DE102013106675A1

DE102013106675A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102013106675A1
Application number: DE102013106675.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Hinrich
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (14) für einen Elektro- oder Hybridantrieb (10) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rotor (20), einem Stator (22), mindestens einem Wärmetauscher (44) und einem den Rotor (20), den Stator (22) und den Wärmetauscher (42) in seinem Inneren (30) einhausenden Gehäuse (32). Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse (32) gasdicht ausgebildet ist und dass der Rotor (20), der Stator (22) und der Wärmetauscher (44) im Inneren (30) des Gehäuses (32) von einer Atmosphäre aus Helium umgeben sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Elektro- oder Hybridantrieb (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Elektro- oder Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rotor, einem Stator, mindestens einem Wärmetauscher und einem den Rotor, den Stator und den Wärmetauscher in seinem Inneren einhausenden Gehäuse. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Elektro- oder Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs.
Eine solche elektrische Maschine ist aus der DE 10 2010 063 973 A1 bekannt. Diese beschreibt eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einer Rotorwelle, einem an der Rotorwelle drehfest fixierten Rotor, der eine Anzahl an sich in axialer Richtung der Rotorwelle erstreckenden Durchbrüchen aufweist, einem den Rotor umgebenden Stator, einem Gehäuse, das den Stator und den Rotor umgibt. Im Inneren des Gehäuses ist ein Mittel zur Erzeugung einer Luftströmung in einem geschlossenen Luftkreislauf vorgesehen, wobei die axialen Durchbrüche des Rotors und ein Wärmetauscher in den geschlossenen Luftkreislauf eingebunden sind.
Eine Begrenzung des zulässigen Leistungsdurchsatzes durch eine elektrische Maschine ist die thermische Belastung der Wicklungen im Wickelkopf der Statorspulen und der Permanentmagnete im Rotor. Ist es möglich die Verlustwärme effektiver abzuführen und dadurch die Temperatur zu senken, ist es gleichermaßen möglich eine höhere Maschinenleistung bei gleichbleibendem Bauraum sicherzustellen. Diese Anforderung ist besonders relevant für den Dauerbetrieb bei hohen Leistungen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, die ein verbessertes Abführen von Verlustwärme der lokalen Wärmequellen der elektrischen Maschine ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass das Gehäuse gasdicht ausgebildet ist und dass der Rotor (Läufer), der Stator (Ständer) und der mindestens eine Wärmetauscher im Inneren des Gehäuses von einer Atmosphäre aus Helium umgeben sind. Die elektrische Maschine ist mit dem gasdicht versiegelten Gehäuse der elektrischen Maschine (dem Maschinengehäuse) umschlossen. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst also die Füllung des Gehäuses mit Heliumgas. Die deutliche erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Heliums gegenüber Luft ermöglicht einen erhöhten Wärmetransport von den thermisch kritischen Bauteilen (also den lokalen Wärmequellen), wie Kupferwicklungen und Permanentmagneten von Rotor beziehungsweise Stator hin zu den Wärmesenken, insbesondere dem mindestens einen Wärmetauscher. Prinzipiell kann die elektrische Maschine als Elektromotor, als Generator oder als Kombination von beidem, einem sogenannten Motorgenerator, ausgebildet sein. Die elektrische Maschine ist bevorzugt als Innenläufer ausgebildet, bei dem der Rotor (der Läufer) von dem Stator (dem Ständer) umfänglich umgeben ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher mindestens einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkörper auf, dessen Oberfläche zumindest teilweise von der Atmosphäre aus Helium umspülbar ist. Es ergibt sich dabei eine Ausgestaltung des internen Wärmetauschers, bei dem der Wärmetransfer zwischen der Gasfüllung und dem kühlmediumgekühlten Kühlkörper besonders groß ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher mindestens einen Kühlkanal auf, der über äußere Anschlüsse der elektrischen Maschine zur Bildung eines Kühlsystems an externe Kühlkomponenten anschließbar ist. Durch das Verschalten des Wärmetauschers mit den externen Kühlkomponenten entsteht ein Kühlkreislauf.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Kühlkörper Kühlrippen aufweist. Durch diese Kühlrippen wird die für den Wärmetransport effektiv nutzbare Oberfläche des Kühlkörpers erhöht. Alternativ wird die Oberfläche des Kühlkörpers durch andere geeignete Maßnahmen erhöht.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Maschine mindestens ein Mittel zur Erzeugung einer Helium-Gasströmung in dem Inneren des Gehäuses auf. Dieses Mittel umfasst insbesondere einen Ventilator/Lüfter. Dieser ist bevorzugt als Radial-Ventilator ausgebildet. Der Wärmeaustauch wird durch eine erzwungene Umspülung der Wärmequellen und -senken, mit Hilfe des internen Lüfters, unterstützt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Maschine eine mit dem Rotor drehfest verbundenene oder drehfest verbindbare Abtriebswelle auf, die vom Rotor im Inneren des Gehäuses bis aus dem Gehäuse herausführt und mittels einer Wellenabdichtung gehäuseseitig abgedichtet ist.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Maschine eine mit dem Rotor drehfest verbundenene oder drehfest verbindbare Eingangswelle auf, die von außen in das Innere des Gehäuses hereinführt und mittels einer Wellenabdichtung gehäuseseitig abgedichtet ist. Eine solche Eingangswelle wird insbesondere bei einem Hybridantrieb benötigt. Dabei ist eine Brennkraftmaschine (ein Verbrennungsmotor) des Hybridantriebs über diese Eingangswelle mit der als Antriebsmaschine des Hybridantriebs ausgebildeten elektrischen Maschine drehfest verbindbar oder verbunden.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine mindestens eine Trennkupplung aufweist. Diese Trennkupplung oder zumindest eine von mehreren solcher Trennkupplungen ist eine Trennkupplung zur wählbaren Trennung/Verbindung der Eingangswelle mit dem Rotor oder der Abtriebswelle mit dem Rotor. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass diese Trennkupplung zwischen die Eingangswelle und den Rotor oder zwischen den Rotor und die Abtriebswelle zwischengeschaltet und ebenfalls im Inneren des Gehäuses angeordnet ist.
Mit Vorteil weist die elektrische Maschine in ihrem Inneren Strömungsleitelemente auf. Mittels dieser Elemente wird der Helium-Gasstrom gezielt zu den Wärmequellen und Wärmesenken geleitet.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Elektro- oder Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer vorstehend beschriebenen elektrischen Maschine. Bei einem Elektroantrieb ist die elektrische Maschine die einzige elektrische Maschine des Fahrzeug-Antriebs oder eine von mehreren elektrischen Maschinen dieses Antriebs. Bei einem Hybridantrieb ist neben der elektrischen Maschine im Antrieb des Kraftfahrzeugs auch eine andere Maschine. Insbesondere eine Brennkraftmaschine, vorhanden. Ein solcher Hybridantrieb kann als paralleler Hybridantrieb oder als serieller Hybridantrieb ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigt die
1 eine schematische Darstellung eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und einer elektrischen Maschine als Antriebsmaschinen und mit einem nachgeschalteten Getriebe.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Hybridantrieb 10 eines Kraftfahrzeugs. Dieser Hybridantrieb weist eine Brennkraftmaschine 12, eine elektrische Maschine 14 und ein der Brennkraftmaschine 12 und der elektrischen Maschine 14 nachgeschaltetes Getriebe 16 auf. Dabei sind die Brennkraftmaschine 12, die elektrische Maschine 14 und das Getriebe 16 entlang einer Haupt-Rotationsache 18 räumlich hintereinander in einer Reihe angeordnet. Der gezeigte Hybridantrieb ist als paralleler Hybridantrieb ausgebildet, bei dem die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Maschine als Antriebsmaschine(n) wirken kann beziehungsweise können.
Die elektrische Maschine 14 weist einen auf dieser Haupt-Rotationsache 18 angeordneten Rotor 20 und einen den Rotor 20 außenumfänglich umgebenden Stator 22 auf. Bei der elektrischen Maschine 14 handelt es sich somit um einen Innenläufer. Der Stator 22 weist ein Stator-Blechpaket 24 mit einliegenden Wicklungen 26 auf, die mehrere Statorspulen bilden. Die Wicklungen 26 dieser Statorspulen bilden an den – bezüglich der Haupt-Rotationsachse 18 – axialen Enden jeweils einen Wickelkopf. Der Rotor 20 weist an seinem Außenumfang eine Anordnung von Permanentmagneten 28 auf, die im Betrieb der elektrischen Maschine 14 mit den Statorspulen in Wechselwirkung treten.
Rotor und Stator 20, 22 sind im Inneren 30 eines Gehäuses 32 der elektrischen Maschine 14 angeordnet. Eine auf der Haupt-Rotationsache 18 liegende Eingangswelle 34 der elektrischen Maschine 14 ist über eine ebenfalls im Inneren 30 des Gehäuses 32 angeordnete und von außen betätigbare Trennkupplung 36 mit dem Rotor 20 der elektrischen Maschine 14 drehfest verbindbar. Die Eingangswelle 18 der elektrischen Maschine 14 wird dabei von einer Abtriebswelle, z.B. der Kurbelwelle, der Brennkraftmaschine 12 gebildet. Die Eingangswelle 18 führt von außen in das Innere 30 des Gehäuses 32 herein und ist mittels einer Wellenabdichtung 38 gehäuseseitig abgedichtet.
Auf der der Eingangswelle 34 gegenüberliegenden Seite des Rotors 20 ist eine mit dem Rotor 20 drehfest verbundene Abtriebswelle 40 angeordnet. Diese führt aus dem Gehäuse 32 heraus und ist mittels einer weiteren Wellenabdichtung 42 gehäuseseitig abgedichtet. Diese Welle 40 ist drehfest mit einer Getriebeeingangswelle verbunden oder wird von einer solchen Getriebeeingangswelle gebildet.
Das Gehäuse 32 ist als gasdichtes Gehäuse ausgebildet. Das Innere 30 des Gehäuses 32 ist mit Heliumgas gefüllt, sodass der Rotor 20, der Stator 22 und ein sich ebenfalls im Inneren 30 des Gehäuses 32 befindlicher Wärmetauscher 44 von einer Atmosphäre aus Helium umgeben sind.
Der Wärmetauscher 44 weist einen im Inneren 30 des Gehäuses 32 angeordneten und von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkörper 46 auf, dessen Oberfläche von der Atmosphäre aus Helium umspülbar ist. Der Kühlkörper 46 seinerseits weist mehrere Kühlrippen 48 auf. Das Kühlmedium ist insbesondere Wasser H₂O oder ein Wasser-Glykol-Gemisch.
Der Wärmetauscher 44 weist mindestens einen (nicht gezeigten) Kühlkanal auf, der über äußere Anschlüsse (Pfeile 50) der elektrischen Maschine 14 zur Bildung eines Kühlsystems an (nicht gezeigte) externe Kühlkomponenten anschließbar ist.
Es ergeben sich folgende Funktion und folgende Vorteile:
Das Innere 30 der elektrischen Maschine 14 ist mit dem gasdicht versiegelten Gehäuse 32 umschlossen. Die elektrische Maschine 14 umfasst die Füllung des Gehäuses 32 mit Heliumgas. Die gegenüber Luft deutliche erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Heliums ermöglicht einen erhöhten Wärmetransport von den thermisch kritischen Bauteilen, wie Wicklungen 26 und Permanentmagneten 28, hin zu den Wärmesenken, insbesondere dem Kühlkörper 46 des Wärmetauschers 44. Der Wärmeaustauch kann optional, durch eine erzwungene Umspülung der Wärmequellen und -senken, mit Hilfe eines internen Lüfters 8 nicht gezeigt), unterstützt werden.
Die besondere Herausforderung liegt in der Darstellung des gasdichten Gehäuses 32, besonders im Bereich der Wellenabdichtungen 38, 42. Der Druckbereich im versiegelten Gehäuse 32 kann so gewählt werden, dass die Gasdichtigkeit der Dichtelemente optimal ist. Das Wärmeleitvermögen bleibt unverändert.
Das Heliumgas steht im direkten Kontakt mit den zu kühlenden Bauteilen 26, 28 und kann daher besonders kurzfristige Kühlbedarfe bei hochdynamischem Betrieb abdecken, die über eine relativ trage Wasserkühlung nicht zu befriedigen sind Die Entwärmung der Gasfüllung erfolgt hauptsächlich über den internen Wärmetauscher 44, der die aufgenommene Energie entweder über Wasser oder andere Kühlmedien in die Umgebung abgibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010063973 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine (14) für einen Elektro- oder Hybridantrieb (10) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rotor (20), einem Stator (22), mindestens einem Wärmetauscher (44) und einem den Rotor (20), den Stator (22) und den Wärmetauscher (42) in seinem Inneren (30) einhausenden Gehäuse (32), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (32) gasdicht ausgebildet ist und dass der Rotor (20), der Stator (22) und der Wärmetauscher (44) im Inneren (30) des Gehäuses (32) von einer Atmosphäre aus Helium umgeben sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (44) mindestens einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkörper (46) aufweist, dessen Oberfläche zumindest teilweise von der Atmosphäre aus Helium umspülbar ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (44) mindestens einen Kühlkanal aufweist, der über äußere Anschlüsse der elektrischen Maschine (14) zur Bildung eines Kühlsystems an externe Kühlkomponenten anschließbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (46) Kühlrippen aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Mittel zur Erzeugung einer Helium-Gasströmung in dem Inneren des Gehäuses (30).
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit dem Rotor (20) drehfest verbundenene oder drehfest verbindbare Abtriebswelle (40), die aus dem Gehäuse (32) herausführt und mittels einer Wellenabdichtung (42) gehäuseseitig abgedichtet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit dem Rotor (20) drehfest verbundenene oder drehfest verbindbare Eingangswelle (34), die von außen in das Innere (30) des Gehäuses (32) hereinführt und mittels einer Wellenabdichtung (38) gehäuseseitig abgedichtet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen die Eingangswelle (34) und den Rotor (20) oder zwischen den Rotor (20) und die Abtriebswelle (34) zwischengeschaltete Trennkupplung (36), die ebenfalls im Inneren (30) des Gehäuses (32) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (14) in ihrem Inneren (30) Strömungsleitelemente aufweist.
Elektro- oder Hybridantrieb (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.