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Die Erfindung betrifft ein Aktivteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs aufweisend Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, einen Aktivteilkern zum Halten der Wicklungen und zum Leiten des von den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes, wobei die Wicklungen an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Aktivteilkerns Wickelköpfe ausbilden, und eine Kühleinrichtung zum Kühlen zumindest eines der Wickelköpfe. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Traktionsmaschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise zwei Aktivteile in Form von einem Stator und einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Zumindest der Stator weist eine magnetfelderzeugende Komponente in Form von Wicklungen auf, welche von einem Aktivteilkern, beispielsweise einem Blechpaket oder einem Eisenkern, gehalten werden. Die Wicklungen stehen an sich axial gegenüberliegenden Seiten des Aktivteilkerns über und bilden dort sogenannte Wickelköpfe aus. Zum Kühlen der Wicklungen ist der Aktivteilkern üblicherweise thermisch an ein gekühltes Außengehäuse des Aktivteils angebunden, wobei zum Abführen der Abwärme ein Wärmeleitpfad von den Wicklungen über den Aktivteilkern an das Außengehäuse gebildet wird. Insbesondere im Bereich der Wickelköpfe können sich jedoch lokale Überhitzungen bzw. Hotspots ausbilden, da diese einen im Vergleich zu den blechpaketinternen Wicklungsabschnitten längeren Wärmeleitpfad aufweisen. Durch diese Hotspots werden eine Dauerleistung und ein Betriebsbereich der elektrischen Maschine eingeschränkt. Zur Kühlung der Wickelköpfe sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 10 2017 220 856 A1 , passive Kühleinrichtungen in Form von Kühlkappen bekannt, welche auf die Wickelköpfe aufgesetzt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühleinrichtung zum Kühlen von Wickelköpfe einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welche eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Kühlleistung aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aktivteil, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Aktivteil für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs weist Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes und einen Aktivteilkern zum Halten der Wicklungen und zum Leiten des von den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes auf, wobei die Wicklungen an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Aktivteilkerns Wickelköpfe ausbilden. Außerdem weist das Aktivteil eine Kühleinrichtung zum Kühlen zumindest eines der Wickelköpfe auf. Die Kühleinrichtung ist schwerkraftgetrieben und weist zumindest ein Wickelkopfgehäuse, in welchem zumindest einer der Wickelköpfe angeordnet ist, und ein in dem Wickelkopfgehäuse angeordnetes Arbeitsmedium auf. Das Arbeitsmedium umgibt in einem flüssigen Zustand den zumindest einen Wickelkopf zumindest teilweise und ist dazu ausgelegt, eine Abwärme des zumindest einen Wickelkopfes durch Übergang in einen gasförmigen Zustand aufzunehmen. Außerdem weist die Kühleinrichtung zumindest einen an oder in dem Wickelkopfgehäuse angeordneten Kondenser, an welchen die Abwärme durch Kondensieren des in den gasförmigen Zustand übergegangenen Arbeitsmediums abgebbar ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, welche ein erstes Aktivteil in Form von einem Stator und ein zweites Aktivteil in Form von einem Rotor aufweist, wobei zumindest eines der Aktivteile, insbesondere der Stator, als ein erfindungsgemäßes Aktivteil ausgebildet ist. Die Aktivteile weisen jeweils einen Aktivteilkern auf, welcher beispielsweise als ein, im Falle des Stators hohlzylinderförmiges, Blechpaket aus axial gestapelten Elektroblechlamellen ausgebildet sein kann. Der Stator weist zur Erregung eines Magnetfeldes bestrombare Wicklungen auf. Im Falle einer fremderregten bzw. stromerregten elektrischen Maschine weist auch der Rotor bestrombare Wicklungen auf. Die Wicklungen stehen an den, sich axial in Längsrichtung gegenüberliegenden Stirnseiten des jeweiligen Aktivteilkerns über und bilden dort jeweils einen ringförmigen, kranzartigen Wickelkopf aus.
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Zum Kühlen der Wickelköpfe, insbesondere der statorseitigen Wickelköpfe, ist die schwerkraftgetriebene Immersionskühleinrichtung vorgesehen. Das Kühlprinzip beruht dabei auf Schwerkraftzirkulation des in dem zumindest einen Wickelkopfgehäuses eingeschlossenen Arbeitsmediums bzw. Arbeitsfluids. Insbesondere weist die Kühleinrichtung dazu für jeden Wickelkopf ein Wickelkopfgehäuse auf, welches einen hermetisch bzw. fluiddicht abgeschlossenen Hohlraum ausbildet, in welchem der jeweilige Wickelkopf angeordnet und in das flüssige Arbeitsmedium eingetaucht ist. Anders ausgedrückt befindet sich der jeweilige Wickelkopf in einem in dem Hohlraum eingeschlossenen Immersionsbad. Das Arbeitsmedium ist insbesondere eine dielektrische Flüssigkeit. Sobald eine Temperatur des Wickelkopfes einen arbeitsmediumspezifischen Schwellwert überschreitet, verdampft das Arbeitsmedium und geht somit unter Aufnahme der Wickelkopfabwärme von dem flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Das Arbeitsmedium ist dabei hinsichtlich seiner Phasenübergangstemperatur an den Betriebsbereich der elektrischen Maschine angepasst. Anders ausgedrückt verdampft das Arbeitsmedium spätestens dann, wenn eine vorbestimmte, erlaubte Maximaltemperatur des Wickelkopfes erreicht ist.
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Das als Dampf vorliegende gasförmige Arbeitsmedium steigt entlang einer der Schwerkraft entgegengesetzten Aufstiegsrichtung auf und kondensiert unter Abgabe der Abwärme an dem Kondenser, welcher in Aufstiegsrichtung oberhalb des Wickelkopfes angeordnet ist. Das Arbeitsmedium geht also wieder von dem gasförmigen in den flüssigen Zustand über. Der Kondenser kann beispielsweise als eine Kühlrippenstruktur ausgebildet und an einer Innenseite des Wickelkopfgehäuses angeordnet sein. Die Längsachse des Aktivteils, welche entlang einer Rotationsachse des Rotors der elektrischen Maschine orientiert ist, ist dabei insbesondere quer zur Aufstiegsrichtung orientiert. Das kondensierte, als Flüssigkeitstropfen vorliegende Arbeitsmedium fällt von dem Kondenser in Richtung der Schwerkraft bzw. Gravitation wieder nach unten, wo es zur Kühlung des Wickelkopfes erneut verdampfen kann. Das Arbeitsmedium zirkuliert also schwerkraftgetrieben in dem Wickelkopfgehäuse, sodass auf Pumpen oder Dochtstrukturen verzichtet werden kann. Die Kühleinrichtung ist also besonders einfach ausgebildet.
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Besonders bevorzugt weist das Aktivteil ein Außengehäuse auf, in welchem der Aktivteilkern und die Wicklungen angeordnet sind und welches zumindest einen mit dem Kondenser thermisch gekoppelten Kühlbereich zum Abführen der Abwärme von dem Kondenser an das Außengehäuse aufweist. Das Außengehäuse ist insbesondere flüssigkeitsgekühlt und kann somit die an den Kondenser abgegebene Abwärme aufnehmen und abführen. Dazu ist der zumindest eine Kühlbereich insbesondere als ein kühlmittelführender Strömungskanal ausgebildet. Der Strömungskanal kann beispielsweise mäanderförmig ausgebildet sein und sich axial über eine gesamte Länge des Aktivteils erstrecken. Das Außengehäuse weist somit ein Kühlwassermantel auf, an welchen der Aktivteilkern und damit die aktivteilkerninternen Wicklungsabschnitte sowie der Kondenser und damit die aktivteilkernexternen Wickelköpfe thermisch angebunden sind. Das Außengehäuse kann auch als ein Gehäuse der elektrischen Maschine ausgebildet sein, in welchem beide Aktivteile angeordnet sind.
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Vorzugsweise weist die Kühleinrichtung für jeden Wickelkopf ein Wickelkopfgehäuse auf, wobei jedes Wickelkopfgehäuse unter Ausbildung eines ringförmigen Hohlraumes für das Arbeitsmedium und den jeweiligen Wickelkopf durch eine Stirnseite des Aktivteilkerns, einen Wandbereich des Außengehäuses und ein Wandelement begrenzt ist. Wandungen des jeweiligen Wickelkopfgehäuses sind also durch die Stirnseite des Aktivteilkerns, das Außengehäuse und das Wandelement gebildet. Eine Seitenwand des Außengehäuses kann beispielsweise anliegend an einer Außenseite des Aktivteilkerns angeordnet sein und Deckel des Außengehäuses können überlappend mit den Stirnseiten des Aktivteilkerns angeordnet sein. Eine Bodenwandung eines Wickelkopfgehäuses kann durch eine Stirnseite des Aktivteilkerns gebildet sein. Eine Deckelwandung des Wickelkopfgehäuses kann durch einen Deckel des Außengehäuses gebildet sein. Eine äußere Seitenwandung des Wickelkopfgehäuses kann durch einen Seitenwandbereich des Außengehäuses gebildet sein, welcher sich axial zwischen der Stirnseite des Aktivteilkerns und dem Deckel des Außengehäuses erstreckt. Eine innere Seitenwandung des Wickelkopfgehäuses kann durch das Wandelement gebildet sein, welches sich axial zwischen der Stirnseite des Aktivteilkerns und dem Deckel des Außengehäuses erstreckt. So wird ein ringförmiger, hermetisch abgeschlossener Hohlraum begrenzt, in welchem der Wickelkopf und das Arbeitsmedium angeordnet sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Aktivteilkern zumindest einen Kühlkanal auf, welcher sich zumindest teilweise entlang der Wicklungen axial durch den Aktivteilkern erstreckt und welcher mit dem zumindest einen Wickelkopfgehäuse zum Leiten des Arbeitsmediums entlang der Wicklungen fluidisch gekoppelt ist. Der Kühlkanal grenzt dabei insbesondere unmittelbar an die aktivteilkerninternen Wicklungsabschnitte an, sodass das flüssige Arbeitsmedium axial in den Aktivteilkern eindringen kann und insbesondere direkt innerhalb der Maschine bzw. an den Wicklungen verdampfen kann. Die Dampfblasen steigen dann axial in Richtung Wickelköpfe und dann zum Kondenser auf, wo das Arbeitsmedium wieder verdampfen kann. In dieser Ausführungsform erstreckt sich der zumindest Strömungskanal des Außengehäuses nur überlappend mit dem Kondenser entlang einer Umfangsrichtung des Außengehäuses und ist dazu ausgelegt, das Kühlmittel entlang der Umfangsrichtung zum Abtransportieren der Abwärme zu leiten. Dadurch, dass die Abwärme der Wicklungsabschnitte innerhalb des Aktivteilkerns über das Arbeitsmedium in das Wickelkopfgehäuse abtransportiert wird, ist eine, beispielsweise mäanderförmige, Geometrie des Strömungskanals, welche sich über eine gesamte axiale Länge des Blechpakets erstreckt, nicht mehr notwendig. Die Geometrie des Strömungskanals kann also vereinfacht werden, sodass in vorteilhafter Weise Kosten und Arbeitsschritte eingespart werden können.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug und weist die zumindest eine elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Aktivteil vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Maschine; und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Maschine.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen Ausführungsformen einer elektrischen Maschine 1, welche beispielsweise als Antriebsmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Die elektrische Maschine 1 weist ein erstes Aktivteil 2 in Form von einem Stator 3 und ein zweites Aktivteil 4 in Form von einem Rotor 5 auf. Der Rotor 5 ist mit einer Welle 6 zur Drehmomentübertragung drehfest verbunden und innerhalb des Stators 3 drehbar gelagert. Eine Rotationsachse des Rotors 5 ist dabei entlang einer Längsachse L der elektrischen Maschine 1 orientiert. Die Aktivteile 2, 4 weisen jeweils ein Aktivteileisen 7 auf, welches beispielsweise als ein Blechpaket 8 ausgebildet ist. Außerdem weist zumindest der Stator 3 zur Erregung eines Magnetfeldes Wicklungen 9 auf, welche an axial (entlang der Längsachse L) gegenüberliegenden Stirnseiten 10 des Blechpakets 8 Wickelköpfe 11 ausbilden.
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Die Aktivteile 2, 4 sind in einem Außengehäuse 12 angeordnet, welches zumindest einen Strömungskanal 13 für ein Kühlmittel aufweist. Das Außengehäuse 12 ist anliegend an dem Blechpaket 8 des Stators 3 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1 gemäß 1 ist der Strömungskanal 13 als ein Wassermantel ausgebildet, welcher sich über eine gesamte axiale Länge des Außengehäuses 12 und damit der Aktivteile 2, 4 erstreckt. Zum Kühlen der Wicklungen 9 des Stators 3 wird dabei ein radialer Wärmeleitpfad über das Blechpaket 8 an den Wassermantel ausgebildet. Ausgehend von den Wickelköpfen 11 ist dieser Wärmeleitpfad jedoch sehr lang, sodass diese über den Wassermantel nur unzureichend gekühlt werden können. So können sich Hotspots an den Wickelköpfen 11 ausbilden.
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Zum Kühlen der Wickelköpfe 11 ist eine schwerkraftgetriebene Kühleinrichtung 14 vorgesehen. Durch diese Kühleinrichtung 14 wird der Stator 3 entlang der Wickelköpfe 11 um ein Immersionsbad erweitert, sodass diese direkt gekühlt werden können und damit die Ausbildung der Hotspots verhindert werden kann. Das Immersionsbad kann realisiert werden, indem durch die Stirnseiten 10 des Blechpaketes 8, das Außengehäuse 12 und ein Wandelement 15 unter Ausbildung jeweils eines hermetisch abgeschlossenen Hohlraumes 16 Wickelkopfgehäuse 17 realisiert werden. Diese durch die Wickelkopfgehäuse 17 gebildeten Hohlräume 16, in welchen die Wickelköpfe 11 angeordnet sind, werden bis zu einem Stand mit einem Arbeitsmedium 18 in Form von einer inerten Flüssigkeit aufgefüllt, sodass die Wickelköpfe 11 untergetaucht sind.
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Dieses Arbeitsmedium 18 bzw. Arbeitsfluid kann je nach gewünschtem Temperaturniveau nach einer arbeitsmediumspezifischen Sättigungstemperatur bzw. Phasenwechseltemperatur ausgewählt werden. Wird diese Phasenwechseltemperatur erreicht, setzt auf den Oberflächen der als Wärmequellen fungierenden Wickelköpfe 11 eine Verdampfung unter Aufnahme der Phasenwechselenthalpie ein. Dieser Prozess verhindert einen weiteren Anstieg der Temperatur am Wickelkopf 11. Beispielsweise kann ein Arbeitsmedium 18 eingesetzt werden, welches ab einer Temperatur von ca. 128°C den Phasenzustand ändert und damit eine stark limitierende Wirkung auf die Hotspot-Temperatur hat. Die entstehende Dampfphase, also das verdampfte Arbeitsmedium 18`, steigt anschließend dichtegetrieben auf, wo sich in jedem der Wickelkopfgehäuse 17 ein Kondenser 19 bzw. eine Kondensationsstruktur der Kühleinrichtung 14 befindet. Eine solche Kondensationsstruktur 19 kann beispielsweise als Rippen ausgebildet sein. Der Kondenser 19 ist thermisch mit dem zumindest einem Strömungskanal 13 des Außengehäuses 12 gekoppelt und gibt somit die Abwärme an das in dem Strömungskanal 13 zirkulierende Kühlmittel ab.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1 gemäß 2 weist das Blechpaket 8 zumindest einen Kühlkanal 20 auf, welcher mit zumindest einem der Hohlräume 16 fluidisch gekoppelt ist. Dazu wird das Blechpaket 8 beispielsweise derart angepasst, dass das Arbeitsmedium 18 entlang der Wicklungen 9 axial eindringen kann. Damit kann der Phasenwechsel axial entlang des gesamten Stators 3 stattfinden und die Abwärme der Wicklungen 9 latent aufgenommen werden. Dieses Prinzip erlaubt die Reduktion des Strömungskanals 13 auf einen kleineren Bereich entlang der Kondenser 19.
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Darüber hinaus ist eine Erweiterung des Konzepts um eine Pumpe möglich. Diese kann die Temperatur des Arbeitsmediums 18 homogenisieren, Wärmeübergänge entlang der Oberflächen durch Konvektion intensiveren und damit die Temperaturniveaus effektiv reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017220856 A1 [0002]
