WO2020094512A1 - Elektrische maschine mit einer fluid-kühleinrichtung - Google Patents

Elektrische maschine mit einer fluid-kühleinrichtung Download PDF

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WO2020094512A1
WO2020094512A1 PCT/EP2019/079924 EP2019079924W WO2020094512A1 WO 2020094512 A1 WO2020094512 A1 WO 2020094512A1 EP 2019079924 W EP2019079924 W EP 2019079924W WO 2020094512 A1 WO2020094512 A1 WO 2020094512A1
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WO
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fluid
electrical machine
cooling
area
collecting area
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Application number
PCT/EP2019/079924
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English (en)
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Inventor
Michael Hacklberger
Sebastian KORNEXL
Manfred Geier
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/193—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil with provision for replenishing the cooling medium; with means for preventing leakage of the cooling medium
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2205/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to casings, enclosures, supports
    • H02K2205/09—Machines characterised by drain passages or by venting, breathing or pressure compensating means

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a fluid cooling device according to the preamble of claim 1, as already with the
  • WO 2016/050534 A1 has become known.
  • a cooling tube is axially inserted into a section of the rotor shaft designed as a hollow shaft, through which a cooling fluid can flow into an annular space between the latter and the rotor shaft and can absorb heat loss from the rotor.
  • the coolant can flow in and out on the same end face of the electrical machine, as a result of which only a sealing element between the rotating rotor and the elements of the machine which are fixed for this purpose is required.
  • the object of the invention is to further improve such a generic electrical machine with a fluid cooling device.
  • an electrical machine with a fluid cooling device which initially has a stator with a stator
  • the fluid cooling device has a cooling tube which is fixed to a stator-fixed support element of the electrical machine and which is connected to a fluid inlet and which extends axially within a central recess in the rotor shaft and forms an annular space to the rotor shaft .
  • the cooling tube is in fluid connection with the annulus and with a fluid outlet at the same time.
  • a sealing area is provided with a sealing element which, when a cooling fluid flows through from the fluid inlet to the fluid outlet, at least substantially prevents fluid from passing into a space area of the electrical machine outside the sealing area.
  • a leakage space is provided with a fluid collecting area, into which a portion of the cooling fluid passing through the sealing area can enter and be collected.
  • the leakage space has a gas collection area which is arranged geodetically higher than the fluid collection area in an operating position of the electrical machine.
  • gaseous constituents and in particular also air that is picked up by the fluid cooling device, for example by leaks, and transported with the cooling fluid can be removed from the fluid circuit in a targeted and effective manner.
  • the sealing element provided between the rotor shaft and the carrier element permits the passage of these gases, which can separate from other components of the cooling fluid and concentrate in the geodetically located gas collecting space.
  • the cooling fluid can have at least one volatile component, which can collect in the gas collection area.
  • the glysantine or a glysantine / water mixture known in the vehicle sector can be used as the cooling fluid.
  • the cooling fluid can separate out a solid-shaped component which is taken up by the fluid collecting area.
  • the fluid collecting area can advantageously have an engagement opening with a closure cover, in particular for removing the solid-shaped components.
  • the fluid collection area can have a fluid drain opening with a drain element, the fluid drain opening in an operating position of the electrical machine is oriented essentially geodetically downwards and is arranged geodetically lower relative to a gas discharge opening of the gas collecting area.
  • the drain element can be designed as a drain screw or a drain plug, which is inserted into the fluid drain opening from below. In this way, a fluid located there can be drained if necessary and the fluid collection area can be emptied.
  • the engagement opening of the closure cover can advantageously have a larger cross section than the fluid discharge opening.
  • the fluid discharge opening can be at least approximately at a 6 o'clock position and the gas discharge opening can be at least approximately at a 12 o'clock position.
  • the gas discharge opening of the gas collection area can have a pressure compensation element with particular advantage. This enables gases to escape permanently from the gas collection area, which means that separate venting measures, such as the operation of a manual valve, can be omitted.
  • the pressure compensation element can also be used to reduce pressure differences between the gas collecting space and the atmosphere as they arise as a result of temperature changes.
  • the pressure compensation valve can preferably have a semi-permeable membrane which is air-permeable but not fluid-permeable to enable pressure compensation. As a result, if pressure equalization is made possible, an escape or loss of cooling fluid via the gas collecting space and also an undesired entry of dirt particles or moisture can be avoided.
  • FIG. 1 shows an electrical machine designed as a vehicle axle drive with a fluid cooling device in an axial sectional view
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the fluid cooling device from FIG. 1 in the region of a bearing plate of the electrical machine
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of the electrical machine in the region of the end shield from FIG. 3;
  • FIG. 4 shows a perspective view of a coolant flange formed on a housing of the electrical machine.
  • the figures show an electrical machine 1, which is provided and designed in particular for driving an electric or hybrid vehicle.
  • the electric machine 1 is provided for installation in or on a vehicle axle and thus represents an electric axle drive 2 in connection with further components.
  • the electric machine 1 thus delivers its power to vehicle wheels for moving the vehicle.
  • an electric vehicle drive and a vehicle with such an electric machine 1 are also described, going beyond the electric machine 1 explained in detail below.
  • the electrical machine 1 comprises a stator 4 fixed in a housing 3 with a stator lamination stack 5 and with a stator winding 6 and a rotor 7 with a rotor lamination stack 8 and with a short-circuit cage 9.
  • the electrical machine 1 is thus designed as an asynchronous machine.
  • the rotor 7 is rotatably mounted about an axis A to the stator 4 by means of a rotor shaft 10, a first bearing 13 arranged on a first bearing plate 11 and a second bearing 14 arranged on a second bearing plate 12.
  • the rotor shaft 10 is operatively connected to a gear 36 shown on the left in FIG. 1, which can transmit the engine torque to vehicle wheels via further transmission elements, not shown here in the drawing.
  • the electrical machine 1 has a fluid cooling device 15 through which a cooling fluid can flow and which can dissipate heat loss to a heat exchanger located outside the electrical machine 1.
  • the fluid cooling device 15 comprises a cooling tube 16 which is fixed to a stator-fixed support element 17, in particular to the first bearing plate 11 and which is connected to a fluid inlet 18 provided on the bearing plate 11.
  • the cooling tube 16 is axially supported only on one side by the bearing plate 11 and extends with its largest portion in the axial direction freely within a central recess 10a of the rotor shaft 10 and forms an annular space 10b with the rotor shaft 10.
  • the cooling tube 16 is open axially on both sides and is thus in fluid communication with the annular space 10b and with a fluid outlet 19 which is also provided on the first bearing plate 11.
  • the first bearing plate 11 has a central first through opening 11a for forming the fluid inlet 18 and a second through opening 11b arranged radially to the first through opening for forming the fluid outlet 19. Both through openings 11a, b thus emerge from the bearing plate 11 on an end-side mounting surface 11c facing away from the rotor 7.
  • a sealing area 20 with a sealing element 21 is provided between the rotor shaft 10 and the bearing plate 11 functioning as a carrier element 17.
  • the sealing element 21 has the task of at least essentially preventing fluid from flowing into a space 22 of the electrical machine 1 lying outside the sealing area 20 when the cooling fluid flows from the fluid inlet 18 to the fluid outlet 19.
  • the sealing element 21 is designed as an axial mechanical seal 23.
  • the mechanical seal 23 comprises a first section 23a which is fixed on the carrier element 17 and further comprises a second section 23b which is fixed on the rotor shaft 10 and which is in sealing connection with the first section 23a.
  • the second section 23b of the mechanical seal 23 is at least partially axially overlapping to the first bearing 13.
  • the first bearing 13 has both on the axial side facing the mechanical seal 23 and on the axial side facing the rotor laminated core 8 a sealing arrangement 13c acting between a radially inner bearing ring 13a and a radially outer bearing ring 13b with two sealing disks 13d, e .
  • the bearing interior 13f is further sealed against the ingress of cooling fluid by means of a high-speed grease. On the one hand, this lubricates the bearing 13 and, on the other hand, the penetration of fluid into the inner space 22 of the electrical machine 1 is prevented by the created grease barrier.
  • an inner diameter 10c of the rotor shaft 10 or the central recess 10a present there can be made larger in the area of an axial extension of the rotor laminated core 8 than in Area of the first bearing 13.
  • the rotor shaft 10 is designed as a hollow shaft and is closed in a fluid-tight manner on the axial side facing away from the fluid inlet 18 by a closure 24. Due to the coaxial arrangement of the rotor shaft 10 and the cooling tube 16, the fluid flow undergoes a reversal of direction against the inflow direction and can flow out again on the axial side of the fluid inlet 18, for which purpose a sealing arrangement in the form of the sealing element 21 is only required on this side.
  • the cooling tube 16, the first bearing 13 and the stator-fixed section 23a of the sealing element 23 are thus received by the first bearing plate 11.
  • the first bearing plate 11 also receives an electrical potential equalization element 25 which interacts with the rotor shaft 10.
  • a slip ring arrangement 26 is provided as the potential equalization element 25, which reduces potential differences occurring as shaft voltages between the stator 4 and the rotor 7 by means of an electrical short circuit.
  • the potential equalization element 25 is arranged axially adjacent to the first bearing 13, in particular axially between the bearing 13 and the rotor laminated core 8.
  • the cooling tube 16 is fixed to a fastening region 11f provided on the bearing section 11 or generally on the carrier element 17. In particular, the cooling tube 16 is press fit into one of a base body 11 d of the
  • a cover element 27 made of a plastic with a web arrangement 27 a is arranged there in a fluid-tight manner.
  • a fluid inlet channel 28 and a fluid outlet channel 29 are formed by the web arrangement 27a between the bearing plate 11 and the cover element 27 and / or in the cover element 27.
  • the housing 3 of the electrical machine 1 is formed as a casting from a light metal material, in the present case from an aluminum material.
  • the housing 3 simultaneously forms a fluid cooling jacket 30 surrounding the stator 4 with a fluid channel arrangement 31.
  • the housing 3 On the side facing the first bearing plate 11, the housing 3 has a coolant flange 32 integrally formed therewith with two fluid channel sections 32a, b, which are in fluid communication with the fluid inlet channel 28 and the fluid outlet channel 29 of the cover element 27.
  • the fluid channel section 32a forms an external coolant connection 40.
  • a further external coolant connection can be arranged, for example, at another position of the stator cooling jacket or at power electronics for controlling the electrical machine 1, which with its housing and with its cooling circuit with the electrical machine 1 and is connected to the fluid cooling device 15 formed there.
  • the further fluid channel section 32b forms a connecting channel to the fluid cooling jacket 30 of the stator 4.
  • the fluid cooling device 15 can thus have a cooling section 15a for cooling the rotor 7 and a cooling section 15b for cooling the stator 4, through which the cooling fluid flows in succession and a fluid connection provided between them is designed as a fixed, tubeless connection channel 32b.
  • a leakage space 33 is provided with a fluid collecting area 34, into which a portion of the cooling fluid that passes through the sealing area 20 can enter and be collected.
  • the leakage space 33 also has a gas collecting area 35, which is arranged geodetically higher than the fluid collecting area 34 in an operating position of the electrical machine 1. If a cooling fluid with at least one volatile component is used, this can escape via the mechanical seal 23 and collect in the gas collecting area 35.
  • cooling fluid exudes a solid-shaped component when the volatile component escapes, this is likewise taken up by the fluid collecting area 34.
  • a closable engagement opening 34a with a removable closure cover 34b is provided on the fluid collecting area 34.
  • a closable fluid drain opening 34c is provided there with a drain element 34d, in particular a drain screw or a drain plug.
  • the fluid drain opening 34c is oriented essentially geodetically downwards and is arranged geodetically lower than in relation to a gas drain opening 35a of the gas collecting area 35.
  • the engagement opening of the closure cover 34b is designed with a larger cross section than the fluid discharge opening 35a.
  • the fluid drain opening 34c is provided at least approximately at a 6 o'clock position, that is to say between a 5 o'clock and a 7 o'clock position.
  • the gas discharge opening 35a is at least approximately at one 12 o'clock position is provided, i.e. between an 11 o'clock and a 01 o'clock position.
  • the fluid collecting area 34 and the gas collecting area 35 are provided at least approximately in the same axial position.
  • the mechanical seal 23 can also be located at this axial position or overlap at least axially with the fluid collecting area 34 and / or the gas collecting area 35.
  • the gas discharge opening 35a of the gas collecting area 35 furthermore has a pressure compensation element 41, as a result of which gases can escape from the gas collecting area 35.
  • the pressure compensation element 41 comprises a semipermeable membrane, which is permeable to air to enable pressure compensation, but is not permeable to fluid.
  • the second bearing 14 is provided axially spaced apart from the first bearing 13 for mounting the rotor 7, and if necessary it can also be designed axially on one or both sides with sealing rings and with a lubricant filling.
  • the bearing 14 is provided radially between the rotor shaft 10 and the second bearing plate 12, the rotor laminated core 8 extending in an axial space between the first and the second bearings 11, 12.
  • the central recess 10a extends axially through the second bearing 14 within the rotor shaft 10.
  • the cooling tube 16 also extends axially within the rotor shaft 10 beyond the second bearing 12.
  • the inside diameter of the rotor shaft 10 is larger in the area of the axial extension of the rotor laminated core 8 and in the area of the second bearing 12 than in the area of the first bearing 11.
  • the rotor shaft 10 has a shaft section which projects axially beyond the second bearing 12 and leads into the gear 36 with an output element 38 designed as a gearwheel 37.
  • the central recess 10a of the rotor shaft 10 extends axially into the area of the output element 38 and can therefore also be flowed through by the cooling fluid.
  • the cooling tube 16 can also move axially extend into the area mentioned. The output element 38 and thus in
  • Heat-exchanging further elements and / or a lubricant or coolant located outside the rotor shaft 10 can thus also get into the effective range of the fluid cooling device 15 and be cooled.
  • the output element 38 is arranged on the rotor shaft 10 axially between the second bearing 14 and a third bearing 39.
  • the central recess 10a of the rotor shaft 10 extends axially into the area of the third bearing 39 and is therefore flowed through by the cooling fluid up to this position.
  • the third bearing 39 is thus also in the effective range of the fluid cooling device 15 described above.
  • Stator 17 support element

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (4), einem Rotor (7) und mit einer Fluid-Kühleinrichtung (15) beschrieben. Der Rotor (7) ist mittels einer Rotorwelle (10) und eines an einem Lagerschild (11) angeordneten Lagers (13) zu dem Stator (4) gelagert. Die Fluid-Kühleinrichtung (15) weist ein Kühlrohr (16) auf, welches an einem Trägerelement (17) festgelegt ist, mit einem Fluideingang (18) und einem Fluidausgang (19) in Fluidverbindung steht und welches sich innerhalb einer Ausnehmung (10a) der Rotorwelle (10) und unter Ausbildung eines Ringraumes (10b) erstreckt. Zwischen der Rotorwelle (10) und dem Trägerelement (17) ist ein Dichtbereich (20) mit einem Dichtelement (21) vorgesehen, welches einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs (20) liegenden Raumbereich (22) der elektrischen Maschine (1) im Wesentlichen verhindert. Außerhalb des Dichtelements (21) ist ein Leckageraum (33) mit einem Fluid-Sammelbereich (34) ausgebildet, in welchen ein durch den Dichtbereich (20) hindurchtretender Anteil des Kühlfluids eintreten und gesammelt wird. Es ist dabei vorgesehen, dass der Leckageraum (33) einen Gas-Sammelbereich (35) aufweist, welcher in einer Betriebslage der elektrischen Maschine (1) gegenüber dem Fluid-Sammelbereich (34) geodätisch höher angeordnet ist.

Description

Elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtunq
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , wie diese bereits mit der
WO 2016/050534 A1 bekannt geworden ist. Zur Kühlung des Rotors der dort be- schriebenen elektrischen Maschine ist in eine abschnittweise als Hohlwelle ausge- führte Rotorwelle axial ein Kühlrohr ein geführt, durch welches ein Kühlfluid in einem zwischen diesem und der Rotorwelle vorhandenen Ringraum einströmen und eine Verlustwärm des Rotors aufnehmen kann. Das Kühlmittel kann dabei auf derselben Stirnseite der elektrischen Maschine ein- und ausströmen, wodurch lediglich ein Dichtelement zwischen dem drehenden Rotor und den dazu feststehenden Elemen- ten der Maschine erforderlich ist.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine solche gattungsgemäße elektrische Ma- schine mit einer Fluid-Kühleinrichtung weiter zu verbessern.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfol- genden Figurenbeschreibung entnehmbar.
Es wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung vorgeschlagen, welche zunächst einen Stator mit einem
Statorblechpaket und mit einer Statorwicklung und einen Rotor mit einem Ro- torblechpaket umfasst, welcher mittels einer Rotorwelle und einem an einem ersten Lagerschild angeordneten ersten Lager um eine Achse drehbar zu dem Stator gela- gert ist. Die Fluid-Kühleinrichtung weist ein Kühlrohr auf, welches an einem statorfes- ten Trägerelement der elektrischen Maschine festgelegt ist und welches mit einem Fluideingang in Verbindung steht und welches sich axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung der Rotorwelle und unter Ausbildung eines Ringraumes zu der Rotor- welle erstreckt. Dabei steht das Kühlrohr gleichzeitig mit dem Ringraum und mit ei- nem Fluidausgang in Fluidverbindung. Weiter ist zwischen der Rotorwelle und dem Trägerelement ein Dichtbereich mit einem Dichtelement vorgesehen, welches beim Durchströmen eines Kühlfluids vom Fluideingang zum Fluidausgang einen Fluidüber- tritt in einen außerhalb des Dichtbereichs liegenden Raumbereich der elektrischen Maschine zumindest im Wesentlichen verhindert. Außerhalb des Dichtelements ist ein Leckageraum mit einem Fluid-Sammelbereich vorgesehen, in welchen ein durch den Dichtbereich hindurchtretender Anteil des Kühlfluids eintreten und gesammelt werden kann.
Gemäß der Erfindung ist bei der elektrischen Maschine vorgesehen, dass der Le- ckageraum einen Gas-Sammelbereich aufweist, welcher in einer Betriebslage der elektrischen Maschine gegenüber dem Fluid-Sammelbereich geodätisch höher an- geordnet ist.
Durch das Vorsehen des Gas-Sammelbereichs können gasförmige Bestandteile und insbesondere auch von der Fluid-Kühleinrichtung beispielweise durch Leckagen auf- genommene und mit dem Kühlfluid transportierte Luft gezielt und wirksam aus dem Fluid-Kreislauf entfernt werden. Das zwischen der Rotorwelle und dem Trägerele- ment vorgesehene Dichtelement gestattet den Durchtritt dieser Gase, welche sich von anderen Bestandteilen des Kühlfluids separiert in dem geodätisch oben befindli chen Gas-Sammelraum konzentrieren können.
Das Kühlfluid kann stofflich zumindest eine flüchtige Komponente aufweisen, welche sich in dem Gas-Sammelbereich sammeln kann. Insbesondere kann als Kühlfluid das im Fahrzeugbereich bekannte Glysantin bzw. ein Glysantin-Wasser-Gemisch Verwendung finden. Weiter kann das Kühlfluid beim Entweichen der flüchtigen Kom- ponente eine feststoffförmige Komponente ausscheidet, welche von dem Fluid- Sammelbereich aufgenommen wird. Mit Vorteil kann der Fluid-Sammelbereich ins- besondere zur Entnahme der feststoffförmigen Bestandteile eine Eingriffsöffnung mit einem Verschlussdeckel aufweisen.
Im Rahmen einer Ausführungsform kann der Fluid-Sammelbereich eine Fluid- Ablassöffnung mit einem Ablasselement aufweisen, wobei die Fluid-Ablassöffnung in einer Betriebslage der elektrischen Maschine im Wesentlichen geodätisch nach un- ten ausgerichtet ist und gegenüber einer Gas-Ablassöffnung des Gas- Sammelbereichs geodätisch tiefer angeordnet ist. Das Ablasselement kann als eine Ablassschraube oder ein Ablassstopfen ausgebildet sein, welche bzw. welcher von unten in die Fluid-Ablassöffnung eingebracht ist. Auf diese Weise kann ein dort be- findliches Fluid bedarfsweise abgelassen und der Fluid-Sammelbereich entleert wer- den.
Zur leichten Entnahme von feststoffförmigen Bestandteilen kann die Eingriffsöffnung des Verschlussdeckels günstiger Weise einen größeren Querschnitt als die Fluid- Ablassöffnung aufweisen.
Mit weiterem Vorteil kann sich die Fluid-Ablassöffnung zumindest näherungsweise auf einer 06 Uhr-Position und die Gas-Ablassöffnung zumindest näherungsweise auf einer 12 Uhr-Position befinden.
Mit besonderem Vorteil kann die Gas-Ablassöffnung des Gas-Sammelbereichs ein Druckausgleichselement aufweisen. Durch wird ein permanentes Entweichen von Gasen aus dem Gas-Sammelbereich ermöglicht, wodurch gesonderte Entlüftungs- maßnahmen zum Beispiel das Betätigen eines manuellen Ventils entfallen können. Durch das Druckausgleichselement können sich auch infolge von Temperaturwech- seln aufbauende Druckdifferenzen zwischen dem Gas-Sammelraum und der Atmo- sphäre bei deren Entstehung abgebaut werden. Das Druckausgleichsventil kann vor zugsweise eine semipermeable Membran aufweisen, welche zur Ermöglichung eines Druckausgleichs luftdurchlässig, jedoch nicht fluid-durchlässig ist. Dadurch kann bei Ermöglichung eines Druckausgleichs ein Austritt bzw. ein Verlust von Kühlfluid über den Gas-Sammelraum und ebenso ein unerwünschter Eintritt von Schmutzpartikeln oder Feuchte vermieden werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsform beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine als Fahrzeugachsantrieb ausgebiSdete elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung in einer Axialschnittdarstellung;
Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt der Fluid-Kühleinrichtung von Fig. 1 im Bereich eines Lagerschildes der elektrischen Maschine;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine im Bereich des Lagerschilds von Fig. 3;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines an einem Gehäuse der elektrischen Ma- schine ausgebildeten Kühlmittelflansches.
Die Figuren zeigen eine elektrische Maschine 1 , welche insbesondere zum Antreiben eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs vorgesehen und ausgebildet ist. Insbesondere ist die elektrische Maschine 1 zum Einbau in oder an eine Fahrzeugachse vorgese- hen und stellt somit in Verbindung mit weiteren Komponenten einen elektrischen Achsantrieb 2 dar. Die elektrische Maschine 1 gibt ihre Leistung somit an Fahrzeug- räder zum Fortbewegen des Fahrzeugs ab. Es werden insofern über die nachfolgend im Detail erläuterte elektrische Maschine 1 hinausgehend ebenso ein elektrischer Fahrzeugantrieb und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine 1 be- schrieben.
Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in einem Gehäuse 3 festgelegten Stator 4 mit einem Statorblechpaket 5 und mit einer Statorwicklung 6 und einen Rotor 7 mit einem Rotorblechpaket 8 und mit einem Kurzschlusskäfig 9. Di elektrische Maschi- ne 1 ist somit als eine Asynchronmaschine ausgebildet. Der Rotor 7 ist mittels einer Rotorwelle 10, einem an einem ersten Lagerschild 11 angeordneten ersten Lager 13 und einem an einem zweiten Lagerschild 12 angeordneten zweiten Lager 14 um eine Achse A drehbar zu dem Stator 4 gelagert. Die Rotorwelle 10 steht mit einem in Fig. 1 links dargestellten Getriebe 36 in Wirkverbindung, welches das Motordrehmo- ment über weitere, hier zeichnerisch nicht dargestellte Übertragungsorgane an Fahr- zeugräder übertragen kann. Die elektrische Maschine 1 weist eine von einem Kühlfluid durchströmbare Fluid- Kühleinrichtung 15 auf, welche eine aufgenommene Verlustwärme an einen außer- halb der elektrischen Maschine 1 befindlichen Wärmetauscher abgeben kann.
Die Fluid-Kühleinrichtung 15 umfasst ein Kühlrohr 16, welches an einem statorfesten Trägerelement 17, insbesondere an dem ersten Lagerschild 11 festgelegt ist und welches mit einem an dem Lagerschild 11 vorgesehenen Fluideingang 18 in Verbin- dung steht. Das Kühlrohr 16 ist dabei axial lediglich einseitig durch das Lager- schild 11 gelagert und erstreckt sich mit dessen größten Teilabschnitt in axialer Rich- tung frei innerhalb einer zentralen Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 und bildet zu der Rotorwelle 10 einen Ringraum 10b aus. Das Kühlrohr 16 ist axial beidseitig offen und steht somit gleichzeitig mit dem Ringraum 10b und mit einem gleichfalls am ers- ten Lagerschild 11 vorgesehenen Fluidausgang 19 in Fluidverbindung. Das erste Lagerschild 11 weist zur Ausbildung des Fluideingangs 18 eine zentrale erste Durch- gangsöffnung 11a und zur Ausbildung des Fluidausgangs 19 eine radial zu der ers- ten Durchgangsöffnung angeordnete zweite Durchgangsöffnung 11 b auf. Beide Durchgangsöffnungen 11a, b treten somit an einer dem Rotor 7 abgewandten stirn- seitigen Montagefläche 11c aus dem Lagerschild 11 aus.
Zwischen der Rotorwelle 10 und dem als Trägerelement 17 fungierenden Lager- schild 11 ist ein Dichtbereich 20 mit einem Dichtelement 21 vorgesehen. Das Dich- telement 21 hat die Aufgabe, beim Durchströmen des Kühlfluids vom Fluidein- gang 18 zum Fluidausgang 19 einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbe- reichs 20 liegenden Raumbereich 22 der elektrischen Maschine 1 zumindest im We- sentlichen zu verhindern.
Das Dichtelement 21 ist vorliegend als eine axiale Gleitringdichtung 23 ausgebildet ist. Die Gleitringdichtung 23 umfasst einen ersten Abschnitt 23a, welcher an dem Trägerelement 17 festgelegt ist und umfasst weiter einen zweiten Abschnitt 23b, wel- cher an der Rotorwelle 10 festgelegt ist und welcher mit dem ersten Abschnitt 23a in Dichtverbindung steht. Dabei ist der zweite Abschnitt 23b der Gleitringdichtung 23 zumindest teilweise axial überlappend zu dem ersten Lager 13 angeordnet. Weiterhin weist das erste Lager 13 sowohl an der der Gleitringdichtung 23 zuge- wandten Axialseite als auch an der dem Rotorblechpaket 8 zugewandten Axialseite eine zwischen einem radial inneren Lagerring 13a und einem radial äußeren Lager- ring 13b wirkende Dichtungsanordnung 13c mit zwei Dichtscheiben 13d, e auf. Der Lagerinnenraum 13f ist weiter mittels eines Hochdrehzahl-Fetts gegenüber einem Eindringen von Kühlfluid abgedichtet ist. Dadurch wird einerseits das Lager 13 ge- schmiert und andererseits wird durch die geschaffene Fett-Barriere ein Eindringen von Fluid in den inneren Raumbereich 22 der elektrischen Maschine 1 vermieden.
Zu einer merklichen Vergrößerung der fluidgekühlten Innenumfangsfläche der Ro- torwelle 10 und damit zum Zwecke einer weiteren Verbesserung der Kühlwirkung kann ein Innendurchmesser 10c der Rotorwelle 10 bzw. der dort vorhandenen zent ralen Ausnehmung 10a im Bereich einer axialen Erstreckung des Rotorblechpakets 8 größer ausgebildet sein als im Bereich des ersten Lagers 13.
Wie erkennbar, ist die Rotorwelle 10 als eine Hohlwelle ausgebildet und an der dem Fluideingang 18 abgewandten Axialseite fluiddicht durch einen Verschluss 24 ver schlossen. Die Fluidströmung erfährt durch die koaxiale Anordnung von Rotorwel- le 10 und Kühlrohr 16 eine Richtungsumkehr entgegen der Einströmrichtung und kann auf der Axialseite des Fluideingangs 18 wieder ausströmen, wozu lediglich auf dieser Seite eine Dichtungsanordnung in Form des Dichtelements 21 erforderlich ist.
Von dem ersten Lagerschild 11 sind somit das Kühlrohr 16, das erste Lager 13 und der statorfeste Abschnitt 23a des Dichtelements 23 aufgenommen. Das erste Lager- schild 11 nimmt zudem ein mit der Rotorwelle 10 zusammenwirkendes elektrisches Potenzialausgleichselement 25 auf. Vorliegend ist als Potenzialausgleichselement 25 eine Schleifringanordnung 26 vorgesehen, welche als Wellenspannungen auftreten- de Potenzialunterschiede zwischen dem Stator 4 und dem Rotor 7 durch elektrischen Kurzschluss abbaut. Das Potenzialausgleichselement 25 ist axial benachbart zu dem ersten Lager 13 angeordnet, insbesondere axial zwischen dem Lager 13 und dem Rotorblechpaket 8. Das Kühlrohr 16 ist an einem am LagerschiSd 11 bzw. allgemein am Trägerele- ment 17 vorgesehenen Befestigungsbereich 11f festgelegt. Insbesondere ist das Kühlrohr 16 mittels einer Presspassung in einen von einem Grundkörper 11 d des
Lagerschilds 11 abstehenden Axialfortsatz 11e angeordnet, welcher den Befesti- gungsbereich 11f ausbildet. Es ist in den Figuren erkennbar, dass sich der Befesti- gungsbereich 11f axial teilweise mit dem statorfesten Abschnitt 23a des Dichtele- ments 21 bzw. der Gleitringdichtung 23 überdeckt.
Zurückkommend zu der Montagefläche 11 c ist dort ein Deckelement 27 aus einem Kunststoff mit einer Steganordnung 27a fluiddicht angeordnet. Dabei sind durch die Steganordnung 27a zwischen dem Lagerschild 11 und dem Deckelement 27 und/oder in dem Deckelement 27 ein Fluidzulaufkanal 28 und ein Fluidablaufkanal 29 ausgebildet.
Das Gehäuse 3 der elektrischen Maschine 1 ist als Gußteil aus einem Leichtmetall- werkstoff, vorliegend aus einem AI u m i n i u m we rkstoff ausgebildet. Das Gehäuse 3 bildet gleichzeitig einen den Stator 4 außen umgebenden Fluid-Kühlmantel 30 mit einer Fluidkanalanordnung 31 aus. Das Gehäuse 3 weist auf der dem ersten Lager- schild 11 zugewandten Seite einen damit integral ausgebildeten Kühlmittelflansch 32 mit zwei Fluid-Kanalabschnitten 32a, b auf, welche mit dem Fluidzulaufkanal 28 und dem Fluidablaufkanal 29 des Deckelements 27 in Fluidverbindung stehen. Der Fluid- Kanalabschnitt 32a bildet dabei einen externen Kühlmittelanschluss 40 aus. Ein wei- terer, hier zeichnerisch nicht dargestellter externer Kühlmittelanschluss kann bei- spielsweise an einer anderen Position des Statorkühlmantels oder an einer Leis- tungselektronik zum Ansteuern der elektrischen Maschine 1 angeordnet sein, welche mit deren Gehäuse und mit deren Kühlkreislauf mit der elektrischen Maschine 1 und mit der dort ausgebildeten Fluid-Kühleinrichtung 15 verbunden ist. Der weitere Fluid- Kanalabschnitt 32b bildet hingegen einen Verbindungskanal zu dem Fluid- Kühlmantel 30 des Stators 4 aus. Die Fluid-Kühleinrichtung 15 kann somit einen Kühlabschnitt 15a zur Kühlung des Rotors 7 und einen Kühlabschnitt 15b zur Küh- lung des Stators 4 aufweisen, welche nacheinander von dem Kühlfluid durchflossen werden und wobei eine zwischen diesen vorgesehene Fluidverbindung als ein fester, schlauchloser Verbindungskanal 32b ausgebildet ist.
Außerhalb des Dichtelements 21 , also an der dem strömenden Kühlfluid abgewand- ten Seite der Gleitringdichtung 23 ist ein Leckageraum 33 mit einem Fluid- Sammelbereich 34 vorgesehen, in welchen ein durch den Dichtbereich 20 hindurch- tretender Anteil des Kühlfluids eintreten und gesammelt werden kann. Der Leckage- raum 33 weist weiterhin einen Gas-Sammelbereich 35 auf, welcher in einer Betriebs- lage der elektrischen Maschine 1 gegenüber dem Fluid-Sammelbereich 34 geodä- tisch höher angeordnet ist. Bei Verwendung eines Kühlfluids mit stofflich zumindest einer flüchtigen Komponente kann diese über die Gleitringdichtung 23 entweichen und sich in dem Gas-Sammelbereich 35 sammeln.
Sofern das Kühlfluid beim Entweichen der flüchtigen Komponente eine feststoffför- mige Komponente ausscheidet, so wird diese gleichfalls von dem Fluid- Sammelbereich 34 aufgenommen. Zur Entnahme des feststoffförmigen Bestandteiles ist an dem Fluid-Sammelbereich 34 eine verschließbare Eingriffsöffnung 34a mit ei- nem abnehmbaren Verschlussdeckel 34b vorgesehen.
Zur Entfernung eines in dem Fluid-Sammelbereich 34 vorhandenen Kühlfluids ist an diesem eine verschließbare Fluid-Ablassöffnung 34c mit einem Ablasselement 34d, insbesondere einer Ablassschraube oder einem Ablassstopfen vorgesehen. Die Flu id-Ablassöffnung 34c ist in einer Betriebslage der elektrischen Maschine 1 im We sentlichen geodätisch nach unten ausgerichtet und gegenüber einer Gas- Ablassöffnung 35a des Gas-Sammelbereichs 35 geodätisch tiefer angeordnet. Zur leichten Entnahme von feststoffförmigen Bestandteilen ist die Eingriffsöffnung des Verschlussdeckels 34b mit einem größeren Querschnitt als die Fluid- Ablassöffnung 35a ausgebildet.
Die Fluid-Ablassöffnung 34c ist zumindest näherungsweise auf einer 06Uhr-Position vorgesehen, das heißt etwa zwischen einer 05Uhr- und einer 07Uhr-Position. Die Gas-Ablassöffnung 35a ist demgegenüber zumindest näherungsweise auf einer 12Uhr-Position vorgesehen, das heißt etwa zwischen einer 11 Uhr- und einer 01 Uhr- Position. Der Fluid-Sammelbereich 34 und der Gas-Sammelbereich 35 sind zumin- dest näherungsweise auf derselben axialen Position vorgesehen. Des Weiteren kann sich auch die Gleitringdichtung 23 an dieser axialen Position befinden oder sich zu- mindest axial mit dem Fluid-Sammelbereich 34 und/oder dem Gas- Sammelbereich 35 überlappen.
Die Gas-Ablassöffnung 35a des Gas-Sammelbereichs 35 weist weiterhin ein Druck- ausgleichselement 41 auf, wodurch wird ein Entweichen von Gasen aus dem Gas- Sammelbereich 35 ermöglicht wird. Das Druckausgleichselement 41 umfasst eine semipermeable Membran, welche zur Ermöglichung eines Druckausgleichs luft- durchlässig, jedoch nicht fluid-durchlässig ist.
Wie bereits vorher angesprochen, ist zur Lagerung des Rotors 7 zusätzlich zu dem ersten Lager 13 axial beabstandet das zweite Lager 14 vorgesehen, welches bei Be- darf ebenso axial ein- oder beidseitig mit Dichtringen und mit einer Schmiermittelfül- lung ausgeführt sein kann. Das Lager 14 ist radial zwischen der Rotorwelle 10 und dem zweiten Lagerschild 12 vorgesehen, wobei sich das Rotorblechpaket 8 in einem axialen Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Lager 11 , 12 erstreckt. Wie erkennbar, erstreckt sich zum Zwecke einer verbesserten Kühlung die zentrale Aus- nehmung 10a innerhalb der Rotorwelle 10 axial durch das zweite Lager 14 hindurch. Das Kühlrohr 16 erstreckt sich innerhalb der Rotorwelle 10 axial gleichfalls über das zweite Lager 12 hinaus. Wie weiter erkennbar, ist der Innendurchmesser der Rotor- welle 10 im Bereich der axialen Erstreckung des Rotorblechpakets 8 und im Bereich des zweiten Lagers 12 größer als im Bereich des ersten Lagers 11.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle 10 einen sich axial über das zweite Lager 12 hinausragenden und in das Getriebe 36 führenden Wellenab- schnitt mit einem als Zahnrad 37 ausgebildeten Abtriebselement 38 auf. Die zentrale Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 erstreckt sich axial bis in den Bereich des Ab- triebselements 38 und kann somit ebenso von dem Kühlfluid durchströmt werden. Gemäß einer Modifikation der Anordnung kann sich das Kühlrohr 16 gleichfalls axial bis in den genannten Bereich erstrecken. Das Abtriebselement 38 und damit in
Wärmeaustausch stehende weitere Elemente und/oder ein außerhalb der Rotorwel- le 10 befindliches Schmier- oder Kühlmittel können somit ebenfalls in den Wirkungs- bereich der Fluid-Kühleinrichtung 15 gelangen und gekühlt werden.
Wie noch weiter in den Figuren erkennbar, ist das Abtriebselement 38 an der Rotor- welle 10 axial zwischen dem zweiten Lager 14 und einem dritten Lager 39 angeord- net. Dabei reicht die zentrale Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 axial bis in den Bereich des dritten Lagers 39 heran und wird also bis zu dieser Position von dem Kühlfluid durchströmt. Das dritte Lager 39 befindet sich somit gleichfalls im Wir- kungsbereich der vorstehend beschriebenen Fluid-Kühleinrichtung 15.
In der vorstehenden Beschreibung wurden Bezeichnungen von Funktionselementen teilweise mit Bezug auf eine feste Strömungsrichtung gewählt. Bei der erläuterten elektrischen Maschine ist die Strömungsrichtung des Kühlfluids innerhalb der Fluid- Kühleinrichtung grundsätzlich umkehrbar. Die mit Bezug zur Strömungsrichtung be- zeichneten Funktionselemente erhalten bei umgekehrter Strömungsrichtung die ent- sprechend gegenläufige Bedeutung. Das heißt, das beispielweise ein als Fluidein- gang bezeichneter Abschnitt oder Bereich nunmehr den Fluidausgang bildet usw.
Bezuaszeichen elektrische Maschine 15a Rotorkühlabschnitt
Achsantrieb 15b Statorkühlabschnitt
Gehäuse 16 Kühlrohr
Stator 17 Trägerelement
Statorblechpaket 18 Fluideingang
Statorwicklung 19 Fluidausgang
Rotor 20 Dichtbereich
Rotorblechpaket 21 Dichtelement
Kurzschlusskäfig 22 Raumbereich
Rotorwelle 23 Gleitringdichtung
a Ausnehmung 23a erster Abschnitt
b Ringraum 23b zweiter Abschnitt
c Innendurchmesser 24 Verschluss
Lagerschild 25 Potenzialausgleichselementa Durchgangsöffnung 26 Schleifringanordnungb Durchgangsöffnung 27 Deckelement
c Montagefläche 27a Steganordnung
d Grundkörper 28 Fluidzulaufkanal
e Axialfortsatz 29 Fluidablaufkanal
f Befestigungsbereich 30 Fluidkühlmantel
Lagerschild 31 Fluidkanalanordnung
Lager 32 Kühlmittelflansch
a innerer Lagerring 32a, b Fluidkanalabschnitt
b äußerer Lagerring 33 Leckageraum
c Dichtungsanordnung 34 Fluid-Sammelbereichd, e Dichtscheibe 34a verschließbare Eingriffsöffnungf Lagerinnenraum 34 b Verschlussdeckel
Lager 34c Fluid-Ablassöffnung
Fluid-Kühleinrichtung 34d Ablasselement Gas-Sammelbereich 39 Lager
a Gas-Ablassöffnung 40 externer Kühlmittelanschluss Getriebe 41 Druckausgleichselement Zahnrad A Drehachse
Abtriebselement

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (1 ) mit einer Fluid-Kühleinrichtung (15), umfassend
- einen Stator (4) mit einem Statorblechpaket (5) und mit einer Statorwick- lung (6),
- einen Rotor (7) mit einem Rotorblechpaket (8), welcher mittels einer Rotorwel- le (10) und einem an einem ersten Lagerschild (11 ) angeordneten ersten La- ger (13) um eine Achse (A) drehbar zu dem Stator (4) gelagert ist und wobei
- die Fluid-Kühleinrichtung (15) ein Kühlrohr (16) aufweist, welches an einem statorfesten Trägerelement (17) der elektrischen Maschine (1 ) festgelegt ist und mit einem Fluideingang (18) in Verbindung steht und welches sich axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung (10a) der Rotorwelle (10) und unter Ausbildung eines Ringraumes (10b) zu der Rotorwelle (10) erstreckt, wobei
- das Kühlrohr (16) mit dem Ringraum (10b) und mit einem Fluidausgang (19) in Fluidverbindung steht und wobei
- zwischen der Rotorwelle (10) und dem Trägerelement (17) ein Dichtbe- reich (20) mit einem Dichtelement (21 ) vorgesehen ist, welches beim Durch- strömen eines Kühlfluids vom Fluideingang (18) zum Fluidausgang (19) einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs (20) liegenden Raumbe- reich (22) der elektrischen Maschine (1 ) zumindest im Wesentlichen verhin- dert, und wobei
- außerhalb des Dichtelements (21 ) ein Leckageraum (33) mit einem Fluid- Sammelbereich (34) vorgesehen ist, in welchen ein durch den Dichtbe- reich (20) hindurchtretender Anteil des Kühlfluids eintreten und gesammelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Leckageraum (33) einen Gas-Sammelbereich (35) aufweist, welcher in ei- ner Betriebslage der elektrischen Maschine (1 ) gegenüber dem Fluid- Sammelbereich (34) geodätisch höher angeordnet ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- fluid zumindest eine flüchtige Komponente aufweist, welche sich in dem Gas- Sammelbereich (35) sammeln kann.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid beim Entweichen der flüchtigen Komponente eine feststoffförmige Kompo- nente ausscheidet, welche von dem Fluid-Sammelbereich (34) aufgenommen wird.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid- Sammelbereich (34) eine Eingriffsöffnung (34a) mit einem Verschlussdeckel (34b) aufweist.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid-Sammelbereich (34) eine Fluid-Ablassöffnung (34c) mit einem Ablas- selement (34d) aufweist, wobei die Fluid-Ablassöffnung (34c) in einer Betriebslage der elektrischen Maschine (1 ) im Wesentlichen geodätisch nach unten ausgerichtet ist und gegenüber einer Gas-Ablassöffnung (35a) des Gas-Sammelbereichs (35) ge- odätisch tiefer angeordnet ist.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- griffsöffnung (34a) des Verschlussdeckels (34b) einen größeren Querschnitt als die Fluid-Ablassöffnung (34c) aufweist.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fluid-Ablassöffnung (34c) zumindest näherungsweise auf einer 06 Uhr-Position und die Gas-Ablassöffnung (35a) zumindest näherungsweise auf einer 12 Uhr- Position befinden.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Ablassöffnung (35a) des Gas-Sammelbereichs (35) ein Druckaus- gleichselement (41) aufweist.
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