WO2021185399A1 - Kühlvorrichtung mit einem durch einen kühlmittelstrom rotatorisch antreibbaren verteilerring; sowie elektrische antriebseinheit - Google Patents

Kühlvorrichtung mit einem durch einen kühlmittelstrom rotatorisch antreibbaren verteilerring; sowie elektrische antriebseinheit Download PDF

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WO2021185399A1
WO2021185399A1 PCT/DE2021/100158 DE2021100158W WO2021185399A1 WO 2021185399 A1 WO2021185399 A1 WO 2021185399A1 DE 2021100158 W DE2021100158 W DE 2021100158W WO 2021185399 A1 WO2021185399 A1 WO 2021185399A1
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distributor ring
feed element
cooling device
coolant
ring
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PCT/DE2021/100158
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French (fr)
Inventor
Jonas Kniel
Patrick Gramann
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • 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

Definitions

  • Cooling device with a distributor ring that can be driven in rotation by a coolant flow; as well as electric drive unit
  • the invention relates to a cooling device for an electric drive unit, with a static supply element having a coolant supply, the coolant supply having at least one supply channel running along a longitudinal axis of the supply element and several distributed along a circumference of the supplying element, running transversely / obliquely to the supply channel having outlet channels emerging from the feed element.
  • the invention also relates to an electric drive unit with this cooling device.
  • a distributor ring designed for coolant distribution and rotatable relative to the feed element is received on the feed element, the distributor ring being designed and coordinated with the outlet channels of the feed element in such a way that the distributor ring is driven out of the outlet channels by an in operation exiting coolant flow is driven directly in rotation.
  • a cooling device is made available which also functions independently of other components of the drive train rotating during operation and consequently cools the drive unit effectively even when it is at a standstill.
  • the coolant is distributed over a large area in order to cool the corresponding components as effectively as possible.
  • the structure of the cooling device is kept as simple as possible.
  • the distributor ring is designed in such a way that it deflects the coolant (preferably oil) emerging from the outlet channels during operation in such a way that the coolant from the distributor ring in a radial direction and / or an axial direction (the longitudinal axis) emerges to an environment.
  • the coolant is distributed over a large area during operation.
  • the feed element and / or the distributor ring are / is annular. As a result, the cooling device can be integrated into the drive unit in as little space as possible.
  • the feed element is made available directly by an area fixed to the housing. This further simplifies the structure.
  • the distributor ring For a simply structured mounting and design of the distributor ring, it has also proven to be advantageous if it is rotatably mounted on an axial end of the guide element. More preferably, the distributor ring is mounted on an axially projecting (preferably also annularly extending) Lagerungsbe rich of the feed element. This further reduces the space required.
  • the distributor ring is also axially supported in the simplest possible manner.
  • the distributor ring has a first wall area, which is arranged radially outside of the feed element in relation to the longitudinal axis of the feed element, and / or a first wall area (in relation to the longitudinal axis) radially inside the feed element having arranged, second wall area.
  • first wall area and / or the second wall area have a plurality of radial through holes distributed in the circumferential direction, effective cooling of the corresponding components is realized both radially inside and radially outside of the distributor ring.
  • the distributor ring has an essentially U-shaped cross section. If the outlet channels of the feed element are positioned in the circumferential direction (at an angle), the drive of the distributor ring is made possible in the simplest possible way during operation. As a result, the coolant exits both in the radial direction and obliquely in the circumferential direction to the inside or to the outside of the feed element and meets the corresponding opposing areas of the distributor ring at a distance from the feed element. These opposing areas are preferably implemented as corresponding guide vanes or recesses on / in the distributor ring. As a result, the construction of the distributor ring is also implemented as simply as possible.
  • the invention relates to an electric drive unit for a hybrid or purely electric drive train of a motor vehicle, with an electric machine and a cooling device according to the invention according to at least one of the embodiments described above, the cooling device at least with the distributor ring radially inside or radially outside of at least one component of the electrical machine is arranged.
  • fluid cooling preferably driven by fluid pressure
  • a rotation ring distributed by fluid pressure
  • the pressure of the cooling fluid is used to set the further component in the form of the distributor ring in rotation and to distribute the coolant over a large area around a fluid outlet point.
  • the ring distributed by a fluid-conducting component in order to distribute the cooling fluid over a corresponding area.
  • the cooling fluid is injected into the ring at certain points, so that the ring is set in rotation by the eccentric injection and the corresponding contours on the ring. Holes are also made in the ring through which the coolant can be discharged to the outside or also to the inside.
  • the holes in the ring naturally also rotate, so that the coolant is distributed over a large area. This enables the coolant to be distributed over the entire ring, the ring being driven exclusively by the pressure of the cooling fluid.
  • Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a cooling device according to the invention according to a preferred embodiment, as it is already used in a partially provided electrical drive unit, the structure of the cooling device is shown in detail on the part of a feed element and a distributor ring rotating thereon,
  • Fig. 2 is a longitudinal sectional view of the cooling device used in Fig. 1 with illustrated by flow arrows, occurring in operationdemit telstrom,
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a peripheral area of the cooling device according to FIGS. 1 and 2, the section being selected in such a way that both two through holes penetrating the distributor ring in the radial direction and several outlet channels formed in the feed element can be seen,
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the cooling device similar to FIG. 3, the coolant flow emerging from the outlet channels during operation being indicated by flow arrows, and FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the cooling device similar to FIGS. 3 and 4, several recesses made in the distributor ring can now also be seen.
  • FIG. 1 a basic structure of an inventivedevor device 1 having electrical drive unit 2 can be seen.
  • the electric drive unit 2 is typically used during operation in a drive train of a motor vehicle, which is not shown in detail for the sake of clarity.
  • This Motor vehicle drive train can be implemented either purely electrically or hybrid.
  • An electrical machine 14 provided in the electrical drive unit 2 is used to drive the motor vehicle in a corresponding electrical or hybrid operating mode.
  • stator 15 and rotor 16 of the electrical machine's 14 are shown greatly simplified.
  • the cooling device 1 is accommodated in a space of the electric drive unit 2.
  • the cooling device 1 is used during operation to cool the loading components, preferably the stator 15 and / or the rotor 16, the electrical machine 14 by generating a coolant flow.
  • the cooling device 1 is accommodated in a housing of the electrical machine 14, which is not shown further for the sake of clarity.
  • the cooling device 1 has a feed element 4 which is statically and therefore fixedly attached to the housing of the electrical machine 14 or is formed directly by this housing.
  • the feed element 4 is essentially annular in shape.
  • the feed element 4 runs in a ring around a central longitudinal axis 5.
  • the axially, radially and circumferentially used directions refer to this longitudinal axis 5.
  • With an axial direction / axial is consequently a direction along the longitudinal axis 5, with a radial direction / radial a direction perpendicular to the longitudinal axis 5 and with a circumferential direction to understand a direction along a circular line running concentrically to the longitudinal axis 5.
  • the feed element 4 as can be seen in more detail in FIG. 1, has a coolant feed 3.
  • an axially extending supply channel 6 of the Zuzhouelemen tes 4 with FIG. 1 can be seen.
  • the respective supply channel 6 goes to a free end 9 of the feed element 4 out into two outlet channels 7a and 7b.
  • a first outlet channel 7a extends radially outward from the supply channel 6 and emerges from the supply element 4 on a radial outside 27 of the supply element 4.
  • a second outlet channel 7b extends inward in the radial direction from the supply channel 6 and emerges from the supply element 4 towards a radial inside 28 of the supply element 4.
  • the supply channel 6 is essentially designed as a blind hole and thus ends in front of an axial end face 20 of the supply element 4.
  • a likewise annular distributor ring 8 is rotatably taken up.
  • the distributor ring 8 is arranged centered on the longitudinal axis 5.
  • the distributor ring 8 is rotatably mounted on the feed element 4 about the longitudinal axis 5 (/ axis of rotation) / supported.
  • the distributor ring 8 is also supported in the axial direction relative to the feed element 4.
  • the feed element 4 has an axial extension in the form of a bearing area 10 for the rotatable mounting of the distributor ring 8.
  • This storage area 10 is realized in a ring shape in this embodiment and thus runs completely in the circumferential direction of the feed element 4 around.
  • a radially extending / axially arranged side wall 21 of the distributor ring 8 next to the feed element 4 has a likewise annular circumferential recess 22 which is axially open towards the feed element 4 and which slidingly receives the bearing area 10.
  • the recess 22 is implemented as a groove.
  • a locking pin 23 /ggibol zen is available.
  • This locking pin 23, which can more preferably also be provided several times in the circumferential direction, is on the one hand anchored in the distributor ring 8 and on the other hand rotatably / slidingly mounted in an annular circumferential recess 24 in the form of a groove 24.
  • the locking pin 23 is aligned radially and thus secured / supported by the sides of the recess 24 in the axial direction relative to the feed element 4.
  • the distributor ring 8 is designed in such a way that a coolant flow emerging from the outlet channels 7a, 7b during operation, as indicated by the corresponding arrows 18, impinges on the distributor ring 8 in such a way that the distributor ring 8 immediately is rotatably driven rotatably.
  • the distributor ring 8 is also shown in FIGS. 3 and 4 provided fluid diverting sections which have been omitted for the sake of clarity and which ensure that the coolant flow 18 exiting from the supply element 4 radially outward and radially inward according to FIG. 4 causes the rotation of the distributor ring 8.
  • FIG. 3 and 4 provided fluid diverting sections which have been omitted for the sake of clarity and which ensure that the coolant flow 18 exiting from the supply element 4 radially outward and radially inward according to FIG. 4 causes the rotation of the distributor ring 8.
  • FIG. 3 and 4 provided fluid diverting sections which have been omitted for the sake of clarity and which ensure that the coolant flow 18 exiting from the supply element 4 radially
  • the fluid diverting sections are preferably designed as a plurality of recesses 17 which are distributed in the circumferential direction and which are placed on the radial regions of the distributor ring 8 facing the supply element 4.
  • the impulse of the coolant flow 18 is passed on to the distributor ring 8, which is driven in rotation (according to the direction of rotation arrow 19 in FIG. 3).
  • the outlet channels 7a, 7b are set in the circumferential direction and consequently are inclined, viewed in the radial direction, in order to transmit an impulse in the circumferential direction to the distributor ring 8.
  • the distributor ring 8 can also be implemented in other ways in further embodiments, in particular with regard to its fluid diverting section, which is more preferably also implemented as integral or separately attached conveyor blades.
  • the distributor ring 8 has an essentially U-shaped cross section.
  • the distributor ring 8 has a first wall area 11 in the form of an outer wall area and a second wall area 12 in the form of an inner wall area.
  • the two wall areas 11, 12 are arranged offset from one another in the radial direction and coupled to one another via the side wall 21.
  • the first wall area 11 is arranged ra dial outside / to the radial outside 27 of the feed element 4, whereas the second wall area 12 is arranged radially inside / to the radial inside 28 of the feed element 4.
  • the two wall areas 11 cover the feed element 4 in particular in a section having the outlet channels 7a, 7b.
  • the wall areas 11, 12 and the side wall 21 together with the feed element 4 form a distribution space 26 in which the coolant flowing out of the outlet openings 7 during operation is collected, distributed and passed on.
  • the wall areas 11, 12 are each provided with the recesses 17 on their radial side facing the feed element 4. These recesses 17 are located in the usual way axially at the level of the outlet channels 7a, 7b.
  • the distributor ring 8 is provided both on its radial inside and on its radial outside, i.e. both on the part of its first wall region 11 and on the part of its second wall region 12 with a plurality of radial through holes 13 which are distributed in the circumferential direction. These fürgangslö holes 13 are used to discharge the coolant, as indicated in FIG. 2 and thus to generate a (output) cooling flow 25 which flows through the electrical drive unit 2.
  • the through holes are arranged axially offset to the outlet channels 7a, 7b.
  • a fluid pressure is used to set a further component (distributor ring 8) in rotation in order to thus distribute the cooling fluid over a large area around the fluid outlet point.
  • This idea is implemented in that a ring 8 is applied to the fluid-carrying component 4, which is intended to distribute the cooling fluid over an area.
  • the cooling fluid is introduced selectively into the ring 8 and is intended to set the ring 8 in rotation by an eccentric introduction and corresponding contours 17 in the ring 8.
  • some holes 13 are made, whereby the cooling fluid can be thrown outwards, or also outwards and inwards.
  • Fig. 2 it can be seen how the fluid is introduced into the distributor ring 8 and is guided via bores 13 distributed in the circumference of the ring 8 to the points to be cooled.
  • the bores 7a, 7b on the static component are to be attached offset to the axis of rotation 5 in order to accelerate the distributor ring 8.
  • the distributor ring 8 is accelerated through the bores 7a, 7b from the static component 4, whereby a uniform distribution of the fluid over the circumference is created.
  • the distributor ring 8 can be provided with contours 17 or the like, for example, in order to produce a better surface for the fluid to attack.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1 ) für eine elektrische Antriebseinheit (2), mit einem eine Kühlmittelzuführung (3) aufweisenden statischen Zuführelement (4), wobei die Kühlmittelzuführung (3) zumindest einen entlang einer Längsachse (5) des Zuführelementes (4) verlaufenden Versorgungskanal (6) und mehrere entlang eines Umfangs des Zuführelementes (4) verteilt angeordnete, quer zu dem Versorgungskanal (6) verlaufende und aus dem Zuführelement (4) austretende Auslasskanäle (7a, 7b) aufweist, wobei auf dem Zuführelement (4) ein relativ zu dem Zuführelement (4) verdrehbarer, zur Kühlmittelverteilung ausgebildeter Verteilerring (8) aufgenommen ist, wobei der Verteilerring (8) derart ausgebildet und auf die Auslasskanäle (7a, 7b) des Zuführelementes (4) abgestimmt ist, dass der Verteilerring (8) durch einen im Betrieb aus den Auslasskanälen (7a, 7b) austretenden Kühlmittelstrom unmittelbar rota¬torisch angetrieben ist. Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebseinheit (2) mit dieser Kühlvorrichtung (1).

Description

Kühlvorrichtung mit einem durch einen Kühlmittelstrom rotatorisch antreibbaren Verteilerrinq; sowie elektrische Antriebseinheit
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Antriebseinheit, mit ei nem eine Kühlmittelzuführung aufweisenden statischen Zuführelement, wobei die Kühlmittelzuführung zumindest eine entlang einer Längsachse des Zuführelementes verlaufenden Versorgungskanal und mehrere entlang eines Umfangs des Zuführele mentes verteilt angeordnete, quer / schräg zu dem Versorgungskanal verlaufende und aus dem Zuführelement austretende Auslasskanäle aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebseinheit mit dieser Kühlvorrichtung.
Gattungsgemäße Kühlvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bereits hinläng lich bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 102018 117 939 A1 einen elektrischen Antrieb, in dem ein Elektromotor über einen Ölkreislauf des Getriebes gekühlt wird. Dabei wird im Wesentlichen eine Schleuderkühlung umgesetzt, bei der ein rotierendes Bauteil, bevorzugt eine zentrale Welle, mit Durchgangslöchern versehen ist, durch welche Löcher im Betrieb aufgrund der wirkenden Zentrifugalkraft Kühlmittel in radia ler Richtung nach außen geschleudert wird und somit an den entsprechenden Be standteilen des Elektromotors verteilt wird.
Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung hat es sich jedoch her ausgestellt, dass das Kühlöl bei Stillstand der ölführenden Welle nicht weiter verteilt werden kann. Somit werden die entsprechenden Bestandteile - wenn überhaupt - durch den sich absetzenden Ölsumpf nur punktuell gekühlt. Lokal kann es somit an den ungekühlten Stellen zur Überhitzung kommen. Des Weiteren ist die Auslegung der Ölverteilung in der rotierenden Welle bei diesen Ausführungen relativ aufwändig. Hierbei sind beispielweise die Fragen zu lösen, bei welcher Drehzahl und welchem Öl druck aus welcher Bohrung / welchem Durchgangsloch wie viel Öl kommt. Diese Ab stimmung lässt die Herstellung der entsprechenden Welle relativ aufwändig werden. Des Weiteren gibt es Kühlvorrichtungen, bei denen die Kühlmittelströme gezielt an be stimmten Bereichen der elektrischen Maschine entlang geleitet werden. Selbst im Be trieb dieser Vorrichtungen kommt es jedoch wiederum lediglich an vorher ausgewähl ten Stellen der elektrischen Maschine zur punktuellen Kühlung. Beispielhaft hierzu ist etwa die DE 10 2015 007 588 A1 zu nennen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst einfach aufgebaute Kühlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine von einer Drehzahl rotierender An triebswellen unabhängige, leistungsfähige Kühlung ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf dem Zuführelement ein relativ zu dem Zuführelement verdrehbarer, zur Kühlmittelverteilung ausgebildeter Verteilerring aufgenommen ist, wobei der Verteilerring derart ausgebildet und auf die Auslasska näle des Zuführelementes abgestimmt ist, dass der Verteilerring durch einen im Be trieb aus den Auslasskanälen austretenden Kühlmittelstrom unmittelbar rotatorisch an getrieben ist.
Durch das Vorsehen des drehbaren Verteilerrings auf dem Zuführelement wird eine Kühlvorrichtung zur Verfügung gestellt, die auch unabhängig von weiteren im Betrieb rotierenden Bestandteilen des Antriebsstranges funktioniert und folglich die Antriebs einheit auch bei Stillstand effektiv kühlt. Durch die entsprechende Rotation des Verteil errings wird das Kühlmittel großflächig verteilt, um möglichst effektiv die entsprechen den Bauteile zu kühlen. Des Weiteren ist der Aufbau der Kühlvorrichtung möglichst einfach gehalten.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen bean sprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn der Verteilerring derart ausgebildet ist, dass er das im Betrieb aus den Auslasskanälen austretende Kühlmittel (vorzugsweise Öl) der art umlenkt, dass das Kühlmittel von dem Verteilerring aus in einer radialen Richtung und / oder einer axialen Richtung (der Längsachse) zu einer Umgebung hin austritt. Dadurch wird das Kühlmittel im Betrieb großräumig verteilt. Zudem hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn das Zuführelement und / o- der der Verteilerring ringförmig ausgebildet sind / ist. Dadurch lässt sich die Kühlvor richtung möglichst bauraumsparend in der Antriebseinheit integrieren.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Zuführelement unmittelbar durch einen gehäu sefesten Bereich zur Verfügung gestellt wird. Dadurch wird der Aufbau weiter verein facht.
Für eine einfach aufgebaute Lagerung und Ausbildung des Verteilerrings hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser auf einem axialen Ende des Zu führelementes drehbar gelagert ist. Weiter bevorzugt ist der Verteilerring auf einem axial vorspringenden (vorzugsweise ebenfalls ringförmig verlaufenden) Lagerungsbe reich des Zuführelementes gelagert. Dadurch wird der Bauraumbedarf weiter redu ziert.
Ist der Verteilerring in der axialen Richtung relativ zu dem Zuführelement abgestützt, erfolgt auch eine axiale Lagerung des Verteilerrings auf möglichst einfache Weise.
Für eine effiziente Kühlmittelverteilung hat es sich zudem als zweckmäßig herausge stellt, wenn der Verteilerring einen, in Bezug auf die Längsachse des Zuführelemen tes, radial außerhalb des Zuführelementes angeordneten, ersten Wandungsbereich und / oder einen (in Bezug auf die Längsachse) radial innerhalb des Zuführelementes angeordneten, zweiten Wandungsbereich aufweist.
Weisen / weist der erste Wandungsbereich und / oder der zweite Wandungsbereich mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete radiale Durchgangslöcher auf, ist eine effektive Kühlung der entsprechenden Bestandteile sowohl radial innerhalb als auch radial außerhalb des Verteilerringes realisiert.
Für eine robuste Ausbildung des Verteilerrings ist es weiterhin zweckmäßig, wenn der Verteilerring einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist. Sind die Auslasskanäle des Zuführelementes in Umfangsrichtung (schräg) angestellt, wird der Antrieb des Verteilerrings im Betrieb auf möglichst einfache Weise ermög licht. Demzufolge tritt das Kühlmittel sowohl in radialer Richtung als auch schräg in Umfangsrichtung zur Innenseite bzw. zur Außenseite des Zuführelementes aus und trifft beabstandet zu dem Zuführelement auf entsprechende Gegenbereiche des Ver teilerringes. Diese Gegenbereiche sind vorzugsweise als entsprechende Leitschaufeln oder Ausnehmungen am / im Verteilerring umgesetzt. Dadurch ist der Aufbau des Ver teilerrings ebenfalls möglichst einfach realisiert.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebseinheit für einen hybriden oder rein elektrischen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mit einer elektrischen Maschine sowie einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Kühlvorrichtung zumindest mit dem Verteilerring radial innerhalb oder radial außerhalb zumindest eines Bestandteils der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit eine bevorzugt über einen Fluiddruck an getriebene Fluidkühlung mittels eines Rotationsrings (Verteilerring) realisiert. Der Druck des Kühlfluids wird genutzt, um die weitere Komponente in Form des Verteiler rings in Rotation zu versetzen und das Kühlmittel über eine große Fläche / einen gro ßen Bereich hinweg um einen Fluidauslasspunkt zu verteilen. Konkreter ausgedrückt ist der Ring (Verteilerring) auf einer fluidleitenden Komponente aufgesetzt, um das Kühlfluid über einen entsprechenden Bereich zu verteilen. Das Kühlfluid wird in den Ring an bestimmten Punkten eingespritzt, sodass der Ring durch die exzentrische Einspritzung und die entsprechenden Konturen am Ring in Rotation versetzt wird. In dem Ring sind weiterhin Löcher eingebracht, durch die das Kühlmittel nach außen o- der auch nach innen ausgebracht werden kann. Wenn der Ring durch den Druck des Kühlfluids in Rotation versetzt wird, rotieren auch selbstverständlich die Löcher des Ringes, sodass es zu einer großflächigen Verteilung des Kühlmittels kommt. Dies er möglicht eine Verteilung des Kühlmittels über den gesamten Ring hinweg, wobei der Ring ausschließlich durch den Druck des Kühlfluids angetrieben wird.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie sie bereits in einer teilweise dar gestellten elektrischen Antriebseinheit eingesetzt ist, wobei der Aufbau der Kühlvorrichtung seitens eines Zuführelementes und eines darauf rotierend ge lagerten Verteilerringes detailliert dargestellt ist,
Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung der in Fig. 1 eingesetzten Kühlvorrichtung mit durch Strömungspfeile veranschaulichtem, im Betrieb auftretendem Kühlmit telstrom,
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Umfangsbereiches der Kühlvorrichtung nach den Fign. 1 und 2, wobei der Schnitt derart gewählt ist, dass sowohl zwei in radialer Richtung den Verteilerring durchdringende Durchgangslöcher, als auch mehrere in dem Zuführelement gebildete Auslasskanäle zu erkennen sind,
Fig. 4 eine Querschnittansicht der Kühlvorrichtung ähnlich zu Fig. 3, wobei der im Betrieb aus den Auslasskanälen austretende Kühlmittelstrom durch Strö mungspfeile angedeutet ist, sowie
Fig. 5 eine Querschnittsansicht der Kühlvorrichtung ähnlich zu den Fign. 3 und 4, wobei nun auch mehrere in dem Verteilerring eingebrachte Ausnehmungen zu erkennen sind.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen daher ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Mit Fig. 1 ist zunächst ein prinzipieller Aufbau einer eine erfindungsgemäße Kühlvor richtung 1 aufweisenden elektrischen Antriebseinheit 2 zu erkennen. Die elektrische Antriebseinheit 2 ist auf typische Weise im Betrieb in einem der Übersichtlichkeit hal ber nicht näher dargestellten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Dieser Kraftfahrzeugantriebsstrang kann entweder rein elektrisch oder hybridisch umgesetzt sein. Eine in der elektrischen Antriebseinheit 2 vorgesehene elektrische Maschine 14 dient dabei in einem entsprechenden elektrischen oder hybridischen Betriebsmodus zum Antrieb des Kraftfahrzeuges. In Fig. 1 sind Stator 15 und Rotor 16 der elektri schen Maschine 14 stark vereinfacht dargestellt.
Erfindungsgemäß ist die Kühlvorrichtung 1 in einem Raum der elektrischen Antriebs einheit 2 aufgenommen. Die Kühlvorrichtung 1 dient im Betrieb zum Kühlen der Be standteile, vorzugsweise des Stators 15 und / oder des Rotors 16, der elektrischen Maschine 14 durch Erzeugung eines Kühlmittelstromes. Die Kühlvorrichtung 1 ist in einem der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Gehäuse der elektrischen Maschine 14 aufgenommen. Hierzu weist die Kühlvorrichtung 1 ein Zuführelement 4 auf, das statisch und demnach fest an dem Gehäuse der elektrischen Maschine 14 angebracht bzw. unmittelbar durch dieses Gehäuse ausgebildet ist.
Das Zuführelement 4 ist, wie Fig. 1 gut zu erkennen, im Wesentlichen ringförmig aus geformt. Das Zuführelement 4 verläuft um eine zentrale Längsachse 5 ringförmig. Die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial, radial und Umfangsrichtung be ziehen sich auf diese Längsachse 5. Mit einer axialen Richtung / axial ist folglich eine Richtung entlang der Längsachse 5, mit der einer radialen Richtung / radial eine Rich tung senkrecht zu der Längsachse 5 und mit Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch zu der Längsachse 5 verlaufenden Kreislinie zu verstehen.
Das Zuführelement 4, wie in Fig. 1 näher zu erkennen, weist eine Kühlmittelzuführung 3 auf. Insbesondere ist ein axial verlaufender Versorgungskanal 6 des Zuführelemen tes 4 mit Fig. 1 zu erkennen. Auf diese Weise sind mehrere Versorgungskanäle 6 in der Umfangsrichtung verteilt in dem Zuführelement 4 eingebracht. Der jeweilige Ver sorgungskanal 6 geht zu einem freien Ende 9 des Zuführelementes 4 hin in zwei Aus lasskanäle 7a und 7b über. Ein erster Auslasskanal 7a verläuft von dem Versorgungs kanal 6 aus radial nach außen und tritt zu einer radialen Außenseite 27 des Zuführele mentes 4 hin aus dem Zuführelement 4 aus. Ein zweiter Auslasskanal 7b erstreckt sich in radialer Richtung von dem Versorgungskanal 6 aus nach innen und tritt zu ei ner radialen Innenseite 28 des Zuführelementes 4 hin aus dem Zuführelement 4 aus. Der Versorgungskanal 6 ist im Wesentlichen als Sackloch ausgebildet und endet so mit vor einer axialen Stirnseite 20 des Zuführelementes 4.
Auf dem Zuführelement 4 ist ein ebenfalls ringförmiger Verteilerring 8 drehbar aufge nommen. Der Verteilerring 8 ist zentriert zu der Längsachse 5 angeordnet. Der Vertei lerring 8 ist um die Längsachse 5 (/ Drehachse) drehbar an dem Zuführelement 4 ge lagert / abgestützt. Auch ist der Verteilerring 8 in der axialen Richtung relativ zu dem Zuführelement 4 abgestützt.
Wie diesbezüglich mit den Fign. 1 und 2 näher zu erkennen, weist das Zuführelement 4 zur drehbaren Lagerung des Verteilerrings 8 einen axialen Fortsatz in Form eines Lagerungsbereichs 10 aufweist. Dieser Lagerungsbereich 10 ist in dieser Ausführung ringförmig realisiert und läuft somit vollständig in Umfangsrichtung des Zuführelemen tes 4 um. Eine radial verlaufende / axial neben dem Zuführelement 4 angeordnete Seitenwand 21 des Verteilerrings 8 weist eine ebenfalls ringförmig umlaufende axial zu dem Zuführelement 4 hin geöffnete Vertiefung 22 auf, die den Lagerungsbereich 10 gleitend aufnimmt. Die Vertiefung 22 ist als eine Nut realisiert. Somit gleitet der La gerungsbereich 10 bei einem Drehen des Verteilerringes 8 relativ zu dem Zuführele ment 4 in der Vertiefung 22 ab.
Zur axialen Sicherung des Verteilerrings 8 ist ein Sicherungsstift 23 / Sicherungsbol zen vorhanden. Dieser Sicherungsstift 23, der weiter bevorzugt in Umfangsrichtung auch mehrfach vorgesehen sein kann, ist einerseits in dem Verteilerring 8 verankert und andererseits in einer ringförmig umlaufenden Aussparung 24 in Form einer Nut 24 drehbar / gleitend gelagert. Der Sicherungsstift 23 ist radial ausgerichtet und somit durch die Seiten der Aussparung 24 in axialer Richtung relativ zu dem Zuführelement 4 gesichert / abgestützt.
Wie des Weiteren besonders gut in Verbindung mit den Fign. 3 bis 5 zu erkennen, ist der Verteilerring 8 derart ausgebildet, dass ein im Betrieb aus den Auslasskanälen 7a, 7b austretender Kühlmittelstrom, wie er durch die entsprechenden Pfeile 18 gekenn zeichnet ist, so auf den Verteilerring 8 auftrifft, dass der Verteilerring 8 dadurch unmit telbar rotatorisch angetrieben wird. Demnach ist der Verteilerring 8 mit in den Fign. 3 und 4 der Übersichtlichkeit halber weggelassenen Fluidumleitabschnitten versehen, die dafür sorgen, dass der gemäß Fig. 4 radial nach außen und radial nach innen aus dem Zuführelement 4 austretende Kühlmittelstrom 18 die Drehung des Verteilerrings 8 verursacht. Flierzu ist in der Fig. 5 beispielhaft näher dargestellt, dass die Fluidumleitabschnitte bevorzugt als mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Ausnehmungen 17 ausgebildet sind, die auf den dem Zuführelement 4 zugewandten radialen Bereichen des Verteilerrings 8 einge bracht sind. Durch das Auftreffen des Kühlmittelstroms 18 auf die umfangsseitigen Seitenflanken der Ausnehmungen 17 wird der Impuls des Kühlmittelstromes 18 an den Verteilerring 8 weitergegeben und dieser rotatorisch angetrieben (gemäß Dreh richtungspfeil 19 in Fig. 3).
Wie auch mit Fig. 4 verdeutlicht, sind die Auslasskanäle 7a, 7b in Umfangsrichtung angestellt und folglich in radialer Richtung gesehen schräg gestellt, um einen Impuls in Umfangsrichtung auf den Verteilerring 8 zu übertragen. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass der Verteilerring 8 in weiteren Ausführungen auch auf andere Weise realisierbar ist, insbesondere hinsichtlich seiner Fluidumleitabschnitt, die weiter bevorzugt auch als integrale oder separat angebrachte Förderschaufeln realisiert sind.
Wie mit den Fign. 1 und 2 des Weiteren zu erkennen, weist der Verteilerring 8 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf. Der Verteilerring 8 weist einen ersten Wandungsbereich 11 in Form eines Außenwandungsbereichs sowie einen zweiten Wandungsbereich 12 in Form eines Innenwandungsbereichs auf. Die beiden Wan dungsbereiche 11 , 12 sind in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet und über die Seitenwand 21 miteinander gekoppelt. Der erste Wandungsbereich 11 ist ra dial außerhalb / zur radialen Außenseite 27 des Zuführelementes 4 angeordnet, wo hingegen der zweite Wandungsbereich 12 radial innerhalb / zur radialen Innenseite 28 des Zuführelementes 4 hin angeordnet ist. Die beiden Wandungsbereiche 11 überde cken das Zuführelement 4 insbesondere in einem die Auslasskanäle 7a, 7b aufwei senden Abschnitt. Die Wandungsbereiche 11 , 12 sowie die Seitenwand 21 bilden mit dem Zuführele ment 4 einen Verteilraum 26 auf, indem das im Betrieb aus den Auslassöffnungen 7 ausströmende Kühlmittel gesammelt, verteilt und weitergeleitet wird. Die Wandungs bereiche 11 , 12 sind jeweils auf ihrer dem Zuführelement 4 zugewandten radialen Seite mit den Ausnehmungen 17 versehen. Diese Ausnehmungen 17 befinden sich auf übliche Weise axial auf Höhe der Auslasskanäle 7a, 7b.
Der Verteilerring 8 ist sowohl zu seiner radialen Innenseite, als auch zu seiner radia len Außenseite, d.h. sowohl seitens seines ersten Wandungsbereiches 11 , als auch seitens seines zweiten Wandungsbereiches 12 mit mehreren in Umfangsrichtung ver teilt angeordneten, radialen Durchgangslöchern 13 versehen. Diese Durchgangslö cher 13 dienen zum Ausbringen des Kühlmittels, wie in Fig. 2 angedeutet und somit zum Erzeugen eines (ausgegebenen) Kühlstromes 25, der die elektrische Antriebsein heit 2 durchströmt. Die Durchgangslöcher sind axial versetzt zu den Auslasskanälen 7a, 7b angeordnet.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß ein Fluiddruck ausgenutzt um ein weiteres Bauteil (Verteilerring 8) in Rotation zu versetzen, um somit das Kühl fluid flächig um die Fluidauslassstelle zu verteilen. Umgesetzt wird dieser Gedanke dadurch, dass ein Ring 8 auf das fluidführende Bauteil 4 aufgebracht wird, welches das Kühlfluid flächig verteilen soll. Das Kühlfluid wird punktuell in den Ring 8 einge bracht und soll den Ring 8 durch eine exzentrische Einbringung und dementspre chende Konturen 17 im Ring 8 in Rotation versetzen. In dem Ring 8 sind wiederum ei nige Löcher 13 eingebracht, wodurch das Kühlfluid nach außen, oder auch nach au ßen und innen, geschleudert werden kann. Dadurch, dass der Ring 8 durch den Fluid druck in Rotation versetzt wird, drehen sich auch diese Löcher 13 im Ring 8 und somit ist eine flächige Verteilung des Kühlfluids realisiert. Somit ist eine Möglichkeit geschaf fen, Kühlfluid flächig um den Ring 8 herum zu verteilen, wobei der Ring 8 allein durch den Fluiddruck angetrieben wird. Die Auslegung, wie viel Fluid von dieser Baugruppe verteilt wird, ist auch deutlich einfacher als bei bekannten Schleuderkühlungen, da es hier keinen Drehzahleinfluss des Getriebes gibt und somit die Auslegung wie viel Fluid dorthin kommt statisch im System ausgeführt werden kann. Wie in Fig. 1 zu sehen, wird über ein statisches Teil 4 Fluid zugeführt. Dieses Teil 4 soll ein rotationsymmetrischer Ring sein. Am Ende 9 des statischen Teils 4 befindet sich der Führungsring 10. Auf diesen Ring 10 wird der Verteilerring 8 gelegt, welcher hierdurch frei rotieren kann. Über einen Bolzen 23 oder ähnliches, welcher in einer Bohrung im Verteiler 8 angebracht ist und in eine Nut 24 im statischen Teil 4 ragt, wird der Verteilerring 8 vor axialer Bewegung fixiert.
In Fig. 2 ist zu sehen, wie das Fluid in den Verteilerring 8 eingebracht wird und über, im Umfang des Ringes 8 verteilte Bohrungen 13, an die zu kühlenden Stellen geführt wird. Die Bohrungen 7a, 7b am statischen Bauteil sind versetzt zur Rotationsachse 5 anzubringen, um den Verteilerring 8 zu beschleunigen.
Wie in den Fign. 3 bis 5 zu sehen, wird durch die Bohrungen 7a, 7b aus dem stati schen Bauteil 4 der Verteilerring 8 beschleunigt, wodurch eine gleichmäßige Vertei lung des Fluides über den Umfang entsteht. Je nach Druck kann der Verteilerring 8 z.B. mit Konturen 17 oder Ähnlichem versehen werden, um eine bessere Angriffsflä che für das Fluid zur erzeugen.
Bezuqszeichenliste Kühlvorrichtung elektrische Antriebseinheit Kühlmittelzuführung Zuführelement Längsachse Versorgungskanal Auslassöffnung a erster Auslasskanal b zweiter Auslasskanal Verteilerring Ende 0 Lagerungsbereich 1 erste Wandungsbereich 2 zweiter Wandungsbereich 3 Durchgangsloch 4 elektrische Maschine 5 Stator 6 Rotor 7 Ausnehmung 8 Strömungspfeil 9 Drehrichtungpfeil 0 Stirnseite 1 Seitenwand 2 Vertiefung 3 Sicherungsstift 4 Aussparung 5 Kühlstrom 6 Verteilraum 7 Außenseite 8 Innenseite

Claims

Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung (1) für eine elektrische Antriebseinheit (2), mit einem eine Kühlmittelzuführung (3) aufweisenden statischen Zuführelement (4), wobei die Kühlmittelzuführung (3) zumindest einen entlang einer Längsachse (5) des Zuführelementes (4) verlaufenden Versorgungskanal (6) und mehrere entlang eines Umfangs des Zuführelementes (4) verteilt angeordnete, quer zu dem Versorgungskanal (6) verlaufende und aus dem Zuführelement (4) austre tende Auslasskanäle (7a, 7b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Zuführelement (4) ein relativ zu dem Zuführelement (4) verdrehbarer, zur Kühlmittelverteilung ausgebildeter Verteilerring (8) aufgenommen ist, wobei der Verteilerring (8) derart ausgebildet und auf die Auslasskanäle (7a, 7b) des Zuführelementes (4) abgestimmt ist, dass der Verteilerring (8) durch einen im Betrieb aus den Auslasskanälen (7a, 7b) austretenden Kühlmittelstrom unmit telbar rotatorisch angetrieben ist.
2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerring (8) derart ausgebildet ist, dass er das im Betrieb aus den Aus lasskanälen (7a, 7b) austretende Kühlmittel derart umlenkt, dass das Kühlmit tel von dem Verteilerring (8) aus in einer radialen Richtung und / oder einer axialen Richtung zu einer Umgebung hin austritt.
3. Kühlvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführelement (4) und / oder der Verteilerring (8) ringförmig ausgebildet sind / ist.
4. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerring (8) auf einem axialen Ende (9) des Zuführele mentes (4) drehbar gelagert ist.
5. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerring (8) in der axialen Richtung relativ zu dem Zuführelement (4) abgestützt ist.
6. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerring (8) einen, in Bezug auf die Längsachse (5) des Zuführelementes (4), radial außerhalb des Zuführelementes (4) angeord neten, ersten Wandungsbereich (11 ) und / oder einen radial innerhalb des Zu führelementes (4) angeordneten, zweiten Wandungsbereich (12) aufweist.
7. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandungsbereich (11) und / oder der zweite Wandungsbereich (12) mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete radiale Durchgangslöcher (13) aufweisen / aufweist.
8. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerring (8) einen U-förmigen Querschnitt aufweist.
9. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasskanäle (7a, 7b) des Zuführelementes (4) in Um fangsrichtung angestellt sind.
10. Elektrische Antriebseinheit (2) für einen hybriden oder rein elektrischen An triebsstrang eines Kraftfahrzeuges, mit einer elektrischen Maschine (14) so wie einer Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kühlvorrichtung (1) zumindest mit dem Verteilerring (8) radial innerhalb oder radial außerhalb zumindest eines Bestandteils (15, 16) der elektrischen Ma schine (14) angeordnet ist.
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