WO2025036610A1 - Elektrische maschine mit einer ölkühlung - Google Patents

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Philipp Pichsenmeister
Herbert Steinwender
Andre MANNINGER
Philipp Schlachter
Vikram CHOUDHARY
Andreas Alferi-Lafer
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an electric machine with oil cooling, in particular as a drive motor in a motor vehicle.
  • Electric machines with oil cooling are known and can be used in motor vehicles, for example as a drive motor.
  • Such an electric machine can comprise a substantially cylindrical stator with a coil winding. At the axial ends of the stator, the coil winding can form a so-called winding head, which represents a large number of current-carrying conductors in a comparatively small volume.
  • Such a winding head of an electric machine is usually the hottest point of an electric machine due to the dense arrangement of the current conductors and is therefore usually cooled.
  • the cooling of the winding heads can also be designed separately from the stator cooling and thus include a separate cooling device for each winding head.
  • an electrical machine with oil cooling wherein the electrical machine comprises a stator, a stator housing and winding heads at the two axial ends of the stator, wherein the oil cooling is designed to cool the stator and the winding heads of the electrical machine, wherein the oil is guided axially centrally to the stator via a radial groove in the stator housing, runs along the stator on both sides via oil channels of the stator and at least one axial end of the stator the cross section of the oil channel is tapered by the stator housing so that the oil reaches a winding head via the cross section tapered by the housing.
  • a stator of an electrical machine is thus cooled via oil channels of the stator.
  • the oil reaches the oil channels via a groove in the stator housing, so that the oil can run along the stator in both directions from the outlet into the oil channels and cool it.
  • a tapered cross section is formed at at least one axial end of the stator and thus also of the oil channel.
  • the oil flow changes at this tapered cross section so that it is directed specifically to a winding head, preferably to the winding heads.
  • both the flow speed and the flow direction towards the winding head change at the tapered cross section.
  • the tapered cross section is formed directly through the stator housing and can therefore be manufactured very easily and inexpensively.
  • the tapered cross section is located thus between the stator housing on the one hand and the stator or the oil channel formed by the stator on the other.
  • the oil channels are preferably formed integrally through the stator.
  • the term "tapered” describes a narrowing, i.e. a reduction in the cross-section.
  • the reduction in the cross-section can be continuous, but does not have to be, and can therefore also and preferably be discontinuous, i.e. stepwise, preferably in the form of a shoulder, and can thus exclusively, or in addition to a continuous reduction in the cross-section, comprise one or more discontinuous reductions in the cross-section.
  • axially central for the supply of oil through the radial groove includes not only an oil supply arranged exactly in the middle, but also any supply to the stator located between the two axial ends, so that the oil reaches the axial ends of the stator via oil channels on both sides of the radial groove.
  • the axially central supply is located at least near the geometric center between the axial ends.
  • the cross-section of the oil channel is tapered by a tolerance compensation element at the other axial end of the stator, so that the oil reaches a winding head at the other axial end of the stator via the cross-section tapered by the tolerance compensation element.
  • the tolerance compensation element can be spring-loaded and/or spring-elastic.
  • the tolerance compensation element which extends from the stator housing to the stator, for example, and can cover part of the cross-section of an oil channel, a change in the length of the stator can be absorbed or compensated.
  • the cross-section of the oil channel is also tapered by the stator housing at the other, second axial end of the stator, so that the oil reaches a winding head at the other axial end of the stator via the cross-section tapered by the housing.
  • the oil channels have tapered cross-sections at both axial ends of the stator.
  • the two cross-sections are of different sizes so that different power losses of the two winding heads can be cooled by different and thus adapted oil flows.
  • the tapered cross-section of the oil channel can be designed in such a way that the flow direction of the oil is specifically changed at the tapered cross-section of the oil channel.
  • the oil flow can be specifically diverted to the winding head by appropriately shaping the taper.
  • the cross section of the oil channel is tapered at at least one axial end of the stator by a shoulder of the stator housing. At at least one axial end of the stator, the cross section of the oil channel can be tapered by a shoulder of the tolerance compensation element.
  • Fig. is a schematic partial representation of an electrical machine according to the invention with an oil cooling system.
  • the figure shows a part of an electrical machine according to the invention with an oil cooling system.
  • the electrical machine comprises a cylindrical stator 1 with coil windings in a stator housing 2 and winding heads 3 at the two axial ends of the stator 1.
  • An oil cooling system is designed to cool the stator 1 and the winding heads 3 of the electrical machine.
  • the oil flow of the oil cooling system is shown by arrows in the figure.
  • the oil is guided axially centrally to the stator 1 via a radial groove 4 in the stator housing 2.
  • the oil then runs along the stator 1 on both sides via oil channels 5 of the stator 1 and cools the stator.
  • At at least one axial end of the stator 1 - shown on the right in the figure - the cross section of the oil channel 5 is tapered by a shoulder of the stator housing 2, so that the oil reaches a winding head 3 (also on the right in the figure) via the cross section tapered by the stator housing 2.
  • the cross-section of the oil channel 5 is tapered by a tolerance compensation element 6, so that the oil flows through the cross-section tapered by the tolerance compensation element 6 to the Winding head 3 at the other axial end of the stator 1 (left in Fig.).
  • the cross section of the oil channel 5 is tapered by a shoulder of the tolerance compensation element 6.
  • the tolerance compensation element 6 rests against the stator 1 in a spring-loaded manner.
  • the tapered cross-section of the oil channel 5 is designed at both axial ends in such a way that the flow direction of the oil is specifically changed in the direction of the winding heads 3 at the tapered cross-sections of the oil channels 5.
  • Oil is thus supplied to the stator 1 as centrally as possible via a radial groove 4.
  • the distribution in the stator 1 to the left and right is carried out using integrated oil channels 5.
  • the channels can either be tapered in cross-section on one side by a housing geometry. This increases the flow speed of the oil.
  • the oil can be supplied specifically to the stator winding head 3 in order to cool it.
  • a tolerance compensation element 6 can optionally be used for this purpose according to the same principle.
  • the tolerance compensation element 6 compensates for the stator longitudinal tolerance by ensuring that the flow-relevant geometry rests securely on the stator 1 by means of a spring effect.
  • the oil channel 5 can be tapered in cross-section on both sides by a housing geometry, in particular to reduce costs if the stator longitudinal tolerance is reduced or a lower cooling performance is sufficient.
  • the geometry of the stator housing 2 and the geometry of the tolerance compensation element 6 can also be designed differently depending on the power losses of the two winding heads 3. For example, a winding head 3 with a phase connection can have a higher power loss.
  • a cost-effective option for oil stator cooling with integrated winding head cooling is thus provided.
  • the cooling can operate independently of tolerances, since both geometries can be applied to the stator 1.

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Abstract

Eine elektrische Maschine mit einer Ölkühlung, wobei die elektrische Maschine einen Stator (1) umfasst, ein Statorgehäuse (2) und Wickelköpfe (3) an den beiden axialen Enden des Stators (1), wobei die Ölkühlung dazu eingerichtet ist den Stator (1) und die Wickelköpfe (3) der elektrischen Maschine zu kühlen, wobei das Öl über eine radiale Nut (4) im Statorgehäuse (2) axial mittig zum Stator (1) geführt wird, beidseitig über Ölkanäle (5) des Stators (1) am Stator (1) entlangläuft und an zumindest einem axialen Ende des Stators (1) der Querschnitt des Ölkanals (5) durch das Statorgehäuse (2) verjüngt ist, so dass das Öl über den durch das Statorgehäuse (2) verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf (3) gelangt.

Description

Elektrische Maschine mit einer Ölkühlung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Ölkühlung, insbesondere als Antriebsmotor in einem Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
Elektrische Maschine mit einer Ölkühlung sind bekannt und können in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als Antriebsmotor, eingesetzt werden. Eine solche elektrische Maschine kann einen im Wesentlichen zylindrischen Stator mit einer Spulenwicklung umfassen. An axialen Enden des Stators kann die Spulenwicklung einen sogenannten Wickelkopf ausbilden, der eine hohe Anzahl von stromführenden Leitern in einem vergleichsweise kleinen Volumen darstellt. Ein solcher Wickelkopf einer elektrischen Maschine ist aufgrund der dichten Anordnung der Stromleiter meist der heißeste Punkt einer elektrischen Maschine und wird daher üblicherweise gekühlt.
Eine Kühlung eines Wickelkopfes kann beispielsweise durch thermische Anbindung des Wickelkopfes an das jeweilige Statorpaket zur Abgabe der auftretenden Verlustwärme und gegebenenfalls an dort vorgesehene Kühlvorrichtungen erfolgen.
Die Kühlung der Wickelköpfe kann von der Statorkühlung auch getrennt ausgebildet sein und somit eine eigene Kühlvorrichtung für einen Wickelkopf umfassen. Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einer Ölkühlung anzugeben, die kostengünstig hergestellt werden kann und dabei eine effiziente Kühlung von Stator und Wickelköpfen erlaubt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine elektrische Maschine mit einer Ölkühlung, wobei die elektrische Maschine einen Stator umfasst, ein Statorgehäuse und Wickelköpfe an den beiden axialen Enden des Stators, wobei die Ölkühlung dazu eingerichtet ist, den Stator und die Wickelköpfe der elektrischen Maschine zu kühlen, wobei das Öl über eine radiale Nut im Statorgehäuse axial mittig zum Stator geführt wird, beidseitig über Ölkanäle des Stators am Stator entlangläuft und an zumindest einem axialen Ende des Stators der Querschnitt des Ölkanals durch das Statorgehäuse verjüngt ist, so dass das Öl über den durch das Gehäuse verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf gelangt.
Erfindungsgemäß wird somit ein Stator einer elektrischen Maschine über Ölkanäle des Stators gekühlt. Das Öl gelangt über eine Nut im Statorgehäuse zu den Ölkanälen, so dass das Öl vom Austritt in die Ölkanäle weg in beide Richtungen den Stator entlanglaufen und diesen kühlen kann. An zumindest einem axialen Ende des Stators und somit auch des Ölkanals, ist ein verjüngter Querschnitt ausgebildet. An diesem verjüngten Querschnitt erfolgt eine Änderung des Ölstroms, so dass dieser gezielt zu einem Wickelkopf, bevorzugt zu den Wickelköpfen, geleitet wird. Vorzugsweise erfolgt am verjüngten Querschnitt sowohl eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit als auch eine Änderung der Strömungsrichtung, zu dem Wickelkopf hin. Der verjüngte Querschnitt wird einerseits direkt durch das Statorgehäuse ausgebildet und kann somit sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden. Der verjüngte Querschnitt befindet sich somit zwischen zwischen einerseits dem Statorgehäuse und andererseits Stator bzw. dem vom Stator ausgebildeten Ölkanal. Die Ölkanäle sind bevorzugt einstückig durch den Stator ausgebildet.
Der Ausdruck „verjüngt“ beschreibt eine Verengung, also eine Reduzierung des Querschnitts. Die Reduzierung des Querschnitts kann zwar kontinuierlich erfolgen, muss jedoch nicht und kann somit auch und bevorzugt unstetig, also stufenweise, bevorzugt in Form einer Schulter erfolgen und kann somit ausschließlich, oder zusätzlich zu einer kontinuierlichen Reduzierung des Querschnitts, ein oder mehrere unstetige Reduzierungen des Querschnitts umfassen.
Der Ausdruck „axial mittig“ für die Zuführung des Öls durch die radiale Nut umfasst nicht nur eine genau mittig angeordnete Zuführung des Öls, sondern jede zwischen den beiden axialen Enden liegende Zuführung zum Stator, so dass das Öl beidseits der radialen Nut über Ölkanäle zu den axialen Enden des Stators gelangt. Bevorzugt befindet sich die axial mittige Zuführung zumindest in der Nähe der geometrischen Mitte zwischen den axialen Enden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Vorzugsweise ist am anderen axialen Ende des Stators der Querschnitt des Ölkanals durch ein Toleranzausgleichselement verjüngt, so dass das Öl über den durch das Toleranzausgleichselement verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf am anderen axialen Ende des Stators gelangt. Das Toleranzausgleichselement kann federbelastet am Stator anliegen und/oder federelastisch ausgebildet sein. Durch das Toleranzausgleichselement, dass sich beispielsweise vom Statorgehäuse zum Stator hin erstrecken kann und dabei einen Teil des Querschnitts eines Ölkanals bedecken kann, kann eine Längenänderung des Stators aufgenommen bzw. ausgeglichen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist auch am anderen, zweiten axialen Ende des Stators der Querschnitt des Ölkanals durch das Statorgehäuse verjüngt, so dass das Öl über den durch das Gehäuse verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf am anderen axialen Ende des Stators gelangt.
Bevorzugt weisen an beiden axialen Enden des Stators die Ölkanäle verjüngte Querschnitte auf. Besonders bevorzugt sind die beiden Querschnitte unterschiedlich groß, so dass unterschiedlich große Verlustleistungen der beiden Wickelköpfe durch unterschiedliche und somit angepasste Ölströmungen gekühlt werden können.
Der verjüngte Querschnitt des Ölkanals kann so ausgebildet sein, dass an dem verjüngten Querschnitt des Ölkanals die Strömungsrichtung des Öls gezielt geändert wird. Der Ölstrom kann durch eine geeignete Ausformung der Verjüngung gezielt zu dem Wickelkopf umgelenkt werden.
Bevorzugt ist der Querschnitt des Ölkanals an zumindest einem axialen Ende des Stators durch eine Schulter des Statorgehäuses verjüngt. An zumindest einem axialen Ende des Stators kann der Querschnitt des Ölkanals durch eine Schulter des Toleranzausgleichselements verjüngt sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Fig. ist eine schematische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer Ölkühlung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In der Fig. ist ein Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer Ölkühlung dargestellt.
Die elektrische Maschine umfasst einen zylindrischen Stator 1 mit Spulenwicklungen in einem Statorgehäuse 2 und Wickelköpfe 3 an den beiden axialen Enden des Stators 1.
Eine Ölkühlung ist dazu eingerichtet, den Stator 1 und die Wickelköpfe 3 der elektrischen Maschine zu kühlen. Der Ölfluss der Ölkühlung ist in der Fig. durch Pfeile dargestellt.
Das Öl wird über eine radiale Nut 4 im Statorgehäuse 2 axial mittig zum Stator 1 geführt. Das Öl läuft dann beidseitig über Ölkanäle 5 des Stators 1 am Stator 1 entlang und kühlt den Stator.
An zumindest einem axialen Ende des Stators 1 - in der Fig. rechts dargestellt - ist der Querschnitt des Ölkanals 5 durch eine Schulter des Statorgehäuses 2 verjüngt, so dass das Öl über den durch das Statorgehäuse 2 verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf 3 (ebenfalls rechts in Fig.) gelangt.
Am anderen axialen Ende des Stators 1 ist der Querschnitt des Ölkanals 5 durch ein Toleranzausgleichselement 6 verjüngt, so dass das Öl über den durch das Toleranzausgleichselement 6 verjüngten Querschnitt zu dem Wickelkopf 3 am anderen axialen Ende des Stators 1 (links in Fig.) gelangt. Der Querschnitt des Ölkanals 5 wird durch eine Schulter des Toleranzausgleichselements 6 verjüngt. Das Toleranzausgleichselement 6 liegt federbelastet am Stator 1 an.
Der verjüngte Querschnitt des Ölkanals 5 ist an beiden axialen Enden so ausgebildet, dass an den verjüngten Querschnitten der Ölkanäle 5 die Strömungsrichtung des Öls jeweils gezielt in Richtung zu den Wickelköpfen 3 geändert wird.
Es wird somit Öl dem Stator 1 möglichst mittig über eine radial verlaufende Nut 4 zugeführt. Die Verteilung im Stator 1 nach links und rechts erfolgt mit integrierten Ölkanälen 5. Die Kanäle können entweder auf der einen Seite durch eine Gehäuse-Geometrie im Querschnitt verjüngt sein. Dadurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Öls. Durch eine angepasste Formgebung der Geometrie kann das Öl gezielt dem Stator- Wickelkopf 3 zugeführt werden, um diesen dadurch zu kühlen.
Auf der anderen Seite kann nach dem gleichen Prinzip optional ein Toleranzausgleichselement 6 dafür genutzt werden. Das Toleranzausgleichselement 6 übernimmt dabei den Ausgleich der Stator- Längstoleranz, indem die strömungsrelevante Geometrie mittels Federwirkung sicher am Stator 1 anliegt.
Alternativ kann auf beiden Seiten der Ölkanal 5 durch eine Gehäuse- Geometrie im Querschnitt verjüngt werden, insbesondere zur Kostenreduzierung, wenn die Stator- Längstoleranz verkleinert wird oder eine geringere Kühlperformance ausreichend ist. Die Geometrie des Statorgehäuses 2 und die Geometrie des Toleranzausgleichselements 6 können auch entsprechend den Verlustleistungen der beiden Wickelköpfe 3 unterschiedlich ausgeführt werden. So kann zum Beispiel ein Wickelkopf 3 mit Phasenanschluss eine höhere Verlustleis- tung aufweisen.
Erfindungsgemäß wird somit eine kostengünstige Möglichkeit einer Öl- Statorkühlung mit integrierter Wickelkopfkühlung angegeben. Die Kühlung kann toleranzunabhängig arbeiten, da beide Geometrien am Stator 1 anliegen können.
Bezugszeichenliste
Stator
Statorgehäuse
Wickelkopf radiale Nut
Ölkanal
Toleranzausgleichselement

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine mit einer Ölkühlung, wobei die elektrische Maschine einen Stator (1) umfasst, ein Statorgehäuse (2) und Wickelköpfe (3) an den beiden axialen Enden des Stators (1), wobei die Ölkühlung dazu eingerichtet ist den Stator (1) und die Wickelköpfe (3) der elektrischen Maschine zu kühlen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Öl über eine radiale Nut (4) im Statorgehäuse (2) axial mittig zum Stator (1) geführt wird, beidseitig über Ölkanäle (5) des Stators (1) am Stator (1) entlangläuft und an zumindest einem axialen Ende des Stators (1) der Querschnitt des Ölkanals (5) durch das Statorgehäuse (2) verjüngt ist, so dass das Öl über den durch das Statorgehäuse (2) verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf (3) gelangt.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass am anderen axialen Ende des Stators (1) der Querschnitt des Ölkanals (5) durch ein Toleranzausgleichselement (6) verjüngt ist, so dass das Öl über den durch das Toleranzausgleichselement (6) verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf (3) am anderen axialen Ende des Stators (1) gelangt.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Toleranzausgleichselement (6) federbelastet am Stator (1) anliegt und/oder federelastisch ausgebildet ist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auch am anderen axialen Ende des Stators (1) der Querschnitt des Ölkanals (5) durch das Statorgehäuse (2) verjüngt ist, so dass das Öl über den durch das Statorgehäuse (2) verjüngten Querschnitt zu einem Wickelkopf (3) am anderen axialen Ende des Stators (1) gelangt.
5. Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an beiden axialen Enden des Stators (1) die Ölkanäle (5) verjüngte Querschnitte aufweisen, wobei die beiden Querschnitte unterschiedlich groß sind.
6. Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der verjüngte Querschnitt des Ölkanals (5) so ausgebildet ist, dass an dem verjüngten Querschnitt des Ölkanals (5) die Strömungsrichtung des Öls gezielt geändert wird.
7. Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an zumindest einem axialen Ende des Stators (1) der Querschnitt des Ölkanals (5) durch eine Schulter des Statorgehäuses (2) verjüngt ist und/oder dass an zumindest einem axialen Ende des Stators (1) der Querschnitt des Ölkanals (5) durch eine Schulter des Toleranzausgleichselements (6) verjüngt ist.
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