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WO2018153598A1 - Elektrische maschine für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Elektrische maschine für ein kraftfahrzeug Download PDF

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Publication number
WO2018153598A1
WO2018153598A1 PCT/EP2018/051625 EP2018051625W WO2018153598A1 WO 2018153598 A1 WO2018153598 A1 WO 2018153598A1 EP 2018051625 W EP2018051625 W EP 2018051625W WO 2018153598 A1 WO2018153598 A1 WO 2018153598A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
rotor
stator
coolant
cooling circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/051625
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Erlebach
Markus PANHUBER
Christoph Öberseder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Magna Powertrain GmbH and Co KG
Original Assignee
Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magna Powertrain GmbH and Co KG filed Critical Magna Powertrain GmbH and Co KG
Publication of WO2018153598A1 publication Critical patent/WO2018153598A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/193—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil with provision for replenishing the cooling medium; with means for preventing leakage of the cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • 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 present invention relates to an electric machine for a motor vehicle comprising a housing, a stator, wherein the stator is cooled by a stator cooling circuit, wherein the stator cooling circuit is connected to an external cooling circuit, and a rotor, wherein the rotor is cooled via a rotor cooling circuit, wherein the rotor cooling circuit is an internal, closed cooling circuit.
  • asynchronous machines such as synchronous machines
  • a cooling device is generally provided in electrical machines, which cools the stator and / or the rotor of the electric machine.
  • Numerous measures for cooling electrical machines are known from the prior art.
  • the most common types of cooling are air cooling and liquid cooling.
  • cooling channels associated with the cooling are connected to an external cooling circuit, such as, for example, the cooling circuit of a water-cooled internal combustion engine.
  • the document DE 43 15 280 A1 describes, for example, an electric machine with an external rotor, which is rotatably mounted on a stand.
  • the stator In the interior of the stator, namely radially below the stator lamination stack, at least one cooling jacket through which cooling fluid flows is arranged.
  • the stator has at least one cooling channel through which a circulating internal cooling medium, preferably air, flows.
  • a cooling jacket for the cooling liquid and at least one cooling channel for the cooling air are shown.
  • the document US 2014/0368064 A1 discloses a cooling system for an electric motor with at least one heat pipe in a hollow region of the rotor shaft of the electric motor. One end of the heat pipe extends beyond one end of the rotor shaft and is coupled to a heat exchanger, for example to a heat sink whose fins are designed as fan blades.
  • an electrical machine for a motor vehicle comprising a housing, a stator, wherein the stator can be cooled by a stator cooling circuit, wherein the stator cooling circuit is connected to an external cooling circuit and has a cooling jacket, which is arranged on the stator, and a rotor, wherein the rotor is cooled via a rotor cooling circuit, wherein the rotor cooling circuit is an internal, closed cooling circuit having a heat exchanger, wherein the heat exchanger is formed by the cooling jacket of the stator cooling circuit.
  • the electric machine comprises a housing, a stator and a rotor.
  • the stator is cooled via a stator cooling circuit and the rotor via a rotor cooling circuit. That is, the stator cooling circuit is used, if necessary, the cooling of the stator of the electric machine and the rotor cooling circuit is used, if necessary, the cooling of the rotor of the electric machine.
  • the stator cooling circuit according to the invention is connected to an external cooling circuit and has a cooling jacket, which is arranged on the stator.
  • the external cooling circuit can be, for example, the cooling circuit of a water-cooled internal combustion engine.
  • the external cooling circuit may also serve to cool other vehicle components, such as an inverter.
  • the external cooling circuit uses a cooling device for cooling a coolant.
  • This cooling device can be designed, for example, as a heat exchanger, a liquid circuit or an air cooling system.
  • a coolant is to be understood as meaning any coolant known to the person skilled in the art which can be used for cooling electrical machines.
  • the rotor cooling circuit according to the invention is an internal, closed cooling circuit which has a heat exchanger.
  • the term "internal, closed cooling circuit” is to be understood in particular as meaning a cooling circuit which is not connected to an external cooling circuit and which is not connected to another cooling circuit, here the
  • Stator cooling circuit is coupled. Both the stator cooling circuit and the rotor cooling circuit are to be understood as integral components of the electrical machine.
  • the heat exchanger of the rotor cooling circuit is formed by the cooling jacket of the stator cooling circuit.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that the electric machine can be represented with respect to efficient cooling of the stator as well as the rotor with minimal component and thus cost.
  • the cooling jacket of Statorkühlniklaufs as a heat exchanger for the rotor cooling circuit can generate a synergy effect that allows generating a component and cost-optimized design of the electric machine and continue to provide a needs-based cooling of the stator and the rotor safely.
  • the interfaces with an external cooling circuit are minimized and thus the risk of undesired contamination of the coolant within the cooling circuits is reduced, whereby a reliable operation of the electrical machine can be ensured.
  • the electric machine is designed in an inner rotor design with a radially outer stator, wherein the cooling jacket surrounding the stator at least partially, preferably over a range of 180 ° to 300 °, the outer circumference.
  • the rotor is therefore circumferentially surrounded by the stator from radially inward to radially outward
  • the cooling jacket of the stator cooling circuit is embodied on the outside of the stator and the housing of the electrical machine in turn surrounds the cooling jacket of the stator on the outside.
  • the rotor cooling circuit has a first cooling channel for guiding a coolant through the rotor with at least one first coolant inlet and at least one first coolant outlet.
  • the rotor cooling circuit preferably has a second cooling channel for guiding the coolant along the heat exchanger, namely the cooling jacket of the stator cooling circuit, the rotor cooling circuit with at least one second coolant inlet and at least one second coolant outlet.
  • the second coolant outlet of the second cooling channel via a first coolant line to the first coolant inlet of the first cooling channel and the first coolant outlet of the first cooling channel via a second coolant line to the second coolant inlet of the second cooling channel fluidly connected.
  • the first cooling channel is formed in a rotor shaft of the rotor and extends at least partially substantially axially through the rotor shaft.
  • axial describes a direction along or parallel to an axis of rotation of the rotor shaft of the rotor
  • radial describes a direction normal to the axis of rotation of the rotor shaft of the rotor.
  • the first coolant outlet preferably has a greater radial distance to the axis of rotation of the rotor shaft of the rotor than the first coolant inlet.
  • the arrangement of the first coolant outlet at a greater radial distance from the axis of rotation than the first coolant inlet establishes a speed-dependent pressure difference and thus a speed-dependent mass flow in the first cooling channel and the second cooling channel.
  • the cooling channels can be designed in all components of the rotor. The shape and size of the cooling channels depends on the required mass flow and the dissipated Heat output.
  • the pressure difference between the first coolant inlet and the first coolant outlet can be determined by the relationship ⁇ * ⁇ 2 . ⁇ . ( ⁇ £ - rj) where «the angular velocity of the rotor, p the density of the coolant used for cooling and% and r A denote the respective radial position of the first coolant inlet and the first coolant outlet.
  • the second cooling channel is formed in the housing of the electric machine.
  • a spiral-shaped collecting geometry is arranged on or in the housing of the electric machine in the region of the first coolant outlet.
  • the spiral collecting geometry converts the kinetic energy of the refrigerant flowing out of the coolant outlet into a pressure increase at the end of the spiral and thus increases the mass flow rate of the closed rotor cooling circuit with the same energy expenditure. Furthermore, a conversion of the rotational energy of the coolant, impressed by the rotation of the rotor shaft of the rotor, takes place in a translatory movement.
  • Fig. 1 is a sectional view of an electrical according to the invention
  • FIG. 2 shows a first perspective view of an electrical machine according to the invention
  • FIG. 3 shows a second perspective view of an electric machine according to the invention
  • FIG. 4 shows a third perspective view of an electrical machine according to the invention
  • Fig. 5 shows a first perspective view of a spiral
  • Fig. 6 shows a second perspective view of a spiral collecting geometry.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an exemplary electrical machine 1 according to the invention.
  • the electric machine 1 has a housing 2, a stator 3 and a rotor 4.
  • the stator 3 and the rotor 5 of the electric machine 1 are arranged substantially in the housing 2 of the electric machine 1.
  • the electric machine 1 is designed in internal rotor construction, i. the stator 3 surrounds the rotor 5 on the outside.
  • the electric machine 1 can be operated both as an electric motor and as a generator. However, the features of the cooling of the electric machine 1 described in this document can also be used in differently constructed electrical machines.
  • stator 3 and a rotor 5 Since the structure and function of a stator 3 and a rotor 5 is well known to those skilled in the art, a detailed description of the structure of these components of the electric machine 1 is omitted.
  • the stator 3 of the electric machine 1 can be cooled via a stator cooling circuit.
  • the rotor 5 of the electric machine 1 can be cooled via a rotor cooling circuit.
  • the stator cooling circuit is connected to an external cooling circuit (not shown), which supplies the stator cooling circuit with a cooled coolant.
  • the stator cooling circuit has a cooling jacket 4.
  • the cooling jacket 4 is arranged on the outside of the stator 3, between the stator 3 and the housing 2, and serves primarily to cool the stator 3 of the electric machine 1.
  • the cooling jacket 4 has a plurality of coolant-carrying channels 18. These Kül hl middle leading channels 18 are supplied via the external cooling circuit with coolant.
  • the cooling of the stator 3 takes place via the inside 19 of the cooling jacket 4 of the stator cooling circuit.
  • the rotor cooling circuit is an internal, closed cooling circuit that is filled with a coolant.
  • the coolant of the rotor cooling circuit is not materially coupled with the coolant of the stator cooling circuit.
  • the rotor cooling circuit comprises a first cooling channel 7, a second cooling channel 8, a first coolant line 13, a second coolant line 14 and a heat exchanger 6 (FIGS. 1, 2, 3, 4).
  • the heat exchanger 6 of the rotor cooling circuit is formed by the cooling jacket 4 of the stator cooling circuit.
  • the first cooling channel 7 of the rotor cooling circuit is formed in a rotor shaft 15 of the rotor 5 and, visible in FIG. 1, has a first coolant inlet 9, a first coolant outlet 11 and a further first coolant outlet 11 '.
  • the first coolant outlet 11 and the further first coolant outlet 11 ' have a greater radial distance from a rotation axis 16 of the rotor shaft 15 of the rotor 5 than the first coolant inlet 9.
  • the first coolant inlet 9 is designed centrically to the axis of rotation 16 of the rotor shaft 15.
  • the first coolant inlet 9 of the first cooling channel 7 extends substantially in the axial direction partially through the rotor shaft 15 of the rotor 5.
  • the first cooling channel 7 reverses in the axial direction and the coolant leaves via the two first coolant outflows 1 1, 1 1 'the rotor shaft 15 at the same shaft end 21, where it enters the rotor shaft 15 via the first coolant inlet 9.
  • the first cooling channel 7 can after the reversal point 20 by on a peripheral surface of the rotor shaft 15 substantially axially extending grooves which are sealed to a laminated core 23 of the rotor 5 through a sleeve 22 may be formed (FIG.
  • first cooling channel 7 extends completely through the rotor shaft 15 and has a coolant outlet 11, 11 'at both distal shaft ends is also conceivable.
  • axial describes a direction along or parallel to the axis of rotation 16 of the rotor shaft 15.
  • the second cooling channel 8 of the rotor cooling circuit is formed overall in the housing 2 of the electric machine 1 and, in the embodiment shown in FIG. 1, is divided into three mutually parallel channels, which are in fluid communication with one another.
  • the second cooling channel 8 has a second coolant inlet 10 and a second coolant outlet 12.
  • the first cooling channel 7 is fluidly connected to the second cooling channel 8 via a first coolant line 13 and second via a second coolant line 14 - the second coolant outlet 12 of the second cooling channel 8 is connected to the first coolant inlet 9 of the first via the first coolant line 13 Cooling channel 7 and the first coolant outlet 1 1 of the first cooling channel 7 via a second coolant line 14 to the second coolant inlet 10 of the second cooling channel 8 fluidly connected.
  • the two coolant lines 13, 14 extend in the housing 2 of the electric machine 1.
  • the coolant is conveyed via the first coolant line 13 from the first cooling channel 7 into the second cooling channel 8 within the housing 2 and guided there inside the housing 2 around the cooling jacket 4 of the stator cooling circuit of the stator 3 and cooled.
  • the temperature of the coolant within the stator cooling circuit of the stator 3 is below the temperature level of the coolant within the rotor cooling circuit of the rotor 5. Due to the temperature difference of the two coolant, namely the coolant within the stator cooling circuit and the coolant within the rotor cooling circuit, the cooling jacket 4 functions as 6.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Elektrische Maschine (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Gehäuse (2), einen Stator (3), wobei der Stator (3) über einen Statorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Statorkühlkreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist und einen Kühlmantel (4) aufweist, der am Stator (3) angeordnet ist, und einen Rotor (5), wobei der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Rotorkühlkreislauf ein interner, geschlossener Kühlkreislauf ist, der einen Wärmetauscher (6) aufweist, wobei der Wärmetauscher (6) durch den Kühlmantel (4) des Statorkühlkreislaufs ausgebildet ist.

Description

Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Gehäuse, einen Stator, wobei der Stator über einen Statorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Statorkühlkreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist, und einen Rotor, wobei der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Rotorkühlkreislauf ein interner, geschlossener Kühlkreislauf ist.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, Asynchronmaschinen wie Synchronmaschinen, erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme - elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beein- flusst. Deshalb ist in elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die den Stator und/oder den Rotor der elektrischen Maschine kühlt. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Maßnahmen zum Kühlen von elektrischen Maschinen bekannt. Die gängigsten Arten der Kühlung sind jedoch die Luftkühlung und die Flüssigkeitskühlung. In der Regel werden dabei der Kühlung zugeordnete Kühlkanäle an einen externen Kühlkreislauf, wie beispielsweise den Kühlkreislauf eines wassergekühlten Verbrennungsmotors, angeschlossen. Das Dokument DE 43 15 280 A1 beschreibt beispielsweise eine elektrische Maschine mit einem Außenläufer, der auf einem Ständer drehbar gelagert ist. Im Inneren des Ständers, nämlich radial unterhalb des Ständerblechpakets ist wenigstens ein von Kühlflüssigkeit durchströmter Kühlmantel angeordnet. Radial weiter innen weist der Ständer wenigstens einen Kühlkanal auf, der von einem zirkulierenden Innenkühlmedium, vorzugsweise Luft durchströmt ist. Es werden somit wenigstens ein Kühlmantel für die Kühlflüssigkeit und wenigstens ein Kühlkanal für die Kühlluft dargestellt. Das Schriftstück US 2014/0368064 A1 offenbart ein Kühlsystem für einen Elektromotor mit zumindest einem Wärmerohr in einem hohlen Bereich der Rotorwelle des Elektromotors. Ein Ende des Wärmerohrs erstreckt sich über ein Ende der Rotorwelle hinaus und ist an einen Wärmetauscher gekoppelt, beispielsweise an eine Wärmesenke, deren Rippen als Lüfterflügel ausgebildet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine mit einer alternativen, bedarfsgerechten Kühlung anzugeben, die sich durch einen bauteiloptimierten und somit kostenreduzierten Aufbau auszeichnet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Gehäuse, einen Stator, wobei der Stator über einen Stator- kühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Statorkühlkreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist und einen Kühlmantel aufweist, der am Stator angeordnet ist, und einen Rotor, wobei der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Rotorkühlkreislauf ein interner, geschlossener Kühlkreislauf ist, der einen Wärmetauscher aufweist, wobei der Wärmetauscher durch den Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs ausgebildet ist. Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Maschine ein Gehäuse, einen Stator sowie einen Rotor. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist der Stator über einen Statorkühlkreislauf und der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar. D.h. der Statorkühlkreislauf dient bei Bedarf der Kühlung des Stators der elektrischen Maschine und der Rotorkühlkreislauf dient bei Bedarf der Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine.
Der Statorkühlkreislauf ist erfindungsgemäß an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen und weist einen Kühlmantel auf, der am Stator angeordnet ist. Der externe Kühlkreislauf kann beispielsweise der Kühlkreislauf eines wassergekühlten Verbrennungsmotors sein. Der externe Kühlkreislauf kann auch der Kühlung wei- terer Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise einem Inverter, dienen. Der externe Kühlkreislauf bedient sich dabei einer Kühleinrichtung zur Kühlung eines Kühlmittels. Diese Kühleinrichtung kann beispielsweise als ein Wärmetauscher, ein Flüssigkeitskreislauf oder eine Luftkühlung ausgebildet sein. Unter einem Kühlmittel ist jedes dem Fachmann bekannte Kühlmittel, das zur Kühlung von elektrischen Maschinen verwendet werden kann, zu verstehen.
Bei dem Rotorkühlkreislauf handelt es sich erfindungsgemäß um einen internen, geschlossenen Kühlkreislauf, der einen Wärmetauscher aufweist. Unter der Be- grifflichkeit„interner, geschlossener Kühlkreislauf" soll dabei insbesondere ein Kühlkreislauf verstanden werden, der nicht mit einem externen Kühlkreislauf verbunden ist und der stofflich nicht mit einem anderen Kühlkreislauf, hier dem
Statorkühlkreislauf, gekoppelt ist. Sowohl der Statorkühlkreislauf, wie auch der Rotorkühlkreislauf sind als integrale Bestandteile der elektrischen Maschine zu verstehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Wärmetauscher des Rotorkühlkreis- laufs durch den Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs ausgebildet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die elektrische Maschine in Bezug auf eine effiziente Kühlung des Stators wie auch des Rotors unter minimalem Bauteil und somit Kostenaufwand dargestellt werden kann. Im Besonderen durch die Nutzung des Kühlmantels des Statorkühlkreislaufs als Wärmetauscher für den Rotorkühlkreislauf lässt sich eine Synergieeffekt generieren, der es ermöglicht einen bauteil- sowie kostenoptimierten Aufbau der elektrischen Maschine zu generieren und weiterhin eine bedarfsgerechte Kühlung des Stators sowie des Rotors sicher zu stellen. Zudem werden die Schnittstellen zu ei- nem externen Kühlkreislauf minimiert und somit die Gefahr einer ungewollten Verunreinigung des Kühlmittels innerhalb der Kühlkreisläufe reduziert, wodurch ein zuverlässiger Betrieb der elektrischen Maschine gewährleistet werden kann.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschrei- bung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Bevorzugt ist die elektrische Maschine in Innenläuferbauweise mit radial außen liegendem Stator ausgeführt, wobei der Kühlmantel den Stator zumindest teilweise, bevorzugt über einen Bereich von 180° bis 300°, außenumfänglich umgibt. Bei einem derartigen Aufbau ist folglich von radial innen nach radial außen betrachtet der Rotor außenumfänglich von dem Stator umgeben, der Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs ist außenumfänglich an dem Stator ausgeführt und das Gehäuse der elektrischen Maschine umgibt wiederum den Kühlmantel des Stators außenumfänglich. ln einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist der Rotorkühlkreislauf einen ersten Kühlkanal zur Führung eines Kühlmittels durch den Rotor mit zumindest einem ersten Kühlmitteleinlass und zumindest einem ersten Kühlmittelauslass auf. Weiterhin weist der Rotorkühlkreis- lauf bevorzugt einen zweiten Kühlkanal zur Führung des Kühlmittels entlang des Wärmetauschers, nämlich dem Kühlmantel des Statorkühlkreislaufs, des Rotorkühlkreislaufs mit zumindest einem zweiten Kühlmitteleinlass und zumindest einem zweiten Kühlmittelauslass auf. Vorzugsweise ist der zweite Kühlmittelauslass des zweiten Kühlkanals über eine erste Kühlmittelleitung mit dem ersten Kühlmit- teleinlass des ersten Kühlkanals und der erste Kühlmittelauslass des ersten Kühlkanals über eine zweite Kühlmittelleitung mit dem zweiten Kühlmitteleinlass des zweiten Kühlkanals fluidverbunden.
Bevorzugt ist der erste Kühlkanal in einer Rotorwelle des Rotors ausgebildet und erstreckt sich zumindest teilweise im Wesentlichen axial durch die Rotorwelle.
Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer Drehachse der Rotorwelle des Rotors. Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse der Rotorwelle des Rotors.
Der erste Kühlmittelauslass weist vorzugsweise einen größeren radialen Abstand zu der Drehachse der Rotorwelle des Rotors auf als der erste Kühlmitteleinlass. Durch die Anordnung des ersten Kühlmittelauslasses in größerem radialen Abstand zur der Drehachse als der erste Kühlmitteleinlass stellt sich eine drehzahlabhängige Druckdifferenz und damit ein drehzahlabhängiger Massenstrom in dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal ein. Die Kühlkanäle können in allen Komponenten des Rotors ausgeführt sein. Die Form und die Größe der Kühlka- näle richtet sich nach dem erforderlichen Massenstrom und der abzuführenden Wärmeleistung. Die Druckdifferenz zwischen dem ersten Kühlmitteleinlass und dem ersten Kühlmittelauslass kann anhand des Zusammenhangs ύφ * ω2. ρ. (ι£ - rj) abgeschätzt werden, wobei « die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, p die Dichte des zur Kühlung verwendeten Kühlmittels und % und rA die jeweilige radiale Position des ersten Kühlmitteleinlasses und des ersten Kühlmittelauslasses bezeichnen.
Bevorzugt ist der zweite Kühlkanal in dem Gehäuse der elektrischen Maschine ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist an oder in dem Gehäuse der elektrischen Maschine im Bereich des ersten Kühlmittelauslasses eine spiralförmige Auffanggeometrie angeordnet. Die spiralförmige Auffanggeometrie wandelt die kinetische Energie des aus dem Kühlmittelauslasses ausströmenden Kühlmittels in einen Druckanstieg am Ende der Spirale um und erhöht somit den Massendurchsatz des geschlossenen Rotorkühl- kreislaufes bei gleichbleibendem Energieaufwand. Weiterhin erfolgt eine Umwandlung der Rotationsenergie des Kühlmittels, aufgeprägt durch die Rotation der Rotorwelle des Rotors, in eine translatorische Bewegung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine,
Fig. 2 zeigt eine erste perspektivische Ansicht einer erfindungsge- mäßen elektrischen Maschine,
Fig. 3 zeigt eine zweite perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, Fig. 4 zeigt eine dritte perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
Fig. 5 zeigt eine erste perspektivische Ansicht einer spiralförmigen
Auffanggeometrie,
Fig. 6 zeigt eine zweite perspektivische Ansicht einer spiralförmigen Auffanggeometrie.
Detai liierte Beschreibung der Erfindung
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer beispielhaften, erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 dargestellt.
Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 2, einen Stator 3 sowie einen Rotor 4 auf. Der Stator 3 sowie der Rotor 5 der elektrischen Maschine 1 sind im Wesentlichen in dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 angeordnet. Die elektrische Maschine 1 ist in Innenläuferbauweise ausgeführt, d.h. der Stator 3 umgibt den Rotor 5 außenumfänglich. Die elektrische Maschine 1 kann sowohl als Elektromotor wie auch als Generator betrieben werden. Die in diesem Dokument beschriebenen Besonderheiten der Kühlung der elektrischen Maschine 1 können jedoch auch bei anders aufgebauten elektrischen Maschinen eingesetzt werden.
Da der Aufbau und die Funktion eines Stators 3 und eines Rotors 5 dem Fachmann hinlänglich bekannt ist, wird auf eine eingehende Beschreibung des Aufbaus dieser Komponenten der elektrischen Maschine 1 verzichtet. Der Stator 3 der elektrischen Maschine 1 ist über einen Statorkühlkreislauf kühlbar. Der Rotor 5 der elektrischen Maschine 1 ist über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar.
Der Statorkühlkreislauf ist an einen externen Kühlkreislauf (nicht dargestellt) ange- schlössen, die den Statorkühlkreislauf mit einem gekühlten Kühlmittel versorgt. Der Statorkühlkreislauf weist einen Kühlmantel 4 auf. Der Kühlmantel 4 ist außenumfänglich an dem Stator 3, zwischen dem Stator 3 und dem Gehäuse 2, angeordnet und dient in erster Linie der Kühlung des Stators 3 der elektrischen Maschine 1 . Der Kühlmantel 4 weist mehrere kühlmittelführende Kanäle 18 auf. Diese kü hl mittelführenden Kanäle 18 werden über den externen Kühlkreislauf mit Kühlmittel versorgt. Die Kühlung des Stators 3 erfolgt über die Innenseite 19 des Kühlmantels 4 des Statorkühlkreislaufs. Der Rotorkühlkreislauf ist ein interner, geschlossener Kühlkreislauf, der mit einem Kühlmittel gefüllt ist. Das Kühlmittel des Rotorkühlkreislaufs ist stofflich nicht mit dem Kühlmittel des Statorkühlkreislaufs gekoppelt. Der Rotorkühlkreislauf umfasst einen ersten Kühlkanal 7, einen zweiten Kühlkanal 8, eine erste Kühlmittelleitung 13, eine zweite Kühlmittelleitung 14 sowie einen Wärmetauscher 6 (Fig. 1 , Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4). Der Wärmetauscher 6 des Rotorkühlkreislaufs ist durch den Kühlmantel 4 des Statorkühlkreislaufs ausgebildet.
Der erste Kühlkanal 7 des Rotorkühlkreislaufs ist in einer Rotorwelle 15 des Rotors 5 ausgebildet und weist, in Fig. 1 sichtbar, einen ersten Kühlmitteleinlass 9, einen ersten Kühlmittelauslass 1 1 und einen weiteren ersten Kühlmittelauslass 1 1 ' auf. Der erste Kühlmittelauslass 1 1 und der weitere erste Kühlmittelauslass 1 1 ' weisen einen größeren radialen Abstand zu einer Drehachse 16 der Rotorwelle 15 des Rotors 5 auf als der erste Kühlmitteleinlass 9. Der erste Kühlmitteleinlass 9 ist zentrisch zu der Drehachse 16 der Rotorwelle 15 ausgeführt.
Der erste Kühlmitteleinlass 9 des ersten Kühlkanals 7 erstreckt sich im Wesentlichen in axialer Richtung teilweise durch die Rotorwelle 15 des Rotors 5. An einem Umkehrpunkt 20 vollzieht der erste Kühlkanal 7 eine Umkehrung in axialer Richtung und das Kühlmittel verlässt über die beiden ersten Kühlmittelabflüsse 1 1 , 1 1 ' die Rotorwelle 15 an demselben Wellenende 21 , an dem es in die Rotorwelle 15 über den ersten Kühlmitteleinlass 9 eintritt. Der erste Kühlkanal 7 kann nach dem Umkehrpunkt 20 durch an einer Umfangsfläche der Rotorwelle 15 im Wesentlichen axial verlaufende Nuten, die zu einem Blechpaket 23 des Rotors 5 hin durch eine Hülse 22 abgedichtet sind, ausgebildet sein (Fig. 1 ), oder durch direkt in dem Blechpaket im Wesentlichen axial verlaufende Nuten ausgebildet sein. Eine konstruktive Ausgestaltung in der der erste Kühlkanal 7 sich vollständig durch die Rotorwelle 15 erstreckt und an beiden distalen Wellenenden einen Kühlmittelauslass 1 1 , 1 1 ' aufweist, ist ebenso denkbar.
Die Begrifflichkeit„axial" beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Drehachse 16 der Rotorwelle 15.
Die Begrifflichkeit„radial" beschreibt eine Richtung normal auf die Drehachse 16 der Rotorwelle 15.
Der zweite Kühlkanal 8 des Rotorkühlkreislaufs ist gesamtumfänglich in dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 ausgebildet und teilt sich in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in drei parallel zueinander verlaufende Kanäle, die miteinander in Fluidverbindung stehen. Der zweite Kühlkanal 8 weist einen zweiten Kühlmitteleinlass 10 und einen zweiten Kühlmittelauslass 12 auf.
Der erste Kühlkanal 7 ist zum einen über eine erste Kühlmittelleitung 13 und zum anderen über eine zweite Kühlmittelleitung 14 mit dem zweiten Kühlkanal 8 fluid- verbunden - der zweite Kühlmittelauslass 12 des zweiten Kühlkanals 8 ist über die erste Kühlmittelleitung 13 mit dem ersten Kühlmitteleinlass 9 des ersten Kühlkanals 7 und der erste Kühlmittelauslass 1 1 des ersten Kühlkanals 7 über eine zweite Kühlmittelleitung 14 mit dem zweiten Kühlmitteleinlass 10 des zweiten Kühlkanals 8 fluidverbunden. Die beiden Kühlmittelleitungen 13, 14 verlaufen im Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 .
Die Förderung des Kühlmittels innerhalb des Rotorkühlkreislaufs erfolgt über die Rotation der Rotorwelle 15, d.h. die Pumpwirkung zur Kühlung des Rotors 5 erfolgt durch die rotoreigene Drehbewegung. Die Eisenverluste im Rotor 5 der elektrischen Maschine 1 sind genauso wie der Rotorkühlkreislauf abhängig von der Drehzahl der Rotorwelle 15. Derart kann eine bedarfsgesteuerte Kühlung des Rotors 5 erfolgen. Durch das Durchströmen der Rotorwelle 15 mit Kühlmittel erfolgt der Wärmeabtransport am Rotor 5. Im Bereich der beiden ersten Kühlmittelabflüsse 1 1 , 1 1 ', in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich des Wellenendes 21 , ist in dem Gehäuse 2 eine spiralförmige Auffanggeometrie 17 ausgebildet. Das Kühlmittel wird über die erste Kühlmittelleitung 13 von dem ersten Kühlkanal 7 in den zweiten Kühlkanal 8 innerhalb des Gehäuses 2 gefördert und dort innerhalb des Gehäuses 2 um den Kühl- mantel 4 des Statorkühlkreislaufs des Stators 3 geführt und gekühlt. Die Temperatur des Kühlmittels innerhalb des Statorkühlkreislaufs des Stators 3 liegt unterhalb des Temperaturniveaus des Kühlmittels innerhalb des Rotorkühlkreislaufs des Rotors 5. Durch den Temperaturunterschied der beiden Kühlmittel, nämlich des Kühlmittels innerhalb des Statorkühlkreislaufs und des Kühlmittels innerhalb des Rotor- kühlkreislaufs, funktioniert der Kühlmantel 4 als Wärmetauscher 6. Nach dem das Kühlmittel des Rotorkühlkreislaufs des Rotors 5 seine Wärme an das Kühlmittel des Statorkühlkreislaufs des Stators 3 abgegeben hat verlässt dieses den zweiten Kühlkanal 8 innerhalb des Gehäuses 2 über den zweiten Kühlmittelauslass 12 und wird über die zweite Kühlmittelleitung 14 wieder in den ersten Kühlkanal 7 inner- halb der Rotorwelle 15 gefördert und der beschriebene Kühlablauf beginnt von Neuem.
Bezuqszeichenliste
1 Elektrische Maschine
2 Gehäuse
3 Stator
4 Kühlmantel
5 Rotor
6 Wärmetauscher
7 Erster Kühlkanal
8 Zweiter Kühlkanal
9 Erster Kühlmitteleinlass
10 Zweiter Kühlmitteleinlass
1 1 Erste Kühlmittelauslass
1 1 ' Weiterer erster Kühlmittelauslass
12 Zweiter Kühlmittelauslass
13 Erste Kühlmittelleitung
14 Zweite Kühlmittelleitung
15 Rotorwelle
16 Drehachse (der Rotorwelle)
17 Spiralförmige Auffanggeometrie
18 Kühlmittelführender Kanal (des Kühlmantels)
19 Innenseite (des Kühlmantels)
20 Umkehrpunkt
21 Wellenende
22 Hülse

Claims

Patentansprüche
Elektrische Maschine (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend
- ein Gehäuse (2),
- einen Stator (3), wobei der Stator (3) über einen Statorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Statorkühlkreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen ist und einen Kühlmantel (4) aufweist, der am Stator (3) angeordnet ist, und
- einen Rotor (5), wobei der Rotor über einen Rotorkühlkreislauf kühlbar ist, wobei der Rotorkühlkreislauf ein interner, geschlossener Kühlkreislauf ist, der einen Wärmetauscher (6) aufweist,
wobei der Wärmetauscher (6) durch den Kühlmantel (4) des Statorkühlkreislaufs ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) 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 die elektrische Maschine (1) in Innenläuferbauweise mit radial außen liegendem Stator (3) ausgeführt ist, wobei der Kühlmantel (4) den Stator (3) zumindest teilweise außenumfänglich umgibt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Rotorkühlkreislauf einen ersten Kühlkanal (7) mit zumindest einem ersten Kühlmitte- leinlass (9) und zumindest einem ersten Kühlmittelauslass (11) zur Führung eines Kühlmittels durch den Rotor (5) und einen zweiten Kühlkanal (8) mit zumindest einem zweiten Kühlmitteleinlass (10) und zumindest einem zweiten Kühlmittelauslass (12) zur Führung des Kühlmittels an dem Wärmetauscher (6) des Rotorkühlkreislaufs, nämlich dem Kühlmantel (4) des Statorkühlkreislaufs, aufweist, wobei der zweite Kühlmittelauslass (12) des zweiten Kühlkanals (8) über eine erste Kühlmittelleitung (13) mit dem ersten Kühlmitteleinlass (9) des ersten Kühlkanals (7) und der erste Kühlmittelauslass (11) des ersten Kühlkanals (7) über eine zweite Kühlmittelleitung (14) mit dem zweiten Kühlmitteleinlass (10) des zweiten Kühlkanals (8) fluidver- bunden ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Kühlkanal (7) in einer Rotorwelle (15) des Rotors (5) ausgebildet ist und sich zumindest teilweise im Wesentlichen axial durch die Rotorwelle (15) erstreckt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der erste Kühlkanal (7) derart ausgeführt ist, dass der erste Kühlmittelauslass (11) einen größeren radialen Abstand zu einer Drehachse (16) der Rotorwelle (15) des Rotors (5) aufweist als der erste Kühlmitteleinlass (9). Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3, 4 oder 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der zweite Kühlkanal (8) in dem Gehäuse (2) der elektrischen Maschine (1) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an oder in dem Gehäuse (2) der elektrischen Maschine (1) im Bereich des ersten Kühlmittelauslasses (11) eine spiralförmige Auffanggeometrie (17) angeordnet ist.
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