WO2022207465A1 - Elektrische maschine mit einem druckausgleichselement - Google Patents

Elektrische maschine mit einem druckausgleichselement Download PDF

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WO2022207465A1
WO2022207465A1 PCT/EP2022/057825 EP2022057825W WO2022207465A1 WO 2022207465 A1 WO2022207465 A1 WO 2022207465A1 EP 2022057825 W EP2022057825 W EP 2022057825W WO 2022207465 A1 WO2022207465 A1 WO 2022207465A1
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housing
rotor
electrical machine
coolant
sealing device
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PCT/EP2022/057825
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Inventor
Andreas Dietz
Philipp Holzheimer
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Valeo Siemens Eautomotive Germany Gmbh
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    • H02K5/1672—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using sliding-contact or spherical cap bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor
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    • H02K2205/09—Machines characterised by drain passages or by venting, breathing or pressure compensating means

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine, comprising a housing in which a stator and a rotor rotatable with respect to the stator are accommodated, a cooling device with a cooling channel through which a coolant can flow, which extends from an inlet through the housing and through the rotor to a Outlet extends, a sealing device for sealing the rotor relative to an interior of the housing and a vent channel which extends from the sealing device to an opening of the housing.
  • the electric machine is mainly used as an electric motor for driving a wheel or an axle of the vehicle.
  • the electrical machine can be designed, among other things, as a synchronous motor or an asynchronous motor.
  • the electric motor is usually mechanically coupled to a gear for speed adjustment.
  • the electric motor is normally electrically connected to an inverter, which generates an AC voltage for the operation of the electric machine, in particular a polyphase AC voltage, from a DC voltage supplied by a battery.
  • the electrical machine can operate as a generator for recuperating kinetic energy from a vehicle, in which case the kinetic energy can first be converted into electrical energy and then into chemical energy from the battery.
  • the rotor of the electric machine normally has a rotor shaft surrounded by a cylindrical rotor body.
  • the rotor body can have, among other things, permanent magnets enclosed in the package and/or a winding with an electrical conductor.
  • cooling device for dissipating the heat, which is a liquid Coolant through-flow cooling channel includes.
  • the cooling passage extends from an inlet through the housing of the electric machine and further through the rotor to an outlet formed in the housing.
  • the coolant which can be a water-glycol mixture, for example, is conveyed in a circuit.
  • a sealing device seals the rotor from an interior of the housing, so that no coolant contained in the cooling channel can get into the interior and cause damage there, for example due to corrosion.
  • the interior can accommodate, among other things, the stator and otherwise be filled with air.
  • a ventilation channel can be provided, which extends from the sealing device to an opening in the housing.
  • the invention is based on the object of specifying an electrical machine that can be operated with less effort.
  • a pressure equalization element which is permeable to gaseous media, is arranged at the opening of the housing.
  • the invention is based on the finding that the coolant leakage can be reliably eliminated by providing a pressure compensation element that is permeable to gaseous media.
  • the heat generated by the operation of the electrical machine causes the coolant leakage to vaporize or evaporate, so that the coolant leakage changes to a gaseous state of aggregation. In the gaseous state of aggregation, the coolant leakage can escape from the housing to the outside via the pressure compensation element. As a result, there is no need to drain the coolant leakage as part of maintenance, so that the electric machine can be operated with particularly little effort.
  • the pressure equalization element prevents an overpressure or a negative pressure from occurring in the interior of the housing, in particular in the ventilation channel and/or in a reservoir provided for coolant leakage.
  • the coolant leakage would normally cause an overpressure.
  • the volume of air displaced by the coolant leakage can escape via the pressure compensation element, the creation of an overpressure is avoided.
  • a negative pressure could also arise if a mechanical seal belonging to the sealing device draws a volume of air from the ventilation duct during operation of the electrical machine.
  • An air cushion of the mechanical seal is built up from the air volume, which it needs for its proper function. This means that the air volume is “consumed” by the mechanical seal or used to "supply” the mechanical seal, with part of the air volume being able to get into the cooling channel. In this case, too, air can flow in via the pressure compensation element, which replaces the volume of air taken from the ventilation channel by the mechanical seal, so that the creation of a negative pressure is avoided.
  • the pressure compensation element is designed to compensate for pressure differences occurring during operation of the sealing device.
  • both an overpressure and a negative pressure in the ventilation channel and/or a reservoir for coolant leakage are automatically compensated for in relation to the atmosphere surrounding the housing.
  • the cooling channel extends in particular through a rotor shaft of the rotor.
  • the cooling duct extends through another component part of the rotor, for example through a rotor body of the rotor.
  • the sealing device is preferably designed to seal the rotor in a radial direction and an axial direction. This prevents coolant from escaping from the cooling channel and getting into a bearing of the rotor shaft, for example.
  • the seal in the radial direction can be realized with a radial shaft seal.
  • the seal in the axial direction can be realized with a mechanical seal.
  • the pressure compensation element can be impermeable to liquids. This avoids coolant leakage in the liquid state from exiting the housing or liquids from entering the housing from the outside. In this way, an ingress protection code (IP code) prescribed for the electrical machine can be achieved.
  • IP code ingress protection code
  • the sealing device can be designed in such a way that an overpressure that occurs in the interior of the housing when the rotor rotates in a first direction can be compensated for by the pressure compensation element. Provision can be made for the overpressure to occur when a vehicle driven by the electric machine drives in reverse. The excess pressure can be caused by coolant that enters the housing from the coolant circuit via the sealing device. The volume of air displaced as a result can escape to the outside via the pressure compensation element, so that no overpressure is created.
  • the sealing device of the electrical machine according to the invention can be designed such that a negative pressure created in the interior of the housing when the rotor rotates in a second direction opposite to the first direction can be compensated for by the pressure equalization element. If the direction of travel of the electrically driven vehicle and thus the direction of rotation of the electric machine is reversed and thereby the technical leakage that may be present inside the housing via the sealing device again Coolant circuit is supplied, air flows via the pressure compensation element from the outside into the interior of the housing, so that no negative pressure occurs inside the housing.
  • the pressure compensation element has a membrane or a sintered filter. This prevents particles from penetrating into the housing or contamination of the interior of the housing and the coolant circuit from substances penetrating from the outside.
  • the housing includes a reservoir for collecting leakage of coolant that has exited the sealing means.
  • the reservoir can be connected to the ventilation channel, so that a gaseous medium can flow from the reservoir into the ventilation channel and from the ventilation channel into the reservoir.
  • the pressure compensation element is preferably arranged above the rotor or above the highest possible level of coolant leakage. This ensures that, regardless of the current operating state of the electrically powered vehicle, there is always a gaseous medium (for example air) on the pressure equalization element, which enables pressure equalization via the pressure equalization element.
  • a gaseous medium for example air
  • the above-mentioned object is also achieved with a drive train for a vehicle, which has an electric machine according to the invention.
  • the drive train can have a transmission coupled to the electric machine and/or an inverter connected to the machine, with which a multi-phase AC voltage required to operate the electric machine can be provided.
  • the invention relates to a method for operating an electrical machine, with a housing in which a stator and a rotor that can rotate with respect to the stator are accommodated, a cooling device with a cooling channel through which a coolant can flow, which extends from an inlet through the housing and through extending the rotor to an outlet, sealing means for sealing the rotor from an interior of the housing, and a vent duct extending from the sealing means to an opening of the housing.
  • the method according to the invention is characterized in that a pressure difference between the ventilation duct and the atmosphere surrounding the housing is compensated for by a pressure compensation element which is arranged at the opening of the housing and is permeable to gaseous media.
  • FIG. 1 shows a perspective sectioned view of an electrical machine according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the right-hand end of the rotor in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a vehicle according to the invention.
  • the electric machine 1 shown in FIG. 1 in a perspective sectional view is part of the drive of a vehicle.
  • the electrical machine 1 comprises a housing 2 in which a stator 3 and a rotor 4 which can rotate with respect to the stator 3 and have a rotor shaft 22 are accommodated.
  • the rotor shaft 22 is surrounded by a cylindrical rotor body 23 .
  • the electrical machine 1 also has a cooling device with one of a coolant through-flow cooling channel 5, which extends from an inlet 7 through the housing 2 to an outlet 6.
  • the inlet 7 and the outlet 6, which can also be interchanged with one another, are connected to a pump via coolant lines (not shown), so that the coolant is conveyed in a circuit.
  • the coolant dissipates heat generated during operation of the electrical machine 1 .
  • the cooling channel 5 extends from the inlet 7 through the housing 2 .
  • the coolant flows through a cooling tube 25 (also referred to as a "lance") into the hollow rotor shaft 22 of the rotor 4 , i.e. having a cavity 24 .
  • a cooling tube 25 also referred to as a "lance”
  • the direction of flow of the coolant is reversed, after which the coolant flows out of the rotor shaft 22 along the inside of the casing of the rotor shaft 22 past a sealing device 19 and continues to the outlet 6 .
  • An inverter 8 is arranged on the outside of the housing 2 and provides the AC voltage required for the operation of the electrical machine 1 .
  • Fig. 2 is a sectional view and shows the right end of the rotor shaft 22 shown in Fig. 1.
  • the sealing device 19 serves to seal the rotor shaft 22 in the radial direction and axial direction with respect to an interior space 20 of the housing 2.
  • the sealing device 19 serves to seal the Rotor shaft 22 relative to an interior space 20 of the housing 2 in which the stator 3 is accommodated. The sealing prevents coolant from getting into the interior 20 and leading to corrosion of the windings of the stator there.
  • the sealing device 19 comprises a mechanical seal 9 and a radial shaft sealing ring 11.
  • the mechanical seal 9 is arranged in the axial direction between the free end (on the right in FIG. 1) of the rotor shaft 22 and a section of the housing 2.
  • the mechanical seal 9 seals the rotor shaft 22 axially.
  • the end of the rotor shaft 22 is surrounded by a sleeve 10 made of hardened stainless steel.
  • the sleeve 10 is surrounded by the radial shaft sealing ring 11 which seals the rotor shaft 22 radially with respect to the interior space 20 of the housing 2 .
  • a ventilation channel 12 extends from the sealing device 19 to an opening
  • the opening 13 is closed by a pressure compensation element 14.
  • the pressure compensation element 14 In the installed state shown in FIG. 2, the pressure compensation element 14 is located above the rotor 4. This ensures that the pressure compensation element does not come into direct contact with liquid coolant.
  • the pressure compensation element 14 is permeable to gaseous media and impermeable to liquids.
  • a technical leakage of the coolant can occur to a small extent, in that coolant escapes from the cooling channel 5 at the sealing device 19 and enters a free space surrounding the sealing device 19. Gravity causes the leakage to collect in a reservoir 21 formed by the lower portion of the free space.
  • the leakage can vaporize or evaporate from the reservoir 21, so that the leakage reaches the gaseous state of aggregation, in which the leakage from the reservoir 21 through the ventilation channel 12 via the pressure compensation element
  • the reservoir 21 is connected to the venting channel 12 via the remaining free space.
  • the highest possible level of coolant leakage is in the reservoir 21.
  • the level can also reach the remaining free space surrounding the sealing device 19 or the ventilation channel.
  • the highest possible level is, for example, the highest liquid level of leakage that can probably be reached when the electrical machine 1 is operated as intended.
  • the sealing device 19 has the property that when the rotor 4 rotates in a first direction of rotation, which is associated with reversing of the electrically driven vehicle, the aforementioned coolant leakage occurs. As a result, air is displaced outwards from the ventilation channel 12 via the pressure compensation element 14 .
  • the pressure compensation element 14 thus avoids a pressure difference occurring between the interior of the housing 2 of the electrical machine 1 and the atmosphere surrounding the housing 2 in every operating state.
  • a special function of the pressure compensation element 14 consists in supplying a small volume of air to the mechanical seal 9, which air volume is required for its proper functioning.
  • the pressure compensation element 14 comprises a membrane which prevents particles from penetrating into the interior of the housing 2 .
  • the membrane is permeable to air and vapor but impermeable to liquids.
  • a sintered filter can also be provided as an alternative to a membrane. Coolant leakage that has reached the reservoir 21 via the sealing device 19 can evaporate and be vented to the outside via the pressure equalization element 14 .
  • a pressure difference between the reservoir 21 or the ventilation channel and the atmosphere surrounding the housing 2 is compensated by the pressure compensation element 14, which is arranged at the opening 13 of the housing 2 and is permeable to gaseous media.
  • FIG. 3 shows a vehicle 15 with a drive train 26 that includes the electric machine 1 .
  • the electric machine 1 is coupled to a wheel 17 of the vehicle 15 via a transmission 16 .
  • the electric machine 1 is connected to the inverter 8 .
  • the energy stored in a battery 18 is converted by the inverter 8 into an AC voltage for operating the electrical machine 1 .

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Abstract

Elektrische Maschine (1), umfassend ein Gehäuse (2), in dem ein Stator (3) und ein bezüglich des Stators (3) drehbarer Rotor (4) aufgenommen sind, eine Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal (5), der sich von einem Einlass (7) durch das Gehäuse (2) und durch den Rotor (4) bis zu einem Auslass (6) erstreckt, eine Abdichteinrichtung (19) zum Abdichten des Rotors (4) gegenüber einem Innenraum (20) des Gehäuses und einen Entlüftungskanal (12), der sich von der Abdichteinrichtung (19) bis zu einer Öffnung (13) des Gehäuses (2) erstreckt, wobei an der Öffnung (13) des Gehäuses (2) ein Druckausgleichselement (14) angeordnet ist, das für gasförmige Medien durchlässig ist. Daneben werden ein Antriebsstrang (26) für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug (15) und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen elektrischen Maschine (1) beschrieben.

Description

Elektrische Maschine mit einem Druckausgleichselement
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend ein Gehäuse, in dem ein Stator und ein bezüglich des Stators drehbarer Rotor aufgenommen sind, eine Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal, der sich von einem Einlass durch das Gehäuse und durch den Rotor bis zu einem Auslass erstreckt, eine Abdichteinrichtung zum Abdichten des Rotors gegenüber einem Innenraum des Gehäuses und einen Entlüftungskanal, der sich von der Abdichteinrichtung bis zu einer Öffnung des Gehäuses erstreckt.
Elektrische Maschinen dieser Art werden in zunehmendem Maße bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet. Die elektrische Maschine, wird dabei überwiegend als Elektromotor für den Antrieb eines Rads oder einer Achse des Fahrzeugs eingesetzt. Hierfür kann die elektrische Maschine unter anderem als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein.
Der Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor normalerweise elektrisch mit einem Wechselrichter verbunden, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannung.
Es ist auch möglich, die elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben, wobei die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie der Batterie umgewandelt werden kann.
Der Rotor der elektrischen Maschine verfügt normalerweise über eine Rotorwelle, die von einem zylinderförmigen Rotorkörper umschlossen ist. Der Rotorkörper kann neben einem Paket laminierter Metallbleche unter anderem in dem Paket eingeschlossene Permanentmagneten und/oder eine Wicklung mit einem elektrischen Leiter aufweisen.
Aufgrund der beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehenden Wärme weist diese eine Kühleinrichtung zum Abführen der Wärme auf, die einen von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal umfasst. Der Kühlkanal erstreckt sich von einem Einlass durch das Gehäuse der elektrischen Maschine und weiter durch den Rotor bis zu einem Auslass, der in dem Gehäuse ausgebildet ist. Das Kühlmittel, bei dem es sich beispielsweise um eine Wasser-Glykol-Mischung handeln kann, wird in einem Kreislauf gefördert.
Eine Abdichteinrichtung dichtet den Rotor gegenüber einem Innenraum des Gehäuses ab, so dass kein in dem Kühlkanal enthaltenes Kühlmittel in den Innenraum gelangen und dort zu einem Schaden, beispielsweise durch Korrosion, führen kann. Der Innenraum kann unter anderem den Stator aufnehmen und ansonsten mit Luft gefüllt sein.
Temperaturbedingte Volumenänderungen der Luft im Inneren des Gehäuses machen es erforderlich, eine Belüftung bzw. Entlüftung vorzusehen, die die Entstehung eines Unterdrucks oder eines Überdrucks in dem Gehäuse vermeidet. Dazu kann ein Entlüftungskanal vorgesehen sein, der sich von der Abdichteinrichtung bis zu einer Öffnung des Gehäuses erstreckt.
Es hat sich herausgestellt, dass beim Betrieb der elektrischen Maschine trotz der Abdichteinrichtung eine zumindest geringe technische Leckage des Kühlmittels über die Abdichteinrichtung auftritt. Diese technische Leckage (Kühlmittelleckage) tritt insbesondere dann auf, wenn die elektrische Maschine in einer bestimmten Drehrichtung betrieben wird. Bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann die Leckage zum Beispiel bei Rückwärtsfahrt auftreten.
Um dieses Problem zu lösen, ist bereits vorgeschlagen worden, die technische Leckage in einem separaten Reservoir, d. h. in einem dafür vorgesehenen Behälter, zu sammeln. Dieser Behälter muss allerdings in bestimmten Zeitabständen im Rahmen der Wartung entleert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, die mit geringerem Aufwand betrieben werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an der Öffnung des Gehäuses ein Druckausgleichselement angeordnet ist, das für gasförmige Medien durchlässig ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Kühlmittelleckage durch das Vorsehen eines für gasförmige Medien durchlässigen Druckausgleichselements zuverlässig beseitigt werden kann. Die durch den Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme bewirkt, dass die Kühlmittelleckage verdampft beziehungsweise verdunstet, so dass die Kühlmittelleckage in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. In dem gasförmigen Aggregatzustand kann die Kühlmittelleckage über das Druckausgleichselement aus dem Gehäuse nach außen entweichen. Dadurch kann auf das Entleeren der Kühlmittelleckage im Rahmen einer Wartung verzichtet werden, so dass die elektrische Maschine mit besonders geringem Aufwand betrieben werden kann.
Darüber hinaus vermeidet das Druckausgleichselement, dass im Inneren des Gehäuses, insbesondere in dem Entlüftungskanal und/oder einem für Kühlmittelleckage vorgesehenen Reservoir, ein Überdruck oder ein Unterdrück entsteht. Die Kühlmittelleckage würde normalerweise einen Überdruck hervorrufen. Da jedoch das durch die Kühlmittelleckage verdrängte Luftvolumen über das Druckausgleichselement entweichen kann, wird die Entstehung eines Überdrucks vermieden.
Dasselbe gilt bei einer Verringerung des Volumens der Kühlmittelleckage, beispielsweise bei einem Abkühlvorgang. In diesem Fall kann Luft über das Druckausgleichselement von außen nach innen einströmen, sodass die Entstehung eines Unterdrucks vermieden wird.
Ein Unterdrück könnte auch dadurch entstehen, dass eine zu der Abdichteinrichtung gehörende Gleitringdichtung beim Betrieb der elektrischen Maschine ein Luftvolumen aus dem Entlüftungskanal entnimmt. Aus dem Luftvolumen wird ein Luftpolster der Gleitringdichtung aufgebaut, das diese für ihre ordnungsgemäße Funktion benötigt. Das heißt, das Luftvolumen wird von der Gleitringdichtung „konsumiert“ beziehungsweise zur „Versorgung“ der Gleitringdichtung verwendet, wobei ein Teil des Luftvolumens in den Kühlkanal gelangen kann. Auch in diesem Fall kann über das Druckausgleichselement Luft einströmen, welche das von der Gleitringdichtung aus dem Entlüftungskanal entnommene Luftvolumen ersetzt, sodass die Entstehung eines Unterdrucks vermieden wird.
Folglich ist das Druckausgleichselement zum Ausgleichen von beim Betrieb der Abdichteinrichtung entstehenden Druckunterschieden ausgebildet. Insbesondere kann mit dem Druckausgleichselement sowohl ein Überdruck als auch ein Unterdrück in dem Entlüftungskanal und/oder einem Reservoir für Kühlmittelleckage gegenüber der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre selbsttätig ausgeglichen werden.
Der Kühlkanal erstreckt sich insbesondere durch eine Rotorwelle des Rotors. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Kühlkanal sich durch einen anderen Bestandteil des Rotors erstreckt, zum Beispiel durch einen Rotorkörper des Rotors.
Vorzugsweise ist die Abdichteinrichtung zum Abdichten des Rotors in eine Radialrichtung und eine Axialrichtung ausgebildet. Dadurch wird vermieden, dass Kühlmittel aus dem Kühlkanal austritt und zum Beispiel in ein Lager der Rotorwelle gelangt. Die Abdichtung in Radialrichtung kann mit einem Radialwellendichtring realisiert sein. Die Abdichtung in Axialrichtung kann mit einer Gleitringdichtung realisiert sein,.
Ferner kann das Druckausgleichselement für Flüssigkeiten undurchlässig sein. Dadurch wird vermieden, dass Kühlmittelleckage im flüssigen Zustand aus dem Gehäuse austritt oder Flüssigkeiten von außen in das Gehäuse eindringen. Damit kann ein für die elektrische Maschine vorgeschriebener Eindringschutz-Code (engl. Ingress Protection Code, IP-Code) erreicht werden.
Erfindungsgemäß kann die Abdichteinrichtung so ausgebildet sein, dass ein bei einer Drehung des Rotors in eine erste Richtung im Inneren des Gehäuses entstandener Überdruck durch das Druckausgleichselement ausgleichbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass der Überdruck bei einer Rückwärtsfahrt eines Fahrzeugs auftritt, das mit der elektrischen Maschine angetrieben wird. Der Überdruck kann durch Kühlmittel entstehen, das aus dem Kühlmittelkreislauf über die Abdichteinrichtung in das Gehäuse gelangt. Das dadurch verdrängte Luftvolumen kann über das Druckausgleichselement nach außen entweichen, so dass kein Überdruck entsteht.
In ähnlicher Weise kann die Abdichteinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine so ausgebildet sein, dass ein bei einer Drehung des Rotors in eine zweite, zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung im Inneren des Gehäuses entstandener Unterdrück durch das Druckausgleichselement ausgleichbar ist. Wenn die Fahrtrichtung des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs und somit die Drehrichtung der elektrischen Maschine umgekehrt wird und dadurch die gegebenenfalls im Inneren des Gehäuses vorhandene technische Leckage über die Abdichteinrichtung wieder dem Kühlmittelkreislauf zugeführt wird, strömt Luft über das Druckausgleichselement von außen in das Innere des Gehäuses nach, sodass kein Unterdrück im Inneren des Gehäuses auftritt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Druckausgleichselement eine Membran oder einen Sinterfilter aufweist. Damit wird das Eindringen von Partikeln in das Gehäuse beziehungsweise eine Kontamination des Gehäuseinneren und des Kühlmittelkreislaufs durch von außen eindringende Stoffe vermieden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse ein Reservoir zum Sammeln von Leckage des Kühlmittels auf, die an der Abdichteinrichtung ausgetreten ist.
Optional kann das Reservoir mit dem Entlüftungskanal verbunden sein, so dass ein gasförmiges Medium aus dem Reservoir in den Entlüftungskanal und aus dem Entlüftungskanal in das Reservoir strömen kann.
Vorzugsweise ist das Druckausgleichselement im Einbauzustand der elektrischen Maschine oberhalb des Rotors oder eines höchsten möglichen Pegels von Leckage des Kühlmittels angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass sich unabhängig von dem momentanen Betriebszustand des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs an dem Druckausgleichselement stets ein gasförmiges Medium (zum Beispiel Luft) befindet, das einen Druckausgleich über das Druckausgleichselement ermöglicht.
Die oben genannte Aufgabe wird ferner mit einem Antriebsstrang für ein Fahrzeug gelöst, der eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung aufweist. Zusätzlich kann der Antriebsstrang über ein mit der elektrischen Maschine gekoppeltes Getriebe und/oder einen mit der Maschine verbundenen Wechselrichter verfügen, mit dem eine zum Betreiben der elektrischen Maschine benötigte mehrphasige Wechselspannung bereitstellbar ist.
Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Fahrzeug gelöst, das einen derartigen Antriebsstrang aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, mit einem Gehäuse, in dem ein Stator und ein bezüglich des Stators drehbarer Rotor aufgenommen sind, einer Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal, der sich von einem Einlass durch das Gehäuse und durch den Rotor bis zu einem Auslass erstreckt, einer Abdichteinrichtung zum Abdichten des Rotors gegenüber einem Innenraum des Gehäuses und einem Entlüftungskanal, der sich von der Abdichteinrichtung bis zu einer Öffnung des Gehäuses erstreckt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Druckunterschied zwischen dem Entlüftungskanal und der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre durch ein an der Öffnung des Gehäuses angeordnetes, für gasförmige Medien durchlässiges, Druckausgleichselement ausgeglichen wird.
Die im Zusammenhang mit der Beschreibung der elektrischen Maschine erläuterten Vorteile und Einzelheiten gelten sinngemäß selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 1 rechten Endes des Rotors; und
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.
Die in Fig. 1 in einer perspektivischen geschnittenen Ansicht gezeigte elektrische Maschine 1 gehört zum Antrieb eines Fahrzeugs.
Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Stator 3 und ein bezüglich des Stators 3 drehbarer Rotor 4 mit einer Rotorwelle 22 aufgenommen sind. Die Rotorwelle 22 ist von einem zylinderförmigen Rotorkörper 23 umschlossen. Die elektrische Maschine 1 weist weiter eine Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal 5 auf, der sich von einem Einlass 7 durch das Gehäuse 2 bis zu einem Auslass 6 erstreckt.
Der Einlass 7 und der Auslass 6, die auch miteinander vertauscht sein können, sind über nicht dargestellte Kühlmittelleitungen mit einer Pumpe verbunden, sodass das Kühlmittel in einem Kreislauf gefördert wird. Das Kühlmittel führt bei dem Betrieb der elektrischen Maschine 1 erzeugte Wärme ab.
In Fig. 1 erkennt man, dass sich der Kühlkanal 5 von dem Einlass 7 durch das Gehäuse 2 erstreckt. Das Kühlmittel strömt durch ein Kühlrohr 25 (auch als „Lanze“ bezeichnet) in die hohle, d.h. einen Hohlraum 24 aufweisende, Rotorwelle 22 des Rotors 4 hinein. Am Ende des Kühlrohrs 25 wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels umgekehrt, wonach das Kühlmittel innen am Mantel der Rotorwelle 22 entlang an einer Abdichteinrichtung 19 vorbei aus der Rotorwelle 22 herausströmt und weiter zum Auslass 6 gelangt.
An der Außenseite des Gehäuses 2 ist ein Wechselrichter 8 angeordnet, der die für den Betrieb der elektrischen Maschine 1 benötigte Wechselspannung bereitstellt.
Fig. 2 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt das rechte Ende der in Fig. 1 gezeigten Rotorwelle 22. Die Abdichteinrichtung 19 dient zum Abdichten der Rotorwelle 22 in Radialrichtung und Axialrichtung gegenüber einem Innenraum 20 des Gehäuses 2. Insbesondere dient die Abdichteinrichtung 19 zum Abdichten der Rotorwelle 22 gegenüber einem Innenraum 20 des Gehäuses 2, in dem der Stator 3 aufgenommen ist. Mit dem Abdichten wird vermieden, dass Kühlmittel in den Innenraum 20 gelangt und dort zu Korrosion der Wicklungen des Stators führt.
Die Abdichteinrichtung 19 umfasst eine Gleitringdichtung 9 und einen Radialwellendichtring 11. Die Gleitringdichtung 9 ist in Axialrichtung zwischen dem (in Fig. 1 rechten) freien Ende der Rotorwelle 22 und einem Abschnitt des Gehäuses 2 angeordnet. Die Gleitringdichtung 9 dichtet die Rotorwelle 22 axial ab. Das Ende der Rotorwelle 22 ist von einer Hülse 10 aus gehärtetem Edelstahl umschlossen. Die Hülse 10 ist von dem Radialwellendichtring 11 umschlossen, der die Rotorwelle 22 radial gegenüber dem Innenraum 20 des Gehäuses 2 abdichtet. Von der Abdichteinrichtung 19 erstreckt sich ein Entlüftungskanal 12 bis zu einer Öffnung
13 des Gehäuses 2. Die Öffnung 13 ist durch ein Druckausgleichselement 14 verschlossen. In dem in Fig. 2 gezeigten Einbauzustand befindet sich das Druckausgleichselement 14 oberhalb des Rotors 4. Dadurch ist sichergestellt, dass das Druckausgleichselement nicht direkt in Kontakt mit flüssigem Kühlmittel kommt. Das Druckausgleichselement 14 ist für gasförmige Medien durchlässig und für Flüssigkeiten undurchlässig.
Beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 kann in geringem Umfang eine technische Leckage des Kühlmittels entstehen, indem Kühlmittel an der Abdichteinrichtung 19 aus dem Kühlkanal 5 austritt und in einen die Abdichteinrichtung 19 umgebenden Freiraum gelangt. Die Schwerkraft bewirkt, dass sich die Leckage in einem Reservoir 21 sammelt, das vom unteren Bereich des Freiraums gebildet wird.
Die Leckage kann aus dem Reservoir 21 verdampfen beziehungsweise verdunsten, so dass die Leckage den gasförmigen Aggregatzustand erreicht, in welchem die Leckage aus dem Reservoir 21 durch den Entlüftungskanal 12 über das Druckausgleichselement
14 nach außen abgeführt beziehungsweise entlüftet werden kann. Flierzu ist das Reservoir 21 über den restlichen Freiraum mit dem Entlüftungskanal 12 verbunden.
Im Einbauzustand der elektrischen Maschine 1 befindet sich der höchste mögliche Pegel von Leckage des Kühlmittels in dem Reservoir 21. Alternativ dazu kann der Pegel auch den restlichen Freiraum, der die Abdichteinrichtung 19 umgibt, oder den Entlüftungskanal erreichen. Der höchste mögliche Pegel ist beispielsweise der höchste Flüssigkeitsstand von Leckage, der beim bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 1 voraussichtlich erreichbar ist.
Die Abdichteinrichtung 19 hat die Eigenschaft, dass bei einer Drehung des Rotors 4 in eine erste Drehrichtung, die der Rückwärtsfahrt des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zugeordnet ist, die erwähnte Kühlmittelleckage entsteht. Dadurch wird Luft aus dem Entlüftungskanal 12 über das Druckausgleichselement 14 nach außen verdrängt.
Damit wird ein Überdruck in dem Reservoir 21 und dem Entlüftungskanal 12 vermieden.
Bei einer Umkehrung der Drehrichtung wird die Kühlmittelleckage wieder über die Abdichteinrichtung 19 dem Kühlmittelkreislauf zugeführt. Dadurch strömt Luft von außen über das Druckausgleichselement 14 in das Innere des Gehäuses 2. Damit wird ein Unterdrück in dem Reservoir 21 und dem Entlüftungskanal 12 vermieden.
Das Druckausgleichselement 14 vermeidet somit in jedem Betriebszustand Druckunterschied zwischen dem Inneren des Gehäuses 2 der elektrischen Maschine 1 und der das Gehäuse 2 umgebenden Atmosphäre entsteht. Außerdem besteht eine besondere Funktion des Druckausgleichselements 14 darin, der Gleitringdichtung 9 ein geringes Luftvolumen zuzuführen, das für deren die ordnungsgemäße Funktion benötigt wird.
Das Druckausgleichselement 14 umfasst eine Membran, die das Eindringen von Partikeln in das Innere des Gehäuses 2 vermeidet. Die Membran ist für Luft und Dampf durchlässig, jedoch undurchlässig für Flüssigkeiten. Als Alternative zu einer Membran kann auch ein Sinterfilter vorgesehen sein. Kühlmittelleckage, die über die Abdichteinrichtung 19 in das Reservoir 21 gelangt ist, kann verdunsten und über das Druckausgleichselement 14 nach außen entlüftet werden.
Bei dem Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine 1 wird somit ein Druckunterschied zwischen dem Reservoir 21 beziehungsweise dem Entlüftungskanal und der das Gehäuse 2 umgebenden Atmosphäre durch das an der Öffnung 13 des Gehäuses 2 angeordnete, für gasförmige Medien durchlässige Druckausgleichselement 14 ausgeglichen.
Fig. 3 zeigt ein Fahrzeug 15 mit einem Antriebsstrang 26, der die elektrische Maschine 1 umfasst. Die elektrische Maschine 1 ist über ein Getriebe 16 mit einem Rad 17 des Fahrzeugs 15 gekoppelt. Daneben ist die elektrische Maschine 1 mit dem Wechselrichter 8 verbunden. Die in einer Batterie 18 gespeicherte Energie wird durch den Wechselrichter 8 in eine Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine 1 umgewandelt. Bezugszeichenliste
1 elektrische Maschine
2 Gehäuse
3 Stator
4 Rotor
5 Kühlkanal
6 Auslass
7 Einlass
8 Wechselrichter
9 Gleitringdichtung
10 Hülse
11 Radialwellendichtring
12 Entlüftungskanal
13 Öffnung
14 Druckausgleichselement
15 Fahrzeug
16 Getriebe
17 Rad
18 Batterie
19 Abdichteinrichtung
20 Innenraum
21 Reservoir
22 Rotorwelle
23 Rotorkörper
24 Hohlraum
25 Kühlrohr
26 Antriebsstrang

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrische Maschine (1 ), umfassend:
- ein Gehäuse (2), in dem ein Stator (3) und ein bezüglich des Stators (3) drehbarer Rotor (4) aufgenommen sind,
- eine Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal (5), der sich von einem Einlass (7) durch das Gehäuse (2) und durch den Rotor (4) bis zu einem Auslass (6) erstreckt,
- eine Abdichteinrichtung (19) zum Abdichten des Rotors (4) gegenüber einem Innenraum
(20) des Gehäuses (2) und
- einen Entlüftungskanal (12), der sich von der Abdichteinrichtung (19) bis zu einer Öffnung (13) des Gehäuses (2) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass an der Öffnung (13) des Gehäuses (2) ein Druckausgleichselement (14) angeordnet ist, das für gasförmige Medien durchlässig ist.
2. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Abdichteinrichtung (19) zum Abdichten des Rotors (4) in eine Radialrichtung und eine Axialrichtung ausgebildet ist.
3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Druckausgleichselement (14) für Flüssigkeiten undurchlässig ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Druckausgleichselement (14) eine Membran oder einen Sinterfilter aufweist.
5. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) ein Reservoir (21) zum Sammeln von Leckage des Kühlmittels aufweist, die an der Abdichteinrichtung (19) ausgetreten ist.
6. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5, wobei das Reservoir (21) mit dem Entlüftungskanal (12) verbunden ist, so dass ein gasförmiges Medium aus dem Reservoir
(21) in den Entlüftungskanal (12) und aus dem Entlüftungskanal (12) in das Reservoir (21) strömen kann.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Druckausgleichselement (14) im Einbauzustand der elektrischen Maschine (1) oberhalb des Rotors (4) oder oberhalb eines höchsten möglichen Pegels von Leckage des Kühlmittels angeordnet ist.
8. Antriebsstrang (26) für ein Fahrzeug (15), der eine elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
9. Fahrzeug (15) mit einem Antriebsstrang (26) nach Anspruch 8.
10. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (1) mit einem Gehäuse (2), in dem ein Stator (3) und ein bezüglich des Stators (3) drehbarer Rotor (4) aufgenommen sind, einer Kühleinrichtung mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal (5), der sich von einem Einlass (7) durch das Gehäuse (2) und durch den Rotor (4) bis zu einem Auslass (6) erstreckt, einer Abdichteinrichtung (19) zum Abdichten des Rotors (4) gegenüber einem Innenraum (20) des Gehäuses (2) und einem Entlüftungskanal (12), der sich von der Abdichteinrichtung (19) bis zu einer Öffnung (13) des Gehäuses (2) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckunterschied zwischen dem Entlüftungskanal (12) und der das Gehäuse (2) umgebenden Atmosphäre durch ein an der Öffnung (13) des Gehäuses (2) angeordnetes, für gasförmige Medien durchlässiges Druckausgleichselement (14) ausgeglichen wird.
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