WO2022008524A1 - Fluidkühlanordnung und elektrische maschine mit einer fluidkühlanordnung - Google Patents

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WO2022008524A1
WO2022008524A1 PCT/EP2021/068691 EP2021068691W WO2022008524A1 WO 2022008524 A1 WO2022008524 A1 WO 2022008524A1 EP 2021068691 W EP2021068691 W EP 2021068691W WO 2022008524 A1 WO2022008524 A1 WO 2022008524A1
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WO
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fluid
channel
cooling arrangement
cooling
stator
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PCT/EP2021/068691
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Raghavendra Rohith Kasibhatla
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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
    • 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

  • the invention relates to a fluid cooling arrangement according to the preamble of patent claim 1 and furthermore to an electric machine with a fluid cooling arrangement.
  • a generic fluid cooling arrangement is already known, for example, from DE 10 2012 215 018 A1.
  • the fluid cooling arrangement described there is designed as a stator cooling jacket of an electrical machine and has a radially outer and a radially inner lateral surface that span a closed fluid channel in which a cooling fluid is guided around the stator and can dissipate lost heat.
  • the fluid channel is designed in a meandering manner in the main extension direction of the cooling jacket, ie in the circumferential direction, by means of partition walls, so that the flow direction of the cooling fluid repeatedly changes axially in sections.
  • additional guide bars are introduced, each of which is intended to cause a splitting up into parallel partial flows and thus a reduction in dead water areas and an overall increase in the cooling effect.
  • the object of the invention is to improve a fluid cooling arrangement of the type mentioned at the outset and to increase the cooling efficiency.
  • a fluid cooling arrangement which comprises a fluid channel through which a cooling fluid can flow and which is formed between two boundary surfaces.
  • the fluid channel spreads out in a main extension direction of the fluid cooling arrangement between a fluid inlet and a fluid outlet.
  • the fluid channel has at least a first channel area and a second channel area, which are arranged parallel to one another in terms of flow and through which the cooling fluid flows together.
  • the channel areas along a mutual spatial extent are designed to be essentially open for the mutual exchange of cooling fluid.
  • the channel areas are not fluidically separated from one another, as in the prior art, by obstacles that cannot be flown through, such as guide webs and partition walls, but in contrast to this, they are fundamentally fluidically connected to one another.
  • the first channel area should have a greater extent than the second channel area.
  • Targeted or defined guidance of the cooling fluid within the fluid channel is not effected by fluid barriers, ie by obstacles that cannot be flown through, but by a targeted different dimensioning of the channel areas. Due to the elimination of fluid barriers, the space utilization of the fluid cooling arrangement is improved. By providing structurally different channel areas, a desired local guidance of the cooling fluid within the fluid channel can be adjusted in a targeted manner. At the same time, the cooling fluid can nonetheless penetrate into all spatial areas of the fluid channel and flow through them without the formation of dead water areas, so that the overall cooling efficiency can be improved as a result.
  • the cooling fluid can flow in the first channel area at a comparatively high flow rate, so that a high heat transfer coefficient is brought about as a result.
  • the cooling fluid can flow in the second channel area at a comparatively lower flow rate, resulting in a lower heat transfer coefficient.
  • the channel areas can, for example, be dimensioned such that the first channel area is designed to have a comparatively smaller area and the second channel area to be designed for a comparatively larger area. Due to the formation of two channel areas proposed here, different fluid pressure levels are established there, with the greater fluid pressure prevailing in the first channel area. The pressure drop between the fluid inlet and the fluid outlet is greater in the second channel area than in the first channel area. Due to the higher fluid pressure in the first channel area, cooling fluid can thus pass into the second channel area in order to cool the surfaces adjoining it. This exchange of cooling fluid tends to equalize the different fluid pressure levels acting in the different channel areas.
  • the first channel area has a first channel cross section and the second channel area has a second channel cross section. Furthermore, the cooling fluid has a first local flow direction in the first channel area and a second local flow direction in the second channel area.
  • the two channel cross sections differ in their cross-sectional shape, with the first channel area being designed larger or higher than the second channel area in particular between the boundary surfaces.
  • the channel areas can advantageously be mutually dimensioned both in terms of their length and their cross section such that a flow rate of the cooling fluid occurring between the fluid inlet and the fluid outlet in the first channel area is higher than a flow rate occurring in the second channel area.
  • the boundary surfaces are formed on two channel wall elements, which in the main extension direction of the fluid cooling arrangement from the fluid inlet to the fluid outlet essentially have a constant distance.
  • the channel wall elements extend essentially parallel to one another or are arranged essentially coaxially to one another.
  • the first channel area can have a linear extension and the second channel area can have a linear extension in mutual relation to one another have areal extent, wherein the first channel region is arranged within the areal extent of the second channel region.
  • the linear expansion of the first channel region can be designed in a variety of different ways, for example in a serpentine, meandering or spiral form.
  • the first channel area can therefore be spatially limited and directed, while the second channel area can be spatially more extensive and structurally two-dimensional without a preferred direction. Consequently, the first channel region can have sections that are spatially differently aligned between the fluid inlet and the fluid outlet. It also follows from this that an effective length of the first channel area perceived by the cooling fluid when flowing through the fluid channel is greater than an effective length of the second channel area.
  • the first channel area can thus run along a plurality of spatially distributed hot spots and cool them with high efficiency.
  • one of the channel wall elements in the proposed fluid cooling arrangement can be formed from a sheet metal body, with the first channel region encompassing a region that is raised relative to a base area of the sheet metal body.
  • the corresponding channel wall element is designed as a sheet metal part.
  • this duct wall element can also be manufactured as a solid part, with the first duct region having a linear or groove-shaped recess.
  • an electrical machine is proposed with a stator and with a rotor which is arranged such that it can rotate relative to it, the stator comprising a fluid cooling arrangement which is designed as described above.
  • the channel wall elements form a radially inner and a radially outer channel wall element of a cooling jacket of the stator, with the fluid cooling arrangement extending in the circumferential direction on the stator and there in particular being able to effectively cool a laminated stator core with a stator winding.
  • an electrical machine with a stator and with a rotatably arranged to this rotor, wherein the Stator comprises a fluid cooling arrangement configured as described above.
  • the channel wall elements are configured on a front cover of the stator, with the fluid cooling arrangement extending radially on the machine or radially to the stator.
  • a planar fluid cooling arrangement with an approximately disk-shaped or annular disk-shaped cooling channel can be provided in a front-side cover element and cool the electrical machine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrical machine with a fluid cooling arrangement designed as a cooling jacket
  • FIG. 2 shows a schematic two-dimensional representation of a cooling jacket
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an electrical machine with a fluid cooling arrangement designed as a front-side cover element:
  • FIG. 1 shows an electrical machine 10 designed as an internal rotor machine with a stator 12 and with a rotor 14 mounted so as to be rotatable about an axis A.
  • the stator 12 carries a multi-phase stator winding 20 fixed to a sheet metal package 18 with coils 22, the ends of which are connected to an energy storage device 28 by means of a common interconnection device 24 via an inverter 26, so that the machine can be operated as a motor or as a generator 10 to allow.
  • a fluid cooling arrangement 40 designed as a cooling jacket 30 is provided on the stator 12, which extends in the circumferential direction on the stator 12 and can cool the stator core 18 and the stator winding 20 in particular there.
  • the fluid cooling arrangement 40 or here the cooling jacket 30 comprises a boundary surface 42a, 44a through which a cooling fluid can flow and between two boundary surfaces formed fluid channel 50, which extends in a main extension direction D ent along the stator circumference between a fluid inlet 60 and a fluid outlet 62.
  • Said boundary surfaces 42a, 44a are formed on a radially inner and a radially outer channel wall element 42, 44, which are arranged coaxially to one another with respect to the axis A and are therefore essentially constant in the circumferential direction and in the axial direction of the fluid cooling arrangement 40 have distance.
  • the inner channel wall element 42 is formed by the stator carrier 16 and can in particular be designed as a cast part or as a sheet metal part.
  • the outer channel wall element 44 is manufactured as a sheet metal part.
  • the channel wall elements 42, 44 are connected to one another in a fluid-tight manner, which can be done, for example, by weld seams 45 or by a press fit, with sealing elements optionally being able to be inserted in a known manner.
  • the fluid channel 50 spanned between the channel wall elements 42, 44 viewed in the axial direction is not formed with a constant radial extent, but rather that the radial extent varies from section to section.
  • the fluid channel 50 has a first channel area 52 and a second channel area 54 with a different extent in the radial direction. More precisely, in a distance direction between the boundary surfaces 42a, 44a, the first channel area 52 is formed with a greater extent than the second channel area 54.
  • a height ratio of the first channel region 52 to the second channel region 54 measured in the distance direction can, for example, have a value between approximately 2 and approximately 4 and in particular can be between 2 and 3. In particular, a value of about 2.5 has proven to be advantageous.
  • a coherent area 44b is pressed out of the channel wall element 44 or the formed sheet metal part opposite the cylindrical base surface or formed radially outwards, which is assigned to the first channel area 52 and forms its outer wall.
  • Both the fluid inlet 60 and the fluid outlet 62 are provided on the first channel region 52 in the exemplary embodiment.
  • 2 shows a projection of a cooling jacket 30 that is modified compared to FIG. 1 with regard to the position of the fluid inlet 60 and fluid outlet 62.
  • the second channel region 54 has a comparatively extensive extent.
  • the first channel area 52 is arranged within the planar extension of the second channel area 54 .
  • the first channel region 52 is therefore spatially limited and directed, while the second channel region 54 is spatially more extensive and structurally two-dimensional without a preferred direction.
  • the first channel region 52 between the fluid inlet 60 and the fluid outlet 62 has sections 52a, 52b which are spatially differently aligned and have an alternating flow direction.
  • An effective length of the first channel area 52 perceived by the cooling fluid when flowing through the fluid channel 50 is therefore greater than an effective length of the second channel area 54.
  • FIG. 1 there is a fluid flow S1 in the first channel area 52 and a fluid flow S2 in the second Channel range indicated by arrows.
  • Said channel regions 52, 54 are arranged parallel to one another in terms of flow and the cooling fluid can thus flow through them together. Furthermore, the two channel areas 52, 54 are designed to be open along a mutual spatial extent for the mutual exchange of cooling fluid (FIG. 1). This means that the fluid flow S1 dominates in the first channel area 52, the direction of the fluid flow S1 changing according to the course of the channel area 52 and essentially following it. In the second channel region 54, on the other hand, the fluid flow S2 is dominant, the main part of which follows along the circumferential direction of the stator 12.
  • the pressure drop between the fluid inlet 60 and the fluid outlet 62 in the second channel area 54 is greater than in the first channel area 52 .
  • a higher fluid pressure therefore prevails in the first channel area 52 compared to the second channel area 54 .
  • This allows cooling fluid along of the first channel region 52 pass from this into the second channel region 54 in order to cool the surface adjoining this.
  • the fluid cooling arrangement strives permanently to reduce the fluid pressure difference acting between the different channel regions 52, 54.
  • the cooling fluid can flow in the first channel region 52 at a comparatively high flow rate, thereby causing a high heat transfer coefficient.
  • the cooling fluid flows in the second channel region 54 at a comparatively lower flow rate, resulting in a comparatively lower heat transfer coefficient.
  • a ratio of the flow velocity of the first channel area 52 to that of the second channel area 54 can be at least 5:1 or greater and can be, for example, 7:1 or even greater.
  • the channel areas 52, 54 are also dimensioned such that the first channel area 52 has a comparatively smaller area and the second channel area 54 has a comparatively larger area on the outer circumference of the stator 12, as can be seen in FIG.
  • the proportion of a heat transfer area of the channel region 52 can be only 1/3 or less, that is for example 25% of the heat transfer area of the entire fluid channel 50 . However, it is also possible, depending on the specific configuration, to increase or decrease this proportion on the basis of this. In principle, the corresponding parameters for a desired optimal cooling effect can be determined using simulations or determined experimentally.
  • the fluid cooling arrangement 40 can also be located on the front side of the machine 10, as is shown in FIG. 3 by way of example.
  • the two channel wall elements 42, 44 are designed as a front cover 70 of the machine 10 and in particular of the stator 12 and extend essentially parallel to one another.
  • the fluid cooling arrangement 40 extends radially to the stator 12 and is planar and is formed with a fluid channel 50 that is generally approximately annular disk-shaped.
  • the first channel area 52 in this case again has a greater extent in a distance direction between the limiting surfaces 42a, 44a compared to the second channel area 54 and can in particular be designed in a spiral shape.
  • the further construction and the mode of operation of the fluid cooling arrangement 40 correspond to the exemplary embodiment explained with FIG.

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Abstract

Fluidkühlanordnung und elektrische Maschine mit einer Fluidkühlanordnung Es wird eine Fluidkühlanordnung (40) mit einem von einem Kühlfluid durchströmbaren Fluidkanal (50) beschrieben, welcher zwischen zwei Begrenzungsflächen (42a, 44a) ausgebildet ist und wobei sich der Fluidkanal (50) in einer Haupterstreckungsrichtung (D) der Fluidkühlanordnung (40) zwischen einem Fluideinlass (60) und einem Fluidauslass (62) ausbreitet. Zur Verbesserung der Kühleffizienz ist dabei vorgesehen, dass der Fluidkanal (50) zumindest einen ersten Kanalbereich (52) und einen zweiten Kanalbereich (54) aufweist, welche strömungsmäßig parallel zueinander angeordnet sind und gemeinsam von dem Kühlfluid durchströmt werden und wobei die Kanalbereiche (52, 54) entlang einer gegenseitigen räumlichen Erstreckung im Wesentlichen offen zum gegenseitigen Austausch von Kühlfluid ausgebildet sind und wobei in einer Abstandsrichtung zwischen den Begrenzungsflächen (42a, 44a) der erste Kanalbereich (52) gegenüber dem zweiten Kanalbereich (54) eine größere Erstreckung aufweist. Die Erfindung betrifft weiter eine elektrische Maschine (10) mit einer derartigen Fluidkühlanordnung (40).

Description

Fluidkühlanordnung und elektrische Maschine mit einer Fluidkühlanordnung
Die Erfindung betrifft eine Fluidkühlanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentan spruch 1 und im Weiteren eine elektrische Maschine mit einer Fluidkühlanordnung.
Eine gattungsgemäße Fluidkühlanordnung ist beispielsweise bereits mit der DE 10 2012 215 018 A1 bekannt geworden. Die dort beschriebene Fluidkühlanord nung ist als ein Statorkühlmantel einer elektrischen Maschine ausgebildet und weist eine radial äußere und eine radial inneren Mantelfläche auf, die einen geschlossenen Fluidkanal aufspannen, in welchen ein Kühlfluid um den Stator herumgeführt wird und eine Verlustwärme abführen kann. Der Fluidkanal ist in der Haupterstreckungsrichtung des Kühlmantels, also in der Umfangsrichtung mittels Trennwänden mäanderförmig ausgebildet, so dass die Strömungsrichtung des Kühlfluids abschnittweise wiederholt axial wechselt. In den Kühlkanal sind zusätzlich Leitstege eingebracht, welche jeweils eine Aufspaltung in parallele Teilströmungen und somit eine Reduzierung von Totwas sergebieten und insgesamt eine Erhöhung der Kühlwirkung bewirken sollen.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Fluidkühlanordnung der eingangs genann ten Art zu verbessern und die Kühleffizienz zu erhöhen.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Fluidkühlanordnung mit den im Pa tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und mit einer elektrischen Maschine mit ei ner Fluidkühlanordnung gemäß der Patentansprüche 7 und 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind der nachfolgen den Beschreibung und den Figuren entnehmbar.
Demnach wird eine Fluidkühlanordnung vorgeschlagen, welche einen von einem Kühl fluid durchströmbaren und zwischen zwei Begrenzungsflächen ausgebildeten Fluidka nal umfasst. Der Fluidkanal breitet sich in einer Haupterstreckungsrichtung der Fluid kühlanordnung zwischen einem Fluideinlass und einem Fluidauslass aus. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fluidkanal zumindest einen ersten Ka nalbereich und einen zweiten Kanalbereich aufweist, welche strömungsmäßig parallel zueinander angeordnet sind und welche gemeinsam von dem Kühlfluid durchströmt werden. Dabei sind die Kanalbereiche entlang einer gegenseitigen räumlichen Erstre ckung im Wesentlichen offen zum gegenseitigen Austausch von Kühlfluid ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Kanalbereiche nicht wie im Stand der Technik durch un- durchströmbare Hindernisse wie Leitstege und Trennwände fluidisch voneinander ge trennt, sondern im Gegensatz dazu grundsätzlich miteinander fluidisch verbunden. Da bei soll weiter in einer Abstandsrichtung zwischen den Begrenzungsflächen der erste Kanalbereich gegenüber dem zweiten Kanalbereich eine größere Erstreckung aufwei sen.
Eine gezielte bzw. eine definierte Führung des Kühlfluids innerhalb des Fluidkanals wird also hierbei nicht durch Fluidsperren, also durch undurchströmbare Hindernisse, sondern durch eine gezielte unterschiedliche Dimensionierung der Kanalbereiche be wirkt. Durch den Entfall von Fluidsperren wird die Raumausnutzung der Fluidkühlan ordnung verbessert. Durch das Vorsehen von strukturell unterschiedlichen Kanalbe reichen kann gezielt eine gewünschte lokale Führung des Kühlfluids innerhalb des Flu idkanals eingestellt werden. Gleichzeitig kann das Kühlfluid dennoch in alle Raumbe reiche des Fluidkanals eindringen und diese ohne die Ausbildung von Totwasserge bieten durchströmen, so dass dadurch insgesamt die Kühleffizienz verbessert werden kann.
Durch die vorgeschlagene unterschiedliche Erstreckung der Kanalbereiche kann das Kühlfluid in dem ersten Kanalbereich mit einer vergleichsweise hohen Fließgeschwin digkeit fließen, so dass dadurch ein hoher Wärmeübergangskoeffizient bewirkt wird. Dagegen kann das Kühlfluid in dem zweiten Kanalbereich mit einer dazu vergleichs weise niedrigeren Fließgeschwindigkeit fließen, wodurch ein niedrigerer Wärmeüber gangskoeffizient resultiert. Die Kanalbereiche können beispielsweise so dimensioniert sein, dass der erste Kanalbereich eine vergleichsweise kleinere Fläche und der zweite Kanalbereich auf eine vergleichsweise größere Fläche ausgelegt ist. Durch die hier vorgeschlagene Ausbildung von zwei Kanalbareichen stellt sich dort unterschiedliche Fluid-Druckniveaus ein, wobei in dem ersten Kanalbereich der grö ßere Fluiddruck vorherrscht. Der Druckabfall zwischen dem Fluideinlass und dem Flu idauslass ist in dem zweiten Kanalbereich gegenüber dem ersten Kanalbereich größer. Durch den höheren Fluiddruck im ersten Kanalbereich kann somit Kühlfluid in den zweiten Kanalbereich übertreten, um die an diesen angrenzenden Flächen zu kühlen. Durch diesen Austausch von Kühlfluid werden die in den unterschiedlichen Kanalbe reichen wirkenden verschiedenen Fluid-Druckniveaus tendenziell angeglichen.
An der Fluidkühlanordnung weisen der erste Kanalbereich einen ersten Kanalquer schnitt und der zweite Kanalbereich einen zweiten Kanalquerschnitt auf. Weiter weist das Kühlfluid an dem ersten Kanalbereich eine erste lokale Strömungsrichtung und in dem zweiten Kanalbereich eine zweite lokale Strömungsrichtung auf. Mit anderen Worten unterscheiden sich gemäß der Erfindung in einem Schnitt durch den Fluidkanal senkrecht zu der jeweiligen lokalen Strömungsrichtung die beiden Kanalquerschnitte in deren Querschnittsform, wobei insbesondere zwischen den Begrenzungsflächen der erste Kanalbereich größer bzw. höher ausgebildet ist als der zweite Kanalbereich.
Weiter verallgemeinert können die Kanalbereiche mit Vorteil gegenseitig sowohl hin sichtlich deren Länge und deren Querschnitt so dimensioniert sein, dass eine zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass auftretende Fließgeschwindigkeit des Kühlflu ids in dem ersten Kanalbereich gegenüber einer in dem zweiten Kanalbereich auftre tenden Fließgeschwindigkeit höher ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Begrenzungsflächen an zwei Kanal wandelementen ausgebildet, welche in der Haupterstreckungsrichtung der Fluidkühl anordnung vom Fluideinlass zum Fluidauslass im Wesentlichen einen konstanten Ab stand aufweisen. Das heißt, dass sich die Kanalwandelemente im Wesentlichen pa rallel zueinander erstrecken oder im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform können in gegenseitiger Relation zueinander der erste Kanalbereich eine linienförmige Ausdehnung und der zweite Kanalbereich eine flächenhafte Ausdehnung aufweisen, wobei der erste Kanalbereich innerhalb der flä chenhaften Ausdehnung des zweiten Kanalbereichs angeordnet ist. Die linienförmige Ausdehnung des ersten Kanalbereichs kann auf vielfältige unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise schlangenförmig, mäanderförmig oder etwa spiralför mig. Im Vergleich der Kanalbereiche kann der erste Kanalbereich also räumlich eng begrenzt und gerichtet ausgebildet sein, während der zweite Kanalbereich räumlich weitläufiger und strukturell zweidimensional ohne eine Vorzugsrichtung ausgebildet sein kann. Der erste Kanalbereich kann demzufolge zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass räumlich unterschiedlich ausgerichtete Abschnitte aufweisen. Draus ergibt sich weiter, dass eine von dem Kühlfluid beim Durchströmen des Fluidkanals wahrgenommene effektive Länge des ersten Kanalbereichs größer ist als eine effek tive Länge des zweiten Kanalbereichs. Der erste Kanalbereich kann so gezielt entlang einer Mehrzahl von räumlich verteilten Hot-Spots verlaufen und diese mit hoher Effizi enz kühlen.
Fertigungstechnisch kann bei der vorgeschlagenen Fluidkühlanordnung eines der Ka nalwandelemente aus einem Blechkörper gebildet sein, wobei der erste Kanalbereich einen gegenüber einer Grundfläche des Blechkörpers herausgehoben Bereich um fasst. Das entsprechende Kanalwandelement ist als ein Blechumformteil ausgebildet. Alternativ dazu kann dieses Kanalwandelement auch als ein Massivteil gefertigt sein, wobei der erste Kanalbereich eine linienförmige bzw. nutförmige Ausnehmung auf weist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem zu diesem drehbar angeordneten Rotor vorgeschlagen, wobei der Stator eine wie zuvor beschrieben ausgebildete Fluidkühlanordnung umfasst. Die Kanalwan delemente bilden dabei ein radial inneres und ein radial äußeres Kanalwandelement eines Kühlmantels des Stators aus, wobei sich die Fluidkühlanordnung in Umfangs- richtung an dem Stator erstreckt und dort insbesondere ein Statorblechpaket mit einer Statorwicklung effektiv kühlen kann.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem zu diesem drehbar angeordneten Rotor vorgeschlagen, wobei der Stator eine wie zuvor beschrieben ausgebildete Fluidkühlanordnung umfasst. Die Ka nalwandelemente sind dabei an einer stirnseitigen Abdeckung des Stators ausgebil det, wobei sich die Fluidkühlanordnung radial an der Maschine bzw. radial zum Stator erstreckt. Auf diese Weise kann beispielsweise in einem stirnseitigen Deckelelement eine ebenflächige Fluidkühlanordnung mit einem etwa scheibenförmigen oder ring scheibenförmigen Kühlkanal bereitgestellt werden und die elektrische Maschine küh len.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer als Kühlmantel ausgebildeten Fluidkühlanordnung;
Fig. 2 eine schematische zweidimensionalen Darstellung eines Kühlmantels;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer als stirn seitiges Deckelelement ausgebildeten Fluidkühlanordnung:
Fig. 1 zeigt eine als Innenläufermaschine ausgebildete elektrische Maschine 10 mit einem Stator 12 und mit einem dazu drehbar um eine Achse A gelagerten Rotor 14. Der Stator 12 ist dabei an einem Statorträger 16 festgelegt, welcher gleichzeitig als ein Gehäuse der Maschine 10 ausgebildet ist. Der Stator 12 trägt eine an einem Blechpa ket 18 festgelegte mehrphasige Statorwicklung 20 mit Spulen 22, die mit deren Spu lenenden mittels einer gemeinsamen Verschaltungseinrichtung 24 über einen Wech selrichter 26 mit einem Energiespeicher 28 verbunden sind, um somit einen motori schen oder generatorischen Betrieb der Maschine 10 zu ermöglichen.
Zur Abführung einer beim Betrieb der Maschine 10 erzeugten Verlustwärme ist am Stator 12 eine als ein Kühlmantel 30 ausgebildete Fluidkühlanordnung 40 vorgesehen, welche sich in Umfangsrichtung am Stator 12 erstreckt und dort insbesondere das Statorblechpaket 18 und die Statorwicklung 20 kühlen kann.
Die Fluidkühlanordnung 40 bzw. hier der Kühlmantel 30 umfasst einen von einem Kühlfluid durchströmbaren und zwischen zwei Begrenzungsflächen 42a, 44a ausgebildeten Fluidkanal 50, welcher sich in einer Haupterstreckungsrichtung D ent lang des Statorumfangs zwischen einem Fluideinlass 60 und einem Fluidauslass 62 erstreckt. Die genannten Begrenzungsflächen 42a, 44a sind dabei an einem radial in neren und an einem radial äußeren Kanalwandelement 42, 44 ausgebildet, welche be züglich der Achse A koaxial zueinander angeordnet sind und demzufolge in Umfangs richtung und in Axialrichtung der Fluidkühlanordnung 40 im Wesentlichen einen kon stanten Abstand aufweisen. Das innere Kanalwandelement 42 wird vorliegend durch den Statorträger 16 gebildet und kann insbesondere als ein Gussteil oder als ein Blechteil ausgeführt sein. Das äußere Kanalwandelement 44 ist als ein Blechumform- teil gefertigt. Die Kanalwandelemente 42, 44 sind fluiddicht miteinander verbunden, was zum Beispiel durch Schweißnähte 45 oder durch eine Presspassung erfolgen kann, wobei gegebenenfalls in einer bekannten Weise Dichtelemente eingefügt sein können.
In Fig. 1 ist erkennbar, dass der zwischen den Kanalwandelementen 42, 44 aufge spannte Fluidkanal 50 in axialer Richtung betrachtet nicht mit einer konstanten radia len Erstreckung ausgebildet ist, sondern dass die radiale Erstreckung vielmehr ab schnittweise variiert. Dieser Ausbildung entsprechend weist der Fluidkanal 50 einen ersten Kanalbereich 52 und einen zweiten Kanalbereich 54 mit einer in radialer Rich tung unterschiedlichen Erstreckung auf. Genauer ist in einer Abstandsrichtung zwi schen den Begrenzungsflächen 42a, 44a der erste Kanalbereich 52 gegenüber dem zweiten Kanalbereich 54 mit einer größeren Erstreckung ausgebildet. Ein in der Ab standsrichtung gemessenes Höhenverhältnis des ersten Kanalbereichs 52 zum zwei ten Kanalbereich 54 kann beispielsweise einen Wert zwischen etwa 2 und etwa 4 ein nehmen und insbesondere zwischen 2 und 3 liegen. Insbesondere hat sich ein Wert von etwa 2,5 als vorteilhaft erwiesen. Der Zur Ausbildung dieser Form ist aus dem Kanalwandelement 44 bzw. dem Blechumformteil gegenüber der zylindrischen Grund fläche ein zusammenhängender Bereich 44b herausgedrückt bzw. nach radial außen herausgeformt, welcher dem ersten Kanalbereich 52 zugeordnet ist und dessen äu ßere Wandung bildet. Sowohl der Fluideinlass 60 als auch der Fluidauslass 62 sind im Ausführungsbeispiel am ersten Kanalbereich 52 vorgesehen. Fig. 2 zeigt eine Projektion eines gegenüber Fig. 1 bezüglich der Lage von Fluidein lass 60 und Fluidauslass 62 modifizierten Kühlmantels 30. Gemäß der Darstellung von Fig. 2 ist der erste Kanalbereich 52 im Ausführungsbeispiel mäanderförmig ausgebil det und weist damit allgemein eine linienförmige Ausdehnung auf, während der zweite Kanalbereich 54 eine vergleichsweise flächenhafte Ausdehnung aufweist. Wie unmit telbar erkennbar, ist der erste Kanalbereich 52 innerhalb der flächenhaften Ausdeh nung des zweiten Kanalbereichs 54 angeordnet.
Der erste Kanalbereich 52 ist somit räumlich eng begrenzt und gerichtet ausgebildet, während der zweite Kanalbereich 54 räumlich weitläufiger und strukturell zweidimen sional ohne eine Vorzugsrichtung ausgebildet ist. Durch den mäanderförmigen Verlauf weist der erste Kanalbereich 52 zwischen dem Fluideinlass 60 und dem Fluidaus lass 62 räumlich unterschiedlich ausgerichtete Abschnitte 52a, 52b mit einer wech selnden Fließrichtung auf. Eine von dem Kühlfluid beim Durchströmen des Fluidka nals 50 wahrgenommene effektive Länge des ersten Kanalbereichs 52 ist damit grö ßer ist als eine effektive Länge des zweiten Kanalbereichs 54. In Fig. 1 sind eine Flu idströmung S1 im ersten Kanalbereich 52 und eine Fluidströmung S2 im zweiten Ka nalbereich jeweils durch Pfeile angegeben.
Die genannten Kanalbereiche 52, 54 sind strömungsmäßig parallel zueinander ange ordnet und können somit gemeinsam von dem Kühlfluid durchströmt werden. Weiter sind die beiden Kanalbereiche 52, 54 entlang einer gegenseitigen räumlichen Erstre ckung zum gegenseitigen Austausch von Kühlfluid offen ausgebildet (Fig. 1 ). Das be deutet, dass im ersten Kanalbereich 52 die Fluidströmung S1 dominiert, wobei die Richtung der Fluidströmung S1 entsprechend dem Verlauf des Kanalbereichs 52 wechselt und diesem im Wesentlichen folgt. In dem zweiten Kanalbereich 54 ist dage gen die Fluidströmung S2 dominant, welche mit deren Hauptanteil entlang der Um- fangsrichtung des Stators 12 folgt.
In dem so ausgebildeten Kühlmantel 30 ist der Druckabfall zwischen dem Fluidein lass 60 und dem Fluidauslass 62 in dem zweiten Kanalbereich 54 gegenüber dem ers ten Kanalbereich 52 größer. Somit herrscht in dem ersten Kanalbereich 52 gegenüber dem zweiten Kanalbereich 54 ein größerer Fluiddruck. Dadurch kann Kühlfluid entlang des ersten Kanalbereichs 52 von diesem in den zweiten Kanalbereich 54 übertreten, um die an diesen angrenzende Fläche zu kühlen. Die Fluidkühlanordnung strebt durch diesen Austausch von Kühlfluid permanent eine Erniedrigung der zwischen den unter schiedlichen Kanalbereichen 52, 54 wirkenden Fluid-Druckdifferenz an.
Das Kühlfluid kann im Ergebnis in dem ersten Kanalbereich 52 mit einer vergleichs weise hohen Fließgeschwindigkeit fließen, so dass dadurch ein hoher Wärmeüber gangskoeffizient bewirkt wird. Dagegen fließt das Kühlfluid in dem zweiten Kanalbe reich 54 mit einer dazu vergleichsweise niedrigeren Fließgeschwindigkeit, wodurch ein vergleichsweise niedrigerer Wärmeübergangskoeffizient resultiert. Ein Verhältnis der Fließgeschwindigkeit des ersten Kanalbereichs 52 zu der des zweiten Kanalbe reichs 54 kann dabei zumindest 5:1 oder größer sein und beispielsweise 7:1 betragen oder noch größer sein. Die Kanalbereiche 52, 54 sind zudem so dimensioniert, dass der erste Kanalbereich 52 eine vergleichsweise kleinere Fläche und der zweite Kanal bereich 54 eine vergleichsweise größere Fläche am äußeren Umfang des Stators 12 einnimmt, wie das in Fig. 2 zu erkennen ist. Der Anteil einer Wärmeübertragungsfläche des Kanalbereichs 52 kann etwa lediglich 1/3 oder weniger, also beispielsweise 25% von der Wärmeübertragungsfläche des gesamten Fluidkanals 50 betragen. Es ist je doch in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung auch möglich, diesen Anteil davon ausgehend zu erhöhen oder zu erniedrigen. Grundsätzlich können die entspre chenden Parameter für einen gewünschten optimalen Kühleffekt anhand von Simula tionen ermittelt oder experimentell bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu dem mit den Fig. 1 , 2 dargestellten Kühlmantel 30 kann sich die Fluidkühlanordnung 40 auch stirnseitig an der Maschine 10 befinden, wie das beispielhaft mit Fig. 3 dargestellt ist. Die beiden Kanalwandelemente 42, 44 sind dabei als eine stirnseitige Abdeckung 70 der Maschine 10 und insbesondere des Stators 12 ausgebildet und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander. Die Fluidkühla nordnung 40 erstreckt sich dabei radial zum Stator 12 und ist ebenflächig und mit ei nem insgesamt etwa ringscheibenförmigen Fluidkanal 50 ausgebildet. Der erste Ka nalbereich 52 weist hierbei wiederum in einer Abstandsrichtung zwischen den Begren zungsflächen 42a, 44a gegenüber dem zweiten Kanalbereich 54 eine größere Erstre ckung auf und kann insbesondere spiralförmig ausgeführt sein. Der weitere Aufbau und die Funktionsweise der Fluidkühlanordnung 40 entsprechen dem mit Fig. 1 erläu terten Ausführungsbeispiel.
Bezuqszeichen
10 elektrische Maschine
12 Stator
14 Rotor
16 Statorträger
18 Blechpaket
20 Statorwicklung
22 Spulen
24 Verschaltungseinrichtung
26 Wechselrichter
28 Energiespeicher
30 Kühlmantel
40 Fluidkühlanordnung
42 Kanalwandelement
42a Begrenzungsfläche
44 Kanalwandelement
44a Begrenzungsfläche
44b ausgestellter Bereich
45 Schweißnaht
50 Fluidkanal
52 erster Kanalbereich
52a Abschnitt
52b Abschnitt
54 zweiter Kanalbereich
60 Fluideinlass
62 Fluidauslass
70 Abdeckung
A Achse
D Haupterstreckungsrichtung
51 Fluidströmung im ersten Kanalbereich
52 Fluidströmung im zweiten Kanalbereich

Claims

Patentansprüche
1. Fluidkühlanordnung (40), umfassend
- ein von einem Kühlfluid durchströmbaren Fluidkanal (50), welcher zwischen zwei Begrenzungsflächen (42a, 44a) ausgebildet ist, wobei
- sich der Fluidkanal (50) in einer Haupterstreckungsrichtung (D) der Fluidkühla nordnung (40) zwischen einem Fluideinlass (60) und einem Fluidauslass (62) ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Fluidkanal (50) zumindest einen ersten Kanalbereich (52) und einen zwei ten Kanalbereich (54) aufweist, welche strömungsmäßig parallel zueinander angeordnet sind und gemeinsam von dem Kühlfluid durchströmt werden und wobei
- die Kanalbereiche (52, 54) entlang einer gegenseitigen räumlichen Erstre ckung im Wesentlichen offen zum gegenseitigen Austausch von Kühlfluid aus gebildet sind, wobei
- in einer Abstandsrichtung zwischen den Begrenzungsflächen (42a, 44a) der erste Kanalbereich (52) gegenüber dem zweiten Kanalbereich (54) eine grö ßere Erstreckung aufweist.
2. Fluidkühlanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Begren zungsflächen (42a, 44a) an zwei Kanalwandelementen (42, 44) ausgebildet sind, welche in der Haupterstreckungsrichtung (D) der Fluidkühlanordnung (40) vom Flui deinlass zum Fluidauslass im Wesentlichen einen konstanten Abstand aufweisen.
3. Fluidkühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in ge genseitiger Relation zueinander der erste Kanalbereich (52) eine linienförmige Aus dehnung und der zweite Kanalbereich (54) eine flächenhafte Ausdehnung aufweisen, wobei der erste Kanalbereich (54) innerhalb der flächenhaften Ausdehnung des zweiten Kanalbereichs (54) angeordnet ist.
4. Fluidkühlanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbereiche (52, 54) gegenseitig so dimensioniert sind, dass eine zwischen dem Fluideinlass (60) und dem Fluidauslass (62) auftretende Fließge schwindigkeit des Kühlfluids in dem ersten Kanalbereich (52) gegenüber einer in dem zweiten Kanalbereich (54) auftretenden Fließgeschwindigkeit höher ist.
5. Fluidkühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeich net, dass zwischen dem Fluideinlass (60) und dem Fluidauslass (62) der erste Kanal bereich (52) räumlich unterschiedlich ausgerichtete Abschnitte (52a, 52b) aufweist.
6. Fluidkühlanordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kanalwandelemente (44) aus einem Blechkörper gebildet ist, wobei der erste Kanalbereich (52) einen gegenüber einer Grundfläche des Blechkörpers herausgehoben Bereich (44b) umfasst.
7. Elektrische Maschine (10) mit einem Stator (12) und mit einem zu diesem drehbar angeordneten Rotor (14), wobei der Stator (12) eine Fluidkühlanordnung (40) nach einem der Ansprüche 2-6 umfasst und wobei die Kanalwandelemente (42, 44) ein ra dial inneres Kanalwandelement (42) und ein radial äußeres Kanalwandelement (44) eines Kühlmantels (30) des Stators (12) bilden und wobei sich die Fluidkühlanord nung (40) in Umfangsrichtung an dem Stator (12) erstreckt.
8. Elektrische Maschine (10) mit einem Stator (12) und mit einem zu diesem drehbar angeordneten Rotor (14), wobei der Stator (12) eine Fluidkühlanordnung (40) nach einem der Ansprüche 2- 6 umfasst und wobei die Kanalwandelemente (42, 44) an ei ner stirnseitigen Abdeckung (70) der Maschine (10) ausgebildet sind und wobei sich die Fluidkühlanordnung (40) radial zum Stator (12) erstreckt.
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