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Die Erfindung betrifft eine Fluidkühlanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und im Weiteren eine elektrische Maschine mit einer Fluidkühlanordnung.
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Eine gattungsgemäße Fluidkühlanordnung ist beispielsweise bereits mit der
DE 10 2012 215 018 A1 bekannt geworden. Die dort beschriebene Fluidkühlanordnung ist als ein Statorkühlmantel einer elektrischen Maschine ausgebildet und weist eine radial äußere und eine radial inneren Mantelfläche auf, die einen geschlossenen Fluidkanal aufspannen, in welchen ein Kühlfluid um den Stator herumgeführt wird und eine Verlustwärme abführen kann. Der Fluidkanal ist in der Haupterstreckungsrichtung des Kühlmantels, also in der Umfangsrichtung mittels Trennwänden mäanderförmig ausgebildet, so dass die Strömungsrichtung des Kühlfluids abschnittweise wiederholt axial wechselt. In den Kühlkanal sind zusätzlich Leitstege eingebracht, welche jeweils eine Aufspaltung in parallele Teilströmungen und somit eine Reduzierung von Totwassergebieten und insgesamt eine Erhöhung der Kühlwirkung bewirken sollen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Fluidkühlanordnung der eingangs genannten Art zu verbessern und die Kühleffizienz zu erhöhen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Fluidkühlanordnung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und mit einer elektrischen Maschine mit einer Fluidkühlanordnung gemäß der Patentansprüche 7 und 8 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren entnehmbar.
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Demnach wird eine Fluidkühlanordnung vorgeschlagen, welche einen von einem Kühlfluid durchströmbaren und zwischen zwei Begrenzungsflächen ausgebildeten Fluidkanal umfasst. Der Fluidkanal breitet sich in einer Haupterstreckungsrichtung der Fluidkühlanordnung zwischen einem Fluideinlass und einem Fluidauslass aus.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fluidkanal zumindest einen ersten Kanalbereich und einen zweiten Kanalbereich aufweist, welche strömungsmäßig parallel zueinander angeordnet sind und welche gemeinsam von dem Kühlfluid durchströmt werden. Dabei sind die Kanalbereiche entlang einer gegenseitigen räumlichen Erstreckung im Wesentlichen offen zum gegenseitigen Austausch von Kühlfluid ausgebildet. Mit anderen Worten sind die Kanalbereiche nicht wie im Stand der Technik durch undurchströmbare Hindernisse wie Leitstege und Trennwände fluidisch voneinander getrennt, sondern im Gegensatz dazu grundsätzlich miteinander fluidisch verbunden. Dabei soll weiter in einer Abstandsrichtung zwischen den Begrenzungsflächen der erste Kanalbereich gegenüber dem zweiten Kanalbereich eine größere Erstreckung aufweisen.
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Eine gezielte bzw. eine definierte Führung des Kühlfluids innerhalb des Fluidkanals wird also hierbei nicht durch Fluidsperren, also durch undurchströmbare Hindernisse, sondern durch eine gezielte unterschiedliche Dimensionierung der Kanalbereiche bewirkt. Durch den Entfall von Fluidsperren wird die Raumausnutzung der Fluidkühlanordnung verbessert. Durch das Vorsehen von strukturell unterschiedlichen Kanalbereichen kann gezielt eine gewünschte lokale Führung des Kühlfluids innerhalb des Fluidkanals eingestellt werden. Gleichzeitig kann das Kühlfluid dennoch in alle Raumbereiche des Fluidkanals eindringen und diese ohne die Ausbildung von Totwassergebieten durchströmen, so dass dadurch insgesamt die Kühleffizienz verbessert werden kann.
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Durch die vorgeschlagene unterschiedliche Erstreckung der Kanalbereiche kann das Kühlfluid in dem ersten Kanalbereich mit einer vergleichsweise hohen Fließgeschwindigkeit fließen, so dass dadurch ein hoher Wärmeübergangskoeffizient bewirkt wird. Dagegen kann das Kühlfluid in dem zweiten Kanalbereich mit einer dazu vergleichsweise niedrigeren Fließgeschwindigkeit fließen, wodurch ein niedrigerer Wärmeübergangskoeffizient resultiert. Die Kanalbereiche können beispielsweise so dimensioniert sein, dass der erste Kanalbereich eine vergleichsweise kleinere Fläche und der zweite Kanalbereich auf eine vergleichsweise größere Fläche ausgelegt ist.
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Durch die hier vorgeschlagene Ausbildung von zwei Kanalbareichen stellt sich dort unterschiedliche Fluid-Druckniveaus ein, wobei in dem ersten Kanalbereich der grö-ßere Fluiddruck vorherrscht. Der Druckabfall zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass ist in dem zweiten Kanalbereich gegenüber dem ersten Kanalbereich größer. Durch den höheren Fluiddruck im ersten Kanalbereich kann somit Kühlfluid in den zweiten Kanalbereich übertreten, um die an diesen angrenzenden Flächen zu kühlen. Durch diesen Austausch von Kühlfluid werden die in den unterschiedlichen Kanalbereichen wirkenden verschiedenen Fluid-Druckniveaus tendenziell angeglichen.
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An der Fluidkühlanordnung weisen der erste Kanalbereich einen ersten Kanalquerschnitt und der zweite Kanalbereich einen zweiten Kanalquerschnitt auf. Weiter weist das Kühlfluid an dem ersten Kanalbereich eine erste lokale Strömungsrichtung und in dem zweiten Kanalbereich eine zweite lokale Strömungsrichtung auf. Mit anderen Worten unterscheiden sich gemäß der Erfindung in einem Schnitt durch den Fluidkanal senkrecht zu der jeweiligen lokalen Strömungsrichtung die beiden Kanalquerschnitte in deren Querschnittsform, wobei insbesondere zwischen den Begrenzungsflächen der erste Kanalbereich größer bzw. höher ausgebildet ist als der zweite Kanalbereich.
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Weiter verallgemeinert können die Kanalbereiche mit Vorteil gegenseitig sowohl hinsichtlich deren Länge und deren Querschnitt so dimensioniert sein, dass eine zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass auftretende Fließgeschwindigkeit des Kühlfluids in dem ersten Kanalbereich gegenüber einer in dem zweiten Kanalbereich auftretenden Fließgeschwindigkeit höher ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Begrenzungsflächen an zwei Kanalwandelementen ausgebildet, welche in der Haupterstreckungsrichtung der Fluidkühlanordnung vom Fluideinlass zum Fluidauslass im Wesentlichen einen konstanten Abstand aufweisen. Das heißt, dass sich die Kanalwandelemente im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken oder im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform können in gegenseitiger Relation zueinander der erste Kanalbereich eine linienförmige Ausdehnung und der zweite Kanalbereich eine flächenhafte Ausdehnung aufweisen, wobei der erste Kanalbereich innerhalb der flächenhaften Ausdehnung des zweiten Kanalbereichs angeordnet ist. Die linienförmige Ausdehnung des ersten Kanalbereichs kann auf vielfältige unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise schlangenförmig, mäanderförmig oder etwa spiralförmig. Im Vergleich der Kanalbereiche kann der erste Kanalbereich also räumlich eng begrenzt und gerichtet ausgebildet sein, während der zweite Kanalbereich räumlich weitläufiger und strukturell zweidimensional ohne eine Vorzugsrichtung ausgebildet sein kann. Der erste Kanalbereich kann demzufolge zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass räumlich unterschiedlich ausgerichtete Abschnitte aufweisen. Draus ergibt sich weiter, dass eine von dem Kühlfluid beim Durchströmen des Fluidkanals wahrgenommene effektive Länge des ersten Kanalbereichs größer ist als eine effektive Länge des zweiten Kanalbereichs. Der erste Kanalbereich kann so gezielt entlang einer Mehrzahl von räumlich verteilten Hot-Spots verlaufen und diese mit hoher Effizienz kühlen.
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Fertigungstechnisch kann bei der vorgeschlagenen Fluidkühlanordnung eines der Kanalwandelemente aus einem Blechkörper gebildet sein, wobei der erste Kanalbereich einen gegenüber einer Grundfläche des Blechkörpers herausgehoben Bereich umfasst. Das entsprechende Kanalwandelement ist als ein Blechumformteil ausgebildet. Alternativ dazu kann dieses Kanalwandelement auch als ein Massivteil gefertigt sein, wobei der erste Kanalbereich eine linienförmige bzw. nutförmige Ausnehmung aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem zu diesem drehbar angeordneten Rotor vorgeschlagen, wobei der Stator eine wie zuvor beschrieben ausgebildete Fluidkühlanordnung umfasst. Die Kanalwandelemente bilden dabei ein radial inneres und ein radial äußeres Kanalwandelement eines Kühlmantels des Stators aus, wobei sich die Fluidkühlanordnung in Umfangsrichtung an dem Stator erstreckt und dort insbesondere ein Statorblechpaket mit einer Statorwicklung effektiv kühlen kann.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem zu diesem drehbar angeordneten Rotor vorgeschlagen, wobei der Stator eine wie zuvor beschrieben ausgebildete Fluidkühlanordnung umfasst. Die Kanalwandelemente sind dabei an einer stirnseitigen Abdeckung des Stators ausgebildet, wobei sich die Fluidkühlanordnung radial an der Maschine bzw. radial zum Stator erstreckt. Auf diese Weise kann beispielsweise in einem stirnseitigen Deckelelement eine ebenflächige Fluidkühlanordnung mit einem etwa scheibenförmigen oder ringscheibenförmigen Kühlkanal bereitgestellt werden und die elektrische Maschine kühlen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer als Kühlmantel ausgebildeten Fluidkühlanordnung;
- 2 eine schematische zweidimensionalen Darstellung eines Kühlmantels;
- 3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer als stirnseitiges Deckelelement ausgebildeten Fluidkühlanordnung:
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1 zeigt eine als Innenläufermaschine ausgebildete elektrische Maschine 10 mit einem Stator 12 und mit einem dazu drehbar um eine Achse A gelagerten Rotor 14. Der Stator 12 ist dabei an einem Statorträger 16 festgelegt, welcher gleichzeitig als ein Gehäuse der Maschine 10 ausgebildet ist. Der Stator 12 trägt eine an einem Blechpaket 18 festgelegte mehrphasige Statorwicklung 20 mit Spulen 22, die mit deren Spulenenden mittels einer gemeinsamen Verschaltungseinrichtung 24 über einen Wechselrichter 26 mit einem Energiespeicher 28 verbunden sind, um somit einen motorischen oder generatorischen Betrieb der Maschine 10 zu ermöglichen.
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Zur Abführung einer beim Betrieb der Maschine 10 erzeugten Verlustwärme ist am Stator 12 eine als ein Kühlmantel 30 ausgebildete Fluidkühlanordnung 40 vorgesehen, welche sich in Umfangsrichtung am Stator 12 erstreckt und dort insbesondere das Statorblechpaket 18 und die Statorwicklung 20 kühlen kann.
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Die Fluidkühlanordnung 40 bzw. hier der Kühlmantel 30 umfasst einen von einem Kühlfluid durchströmbaren und zwischen zwei Begrenzungsflächen 42a, 44a ausgebildeten Fluidkanal 50, welcher sich in einer Haupterstreckungsrichtung D entlang des Statorumfangs zwischen einem Fluideinlass 60 und einem Fluidauslass 62 erstreckt. Die genannten Begrenzungsflächen 42a, 44a sind dabei an einem radial inneren und an einem radial äußeren Kanalwandelement 42, 44 ausgebildet, welche bezüglich der Achse A koaxial zueinander angeordnet sind und demzufolge in Umfangsrichtung und in Axialrichtung der Fluidkühlanordnung 40 im Wesentlichen einen konstanten Abstand aufweisen. Das innere Kanalwandelement 42 wird vorliegend durch den Statorträger 16 gebildet und kann insbesondere als ein Gussteil oder als ein Blechteil ausgeführt sein. Das äußere Kanalwandelement 44 ist als ein Blechumformteil gefertigt. Die Kanalwandelemente 42, 44 sind fluiddicht miteinander verbunden, was zum Beispiel durch Schweißnähte 45 oder durch eine Presspassung erfolgen kann, wobei gegebenenfalls in einer bekannten Weise Dichtelemente eingefügt sein können.
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In 1 ist erkennbar, dass der zwischen den Kanalwandelementen 42, 44 aufgespannte Fluidkanal 50 in axialer Richtung betrachtet nicht mit einer konstanten radialen Erstreckung ausgebildet ist, sondern dass die radiale Erstreckung vielmehr abschnittweise variiert. Dieser Ausbildung entsprechend weist der Fluidkanal 50 einen ersten Kanalbereich 52 und einen zweiten Kanalbereich 54 mit einer in radialer Richtung unterschiedlichen Erstreckung auf. Genauer ist in einer Abstandsrichtung zwischen den Begrenzungsflächen 42a, 44a der erste Kanalbereich 52 gegenüber dem zweiten Kanalbereich 54 mit einer größeren Erstreckung ausgebildet. Ein in der Abstandsrichtung gemessenes Höhenverhältnis des ersten Kanalbereichs 52 zum zweiten Kanalbereich 54 kann beispielsweise einen Wert zwischen etwa 2 und etwa 4 einnehmen und insbesondere zwischen 2 und 3 liegen. Insbesondere hat sich ein Wert von etwa 2,5 als vorteilhaft erwiesen. Der Zur Ausbildung dieser Form ist aus dem Kanalwandelement 44 bzw. dem Blechumformteil gegenüber der zylindrischen Grundfläche ein zusammenhängender Bereich 44b herausgedrückt bzw. nach radial außen herausgeformt, welcher dem ersten Kanalbereich 52 zugeordnet ist und dessen äußere Wandung bildet. Sowohl der Fluideinlass 60 als auch der Fluidauslass 62 sind im Ausführungsbeispiel am ersten Kanalbereich 52 vorgesehen.
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2 zeigt eine Projektion eines gegenüber 1 bezüglich der Lage von Fluideinlass 60 und Fluidauslass 62 modifizierten Kühlmantels 30. Gemäß der Darstellung von 2 ist der erste Kanalbereich 52 im Ausführungsbeispiel mäanderförmig ausgebildet und weist damit allgemein eine linienförmige Ausdehnung auf, während der zweite Kanalbereich 54 eine vergleichsweise flächenhafte Ausdehnung aufweist. Wie unmittelbar erkennbar, ist der erste Kanalbereich 52 innerhalb der flächenhaften Ausdehnung des zweiten Kanalbereichs 54 angeordnet.
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Der erste Kanalbereich 52 ist somit räumlich eng begrenzt und gerichtet ausgebildet, während der zweite Kanalbereich 54 räumlich weitläufiger und strukturell zweidimensional ohne eine Vorzugsrichtung ausgebildet ist. Durch den mäanderförmigen Verlauf weist der erste Kanalbereich 52 zwischen dem Fluideinlass 60 und dem Fluidauslass 62 räumlich unterschiedlich ausgerichtete Abschnitte 52a, 52b mit einer wechselnden Fließrichtung auf. Eine von dem Kühlfluid beim Durchströmen des Fluidkanals 50 wahrgenommene effektive Länge des ersten Kanalbereichs 52 ist damit größer ist als eine effektive Länge des zweiten Kanalbereichs 54. In 1 sind eine Fluidströmung S1 im ersten Kanalbereich 52 und eine Fluidströmung S2 im zweiten Kanalbereich jeweils durch Pfeile angegeben.
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Die genannten Kanalbereiche 52, 54 sind strömungsmäßig parallel zueinander angeordnet und können somit gemeinsam von dem Kühlfluid durchströmt werden. Weiter sind die beiden Kanalbereiche 52, 54 entlang einer gegenseitigen räumlichen Erstreckung zum gegenseitigen Austausch von Kühlfluid offen ausgebildet (1). Das bedeutet, dass im ersten Kanalbereich 52 die Fluidströmung S1 dominiert, wobei die Richtung der Fluidströmung S1 entsprechend dem Verlauf des Kanalbereichs 52 wechselt und diesem im Wesentlichen folgt. In dem zweiten Kanalbereich 54 ist dagegen die Fluidströmung S2 dominant, welche mit deren Hauptanteil entlang der Umfangsrichtung des Stators 12 folgt.
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In dem so ausgebildeten Kühlmantel 30 ist der Druckabfall zwischen dem Fluideinlass 60 und dem Fluidauslass 62 in dem zweiten Kanalbereich 54 gegenüber dem ersten Kanalbereich 52 größer. Somit herrscht in dem ersten Kanalbereich 52 gegenüber dem zweiten Kanalbereich 54 ein größerer Fluiddruck. Dadurch kann Kühlfluid entlang des ersten Kanalbereichs 52 von diesem in den zweiten Kanalbereich 54 übertreten, um die an diesen angrenzende Fläche zu kühlen. Die Fluidkühlanordnung strebt durch diesen Austausch von Kühlfluid permanent eine Erniedrigung der zwischen den unterschiedlichen Kanalbereichen 52, 54 wirkenden Fluid-Druckdifferenz an.
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Das Kühlfluid kann im Ergebnis in dem ersten Kanalbereich 52 mit einer vergleichsweise hohen Fließgeschwindigkeit fließen, so dass dadurch ein hoher Wärmeübergangskoeffizient bewirkt wird. Dagegen fließt das Kühlfluid in dem zweiten Kanalbereich 54 mit einer dazu vergleichsweise niedrigeren Fließgeschwindigkeit, wodurch ein vergleichsweise niedrigerer Wärmeübergangskoeffizient resultiert. Ein Verhältnis der Fließgeschwindigkeit des ersten Kanalbereichs 52 zu der des zweiten Kanalbereichs 54 kann dabei zumindest 5:1 oder größer sein und beispielsweise 7:1 betragen oder noch größer sein. Die Kanalbereiche 52, 54 sind zudem so dimensioniert, dass der erste Kanalbereich 52 eine vergleichsweise kleinere Fläche und der zweite Kanalbereich 54 eine vergleichsweise größere Fläche am äußeren Umfang des Stators 12 einnimmt, wie das in 2 zu erkennen ist. Der Anteil einer Wärmeübertragungsfläche des Kanalbereichs 52 kann etwa lediglich 1/3 oder weniger, also beispielsweise 25% von der Wärmeübertragungsfläche des gesamten Fluidkanals 50 betragen. Es ist jedoch in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung auch möglich, diesen Anteil davon ausgehend zu erhöhen oder zu erniedrigen. Grundsätzlich können die entsprechenden Parameter für einen gewünschten optimalen Kühleffekt anhand von Simulationen ermittelt oder experimentell bestimmt werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem mit den 1, 2 dargestellten Kühlmantel 30 kann sich die Fluidkühlanordnung 40 auch stirnseitig an der Maschine 10 befinden, wie das beispielhaft mit 3 dargestellt ist. Die beiden Kanalwandelemente 42, 44 sind dabei als eine stirnseitige Abdeckung 70 der Maschine 10 und insbesondere des Stators 12 ausgebildet und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander. Die Fluidkühlanordnung 40 erstreckt sich dabei radial zum Stator 12 und ist ebenflächig und mit einem insgesamt etwa ringscheibenförmigen Fluidkanal 50 ausgebildet. Der erste Kanalbereich 52 weist hierbei wiederum in einer Abstandsrichtung zwischen den Begrenzungsflächen 42a, 44a gegenüber dem zweiten Kanalbereich 54 eine größere Erstreckung auf und kann insbesondere spiralförmig ausgeführt sein. Der weitere Aufbau und die Funktionsweise der Fluidkühlanordnung 40 entsprechen dem mit 1 erläuterten Ausführungsbeispiel.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Statorträger
- 18
- Blechpaket
- 20
- Statorwicklung
- 22
- Spulen
- 24
- Verschaltungseinrichtung
- 26
- Wechselrichter
- 28
- Energiespeicher
- 30
- Kühlmantel
- 40
- Fluidkühlanordnung
- 42
- Kanalwandelement
- 42a
- Begrenzungsfläche
- 44
- Kanalwandelement
- 44a
- Begrenzungsfläche
- 44b
- ausgestellter Bereich
- 45
- Schweißnaht
- 50
- Fluidkanal
- 52
- erster Kanalbereich
- 52a
- Abschnitt
- 52b
- Abschnitt
- 54
- zweiter Kanalbereich
- 60
- Fluideinlass
- 62
- Fluidauslass
- 70
- Abdeckung
- A
- Achse
- D
- Haupterstreckungsrichtung
- S1
- Fluidströmung im ersten Kanalbereich
- S2
- Fluidströmung im zweiten Kanalbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012215018 A1 [0002]
