DE102021106887A1

DE102021106887A1 - Temperiervorrichtung bei einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021106887A1
Application number: DE102021106887.8A
Authority: DE
Inventors: David Ehrenberger
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022194785A1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Temperiervorrichtung bei einer elektrischen Maschine (1), welche Maschine (1) einen radial außenliegenden Stator (2) und einen radial innerhalb des Stators (2) angeordneten Rotor (3) aufweist, wobei zwischen Stator (2) und Rotor (3) ein umlaufender Rotorspalt (4) ausgebildet ist, der Stator (2) von einen hülsenförmigen Statorträger (5) umgeben ist, und der Statorträger (5) stirnseitig durch jeweils einen Lagerschild (6, 7) verschlossen ist, sodass ein Maschinen-Innenraum (8) gebildet ist, durch welche Lagerschilde (6, 7) eine Welle (9) des Rotors (3) drehbar gelagert ist, die Temperiervorrichtung aufweisend:eine Kühlhülse (12), welche Kühlhülse (12) den Statorträger (5) in einem Abschnitt umgibt und die zwischen sich und dem Statorträger (5) einen ersten Strömungsraum (SR1) für ein erstes Temperierfluid (TF1) ausbildet;eine äußere Einhüllung (16), welche Einhüllung (16) die Kühlhülse (12) in einem Abschnitt umgibt und die zwischen sich und der Kühlhülse (12) einen zweiten Strömungsraum (SR2) für ein zweites Temperierfluid (TF2) ausbildet;bei der der zweite Strömungsraum (SR2) fluidleitend mit dem Maschinen-Innenraum (8) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung bei einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1.
Eine solche Maschine umfasst regelmäßig einen radial außenliegenden Stator und einen radial innerhalb des Stators angeordneten, drehbaren Rotor, wobei zwischen Stator und Rotor ein umlaufender Rotorspalt ausgebildet ist. Der Stator ist von einen hülsenförmigen Statorträger umgeben, und dieser Statorträger ist stirnseitig durch jeweils einen Lagerschild verschlossen, sodass ein Maschinen-Innenraum gebildet ist, durch welche Lagerschilde eine Welle des Rotors drehbar gelagert ist.
Aus der DE 10 2018 109 421 A1 ist ein Temperiermodul für ein Elektromodul, insbesondere für einen Elektromotor, bekannt, das eine zum im Wesentlichen vollständigen Aufnehmen des Elektromoduls ausgebildete Ummantelung aufweist, welche Ummantelung einen rohrförmigen Wandabschnitt umfasst und nachfolgend auch als „Kühlhülse“ bezeichnet ist. In dem rohrförmigen Wandabschnitt ist wenigstens ein gewellter Bereich vorhanden, in dem die Ummantelung eine Mehrzahl von insbesondere parallel zueinander verlaufenden Wellen aufweist, welche Wellen sich im Wesentlichen quer zu einer Längsachse des rohrförmigen Wandabschnitts erstrecken und gemeinsam an wenigstens einem ihren jeweiligen ersten und zweiten Endabschnitte in einen zugeordneten Verteiler- und Sammelkanal der Ummantelung übergehen. Weiterhin existiert wenigstens eine Zuleitung für ein Temperierfluid, welche Zuleitung in den Verteiler- und Sammelkanal mündet, und eine Ableitung für das Temperierfluid, welche Ableitung aus dem Verteiler- und Sammelkanal ausgeleitet oder abgezweigt ist.
Eine solche Kühlhülse (abgekürzt: CSL) kann vorteilhafter Weise eine elektrische Maschine bzw. ein Elektromodul über die äußere Mantelfläche des Statorträgers entwärmen bzw. allgemein temperieren. Sie ist einfach und kostengünstig herzustellen und benötigt nur einen geringen Bauraum. Bei Maschinen mit erhöhter Leistungsdichte kann die Kühlleistung allerdings zu gering ausfallen. Dies kann dazu führen, dass Maschinen mit Kühlhülse relativ früh ins sog. „Derating“ gehen müssen, um Schäden am System zu vermeiden. Hierbei wird die Leistung reduziert, um (thermische) Schäden am System auszuschließen. Durch die relativ geringe thermische Belastbarkeit ist somit nur ein eingeschränkt transienter Betrieb möglich. Speziell bei Automobil-Anwendungen (elektrische Maschine als Traktionsmotor) leidet das Fahrerlebnis.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Temperierung einer elektrischen Maschine zu erreichen. Dabei soll auf einen (zusätzlichen) externen Wärmetauscher verzichtet werden, um so Bauraum und Kosten zu sparen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird eine Temperiervorrichtung bei einer elektrischen Maschine, welche Maschine einen radial außenliegenden Stator und einen radial innerhalb des Stators angeordneten Rotor aufweist, wobei zwischen Stator und Rotor ein umlaufender Rotorspalt ausgebildet ist, der Stator von einen hülsenförmigen Statorträger umgeben ist, und der Statorträger stirnseitig durch jeweils einen Lagerschild verschlossen ist, sodass ein Maschinen-Innenraum gebildet ist, durch welche Lagerschilde eine Welle des Rotors drehbar gelagert ist. Die Temperiervorrichtung weist auf: eine Kühlhülse (CSL), welche Kühlhülse vorzugsweise dünnwandig und metallisch ausgebildet ist, die den Statorträger in einem Abschnitt umgibt und die zwischen sich und dem Statorträger einen ersten Strömungsraum für ein erstes Temperierfluid ausbildet, sowie eine äußere Einhüllung, welche Einhüllung die Kühlhülse in einem Abschnitt umgibt und zwischen sich und der Kühlhülse einen zweiten Strömungsraum für ein zweites Temperierfluid ausbildet. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Strömungsraum fluidleitend mit dem Maschinen-Innenraum verbunden ist.
Es wird demnach vorgeschlagen, ein vorbekanntes Kühlhülsen-Temperiermodul (nachfolgend auch als „EMH“ bezeichnet) mit einer zusätzlichen äußeren Einhüllung für ein zweites Temperierfluid zu versehen, wobei die Kühlhülse als Wärmetauscher zwischen erstem und zweitem Temperierfluid fungiert. Durch das zweite Temperierfluid ist eine Temperierung des Innenraums und speziell auch des Rotors der elektrischen Maschine möglich, sodass die Temperierwirkung deutlich erhöht werden kann.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass die Kühlhülse zumindest bereichsweise gewellt ausgebildet ist und vorzugsweise im Bereich ihrer Wellentäler an dem Statorträger anliegt, höchst vorzugsweise fluiddicht, z.B. stoffschlüssig. Dadurch lässt sich ein guter Wärmeaustausch und eine gezielte Strömungsführung erreichen. Letztere kann diagonal oder aber auch helixförmig (Schraubengang) ausgebildet sein.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht vor, dass der zweite Strömungsraum fluidleitend mit dem Rotorspalt verbunden ist. Dadurch kann der Rotor in dem genannten Bereich gezielt temperiert werden.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, einen axial durchbrochenen Lagerschild (oder auch Lagerring) zu verwenden, um eine Zirkulation des zweiten (oder sekundären) Temperierfluids, die optional durch ein auf dem Rotor montiertes Kreiselpumpenrad getrieben sein kann, durch den Rotorspalt und entgegengesetzt zwischen CSL-Außenwand und äußerer Einhüllung zu bewirken. Zusätzlich oder alternativ kann hierfür auch ein radial durchbrochener Statorträger verwendet werden. Das sekundäre Temperierfluid nimmt bevorzugt beim Durchgang durch den Rotorspalt die Wärme von Rotor und Stator innen sowie ggf. von den Wickelköpfen und etwaigen Lagern auf und gibt diese bei der äußeren Rückführung in radial negativer Richtung an die CSL ab. Die CSL überträgt die Wärme bevorzugt an einen Primärkühlkreislauf, welcher selbige aus dem System abführt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung kann sich dadurch auszeichnen, dass die Einhüllung als Gussgehäuse ausgeführt ist, welches die Integration von Zusatzfunktionen wie Anschraubpunkten ermöglicht.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb vor, dass bei der die Einhüllung als Gussgehäuse ausgebildet ist.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung kann sich dadurch auszeichnen, das EMH mit Statorträger, Kühlhülse und Lagerschilden gegenüber der äußeren Einhüllung körperschallentkoppelnd zu lagern. Vorzugsweise kann dies durch Einbringen wenigstens eines Elastomerteils, vorzugsweise aus NBR, gelingen. Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, kurz auch Nitrilkautschuk, Kurzzeichen AB und NBR (Nitrile Butadiene Rubber), ist ein Copolymer aus Acrylnitril und 1,3-Butadien und zählt zu den Synthesekautschuken.
Vulkanisate des Kautschuks haben eine hohe Beständigkeit gegen Mineralöle, Fette und Kohlenwasserstoffe.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb vor, dass Statorträger, Kühlhülse und/oder Lagerschilde gegenüber der Einhüllung körperschallentkoppelnd gelagert sind, vorzugsweise durch Einbringung eines Elastomerteils, höchst vorzugsweise aus NBR.
Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung kann sich dadurch auszeichnen, dass ein Hohlzylinder, vorzugsweise ausgeführt als längsnahtgeschweißter Rohrabschnitt, als äußere Einhüllung verwendet wird. Eine solche Einhüllung ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb vor, dass die Einhüllung als Hohlzylinder, vorzugsweise als längsnahtgeschweißter Rohrabschnitt, ausgebildet ist.
Die Wärmeübertragung vom zweiten (oder sekundären) Temperierfluid oder Sekundärfluid zum ersten (oder primären) Temperierfluid oder Primärfluid kann durch die Einbringung von Sicken oder Dellen in die Einhüllung positiv über die korrelierenden Strömungsverhältnisse beeinflusst werden. Zusätzlich kann/können optional zwischen CSL und äußerer Einhüllung ein oder mehrere Elemente zur Verbesserung der Wärmeübertragung eingebracht sein. Diese/s ist/sind vorzugsweise konduktiv stoffschlüssig, höchst vorzugsweise durch Löten oder Schweißen, an die CSL angebunden. Die Sicken können darüber hinaus eine strömungsführende Funktion übernehmen.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb vor, dass die Einhüllung radial nach innen vorspringende Sicken oder Dellen oder anderweitige Strukturen aufweist, die der Wärmeübertragung und/oder Strömungsführung dienen können.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb insbesondere vor, dass zwischen Kühlhülse und Einhüllung Elemente zur Verbesserung der Wärmeübertragung eingebracht sind, vorzugsweise wärmeleitend, höchst vorzugsweise stoffschlüssig, an die Kühlhülse angebunden.
Auch um die äußere Einhüllung positiv bezüglich ihrer akustischen Abstrahleigenschaften auszugestalten, kann selbige eine Strukturierung aufweisen, beispielsweise in Form von Sicken, die sich optional lokal auf der CSL abstützt und somit selbige mechanisch kontaktiert. Dieser Kontakt kann weiterhin mechanisch vorgespannt sein. Die Vorspannung kann vorzugsweise durch einen thermischen Pressverband realisiert werden.
Speziell kann dabei in Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung vorgesehen sein, dass die Einhüllung die Kühlhülse punktuell berührt, insbesondere im Bereich der Sicken oder Dellen oder anderweitigen Strukturen, wie oben genannt, vorzugsweise unter Vorspannung, z.B. als thermischer Pressverband. Alternativ können die Einhüllung und die CSL auch stoffschlüssig verbunden sein.
Das im Sekundärkreislauf (zweiter Strömungsraum und Maschinen-Innenraum) verwendete zweite Temperierfluid kann sowohl als Gas als auch als Flüssigkeit ausgeführt sein und ist vorzugweise dielektrisch; höchst vorzugsweise kommt Luft oder Öl zum Einsatz. Ein solches Fluid hat elektrisch isolierende Eigenschaften. Zusätzlich sind auch eine hohe Wärmespeicherkapazität und Wärmeleitfähigkeit wichtige, vorteilhafte Eigenschaften des zweiten Temperierfluids.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb insbesondere vor, dass in dem zweiten Strömungsraum ein Gas oder eine Flüssigkeit enthalten ist, vorzugsweise mit dielektrischen Eigenschaften, höchst vorzugsweise Luft oder Öl.
Der Sekundärkreislauf kann aufgeteilt sein, um einerseits die Wickelköpfe/den Rotorspalt und anderseits den Rotor durch eine Hohlwelle hindurch zu entwärmen.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb insbesondere vor, dass die Rotorwelle eine Hohlwelle ist, durch die zumindest ein Teil des zweiten Temperierfluids geführt oder führbar ist.
Um das zweite Temperierfluid einfach und gezielt leiten zu können, sieht eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung insbesondere vor, dass wenigstens einer der Lagerschilde wenigstens einen Durchbruch aufweist zum Hindurchleiten des zweiten Temperierfluids in den Maschinen-Innenraum oder aus dem Maschinen-Innenraum.
Weiterhin kann der Sekundärkreislauf durch ein Invertergehäuse oder dgl. geleitet werden, um zusätzlich die Leistungselektronik, optional zusätzlich zum Primärkreislauf, zu kühlen. Das Invertergehäuse kann optional beispielsweise tangential oder radial zur elektrischen Maschine (E-Maschine) positioniert sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass eine weitere (radial außenliegend angeordnete) Wärmequelle radial negativ (also nach innen) durch die Einhüllung entwärmt wird. Hierfür können Elemente zur verbesserten Wärmeübertragung an das Sekundärfluid (zweite Temperierfluid) konduktiv leitfähig, vorzugsweise stoffschlüssig, an der Einhüllung angebracht sein.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb insbesondere vor, dass ein Strömungsweg für das zweite Temperierfluid zwischen Einhüllung und Maschinen-Innenraum gebildet ist durch ein an die Maschine angesetztes Gehäuseteil, vorzugsweise axial oder radial.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht entsprechend zusätzlich insbesondere vor, dass in dem Gehäuseteil wenigstens ein zu temperierendes Bauteil, insbesondere eine Elektronikkomponente, angeordnet ist.
Es kann in dem Kontext auch vorgesehen sein, das Bauteil wärmeleitend mit dem ersten Strömungsraum zu verbinden, vorzugsweise über wenigstens eine Ausnehmung in einem der Lagerschilde, welche Ausnehmung mit dem ersten Strömungsraum in fluidleitender Verbindung steht. Das Bauteil kann dabei an oder auf dem Lagerschild angeordnet sein, vorzugsweise an/auf einem zusätzlichen Blechteil. Das Blechteil kann auch für einen Verschluss der genannten Ausnehmung sorgen.
Ist als Sekundärfluid ein Öl vorgesehen, so kann die Strömungsführung derart ausgestaltet ein, dass zumindest ein Teilmassenstrom durch in den Lagerschilden vorgesehene Lager, welche vorzugsweise als Wälzlager ausgeführt sind, strömt, um selbige zu entwärmen und gleichzeitig zu schmieren.
Eine entsprechende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht deshalb insbesondere vor, dass ein Strömungsweg für das zweite Temperierfluid zwischen Einhüllung und Maschinen-Innenraum durch ein in einem der Lagerschilde angeordnetes Lager, vorzugsweise Wälzlager, oder nah an diesem Lager vorbeigeführt ist.
Besonders effizient ist die Temperierwirkung, wenn die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung zusätzlich noch mit einer Umwälzeinrichtung für das zweite Temperierfluid versehen ist.
Die Umwälzeinrichtung kann bei entsprechender Weiterbildung der Erfindung wenigstens ein Pumpenrad, vorzugsweise Kreiselpumpenrad, zum Fördern des zweiten Temperierfluids aufweisen, wobei das Pumpenrad insbesondere auf der Rotorwelle angeordnet sein kann.
Weiterhin kann zusätzlich zu einem Pumpenrad oder anstelle desselben eine von der Rotordrehzahl unabhängige Umwälzeinrichtung (innerhalb oder außerhalb der Einhüllung) vorgesehen sein, welche das zweite Temperierfluid motor- bzw. rotordrehzahlunabhängig fördert, um beispielsweise auch im Stillstand nachkühlen zu können.
Entsprechend kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Umwälzeinrichtung zusätzlich oder alternativ ein von einer Rotordrehung unabhängiges Fördermittel aufweist.
Das weiter oben erwähnte Öl kann vorteilhafter Weise auch zur Schmierung und Entwärmung eines Getriebes verwendet werden. Die Umwälzung erfolgt dann bevorzugt über eine (zusätzliche) externe Pumpe. Hierbei wird der sonst benötigte Wärmetauscher des Getriebeöls eingespart und dessen Funktion durch die CSL und die Einhüllung übernommen.
Im Sekundärkreislauf oder in Wirkverbindung mit diesem kann zusätzlich ein Heizelement eingebracht sein, um die Maschine vor Betrieb zu konditionieren. Insbesondere Lagervorspannungen und Luftspalte können dadurch ab Betriebsstart im nötigen Intervall gehalten werden.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sieht insbesondere vor, dass das zweite Temperierfluid in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb der Temperiervorrichtung zwischen Maschinen-Innenraum und zweitem Strömungsraum geführt ist. Diese Ausgestaltung ist besondere einfach und kostengünstig zu realisieren.
Dagegen kann eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung vorsehen, dass diese zum Wärmetausch bezüglich des ersten Temperierfluids mit einer außerhalb der Temperiervorrichtung angeordneten Wärmetauscheinrichtung verbunden oder verbindbar ist. Eine solche Wärmetauscheinrichtung ist insbesondere bei Automobilen ohnehin vorhanden.
Entsprechend kann in Weiterbildung der Erfindung noch vorgesehen sein, dass das erste Temperierfluid Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung ist, wie sie ebenfalls bei Automobilen regelmäßig vorhanden ist.
Die Einhüllung kann einstückig mit einem der Lagerschilde ausgeführt sein, sodass weniger Einzelteile zu verarbeiten sind. Sie kann zusätzliche Versteifungsrippen, Anschraubpunkte oder dgl. aufweisen.
Die Einhüllung kann weitere Kühlstrukturen insbesondere für eine zusätzliche Elektronikkühlung aufweisen. Außerdem kann außen auf der Einhüllung ein weiteres zu entwärmendes Bauteil (z.B. ein Elektronikbauteil) angeordnet sein.
Der Stator kann zusätzliche Kühlkanäle oder -Nuten aufweisen, um die Kühlwirkung zu verbessern. Gleiches gilt für den Rotor.
Der Bereich des Rotorspalts kann abgedichtet sein, um eine Kühlströmung auf den Bereich der genannten Kühlkanäle oder -Nuten zu begrenzen.
Vorteilhafter Weise ist eine Variante mit radialer Wickelkopfbenetzung durch die Rotorhohlwelle vorgesehen. Dazu kann beiderseits des Rotors auf der Rotorwelle ein Pumpenrad oder dgl. angeordnet sein, um für die Umwälzung des zweiten Temperierfluids zu sorgen. Die Pumpenräder können für eine (radiale) Fluidströmung in den Bereich der genannten Wickelköpfe (des Stators) sorgen.
Zur besseren Entwärmung des Sekundärfluids können in einem Lagerschild (zusätzliche) Durchbrüche vorgesehen sein, die sich bis in den Bereich der gennannten Ausnehmungen erstrecken.
Bei einer Variante kann die Einhüllung einteilig mit dem einen Lagerschild ausgebildet sein. Außerdem kann an der Einhüllung ein (zusätzlicher) Ein- und Auslass für eine separate Elektronikkühlung mit weiteren Kühlstrukturen innerhalb der Einhüllung vorhanden sein, um einen zusätzlichen Kühlkreislauf zu realisieren.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Temperiervorrichtung teilweise im Längsschnitt;
2 zeigt eine erste Variante der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung teilweise im Längsschnitt;
3 zeigt eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung teilweise im Längsschnitt;
4 zeigt eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung teilweise im Längsschnitt;
5 zeigt eine vierte Variante der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung teilweise im Längsschnitt;
6 zeigt eine fünfte Variante der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung teilweise im Längsschnitt; und
7 zeigt eine sechste Variante der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung teilweise im Längsschnitt.

Die 1 zeigt eine Temperiervorrichtung bei einer elektrischen Maschine, welche Maschine als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist, teilweise im Längsschnitt (Längsachse L). Sie umfasst einen radial außenliegenden Stator 2 und einen radial innerhalb des Stators 2 angeordneten Rotor 3, wobei zwischen Stator 2 und Rotor 3 ein umlaufender Rotorspalt 4 ausgebildet ist. Der Stator 2 ist von einen hülsenförmigen Statorträger 5 umgeben, und der Statorträger 5 ist stirnseitig durch jeweils einen Lagerschild 6, 7 verschlossen, sodass ein Maschinen-Innenraum 8 gebildet ist. Durch die Lagerschilde 6, 7 ist eine (Abtriebs-)Welle 9 des Rotors drehbar gelagert, vorzugsweise mittels Wälzlagern 10, 11. Die eigentliche Temperiervorrichtung umfasst eine gewellte Kühlhülse 12 aus dünnwandigem Metallblech, welche Kühlhülse den Statorträger 5 in einem Abschnitt umgibt und die zwischen sich und dem Statorträger 5 einen ersten Strömungsraum SR1 für ein erstes Temperierfluid TF1 (z.B. Wasser-Glykol-Gemisch) ausbildet. Die Kühlhülse 12 liegt im Bereich ihrer Wellentäler 12a dichtend am Statorträger 5 an.
Der erste Strömungsraum SR1 umfasst auch den Bereich zwischen sowie Ausnehmungen 13 in dem Lagerschild 7, die mit einem Blech 14 axial verschlossen sind, untereinander aber in Fluidverbindung stehen. Der erste Strömungsraum SR1 zwischen Kühlhülse 12 und Statorträger 5 steht in fluidleitender Verbindung mit einem externen Wärmetauscher 15. Bevorzugt gelangt das erste Temperierfluid TF1 von dem Wärmetauscher 15 gemäß dem strichpunktierten Pfeil (radial von außen) in den Bereich der Ausnehmungen 13 und von dort über einen axialen Durchbruch 7a in dem Lagerschild 7 in den Bereich zwischen Kühlhülse 12 und Statorträger 5, wo es letzteren zumindest teilweise umströmt. Von dort aus wird das erste Temperierfluid TF1 zu dem Wärmetauscher 15 zurückgeführt, was nicht detailliert dargestellt ist.
Weiterhin vorgesehen ist eine äußere Einhüllung 16, vorzugsweise aus einem (metallischen) Gussmaterial, welche Einhüllung 16 die Kühlhülse 12 in einem Abschnitt umgibt und die zwischen sich und der Kühlhülse 12 einen zweiten Strömungsraum SR2 für ein zweites Temperierfluid TF2, vorzugsweise Öl, ausbildet. Der zweite Strömungsraum SR2 ist über weitere axiale Durchbrüche 7b, 7c in dem Lagerschild 7 fluidleitend mit dem Maschinen-Innenraum 8 verbunden, wie gezeigt. Die Verbindung ist geschaffen über ein axial angeordnetes Gehäuse 17 (Gehäusedeckel), welches ein auf dem Blech 14 angeordnetes Bauteil 18, vorzugsweise ein Leistungselektronik-Bauteil (z.B. Inverter) abdeckt. Das Bauteil 18 ist von dem Temperierfluid TF2 umströmt. Über das Blech 14 steht das Bauteil 18 (auch) in Wärme leitendem Kontakt mit dem ersten Strömungsraum SR1 und dem ersten Temperierfluid TF1.
In dem Maschinen-Innenraum 8 teilt sich der Strom des zweiten Temperierfluids TF2 auf: ein erster Teilstrom TF2.1 strömt durch den Rotorspalt 4, ein zweiter Teilstrom TF2.2 durch die als Hohlwelle ausgebildete Welle 9. Auf dieser Welle 9 sitzt ein Pumpenrad 19, welches als Umwälzeinrichtung für die Umwälzung des zweiten Temperierfluids TF2 sorgt. Es kann (alternativ oder zusätzlich) eine weitere, insbesondere von einer Drehung der Welle 9 unabhängige Umwälzeinrichtung vorgesehen sein, was nicht dargestellt ist. Die Welle 9 weist bei Bezugszeichen 9a Durchbrüche auf, über die der zweite Teilstrom TF2.2 wieder aus der (Hohl-)Welle 9 austreten kann, wie gezeigt.
Über einen stirnseitigen Kanal 20a gelangt das zweite Temperierfluid TF2 dann wieder in den Bereich zwischen äußerer Einhüllung 16 und Kühlhülse 12. Der Kanal 20a ist in einem Anschlussteil 20 angeordnet, welches Anschlussteil 20 den zweiten Strömungsraum SR2 nach außen verschließt und zum Anbringen des Lagerschilds 6 dient.
Bevorzugt strömt das zweite Temperierfluid TF2 nahe genug an den Lagern 10, 11 vorbei, um auch diese zu temperieren und ggf. zu schmieren.
Die Einhüllung 16 kann auch als Hohlzylinder, vorzugsweise als längsnahtgeschweißter Rohrabschnitt, ausgebildet sein. Des Weiteren kann sie radial nach innen vorspringende Sicken oder Dellen oder anderweitige Strukturen aufweisen, was in der Figur nicht gezeigt ist. Außerdem kann es zweckmäßig sein, wenn zwischen Kühlhülse 12 und Einhüllung 16 Elemente (nicht gezeigt) zur Verbesserung der Wärmeübertragung eingebracht sind, vorzugsweise wärmeleitend, höchst vorzugsweise stoffschlüssig an die Kühlhülse 12 angebunden.
Auch kann die Einhüllung 16 die Kühlhülse 12 punktuell berühren, insbesondere im Bereich der genannten Sicken oder Dellen oder anderweitigen Strukturen, vorzugsweise unter Vorspannung. Auch dies ist in der Figur nicht gezeigt.
In dem zweiten Strömungsraum SR2 kann ein (nicht gezeigtes) Heizelement zum Beheizen des zweiten Temperierfluids angeordnet sein.
Das zweite Temperierfluid TF2 strömt gemäß der Figur in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb der Temperiervorrichtung zwischen Maschinen-Innenraum 8 und zweitem Strömungsraum SR2 (über den Innenraum des Gehäuses 17 und durch die Durchbrüche/Kanäle 7b, 7c, 20a).
Zum Wärmetausch bezüglich des ersten Temperierfluids TF1 ist die Temperiervorrichtung bzw. die Maschine 1 mit einer außerhalb der Temperiervorrichtung angeordneten Wärmetauscheinrichtung (Wärmetauscher) 15 verbunden bzw. verbindbar, wie erwähnt. Die Wärmetauscheinrichtung beinhaltet auch die zugehörigen Förder- und Bevorratungsmittel für das erste Temperierfluid TF1, bei dem es sich bevorzugt - wie schon erwähnt - um Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung handelt.
Die Pfeile in der 1 symbolisieren den Strom des zweiten Temperierfluids TF2; die Strömung des ersten Temperierfluids TF1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit zeichnerisch dargestellt.
2 zeigt eine ähnliche Temperiervorrichtung bei einer elektrischen Maschine wie 1. Hier und im Folgenden wird deshalb nur auf die wesentlichen Unterschiede näher eingegangen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder zumindest gleich wirkende Elemente. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht immer alle Elemente explizit (erneut) bezeichnet. Es darf insofern auf 1 verwiesen werden.
In 2 erfolgt ein Fluiddurchgang für das zweite Temperierfluid TF2 durch den Statorträger 5 (links, Durchbruch 5a) oder durch den Übergang Statorträger-Anschlussteil (rechts, Bezugszeichen 20, 20a). Die Kühlhülse (CSL) 12 ist gegenüber der Ausgestaltung in 1 axial verkürzt ausgebildet mit bevorzugt radialer Beschickung (nicht dargestellt) des Primärkühlfluids (erstes Temperierfluid TF1, vgl. 1).
Radial außerhalb an der Einhüllung 16 ist eine äußere zusätzliche Wärmequelle 21 angebracht, z.B. eine Elektronikkomponente, die ganz oder auch nur teilweise umlaufend ausgebildet sein kann. Die Entwärmung erfolgt radial nach innen über die Einhüllung 16, wie dargestellt (Q). Zu diesem Zweck ist ein Wärmeübertragungselement 22 vorzugsweise stoffschlüssig im Inneren der Einhüllung 16 angebunden. Das Wärmeübertragungselement 22 kann optional auch an der CSL 12 angebunden sein (nur rechts bei Bezugszeichen 22a dargestellt), und zwar elastisch vorgespannt oder durch Stoffschluss.
Optional kann insbesondere eine einstückige Ausführung eines Lagerschilds 6, 7 und der Einhüllung 16 vorgesehen sein (hier nicht dargestellt, vgl. 7). Dies ist nicht auf die Ausgestaltung gemäß 2 beschränkt. Dadurch lässt sich speziell eine Übernahme von Tragfunktionen (Festigkeit und Steifigkeit) erreichen. Außerdem können Anschraubpunkte, Verrippungen für Steifigkeit und als Wärmeleitelemente, etc. direkt im Gussmaterial der Einhüllung 16 (sofern entsprechend ausgebildet) ausgebildet werden (vgl. 7).
Gemäß 2 ist noch vorgesehen, dass ein Sekundärfluiddurchgang durch Kanäle 2a im Stator 2 bzw. durch entsprechende Statornuten erfolgt. Auch der Rotor 3 kann entsprechend ausgebildet sein (nicht dargestellt).
In 3 ist eine Variante mit schematisch dargestellter drehzahlunabhängiger Umwälzeinrichtung 23 gezeigt, die in den zweiten Strömungsraum zwischen Einhüllung 16 und Statorträger 5 angeordnet ist. Sie wird über einen weiteren radialen Durchbruch 5b des Statorträgers 5 mit dem zweiten Temperierfluid versorgt. Zusätzliche Abdichtelemente 24a, b sorgen für eine Abdichtung des Rotorspalts 4, um eine Aufheizung des Fluids durch Scherung zu vermeiden. Dieses Merkmal ist nicht auf die Ausgestaltung gemäß 3 beschränkt, sofern die Kanäle 2a bzw. entsprechende Statornuten vorhanden sind.
Das Wärmeleitelement bzw. Wärmeübertragungselement 22 ist zur Oberflächenvergrößerung und besseren Wärmeübertragung wärmeleitend an die Kühlhülse 12 angebunden.
4 zeigt eine Variante mit externer Umwälzeinrichtung 23' und weiterer Wärmequelle 25 (Heizelement, nur schematisch dargestellt). Das Anschlussteil 20 weist entsprechend zwei Kanäle 20b, c auf, um das zweite Temperierfluid aus dem Maschinen-Innenraum 8 (vgl. 1) zu dem Heizelement 25 und der Umwälzeinrichtung 23' und von dort in die Einhüllung 16 zu leiten.
Das Bauteil 18 bzw. die weitere Wärmequelle kann hier bzw. bei alle Ausführungsformen auch ein zu kühlendes Getriebe sein, welches direkt axial über den Lagerschild 7 mit Sekundärfluid versorgt wird.
Die Ausführungsform gemäß 5 ist ähnlich derjenigen in 1 ausgeführt. Es handelt sich um eine Variante mit Elastomer-Entkopplung des Stators 2. Dazu ist dieser bei Bezugszeichen 26 rechts und links mittels jeweils eines Elastomerteils am Lagerschild 7 bzw. am Anschlussteil 20 gelagert, welches Elastomerteil 26 bevorzugt aus NBR hergestellt ist. Das Elastomerteil besitzt eine Entkopplungs- und Dichtfunktion (letztere hinsichtlich des zweiten Temperierfluids).
Die 6 zeigt eine Variante mit radialer Wickelkopfbenetzung durch die Rotorhohlwelle 9. Die Wickelköpfe sind bei Bezugszeichen 2b gezeigt (und grundsätzlich bei allen Ausgestaltungen vorhanden). Dazu ist in Abwandlung der 1 beiderseits des Rotors 3 auf der Welle 9 ein Pumpenrad 19 bzw. 19' angeordnet, welche als Umwälzeinrichtung für die Umwälzung des zweiten Temperierfluids sorgen. Die Welle 9 weist beidseitig bei Bezugszeichen 9a, 9a' Durchbrüche auf, über die der zweite Teilstrom (vgl. 1) wieder aus der (Hohl-)Welle 9 austreten kann, wie gezeigt. Die Pumpenräder 19,19' können grundsätzlich entbehrlich sein, weil die (radiale) Fluidströmung auch durch Fliehkraft entstehen kann.
Links in 6 ist noch eine mögliche Entwärmung des Sekundärfluids über die im Lagerschild 7 integrierten Primärkühlkanäle (Ausnehmungen 13; vgl. 1) gezeigt. Dazu sind in dem Lagerschild 7 zusätzlich Durchbrüche 7d vorgesehen, die sich bis in den Bereich der Ausnehmungen 13 erstrecken.
Zuletzt zeigt 7 eine Variante ähnlich der Ausgestaltung in 5, mit Rippen 27 und Anschraubpunkten 28 an der hier einteilig mit dem Lagerschild 7 ausgebildeten Einhüllung 16. Der Ein- und Auslass 29 sorgt für die Zufuhr und Abfuhr des ersten Temperierfluids zu den Ausnehmungen 13 im Lagerschild 7 zwecks gezielter Entwärmung des Bauteils 18. Von dort gelangt das genannte Fluid in den Bereich zwischen Kühlhülse 12 und Statorträger 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018109421 A1 [0003]

Claims

Temperiervorrichtung bei einer elektrischen Maschine (1), welche Maschine (1) einen radial außenliegenden Stator (2) und einen radial innerhalb des Stators (2) angeordneten Rotor (3) aufweist, wobei zwischen Stator (2) und Rotor (3) ein umlaufender Rotorspalt (4) ausgebildet ist, der Stator (2) von einen hülsenförmigen Statorträger (5) umgeben ist, und der Statorträger (5) stirnseitig durch jeweils einen Lagerschild (6, 7) verschlossen ist, sodass ein Maschinen-Innenraum (8) gebildet ist, durch welche Lagerschilde (6, 7) eine Welle (9) des Rotors (3) drehbar gelagert ist, die Temperiervorrichtung aufweisend: eine Kühlhülse (12), welche Kühlhülse (12) den Statorträger (5) in einem Abschnitt umgibt und die zwischen sich und dem Statorträger (5) einen ersten Strömungsraum (SR1) für ein erstes Temperierfluid (TF1) ausbildet; eine äußere Einhüllung (16), welche Einhüllung (16) die Kühlhülse (12) in einem Abschnitt umgibt und die zwischen sich und der Kühlhülse (12) einen zweiten Strömungsraum (SR2) für ein zweites Temperierfluid (TF2) ausbildet; bei der der zweite Strömungsraum (SR2) fluidleitend mit dem Maschinen-Innenraum (8) verbunden ist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kühlhülse (12) zumindest bereichsweise gewellt ausgebildet ist und vorzugsweise im Bereich ihrer Wellentäler (12a) an dem Statorträger (5) anliegt.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite Strömungsraum (SR2) fluidleitend mit dem Rotorspalt (4) verbunden ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Einhüllung (16) als Gussgehäuse ausgebildet ist, vorzugsweise einstückig mit einem der Lagerschilde (7).
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der Statorträger (5), Kühlhülse (12) und/oder wenigstens einer der Lagerschilde (6) gegenüber der Einhüllung (16) körperschallentkoppelnd gelagert sind, vorzugsweise durch Einbringung eines Elastomerteils (26), höchst vorzugsweise aus NBR.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Einhüllung (16) als Hohlzylinder, vorzugsweise als längsnahtgeschweißter Rohrabschnitt, ausgebildet ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Einhüllung (16) radial nach innen vorspringende Sicken oder Dellen oder anderweitige Strukturen (22) aufweist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zwischen Kühlhülse (12) und Einhüllung (16) Elemente (22) zur Verbesserung der Wärmeübertragung eingebracht sind, vorzugsweise wärmeleitend, höchst vorzugsweise stoffschlüssig, an die Kühlhülse (12) angebunden.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Einhüllung (16) die Kühlhülse (12) punktuell berührt, insbesondere im Bereich der Sicken oder Dellen oder anderweitigen Strukturen (22) gemäß Anspruch 7, vorzugsweise unter Vorspannung.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der in dem zweiten Strömungsraum (SR2) als das zweite Temperierfluid (TF2) ein Gas oder eine Flüssigkeit enthalten ist, vorzugsweise mit dielektrischen Eigenschaften, höchst vorzugsweise Luft oder Öl.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Rotorwelle (9) eine Hohlwelle ist, durch die zumindest ein Teil (TF2.2) des zweiten Temperierfluids (TF2) geführt oder führbar ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der wenigstens einer der Lagerschilde (7) wenigstens einen Durchbruch (7c, 7d) aufweist zum Hindurchleiten des zweiten Temperierfluids in den Maschinen-Innenraum (8) oder aus dem Maschinen-Innenraum (8).
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der ein Strömungsweg für das zweite Temperierfluid (TF2) zwischen Einhüllung (16) und Maschinen-Innenraum (8) gebildet ist durch ein an die Maschine (1) angesetztes Gehäuseteil (17), vorzugsweise axial oder radial.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 13, bei der in dem Gehäuseteil (17) wenigstens ein zu temperierendes Bauteil (18), insbesondere eine Elektronikkomponente, angeordnet ist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Bauteil (18) wärmeleitend mit dem ersten Strömungsraum (SR1) verbunden ist, vorzugsweise über wenigstens eine Ausnehmung (13) in einem der Lagerschilde (7).
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der ein Strömungsweg für das zweite Temperierfluid (TF2) zwischen Einhüllung (16) und Maschinen-Innenraum (8) durch wenigstens ein in wenigstens einem der Lagerschilde (6, 7) angeordnetes Lager (10, 11), vorzugsweise Wälzlager, oder nah an diesem Lager (10, 11) vorbei geführt ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einer Umwälzeinrichtung für das zweite Temperierfluid (TF2).
Temperiervorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Umwälzeinrichtung wenigstens ein Pumpenrad (19, 19'), vorzugsweise Kreiselpumpenrad, zum Fördern des zweiten Temperierfluids (TF2) aufweist.
Temperiervorrichtung nach Anspruch 18, bei der das Pumpenrad (19, 19') auf der Rotorwelle (9) angeordnet ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der die Umwälzeinrichtung zusätzlich oder alternativ ein von einer Rotordrehung unabhängiges Fördermittel (23, 23') aufweist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der in oder in Wirkverbindung mit dem zweiten Strömungsraum (SR2) ein Heizelement (25) zum Beheizen des zweiten Temperierfluids (TF2) angeordnet ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der das zweite Temperierfluid (TF2) in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb der Temperiervorrichtung zwischen Maschinen-Innenraum (8) und zweitem Strömungsraum (SR2) geführt ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, die zum Wärmetausch bezüglich des ersten Temperierfluids (TF1) mit einer außerhalb der Temperiervorrichtung angeordneten Wärmetauscheinrichtung (15) verbunden oder verbindbar ist.
Temperiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der das erste Temperierfluid (TF1) Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung ist.