to a first strand 11 of the double helix.
  • the first line 11 leads coolant from the first connection 3a via the turns 12, 13 of the first line 11 to the U-turn 10.
  • a second line 14 guides the coolant from the U-turn 10 via the turns 15, 16 of the first strand 11 back towards the first base 5 of the heat sink 1 to the second connection 3b. From there, the coolant can return to a coolant circuit (not shown).
  • the direction of flow of the coolant within the first strand 11 and the second strand 12 of the channel 2 can be understood using the arrows 17.
  • Fig. 1b shows the embodiment of the heat sink 1 from Fig. 1a also in longitudinal section, but from the opposite side, so that in Fig. 1b that part of the heat sink 1 is shown, which is not shown in Fig. 1a due to the section, and vice versa.
  • the direction of flow of the coolant can also be traced using the arrows 17.
  • the coolant which flows during operation from the first connection 3a (not shown in FIG. 1b) via the windings 12, 13 of the first strand 11 to the U-turn (not shown in FIG. 1b) arrives after the U-turn second strand 14 of the channel 2 through its windings 15, 16 to the second connection 3b and from there back into the coolant circuit.
  • the geometry of the heat sink 1 and in particular the channel 2 can be seen from FIG. 2.
  • a width 18 of the channel 2 is approximately three times as large as the fleas 19 of the channel 2.
  • the width 18 can be approximately 40 mm, while the height 19 is approximately 13.5 mm.
  • the radius of curvature 20 is approximately 140 mm. With these specified dimensions, the Dean number is only dependent on the flow rate and the viscosity with which the coolant flows through channel 2.
  • the Dean number is generally described by the equation
  • the radius of curvature * 20 is measured from the longitudinal axis 4 of the heat sink 1 to the inner surface 8 of the jacket 7, that is to say to the inner boundary surface of the channel 2 .
  • the Dean number De depends only on the flow velocity u and the viscosity v .
  • a coolant with a suitable viscosity and a suitable flow rate u has to be passed through the channel 2 in order to achieve a specific Dean number to reach.
  • a Dean number that is greater than 54 should be achieved.

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Abstract

Kühlkörper für einen elektrischen Motor, insbesondere für einen Radnabenantrieb eines Nutzfahrzeugs, mit einem Kanal, der einen ersten Anschluss des Kühlkörpers und einen zweiten Anschluss des Kühlkörpers verbindet, wobei der Kanal den Kühlkörper spiralförmig umwindet. Mit einem solchen Kühlkörper lässt sich ein Strömungszustand von Kühlmittel innerhalb des Kanals erzeugen, bei dem sich Sekundärwirbel bilden und die Kühlleistung erheblich verbessert wird.

Description

KÜHLKÖRPER FÜR EINEN ELEKTRISCHEN MOTOR,
ELEKTRISCHER MOTOR UND VERFAHREN ZUM KÜHLEN DES
MOTORS
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für einen elektrischen Motor, insbesondere für einen Radnabenantrieb eines Nutzfahrzeugs, mit einem Kanal, der sich zwischen einem ersten Anschluss des Kühlkörpers und einem zweiten Anschluss des Kühlkörpers erstreckt. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen elektrischen Motor mit einem entsprechenden Kühlkörper sowie ein Verfahren zum Kühlen des elektrischen Motors.
Kühlkörper der in Rede stehenden Art sind seit Jahren aus der Praxis bekannt. Insbesondere im Bereich der Radnabenantriebe sind Flüssigkeitskühlungen für elektrische Motoren verbreitet, um bei hoher Leistungsdichte eine ausreichende Wärmeabfuhr bereitzustellen. Denn trotz hoher Effizienz über weite Bereiche des Kennfelds existieren bei als Radnabenantrieben ausgeführten elektrischen Motoren Betriebszustände, bei denen ein großer Teil der Leistung in Wärme umwandelt wird, etwa bei Anfahrsituationen mit Steigung.
Diese Lastspitzen, bei denen hohe Wärmeströme von den Spulen ausgehen, können durch die Verwendung vergleichsweise großer Bauteile mit hoher Masse und hoher Wärmekapazität aufgefangen und entschärft werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Rippen der Spulenwicklungen handeln, die aus Edelstahl gefertigt sind und kurzfristig eine relativ hohe Menge an Wärmeenergie aufnehmen können, die dann im laufenden Betrieb kontinuierlich abgeführt wird.
Als Wärmetauscher werden Kühlkörper verwendet, die in der Regel zylindrisches Bauteil ausgebildet sind und in das Innere eines Statorpakets des Radnaben- antriebs eingebracht werden.
Gemäß einer bekannten Ausführungsform ist der Kühlkörper beispielsweise ein aus Aluminium gefertigter Zylinder, in den Kanäle eingefräst sind. Das Kanal- system wird auf einer Seite des Umfangs des Zylinders mit Kühlmittel aus einem Kühlmittelkreislauf versorgt. Dabei trifft das Kühlmittel an dem ersten Anschluss als Prallstrahl senkrecht auf einen Verteilerkanal und wird von dem Verteilerkanal aus in eine Vielzahl von parallel zu einander geführten Kanälen auf dem Zylinder- mantel eingeleitet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Umfangs des Zylinders wird das Kühlmittel an dem zweiten Anschluss gesammelt und von dort zurück in einen Kühlmittelkreislauf gegeben.
Bei dieser Lösung ergibt sich eine Druckverteilung, die entlang der Lauflänge des Verteilerkanals sehr ungleichmäßig ist. Da der Differenzdruck über das Kanal- system den Volumenstrom antreibt, verursacht eine ungleichmäßige Druckver- teilung im Verteilerkanal eine entsprechende ungleichmäßige Druckverteilung in den einzelnen Kanälen. Die beiden äußeren Kanäle, die sich direkt im Auf- prallbereich des Prallstrahls befinden, werden stärker durchströmt als die rest- lichen Kanäle. Dies bewirkt eine Inhomogenität der Volumenströme durch die einzelnen Kanäle und somit auch eine inhomogene Temperaturverteilung zwischen den einzelnen Kanälen und unterschiedliche Wärmemengen, die jeder einzelne Kanal abführen kann. Dadurch bilden sich sogenannte Hotspots, also Bereiche, die im Betrieb besonders heiß werden und aus denen die Wärme be- sonders schlecht abgeführt wird. Das Auftreten dieser Hotspots kann Bauteile schädigen.
Mit den bekannten im Inneren des Statorpakets eines Radnabenantriebs ange- ordneten Kühlkörpern lassen sich Kühlleistungen von etwa 14 kW bis 16 kW er- reichen. Bei der Auslegung und Modellierung von solchen Kühlkörpern nach dem Stand der Technik wird eine etwaige Krümmung der Kanäle für gewöhnlich ver- nachlässigt und die Kanäle werden als gerade Linien angenommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass ein höherer Wirkungsgrad erreichbar ist und die Zeiträume, in denen einzelne Be- reiche hohen Temperaturen ausgesetzt sind, reduziert werden. Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Danach umwindet der in Rede stehende Kanal den Kühl körper spiralförmig.
In Bezug auf den elektrischen Motor ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst, wonach der elektrische Motor mit einem entsprechendem Kühlkörper ausgestattet ist. In Bezug auf das er- findungsgemäße Verfahren ist die Aufgabe durch den weiter nebengeordneten Anspruch 14 gelöst, wonach ein Führen von Kühlmittel innerhalb des Kanals mit einer Strömungsgeschwindigkeit erfolgt, die hinreichend groß ist, um in dem Kanal mindestens abschnittsweise eine die Dean-Zahl zu bewirken, die größer gleich 50 und vorzugsweise größer als 54 ist.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass durch die Be- rücksichtigung der Krümmung der Kanäle in Abhängigkeit der sonstigen Ab- messungen der Kanäle das Strömungsverhalten des Kühlmittels innerhalb der Kanäle gezielt beeinflusst und optimiert werden kann.
Aufgrund von Zentrifugalkräften kommt es bei Erhöhung der dimensionslosen Dean-Zahl zu Sekundärwirbeln, wie man es beispielsweise bei Krümmern in Rohrleitungen beobachten kann. Die Dean-Zahl hängt zwar einerseits von der Strömungsgeschwindigkeit und der Viskosität des Kühlmittels ab, lässt sich allerdings auch durch Änderung einer Krümmung sowie durch Änderung von Breite und Höhe der Kanäle - beziehungsweise des hydraulischen Durchmessers der Kanäle - beeinflussen.
Je nach Geometrie der Kanäle können über den Querschnitt des Kanals verteilt mehrere Doppelwirbel auftreten. Diese Verwirbelungen bewirken durch zusätz- liche Reibung an der Kanalwand einerseits eine Erhöhung des Druckverlusts beim Durchströmen des Kanals. Andererseits werden eine gleichmäßigere Druckver- teilung und eine verbesserte Durchmischung der Strömung erreicht. Durch die Durchmischung wird der Wärmeübergang erhöht, denn die Nußelt-Zahl - welche die Wärmeübertragung auf das Kühlmittel beschreibt - ist in einem gekrümmten Kanal auch bei laminaren Strömungszuständen stark abhängig von der Dean- Zahl. Dadurch steigt die Wärmemenge, die von dem elektrischen Motor über den Kühlkörper an das Kühlmittel abgegeben werden kann, also die Kühlleistung. Außerdem ist die Temperaturverteilung homogener als bei Kühlungen nach dem Stand der Technik. Die Bildung von Hotspots ist reduziert. Bei vergleichbaren Abmessungen lassen sich mit dem Kühlkörper nach der vorliegend beschriebenen Lehre Kühlleistungen von etwa 26 kW erreichen, was eine erhebliche Ver- besserung im Vergleich zu den 14 kW bis 16 kW darstellt, die mit Kühlkörpern nach dem Stand der Technik erreichbar sind.
Da nicht mehrere parallele Kanäle durchströmt werden, sondern lediglich ein spiralförmiger Kanal, erhöht sich die Kanallänge und die Durchflussgeschwindig- keit. Beides erhöht den Druckverlust. Die Dean-Zahl der Strömung durch die Kanäle des vorgeschlagenen Kühlkörpers ist im Vergleich zu den bekannten Kühlkörpern wesentlich höher. Im Gegenzug ist eine gleichmäßige - wenngleich verwirbelte Durchströmung des spiralförmigen Kanals in jedem Betriebspunkt gewährleistet. Wenngleich der Druckverlust über die Kanalführung im Vergleich zur parallelen Kanalführung erhöht ist, erscheint der Druckverlust bei vorge- gebenem Volumenstrom immer noch relativ gering und damit vernachlässigbar.
Vorzugsweise ist der Kühlkörper grundsätzlich in Form eines Rotationskörpers ausgebildet. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kegelstumpf handeln, der eine erste Grundfläche, eine zweite Grundfläche und einen Mantel aufweist, wobei der Mantel des Rotationskörpers vorzugsweise mit einer den Kanal bildenden Nut versehen ist. Da der Kanal den Kühlkörper spiralförmig umwindet, ist der Kühlkörper - mit dem Kanal - genau genommen nicht vollkommen rotationssymmetrisch.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper als hohler Kreiszylinders ausgebildet. Die Kreiszylinderform des Kühlkörpers eignet sich für die Verwendung mit elektrischen Motoren, die einen Stator und einen dazu relativ drehbaren Rotor aufweisen. Stator und Rotor sind regelmäßig ebenfalls in Gestalt eines ersten Kreiszylinders und eines diesen umgebenden hohlen zweiten Kreis- zylinders ausgebildet. Dabei ist entweder der äußere hohle zweite Kreiszylinder der drehfeste Stator und der innere erste Kreiszylinder der sich relativ dazu drehende Rotor (Innenläufer), oder der innere erste Kreiszylinder ist der drehfeste Stator und der hohle zweite Kreiszylinder ist der sich relativ dazu drehende Rotor (Außenläufer). Während der Kühlkörper nach der hier beschriebenen Lehre im ersten Fall außen um den Stator des Innenläufermotors herum angeordnet sein kann, wird der Kühlkörper in bevorzugten Ausführungsformen innen in den Stator eines Außenläufermotors eingesetzt. Letztere Ausgestaltung ist insbesondere für Radnabenantriebe von Fahrzeugen - vorzugsweise Nutzfahrzeugen - geeignet. Aufgrund seiner hohlen Kreiszylinderform ist der Kühlkörper an die Gestalt des ebenfalls kreiszylinderförmigen Stators angepasst.
Die den Kanal bildende Nut kann ganz oder teilweise in eine äußere Oberfläche des Mantels des den Kühlkörper bildenden Rotationskörpers eingebracht sein, beispielsweise durch Fräsen. Bevorzugt ist der Kanal jedoch zumindest teilweise in eine innere Oberfläche des Mantels des Kühlkörpers eingebracht. Somit eignet sich der Kühlkörper für eine Verwendung in einem als Außenläufermotor ausge- führten permanent erregter Synchronmotor (PMSM) und kann innen in das Statorpaket eingesetzt werden.
Nach einer Ausführungsform können der erste Anschluss und der zweite Anschluss sich näher an der ersten Grundfläche des Kühlkörpers befinden. Der erste Anschluss kann insbesondere dem Zuführen von Kühlmittel dienen, wobei der zweite Anschluss der Rückführung des Kühlmittels in den Kühlmittelkreislauf dient. Somit kann das Kühlmittel nahe an der ersten Grundfläche eingeleitet werden und sich entlang des Kühlkörpers durch den spiralförmigen Kanal be- wegen.
Vorzugsweise kann der Kanal näher an der zweiten Grundfläche des Kühlkörpers eine Kehrtwende machen. Dabei weist die Führung des Kanals insbesondere einen Winkel von nahezu 180° auf. Der Bereich der Kehrtwende kann im Vergleich zu der übrigen spiralförmigen Führung des Kanals eine besonders hohe Krümmung aufweisen und zu einer besonders hohen Dean-Zahl führen, was wiederum das Entstehen von Sekundärwirbeln begünstigt und die Wärme- aufnahme des Kühlmittels in dem Kühlkörper und damit die Kühlleistung steigert. Nach der Kehrtwende bewegt sich der Kanal dann wieder zurück auf die erste Grundfläche zu, um in dem zweiten Anschluss zu enden. Vorzugsweise liegen sich dabei der erste Anschluss und der zweite Anschluss umfänglich gegenüber. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für die Verwendung des Kühlkörpers mit Radnabenantrieben vorteilhaft, denn das Kühlmittel kann auf der fahrzeuginneren Radseite - nahe an der ersten Grundfläche - dem Kühlkörper zugeführt und auf derselben Seite auch wieder von diesem zurück in den Kühlmittelkreislauf geführt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Kanal bereichsweise in Form einer Doppelhelix ausgebildet. Dabei kann insbesondere der erste Anschluss mit einem ersten Strang der Doppelhelix verbunden sein und der zweite Anschluss mit einem zweiten Strang der Doppelhelix verbunden sein. Somit führt der erste Strang der Doppelhelix von dem ersten Anschluss zu der Kehrtwende. Der zweite Strang der Doppelhelix führt von der Kehrtwende zu dem zweiten Anschluss. Durch die Doppelhelixform wechseln sich Windungen des ersten Strangs, die das Kühlmittel in die eine Richtung hin zu der Kehrtwende führen, mit Windungen des zweiten Strangs, die das Kühlmittel in die entgegengesetzte Richtung führen, ab.
Das dem Kühlkörper zugeführte Kühlmittel - das bei Eintritt am ersten Anschluss die niedrigste Temperatur aufweist - durchläuft demnach zunächst die Windungen des ersten Strangs und nimmt dabei Wärme auf. Ein Temperaturunterschied besteht dabei nicht nur gegenüber den zu kühlenden Bauteilen, sondern auch gegenüber dem Kühlmittel in den Windungen des zweiten Strangs. Denn das Kühlmittel strömt nach der Kehrtwende durch die Windungen des zweiten Strangs wieder zurück, allerdings gegenläufig zwischen jeweils zwei Windungen des ersten Strangs, bis es beim Austritt aus dem zweiten Anschluss die höchste Temperatur angenommen hat.
Während die Temperaturen in den Windungen des ersten Strangs und des zweiten Strangs nahe der ersten Grundfläche weit auseinanderliegen, sind die Temperaturen in den Windungen des ersten Strangs und des zweiten Strangs im Bereich der Kehrtwende nahe der zweiten Grundfläche hingegen weitgehend angeglichen. Da das besonders kalte Kühlmittel in den Windungen des ersten Strangs nahe der ersten Grundfläche eine hohe Temperaturdifferenz zu den zu kühlenden Bauteilen hat, und das bereits weitgehend erwärmte Kühlmittel in den Windungen des zweiten Strangs nahe der ersten Grundfläche eine niedrige Temperaturdifferenz zu den zu kühlenden Bauteilen hat, ist die Kühlleistung über die axiale Erstreckung des Kühlkörpers einigermaßen gleichmäßig anpassbar.
Weiter vorzugsweise ist eine Breite des Kanals größer ist als ein Drittel einer Höhe des Kanals. Weitervorzugsweise ist die Breite des Kanals kleiner als das Dreifache der Höhe des Kanals. Dabei kann die Breite des Kanals etwa 5 bis etwa 50 mm betragen und insbesondere 7 mm bis 21 mm betragen. Die Höhe des Kanals kann ebenfalls etwa 5 mm bis etwa 50 mm betragen und insbesondere 7 mm bis 21 mm betragen. Das Verhältnis von Breite zu Höhe liegt dabei bevorzugt zwischen 1/3 und 3, denn in diesen Bereichen lässt sich der relative Druckverlust universell als Funktion der Dean-Zahl darstellen und somit gezielt manipulieren. Bei einem extremeren Verhältnis von Breite zu Höhe verringert sich der Effekt der Erhöhung des relativen Druckverlusts, da die Wirbelsysteme instabil werden und der radiale Strömungsaustausch nicht mehr hauptsächlich an den Außenwänden stattfindet. Der Krümmungsradius der Kanäle - also der Radius des Mantels des Rotationskörpers - kann dabei vorzugsweise zwischen 50 mm und 200 mm liegen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper aus Aluminium gefertigt, wobei jedes Material mit einer geeigneten Wärmeleitfähigkeit und einer geeigneten spezifischen Wärmekapazität verwendet werden kann.
Nach der vorliegend beschriebenen Lehre wird auch ein elektrischer Motor vorgeschlagen, der einen solchen Kühlkörper - mit einem oder mehreren der beschriebenen Merkmale - umfasst. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen als Außenläufermotor ausgeführten permanent erregten Synchronmotor (PMSM). Weiter vorzugsweise handelt es sich bei dem elektrischen Motor um einen Radnabenantrieb für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug. Dabei kann sich der Kühlkörper im Inneren eines Stators des elektrischen Motors befinden und die im Betrieb in Wärme umgewandelte Energie abführen. Vorzugsweise umfasst das
Nach der vorliegend beschriebenen Lehre wird schließlich ein Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Motors vorgeschlagen. Dabei wird Kühlmittel mit einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Kanal oder in dem Kanal des beschriebenen Kühlkörpers geführt. Die Strömungsgeschwindigkeit ist hinreichend groß ist, um in dem Kanal mindestens abschnittsweise eine Dean-Zahl zu bewirken, die größer gleich 50 ist. Vorzugsweise ist die Dean-Zahl größer als 54, so dass sich Sekundärwirbel in der Strömung des Kühlmittels durch den Kanal bilden. Dabei wird vorzugsweise ein Kühlkörper nach der vorliegend beschriebenen Lehre verwendet. Das Kühlmittel wird am ersten Anschluss in den spiralförmigen Kanal eingeführt, der den Kühlkörper umwindet. In Abhängigkeit von den Abmessungen des Kanals oder der Kanäle des Kühlkörpers und von der Viskosität des Kühlmittels kann die Dean-Zahl über die Strömungsgeschwindigkeit festgelegt und das Entstehen von Sekundärwirbeln gesteuert werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nach- folgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1a eine Ausführungsform eines Kühlkörpers im Längsschnitt;
Fig. 1 b die Ausführungsform des Kühlkörpers im Längsschnitt von der gegen- überliegenden Seite aus betrachtet; und
Fig. 2 die Ausführungsform des Kühlkörpers in einem vergrößerten Ausschnitt. In Fig. 1a ist allgemein ein Kühlkörper 1 für einen elektrischen Motor zu sehen (nicht dargestellt). Der Kühlkörper 1 eignet sich insbesondere für die Kühlung von permanent erregten Synchronmotoren (PMSM), die als Außenläufermotor ausge- führt sind, vorzugsweise als Radnabenantrieb für ein Fahrzeug und insbesondere für ein Nutzfahrzeug. Bei diesen Ausführungsformen wird der Kühlkörper 1 im Inneren eines Stators oder eines Statorpakets des elektrischen Motors ange- ordnet.
Der Kühlkörper 1 umfasst mit einen Kanal 2, der sich zwischen einem ersten Anschluss 3a des Kühlkörpers 1 und einem zweiten Anschluss (in Fig. 1a nicht dargestellt) des Kühlkörpers 1 erstreckt. Da es sich bei Fig. 1a um eine Schnittansicht handelt, ist lediglich der erste Anschluss 3a zu sehen. Der zweite Anschluss ist bei dieser Ausführungsform jedoch in um die Längsachse 4 zu dem ersten Anschluss 3a rotationssymmetrischer Weise ausgebildet. Der erste An- schluss 3a und der zweite Anschluss liegen sich also umfänglich gegenüber.
Der Kühlkörper 1 ist in Form eines hohlen Kreiszylinders ausgebildet. Der hohle Kreiszylinder weist eine erste Grundfläche 5, eine zweite Grundfläche 6 und einen Mantel 7 auf. Der Mantel 7 des Kreiszylinders ist mit einer den Kanal 2 bildenden Nut versehen. Der Kanal 2 umwindet den Kühlkörper 1 spiralförmig. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kanal 2 in Gestalt einer Doppelhelix ausgebildet und in eine innere Oberfläche 8 des Mantels 7 eingebracht. In anderen Ausführungsformen kann der Kanal 2 jedoch auch in eine äußere Oberfläche 9 des Mantels 7 eingebracht sein. Der erste Anschluss 3a und der zweite Anschluss befinden sich näher an der ersten Grundfläche 5 des Kühl körpers 1 als an der zweiten Grundfläche 6 des Kühlkörpers 1. Auf der gegenüberliegenden Seite, näher an der zweiten Grundfläche 6 des Kühlkörpers 1 , macht der Kanal 2 eine Kehrtwende 10, wobei der Kanal 2 seine Richtung eine enge Kurve um etwa 180° ändert.
Der erste Anschluss 3a ist mit einem ersten Strang 11 der Doppelhelix verbunden. Der erste Strang 11 führt im Betrieb Kühlmittel von dem ersten Anschluss 3a über die Windungen 12, 13 des ersten Strangs 11 zu der Kehrtwende 10. Ein zweiter Strang 14 führt das Kühlmittel von der Kehrtwende 10 über die Windungen 15, 16 des ersten Strangs 11 zurück in Richtung der ersten Grundfläche 5 des Kühl körpers 1 zu dem zweiten Anschluss 3b. Von dort kann das Kühlmittel zurück in einen Kühlmittelkreislauf (nicht dargestellt) gelangen. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des ersten Strangs 11 , und des zweiten Strangs 12 des Kanals 2 kann anhand der Pfeile 17 nachvollzogen werden.
Fig. 1b zeigt die Ausführungsform des Kühlkörpers 1 aus Fig. 1a ebenfalls im Längsschnitt, allerdings von der gegenüberliegenden Seite, so dass in Fig. 1b derjenige Teil des Kühlkörpers 1 dargestellt ist, der in Fig. 1a aufgrund des Schnittes nicht dargestellt ist, und umgekehrt.
Auch in Fig. 1b ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels anhand der Pfeile 17 nachvollziehbar. Das Kühlmittel, das im Betrieb von dem ersten Anschluss 3a (in Fig. 1 b nicht dargestellt) über die Windungen 12, 13 des ersten Strangs 11 zu der Kehrtwende (in Fig. 1 b nicht dargestellt) strömt, gelangt nach der Kehrtwende über den zweiten Strang 14 des Kanals 2 durch dessen Windungen 15, 16 zu dem zweiten Anschluss 3b und von dort zurück in den Kühlmittelkreislauf.
Aus Fig. 2 lässt sich die Geometrie des Kühlkörpers 1 und insbesondere des Kanals 2 entnehmen.
Eine Breite 18 des Kanals 2 ist etwa dreimal so groß wie die Flöhe 19 des Kanals 2. Die Breite 18 kann etwa 40 mm betragen, während die Höhe 19 bei etwa 13,5 mm liegt. Der Krümmungsradius 20 beträgt etwa 140 mm. Mit diesen vorge- gebenen Abmessungen ist die Dean-Zahl nur noch davon abhängig, mit welcher Strömungsgeschwindigkeit und welcher Viskosität das Kühlmittel durch den Kanal 2 strömt.
Die Dean-Zahl wird allgemein beschrieben durch die Gleichung
Figure imgf000012_0001
mit der Strömungsgeschwindigkeit , der Viskosität v, dem Krümmungsradius 19 und dem hydraulischen Durchmesser des Kanals ,. Während der hydraulische Durchmesser sich bei einem rechteckigen Querschnitt aus der Breite 18 und der Höhe 19 bestimmen lässt, wird der Krümmungsradius * 20 von der Längsachse 4 des Kühlkörpers 1 zu der inneren Oberfläche 8 des Mantels 7, also zu der inneren Begrenzungsfläche des Kanals 2 gemessen.
Bei einer derart vorgegebenen Geometrie des Kanals 2 hängt die Dean-Zahl De nur noch von der Strömungsgeschwindigkeit u, und der Viskosität v ab. Bei der Ausführung eines Verfahrens zum Kühlen eines elektrischen Motors mit einem Kühlkörper 1 nach dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 muss daher nur ein Kühlmittel mit geeigneter Viskosität und geeigneter Strömungsge- schwindigkeit u durch den Kanal 2 geführt werden, um eine bestimmte Dean-Zahl zu erreichen. Damit sich mindestens abschnittsweise Sekundärwirbel bilden, ist sollte eine Dean-Zahl erreicht werden, die größer als 54 ist.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vor- richtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend be- schriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Aus- führungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste
1 Kühlkörper
2 Kanal
a Erster Anschluss b Zweiter Anschluss
4 Längsachse
5 Erste Grundfläche
6 Zweite Grundfläche
7 Mantel
8 Innere Oberfläche
9 Äußere Oberfläche 0 Kehrtwende
1 Erster Strang
2 Windung
3 Windung
4 Zweiter Strang
5 Windung
6 Windung
7 Pfeile
8 Breite
9 Höhe
0 Krümmungsradius

Claims

A n s p r ü c h e
1. Kühlkörper (1) für einen elektrischen Motor, insbesondere für einen Radnabenantrieb eines Nutzfahrzeugs, mit einem Kanal (2), der sich zwischen einem ersten Anschluss (3a) des Kühlkörpers (1) und einem zweiten Anschluss (3b) des Kühlkörpers (1) erstreckt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Kanal (2) den Kühlkörper (1) spiralförmig umwindet.
2. Kühlkörper (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkörper (1) allgemein in Form eines Rotationskörpers, insbesondere eines hohlen Kreiszylinders, ausgebildet ist, der eine erste Grundfläche (5), eine zweite Grundfläche (6) und einen Mantel (7) aufweist, wobei der Mantel (7) des Rotationskörpers mit einer den Kanal (2) bildenden Nut versehen ist.
3. Kühlkörper (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kanal (2) zumindest teilweise in eine innere Oberfläche (8) des Mantels (7) eingebracht ist.
4. Kühlkörper (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Anschluss (3a) und der zweite Anschluss (3b) sich näher an der ersten Grundfläche (5) des Kühlkörpers (1) befinden und/oder
der Kanal (2) näher an der zweiten Grundfläche (6) des Kühlkörpers (1) eine Kehrtwende (10) macht.
5. Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Anschluss (3a) und der zweite Anschluss (3b) sich umfänglich gegenüberliegen.
6. Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kanal (2) bereichsweise in Form einer Doppelhelix ausgebildet ist.
7. Kühlkörper (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Anschluss (3a) mit einem ersten Strang (11) der Doppelhelix verbunden ist und der zweite Anschluss (3b) mit einem zweiten Strang (14) der Doppelhelix verbunden ist.
8. Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Breite (17) des Kanals (2) größer ist als ein Drittel einer Höhe (19) des Kanals (2) und/oder kleiner ist, als das Dreifache der Höhe (19) des Kanals (2).
9. Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkörper (1) aus Aluminium gefertigt ist.
10. Elektrischer Motor mit einem Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Elektrischer Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Motor ein als Außenläufermotor ausgeführter permanent erregter Synchronmotor (PMSM) ist.
12. Elektrischer Motor nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Motor ein Radnabenantrieb für ein Fahrzeug ist, insbesondere für ein Nutzfahrzeug.
13. Elektrischer Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkörper (1) sich im Inneren eines Stators des elektrischen Motors befindet.
14. Verfahren zum Kühlen eines elektrischen Motors, vorzugsweise mit einem Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein
Führen von Kühlmittel innerhalb des Kanals (2) mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die hinreichend groß ist, um in dem Kanal (2) mindestens abschnittsweise eine Dean-Zahl zu bewirken, die größer gleich
50 und vorzugsweise größer als 54 ist.
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