DE102018101640B4

DE102018101640B4 - Elektrische Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018101640B4
Application number: DE102018101640.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Oechslen; Wolfgang Merath
Original assignee: Ate Antriebstechnik und Entw & Co KG GmbH; Ate Antriebstechnik und Entwicklungs & Co KG GmbH; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Ate Antriebstechnik und Entw & Co KG GmbH; Ate Antriebstechnik und Entwicklungs & Co KG GmbH; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-01-25
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: DE102018101640A1; DE102018101640A8; CN110086293A; US20190229566A1; US11005316B2; CN110086293B

Abstract

Elektrische Antriebsvorrichtung (100), umfassendeinen Stator (101), undeinen Rotor (102),wobei der Stator (101) einen Grundkörper (103) und Wicklungen einer elektromagnetischen Spule aufweist,wobei der Grundkörper (103) des Stators (101) Ausnehmungen (200) aufweist,wobei die Wicklungen des Stators (101) zumindest teilweise in den Ausnehmungen (200) angeordnet sind, wobei der Stator (101) zwei Kühlmitteleinlässe (105) und ein Kühlmittelsammelmittel (107) mit einem Kühlmittelauslass (106) aufweist,wobei das Kühlmittelsammelmittel (107) zweiteilig ausgebildet ist,wobei die Kühlmitteleinlässe (105) über die Ausnehmungen (200) in fluidischer Verbindung mit dem Kühlmittelauslass (106) stehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Antriebsvorrichtungen mit einem Stator und einem Rotor bekannt. Der Rotor wird durch elektromagnetische Kräfte in Rotation versetzt, während der Stator ortsfest bleibt. Zur Erzeugung der elektromagnetischen Kräfte weist die Antriebsvorrichtung üblicherweise eine elektromagnetische Spule mit Wicklungen auf.
Bei der Erzeugung der elektromagnetischen Kräfte entsteht Wärme. Ein wesentlicher Anteil der Wärme entsteht in den Wicklungen. Eine ausreichende Wärmeabfuhr muss sichergestellt werden, damit die Antriebsvorrichtung bestimmungsgemäß funktioniert. Die maximal mögliche Temperatur wird üblicherweise am ehesten in den Wickelköpfen der Spule erreicht. Daher müssen die Wickelköpfe besonders gut gekühlt werden. Bei nicht ausreichender Kühlung muss die Leistung der Antriebsvorrichtung reduziert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Aus der EP 1 614 205 B1 ist eine Antriebsvorrichtung bekannt, bei der die elektromagnetische Spule gekühlt wird, indem Luft im Bereich der Wickelköpfe in den Grundkörper geleitet wird. In der Mitte des Grundkörpers wird die dann erwärmte Luft aus dem Grundkörper abgeführt.
Aus der DE 10 2004 013 133 A1 ist eine Antriebsvorrichtung mit einem Stator und einem Rotor bekannt. Der Stator weist einen Grundkörper und Wicklungen einer elektromagnetischen Spule auf. Der Grundkörper des Stators weist Ausnehmungen auf. Der Stator weist Kühlmitteleinlässe und Kühlmittelsammelmittel mit einem Kühlmittelauslass auf.
US 4 994 700 A , DE 10 2014 213 159 A1 , WO 2017/ 162 348 A1 , WO 2014/ 032 876 A2 , EP 3 214 736 A1 und EP 1 614 205 B1 offenbaren weiteren Stand der Technik.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine effizientere Kühlung der Wicklungen zu erreichen. Außerdem soll ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühlung geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 gelöst.
Die elektrische Antriebsvorrichtung umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator weist einen Grundkörper und Wicklungen einer elektromagnetischen Spule auf. Der Grundkörper weist Ausnehmungen auf, in denen die Wicklungen zumindest teilweise angeordnet sind. Der Stator weist zwei Kühlmitteleinlässe und ein zweiteilig ausgebildetes Kühlmittelsammelmittel mit einem Kühlmittelauslass auf. Die Kühlmitteleinlässe stehen über die Ausnehmungen in fluidischer Verbindung mit dem Kühlmittelauslass. Das zweiteilig ausgebildete Kühlmittelsammelmittel ist vorteilhaft, um das Kühlmittelsammelmittel in einer Kühlmittelsammelmittelausnahme des Grundkörpers anzuordnen.
Dabei wird im Rahmen dieser Beschreibung unter einem Kühlmittel ein Fluid verstanden, das von den Kühlmitteleinlässen durch den Grundkörper zum Kühlmittelauslass strömt und dabei Wärme der Wicklungen aufnimmt und abtransportiert. Beim Eintritt durch die Kühlmitteleinlässe weist das Kühlmittel also eine geringere Temperatur auf als beim Austritt durch den Kühlmittelauslass. Das Kühlmittel ist vorzugsweise flüssig.
Unter einer fluidischen Verbindung wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine Verbindung verstanden, durch die ein fluides Medium strömen kann.
Dadurch, dass das Kühlmittel von mehreren Kühlmitteleinlässen über die Ausnehmungen, in denen die Wicklungen angeordnet sind, zu einem Kühlmittelauslass strömt, wird eine besonders effiziente Kühlung erreicht. Vorzugsweise liegen die Kühlmitteleinlässe im Bereich der Wickelköpfe. Dann wird jeder Wicklungskopf von relativ kaltem Kühlmittel umströmt und es wird besonders viel Wärme abtransportiert. Auf dem Weg zum Kühlmittelauslass strömt das Kühlmittel durch die Ausnehmungen, in denen die Wicklungen angeordnet sind, sodass die Wicklungen über ihre gesamte Länge besonders effizient gekühlt werden. Dabei ist zu beachten, dass beide Kühlmitteleinlässe fluidisch mit dem Kühlmittelauslass verbunden sind. Auf diese Weise kann die Temperaturdifferenz zwischen den vom Kühlmittel umströmten Wicklungen und dem Kühlmittel besonders groß gehalten werden, da das Kühlmittel nicht über die gesamte Länge des Grundkörpers, sondern nur bis zum Kühlmittelauslass erwärmt wird. Wenn der Kühlmittelauslass beispielsweise in der Mitte des Grundkörpers angeordnet ist, durchströmt das Kühlmittel von den Kühlmitteleinlässen jeweils nur den halben Grundkörper. Hierdurch wird auch der aufgrund des Strömungswiderstands beim Kühlmittel auftretende Druckverlust verringert.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kühlmittelsammelmittel mehrere Kühlmittelauslässe aufweisen, die über die Ausnehmungen in fluidischer Verbindung mit den Kühlmitteleinlässen stehen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Wicklungen außerhalb der Ausnehmungen Wickelköpfe bilden. Die Wickelköpfe und die Kühlmitteleinlässe können in einander gegenüberliegenden Endbereichen des Stators angeordnet sein. Beispielsweise können dies zwei Wickelköpfe und zwei Kühlmitteleinlässe sein. Auf diese Weise werden die Wickelköpfe besonders effizient gekühlt. Somit kann eine für den Fluss des Kühlmittels verwendete Pumpe kleiner, leichter und kostengünstiger ausgeführt werden. Außerdem wird durch die besonders effiziente Kühlung die Leistungsfähigkeit der elektrischen Antriebsvorrichtung gesteigert.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kühlmittelsammelmittel Ausnehmungen aufweisen, die mit den Ausnehmungen des Grundkörpers fluchten. In den Ausnehmungen des Kühlmittelsammelmittels können die Wicklungen teilweise angeordnet sein. Somit können die Wicklungen durchgehend durch den Grundkörper und das Kühlmittelsammelmittel angeordnet sein. Der Lauf der Wicklungen wird somit nicht oder nur unwesentlich durch das Kühlmittelsammelmittel beeinträchtigt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Grundkörper Kühlungsausnehmungen aufweisen, über die die Kühlmitteleinlässe mit dem Kühlmittelauslass in fluidischer Verbindung stehen. Die Kühlungsausnehmungen können frei von den Wicklungen sein. Die Kühlungsausnehmungen verbessern die Kühlung des Grundkörpers. Außerdem kann durch die Kühlungsausnehmungen eine Verbesserung der Strömungsverhältnisse des Kühlmittels erreicht werden, da der Druckverlust aufgrund des Strömungswiderstands verringert wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können der Grundkörper und das Kühlmittelsammelmittel jeweils einen Durchmesser aufweisen. Es ist insbesondere möglich, dass das Kühlmittelsammelmittel scheibenförmig ausgebildet ist. Der Durchmesser des Kühlmittelsammelmittels kann gleich dem Durchmesser des Grundkörpers oder größer als der Durchmesser des Grundkörpers sein. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das gesamte den Grundkörper durchströmende Kühlmittel durch das Kühlmittelsammelmittel gesammelt und zum Kühlmittelauslass geleitet wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Kühlmittelsammelmittel einen umlaufenden Sammelkanal aufweisen. Die Ausnehmungen des Grundkörpers können über die Ausnehmungen des Kühlmittelsammelmittels und den Sammelkanal fluidisch mit dem Kühlmittelauslass verbunden sein. Unter einem umlaufenden Sammelkanal wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Kanal verstanden, der entlang des Umfangs des Kühlmittelsammelmittels verläuft. Das Kühlmittel kann also von den Kühlmitteleinlässen über die Ausnehmungen des Grundkörpers und des Kühlmittelsammelmittels in den Kanal strömen. Von dort tritt es dann durch den Kühlmittelauslass wieder aus.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Grundkörper eine Kühlmittelsammelmittelausnahme aufweisen. In dieser Kühlmittelsammelmittelausnahme kann das Kühlmittelsammelmittel angeordnet sein. Beispielsweise kann die Kühlmittelsammelmittelausnahme in den Grundkörper spanend eingebracht werden. Dies ist eine besonders einfache Art, das Kühlmittelsammelmittel für eine besonders effiziente Kühlung anzuordnen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Antriebsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A aus 1.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 1.

Die elektrische Antriebsvorrichtung 100 umfasst einen Stator 101 und einen Rotor 102. Im Betrieb wird der Rotor 102 in Rotation versetzt, während der Stator 101 ortsfest bleibt. Der Stator 101 weist einen Grundkörper 103 und Wicklungen einer elektromagnetischen Spule auf. Der Grundkörper 103 weist Ausnehmungen 200 auf, in denen die Wicklungen teilweise angeordnet sind. Die Wicklungen bilden außerhalb des Grundkörpers 103 in zwei einander gegenüberliegenden Endbereichen des Stators 101 Wickelköpfe 104. Der Rotor 102 wird durch elektromagnetische Kräfte in Rotation versetzt. Die elektromagnetischen Kräfte werden erzeugt, indem elektrischer Strom durch die Wicklungen fließt.
Bei der Erzeugung der elektromagnetischen Kräfte werden die Wicklungen insbesondere im Bereich der Wickelköpfe 104 erwärmt. Die Erwärmung im Bereich der Wickelköpfe 104 stellt dabei eine Begrenzung für die maximale Leistungsfähigkeit der elektrischen Antriebsvorrichtung 100 dar. Je besser also die Wickelköpfe 104 gekühlt werden, desto leistungsfähiger ist die elektrische Antriebsvorrichtung 100.
Zur Kühlung der Wicklungen, insbesondere der Wickelköpfe 104, wird ein Kühlmittel verwendet, das vorzugsweise ein Fluid ist. Besonders bevorzugt wird ein flüssiges Kühlmittel. Der Stator 101 weist zwei Kühlmitteleinlässe 105 auf, durch die das Kühlmittel in den Stator 101 einströmen kann. Die Kühlmitteleinlässe 105 sind in den Endbereichen des Stators 101 angeordnet, in denen auch die Wickelköpfe 104 angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, da die Temperaturdifferenz zwischen den Wickelköpfen 104 und dem Kühlmittel besonders groß ist, sodass eine besonders effiziente Kühlung der Wickelköpfe 104 erreicht wird.
Der Stator 101 weist außerdem ein scheibenförmiges Kühlmittelsammelmittel 107 mit einen Kühlmittelauslass 106 auf. Das Kühlmittelsammelmittel 107 ist in einem mittigen Bereich des Stators 101 angeordnet. Das Kühlmittel strömt von den Kühlmitteleinlässen 105 an den Wickelköpfen 104 entlang durch die Ausnehmungen 200 des Grundkörpers 103, in denen die Wicklungen angeordnet sind, zum Kühlmittelauslass 106.
Das Kühlmittel strömt also im Stator 101 in zwei voneinander getrennten Strömen jeweils von den Enden hin zur Mitte. Somit wird eine besonders effiziente Kühlung der Wickelköpfe 104 erreicht. Außerdem wird der für die Kühlung benötigte Volumenstrom reduziert, sodass auftretende Druckverluste ebenfalls verringert werden. Die das Kühlmittel antreibende Pumpe kann somit kleiner, leichter und kostengünstiger ausgeführt werden. Es wird auch weniger Energie von der Pumpe benötigt.
Das Kühlmittelsammelmittel 107 ist in 3 dargestellt. Es ist scheibenförmig ausgebildet und ist in einer Kühlmittelsammelmittelausnehmung des Grundkörpers 103 eingesetzt. Das Kühlmittelsammelmittel 107 weist mehrere Ausnehmungen 300 auf, die mit den Ausnehmungen 200 des Grundkörpers 103 fluchten. Die Wicklungen verlaufen durch die Ausnehmungen 300. Außerdem weist das Kühlmittelsammelmittel 107 einen umlaufenden Sammelkanal 301 auf.
Das Kühlmittel strömt von den Kühlmitteleinlässen 105 durch die Ausnehmungen 200 des Grundkörpers 103 und die Ausnehmungen 300 des Kühlmittelsammelmittels 107 zum Kühlmittelauslass 106.
Durch das Kühlmittelsammelmittel 107 wird die Funktionsweise der Wicklungen nicht beeinträchtigt, da die Ausnehmungen 300 mit den Ausnehmungen 200 fluchten. Das Kühlmittelsammelmittel 107 ist zweiteilig ausgeführt.
Mit dem Kühlmittelsammelmittel 107 wird es ermöglicht, dass das Kühlmittel von den beiden Kühlmitteleinlässen 105 in den einander gegenüberliegenden Endbereichen des Stators 101 durch die Ausnehmungen 200 und 300, in denen die Wicklungen angeordnet sind, zum mittig angeordneten Kühlmittelauslass 106 strömt. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Kühlung der Wicklungen, insbesondere der Wickelköpfe 104, erreicht. Die gesamte elektrische Antriebsvorrichtung 100 kann daher eine höhere Leistung erreichen oder bei gleicher Leistung energiesparender betrieben werden.

Claims

Elektrische Antriebsvorrichtung (100), umfassend einen Stator (101), und einen Rotor (102), wobei der Stator (101) einen Grundkörper (103) und Wicklungen einer elektromagnetischen Spule aufweist, wobei der Grundkörper (103) des Stators (101) Ausnehmungen (200) aufweist, wobei die Wicklungen des Stators (101) zumindest teilweise in den Ausnehmungen (200) angeordnet sind, wobei der Stator (101) zwei Kühlmitteleinlässe (105) und ein Kühlmittelsammelmittel (107) mit einem Kühlmittelauslass (106) aufweist, wobei das Kühlmittelsammelmittel (107) zweiteilig ausgebildet ist, wobei die Kühlmitteleinlässe (105) über die Ausnehmungen (200) in fluidischer Verbindung mit dem Kühlmittelauslass (106) stehen.
Elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelsammelmittel (107) mehrere Kühlmittelauslässe (106) aufweist, die über die Ausnehmungen (200) in fluidischer Verbindung mit den Kühlmitteleinlässen (105) stehen.
Elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen außerhalb der Ausnehmungen (200) Wickelköpfe (104) bilden, wobei die Wickelköpfe (104) und die Kühlmitteleinlässe (105) in einander gegenüberliegenden Endbereichen des Stators (101) angeordnet sind.
Elektrische Antriebsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelsammelmittel (107) Ausnehmungen (300) aufweist, die mit den Ausnehmungen (200) des Grundkörpers (103) fluchten.
Elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (103) Kühlungsausnehmungen aufweist, über die die Kühlmitteleinlässe (105) mit dem Kühlmittelauslass (106) in fluidischer Verbindung stehen, wobei die Kühlungsausnehmungen frei von den Wicklungen sind.
Elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (103) und das Kühlmittelsammelmittel (107) jeweils einen Durchmesser aufweisen, wobei der Durchmesser des Kühlmittelsammelmittels (107) gleich dem Durchmesser des Grundköpers (103) oder größer als der Durchmesser des Grundkörpers (103) ist.
Elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelsammelmittel (107) einen umlaufenden Sammelkanal (301) aufweist, und wobei die Ausnehmungen (200) des Grundkörpers (103) über die Ausnehmungen (300) des Kühlmittelsammelmittels (107) und den Sammelkanal (301) fluidisch mit dem Kühlmittelauslass (106) verbunden sind.
Elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (103) eine Kühlmittelsammelmittelausnahme aufweist, wobei das Kühlmittelsammelmittel (107) in der Kühlmittelsammelmittelausnahme angeordnet ist.
Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Antriebsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche.