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Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine effiziente Entwärmung von Elektromotoren und Generatoren wird durch Kühlung derartiger dynamoelektrischer Maschinen mittels einer Kühlflüssigkeit ermöglicht. Bekannte flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschinen umfassen häufig einen Kühlmantel mit in Umfangsrichtung und axial verlaufenden Kühlkanälen, die den Stator der dynamoelektrischen Maschine umgeben. Die in den aktiven Teilen der dynamoelektrischen Maschine erzeugte Wärme wird über den Stator an den Kühlmantel abgegeben und kann somit von der Kühlflüssigkeit aufgenommen werden. Die in den Kühlkanälen zirkulierende Kühlflüssigkeit wird über einen Wärmetauscher geführt, an dem sie die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeben kann.
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Insbesondere bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen werden dynamoelektrische Maschinen als Traktionsantrieb eingesetzt. Aufgrund des begrenzten Bauraums in diesen Fahrzeugen ist hier eine effiziente Kühlung von besonderer Bedeutung, um die Leistungsdichte der dynamoelektrischen Maschine zu maximieren.
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Beispielsweise aus der
DE 10 2008 030 524 A1 ist ein Kühlmechanismus für einen Elektromotor/Generator bekannt, bei dem ein hohler Kühlmantel mit koaxialen Innen- und Außenflächen auf einen Stator besagter Maschine aufgebracht wird. Zur Aufnahme der Wärme des Stators steht der Kühlmantel mit seiner Innenfläche in Wärmeübertragungskontakt zur Außenfläche des Stators. Die Außenfläche des Kühlmantels umfasst einen gegossenen Spiralnutabschnitt mit abgestuften Kühlmitteldurchlässen. Ferner ist ein äußeres Gehäuse mit einem oder mehreren Einlassanschlüssen vorgesehen, wobei der Kühlmittelstrom in fließender Weise zwischen dem Kühlmantel und dem äußeren Gehäuse eingekapselt ist.
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Um eine gute Wärmeleitung zwischen der Wärmequelle im Stator und dem den Stator umschließenden Kühlmantel zu erreichen sowie eine Übertragung des Drehmoments zum tragenden Bauteil zu ermöglichen, ist der Kühlmantel stets durch einen Pressverband mit dem Stator verbunden. Die Verbindung zwischen dem Kühlmantel und dem den Kühlmantel umschließenden Gehäuse ist nach aktuellem Stand der Technik auf unterschiedliche Arten ausgeführt. Je nach Anwendung kommen Spielpassungen und Pressverbände zum Einsatz.
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Sollte auch bei Betriebstemperatur eine Presspassung vorliegen, ist sowohl der Kühlmantel entlang seiner Mantelfläche als auch das Kühlmittel im Kontakt mit dem Gehäuse. Durch den direkten Kontakt zwischen dem Kühlmantel und dem Gehäuse bei vorliegender Presspassung besteht ein niedriger Wärmeübergangswiderstand zwischen diesen beiden Elementen. Für den Fall, dass das Gehäuse einer kühlen Umgebung, insbesondere einem kühlen Konvektionsstrom ausgesetzt ist, wird die Kühlung durch diesen guten Wärmeübergang weiter verbessert. Denn hierdurch wird die Wärme nicht ausschließlich vom durchströmenden Kühlmittel abgeführt, sondern auch direkt über das Maschinengehäuse an die Umgebung abgegeben.
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Insbesondere bei Anwendungen in Elektro- oder Hybridfahrzeugen befindet sich die dynamoelektrische Traktionsmaschine in der Regel in einem gekapselten Raum, beispielsweise innerhalb des Motorraums. In derartigen Fahrzeugen befinden sich neben der elektrischen Traktionsmaschine noch weitere Wärmequellen wie ein Getriebe oder ein Verbrennungsmotor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung dynamoelektrischer Maschinen, die sich in der Nähe weiterer Wärmequellen befinden, zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch eine dynamoelektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass unter gewissen Umgebungsbedingungen eine thermische Isolation des Gehäuses der dynamoelektrischen Maschine gegenüber den aktiven Teilen der dynamoelektrischen Maschine wie beispielsweise den Wicklungen, den Weicheisenteilen bzw. etwaigen Permanentmagneten, gegenüber einer guten wärmeleitenden Anbindung vorzuziehen ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die dynamoelektrische Maschine innerhalb eines elektrischen Antriebs für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, eingebaut ist. Derartige Fahrzeuge enthalten in der Regel weitere Wärmequellen. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise das Getriebe eines Fahrzeugs oder der Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeugs zu nennen.
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Die erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine umfasst zunächst einen insbesondere zylinderförmig gestalteten Stator, der einen Rotor insbesondere konzentrisch umschließt. Der Stator ist erfindungsgemäß mit einem Kühlmantel zur Führung eines Kühlmediums umschlossen. Vorzugsweise umfasst der Kühlmantel Kühlkanäle, die in Umfangsrichtung und mitunter auch in axialer Richtung um den Stator der dynamoelektrischen Maschine geführt sind.
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Besagter Kühlmantel wird erfindungsgemäß von einem Gehäuse umschlossen.
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Das Gehäuse kann nun unter den zuvor genannten Umgebungsbedingungen in thermischen Kontakt mit weiteren Wärmequellen stehen. Um nun zu verhindern, dass die dynamoelektrische Maschine über das Gehäuse von besagten Wärmequellen erwärmt wird, ist erfindungsgemäß eine Kühlmantelumhüllung vorgesehen, die auf eine Außenfläche des Kühlmantels aufgebracht ist und durch einen Luftspalt radial von einer Innenwandung des Gehäuses beabstandet ist. Somit wird der Kühlmantel nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt nach außen hin durch die Gehäuseinnenwandung direkt abgedichtet, sondern durch die erfindungsgemäße Kühlmantelumhüllung. Die thermische Isolation zum Gehäuse wird dadurch erreicht, dass zwischen der zylindrischen Außenfläche der Kühlmantelumhüllung und der Innenwandung des Gehäuses ein Luftspalt verbleibt. Hierdurch wird erreicht, dass das in den Kühlkanälen zirkulierende Kühlmedium primär die Wärme der dynamoelektrischen Maschine aufnehmen kann und nicht noch zusätzlich durch einen Wärmeintrag einer weiteren Wärmequelle über das Gehäuse erhitzt wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlmantelumhüllung topfförmig ausgebildet, liegt im Bereich des Topfbodens an einer ersten Stirnseite des Stators an und ist über einen axial verlaufenden Luftspalt von einer Innenwandung des Gehäuses beabstandet. Somit ergibt sich die thermische Isolation sowohl über einen radial verlaufenden Luftspalt im Bereich der zylinderförmigen Mantelfläche des mit dem Kühlmantel verbundenen Stators als auch an einer der axialen Stirnseiten der dynamoelektrischen Maschine über einen axial verlaufenden Luftspalt. Besagte Anordnung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass auch der Kühlmantel und die Kühlmantelumhüllung topfförmig ausgebildet sind. Mitunter befindet sich eine erste topfförmige Konstruktion bestehend aus dem Kühlmantel und seiner Kühlmantelumhüllung in einer zweiten, durch das Gehäuse gebildeten topfförmigen Konstruktion. Kennzeichnend für diese Topf-in-Topf-Konstruktion ist, dass die beiden besagten Töpfe durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel eine Kühlmitteleinlassöffnung und eine Kühlmittelauslassöffnung aufweist, wobei besagte Öffnungen in axialer Richtung außerhalb des vom Gehäuse umschlossenen Bereiches des Kühlmantels angeordnet sind. Bei Standardausführungen gemäß dem Stand der Technik ohne thermische Isolation gegenüber dem Gehäuse sind die Zu- und Ablaufstutzen in axialer Richtung auf Hohe der Kühlkanäle positioniert. Hierzu müsste allerdings bei der vorliegenden Erfindung die thermische Isolationsschicht von den Kühlmittelleitungen durchstoßen werden, wodurch eine thermische Brücke entstehen würde. Dies wird durch besagte vorteilhafter Ausbildung der Erfindung umgangen, indem die Kühlmitteleinlass- und -auslassöffnung axial gegenüber dem Gehäuse versetzt wird, so dass eine Durchdringung der Isolationsschicht vermieden werden kann.
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Hier kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen werden, dass die Öffnung im Bereich einer zweiten Stirnseite des Stators angeordnet sind, die der ersten Stirnseite gegenüberliegt.
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Eine dynamoelektrische Maschine gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird besonders vorteilhaft als Komponente eines elektrischen Antriebs für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Innerhalb eines solchen Fahrzeugs befinden sich in der Regel weitere Antriebselemente, die zwangsläufig aufgrund begrenzten Bauraums wärmeleitend mit dem Gehäuse der dynamoelektrischen Maschine verbunden sind. Durch die erfindungsgemäße thermische Isolation des Gehäuses vom Kühlmantel der dynamoelektrischen Maschine wird ein Wärmeeintrag in die Maschine durch diese weiteren Antriebselemente, bei denen es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor oder ein Getriebe handeln kann, verhindert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführung eines Kühlmantels mit einer Kühlmantelumhüllung, der von einem Gehäuse eingehaust ist und
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2 eine zweite Ausführung eines Kühlmantels mit einer Kühlmantelumhüllung, der von einem Gehäuse eingehaust ist.
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1 zeigt eine erste Ausführung eines Kühlmantels 1 mit einer Kühlmantelumhüllung 2, der von einem Gehäuse 3 eingehaust ist. Sowohl der Kühlmantel 1 als auch die Kühlmantelumhüllung 2 besitzen eine im Wesentlichen zylinderförmige Mantelfläche. Die Kühlmantelumhüllung 2 ist ferner topfförmig ausgebildet. Mithin wird ihre zylinderförmige Mantelfläche einseitig durch eine Bodenfläche abgeschlossen. Der Kühlmantel 1 umfasst Kühlkanäle 4, durch die ein flüssiges Kühlmedium wie beispielsweise Wasser oder Öl hindurchgeführt wird. Die Kühlkanäle 4 werden seitlich durch Stege 5 begrenzt und radial betrachtet nach außen durch die Kühlmantelumhüllung 2 abgedichtet.
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An den beiden stirnseitigen Enden des Kühlmantels 1 befinden sich Einstiche 6, in denen nicht dargestellte O-Ringe zur Abdichtung des Kühlmantels platziert sind.
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Die Kühlmantelumhüllung 2 befindet sich nahezu vollständig in dem ebenfalls näherungsweise topfförmig ausgebildeten Gehäuse 3. Jedoch sind die Mantelfläche der Kühlmantelumhüllung 2 und die Bodenfläche der Kühlmantelumhüllung 2 von der Innenwand des Gehäuses 3 über einen Luftspalt 7 beabstandet. Lediglich an dem dem Boden der Kühlmantelumhüllung 2 gegenüberliegenden Ende weist die Kühlmantelumhüllung 2 einen Kragen 8 auf, der in einem kleinen Bereich mit dem Gehäuse 3 mechanisch verbunden ist. Dieser Kragen 8 stellt den einzigen unmittelbaren mechanischen Kontakt zwischen dem Gehäuse 3 und der Kühlmantelumhüllung 2 dar. Somit bildet der kleine Bereich des Kragens 8 die einzige Verbindung des Gehäuses 3 zur Kühlmantelumhüllung 2 und somit zum Rest der dynamoelektrischen Maschine, die den Luftspalt 7 brückt. Zur Verbesserung der thermischen Isolation zwischen Gehäuse und der dynamoelektrischen Maschine kann an diesem Verbindungsstück zwischen dem Gehäuse 3 und dem Kragen 8 eine thermische Isolationsschicht vorgesehen werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführung eines Kühlmantels 1 mit einer Kühlmantelumhüllung 2, der von einem Gehäuse 3 eingehaust ist. Funktional gleichwirkende Elemente sind hier mit denselben Bezugszeichen wie in 1 versehen.
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Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 sind hier zunächst keine durch Stege 5 abgetrennten Kühlrippen vorgesehen. Ferner ist eine Kühlmitteleinlassöffnung 9 dargestellt, die in den Kühlmantel 2 selbst integriert und axial versetzt ist. Eine nicht dargestellte Kühlmittelauslassöffnung befindet sich in Umfangsrichtung betrachtet versetzt zu der Kühlmitteleinlassöffnung 9. Die Kühlmitteleinlassöffnung 9 und die Kühlmittelauslassöffnung befinden sich in axialer Richtung betrachtet außerhalb des vom Gehäuse 3 eingehausten Bereiches. Demnach gelingt die Kühlmittelzu- und -abfuhr, ohne den Luftspalt zwischen dem Gehäuse 3 und der Kühlmittelumhüllung 2 zu durchstoßen und mithin eine Wärmebrücke zu bilden.
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Um zu gewährleisten, dass das Kühlmittel mit möglichst niedriger Temperatur in die Kühlmitteleinlassöffnung 9 eintritt, ist diese zweckmäßigerweise auf der von sekundären Wärmequellen abgewandten Seite zu platzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmantel
- 2
- Kühlmantelumhüllung
- 3
- Gehäuse
- 4
- Kühlkanal
- 5
- Stege
- 6
- Einstiche
- 7
- Luftspalt
- 8
- Kragen
- 9
- Kühlmitteleinlassöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008030524 A1 [0004]
