DE102020209761A1

DE102020209761A1 - Elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102020209761A1
Application number: DE102020209761.5A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Seidl; Rainer Hofkirchner; Martin KOENIGSECKER; Elvis Vrevic
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-02-03
Also published as: CN114069972A; CN114069972B; US20220037953A1

Abstract

Elektrisches Antriebssystem (1), umfassend eine elektrische Maschine (14), ein an der elektrischen Maschine (14) angebundenes Getriebe (2) und ein Inverter (3), wobei das elektrische Antriebssystem (1) ein mindesten zweiteiliges Gehäuse (7) umfasst, und das elektrische Antriebssystem (1) zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe (4, 10) für den Inverter (3) und die elektrische Maschine (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühlkreisläufe (4,10) über einen Wärmetauscher (19) thermisch in Verbindung stehen, der zwischen dem Inverter (3) und der elektrischen Maschine (14) im Gehäuse (7) eingebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, umfassend eine elektrische Maschine, ein an der elektrischen Maschine angebundenes Getriebe und ein Inverter, wobei das elektrische Antriebssystem ein mindesten zweiteiliges Gehäuse umfasst, und das elektrische Antriebssystem zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe für den Inverter und die elektrische Maschine aufweist.
Stand der Technik
Elektrische Antriebe im automotiven Bereich werden zunehmend unter kleineren Bauraumbedingungen eingesetzt. Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie in elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Motoren, entstehen Verluste in Form von Wärme. Diese Wärmeverluste müssen abgeführt werden, um eine Überhitzung und eine Beschädigung der elektrischen Maschine zu verhindern. Zudem kann die Abfuhr der Wärme zu einem besseren Wirkungsgrad führen.
Die Kühlung des Antriebs spielt also eine essenzielle Rolle, um eine angemessene Leistungsausnutzung erreichen zu können, ohne dabei thermische Limitierungen zu überschreiten.
Aus der DE 10 2014 215 758 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, mit einem von einem ersten Arbeitsfluid durchströmbaren ersten Kreislauf und einem von einem zweiten Arbeitsfluid durchströmbaren zweiten Kreislauf. Dabei sind der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf hermetisch ausgebildet. Des Weiteren weisen der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf eine gemeinsame Wärmetauscherfläche auf, wobei die Wärmetauscherfläche derart ausgebildet ist, dass thermische Energie von dem ersten Arbeitsfluid des ersten Kreislaufs auf das zweite Arbeitsfluid des zweiten Kreislaufs und/oder umgekehrt von dem zweiten Arbeitsfluid auf das erste Arbeitsfluid über die Wärmetauscherfläche übertragbar ist. Die Übertragungsrichtung kann z.B. mit der Zeit wechseln.
Das zweite Arbeitsfluid des zweiten Kreislaufs, ein Wasser-Glykol-Gemisch, wird zumindest zeitweise zur Kühlung oder Erwärmung des ersten Arbeitsfluids des ersten Kreislaufs genutzt. Dazu kann im Bereich eines gewünschten oder vorbestimmten Wärmeübergangs beispielsweise über die bestehende Mantelfläche der Rohre des zweiten Kreislaufs eine zweite Mantelfläche in einem vorgegebenen Abstand angeordnet werden, in dem das erste Arbeitsfluid des ersten Kreislaufs, nämlich Öl, entlang der Mantelfläche des zweiten Kreislaufs geführt wird. Dieser Bereich der Mantelfläche des zweiten Kühlkreislaufs bildet somit die gemeinsame Wärmetauscherfläche des ersten und des zweiten Kreislaufs. Dadurch, dass die Kreisläufe hermetisch ausgebildet sind, ergibt sich eine indirekte Wärmeübertragung mittels der gemeinsamen Wärmetauscherfläche, sodass Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind.
Im Betrieb der elektrischen Maschine wird der erste Kreislauf von einem ersten Arbeitsfluid und ein zweiter Kreislauf von einem zweiten Arbeitsfluid durchströmt. Die elektrische Maschine ist mit einem Getriebe integriert, wobei der erste Kreislauf ein Kühlkreislauf für das Getriebe und der zweite Kreislauf ein Kühlkreislauf für den Rotor und/oder für den Stator und/oder für den Umrichter der elektrischen Maschine ist. Mit anderen Worten nimmt das erste Arbeitsfluid des ersten Kreislaufes die thermischen Verluste aus dem Getriebe auf und gibt diese thermischen Verluste an das zweite Arbeitsfluid in dem zweiten Kreislauf über die Wärmetauscherfläche weiter, wohingegen das zweite Arbeitsfluid neben den thermischen Verlusten aus dem Getriebe auch die thermischen Verluste der elektrischen Maschine, insbesondere die thermischen Verluste des Motors und/oder des Umrichters, abnimmt und diese Verluste an die Umgebung und/oder ein drittes Arbeitsfluid abgibt.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Antriebseinheit zu bauen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine bauraumeffiziente und hochintegrierte Lösung zur Wärmeabfuhr und Schmierung sämtlicher Komponenten der elektrischen Antriebseinheit.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einem elektrischen Antriebssystem, umfassend eine elektrische Maschine, ein an der elektrischen Maschine angebundenes Getriebe und ein Inverter, wobei das Antriebssystem ein mindesten zweiteiliges Gehäuse umfasst, und das elektrische Antriebssystem zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe für den Inverter und die elektrische Maschine aufweist, wobei die beiden Kühlkreisläufe über einen Wärmetauscher thermisch in Verbindung stehen, der zwischen dem Inverter und der elektrischen Maschine im Gehäuse eingebaut ist.
Dadurch, dass der Wärmetauscher zwischen den beiden Hauptbaugruppen, dem in Wärter und der elektrischen Maschine verbaut ist, ist eine optimale thermische Anbindung an diese beiden Baugruppen möglich. Das Management der Wärmeabfuhr wird dadurch optimiert.
Dafür ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher einen Boden und einen Deckel aufweist, die jeweils beide als Wärmetauscherfläche zwischen dem ersten und zweiten Kühlkreislauf dienen.
Um den Wärmeaustausch zu optimieren weist der Wärmetauscher Strukturen zur Entlüftung des zweiten Fluids auf.
Dazu werden Rippen und Noppen sind, die zur Anströmung durch das zweite Fluid verbaut sind, eingesetzt.
Baulich sind die Rippen dabei so ausgestaltet, dass sich die Rippen sich bündig zwischen Boden und Deckel des Wärmetauschers erstrecken, während die Noppen sich mit Abstand zum Deckel des Wärmetauschers erstrecken.
Die Ölauslässe sind mit einer Wand vom anströmende Fluid teilweise abgeschirmt, so dass das Fluid zuerst die Wand überwinden muss.
Dabei weisen Ölauslässe einen Siphon auf, der in einer verengten Leitung mündet.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

1 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Antriebseinheit,
2 zeigt ebenfalls einen Kühlmantel der elektrischen Antriebseinheit,
3 zeigt eine Ansicht auf einen Wärmetauscher,
4 zeigt den Deckel des Wärmetauschers,
5 zeigt eine Aufsicht auf das Innere des Wärmetauschers,
6 zeigt ein Detail des Ablaufs des Wärmetauschers,
7 zeigt einen Schnitt durch den Ablauf.

In 1 ist schematisch ein elektrisches Antriebssystem 1 dargestellt, das hochintegriert in einem Gehäuse 7 angeordnet ist. Das Gehäuse 7 besteht dabei maßgeblich aus zwei Gebäudeteilen 7a, 7b die vormontiert mit einander verbunden werden. Das Gehäuse 7 umfasst in seinem Gehäuseteil 7a eine elektrische Maschine 14 und ein Getriebe 2, sowie einen Ölpumpe 17. Der Gehäuseteil 7b umfasst hauptsächlich einen Inverter 3.
Das elektrische Antriebssystem 1 ist mit eine m ersten Kühlkreislauf 4 aufgebaut, der für eine Wasser- oder Glykol/Wasser-Kühlung als erstes Fluid ausgelegt ist. Der erste Kühlkreislauf 4 weist einen Einlass 5 und einen Auslass 13 auf und verläuft in Kühlkanälen im Inverter 3 nahe der Komponenten der Leistungselektronik des Inverters 3. Anschließend strömt das erste Fluid des ersten Kühlkreislaufs 4 in den Kühlmantel 12 des ersten Kühlkreislaufs, der den Stator 23 der elektrischen Maschine 14 umgibt. Dabei umfasst der Kühlmantel 12 Kühlkanäle 12a, die sich als Helix um den zylindrischen Mantel um den Stator 23 erstrecken.
Das elektrische Antriebssystem umfasst einen zweiten Kühlkreislauf 10, der eine zweites Fluid, nämlich Öl führt. Der zweite Kühlkreislauf 10 umfasst einen Ölsumpf 16, der als gemeinsamer Ölsumpf für die elektrische Maschine 14 und das Getriebe 2 aufgebaut ist, wobei auch eine geteilte Struktur möglich ist. Die elektrische Maschine 14 weist vorteilhafterweise einen Trockensumpf auf, während das Getriebe 2 einen normalen nassen Ölsumpf aufweist.
Aus dem Ölsumpf wird das Öl mit der Ölpumpe 18 durch einen Filter 17 in den zweiten Kühlkreislauf 10 gepumpt. Das Öl dient dabei der Kühlung des Rotors 24 der elektrischen Maschine 14 mit einem Konzept zum Versprühen des zweiten Fluids, sowie zur Schmierung der vorhanden Lagerstrukturen im elektrischen Antriebssystem 1.
2 zeigt nochmals den Kühlmantel 12 des Stators 23 mit dem Kühlkanal 12a. Man erkennt das Gehäuseteil 7a, das die elektrische Maschine als Hauptkomponente umfasst und das Gehäuseteil 7b mit dem Inverter 3.
3 zeigt einen Wärmetauscher 19, der im Gehäuseteil 7a des Gehäuses 7 und dem Gehäuseteil 7b verbaut ist. Das Gehäuseteil 7a weist auf seiner zylindrischen Außenhaut den Boden 9 des Wärmetauschers 19 auf. Dieser Boden 9 des Wärmetauschers 19 ist an der baulich höchsten Stelle des Gehäuseteils 7a angebracht. Der Boden 9 deckt die Kühlstruktur des Kühlmantels 12 ab, sodass die Temperatur des Bodens 9 von der Temperatur in den Kühlkanälen 12a des ersten Kühlkreislaufs 4 beeinflusst ist.
Der Boden 9 ist wannenartig ausgestaltet und weist über seine Fläche verteilt sowohl Noppen 27 als auch Rippen 26 auf. Die Rippen 26 erstrecken sich dabei so hoch, dass sie mit einem Deckel 25 abschließen. Die Noppen dagegen kontaktieren den Deckel 25 nicht. Durch einen Öleinlass 20 wird ein von der Ölpumpe 18 angesaugtes Öl-Luft-Gemischs in den Wärmetauscher 19 gepumpt. Das einströmende Fluid des zweiten Kühlkreislaufs 10 trifft dabei auf die Wandung und eine Rippe 26 und breitet sich innerhalb des Bodens aus. Die Ölauslässe 21, 22 sind hinter Rippen 26 versteckt angeordnet, so dass das aufschäumende Öl-Luft Gemisch sich auf dem Weg zu den Ölauslässen 21, 22 durch Anströmen der Rippen 26 bereits beruhigt. Die Noppen 27 verstärken den Effekt und helfen beim Entlüften.
Der Boden 9 des Wärmetauschers 19 wird von dem Deckel 25 verschlossen.
Die Ölauslässe 21, 22 des Wärmetauschers 19 sind speziell ausgestaltet.
Wie in den 6 und 7 zu erkennen ist, sind die Ölablässe 21, 22 mit einem Siphon 33 ausgestaltet. Dabei ist der jeweilige Ölablass 21, 22 mit einer abschirmenden Wand 34, die sich in etwa der Höhe der Noppen 27 erstreckt versehen. Nach der Wand ist der Siphon 33 angeordnet, der in einen Kühlkanal 35 mündet. Dabei wird die Luft über den Siphon 33 aus dem Wärmetauscher 19 gesaugt.
Dazu wird der Auslassquerschnitt im Bereich der beiden Ölauslässe 21, 22 reduziert.
Der Deckel 25 steht über seine Oberseite mit dem Inverter 3 in Verbindung, der vom ersten Kühlkreislauf 4 gekühlt wird. Somit sind beide Außenseiten des Wärmetauschers 19, der Boden 9 sowie der Deckel 25 jeweils mit Kühlleitungen des ersten Kühlkreislaufs 4 in Kontakt, so dass Wärme aus dem zweiten Kühlkreislauf 10, dem Ölkreislauf, im Wärmetauscher 19 an den Wärmetauscherflächen aus dem zweiten Kühlkreislauf 10 in den ersten Kühlkreislauf 4 übergeht.
Bezugszeichenliste

1: Elektrisches Antriebssystem
2: Getriebe
3: Inverter
4: Erster Kühlkreislauf
5: Einlass erster Kühlkreislauf
7: Gehäuse
7a, 7b: Gehäuseteile
8: Ölkühler
9: Boden
10: zweiter Kühlkreislauf
12: Kühlmantel erster Kühlkreislauf
12: a Kühlkanal am Kühlmantel
13: Auslass erster Kühlkreislauf
14: Elektrische Maschine
16: Ölsumpf
17: Ölfilter
18: Ölpumpe
19: Wärmetauscher
20: Öleinlass
21, 22: Ölauslässe
23: Stator
24: Rotor
25: Deckel Wärmetauscher
26: Rippen
27: Noppen
33: Siphon
34: Wand
35: Ölkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014215758 A1 [0004]

Claims

Elektrisches Antriebssystem (1), umfassend eine elektrische Maschine (14), ein an der elektrischen Maschine (14) angebundenes Getriebe (2) und ein Inverter (3), wobei das elektrische Antriebssystem (1) ein mindesten zweiteiliges Gehäuse (7) umfasst, und das elektrische Antriebssystem (1) zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe (4, 10) für den Inverter (3) und die elektrische Maschine (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühlkreisläufe (4,10) über einen Wärmetauscher (19) thermisch in Verbindung stehen, der zwischen dem Inverter (3) und der elektrischen Maschine (14) im Gehäuse (7) eingebaut ist.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (19) einen Boden (9) und einen Deckel (25) aufweist, die jeweils beide als Wärmetauscherfläche zwischen dem ersten und zweiten Kühlkreislauf (4,10) dienen.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (19) Strukturen zur Entlüftung des zweiten Fluids aufweist.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen Rippen (26) und Noppen (27) sind, die zur Anströmung durch das zweite Fluid verbaut sind.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (26) sich bündig zwischen Boden (9) und Deckel (25) des Wärmetauschers (19) erstrecken.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Noppen (27) sich mit Abstand zum Deckel (25) des Wärmetauschers (19) erstrecken.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Ölauslässe (20, 21) mit einer Wand (34) abgeschirmt sind.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Ölauslässe (20, 21) einen Siphon (33) aufweisen, der in einer verengten Ölleitung (35) mündet.