WO2023160919A1 - Kühlring für einen wickelkopf eines aktivteils einer antriebsmaschine - Google Patents

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WO2023160919A1
WO2023160919A1 PCT/EP2023/051496 EP2023051496W WO2023160919A1 WO 2023160919 A1 WO2023160919 A1 WO 2023160919A1 EP 2023051496 W EP2023051496 W EP 2023051496W WO 2023160919 A1 WO2023160919 A1 WO 2023160919A1
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active part
cooling
wall
cooling ring
winding
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PCT/EP2023/051496
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Andrew Brodie
Aleksander JERIN
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/50—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/197—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator

Definitions

  • the invention relates to a cooling ring for a winding overhang of an active part of an electric drive machine and an active part cooling arrangement. Furthermore, the invention relates to a method for producing a cooling ring.
  • the peak power of an electric drive machine is usually limited by the temperature of its active parts (rotor and stator). If the peak power of an electric drive machine is limited by the stator, it is often because of the temperature of the end windings. These cause a large proportion of the thermal losses in the machine and are not particularly well cooled in classic cooling concepts. If an electric drive machine is not directly air-cooled, there is usually cooling in the housing. There are different approaches to improve the cooling of the end windings in this case: (1) Without further modification, the heat flows from the end windings via the copper to the stator material, and from the stator material to the housing.
  • the end windings are fully encapsulated with an insulating plastic so that there is a direct path between the end windings and the housing, and part of the heat can take this direct path.
  • the end windings can be cast with an insulating plastic of a certain thickness and a separate hollow cast part made of plastic can be applied, for example by means of an adhesive bond. This separate hollow casting has a cooling liquid flowing through it.
  • a first, inner wall is applied to the winding heads and brought into the shape of the winding heads, for example by means of blow molding.
  • a second, outer wall is applied, creating a cavity for a cooling liquid between the outer and inner wall.
  • the inner and the outer wall must be manufactured and applied separately from each other. This requires a high production outlay for the assembly of the electrical machine and causes possible types of failure during assembly or operation.
  • the plastic enveloping component forms the entire wall of the winding overhang cooling channel, in particular both towards the winding overhang and towards an area surrounding the winding overhang.
  • the coolant can thus be formed for an entire end winding by means of the single plastic enveloping component.
  • the plastic enveloping component is formed in one piece (i.e. in the present case in particular: originally formed as a single component, in particular in one process step, here rotational molding), in particular by means of a rotational molding process.
  • a plastic enveloping component can be manufactured much more simply in a process-reliable manner and is also lighter and more robust.
  • an active part cooling arrangement for an electric drive machine of a motor vehicle, comprising: (A) an active part with an active part core and on both sides of the active part core a winding overhang, which extends from the active part core; (B) a cooling ring according to an embodiment of the invention on at least one, in particular both, of the end turns.
  • the active part cooling arrangement has a heat pipe which extends in the active part core and in the cooling ring and is thermally connected to both for heat transport.
  • the heat transport from the active part core to the cooling channel can thus be increased.
  • a method for producing a cooling ring for a winding head in particular for an annular winding head arrangement, an active part, in particular a stator or a rotor, an electric drive machine of a motor vehicle, having at least the following method steps, which are specified in the specified or one other proper order: (i) Fabricating a wall of a plastic encapsulation component defining a cavity cooling volume surrounding the end turn by a rotational molding process.
  • the invention is based, among other things, on the idea of applying a cooling ring made of a single component to the end windings. This enables the rotational molding manufacturing process to be applied to the end windings themselves.
  • the cooling ring on each end winding is thus a single part that is applied directly to the end winding, so that it is not necessary to connect several components to form the cooling channel.
  • Rotational molding enables production in just a few steps. Any shape can be made, fewer parts can be used and costs can be saved.
  • the cooling volume contains at least one envelope geometry, in particular an envelope volume, of the end winding with respect to a circumferential direction and a longitudinal axis of the active part. A sufficient and sufficiently turbulent flow of coolant is thus achieved.
  • the cooling volume extends beyond this extent by part of the overall extent of the end winding; in the radial direction of the active part inwards and/or outwards, in particular by 5% or 10% or 25%, and/or in the axial direction of the active part away from the stator core, in particular by 25% or 50% or 100%.
  • a required degree of heat transport can be ensured.
  • a wall of the cooling ring that is close to the stator core is formed on an attachment of the windings of the end winding on an active part core. Good heat transfer from the active part core to the end winding and/or a tight delimitation of the cooling channel is thus achieved.
  • the wall of the cooling ring close to the core of the active part is thermally connected to an axial side wall of the core of the active part for heat transport. This ensures good heat transfer to the wall of the cooling ring.
  • the wall formed with a thermoplastic and / or a thermoset plastic is the wall formed with a thermoplastic and / or a thermoset plastic.
  • a production mold which has a groove in the shape of an intended outer contour of the cooling ring and contains a wall starting material, in particular a hardenable plastic powder (i.e. has been accommodated in the groove), via the end winding to an axial side wall of a core of the active part.
  • the cooling ring can thus be manufactured in one piece directly on site.
  • the production mold has a seal, e.g. rubber, to retain the wall stock in the groove and/or is shaped such that the wall stock used for rotational molding does not flow out of the groove. This ensures that there is sufficient wall starting material in the groove for rotational molding and that no wall starting material can flow into grooves in the electric drive machine.
  • a seal e.g. rubber
  • the production mold has a temperature control system with which the production mold can be temperature-controlled, in particular heated and cooled, before, during and/or after the rotational molding.
  • a temperature control system with which the production mold can be temperature-controlled, in particular heated and cooled, before, during and/or after the rotational molding.
  • channels for heating coils of an electrical heater and/or fluid-based temperature control can be integrated in the mold, with which the thickness of the outer wall of the cooling ring can be controlled.
  • the temperature control system of the production mold is only set up for cooling, for example by means of water channels. Any necessary heating of the production mold, and in particular of the wall starting material arranged therein, is introduced according to one embodiment by performing the rotational molding in an oven or with another external heat source for heating and/or preheating the production mold.
  • the wall starting material is a thermoplastic and is heated in the production mold before and/or during the rotational molding. The entire active part arrangement is rotated, as a result of which the wall of the cooling ring is formed in one piece from the heated wall starting material.
  • the wall starting material is a duroplastic, the components of which are activated before the rotational molding, so that hardening occurs during rotation and the wall of the cooling ring is thus formed in one piece from the heated wall starting material.
  • the production mold is cooled with the wall already formed and rotated further or again. This allows the wall thickness of the wall to be adjusted.
  • the production mold is removed subsequent to the rotational molding.
  • the cooling ring is thus finished.
  • the production mold attached to the active part with the active part is rotated successively or simultaneously about two or more rotational axes during rotational molding in order to completely form the outer contour and thus the wall by means of the acting centrifugal forces.
  • corresponding supply and discharge pipes can already be assembled beforehand and molded in during the rotational molding; Drilling of inlet and outlet holes, into which the corresponding lines can subsequently be inserted and fixed, can also be provided.
  • the cooling fluid can be supplied, for example, from radially outside or from axially out of the stator housing if the active part is a stator. If the active part is a rotor, it can be supplied, for example, from radially inside or axially from a hollow rotor shaft.
  • 1 shows, in a schematic sectional view, an intermediate status of a production method according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows, in a schematic sectional view, a further intermediate status of the exemplary production method from FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an active part cooling arrangement with two cooling rings according to an exemplary embodiment of the invention, which were produced using the method according to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows, in a schematic sectional view, a further active part cooling arrangement according to a further exemplary embodiment of the invention with heat pipes.
  • the continuations of the windings 12 each form a winding overhang arrangement on both sides of the active part core 10, which is also referred to here for short as the winding overhang 4.
  • Figure 1 shows the attachment S10 of a production mold 20 via the end winding 4 to an axial side wall 14 of the active part core 10.
  • the production mold 20 has a groove 22 in the form of an intended outer contour 24 of the cooling ring 2, in which a wall starting material 26, here as plastic powder.
  • the production mold 20 has a seal 28 to seal the groove 22 and thus to fix the wall starting material 26 in the groove 22 .
  • the production mold 20 has a temperature control system 29 with temperature control water channels, by means of which the production mold 22 can be temperature-controlled before, during and/or after the rotational molding.
  • FIG. 2 shows the primary shaping step of producing S20 a wall 30 of a plastic enveloping component 32 by means of rotational molding, ie by rotating the entire arrangement shown about one or more axes of rotation.
  • rotation is about an axis of rotation A1, here the axis of rotation of the electric drive machine 8, and about an axis of rotation A2, here an axis that runs perpendicularly through the longitudinal axis A1 in the longitudinal center of the stator core.
  • the wall 30 can be completely formed in the present case with certain wall geometries.
  • a third axis of rotation and/or shaking of the entire production arrangement can also be provided here and/or in other exemplary embodiments.
  • the different rotations and/or shaking once or several times can be introduced one after the other or simultaneously, ie superimposed on one another.
  • the wall 30 is formed in such a way that the plastic enveloping component 32 has the outer contour 24 and, as a hollow component, delimits a cavity cooling volume 34 which surrounds the end winding 4 .
  • the cavity cooling volume 34 is thus delimited by the wall 30 electrically and with respect to a cooling fluid from the end winding 4 and the environment 1 of the plastic enveloping component 32 and accordingly forms a winding overhang cooling channel 36 .
  • a wall thickness of the wall 30 can be adjusted by cooling the production mold 20 .
  • the production mold 20 is attached to the end of the windings 21—that is, the winding overhangs 4.
  • the production mold 20 is centered by resting against an inner circumference of the stator core 10 .
  • the production mold is equipped with a seal 28 (here made of rubber), so that the wall starting material 26, which is used for rotational molding, cannot flow into the grooves of the electric drive machine 8: because the electrical conductors are in the grooves of the stator core.
  • the conductors do not end flush with the inner radius of the stator core. That is, there is still some "air" in the stator core slots, which would be undesirably filled without the seal 28 by the rotational molding.
  • the wall starting material 26 is then cooled and the arrangement is rotated again, as a result of which the wall thickness of the wall 30 of the plastic enveloping component 32 is adjusted.
  • the cooling rings 2 are connected directly to the respective end winding 4 and a cooling medium can flow through them in the cavity cooling volume 34 .
  • a cooling medium can flow through them in the cavity cooling volume 34 .
  • an inlet and outlet line (not shown) for cooling fluid is provided on each cooling ring 2 .
  • the wall starting material in addition to the outer contour of the groove of the production mold, also wets the end winding or its individual wires. As a result, the end winding is wetted with a thin layer of plastic. This avoids the coolant coming into direct contact with the electrical conductors (danger of electricity flowing through the water).
  • the plastic enveloping component 32 thus forms the cooling ring 2, which is shown in FIG. 3—after the production mold has been removed.
  • the cooling connection can, for example, be designed as a short piece of pipe onto which a hose for coolant supply can later be attached.
  • the coolant connection parts are then attached to the intended location inside the production mold and cast in the rotation process.
  • the cast holes in the cooling fitting can then be pierced after rotomoulding is complete.
  • a stator cooling in the motor housing 11 can either be replaced - and thus space is saved, or the cooling ring cooling is additionally used in order to enable a higher permanent or peak power output of the electric drive machine 8 .
  • FIG. 4 shows another example of an active part cooling arrangement 40, in which additional heat pipes 42 are used in the stator (active part 6) in order to transfer the heat of the active part core 10 into the cavity cooling volume 34, where it is dissipated by means of the circulating cooling fluid can be.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlring für einen Wickelkopf eines Aktivteils einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend ein Hohlraum-Kühlvolumen, das den Wickelkopf umschließt, und eine Kunststoffhüllbauteil, das einen Wickelkopfkühlkanal ausbildet, welcher das Kühlvolumen gegen den Wickelkopf und gegen eine Umgebung des Wickelkopfes abdichtet. Ferner betrifft die Erfindung eine Aktivteilkühlanordnung und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlrings.

Description

Kühlring für einen Wickelkopf eines Aktivteils einer Antriebsmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kühlring für einen Wickelkopf eines Aktivteils einer elektrischen Antriebsmaschine und eine Aktivteilkühlanordnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlrings.
Die Spitzenleistung einer elektrischen Antriebsmaschine ist in der Regel durch die Temperatur seiner Aktivteile (Rotor und Stator) begrenzt. Falls die Spitzenleistung einer elektrischen Antriebsmaschine durch den Stator begrenzt ist, dann oft wegen der Temperatur der Wickelköpfe. Diese verursachen einen großen Anteil der thermischen Verluste in der Maschine und sind in klassischen Kühlkonzepten nicht besonders gut gekühlt. Ist eine elektrische Antriebsmaschine nicht direkt luftgekühlt, befindet sich meist im Gehäuse eine Kühlung. Um die Kühlung der Wickelköpfe in diesem Fall zu verbessern, gibt es unterschiedliche Ansätze: (1) Ohne weitere Modifikation fließt die Wärme von den Wickelköpfen über das Kupfer zum Statormaterial, und vom Statormaterial zum Gehäuse ab. (1) Die Wickelköpfe werden mit einem isolierenden Kunststoff voll vergossen, sodass sein direkter Weg zwischen Wickelköpfen und Gehäuse besteht, kann ein Teil der Wärme diesen direkten Weg nehmen. (3) Die Wickelköpfe können mit einem isolierenden Kunststoff in einer bestimmten Dicke vergossen und ein separates hohles Gussteil aus Kunststoff, z.B. durch eine Klebeverbindung, aufgebracht werden. Dieses separate hohle Gussteil ist mit einer Kühlflüssigkeit durchströmt. (4) Konzepte mit direktem Kühlmittel-Wickelkopf-Kontakt. Die Wickelköpfe werden mit Öl bespritzt oder umströmt.
Aus der DE 10 2020 206 333 A1 ist ein weiteres Kühlkonzept bekannt. Dabei wird eine erste, innere Wand auf die Wickelköpfe aufgebracht und beispielsweise mittels Blasformen in die Form der Wickelköpfe gebracht. Zudem wird eine zweite, äußere Wand aufgebracht, wodurch ein Hohlraum für eine Kühlflüssigkeit zwischen äußerer und innerer Wand entsteht. Zwischen den zwei Teilen (innere und äußere Wand) muss eine feste Verbindung bestehen (z.B. geklebt), um zu verhindern, dass Flüssigkeit aus dem Hohlraum ausläuft und damit den Stator beschädigt. Die innere und die äußere Wand müssen getrennt voneinander gefertigt und aufgebracht werden. Das erfordert einen hohen Fertigungsaufwand der der Montage der elektrischen Maschine und bedingt mögliche Versagensarten während der Montage oder des Betriebs.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung eines Aktivteils einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs zu verbessern.
Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird offenbart ein Kühlring für einen Wickelkopf, insbesondere für eine ringförmige Wickelkopfanordnung, eines Aktivteils, insbesondere eines Stators oder eines Rotors, einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: (a) ein, insbesondere kreisringförmiges, Hohlraum-Kühlvolumen, das den Wickelkopf umschließt; (b) ein Kunststoffhüllbauteil, das einen Wickelkopfkühlkanal ausbildet, welcher das Kühlvolumen, insbesondere an einem gesamten Kühlringumfang, gegen den Wickelkopf, insbesondere die Wicklungen des Wickelkopfes, und gegen eine Umgebung des Wickelkopfes, insbesondere einen Wickelkopfraum, abdichtet.
Indem ein einziges Kunststoffhüllbauteil den gesamten Wickelkopfkühlkanal abgrenzt, ist dieser viel robuster gegen ein Versagen im Betrieb, beispielsweise an einer Fügestelle - denn Fügestellen sind beim erfindungsgemäßen Kühlring nicht erforderlich. Gemäß einer Ausführung das Kunststoffhüllbauteil die gesamte Wandung des Wickelkopfkühlkanals ausbildet, insbesondere sowohl gegen den Wickelkopf als auch gegen eine Umgebung des Wickelkopfes. Damit kann das Kühlmittel mittels des einzigen Kunststoffhüllbauteils für einen gesamten Wickelkopf ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausführung ist das Kunststoffhüllbauteil einstückig (d.h. vorliegend insbesondere: urgeformt als ein einziges Bauteil, insbesondere in einem Prozessschritt, hier einem Rotationsformen), insbesondere mittels eines Rotationsformverfahrens, ausgebildet. Ein solches Kunststoffhüllbauteil kann viel einfacher prozesssicher gefertigt werden und ist zudem leichter und robuster.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart eine Aktivteilkühlanordnung, insbesondere Stator- oder Rotorkühlanordnung, für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: (A) ein Aktivteil mit einem Aktivteilkern und beiderseits des Aktivteilkerns jeweils einem Wickelkopf, der sich ausgehend von dem Aktivteilkern erstreckt; (B) einen Kühlring gemäß einer Ausführung der Erfindung an wenigstens einem, insbesondere beiden, der Wickelköpfe.
Gemäß einer Ausführung weist die Aktivteilkühlanordnung ein Wärmerohr auf, das sich in dem Aktivteilkern und in dem Kühlring erstreckt und mit beidem thermisch zum Wärmetransport verbunden ist. Damit kann der Wärmetransport von dem Aktivteilkern hin zu dem Kühlkanal verstärkt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlrings für einen Wickelkopf, insbesondere für eine ringförmige Wickelkopfanordnung, eines Aktivteils, insbesondere eines Stators oder eines Rotors, einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zumindest die folgenden Verfahrensschritte, die in der angegebenen oder einer anderen fachgerechten Reihenfolge durchgeführt werden können: (i) Herstellen einer Wandung eines Kunststoffhüllbauteils, die ein Hohlraum-Kühlvolumen abgrenzt, das den Wickelkopf umgibt, mittels eines Rotationsformverfahrens. Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, einen Kühlring aus einem einzigen Bauteil auf die Wickelköpfe aufzubringen. Dies ermöglicht das Fertigungsverfahren des Rotationsformens, angewendet auf den Wickelköpfen selbst.
Damit ist der Kühlring auf jedem Wickelkopf ein einziges Teil, das direkt auf den Wickelkopf aufgebracht wird, sodass keine Verbindung mehrerer Bauteile zum Ausbilden des Kühlkanals notwendig ist. Das Rotationsformen ermöglicht die Fertigung in wenigen Schritten. Beliebige Formen können gefertigt, weniger Teile verwendet und Kosten eingespart werden.
Zuletzt kann erreicht werden, dass in dem Statorgehäuse keine Flüssigkühlung mehr gebraucht wird, was enormen radialen Bauraum einsparen kann.
Gemäß einer Ausführung beinhaltet das Kühlvolumen zumindest eine Hüllgeometrie, insbesondere ein Hüllvolumen, des Wickelkopfes hinsichtlich einer Umfangsrichtung und einer Längsachse des Aktivteils. Damit wird eine ausreichende und ausreichend turbulente Kühlmittelströmung erreicht.
Gemäß einer Ausführung erstreckt sich das Kühlvolumen um einen Teil der Gesamterstreckung des Wickelkopfes über diese Erstreckung hinaus; in radialer Richtung des Aktivteils nach innen und/oder außen, insbesondere um 5% oder 10% oder 25%, und/oder in axialer Richtung des Aktivteils weg von dem Statorkern, insbesondere um 25% oder 50% oder 100%. Mit einem anwendungsspezifisch gestalteten Überhang kann ein erforderliches Maß eines Wärmetransports sichergestellt werden.
Gemäß einer Ausführung ist eine Statorkern-nahe Wandung des Kühlrings an einem Ansatz der Windungen des Wickelkopfes an einem Aktivteilkern ausgebildet. Damit wird ein guter Wärmeübergang vom Aktivteilkern zu dem Wickelkopf und/oder eine dichte Abgrenzung des Kühlkanals erreicht.
Gemäß einer Ausführung ist die Aktivteilkern-nahe Wandung des Kühlrings mit einer axialen Seitenwand des Aktivteilkerns thermisch zum Wärmetransport verbunden. Dies stellt einen guten Wärmeübergang auf die Wandung des Kühlrings sicher. Gemäß einer Ausführung ist die Wandung mit einem Thermoplast- und/oder einem Duroplast-Kunststoff ausgebildet.
Gemäß einer Ausführung erfolgt ein Anbringen einer Herstellform, die eine Nut in der Form einer vorgesehene Außenkontur des Kühlrings aufweist und ein Wandungsausgangsmaterial, insbesondere ein aushärtbares, Kunststoffpulver enthält (sprich in der Nut aufgenommen hat), über den Wickelkopf an eine axiale Seitenwand eines Kerns des Aktivteils. Damit kann der Kühlring direkt am Einsatzort einstückig gefertigt werden.
Gemäß einer Ausführung weist die Herstellform eine Dichtung, z. B. aus Gummi, zur Festlegung des Wandungsausgangsmaterial in der Nut auf, und/oder ist derart geformt, dass das Wandungsausgangsmaterial, das zum Rotationsformen verwendet wird, nicht aus der Nut fließt. Damit ist sichergestellt, dass zum Rotationsformen genügend Wandungsausgangsmaterial in der Nut vorhanden ist und kein Wandungsausgangsmaterial in Nuten der elektrischen Antriebsmaschine fließen kann.
Gemäß einer Ausführung weist die Herstellform ein Temperiersystem auf, mit dem die Herstellform vor, während und/oder nach dem Rotationsformen temperiert, insbesondere erwärmt und gekühlt, werden kann. Insbesondere können Kanäle für Heizschlangen einer elektrischen Heizung und/oder eine fluidbasierte Temperierung in der Form integriert sein, womit die Dicke der Außenwand des Kühlrings kontrolliert werden kann.
Gemäß einer Ausführung ist das Temperiersystem der Herstellform nur zum Kühlen eingerichtet, beispielsweise mittels Wasserkanälen. Eine gegebenenfalls erforderliche Erwärmung der Herstellform, und insbesondere des darin angeordneten Wandungsausgangsmaterials, wird gemäß einer Ausführung eingebracht, indem das Rotationsformen in einem Ofen oder mit einer anderen externen Wärmequelle zum Heizen und/oder Vorheizen der Herstellform durchgeführt wird.
Bei einer Kühlung mittels Wasserkanälen können gemäß einer Ausführung mit lokalen Temperaturänderungen lokal unterschiedliche Wandstärken der Wandung ausgebildet werden, weil das Wandungsausgangsmaterial dann unterschiedlich schnell aushärtet. Gemäß einer Ausführung ist das Wandungsausgangsmaterial ein Thermoplast und wird in der Herstellform vor und/oder bei dem Rotationsformen erhitzt. Dabei wird die gesamte Aktivteilanordnung gedreht, wodurch die Wandung des Kühlrings aus dem erwärmten Wandungsausgangsmaterial einstückig geformt wird.
Gemäß einer Ausführung ist das Wandungsausgangsmaterial ein Duroplast, dessen Komponenten vor dem Rotationsformen aktiviert werden, so dass ein Aushärten bei dem Rotieren erfolgt und damit die Wandung des Kühlrings aus dem erwärmten Wandungsausgangsmaterial einstückig geformt wird.
Gemäß einer Ausführung wird die Herstellform bei bereits ausgebildeter Wandung gekühlt und weiter oder nochmals rotiert. Dadurch kann die Wandstärke der Wandung eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführung wird anschließend an das Rotationsformen die Herstellform entfernt. Der Kühlring ist damit fertig ausgebildet.
Gemäß einer Ausführung wird die an dem Aktivteil angebrachte Herstellform mit dem Aktivteil beim Rotationsformen nacheinander oder gleichzeitig um zwei oder mehr Rotationsachsen gedreht, um die Außenkontur und damit die Wandung mittels der wirkenden Fliehkräfte vollständig auszubilden.
Zum Anschluss des Hohlraum-Kühlvolumens an eine Zuleitung und eine Anleitung von Kühlfluid können entsprechende Zu- und Ableitungsrohre bereits zuvor montiert und beim Rotationsformen eingeformt werden; auch eine Bohrung von Zuleitung- und Ableitungs-Löchern, in die nachträglich die entsprechenden Leitungen eingeführt und festgelegtwerden können, kann vorgesehen sein. Das Kühlfluid kann beispielsweise von radial außen oder von axial aus dem Statorgehäuse zugeführt werden, wenn das Aktivteil ein Stator ist. Wenn das Aktivteil ein Rotor ist, kann die Zuführung beispielsweise von radial innen oder axial aus einer Hohl-Rotorwelle erfolgen.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren: Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Zwischenstand eines Herstellverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen weiteren Zwischenstand des beispielhaften Herstellverfahrens aus Figur 1.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Aktivteilkühlanordnung mit zwei Kühlringen gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, die mit dem Verfahren gemäß den Figuren 1 und 2 hergestellt wurden.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine weitere Aktivteilkühlanordnung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung mit Wärmerohren.
Anhand der Figuren 1 bis 3 ist ein Verfahren zu einer rotationsformenden Herstellung eines Kühlrings 2 für einen Wickelkopf 4 eines Aktivteils 6 einer elektrischen Antriebsmaschine 8 eines Kraftfahrzeugs erläutert. Das Aktivteil 6 ist vorliegend der Stator der elektrischen Antriebsmaschine 8 und weist einen Aktivteilkern 10 (=Statorkern) auf, der in einem Motorgehäuse 11 fest gelagert ist und durch welchen hindurch in längsaxialer Richtung Wicklungen 12 verlaufen. Die Weiterführungen der Wicklungen 12 bilden beiderseits des Aktivteilkerns 10 jeweils eine Wickelkopfanordnung aus, die hier auch kurz als Wickelkopf 4 bezeichnet wird.
In Figur 1 ist gezeigt das Anbringen S10 einer Herstellform 20 über den Wickelkopf 4 an eine axiale Seitenwand 14 des Aktivteilkerns 10. Die Herstellform 20 weist eine Nut 22 in der Form einer vorgesehene Außenkontur 24 des Kühlrings 2 auf, in welcher ein Wandungsausgangsmaterial 26, hier als Kunststoffpulver, aufgenommen ist. Zur Abdichtung der Nut 22 und damit zur Festlegung des Wandungsausgangsmaterials 26 in der Nut 22 weist die Herstellform 20 eine Dichtung 28 auf. Zudem weist die Herstellform 20 ein Temperiersystem 29 mit Temperierwasserkanälen auf, mittels dessen die Herstellform 22 vor, während und/oder nach dem Rotationsformen temperiert werden kann. In Figur 2 ist der urformende Schritt der Herstellung S20 einer Wandung 30 eines Kunststoffhüllbauteils 32 mittels Rotationsformens dargestellt, sprich durch eine Rotation der gesamten dargestellten Anordnung um eine oder mehrere Rotationsachsen. Vorliegend wird um eine Rotationsachse A1 , hier die Drehachse der elektrischen Antriebsmaschine 8, gedreht, und um eine Rotationsachse A2, hier eine Achse, die in der längsaxialen Mitte des Statorkerns senkrecht durch die Längsachse A1 verläuft. Damit kann die Wandung 30 vorliegend bei bestimmten Wandungsgeometrien vollständig ausgebildet werden.
Je nach auszuformender Wandung 30 kann vorliegend und/oder in anderen Ausführungsbeispielen auch eine dritte Rotationsachse und/oder ein Schütteln der gesamten Herstellanordnung vorgesehen sein. Die unterschiedlichen Rotationen und/oder ein ein- oder mehrmaliges Schütteln können nacheinander oder gleichzeitig, also einander überlagert, eingebracht werden.
Die Wandung 30 bildet sich dabei so aus, dass das Kunststoffhüllbauteil 32 die Außenkontur 24 aufweist und als Hohlbauteil ein Hohlraum-Kühlvolumen 34 abgrenzt, das den Wickelkopf 4 umgibt. Das Hohlraum-Kühlvolumen 34 ist damit durch die Wandung 30 elektrisch und bzgl. eines Kühlfluids von dem Wickelkopf 4 und der Umgebung 1 des Kunststoffhüllbauteils 32 abgegrenzt und bildet entsprechend einen Wickelkopfkühlkanal 36 aus. Eine Wandstärke der Wandung 30 kann durch eine Kühlung der Herstellform 20 eingestellt werden.
Die einzelnen Verfahrensschritte des Herstellverfahrens der Figuren 1 bis 3 sind nachfolgend beschrieben.
S10: Zunächst wird die Herstellform 20 an das Ende der Wicklungen 21 - sprich die Wickelköpfe 4 - angebracht. Vorliegend wird die Herstellform 20 durch eine Anlage an einen Innenumfang des Statorkerns 10 zentriert. Zudem ist die Herstellform mit einer Dichtung 28 (hier aus Gummi) ausgestattet, sodass das Wandungsausgangsmaterial 26, das zum Rotationsformen verwendet wird, nicht in Nuten der elektrischen Antriebsmaschine 8 fließen kann: Denn die elektrischen Leiter befinden sich in den Nuten des Statorkerns. Aus technischen Gründen enden die Leiter nicht bündig mit dem innenra- dius des Statorkerns. D.h. in den Statorkernnuten gibt es noch etwas „Luft“, die ohne die Dichtung 28 durch das Rotationsformen unerwünscht befüllt würde.
S20: (a) Ist das Wandungsausgangsmaterial 26, das zum Rotationsformen verwendet wird, ein Thermoplast, wird es mittels des Temperiersystems 29 erhitzt und die gesamte Anordnung rotiert, wodurch der Kühlring ausgeformt wird, (b) Ist das Wandungsausgangsmaterial 26 ein Duroplast, muss es nicht erhitzt werden und es reicht, wenn die gesamte Anordnung gedreht wird.
Anschließend wird das Wandungsausgangsmaterial 26 gekühlt und die Anordnung nochmals gedreht, wodurch die Wandstärke der Wandung 30 des Kunststoffhüllbauteils 32 eingestellt wird.
Zuletzt wird die Herstellform 20 entfernt.
Die Kühlringe 2 sind direkt mit dem jeweiligen Wickelkopf 4 verbunden und können in dem Hohlraum-Kühlvolumen 34 jeweils mit einem Kühlmedium durchströmt werden. Dazu ist eine nicht dargestellte Zu- und Ableitung für Kühlfluid an jedem Kühlring 2 vorgesehen.
Durch das Rotationsformen benetzt das Wandungsausgangsmaterial (neben der Außenkontur der Nut der Herstellform) auch den Wickelkopf bzw. seine Einzeldrähte. Dadurch ist der Wickelkopf mit einer dünnen Kunststoffschicht benetzt. Dies vermeidet eine direkte Berührung der elektrischen Leiter durch das Kühlmittel (Gefahr des Stromflusses über das Wasser).
Bei dem Durchströmen besteht daher kein direkter Kontakt zwischen Kühlmedium und Wickelkopf 4, sodass das Kühlmedium frei wählbar ist (z.B. auch ein elektrisch leitendes Kühlmittel wie Wasser) und eine Schädigung der Wicklungen verhindert wird. Das Kunststoffhüllbauteil 32 bildet damit den Kühlring 2 aus, der in der Fig. 3 - nach dem Entfernen der Herstellform - dargestellt ist. Vorliegend kann aufgrund einer ggf. benötigten Maßhaltigkeit vorgesehen sein, die Kühlanschlüsse schon vorher zu fertigen und sie in der Herstellform mit einzugießen. Der Kühlanschluss kann beispielsweise wie ein kurzes Stück Rohr ausgeführt sein, an das später ein Schlauch zur Kühlmittelzuführung aufgesteckt werden kann. Beispielsweise werden dann die Kühlmittelanschlussteile im Inneren der Herstellform auf die vorgesehene Stelle aufgesteckt und im Rotationsverfahren mit vergossen. Die vergossenen Löcher im Kühlanschlussstück können dann nach Abschluss des Rotationsformens noch durchstochen werden.
Mit einer derartigen Kühlring-Kühlung kann eine Statorkühlung im Motorgehäuse 11 ent- weder ersetzt werden - und so Bauraum eingespart oder die Kühlring-Kühlung wird zusätzlich eingesetzt, um eine höhere dauerhafte oder Spitzen- Leistungsabgabe der elektrischen Antriebsmaschine 8 zu ermöglichen.
In Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel einer Aktivteilkühlanordnung 40 gezeigt, bei dem zusätzlich Wärmerohre 42 in den Stator (Aktivteil 6) eingesetzt werden, um die Wärme des Aktivteilkerns 10 in das Hohlraum-Kühlvolumen 34 zu übertragen, wo die mittels des zirkulierenden Kühlfluids abgeführt werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
Umgebung des Kühlrings 1
Kühlring 2
Wickelkopf 4
Aktivteil (=Stator) 6 elektrische Antriebsmaschine 8
Aktivteilkern (=Statorkern) 10
Motorgehäuse 11
(Stator-)Wicklungen 12
Herstellform 20
Nut 22
Außenkontur 24
Wandungsausgangsmaterial 26
Dichtung 28
Temperiersystem 29
Wandung 30
Kunststoffhüllbauteil 32
Hohlraum-Kühlvolumen 34
Wickelkopfkühlkanal 36
Aktivteilkühlanordnung 40
Wärmerohr 42
Rotationsachsen A1, A2
Verfahrensschritte Sxx

Claims

ANSPRÜCHE
1. Kühlring (2) für einen Wickelkopf (4) eines Aktivteils (6) einer elektrischen Antriebsmaschine (8) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend:
- ein Hohlraum-Kühlvolumen (34), das den Wickelkopf umschließt, und
- ein Kunststoffhüllbauteil (32), das einen Wickelkopfkühlkanal (36) ausbildet, welcher das Hohlraum-Kühlvolumen gegen den Wickelkopf und gegen eine Umgebung (1) des Wickelkopfes abdichtet.
2. Kühlring gemäß Anspruch 1 , wobei das Kunststoffhüllbauteil eine gesamte Wandung (30) des Wickelkopfkühlkanals ausbildet.
3. Kühlring gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffhüllbauteil, insbesondere die Wandung, einstückig, insbesondere mittels eines Rotationsformverfahrens, ausgebildet ist.
4. Kühlring gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hohlraum-Kühlvolumen zumindest eine Hüllgeometrie des Wickelkopfes hinsichtlich einer Umfangsrichtung und einer Längsachse des Aktivteils beinhaltet.
5. Kühlring gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kühlvolumen um einen Teil der Gesamterstreckung des Wickelkopfes über diese Erstreckung hinaus erstreckt; in radialer Richtung des Aktivteils nach innen und/oder außen, insbesondere um 5% oder 10% oder 25%, und/oder in axialer Richtung des Aktivteils weg von einem Aktivteilkern (10), insbesondere um 25% oder 50% oder 100%.
6. Kühlring gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Aktivteilkern-nahe Wandung des Kühlrings an einem Ansatz der Windungen des Wickelkopfes an einem Aktivteilkern ausgebildet ist.
7. Kühlring gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Aktivteilkern-naher Teil der Wandung des Kühlrings mit einer axialen Seitenwand des Aktivteilkerns thermisch zum Wärmetransport verbunden ist. Aktivteilkühlanordnung (40) für eine elektrische Antriebsmaschine (8) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend:
- ein Aktivteil (6) mit einem Aktivteilkern (10) und beiderseits des Aktivteilkerns jeweils einem Wickelkopf (4), der sich ausgehend von dem Aktivteilkern erstreckt,
- einen Kühlring (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche an wenigstens einem, insbesondere beiden, der Wickelköpfe. Aktivteilkühlanordnung gemäß Anspruch 8, aufweisend ein Wärmerohr (42), das sich in dem Aktivteilkern und in dem Kühlring erstreckt und mit beidem thermisch zum Wärmetransport verbunden ist. Verfahren zur Herstellung eines Kühlrings (2) für einen Wickelkopf (4) eines Aktivteils
(6) einer elektrischen Antriebsmaschine (8) eines Kraftfahrzeugs, der insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist, aufweisend:
(S20) - Herstellen einer Wandung (30) eines Kunststoffhüllbauteils (32), die ein Hohlraum-Kühlvolumen (34) abgrenzt, das den Wickelkopf umgibt, mittels eines Rotationsformverfahrens. Verfahren gemäß Anspruch 10, aufweisend:
(S10) - Anbringen einer Herstellform (20), die eine Nut (22) in der Form einer vorgesehene Außenkontur (24) des Kühlrings aufweist und ein Wandungsausgangsmaterial (26) enthält, über den Wickelkopf an eine axiale Seitenwand eines Kerns des Aktivteils. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei die Herstellform eine Dichtung (28) zur Festlegung, insbesondere zur örtlichen Begrenzung, des Wandungsausgangsmaterials in der Nut aufweist und/oder die Herstellform derart geformt ist, dass das Wandungsausgangsmaterial, das zum Rotationsformen verwendet wird, nicht aus der Nut der Herstellform, und insbesondere in eine Statornut, fließt. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Herstellform ein Temperiersystem (29) aufweist, mit dem die Herstellform vor, während und/oder nach dem Rotationsformen temperiert werden kann. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Wandungsausgangsmaterial ein Thermoplast ist und in der Herstellform vor und/oder bei dem Rotationsformen erhitzt wird. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die an dem Aktivteil angebrachte Herstellform mit dem Aktivteil beim Rotationsformen nacheinander oder gleichzeitig um zwei oder mehr Rotationsachsen (A1 , A2) gedreht und/oder entlang wenigstens einer Raumachse geschüttelt wird.
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