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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Stators
gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Aus
der
EP 461906 A2 ist
ein Statorkühlsystem für eine elektrische Maschine
bekannt. Bei diesem Kühlsystem wird der Stator einer elektrischen Maschine
gleichmäßig durch die den Statorträger beidseitig
umlaufenden Kühlmittelpassagen gekühlt. Der Kühlmitteleinlass
und der Kühlmittelauslass sind um 180 Grad radial versetzt
gegenüber liegend am Statorgehäuse angeordnet,
dadurch wird eine gleichmäßige Umströmung
des Statorträgers und damit des Stators mit Kühlmittel
erreicht.
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Nachteilig
an diesem System ist, dass bei einer Anordnung des Kühlmitteleinlasses
und des Kühlmittelauslasses ungleich 180 Grad eine ungleichmäßige
Kühlung des Stators stattfindet und die elektrische Maschine
ungleichmäßigen thermischen Belastungen ausgesetzt
ist. Somit ist die elektrische Maschine bei einer Anordnung ungleich
180 Grad nicht optimal gekühlt und kann daher nicht die
volle Leistung abgeben.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kühlung eines
Stators zur Verfügung zu stellen, die eine höhere
Variabilität bei ihrer baulichen Ausgestaltung unter Beibehaltung
einer gleichmäßigen Kühlung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß sind
bei der Vorrichtung zur Kühlung eines Stators der Kühlfluidzulauf
und der Kühlfluidablauf radial asymmetrisch zum Mittelpunkt
des Statorträgers am Außenmantel des Statorträgers
angeordnet, also auf einem Kreisumfang bezüglich des Mittelpunkts
nicht gegenüber liegend, und weist die erste kürzere
Kühlfluidpassage vom Kühlfluidzulauf zum Kühlfluidablauf
einen größeren Strömungswiderstandskennwert
auf als die zweite längere Kühlfluidpassage vom Kühlfluidzulauf
zum Kühlfluidablauf.
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Bei
einer gegenüber liegenden Anordnung des Kühlfluidzulaufs
und des Kühlfluidablaufs ergibt sich in beiden Kühlfluidpassagen
bei identischem Querschnitt und identischer Oberflächenrauhigkeit, also
einem identischen Strömungswiderstandskennwert, durch die
gleiche Länge der Kühlfluidpassagen ein identischer
Strömungswiderstand. Durch den identischen Strömungswiderstand
stellen sich in beiden Kühlmittelpassagen identische Volumenströme ein.
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Durch
unterschiedliche Strömungswiderstandskennwerte der ersten
Kühlfluidpassage und der zweiten komplementären,
also in entgegen gesetzter Umfangsrichtung den Statorträger
umlaufenden, Kühlfluidpassage ist es möglich,
die jeweiligen Volumenströme durch die beiden Kühlfluidpassagen unabhängig
von der Länge der Kühlfluidpassagen zu beeinflussen.
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Bei
einem geringeren Strömungswiderstandskennwert einer Kühlfluidpassage,
durch eine größere Querschnittsfläche
der Kühlfluidpassage und/oder einer geringeren Oberflächenrauhigkeit
der Innenseite der Kühlfluidpassage, ergibt sich bei gleicher
Länge der Kühlfluidpassage ein größerer
Volumenstrom durch die Kühlfluidpassage.
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Eine
größere Länge der Kühlfluidpassage führt
bei gleichem Strömungswiderstandskennwert zu einem größeren
Strömungswiderstand und damit zu einem kleineren Volumenstrom.
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Um
dieser Reduzierung des Volumenstroms durch die längere
zweite Kühlfluidpassage und damit einer geringeren Wärmeaufnahmefähigkeit
entgegen zu treten, weist erfindungsgemäß die
zweite längere Kühlfluidpassage einen geringeren
Strömungswiderstandskennwert bzw. die erste kürzere
Kühlfluidpassage einen größeren Strömungswiderstandskennwert
auf.
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Besonders
vorteilhaft werden die Strömungswiderstandskennwerte der
beiden Kühlfluidpassagen derart ausgelegt, dass sich in
der ersten kürzeren Kühlfluidpassage zumindest
ein gleicher Volumenstrom, besser ein geringerer Volumenstrom als
in der zweiten längeren Kühlfluidpassage einstellt.
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Insbesondere
ist es für eine gleichmäßige Kühlung
von Vorteil, wenn die Strömungswiderstandskennwerte der
ersten und der zweiten Kühlfluidpassage so gewählt
sind, dass der Quotient aus Volumenstrom durch die erste Kühlfluidpassage
und Länge der ersten Kühlfluidpassage und der
Quotient aus Volumenstrom durch die zweite Kühlfluidpassage
und Länge der zweiten Kühlfluidpassage identisch sind
oder sich zumindest nahezu entsprechen.
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Der
Querschnitt der Kühlfluidpassage und somit ihr Strömungswiderstandskennwert
wird bevorzugt durch den Querschnitt von an der Innenseite der Kühlfluidpassage
ausgebildeten Kühlrippen, also beispielsweise die Höhe
der Kühlrippen, bestimmt. Die unterschiedlichen Strömungswiderstandskennwerte der
Kühlfluidpassagen werden also bevorzugt durch unterschiedlich
hohe Kühlrippen erreicht, die zudem eine unterschiedliche
Oberflächenrauhigkeit aufweisen können.
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Die
Variabilität in der baulichen Gestaltung der Vorrichtung
zur Kühlung des Stators kann des Weiteren dadurch erhöht
werden, dass der Kühlfluidzulauf und der Kühlfluidablauf
axial versetzt angeordnet sind.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Vorrichtung
zur Kühlung des Stators in einen Kühlkreislauf
einer Getriebekühlung und/oder der Kühlung eines
Anfahrelements eingebunden. Hierbei ist insbesondere eine Anordnung
der Vorrichtung zur Kühlung des Stators in Flussrichtung
hinter einem Wärmetauscher für die Kühlung
des Stators besonders vorteilhaft. Wobei ein zum Wärmetauscher
parallel ausgestalteter regelbarer Bypass den weiteren Vorteil bringt,
dass bei kaltem Kühlfluid dieses am Wärmetauscher
vorbei zum Stator geleitet werden kann.
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Weitere
Vorteile der Erfindung und Weiterbildungen gehen aus der Beschreibung
und der Zeichnung hervor. Konkrete Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung
eines Stators im Querschnitt,
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2 einen
erfindungsgemäßen Statorträger und
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3 eine
erfindungsgemäße Anordnung der Vorrichtung zur
Kühlung eines Stators in einem Kühlkreislauf.
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1 zeigt
einen Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere eines elektrischen
Traktionsmotors eines Kraftfahrzeuges, mit einem Statorgehäuse 1,
innerhalb dessen ein Statorträger 2 angeordnet
ist. Innerhalb des Statorträgers 2 befindet sich ein
nicht dargestellter Rotor der elektrischen Maschine. Zwischen dem
Innenmantel des Statorgehäuses 1 und dem Außenmantel
des Statorträgers 2 sind von einem Kühlfluidzulauf 4 und
einem Kühlfluidablauf 3 kreisbogenartige Kühlfluidpassagen 5a, 5b ausgebildet.
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Wobei
sich die eine Kühlfluidpassage entlang einer Umfangsrichtung
erstreckt und die andere Kühlfluidpassage in entgegen gesetzter
Umfangsrichtung.
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Der
Kühlfluidzulauf 4 und der Kühlfluidablauf 3 können
vorteilhaft auch an anderen als den in 1 gezeigten
Stellen des Außenmantels des Statorträgers 2,
beispielsweise an dem nach Einbau geodätisch höchsten
oder niedrigsten Punkt angeordnet sein.
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Aufgrund
der zum Mittelpunkt des Statorträgers 2 asymmetrischen
Anordnung des Kühlfluidzulaufs 4 und des Kühlfluidablaufs 3,
das heißt, einer am Außenmantel des Statorträgers 2 nicht
gegenüber liegenden Anordnung, ergibt sich, dass die erste Kühlfluidpassage 5a hinsichtlich
ihrer Länge kürzer ist als die zweite Kühlfluidpassage 5b.
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Um
dennoch eine gleichmäßige Kühlung des Stators
und damit der elektrischen Maschine zu erreichen, ist sicher zu
stellen, dass im Hinblick auf die Länge der Kühlfluidpassagen 5a, 5b adäquate
Volumenströme durch die Kühlfluidpassagen 5a, 5b fließen.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei der zweiten längeren
Kühlfluidpassage 5b, die am Außenmantel
des Statorträgers 2 eine größere
Fläche aufweist als die erste kürzere Kühlfluidpassage 5a, eine
größere Wärmemenge abgeführt
werden muss. Somit ist für eine gleichmäßige
Kühlung des Stators in der zweiten längeren Kühlfluidpassage 5b ein
größerer Volumenstrom als in der ersten kürzeren
Kühlfluidpassage 5a notwendig.
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Da
erfindungsgemäß keine aktive Auftrennung der Volumenströme
der ersten und zweiten Kühlfluidpassage am Kühlfluidzulauf 4 vorgenommen
werden soll, müssen die Kühlfluidpassagen 5a, 5b baulich
so ausgelegt werden, dass sich im Betrieb der Kühlvorrichtung
die gewünschten Volumenströme einstellen.
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Die
Volumenströme sind hierbei abhängig von den Strömungswiderständen
der beiden Kühlfluidpassagen 5a, 5b.
Der Strömungswiderstand einer Kühlfluidpassage
ergibt sich aus deren Länge und deren Strömungswiderstandskennwert,
welcher sich wiederum aus dem Querschnitt der Kühlfluidpassage und
der Oberflächenrauhigkeit der Innenseite der Kühlfluidpassage
ergibt.
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Erfindungsgemäß weist
die erste kürzere Kühlfluidpassage 5a einen
größeren Strömungswiderstandskennwert
als die zweite längere Kühlfluidpassage 5b auf,
um ihre kürzere Länge hinsichtlich des Strömungswiderstands
zumindest teilweise, besonders bevorzugt komplett auszugleichen.
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Eine
gleichmäßige Kühlung ergibt sich insbesondere
dann, wenn der Quotient aus Volumenstrom durch die erste Kühlfluidpassage 5a und
Länge der ersten Kühlfluidpassage 5a und
der Quotient aus Volumenstrom durch die zweite Kühlfluidpassage 5b und
Länge der zweiten Kühlfluidpassage 5b identisch
sind.
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Der
Strömungswiderstandskennwert einer Kühlfluidpassage
kann sowohl durch die Querschnittsfläche als auch die Form
des Querschnitts beeinflusst werden.
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Der
Statorträger 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 2 weist an seinem Außenmantel Kühlrippen
auf, über die aufgrund ihrer vergrößerten Oberfläche
vorteilhaft Wärme abgeleitet werden kann. Erfindungsgemäß weisen
die Kühlrippen der ersten kürzeren Kühlfluidpassage 5a,
zumindest im Mittel, eine größere Höhe
und damit die erste kürzere Kühlfluidpassage 5a eine
geringere Querschnittsfläche auf als die zweite längere
Kühlfluidpassage 5b.
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Des
Weiteren ist es möglich, den Strömungswiderstandskennwert
durch die Oberflächenrauhigkeit der Kühlrippen
oder auch beispielsweise des Innenmantels des Statorgehäuses 1 zu
verändern.
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Alternativ
kann der Strömungswiderstandskennwert einer Kühlfluidpassage
auch durch eine strömungsgünstigere Querschnittsform
reduziert werden.
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Als
bevorzugtes Kühlfluid wird aufgrund seiner physikalischen
Eigenschaften und auch wegen einer Einbindung in einen im Kraftfahrzeug
vorhandenen Kühlkreislauf Öl verwendet.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Anordnung der Vorrichtung zur Kühlung eines Stators in
einem Kühlkreislauf 6. Hierbei ist die Kühlung
des Stators in den Kühlkreislauf 6 eines Anfahrelements 10 und
eines Getriebes 14 eines Kraftfahrzeuges eingebunden.
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Bei
dem Kraftfahrzeug handelt es sich um ein Elektrofahrzeug oder ein
Hybridfahrzeug mit einem Elektroantrieb und einer Verbrennungskraftmaschine.
Im zweiten Fall kann die Vorrichtung zur Kühlung eines
Stators auch in den Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine
eingebunden sein.
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Im
Kühlkreislauf 6 der 3 wird durch
eine Pumpe 8 Öl von einem Ölsumpf 15 durch
einen Filter 7 zu einer Schaltplatte 9 gepumpt.
In der Schaltplatte 9 herrscht bevorzugt ein Öldruck
von 8,5 bar. Im Weiteren durchläuft das Öl ein
Anfahrelement, beispielsweise einen hydraulischen Drehmomentwandler oder
eine nasse Anfahrkupplung 10. Hiernach gelangt das Öl
entlang eines ersten Pfades in einen Kühler und/oder Wärmetauscher,
vorzugsweise in einen Stapelölwärmetauscher 11,
und danach in die Kühlung des Stators 13 oder
entlang eines regelbaren Bypasses 12 direkt in die Kühlung
des Stators 13. Die nasse Anfahrkupplung 10 ist
im Kühlkreislauf 6 bevorzugt vor dem Stapelölwärmetauscher 11 angeordnet,
da bei kaltem Öl der Volumenstrom durch den Stapelölwärmetauscher 11 sehr
gering ist. Durch die Anordnung der Statorkühlung 13 direkt
hinter dem Stapelölwärmetauscher 11 weist
das Öl in der Statorkühlung 13 im Betrieb
eine möglichst geringe Temperatur auf. Weist beispielsweise
zu Beginn des Betriebs das Öl eine zu geringe Temperatur
auf, so kann das Öl über den Bypass 12 am
Stapelölwärmetauscher 11 vorbei geführt
werden.
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Nach
der Statorkühlung 13 gelangt das Öl durch
die Getriebekühlung bzw. Getriebeschmierung 14 wieder
in den Ölsumpf 15.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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